DE3315441C2 - Ergometer - Google Patents

Abstract

Bei einem Ergometer mit einer als Belastungseinrichtung dienenden Wirbelstrombremse, die ein drehbar gelagertes, mittels einer Antriebseinrichtung (7 bis 11) in Rotation versetzbares Bremsrad (1) mit zylindrischem Ring (12) aus einem elektrisch leitenden Material sowie ein ortsfest angeordnetes Magnetsystem (2) aufweist, ist der erforderliche Luftspalt zwischen der Außenmantelfläche (12') des Ringes (12) und den gegen sie weisenden Polen des Magnetsystems (2) vorgesehen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Ergometer, das die Merkmale des Oberbegriffes des Anspruches 1 aufweist

Bei einem bekannten Ergometer dieser Art (DE-OS 056) wird die Bremsleistung der Wirbelstrombremse aus der Drehzahl des Bremsrades sowie der Größe des Erregerstromes des Magnetsystems der Wirbelstrombremse, welche ein Maß für das Drehmoment ist, bestimmt, und zwar mit Hilfe einer Rechner- und Prozessorschaltung, in welcher die Abhängigkeit des Drehmomentes vom Erregerstrom sowie der Drehzahl des Bremsrades gespeichert ist. Der Aufwand für die Ermittlung der Bremsleistung ist also relativ hoch. Dennoch ist die Genauigkeit, mit der die Bremsleistung bestimmt wird, in vielen Anwendungsfällen ungenügend, was darauf zurückzuführen ist, daß die Abhängigkeit zwischen dem magnetischen Fluß in der Wirbelstrombremse und dem Erregerstrom temperaturabhängig ist, und zwar in erster Linie wegen der Temperaturabhängigkeit der Größe des Luftspaltes zwischen dem Bremsrad und dem Magnetsystem.

Ungenau ist auch die Ermittlung der Bremsleistung bei einem anderen bekannten Ergometer (DE-GM 07 360), dessen Wirbelstrombremse einen das Bremsrad auf einem Teil seines Umfangs im Abstand in Umfangsrichtung übergreifenden Bügel aufweist, dessen anderes Ende mit einer Verstellvorrichtung verbunden ist, mittels deren der Abstand des Bügels von der Außenmantelfläche des Bremsrades einstellbar ist und die mit einer in Watt geeichten Skala gekoppelt ist. Da die den magnetischen Fluß der Wirbelstrombremse erzeugenden Dauermagneten an der Innenmantelfläche des Bügels angeordnet sind, ist somit der Luftspalt zwischen den Dauermagneten und dem Bremsrad und damit der das Bremsmoment bestimmende magnetische Fluß von der Einstellung des Bügels abhängig. Abgesehen davon, daß die an der Skala ablesbare Leistung nur für eine einzige Drehzahl gültig sein könnte, ist das Bremsmoment nicht nur von der Einstellung des Bügel;» abhängig,

ίο sondern auch von der temperaturabhängigen Größe des Luftspaltes zwischen den Dauermagneten und dem Bremsrad. Dieser Einfluß wird aber nicht berücksichtigt. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ergometer mit einer Wirbelstrombremse als Belastungseinrichtung zu schaffen, bei dem eine genauere Ermittlung der Bremsleistung mit einem geringeren Aufwand möglich ist Diese Aufgabe löst ein Ergometer mit den Merkmalen des Anspruches 1.

Die Vertiefungen in derjenigen Fläche des Bremsrades, zwischen der und den Polen des Magnetsystems der Luftspalt vorgesehen ist, bewirken, wenn sie an den Polen des Magnetsystems vorbeilaufen, eine vorübergehende Verringerung des magnetischen Flusses. Diese Flußänderung induziert in der Meßwicklung Spannungsimpulse. Die Größe der Spannungszeitfläche der Impulse ist abhängig vom wirksamen Bremsmoment. Eine Korrektur zur Berücksichtigung des Temperatureinflusses auf die Größe des Luftspaltes ist hierbei nicht erforderlich, weil die Größe der Spannungszeitfläche auf der tatsächlichen Größe des magnetischen Flusses beruht Die Impulsfrequenz ist von der Drehzahl des Bremsrades abhängig. Daher kann aus der Spannungszeitfläche der Impulse und deren Folgefrequenz die Bremsleistung ermittelt werden. Beispielsweise kann die in der Meßwicklung induzierte Spannung gleichgerichtet geglättet und linearisiert und danach einem Analog/ Digital-Wandler zugeführt werden. Mit dem Ausgangssignal dieses A/D-Wandlers kann ein Display gesteuert werden, das in Watt geeicht ist, Vj daß der angezeigte Wert der augenblicklichen Pedalleistung oder Bremsleistung entspricht.

Um trotz der Schwankungen des Magnetflusses die Verluste im Magnetsystem möglichst gering zu halten, wird zweckmäßigerweise für das Magnetsystem ein gebiechter Kern verwendet.

Die Vertiefungen in der vom magnetischen Fluß durchdrungenen Fläche des Bremsrades können die Form von Nuten oder Bohrungen haben. Damit die Vertiefungen den Mittelwert der Luftspaltgröße nicht beeinflussen, ist es zweckmäßig, den Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Vertiefungen relativ groß zu wählen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind deshalb die Vertiefungen um jeweils 90° in Umfangsrichtung des Bremsrades versetzt angeordnet. Pro Umdrehung des Bremsrades werden also nur vier Impulse erzeugt. Diese geringe Impulszahl reicht aus. Außerdem werden durch eine geringe Anzahl von Vertiefungen die Fertigungskosten des Bremsrades nicht nennenswert erhöht

Im folgenden ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels im einzelnen erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Seitenansicht der Wirbelstrombremse und eines Teils der Antriebsvorrichtung bei abgenommener Abdeckung,

Fig.2 einen vergrößert dargestellten Schnitt durch das Magnetsystem der Wirbelstrombremse und einen Teil von dessen Bremsrad.

Als Belastungseinrichtung für ein Ergometer ist eine aus einem Bremsrad 1 und einem Magnetsystem 2 bestehende Wirbelstrombremse vorgesehen. Das Bremsrad 1 ist, wie F i g. 1 zeigt, mit horizontaler Drehachse in einem Gestell drehbar gelagert, das als eine einfache Rohrschweißkonstruktion ausgebildet ist Von einem Grundrahmen 3 erstreckt sieh nach oben ein Träger 4, an dem nicht nur höhenverstellbar eine nicht dargestellte Stütze für einen ebenfalts nicht dargestellten Sattel befestigt ist, sondern auch zwei Holmpaare 5 und 6. Ersteres ist auch mit dem Grundrahmen 3 verbunden und trägt die Lagerung des Bremsrades 1. Das Holmpaar 6 trägt eine oberhalb des Bremsrades 1 angeordnete Lagerung für ein Radpaar 7 einer Antriebsvorrichtung, über welche die Drehbewegung einer nicht dargestellten Antriebswelle, mit der die Pedale tragende Kurbelarme verbunden sind, auf das Bremsrad 1 übertragen wird. Die Drehbewegung des Radpaares 7 wird mittels eines Zahnriemens 8, der das im Durchmesser größere Rad des Radpaares 7 umschlingt, auf ein gleichachsig neben dem Bremsrad 1 angeordnetes und mit diesem drehfest verbundenes Riemenrad 9 übertragen. Der Antrieb des Radpaares 7 erfolgt mittels einer Kette 10, die über das im Durchmesser kleinere Rad des Radpaares 7 und ein im Durchmesser größeres Kettenrad 11 geführt ist, welches am Träger 4 gelagert ist Der Antrieb des Kettenrades 11, der im Ausführungsbeispiel mittels einer zweiten Kette über ein neben dem Kettenrad 11 angeordnetes, im Durchmesser kleineres Kettenrad von der Antriebswelle her erfolgt, ist nicht dargestellt

Das aus Grauguß hergestellte und drei Speichen aufweisende Bremsrad 1 weist, wie F i g. 1 zeigt, einen die äußere Begrenzung bildenden, zur Drehachse konzentrischen, zylindrischen Ring 12 auf, der im Ausführungsbeispiel eine axiale Länge von 20 mm und einen Außen- durchmesser von etwa 350 mm hat Seine Dicke beträgt etwa 6 mm. Infolge der Speichen und der Größe dieses Ringes 12 hat das Bremsrad eine relativ große Schwungmasse, was ein angenehmes, ruckfreies Pedalieren beim Gebrauch des Ergometers sicherstellt.

Das Magnetsystem 2 ist, wie F i g. 1 zeigt, außerhalb des Ringes 12 an einem Holm 13 festgelegt und zwar im Ausführungsbeispiel mittels Schrauben. Der Holm erstreckt sich von der Lagerung des Bremsrades 1 radial nach außen über den Ring 12 hinaus und ist im Ausführungsbeispiel fest mit den übrigen Teilen des Gestells verbunden. Durch eine derartige Anordnung des Magnetsystems 2 bezüglich des Ringes 12 wird erreicht, daß die erwärmungsbedingte Verringerung des Luftspaltes der erwärmungjbedingten Abnahme der Wirbelstromverluste im Ring 12 entgegenwirkt, wodurch bei den erwähnten Abmessungen die Bremsleistung unabhängig von der Temperatur des Bremsrades konstant gehalten wird.

Das magnetische System 2 weist, wie F i g. 2 zeigt, einen £-Kern 14 aus Dynamoblechen auf. Die drei Schenkel des £-Kernes 14 sind gegen die Außenmantelfläche 12' des Ringes 12 gerichtet, und zwar derart, daß die Längsachse des mittleren Schenkels auf die Drehachse des Bremsrades 1 ausgerichtet ist, und damit lotrecht auf der Außenmantelfläche 12' steht. Die die Pole bildenden freien Enden der Schenkel des E-Kernes 14 sind an die Krümmung der Außenmantelfläche 12' angepaßt, und der £-Kern 14 ist so am Holm 13 festgelegt, daß der Luftspalt zwischen der Außenmantelfläche 12' und den drei Polen des £-Kernes 14 eine Größe von 0,2 mm hat.

Den mittleren Schenkel des £"-Kernes 14 umgibt eine Erregerwicklung 15, welche den größten Teil der beiden Fenster des £-Kernes 14 ausfüllt. Neben dieser Erregerwicklung 15 ist eine Meßwicklung 16 angeordnet, !m Ausführungsbeispiel liegt diese Meßwicklung 16 neben der der Außenmantelfläche 12' zugekehrten Seite der Erregerwicklung 15. Sie könnte aber auch auf der anderen Seite, innerhalb oder außerhalb der Erregerwicklung 15 liegen, da ihre Aufgabe darin besteht Schwankungen des magnetischen Flusses in eine Meßspannung umzuwandeln.

Schwankungen des vom Magnetsystem 2 erzeugten magnetischen Flusses, dessen Feldlinien den in Fig.2 durch die Linien 17 und 18 schematisch angedeuteten Verlauf hat entstehen bei einer Rotation des Bremsrades 1 dadurch, daß im Ring 12 Nuten 19 vorgesehen sind, die gleichmäßig über den Umfang des Ringes 12 verteilt angeordnet sind. Im Ausführungsbeispiel sind es vier Nuten 19, so daß sie um jeweils 90° gegeneinander versetzt sind. Die Nuten 19 sind zur Außenmantelfläche 12' hin offen, erstrecken sich über die gesamte axiale Länge des Ringes 12 und haben im i-üsführungsbeispiel eine Breite von 3 mm sowie eine Tiefe vc-n 4 mm.

Bewegen sich die Nuten 19 an den Polen des £-Kerns 14 vorbei, dann wird durch sie die effektive Größe des Luftspaltes deutlich vergrößert, was eine meßbare Verminderung des magnetischen Flusses zur Folge hat. Infolge der geringen Anzahl von Nuten 19 wird die Bremsleistung der Wirbelstrombremse praktisch nicht verringert

Für den Gebrauch des Ergometers wird das Magnetsystem 2 erregt Hierzu wird der durch die Erregerwicklung 15 fließende Erregerstrom so eingestellt, daß sich das gewünschte Bremsmoment ergibt Da dann, wenn das Bremsrad 1 rotiert, sich der Ring 12 durch das vom Magnetsystem 2 erzeugte Magnetfeld bewegt, werden im Ring 12 Wirbelströme induziert, was zu dem gewünschten Bremsmoment, aber auch zu einer Erwärmung des Bremsrades und insbesondere des Ringes 12 führt Die Erwärmung des Ringes 12 hat zum e'men zur Folge, daß die Verlustleistung, welche die Wirbelströme im Ring erzeugen, kleiner werden würde, falls einer Verminderung dieser Verlustleistung nicht entgegengewirkt werden würde. Zum anderen hat die Erwärmung des Ringes 12 eine Aufweitung desselben zur Folge, so daß mit zunehmender Erwärmung aer Luftspalt zwischen der Außenmantelfläche 12' und den Polen des £-Kernes 14 kleiner wird. Diese Verkleinerung des Luftspaltes hat bei konstant gehaltenem Strom durch die Erregerwicklung 15 eine Erhöhung des magnetischen Flusses zur Folge und zwar in einem Ausmaße, daß der Einfluß der Erwärmung des Ringes 12 auf die Erzeugung von Verlustleistung kompensiert wird. Daher bleibt auch während des Erwärmungsvorganges des Drenisrades die Bremsleistung zumindest nahezu konstant, so daß auf zusätzliche, aufwendige Maßnahmen zur Konstanthaltung der Bremsleistung verzichtet werden kann.

Die durch die Nuten 19 bedingten Schwankungen des magnetischen Fiirses führen dazu, daß in der Meßwicklung 16 eine Spannung induziert wird, die einen unterbrochenen, sinusähnlichen. Verlauf hat, also mit einer impulsförmigen Spannung verglichen werden kann. Die Impulsfolge oder Impulsfrequenz ist proportional der Drehzahl des Bremsrades 1. Die Spannungszeitfläche der Impulse ist ein Maß f'ir das wirksame Bremsmoment. Wenn man deshalb, wie dies bei dem Ausführungsbeispiel der FaI! ist, die in der Meßwicklung 16 induzierte, impulsförmige Spannung gleichrichtet und

glättet sowie linearisiert und sie dann einem Analog/Digital-Wandler zuführt, dann kann man mit dem Ausgangssignal des A/D-Wandlers ein Display ansteuern, das die momentane Bremsleistung, beispielsweise in Watt, anzeigt. Bei einer Berücksichtigung des Wirkungsgrades der Antriebseinrichtung kann auch die momentane Pedalleistung angezeigt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

IO

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Claims (5)

Patentansprüche:

1. Ergometer mit einer als Belastungseinrichtung dienenden Wirbelstrombremse, die ein drehbar gelagertes, mittels einer Antriebseinrichtung in Rotation versetzbares Bremsrad mit zylindrischem Ring aus einem elektrisch leitenden Material sowie ein ortsfest angeordnetes Magnetsystem aufweist, zwischen dessen gegen den Ring weisenden Polen und dem Ring ein Luftspalt vorhanden ist, und mit einer Einrichtung zur Ermittlung der Bremsleistung aufgrund des Drehmomentes und der Drehzahl des Bremsrades, dadurch gekennzeichnet, daß in derjenigen Fläche (12') des Bremsrades, zwischen der und den Polen des Magnetsystems (2) der Luftspalt vorgesehen ist, quer zur Laufrichtung sich erstrekkende Vertiefungen (19) vorgesehen sind, und daß das Magnetsystem (2) eine von dem sich über das Bremsrad. (1) schließenden magnetischen Fluß durchsetzte Meßwicklung (16) trägt

2. Ergometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwicklung (16) zusätzlich zu einer Erregerwicklung (15) vorgesehen ist.

3. Ergometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefungen (19) die Form von Nuten oder Bohrungen haben.

4. Ergometer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefungen (19) gleichmäßig über den Umfang des Bremsrades (1) verteilt, vorzugsweise um jeweils 90° versetzt, angeordnet sind.

5. Ergometer nacSi einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetsystem (2) einen geblechten Kern (14) ha~