DE3530746A1 - Wirbelstrombremse - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Wirbelstrombremse gemäß Oberbegriff des Anspruches 1.

Derartige bekannte Wirbelstrombremsen sind im allgemeinen so aufge­ baut, daß die Stator-Baugruppe drehgesichert gegenüber der Achse oder Welle, über die das Drehmoment in die Wirbelstrombremse ein­ geleitet wird, gelagert ist. Bei der Verwendung einer derartigen Wirbelstrombremse zum Beispiel in Fahrzeugen und insbesondere in Lastkraftwagen, wird die Stator-Baugruppe am Fahrzeugrahmen starr gehaltert. Schon allein aufgrund der Gewichtsrelation zwischen der Stator- und Rotor-Baugruppe sind der oder die Magnete, die das ent­ sprechende magnetische Feld erzeugen, in der Stator-Baugruppe inte­ griert.

Rotativ mit der das abzubremsende Drehmoment einleitenden Welle ist üblicherweise die Rotor-Baugruppe, die im wesentlichen zwei Rotorscheiben oder Rotorringe aufweist, verbunden.

Die Rotor-Baugruppe weist aus Gewichtsersparnisgründen primär eine Aluminiumscheibe auf, die mit Kühlrippen ausgebildet ist. In axialer Richtung gegenüberliegend zu den Polflächen der oder des Magneten weist die Rotor-Baugruppe Wirbelstrom-Polflächen auf, die im wesentlichen eine Kreisringfläche bilden und drehfest an der Alu-Scheibe der Rotor-Baugruppe angeordnet sind.

Zwischen den axial orientierten, kreisringförmigen Polflächen der Magnete und den Wirbelstrompolflächen ist man bestrebt einen rela­ tiv geringen Abstand einzuhalten. Dieser axialer Abstand zwischen Wirbelstrom-Polfläche und Polfläche ist jedoch dadurch begrenzt, daß man anstrebt, mittels der rotierenden Kühlrippen der Rotor- Baugruppe eine Luftzirkulation in diesen Abstand zu bringen, damit eine flächenmäßige Kühlung erreicht wird. Andererseits jedoch hat sich herausgestellt, daß nicht nur aufgrund unterschiedlicher Ma­ terialien, Al und Fe für den Rotor selbst und die Wirbelstrom- Polfläche, nach relativ kurzem Bremsbetrieb Verziehungen und Ver­ spannungen in der Wirbelstrom-Polfäche und der Rotor-Baugruppe auftreten. Diese resultieren aus der starken Temperaturerhöhung aufgrund der beim Brembetrieb im Material der Wirbelstrom-Polflächen hervorgerufenen Wirbelströme, die die mechanische über das Dreh­ moment eingeleitete Energie beim Abbremsen in Wärmeernergieverluste umwandeln.

Aufgrund des Verziehens und Verwerfens der Wirbelstrom-Polflächen und damit der Rotor-Baugruppe, kann es vorkommen, daß zum Beispiel ein ursprünglich vorhandener Spaltabstand von 1 mm auf bis zu 4 oder 5 mm beim Bremsbetrieb vergrößert wird. Schon allein hierdurch ist die magnetische Induktion zwischen den Polflächen der Magnete und der oder den Wirbelstrom-Polflächen stark reduziert, so daß eine beträchtliche Abnahme der Bremsleistung dadurch bedingt ist. Hinzu kommt, daß durch den starken Temperaturanstieg im Material der Wir­ belstrom-Polflächen eine starke Annäherung möglicherweise ein Über­ schreiten der Curie-Temperatur auftritt, was zu einem starken, ge­ gebenenfalls sogar zu einem vollständigen Verlust der magmetischen Eigenschaften in der Wirbelstrom-Polfläche führt.

Diese Nachteile können daher unter sicherheitstechnischen und zu­ verlässigen Gesichtspunkten bei Wirbelstrombremsen nicht akzeptiert werden. Einer Änderung dieser Nachteile stehen jedoch bisher Küh­ lungsprobleme und Fliehkraftprobleme entgegen.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, eine Wirbelstrombremse der gattungsge­ mäßen Art so zu gestalten, daß mit einem relativ einfachen Kon­ struktionsprinzip eine erhöhte Sicherheit und Zuverlässigkeit mit nach Möglichkeit verbesserter Bremswirkung erreicht wird.

Diese Aufgabe wird bei der Erfindung durch den kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 gelöst. Der Kernaspekt der Erfindung geht daher da­ hin, die Wirbelstrom-Polflächen bzw. den sich axial über eine bestimm­ te Stärke erstreckenden Wirbelstromring im Materialinneren gekühlt auszubilden. Diese innere Kühlung kann parallel zu einer äußerlich wirkenden Luftkühlung, zum Beispiel über entsprechende Kühlrippen, noch zusätzlich ergänzt werden.

Der wesentliche Vorteil, den man mit dieser inneren Materialkühlung erreicht, kann darin gesehen werden, daß Materialausdehnungen auf­ grund einer Erwärmung der Wirbelstrom-Polfläche in dem entsprechen­ den Dimensionsbereich nahezu vollständig ausgeschlossen werden kön­ nen. Hierdurch ist es sogar möglich, die axialen Spaltabstände von etwa 1 mm zwischen der Wirbelstrom-Polfläche und der Polfläche der Magnete weiter, zum Beispiel auf 0,5 m,m zu reduzieren. Dies bringt eine erhebliche Erhöhung der Bremsleistung mit sich, da die Brems­ leistung bzw. Bremskraft bei derartien Wirbelstrombremsen etwa mit dem Quadrat der Entfernung zunimmt bzw. abnimmt. Zudem kann auch bei starker Belastung der Wirbelstrombremse durch die innere Ma­ terialkühlung eine Temperaturerhöhung bis in den Nahbereich der Curie-Temperatur des Material vermieden werden. Hierdurch ist sichergestellt, daß die magnetischen Eigenschaften des Materials der Wirbelstrom-Polflächen weitestgehend optimal beibehalten wer­ den. Die innere Materialkühlung kann dabei so ausgelegt werden, daß ein Temperaturanstieg des Material der Wirbelstrompolfläche etwa auf einen Bereich von 80° bis 90°C begrenzt werden kann.

Um diese Kühlung konstruktiv zu realisieren, kann man zweckmäßiger­ weise bei der gattungsgemäßen Wirbelstrombremse der Rotor-Baugruppe, die die Wirbelstrom-Polflächen trägt, das Kühlmedium über eine Hohl­ welle, die mit oder in der das Drehmoment übertragenden Welle ange­ ordnet, zuleiten und abführen.

Besonders vorteilhaft kann die Wirbelstrombremse dann realisiert werden, wenn die Stator-Baugruppe die Wirbelstrom-Polflächen auf­ weist. Bei diesem Bremsprinzip kann die Kühlung dahingehend ver­ einfacht werden, daß für die Wirbelstrom-Polflächen und den Ma­ terialinnenbereich stationäre, also zum Beispiel gegenüber dem Fahrzeugrahmen festliegende Anschlüsse für das Kühlmedium ge­ schaffen werden können.

Hieraus resultiert jedoch, daß die Rotor-Baugruppe nunmehr den oder die Magnete aufnehmen muß. Das schwierige Problem, die nun­ mehr bei der Rotor-Baugruppe auftretenden hohen Fliehkräfte auf­ grund der Massen der Magnete in den Griff zu bekommen, kann man vorteilhafterweise durch eigenständige, erfinderische Merkmale lösen.

Dies betrifft einmal die Gestaltung der geeigneterweise etwa in der Mitte zwischen den axial außenliegenden Stator-Baugruppen rotierende Rotor-Baugruppe mit einer Nabe auszulegen, die im wesentlichen zwei axial außenliegende Scheiben oder unterteilte Scheibenflächenbereiche aufweist. Die Ausbildung aus einem Leicht­ metall ist dabei besonders gewichtssparend. Die entsprechenden Magnete können dabei im äußeren Umfangsbereich dieser Rotorschei­ ben in axialer Richtung durchgeführt und befestigt sein. Zur Er­ höhung der Sicherheit gegen die an der Rotor-Baugruppe auftreten­ den Fliehkräfte, ist es zweckmäßig am Außenumfang der Rotor-Bau­ gruppe, zum Beispiel auf den Rotorscheiben, Stahlringe, die als Spannringe ausgelegt sein können, aufzubringen.

Neben diesen Maßnahmen ist es besonders bevorzugt, bei Elektro­ magneten, die einen wesentlichen Teil des Gewichtes bildenden Wicklungen aus elektrisch relativ gut leitenden Leichtmetallen zu fertigen. Hierfür können beispielsweise Al -Drahtwicklungen oder vergleichbare Wicklungen verwendet werden. Die Stromversorgung für derartige mit der Rotor-Baugruppe rotierende Magnete kann in herkömmlicher Weise wie bei Elektromotoren und Generatoren, zum Beispiel über Schleifringe und Bürsten bewältigt werden.

Herstellungstechnisch und konstruktiv wird ein erheblicher Vorteil dadurch erreicht, daß man die Wirbelstrom-Polfläche, die zweck­ mäßigerweise als Kreisringfläche ausgebildet ist und in axialer Richtung eine bestimmte Stärke aufweist, unterteilt ausbildet. Dies hat dem Vorteil, daß der über einen minimalen Abstand zur Polfläche der Magneten gegenüberliegende Materialbereich aus einem speziellen magnetisch gut leitenden Material, zum Beispiel ferro­ magnetischen Legierungen, gegebenenfalls Reineisen, hergestellt sein kann. Direkt angrenzend und abdichtend gegen diesen Material­ bereich der Wirbelstrom-Polfläche kann dann ein zweiter axialer Bereich vorgesehen sein, der als eigentlicher Kühlblock oder Kühl­ ring dient. Bei diesem Kühlblock kann die Oberfläche, die direkt oder indirekt an den ersten Bereich der Wirbelstrom-Polfläche an­ grenzt, mit in der Oberfläche ausgebildeten Kühlkanälen hergestellt werden. Dies erleichtert die Herstellung, bietet andererseits aber optimale Kühlwirkung an der Wirbelstrom-Polfläche. Die axiale Er­ streckung der Wirbelstrom-Polfläche ist daher abhängig vom ge­ wählten Material und der Materialstärke in axialer Richtung, mit der weitestgehend ein magnetischer Schluß zum erzeugten Magnet­ feld im Rotor erreicht werden kann. Andererseits aber auch von der Unterschreitung gewisser oberer Temperaturwerte, die auch bei einem Bremsbetrieb über längere Zeit nicht überschritten werden dürfen.

Als weiterer Faktor geht hier auch die Kühlleistung und das ver­ wendete Kühlmedium mit ein. Bei Einsatz einer derartigen Wirbel­ strombremse in Kraftfahrzeugen, ist es zweckmäßig ein vergleich­ bares Kühlsystem wie für den Motor zu schaffen und dieses parallel oder integriert zum Kraftfahrzeug-Kühlkreislauf vorzusehen.

Die Ausbildung der Rotor-Baugruppe als Innenläufer zu der Stator- Baugruppe, wobei letztgenannte im wesentlichen scheibenförmig aus­ gebildet ist und starr zum Beispiel am Fahrzeugrahmen befestigt ist, bietet die Möglichkeit, auf beiden axial gegenüberliegenden Seiten zur Rotor-Baugruppe Wirbelstrom-Polflächen vorzusehen, die ring- oder scheibenartig ausgebildet sind. Dies erhöht die Bremsleistung.

Andererseits eröffnet die Innenläuferkonstruktion der Rotor-Bau­ gruppe auch die Möglichkeit, die Wirbelstrombremse nicht nur mit axial beabstandeten sich radial zur Welle bzw. Achse erstreckenden Wirbelstromringen oder Scheiben auszustatten, sondern am Zylindermantel- Umfangsbereich der Stator-Baugruppe die Wirbelstrom-Polfläche vor­ zusehen. Dies hat den Vorteil, daß über die axiale Erstreckung der Stator-Baugruppe, insbesonder der Zylindermantel-Umfangsfläche, die magnetische Induktionsfläche im Stator bestimmt werden kann. Des weiteren bieten sich auch durch den sehr weit nach außen verlegten Radius beim Abbremsen des eingeleiteten Drehmomentes günstigere Kraftkomponenten an.

Die Ausbildung der in der Rotor-Baugruppe verwendeten Magnete als Elektromagnete mit axial im Magnetkern verlaufenden Magnetfeld bzw. mit im wesentlichen radial verlaufendem Feld, hat den Vorteil, daß die Bremswirkung neben dem minimal eingestellten Abstandsspalt zwi­ schen der Polfläche des Magneten und der Wirbelstrom-Polfläche, auch durch die Steuerung des Stromes in der Wicklung des Elektromagneten geregelt werden kann.

Sofern der oder die Magnete als Permanentmagnete ausgebildet sind, bietet dies den Vorteil, daß derartige Wirbelstrombremsen auch in explosionsgefährdeten Aggregaten und Räumen eingesetzt werden können, da eine Funkenbildung aufgrund elektrischer Anschlußkontakte nicht gegeben ist. Um jedoch auch bei Permanentmagneten ein gewünschtes Bremsmoment regeln zu können, ordnet man die im Hinblick auf die Rotation der Welle stationär vorgesehene Stator-Baugruppe axial verschiebbar an. Zweckmäßigerweise werden hierbei die als radiale Kreisringscheiben ausgebildeten Wirbelstrom-Polflächen separat aber synchron zur Rotor-Baugruppe verstellt. Hierdurch ist stets auf beiden Axialseiten ein gleicher Abstand zwischen den Polflächen und Wirbelstrom-Polflächen gewährleistet, was eine unterschiedliche Drehmoment-Beaufschlagung über die axiale Erstreckung verhindert.

Die Regelbarkeit des Abstandes der Wirbelstrom-Polflächen gegenüber der Polfläche der oder des Magneten kann vorteilhafterweise additiv oder ergänzend auch bei der Steuerung der Abbremsung über die Strom­ beaufschlagung der Elektromagnete eingesetzt werden.

Bei der Anordnung der oder des Elektromagneten mit seinem inneren Feld in axialer Richtung erweist es sich als vorteilhaft, den mag­ netischen Fluß über L-förmige Polkronen von den radialen Flächen des Elektromagneten auf seine äußere axiale Fläche so umzuleiten, daß auch hier die innere Zylindermantelfläche der Stator-Baugruppe als Wirbelstrom-Polfläche bzw. Wirbelstromring benutzt werden kann. In dieser Gestalt sind die am äußeren Bereich verlaufenden axialen Schenkel der Polkronen in Umfangsrichtung beabstandet. Hierdurch ist sichergestellt, daß die magnetischen Kraftflußlinien durch den geringen Abstand im wesentlichen radial in die magnetische Zylindermantelfläche der Stator-Baugruppe treten müssen und dort die Umwandlung der abzubremsenden Energie in überwiegend Wärmeenergie bewirken.

In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform weist die Rotor- Baugruppe in Umfangsrichtung beabstandete und entgegengesetzt gepolte Elektromagnete auf. Diese Elektromagnete erzeugen ein im wesentlichen im Inneren radial gerichtetes magnetisches Feld, das über bogensegmentartige Magnetkernflächen in die geringfügig beabstandete Zylindermantelfläche der Stator-Baugruppe übertreten kann. Speziell beim Einsatz derartiger Wirbelstrombremsen in Last­ kraftwagen, jedoch auch in anderen fluidgekühlten Aggregaten, ist es zweckmäßig zur Kühlung der Wirbelstrom-Polfläche die gleiche Kühlflüssigkeit, zum Beispiel Wasser, zu verwenden. Die Rück­ kühlung der erwärmten Kühlflüssigkeit kann dabei entweder im be­ reits vorhandenen Kühler oder separat dazu erfolgen. Zur Erzeugung starker Wirbelströme in den entsprechenden Wirbelstrom-Polflächen ist es zweckmäßig, diese aus Reineisen oder stark ferromagnetischen Materialien herzustellen, die im Wirbelstrombereich insbesondere einstückig ausgebildet sind.

Die Erfindung wird nachstehend anhand schematischer Ausführungs­ beispiele noch näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch eine erste Ausführungsform einer Wirbelstrombremse mit einer als Innenläufer aus­ gebildeten Rotor-Baugruppe und in Achsrichtung der Welle beidseitig vorgesehener Stator-Baugruppe;

Fig. 2 eine Schnittansicht auf das Beispiel nach Fig. 1 in Achsrichtung längs der Linie II-II, wobei in Fig. 2 die Schnittlinie I-I für Fig. 1 angegeben ist;

Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Wirbelstrombremse mit im oberen Bereich teilweise geschnittener Darstellung als Vertikalschnitt in Längsrichtung der Achse, bei dem die Stator-Baugruppe axial verschiebbar ausgelegt ist;

Fig. 4 eine Ansicht des Beispieles nach Fig. 3 in Achsrichtung von links, mit Entfernung der Gehäuseverkleidung im oberen Bereich;

Fig. 5 einen Vertikalschnitt in Achsrichtung durch ein drittes Ausführungsbeispiel einer Wirbelstrombremse mit einem Elektromagneten und der inneren Zylindermantelfläche der Stator-Baugruppe als Wirbelstrom-Polfläche;

Fig. 6 das Beispiel nach Fig. 5 in schematischer Darstellung mit Blickrichtung in Achsrichtung auf einen Segmentabschnitt von 90° mit teilweise entferntem Gehäuse;

Fig. 7 einen Vertikalschnitt in Achsrichtung durch ein viertes Ausführungsbeispiel einer Wirbelstrombremse nach dem Prinzip des Beispieles nach Fig. 5, jedoch mit mehreren Elektromagneten und

Fig. 8 eine Draufsicht des Beispiels nach Fig. 7 in Achsrichtung mit im oberen Teil entferntem Gehäuse.

In Fig. 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer Wirbelstrombremse 1 dargestellt, die im wesentlichen rotationssymmetrisch zur Achse der Welle 2 ausgebildet ist. Weiterhin besteht auch eine weitgehende Symmetrie zur vertikalen Mittelachse.

Die Wirbelstrombremse nach Fig. 1 verkörpert einen Typ, bei dem der Rotor 4, der als Innenläufer ausgebildet ist, drehfest auf der Welle 2 befestigt ist, während der Stator 5 starr an einer Halte­ rung 3, zum Beispiel den Fahrzeugrahmen eines Lastkraftwagens, an­ geordnet ist. Der Stator 5, der im Beispiel nach Fig. 1 in etwa umgekehrte U-Form aufweist, ist mit seinen beiden Schenkeln über entsprechende Lager 19, die als Rollen oder Kugellager ausgebildet sind, zur Welle 2 zentriert.

Der Rotor 4 weist im Beispiel aus Gewichtsersparnisgründen im wesent­ lichen eine schmale U-Form auf, die nach radial außen geöffnet ist. Die axial äußeren Rotorwandungen 24 nehmen dabei den achsparallel daran befestigten Elektromagneten 6 und dessen Magnetkern 7 auf. Die Wicklung 8 des Elektromagneten 7 besteht zweckmäßigerweise aus einem elektrisch gut leitfähigem Leichtmetalldraht wie Aluminium. Dieser Draht kann gegebenenfalls Rechteckform aufweisen.

Der Magnetkern 7 wird an den axialen Außenseiten des Elektromagneten 6 jeweils durch eine relativ flache Polplatte 9 abgeschlossen. Die Polplatte 9 ist jeweils dem entsprechenden Elektromagneten zuge­ ordnet und kann beispielsweise durch Senkschrauben darin befestigt sein. Die Polplatte 9 ist in radialer Erstreckung dem ihr axial gegenüberliegenden Wirbelstromring 10 angepaßt.

Insgesamt gesehen ist die Polplatte 9 relativ nach weit radial außen versetzt angeordnet, um bei relativ geringer Masse ein hohes Brems­ moment aufgrund des größeren Hebelarmes und der größeren Ringfläche erzeugen zu können.

Zwischen den im Beispiel senkrecht zur Achse der Welle 2 verlaufen­ den Grenzflächen der Polplatte 9 und des Wirbelstromringes 10 be­ steht ein minimaler Abstand, der zum Beispiel auf etwa 0,5 mm ein­ gestellt werden kann. Je nach Konstruktion und anderen Erfordernis­ sen können diese Grenzflächen auch unter einem anderen Winkel zur Welle verlaufen. Erforderlich ist, daß planparallele Grenzflächen vorliegen, die zum Beispiel hohe Umdrehungszahlen im Bereich von 2.000 min¹ erlauben.

Der Stator 5 weist pro Schenkel eine Wirbelstromscheibe auf, die einen axial innenliegenden Wirbelstromring 10 und einen dicht an diesen angrenzenden, nach axial außen liegender Kühlblockring 11 hat. Der Wirbelstromring 10 ist als geschlossener, insbesondere einstückiger Kreisring, zum Beispiel aus einem ferromagnetischen Material wie Reinsteisen ausgebildet. Der Wirbelstromring 10 ist bezüglich sei­ ner axialen Anordnung präzisionsbefestigt, damit zwischen Rotor und Stator ein minimaler Abstand eingestellt werden kann. Der Kühlblockring 11 ist vorteilhafterweise auf der abgedichtet an den Wirbelstromring 10 angegrenzenden Oberfläche mit Kühlkanälen 12 ausgestattet. Die Kühlkanäle 12, die zum Beispiel spiralförmig miteinander in Fluidverbindung stehen können, werden über zwei An­ schlüsse 13 für den Zu- und Ablauf von zum Beispiel Kühlwasser ver­ sehen.

Es können mehrere Anschlüsse 13 sektorartig über einen Kreis­ umfang verteilt angeordnet sein und die Kühlkanäle untereinander labyrinthartig in Verbindung stehen, so daß einzelne Kühlbereiche geschaffen werden.

Um einen genauen axialen Abstand der U-Schenkel des Stators 5 zu gewährleisten, sind die Schenkel im radialen Außenbereich über ein Distanzstück 16, das als Ring ausgebildet sein kann, auf einen genauen Abstand festgelegt.

Die Stromversorgung des Elektromagneten 6 erfolgt über einen Schleif­ ring 18, der statorseitig mit entsprechenden axial federvorgespannten Schleifkohlen in Verbindung steht. Entsprechende elektrische Kabel 25 dienen hierbei zur Strombeaufschlagung der Wicklung 8 des Elektro­ magneten 6. Zur Erhöhung der Sicherheit können beispielsweise die Schleifkohlen über eine Signaleinrichtung ab einem bestimmten Ab­ nutzungsgrad ein Warnsignal abgeben, das auf die Wartung der Wir­ belstrombremse hinweist. Der Schleifring 18 und die Schleifkohle 17 werden gegenüber sie tragenden Metallteilen in einer Isolierung 20 gehalten. Die Rotor- und Statorteile, die nicht in den magnetischen Fluß integriert sind, können zum Beispiel aus einem Leichtmetall wie Al bestehen, um insgesamt zu einer Gewichtsersparnis für die Wirbel­ strombremse beizutragen. Hierzu trägt auch die im Vertikalschnitt etwa V-förmige Innenaussparung 23 im Bereich der Nabe des Rotors und die seitlichen Öffnungen 22 im Stator 5 bei. Diese Öffnungen 22 begünstigen auch die Luftzirkulation zum Rotor und insbesondere zum Wirbelstromring 10, wozu auch entsprechende Lüftungsrippen am Rotor (nicht gezeigt) beitragen können.

Um auch größtmögliche Sicherheit bei den hohen Rotor-Fliehkräften zu erhalten, wird dieser außenseitig mit Spannringen 15 aus Stahl oder zum Beispiel aus Karbonfaser umgeben.

Bei einer Strombeaufschlagung des Elektromagneten 6 entsteht daher ein Magnetfeld, das im Magnetkern 7 im wesentlichen achsparallel ge­ richtet ist. Dieses Magnetfeld tritt über den sehr geringen Abstands­ spalt 14 in den Wirbelstromring 10 über. Der magnetische Fluß im stationären Fall kann durch den in Umfangsrichtung am Rotor vorge­ sehenen weiteren, benachbarten Elektromagneten, der umgekehrt polarisiert ist, zu einem geschlossenen Magnetfluß geführt werden.

Werden beispielsweise über die beidseitig an der Welle vorgesehenen Flansche 21 Drehmomente von einem Antriebsaggregat zu einem Abtriebs­ teil übertragen, so können die auftretenden Drehmomente dadurch abge­ bremst werden, daß ein oder mehrere Elektromagnete strombeaufschlagt werden. Die auftretenden Magnetfelder induzieren zunächst im Wirbel­ stromring 10 Magnetfelder, die durch die Rotordrehung Wirbelströme im Material des Wirbelstromringes erzeugen, die zu einer starken Er­ wärmung führen. Aufgrund der inneren Kühlung der Wirbelscheibe 10, 11 kann die Erwärmung des Wirbelstromringes definiert begrenzt werden, bzw. eine wesentliche höhere Energieumwandlung darin durchgeführt werden. Dies bedeutet, daß dadurch eine höhere Energievernichtung- und Abbremsung der eingeleiteten Drehmomente möglich ist. Kühl­ medium, Durchfluß und Temperatur sind so abgestimmt, daß die Temperaturerwärmung des Wirbelstromringes keine wesentlichen Materialausdehnungen mit sich bringt, so daß der minimal eingestellte Abstandsspalt 14, der ein wesentliches Kriterium für die Bremsleistung darstellt, auch unter Belastung beibehalten werden kann. Zum anderen wird die Kühlung so gesteuert, daß eine Temperaturerhöhung bis in den Bereich der Curie-Temperatur für das verwendete Material mit Sicherheit nicht erreicht wird.

In Fig. 2 ist eine Draufsicht in Achsrichtung auf die Wirbelstrom­ bremse 1 nach Fig. 1 mit im oberen Teil entferntem Gehäuse darge­ stellt. Aus der Darstellung nach Fig. 2 wird erkennbar, daß eine Vielzahl von Elektromagneten im gleichen Winkelabstand über den Umfang verteilt vorhanden ist. Den einzelnen Elektromagneten ist dabei eine Polplatte 9 zugeordnet, die in einzelne voneinander ge­ trennte Kreisbogensegmente 26 unterteilt ist.

Der Grundgedanke der Erfindung, der zu einer erheblichen Verbesse­ rung der Bremsleistung der Wirbelstrombremse führt, kann in der Kühlung des Wirbelstromringes im Materialinnenbereich gesehen wer­ den, wobei dies konstruktiv in einfacher Weise dadurch realisiert werden kann, daß das bisher bekannte Prinzip der Wirbelstrombremse mit feststehenden Magneten umgekehrt wird. Für diese Prinzipumkehr werden auch die konstruktiven Lösungen beschrieben.

Bei der vorbeschriebenen Wirbelstrombremse 1 gemäß der Erfindung ist es möglich, neben der Einstellung der Stromstärke zur Bestim­ mung der Bremskraft auch oder alternativ die Anzahl der zuge­ schalteten Elektromagneten symmetrisch über den Umfang verteilt, zu variieren und dadurch die Abbremsleistung zu steuern.

Eine weitere Wirbelstrombremse 40, die vom Grundprinzip dem Bei­ spiel nach Fig. 1 entspricht, ist in Fig. 3 im Vertikalschnitt längs der Achse schematisch dargestellt. Der wesentliche Unter­ schied besteht darin, daß anstelle der vorgenannten Elektromagnete nunmehr Permanentmagnete 42 mit ausgerichtetem Nord-Pol und Süd-Pol eingesetzt werden. Der Permanentmagnet 42 steht über die Nabe 41 rotationsfest mit der Welle 2 in Verbindung. Abzubremsende Dreh­ momente können wiederum über Flansche 21 an die Welle und auf den Rotor 4 eingeleitet werden.

Der Stator 5 kann ebenfalls wieder als U-förmig angesehen werden und ist mit seinen Schenkeln über Lager 19 in radialer Richtung zur Welle 2 gelagert.

Da bei Permanentmagneten 42 die Anzahl der zu berücksichtigenden Magneten von vorne herein festliegt (vgl. Fig. 4), ist zur Steue­ rung der Bremsleistung eine axiale Verschiebbarkeit der Stator­ schenkel im Bremsfall axial relativ zum rotierenden Rotor 4 vor­ gesehen.

Um dies zu lösen sind Axiallager 45 für eine Längsführung der Schenkel des Stators vorgesehen, wobei am radialen Außenbereich die Statorschenkel über eine Lagerwelle 46 und ein zum Beispiel starr mit einem Kfz-Rahmen verbundenes Befestigungsjoch 47 geführt sind. In gleicher Weise wie im Beispiel nach Fig. 1 weist der Stator den eigentlichen Wirbelstromring 43 auf, der im wesent­ lichen U-förmig von einem Kühlblockring 44 umfaßt wird. Der Kühl­ blockring weist entsprechende Kühlkanäle mit entsprechemden An­ schlüssen 13 auf.

Wie im Zusammenhang mit der Darstellung nach Fig. 4 deutlich wird, weist die Wirbelstrombremse 40 acht Permanentmagnete 42, 49, 50 auf, die abwechselnd polarisiert sind. Zur axialen Verschiebbarkeit des Wirbelstromringes 43 sind die Lagerwellen in entsprechenden Lager­ buchsen 48 geführt. Im Außenbereich des Rotors 4 sind ebenfalls Spannringe 15 zur verbesserten Aufnahme der bei hohen Umdrehungs­ zahlen auftretenden Fliehkräfte vorgesehen.

Zur Einstellung der Bremsleistung können im Beispiel nach Fig. 3 die Statorschenkel stufenlos mechanisch, hydraulisch oder pneu­ matisch bis auf einen Minimalabstand an die Polplatten der Per­ manentmagnete herangefahren werden bzw. zur Reduzierung der Brems­ kraft axial entfernt werden. Diese Ausführungsform mit verdreh­ gesichertem aber axial verstellbarem Stator bietet den Vorteil, unabhängig von jeglicher Stromversorgung und auch im Explo­ sionsbereich einsetzbar zu sein. Darüber hinaus kann eine Ein­ stellung so getroffen werden, daß bei Ausfall von Versorgungs­ einrichtungen die Statorschenkel auf den minimalen Abstand, also auf die höchste Bremswirkung, eingestellt werden.

In den Fig. 5 bis 8 ist ein im Vergleich zu den vorausgehend be­ schriebenen Wirbelstrombremsen geändertes Prinzip dargestellt. Diese Änderung des Prinzipes besteht darin, daß die Wirbelstrom- Polfläche in der Zylinderumfangsmantelfläche des Stators gebildet ist, während in den Beispielen nach Fig. 1 bis 4 die axial gegen­ überliegenden, radialen Kreisringflächen die Wirbelpolflächen bilden.

In Fig. 5 ist ein Vertikalschnitt längs der Achse durch eine weitere Wirbelstrombremse 60 dargestellt. Der Stator 62 ist über entspre­ chende Radiallager 19 wiederum stationär gegenüber einer Welle 64 gelagert. Abzubremsende Drehmomente können über entsprechende Flan­ sche 21, die mit Sicherungsringen oder Muttern 65 axial gesichert sind, auf die Welle eingeleitet werden.

Der Stator 62 weist zwei komplementär zueinander ausgebildete etwa über den Durchmesser gesehen U-förmige ineinandergreifende Buchsen auf. Während die rechte Buchse mit ihrer radialen Innen­ fläche den Abstandsspalt 63 nach radial außen begrenzt und die Wirbelstrom-Zylinderwand 61 bildet, bildet die linke Buchse den Kühlmantel 72. Die Wirbelstrom-Zylinderwand 71 liegt daher radial innen am Stator und wird radial außen über die im Kühlmantel 72 vorgesehenen Kühlkanäle 78 bzw. das entsprechende Medium beim Abbremsen gekühlt.

Der buchsenartig ausgelegte Kühlmantel 72 und die Wirbelstrom- Zylinderwand 71 sind axial über zum Beispiel entsprechende Be­ festigungsschrauben gegeneinander verspannt. Der Kühlmantel 72 selbst ist über entsprechende Befestigungsschrauben 73 zum Bei­ spiel an einem Kfz-Rahmen 3 starr angebunden. Zur Abdichtung des Kühlmediums gegenüber dem Rotor sind im axialen Außenbereich der Wirbelstrom-Zylinderwand 71 entsprechende Dichtungsringe 74 ein­ gelegt. Entsprechende Anschlüsse 13 sorgen für die Zufuhr bzw. Ableitung des verwendeten Kühlmediums, wie zum Beispiel Kühlwasser.

Die Wirbelstrombremse 60 nach Fig. 5 arbeitet mit einem einzigen Elektromagneten, der einen im wesentlichen runden Magnetkern 67 auf­ weist. Der Magnetkern 67 ist radial zur Welle 64 gesehen mit einer Wicklung 68 umgeben. Die Wicklung wird wie im Beispiel nach Fig. 1 über einen Schleifring 18 und entsprechende Schleifkohlen 17 mit Strom beaufschlagt.

Um einen magnetischen Fluß, der über die Achse der Welle 74 verläuft, weitgehend auszuschließen, ist der angrenzende Bereich der Welle 64 mit beidseitigen antimagnetischen Flanschen 66 versehen, die etwa über achsparallel angebrachte Befestigungsbolzen den Magnetkern 67 durchdringen.

Der Elektromagnet nach Fig. 5 weist etwa L-förmige Polkronen 69 bzw. 70 auf, die sich von der radialen Fläche des Elektromagneten ausgehend mit einem stegartigen Schenkel am Umfangsbereich des Elektromagneten erstrecken und bis zum radialen Bereich der axial gegen­ überliegenden Polkrone reichen. Die Polkronen 69 und 70 sind in Umfangsrichtung abstandsversetzt angeordnet. Hierdurch kann die einzelne Polkrone 69 zum Beispiel einen Nord-Pol darstellen und die Polkrone 70 einen Süd-Pol. Auf diese Weise wird das am radial äußeren Umfangsbereich über die Polkronen geleitete Magnetfeld gezwungen über den minimalen Abstandsspalt 63 in den Stator und die Wirbelstrom-Zylinderwand 71 einzutreten, damit der Magnet­ fluß geschlossen ist. Bei einer Drehung des Rotors und einer Strombeaufschlagung des Elektromagneten wird daher in der Wirbel­ strom-Zylinderwand 71 ein Wirbelströme verursachendes Magnetfeld induziert, das zur Abbremsung des eingeleiteten Drehmomentes führt.

In Fig. 6 ist eine Draufsicht in Achsrichtung auf einen 90° Aus­ schnitt der Wirbelstrombremse nach Fig. 5 mit teilweise entferntem Kühlmantel 72 dargestellt. Ausgehend von der in Fig. 6 kreisförmig erscheinenden Wicklung 68 ist die Polkrone 70 erkennbar, die mit gleichem Umfangswinkel beabstandete stegartige Fortsätze aufweist. In diese Zwischenräume der Polkrone 70 ragen von der anderen Seite des Elektromagneten her die stegartigen Fortsätze der entgegen­ gesetzt gepolten Polkrone 69. Die stegartigen Fortsätze der je­ weiligen Polkronen 70 bzw. 69 haben in Umfangsrichtung gesehen noch einen bestimmten Abstand, so daß unter Berücksichtigung des minimalen Spaltabstandes 63 an der radial äußeren Umfangsfläche der Polkronen Feldlinien 76 erzeugt werden, die einen magnetischen Schluß über die Wirbelstrom-Zylinderwand 71 herstellen.

Die Stromzuführung zum Elektromagneten ist ähnlich wie im voraus­ gehend beschriebenen Beispiel über einen oder mehrere Schleifringe 18 und einer mit einer beispielsweise Feder 79 dagegen vor­ gespannten Schleifkohle 17 realisiert.

Der große Vorteil bei dieser Ausführungsform der Wirbelstrombremse besteht in der Nutzbarmachung der zylindrischen Umfangswand als Wirbelstromfläche und der extremen Kühlmöglichkeit durch die Be­ aufschlagung des inneren Materialbereiches der Wirbelstromwandung mit einem entsprechenden Kühlmedium.

In Fig. 7 und 8 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, das das in den Fig. 5 und 6 gezeigte Beispiel modifiziert. Gleiche Bezugszeichen mit den vorausgehend beschriebenen Beispielen sind hierbei für gleiche Konstruktionselemente angeführt. Der gravierende Unterschied zum Beispiel nach Fig. 5 besteht bei der Wirbelstrom­ bremse 90 darin, daß anstelle eines einzigen Elektromagneten nun­ mehr eine Vielzahl am Umfangsbereich vorgesehener einzelner Magnete vorhanden sind, die symmetrisch mit entsprechendem Winkelabstand am Rotor 91 versetzt angeordnet sind. Hierdurch entfallen die voraus­ gehend beschriebenen Polkronen in L-Form. Der magnetische Fluß über den Abstandsspalt 63 (Fig. 8) wird dabei durch eine entsprechende Bogensegmentgestaltung des Peripheriebereiches des entsprechenden Magnetkernes 94 geschaffen. Der Rotor 91 weist dementsprechend eine Vielzahl, im Beispiel acht, Elektromagnete auf. Vorzugsweise sind benachbarte Elektromagnete unterschiedlicher Polarität. Der magneti­ sche Fluß wird daher über den Abstandsspalt 63 in die Wirbelstrom- Zylinderwand 71 induziert und von dort über den benachbarten Elektro­ magneten und dessen Magnetkern geschlossen.

Die Wicklungen 63 benachbarter Elektromagnete müssen daher in ent­ gegengesetzter Stromrichtung beaufschlagt werden, was jedoch, wie bereits vorausgehend beschrieben, über zusätzliche Schleifringe und Kontaktbürsten bewältigt werden kann. Dieses Beispiel weist zudem den Vorteil der durchgehenden Welle auf, die gegebenenfalls über die magnetischen Flansche 66 zu den Magnetkernen abgegrenzt sein kann.

Die Prinzipumkehr bisher bekannter Wirbelstrombremsen mit der inneren Kühlung schafft daher äußerst zuverlässige und hoch­ wirksame Bremssysteme, wobei die bisher vorliegenden Vorurteile für eine Prinzipumkehr mit konstruktiven Lösungsmöglichkeiten überwunden wurden.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 kann zur fertigungstechnischen Vereinfachung anstelle der ineinandergreifenden Buchsen des Stators 62, der Stator 62 auch aus zwei axial außen liegenden Scheiben her­ gestellt werden. Die Wirbelstrom-Zylinderwand und auch der Kühl­ mantel können vorteilhafterweise als zylindrische Ringmäntel aus­ gebildet sein, die über Flansche oder direkte Schraubbefestigungen mit den Scheiben des Stators verbunden sind und den Abstand da­ zwischen definieren. Die Wirbelstrom-Zylinderwand sollte zweck­ mäßigerweise zum Beispiel aus RFe (Reineisen) hergestellt sein, während der Kühlmantel aus einem anderen Material bestehen kann. Die Ausbildung der Kühlkanäle ist auch in der Wirbelstrom-Zylinder­ wand möglich, wobei dann die Innenmantelfläche des Kühlmantels im Schnitt geradlinig an der Wirbelstrom-Zylinderwand abgedichtet an­ liegen kann.

Da bei der Auslegung der Wirbelstrombremse mit Elektromagneten zur Erzeugung des Magnetfeldes bei Bremsbetrieb ein relativ hoher Strom erforderlich ist, ist hierdurch eine höhere Beanspruchung der Batterie mit rascher Ermüdung der Batteriezellen möglich. Um unabhängig von einer Batterie die Wirbelstrombremse betreiben zu können und Ab­ nutzungserscheinungen bei den Schleif- und Bürstenkontakten zu eliminieren, hat es sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, eine integrierte Stromversorgung für die Magnetspule des Rotors im Rotor zu schaffen. Unter Berücksichtigung des hinreichend bekann­ ten Prinzips von Elektrogeneratoren, ist es bei der Wirbelstrom­ bremse anzustreben, am Stator entsprechende Pole mit Erregerwick­ lung vorzusehen und am oder in Nuten des Rotors entsprechende Ankerwicklungen zu berücksichtigen. Der in derartigen Anker­ wicklungen induzierte Strom könnte direkt oder über einen Kommuta­ tor zur Strombeaufschlagung des Elektromagneten verwendet werden.

Ein wesentlicher Vorteil bei diesem internen Generatorprinzip für die Wirbelstrombremse liegt darin, daß die Erregerwicklungen am Stator nur einen relativ kleinen Strom benötigen, um den erfor­ derlichen Strom in der Ankerwicklung des Generators zu induzieren. Hierdurch wird eine Batteriebelastung durch die Erregerwicklung vergleichsweise gering gehalten, was gerade bei einem Kfz-Einbau der Wirbelstrombremse vorteilhaft ist.

Obwohl die vorausgehend beschriebenen Beispiele der Wirbelstrom­ bremse zur Reduzierung bzw. Vernichtung der über eine Welle einge­ leiteten kinetischen Energie primär für eine horizontale Wellen­ anordnung beschrieben wurde, sind die dargestellten Prinzipien für die Wirbelstrombremse auf jeglichen Anordnungswinkel der Welle an­ wendbar.

Claims (18)

1. Wirbelstrombremse zur Abbremsung von über eine Achse oder Welle eingeleiteten Drehmomenten,
mit einer um die Achse oder Welle angeordneten Stator-Bau­ gruppe und einer Rotor-Baugruppe, die mit ihren magnetisier­ baren Polflächen in einem geringen Abstand zueinander ange­ ordnet sind, wobei ein von einem oder mehreren Magneten einer Baugruppe erzeugtes magnetisches Feld über den Abstand der Polflächen in die Polfläche (Wirbelstrom-Polfläche) der anderen Bau­ gruppe zur Erzeugung von Wirbelströmen in dieser Polfläche bei einer Relativdrehung der Baugruppen gegeneinander induziert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbelstrom-Polfläche (n) (10, 11; 43, 44; 71, 72) min­ destens in ihrem Materialinnenbereich gekühlt ausgebildet ist bzw. sind.

2. Wirbelstrombremse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stator-Baugruppe (5; 62; 92) die Wirbelstrom-Polfläche (n) (10, 11; 43, 44; 71, 72) aufweist.

3. Wirbelstrombremse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbelstrom-Polfläche (n) (10, 11; 43, 44; 71, 72) in etwa senkrecht zu den gegenüberliegenden Polflächen (9; 42; 69, 70; 77) unterteilt, insbesondere zweiteilig, mit einer Polringscheibe (10; 43) oder einem Polringmantel (71) und einem angrenzend an die Polringscheibe oder dem Polringmantel Kühlkanäle (12; 78) aufweisenden Kühlblock (11; 44; 72) aus­ gebildet ist.

4. Wirbelstrombremse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotor-Baugruppe (4; 61) als Innenläufer zwischen der Stator-Baugruppe (5; 62) ausgebildet ist.

5. Wirbelstrombremse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotor-Baugruppe (4; 61) über ihren radial äußeren Umfangsbereich verteilt eine Mehrzahl von Magneten (6; 42; 49, 50; 94) aufweist, von denen benachbarte Magnete unter­ schiedliche Polarität haben.

6. Wirbelstrombremse nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnete der Rotor-Baugruppe (4; 61) als Elektro­ magnete (6; 67,68; 91, 93) oder Permanentmagnete (42, 49, 50) ausgebildet sind.

7. Wirbelstrombremse nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Polflächen (9; 42) und die Wirbelstrom-Polflächen (10; 43) als gegenüberliegende radiale Kreisringflächen ausgebildet und im wesentlichen senkrecht zur Achsrichtung der Welle (2 ) vorgesehen sind, wobei insbesondere die Polflächen (9; 42) der einzelnen Magnete (6; 42) als Kreisringflächensegmente (26) gestaltet sind.

8. Wirbelstrombremse nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der axiale Abstand zwischen der Polfläche (an 42) der Rotor-Baugruppe (4) und der Wirbelstrom-Polfläche (43)regelbar ist.

9. Wirbelstrombremse nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbelstrom-Polflächen (43) der axial beidseitig zur Rotor-Baugruppe (4) angeordnetem Stator-Baugruppe (5) kraftschlüssig mit der Statorhalterung (3) und axial ver­ schiebbar relativ zur Polfläche (an 42) der Rotor-Baugruppe (4) angeordnet sind.

10. Wirbelstrombremse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotor-Baugruppe (61) einen oder mehrere Magnete (67, 68; 91, 93, 94), insbesondere einen oder mehrere Elektromagnete mit magnetisierbarem Kern, aufweist und daß die Stator-Bau­ gruppe (62) die Rotor-Baugruppe (61) so umgibt, daß die radiale, innere Zylindermantelfläche der Stator-Baugruppe (62) die Wirbelstrom-Polfläche (71) bildet.

11. Wirbelstrombremse nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem einzigen Elektromagneten (67, 68) dieser sein Zentrum in etwa in der Wellenachse aufweist und auf seinen axial entgegengesetzten Seiten jeweils eine Polkrone (69, 70) unterschiedlicher Polarität hat, die mindestens auf dem radial außen liegenden Umfangsflächenbereich des Elektro­ magneten in axialer Richtung stegartige Fortsätze aufweist, und daß die stegartigen Fortsätze der beiden Polkronen, beabstandet voneinander, zahnartig ineinandergreifen.

12. Wirbelstrombremse nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die radial äußeren Umfangsflächenbereiche der steg­ artigen Fortsätze der Polkronen (69, 70) die mit Spalt­ abstand (63) gegenüber der Wirbelstrom-Polfläche (71) vorgesehene Polfläche des Magneten (67, 68; 91, 93, 94) bilden.

13. Wirbelstrombremse nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotor-Baugruppe (61) an ihrem Umfang mehrere Magnete (91, 93, 94), insbesondere Elektromagnete, aufweist, von denen benachbarte Magnete entgegengesetzt gepolt sind und daß diese Magnete im wesentlichen radial ausgerichtete Innenfelder erzeugen und eine bogensegmentartige Polfläche (bei 77) zur Wirbelstrom-Polfläche (71) der Stator-Bau­ gruppe (62) bilden.

14. Wirbelstrombremse nach einem der Ansprüche 3 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlkanäle (12; 78) von einem Kühlmedium, insbesondere einer Kühlflüssigkeit, durchströmt sind.

15. Wirbelstrombremse nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens die Wirbelstrom-Polflächen und/oder die Pol­ flächen aus Reineisen gebildet sind.

16. Wirbelstrombremse nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungen (8; 68, 93) der Elektromagnete aus einem Aluminiumdraht hergestellt sind.

17. Wirbelstrombremse nach einem der Ansprüche 6 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotor- und Stator-Baugruppen (4; 5) einen inte­ grierten und über das in die Welle (2) eingeleitete Dreh­ moment in Rotation versetzbaren Generator zur Stromver­ sorgung der Wicklung des oder der Elektromagnete (6; 67, 68; 91, 93) im Bremsbetrieb aufweisen.

18. Wirbelstrombremse nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerwicklung für den Generator in der Stator- Baugruppe (5) vorgesehen ist.