DE3542372C2

DE3542372C2 -

Info

Publication number: DE3542372C2
Application number: DE3542372A
Authority: DE
Inventors: Andre Saint Gratien Fr Marandet; Gerard Paris Fr Dancygier
Original assignee: Labavia - Sge Bois-D'arcy Fr
Current assignee: Safran Electrical and Power SAS
Priority date: 1984-12-05
Filing date: 1985-11-30
Publication date: 1989-10-26
Also published as: AU5083185A; CH664653A5; SE468190B; FR2574228A1; NL192965B; AU577747B2; BR8506109A; ES296332Y; IT8509533A0; IT1201391B; US4668886A; ES296332U; GB8529963D0; CA1261383A; JPH0357700B2; FR2574228B1; NL8503358A; DZ865A1; GB2168440A; MX159498A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Bremse nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Das Anwendungsgebiet sind vorzugsweise, jedoch nicht ausschließlich, Fahrzeugbremsen, bei denen der Rotor mit der Induktionsscheibe an der Antriebs- bzw. Transmissionswelle zum Abbremsen des Fahrzeugs und der Induktionsstator am Fahrgestell befestigt ist, auf dem die Bremse und die Welle gelagert sind.

Nachstehend bedeuten:

- "Umfangsrichtung" die Richtung auf einem zur Achse der Bremse konzentrischen Umkreis,
- "Umfangsquerschnitt" eines Polschuhs der Querschnitt dieses Polschuhs längs einer zur Achse des Geräts konzentrischen Zylinderfläche, die durch die Mitte der Stirnfläche dieses Polschuhs und senkrecht zu dieser Stirnfläche verläuft,
- "Eingangshorn" und "Ausgangshorn" eines Polschuhs jeweils der "stromaufwärts" gelegene oder "hintere" Rand der "stromabwärts" gelegene oder "vordere" Rand dieses Polschuhs in Umfangsrichtung relativ zur Richtung des Vorbeilaufs an der Rotorscheibe, und zwar in dem Sinne, daß beim Vorbeilaufen an jedem Polschuh jeder Punkt der Scheibe vom Eingangs horn zum Ausgangshorn des Polschuhs wandert.

Bei einer bekannten Bremse nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 (DE-PS 29 43 135) erstreckt sich jeder Polschuh symmetrisch in Umfangsrichtung beiderseits des Pols.

Wie analytische Untersuchungen ergeben haben, konzen triert sich der magnetische Fluß bei Bremsen im Ausgangshorn des Polschuhs, so daß dort die magnetische Induktion viel höher ist als im Eingangshorn. Dement sprechend wird das Ausgangshorn bei Steigerung der Wicklungsstromstärke auch eher gesättigt als das Eingangshorn. Das verfügbare Eisen wird daher nicht vollständig zur Ausübung eines Bremsmoments ausgenutzt.

Um einseitige Sättigungen der Polschuhe zu vermeiden, ist es bei als Motor oder Generator betriebenen elektrischen Maschinen bekannt (US-PS 22 40 562), die Länge der Polhörner in Umfangsrichtung verschieden zu wählen. Die von daher bekannten Verhältnisse sind jedoch nicht ohne weiteres auf Wirbelstrombremsen übertragbar, weil sich bei diesen der Feldverlauf infolge der Wirbelströme nicht ohne weiteres vorherbe stimmen läßt.

Es sind zwar schon Untersuchungen über den Feldverlauf und die spezifische Bremskraft in Wirbelstrombremsen angestellt worden ("Archiv für Elektrotechnik", 1959, Heft 3, Seiten 131 bis 146). Von daher war jedoch lediglich die Erkenntnis zu gewinnen, daß mit zunehmender Geschwindigkeit die Feldlinien durch den Rotor "mitgenommen" und daher in einer im schmaleren Schicht am Rand des Rotors zusammengedrängt werden. Wie sich der Feldlinienverlauf in den Polen oder in Polschuhen in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit ändert, ist nicht untersucht worden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elek trische Bremse nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 anzugeben, deren durch die Wirbelströme bewirktes Bremsmoment bei gegebenem Gewicht und Raumbedarf der Bremse höher ist.

Die Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 angegeben.

Weiterbildungen dieser Lösung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung und ihre Weiterbildungen werden nach stehend anhand der Zeichnungen eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 in Draufsicht einen Teil des Induktionsstators einer erfindungsgemäßen Wirbelstrombremse für Fahrzeuge,

Fig. 2 einen Teil eines "in Umfangsrichtung" geführten Schnitts II-II der in Fig. 1 dargestellten Anordnung und eines Teils des Induktionsrotors der Bremse in vergrößertem Maßstab und abge wickelt, wobei dieser Schnitt die Magnetfeldver teilung in den magnetischen Teilen darstellt,

Fig. 3 zum Vergleich einen ähnlichen Schnitt wie den nach Fig. 2 durch eine bekannte Stator-Ro tor-Anordnung zur Darstellung der Magnetfeldver teilung in den magnetischen Teilen, die vor der vorliegenden Erfindung nicht bekannt war,

Fig. 4 ein Kurvendiagramm zur Verdeutlichung der Vorteile der Erfindung und

Fig. 5 eine schematische Darstellung zweier Pole einer Abwandlung einer erfindungsgemäßen Wirbelstrombremse.

Der Stator der Bremse weist in an sich bekannter Weise einen Kranz aus einer geradzahligen Anzahl identischer Elektromagnete 1 (im vorliegenden Falle sind es acht) auf, die gleichmäßig um die Achse X der Bremse herum verteilt angeordnet sind und jeweils einen zylindrischen oder prismischen Kern 2 mit einer zur Achse X parallelen Achse Y und einer den Kern umgebenden Wicklung 3 aus elektrisch leitendem Draht aufweisen.

Alle Kerne 2 sind auf einem gemeinsamen Träger 4 in Form beispielsweise wenigstens einer Schale mon tiert, die ihrerseits am Fahrgestell des Fahrzeugs oder auch am Achsgehäuse oder am Getriebekasten des Fahrzeugs befestigt sein kann.

Jede Wicklung 3 wird durch eine an einem Ende ihres Kerns 2, z. B. mittels einer Schraube 6, angeschraubte, über den Rand des Kerns überstehende Platte 5 gehalten, wobei die gewünschte Drehwinkellage der Platte um die Schraube herum durch den Eingriff eines exzentri schen Zapfens 7, der an der Platte befestigt ist, in eine komplementäre Vertiefung des Kerns sicherge stellt ist.

Die Außenflächen der Platten 5 liegen in derselben Ebene senkrecht zur Achse X und bilden auf diese Weise einen ebenen diskontinuierlichen Kranz.

Die Wicklungen sind elektrisch durch Verbindungs- und Steuermittel mit einer Gleichstromquelle verbunden, und ihre Stromversorgung aus der Gleichstromquelle erfolgt in der Weise, daß die aufeinanderfolgenden Platten 5 des Kranzes, der noch ausführlicher beschrie ben wird, elektrische Pole bilden, deren Polarität abwechselnd positiv und negativ ist, wobei die Platten 5 "Polschuhe" dieser Pole bilden.

Der Rotor der Bremse weist ferner in an sich bekannter Weise wenigstens eine kontinuierliche Scheibe 8 (Fig. 2 und 3) auf, die mit einem Teil 9 (Fig. 1) der Transmissionswelle des Fahrzeugs in der Weise drehfest verbunden ist, daß sie an dem Statorkranz vorbeiläuft, wobei die Scheibe und der Kranz durch einen ringförmigen Luftspalt e (Fig. 2 und 3) getrennt sind.

Die Weite des Luftspalts e ist gering und beträgt beispielsweise etwa 1 bis 2 mm.

Die Rotorscheibe 8 dreht sich in Richtung des Pfeils F relativ zu dem Statorkranz.

Die Kerne 2, Platten 5 und Scheibe 8 bestehen alle aus einem ferromagnetischen Material, so daß sie für den durch die in den Wicklungen 3 fließenden Ströme erzeugten magnetischen Fluß Magnetkreise bilden, die den Luftspalt e jeweils zweimal durchsetzen.

Dieser Fluß induziert in der Scheibe 8 bei deren Drehung Wirbelströme, die der Drehung entgegenwirken, so daß die Fahrzeugwelle abgebremst wird.

Bei den bekannten elektrischen Bremsen dieser Art ist der eingangs definierte "Umfangsquerschnitt" jeder Platte oder jedes Polschuhs 5 symmetrisch relativ zu einer mit der Achse X der Bremse und der Achse Y des entsprechenden Magnetkerns 2 zusammenfallenden Ebene.

Mit anderen Worten, das Eingangshorn E und das Ausgangs horn S jedes Polschuhs haben gleiche Umfangsquerschnit te, wie Fig. 3 zeigt.

Bei Betätigung der Bremse ist daher die Verteilung des magnetischen Flusses auf die beiden Polhörner E und S im Stillstand der Bremse gleich.

Bislang wußte man nicht genau, wie diese Verteilung aussieht, wenn sich der Rotor 8 zu drehen beginnt, und zwar wegen der durch die Gegeninduktion bewirkten Störungen.

So sind auf in sich kurzgeschlossenen Bahnen fließenden Wirbelströme schwierig zu identifizieren, zu lokalisieren und zu messen, und es ist bislang nicht gelungen, sie hinreichend abzugrenzen, um daraus für das Sättigungsverhalten der Polhörner beim Betrieb der Bremse auswertbare Informationen abzuleiten.

Unter Anwendung moderner Rechenverfahren mittels Rechner ist es nunmehr jedoch gelungen, dieses Verhalten zu ermitteln und den Verlauf der Magnetfeldlinien in der Masse der magnetischen Teile während des Betriebs der Bremse sogar sichtbar zu machen.

So ist festgestellt worden, daß, wenn sich der Rotor 8 bei einem symmetrischen Aufbau aller Pole, wie bei der bekannten Bremse nach Fig. 3, in Richtung des Pfeiles F dreht, der magnetische Fluß im Aus gangshorn S stärker als im Eingangshorn E konzentriert ist, wie es in Fig. 3 dargestellt ist, wo die den magnetischen Fluß darstellenden Feldlinien L im Ausgangshorn S viel dichter beieinander liegen, so daß dort die örtliche magnetische Induktion viel höher ist.

Diese Konzentration führt zu einer sehr viel rasche ren Sättigung des Ausgangshorns S als des Eingangs horns E, wenn man die Stromstärke in der Wicklung 3 des betreffenden Polschuhs 5 allmählich steigert.

Um das Erreichen der Sättigung des Ausgangshorns S bei Erhöhung der Wicklungsstromstärke zu verzögern, wird der Polschuh 5 erfindungsgemäß in Umfangsrichtung nach hinten bzw. rückwärts, d. h. entgegengesetzt zur Drehrichtung F der Rotorscheibe 8, versetzt, wie es in Fig. 2 dargestellt ist.

Wie sich gezeigt hat, wird dadurch das magnetische Feld gleichmäßiger über das gesamte Volumen jedes Polschuhs verteilt, wobei das Ausgangshorn in gewis ser Weise von seiner zu hohen Induktion zu gunsten des vorher unterbelasteten Eingangshorns entlastet wird.

Dies wird durch die in Fig. 2 dargestellte Verteilung der Feldlinien L veranschaulicht. Diese Verteilung ergibt sich bei den gleichen Betriebsbedingungen wie sie der Fig. 3 zugrundeliegen. Der einzige Unter schied gegenüber dem Aufbau nach Fig. 3 besteht in der Versetzung der Polschuhe in Umfangsrichtung nach hinten.

Insbesondere sind alle Abmessungen der Polschuhe unverändert geblieben.

Der Winkel α dieser Versetzung in Umfangsrichtung liegt vorzugsweise zwischen A/25 und A/7, wenn man mit A die winkelmäßige Polteilung bezeichnet, d. h. den Winkel zwischen zwei Ebenen, die mit der Achse X und jeweils einer der Achsen Y zweier aufeinanderfolgen der Polschuhe 5 zusammenfallen. Im dargestellten Falle, bei dem die Anzahl der Pole gleich acht ist, liegt der Winkel α vorzugsweise zwischen 2 und 7°.

Betrachtet man dagegen den Winkel des Polbogens um die Achse X, über den sich ein Polschuh erstreckt, dann liegt das Verhältnis dieses Polbogenwinkels zu der oben definierten winkelmäßigen Polteilung vorzugsweise zwischen 0,65 und 0,90. Im dargestellten Ausführungsbeispiel liegt dieses Verhältnis bei etwa 0,80.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist ferner dafür gesorgt, daß

- die Dicke jedes Polschuhs 5 in axialer Richtung über seine gesamte Ausdehnung konstant ist,
- jede einen Polschuh 5 bildende Platte weitgehend die Form eines gleichschenkligen Trapezes mit abgerundeten Ecken aufweist,
- die Seitenfläche T _s des Ausgangshorns S jedes Polschuhs, die der Seitenfläche T _E des Eingangs horns des benachbarten Polschuhs gegenüberliegt, eine Tangente zur Seitenfläche N des durch den betreffenden Polschuh abgeschlossenen Kerns 2 bildet, und zwar mindestens in Höhe der zylin drischen Drehfläche, deren Krümmungsachse mit der Achse X der Bremse zusammenfällt und die die Achsen Y der Kerne 2 aufweist,
- die Seitenfläche T _E des Eingangshorns jedes Pol schuhs tangential zur Seitenfläche B der Wicklung oder Spule 3, die den benachbarten Kern umgibt, verläuft und
- die sich gegenüberliegenden ebenen Seitenflächen T _S und T _E der aufeinanderfolgenden Polschuhe einen kleinen Winkel zwischen sich einschließen und jeweils in einer Ebene liegen, die mit der Achse X der Bremse zusammenfällt, doch können diese Seiten flächen auch parallel zueinander sein.

Versuche haben überraschenderweise ergeben, daß bei Bremsen, deren Polschuhe in Umfangsrichtung in der erwähnten Weise nach hinten versetzt sind, die Bremsdrehmomente sehr viel höher als bei gleichen Bremsen mit zu den Kernen konzentrischen Polschuhen sind.

Diese Verbesserung ergibt sich anschaulich aus dem in Fig. 4 dargestellten Kurvendiagramm, bei dem auf der Abzisse die Drehzahl n des Rotors der Bremse in Umdrehungen pro Minute und auf der Ordinate das durch die jeweilige Bremse auf die Welle ausgeübte Drehmoment M in Newton-Meter aufgetragen sind.

Die Kurve 10 dieser Fig. 4 entspricht einer Bremse mit herkömmlichen, d. h. konzentrisch zu den jeweiligen Kernen angeordneten Polschuhen, wie es in Fig. 3 dargestellt ist.

Die Kurve 11 entspricht derselben Bremse, bei der jedoch die Polschuhe relativ zu den entsprechenden Kernen in Umfangsrichtung nach hinten versetzt sind, d. h. entgegengesetzt zur Drehrichtung F der Rotor scheibe, wie es in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist.

Man sieht, daß die - bei sonst gleichen Verhältnis sen - durch die Versetzung der Polschuhe "nach hinten" bewirkte Erhöhung des Bremsmoments beträchtlich ist und mehr als 15 Prozent in kaltem Zustand bei bestimmten Drehzahlen des Rotors beträgt, insbesondere bei relativ niedrigen Drehzahlen, in der Größenordnung von 500 bis 1000 Umdrehungen pro Minute. Bei höheren Drehzahlen sind die magnetischen Kreise gewöhnlich nicht gesättigt, so daß der durch die Erfindung erzielte Vorteil weniger stark ausgeprägt ist.

Bei allen oben in bezug auf die Fig. 1 bis 3 angegebe nen Fällen ist jeder Magnetkern 2 durch eine zylin drische Fläche begrenzt, die konzentrisch zu seiner Achse Y ist.

Unter diesen Bedingungen beeinflußt eine Änderung der durch die Linien L in den Fig. 2 und 3 dargestell ten Magnetfeldverteilung theoretisch nur den sehr kleinen Teil des Volumens jedes Polschuhs, der sich längs der Zylinderfläche erstreckt, die den Querschnit ten dieser Figuren entspricht.

Um das Volumen jedes Polschuhs zu vergrößern, in dem die Magnetfeldverteilung in der oben beschriebenen Weise durch die einfache Versetzung der Polschuhe "nach hinten" verbessert wird, kann man jedem Magnetkern die Form eines Prismas oder Zylinders geben, dessen Querschnitt dem des Polschuhs ähnelt, der diesen Kern abschließt, oder weitgehend angenähert ist.

Im Falle der Fig. 5 ist dieser Querschnitt jedes Kerns durch ein Trapez mit abgerundeten Ecken 2 ₁ begrenzt, das der Grundform der oben angegebenen Polschuhe 5 ähnelt. In diesem Falle hat die elektri sche Wicklung weitgehend die Form einer prismatischen Muffe 3 ₁ mit trapezförmigem Querschnitt und weitgehend konstanter Dicke.

Die Erfahrung zeigt, daß bei einer derart verbesser ten Bremse das Bremsdrehmoment noch weiter verbessert wird, und zwar so, wie es sich durch die Kurve 12 in Fig. 4 ergibt. In diesem Falle erhöht sich das Drehmoment gegenüber der vorstehend betrachteten bekannten Bremse (Kurve 10) um mindestens 20% bei bestimmten Drehzahlen.

Wie Fig. 2 zeigt, hat die erfindungsgemäße Versetzung nach hinten die Unterdrückung oder Vermeidung eines sehr wichtigen Teils des Ausgangshorns S zur Folge, der bei den bekannten Konstruktionen sehr rasch gesättigt wird. Wenn das Eingangshorn E fast ausschließ lich bis zum Punkt des Bestehens ausgebildet wird und da dieses Eingangshorn weniger empfindlich gegen eine magnetische Sättigung ist, ist es möglich, dieses Polhorn ebenso wie den gesamten Polschuh im Vergleich zu bekannten Konstruktionen bei vorgege benem Verhalten zu verkleinern, so daß auch das Gewicht und der Raumbedarf verringert werden.

Darüber hinaus kann das Verhältnis der Dicke des Polschuhs zum Außendurchmesser der Induktionsscheibe der Bremse, das im allgemeinen größer als 1/30 ist, niedriger als 1/35 liegen und sogar bis zu 1/50 heruntergehen.

Infolgedessen ergibt sich, unabhängig von der jeweili gen Ausführungsform, ein sehr einfaches und wirksames Mittel, um das Drehmoment einer elektrischen Bremse zu erhöhen, da man lediglich ihre Polschuhe geringfügig "nach hinten" zu versetzen braucht.

Wie sich aus Vorstehendem ergibt, ist die Erfindung nicht auf die speziell beschriebenen Anwendungs- und Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfaßt sie auch alle Abwandlungen, insbesondere:

- solche, bei denen der Induktionsstator der Bremse zwei Polkanäle mit abwechselnder Polarität aufweist, die zwei Kränze aus Polschuhplatten aufweisen, von denen jeder Plattenkranz einer Induktionsrotor scheibe zugeordnet und die beiden fest miteinander verbundenen Scheiben den Induktor axial einrahmen,
- solche, bei denen die Polschuhe mit den Kernen einteilig aus magnetischem Material, diese verlän gernd, hergestellt sind, z. B. in einer Form mit den Kernen, statt durch getrennt hergestellte und an den Kernen angebrachte Platten,
- solche, bei denen die Polschuhe eine grundsätzlich andere Form als die eines gleichseitigen Trapezes mit abgerundeten Ecken aufweisen, wobei die Ecken des Trapezes nicht abgerundet zu sein brauchen und das Trapez selbst anders als gleichseitig sein kann, z. B. rechtwinklig, oder sogar um die Achse der Bremse leicht gekrümmt sein kann und
- solche, bei denen die erwähnte Wirbelstrombremse nicht für ein Fahrzeug, sondern für eine andere Maschine mit einer rotierenden Welle zum Bremsen, z. B. einer Maschine zum Heben und Senken, verwendet wird.

Claims

1. Elektrische Bremse zum Abbremsen einer rotierenden Welle (9) mit einem Induktionsstator, der einen Kranz von zylindrischen oder prismatischen sich parallel zur Achse der Welle erstreckenden und durch Polschuhe (5) abgeschlossenen Elektromagneten mit alternierender Polarität aufweist, und mit einer drehbaren Induk tionsscheibe (8) aus magnetischem Material, die axial vor den Polschuhen vorbeiläuft und von diesen nur durch einen engen ringförmigen Luftspalt (e) getrennt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Umfangsquer schnitt (II-II) jedes Polschuhs (5) asymmetrisch in bezug auf eine Ebene, die durch die Achse (X) der Bremse und die Achse (Y) des entsprechenden Elek tromagneten (2, 3) verläuft, entgegen der Drehrich tung (F) der Induktionsscheibe (8) um einen Drehwinkel (α) im Bereich von 1/25 bis 1/7 der winkelmäßigen Polteilung nach hinten versetzt ist, so daß sein Eingangshorn (E) sich weiter als sein Ausgangshorn (S) über diese Ebene hinaus erstreckt.

2. Bremse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Polschuh (5) in einer Draufsicht in Richtung der Achse der Bremse weitgehend die Form eines gleichseitigen Trapezes mit abgerunde ten Ecken aufweist, dessen Mittelpunkt in Umfangs richtung relativ zur Achse des entsprechenden Kerns (2) entgegengesetzt zur Drehrichtung der Scheibe (8) versetzt ist.

3. Bremse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Kerns (2) jedes Elektromagneten weitgehend die Form eines gleichseitigen Trapezes mit vorzugs weise abgerundeten Ecken aufweist.

4. Bremse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke jedes Pol schuhs (5) senkrecht zu seiner Stirnfläche über seine gesamte Ausdehnung konstant ist.

5. Bremse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke jedes Pol schuhs (5) senkrecht zu seiner Stirnfläche relativ klein ist, so daß das Verhältnis dieser Dicke zum Außendurchmesser der Scheibe (8) zwischen 1/50 und 1/30 liegt.

6. Bremse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Seitenfläche des Ausgangshorns (S) jedes Polschuhs (5) senkrecht zur Stirnfläche dieses Polschuhs und tangential zur Seitenfläche (N) des entsprechenden Kerns (2) verläuft.

7. Bremse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Eingangshorn (E) jedes Polschuhs (5) sich in Umfangsrichtung mindestens bis zur Seitenfläche der Wicklung (3) des benachbarten Elektromagneten erstreckt.