DE3631672A1 - Elektromagnetische bremseinrichtung fuer ein sporttrainingsgeraet - Google Patents
Elektromagnetische bremseinrichtung fuer ein sporttrainingsgeraetInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine elektromagnetische Bremsein
richtung für ein Sporttrainingsgerät, insbesondere ein
Ergometer.
Ergometer sind ähnlich einem Fahrrad zu betreibende,
Standgeräte, die statt des Fahrrad-Hinterrades ein
Schwungrad-haben, welches über einen Pedalantrieb ange
trieben wird. Eine auf das Schwungrad wirkende, ein
stellbare Bremseinrichtung bestimmt den Widerstand, der
dem Pedalantrieb entgegengesetzt wird. Das Ergometer
kann als reines Trainingsgerät ausgebildet sein. Es kann
aber auch mit Meßgeräten gekoppelt sein, die die beim
Treten der Pedale aufgebrachte Energie und gegebenen
falls medizinische Meßdaten der trainierenden Person
messen.
Bei einfachen Ergometergeräten ist die Bremseinrichtung
als mechanische Reibungsbremse, beispielsweise in Form
eines Bremsbands oder einer Rollenbremse ausgebildet.
Mechanische Reibungsbremsen sind jedoch verschleißbehaf
tet.
Es ist ferner bekannt, dem Schwungrad eine Wirbelstrom
bremse zuzuordnen. Eine solche Wirbelstrombremse ist an
und für sich verschleißfrei. Bei bekannten Wirbelstrom
bremsen muß jedoch elektrische Energie über das Strom
netz zugeführt werden. Bei bekannten netzunabhängig be
triebenen Wirbelstrombremsen muß zur Einstellung der
Bremsleistung ein Permanentmagnet mechanisch lagever
ändert werden.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine elektromagnetische
Bremseinrichtung für ein Sporttrainingsgerät, insbeson
dere ein Ergometer, zu schaffen, dessen Bremsleistung
elektrisch einstellbar ist, welches aber ohne Zufuhr ex
terner elektrischer Energie betriebsfähig ist. Die
Bremseinrichtung soll ferner konstruktiv einfach gestal
tet sein.
Die erfindungsgemäße elektromagnetische Bremseinrichtung
umfaßt einen Stator und einen relativ zu dem Stator um
eine Drehachse drehbaren Rotor. Der Stator und der Rotor
haben jeweils mehrpolige Eisenkreise, die zusammen einen
magnetischen Durchflutungskreis bilden. Den Eisenkreisen
sind Wicklungen zugeordnet, von denen eine als Erreger
wicklung und die andere als Generatorwicklung ausgebil
det ist. Der Eisenkreis der Erregerwicklung hat rema
nenzmagnetische Eigenschaften, so daß bei der Relativ
drehung von Rotor und Stator in der Generatorwicklung
ein Anfangsspannung induziert wird. Die Erregerwicklung ist
über eine Schleifringanordnung mit der Generatorwicklung
verbunden und wird über den von der Generatorwicklung
erzeugten Strom erregt. Eine elektrische Steuereinrich
tung, die im einfachsten Fall ein Potentiometer ist,
vorzugsweise jedoch aber als Stromregelschaltung ausge
bildet ist, erlaubt das Einstellen des der Erregerwick
lung zugeführten Stroms. Dem Eisenkreis der Generator
wicklung ist ferner eine Kurzschlußwicklung zugeordnet.
Das über die Steuereinrichtung änderbare Magnetfeld der
Erregerwicklung induziert in der Kurzschlußwicklung
einen Kurzschlußstrom und erzeugt damit ein dem Erreger
strom proportionales Bremsmoment.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der
mit der Erregerwicklung versehene, remanenzmagnetische
Eisenkreis als Klauenpol-Eisenkreis ausgebildet. Bei der
Erregerwicklung handelt es sich hierbei um eine zur
Drehachse konzentrische Spule, während der Klauenpol-
Eisenkreis ein zur Spule konzentrisches, remanenzmagne
tisches Jochrohr aus einem magnetisch harten Stahl, ins
besonder C-35, umfaßt, an dessen axiale Stirnseiten
ringscheibenförmige Klauenpolträger luftspaltfrei an
schließen. Die Klauenpolträger haben axial aufeinander
zu abstehende Klauenpole, die in Umfangsrichtung ab
wechseln und dementsprechend ein mehrpoliges, in Um
fangsrichtung wechselndes Magnetfeld trotz Gleichstrom
erregung der Erregerspule erzeugen.
Der Eisenkreis der Generatorwicklung hat dem Klauenpol
radial gegenüberliegende Pole mit den Polen zugeordneten
Spulen. Bei den Spulen der Generatorwicklung kann es
sich um Schleifenwicklungen handeln, vorzugsweise sind
jedoch Wellenwicklungen vorgesehen. Auch bei der Kurz
schlußwicklung handelt es sich bevorzugt um Wellenwick
lungen. Die Kurzschlußwicklung kann jedoch auch in Form
einer Käfigwicklung mit axial zwischen zwei Kurzschluß
ringen sich erstreckenden Leitern oder Stäben ausgebil
det sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Stator ra
dial innerhalb des Rotors angeordnet und trägt axial
seitlich seines Eisenkreises Radiallüfterflügel. Der
Klauenpol-Eisenkreis bildet zwischen Rotor und Stator
axiale Kanäle, die in Verbindung mit dem Radiallüfter
für eine ausreichende Kühlung sowohl des Rotors als auch
des Stators sorgen. Zweckmäßigerweise trägt der radial
außen liegende Rotor auch die Generatorwicklung und die
Kurzschlußwicklung, was die Abfuhr der Bremswärme wei
terhin verbessert.
Die Steuereinrichtung ist bevorzugt mit dem Stator zu
einer Baueinheit verbunden und trägt auch die der
Schleifringanordnung zugeordneten Bürsten. Auf diese
Weise läßt sich insgesamt eine kompakte Baueinheit er
reichen.
Die erfindungsgemäße Bremseinrichtung läßt sich nicht
nur für Ergometergeräte verwenden, sondern in Trainings
geräten allgemeiner Art, beispielsweise in Ruder- oder
Laufrollen-Trainingsgeräten.
Im folgenden sollen Ausführungsbeispiele der Erfindung
anhand von Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische, teilweise im Axiallängs
schnitt dargestellte Bremseinrichtung für ein
Trainingsgerät, insbesondere ein Ergometer;
Fig. 2 einen Axiallängsschnit durch eine Variante der
Bremseinrichtung und
Fig. 3 ein Schaltschema einer Rotorwicklung der Brems
einrichtung nach Fig. 2.
Die elektromagnetische Bremseinrichtung in Fig. 1 umfaßt
einen drehfest auf einer Achse 1 sitzenden Stator 3
sowie einen in Lagern 5, 7 drehbar an der Achse 1 gela
gerten Rotor 9. Die Achse 1 ist in einer Gabel 11 eines
Trainingsgeräts, beispielsweise eines Ergometers, befe
stigt und hält den Stator 3 drehfest an der Gabel 11. An
dem Rotor 9 ist ein Antriebszahnrad 13 für eine An
triebskette oder einen Antriebszahnriemen befestigt,
über das von einem Pedalantrieb oder dergleichen der Ro
tor 9 relativ zu dem feststehenden Stator 3 gedreht wer
den kann.
Der Stator 3 ist als Klauenpolrad ausgebildet, dessen
Eisenkreis ein die Achse 1 drehfest umschließendes Joch
rohr 15 sowie axial beiderseits des Jochrohrs Klauenpol
träger 17, 19 aufweist. Die Klauenpolträger 17, 19 haben
Ringscheibenform und schließen luftspaltfrei an die axi
alen Stirnseiten des Jochrohrs 15 an. An ihrem Außenum
fang tragen die Klauenpolträger 17, 19 eine Vielzahl in
Umfangsrichtung jeweils gegeneinander versetzte Klauen
pole 21, 23. Die Klauenpole 21, 23 der beiden Klauenpol
träger 17, 19 stehen von axial gegenüberliegenden Seiten
des Jochrohrs 15 aufeinander zu ab, wobei sie sich in
axialer Richtung überlappen und im wesentlichen über die
gesamte axiale Länge des Jochrohrs 15 erstrecken. In Um
fangsrichtung des Stators 3 gesehen wechseln die Klauen
pole 21, 23 einander ab. Das Jochrohr 15 besteht aus re
manenzmagnetischem Stahl, beispielsweise Stahl C-35. In
einem von den Klauenpolen 21, 23 umgrenzten Raum ist
eine Erregerspule 25 koaxial zur Achse 1 angeordnet. Die
Erregerspule 25 umschließt das Jochrohr 15 und erzeugt
bei Gleichstromerregung in den Klauenpolträgern 17, 19
ein magnetisches Gleichfeld, welches sich zwischen den
Klauenpolen 21, 23 in Umfangsrichtung örtlich ändert.
Der Rotor 9 hat zwischen zwei an den Lagern 5, 7 gela
gerten Lagerflanschen 27, 29 einen geblechten Jochring
31, der den Stator 3 eng, jedoch berührungsfrei um
schließt. Der Jochring 31 weist an seinem Innenumfang
eine Vielzahl axial verlaufender Nuten 33 auf, die in
Umfangsrichtung gesehen zwischen sich Pole 35 bilden.
Die Pole 35 des Rotors 9 liegen den Klauenpolen 21, 23
radial gegenüber. Die Polzahl des Rotors ist ein gerad
zahliges Vielfaches der Polzahl des Stators 3. In den
Nuten 33 verlaufen Spulenleiter 37 einer Generatorwick
lung 39, in welcher das von der Erregerspule 25 erzeugte
Magnetfeld bei Rotation des Rotors 9 eine Wechselspan
nung induziert. Die Anschlüsse der Generatorwicklung 39
sind mit zwei ringförmig geschlossenen Schleifringen 41,
43 verbunden, an welchen Bürsten 45, 47 federnd anlie
gen.
An die Bürsten 45, 47 ist eine Stromregelschaltung 49
angeschlossen, die die von der Generatorwicklung 39 bei
der Rotation des Rotors 9 erzeugte Wechselspannung in
einer nicht näher dargestellten Gleichrichterschaltung
51 gleichrichtet und über einen herkömmlichen Stromre
gelkreis den bei 53 angedeuteten Anschlüssen der Erre
gerspule 25 als Gleichstrom mit einstellbarer Amplitude
zuführt. Die Amplitude des Erregergleichstroms ist an
einem als Einstellwiderstand ausgebildeten Sollwertgeber
55 der Stromregelschaltung 49 justierbar.
Der Jochring 31 des Rotors 9 trägt ferner eine Kurz
schlußwicklung 57, die vom Feld des Stators 3 durch
flutet wird. Die Kurzschlußwicklung 57 hat in die Nuten
33 eingelegte Leiter 59, die durch Blechringe 61, 63 an
ihren Enden miteinander verbunden sind.
Das bei der Herstellung der Bremseinrichtung magneti
sierte, remanenzmagnetische Jochrohr 15 erzeugt in der
Generatorwicklung 39 eine Anfangsdurchflutung, die bei
Rotation des Rotors 9 unabhängig von äußeren Stromquel
len eine Anfangserregung der Erregerspule 25 bewirkt,
die sich nachfolgend durch den Rückkopplungseffekt der
aus der Generatorwicklung 39 gespeisten Erregerspule 25
bis auf den am Sollwertgeber 55 eingestellten Wert stei
gert. Entsprechend der Durchflutung der Generatorspule
39 wächst auch die Durchflutung der Kurzschlußwicklung
57 und damit das der Drehung des Rotors 9 entgegenwir
kende Bremsmoment. Das Bremsmoment ist im wesentlichen
dem Erregerstrom der Erregerspule 25 proportional und
kann damit an dem Sollwertgeber 55 justiert werden. Es
sind keine äußeren Stromquellen erforderlich, nachdem
auch die Betriebsspannung der Stromregelschaltung 49 von
der Generatorwicklung 39 erzeugt wird.
Die Kurzschlußwicklung 57 erzeugt das Bremsmoment auf
elektromagnetischem Weg, da sie ein Gegenmagnetfeld er
zeugt, welches dem Feld der Erregerspule 25 entgegen
wirkt. Die Kurzschlußwicklung 57 besteht vorzugsweise
aus elektrisch gut leitendem Material, beispielsweise
Kupfer oder Aluminium. Die Polzahl der Kurzschlußwick
lung 57 kann sich von der Polzahl der Generatorwicklung
39 unterscheiden.
Fig. 2 zeigt eine Variante der Bremseinrichtung aus Fig.
1. Gleichwirkende Teile sind mit den Bezugszahlen der
Fig. 1 und zur Unterscheidung mit dem Buchstaben a ver
sehen. Zur näheren Erläuterung wird auf die Beschreibung
der Fig. 1 Bezug genommen. Im einzelnen entsprechen sich
hierbei die Teile mit den Bezugszahlen 1 bis 49, 53, 57
und 59. Die Teile 51 und 55 sind in Fig. 2 nicht darge
stellt, jedoch vorhanden.
Die Bremseinrichtung der Fig. 2 umfaßt wiederum einen
als Klauenpolrad ausgebildeten Stator 3 a, dessen Klauen
pol-Eisenkreis ein remanenzmagnetisches Jochrohr 15 a und
zwei axial luftspaltfrei anschließende Klauenpolträger
17 a, 19 a sowie eine Erregerspule 25 a aufweist. Das Joch
rohr 15 a und die Klauenpolträger 17 a, 19 a sind auf einen
geriffelten Abschnitt 65 der Achse 1 a aufgepreßt. Der
Abschnitt 65 hat einen größeren Durchmesser als die
axial beiderseits anschließenden Bereiche und fixiert
die den Rotor 9 a tragenden Lager 5 a, 7 a in axialer Rich
tung. Der Rotor 9 a hat einen geblechten und durch axial
verlaufende Nuten 33 a in Pole 35 a unterteilten Jochring
31 a. Das Blechpaket des Jochrings 31 a ist durch Nieten 67
zu einer Einheit zusammengefaßt. Die Lagerflansche 27 a
und 29 a des Rotors sind an ihrem Außenumfang mit Füh
rungsflächen 69, 71 für das Schwungrad des Ergometers
versehen, welches an einem Befestigungsflansch 73 des
Lagerflansches 27 a befestigt werden kann. Schrauben 75
verbinden den Jochring 31 a und die Lagerflansche 27 a,
29 a zu einer Einheit.
Im Unterschied zu der als Schleifenwicklung ausgebilde
ten Generatorwicklung 39 in Fig. 1 ist die Generator
wicklung 39 a in Fig. 2 als Wellenwicklung ausgebildet.
Die Kurzschlußwicklung 57 a ist ebenfalls als Wellenwick
lung ausgebildet und entsprechend dem Wickelmuster in
Fig. 3 zusammen mit der Generatorwicklung 39 a in die Nu
ten 33 a des Jochrings 31 a eingelegt. Im dargestellten
Ausführungsbeispiel hat der Jochring 31 a 24 Pole 35 a bei
12 Klauenpolen des Stators 3 a. Die Leiter 37 a und 59 a
der Wicklungen 39 a, 57 a sind jeweils in Schritten von
2 Nuten in Form einer Dreischichtwicklung eingelegt. Die
Wicklungsanfänge sind mit A, B und C bezeichnet und die
Wicklungsenden mit X, Y und Z. Die jeweils nachgestellte
Ziffer 1 bezeichnet ungeradzahlige Nuten, die Ziffer 2
geradzahlige Nuten. Die Leiter sind in der Wicklungs
reihenfolge A-B-C in die Nuten 33 a eingelegt. Die
Generatorwicklung 39 a umfaßt das Wicklungsschema
B 1-Y 1 - B 2-Y 2. Es sind 4 Kurzschlußwicklungen vor
handen: A 1-Z 1, C 1-X 1, A 2-Z 2 und C 2-X 2. Anfang
und Ende jeder Kurzschlußwicklung sind, wie aus Fig. 3
ersichtlich ist, miteinander verbunden. Eine Wicklung
der vorgeschlagenen Art erzeugt unabhängig vom Dreh
winkel des Rotors ein verhältnismäßig gleichmäßiges
Bremsmoment.
Die Klauenpole 21 a und 23 a des Stators 3 a belassen zwi
schen der Erregerspule 25 a und dem Innenumfang des Joch
rings 31 a axial verlaufende Lüftungskanäle 77. Während
der Lagerflansch 27 a eine Vielzahl axialer Öffnungen 79
hat, ist der Lagerflansch 29 a mit einer Vielzahl in Um
fangsrichtung verteilter Radiallüfterflügel 81 versehen,
die über radiale Durchbrechungen des Lagerflansches 29 a
mit den Kanälen 77 in Verbindung stehen. Die Radiallüf
terflügel 81 sorgen bei Rotation des Rotors 9 a für einen
Axialluftstrom in dem durch die Lagerflansche 27 a, 29 a
und dem Jochring 31 a gebildeten Gehäuse.
Auf der Achse 1 a ist dem mit den Radiallüfterflügeln 81
versehenen Lagerflansch 29 a benachbart ein Deckel 83 be
festigt, der eine Schaltungsplatine 85 umschließt. Die
Schaltungsplatine 85 trägt die Bauelemente der Stromre
gelschaltung 49 a sowie die Bürsten 45 a und 47 a. Die den
Bürsten 45 a, 47 a zugeordneten Schleifringe 41 a, 43 a sind
in gedruckter Schaltungstechnik auf einem Platinenring
87 vorgesehen, der an dem Lagerflansch 29 a befestigt,
beispielsweise angenietet ist. Anschlußleitungen der Ge
neratorwicklung 39 a sind durch Öffnungen des Lagerflan
sches 29 a herausgeführt und an die Schleifringe 41 a, 43 a
angeschlossen. Die Anschlußleitungen 53 a der Erregerspu
le 25 a sind in einer axialen Nut der Achse 1 a unter dem
Lager 7 a hindurch zur Schaltungsplatine 85 geführt. Die
Bremseinrichtung bildet damit eine insgesamt netzunab
hängig betreibbare, kompakte Einheit. Der Sollwertgeber,
über welchen das Bremsmoment eingestellt werden kann,
kann über ein gesondertes Kabel mit der Schaltungspla
tine 85 verbunden werden und an einer bedienungsfreund
lichen Stelle angeordnet sein.
Claims (12)
1. Elektromagnetische Bremseinrichtung für ein Sport
trainingsgerät, insbesondere ein Ergometer,
gekennzeichnet durch einen
Stator (3) und einen relativ zu dem Stator um eine
Drehachse drehbaren Rotor (9), wobei der Stator (3)
und der Rotor (9) jeweils mehrpolige Eisenkreise (15,
17, 19, 31) aufweisen, die zusammen einen magneti
schen Durchflutungskreis bilden und wobei einer der
Eisenkreise (15, 17, 19) remanenzmagnetische Eigen
schaft hat, durch den Eisenkreisen (15, 17, 19, 31)
zugeordnete Wicklungen (25, 39), von denen die dem
remanenzmagnetischen Eisenkreis (15, 17, 19) zugeord
nete Wicklung als Erregerwicklung (25) und die andere
Wicklung als Generatorwicklung (39) ausgebildet ist,
durch eine Schleifringanordnung (41, 43), über die
die Erregerwicklung (25) mit der Generatorwicklung
(39) verbunden ist,
durch eine dem Eisenkreis (31) der Generatorwicklung
(39) zugeordnete Kurzschlußwicklung (57) und
durch eine Steuereinrichtung (49) zum Einstellen der
Größe des der Erregerwicklung (25) aus der Generator
wicklung (39) zugeführten Stroms.
2. Bremseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Erregerwicklung als zur Drehachse
(1) konzentrische Erregerspule (25) und der remanenz
magnetische Eisenkreis als Klauenpol-Eisenkreis (15,
17, 19) mit einer Vielzahl von axial gegenüberliegen
den Seiten der Erregerspule (25) her axial aufeinan
der zu abstehenden, in Umfangsrichtung abwechselnden
Klauenpolen (21, 23) ausgebildet ist,
daß der Eisenkreis (31) der Generatorwicklung (39)
einen Weicheisen-Jochring (31) mit den Klauenpolen
(21, 23) radial gegenüberliegenden Polen (35) und die
Generatorwicklung (39) wenigstens eine den Polen (35)
zugeordnete Spule aufweist.
3. Bremseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Weicheisen-Jochring (31) den rema
nenzmagnetischen Eisenkreis (15, 17, 19) umschließt
und radial nach innen ragende Pole (35) hat.
4. Bremseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Weicheisen-Jochring (31) zur Bil
dung der Pole (35) axial verlaufende Nuten (33) hat,
in welchen sowohl Leiter (37, 59) der Generatorwick
lung (39) als auch der Kurzschlußwicklung (57) einge
legt sind.
5. Bremseinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Generatorwicklung (39 a) und die
Kurzschlußwicklung (57 a) als Wellenwicklung ausge
bildet sind.
6. Bremseinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Kurzschlußwicklung (57) axial bei
derseits des Eisenkreises (31) Kurzschluß-Blechringe
(61, 63) aufweist, die durch in den Nuten (33) ver
laufende Leiter (59) miteinander verbunden sind.
7. Bremseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Rotor (9 a) die Generatorwicklung
(39 a) und axial seitlich des Weicheisen-Jochrings
(31 a) Radiallüfterflügel (81) trägt.
8. Bremseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß die Polzahl des Genera
tor-Eisenkreises (31) gleich einem geradzahligen
Vielfachen der Polzahl des Erreger-Eisenkreises (15,
17, 19) ist.
9. Bremseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß die Schleifringanordnung
zwei ringförmige, geschlossene Schleifbahnen (41, 43)
aufweist und daß die Steuereimrichtung (49) über eine
Gleichrichterstufe (51) an die Generatorwicklung (39)
angeschlossen ist.
10. Bremseinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Steuereinrichtung (49) als Gleich
strom-Regelkreis ausgebildet ist.
11. Bremseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (8 a) eine am
Trainingsgerät zu befestigende Achse (1 a) aufweist
und daß die Steuereinrichtung (49 a) eine axial seit
lich des Stator-Eisenkreises (15 a, 17 a, 19 a) auf der
Achse (1 a) befestigte Schaltungsplatine (85) mit
Bauelementen der Steuereinrichtung (49 a) umfaßt.
12. Bremseinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Schaltungsplatine (85) der
Schleifringanordnung (41 a, 43 a) zugeordnete Bürsten
(45 a, 47 a) trägt.
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE3535157 | 1985-10-02 | ||
CA000585241A CA1292763C (en) | 1988-12-07 | 1988-12-07 | Low loss magnetic drive system |
US07/293,106 US4896064A (en) | 1981-02-06 | 1989-01-03 | Low loss magnetic drive system |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE3631672A1 true DE3631672A1 (de) | 1987-04-09 |
Family
ID=27168129
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE19863631672 Withdrawn DE3631672A1 (de) | 1985-10-02 | 1986-09-18 | Elektromagnetische bremseinrichtung fuer ein sporttrainingsgeraet |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE3631672A1 (de) |
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1986
- 1986-09-18 DE DE19863631672 patent/DE3631672A1/de not_active Withdrawn
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