DE3631672A1 - Elektromagnetische bremseinrichtung fuer ein sporttrainingsgeraet - Google Patents

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.