NL192965C - Elektrische rem. - Google Patents

Description

1 192965

Elektrische rem

De uitvinding heeft betrekking op een elektrische rem voor het afremmen van een draaiende as en omvattende een inductiestator die ten minste één krans bevat van cilindrische of prismatische zich parallel 5 aan de as uitstrekkende en door poolschoenen afgesloten elektromagneten met alternerende polariteit; en een draaibare inductieschijf van magnetisch materiaal, die in axiale zin langs de poolschoenen loopt en van deze slechts gescheiden is door een smalle ringvormige luchtspleet.

Een dergelijke elektrische rem is bekend uit het Duitse octrooischrift 2.943.135. Bij deze bekende elektrische rem vertoont de omtreksdoorsnede van elke poolschoen een symmetrische vorm ten opzichte 10 van het vlak dat gaat door de hartlijn van de rem en door de hartlijn van de bijbehorende kern.

De uitvinding heeft als doel de waarden van het koppel dat het gevolg is van de opwekking van wervelstromen ten opzichte van deze woorden geldend voor de bekende rem te vergroten bij een gegeven gewicht en een gegeven ruimte.

Hiertoe wordt een elektrische rem van de bovengenoemde soort volgens de uitvinding gekenmerkt, 15 doordat de omtreksdoorsnede van elke poolschoen asymmetrisch is ten opzichte van het vlak dat gaat door de hartlijn van de rem en door de hartlijn van de bijbehorende kern in die zin dat zijn ingangsdeel zich verder van dat vlak uitstrekt dan zijn uitgangsdeel. De uitvinding is gebaseerd op het inzicht dat bij de bekende symmetrische constructie van elke pool, de magnetische flux een hogere concentratie heeft in het uitgangsdeel dan in het ingangsdeel, hetgeen blijkt uit een snellere verzadiging van het uitgangsdeel dan 20 van het ingangsdeel bij het geleidelijk toenemen van de elektrische bekrachtiging van de wikkeling die behoort bij de betreffende schoen. Door volgens de uitvinding elke poolschoen asymmetrisch te maken, met andere woorden in de richting tegengesteld aan de draairichting van de schijf ’’achteruit” te schuiven wordt het magneetveld homogener verdeeld, waardoor het tijdstip waarop het uitgangsdeel verzadiging bereikt uitgesteld wordt en het koppel aldus vergroot wordt.

25 Op zich is het uit het Amerikaanse octrooischrift 2.240.652 bekend om bij elektro-dynamische machines met een collector en een van wikkelingen voorzien anker de omtreksafmetingen van de poolspitsen te veranderen al naar gelang de machines motoren of generatoren zijn teneinde plaatselijk verzadigingen in de poolschoen te verhelpen. Echter is deze situatie niet toepasbaar op wervelstroomremmen, waarin de wervelstromen erg moeilijk te identificeren, te lokaliseren en te meten zijn.

30

In wat volgt zullen uitvoeringsvoorbeelden van de uitvinding worden beschreven onder verwijzing naar de tekening op een wijze die vanzelfsprekend niet-beperkend is.

Figuur 1 toont in een gedeeltelijk eindaanzicht de veld opwekkende inductiestator van een wervelstroom-rem voor een voertuig; 35 figuur 2 toont in een ”omtreks”-doorsnede gedeeltelijk langs de lijn ll-ll in figuur 1, vergroot en ontwikkeld, het samenstel van de stator en van een deel van de rotor van de rem, waarbij de doorsnede de verdeling van het magneetveld in de magnetische onderdelen laat zien; figuur 3 toont bij wijze van vergelijking een doorsnede van een bekend samenstel van een stator en een rotor met bijbehorende verdeling van het magneetveld; 40 figuur 4 is een grafische voorstelling die het belang van de uitvinding doet uitkomen; figuur 5 toont schematisch twee polen van een wervelstroomrem die is tot stand gebracht volgens een variant van de uitvinding.

Op een op zich bekende wijze omvat de stator van de rem in elk geval een krans van identieke elektromag-45 neten 1 in een even aantal (acht in het onderhavige geval) die regelmatig zijn verdeeld om dé hartlijn X van de rem en die alle bestaan uit een cilindervormige of prismatische kern 2 met een hartlijn Y die evenwijdig is aan X, en een wikkeling 3 van electrische draad die deze kern omgeeft.

Iedere kern 2 is gemonteerd op een gemeenschappelijke drager 4 die bijvoorbeeld de vorm vertoont van ten minste een kom en die zelf is gemonteerd op het chassis van het voertuig of anders op het carter van 50 de brug of van de bak van het voertuig.

De wikkelingen 3 worden alle op een kern 2 gehouden door een uitstekend plaatje 5 op het eind van de kern te schroeven, in het bijzonder met behulp van één enkele schroef 6, waarbij het fixeren van de hoekstand van dit plaatje om de schroef wordt verzorgd door samenwerking van een excentrische pen 7 die één geheel is met het plaatje, met een complementaire holte van de kern.

55 De naar buiten gekeerde oppervlakken van de plaatjes 5 liggen in eenzelfde vlak loodrecht op de hartlijn X en vormen aldus een vlakke krans met onderbrekingen.

De wikkelingen zijn elektrisch aangesloten met behulp van geschikte organen voor aansluiting en 192965 2 besturing aan een gelijkstroombron en hun aansluitingen aan deze bron zijn zodanig verzorgd dat de plaatjes 5 die elkaar in de krans die zojuist is beschreven, opvolgen, elektrische polen bepalen met om en om positief en negatief teken: de plaatjes 5 vormen ’verwijdingen’ voor deze polen en worden vaak ’poolschoenen’ genoemd.

5 Op een eveneens op zich bekende wijze omvat de rotor van de rem één volle inductieschijf 8 (figuren 2 en 3) die tot een geheel is gemaakt met een deel 9 (figuur 1) van de transmissie-as van het voertuig teneinde langs de statorkrans te kunnen gaan, waarbij de schijf en de krans van elkaar zijn gescheiden door een ringvormige spleet e (figuren 2 en 3).

De breedte van deze spleet e of ’’luchtspleet” is gering en heeft een grootte in de orde van bijvoorbeeld 10 1 a 2 mm.

De pijl F in de figuren geeft de verplaatsingsrichting van de rotorschijf 8 aan ten opzichte van de daar tegenoverstaande statorkrans.

De kernen 2, de plaatjes 5 en de schijf 8 bestaan alle uit een ferromagnetisch materiaal om voor de door de electrische bekrachtiging van de wikkelingen 3 opgewekte magnetische flux magnetische kringlopen te 15 vormen die in zichzelf zijn gesloten en alle tweemaal de spleet e oversteken.

Het is deze flux die in de schijf 8 tijdens het ronddraaien van de schijf wervelstromen induceert die zich tegen deze ronddraaiing verzetten hetgeen als effect het afremmen van de as van het voertuig heeft.

Bij de bekende elektrische rem van de hierboven beschreven soort is de ’’omtreksdoorsnede” van elk plaatje of poolschoen 5 symmetrisch ten opzichte van het vlak dat gaat door de hartlijn X van de rem en 20 door de hartlijn Y van de bijbehorende magneetkern 2. De ’’omtreksdoorsnede” van een poolschoen is de doorsnede van deze schoen met het omwentelingsoppervlak in de vorm van een cilinder die als as de as van het toestel aanneemt, gaande door het middelpunt van het eindoppervlak van de schoen en loodrecht op dit oppervlak.

Met andere woorden, het ingangsdeel E en het uitgangsdeel S van elke schoen vertonen omtreks-25 doorsneden die ten opzichte van elkaar identiek zijn, zoals in figuur 3 duidelijk wordt getoond.

In dit geval zijn bij een bekrachtiging van de rem de verdeling van de magnetische flux in deze twee delen E en S identiek wanneer de rem in stilstand staat.

Tot nu toe was niet bekend wat er bij het beginnen van het draaien van het anker 8 met deze verdeling gebeurt als gevolg van storingen die aan de ankerreactie zijn toe te schrijven.

30 Het is passend er hier aan te herinneren dat het verschijnsel van de ankerreactie op zich reeds lang geleden is bestudeerd voor elektro-dynamische machines met een collector en een van wikkelingen voorzien anker.

In een dergelijk geval zijn de windingen van het anker wat aantal, afmeting en richting betreft volmaakt bepaald en hetzelfde is het geval met de richting en de sterkte van de stroom in elk van de windingen: het 35 is dus makkelijk de ankerreactieflux te berekenen die overeenkomt met elk van deze windingen en de globale invloed van deze fluxen op de plaatselijke verzadigingen van de magnetische kringloop is vast te stellen.

Om dergelijke verzadigingen te verhelpen is reeds voorgesteld de omtreksafmetingen van de poolspitsen van bepaalde van deze machines te modificeren in richtingen die verschillen al naar gelang de machines 40 motoren of generatoren zijn (zie US-A-2.240.652).

De situatie is echter geheel anders voor machines die op wervelstromen berusten.

Deze stromen, waarvan de wervelende banen in zichzelf zijn kortgesloten, zijn moeilijk te identificeren, te lokaliseren en te meten en men was er nog niet in geslaagd deze wervelstromen voldoende te definiëren of er bruikbare gegevens aan te ontlenen wat betreft de verzadigingen van de poolspitsen tijdens de werking 45 van de rem.

Door moderne berekeningsmethoden, met behulp van een computer is het toch gelukt deze kwesties onder de knie te krijgen en zelfs om de lijnen van het magneetveld in de massa van de magnetische onderdelen terwijl de rem werkt, beeldmatig voor te stellen.

Vastgesteld werd dat wanneer het anker 8 in de richting van de pijl F draait en een symmetrische 50 constructie van elke pool, zoals bij de bekende rem (figuur 3) wordt beschouwd, de magnetische flux een hogere concentratie heeft in het uitgangsdeel S dan in het ingangsdeel E: dit is zichtbaar in figuur 3 waar de veldlijnen L die de magnetische flux voorstellen, dichterbij elkaar liggen naarmate de plaatselijke magnetische inductie hoger is.

Deze concentratie blijkt uit een snellere verzadiging van het uitgangsdeel S dan van het uitgangsdeel E 55 wanneer men geleidelijk aan de elektrische bekrachtiging van de wikkeling 3 die behoort bij de beschouwde schoen 5, laat toenemen.

Om bij de genoemde vergroting van de elektrische bekrachtiging het tijdstip uit te stellen waarop het 3 192965 uitgangsdeel S verzadiging bereikt wordt overeenkomstig de uitvinding de poolschoen 5 langs de omtrek ’’achteruit” geschoven, dat wil zeggen in de richting tegengesteld aan de draairichting F van de schijf 8.

Vastgesteld werd dat in dit geval het magneetveld op een meer homogene wijze wordt verdeeld over het geheel van het volume van elke poolschoen, waarbij het uitgangsdeel in zekere zin wordt ontlast van zijn 5 overschot aan inductie ten voordele van het ingangsdeel dat in dit opzicht te voren gebrek leed.

Dit blijkt uit de verdeling van de veldlijnen L in figuur 2, die zich voordoet bij dezelfde bedrijfsvoor-waarden als die welke ten grondslag liggen aan figuur 3. Het enige verschil dat ten opzichte van de constructie volgens figuur 1 is aangebracht, bestaat uit de verschuiving langs de omtrek naar achteren van de poolschoenen.

10 In het bijzonder zijn alle afmetingen van deze schoenen ongewijzigd gebleven.

De hoekwaarde α van de omtreksverschuiving die hierboven is genoemd, bedraagt bij voorkeur tussen A/25 en A/7 indien met A de poolsteek in hoekvorm wordt aangeduid, dat wil zeggen de hoek gerekend om de hartlijn X van het toestel die de vlakken die door deze hartlijn X en respectievelijk door de hartlijnen Y van twee opeenvolgende polen gaan, met elkaar maken: in het getoonde geval waar het aantal polen gelijk 15 is aan 8, bedraagt deze hoek α bij voorkeur tussen 2 en 7°.

Indien men de hoek gerekend om de hartlijn X over welke een poolschoen zich uitstrekt, poolboog noemt, dan bedraagt de verhouding tussen deze poolboog en de poolsteek in hoekvorm, bij voorkeur tussen 0,65 en 0,90; deze verhouding is in de orde van grootte van 0,80 in het hier getoonde uitvoeringsvoorbeeld. In dit uitvoeringsvoorbeeld geldt bovendien: 20 - de dikte van elke schoen 5, gerekend langs een axiale richting blijft over zijn gehele uitgestektheid constant; - elk plaatje dat een schoen 5 vormt, vertoont de algemene vorm van een gelijkbenig trapezium met afgeronde hoeken; - het oppervlak dat het vlak Ts van het uitgangsdeel van elke schoen bepaalt en dat langs de omtrek 25 gezien tegenover het zijvlak TE van het ingangsdeel van de naastgelegen schoen staat, raakt aan het zij-oppervlak N van de kern 2 die wordt afgesloten door de beschouwde schoen ten minste ter plaatse van het cilindervormige omwentelingsoppervlak dat als as de hartlijn X van de rem heeft en dat de hartlijn Y van de kernen 2 bevat; - het oppervlak dat het zijvlak TE van het ingangsdeel van elk van de schoenen bepaalt, raakt aan het 30 zij-oppervlak B van de wikkeling of spoel 3 die de aangrenzende schoen omgeeft; en - de platte zijvlakken Ts en TE van opeenvolgende poolschoenen die tegenover elkaar staan, vormen met elkaar twee aan twee een kleine hoek waarbij elk van de zijkanten wordt begrensd door een vlak dat gaat door de hartlijn X van de rem; maar deze zijkanten kunnen echter eveneens twee aan twee evenwijdig zijn.

De ervaring leert dat op verrassende wijze bij de remmen waarvan de poolschoenen omtreksgewijs naar 35 achteren zijn ’’verschoven” op de hierboven aangegeven wijze, de opgewekte remkoppels zeer duidelijk groter zijn dan bij identieke remmen waarvan de poolschoenen hun middelpunt hebben in de hartlijn van de bijbehorende kernen.

Deze verbetering blijkt duidelijk uit figuur 4 getoonde grafische voorstelling waarin zijn uitgezet: - langs de horizontale as de toerentallen V van de rotor van de rem in toeren/minuut, en 40 - langs de verticale as het door de rem opgewekte koppels C in Newton-meter.

De grafiek 10 in figuur 4 komt overeen met de bekende rem, dat wil zeggen met poolschoenen gemonteerd met centrering op de bijbehorende kernen overeenkomstig figuur 3.

Grafiek 11 komt overeen met dezelfde rem, doch waarbij de poolschoenen omtreksgewijs naar achteren zijn verschoven ten opzichte van de bijbehorende kernen, dat wil zeggen in een richting die tegengesteld is 45 aan de draairichting (F) van de schijf, conform de figuren 1 en 2.

Men ziet dat - bij overigens gelijke omstandigheden - de verkregen toename van het remkoppel door de verschuiving ’’naar achteren" van de poolschoenen aanzienlijk is en meer dan 15% kan bereiken voor bepaalde toerentallen van de rotor, in het bijzonder voor betrekkelijk geringe toerentallen in de orde van grootte van 500 tot 1000 omw./min. Voor hogere toerentallen raken de magnetische ketens gewoonlijk niet 50 verzadigd zodat de door de uitvinding gebrachte winst minder duidelijk is.

In elk van de hierboven onder verwijzing naar de figuren 1 tot en met 3 genoemde gevallen is elke magneetkem 3 begrensd door een cilindervormige omwentelingsoppervlak om de hartlijn Y.

Onder deze omstandigheden heeft de wijziging van de verdeling van het magneetveld dat door de lijnen L is gesymboliseerd in de figuren 2 en 3, in theorie slechts betrekking op het zeer minieme gedeelte van het 55 volume van elk van de poolschoenen dat zich uitstrekt langs het cilindervormige oppervlak dat overeenkomt met de doorsneden van de figuren.

Om het volume van elke poolschoen waarvoor de verdeling van het magneetveld op de hierboven

Claims (8)

192965 4 beschreven wijze door de eenvoudige verschuiving ’’naar achteren” van de poolschoenen, te vergroten kan men elke magneetkem de vorm geven van een prisma of cilinder waarvan de dwarsdoorsnede lijkt op die van de schoen die de kern afsluit, of ten minste dicht daarbij komt. In het geval van figuur 5 is deze dwarsdoorsnede van elke kern begrensd door een trapezium Z1 met 5 afgeronde hoeken die de hierboven aangegeven grondvorm van de schoenen 5 benadert. In een dergelijk geval vertoont de elektrische wikkeling de algemene vorm van een prismatische huls 3, met een trapeziumvormige doorsnede van een dikte die althans nagenoeg constant is. De ervaring leert dat met een aldus verbeterde rem het remkoppel nog verder is verbeterd, zoals kan worden waargenomen aan de grafiek 12 in figuur 14. In dit geval bereikt de toename van het koppel ten 10 opzichte van de hiervoor beschouwde rem (grafiek 10) 20% en zelfs meer voor bepaalde waarden van het toerental. Zoals blijkt uit figuur 2 wordt de verschuiving naar achteren vertaald in het weglaten van een zeer aanzienlijk gedeelte van het uitgangsdeel S dat zeer snel is verzadigd bij de bekende rem. Aangezien het ingangsdeel E daarmee in overeenstemming zelfs zo is beperkt dat het bijna alleen overblijft en dit 15 ingangsdeel minder gevoelig is voor de magnetische verzadiging, is het mogelijk het ingangsdeel alsmede de poolschoen ten opzichte van de bekende rem, bij een gegeven prestatie te verkleinen, hetgeen het gewicht en het ruimtebeslag vermindert. Aldus kan de verhouding tussen de dikte van de schoen en de buitendiameter van de inductieschijf die in het algemeen groter is dan 1/30, dalen tot onder 1/35 en zelfs het geringe bedrag van 1/50 bereiken. 20 Bijgevolg wordt, ongeacht de uitvoeringsvorm, beschikt over een uiterst eenvoudig en doeltreffend middel om het draaimoment van een elektrische rem te vergroten omdat het voldoende is haar poolschoenen enigszins ’’naar achteren” te verschuiven. Zoals vanzelf spreekt is de uitvinding in het geheel niet beperkt tot de besproken uitvoeringsvormen die in het bijzonder zijn genoemd. De uitvinding omvat daarentegen alle varianten, in het bijzonder: 25. die waarin de stator van de rem twee kransen van polen omvat met om en om wisselend teken die twee vlakke kransen van poolschoenen bezitten, waarbij elk van de twee vlakke kransen is toegevoegd aan rotorschijf en de twee schijven die met elkaar een geheel vormen, dan in axiale zin de stator die het veld opwekt, omsluiten; - die waarin de poolschoenen een enkel blok vormen met de kernen van magnetisch materiaal die zij 30 verlengen, omdat zij bijvoorbeeld samen met deze kernen zijn gevormd in plaats van dat zij bestaan uit onafhankelijke plaatjes die op de kernen zijn bevestigd; - die waar de poolschoenen een andere vorm vertonen dan die van een gelijkbenig trapezium met afgeronde hoeken, bijvoorbeeld rechthoekig of zelfs lichtelijk naar binnen gebogen om de hartlijn van de rem; en 35. die waar de beschouwde wervelstroomrem niet behoort tot de uitrusting van een voertuig maar van een andere machine die een af te remmen draaiende as bevat, zoals een hefwerktuig of een boorinstallatie. 40

1. Elektrische rem voor het afremmen van een draaiende as en omvattende een inductiestator die ten minste één krans bevat van cilindrische of prismatische zich parallel aan de as uitstrekkende en door poolschoenen afgesloten elektromagneten met alternerende polariteit; en een draaibare inductieschijf van magnetisch materiaal, die in axiale zin langs de poolschoenen loopt en van deze slechts gescheiden is door 45 een smalle ringvormige luchtspleet, met het kenmerk, dat de omtreksdoorsnede van elke poolschoen (5) asymmetrisch is ten opzichte van het vlak dat gaat door de hartlijn (X) van de rem en door de hartlijn (Y) van de bijbehorende kern (2) in die zin dat zijn ingangsdeel (E) zich verder van dat vlak uitstrekt dan zijn uitgangsdeel (S).

2. Elektrische rem volgens conclusie 1, waarbij de poolschoen volgens een eindaanzicht evenwijdig aan de 50 hartlijn van de rem in hoofdzaak de vorm heeft van een gelijkbenig trapezium met afgeronde hoeken, met het kenmerk, dat het middelpunt van het trapezium in omtreksrichting ten opzichte van de as van de overeenkomstige kern (2) is verschoven in de richting tegengesteld aan de draairichting van de schijf (8).

3. Elektrische rem volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de dwarsdoorsnede van elke kern (2) in hoofdzaak de vorm heeft van een gelijkbenig trapezium met bij voorkeur afgeronde hoeken.

4. Elektrische rem volgens een van de voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de dikte van elke poolschoen (5), gerekend loodrecht op zijn eindoppervlak, constant is over de gehele uitgestrektheid van dat oppervlak. 5 192965

5. Elektrische rem volgens een van de voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat de dikte van elke poolschoen (5), gerekend loodrecht op zijn eindoppervlak, relatief gering is in die zin dat de verhouding tussen deze dikte en de buitendiameter van de schijf (8) ligt tussen 1/50 en 1/30.

6. Elektrische rem volgens een van de voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat een zijvlak van het 5 uitgangsdeel (S) van elke poolschoen (5) loodrecht staat op het eindoppervlak van deze poolschoen en raakt aan het zijvlak (N) van de bijbehorende kern (2).

7. Elektrische rem volgens een van de voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat het ingangsdeel (E) van elke poolschoen (5) zich langs de omtrek uitstrekt ten minste tot aan het zijvlak van de wikkeling (3) die de kern omgeeft van de naburige poolschoen.

8. Elektrische rem volgens een van de voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat elk van de poolschoenen in omtreksrichting is gedraaid over een hoek die is gelegen tussen 1/25 en 1/7 van de poolstreek in hoekvorm. Hierbij 2 bladen tekening