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Durch die Wirkung eines Magnetfeldes betätigte Bremse oder Kupplung
Die Erfindung bezieht sich auf eine durch die Wirkung eines Magnetfeldes betätigte,
nach dem Wirbelstromprinzip arbeitende Bremse oder Kupplung für den Fahrzeug- oder
Maschinenbau. Es ist in der elektrischen Instrumententechnik bekannt, die Wirkung
von Wirbelströmen zur Bremsung oder auch zum Antrieb umlaufender Teile zu benutzen,
so z. B. bei elektrischen Zählern oder Geschwindigkeitsanzeigegeräten. Derartige
Instrumente und Geräte sind zwar auch mit Dauermagneten ausgerüstet, jedoch handelt
es sich hier um sehr kleine Drehmomente, so daß solchen bekannten Ausführungsformen
keine praktische Bedeutung für :die Bremsung oder auch Kupplung von Fahrzeugen zukommt.
Man hat auch schon vorgeschlagen, solche Wirbelstrombremsen mittels starker Elektromagnete
zum Zweck der Fahrzeugbremsung herzustellen. Derartige Bremsen besitzen zwar ein
ausreichendes Bremsmoment, sind jedoch für die Erregung der Elektromagnete an eine
Stromquelle gebunden. Sie sind wegen des hohen Gewichtes teuer in der Anschaffung
und im Verbrauch. Ferner versagen sie bei. irgendwelchen Störungen in der Stromzufuhr.
Da ferner der Stromverbrauch sehr groß ist, genügen meistens nicht die vorhandenen
Sammler, es müssen vielmehr eigens für diesen Zweck Gleichstrommaschinen eingebaut
werden.
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Die Nachteile werden nach dem erfindungsgemäßen Vorschlag dadurch
vermieden, daß Dauermagnete für- die Erzeugung von Wirbelströmen Anwendung finden,
bei denen die Feldstärke zum Zweck der Veränderung der Brems- oder Kupplungskraft
durch Verstellung dieser Magnete gegenüber den zugehörigen Polschuhen in gewünschter
Weise geregelt werden kann. Hierbei werden nicht
nur die Wirbelströme
zur Bremsung herangezogen, sondern auch die Hysteresearbeit, die in dem Eisen entsteht,
aus welchem die Brems- oder Kupplungselemente aufgebaut oder mit welchem sie ausgerüstet
sind. Durch die Verwendung von Dauermagneten großen Energieinhalts, wie insbesondere
solcher aus Aluminium-Nickel-Legierungen oder aus mit Hilfe eines Bindemittels gepreßten
zerkleinerten Magnetstählen dieser Art, erübrigen sich besondere Stromquellen, so
daß die erfindungsgemäße Wirbelstrombremse oder Kupplung unabhängig von den übrigen
Teilen des Fahrzeuges ist. Sie kann daher leicht in jedes Fahrzeug nachträglich
eingebaut werden, ohne daß der elektrische Teil der maschinellen Anlage erweitert
oder ergänzt werden müßte. Andererseits kann durch die Verstellbarkeit der Dauermagnete
die Feldstärke in demselben Maß geändert werden, wie dies bei Elektromagneten durch
Änderung der Stromstärke erreicht wird.
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Zweckmäßig wird gemäß der Erfindung der Abstand der auf den Leiter
wirkenden Pole der Dauermagnete so gering gewählt, daß durch die gegenseitige Beeinflussung
ein möglichst inhomogenes Feld innerhalb des wirksamen Luftspaltes bei geringster
Schwächung der Luftspaltinduktion entsteht. Bei Innehaltung des optimalen Wertes
des Polabstandes erreicht die Erzeugung von Wirbelströmen ein Maximum und damit
auch die Bremswirkung durch diese Wirbelströme. Es ist selbstverständlich, daß man
diesen Effekt auch bei elektromagnetischer Anordnung ausnutzen kann. Als Werkstoff,
in dem die Wirbelströme erzeugt werden, wird vorteilhaft ein guter Leiter, wie z.
B. Kupfer, gewählt.
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Sofern aber die im Feldbereich der Magnete liegenden Teile Eisen enthalten,
entsteht neben dem Bremseffekt durch Wirbelströme noch ein zusätzlicher Bremseffekt
durch die Hysteresearbeit im Eisen. Um für beide Bremseffekte ein Optimum zu erhalten,
werden die Wirbelströme in einem urimagnetischen Werkstoff mit geringem elektrischem
Widerstand und in einem zum Rückschluß der Kraftlinien dienenden ferromagnetischen
Körper von vorzugsweise großer Reinheit erzeugt, wobei zweckmäßig der Werkstoff
mit guter elektrischer Leitfähigkeit unmittelbar auf den ferromagnetischen Körper
aufgebracht ist. Ein . ferromagnetischer Körper von vorzugsweise großer Reinheit,
wie z. B. reines- Eisen, wird deswegen vorgeschlagen, weil ein solcher Werkstoff
nicht nur einen guten Eisenrückschluß darstellt, sondern gleichzeitig wegen seiner
höheren elektrischen Leitfähigkeit das. Entstehen von Wirbelströmen begünstigt.
Zur Unterstützung dieser Eisenleitfähigkeit ist auf diesen Körper noch ein unmagnetischer
Werkstoff mit geringem elektrischem Widerstand, wie z. B. Kupfer, unmittelbar aufgebracht.
Hierbei werden die Querschnitte von Kupfer und Eisen so bemessen, daß im Hinblick
auf eine maximale Bremswirkung und unter Berücksichtigung der Erwärmung die Größe
der Wirbelströme und der Hysteresearbeit diesen Bedingungen angepaßt ist. Die Verstellung
der Magnete zwecks Änderung der Feldstärke kann auf die verschiedenste Art und Weise
in Verbindung mit einer Bremse oder Kupplung verwirklicht werden. Ein Vorschlag
gemäß der Erfindung besteht darin, daß zwei oder mehr in axialer Richtung magnetisierte
Magnete radial verschiebbar so angeordnet sind; daß sie zum Zweck des Bremser oder
Kuppelns in einen U-förmigen, im Kraftlinienbereich mit einem elektrisch gut leitenden
Werkstoff belegten ferromagnetischen Ringkörper und zum Zweck des Abschaltens in
einen als Kurzschluß dienenden, konzentrisch und koaxial dazu angeordneten zweiten
U-förmigen ferromagnetischen Ringkörper radial hineinbewegt werden können. Hierbei
stehen sich die U-förmigen ferromagnetischen Ringkörper mit ihren offenen Seiten
einander gegenüber, so daß sich die Magnete in einem geschlossenen Körper durch
beliebigen äußeren. Antrieb,. wie z. B. nach Art der Backen eines Dreibackenfutters,
mittels Spirale bewegen lassen. Dabei sind vorteilhaft die U-Schenkel des Kurzschlußringes
nach den Enden hin zugespitzt, so daß bei der Herausbewegung der Magnete aus dem
als Kurzschluß dienenden Ringkörper in den zur Bremsung dienenden Ringkörper die
magnetische Wirkung infolge der Übersättigung an den äußeren zugespitzten Kanten
nicht plötzlich auftritt.
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Anstatt in axialer Richtung magnetisierte Magnete vorzusehen, kann
man gemäß der Erfindung auch mit in radialer Richtung magnetisierten Magneten arbeiten,
die axial verschiebbar so angeordnet sind, daß sie zum Zweck des Bremsens oder Kuppelns
in einen U-förmigen, im Kraftlinienbereich mit einem elektrisch gut leitenden Werkstoff
belegten ferromagnetischen Ringkörper und zum Zweckdes Abschaltens in einen als.
Kurzschluß dienenden, konzentrisch und koaxial dazu angeordneten zweiten ferromagnetischen
Ringkörper axial hineinbewegt werden können. Bei dieser Anordnung ist die Ebene
der Bewegungsrichtung der Magnete somit um 9o° gegenüber der vorbeschriebenen Anordnung
gedreht und entsprechend auch die Stege der U-förmigen Ringkörper. Auch hierbei
laufen bei dem als Kurzschluß dienenden U-förmigen Ringkörper die Flansche nach
den offenen Seiten hin spitz zu, um ein langsames Wirksamwerden der Magnete in der
Brems- bzw. Kupplungsstellung zu erreichen.
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Man kann aber gemäß der Erfindung bei der Regelung der Feldstärke
durch Verstellung der Magnete auch so vorgehen, daß zwei oder mehr quer zur Achs
magnetisierte Magnete verdrehbar angeordnet .sind, derart, daß ihre Pole jeweils
zum Zweck des Bremsens oder Kuppelns mit Polstücken, zwischen denen das die Wirbelströme
oder die Hysteresearbeit erzeugende Magnetfeld entsteht, und zum Zweck des Abschaltens
mit einem Kurzschlußkörper in Verbindung gebracht werden können. Anstatt einen besonderen
Kurzschlußkörper zu verwenden, kann man aber auch gemäß der Erfindung die Polschuhe
so gestalten, daß sie, wenn der Magnet zwischen den Polschuhen stehst, er durch
diese
unmittelbar kurzgeschlossen wird. Durch die Anwendung drehbarer Magnetkörper ist
eine besonders empfindliche Regelung der Feldstärke möglich, wobei in der Abschaltestellung
durch den Kurzschluß die Streuung, die eine unerwünschte Bremsung verursachen könnte,
fast vollständig vermieden wird.
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Besonders günstige Verhältnisse in dieser Hinsicht erzielt man dadurch,
daß gemäß der Erfindung ein oder mehrere um ihre Längsachse drehbare, quer zur Achse
magnetisierte Dauermagnetpaare so in einem Kurzschlußkörper angeordnet sind, daß
der Kraftfluß in der Arbeitsstellung von dem ersten Magnetpol über mit Abstand davon
angeordnete und relativ zum Feld bewegte, aus einem mit einem elektrischen Leiter
belegten ferromagnetischen Werkstoff bestehende Brems- bzw. Kupplungselemente zu
dem zweiten Magnetpol verläuft und sich über den Kurzschlußkörper schließt, während
zum Zweck des Abschaltens die Dauermagnete so verdreht werden können, daß die Kraftlinien
vollständig innerhalb des Kurzschlußkörpers verlaufen. Die paarweise Anordnung der
Dauermagnete gestattet in einwandfreier Weise,. in der Abschaltstellung ein völliges
Verschwinden des Feldes herbeizuführen.
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Weitere Möglichkeiten zur Veränderung der Feldstärke zwischen den
Reibungs- oder Kupplungsgliedern bestehen gemäß der Erfindung darin, daß die vorzugsweise
stabförmigen Magnete durch Kippen, Schrägstellen oder Aneinanderlegen in eine solche
Lage gebracht werden, daß sie sich gegenseitig kurzschließen, wobei in den Zwischenstellungen
jede gewünschte Feldstärke im Luftspalt erreicht werden kann.
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Eine andere vorteilhafte Anordnung der verstellbaren Magnete ist dadurch
gekennzeichnet, daß ein Polrad oder -kranz, bestehend aus radial magnetisierten,
auf einem Rückschlußring befestigten Dauermagneten, einem konzentrisch und koaxial
hierzu angeordneten Polschuhkranz gegenübersteht, wobei das Polrad. oder der Polkranz
derart verstellbar angeordnet ist, daß seine Pole zum Zweck des Bremsens oder Kuppelns
den Polschuhen des Polschuhkranzes gegenüberstehen und zum Zweck des Abschaltens
so verstellt werden, daß die Pole des Polrades oder -kranzes sich über die Polschuhe
des Polschuhkranzes kurzschließen. Auch bei dieser Art der Verstellung der Magnete
werden Zwischenstellungen durchlaufen, bei denen die Pole noch teilweise kurzgeschlossen
sind und die Feldstärke den Höchstwert noch nicht erreicht hat. Die Anwendung einer
Vielzahl von Polen auf einem Polrad ermöglicht die Unterbringung größerer magnetischer
Energie und damit eine Steigerung der Bremswirkung der gesamten Anordnung. Die gleiche
Bremswirkung läßt sich erreichen bei einem zu einer Zahnstange abgewickelten Polrad,
wobei dieser Zahnstange die Polschuhe gegenüberstehen, über welche die Kraftlinien
des Magnets auf den abzubremsenden oder mitzunehmenden, gegebenenfalls mit Kupfer
belegten Rückschluß wirken. Bei einer Relativbewegung .dieser Zahnstange zu den
Polschuhen über eine halbe Polteilung werden die Magnete über die Polschuhe kurzgeschlossen.
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Vorteilhaft ist gemäß der Erfindung die Wirbelstrombremse oder Kupplung
mit einer üblichen Reibungsbremse oder Kupplung derart vereinigt, daß zunächst die
Wirbelstrom- oder Hysteresebremse eingeschaltet und dann erst die Reibungsbremse
in Tätigkeit gesetzt wird. Bei dieser kombinierten Anordnung wird im Fall des Bremsens
oder Kuppelns zuerst die Wirbelstrom- oder Hysteresebremse eingeschaltet, die die
Hauptbremsarbeit ohne Verschleiß so lange durchführt, bis die Relativgeschwindigkeit
zwischen dem sich bewegenden und dem stehenden Teil so gering geworden ist, daß
der Wirbelstrombremseffekt auch bei voll eingeschaltetem Magnetfeld nicht mehr die
gewünschte Bremskraft erzeugt. Dann erst wird man zweckmäßig die mechanische Bremse
oder Kupplung in Tätigkeit setzen, die dafür zu sorgen hat, daß die Relativgeschwindigkeit
Null wird.
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Um diese Ein- und Ausschaltvorgänge möglichst sicher durchführen zu
können, ist in einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens eine Anordnung getroffen,
derart, daß auf die Magnete und/oder die mechanische Bremsvorrichtung unmittelbar
verstellend wirkende Kräfte, wie z. B. Federkräfte, wirken, die das Bestreben haben,
gegebenenfalls mit oder über Dämpfungs- und Verzögerungseinrichtungen die Kupplung
zu betätigen, sofern sie nicht von willkürlich steuerbaren Kräften aufgehoben werden.
Durch diese Anordnung wird gleichzeitig eine selbsttätige Auslösung der die Kupplung
oder Bremse betätigenden Kräfte herbeigeführt für den Fall, daß Brüche im Betätigungsgestänge
auftreten, welche ein Einschalten der Bremse auf normale Weise unmöglich machen.
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Gegenüber allen bekannten Bremsen mechanischer oder elektrischer Art
hat die erfindungsgemäße Bremse den Vorteil unbedingter Betriebssicherheit bei geringstem
Bedarf an Energie. Außerdem unterliegt sie keinem Verschleiß.
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In der Zeichnung sind ein Diagramm, welches die Abhängigkeit der Bremskraft
vom Polabstand veranschaulicht, sowie Ausführungsbeispiele von Bremsen und Kupplungen
gemäß der Erfindung beispielsweise veranschaulicht, und zwar zeigt Abb. i die Abhängigkeit
der Bremskraft vom Polabstand bei verschiedenen Luftspalten, Abb.,o einen Ausschnitt
aus einer Bremse oder Kupplung, bei welcher die Magnete radial beweglieh sind, .
Abb.3 einen Schnitt durch eine Bremse oder Kupplung, bei welcher die Magnete axial
beweglich sind, Abb.4 einen Schnitt durch eine Bremse oder Kupplung mit drehbaren
Magneten und gesondertem Rückschlußkörper, Abb. 5 einen Schnitt durch eine Bremse
oder Kupplung mit drehbaren Magneten., bei welcher die Magnete durch die Polschuhe
selbst kurzgeschlossen werden, Abb.6 einen Schnitt durch eine Bremse oder Kupplung
unter Verwendung von Dauermagnetpaaren
die in einem Rückschlußkörper
drehbar gelagert sind, Abb. 7 einen Schnitt durch eine Bremse oder Kupplung, bei
der in einem U-förmigen Körper durch Kippen Magnete untereinander kurzgeschlossen
werden, Abb. 8 einen Schnitt durch eine Bremse oder Kupplung, bei der in einem U-förmigen
Körper Magnete durch Aufeinanderlegen kurzgeschlossen werden können, Abb. 9 eine
Polradanordnung mit kranzförmig angeordneten Magneten und einem konzentrisch dazu
liegenden Polschuhring.
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Bei dem Schaubild sind auf der Ordinate die Bremskräfte und auf der
Abszisse die Polabstände aufgetragen. In Abhängigkeit davon sind drei Schaulinien
1, 2 und 3 für die verschiedenen Luftspalte, und zwar für i = 2 mm, i = 2,5 mm und
1 = 3 mm aufgezeichnet, die alle die gleiche Charakteristik bzw. ein Maximum für
einen bestimmten Polabstand zeigen. Hierbei ist zu bemerken, daß unter Luftspalt
der Abstand zwischen Magnet und dem ferromagnetischen Brems- oder Kupplungsring
oder -scheibe verstanden wird, der sich ergibt aus dem Luftspalt zusätzlich der
Dicke des Kupferleiters. Die dargestellten Verhältnisse beziehen sich auf eine ganz
bestimmte Polform, da der optimale Abstand jeweils abhängig von der Ausbildung der
Polfläche ist. Der Polabstand a sowie auch der Luftspalt i sind in der Abb. 9 zur
Erläuterung nochmals besonders gekennzeichnet.
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In Abb. 2 bedeutet 4 einen U-förmigen Körper aus ferromagnetischem
Material, der abgebremst werden soll. In dem Körper sind an den Schenkeln beiderseits
Kupferschienen 5 befestigt. Die axial magnetisierten Stabmagnete 6 sind in diesem
Körper radial geführt und können in radialer Richtung in einen zweiten U-förmigen,
als Kurzschlußring dienenden feststehenden Körper 7 aus ferromagnetischem Material
hineinbewegt werden. Die Schenkelenden 8 dieses U-förmigen Kurzschlußkörpers laufen
spitz zu, um an dieser Stelle eine Übersättigung herbeizuführen.
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Bei der Ausführungsform nach Abb. 3 sind in dem U-förmigen, abzubremsenden
Körper 9 aus ferromagnetischem Material radial magnetisierte Magnete Io axial verschiebbar
angeordnet. In der strichpunktiert gezeichneten Kurzschlußstellung werden sie von
einem U-förmigen Kurzschlußring i i mit zugespitzten Flanschenden aus ferromagnetischem
Material aufgenommen. Zwischen den Schenkeln des Ringes 9 und dem Magnet selbst
sind Kupferringe 12 befestigt. Diese Kupferringe 12 begrenzen zusammen mit den Polflächen
des Magnets einen Luftspalt.
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Bei der Anordnung nach Abb. 4 sind drehbar gelagerte, quer zur Achse
magnetisierte Magnetkörper 13 zwischen Polschuhen 14 derart drehbar gelagert, daß
sie in der Betriebsstellung diesen Polschuhen und in der Kurzschlußstellung Rückschlußkörpern
15 gegenüberstehen. Zwischen den Polschuhen und dem abzubremsenden Bremselement
16 aus ferromagnetischem Werkstoff befindet sich eine Kupferplatte 17 und der Luftspalt
18.
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Eine andere Möglichkeit des Kurzschlusses bei einer derartigen Bremse
oder Kupplung zeigt Abb. 5, bei der die Drehmagnete I9 zwischen Polschuhen 2o drehbar
gelagert sind, wobei diese Polschuhe einander sich bis auf einen geringen Abstand
so weit nähern, daß in der Abschaltestellung die Nord- und Südpole der Magnete gleichzeitig
beiden Polschuhen gegenüberliegen und von diesen kurzgeschlossen werden. Zwischen
den wirksamen Polschuhflächen und dem abzubremsenden Teilei aus ferromagnetischem
Werkstoff befindet sich eine Kupferplatte 22, die ihrerseits den Luftspalt 23 zum
Polschuh begrenzt.
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' Man kann aber auch für die Zu- und Abschaltung der Bremse bzw. Kupplung
eine Magnetanordnung gemäß Abb. 6 wählen, bei der die Drehmagnetpaare 24 in einem
diese Magnete auf dem größten Teil des Drehbereiches umfassenden Kurzschlußbügel
25 drehbar gelagert sind. Die Drehmagnetpaare 24 sind quer zur Achse magnetisiert
und können, wie aus der Abbildung ersichtlich, in der gestrichelt gezeichneten Abschaltestellung
ganz in den Kurzschlußbügel hineinbewegt werden. Sie begrenzen in der Betriebsstellung
mit der an dem abzubremsenden Teil 26 aus ferromagnetischem Werkstoff befestigten
Kupferplatte 27 einen Luftspalt 28.
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Eine andere Art der Ein- und Abschaltung der Bremse bzw. Kupplung
zeigt Abb. 7, bei der in dem U-förmigen Körper 29 aus ferromagnetischem Werkstoff,
der an der Innenseite der Schenkel beispielsweise mit Kupferplatten 30 belegt ist,
prismatische Magnetkörper 31 angeordnet sind, die, wie die Abbildung zeigt, gegeneinandergekippt
werden können, so daß sich ihre ungleichnamigen Pole berühren. In dieser Stellung
wird ihr äußeres Feld unwirksam, da der Kraftfluß sich jetzt innerhalb der Magnete
schließt und nicht mehr, wie in dem anderen Teil der Abbildung, -wo die Vorrichtung
in -Brems- bzw. Kupplungsstellung gezeichnet ist, über den Steg des U-förmigen Rückschlusses.
Die Pole der Magnete liegen den Schenkeln des U-förmigen Körpers bzw. den darauf
befestigten Kupferplatten mit Luftspalt 32 gegenüber.
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Abb. 8 zeigt ähnliche Vorrichtungen wie Abb. 7, nur mit dem Unterschied,
daß die Dauermagnete 33 zum Zwecke des Abschaltens der Bremse oder Kupplung so aufeinandergelegt
werden, daß sie sich gegenseitig berühren. Auch in diesem Falle wird das äußere
Magnetfeld aufgehoben. Beide Betriebsstellungen sind in der Abb. 8 dargestellt.
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Die in Abb. 9 dargestellte Bremse oder Kupplung besteht aus dem ferroma-gnetischen
Polring 34 mit den daran befestigten Dauermagneten 35, den zu einem Polschuhkranz
zusammengeschlossenen Polschuhen 36 und dem aus ferromagnetischem Werkstoff bestehenden
abzubremsenden oder zu kuppelnden Teil 37, der auf der Polschuhseite mit einem Kupferring
38 armiert ist. Zwischen Kupferring und den Köpfen: der Polschuhe befindet sich
ein Luftspalt 39. Der für die Feldstärke
wirksame Luftspalt setzt
sich zusammen aus dem eigentlichen Luftspalt und der Dicke des Kupferbelages 38
und ist durch die Begrenzungspfeile i gekennzeichnet. Abb. 9 zeigt sowohl die Betriebsstellung
als auch die Abschaltestellung. In letzterer Stellung stehen die Magnete 35 um eine
halbe Polteilung versetzt, so daß sie über die Polschuhe 36 unmittelbar kurzgeschlossen
sind. Der Kraftlinienverlauf ist in beiden Fällen durch Pfeile dargestellt.
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Die vorstehend beschriebenen Lösungen des Erfindungsgegenstandes umfassen
lediglich einen Teil der möglichen Ausführungsformen. Darüber hinaus läßt sich der
Erfindungsgegenstand in so vielen Variationen ausführen, daß eine Beschreibung und
Darstellung nicht möglich ist. Mit der Beschreibung sollte lediglich der Grundgedanke
offenbart, beschrieben und erläutert werden, ohne daß die dargestellten Ausführungsformen
als die einzigen Lösungsmöglichkeiten angesehen werden. Jeder Fachmann wird in der
Lage sein, beliebig viele Variationen auf Grund des offenbarten Erfindungsgedankens
ausführen zu können..