Titel

Wirbelstrombremseinrichtung für ein Fahrzeug und Verfahren zum Herstellen einer Wirbelstrombremseinrichtung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wirbelstrombremseinrichtung für ein Fahrzeug und Verfahren zum Herstellen einer Wirbelstrombremseinrichtung.

Stand der Technik

Bei Wirbelstrombremsen werden meist ein Rotor und ein zugehöriger Stator eingesetzt, wobei in dem Rotor durch dessen Drehung Wirbelströme erzeugt werden können, die dann ein Bremsmoment erzeugen können.

Wirbelstrombremsen haben üblicherweise einen Stator mit einer oder mehreren Erregerspulen, wobei im Rotor dann Wirbelströme fließen können und damit im Rotor kinetische Energie in Wärme verwandelt werden kann. Die Wirbelströme werden im Leiter induziert, die ihrerseits eigene, dem äußeren Magnetfeld gemäß der Lenzschen Regel entgegengesetzte Induktionsspannungen und folglich wiederum eigene Magnetfelder erzeugen können, die die Bewegung des Leitermaterials schlussendlich abbremsen können.

Der Rotor einer Wirbelstrombremse kann aus einer Kombination aus gut magnetisch leitendem Material (z.B. Eisen) und gut elektrisch leitendem Material als Beschichtung zwischen Eisen und Luftspalt (z.B. Aluminium, Kupfer, Messing usw.) bestehen. Die DE 10 2005 028313 A1 beschreibt eine Nockenwellenstellvorrichtung mit einer Bremseinheit und einer Wirbelstrombremse.

Offenbarung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung schafft eine Wirbelstrombremseinrichtung für ein Fahrzeug nach Anspruch 1 und Verfahren zum Herstellen einer Wirbelstrombremseinrichtung nach Anspruch 8.

Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Vorteile der Erfindung

Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, eine Wirbelstrombremseinrichtung für ein Fahrzeug und Verfahren zum Herstellen einer Wirbelstrombremseinrichtung anzugeben, wobei ein erzeugtes Bremsmoment vergrößert werden kann.

Es kann eine effektive elektrische Leitfähigkeit des Rotors durch die Kombination von verschiedenen Materialien so eingestellt werden, dass ein Maximum des Drehmomentes als Bremsmoment bei einer gewünschten Drehzahl auftritt, ohne dabei den Magnetkreis (die Anordnung der Magneteinrichtung) zu verändern, etwa wenn der magnetische Widerstand verändert werden würde, durch eine effektive Vergrößerung des Luftspaltes zwischen Stator und Rotor.

Erfindungsgemäß umfasst die Wirbelstrombremseinrichtung für ein Fahrzeug, einen Stator mit einer Magneteinrichtung; einen Rotor mit einer Bremsfläche, welche drehfest mit einer Antriebswelle verbunden oder verbindbar ist, wobei mit der Magneteinrichtung ein Wirbelstrom in der Bremsfläche erzeugbar ist; wobei die Bremsfläche eine kreisförmige Bremsplatte umfasst, welche sich radial von einer Drehachse der Antriebswelle nach außen wegerstreckt, und wobei die Bremsplatte zumindest einen ersten Bereich und zumindest einen zweiten Bereich umfasst, wobei der erste Bereich eine unterschiedliche, etwa eine geringere, elektrische Leitfähigkeit und/oder eine unterschiedliche, etwa eine größere, magnetische Leitfähigkeit, aufweist als der zweite Bereich, und wobei der zweite Bereich den ersten Bereich zumindest bereichsweise radial umläuft.

Die Magneteinrichtung kann eine Spule oder andere magnetfelderzeugende Einrichtungen sein, um das Magnetfeld einer Wirbelstrombremse zu erzeugen. Die Bremsplatte kann sich senkrecht auf die Symmetrieachse der Drehachse der Antriebswelle des Rotors (Drehwelle des Rotors) und radial zu dieser wegerstrecken. Der zweite Bereich und/oder der erste Bereich können ein Material umfassen, welches jeweils ein Teil der Bremsplatte sein kann, oder eine Material umfassen, welches auf die Bremsplatte in diesem jeweiligen Bereich aufgebracht sein kann.

Die Wirbelströme im Rotor einer Wirbelstrombremse können vereinfacht in zwei Teile unterteilt werden. Ein Anteil fließt senkrecht zur Drehrichtung und bildet den drehmomentverursachenden Anteil. Der andere Anteil bildet den Rückschluss und fließt am äußeren- und inneren Rand und im zweiten Bereich in Richtung der Drehung. Die Ströme im Rückschluss werden durch den Skin- bzw. Proximity- Effekt auf die äußerste Schicht der Scheibe (Bremsplatte) verdrängt. Durch den dadurch begrenzten Querschnitt, durch den die Ströme fließen, erhöht sich der elektrische Widerstand des gesamten Strompfades und es wird aufgrund des dadurch verringerten Stromes ein kleineres Bremsmoment erzeugt.

Jeder Strom im Rotor kann ein Drehmoment erzeugen, wobei näherungsweise die mechanische und elektrische Leistung gleichsetzt werden kann, also M*omega = R*i ² , wobei M und omega das Drehmoment und die Drehzahl sind und R und i der Widerstand und der Strom in der Scheibe des Rotors sind.

Es können magnetisch schlecht leitende Materialien so angebracht werden, dass sie sich aus Sicht des Stators nicht im magnetischen Kreis befinden.

Es können einer oder mehrere Ringe aus elektrisch besser oder schlechter leitfähigem Material, die den Rotor einer Wirbelstrombremse auf einer oder mehreren Seiten (radial) vergrößern, am Rotor angebracht werden, so dass der effektive elektrische Widerstand des Rotors damit verändert werden kann, obwohl der magnetische Kreis gleich bleiben kann.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Wirbelstrombremseinrichtung umläuft der zweite Bereich den ersten Bereich zumindest bereichsweise auf einer radialen Innenseite der Bremsplatte.

Der zweite Bereich kann ein inneres Kreissegment der Bremsplatte oder einen vollen Innenring am radial inneren Rand der Bremsplatte bilden, direkt an den inneren Rand anliegend oder beabstandet zwischen innerem Ring und dem ersten Bereich. Dabei kann der innere Rand direkt an der Drehwelle/Antriebswelle des Rotors anliegen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Wirbelstrombremseinrichtung umfasst der zweite Bereich mehrere Teilbereiche und/oder umläuft den ersten Bereich zumindest bereichsweise auf einer radialen Außenseite der Bremsplatte.

Analog zu der Anordnung an der radialen Innenseite der Bremsplatte kann der zweite Bereich auch oder anstatt am Innenbereich auch am Außenbereich den ersten Bereich voll oder in einem oder mehreren Kreissegmenten umlaufen. Der Außenbereich kann direkt an den radial äußeren Rand der Bremsplatte anliegen oder etwas radial nach innen beabstandet sein vom Rand und zwischen dem ersten Bereich und dem äußeren Rand liegen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Wirbelstrombremseinrichtung bildet der zweite Bereich einen Außenring und umläuft den ersten Bereich radial vollständig.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Wirbelstrombremseinrichtung bildet der zweite Bereich einen Innenring und umläuft den ersten Bereich radial vollständig auf dessen radialer Innenseite.

Zwischen dem radialen Innenrand und dem radialen Außenrand der Bremsplatte kann an einem bestimmten azimuthalen Winkel um die Drehachse der Antriebswelle ein Teilbereich (Mittelpunkt des Teilbereichs an dem vorbestimmten azimutalen Winkel) des ersten Bereichs vorhanden sein, welcher ein Segment der Bremsplatte ausmacht, etwa als Kreis oder in einer anderen Form im Ring der Bremsplatte und einen geringeren Durchmesser ausmachen kann als die radiale Distanz zwischen Innenrand und Außenrand der Bremsplatte. Dieser Kreis kann dann von dem Ringelement mit dem Material des zweiten Bereichs umlaufen werden. Vom Mittelpunkt des Kreises des Teilbereichs aus gesehen kann ein Umlaufwinkel des Ringelements, dessen Radius den Kreis in 360 ° überstreichen kann, einen sogenannten poloidalen Winkel von 360 ° umlaufen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Wirbelstrombremseinrichtung umfasst, die Magneteinrichtung zumindest ein Ringelement, welches auf ein Aufsatzelement aufgesetzt ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Wirbelstrombremseinrichtung umfasst die Magneteinrichtung mehrere Ringelemente, welche jeweils auf einem Aufsatzelement aufgesetzt sind.

Jedes der Ringelemente kann einen jeweilig zugehörigen Aufsatzelement umlaufen.

Es können ein oder zwei Ringe an den Rändern der Bremsfläche, , aus sehr gut elektrisch leitfähigem Material bereitgestellt werden, die den Rotor einer Wirbelstrombremse, der beispielsweise aus Eisen besteht, auf einer oder beiden Seiten (an einer Vorder- und/oder Rückseite der Bremsplatte) erweitern können. In der Analogie zu einer Asynchronmaschine würde das weniger gut leitende Stäbe mit besser leitenden Kurzschlussringen bedeuten.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Wirbelstrombremseinrichtung umfasst der erste Bereich Eisen und der zweite Bereich umfasst Aluminium und/oder Kupfer.

Erfindungsgemäß erfolgt bei dem Verfahren zum Herstellen einer

Wirbelstrombremseinrichtung ein Bereitstellen eines Stators mit einer

Magneteinrichtung; ein Bereitstellen eines Rotors mit einer Bremsfläche, welche drehfest mit einer Antriebswelle verbunden oder verbindbar ist, wobei mit der Magneteinrichtung ein Wirbelstrom in der Bremsfläche erzeugbar ist; wobei die Bremsfläche eine kreisförmige Bremsplatte umfasst, welche sich radial von einer Drehachse der Antriebswelle nach außen wegerstreckt, und wobei die Bremsplatte zumindest einen ersten Bereich und zumindest einen zweiten Bereich umfasst, wobei der erste Bereich eine unterschiedliche elektrische und/oder magnetische Leitfähigkeit aufweist als der zweite Bereich, und wobei der zweite Bereich den ersten Bereich zumindest bereichsweise radial umläuft.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird der zweite Bereich als eine Beschichtung auf der Bremsplatte ausgeformt oder als separates Ringsegment an den ersten Bereich radial hinzugefügt und befestigt oder umgekehrt.

Die Erfindung kann in jeder Wirbelstrombremse eingesetzt werden, etwa als Wirbelstrom bremse für kleine und leichte Elektrofahrzeuge, und die in Kombination mit der elektrischen Maschine ein hydraulisches Bremssystem auf der Hinterachse ersetzen kann.

Der Rotor einer axialen Wirbelstrombremse besteht aus einem magnetisch und elektrisch leitfähigen Material. Die magnetische Leitfähigkeit sollte möglichst hoch sein, wobei die elektrische Leitfähigkeit von der Drehzahl abhängig sein kann, auf die die Wirbelstrombremse ausgelegt werden soll. Der Rotor kann aus einer Kombination aus gut magnetisch leitendem Material (z.B. Eisen) und gut elektrisch leitendem Material als Beschichtung zwischen Eisen und Luftspalt (z.B. Aluminium, Kupfer, Messing usw.) bestehen. Der Eisenring kann für einen geringen magnetischen Widerstand sorgen und einen radial fließenden Wirbelstrom tragen. Da sich die radial fließenden Wirbelströme schließen sollen, fließt ebenfalls ein Strom in Richtung des Umfangs ist es vorteilhaft einen geringen elektrischen Widerstand zu gewährleisten. Dazu können auf oder an der Innen- und/oder Außenseite des Rotors aus Eisen (erster Bereich), Ringe aus einem Material mit besserer (größerer) elektrischer und möglichst geringer(er) magnetischer Leitfähigkeit (z.B. Aluminium) angebracht werden, welche dem zweiten Bereich entsprechen, jedoch bewirkt deren Einsatz einen geringeren Gesamtwiderstand und damit höhere Wirbelströme in radiale Richtung, was wiederum zu einer Erhöhung des Drehmomentes bei ansonsten gleichbleibender Anordnung führen kann.

Das Verfahren kann sich vorteilhaft auch durch die bereits genannten Merkmale der Wirbelstrombremseinrichtung auszeichnen und umgekehrt.

Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand den in den schematischen Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Wirbelstrombremseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Wirbelstrombremseinrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3 eine Blockdarstellung von Verfahrensschritten eines Verfahrens zum Betreiben einer elektrischen Antriebseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Bremsmoments in Abhängigkeit von einer Drehzahl der Wirbelstrombremse.

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente. Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Wirbelstrombremseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

Die Wirbelstrombremseinrichtung 10 für ein Fahrzeug umfasst einen Stator mit einer Magneteinrichtung (nicht gezeigt), einen Rotor RT mit einer Bremsfläche BF, welche drehfest mit einer Antriebswelle verbunden oder verbindbar ist, wobei mit der Magneteinrichtung ein Wirbelstrom in der Bremsfläche BF erzeugbar ist; wobei die Bremsfläche BF eine kreisförmige Bremsplatte BP umfasst, welche sich radial von einer Drehachse der Antriebswelle nach außen wegerstreckt, und wobei die Bremsplatte BP zumindest einen ersten Bereich B1 und zumindest einen zweiten Bereich B2 umfasst, wobei der erste Bereich B1 eine unterschiedliche (geringere oder höhere) elektrische und/oder magnetische Leitfähigkeit aufweist als der zweite Bereich B2, und wobei der zweite Bereich B2 den ersten Bereich B1 zumindest bereichsweise radial umläuft.

Der zweite Bereich B2 kann einen Außenring bilden und den ersten Bereich B1 radial vollständig umlaufen. Der zweite Bereich B2 kann auch (gleichzeitig) einen Innenring bilden und den ersten Bereich B1 radial vollständig auf dessen radialer Innenseite umlaufen. Der erste Bereich B1 kann Eisen umfassen und der zweite Bereich B2 kann Aluminium und/oder Kupfer umfassen, beispielsweise der Innenring kann Kupfer umfassen und der Außenring kann Aluminium umfassen oder umgekehrt. So kann vorteilhaft ein gut leitfähiges Material in Form von einem oder zweier Ringe (z.B. Aluminiumringe), am Rotor einer beispielsweise axialen, hochdrehenden Wirbelstrombremse, auf der Innen- und/oder Außenseite angebracht werden.

Durch die sehr gut leitfähigen Ringe kann ein gänzlich oder nahezu feldfreier Bereich erzeugt werden, in dem sich die Wirbelströme entlang der Drehrichtung schließen können. Der elektrische Widerstand des gesamten Strompfades kann so herabgesetzt werden, wodurch sich der Punkt mit dem maximalen Drehmoment zu kleineren Drehzahlen hin verschieben lässt, so dass die Kennlinie (es kann bei einem Elektrofahrzeug das maximale Drehmoment an jener Drehzahl auftreten, die bei der Maximalgeschwindigkeit des Fahrzeuges vorliegen kann) optimal auf die Anwendung angepasst werden kann. Das maximale Drehmoment erhöht sich dadurch vorteilhaft nicht.

Die Wirbelströme im Rotor können in zwei Teile unterteilt sein, wobei ein erster Anteil RS senkrecht zur Drehrichtung fließen kann. Der zweite Anteil bildet den Rückschluss und fließt als Außenstrom AS am Außenring und/oder als Innenstrom IS am Innenring in oder gegen die Richtung der Drehung.

Für eine Nutzung der Wirbelstromeinrichtung in einem bestimmten Drehzahlbereich kann der Rotor ausschließlich einen Eisenring ohne Kombination mit anderen Materialien aufweisen. Der Eisenring erzeugt vorteilhaft einen geringen magnetischen Widerstand und stellt den elektrischen Widerstand für die Wirbelströme dar.

Für den Fall, dass die Drehzahlbereiche der geplanten Anwendung jedoch nicht in diesem

Bereich liegen, kann es notwendig sein, dass der effektive elektrische Widerstand des Rotors angepasst werden muss. Dann kann es möglich sein, ein oder zwei Ringe aus einem Material mit unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeit im Vergleich zum eigentlichen Rotormaterial derart am Rotor anzubringen, dass sich die Wirbelströme über dieses Material schließen können, das Material jedoch nicht direkt im magnetischen Kreis liegen braucht. Der magnetische Kreis betrifft in diesem Zusammenhang alle Teile, die eingesetzt werden, um den magnetischen Fluss zu führen, also ein Stator Pol, Stator Joch, Luftspalt, Teil des Rotors mit hoher magnetischer Leitfähigkeit.

Die beiden Ringe aus elektrisch gut leitfähigem Material (Aluminiumringe) können beispielsweise einen Innenring und einen Außenring am Eisenring/Eisenscheibe darstellen. Der effektive elektrische Widerstand des gesamten Strompfades kann dadurch im Vergleich zur Anordnung ohne Zusatzringe (also nur mit Eisenring) herabgesetzt werden, wodurch schon bei geringeren Drehzahlen höhere Wirbelströme entstehen und ein größeres Bremsmoment erzeugt werden kann. Das Maximum des Drehmomentes (Fig. 4) kann damit zu kleineren Drehzahlen hin verschoben werden. Das maximal mögliche Drehmoment wird dadurch nicht bzw. nur unwesentlich verändert.

Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Wirbelstrombremseinrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

In der Figur 2 ist eine Wirbelstromeinrichtung 10 dargestellt. Dabei ist auf der linken Seiten eine Bremsplatte BP mit einem Innenring und einem Außenring gezeigt. Diese Bremsplatte BP kann beispielsweise im radialen Innenbereich, welcher an die Antriebswelle anschließt, eine tellerförmige Vertiefung gegenüber der Oberfläche des ersten und zweiten Bereichs B1 und B2 aufweisen, oder eben mit diesen ausgeformt sein.

Auf der rechten Seite ist ein Stator ST gezeigt. Die Magneteinrichtung ME umfasst dabei mehrere Ringelemente RE, beispielsweise als Kupferspulen, welche jeweils auf einem Aufsatzelement B1 -T aufgesetzt sind.

Die Kupferspulen können einen Durchmesser aufweisen, welcher der (radialen) Breite des ersten Bereichs am Rotor entsprechen können. Dadurch kann das erzeugte Magnetfeld im Wesentlichen durch den ersten Bereich B1 verlaufen und die Ringe des zweiten Bereichs außerhalb des Hauptbereichs des Magnetfelds liegen.

Die Kupferspulen können kreisrund sein oder eine andere Form aufweisen und eine radiale Ausdehnung haben (bezüglich der Antriebswelle), welche kleiner sein kann als die radiale Breite des ersten Bereichs. Das Ringelement RE kann als Ring auf eine Erhebung EH aufgesetzt sein und als deren Rand aufgesetzt sein.

Die Fig. 3 zeigt eine Blockdarstellung von Verfahrensschritten eines Verfahrens zum Betreiben einer elektrischen Antriebseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

Bei dem Verfahren zum Herstellen einer Wirbelstrombremseinrichtung erfolgt ein Bereitstellen S1 eines Stators mit einer Magneteinrichtung; ein Bereitstellen S2 eines Rotors mit einer Bremsfläche, welche drehfest mit einer Antriebswelle verbunden oder verbindbar ist, wobei mit der Magneteinrichtung ein Wirbelstrom in der Bremsfläche erzeugbar ist; wobei die Bremsfläche eine kreisförmige Bremsplatte umfasst, welche sich radial von einer Drehachse der Antriebswelle nach außen wegerstreckt, und wobei die Bremsplatte zumindest einen ersten Bereich und zumindest einen zweiten Bereich umfasst, wobei der erste Bereich eine unterschiedliche (geringere oder größere) elektrische und/oder magnetische Leitfähigkeit aufweist als der zweite Bereich, und wobei der zweite Bereich den ersten Bereich zumindest bereichsweise radial umläuft.

Die Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Bremsmoments in Abhängigkeit von einer Drehzahl der Wirbelstrombremse.

Es ist das Drehmoment M als Bremsmoment einer Wirbelstrombremse in Abhängigkeit von einer Drehzahl N der Wirbelstrom bremse, etwa des Rotors, gezeigt.

Die Höhe der Wirbelströme im Rotor einer Wirbelstrombremse hängt von der magnetischen Flussdichte, von der Drehzahl, von der Polpaarzahl und von den Materialkonstanten des Rotors ab. Über eine Drehzahl N aufgetragen können die Wirbelströme und damit das Bremsmoment zunächst mit der Drehzahl bis zu einem Maximum max hin steigen und fallen dann bei weiter steigender Drehzahl N wieder ab. Es kann dabei notwendig sein, eine Wirbelstrom bremse so auszulegen, dass das Maximum max bei einer entsprechend zugehörigen (richtigen) Drehzahl auftritt.

Die Drehzahl kann von der Anwendung abhängig sein. Die vorliegende magnetische Flussdichte kann im Wesentlichen vom Aufbau des Magnetkreises (der Magneteinrichtung) und von der Durchflutung des Rotors mit dem Magnetfeld, die aus den Erregerspulen resultiert, abhängig sein. Zur Auslegung dienen vorteilhaft die Materialparameter der Rotor-Materialien, etwa die elektrischen und magnetischen Eigenschaften von Metallen. Um die Eigenschaften zu entkoppeln bietet sich die Kombination aus unterschiedlichen Materialien an. Obwohl die vorliegende Erfindung anhand des bevorzugten

Ausführungsbeispiels vorstehend vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.