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Title:
DEVICE AND METHOD FOR BRAKING A ROTATING ELEMENT OF AN ARRANGEMENT, AND ARRANGEMENT WITH SUCH A DEVICE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2014/191140
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a device (4; 104) for braking a rotating element (2; 102) of an arrangement (1; 101), in particular for braking a rotating shaft, comprising a rotating eddy current brake (5; 105) which has a rotor (7; 107) that can be non-rotatably connected to the rotating element (2; 102) and a stator (8; 108) that can be supported on the arrangement (4; 104). In addition to at least one first permanent magnet (10; 110) with an invariable magnetization, the stator (8; 108) also has at least one second magnet. In order to save excitation energy, the at least one second magnet is a permanent magnet (11; 111) with a variable magnetization, and the permanent magnet is operatively connected to means (12; 112) for changing the magnetization. The invention also relates to an arrangement with such a device and to a method for braking a rotating element.

Inventors:
SCHMITT VOLKER (DE)
FUCHS ANDREAS (DE)
MAISCHAK DIETER (DE)
Application Number:
PCT/EP2014/058306
Publication Date:
December 04, 2014
Filing Date:
April 24, 2014
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AG (DE)
International Classes:
B23Q3/154; H01F7/02; H02K49/10
Foreign References:
EP1193724B12010-02-17
US3064149A1962-11-13
JPH02133100A1990-05-22
US20100308519A12010-12-09
EP0345554A11989-12-13
CN101471597A2009-07-01
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Claims:
Patentansprüche

Vorrichtung (4; 104) zum Bremsen eines rotierenden Elementes (2; 102) einer Anordnung (1; 101), insbesondere zum Bremsen einer rotierenden Welle,

mit einer rotierenden Wirbelstrombremse (5; 105), die ei¬ nen drehfest mit dem rotierenden Element (2; 102)

verbindbaren Rotor (7; 107) und einen an der Anordnung (4; 104) abstützbaren Stator (8; 108) aufweist, wobei der Stator (8; 108) neben mindestens einem ersten Permanent¬ magneten (10; 110) mit unveränderlicher Magnetisierung zumindest einen zweiten Magneten aufweist,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s der zumindest eine zweite Magnet ein Permanentmagnet (11; 111) mit veränderlicher Magnetisierung ist, der in Wirkverbindung mit einem Mittel (12; 112) zur Änderung der Magnetisierung steht.

Vorrichtung (4; 104) nach Anspruch 1,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s das Mittel (12; 112) zur Änderung der Magnetisierung zumindest eine Spule ist, die geeignet ausgebildet und ange¬ ordnet ist, in Abhängigkeit ihres Spulenstroms die Magne¬ tisierung des zumindest einen zweiten Permanentmagneten (11; 111) einzustellen, insbesondere umzupolen.

Vorrichtung (4; 104) nach Anspruch einem der Ansprüche 1 oder 2,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s der zumindest eine zweite Permanentmagnet (11; 111) mit veränderlicher Magnetisierung aus einer Aluminium-Nickel- Kobalt-Legierung (AINiCo) gebildet ist.

Vorrichtung (4; 104) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,

- dass in einer Achsrichtung (13) der zumindest eine zwei¬ te Permanentmagnet (11) mit veränderlicher Magnetisie¬ rung in Reihe zu dem zumindest einen ersten Permanent- magneten (10) mit unveränderlicher Magnetisierung angeordnet ist oder

- dass in einer Umlaufrichtung (114) wechselweise erste Permanentmagnete (110) mit unveränderlicher Magnetisie¬ rung und zweite Permanentmagnete (111) mit veränderli¬ cher Magnetisierung angeordnet sind.

Vorrichtung (4; 104) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s der Stator (8; 108) mit mehreren der zweiten Permanentmagnete (11; 111) mit veränderlicher Magnetisierung versehen ist, die in Wirkverbindung mit Mitteln (12; 112) zur Änderung der Magnetisierungen stehen, wobei ihre Magnetisierungen einzeln oder in Gruppen regelbar, insbesondere umpolbar sind.

Vorrichtung (4; 104) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s der Stator zusätzlich zumindest einen Elektromagneten aufweist, der geeignet ausgebildet ist, zum Bremsen ein Mag¬ netfeld zu erzeugen, welches das durch die ersten und zweiten Permanentmagnete erzeugte Magnetfeld überlagert.

Anordnung (1; 101), insbesondere Schienenfahrzeug, mit ei¬ nem rotierenden Element (2; 102), insbesondere einer rotierenden Welle, und mit einer Vorrichtung (4; 104) zum Bremsen des rotierenden Elementes,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Vorrichtung (4; 104) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 ausgebildet ist.

Verfahren zum Bremsen eines rotierenden Elementes (2; 102) einer Anordnung (1; 101), insbesondere zum Bremsen einer rotierenden Welle,

bei dem bei einer rotierenden Wirbelstrombremse (5; 105), die einen drehfest mit dem rotierenden Element (2; 102) verbindbaren Rotor (7; 107) und einen an der Anordnung (1; 101) abstützbaren Stator (8; 108) aufweist, der Stator (8; 108) neben mindestens einem ersten Permanentmagneten (10; 110) mit unveränderlicher Magnetisierung zumindest mit einem zweiten Magneten versehen wird,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s als der zweite Magnet ein Permanentmagnet (11; 111) mit veränderlicher Magnetisierung, der in Wirkverbindung mit einem Mittel (12; 112) zur Änderung der Magnetisierung steht, bereitgestellt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s als das Mittel (12; 112) zur Änderung der Magnetisierung zumindest eine Spule derart ausgebildet und angeordnet wird, dass in Abhängigkeit ihres Spulenstroms die Magneti¬ sierung des zumindest einen zweiten Permanentmagneten (11; 111) eingestellt, insbesondere umgepolt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,

- dass in einer Achsrichtung (13) der zumindest eine zwei- te Permanentmagnet (11) mit veränderlicher Magnetisie¬ rung in Reihe zu dem zumindest einen ersten Permanent¬ magneten (10) mit unveränderlicher Magnetisierung angeordnet wird oder

- dass in einer Umlaufrichtung (114) wechselweise erste Permanentmagnete (110) mit unveränderlicher Magnetisie¬ rung und zweite Permanentmagnete (111) mit veränderli¬ cher Magnetisierung angeordnet werden.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s der Stator (8; 108) mit mehreren der zweiten Permanentmagnete (11; 111) mit veränderlicher Magnetisierung versehen wird, die in Wirkverbindung mit Mitteln (12; 112) zur Änderung der Magnetisierungen gebracht werden und deren Mag- netisierungen einzeln oder in Gruppen geregelt, insbesondere umgepolt werden.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s zum Bremsen mittels zumindest eines Elektromagneten des Stators ein Magnetfeld erzeugt wird, welches das durch di ersten und zweiten Permanentmagnete erzeugte Magnetfeld überlagert .

Description:
Beschreibung

Vorrichtung und Verfahren zum Bremsen eines rotierenden Elementes einer Anordnung sowie Anordnung mit einer derartigen Vorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bremsen eines rotierenden Elementes einer Anordnung, insbesondere zum Bremsen einer rotierenden Welle eines Schienenfahrzeugs, mit einer rotierenden Wirbelstrombremse, die einen drehfest mit dem ro ¬ tierenden Element verbindbaren Rotor und einen an der Anordnung abstützbaren Stator aufweist, wobei der Stator neben mindestens einem ersten Permanentmagneten mit unveränderlicher Magnetisierung zumindest einen zweiten Magneten auf- weist.

Bekannt sind sowohl rein elektromagnetisch erregte Wirbelstrombremsen („Die Rotierende Wirbelstrombremse (RWB) für den universellen Einsatz in Schienenfahrzeugen, Eisenbahntechni- sehe Rundschau, 54 (2005), H.3. - März) als auch rein perma ¬ nentmagneterregte rotierende Wirbelstrombremsen (DT 18 00 616 B2). Die rein permanentmagneterregten rotierenden Wirbelstrombremsen können dabei in bekannter Weise durch Verschieben oder Verdrehen zumindest einiger der Permanentmagnete ak- tiviert bzw. deaktiviert werden. Dabei kann zum Verschieben oder Verdrehen der Permanentmagnete beispielsweise ein elekt ¬ rischer Antrieb, ein pneumatischer Antrieb, ein hydraulischer Antrieb, ein elektropneumatischer oder ein elektrohydrauli- scher Antrieb dienen.

Daneben ist aus der Druckschrift CN 101471597 A bekannt eine gattungsgemäße Vorrichtung bekannt, bei der der Stator neben mehreren ersten Permanentmagneten mit unveränderlicher Magnetisierung auch mehrere zweite Magnete in Form von Elektro- magneten aufweist, um die Vorteile beider Magnetarten in vorteilhafter Weise zu kombinieren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine gattungsgemä ¬ ße Vorrichtung anzugeben, die zu ihrem Betrieb weniger Ener- gie erfordert - mit der also Energieleistung eingespart wer ¬ den kann.

Gelöst wird diese Aufgabe bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 dadurch, dass der zumindest eine zweite Magnet ein Permanentmagnet mit ver ¬ änderlicher Magnetisierung ist, der in Wirkverbindung mit einem Mittel zur Änderung der Magnetisierung steht.

Es wird dabei als vorteilhaft angesehen, wenn das Mittel zur Änderung der Magnetisierung zumindest eine Spule ist, die ge ¬ eignet ausgebildet und angeordnet ist, in Abhängigkeit ihres Spulenstroms die Magnetisierung des zumindest einen zweiten Permanentmagneten einzustellen, insbesondere umzupolen.

Weiterhin wird es als vorteilhaft angesehen, wenn der zumindest eine zweite Permanentmagnet mit veränderlicher Magneti ¬ sierung aus einer Aluminium-Nickel-Kobalt-Legierung (AINiCo) gebildet ist.

Bevorzugt ist vorgesehen, dass in einer Achsrichtung der zumindest eine zweite Permanentmagnet mit veränderlicher Magne ¬ tisierung in Reihe zu dem zumindest einen ersten Permanent ¬ magneten mit unveränderlicher Magnetisierung angeordnet ist oder dass in einer Umlaufrichtung wechselweise erste Perma ¬ nentmagnete mit unveränderlicher Magnetisierung und zweite Permanentmagnete mit veränderlicher Magnetisierung angeordnet sind .

Mit Vorteil kann der Stator mit mehreren der zweiten Permanentmagnete mit veränderlicher Magnetisierung versehen sein, die in Wirkverbindung mit Mitteln zur Änderung der Magnetisierungen stehen, wobei ihre Magnetisierungen einzeln oder in Gruppen regelbar, insbesondere umpolbar sind.

Um die Bremskraft zu verstärken kann der Stator zusätzlich zumindest einen Elektromagneten aufweisen, der geeignet ausgebildet ist, zum Bremsen ein Magnetfeld zu erzeugen, welches das durch die ersten und zweiten Permanentmagnete erzeugte Magnetfeld überlagert (vestärkt) .

Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Anordnung mit einem rotierenden Element, die zum Bremsen des rotierenden Elementes eine erfindungsgemäße Vorrichtung aufweist.

Außerdem bezieht sich die Erfindung auch auf ein Verfahren zum Bremsen eines rotierenden Elementes einer Anordnung, insbesondere zum Bremsen einer rotierenden Welle eines Schienenfahrzeugs, bei dem bei einer rotierenden Wirbelstrombremse, die einen drehfest mit dem rotierenden Element verbindbaren Rotor und einen an der Anordnung abstützbaren Stator aufweist, der Stator neben mindestens einem ersten Permanentmag ¬ neten mit unveränderlicher Magnetisierung zumindest mit einem zweiten Magneten versehen wird.

Um bei diesem Verfahren Erregerenergie einzusparen, wird als der zweite Magnet ein Permanentmagnet mit veränderlicher Mag ¬ netisierung, der in Wirkverbindung mit einem Mittel zur Änderung der Magnetisierung steht, bereitgestellt.

Vorzugsweise wird dabei als das Mittel zur Änderung der Mag ¬ netisierung zumindest eine Spule derart ausgebildet und ange ¬ ordnet, dass in Abhängigkeit ihres Spulenstroms die Magneti ¬ sierung des zumindest einen zweiten Permanentmagneten eingestellt, insbesondere umgepolt wird.

Bevorzugt wird in einer Achsrichtung der zumindest eine zwei ¬ te Permanentmagnet mit veränderlicher Magnetisierung in Reihe zu dem zumindest einen ersten Permanentmagneten mit unveränderlicher Magnetisierung angeordnet oder es werden in einer Umlaufrichtung wechselweise erste Permanentmagnete mit unver ¬ änderlicher Magnetisierung und zweite Permanentmagnete mit veränderlicher Magnetisierung angeordnet.

Der Stator kann mit mehreren der zweiten Permanentmagnete mit veränderlicher Magnetisierung versehen werden, die mit Vorteil in Wirkverbindung mit Mitteln zur Änderung der Magneti- sierungen gebracht werden und deren Magnetisierungen einzeln oder in Gruppen geregelt, insbesondere umgepolt werden.

Die Bremskraft zum Bremsen kann dadurch verstärkt werden, dass mittels zumindest eines Elektromagneten des Stators ein Magnetfeld erzeugt wird, welches das durch die ersten und zweiten Permanentmagnete erzeugte Magnetfeld überlagert.

Die Erfindung wird im Weiteren anhand der Figuren 1 bis 4 nä- her erläutert. Dabei zeigen die

Figur 1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Anordnung mit einem rotierenden Element und mit einer ersten Aus- führungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum

Bremsen des rotierenden Elementes, die

Figur 2 eine Schnittdarstellung des ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Anordnung entlang der Linie A-A in Figur 1, die

Figur 3 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Anordnung mit einem rotierenden Element und mit einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Bremsen des rotierenden Elementes, und die

Figur 4 eine Schnittdarstellung des zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Anordnung entlang der Linie B-B in Figur 3.

Die Figuren 1 und 2 sowie 3 und 4 zeigen zwei Ausführungsbei ¬ spiele 1; 101 der erfindungsgemäßen Anordnung, bei denen es sich hier um Schienenfahrzeuge handelt. Jedes der Schienen- fahrzeuge ist jeweils mit mindestens einem rotierenden Ele ¬ ment 2; 102 in Form einer Welle versehen, die die Radachse bildet, an der in hier nicht gezeigter Weise jeweils zwei Rä ¬ der befestigt sind und die über hier nicht gezeigte Radlager drehbar an einem Drehgestell 3; 103 des jeweiligen Schienen- fahrzeugs gehalten ist. Dabei weisen die beiden erfindungsge ¬ mäßen Anordnungen (Schienenfahrzeuge) zum Bremsen des rotie ¬ renden Elementes (der Radachse) jeweils eine hier als Ganzes mit 4; 104 bezeichnete erfindungsgemäße Vorrichtung auf.

Die Vorrichtungen 4; 104 umfassen jeweils neben einer rotierenden Wirbelstrombremse 5; 105 auch Mittel 6; 106 zur Rege ¬ lung der rotierenden Wirbelstrombremse 5; 105. Die in den Figuren 1 und 2 sowie 3 und 4 gezeigten rotierenden Wirbelstrombremsen 5; 105 weisen jeweils einen drehfest mit dem rotierenden Element 2; 102 verbundenen Rotor 7; 107 und einen Stator 8; 108 auf, wobei der Stator 8; 108 über ei ¬ ne Drehmomentstütze 9; 109 am Drehgestell 3; 103 abgestützt ist.

Die rotierenden Wirbelstrombremsen können jedoch anstelle nur eines Rotors auch mehrere Rotoren und/oder anstelle nur eines Stators auch mehrere Statoren aufweisen.

Zur Einsparung von Erregerleistung und der damit verbundenen Ausstattung des Schienenfahrzeugs weisen die Statoren 8; 108 neben ersten Permanentmagneten 10; 110 mit unveränderlicher Magnetisierung (nicht umpolbare erste Permanentmagnete) zwei- te Permanentmagnete 11; 111 mit veränderlicher Magnetisierung (umpolbare zweite Permanentmagnete) auf, wobei jeder der zweiten Permanentmagnete 11; 111 jeweils in Wirkverbindung mit einem ihm zugeordneten Mittel 12; 112 zur Änderung der Magnetisierung in Form einer Spule steht.

Dabei umfasst jede der Spulen 12; 112 den zweiten Permanent ¬ magneten 11; 111, dem sie zugeordnet ist. Die Spulen 12; 112 sind dadurch geeignet ausgebildet und angeordnet, in Abhän ¬ gigkeit ihres Spulenstroms die Magnetisierung des jeweils zu- geordneten zweiten Permanentmagneten 11; 111 einzustellen, insbesondere umzupolen. Die zweiten Permanentmagnete 11; 111 mit veränderlicher Mag ¬ netisierung sind aus einer Aluminium-Nickel-Kobalt-Legierung AINiCo gebildet. Die Mittel 6; 106 zur Regelung der rotierenden Wirbelstrombremse 5; 105 umfassen eine Steuergerät 6a; 106a sowie Steu ¬ erleitungen 6b; 106b. Sie regeln den Spulenstrom der Spulen einzeln oder in Gruppen, so dass die Magnetisierungen der zweiten Permanentmagnete 11; 111 mit veränderlicher Magneti- sierung einzeln oder in Gruppen regelbar, insbesondere umpolbar sind. Somit lässt sich in vorteilhafter Weise durch Umpolen einzelner der zweiten Permanentmagnete 11; 111 oder von einzelnen Gruppen der zweiten Permanentmagnete 11; 111 die Bremskraft stufig dosieren.

Zur Verringerung des Bremskraftverlustes im Verlaufe einer Bremsung (Fading) sind der Rotor 7; 107 und der Stator 8; 108 in einer Achsrichtung 13; 113 versetzt angeordnet. Dabei sind zwischen dem rotierenden Element 2; 102 und dem Stator Lager 15; 115 angeordnet.

Bei der in den Figuren 1 und 2 gezeigten ersten Ausführungsform 4 der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist jeder der zweiten Permanentmagnete 11 mit veränderlicher Magnetisierung in der Achsrichtung 13 in Reihe zu jeweils einem der ersten Permanentmagnete 10 mit unveränderlicher Magnetisierung angeordnet, so dass sie ein Paar bilden. Insgesamt ist der Rotor hier beispielshaft mit acht derartigen Paaren 10, 11 verse ¬ hen, die in einer Umlaufrichtung 14 gleichmäßig verteilt an- geordnet sind.

Hier werden bei gleicher Polarität der ersten und der zweiten Permanentmagnete 11, 12 die Magnetfelder der ersten Perma ¬ nentmagnete durch die Magnetfelder der zweiten Permanentmag- nete verstärkt.

Sind alle zweiten Permanentmagnete 11 derart umgepolt, dass ihre Polarität der Polarität der ersten Permanentmagnete 10 entgegengesetzt ist, so werden die Magnetfelder der ersten Permanentmagnete durch die Magnetfelder der zweiten Permanentmagnete abgeschwächt oder aufgehoben.

Bei der in den Figuren 3 und 4 gezeigten zweiten Ausführungs- form 104 der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die ersten Permanentmagnete 110 mit unveränderlicher Magnetisierung und die zweiten Permanentmagnete 111 mit veränderlicher Magneti ¬ sierung in der Umlaufrichtung 114 wechselweise angeordnet, wobei die Polachsen der Permanentmagnete 110, 111 parallel zur Achsrichtung 113 verlaufen.

Hier werden bei gleicher Polarität der ersten und der zweiten Permanentmagnete 110, 111 keine Wirbelstromkräfte in dem Ro ¬ tor 107 indiziert, so dass keine Bremskraft entsteht. Sind alle zweiten Permanentmagnete 111 derart umgepolt, dass ihre Polarität der Polarität der ersten Permanentmagnete 110 ent ¬ gegengesetzt ist (vgl. Figur 4), so werden in dem Rotor 107 maximale Wirbelströme induziert, so dass maximale Bremskraft entsteht .

Um die Bremskraft zu verstärken könnte der Stator bei den beiden Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung in hier nicht gezeigter Weise zusätzlich zumindest einen Elektromagneten aufweisen, der geeignet ausgebildet ist, zum Brem- sen ein Magnetfeld zu erzeugen, das das durch die ersten und zweiten Permanentmagnete erzeugte Magnetfeld überlagert (ver ¬ stärkt) .