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Dokumentenidentifikation DE10251992A1 24.07.2003
Titel Wirbelstrombremsvorrichtung
Anmelder Visteon Global Technologies, Inc., Dearborn, Mich., US
Erfinder Desta, Girma Gete, Southfield, Mich., US;
Pavlov, Kevin Jerome, Livonia, Mich., US;
Li, Zhesheng, Detroit, Mich., US
Vertreter Bauer, W., Dipl.-Phys. Dr.rer.nat., Pat.-Anw., 50968 Köln
DE-Anmeldedatum 08.11.2002
DE-Aktenzeichen 10251992
Offenlegungstag 24.07.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 24.07.2003
IPC-Hauptklasse B60L 7/28
Zusammenfassung Die Wirbelstrombremse ermöglicht ein Abbremsen eines Fahrzeugs bis zum Stillstand. Sie weist einen Stator (30), der an einem Rahmen (15) des Kraftfahrzeugs (10) montiert ist, und eine Vielzahl von Polen (36), die entlang des Umfangs des Stators (30) angeordnet sind, auf. Außerdem ist eine Vielzahl von Spulen (46), wobei jede der Vielzahl von Spulen (46) jeweils um einen der Vielzahl der Pole (36) gewickelt ist, vorhanden. Ein benachbartes Paar Pole (36) bildet einen Elektromagneten aus, wenn die Spule (46) stromdurchflossen ist. Ebenso wird ein Rotor (34) ausgebildet, der in Kommunikation mit einer Transmissionsachse (14) des Kraftfahrzeugs (10) und konzentrisch zum Stator angeordnet ist. Eine Relativbewegung des Rotors (34) relativ zum Stator (30) ruft Wirbelströme zwischen den Polen (36) des Stators (30) und einer äußeren Oberfläche des Rotors (34) hervor, die bewirken, dass der Rotor (34) zur Ruhe kommt.

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Bremssysteme für Straßenfahrzeuge, insbesondere Bremssysteme, die eine Wirbelstrombremse aufweisen, um Wirbelströme zu erzeugen, die die Rotation einer Achse des Fahrzeugs retardieren.

Wirbelstrombremssysteme haben typischerweise einen Rotor, der auf einer drehbaren Welle angeordnet ist, wie z. B. der Achse eines Kraftfahrzeugs, und eine Quelle für magnetischen Kraftfluss, beispielsweise einen Elektromagneten oder einen Permanentmagneten, der mit dem Rahmen des Kraftfahrzeugs verbunden ist. Wirbelströme werden in dem Rotor aufgrund der relativen Geschwindigkeitsdifferenz zwischen dem Rotor und der stationären Quelle für magnetischen Kraftfluss erzeugt. Die Wirbelströme erzeugen eine bremsende Kraft, die die Rotation des Rotors retardiert, dadurch wird das Fahrzeug abgebremst.

Wenn auch die Wirbelstrombremsvorrichtungen nach dem Stand der Technik die Zwecke, für die sie ausgelegt sind, erfüllen, existieren doch noch viele Probleme. So sind beispielsweise die Wirbelstrombremssysteme nach dem Stand der Technik typischerweise nicht in der Lage, ein ausreichendes Bremsdrehmoment zu erzeugen, um das Fahrzeug zu einem Stop zu bringen, daher werden diese Systeme nur zusammen mit einer konventionellen Reibungsbremse eingesetzt. Dadurch tragen konventionelle Wirbelstrombremssysteme erheblich zum Preis eines Kraftfahrzeugs bei, ohne tatsächlich spürbare Verbesserungen im Bremsverhalten, eine Reduzierung des Verschleißes der Bremse und eine spürbare Verbesserung der Zufriedenheit des Kunden zu bewirken.

Es besteht daher eine Notwendigkeit für ein neues und verbessertes Wirbelstrombremssystem für ein Kraftfahrzeug. Die neue und verbessertes Wirbelstrombremse soll in der Lage sein, das gesamte, benötigte Bremsdrehmoment zu erzeugen, um das Kraftfahrzeug zu einem Stop zu bringen, so dass das Wirbelstrombremssystem in der Lage ist, konventionelle, mit Reibung arbeitende Bremssysteme zu ersetzen.

In einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Wirbelstrombremse oder eine Verzögerungsvorrichtung vorgeschlagen, um ein Fahrzeug bis zu einem Stop abzubremsen. Die Vorrichtung hat einen Stator, eine Viehlzahl von Polen, eine Vielzahl von Spulen und einen Rotor. Der Stator ist an einem Rahmen des Fahrzeugs befestigt. Die Vielzahl der Pole sind entlang eines Umfangs des Stators angeordnet. Die Vielzahl der Spulen ist so ausgebildet, dass jede der Vielzahl von Spulen um jeden der Vielzahl von Polen gewickelt ist. Weiterhin sind benachbarte Paare von Polen elektrisch miteinander verbunden, um Elektromagneten auszubilden, wenn die Spule stromdurchflossen ist. Der Rotor ist in Kommunikation mit einer Übertragungsachse des Fahrzeugs und konzentrisch zum Stator angeordnet, eine relative Rotation des Rotors in Bezug auf den Stator ruft Wirbelströme zwischen den Polen des Stators und der äußeren Oberfläche des Rotors hervor, sie bewirken, dass der Rotor zu einem Stop kommt. Jedem Pol ist eine Spule zugeordnet.

Nach einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Endplatte an einem Ende von jeder der Vielzahl von Polen angeordnet.

Nach einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung hat die Endplatte eine Vielzahl von Rillen, die in einer Topfläche der Endplatte ausgebildet sind und eine Vielzahl von Subpolen ausbilden.

Nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Spule aus einem Draht mit flachem Querschnitt, insbesondere flach-ovalem oder rechteckförmigen Querschnitt erstellt.

Nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Getriebe in Verbindung mit der Achse und dem Rotor vorgesehen, um ein Drehmoment auf die Achse zu übertragen und der Achse zu ermöglichen, mit einer geringeren Rotationsgeschwindigkeit als der Rotor umzulaufen.

Nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung hat das Getriebe ein Verhältnis von etwa 3 zu 1, dadurch wird es der Achse ermöglicht, mit einem Drittel der Geschwindigkeit zu rotieren, die der Rotor hat.

Nach einem weiteren Aspekt hat der Rotor eine Vielzahl von Schaufelrädern, die auf der inneren Oberfläche des Rotors angeordnet sind, diese Schaufelräder ziehen Luft in die Vorrichtung, wenn der Rotor rotiert, dadurch wird die Vorrichtung gekühlt.

Nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung hat der Rotor weiterhin ein Paar von Rotorendplatten, die ein erstes Ende und ein zweites Ende des Rotors abschließen, vorzugsweise umschließen.

Nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst das Paar der Rotorendplatten eine Vielzahl von Belüftungsöffnungen, um Luft in die Vorrichtung einsaugen und die Vorrichtung kühlen zu können.

Weitere Aspekte, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der Betrachtung der nachfolgenden, nicht einschränkend zu verstehenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung und den zugehörigen Ansprüchen deutlich, wenn diese zusammen mit der Zeichnung gesehen werden. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer Wirbelstrombremse nach der Erfindung, die an einem Kraftfahrzeug montiert ist,

Fig. 2a eine perspektivische Darstellung einer Rotors und Stators eines Wirbelstrombremsretarders nach der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2b eine Draufsicht auf die Endseite des Rotors und Stators nach Fig. 2a,

Fig. 3 eine partielle Darstellung eines Wirbelstromretarders zur Erläuterung der Wechselwirkung zwischen Stator und Rotor, dies in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung,

Fig. 4a eine Draufsicht auf das Ende, teilweise geschnitten, eines vollständig zusammengesetzten Wirbelstromretarders, um die Rotation einer Achse eines Fahrzeugs abzubremsen, dies in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung, und

Fig. 4b ein Axialschnittbild der Vorrichtung gemäß Fig. 4a.

Fig. 1 zeigt eine teilweise schnittbildlich ausgeführte Ansicht eines Fahrzeugs 10 (mit Blickrichtung von hinten auf das Fahrzeug), das eine Wirbelstrombremse oder einen entsprechenden Retarder 12 aufweist, der an der Unterseite des Fahrzeugs 10 in Überstimmung mit der vorliegenden Erfindung angeordnet ist. Ein ausgangseitiges Ende des Wirbelstromretarders 12 ist in Verbindung mit einer Radachse 14, die ein drehbar auf ihr angeordnetes Rad 16 aufweist. Wie allgemein bekannt, ist ein Lager 18 oder ist eine Vielzahl von Lagern, je nach Erfordernis, entlang der Achse 14 vorgesehen, um die Achse am Rahmen 15 des Fahrzeugs halten zu können. Wie in Fig. 1 gezeigt ist, kann ein zusätzlicher Wirbelstromretarder 12' mit dem Wirbelstromretarder 12 verbunden sein, um ein Mittel zu haben, eine andere Radachse 14' des Fahrzeugs 10 abzubremsen. Vorzugsweise sind die Wirbelstromretarder 12 und 12' an einer nicht angetriebenen Welle bzw. an nicht angetriebenen Rädern 16 des Kraftfahrzeugs angeordnet, demgemäss ist für ein frontangetriebenes Kraftfahrzeug vorgesehen, dass die Wirbelstrombremsen 12 und 12' an den hinteren Achsen des Fahrzeugs angeordnet sind. Für ein Fahrzeug mit Hinterradantrieb würden die Wirbelstromretarder 12 und 12' an den fronseitigen Achsen des Fahrzeugs angeordnet.

Die Fig. 2a und 2b, nämlich eine perspektivische und eine endseitige Darstellung des Wirbelstromretarders, zeigen diesen in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung in einem größeren Detail. Der Wirbelstrombremsretarder 12 hat einen Stator 30, der am Rahmen 15 des Fahrzeugs 10 befestigt ist, ein Getriebe bzw. eine Getriebeeinheit 32, die mit der Radachse 14 verbunden ist, und eine Rotor 30, der mit dem Getriebe 32 verbunden ist und mit diesem rotiert. Der Stator 30 des Wirbelstormretarders 12 hat eine Vielzahl von Polen 36, die an einer inneren Oberfläche 38 des Stators 30 um den gesamten Umfang des Stators 30 angeordnet sind. Jeder Pol 36 hat eine Endplatte 40, die eine Vielzahl von Subpolen bzw. Unterpolen 42 aufweist. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden die Subpole 42 dadurch in der Endplatte 40 erreicht, dass Rillen in die Topoberfläche der Endplatte 40 eingearbeitet werden, dadurch werden Erhöhungen (Subpole) und Vertiefungen ausgebildet. Durch das Vorhandensein der Subpole werden zwei unterschiedliche magnetische Feldkomponenten erzeugt. Die erste Komponente wird durch das Feld des Hauptpols erzeugt und induziert Wirbelströme geringer Frequenz. Die zweite Komponente wird erzeugt durch die Vielzahl von Subpolen und induziert Wirbelströme hoher Frequenz in der Oberfläche des Rotors. Weiterhin ist die zweite Komponente gekennzeichnet durch eine geringe Eindringtiefe und bewirkt eine höhere Joul'sche Wärme. Demgemäss haben die Subpole den Vorteil eines abfallenden magnetischen Flusses und einer Sättigung, dies führt zu einer verringerten Induktion und Zeitkonstante, ohne das bremsende Drehmoment zu verringern.

Jeder Pol ist mit einem Draht 44 mit flachem Querschnitt umwickelt, um eine Spule oder Wicklung 46 zu erstellen. Der Pol 36 zusammen mit der Spule 46 bildet einen Elektromagneten, der aktiv ist, wenn die Spule 46 stromdurchflossen ist, dies wird im folgenden noch ausführlicher dargestellt werden. Jeweils benachbarte Paare von Polen sind elektrisch miteinander verbunden, um einen U-förmigen Elektromagneten 37 auszubilden. Das Getriebe 32 hat beispielsweise eine Untersetzung von drei zu eins ausgehend vom Rotor zur Radachse hin. Dadurch rotiert der Rotor 34, der mit dem Gehäuse des Getriebes 32 verbunden ist, ungefähr drei mal schneller als die Achse. Es können natürlich andere Getriebe mit anderen Übersetzungsverhältnissen eingesetzt werden. Eine höhere Rotationsgeschwindigkeit des Rotors erhöht erheblich die Leistungsdichte und verbessert die Eigenschaft des Retarders in Bezug auf das Drehmoment.

Der Rotor 34 hat eine innere Oberfläche 50. Eine Vielzahl von kühlenden Rippen oder Flügelrädern 52 sind um die gesamte innere Oberfläche angeordnet. Spülende Schaufeln 54 erstrecken sich im allgemeinen nach innen und sind so ausgebildet, dass Luft in den Rotor 34 und durch den Wirbelstromretarder 12 gesaugt wird, wodurch dieser abgekühlt wird.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 3, 4a und 4b wird nun die Arbeitsweise des Wirbelstromretarders 12 erläutert, dies in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung. Wenn die Spulen 46 stromdurchflossen sind, wird ein Elektromagnet 37 erhalten und ein magnetisches Kraftfeld erzeugt zwischen einer äußeren Oberfläche 49 des Rotors 34 und der Endplatte 40 des Pols 36. Bei Drehung des Rotors 34 werden Wirbelströme erzeugt aufgrund der Relativbewegung des Rotors 34 gegenüber dem Stator 30. Die Erzeugung dieses magnetischen Kraftfeldes 47 und die Erzeugung von Wirbelströmen rufen Lorenzkräfte hervor, die die Wirkung haben, die Rotation des Rotors zu bremsen. Die Erzeugung von Wirbelströmen ruft eine erhebliche Wärme im Retarder 12 hervor. Diese Wärme wird durch kühlende Rippen 52 abgeleitet.

Wie in Fig. 4 dargestellt ist, umschließen eine erste Endplatte 60, eine zweite Endplatte 62 und ein Gehäuse 64 den Wirbelstromretarder 12. Die erste Endplatte 60 hat eine Vielzahl von kühlenden Öffnungen 66, die beispielsweise eine ovale Form haben können. Durch diese kühlenden Löcher 66 wird Luft eingesaugt, wenn der Rotor 34 rotiert, und zwar auf Grund der Auslegung des Rotors 34 und der kühlenden Rippen 52. Eine zweite Endplatte 62, die im wesentlichen baugleich ist mit der ersten Endplatte 60, weist auch kühlende Löcher 66 auf. Wenn der Rotor 34 und die kühlenden Rippen 52 Luft durch die kühlenden Löcher 66 einsaugen, strömt Luft aus der zweiten Endplatte 62 und durch die kühlenden Löcher, die in dieser vorgesehen sind, aus. Der Wirbelstromretarder 12, wie er vorangehend beschrieben wurde, kann typischerweise ein Bremsmoment von 3000 Newtonmeter (Nm) bei einer Rotorgeschwindigkeit von 1000 Umdrehungen pro Minute erzeugen.

Demgemäss hat die Wirbelstrombremse nach der vorliegenden Erfindung eine Vielzahl von Vorzügen und Vorteilen gegenüber Wirbelstrombremsen nach dem Stand der Technik. So kann beispielsweise der Retarder 12 Subpole und eine Pulsbreitenmodulation für den anregenden Strom verwenden, um eine relativ höhere Ansprechrate zu erzielen. Ansprechzeiten des Drehmomentes von 27,8 ms sind erreichbar mit dem Retarder nach der vorliegenden Erfindung. Demgemäss erzeugt der Wirbelstromretarder ein genügendes Bremsmoment, um konventionelle Bremssysteme ersetzen zu können und das primäre Bremssystem eines Fahrzeugs zu werden.

Die vorgehende Diskussion offenbart und beschreibt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für die Erfindung. Ein Fachmann kann unmittelbar aus der vorangegangenen Diskussion und der zugehörigen Zeichnung sowie aus den Ansprüchen ersehen, dass Abwandlungen und Modifikationen an der Erfindung ausgeführt werden können, ohne aus dem wahren Geist dieser Erfindung und dem fairen Schutzbereich heraus zu gelangen, wie er in den folgenden Ansprüchen umrissen ist.


Anspruch[de]
  1. 1. Eine Wirbelstrombremse zum Abbremsen eines Fahrzeugs (10) bis zum Stillstand, die Wirbelstrombremse (12) weist auf

    einen Stator (30), der an einem Rahmen (15) des Kraftfahrzeugs (10) montiert ist,

    eine Vielzahl von Polen (36), die entlang des Umfangs des Stators (30) angeordnet sind,

    eine Vielzahl von Spulen (46), wobei jede der Vielzahl von Spulen (46) jeweils um jede der Vielzahl der Pole (36) gewickelt ist, wobei ein benachbartes Paar Pole (36) einen Elektromagneten (37) ausbildet, wenn die Spule (46) stromdurchflossen ist und

    einen Rotor (34) der in Kommunikation mit einer Transmissionsachse (14, 14') des Kraftfahrzeugs (10) und konzentrisch zum Stator (30) angeordnet ist, und wobei eine Relativbewegung des Rotors (34) relativ zum Stator (30) Wirbelströme zwischen den Polen (36) des Stators (30) und einer Äußeren Oberfläche des Rotors (34) hervorruft, die bewirken, dass der Rotor (34) zur Ruhe kommt.
  2. 2. Wirbelstrombremsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie weiterhin eine Endplatte (40) aufweist, die an jedem der Vielzahl der Pole (36) angeordnet ist.
  3. 3. Wirbelstrombremsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Endplatte (40) eine Vielzahl von Rillen aufweist, die in einer Topfläche der Endplatte (40) angeordnet sind, wodurch eine Vielzahl von Unterpolen (42) ausgebildet wird.
  4. 4. Wirbelstrombremsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (46) aus einem Draht mit flachem Querschnitt gewickelt ist.
  5. 5. Wirbelstrombremsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie weiterhin ein Getriebe (32) aufweist, das in Verbindung mit der Achse (14) und dem Rotor (34) ist und ausgelegt ist, ein Drehmoment auf die Achse (14) zu übertreiben und es der Achse (14) zu ermöglichen, mit einer geringeren Umlaufzahl zu rotieren als der Rotor (34).
  6. 6. Wirbelstrombremsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (32) ungefähr ein Übersetzungsverhältnis von ungefähr 3 zu 1 hat, so dass die Achse (14) mit einem Drittel der Umdrehung pro Zeit rotiert wie der Rotor (34).
  7. 7. Wirbelstrombremsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (34) eine Vielzahl von Schaufeln hat, die Luft in die Wirbelstrombremsvorrichtung einsaugen, wenn der Rotor (34) rotiert, um die Wirbelstrombremsvorrichtung zu kühlen.
  8. 8. Wirbelstrombremsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (34) weiterhin ein Paar von Rotorendplatten (60, 62) aufweist, die ein erstes Ende und ein zweites Ende des Rotors (34) abschließen, insbesondere umschließen.
  9. 9. Wirbelstrombremsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Paar von Rotorendplatten (60, 62) eine Vielzahl von Belüftungsöffnungen aufweist, um Luft in die Vorrichtung einsaugen zu können.






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