Wirbelstrom- und Hysteresebremsen

Aktoren
Wirbelstromund
Hysteresebremse
Inhalt
1. Physikalisches Grundprinzip
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Magnetische Induktion
Der magnetische Fluß
Faradaysches Gesetz und Lenzsche Regel
Wirbelströme
2. Wirbelstrom- und Hysteresebremsen
• Aufbau einer Hysteresebremse
• Aufbau einer Wirbelstrombremse
3. Praktische Beispiele
4. Literaturhinweise
1 Physikalisches Grundprinzip
1.1 Magnetische Induktion
Wie schon bekannt, erzeugt ein Strom, der durch einen elektrischen Leiter fließt, ein
Magnetfeld. In den dreißiger Jahren des vorherigen Jahrhunderts entdeckten Michael Faraday
und Joseph Henry , unabhängig voneinander, daß sich ein solcher Effekt auch umkehren läßt.
Das bedeutet also, daß auch ein Magnetfeld einen Strom erzeugen kann, jedoch nur, wenn
dieses sich zeitlich ändert.
Als einfaches Beispiel wäre der kleine Funken zu nennen, der zu sehen ist, wenn man ein
stromdurchflossenes Elektrokabel aus der Steckdose herauszieht. Bevor der Netzstecker aus
der Steckdose herausgezogen wird, umgibt ihn ein konzentrisches Magnetfeld, welches durch
den Strom erzeugt wird. Beim Herausziehen ändert sich der Strom schlagartig auf null. Man
hat also ein zeitlich veränderliches Magnetfeld, welches eine Spannung erzeugt, die dem
zusammenbrechenden Strom entgegenwirkt und sich durch einen Überspringenden Funken
bemerkbar macht.
Spannungen und Ströme, die durch solche sich zeitlich verändernden Magnetfelder entstehen,
nennt man Induktionsspannungen bzw. Induktionsströme. Der gesamte Vorgang wird als
magnetische Induktion bezeichnet. Ein weiteres Beispiel des Phänomens der magnetischen
Induktion stellt eine im konstanten Magnetfeld rotierende Spule dar. Auch dort wird ein
Strom induziert, welcher von einer Induktionsspannung getrieben wird. Diese Tatsache macht
man sich z.B. in Generatoren zunutze, die mechanische Energie in elektrische umwandeln.
1.2 Der magnetische Fluß
Der magnetische Fluß ist das Maß für die Anzahl magnetischer Feldlinien, die eine Fläche
durchsetzen. Für Ihn gilt:
r r
Φm = B ∗ A
1.3 Faradaysches Gesetz und Lenzsche Regel
Die Experimente Faradays und Henrys bewiesen, daß jede Änderung des magnetischen
Flusses durch eine Leiterschleife eine Spannung in dieser induziert. Diese Spannung ist
proportional zur Änderung des Flusses. Da die Spannung als Arbeit pro Ladung definiert ist
und die Kraft pro Ladung dem elektrischen Feld entspricht, ergibt sich zur allgemeinen
Berechnung der Induktionsspannung folgendes Integral:
r r
dΦ
U = ∫ E ∗ dl = −
C
dt
Die induzierte Spannung ist also proportional zur Änderung des magnetischen Flußes. Das
Minuszeichen gibt die Richtung der Spannung an. Diese läßt sich aus einem physikalischen
Prinzip herleiten, das als Lenzsche Regel bekannt ist.
Die Induktionsspannung und der Strom, den sie hervorruft, sind
stets so gerichtet, daß sie ihrer Ursache entgegenwirken.
1.4 Wirbelströme
Eine Flußänderung erzeugt also im Inneren von Metallstücken Kreisströme. Solche
Kreisströme bezeichnet man als Wirbelströme, die aber in den meisten Fällen unerwünscht
sind, da die Energie in Form von Wärme verlorengeht.
Eine Anwendung, bei der dieser Effekt erwünscht bzw. sogar erforderlich ist, ist die
Wirbelstrombremse oder Hysteresebremse. Im Folgenden soll deswegen die prinzipielle
Funktion einer Wirbelstrombremse am Beispiel eines Pendels erläutert werden.
Taucht ein Pendel in ein Magnetfeld
ein, bedeutet diese Relativbewegung
eine zeitliche Flußänderung durch die
Scheibe, welche Induktionsströme zur
Folge hat. Diese Wirbelströme, die
wegen des geringen Widerstandes des
Materials sehr groß sein können, rufen
wiederum ein Magnetfeld hervor,
welches dem von außen anliegenden,
nach
der
Lenzschen
Regel,
entgegenwirkt.
Ist das Pendel komplett vom
Magnetfeld umgeben wird keine
Spannung induziert, da sich der
magnetische Fluß nicht ändert. Erst
wenn das Pendel wieder das
Magnetfeld verläßt, wird erneut eine
Spannung induziert, die das Pendel
abbremst.
Somit wird durch das äußere
Magnetfeld eine Kraft auf das Pendel
ausgeübt, die im Wesentlichen vom
verwendetem Material und dem
äußeren Magnetfeld bestimmt wird.
2 Wirbelstrom- und Hysteresebremsen
Hysteresebremsen und Wirbelstrombremsen arbeiten beide nach dem gleichen physikalischen
Prinzip. Die Hysteresebremse hat einen hochenergetischen Dauermagneten wobei das
Magnetfeld der Wirbelstrombremse von einem Elektromagneten erzeugt wird.
Beide Bremsen sind sehr robust und arbeiten nahezu verschleißfrei, da die Bremswirkung
Berührungslos übertragen wird und dadurch ein gleichmäßiges Abbremsen, d.h. ein konstant
bleibendes Bremsmoment, erreicht wird.
2.1 Aufbau einer Hysteresebremse
Die Arbeitsweise der Hysteresebremsen beruht auf magnetischer Kraftwirkung sich
anziehender Pole und ständiger Ummagnetisierung eines dauermagnetischen
Hysteresematerials. Dadurch ist sie unabhängig einer externen Versorgung und kann auch in
sicherheitsrelevanten Bereichen eingesetzt werden.
Vorteile der Permanentmagnet-Hysteresebremse
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eingebaute Kugellager für ausreichende Lastaufnahme auf der Aufnahmewelle
Wellenlänge und Durchmesser können exakt nach Angaben gefertigt werden
präzise Drehmomenteinstellung garantiert stets beste Wiederholungsgenauigkeit
präzise geschliffene hochenergetische Magnete sorgen für reibungsfreie Bewegung
und lange Lebensdauer
Anwendungen mit Hysteresebremsen
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Zugeinstellung bei feinem Draht, geglüht oder ungeglüht
Wickelgut mit hoher Zugempfindlichkeit
Drehmomentbegrenzung
Lastmomentgeber bzw. Lastmomentsimulation an Prüfständen
in Verseil- und Verlitzmaschinen zur Verbesserung der Anwendung
2.2 Aufbau einer Wirbelstrombremse
Bei der Wirbelstrombremse wird der Dauermagnet durch eine Spule ersetzt, die für das
Erzeugen des Magnetfeldes zuständig ist. Die Flußänderung wird durch Kerben zwischen
Rotor und Gehäuse realisiert.
Bei der Wirbelstrombremse ist das
Bremsmoment
wie
bei
der
Hysteresebremse ebenfalls nur vom
Magnetfeld abhängig.
Da dieses aber direkt proportional
zum Strom in der Erregerspule ist,
kann es praktisch stufenlos bis zum
jeweiligen Maximalwert eingestellt
werden.
Im nebenstehenden Bild ist das
Bremsmoment in Abhängigkeit vom
Strom dargestellt. Zu erkennen ist
die lineare Abhängigkeit über einen
großen Bereich.
3 Praktische Beispiele
•
Motorprüfstand
•
ICE Bremssysteme
Da Wirbelstrombremsen die Bremswirkung kontaktfrei übertragen eignen sie sich
besonders um hohe Drehzahlen abzubremsen.
•
Ablaufbremse
4 Literaturhinweise
•
Fa. Mobac GmbH
http://www.mobac.de
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Zahnradfabrik Friedrichshafen AG