DE10122985A1

DE10122985A1 - Eddy current brake for testing engines has drive shaft for connecting engines to be tested, relief grooves or bores provided in each end surface of cooling chambers facing rotor

Info

Publication number: DE10122985A1
Application number: DE2001122985
Authority: DE
Inventors: Erich Flach
Original assignee: Schenck Pegasus GmbH
Current assignee: Horiba Automotive Test Systems GmbH
Priority date: 2001-05-11
Filing date: 2001-05-11
Publication date: 2002-11-14
Anticipated expiration: 2021-05-12
Also published as: DE10122985B4

Abstract

The device has a drive shaft for connecting engines to be tested, at least one stator winding arranged in a magnetisable part as a stimulator and at least one rotor (3) consisting of a magnetisable material that transfers the power primarily into the cooling chambers (6,7). Relief grooves (12) or bores are provided in each end surface (15) of the cooling chambers facing the rotor.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wirbelstrombremse gemäß dem Ober begriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to an eddy current brake according to the Ober Concept of claim 1.

Wirbelstrombremsen werden zur Untersuchung von Kraftmaschinen eingesetzt. Hierbei wird die von den Kraftmaschinen abgegebene Leistung mittels Wirbelströmen von dem Bremsaggregat in Wärme umgewandelt. Aufgrund der Wirbelströme heizt sich das Bremsen aggregat auf und es muß dafür Sorge getragen werden, daß die auftretende Wärme abgeführt wird. Dies erfolgt in der Regel über ein Kühlmedium, das über Kühlkanäle in einer Kühlkammer die durch die Wirbelströme erzeugte Wärme abführt. Dabei set zen die Wirbelstrombremsen den größten Teil der Energie in den Kühlkammern um. Durch die begrenzte Eindringtiefe magnetischer Wechselfelder entsteht die Hauptwärme in einem nur wenige Mil limeter tiefen, dem Luftspalt zugewandten Bereich der Kühlkam mern. Bei hoher Last treten in Teilbereichen an der Oberfläche Temperaturen von über 300°C auf, wobei andere Bereiche we sentlich kühler bleiben. Durch die geringe Wärmekapazität än dern sich die Temperaturen bereits innerhalb weniger Sekunden. Die Temperaturdifferenzen und -schwankungen führen zu be trächtlichen Materialspannungen in den Kühlkammern.Eddy current brakes are used to study engines used. Here, the one emitted by the engines Power by means of eddy currents from the brake unit in heat converted. Braking heats up due to the eddy currents aggregate and care must be taken to ensure that the occurring heat is dissipated. This is usually done via a cooling medium that via cooling channels in a cooling chamber dissipates the heat generated by the eddy currents. Thereby set the eddy current brakes absorb most of the energy in the Cooling chambers around. Due to the limited penetration depth magnetic Alternating fields generate the main heat in just a few mil Limeter deep area of the cooling chamber facing the air gap numbers. At high loads, parts of the surface appear Temperatures of over 300 ° C, with other areas we stay considerably cooler. Due to the low heat capacity the temperatures change within a few seconds. The temperature differences and fluctuations lead to be material stresses in the cooling chambers.

Die bisherigen Ausführungen von Wirbelstrombremsen besitzen allgemein den Nachteil, daß sich durch die Temperaturdifferen zen die Kühlkammern insgesamt dehnen, was zu Verformungen der ganzen Bremse führen kann. Durch die Wärmeverteilung verformen sich die Kühlkammern teilweise elastisch und teilweise pla stisch, was zu verzogenen Kühlkammern und auch Rissen an der Kühlkammeroberfläche führt und damit die Wirbelstrombremse insgesamt unbrauchbar macht oder aufwendige Reparaturen erfor dert.The previous versions of eddy current brakes have generally the disadvantage that the temperature differences zen expand the cooling chambers as a whole, causing deformation of the whole brake can lead. Deform by heat distribution the cooling chambers are partly elastic and partly pla stisch, resulting in warped cooling chambers and also cracks in the Cooling chamber surface leads and thus the eddy current brake makes it unusable overall or requires expensive repairs changed.

Aus der EP 0 253 903 B1 ist eine Wirbelstrombremse vorbekannt, die aus einem pendelnd aufgehängten Gehäuse besteht, in der ein Polkörper (Rotor), der an seinem Umfang Zähne besitzt, an geordnet ist. Der Polkörper ist an einer Welle befestigt, die auf Kugellagern im Gehäuse gelagert ist. Die Welle ist mit An schlußflanschen versehen, an die die zu untersuchende Kraftma schine angekoppelt werden kann. Dem Umfang des Polkörpers ge genüber ist im Gehäuse eine feststehende Erregerwicklung vor gesehen, die von einem Gleichstrom durchflossen wird. Hier durch entsteht ein magnetisches Feld, das an den Zähnen des Polkörpers stationär ist. Bei Rotation des Polkörpers entste hen in den Wänden der Kühlkammern Wirbelströme, die eine Wärme erzeugen, die über die Kühlkanäle mittels eines Kühlmediums abgeführt wird. Zur Vermeidung hoher temperaturbedingter Mate rialspannungen an den Innenwandungen der Kühlkammern werden die Kühlkanäle so geführt, daß eine möglichst gleichmäßige Wärmeabfuhr erreicht wird.An eddy current brake is known from EP 0 253 903 B1, which consists of a pendulum suspended housing in which a pole body (rotor) with teeth on its circumference is ordered. The pole body is attached to a shaft that is mounted on ball bearings in the housing. The wave is on provided end flanges to which the Kraftma to be examined machine can be coupled. The circumference of the pole body ge a fixed excitation winding is in front of it in the housing seen through which a direct current flows. here This creates a magnetic field on the teeth of the Polar body is stationary. This occurs when the polar body rotates eddy currents in the walls of the cooling chambers, which generate heat generate that through the cooling channels by means of a cooling medium is dissipated. To avoid high temperature-related mate rial tensions on the inner walls of the cooling chambers the cooling channels so that the most uniform possible Heat dissipation is achieved.

Es sind aber auch Bauarten von Wirbelstrombremsen bekannt, die sehr flache scheibenartige Polkörper besitzen, denen auf jeder Seite eine planare Kühlkammerwandoberfläche gegenübersteht. In diesen Kühlkammerwänden sind achsiale Temperaturunterschiede nicht vermeidbar, was insbesondere bei den großen planen Ober flächen der Kühlkammerwände zu hohen temperaturbedingten Mate rialspannungen führt. Dadurch treten häufig elastische und plastische Verformungen der Kühlkammerwände auf, die dann zu Schäden an der Wirbelstrombremse führen können.There are also designs of eddy current brakes known have very flat disc-like polar bodies, that on everyone Side faces a planar cooling chamber wall surface. In These cooling chamber walls have axial temperature differences unavoidable, which is especially the case with the large plan waiters surfaces of the cooling chamber walls to high temperature-related mate rial tensions. This often occurs elastic and plastic deformations of the cooling chamber walls, which then too Can cause damage to the eddy current brake.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei Wirbel strombremsen mit planaren Kühlkammerwandoberflächen einen Schaden an der Wirbelstrombremse durch temperaturbedingte Ma terialverformungen zu verhindern. The invention is therefore based on the object in the case of vertebrae current brakes with planar cooling chamber wall surfaces Damage to the eddy current brake due to temperature-related measures prevent material deformation.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Weiterbildungen und vorteilhafte Ausfüh rungsbeispiele der Erfindung sind in den Unteransprüchen ange geben.This object is achieved by the specified in claim 1 Invention solved. Further training and advantageous execution Examples of the invention are set out in the dependent claims give.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß durch die Nuten in den ebe nen und planaren Kühlkammerwänden die temperaturbedingten Ma terialspannungen lediglich zu Nutbreitenveränderungen führen, ohne daß sich die Verformungen soweit addieren, daß es zu bleibenden Verformungen oder Rißbildungen kommt. Dadurch wird auf einfache Weise gleichzeitig die Lebensdauer der Wirbel strombremsen verlängert und die Reparaturanfälligkeit verrin gert.The invention has the advantage that through the grooves in the ebe and planar cooling chamber walls the temperature-related dimensions material tensions only lead to groove width changes, without the deformations adding up so much that it becomes too permanent deformation or cracking. This will the lifespan of the vertebrae in a simple manner current brakes extended and reduced the need for repairs siege.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels, das in der Zeichnung dargestellt ist, näher erläutert. Es zeigen:The invention is based on an embodiment that in the drawing is shown, explained in more detail. Show it:

Fig. 1 einen Ausschnitt einer Wirbelstrombremse mit ei nem Teil der Kühlkammern und des Rotors; Figure 1 shows a section of an eddy current brake with egg NEM part of the cooling chambers and the rotor.

Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt mit einer Stirn fläche einer Kühlkammer mit eingearbeiteter Nut, und Fig. 2 shows an enlarged section with an end face of a cooling chamber with an incorporated groove, and

Fig. 3 die Draufsicht auf die Stirnfläche der Kühlkam merwandung mit konzentrisch angeordneten Nuten. Fig. 3 is a plan view of the end face of the Kühlkam merwandung with concentrically arranged grooves.

In Fig. 1 der Zeichnung ist etwa die obere Hälfte der wesent lichen Funktionsteile einer weitgehend rotationssymmetrischen Wirbelstrombremse ausschnittsweise dargestellt.In Fig. 1 of the drawing, approximately the upper half of the wesent union functional parts of a largely rotationally symmetrical eddy current brake is shown in sections.

Die Wirbelstrombremse besitzt eine horizontale Längsachse, die als Antriebswelle 1 ausgebildet ist und an der die zu testen den Kraftmaschinen angekoppelt werden. Diese Antriebswelle 1 ist über Kugellager in einem Gehäuse 2 der Wirbelstrombremse gelagert. An dieser Welle 1 ist ein scheibenförmiger Polkörper 3 befestigt, der regelmäßig angeordnete radiale Lücken 5 ent hält und somit auf seinem Umfang Zähne 4 und Lücken 5 auf weist. Dieser Polkörper 3 läuft beim Betrieb der Wirbelstrom bremse mit der Antriebswelle 1 um und stellt somit einen Rotor dar. Dieser Rotor 3 ist zwischen zwei gegenüberstehenden Kühl kammern 6, 7 angeordnet, die durch einen Luftspalt 13 von den beiden seitlichen Rotorflächen getrennt sind. Die den Rotor flächen gegenüberliegenden Stirnflächen 15 der beiden Kühlkam mern 6, 7 sind als weitgehend ebene gerade Flächenteile ausge bildet, die über einen Luftspalt 13 von etwa 2 mm von den Zäh nen 4 des Rotors 3 beabstandet sind. Die Wirbelstrombremse kann auch aus mehreren axial hintereinander angeordneten Roto ren 3 aufgebaut sein.The eddy current brake has a horizontal longitudinal axis which is designed as a drive shaft 1 and to which the engines to be tested are coupled. This drive shaft 1 is supported by ball bearings in a housing 2 of the eddy current brake. On this shaft 1 , a disk-shaped pole body 3 is attached, the holds regularly arranged radial gaps 5 ent and thus has teeth 4 and gaps 5 on its circumference. This pole body 3 runs during operation of the eddy current brake with the drive shaft 1 and thus represents a rotor. This rotor 3 is arranged between two opposing cooling chambers 6 , 7 , which are separated by an air gap 13 from the two lateral rotor surfaces. The rotor faces opposite end faces 15 of the two cooling chambers 6 , 7 are formed as largely flat straight surface parts which are spaced via an air gap 13 of approximately 2 mm from the teeth 4 of the rotor 3 . The eddy current brake can also be constructed from a plurality of axially arranged rotors 3 .

Die beiden Kühlkammern 6, 7 bestehen im wesentlichen aus einem Metallkörper, in den Kühlkanäle 8, 9, 14 vorgesehen sind, durch die das Kühlmedium, vorzugsweise Wasser, zur Wärmeabfuhr geleitet wird. Der Metallkörper besteht aus einem ferromagne tischen Material, der als Magnetkreis für eine Erregerspule dient. Ringförmig um den Rotor 3 und die Kühlkammern 6, 7 ist eine Erregerspule 10 angeordnet, durch die im Betriebszustand ein steuerbarer Gleichstrom fließt. Durch die Erregerspule 10 wird ein magnetisches Feld erzeugt, das durch eine rechte Kühlkammer 7 den Luftspalt 13 mit gezahnten Rotor 3 und eine linke Kühlkammer 6 verläuft. Wenn der Rotor 3 durch einen Prüfling angetrieben wird, laufen die Zähne 4 ständig in dem stationären Magnetfeld um. Dadurch wird das Magnetfeld in den Kühlkammern fortlaufend geändert, so daß in den Stirnflächen 15 der Kühlkammern 6, 7 eine Spannung induziert wird, die zu Wirbelströmen in den Kühlkammern 6, 7 führen, die das Bremsmo ment erzeugen und die Kühlkammern 6, 7 erwärmen. Durch diese Erwärmung treten an den Stirnflächen 15 der Kühlkammern 6, 7 bei hohen Lastwechseln Materialtemperaturen von über 300°C auf. Da die Eindringtiefe der Wechselfelder nur wenige Milli meter beträgt, treten mindestens starke axiale Temperaturdif ferenzen in den Stirnflächen 15 der Kühlkammern 6, 7 auf, was zu großen temperaturbedingten Materialspannungen zumindest in den Stirnbereichen führt. Dadurch entstehen mindestens wech selnde elastische Verformungen, was zu Rißbildungen, und teil weise auch plastische Verformungen, was zum Verziehen der Kühlkammern 6, 7 führen kann.The two cooling chambers 6 , 7 essentially consist of a metal body in which cooling channels 8 , 9 , 14 are provided, through which the cooling medium, preferably water, is passed for heat dissipation. The metal body consists of a ferromagnetic table material that serves as a magnetic circuit for an excitation coil. An excitation coil 10 is arranged in a ring around the rotor 3 and the cooling chambers 6 , 7 , through which a controllable direct current flows in the operating state. A magnetic field is generated by the excitation coil 10 , which runs through a right cooling chamber 7, the air gap 13 with a toothed rotor 3 and a left cooling chamber 6 . When the rotor 3 is driven by a test specimen, the teeth 4 rotate continuously in the stationary magnetic field. As a result, the magnetic field in the cooling chambers is changed continuously so that a voltage is induced in the end faces 15 of the cooling chambers 6 , 7 , which leads to eddy currents in the cooling chambers 6 , 7 , which generate the Bremsmo element and heat the cooling chambers 6 , 7 . As a result of this heating, material temperatures of over 300 ° C. occur at the end faces 15 of the cooling chambers 6 , 7 under high load changes. Since the penetration depth of the alternating fields is only a few millimeters, at least strong axial temperature differences occur in the end faces 15 of the cooling chambers 6 , 7 , which leads to large temperature-related material stresses at least in the end regions. This results in at least alternating elastic deformations, which leads to cracking, and in some cases also plastic deformations, which can lead to warping of the cooling chambers 6 , 7 .

Dazu wird vorgeschlagen, an den stark temperaturbelasteten Stirnflächen 15 der Kühlkammern 6, 7 Entlastungsnuten 12 vor zusehen, durch die die temperaturbedingten Materialspannungen abgebaut werden. In Fig. 2 der Zeichnung ist eine derartige Entlastungsnut 12 als vergrößertes Schnittbild aus dem Kreis segment 11 der Fig. 1 dargestellt. In diesem Schnittbild ist die linke Kühlkammer 6 mit den darin verlaufenden Kühlkanälen 8, 14 abgebildet. Gegenüber der Stirnfläche 15 der Kühlkammer 6 ist ein Zahn 4 des Rotors 3 dargestellt, der durch einen Luftspalt 13 von der Stirnfläche 15 beabstandet ist. In der Stirnfläche 15 ist zwischen zwei radial benachbarten Kühlkanä len 8, 14 eine Entlastungsnut 12 vorgesehen, deren Quer schnittsfläche weitgehend rechteckig ausgebildet ist und die über einen halbkreisförmigen Nutboden verfügt. Diese Nut 12 besitzt vorzugsweise eine Tiefe von 5 mm und eine Spaltbreite von ca. 2 mm. Derartige Nuten 12 können auch dreieckige, halb runde, rechteckige oder davon abgewandelte Querschnittsformen aufweisen.For this purpose, it is proposed to look at the strongly temperature-stressed end faces 15 of the cooling chambers 6 , 7 relief grooves 12 , through which the temperature-related material stresses are reduced. In Fig. 2 of the drawing, such a relief groove 12 is shown as an enlarged sectional view from the circular segment 11 of FIG. 1. The left cooling chamber 6 with the cooling channels 8 , 14 running therein is shown in this sectional view. A tooth 4 of the rotor 3 is shown opposite the end face 15 of the cooling chamber 6 and is spaced apart from the end face 15 by an air gap 13 . In the end face 15 between two radially adjacent Kühlkanä len 8 , 14, a relief groove 12 is provided, the cross-sectional area is largely rectangular and has a semicircular groove bottom. This groove 12 preferably has a depth of 5 mm and a gap width of approximately 2 mm. Such grooves 12 can also have triangular, semicircular, rectangular or modified cross-sectional shapes.

In Fig. 3 der Zeichnung ist eine Draufsicht auf eine Kühlkam merstirnfläche 15 mit der räumlichen Anordnung der Entla stungsnuten 12 dargestellt. Dabei ist eine kreisförmige Stirn fläche 15 eines Wirbelstrombremsentyps mit ca. 500 mm Durch messer abgebildet, auf der vier konzentrisch angeordnete Ent lastungsnutringe 12 vorgesehen sind. Zwischen den einzelnen Nutringen 12 sind gleichmäßige radiale Abstände von ca. 20 mm eingehalten, durch die die temperaturbedingten Materialspan nungen in radialer Richtung vorteilhaft abgebaut werden, so daß Rißbildungen oder plastische Verformungen der Kühlkammern 6, 7 weitgehend vermieden werden. Bei starken Belastungen der Wirbelstrombremse entstehen vorzugsweise an der Oberfläche der Stirnflächen 15 sehr hohe Temperaturen, die axial zu den Kühl kanälen 8, 9, 14 stark abnehmen. Dadurch dehnt sich die Ober fläche gegenüber dem inneren Materialanteil aus, so daß sich die Spaltbreiten entsprechend der Ausdehnung verringern. Durch die konzentrische Anordnung der Entlastungsnuten 12 wird ein sehr gleichmäßiger Spannungsabbau erreicht, durch den nur ge ringe elastische Verformungen zwischen den einzelnen Nutringen entstehen können. Da die Nuten 12 vorzugsweise in die materi albelassenen Stege zwischen den Kühlkanälen 8, 14 angeordnet sind, entsteht auch keine Materialschwächung an den dünnwandi gen Kühlkammerbereichen 16 der Stirnflächen.In Fig. 3 of the drawing, a plan view of a Kühlkam merstirnfläche 15 with the spatial arrangement of Entla stungsnuten 12 is shown. Here, a circular end face 15 of an eddy current brake type with about 500 mm diameter is shown on the four concentrically arranged Ent relief grooved rings 12 are provided. Between the individual grooved rings 12 , uniform radial distances of approximately 20 mm are maintained, through which the temperature-related material stresses are advantageously reduced in the radial direction, so that cracks or plastic deformations of the cooling chambers 6 , 7 are largely avoided. When the eddy current brake is subjected to high loads, very high temperatures, which decrease axially to the cooling channels 8 , 9 , 14 , preferably arise on the surface of the end faces 15 . As a result, the upper surface expands relative to the inner material portion, so that the gap widths decrease in accordance with the expansion. Due to the concentric arrangement of the relief grooves 12 , a very uniform stress reduction is achieved, by which only slight elastic deformations can arise between the individual grooved rings. Since the grooves 12 are preferably arranged in the material-left webs between the cooling channels 8 , 14 , there is also no material weakening of the thin-walled cooling chamber regions 16 of the end faces.

Die Entlastungsnuten 12 könnten aber auch sternförmig, spiral förmig oder in anderen davon abgewandelten Flächenverteilungen auf den Stirnflächen 15 der Kühlkammern 6, 7 angeordnet sein, um die Materialspannungen möglichst gleichmäßig abzubauen. Statt der Nuten 12 können auch flache Bohrungen in den Stirn flächen 15 vorgesehen werden, die wie die Nuten 12 oder gleichmäßig auf der Fläche 15 angeordnet sind.The relief grooves 12 could, however, also be arranged in a star shape, in a spiral shape or in other surface distributions modified therefrom on the end faces 15 of the cooling chambers 6 , 7 in order to reduce the material stresses as evenly as possible. Instead of the grooves 12 , flat bores in the end faces 15 can be provided, which are arranged like the grooves 12 or evenly on the surface 15 .

Claims

1. Eddy current brake with a drive shaft for connecting to be examined engines with at least one stator winding arranged in the magnetizable part as exciter and at least one rotor consisting of magnetizable material, which mainly converts the power in the cooling chambers, characterized in that in each the rotor ( 3 ) facing end face ( 15 ) of the cooling chambers ( 6 , 7 ) relief grooves ( 12 ) or bores are provided.

2. Eddy current brake according to claim 1, characterized in that the rotor ( 3 ) has teeth and gaps along its circumference and laterally to the rotor ( 3 ) cooling chambers ( 6 , 7 ) are arranged, in the cooling channels ( 8 , 14 ) for passage of a cooling medium, the cooling chambers ( 6 , 7 ) forming flat end faces ( 15 ) to the side of the rotor ( 3 ).

3. eddy current brake according to claim 1 or 2, characterized in that the relief grooves ( 12 ) have round, rectangular, triangular or modified cross-sectional shapes.

4. eddy current brake according to claim 2 or 3, characterized in that the relief grooves ( 12 ) on the Stirnflä Chen ( 15 ) of the cooling chambers ( 6 , 7 ) arranged concentrically to each other and at least two grooves are provided.

5. Eddy current brake according to claim 4, characterized in that the relief grooves ( 12 ) are arranged in uniform radial from each other.

6. eddy current brake according to claim 2 or 3, characterized in that the relief grooves ( 12 ) on the Stirnflä Chen ( 15 ) of the cooling chambers ( 6 , 7 ) are arranged in a star shape, rectangular, diamond-shaped, spiral or in modified distributions.

7. eddy current brake according to claim 4 or 5, characterized in that the relief grooves ( 12 ) on the Stirnflä Chen ( 15 ) are arranged radially so that they run ver in the materi al-left webs between the cooling channels ( 8 , 14 ).