Eddy nuværende bremse

fra Wikipedia, den gratis encyklopædi
Spring til navigation Spring til søgning
Eddy strømme de.png
Deceleration af en metalplade, der bevæger sig på tværs af feltlinjerne i et eksternt magnetfelt (illustrationen viser elektronbevægelse)
Eddy strømme de 2.png
Bremsning af en permanent magnet eller elektromagnet, der bevæger sig over en metalplade
Lineær hvirvelstrømbremse (illustration viser teknisk strømretning)
Eddy nuværende bremse

En virvelstrømsbremse (også induktionsbremse ) er en slidfri bremse, der anvender hvirvelstrømme forårsaget af magnetfelter i bevægelige metalskiver ( rotorer ) eller sværd til bremsning.

Princippet: Hvis en elektrisk leder bevæger sig i et magnetfelt på tværs af feltlinjerne, induceres spændinger og følgelig hvirvelstrømme i lederen, som igen genererer deres egne induktionsspændinger, der er modsat det eksterne magnetfelt i henhold til Lenz's regel og dermed igen generere deres eget magnetfelt. som i sidste ende bremser ledermaterialets bevægelse ( Lorentz -kraft ). Det samme gælder, hvis omvendt kilden til det eksterne magnetfelt, f.eks. B. en permanent magnet eller elektromagnet, via en elektrisk ledende overflade, f.eks. B. et jernbanespor flyttes - den eneste afgørende faktor er den relative bevægelse mellem feltet og den elektriske leder (se fig.).

Metalpladens elektriske modstand danner en ohmsk forbruger for hvirvelstrømmene, som omdanner lederens eller magnetens kinetiske energi til varme. Magnetstykkets magnetiserbarhed på den anden side, som spiller en rolle i de lignende fungerende hysteresebremser , er irrelevant for induktionen i en virvelstrømsbremse, kun den elektriske ledningsevne er afgørende.

Ideen om hvirvelstrømbremsen blev patenteret i 1892. [1]

styretøj

Bremsevirkningens styrke afhænger af flere parametre:

Bremseskivens ledningsevne
De inducerede strømme er direkte proportionale med det anvendte materiales elektriske ledningsevne . En kobberskive bremses derfor stærkere end en stålskive af samme konstruktion.
Retning af magnetfeltet
Den største bremseeffekt opnås, når magnetfeltet trænger lodret ind i den bevægelige skive.
Luft hul
Jo større luftspalten er, jo mindre er den maksimale bremseeffekt.
Diskens form
Skiver med en omkredsen kamformet struktur eller revner har en reduceret bremseeffekt, da de ringformede hvirvelstrømme ikke længere kan udvikle sig over et stort område.
Område under exciterpælen
Jo mindre området under stangen er, desto lavere er bremseeffekten.
fart
Bremseeffekten er stærkt afhængig af den relative hastighed mellem feltet og disken.
Spolestrøm
Jo højere strøm der strømmer gennem magneten, jo stærkere er magnetfeltet og dermed bremsekraften.

Hvis en roterende skive bremses af et statisk magnetisk felt (f.eks. Permanent magnet ), bliver disken langsommere og langsommere. Men - på grund af faldet i bremsekraften med den relative hastighed - er stilstanden teoretisk set aldrig nået helt. En virvelstrømsbremse er derfor ikke egnet som parkeringsbremse .

Omvendt tilbyder denne effekt et naturligt ABS . Denne ejendommelighed kan påvirkes af et variabelt magnetfelt, så kan selv bevægelse genereres, som f.eks. B. i asynkrone motorer med egernburrotorer eller i elmålere baseret på Ferraris -princippet .

Oprettelse af hvirvelstrømme

Trin 1

En ikke-magnetisk, elektrisk ledende metalplade bevæges fra højre til venstre (i dette eksempel o. B. d. A. ) i et lokalt magnetisk felt rettet bagud (f.eks. Permanent magnet). Denne bevægelse og magnetfeltets retning resulterer i en opadgående kraft, der virker på elektronerne, som stadig er jævnt fordelt i pladen.

trin 2

Denne såkaldte Lorentz-kraft virker imidlertid nu stærkere på elektronerne, der er tættere på magneten end på dem, der er længere væk fra den. Dette skaber en stærk opadgående strøm af elektroner på den side, der vender mod magneten.

trin 3

For at kompensere for den resulterende forskel i ladning i kobberpladen strømmer elektronerne ned på pladens højre side, da Lorentz -kraften er lavere her end til venstre. Dette skaber en hvirvlende bevægelse af elektronerne med uret.

Trin 4

Denne bevægelse af elektronerne genererer igen et magnetfelt i kobberpladen, der modvirker den permanente magnet. Frastødning af disse magnetfelter modvirker også kobberpladens bevægelsesretning og bremser den dermed.

Trin 5

Hvis pladen nu er præcis foran magneten (i et homogent magnetfelt), virker Lorentz -kraften på elektronerne i pladens højre halvdel lige så stærkt som på elektronerne i den venstre halvdel af pladen. Der er ikke flere hvirvelstrømme.

Trin 6

Når man forlader magnetfeltet igen, sker præcis det modsatte: Fordi højre side nu er mere penetreret af magnetfeltet end venstre side, har Lorentz -kraften også en stærkere effekt på elektronerne her. Elektronerne flyder opad og skaber en ladningsforskel.

Trin 7

Dette skaber igen en hvirvel, men nu mod uret, hvilket skaber et magnetfelt, der er rettet til det for den permanente magnet. Denne magnetiske tiltrækning modvirker nu kobberpladens bevægelsesretning.

Metalpladens bevægelse bremses både når den kommer ind, og når den forlader magnetfeltet. Den kinetiske energi omdannes til termisk energi i henhold til Ohms lov (kobberpladen varmes op).

Ansøgninger

Virvelstrømbremse i bogien på ICE 3 . Traversen med de aktiverede magneter sænkes til et par millimeter over skinnehovedet.
Eddy nuværende bremse fra Schenck som præstationsbremse på en motorprøvebænk
Permanente magneter af virvelstrømbremserne monteret på siden af ​​banen ved rutsjebanen Goliath Intamin i Walibi Holland (Holland)
Bremsesværd af frifaldstårnet The High Fall i Movie Park Tyskland

Jernbanekøretøjer

Den lineære hvirvelstrømbremse blev først brugt som standard i Europa på ICE 3 -flere enheder, der blev taget i brug i 2000. I modsætning til den magnetiske skinnebremse, der ellers er almindelig på hurtigtgående tog, genereres magnetfeltet langs og ikke på tværs af skinnen. Jernkernen på elektromagneten berører ikke, men holdes cirka 7 mm over skinnens øverste kant ved at fastgøre den til køretøjets akselkasse. Med virvelstrømbremser omdannes bremseenergien, der skal spredes, til varme i skinnerne. Problemet er hudeffekten , som tvinger hvirvelstrømmen til de yderste kanter af skinnetværsnittet på grund af de høje frekvenser. Dette siges at have ført til glødning af skinneoverfladen i udviklingsperioden. Hvirvelstrømbremsens underkomponenter udsættes ikke for slitage og virker uafhængigt af friktionskoefficienten mellem hjul og skinne (f.eks. Blade på skinnen).

Virvelstrømsbremser bruges på ICE 3 især ved høje hastigheder. [2] I interaktion med den regenerative bremse , hvis bremseevne er størst ved lave hastigheder og falder ved højere hastigheder, opnås driftsbremseforsinkelser, der kræves til drift, uden slid. [3] Det styres af et højere bremsestyringssystem ud over trykluftskivebremser og elektriske netværksbremser. Dette sikrer også, at bøjningen af ​​bæreren af ​​virvelstrømbremsen forbliver inden for tilladte grænser. Virvelstrømbremsen på ICE 3 når sin største bremsekraft (med 10,0 kN pr. Bremsesko ) ved 75 km / t og falder derefter af. Den øjeblikkelige deceleration, der kan opnås ved 50 km / t, er omkring 0,8 m / s², omkring 100 km / t ved omkring 0,9 m / s² og falder fra omkring 120 km / t til 330 km / t til 0,6 m / s² væk. [4] Over 180 km / t er bremsekraften omkring 150 kN. [5] Virvelstrømbremsens bremseevne overstiger elektromotorbremsens i det øvre hastighedsområde. [6] Hvirvelstrømbremsen slukkes ved hastigheder under 50 km / t, da stramningskræfterne ellers ville være for høje, og dens faktiske virkning ikke længere ville kunne opnås. [3]

Inden det blev brugt i ICE 3 -passagertogene, blev virvelstrømbremsesystemet på ICE V- og ICE S -testkøretøjerne klar til serieproduktion . [7] Virvelstrømbremsen påvirker især kontrol- og sikkerhedsteknologien (LST) og overbygningen . For at bevise en sikker og pålidelig jernbanedrift med virvelstrømsbremser blev der udført undersøgelser, omfattende måleprogrammer samt talrige målekørsler. [8] Følgende blev undersøgt: [8]

  • Påvirkningen af ​​LST-komponenter, både af et ikke-ophidset, men allerede sænket WB og af et aktivt, sænket og energibesparende WB. Som et resultat viste det sig, at punktlignende LST-komponenter, såsom hjulsensorer, akseltællingspunkter , PZB- magneter, hastighedstestudstyr og hotbox- lokaliseringssystemer , var modtagelige. Der blev observeret påvirkninger, forstyrrelser og ødelæggelser. Som et resultat blev mere end 11.000 LST -komponenter udskiftet på ICE 3 -kontrollinjerne. Især akseltællere viste sig at være modtagelige. [8.]
  • Stigningen i skinnetemperaturen gennem aktive virvelstrømsbremser. [8.]
  • Stramningskræfternes indflydelse på overbygningen (f.eks. Kontakter, dækplader). Som følge heraf måtte mekaniske dele af overbygningsudstyret i nogle tilfælde ændres med hensyn til deres design. [8.]

Fra 1995 til 2000 blev køretøjets og infrastrukturens bremseteknologi gradvist koordineret. [8.]

I Tyskland bruges ICE's virvelstrømbremse kun i sit fulde omfang, dvs. også til driftsbremsning , på højhastighedsruterne Köln-Rhein / Main , Nürnberg-Ingolstadt og VDE 8.1 / 8.2 , som kun på pladespor der er tilstrækkelig stillingsstabilitet mod varme-relaterede fejl i sporet kan sikres selv under ekstreme forhold (herunder høj udetemperatur med solstråling, tæt ICE 3-togsekvens). Den frigives som driftsbremse af LZB (med CIR-ELKE II) eller ETCS niveau 2 i egnede områder. I fremtiden vil virvelstrømbremsen blive frigivet som driftsbremse på den nye Wendlingen - Ulm -rute og på de fleste ruter eller rutesektioner, der udvikles som en del af Stuttgart 21 .

På store dele af netværket, der bruges af ICE 3, må virvelstrømbremsen dog kun bruges til hurtig opbremsning . Det kan tælles med i togets bremsende hundrededele og tillader (under PZB ) en hastighed på 160 km / t. På højhastighedsruter, hvoraf nogle er godkendt til over 250 km / t, såsom Mannheim-Stuttgart og Hannover-Würzburg , hvor virvelstrømbremsen også kun må bruges til hurtig opbremsning, den tilladte hastighed for ICE 3 er begrænset til 250 km / t for at bruge den alternative Skivebremse kan ikke overbelastes termisk [2] . På individuelle ruter, der ikke er kvalificerede til brug af virvelstrømsbremsen under hurtig opbremsning, tælles det ikke med i togets bremsende hundrededele, hvilket betyder, at den maksimalt tilladte hastighed (under PZB) er begrænset til 140 km / t. Brugen af ​​virvelstrømbremsen til hurtig opbremsning stoppes af føreren, når køretøjet står stille.

Hvirvelstrømbremser blev oprindeligt kun godkendt til hurtig bremsning på ICE 3 -togene, der blev taget i drift i 2000. [8] Den test som drift og hurtig bremse under LZB -Führung fandt sted fra juli 2001 til den Rhindalen linje mellem Baden-Baden og Offenburg , og senere som en del af idriftsættelse af højhastigheds-line Köln-Rhin / Main . [7] Samme år kørte et enkelt ICE-3-tog mellem München og Hamborg, hvor virvelstrømbremsen blev tændt for driftsbremsning i det højere hastighedsområde. [1] Efter markforsøgene har de også været brugt som driftsbremser på egnede ruter i Tyskland siden juli 2002 og siden 2007 også på den franske LGV Est européenne . I de første driftsår blev der foretaget yderligere optimeringer, især for at undgå jordfejl og skader forårsaget af flyvende grus. [8.]

Det overvejes at bruge virvelstrømbremsen i områder med ballastiske overbygninger, f.eks. Ved måling af skinne- eller lufttemperatur eller vejrudsigter, for at reducere slid på friktionsbelægninger og bremseskiver. [8] [9]

Virvelstrømbremsen på InterCityExperimental blev oprindeligt ikke overført til de senere tog i ICE -serien på grund af problemer med infrastrukturen. [1] Den næste generation af Siemens Velaro -tog ( Velaro Novo ) vil ikke længere have en virvelstrømsbremse.

Shinkansen- prototypen Alfa-X skal udstyres med virvelstrømsbremser til hurtig opbremsning i tilfælde af jordskælv. [10]

Med den roterende virvelstrømsbremse bruges skinnen som en magnetisk kerne, og der induceres strømme i togets hjul, hvis magnetfelter interagerer med elektromagneterne og dermed bremser køretøjet. Denne bremse bruges i øjeblikket kun i testkøretøjer.

Ydelsesbremse

Virvelstrømbremsen bruges som ydelsesbremse på motorens testbænke. Det bruges til at bremse et testemne ( forbrændingsmotor , elektrisk motor ). Fordelene ved god styrbarhed, størrelse og anvendelse som et system til effektmåling modvirkes af ulemperne ved effekttab i form af varme og den passive driftsmåde (testemnet kan ikke trækkes).

Fitnessudstyr

Med træningsudstyr, især med ergometre af høj kvalitet, styres belastningen af ​​elektrisk justerbare virvelstrømsbremser. Ved at bruge mikroprocessorer kan disse styres på forskellige måder i henhold til forskellige parametre.

Rides

I de stadigt hurtigere og højere rutsjebaner og fritfaldstårne bruges der i stigende grad lineære virvelstrømsbremser. Frem for alt førte bremseeffekten, som er mere skånsom i forhold til de klassiske blokbremser baseret på friktionseffekten, slidfriheden og sikkerheden ved disse bremsesystemer, til denne trend. Virvelstrømsbremser med permanente magneter kræver ikke elektricitet. Derfor fungerer de perfekt selv i tilfælde af strømsvigt.

Afhængigt af typen af ​​rutsjebane er metalværdene (for det meste kobberlegeringer) monteret på siden eller under bilen. Ved bremsepunkterne bevæger knivene sig mellem permanente magneter monteret på banen. Nogle af magneterne kan foldes væk efter opbremsning, så toget lettere kan fortsætte sin rejse.

Hvis meget høje hastigheder nås, og der bruges mange eller lange bremser som følge heraf, monteres magneterne ofte på rutsjebanerne og metalsværdene på skinnen. Årsagen er, at magneter er betydeligt dyrere at købe end bremseblade, og der er derfor brug for mindre af dem. Denne kombination findes hovedsageligt i rutsjebaner , hvoraf nogle kører med hastigheder på over 200 km / t, og hvor konventionelle friktionsbremser ville vise overdreven slid. Bremsesværd er også installeret på accelerationssporet på sådanne jernbaner, som i tilfælde af en defekt start bremser toget, når det ruller tilbage, hvis det ikke passerer den følgende bakke. Bremsebladene sænkes eller foldes derefter ned under accelerationsfasen og føres først tilbage i bremsepositionen, når toget er passeret. Sænkbare bremseblade er særligt karakteristiske for "Accelerator Coaster" fra Intamin . Lancering af rutsjebaner, der accelereres ved hjælp af en lineær motor og kræver magneterne på bilen, har også denne kombination.

I fritfaldstårne ​​er sværdene monteret lodret på tårnet, og magneterne er fastgjort til passagerbæreren. Sværdene er normalt monteret på en sådan måde, at der i første omgang er et par sværd på vejen til gondolen, og flere sværd nedad for at opnå en omtrent konstant stigende bremsekraft.

erhvervskøretøjer

Fordelen ved den slidfrie permanente bremse bruges også i erhvervskøretøjssektoren til lastbiler. De mest kendte producenter er Voith , Telma og Knorr-Bremse . Som et alternativ til virvelstrømsbremser installeres også retardere, der arbejder hydraulisk. Nogle producenter forsøger at kombinere generator , starter og hvirvelstrømsbremse i en enhed.

Måleinstrument

I en målemekanisme med bevægelig spole vikles den bevægelige spole - der bevæger sig i et permanent magnetisk felt - på en aluminiumsramme. Virvelstrømme opstår derfor i dette under markørbevægelser, hvilket dæmper rykvise markørbevægelser.

I Ferraris -måleren (til elektrisk energi) genererer fast- og spændingsspoler en virvelstrøm, der sætter en roterende aluminiumskive i gang. Disken passerer også gennem magnetfeltet på en stærk permanent magnet , hvilket ophidser hvirvelstrømme i den. Interaktionen mellem bremsningen og drivkræfterne resulterer i en ensartet roterende bevægelse af skiven, der er proportional med den målte værdi (aktiv elektrisk effekt).

Weblinks

Commons : Eddy Current Brake - Samling af billeder, videoer og lydfiler

Individuelle beviser

  1. a b c Peter Schmied 34. konference “Modern Rail Vehicles” i Graz . I: Eisenbahn-Revue International , nummer 12/2002, ISSN 1421-2811 , s. 558-560.
  2. a b Wolf-Dieter Meier-Credner: Den lineære hvirvelstrømbremse-udvikling og brug i ICE 3 . I: Jernbaneteknisk gennemgang . tape   49 , nej.   6 , juni 2000, s.   412-418 .
  3. a b Helmut Lehmann: Kørselsdynamik for togrejsen . 3. Udgave. Frankfurt am Main 2012, ISBN 978-3-8440-1259-0 , s.   142, 149-151 .
  4. ^ Dietrich Wende: Køretøjsdynamik for jernbanetrafik . 1. udgave. Teubner, Wiesbaden 2003, ISBN 978-3-519-00419-6 , s.   244-246, 250   f .
  5. Heinz Kurz: InterCityExpress - Udviklingen af ​​højhastighedstrafik i Tyskland . EK-Verlag, Freiburg, 2009, ISBN 978-3-88255-228-7 , s.196 .
  6. ^ Klaus Heckes, Jürgen Prem, Stefan Reinicke: Bremsehåndtering ICE® -tog. I: Jernbaneteknisk gennemgang . tape   53 , nej.   4 , 2004, ISSN 0013-2845 , s.   187-197 .
  7. ^ A b Holger Schülke, Herbert Weishaar, Ottmar Grein: Projekt PXN til idriftsættelse af den nye linje Köln - Rhinen / hovedlinjen . I: Jernbaneteknisk gennemgang . 50, nr. 12, 2001, s. 736-747.
  8. a b c d e f g h i Stefan Dörsch, Silvia Eickstädt, Christiane Nowak: Brug af den lineære hvirvelstrømsbremse i køretøjer i højhastighedstrafikken i DB AG - oplevelser og perspektiver . I: ZEVrail, Glaser's Annalen . tape   133 , nr.   10. oktober 2009, ISSN 1618-8330 , ZDB -ID 2072587-5 , s.   405-413 .
  9. ^ Wilhelm Baldauf, Stefan Dörsch, Silvia Eickstädt: Undersøgelse af betingelserne for en udbredt brug af virvelstrømsbremser. (PDF) German Center for Rail Transport Research , 2020, s. 69–71 , åbnet i januar 2020 .
  10. ^ Fumio Kurosaki: Alfa-X starter treårige testprogrammer . I: Railway Gazette International . tape   175 , nej.   7 , 2019, ISSN 0373-5346 , s.   30-32 .