Wirbelstrombremse
Entgegen der durch Reibung wirkenden Bremsen arbeiten Wirbelstrombremsen reibungslos und sind somit verschleißfrei. Die Bremswirkung lässt sich durch Variation der Feldstärke eines äußeren Magnetfeldes steuern. Der Aufbau einfacher Wirbelstrombremsen ähnelt denen der Scheibenbremsen. Die Magnetpole eines Elektromagneten umschließen berührungslos die zu bremsende Scheibe.
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Funktion
Wird ein elektrisch leitfähiges Material (meist Metall) durch ein Magnetfeld bewegt, so werden in dem Material elektrische Wirbelströme induziert. Diese Wirbelströme erzeugen ihrerseits ein Magnetfeld, das dem erzeugenden Feld entgegenwirkt. Das Objekt wird dadurch abgebremst. Der Vorgang wird in der Physik durch die Lenzsche Regel beschrieben.
Durch den elektrischen Widerstand des Bremsobjekts entsteht durch den induzierten elektrischen Strom auch Wärme, die das Bremsobjekt erwärmt.
Die Stärke der Bremswirkung ist von mehreren Parametern abhängig:
- Leitfähigkeit: Eine Kupferscheibe wird stärker als eine Stahlscheibe gebremst, da die induzierten Ströme wegen der geringeren Leitfähigkeit von Stahl kleiner sind.
- Richtung und Stärke des Magnetfeldes: Die größte Bremswirkung wird erzielt, wenn das Magnetfeld die bewegliche Scheibe senkrecht durchsetzt.
- Oberfläche der Scheibe: Wenn die Oberfläche sehr klein wird, reduziert dies die Bremswirkung. Scheiben mit kammförmigen Nuten verlieren ihre Bremswirkung, da sich die ringförmigen Wirbelströme nicht mehr ausbilden können.
- Geschwindigkeit: Eine besondere Eigenschaft ist die Abhängigkeit der Bremswirkung von der Relativgeschwindigkeit zwischen Feld und leitender Scheibe.
Bremst man eine rotierende Scheibe durch ein statisches Magnetfeld (z.B. Permanentmagnet), so wird die Scheibe immer langsamer, kommt aber theoretisch nie zum Stillstand, die Wirbelstrombremse eignet sich daher nicht als Feststellbremse. Umgekehrt bietet dieser Effekt ein natürliches ABS. Diese Eigenart lässt sich durch ein veränderliches Magnetfeld beeinflussen, dann lässt sich sogar Bewegung erzeugen, wie z.B. beim Asynchronmotor mit Kurzschlussläufer.
Anwendungen
Schienenfahrzeuge
Die Wirbelstrombremse ist eine Neuentwicklung für die ICE-3-Züge, die ebenso wie bei der Magnetschienenbremse Elektromagnete benutzt. Im Gegensatz zu ersteren wird hier das Magnetfeld längs und nicht quer zur Schiene erzeugt. Der eiserne Kern des Elektromagneten setzt nicht auf, sondern wird durch Anbindung an die Radsatzlager etwa 7 mm oberhalb der Schienenoberkante gehalten. Durch das bewegte Magnetfeld werden Wirbelströme und entgegengerichtete Magnetfelder in der Schiene erzeugt, die auf den Fahrzeug-Elektromagneten eine der Bewegung entgegegesetze Kraft ausüben. Problematisch ist dabei der Skineffekt der durch die hohen Frequenzen den Wirbelstrom an die Außenränder des Schienenquerschnitts zwingt. Das soll in der Entwicklungszeit zum Ausglühen der Schienenoberfläche geführt haben. Bei der Wirbelstrombremse wird die abzuführende Bremsenergie in den Schienen in Wärme umgewandelt.
Fitnessgeräte
Die Wirbelstrombremse im Fitnessbereich: Bei Trainingsgeräten, speziell bei hochwertigen Ergometern erfolgt die Laststeuerung durch elektrisch stellbare Wirbelstrombremsen. Durch Einsatz von Mikroprozessoren lassen sich diese Bremsen vielfältig nach den verschiedensten Parametern regeln.
Fahrgeschäfte
In den immer schneller und höher werdenden Achterbahnen und Freefall-Towern werden zunehmend Wirbelstrombremsen eingesetzt.