Wirbelstrombremse
In diesem Artikel erklären wir dir das Funktionsprinzip einer Wirbelstrombremse, auch Induktionsbremse genannt. Neben ihren Vor- und Nachteilen gegenüber mechanischen Bremsen stellen wir dir auch ihre technische Anwendungsgebiete vor. Zudem gehen wir nochmal genauer auf die mathematischen Zusammenhänge der wichtigsten Parameter und deren Auswirkungen auf die Bremskraft ein.
Schau dir unser Video hierzu auf jeden Fall noch an. Darin haben wir für dich die hier erwähnte Thematik audiovisuell aufbereitet, was es deutlich einfacher macht, das Gelernte noch zu vertiefen.
Inhaltsübersicht
Wirbelstrombremse einfach erklärt
Bewegst du einen elektrischen Leiter quer zu den Feldlinien eines Magnetfeldes, werden in diesem Spannungen und somit Ströme induziert. Die Stromlinien sind wie Wirbel in sich geschlossen, daher die Bezeichnung Wirbelstrom.
Du erfährst mehr über die elektromagnetische Induktion in unserem Video Elektromagnetische Induktion und Induktionsspule .
Wirbelstrombremse Funktion
Für ein Verständnis der Wirbelstrombremse, ist ein Verständnis der physikalischen Prozesse wichtig.
Wirbelstrombremse beim Eintritt
Stell dir hierzu ein dreidimensionales Koordinatensystem mit den Achsen x, y und z vor. Auf einer festen Position befindet sich ein Dauermagnet mit dem Nordpol bei z und dem Südpol bei -z. Eine Kupferplatte mit homogener Ladungsverteilung und einer Ausdehnung auf der xy-Ebene wird nun von x nach -x bewegt. Dabei durchquert sie die magnetischen Feldlinien, welche parallel zur z-Achse verlaufen.
Aufgrund der Bewegung und der Ausrichtung des Magnetfeldes, wirkt nun eine Kraft in Richtung y auf die Elektronen innerhalb der Platte. Diese Kraft wird Lorentzkraft genannt. Dies ist die Kraft, die ein Magnetfeld auf eine bewegte Ladung ausübt. Jene Elektronen, welche sich näher am Magneten befinden, erfahren die größte Kraft, wodurch dort ein starker Elektronenfluss in y-Richtung entsteht.
Um die Ladungsverteilung auszugleichen, fließen die Elektronen der entfernten Plattenseite in -y-Richtung, wodurch eine zirkulare Elektronenbewegung im Uhrzeigersinn entsteht. Ein sogenannter Wirbelstrom.
Dieser Wirbelstrom erzeugt ein Magnetfeld, welches dem des Dauermagneten entgegengesetzt ist. Diese Abstoßung der Magnetfelder führt auch zu einer Abstoßung der Platte, also einer Abbremsung der Bewegung. Wird die Platte weiterbewegt, befindet sie sich zwischen den beiden Magnetpolen. Dadurch wirkt die Lorentzkraft auf alle Elektronen gleich, weswegen es zu keinen weiteren Wirbelströmen mehr kommt.
Drei Finger Regel
Damit du schnell für ein gegebenes Problem die Richtung der Kraft ermitteln kannst, benutze die Drei Finger Regel. Hierbei nimmst du deine rechte Hand und streckst den Zeigefinger und Daumen in Form einer „Pistole“ aus. Dein Zeigefinger deutet in Richtung der Elektronenbewegung, in diesem Fall also in Richtung -x. Der Daumen deutet in Richtung der Magnetfeldlinien, hier wäre das in Richtung -z. Hast du diese „Pistole“ ausgerichtet streckst du deinen Mittelfinger derart aus, dass er sich in einem 90° Winkel zum Zeigefinger befindet. Dieser zeigt in Richtung der wirkenden Kraft, was in unserem Fall die positive y-Richtung ist.
Wirbelstrombremse beim Austritt
Beim Austritt der Platte aus dem Magnetfeld, geschieht das genaue Gegenteil. Jene Elektronen, die zuvor in Richtung -y flossen, bewegen sich jetzt in Richtung y. Aufgrund der Erhaltung der Ladungsverteilung bewegen sich entsprechend die Elektronen, welche zuvor in y Richtung flossen, nun in Richtung -y. Dies führt zu einem Wirbelstrom entgegen dem Uhrzeigersinn.
Der Wirbelstrom erzeugt wieder ein Magnetfeld. Dieses Mal jedoch in Richtung des Magnetfeldes des Dauermagneten. Dadurch ziehen Platte und Magnet einander an und es kommt erneut zu einer Abbremsung. Nach dem Ohmschen Gesetz wird die kinetische Energie der Kupferplatte in thermische Energie umgewandelt, was zu einer Erwärmung führt.
Du siehst also, die Wirbelstrombremse heißt so, weil ein homogener Leiter, aufgrund von Wirbelströmen und deren Magnetfeldern, in seiner Bewegung abgebremst wird.
Wirbelstrombremse Berechnung
Hier lernst du, wie du die Bremskraft einer Wirbelstrombremse berechnest, sowie welche wichtigen Faktoren mit einfließen. Du erfährst hier nicht, wie die Formel genau hergeleitet wird. Solltest du dies aber wollen, so erhältst du folgende Tipps.
Beginne damit, die Coulombkraft und die Lorentzkraft gleichzusetzen. Durch Äquivalenzumformung erhältst du daraus die induzierte Spannung. Diese wirst du brauchen, um sie in weiterführende Formeln einsetzen zu können. Beachte, dass das Prinzip der Energieerhaltung erfüllt sein muss. Das ermöglicht dir, die mechanische mit der elektrischen Leistung gleichzusetzen und daraus die folgende Formel für die Kraft herzuleiten.
Die Bremskraft 
ist damit proportional zur Geschwindigkeit 
, zum Quadrat der Feldstärke 
und dem Quadrat der Feldbreite 
und umgekehrt proportional zum Widerstand 
des betrachteten Leitmediums.
Wirbelstrombremse Parameter
Es gibt sieben Parameter, welche die Stärke der Bremswirkung bestimmen:
- Richtung des Magnetfeldes: Ein Magnetfeld senkrecht zur Bremsscheibe, erzeugt die größte Bremswirkung.
- Luftspalt: Ein größerer Luftspalt verringert die maximale Bremswirkung.
- Leitfähigkeit der Bremsscheibe: Die induzierten Wirbelströme sind direkt proportional zur elektrischen Leitfähigkeit des verwendeten Mediums.
-
Geschwindigkeit: Die Bremswirkung steht in starker Abhängigkeit zur Relativgeschwindigkeit zwischen Magnetfeld und der Bremsscheibe.
- Form der Scheibe: Unebenheiten oder Inhomogenitäten, führen zu einer verringerten Bremswirkung.
-
Fläche unter dem Erregerpol: Je kleiner die Fläche
zwischen den Polen ist, desto geringer ist die Bremswirkung. -
Spulenstrom: Im Falle eines Elektromagneten, wird das Magnetfeld und damit die Bremskraft stärker, wenn ein höherer Strom durch den Magneten fließt.
Wirbelstrombremse Anwendung
Die Wirbelstrombremse hat Eigenschaften, welche sie in manchen Gebieten zur bevorzugten Wahl gegenüber einer mechanischen Bremse machen. Vorteile sind, dass sie verschleißfrei, selbstregulierend, geräuschlos und, im Falle eines Permanentmagneten, ausfallsicher ist.
Nachteile treten hingegen nur in spezifischen Situationen auf. Im Falle eines Elektromagneten, können hohe Stromflüsse notwendig werden. Zudem ist sie ausfallgefährdet. Wird eine rotierende Scheibe durch ein statisches Magnetfeld gebremst, wird die Scheibe immer langsamer, kommt aber nicht zum Stillstand. Das macht sie als Feststellbremse ungeeignet.
Wirbelstrombremse ICE
Die Wirbelstrombremse erzeugt ein Magnetfeld längs zur Schiene. Der eiserne Kern ist an das Radsatzlager angebunden und wird etwa 7 mm oberhalb der Schienenoberkante gehalten. Die Wirbelstrombremse unterliegt keinem Verschleiß und wird nicht durch Reibung beeinträchtigt.
Wirbelstrombremse LKW
Eine verschleißfreie Bremse ist auch für LKW nützlich. Einige Hersteller versuchen, Lichtmaschine, Anlasser und Wirbelstrombremse in einem Aggregat zusammenzufassen.