Wirbelstrombremse

Grundprinzip und Bedeutung

Eine Wirbelstrombremse, auch Induktionsbremse genannt, ist eine verschleißfreie Bremse. Sie nutzt elektrische Wirbelströme, die durch Magnetfelder in einem relativ zum Magnetfeld bewegten metallischen Körper entstehen. Der Leiter kann beispielsweise eine rotierende Scheibe oder eine längs verlaufende Metallschiene sein. Entscheidend ist nur die Relativbewegung: Entweder bewegt sich der Leiter durch das Magnetfeld oder ein Dauer- beziehungsweise Elektromagnet bewegt sich über den Leiter.

Bewegt sich ein elektrischer Leiter quer zur Richtung eines Magnetfeldes, wirken elektromagnetische Kräfte auf seine Ladungsträger. Dadurch entstehen vollständig innerhalb des Materials fließende Ströme, die Wirbelströme. Ihre genaue Verteilung hängt von der Geometrie des Leiters, der Form des Magnetfeldes und dem Bewegungsablauf ab; vereinfacht stellt man sie oft als ringförmige Stromlinien dar.

Nach der Lenzschen Regel erzeugen die Wirbelströme ein Magnetfeld, das der verursachenden Änderung des Gesamtmagnetfeldes entgegenwirkt. Zwischen Magnet und Leiter entsteht deshalb eine Kraft gegen die Relativbewegung: Der Körper wird gebremst. Sein elektrischer Widerstand wirkt als ohmscher Verbraucher und wandelt die Bewegungsenergie in Wärme um. Ausschlaggebend ist die elektrische Leitfähigkeit des Metalls. Seine Magnetisierbarkeit ist dagegen unerheblich; diese spielt bei ähnlich arbeitenden Hysteresebremsen eine Rolle. Die Idee der Wirbelstrombremse wurde 1892 patentiert.

Bremswirkung und Steuerung

Die Stärke der Bremswirkung hängt von mehreren Größen ab:

• Leitfähigkeit: Die induzierten Ströme sind direkt proportional zur elektrischen Leitfähigkeit. Eine Kupferscheibe wird daher stärker gebremst als eine baugleiche Stahlscheibe.

• Richtung des Magnetfeldes: Die Wirkung ist am größten, wenn das Feld die bewegte Scheibe senkrecht durchsetzt.

• Luftspalt: Mit wachsendem Abstand zwischen Magnet und Leiter sinkt die maximale Bremswirkung.

• Form des Leiters: Risse oder eine kammförmige Struktur am Umfang einer Scheibe vermindern die Wirkung, weil sich keine großräumigen ringförmigen Wirbelströme bilden können.

• Fläche unter dem Erregerpol: Je kleiner diese Fläche ist, desto geringer ist die Bremswirkung.

• Geschwindigkeit: Die Bremswirkung hängt stark von der Relativgeschwindigkeit zwischen Magnetfeld und Leiter ab.

• Spulenstrom: Bei einem Elektromagneten erzeugt ein größerer Strom ein stärkeres Magnetfeld und damit eine größere Bremskraft.

Bei einer rotierenden Scheibe in einem statischen Magnetfeld nimmt die Bremskraft mit sinkender Relativgeschwindigkeit ab. Theoretisch wird der vollständige Stillstand daher nie erreicht. Eine Wirbelstrombremse eignet sich nicht als Feststellbremse. Die Geschwindigkeitsabhängigkeit bietet umgekehrt ein natürliches ABS. Mit einem veränderlichen Magnetfeld kann das Prinzip sogar Bewegung erzeugen, etwa beim Asynchronmotor mit Kurzschlussläufer oder bei Stromzählern nach dem Ferrarisprinzip.

Anschauliche Entstehung der Wirbelströme

Das Verhalten lässt sich an einer nichtmagnetischen, leitfähigen Kupferplatte erklären, die sich von rechts nach links in ein örtlich begrenztes, nach hinten gerichtetes Magnetfeld bewegt. Beim Eintritt wirkt auf die Elektronen eine nach oben gerichtete Lorentzkraft. Da diese Kraft auf der dem Magneten näheren Seite stärker ist, fließen dort besonders viele Elektronen nach oben. Zum Ladungsausgleich bewegen sie sich auf der weiter entfernten Seite nach unten. So entsteht eine wirbelförmige Elektronenbewegung im Uhrzeigersinn.

Dieser Strom erzeugt in der Platte ein Magnetfeld, das dem Feld des Dauermagneten entgegenwirkt. Die daraus folgende Abstoßung wirkt gegen die Bewegungsrichtung und bremst die Platte. Befindet sich die Platte vollständig in einem homogenen Magnetfeld, wirkt die Lorentzkraft in beiden Plattenhälften gleich stark; in dieser vereinfachten Betrachtung entstehen dann keine Wirbelströme.

Beim Austritt ist die Situation umgekehrt: Nun wird die rechte Seite stärker vom Magnetfeld durchsetzt. Es bildet sich ein Wirbel gegen den Uhrzeigersinn. Sein Magnetfeld ist gleichgerichtet zum Feld des Dauermagneten, sodass eine magnetische Anziehung wiederum der Bewegung entgegenwirkt. Die Platte wird somit sowohl beim Eintritt in das Feld als auch beim Austritt gebremst. Ihre kinetische Energie wird nach dem Ohmschen Gesetz in thermische Energie umgewandelt, wodurch sich die Kupferplatte erwärmt.

Einsatz bei Schienenfahrzeugen

Die lineare Wirbelstrombremse wurde in Europa erstmals serienmäßig bei den ab 2000 eingesetzten ICE-3-Triebzügen verwendet. „Linear“ bedeutet, dass die Relativbewegung geradlinig und der Leiter länglich ist. Anders als bei einer Magnetschienenbremse setzt der Magnet nicht auf der Schiene auf: Sein Eisenkern wird an den Radsatzlagern ungefähr 7 mm über der Schienenoberkante gehalten. Das Magnetfeld verläuft längs zur Schiene. Die Bremsenergie wird als Wärme über die Schienen abgeführt.

Die Bauteile der Bremse verschleißen nicht und ihre Wirkung hängt nicht vom Kraftschluss zwischen Rad und Schiene ab, der etwa durch Laub vermindert werden kann. Problematisch sind jedoch die Erwärmung der Schienen und der Skineffekt: Hohe Frequenzen drängen die Wirbelströme an die Außenränder des Schienenquerschnitts; während der Entwicklung soll dies zum Ausglühen der Schienenoberfläche geführt haben. Außerdem beeinflusst die Bremse Leit- und Sicherungstechnik sowie den Oberbau. Besonders empfindlich waren punktförmig arbeitende Einrichtungen wie Radsensoren, Achszähler, PZB-Magnete, Geschwindigkeitsprüfeinrichtungen und Heißläuferortungsanlagen. Auf den ICE-3-Regelstrecken wurden deshalb mehr als 11.000 Komponenten ersetzt. Auch Weichen, Abdeckplatten und andere mechanische Teile mussten teilweise verändert werden. Von 1995 bis 2000 wurden Fahrzeug und Infrastruktur schrittweise aufeinander abgestimmt.

Ein übergeordnetes Bremsmanagement steuert die Wirbelstrombremse zusammen mit Druckluft-Scheibenbremsen und elektrischer Netzbremse. Beim ICE 3 erreicht sie rund 170 kN maximale Bremskraft bei 100 km/h. Kurz vor ihrer Abschaltgeschwindigkeit von 50 km/h sinkt die Kraft auf rund 60 kN. Unterhalb von 50 km/h wird sie abgeschaltet, weil sonst die Anzugkräfte zu hoch wären. Oberhalb von 180 km/h beträgt die Bremskraft etwa 150 kN. Die Momentanverzögerung liegt bei 50 km/h bei rund 0,8 m/s², um 100 km/h bei rund 0,9 m/s² und fällt zwischen etwa 120 und 330 km/h auf 0,6 m/s². Im oberen Geschwindigkeitsbereich übersteigt ihre Bremsleistung die der elektromotorischen Bremse.

Als Betriebsbremse wird sie in Deutschland nur auf entsprechend geeigneten Strecken freigegeben, insbesondere auf Fester Fahrbahn, die wärmebedingten Gleisverformungen ausreichend widersteht. Dazu gehören Köln–Rhein/Main, Nürnberg–Ingolstadt, VDE 8.1/8.2 und Wendlingen–Ulm. Auf vielen anderen Strecken darf sie nur bei Schnellbremsungen eingesetzt werden. Je nach Streckenausrüstung gelten deshalb für ICE 3 Höchstgeschwindigkeiten von 250 km/h oder 200 km/h. Seit Juli 2002 wird die Bremse nach Erprobungen auf geeigneten deutschen Strecken auch als Betriebsbremse verwendet, seit 2007 ebenfalls auf der französischen LGV Est européenne. Für Schotteroberbau wird ein Einsatz unter Berücksichtigung von Schienen- und Lufttemperatur oder Wetterprognosen erwogen. Der Shinkansen-Prototyp Alfa-X soll für Schnellbremsungen bei Erdbeben rotierende Wirbelstrombremsen erhalten.

Weitere Anwendungen

Auf Motorenprüfständen dient die Wirbelstrombremse als Leistungsbremse für Verbrennungs- oder Elektromotoren. Sie ist gut regelbar, vergleichsweise kompakt und kann zur Leistungsmessung genutzt werden. Nachteile sind die Abgabe der Leistung als Wärme und die rein passive Arbeitsweise: Der Prüfling kann nicht von ihr angetrieben beziehungsweise geschleppt werden.

Bei hochwertigen Ergometern steuern elektrisch einstellbare Wirbelstrombremsen die Trainingslast. Mikroprozessoren ermöglichen eine Regelung nach unterschiedlichen Parametern. In Lastkraftwagen werden sie als verschleißlose Dauerbremsen eingesetzt; bekannte Hersteller sind Voith, Telma und Knorr-Bremse. Eine Alternative sind hydraulisch arbeitende hydrodynamische Retarder. Teilweise wird versucht, Lichtmaschine, Anlasser und Wirbelstrombremse in einem Aggregat zu verbinden.

Achterbahnen und Freifalltürme verwenden zunehmend lineare Wirbelstrombremsen, weil sie sanft einsetzen, verschleißfrei sind und bei Permanentmagneten auch ohne Strom funktionieren. Bei Achterbahnen bewegen sich meist Schwerter aus einer Kupferlegierung zwischen Permanentmagneten. Je nach Bauart sitzen die Schwerter am Wagen und die Magnete an der Strecke oder umgekehrt. Bei sehr schnellen Abschuss-Achterbahnen, teilweise mit über 200 km/h, werden wegen der höheren Kosten der Magnete häufig nur wenige Magnete an den Wagen und längere Bremsschwerter an der Strecke angebracht. Zusätzliche Schwerter können einen zurückrollenden Zug nach einem fehlerhaften Abschuss bremsen. Bei Freifalltürmen sind die Schwerter vertikal am Turm und die Magnete am Fahrgastträger befestigt. Nach unten nimmt die Zahl der Schwerter meist zu, sodass die Bremskraft ungefähr gleichmäßig ansteigt.

In Messgeräten dienen Wirbelströme zur Dämpfung oder geregelten Bewegung. Beim Drehspulmesswerk entstehen sie bei Zeigerbewegungen im Aluminiumrahmen der Spule und dämpfen ruckartige Ausschläge. Beim Ferraris-Zähler treiben Strom- und Spannungsspulen eine Aluminiumscheibe an; ein Permanentmagnet bremst sie durch Wirbelströme. Das Gleichgewicht der Kräfte erzeugt eine gleichmäßige Drehung, die proportional zur elektrischen Wirkleistung ist. Analoge Tachometer und Drehzahlmesser nutzten zumindest bis 1980 eine rotierende, am Umfang magnetisierte Scheibe. Diese lenkt über Wirbelstromwirkung eine koaxial gelagerte Glocke gegen eine Rückstellfeder geschwindigkeitsabhängig aus.