Wirbelstrombremsen

Erklärt von Alexander Göttmann

Das Prinzip der Wirbelstrombremse wird anstellen eingesetzt, bei denen es auf hohe Zuverlässigkeit und Verschleißunanfälligkeit ankommt. Ein wichtiges Merkmal der Bremsen ist, dass sie unter allen Umständen, also auch beim Ausfall von Strom, Druckluft oder Hydraulik bremsen. Diese Eigenschaften hören sich zuerst phänomenal an, aber es gibt einen entscheidenden Nachteil: Die Bremsen sind nicht in der Lage, ein Objekt an einer Vordefinierten Stelle komplett zum Stillstand zu bringen, sondern nur auf ein vorher berechenbares Niveau abzubremsen. Zum exakten Halt sind also noch zusätzlich konventionelle Bremsen Notwendig, die dann aber verhältnismäßig klein ausfallen können.
Bevor ich Euch allerdings die Praktische Anwendung erkläre, muss ich Euch leider ein wenig in die Physik entführen, die dahinter steckt. Aber keine Angst, ich werde nicht mit Formeln um mich werfen. Man bedient sich für dieses Bremssystem mehrerer Effekte, die beim Zusammenspiel von elektrischer und magnetischer Wechselwirkung auftreten. Diese Effekte werden vollständig durch die Maxwellschen Gleichungen beschrieben. Der Ein oder Andere mag diesen Namen schon in der Schule gehört haben, aber deren genaue Kenntnis ist nicht für das Verständnis des Systems notwendig.

Als ein magnetisches Feld bezeichnet man einen Bereich im Raum, in dem auf einen Magneten Kräfte wirken. Das Feld wird u.A. charakterisiert durch virtuelle Feldlinien, die den Weg beschreiben, auf dem sich ein Magnet in diesem Feldbewegen würden. Ein magnetisches Feld wird z.B. durch einen Elektro- oder Permanentmagneten verursacht. Permanentmagneten lassen sich nur sehr schwer entmagnetisieren, z.B. durch ein starkes äußeres Magnetfeld, große Hitze oder starke Stöße. Sie tragen also den Zusatz "permanent" zu Recht. Der eigentliche Clou, der bei dem Bremssystem ausgenutzt wird, ist, dass ein magnetisches Feld auch eine Wirkung auf bewegte Elektronen hat. Ist ein Elektron in Ruhe, so hat es keinerlei magnetische Eigenschaften. Erst, wenn es sich in einem Magnetfeld bewegt, wird eine Kraft senkrecht zu den magnetischen Feldlinien und seiner Bewegungsrichtung. Es selbst wird also nicht nach vorne oder hinten, sondern nur zur Seite abgelenkt. Würde sich das Elektron also in einem Leiter befinden, der durch ein Magnetfeld bewegt wird, könnte man an den Enden ein Spannung messen. Diesen Effekt nennt man Induktion. Da sich durch die Einwirkung der seitlichen Kraft natürlich die Bewegungsrichtung der Elektrons ändert, ändert sich auch die Richtung der Kraft entsprechend, die auf das Elektron wirkt. Das Ergebnis ist, dass sich das Elektron auf einer Kreisbahn in dem Magnetfeld bewegt, also einen Wirbel bildet. In Verbindung damit, dass man bewegte Ladungen als Strom bezeichnet, kommt man zu dem Namen "Wirbelstrombremse".

Die Induktion wirkt aber nicht nur in die eine, sondern auch in die andere Richtung. So erzeigt auch ein Bewegtes Elektron wiederum ein Magnetfeld. Hier kommt nun der eigentliche Bremseffekt zustande. Aus dem oben erwähnten Gleichungen ergibt sich die So genannte Lenzsche Regel (hier etwas angepasster Form): "Ein durch ein Magnetfeld auf eine Kreisbahn gebrachtes Elektron erzeugt ein Magnetfeld, das in seiner Kraftwirkung der ursprünglichen Bewegungsrichtung entgegenwirkt." Man kann sich also vereinfacht vorstellen, dass durch die rotierenden Elektronen ein Elektromagnet entsteht, der sich von dem äußeren Magnetfeld abstößt. Da bei dem Bremsvorgang die Geschwindigkeit abnimmt nimmt auch die Bremskraft rapide ab. Dies ist der Grund, warum nicht ganz bis zum Stillstand abgebremst werden kann. Kommen wir nun zu der praktischen Anwendung des Bremssystem, wie es u.A. bei Achterbahnen und Free-Falls benutzt wird. An der Fahrgondel bzw. dem Wagen wird ein Schwert angebracht. Das ist letztendlich nichts anderes, als eine Metallplatte. An der Bremstrecke sind links und rechts Permanentmagnete angeordnet, in deren Magnetfeld das Schwert eintaucht. In dem Schwert vollführen die Elektronen ihre Kreisbahn, da sie ja mit dem Schwert durch das Feld bewegt werden, und erzeugen damit, wie oben beschrieben, Das Magnetfeld, das für die eigentliche Bremswirkung sorgt. Durch den hohen Stromfluss in diesen Schwerten erhitzen sich diese auf ca. 100° Celsius. Bemerkenswert ist noch, dass die Bremsung durch keinerlei mechanische Einflüsse herbeigeführt wird, also fast verschleißfrei ist. Der einzige Verschleiß, der auftreten kann, ist die langsame Entmagnetisierung der Permanentmagneten durch Rütteln an der Aufhängung, oder durch das Erdmagnetfeld )dies ist der gleiche Grund, durch den Videokassetten mit der Zeit ihre Magnetisierung verlieren, allerdings sind eher die Achterbahn verschrottet wird, als dass die Bremswirkung merklich nachlässt.

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