DE10030089A1

DE10030089A1 - Lateral guidance with C-rail suspension technology

Info

Publication number: DE10030089A1
Application number: DE2000130089
Authority: DE
Inventors: Herbert Weh; Wolfgang Niemann
Original assignee: Individual
Current assignee: WEH, HERBERT, PROF. DR.-ING. DR. H.C., 87534 OBERS
Priority date: 2000-06-19
Filing date: 2000-06-19
Publication date: 2002-01-10
Anticipated expiration: 2020-06-20
Also published as: WO2001098103A1; AU2001279672A1; DE10030089C2

Abstract

The invention relates to an arrangement for the non-contact production of magnetic lateral forces used to guide a magnetic levitation railway train. Said arrangement comprises an upper C-shaped ferromagnetic track (1) having two downward-pointing ends (2, 3), and an excitation element (4) which is located on the vehicle side below the upper track (1). The excitation element comprises a guiding magnet device (5, 6) which has at least two excitation poles (5, 6) lying opposite the ends (2, 3) of the track, a connecting yoke (7) which connects the excitation pole, and a coil device (8, 9). The aim of the invention is to reliably produce lateral forces of a desired amplitude at a relatively low cost in terms of technical equipment, and especially also to have compact excitation elements on the vehicle side. In order to achieve this, a carrier magnet device which is arranged on the upper track (1) is connected to the excitation element (4) to create a levitation force. A lateral force can be produced by superposing a field eddy which is produced between the guiding magnet device (5, 6) and the ends (2, 3) of the track, and a coil field which is produced by means of the coil device (8, 9).

Description

Die schwebetechnische Fahrzeugführung setzt voraus, daß neben den Trag- und Vortriebs kräften auch eine seitliche Führung ohne Inanspruchnahme von reibungsbehafteten Elemen ten gegeben ist. Dabei soll der Bedingung entsprochen werden, daß die Kräfte stellbar sind und ohne größeren Aufwand, insbesondere ohne besondere Schienen erzeugt werden können.Hovering vehicle guidance presupposes that in addition to the support and propulsion also force a lateral guidance without using friction elements is given. The condition should be met that the forces are adjustable and can be generated with little effort, especially without special rails.

Ausgeführte Versuchsanlagen erfüllen nur einen Teil der gestellten Forderungen. Besonders anzustreben ist das Merkmal der Nutzung von Schienen, die bei Schwebemagneten hybrider Art (Erregung durch Permanentmagneten und stromführenden Spulen) verwendet werden. Es ist für die Erzeugung der Querkräfte damit von einer Wechselwirkung zwischen C-förmigen ferromagnetischen Schienen und einer besonderen Magnetanordnung, die große quergerich tete tangentiale Kräfte erzeugt, auszugehen. Tragkrafterzeugende Erregermagnete kombiniert mit Seitenkrafterzeugung an C-förmigen Schienen wurden bereits vorgeschlagen. Ihre Lei stungsfähigkeit zur Bereitstellung ausreichend großer Kräfte (je Meter Fahrzeuglänge) ist jedoch zu beschränkt, als daß sie den Bedingungen des Schnellverkehrs und der Anwendung für Fahrzeuge mit hohen Nutzlastanteilen entsprechen können.Executed test plants only fulfill part of the requirements. Especially The aim is to use rails that are more hybrid in the case of floating magnets Type (excitation by permanent magnets and live coils) can be used. It is for the generation of the shear forces from an interaction between C-shaped ferromagnetic rails and a special magnet arrangement, the large quergerich generated tangential forces to go out. Power-generating exciter magnets combined with side force generation on C-shaped rails have already been proposed. Your lei ability to provide sufficiently large forces (per meter vehicle length) however, too limited to meet the conditions of fast transport and application for vehicles with a high proportion of payload.

Geboten erscheint eine systemverträgliche Lösung dadurch zu erzielen, daß kraftstarke Füh relemente zusätzlich zu den auf die Tragkrafterzeugung optimierten Schwebemagneten einge setzt werden. Insbesondere mit Blick auf die Ausführung kostengünstiger Fahrbahnvarianten und die Anwendung von Weichen ohne bewegte Teile besitzt die kraftstarke magnetische Führung mit geringem elektrischen Leistungseinsatz einen hohen Stellenwert.It seems necessary to achieve a system-compatible solution in that powerful leadership elements in addition to the levitation magnets optimized for the generation of load capacity be set. Especially with a view to the implementation of low-cost roadway variants and the use of switches without moving parts has the powerful magnetic Management with low use of electrical power is very important.

Aus der Sicht flexibel zu gestaltender Anwendungsbedingungen besteht somit die erfindungs gemäß gestellte Aufgabe in der Beschreibung einer besonderen Erregeranordnung, die in Wechselwirkung zu ferromagnetischen Schienen und den bei Schwebemagneten hybrider Art bestehenden Spaltgrößen hohe Kräfte quer zur Schiene zu erzeugen vermag, so, daß die Län genabmessung dieser Erregerteile wesentlich kleiner sein kann als die der tragkrafterzeugen den Erregermagnete.From the point of view of flexible application conditions, there is thus the fiction according to the task in the description of a particular pathogen arrangement, which in Interaction with ferromagnetic rails and the hybrid type of floating magnets existing gap sizes can generate high forces across the rail, so that the Län gen dimensions of these excitation parts can be significantly smaller than that of the generating force the excitation magnet.

Hierbei ist vorausgesetzt, daß die querkrafterzeugenden Magneteinheiten im nicht ausgesteu erten Zustand nur einen geringen Beitrag zur Tragkraft der Fahrzeuge leisten. Es ist weiter angenommen, daß die Führmagnete Teil der Trag/Führeinrichtungen in gemeinsamen Ge stellen sind und beide Einheiten mechanisch miteinander gekoppelt sind. Gewünscht ist wei ter, daß die Querkraft weitgehend unabhängig von der Querauslenkung des Erregerteils ge genüber der Schiene und deutlich abhängig vom elektrischen Strom als Stellgröße erzeugt werden kann.It is assumed here that the transverse force-generating magnet units are not driven out condition only make a small contribution to the load capacity of the vehicles. It is further assumed that the guide magnets are part of the carrying / guiding devices in common Ge places and both units are mechanically coupled. White is desired ter that the lateral force is largely independent of the transverse deflection of the excitation part ge compared to the rail and clearly dependent on the electrical current generated as a manipulated variable can be.

Im Folgenden wird anhand einer ausführlichen Darlegung und mit S zeichnerischen Darstel lungen (Fig. 1 bis Fig. 4) der Erfindungsgedanke erläutert.In the following, the inventive concept is based on a detailed explanation and drawings with S depicting lungs (4 Fig. 1 to Fig.) Is explained.

Fig. 1 Querschnitt durch Erregerteil MF und Schiene R, einseitige Anordnung, Wir kungsweise. Fig. 1 cross section through the excitation part MF and rail R, one-sided arrangement, we way.

Fig. 2a Überlagerung der Feldanteile von P-Magneten in MP und Spulenströmen in SP' im Polbereich von Schiene und Erregerteil. Fig. 2a superposition of the field components of P magnets in MP and coil currents in SP 'in the pole area of the rail and the excitation part.

Fig. 2b Verlauf der Querkraft F_Z in Abhängigkeit von der Verschiebegröße z bei konstantem Strom in der Spule SP'. Fig. 2b course of the lateral force F _Z as a function of the displacement quantity z with a constant current in the coil SP '.

Fig. 3 Querschnitt von Erregerteil MF und Schiene R mit eingezeichnetem Verlauf der Feldlinien entsprechend den Annahmen von Fig. 2b. Fig. 3 cross section of the excitation part MF and rail R with the drawn course of the field lines according to the assumptions of Fig. 2b.

Fig. 4 Zweiseitige Erregeranordnung MF zwischen den C-Schienen R1 und R2. Fig. 4 two-sided exciter arrangement MF between the C-rails R1 and R2.

Um große tangential gerichtete Querkräfte je Einheit der Schienenlänge zu bewirken, wird zweckmäßig die Wechselwirkung zwischen Feldkomponenten eines Permanentmagneten oder einer aus Permanentmagneten bestehenden Anordnung und einer durch den Spulenstrom er zeugten Feldkomponente angestrebt. Durch Permanentmagnete lassen sich auch bei verhält nismäßig großem Luftspalt (im Bereich von 1 bis 2 cm) hohe Felddichten von z. B. 1 T und erzeugen. Wird angenommen, daß durch Permanentmagnete im Polbereich des Luftspalts ein starker Feldwirbel (mit seiner Achse parallel zur Fahrtrichtung) erzeugt werden kann, so sollte die Überlagerung der von einem Spulenstrom erzeugten Feldkomponente die zur Kraft bildung notwendige Unsymmetrie des an den Polflanken (von Schiene und Erregersystem) angreifenden Feldes ergeben. Der Größtwert der erzeugten Stellkräfte ergibt sich für einen Magnetkreis, der sowohl eine günstige Anordnung der Permanentmagneten in Luftspaltnähe als auch eine besonders wirksame Felderzeugung durch den Spulenstrom ermöglicht.In order to cause large tangentially directed transverse forces per unit of rail length, expediently the interaction between field components of a permanent magnet or an arrangement consisting of permanent magnets and one through the coil current witnessed field component sought. Permanent magnets can also be used for behaviors large air gap (in the range of 1 to 2 cm) high field densities of e.g. B. 1 T and produce. It is assumed that by permanent magnets in the pole area of the air gap strong field vortex (with its axis parallel to the direction of travel) can be generated, so the superposition of the field component generated by a coil current should be that of the force necessary asymmetry of the at the pole flanks (of rail and excitation system) attacking field. The maximum value of the generated actuating forces results for one Magnetic circuit, which is both a convenient arrangement of the permanent magnets near the air gap as well as a particularly effective field generation by the coil current.

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt der Anordnung, bei der ein Erregermagnet M mit einer C-förmigen Schiene R korrespondiert. Wie erwähnt, sind in Luftspaltnähe auf Seiten der Er regeranordnung die wirbelerzeugenden Bereiche MPℓ und MPr von Bedeutung. Die im Pol bereich ebenfalls feldwirksame Spule ist durch die beiden Spulenseiten SP' und SP" darge stellt. Die Spule schließt sich um das Verbindungsjoch T. Fig. 1 shows a cross section of the arrangement in which an excitation magnet M corresponds to a C-shaped rail R. As mentioned, the vortex-generating areas MP auf and MPr are of importance in the vicinity of the air gap on the side of the excitation arrangement. The coil, which is also field-effective in the pole area, is represented by the two coil sides SP 'and SP ". The coil closes around the connecting yoke T.

Angenommen ist weiter, daß die im Polbereich MP eingesetzten Permanentmagnete durch ferromagnetische Lamellen gegliedert werden, so daß in y-Richtung eine hohe magnetische Leitfähigkeit erreicht wird. Die Breite b_m des Polbereichs MP ist deutlich größer als die Breite der Polausdehnung b_r. Ebenso ist die Längenausdehnung des Polbereichs ℓ_m größer als b_r.It is further assumed that the permanent magnets used in the pole area MP are divided by ferromagnetic lamellae, so that a high magnetic conductivity is achieved in the y direction. The width b _{m of} the pole area MP is significantly larger than the width of the pole extension b _r . The length of the pole area ℓ _{m is also} greater than b _r .

Als Beispiel ist gezeichnet, daß die von den eingeprägten Strömen der P-Magnete hervorgeru fenen Feldwirbel eine bestimmte Richtung haben und an den beiden Polen gegenläufige Ten denz aufweisen. In der Überlagerung mit den unter den Polen gleichgerichteten Feldanteilen des Spulenstroms (Komponente B_a) entsteht die in Fig. 2a skizzierte unsymmetrische Feld verteilung. Sie ist kennzeichnend für stromabhängige Stellkräfte, die auf der Schienenseite mit F_ZS und auf der Erregerseite (Fahrzeug) mit F_zF bezeichnet sind. Es ist ersichtlich, daß für eine in Gegenrichtung angenommene Stromführung der Spule sich die Richtungszeiger der Kraft umkehren, die Stellkraft also auch von der Stromrichtung beeinflußt werden kann.As an example, it is shown that the field vortices caused by the impressed currents of the P magnets have a certain direction and have opposite tendencies at the two poles. In the superposition with the field components of the coil current (component B _a ) rectified under the poles, the asymmetrical field distribution sketched in FIG. 2a is produced. It is characteristic of current-dependent actuating forces, which are labeled F _ZS on the rail side and F _zF on the exciter side (vehicle). It can be seen that the direction indicators of the force are reversed for a current flow of the coil assumed in the opposite direction, that is to say the actuating force can also be influenced by the current direction.

Die erwähnte Zwischenschaltung ferromagnetischer Lamellen in den Polbereichen MP er weist sich als vorteilhaft. Sie ermöglicht die Erzeugung einer starken B_a-Feldkomponente mit verhältnismäßig geringen Strömen und Verlusten. Für die Permanentmagnete in den Polberei chen MP ist die gezeichnete Stromrichtung (für die eingeprägte Durchflutung der Magnete) ein Zeichen dafür, daß die, Magnetisierungsrichtung der Permanentmagnete in z-Richtung vorgesehen ist.The aforementioned interposition of ferromagnetic lamellae in the pole areas MP has proven to be advantageous. It enables the generation of a strong B _a field component with relatively low currents and losses. For the permanent magnets in the pole areas MP, the drawn current direction (for the impressed flooding of the magnets) is a sign that the direction of magnetization of the permanent magnets is provided in the z direction.

Für einen Spulenstrom konstanter Größe entsteht ein Verlauf der Querkraft F_z in Abhängig keit von der Verschiebung des Erregerteils z, wie in dem Diagramm in Fig. 2b dargestellt.For a coil current of constant size, there is a profile of the transverse force F _z as a function of the displacement of the excitation part z, as shown in the diagram in FIG. 2b.

Die Kraftkurve überdeckt in z-Richtung eine Ausdehnung, die ungefähr der Größe des einge zeichneten Polabstandes τ entspricht. Der Maximalwert ist gegenüber der Polmitte leicht ver setzt. Das wichtige Ziel einer in z-Richtung weiträumigen Kraftwirkung ist durch diesen Verlauf erkennbar erzielt. Der Kraftverlauf für Ströme unterschiedlicher Richtung ist nicht vollkommen identisch, weist mit seinen geringen Unterschieden jedoch eine sehr günstige Charakteristik im Vergleich zu früheren Vorschlägen auf. Die Größe der Stellkräfte ist so hoch, daß bei geeigneter Spulendimensionierung die Seitenkräfte weit höher sind als der im Mittel erforderliche Wert je Meter Fahrzeuglänge.The force curve covers an extension in the z direction that is approximately the size of the inserted drawn pole distance τ corresponds. The maximum value is slightly ver compared to the center of the pole puts. The important goal of a wide-ranging force effect in the z direction is through this History clearly achieved. The force curve for currents in different directions is not completely identical, but with its slight differences, it is very cheap Characteristic compared to previous proposals. The size of the actuating forces is so high that the side forces are much higher than that in the case of suitable coil dimensions Average required value per meter of vehicle length.

Bei einer Kombination der hier beschriebenen Führmagneten mit hybriden Magneten zur Tragkrafterzeugung darf davon ausgegangen werden, daß für z-Verschiebungen bei letzteren zusätzliche Rückstellkräfte entwickelt werden, die sich positiv zu den Kraftkomponenten der Führmagnete addieren.With a combination of the guide magnets described here with hybrid magnets Generation of load capacity can be assumed that for z-displacements in the latter additional restoring forces are developed that have a positive effect on the force components of the Add the guide magnets.

Fig. 3 zeigt ein Feldbild, das die Aufteilung von Permanentmagneten P und ferromagneti schen Lamellen Fe in den Polbereichen von MP darstellt. Der Verlauf der gerechneten Feld verteilung, dargestellt durch Feldlinien, zeigt die an den Flanken der Schienen wirksame Un symmetrie. Der zwischen den Polbereichen MP und dem Joch T vorgesehene Spalt dient der Begrenzung der Felddichten, der durch den unteren Randwirbel von MP erzeugt wird. Im Spulenbereich SP' ist zur Reduzierung der Streufeldbelastung ein dünner Kompensationsma gnet KM zu erkennen. Fig. 3 shows a field image, which shows the distribution of permanent magnets P and ferromagnetic lamellae Fe in the pole areas of MP. The course of the calculated field distribution, represented by field lines, shows the asymmetry effective on the flanks of the rails. The gap provided between the pole regions MP and the yoke T serves to limit the field densities which are generated by the lower edge vortex of MP. A thin compensation magnet KM can be seen in the coil area SP 'to reduce the stray field load.

Fig. 4 stellt einen doppelseitigen Magnetkreis MF dar, dessen Kopplung mit einem Schienen paar R1, R2 an Ober- und Unterseite erkennbar ist. Um eine Nutzung beider Spulenseiten SP' und SP" (in magnetisierender Hinsicht) zu erreichen, ist für die Führung des magnetischen Flusses ein Mitteljoch T erforderlich, das entsprechend verstärkt ausgeführt ist. Wie auch bei der einseitigen Magnetwirkung nach Anordnung Fig. 1 ist beim doppelseitigen Magnet nach Fig. 4 die Erregeranordnung starr mit der Schwebeanordnung (in Querrichtung) zu verbinden. Zur optimalen Erzeugung der Tangentialkraft empfiehlt sich eine zumindest annähernd gleichgroße Spaltlänge auf beiden Seiten. Für die Tragkrafterzeugung durch die Schwebema gnete wird für diese der obere Luftspalt kleiner als der untere Spalt angesetzt. Nur für die Ab senkposition (bei Fahrzeugstillstand) wird der untere Spalt verringert und seine Größe mechanisch beschränkt. Es ist damit die Forderung für den Querkraftmagneten zu stellen, daß er im Falle des Absenkens der Schwebemagnete im Sinne einer Luftspaltsymmetrierung durch eine gesonderte Stellvorrichtung verlagert wird. Erst beim Anhebevorgang wird diese Verla gerung wieder rückgängig gemacht. Fig. 4 shows a double-sided magnetic circuit MF, the coupling with a pair of rails R1, R2 can be seen on the top and bottom. In order to use both coil sides SP 'and SP "(from a magnetizing point of view), a central yoke T is required for guiding the magnetic flux, which yoke is designed to be appropriately reinforced. As with the one-sided magnetic effect according to the arrangement in FIG 4. Rigidly connect the exciter arrangement to the levitation arrangement (in the transverse direction) according to Fig. 4. For optimal generation of the tangential force, an at least approximately equally large gap length is recommended on both sides The lower gap is reduced and its size mechanically limited only for the lowering position (when the vehicle is stationary) Actuator shifted w This shift is only reversed during the lifting process.

Da durch die beschriebene Erfindung eine sehr hohe und im wesentlichen dem Spulenstrom proportionale Querkraft erzeugt werden kann, eignet sich das Führverfahren besonders zur Kombination mit tragkraftoptimierten Schwebemagneten der hybriden Art. Sie findet an C-Schienen statt, deren Dimensionierung im wesentlichen durch die Tragkraftanforderungen bestimmt wird. Hervorzuheben ist, daß hiermit stellbare Kräfte beider Richtungen innerhalb eines verhältnismäßig großen seitlichen Verschiebebereichs (ebenfalls beider Richtungen) erzeugt werden können.Since the invention described a very high and essentially the coil current proportional lateral force can be generated, the guidance method is particularly suitable for Combination with load-bearing levitation magnets of the hybrid type C-rails instead, the dimensions of which are essentially determined by the load capacity requirements is determined. It should be emphasized that hereby adjustable forces in both directions within a relatively large lateral displacement range (also in both directions) can be generated.

Die ohne besondere Maßnahmen ausgestatteten Schwebemagnete sind für sich eigenstabil und entwickeln bei Versatz Rückstellkräfte. Um jedoch ausreichend große Führkräfte bei kleinen Auslenkungen oder ohne Auslenkungen zu entwickeln, werden die hier beschriebenen Führmagnete unentbehrlich.The floating magnets equipped without special measures are inherently stable and develop restoring forces when offset. However, in order to have sufficiently large executives to develop small excursions or without excursions, are described here Guide magnets indispensable.

Es kann davon ausgegangen werden, daß durch diese Querkraftmagnete 20 bis 25% der Fahr zeuglängen zu belegen sind, während der größte Anteil den tragkrafterzeugenden Magneten vorbehalten bleibt.It can be assumed that 20 to 25% of the driving through these shear force magnets tool lengths are to be documented, while the largest share is the force-generating magnets reserved.

Verhältnismäßig hohe seitliche Führkräfte werden dann gefordert, wenn aus Kostengründen oder im Zusammenhang mit der Ausführung starrer Weichen (ohne bewegliche Teile) Fahr bahnen ohne Kurvenüberhöhung gewählt werden. Bei letzteren entsteht zusätzlich die Forde rung, daß die magnetische Führfunktion bei Weicheneinfahrt auch gleichzeitig im Sinne der Kurveneinleitung die Steuerfähigkeit erbringt. Auch dies ist bei einer entsprechenden doppel seitigen Ausführung (zwei Erregerteile mit zugehörigen Schienen seitlich nebeneinander) auf der Basis der beschriebenen Seitenführung machbar.Relatively high lateral executives are required if for cost reasons or in connection with the execution of rigid switches (without moving parts) tracks without curve elevation can be selected. With the latter, the Forde also arises tion that the magnetic guiding function at turnout entry also simultaneously in the sense of Turn initiation provides the ability to steer. This is also the case with a corresponding double version (two excitation parts with associated rails side by side) based on the described side guide feasible.

Claims

1. Arrangement for the contactless generation of magnetic transverse forces for the Füh tion of a levitation vehicle, characterized in that the carrying force is generated by levitation magnets on the same rail and the transverse forces arise by superimposing a field vortex generated by permanent magnets in the pole area with the field of a current-carrying coil and permanentma gnet and coil are arranged in the vehicle-side part of the magnetic circuit, the excitation part being rigidly connected to the levitation magnets in the lateral direction.

2. Arrangement for the generation of magnetic transverse forces, characterized in that in the pole region of the excitation arrangement MP the magnetic conductivity in the carrying direction (y) is determined by ferromagnetic material between the permanent magnets and the width of the excitation poles b _m larger than the width of the poles b _r Rail and the length of the pole lugs ℓ _{m is} also greater than b _r .

3. arrangement for the generation of magnetic transverse forces, characterized in that in the case of double arrangements of the C-rails, a two-sided magnetic circuit with four MP units is used, the latter connected by a central yoke T and through a coil with the coil sides SP ', SP "are excited.

4. arrangement for the generation of magnetic transverse forces, characterized in that an additional adjustment of the air gap position is applied to when lowering the levitation magnet to be able to slightly raise the shear force magnetic circuit.

5. arrangement for generating magnetic transverse forces, characterized in that the excitation units are dimensioned so powerful that the track with only small ner curve elevation or without such can be performed.

6. arrangement for the generation of magnetic transverse forces, characterized in that a combination of the transverse force generating units with the tilting technology Vehicle bodies.