DE10030089C2

DE10030089C2 - Arrangement for non-contact generation of transverse magnetic forces for the guidance of a hover vehicle

Info

Publication number: DE10030089C2
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: 2003-02-06
Anticipated expiration: 2020-06-20
Also published as: DE10030089A1; AU2001279672A1; WO2001098103A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur berührungslosen Erzeugung von magnetischen Querkräften für die Führung eines Schwebefahrzeugs.The invention relates to an arrangement for non-contact generation of magnetic transverse forces for the guidance of a Schwebefahrzeugs.

Die schwebetechnische Fahrzeugführung setzt voraus, daß neben den Trag- und Vortriebskräften auch eine seitliche Führung ohne Inanspruchnahme von reibungsbehafteten Elementen gegeben ist. Dabei soll der Bedingung entsprochen werden, daß die Kräfte stellbar sind und ohne größeren Aufwand, insbesondere ohne besondere Schienen erzeugt werden können.The hover technical vehicle guidance assumes that in addition to the support and Driving forces also a lateral guidance without the use of frictional Given elements. The condition is to be met that the forces adjustable are produced without much effort, in particular without special rails can.

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 Permanentmagnete und stromführende 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 quergerichtete tangentiale Kräfte erzeugt, auszugehen. Tragkrafterzeugende Erregermagnete kombiniert mit Seitenkrafterzeugung an C-förmigen Schienen wurden bereits vorgeschlagen. Ihre Leistungsfähigkeit 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 pilot plants fulfill only a part of the demands made. Especially to strive for is the feature of the use of rails that are hybrid in hovering magnets Type (excitation by permanent magnets and current-carrying coils) can be used. It is for generating the transverse forces thus an interaction between C-shaped ferromagnetic rails and a special magnet arrangement, the big ones transverse tangential forces generated to go out. Load-bearing exciter magnets combined with lateral force generation on C-shaped rails have already been proposed. Your ability to provide sufficient forces (per meter of vehicle length) However, it is too limited to comply with the conditions of high - speed traffic and Application for vehicles with high payload proportions.

Geboten erscheint eine systemverträgliche Lösung dadurch zu erzielen, daß kraftstarke Führelemente zusätzlich zu den auf die Tragkrafterzeugung optimierten Schwebemagneten eingesetzt 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 by using powerful ones Guide elements in addition to the optimized on the Tragkrafterzeugung hover magnet be used. In particular, with a view to the execution more cost-effective Roadway variants and the application of switches without moving parts has the powerful magnetic guide with low electrical power input a high Status.

Die bislang beschriebenen technischen Lösungen erfüllen nicht die gewünschten Merkmale. Das gilt auch für die dem Hauptanspruch zugrunde liegende DE 22 38 402 C2.The technical solutions described so far do not meet the desired Characteristics. This also applies to the main claim underlying DE 22 38 402 C2.

Aus der Sicht flexibel zu gestaltender Anwendungsbedingungen besteht somit die erfindungsgemäß 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 Längenabmessung dieser Erregerteile wesentlich kleiner sein kann als die der tragkrafterzeugenden Erregermagnete.From the point of view of flexibly designing conditions of use there is thus the According to the invention task in the description of a particular exciter arrangement, in interaction with ferromagnetic rails and with floating magnets of hybrid type existing gap sizes is able to generate high forces across the rail, so, that the length dimension of these exciter parts can be substantially smaller than that of the supporting force generating exciter magnets.

Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.This object is achieved by an arrangement having the features of claim 1 solved.

Hierbei ist vorausgesetzt, daß die querkrafterzeugenden Magneteinheiten im nicht ausgesteuerten Zustand nur einen geringen Beitrag zur Tragkraft der Fahrzeuge leisten. Es ist weiter angenommen, daß die Führmagnete Teil der Trag/Führeinrichtungen in gemeinsamen Gestellen sind und beide Einheiten mechanisch miteinander gekoppelt sind. Gewünscht ist weiter, daß die Querkraft weitgehend unabhängig von der Querauslenkung des Erregerteils gegenüber der Schiene und deutlich abhängig vom elektrischen Strom als Stellgröße erzeugt werden kann. Im Folgenden wird anhand einer ausführlichen Darlegung und mit 5 zeichnerischen Darstellungen (Fig. 1 bis Fig. 4) der Erfindungsgedanke erläutert.It is assumed that the transverse force-generating magnet units make only a small contribution to the load capacity of the vehicles in the uncontrolled state. It is further assumed that the guide magnets are part of the support / guide means in common racks and both units are mechanically coupled together. It is further desired that the lateral force can be generated largely independent of the transverse deflection of the excitation part relative to the rail and clearly dependent on the electrical current as a manipulated variable. Below (Figure 1. 4 through Fig.) Is based on a detailed exposition with 5 graphic representations discussed the inventive idea.

Fig. 1: Querschnitt durch Erregerteil MF und Schiene R, einseitige Anordnung, Wirkungsweise. FIG. 1 is a cross section through the exciter part MF and rail R, one-sided arrangement, mode of action.

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

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 transverse force F _z as a function of the displacement size z at 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 excitation part MF and rail R with marked 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 assembly 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 erzeugten Feldkomponente angestrebt. Durch Permanentmagnete lassen sich auch bei verhältnismäßig großem Luftspalt (im Bereich von 1 bis 2 cm) hohe Felddichten von z. B. 1 T und mehr 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 Kraftbildung 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.To effect large tangentially directed shear forces per unit of rail length is expedient the interaction between field components of a permanent magnet or a permanent magnet arrangement and one through the coil current desired field component sought. Permanent magnets can also be used relatively large air gap (in the range of 1 to 2 cm) high field densities of z. B. 1 T and produce more. It is assumed that by permanent magnets in the pole region of Air gap a strong field vortex (with its axis parallel to the direction of travel) are generated can, then the superposition of the field component generated by a coil current should asymmetry of the pole flanks (of rail and Exciter system) attacking field. The largest value of the generated actuating forces results opt for a magnetic circuit that has both a favorable arrangement of the permanent magnets in Air gap near and a particularly effective field generation by the coil current allows.

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 Erregeranordnung die wirbelerzeugenden Bereiche MPℓ und MPr von Bedeutung. Die im Polbereich ebenfalls feldwirksame Spule ist durch die beiden Spulenseiten SP' und SP" dargestellt. Die Spule schließt sich um das Verbindungsjoch T. Fig. 1 shows a cross section of the arrangement in which an exciter magnet M corresponds to a C-shaped rail R. As mentioned, the vortex generating areas MPℓ and MPr are important in the air gap near the exciter arrangement. The field-effective coil in the pole region is also represented by the two coil sides SP 'and SP ".The coil closes around the connection 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 region MP are structured by ferromagnetic lamellae, so that a high magnetic conductivity is achieved in the y-direction. The width b _{m of} the pole region MP is significantly greater than the width of the pole extension b _r . Likewise, the length extension of the pole region 1 _{m is} greater than b _r .

Als Beispiel ist gezeichnet, daß die von den eingeprägten Strömen der P-Magnete hervorgerufenen Feldwirbel eine bestimmte Richtung haben und an den beiden Polen gegenläufige Tendenz aufweisen. In der Überlagerung mit den unter den Polen gleichgerichteten Feldanteilen des Spulenstroms (Komponente B_a) entsteht die in Fig. 2a skizzierte unsymmetrische Feldverteilung. 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 superimposition of the field components of the coil current (component B _a ) rectified under the poles, the unbalanced field distribution sketched in FIG. 2a results. It is characteristic of current-dependent actuating forces which are designated on the rail side with F _zs and on the exciter side (vehicle) with F _zF . It can be seen that for reversed current flow of the coil, the directional pointers reverse the force, so that the actuating force can also be influenced by the current direction.

Die erwähnte Zwischenschaltung ferromagnetischer Lamellen in den Polbereichen MP erweist sich als vorteilhaft. Sie ermöglicht die Erzeugung einer starken B_a-Feldkomponente mit verhältnismäßig geringen Strömen und Verlusten. Für die Permanentmagnete in den Polbereichen 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 mentioned interposition of ferromagnetic lamellae in the pole regions MP proves to be advantageous. It allows the generation of a strong B _a field component with relatively low currents and losses. For the permanent magnets in the pole regions MP, the drawn current direction (for the imprinted flux of the magnets) is a sign that the magnetization direction of the permanent magnets is provided in the z direction.

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

Die Kraftkurve überdeckt in z-Richtung eine Ausdehnung, die ungefähr der Größe des eingezeichneten Polabstandes τ entspricht. Der Maximalwert ist gegenüber der Polmitte leicht versetzt. 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 in the z-direction an extent which is approximately the size of the drawn pole distance τ corresponds. The maximum value is easy compared to the pole center added. The important goal of a z-directional force effect is through this Obviously achieved course. The force curve for currents of different directions is not completely identical, but with its small differences, a very favorable Characteristics compared to previous proposals. The size of the restoring forces is like that high, that with suitable coil dimensions, the lateral forces are much higher than in the Mean 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.In a combination of the guide magnets described here with hybrid magnets for Carrying force generation may be assumed that for z-shifts in the latter additional restoring forces are developed, which are positive to the force components of the Add guiding magnets.

Fig. 3 zeigt ein Feldbild, das die Aufteilung von Permanentmagneten P und ferromagnetischen Lamellen Fe in den Polbereichen von MP darstellt. Der Verlauf der gerechneten Feldverteilung, dargestellt durch Feldlinien, zeigt die an den Flanken der Schienen wirksame Unsymmetrie. Der zwischen den Polbereichen MP und dem Joch T vorgesehene Spalt dient der Begrenzung der Felddichten, die durch den unteren Randwirbel von MP erzeugt werden. Im Spulenbereich SP' ist zur Reduzierung der Streufeldbelastung ein dünner Kompensationsmagnet KM zu erkennen. Fig. 3 is a field diagram illustrating the division of permanent magnets P and ferromagnetic fins Fe in the pole regions of MP. The course of the calculated field distribution, represented by field lines, shows the asymmetry acting on the flanks of the rails. The gap provided between the pole regions MP and the yoke T serves to limit the field densities generated by the lower edge vortex of MP. In the coil area SP ', a thin compensation magnet KM can be seen to reduce the stray field load.

Fig. 4 stellt einen doppelseitigen Magnetkreis MF dar, dessen Kopplung mit einem Schienenpaar 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 Schwebemagnete wird für diese der obere Luftspalt kleiner als der untere Spalt angesetzt. Nur für die Absenkposition (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 Verlagerung wieder rückgängig gemacht. Fig. 4 illustrates 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 achieve the use of both coil sides SP 'and SP "(in the magnetizing respect), a middle yoke T is required for the guidance of the magnetic flux, which is correspondingly reinforced in. As with the one-sided magnetic action according to the arrangement, FIG a magnet according to Fig. 4, the exciter arrangement rigidly connected to the suspension assembly (in transverse direction) to be connected. for optimal production of the tangential force to an at least approximately equally large gap length is recommended on both sides for the support force generation by the levitation magnets, the upper air gap is less than the lower of these. Only for the lowering position (in the case of vehicle standstill) the lower gap is reduced and its size is mechanically limited, so that the requirement for the lateral force magnet is that it should be displaced by a separate adjusting device in case of lowering of the levitation magnets in the sense of air gap symmetry we d. Only during the lifting process, this shift is reversed again.

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 by the invention described a very high and substantially the coil current proportional lateral force can be generated, the guide method is particularly suitable for Combination with load-optimized hovering magnets of the hybrid type. Rails instead, whose dimensioning essentially by the load capacity requirements is determined. It should be emphasized that hereby adjustable forces of 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 with no special measures are intrinsically stable and develop restoring forces at offset. However, enough large leaders at to develop small deflections or without deflections, are the ones described here Guide magnets indispensable.

Es kann davon ausgegangen werden, daß durch diese Querkraftmagnete 20 bis 25% der Fahrzeuglängen zu belegen sind, während der größte Anteil den tragkrafterzeugenden Magneten vorbehalten bleibt.It can be assumed that these lateral force magnets 20 to 25% of Vehicle lengths are to occupy, while the largest proportion of the load-generating Magnet reserved.

Verhältnismäßig hohe seitliche Führkräfte werden dann gefordert, wenn aus Kostengründen oder im Zusammenhang mit der Ausführung starrer Weichen (ohne bewegliche Teile) Fahrbahnen ohne Kurvenüberhöhung gewählt werden. Bei letzteren entsteht zusätzlich die Forderung, daß die magnetische Führfunktion bei Weicheneinfahrt auch gleichzeitig im Sinne der Kurveneinleitung die Steuerfähigkeit erbringt. Auch dies ist bei einer entsprechenden doppelseitigen Ausführung (zwei Erregerteile mit zugehörigen Schienen seitlich nebeneinander) auf der Basis der beschriebenen Seitenführung machbar.Relatively high lateral maneuvers are required, if for cost reasons or in connection with the execution of rigid points (without moving parts) Lanes are selected without curve elevation. In the latter case additionally arises Demand that the magnetic guiding function at points entrance also at the same time in the sense the turn initiation provides the steering ability. Again, this is at a corresponding double-sided design (two exciter parts with associated rails at the side side by side) on the basis of the described lateral guide feasible.

Claims

1. Arrangement for non-contact generation of transverse magnetic forces for the guidance of a floating vehicle, wherein the Tragkrafterzeugung (R) on the same rail by levitation magnets and the transverse forces (F _z ) by superposition of a permanent magnet (P) generated field vortex in the pole region with the field live coil (SP ', SP ") arise and permanent magnet and coil are arranged in the vehicle-mounted part of the magnetic circuit.

2. Arrangement for generating transverse magnetic forces according to claim 1, characterized in that in the pole region of the exciter assembly (MP), the magnetic conductivity in the supporting direction (y) is determined by ferromagnetic material between the permanent magnets and the width of the exciter poles (b _m ) greater than the width of the poles (b _r ) of the rail and the length of the Polansatz (l _m ) is also greater than the width of the poles (b _r ).

3. Arrangement for generating transverse magnetic forces according to claim 1 or 2, characterized in that About double arrangements of the rails (R1, R2) a two-sided magnetic circuit with four Exciter arrangements (MP) is used, the latter of a middle yoke (T) is connected and additionally excited by a coil having the coil sides (SP ', SP ").

4. Arrangement for generating transverse magnetic forces according to claim 3, characterized in that an additional adjustment of the air gap position of a transverse force generating magnet is applied to a levitation force generating magnet used in the Lowering takes effect.

5. Arrangement for generating magnetic transverse forces according to one of the claims 1-4 characterized in that the exciter units are dimensioned so powerful that the track with only small curve swell or without such can be performed.

6. Arrangement for generating magnetic transverse forces according to one of the claims 1-4 characterized in that a combination of the lateral force generating units with tilting technology Vehicle superstructures takes place.