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Für den Betrieb
eines kombinierten Trag-Vortriebssystems auf der Grundlage der magnetischen
Feldwirkung bestehen mehrere Grundvoraussetzungen. Sie beziehen
sich auf den sicheren Betrieb, d. h. die Beachtung von Vorkehrungen
auch in Extremsituationen, und verlangen darüber hinaus die Einhaltung von
Komfortbedingungen, insbesondere bei Einsatz im Personenverkehr.
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Da
elektrische und elektronische Geräte und Einrichtungen nicht
fehlerlos arbeiten, wird hierbei in aller Regel eine Systemredundanz
vorausgesetzt und als Mittel einer Fehlerbeschränkung herangezogen. Durch eine
reichliche Auslegung der Systemkomponenten wird bei Auftreten eines
Fehlers an einem oder nur wenigen von vielen Geräten eine Systembeeinträchtigung
vermieden. Zusätzlich
wird die Fehlerhäufigkeit
dadurch beschränkt,
dass die einzelnen Geräte
eine hohe Mindestbetriebsdauer nachzuweisen haben. Letzteres hängt, außer von
der Herstellungsqualität,
vom Komplexheitsgrad des Gerätes
ab. Es ist bekannt, dass bei, elektronischen Geräten die Zahl der Einzelbauteile,
etwa die Zahl der verwendeten Transistoren, in typischer Weise die Mindestbetriebsdauer
bestimmen. So ist z. B. einleuchtend, dass elektronische Steller,
die zur Strombeeinflussung über
einen Ausgang für
nur eine Stromrichtung verfügen,
also z. B. ein 2Q-Steller, halb so komplex sind wie Geräte mit einem
Ausgang für
zwei Stromrichtungen, die als 4Q-Steller bezeichnet werden. Entsprechend
verhält
sich auch die statistisch zu erwartende Mindestbetriebsdauer. Letztere
wird auch als die MTBF-Zeiten bezeichnet.
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Es
wird ersichtlich, dass aus Gründen
der Wartungsbeschränkung
den Systemen mit einfacherer Geräteausstattung
ein Vorzug eingeräumt
wird. Dies ist z. B. ein Grund, weshalb beim gegebenen Stand der
Technik der auf Basis der elektrisch erregten Trag-Vortriebsmagneten
beruhenden Systemvariante vor einer permanenterregten Variante der
Vorzug gegeben wird. Bei letzterer ist bekannt, dass trotz des offensichtlichen
Vorteils der Erregung durch Permanentmagneten wegen der aufwendigen
Feldstelltechnik der Weg zur Anwendung verschlossen bleibt. Im Falle
der elektrisch erregten Magneten lässt sich die Feldstellung durch
2Q-Steller bewirken, während im
Falle der Permanentmagneten der Strom in zwei Richtungen mit Hilfe
von 4Q-Stellern verändert
werden muss. Bekannt ist, dass die im Mittel zur Erzeugung der magnetischen
Felder erforderliche Leistung je Tonne Fahrzeuggewicht zwischen
1,5 bis 2 kW liegt. Dank einer nur zur Stellung einer Stromrichtung benötigten Elektronik
werden MTBF-Zeiten von 10–20·103 h erwartet. Wichtig ist dabei, dass der
Ausfall der Elektronik über
den Abschaltvorgang des Stromes zu einem Tragkraftschwund, d. h.
zum Absenken des Magnets, weg von der Fahrbahn führt. Die befürchtete
magnetkraftbedingte Schienenberührung
wird so vermieden.
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Es
besteht allerdings kein Zweifel, dass das bestehende Erregerkonzept
auf der Basis der Stromerregung nicht die Grenze der systemoptimalen Tragtechnik
sein kann. Durch die Wicklungsverluste der Magneten wird eine sehr
aufwendige Stromversorgung an Bord der Fahrzeuge erforderlich. Sie
basiert auf einer in den Magneten selbst untergebrachten Generatorkomponente,
die dabei ihrerseits die Wirksamkeit der Magnete einschränkt sowie
auf einer Energiepufferung durch die Bordbatterie. Der Gewichtsanteil
dieser Einrichtungen stellt eine unerfreuliche Nebenwirkung für die Antriebsauslegung
und die Leistungsaufnahme der Fahrzeuge dar.
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Die
Vermeidung der aufwendigen Leistungsbereitstellung für die Tragtechnik
gelingt auf der Grundlage von Permanentmagneten. In Kombination mit
einer aufwandsarmen Stelltechnik für den von ihnen erzeugten Magnetfluss
kann eine deutlich effizientere Systemlösung entstehen. Die Erregerstärke der
Permanentmagnete kann dazu dienen, dass die magnetischen Tragkräfte auch
an einem deutlich vergrößerten Spalt
gegenüber
der Tragschiene erzeugt werden. Durch den größeren Spalt wäre das System nicht
in gleicher Weise an sehr enge Genauigkeitsförderungen für die Verlegung der Fahrbahn
gebunden. Eine deutliche Kostensenkung für die Fahrbahntrasse stünde in Aussicht.
Es sollte darüber
hinaus möglich
sein, durch abgesenkte Erregerleistung und Einschränkung des
Bereitstellungsaufwands zu leichteren Fahrzeugen zu kommen. Die
erforderliche Bordleistung ließe
sich über
eine induktive Einkopplung, unabhängig von den Erregermagneten,
gestalten. Bereits in früheren
Patenten, wie z. B. in
DE
27 31 818 A1 wurden Lösungsvorschläge für die Anwendung
von Permanentmagneten in der magnetischen Tragtechnik gemacht. Für die Steuerwicklung
wurde dabei nach Bild I die Anordnung in der Pollücke am Luftspalt
gewählt.
Dies trägt ersichtlich
dazu bei, dass die Polbreite eingeschnürt wird. Um ausreichend hohe
Sammelfaktoren zu verwirklichen, wird im Pol eine Art Doppel-V-Geometrie
zur Anordnung der Permanentmagnete gewählt. Dies wiederum verkleinert
die Feldaustrittsfläche
zusätzlich.
Es werden so mit anderen Worten suboptimale Verhältnisse für den Feldaustritt am Luftspalt
herbeigeführt
und die Erzeugung einer kleinen mittleren Kraftdichte begünstigt. Ähnliches
zeigt sich auch im Falle der Magnetgeometrie nach Bild 2.
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In
der
DE 29 25 867 A1 wird
gezeigt, wie durch Einsatz einer kombiniert longitudinal/transversalen
Geometrie der Tragmagneten in Verbindung mit einer in Längsrichtung
verlaufenden Steuerwicklung das Problem der stellbaren Magnetkraft
bei hauptsächlicher
Erregung durch Permanentmagnete gelöst werden kann. Es wird durch
die Bilder 2, 3, aber auch 4 erkennbar, dass es bei der vorliegenden Magnetform
schwer fällt,
einen Sammelfaktor größer als
1,5÷2,0
zu verwirklichen. Durch die Aufspaltung jedes zweiten Pols entsteht
im Kopfbereich der Magnete ein großer Streufeldanteil. Die Ausführung hoher
Felddichten, insbesondere bei großem Luftspalt, wird dadurch
sehr erschwert. Für
hohe Felddichten und großen
Luftspalt ist diese Anordnung durch ihren hohen Leistungsbedarf
nicht geeignet.
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Ähnlich zeigt
sich auch für
die in
DE 1 793 796
U beschriebene Anordnung durch die vorgesehene direkte
Flussüberlagerung
bei einem Lasthebemagnet eine ungünstige Voraussetzung für die Erzeugung
einer kleinen Steuerleistung. Die elektrisch erzeugte Feldkomponente
findet auf ihrem Überlagerungspfad, über den
Permanentmagneten hinweg, einen verhältnismäßig hohen magnetsichen Widerstand.
Ein großer
Erregerstrom ist somit zur Erzeugung einer größeren Feldänderung erforderlich.
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Für den hier
beschrittenen Lösungsweg
soll deshalb die Flussüberlagerung
in anderer Form vorgenommen werden, so dass mit kleineren Erregerleistungen
gearbeitet werden kann.
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Mit
der durch
JP 2004
07 29 78 A beschriebenen Magnetkreisanordnung für einen
Drehstrom-Elektromotor
mit Erregung durch Permanentmagnete im Rotor werden örtlich verschiebbare
Zusatzerregungszentren beschrieben, die das Erregerfeld beeinflussbar
machen. Der in
9 (und zugehörigem Text)
dargestellte Lösungsvorschlag
sieht eine verschiebbare zusätzliche
mit Gleichstrom versorgte mehrpolige Erregerzusatzanordnung vor.
Sie kann je nach Stellung das benachbarte Feld der Permanentmagnete
durch Überlagerung
verstärken oder
schwächen.
Zweckentsprechend sollen sich die beiden Feldkomponenten gemeinsam über den Luftspalt
und über
die Statorwicklung schließen.
Die Flussüberlagerung
sieht sich damit einem verhältnismäßig hohen
magnetischen Widerstand gegenüber, so
dass auch in der Zusatzwicklung ein hoher Strombedarf entsteht.
Er ergibt sich selbst für
die hier vorgesehene Maschinenanwendung mit begrenzter Luftspaltlänge als
hoch. Zum Einsatz für
Tragmagneten, die an einem ungleich größeren Luftspalt arbeiten, ist
die angeführte Überlagerungsmethode
aus Leistungsgründen
und mit Blick auf den Bedarf an zusätzlicher Masse nicht geeignet.
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Der
durch die Fahrzeuganwendung bestimmten Effizienzforderung in Verbindung
mit der notwendigen Massenbeschränkung
wird durch die Anwendung von Permanentmagneten zur Felderregung
in leistungsloser Form besonders gut entsprochen. Allerdings ist
der Aufwand für
die Verwirklichung der Stellbarkeit im Allgemeinen groß. Ihm kann
durch den Einsatz einer Zusatzwicklung in versenkter Form grundsätzlich gut
entsprochen werden. Damit erweist sich der Einsatz eines Verfahrens,
wie z. B. in
DE 41
39 843 C2 beschrieben, bei dem es sich um eine Streuflussbeeinflussungstechnik
handelt, als weniger zweckmäßig. Ihre
Wirksamkeit ist, da sie nur eine Teilkomponente des Flusses betrifft -der
sich im vorliegenden Fall als verhältnismäßig gering erweist- nicht für die Erschließung eines
großen Stellbereichs
geeignet.
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Als
ebenfalls weniger geeignet muss auch die in
US 6 750 628 B2 beschriebene
Variante sowohl hinsichtlich der Anordnung der Permanentmagnete
als auch bezüglich
der gewählten
Wicklung angesehen werden. Die Kombination einer Zusatzwicklung
mit einer am Luftspalt liegenden Flachmagnetanordnung bedingt wegen
der notwendigen großen Magnetdicke
eine hohe Stelldurchflutung der Wicklung. Deren Anordnung in Form
einer toroidalen Spule ist unzweckmäßig. Letztere erfordert zusätzliches Wicklungsmaterial
und produziert einen nennenswerten Streufluss. Dieser wirkt sich
induktivitätsvergrößernd aus
und belastet die Stellkreisauslegung der Elektronik.
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Es
besteht demnach die erfindungsgemäße Aufgabe darin, das Erregersystem
für magnetisch getragene
Fahrzeuge mit der Möglichkeit
des in der Tragschiene integrierten Antriebs so umzugestalten, dass
die Hauptkomponente des magnetischen Feldes durch Permanentmagnete
in streufeldarmer und durch einen erhöhten Sammelfaktor gekennzeichnete
Ausführung
erzeugt wird, und die zur Feldbeeinflussung erforderliche Stromeinwirkung
in verlustarmer Ausführung
möglichst
so erfolgt, dass nur Ströme
einer Richtung benötigt
werden und bei Geräteausfall
eine Schienenberührung
durch den Magneten vermieden wird.
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Beschreibung
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1 zeigt
einen aus Primärteil
PT, einer Langstator-Wicklungsanordnung LW und dem Erregerteil ET
mit einer permanenterregten Magnetanordnung bestehenden Synchronantrieb,
der auch die Steuerwicklungen W1/W2 enthält und zusätzlich Tragaufgaben übernehmen
soll.
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Eine
so gestaltete Magnetanordnung weist gegenüber der elektrisch erregten
Variante bereits mehrere Vorteile auf, obgleich sie durch die Anordnung
der Wicklung am Luftspalt dort die feldführende Zone und damit den Bereich
der Kraftbildung einschränkt.
Sie ist nicht als voll optimal anzusehen.
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Die
Heranziehung der V-förmigen
Sammleranordnung der Permanentmagnete M, mit lm > τ/2, ermöglicht jedoch gegenüber einer
Flachmagnetanordnung die Erzeugung hoher Felddichten im Luftspaltbereich
von Polen Ep und führt
zu hohen spezifischen Tragkräften,
so dass bei gleicher Gesamtkraft verhältnismäßig geringe Massen der Traganordnung möglich werden.
Die Tragkraftstabilisierung erfolgt durch Überlagerung einer von der Steuerwicklung W1
erzeugten zusätzlichen
stromabhängigen
Feldkomponente, die sich je nach Stromrichtung als Zusatz- oder
Gegenerregung zum Feld der Permanentmagnete M überlagert.
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Im
Falle einer reinen Tragmagnetanordnung entfällt die in 1 im
Bauteil PT (Tragschiene) gezeichnete Wechselstromwicklung LW.
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Im
Vergleich zur Flachmagnetanordnung entsteht der Vorteil eines geringeren
Aussteuerbereichs für
die Steuerwicklung W1. Geht man nämlich davon aus, dass eine
Maximalaussteuerung entsprechend der Permanentmagnet-Durchflutung Θm erforderlich ist, so kann für die Sammleranordnung,
deren Magnetdicke hm geringer als jene der
Flachanordnung gewählt
wird, die Aussteuerleistung entsprechend kleiner gewählt werden.
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Nachteilig
erscheint nach bisheriger Technik, dass trotz der möglichen
Beschränkung
der Auslegungsleistung 4Q-Steller einzusetzen sind und dass sich, ähnlich wie
beim rein elektrisch erregten Magnetfeld, Schwierigkeiten bei großen mittleren
Spalten und bei hoher Fahrgeschwindigkeit für die Gesamtauslegung ergeben.
Aus Sicht eines berührungsfreien
Schwebens wird als erforderlich gehalten, dass bei Ausfall der Leistungselektronik
oder Schaden an der Wicklung W1 eine Ersatz-Stellanordnung mit Steuerwicklung
W2 eingesetzt werden kann. Diese Forderung zieht eine entsprechende
Magnetkreisvergrößerung und
eine Ausstattungszunahme nach sich, sh. 1.
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Es
kann als nachteilig angesehen werden, dass die Steuerwicklung W2
ebenfalls einen hohen Platzbedarf erfordert, da sie, wie die Steuerwicklung W1,
für den
gleichen Maximalstrom auszulegen ist.
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Elektrische Entregung mit
einfacher Schaltung
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Die 2a und 2b zeigen
eine Magnetkreisanordnung, bei der gegenüber 1 die Steuerwicklung
W2 mit einem Abstand von etwa der halben Jochhöhe gegenüber W1 innerhalb der magnetisch leitfähigen Struktur
(Joch) in einer eigenen Aussparung von Ek eingelegt oder „versenkt” ist. Im
stromlosen Zustand von W2 ergeben sich für die Flussführung gegenüber der
Anordnung 1 keine nennenswerten Änderungen,
sh. 2a. Es kann angenommen werden, dass dieser Erregerzustand
der erwünschten
Normalkraft bei Nennspalt entspricht.
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Wie 2b andeutet,
ist im Entregungsfall, ohne Strom in W1 und Gegenerregung in W2,
das obere Jochteil mit der Stärke
hj1 von den Feldkomponenten beider Erregungen,
jener der Permanentmagnete M und derjenigen der Steuerwicklung W2, durchsetzt
und geht in die Sättigung.
Die damit verbundene Erhöhung
des magnetischen Widerstands erhöht
die Wirksamkeit von W2, so dass näherungsweise eine elektrische
Durchflutung der Größe von –Θm zur vollständigen Entmagnetisierung des Luftspaltes
führt.
Berücksichtigt
man, dass durch die Verlagerung von W2 in das Jochteil die Raumanforderung
für die
offene Nut (Poleinschnürstelle)
mit W1 sich nun verringert, so lassen sich hierdurch größere Polbreiten
bp ausführen,
die je Polteilung eine größere Tragkraft
ermöglichen.
Wird W2 nur als Entregungswicklung eingesetzt, so kann diese mit
einem einfachen EIN-/AUS-Schalters bzw. 2Q-Steller mit geringerem
Aufwand betrieben werden. Der Tragmagnet wird bei Wicklungsausfall
von W1 durch die von W2 bewirkte Entregung annähernd mit Tragkraft 0 in eine
sichere Position mit großem
Schienenabstand gefahren.
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Es
kann weiter festgestellt werden, dass bereits mit einer sehr viel
kleineren elektrischen Durchflutung als dem Wert Θm, eine nennenswerte Feldschwächung zu
erzielen ist. Bereits mit Restkräften, die
etwa der halben Magnetdurchflutung entsprechen, lässt sich
die für
den sicheren Zustand wichtige Rückstellung
des Magneten erzielen. Da die Steuerwicklung W2 den blockierenden
Zusatzfluss im Abschnitt hj1 nicht über den
Luftspalt zu erregen hat, reicht zur Blockade bereits eine deutlich
kleinere Zusatzerregung aus. Somit entsteht ein Auslegungsvorteil
für die
Steuerwicklung W2, die folglich auch mit einer kleineren Leistung
betrieben werden kann.
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Betrieb mit 2Q-Steller
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Eine
günstige
Einsatzvariante der beiden Steuerwicklungen W1 und W2 wird mit dem
Diagramm von 3 erkennbar. Die dafür zweckmäßige Auslegung
des Magnetkreises und der Geräte
der Leistungselektronik ergibt sich mit einer Aufgabentrennung beider
Steuerwicklungen derart, dass W1 nur zur Auferregung und W2 zur
Aberregung eingesetzt wird. Für
beide Wicklungen kann damit die Strombereitstellung jeweils über einen
2Q-Steller erfolgen. Aufgrund einer einfacheren Schaltungstopologie
weisen 2Q-Steller eine geringere Fehlerwahrscheinlichkeit; also
höhere
MTBF-Zeiten auf, als 4Q-Steller. Durch die Funktionsaufspaltung
werden die Einsatzzeiten etwa halbiert, so dass sich unter Berücksichtigung
der kleineren Betriebszeiten statistisch deutlich unwahrscheinlichere
Ausfallereignisse abzeichnen.
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3 zeigt
eine Aufteilung der elektrischen Zusatzerregungen für Luftspaltänderungen
bis zu 100% gegenüber
dem Nennspalt δn·FΛ0(δ) ist die Kennlinie
des ungeregelten Tragmagneten, die für δ = 0 etwa den fünffachen
Tragnennwert erzeugt und beim doppelten Nennspalt etwas weniger
als die Hälfte
dieses Wertes annimmt.
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Will
man FA1 über
dieser Luftspaltskala konstant halten, so sind die Zusatzdurchflutungen Θe1 bzw. Θz1 erforderlich, die an den Endpunkten etwas mehr
als den Wert 0,5 Θm annehmen.
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Zur
Erzeugung einer den dynamischen Verhältnissen des Schwebevorgangs
entsprechenden Kraft-Weg-Charakteristik, etwa nach der Kennlinie FA2(δ),
sind jedoch höhere
Durchflutungen notwendig. Sie entsprechen den Verläufen von Θe2 und Θz2, die dann Endwerte bei rund 1 Θm annehmen.
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Um
im Sinne höherer
Verfügbarkeit
der Entregungsschaltung von W2 weitere Verbesserungen zu erzielen,
kann der Trennbereich zwischen W1 und W2 zu kleineren mittleren
Luftspalten hin verlagert werden. Θe übernimmt
damit einen größeren Teil
des Betriebs, auch unterhalb der Nenntragkraft. Hierdurch wird ein
kleinerer Teil dieser Kraft bereits über elektrische Ströme erzeugt,
während
der Einsatz der Entregungswicklung W2 erst bei seltener auftretenden
Spalterweiterungen notwendig wird.
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Dem
Sicherheitsgedanken der mit hoher Wahrscheinlichkeit zu vermeidenden
Berührung
der Luftspaltgegenseite ist hierdurch weitergehend Rechnung getragen.
Gleichzeitig kommt durch die gewählte
Magnetanordnung eine hohe spezifische Tragkraft zur Wirkung, und
die erforderliche elektrische Leistung, auch die Geräteleistung,
kann reduziert werden.
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Zu
einer weiteren Steigerung der positiven Merkmale und auch einer
Konzeptvereinfachung führt
die Konfiguration nach 2c. Hier wird davon ausgegangen,
dass durch vergrößerte Abmessungen
der Magnete M auch bei größerem Luftspalt δa eine
hohe Felddichte erzeugt werden kann. Es steht somit für den Hauptarbeitsbereich
ein gewisser Kraftüberschuss
zur Verfügung.
Die Felddichte ist groß genug,
um z. B. die Kraftanforderungen der rechten Seite im Diagramm 3 abzudecken.
Auf die Wicklung W1 wird verzeichnet. Mit Hilfe der Wicklung W2
und einer zweckmäßigen Wahl
der entstehenden Teiljochhöhen
hj1 gelingt es, die jeweils zur Tragkraftstabilisierung
aufzuschaltenden Erregerdurchflutungen Θe2 gleicher
Stromrichtung über
einen 2Q-Steller ST und den Regler R bereitzustellen. Um auch bei
Stellerausfall eine sichere Entregung zu ermöglichen, kann das Stromnetz über den
Schalter Sn und einen Begrenzungswiderstand die Wicklung mit einem
definierten Strom versorgen. Er wird nach Absenken des Magneten
nicht mehr benötigt
und kann durch Öffnen
des Schalters wieder auf Null gestellt werden.
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Nimmt
man zur Erläuterung
der Funktion der Magnetentregung an, dass in der Steuerwicklung
W2 eine gleichgroße
Durchflutung wirkt wie in den Magneten M, so würden sich im Jochteil hj2 die beiden gegenläufigen Flussanteile gerade
aufheben. In hj1 kommt es durch die von
den gleichgroßen
Durchflutungen erzeugten Feldkomponenten zu einer Überschreitung
der Sättigungsgrenze
des leitfähigen
Materials. Sie liegt im Falle von Eisen z. B. bei 1,9 T. Da beide
Erregeranteile gleich stark sind, kann angenommen werden, dass die
Hälfte
des vorhandenen Flusses in hj1 der durch
den Luftspalt verlaufenden Komponente zukommt. Durch die Wahl der
Abmessungen der beiden Jochhöhen
und ihr Verhältnis
zur Polbreite ergibt sich die Möglichkeit,
die Größe des Restflussanteils
für den
Entregungsfall festzulegen. Es ist ersichtlich, dass auch größere oder
kleinere Erregerdurchflutungen der Steuerwicklung W2 Einfluss auf
die erzielbaren Daten haben.
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Besonders
in dieser mit 2c beschriebenen Entwurfsvariante
kommen die Vorteile der nicht am Luftspalt angelegten Wicklung für die Zusatzdurchflutung
gut zur Wirkung. Es werden günstige Auslegungsbedingungen
für große Sammelfaktoren der
Permanentmagnete ermöglicht.
Der Streufeldanteil ist bei V-förmiger
Anordnung sehr gering. Die Felddichte im Luftspalt lässt sich
somit steigern. Durch die versenkte Anordnung der Steuerwicklung W2
verringert sich der notwendige Maximalwert der Zusatzdurchflutung
und mit ihm die erforderliche Erregerleistung. Die versenkte Wicklung
ermöglicht den
direkten Eingriff in den magnetischen Hauptfluss ohne Streufeldanteil
der Spule. Die Verwirklichung des großen Stellbereichs gelingt daher
mit minimaler Leistung und sehr begrenzter Induktivität.