DE102011011810A1

DE102011011810A1 - Electromagnetic abeyance concept for contactless generation of magnetic supporting force, guiding force, and drive force, comprises track, on whose both sides rails are arranged to generate field effects lower side in air gap of magnets

Info

Publication number: DE102011011810A1
Application number: DE102011011810A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-02-19
Filing date: 2011-02-19
Publication date: 2012-08-23

Abstract

The electromagnetic abeyance concept comprises a track, on whose both sides rails (S1,S2) are arranged to generate field effects lower side in an air gap of serial magnets (M1,M2) arranged in the vehicle (FZ) holding as constant as possible. The rails comprise magnetically highly conductive steel plates and each side forms two rectangular rail bodies for generation of force components. The rail bodies at the horizontal support portions of the rail carrier (T) are fixed to the track.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die elektromagnetische Schwebetechnik bringt in vertikaler Richtung für das Fahrzeug nach oben zeigende Tragkräfte zur Wirkung. Sie werden üblicherweise von Magneten, deren Spulen Gleichströme führen, aufgebracht, wobei in Abhängigkeit von der Spaltgröße und dessen Änderungstendenz die Größe des Stromes geregelt wird. Der Nennluftspalt hängt in seiner Größe von der Leistungsfähigkeit der Magneten und der Genauigkeit der Schienenverlegung und damit der Qualität des Fahrweges ab. Bei bekannten Prototypen für Hochgeschwindigkeitsverkehr liegt die Spaltgröße bei knapp 1 cm. Die dazu aufzuwendende Tragleistung liegt zwischen 1 bis 2 kW/t; sie steigt mit zunehmender Geschwindigkeit. Dies gilt auch für den Fall, dass an der Tragschiene zusätzlich zu den Tragkräften die Vortriebskräfte durch Wechselwirkung zwischen einer Reihe von Magnetpolen im Fahrzeug und einer Wechselströme führenden Wicklung in der Schiene erzeugt werden. Für die Stabilisierung des Fahrzeugs in seitlicher Richtung gegenüber äußeren Kräften wird je Fahrzeugseite eine zusätzliche Magnetkraftwirkung zwischen Magneten im Fahrzeug und einer massiven Schiene aus Stahl herangezogen, die gegenüber der Traganordnung um 90° geschwenkt ist. Auch hier handelt es sich um spaltgeregelte gleichstromerregte Magneten, deren Energieverbrauch sich zu jenem der Tragmagneten addiert.The electromagnetic levitation brings in the vertical direction for the vehicle upward-facing load bearing effect. They are usually applied by magnets whose coils carry direct currents, wherein the size of the current is regulated as a function of the gap size and its change tendency. The nominal air gap depends in its size on the performance of the magnets and the accuracy of the rail installation and thus the quality of the track. In known prototypes for high-speed traffic, the gap size is just under 1 cm. The required load capacity is between 1 and 2 kW / t; it increases with increasing speed. This also applies to the case that the propulsion forces are generated on the support rail in addition to the load forces by interaction between a number of magnetic poles in the vehicle and an alternating currents leading winding in the rail. For the stabilization of the vehicle in the lateral direction against external forces an additional magnetic force effect between magnets in the vehicle and a solid rail made of steel is used per vehicle side, which is pivoted relative to the support assembly by 90 °. Again, these are gap-controlled DC-excited magnets whose energy consumption adds to that of the supporting magnets.

Im Vergleich zur Tragtechnik der klassischen Rad-Schiene-Technik mit Stahlschienen und Spurkranz-Stahlrad ist die Trag-Führtopologie der Magnetschwebetechnik nun deutlich komplizierter. Nicht zuletzt durch die geometrisch separierte Führtechnik besteht keine Hoffnung eine verzweigungsfreundliche, im Hinblick auf die Ausführung von Weichen aufwandsarme Fahrbahnlösung zu finden. Vorteilhaft erscheint hingegen, dass der Leistungsbedarf für die Stütz- und Führfunktion begrenzt ist und die Verschleiß behaftete Übertragung von Normal- und Tangentialkräften überwunden ist.Compared to the suspension technology of the classical wheel-rail technology with steel rails and wheel flange steel wheel, the supporting topology of magnetic levitation technology is now much more complicated. Not least due to the geometrically separated guidance technology, there is no hope of finding a junction-friendly roadway solution with a view to the execution of turnouts. On the other hand, it appears advantageous that the power requirement for the support and guidance function is limited and the wear-laden transmission of normal and tangential forces is overcome.

Um den hohen Genauigkeitsanforderungen für die Fahrbahn auszuweichen, wurden verschiedene Entwicklungsschritte empfohlen. Es wurde z. B. in der Zeitschrift eb/Elektrische Bahnen empfohlen, die Tragkräfte als Tangentialkräfte an den seitlichen Flächen der Schienen eigenstabil, also ohne Regelung, zu erzeugen und dafür die Führkräfte in der Querrichtung als Differenzkraft der in dieser Ebene wirkenden Magneten zu regeln. Auch die Vortriebskraft für Lang- oder Kurzstatorantrieb könnte dann an den vertikalen Schienenseiten aufgebracht werden. Wie zu erkennen ist, bedeutet ein solches Konzept zwar in vertikaler Richtung eine sehr weitgehende Befreiung vom Auslegungszwang durch die tragtechnischen Zusammenhänge in Verbindung mit der Fahrbahngeometrie; weniger erfreulich ist der Umstand, dass nun eine geometrische Umschließung der Schiene durch die Fahrzeugmagneten erfolgt, die auch einen Zwang zur Einhaltung eines begrenzten seitlichen Luftspaltes bedingt.In order to avoid the high accuracy requirements for the road, various development steps were recommended. It was z. B. in the magazine eb / electric railways recommended to generate the bearing forces as tangential forces on the lateral surfaces of the rails intrinsically stable, ie without regulation, and to regulate the guiding forces in the transverse direction as a differential force acting in this plane magnets. The propulsive force for long or short stator drive could then be applied to the vertical rail sides. As can be seen, such a concept, although in the vertical direction a very extensive exemption from interpretation compulsion by the Tragtechnischen relationships in connection with the road geometry; less pleasing is the fact that now a geometric enclosure of the rail by the vehicle magnet is made, which also requires a compulsion to maintain a limited lateral air gap.

An der Schiene, die nun im Falle der Kurzstatortechnik auch elektrisch passiv sein kann, findet jetzt die Funktionsintegration statt. Sie ist allerdings im Vergleich zur Festkörper-Kraftübertragung bei der Rad-Schienetechnik noch um einiges komplexer. Erwähnt soll werden, dass sich die früheren Fahrzeug/Fahrweg-Topologien, die mit doppelseitigem Linearmotor ausgestattet waren, im Hinblick auf Verzweigungsfähigkeit ebenfalls als äußerst hinderlich erwiesen haben.On the rail, which can now also be electrically passive in the case of short-stator technology, functional integration now takes place. However, it is even more complex compared to solid-state power transmission in wheel rail technology. It should be noted that the earlier vehicle / guideway topologies equipped with double-sided linear motor have also proved to be extremely hindering in terms of branchability.

Unter Bahnfachleuten ist heute nicht mehr strittig, dass für schnelle Bahnen auch bis in den Bereich von Geschwindigkeiten von 500 km/h die Energieübertragung zum Fahrzeug technisch vergleichsweise sicher darstellbar ist. Es gilt auch als darstellbar, die Energieaufbereitung auf dem Fahrzeug mit begrenztem Gewicht durchführen zu können. Schließlich ist auch bekannt, dass mit verbesserten Linearmotorvarianten und deren begrenzter Masse die Vortriebs- und Bremskräfte vom Fahrzeug aus bereitgestellt werden können. Der Einsatz des aktiven Fahrwegs kann damit sehr weitgehend eingeschränkt und im Normalfall durch einen elektrisch und magnetisch passiven Fahrweg ersetzt werden.It is no longer disputed among railway experts that the transmission of energy to the vehicle can be represented relatively reliably for fast trains even up to speeds of 500 km / h. It is also considered feasible to carry out the energy treatment on the vehicle with limited weight. Finally, it is also known that with improved linear motor variants and their limited mass propulsion and braking forces can be provided from the vehicle. The use of the active infrastructure can thus be very largely limited and normally replaced by an electrically and magnetically passive infrastructure.

Auf der Grundlage des elektromagnetischen Trag-Führkonzeptes besteht weiter die aus der Schwebephysik stammende Bedingung, dass mindestens eine der beiden Kraftkomponenten zur Sicherstellung der vertikalen und horizontalen Stabilität geregelt sein muss. Die jeweils andere Komponente kann hingegen eigenstabil wirken. Wichtig erscheint dabei die Bedeutung einer weitgehenden Funktionsintegration an der Schiene oder einem nicht sehr weitläufigen Schienenverband. Mehrseitige Schienenumschließungen durch Magneten des Fahrzeugs sollten nicht in Anspruch genommen werden. Für die nun auch für den Motor passive Schiene ohne eingelegte Wicklung oder implantierte Permanentmagneten wird man zulassen dürfen, dass sie zur Unterdrückung von Wirbelströmen aus lamellierten Blechen aufgebaut ist und zur Erzeugung von Tangentialkräften in Längsrichtung am Spalt geometrisch konturiert und hierdurch mit einer örtlich veränderlichen Größe der magnetischen Leitfähigkeit ausgestattet wird. Schienen dieser Art sind gegenüber den aktiven Schienen für Langstatortechnik wesentlich kostengünstiger und ermöglichen einen deutlich flexibleren Zugbetrieb. Nicht zuletzt kommt eine solche Konzeptänderung auch dem Gesamtwirkungsgrad der Analge zugute. Schwebekonzepte für Nahverkehrs- und Schnellverkehrsanwendung lassen sich auf gleicher Grundlage aufbauen.On the basis of the electromagnetic carrying-guiding concept, there is also the condition deriving from levitation physics that at least one of the two force components must be regulated to ensure vertical and horizontal stability. The other component, on the other hand, can have an inherently stable effect. Important here is the importance of a far-reaching functional integration on the rail or a not very extensive rail association. Multi-sided rail enclosures by magnets of the vehicle should not be used. For the now passive motor for the motor without inserted winding or implanted permanent magnets, one must be allowed to suppress eddy currents from laminated sheets and to generate tangential forces in the longitudinal direction at the gap geometrically contoured and thereby with a locally variable size magnetic conductivity is equipped. Rails of this type are much cheaper than the active rails for Langstatortechnik and allow a much more flexible train operation. Last but not least, such a concept change also benefits the overall efficiency of the systems. Hover concepts for Local and high-speed traffic applications can be built on the same basis.

Somit besteht die erfindungsgemäße Aufgabe in der Beschreibung einer wirtschaftlich besonders günstigen Fahrzeug-Fahrweg-Geometrie auf der Grundlage der elektromagnetischen Trag- und Vortriebstechnik derart, dass die zur Stützung, Seitenführung und dem Vortrieb erforderlichen Kraftkomponenten von Magnetanordnungen des Fahrzeugs erzeugt und an elektrisch und magnetisch passiven Schienen so zur Wirkung gebracht werden, dass weder Schienen noch Fahrbahnanteile von der Magnetanordnung umschlossen werden und sich die an unterschiedlichen Schienen erzeugten Kraftkomponenten gegenseitig ergänzen. Es soll eine Aufteilung in Teilschienen mit vorzugsweise Trag-/Führkraftkomponenten und einer Schiene, an der Vortriebskräfte in Kombination mit den beiden anderen Komponenten entstehen, vorgenommen werden. Dabei wird eine enge Nachbarschaft mit gleicher Schienenunterkante angestrebt. Dort, wo keine Vortriebskräfte benötigt werden, kann die Vortriebsschiene entfallen.Thus, the object of the invention in the description of an economically particularly favorable vehicle-track geometry based on the electromagnetic support and propulsion technology such that the required for support, side guidance and propulsion force components generated by magnet assemblies of the vehicle and electrically and magnetically passive Rails are brought into effect so that neither rails nor roadway components are enclosed by the magnet assembly and complement each other the force components generated on different rails. It should be a division into sub-rails with preferably support / guiding force components and a rail on the propulsive forces in combination with the other two components, made. Here, a close neighborhood with the same lower rail edge is sought. Where no propulsive forces are needed, the propulsion rail can be omitted.

Da neben dem Minimum der Fahrwegausrüstungskosten auch eine masse- und leistungsarme Fahrzeugausrüstung entstehen soll, rückt für die Magnetanordnung deren Betrieb mit möglichst kleinem Stromvolumen in den Vordergrund. Die Leistungsbereitstellung für die Fahrzeuge wird dem Stand der Technik entsprechend sowohl durch kontaktbehaftete Stromübertragung als auch durch berührungsfreie, also induktive Übertragung nach Art eines geöffneten Magnetkreises mit gegenüber 50 Hz stark erhöhter Frequenz erfolgen.Since in addition to the minimum of Fahrwegausrüstungskosten also a low-mass and low-power vehicle equipment should arise, moves for the magnet assembly whose operation with the smallest possible volume of electricity in the foreground. The provision of power for the vehicles is carried out according to the prior art, both by contact-based power transmission as well as by non-contact, ie inductive transmission in the manner of an open magnetic circuit with respect to 50 Hz greatly increased frequency.

Im Folgenden wird anhand eines ausführlichen Textes und mehreren in den Text einbezogenen Zeichnungen die Lösung der Aufgabe beschrieben.In the following, the solution of the problem is described by means of a detailed text and several drawings included in the text.

Beschreibung von AusführungsbeispielenDescription of exemplary embodiments

Das Ziel einer umschließungsfreien elektromagnetischen Schwebe- und Vortriebstechnik ist durch Einsatz je einer passiven Schiene pro Fahrzeugseite in Wechselwirkung mit zwei Magnetanordnungen des Fahrzeuges, die durch Permanentmagneten und nur zum Teil durch stromführende Spulen erregt sind, grundsätzlich erreichbar.The goal of an enclosure-free electromagnetic levitation and propulsion technology is basically achievable by using one passive rail per vehicle side in interaction with two magnet arrangements of the vehicle, which are excited by permanent magnets and only partially by current-carrying coils.

1 zeigt eine Anordnung mit einem vereinfacht dargestellten Fahrzeug FZ und dem Fahrweg FW. In dieser etwas idealisierten Darstellung ist auf jeder Seite ein Paar wechselwirkender Komponenten gezeichnet. Sie bestehen aus den konturierten Schienen S links und S' rechts, die an den Schienenträgern T und T' befestigt sind. Getrennt durch die Luftspalte δ und δ' sind die Magneten M und M', die am Fahrzeugrahmen Fr Halt finden, gezeichnet. Das magnetische Feld wird in den Magneten M und M' erzeugt. Auf jeder Seite entstehen drei aufeinander senkrecht stehende Kraftkomponenten F in den Richtungen x, y und z, wie in 1 unten gezeichnet. Die nötige Energie wird über ein Energiezuführungssystem, das beispielhaft aus der Stromschiene Ss im Fahrweg FW und dem Übertragungselement Ez im Fahrzeug FZ besteht, zugeführt. Die Aufbereitung der Energie zum Einsatz in den Magneten erfolgt in einer ersten Stufe in dem Gerät EV, wo auch die Spannung an den Einsatz im Fahrzeug angepasst wird. Das stationäre Energiezuführungsteil wird bekanntlich zweckmäßig dann für höhere Spannung ausgelegt, wenn die Fahrzeuge hohe Leistungsanteile benötigen. Die Anpassung der Leistung an die örtlichen Gegebenheiten und den aktuellen Schwebezustand des Fahrzeuges erfolgt in weiteren Geräten Ea und Ea', wo Regelkreise nach erfolgter Sensormessung z. B. die Aussteuerungsgrößen, für die Ströme I und I' bestimmen. 1 shows an arrangement with a simplified illustrated vehicle FZ and the FW. In this somewhat idealized illustration, a pair of interacting components are drawn on each side. They consist of the contoured rails S left and S 'right, which are attached to the rail supports T and T'. Separated by the air gaps δ and δ 'are the magnets M and M', which are found on the vehicle frame Fr Halt, drawn. The magnetic field is generated in the magnets M and M '. On each side arise three mutually perpendicular force components F in the directions x, y and z, as in 1 drawn below. The necessary energy is supplied via an energy supply system, which consists, for example, of the busbar Ss in the travel path FW and the transmission element Ez in the vehicle FZ. The treatment of the energy for use in the magnet takes place in a first stage in the device EV, where the voltage is adapted to the use in the vehicle. The stationary power supply part is known to be designed appropriately for higher voltage when the vehicles require high power components. The adaptation of the power to the local conditions and the current state of limbo of the vehicle takes place in other devices Ea and Ea ', where control loops after sensor measurement z. As the modulation sizes, determine the currents I and I '.

Aufgesetzt auf den Rahmen Fr ist der Fahrzeugaufbau Fk zur Unterbringung der zu transportierenden Nutzlast. Die Kraftübertragung erfolgt normalerweise hier über Sekundärfedern Sf, die es ermöglichen, einen größeren Teil der vom Rahmen noch weiter geleiteten Schwingungen gegenüber der Nutzlast zu isolieren.Mounted on the frame Fr is the vehicle body Fk for accommodating the payload to be transported. The power transmission is normally here via secondary springs Sf, which make it possible to isolate a greater part of the still further guided by the frame vibrations against the payload.

Beim Vergleich der Größe der Kraftkomponenten, die durch das Gerätepaar Magnet/Schiene dargestellt werden, wird deutlich, dass für den tatsächlichen Einsatz weitere Veränderungen zweckmäßig erscheinen. Obgleich grundsätzlich möglich, ist es mit Blick auf die genannten Materialminimierungen für Schienen und Magneten deutlich günstiger je Seite mindestens eine Aufspaltung für Schiene und Magnet vorzunehmen.When comparing the size of the force components, which are represented by the pair of devices magnet / rail, it becomes clear that further changes seem appropriate for actual use. Although fundamentally possible, with regard to the mentioned material minimizations for rails and magnets, it is much more favorable to carry out at least one splitting for rail and magnet per side.

In der in 1 dargestellten Anordnung wird davon ausgegangen, dass die seitlichen Führkräfte F_z von den Magneten eigenstabil erzeugt werden. Diese Wirkung tritt bei eisenbehafteten Magnetkreisteilen auf, ist aber deutlich abhängig vom Verhältnis Luftspaltlänge zu Magnetbreite. Für schmale Schienen und Magneten werden im Vergleich zur Stützkraft verhältnismäßig große Kraftanteile möglich. Der Größtwert dieser Rückstellkraft wird etwa bei einer Verschiebelänge erreicht, die der Breite b der Anordnung entspricht. Für noch größere Verschiebelängen tritt eine rasche Abnahme der Rückstellkraft ein.In the in 1 The arrangement shown assumes that the lateral guide forces F _z are generated by the magnets intrinsically stable. This effect occurs in iron-bearing magnetic circuit parts, but is significantly dependent on the ratio of air gap length to magnetic width. For narrow rails and magnets relatively large force components are possible in comparison to the supporting force. The maximum value of this restoring force is achieved approximately at a displacement length corresponding to the width b of the arrangement. For even greater displacement lengths occurs a rapid decrease in the restoring force.

Die Physik des Schwebevorganges zeigt weiter, dass der Höchstwert der erzielbaren Rückstellkraft zwar mit der Tragkraft F_y steigt, dass aber der Proportionalitätsfaktor geometrieabhängig ist. Ohne Berücksichtigung von Sättigungszuständen im Eisen findet man zwischen der maximalen Rückstellkraft F_zmax und F_y näherungsweise den Zusammenhang F_zmyx/F_y = π/4 δ/b √γ; ·γ = 1 – 0,7√/δ/b. The physics of the hovering process further shows that the maximum value of the recoverable restoring force that can be achieved increases with the carrying capacity F _y , but that the proportionality factor is geometry-dependent. Without consideration of saturation _states in the iron, one finds approximately the relationship between the maximum restoring force F _zmax and F _y F _zmyx / F _y = π / 4 δ / b √γ; · Γ = 1 - 0.7√ / δ / b.

Offensichtlich ist für die Erzeugung einer verhältnismäßig hohen Rückstellkraft ein zu großes Verhältnis b/δ ungünstig. Die Tragkraft F_y einer Seite ergibt sich proportional der mittleren Energiedichte B²/2μ₀·√γ und proportional zu Schienenlänge und Schienenbreite. Obviously too high a ratio b / δ is unfavorable for the generation of a relatively high restoring force. The load capacity F _{y of} a side is proportional to the average energy density B ² / 2μ ₀ · √γ and proportional to rail length and rail width.

Wie bereits angedeutet, findet sich eine Lösung zur Erzielung verhältnismäßig hoher eigenstabil wirkender Kraftkomponenten im Vergleich zu der Stützkraft durch die Festlegung einer begrenzten Schienenbreite b.As already indicated, there is a solution to achieve relatively high self-stable acting force components in comparison to the supporting force by establishing a limited rail width b.

Neben diesem Hindernis weist die Anordnung nach 1 den Nachteil auf, dass die Stützkräfte von Magneten des Linearmotors erzeugt und geregelt werden müssen. Sie erreichen dadurch nur verhältnismäßig kleine Werte je Querschnittseinheit und leiden außerdem darunter, dass die mögliche Regelamplitude sehr klein und unzureichend ist.In addition to this obstacle, the arrangement shows 1 the disadvantage that the supporting forces of magnets of the linear motor must be generated and regulated. As a result, they achieve only relatively small values per unit of cross section and, in addition, suffer from the fact that the possible control amplitude is very small and insufficient.

In der Darstellung 2 ist die Aufteilung von Schienen und Magneten für eine Fahrzeugseite vorgenommen. Anstelle der Schiene der Breite b von 1 sind nun zwei Schienen S1 und S2 mit den zugehörigen Breiten b1 und b₂ je Seite gezeichnet. Sie stehen am Luftspalt δ den Magneten M1 und M2 gegenüber, die ihrerseits im Fahrzeugrahmen Fr befestigt sind. Die Funktionsintegration bezieht sich nun auf die aus zwei Elementen bestehenden Einheiten für Schiene und Magneten, wobei die Größe der Kraftkomponenten jeweils unterschiedlich sein kann. So ist z. B. in 2 angenommen, dass das Elementpaar S1/M1 größere Anteile für Stützung F_y und Seitenkraft F_z erzeugt, aber kein Beitrag F_x entsteht. Hingegen wird durch das Elementpaar S2/M2, das für den Linearmotor steht, die Erzeugung der Kraftkomponente F_x geleistet, während die Beiträge zur resultierenden Stütz- und Führkraft, also die Komponenten F_y und F_z verhältnismäßig gering sind. Dies wird qualitativ in den Kraftpfeilskizzen von 2 zeichnerisch dargestellt. Es ist zu erkennen, dass der seitliche Abstand der Teilschienen S1 und S2 dem Raumbedarf der Spulenanordnung von M1 und M2 entspricht, aber auch etwas größer ist als die Breite b der beiden Schienen. Letzteres ist zu beachten, wenn bei der größten auftretenden seitlichen Verschiebelänge der Größtwert der Rückstellkraft erreicht werden soll. Aus diesem Grunde ist es auch zweckmäßig, die Breite der beiden Schienen S1 und S2 annähernd gleich groß zu wählen.In the presentation 2 is the division of rails and magnets made for a vehicle side. Instead of the rail of width b of 1 are now two rails S1 and S2 drawn with the respective widths b1 and b ₂ each side. They face the air gap δ the magnets M1 and M2, which in turn are mounted in the vehicle frame Fr. The functional integration now refers to the two-element units for rail and magnet, where the size of the force components can be different. So z. In 2 Assuming that the pair of elements S1 / M1 generates larger proportions for support F _y and side force F _z , but no contribution F _x arises. By contrast, the generation of the force component F _x is achieved by the element pair S2 / M2, which stands for the linear motor, while the contributions to the resulting supporting and guiding force, ie the components F _y and F _{z, are} relatively small. This is qualitatively in the power arrow sketches of 2 illustrated by drawings. It can be seen that the lateral spacing of the sub-rails S1 and S2 corresponds to the space requirement of the coil arrangement of M1 and M2, but is also slightly larger than the width b of the two rails. The latter is to be considered if the maximum value of the restoring force is to be achieved with the largest occurring lateral displacement length. For this reason, it is also expedient to choose the width of the two rails S1 and S2 approximately equal.

Zur Minimierung des Energiebedarfs der Magneten im Fahrzeug liegt es nahe, die Felderregung nicht in vollem Umfang den elektrischen Strömen der Spulen anzuvertrauen, sondern sie großenteils durch Permanentmagneten vornehmen zu lassen. Nur die zur Stützung notwendigen kurzen Erregerstromimpulse, die der Stabilisierung der Lage dienen, und die für den Vortrieb unvermeidlichen Wechselstromanteile werden den Spulen der jeweiligen Funktionsgruppe zugeteilt. Der Einsatz der sogenannten geregelten Permanentmagneten für die Stützung führt auf eine sehr leistungsarme Betriebsweise der Magneten und weist besonders günstige Merkmale auf, wenn die Permanentmagneten in Sammleranordnung angelegt sind. Der dann abgesenkte magnetische Widerstand dient der Beschränkung der erforderlichen elektrischen Durchflutung bei Feldaussteuerung. Das notwendige Verhältnis von Führ- zu Stützkraft entsteht durch die Wahl der Paketbreite im Verhältnis zum Luftspalt. Wenn davon ausgegangen wird, dass auch bei seitlicher Auslenkung die Stützkraft, die etwa dem Überdeckungsgrad des Elementpaares proportional ist, konstant gehalten werden muss, bedeutet dies eine Felddichteerhöhung, die durch die Regelung vorgenommen wird. Diese Felddichtevergrößerung kommt der Steigerung der Energiedichte, wie oben beschrieben, zugute und führt gleichzeitig zur Erhöhung der maximalen Rückstellkraft. So können bei Kurvenfahrten und etwa hälftiger Elementüberdeckung bereits Rückstellkräfte entwickelt werden, die etwa 25% der Stützkraft betragen.To minimize the energy requirement of the magnets in the vehicle, it is obvious not to entrust the field excitation in full to the electric currents of the coils, but to make them largely by permanent magnets. Only the short excitation current pulses necessary for the support, which serve to stabilize the position, and the unavoidable AC components for the drive are allocated to the coils of the respective function group. The use of the so-called controlled permanent magnets for the support leads to a very low-power operation of the magnets and has particularly favorable features when the permanent magnets are applied in a collector arrangement. The then lowered magnetic resistance serves to limit the required electrical flooding at field control. The necessary ratio of guide to support force is created by the choice of the package width in relation to the air gap. If it is assumed that the support force, which is approximately proportional to the degree of overlap of the element pair, must be kept constant even in the case of lateral deflection, this means a field density increase which is effected by the control. This field density increase benefits the increase in energy density, as described above, and at the same time leads to an increase in the maximum restoring force. Thus, when cornering and about half element coverage already restoring forces can be developed, which account for about 25% of the supporting force.

Die Energieaufbereitung erfolgt jeweils in getrennten Geräten der Leistungselektronik Ea1 und Ea2 und wird durch Spannungen und die Ströme I_x und I_y an die Magnetspulen Sp1 und Sp2 weitergeleitet. Dabei dient der Strom I_x vornehmlich der Vortriebs- und Bremskraftbildung, während I_y in erster Linie der Erzeugung der Stützkraftstabilisierung zugute kommt. Wie bereits beschrieben, treten in beiden Schienen zusätzliche Kraftwirkungen F_z auf.The energy preparation takes place in each case in separate devices of the power electronics Ea1 and Ea2 and is forwarded by voltages and the currents I _x and I _y to the magnetic coils Sp1 and Sp2. In this case, the current I _{x is} primarily the propulsion and braking force formation, while I _y benefits primarily the generation of the support force stabilization. As already described, additional force effects F _z occur in both rails.

2a zeigt einen Ausschnitt aus der Stützanordnung mit zwei seitlich versetzten Magneteinheiten M1 und M1g gleicher Länge in Hintereinanderanordnung. Durch den seitlichen Versatz der Magneten gegenüber der Schiene entsteht bereits in der gezeichneten Symmetrielage für beide Einheiten eine Rückstellkraft, die bei gleicher Aussteuerung sich in der Summe aufhebt. Bei ungleicher Erregung entstehen ungleiche Tragkräfte und ungleiche Rückstellkräfte. Wählt man die Ungleichheit der Aussteuerung gerade so, dass in der Summe die Stützkraft konstant bleibt, kann dabei ohne Störung der Stützung eine resultierende Seitenkraft auch in der Mittellage erzeugt werden. Das Verfahren der versetzten Magneten bedeutet in der Summe eine kleine Einbuße an möglicher Tragkraft, gibt aber die Möglichkeit zum gezielten Eingriff der Führkräfte mit Hilfe der Stützkraftregelung. Der Eingriff kann zum Beispiel zur Dämpfung von seitlichen Fahrzeugschwingungen und auch zur Minimierung des seitlichen Versatzes des Fahrzeuges gegenüber der Schiene herangezogen werden. 2a shows a section of the support assembly with two laterally offset magnet units M1 and M1g same length in a row arrangement. Due to the lateral offset of the magnets with respect to the rail, a restoring force is created in the drawn symmetry position for both units which, with the same modulation, is canceled out in the sum. Unequal arousal results in unequal load capacities and uneven restoring forces. If one selects the inequality of the modulation just so that in the sum of the support force remains constant, it can be generated without disturbing the support a resultant lateral force in the middle position. The method of offset magnets means in total a small loss of possible carrying capacity, but gives the opportunity for targeted intervention of the executives using the support force control. The intervention can be used, for example, for damping lateral vehicle vibrations and also for minimizing the lateral offset of the vehicle relative to the rail.

Die Größe der für die Stützkraftstabilisierung erforderlichen Stromaussteuerungen wird, wie erwähnt, durch die Heranziehung der Sammleranordnung besonders stark minimiert. Die Strombereitstellung in der Geräteabteilung Ea1 bedient sich zur Stromfestlegung einer Spaltgrößenermittlung, zieht eine weitere Spaltgrößenänderung, wie Geschwindigkeit und Beschleunigung, heran und stellt mit Hilfe von Schaltelementen der Leistungselektronik Spannungs- und Stromgrößen bereit, die sich z. B. nach einem Auswandern des Magneten M1 aus der Sollposition zur Wiederherstellung des Nennzustandes innerhalb der erforderlichen Zeit in genügend großen Kraftkomponenten ausdrücken. Je schneller die Fahrgeschwindigkeit ist, umso geringer ist das Zeitfenster innerhalb dessen die Wiederherstellung des Ausgangszustandes erfolgen muss. Bei hoher Spuleninduktivität ist für die Lösung dieser Aufgabe eine wesentlich höhere Spannung zur Bereitstellung der Stromgrößen erforderlich. Dies führt auf eine erhöhte Auslegungsleistung für das Gerät Ea1. Um dies zu verhindern, sind kleine Spuleninduktivitäten gefragt. Da diese proportional dem erforderlichen Wicklungsquerschnitt der Spulen sind, und dieser mit der erforderlichen Größe des Aussteuerstroms wächst, kommt der Stromminimierung große Bedeutung zu. Auch aus diesem Grunde rechtfertigt sich der Einsatz der Permanentmagneten. Verbunden mit dieser Maßnahme lassen sich dynamisch günstigere Magneten mit verringerter Masse, kleineren Verlusten und gleichzeitig verringerter Zeitkonstante zur Stützung einsetzen. Ihre Energieaufbereitung kann mit verringertem Geräteaufwand vollzogen werden.The size of the Stromaussteuerungen required for the Stützkraftstabilisierung is, as mentioned, particularly minimized by the use of the collector assembly. The Provision of power in the device department Ea1 uses to determine the current gap gap determination, draws a further gap size change, such as speed and acceleration, zoom and provides with the help of switching elements of the power electronics voltage and current variables that z. B. express after migration of the magnet M1 from the target position to restore the nominal state within the required time in sufficiently large force components. The faster the driving speed, the smaller the time window within which the restoration of the initial state must take place. With high coil inductance, a much higher voltage is required to provide the current quantities for the solution of this task. This leads to an increased design performance for the device Ea1. To prevent this, small coil inductances are required. Since these are proportional to the required winding cross-section of the coils, and this grows with the required size of Aussteuerstroms, the current minimization is of great importance. For this reason too, the use of permanent magnets is justified. In conjunction with this measure, dynamically cheaper magnets with reduced mass, smaller losses and simultaneously reduced time constant can be used for support. Your energy preparation can be completed with reduced equipment costs.

Um die erwähnte Beschränkung der Stützkraftaussteuerungen für besondere Betriebsfälle wie das Abstellen des Fahrzeuges zu sichern, wird hierzu ein Hilfsstützsystem mechanischer Form (z. B. ausfahrbare Kufen) eingesetzt.In order to ensure the aforementioned limitation of Stützkraftaussteuerungen for special cases of operation such as the parking of the vehicle, an auxiliary support system of mechanical form (eg., Extendable skids) is used for this purpose.

3 zeigt eine Seitenansicht von Schiene S1 und Magnet M1. Die Schiene S1 weist einen konstanten Querschnitt auf und grenzt über den Spalt δ an den Magnet. Die im Magnet M1 gezeichneten Permanentmagneten Mp erzeugen längs der eingetragenen Magnetfeldlinien den Hauptteil des magnetischen Flusses, der proportional zur Energiedichte im Luftspalt die Stützkraft als Normalkraftkomponente entstehen lässt. Ersichtlich weist die Spule Sp1 einen verhältnismäßig kleinen Wicklungsquerschnitt auf. Die Ströme, die dort zu führen sind, treten eher impulsförmig auf. Im Vergleich zu Dauerstrom führenden Spulen sind der mittlere und der effektive Strom verhältnismäßig klein. Hierzu trägt die Sammleranordnung der Magneten Mp bei. Die Länge der Magneten ist hierbei deutlich größer als die Flussaustrittslänge am Spalt. Die Magnetdicke kann kleiner ausgeführt werden als im Falle einer Magnetanordnung direkt am Luftspalt. 3 shows a side view of rail S1 and magnet M1. The rail S1 has a constant cross section and adjoins the magnet via the gap δ. The permanent magnets Mp drawn in the magnet M1 generate along the registered magnetic field lines the main part of the magnetic flux which, proportional to the energy density in the air gap, gives rise to the supporting force as a normal force component. As can be seen, the coil Sp1 has a relatively small winding cross-section. The currents that are to be carried there appear rather impulsive. Compared to continuous current leading coils, the average and the effective current are relatively small. The collector arrangement of the magnets Mp contributes to this. The length of the magnets is significantly larger than the flow exit length at the gap. The magnet thickness can be made smaller than in the case of a magnet arrangement directly at the air gap.

Im Vergleich zu 3 ist in 4, wo die Ansicht des Linearmotors mit passiver Schiene dargestellt ist, deren Konturierung am Luftspalt ersichtlich. Die Schiene S2 weist in der Teilung der Magneten M2 am Luftspalt rechteckförmige Ausnehmungen auf. Hierdurch wird stellungsabhängig der von den Magneten M2 erzeugte magnetische Fluss moduliert. Im Zusammenhang mit dem in den Spulen Sp2 der Magneten M2 fließenden Wechselstrom lassen sich amplitudenproportionale Tangentialkräfte für Vortrieb und Bremsen erzeugen. Die Magneten Mp sind auch hier zweckmäßig in Sammleranordnung auszuführen. Auch hier dient dies der Begrenzung der Wechselstromamplituden für die Vortriebsbildung. Das Betriebsverhalten des Motors wurde in DE 10 200o7 042 935.7 beschrieben.Compared to 3 is in 4 , where the view of the linear motor with passive rail is shown, the contouring of the air gap can be seen. The rail S2 has in the pitch of the magnet M2 at the air gap rectangular recesses. As a result, the magnetic flux generated by the magnets M2 is modulated as a function of the position. In connection with the alternating current flowing in the coils Sp2 of the magnets M2, it is possible to generate amplitude-proportional tangential forces for propulsion and braking. The magnets Mp are also expedient to perform in a collector assembly. Again, this serves to limit the AC amplitudes for the propulsion formation. The operating behavior of the engine was in DE 10 200 0 7 042 935.7 described.

Mit 4 wird deutlich, dass an der elektrisch und magnetisch passiven Schiene S2 wegen des im Vergleich zu 3 verringerten Eintrittsquerschnittes für das magnetische Feld auch geringere Normalkraftkomponenten und kleinere seitliche Rückstellkräfte resultieren. Hinzu kommt, dass zur Effizienzsteigerung des Vortriebs mit Hilfe der Wechselströme beim Poleinlauf des Erregerteils nach Durchlauf der halben Polbreite der Strom von zusätzlicher Magnetisierung auf Feldschwächung umgeschaltet wird, wodurch es zu einer Schwächung der mittleren Normalkraft kommt. Untersuchungen der Zusammenhänge zwischen Magnetfeld und elektrischen Strömen zeigen, dass die Anwendung der Sammlerform den Betrieb mit verhältnismäßig hohen Felddichten ermöglicht und der Motor eine hohe Kraftdichte aufweist. Die Polbreite der Erregermagneten ist im Vergleich zur Breite des Schienenzahns nur geringfügig größer.With 4 becomes clear that on the electrically and magnetically passive rail S2 because of compared to 3 reduced entrance cross section for the magnetic field also lower normal force components and smaller lateral restoring forces result. In addition, in order to increase the efficiency of the propulsion with the aid of the alternating currents at the Poleinlauf the excitation part after passing the half Polpolbreite the current of additional magnetization is switched to field weakening, resulting in a weakening of the average normal force. Investigations of the relationships between magnetic field and electric currents show that the use of the collector form allows operation with relatively high field densities and the motor has a high power density. The pole width of the exciter magnet is only slightly larger compared to the width of the rail tooth.

Erwähnt werden soll, dass die rechteckförmigen Ausnehmungen der Schiene S2, die der Reduktion der diesem Ort zuzuschreibenden magnetischen Leitfähigkeit gilt, auch durch die Anordnung eines ausgestanzten Gitters mit dünnen Verbindungsstegen im Größenbereich von 1 mm Dicke ersetzt werden kann. Zur Verstärkung der Festigkeit des Gitterbereichs lassen sich nach Paketierung die Hohlräume mit Kunststoff füllen.It should be noted that the rectangular recesses of the rail S2, which applies to the reduction of attributable to this location magnetic conductivity, can also be replaced by the arrangement of a punched grid with thin connecting webs in the size range of 1 mm thickness. To increase the strength of the grid area, the cavities can be filled with plastic after packaging.

Hierdurch entfällt die sichtbare geometrische Kontur, während die magnetisch wirksame Leitfähigkeitsschwankung erhalten bleibt. Die durch starke Spaltschwankungen bei schneller Fahrt hervorgerufenen Druckpulsationen der Luft lassen sich so vermeiden.This eliminates the visible geometric contour, while the magnetically effective conductivity variation is maintained. The pressure pulsations of the air caused by strong gap fluctuations during fast driving can thus be avoided.

Die Anpassung des Konzeptes der passiven Schienen an unterschiedliche Vorgaben für die Fahrzeugmasse erfordert unter Beachtung der gewünschten Größenverhältnisse der drei Spannungskomponenten für Vortrieb, Stützen und Führen in Fällen stark vergrößerter Fahrzeugmasse eine weitere Aufteilung der Schienen. Wie 5 darstellt, wird hier eine weitere Elementpaarung S/M eingeführt. Die Schiene S1 für Stütz- und Führkrafterzeugung ist in zwei gleich große Anteile gespalten. Gleiches gilt für den Magneten M1. Die Vortriebskraft-Elementpaarung S2/M2 ist seitlich versetzt zu der Doppelschiene S1 beigefügt. Die Forderung nach dieser Schienenverstärkung kann z. B. auftreten, wenn die Fahrzeugmasse den Wert 2 t/m überschreitet. Für den zweiteiligen Magneten M1 lässt sich hierbei eine gemeinsame Spule Sp1 für beide Magnetkreisteile, wie gezeichnet, anwenden. Sie wird mit dem gemeinsamen Strom I_y über das Aufbereitungsgerät Ea1 betrieben. Die Breite der Stützschiene b₁ entspricht der erwähnten Regel, dass das Verhältnis b₁/δ einen bestimmten Wert, z. B. die Zahl 10 oder 12, nicht überschreiten darf, wenn die eigenstabile Rückstellkraft F_xmax im Verhältnis zur Stützkraft ausreichend hoch sein muss. Für die Festlegung der Breite b₂ der Vortriebsschiene S2 besteht ein etwas vergrößerter Spielraum, weil deren Seitenkraftanteile ohnehin kleiner sind als jene der Komponenten von S1.The adaptation of the concept of passive rails to different specifications for the vehicle mass requires, taking into account the desired proportions of the three voltage components for propulsion, support and guiding in cases of greatly increased vehicle mass, a further distribution of the rails. As 5 represents, here another element pairing S / M is introduced. The rail S1 for supporting and guiding power generation is split into two equal parts. The same applies to the magnet M1. The propulsive power Element pairing S2 / M2 is attached laterally offset to the double rail S1. The demand for this rail reinforcement can z. B. occur when the vehicle mass exceeds 2 t / m. For the two-part magnet M1, a common coil Sp1 can be used for both magnetic circuit parts, as shown. It is operated with the common current I _y via the treatment device Ea1. The width of the support rail b ₁ corresponds to the rule mentioned that the ratio b ₁ / δ a certain value, z. B. the number 10 or 12, may not exceed, if the _{intrinsically} stable restoring force F _xmax in relation to the supporting force must be sufficiently high. For determining the width b _{2 of} the drive rail S2, there is a somewhat greater margin, because their side force components are smaller anyway than those of the components of S1.

5 lässt erkennen, dass eine Fahrbahn, die für schwere Fahrzeuge, z. B. mit zwei Stützschienen S1 ausgestattet ist, auch für leichtere Fahrzeuge, die nur eine Magnetreihe M1 aufweisen und eine Teilschiene S1 benötigen, ohne Nachteile befahrbar ist. 5 indicates that a roadway suitable for heavy vehicles, eg. B. is equipped with two support rails S1, even for lighter vehicles, which have only one magnetic series M1 and need a sub-rail S1, without drawbacks passable.

Die in den 1 bis 5 gezeichnete Aufhängung der Schienen an zwei nach innen hin offenen C-förmigen Schienenträgern weist eine für die Verzweigungsweichen günstige Formgebung auf Das Fahrzeug wird hierbei vorn Fahrbahnträger nur zum geringen, Teil umschlossen, während die Schiene vom Fahrzeug nicht umschlossen ist. Bei bekannten Topologien des Schnellverkehrs liegt umgekehrt eine weitgehende Umschließung der Fahrbahn und Fahrbahnkomponenten durch das Fahrzeug vor. In diesem Fall lassen sich Verzweigungen nur durch Fahrbalken-Verschiebung, also durch die Bewegung sehr großer Massen darstellen.The in the 1 to 5 drawn suspension of the rails on two inwardly open C-shaped rail supports has a favorable for the branch points shaping The vehicle is here in front of the roadway carrier only a small, part enclosed, while the rail is not enclosed by the vehicle. In the case of known topologies of high-speed traffic, on the other hand, there is an extensive enclosure of the roadway and roadway components by the vehicle. In this case, branching can only be represented by shifting the moving beam, ie by moving very large masses.

Im Falle der hier vorliegenden Teilumschließung des Fahrzeuges ist es möglich, durch Verschiebung der Schienenträger mit deren seitlicher Verbindung einen Verzweigungsweg freizugeben oder anzuschließen.In the case of the partial enclosure of the vehicle present here, it is possible to release or connect a branching path by displacing the rail supports with their lateral connection.

Schließlich soll erwähnt werden, dass zur Minimierung des Fahrenergiebedarfs dadurch wichtige Beiträge geleistet werden können, dass die Anfahrund Bremsenergiebeträge durch Einbeziehung von Gefälle- und Steigungsbereichen in die Fahrbahn reduziert werden. Hierdurch ist auch eine einfachere und masseärmere technische Ausrüstung der Fahrzeuge möglich.Finally, it should be mentioned that in order to minimize the energy requirements driving important contributions can be made that the Anfahrund brake energy amounts are reduced by including slope and slope areas in the road. As a result, a simpler and lower mass technical equipment of the vehicles is possible.

Literaturhinweisliterary reference

Eb / Electric Railways 104 (2006) H. 1-2, page 75, Herbert Web, "Magnetic levitation and linear drives for high speed"

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102007042935 [0026]

Claims

Electromagnetic hovering concept for the contact-free generation of magnetic support, guiding and propulsion forces in three mutually perpendicular directions, consisting of a roadway on which rails are arranged on both sides, underside are generated in an air gap of row-like magnets arranged in the vehicle as possible to be kept constant field effects, wherein the rails are preferably made of magnetically good conductive steel sheets and each side normally form at least two rectangular rail body S1 and S2, which are attached to the horizontal support members of the rail support T on the roadway, while the ratio rail width b to air gap length δ does not exceed 12, and between a plurality of rails arranged on the same side, the mutual distance is at least equal to the rail width, and the support and guide rail S1 interacts with Magnet series M1 is in the vehicle whose magnetic field is generated by a combination of permanent magnets and current-carrying coils in a magnetically conductive sequential arrangement, while the predominantly acting for propulsion rail S2 is contoured at the air gap, and in the winding of the also magnet combination excited M2 alternating currents flow , And the power supply of the magnets M1 and M2 respectively via corresponding control circuits in conjunction with a power conditioning and the energy supply to the vehicle in devices on the vehicle takes place.

Electromagnetic Schwebekonzept with only passive rails according to claim 1, characterized in that the magnet arrangement for generating the supporting force has a permanent magnet exciter arrangement of the type of collector configuration for field focusing in the air gap, the flux proportion corresponds approximately to the Nennschwebezustand for generating the supporting force, and the coil cross-section for the relatively low flow fluctuations that occur in the operation, which are only a fraction of the rated flow, is fair.

Electromagnetic Schwebekonzept with exclusively passive rails according to the above claims, characterized in that the arrangement of the supporting force generation is supplemented by the magnets for larger gap changes by an auxiliary device, which takes over the provision of the supporting force in large columns.

Electromagnetic floating concept with exclusively passive rails according to one of the above claims, characterized in that the magnet arrangement for generating the driving force rectangular poles with permanent magnets in a collector arrangement and the pole width is only slightly larger than the width of the formed on the rail rectangular teeth and Pol- and Tooth pitch correspond.

Electromagnetic Schwebekonzept with exclusively passive rails according to one of the above claims, characterized in that a part of the magnet used for support is arranged in its lateral position relative to the rail offset in pairs in the opposite direction and their modulation by Zu- and counter-excitation in the pair constant support force he follows.

Electromagnetic floating concept with exclusively passive rails according to one of the above claims, characterized in that the normal roadway with two inwardly open C-shaped rail supports is fitted, at the upper support members, the rails are fixed and arranged so that the level of their undersides of the desired vehicle position corresponds.

Electromagnetic Schwebekonzept with exclusively passive rails according to one of the above claims, characterized in that the number of support rails and magnet rows for heavy vehicles is greater than for lighter vehicles and both types of vehicles on the same lane.

Electromagnetic Schwebekonzept with exclusively passive rails according to one of the above claims, characterized in that the energy transfer to the vehicles, the means of inductive energy transfer, so the transmission between a ladder system in the road and a coil assembly in the vehicle is used without contact, with only a small Measurement of ferromagnetic material used on both sides and a frequency that is significantly higher than 50 Hz, is used for the currents.

Electromagnetic floating concept with exclusively passive rails according to one of the above claims, characterized in that to minimize the maximum driving power and the restriction of driving energy, the roadway is moved to a particular height profile, wherein the breakpoints are higher than the route in the middle area between the stops ,