DE102012009635A1

DE102012009635A1 - "Magnetisches Tragen mit Permanentmagneten"

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Publication number: DE102012009635A1
Application number: DE201210009635
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-05-14
Filing date: 2012-05-14
Publication date: 2013-11-14

Abstract

Es handelt sich um ein für für magnetische Lager und magnetisch gestützte Transportsysteme einsetzbare, auf der abstoßenden Wirkung von Permanentmagneten basierte Stütztechnik, die mit Kraftdichten von mehr als 20 N/cm2 zu kleinen Magnetmassen und einer Kennlinie mit hoher Steifigkeit führt. Bei linearer Bewegung wird zur Stabilisierung die seitliche Stellbarkeit eines Teiles der Tragmagneten, die über einen Regelkreis aktiviert werden, herangezogen, so dass Trag- und Seitenkräfte an gleicher Schiene erzeugt werden können. Für den Vortrieb liegt die Kombination mit einem ebenfalls berührungslosen elektromagnetischen Wandler nahe, dessen Luftspalt im gleichen Größenbereich wie jener der Trag-Führeinrichtung liegt.

Description

Stand der Technik
Magnetisches Tragen mit Hilfe von Permanentmagneten bedeutet die Erzeugung von stabil wirkenden, abstoßenden Tragkräften zur Stützung von meist bewegten Körpern. Dies impliziert somit das Vorhandensein einer mit dem Abstand der Magnetpartner kleiner werdenden Kraft, die ohne äußere Eingriffe zu einer verzögerungsfreien Eigenrückführung der Schwebeposition nach Eintreten einer Störung führt. Bekannt ist bislang, dass die Anwendung von Permanentmagneten mit verhältnismäßig kleinen Stützkräften verbunden ist, und die Steifigkeit der Tragkraftcharakteristik recht begrenzt ist. Es kommt hinzu, dass die sogenannte stabile Stützung verbunden ist mit einer in seitlicher Richtung hinzunehmenden instabilen Kennlinie. Hinzunehmen ist darüber hinaus ein Zusammenhang zwischen der stabilen Kennlinie der einen Richtung und dem instabilen Verhalten in der anderen Richtung, Diese Kenntnis wird oft verkürzt so interpretiert, dass eine stabile Stützung durch Permanentmagneten gar nicht möglich ist. Zusätzlich wird auch angeführt, dass aus wirtschaftlicher Sicht es ohnehin sehr fragwürdig erscheint, eine Stütztechnik mit in der Schiene liegenden Permanentmagneten zur Grundlage eines wirtschaftlich arbeitenden Transportsystems machen zu wollen.
Zunächst sei angemerkt, dass der Einsatz von Permanentmagneten zur Stützung bei ruhender oder beweglicher Anwendung unter sehr unterschiedlichen Einsatzbedingungen stattfindet, und damit die Anforderungen an die Stützmerkmale stark differieren. So wird z. B. bei einem Axial-Stützlager in rotierender Form eine auftretende radial gerichtete Instabilität deshalb hingenommen, weil meist der Einsatz von zusätzlichen Radiallagern ohnehin gegeben ist. Bei der linearen Schwebeanwendung kann es sinnvoll sein, eine auf der Wirkung von Permanentmagneten beruhende Stützung heranzuziehen, wenn gegenüber anderen Stütztechniken kein höherer Aufwand vorliegt. Es wird darauf zu achten sein, dass Wartungs- und Überwachungsbedarf sich nicht erhöhen, die Komplexität des Gesamtsystems begrenzt bleibt, und andere Systemnachteile vermieden werden können. Ganz allgemein ist festzustellen, dass die Entwicklung der Hochenergie-Permanentmagnete in den letzten zwei Jahrzehnten geprägt war durch die Erfahrung, dass solche Magnete mit hoher Qualität und hoher Gleichartigkeit der Eigenschaften von mehreren Bezugsquellen zu stetig sinkenden Preisen angeboten wurden. Gegenüber dem Beginn der Entwicklung der Magnetschwebetechnik vor etwa 40 Jahren, bei dem die Remanenzinduktion der Magnete 0,3 T erreichte, liegt bei den neuen Magneten der B_r-Wert bei 1,3 T und darüber, so dass grundlegend geänderte Voraussetzungen für einen sparsamen Materialeinsatz vorliegen. Es steht außer Frage, dass Anwendungen der P-Magnet-Schwebevariante, zumal dann, wenn der Nachweis der sparsamen Anwendung in der Schiene gelingt, gegenüber anderen bekannten Verfahren, etwa dem Einsatz von geregelten Zugmagneten, deutlich vorteilhafter erscheint. Die Vorteile bestehen darin, das es sich um ein Stützverfahren handelt, das verlustlos auch ohne Inanspruchnahme tiefer Temperaturen und Supraleitung verzögerungsfrei arbeitet und dessen Stützeigenschaften im Wesentlichen durch Formgebungseinflüsse modelliert werden können. Der notwendige Aufwand in stelltechnischer Hinsicht erscheint dabei vergleichsweise gering und tolerierbar. Erforderlich ist der erwähnte regelungstechnische Eingriff insofern, als die seitliche Instabilität bei linearer Anwendung nicht vollständig ausgeschaltet werden kann. Es kann andererseits als vorteilhaft angesehen werden, dass eine nur in seitlicher Richtung auftretende Instabilität weniger folgenschwer ist, als eine in vertikaler Richtung stark instabile Kennlinie, wie sie etwa bei Zugmagneten auftritt.
Somit besteht die erfindungsgemäße Aufgabe darin, zur Erzeugung abstoßender Kräfte in einer Richtung eine aus zwei Teilen bestehende Magnetanordnung anzugeben, die für heute übliche Magnetqualitäten zu Kraftdichten führt, die mindestens so hoch sind, wie jene bei Zugmagneten und ein ungeregeltes Verhalten der Stützkräfte ermöglicht. Eine für die lineare Anwendung erforderliche seitliche Stabilisierung soll durch einen regelungstechnischen Eingriff sichergestellt und mit geringem Aufwand durchgeführt werden.
Die Ausführung der Aufgabe wird durch einen umfangreichen Text und mehrere zeichnerische Darstellungen erläutert.
Kraftdichte und Steifigkeit bei abstoßenden Kräften
Der Übergang von Ferritmagneten zu Hochenergiemagneten, d. h. der Einsatz von Magnetmaterial mit einer Remanenzinduktion von z. B. 1,4 T gegenüber dem Wert von nur 0,3 T bedeutet bei beidseitigem Einsatz in den Magnetpartnern und gleichen Magnetdimensionen eine Kraftsteigerung etwa vom Faktor 22. Dieser Faktor kommt dem Kraftdichtewert voll zugute, weil davon auszugehen ist, dass durch den Übergang auf energiestarkes Material keine besonderen volumenvergrößernden Installationen zu berücksichtigen sind. Neben dem hohen angestrebten Kraftdichtewert ist der Verlauf der Stützkennlinie in Abhängigkeit vom Magnetabstand, der im günstigsten Falle gleich der Schwebehöhe δ der Traganordnung ist, von Bedeutung.
Eine mit kleiner werdendem Abstand stark zunehmende Kraft ermöglicht durch ihre starke verzögerungsfreie Rückstelltendenz die Anwendung eines kleinen Schwebeabstands, während umgekehrt eine flache Kennlinie zur Wahl eines verhältnismäßig großen Schwebeabstands für den Normalfall zwingt. Es soll dabei in aller Regel eine Berührung der Tragpartner bei Störungen vermieden werden. Folglich führt der Optimierungspfad klar in die Richtung hoher Kraftdichten gepaart mit hoher Steifigkeit.
Die im Normalzustand des Schwebens wirksame Kraftdichte steht im Falle eines Fahrzeugs im umgekehrten Verhältnis zur Schienenbreite und bestimmt zusammen mit anderen Faktoren das Volumen der Schiene und im Wesentlichen auch den Fahrbahnaufwand. Ziemlich sicher darf davon ausgegangen werden, dass zwar auf absehbare Zeit eine aus Blechlamellen aufgebaute Eisenschiene bei gleichem Volumen billiger sein wird als eine Schiene, die überwiegend aus Magnetmaterial besteht. Umgekehrt wird aber im Falle einer starken Volumenreduktion der Magnetschiene, die mit einer Steigerung der Kraftdichte einhergeht, eine Prognose für den Aufwandsunterschied sehr viel günstiger. Dies gilt nicht zuletzt auch deshalb, weil mit der Massereduktion auf der Schienenseite auch Reduktionen auf der Fahrzeugseite einhergehen und Aufwandsanteile für Magneten, Energiebereitstellung und -aufbereitung entfallen können. Es ist bekannt, dass bei Anwendung der Langstatortechnik ein verhältnismäßig großer Masseeinsatz für die Schiene erforderlich ist und der Vergleich mit einer magneterregten Schiene damit besonders günstige Voraussetzungen findet.
Von zwei sich abstoßenden Flachmagneten M in der meist beschriebenen Position sich gegenüberstehender Polflächen ist bekannt, dass sie bei einer Dicke von 1 cm, einer Kantenlänge vom Vierfachen dieses Wertes und einer Remanenzinduktion von B_r = 1,4 T mit einem Spalt von δ = 5 mm eine abstoßende Kraft je Polflächeneinheit, also eine Kraftdichte von 5 ÷ 6 N/cm² entwickeln. Wie in 1a gezeigt, kann das Zustandekommen der Kraft durch die gegensinnig gerichteten Randströme, die sich abstoßen, erklärt und rechnerisch erfasst werden. 1c zeigt mit F_AY(a) den Verlauf der Kraftdichtekurve, die zum Nullpunkt hin ansteigt und damit die erforderliche Steifigkeit als Zeichen des stabilen Verhaltens aufweist.
Durch den in 1a angedeuteten 90°-Schwenk der Magnete M in die senkrechte Lage ergibt sich die Anordnung mit parallelpolarer Position. Sie ist in 1b mit den Randströmen dargestellt. Auf die nun deutlich kleinere Grundfläche bezogen ergeben sich erheblich größere Werte für die Kraftdichte F_AY(b), die ebenfalls in 1c als Kurve dargestellt ist. Es tritt auch der bei kleinen Spalten sich stark vergrößernde Wert der Steifigkeit neu in Erscheinung Der im Nennbereich erhöhte Wert der Kraftdichte kommt zustande, obwohl gegenüber 1a nun die Interaktion mit den zwei äußeren Rand strömen durch den 90°-Schwenk nun einen geringen negativen Beitrag leistet. Es zeigt sich, dass die sich direkt gegenüberstehenden Ströme als Folge ihres geringen Abstands das Verhalten der Kraftdichte wesentlich bestimmen. Um den schwächenden Einfluss der äußeren Ströme auf weniger als 10% zu beschränken, ist z. B. ein Verhältnis ϑ/δ von 4 einzuhalten.
Die in 1b dargestellte Anordnung in parallelpolarer Geometrie bringt zunächst bezüglich der auf die Tragkraft bezogenen eingesetzten Magnetmasse keinen großen Gewinn, sofern die Abmessung g der Magnete konstant bleibt. Aufgrund des reduzierten Einflusses der Abmessung g auf die Tragkraft und durch die nun gewonnene große Steilheit der Kennlinie F_AY kann jedoch bei einer Verringerung der Magnetabmessung g und damit kleinerer Magnetmasse ein insgesamt vorteilhaftes Tragergebnis erzielt werden. Es kommt hinzu, dass gegenüber der Flachmagnetanordnung mit nur schwach ausgeprägter Steifigkeit das Tragkonzept nach 1b für die Anwendung kleinerer Nennspalte und bei sonst gleichen mechanischen Bedingungen verwendet werden kann. Auch dies kann dazu genutzt werden, eine Verringerung der Magnetabmessungen gegenüber der Dimensionierung nach 1a vorzunehmen.
Deutliche Unterschiede zwischen den beiden Konfigurationen ergeben sich beim Verhalten mit Auslenkungen Δz in seitlicher Richtung. Grundsätzlich wird hierbei ein zunächst mit dem Abstand zunehmender, destabilisierender Schub F_z wirksam. In der Symmetrielage verschwindet er, weil sich zwei hierbei gleich große gegensinnige Kräfte gerade aufheben. Die größeren Kräfte und der steilere Anstieg bei der Anordnung nach 1b lassen sich wieder aus der verstärkten Wirksamkeit zweier sich abstoßender Magnet-Randströme erklären. Es sei erwähnt, dass dieses Merkmal nicht für alle Anwendungsfälle als nachteilig zu kennzeichnen ist, und dass es darüber hinaus Möglichkeiten gibt, dies durch geometrische Faktoren in Grenzen zu beeinflussen.
Modifikationen der Schwebeanordnung zur weiteren Beeinflussung der Kennlinien
Im Gegensatz zur Anordnung mit Polflächenopposition, bei der durch Verbreiterung von M nur ein geringer Einfluss auf die Tragkraft ausgeübt wird, tritt bei der parallelpolaren Form durch eine Verbreiterung oder einer Vervielfachung der Anordnung eine entsprechende Erhöhung der Stützkraft ein 2 weist auf eine solche Anordnung mit mehreren Teilmagneten hin. Die Magneten Mt des oberen Tragteils sind in Abmessung und Zahl gleich jenen des unteren Schienenteils Ms. Für die Stützkennlinie entsteht ein ähnlicher Verlauf, wie er durch die Kurve F_AY für die Anordnung nach 1b dargestellt wurde. Die nun in z-Richtung verbreiterte Anordnung bewirkt auch eine Vergrößerung der Seitenkraft und führt dabei zu einem Erhalt der Kraftdichte F_AZ. Die Anordnung nach 3 weist im Schienenteil S breitere Magneten Ms als im Tragteil auf Der durch die Verschiebung der Strompositionen bewirkte Tragkraftverlust ist durch die breiteren Magnete im Schienenteil S kompensiert. Mit dem Übergang auf die Anordnung nach 3 wird gegenüber 2 durch die gewählte Polarität der Magnete von Mt1 und Mt2 sowie von Ms1 und Ms2 eine begrenzte Reduktion und ein flacherer Anstieg der seitlichen Schubkräfte F_Z erreicht.
Es kann zusammengefasst gesagt werden, dass offensichtlich bei parallelpolarer Anordnung deutlich höhere Kraftdichten als etwa im Falle von geregelten Zugmagneten bereits bei gleichem Luftspalt erreicht werden können und dass darüber hinaus Stützkennlinien mit höherer Steifigkeit das Tragverhalten kennzeichnen. Dies ermöglicht den Einsatz dieser Technik auch bei kleineren Luftspalten zur Lösung von Transportaufgaben und bei magnetischen Lagern. Bei letzteren liegt durch Wegfall von Fahrbahnstörungen die Voraussetzung für den Einsatz eines sehr kleinen Spalts im Bereich von 1 mm vor, so dass mit einem mittleren Lagerdruck von z. B. 40 N/cm² gearbeitet werden kann. Die für Transportaufgaben mit linearer Anwendung in Frage kommenden Nenn-Spaltlängen richten sich nach der vorhandenen Fahrbahngenauigkeit und der Fahrgeschwindigkeit. In Anbetracht der vorliegenden hohen Steifigkeit dürften für Bahnen Spalte von 5 mm auch bei hohen Geschwindigkeiten anwendbar sein.
Das zu erwartende Verhalten bei seitlicher Auslenkung spielt bei Anordnungen mit seitlicher Führung nur eine untergeordnete Rolle. Im Falle einer Heranziehung der Seitenkräfte im Rahmen einer regelungstechnischen Stabilisierung erscheint ein steiler Anstieg der Seitenkräfte und ein hoher Maximalwert als wünschenswert.
In 4a wird – etwas vereinfacht – die Anordnung der Schwebemagnete von Schiene S dem Tragteil T und dem verschiebbaren Magnetträger Tv in der mittleren Position gezeigt, in der die Seitenkraft E_z = 0 ist. Ein Linksversatz Δz < 0 von Tv führt zu einer nach links gerichteten Schubkraft F_z < 0, wie in 4b angedeutet. In 4c wird die Rechtsverschiebung Δz > 0 mit der nach rechts gerichteten Schubkraft F_z > 0 dargestellt.
Die geregelte Seitenkraft
Die in 5 gezeichnete Anordnung zeigt mit Sl und Sr eine Doppelschiene, die mit P-Magneten, entsprechend 4, bestückt ist. Die Traganordnung T weist in y-Richtung den Tragspalt δ auf. Mit seinen Magneten Mt1 und Mt2 befindet sich das Tragteil T bezüglich z in der Mittelposition der Schienen Sl und Sr. Die Tragkräfte werden über die Sekundärfedern Fs auf den über der Tragbrücke Kt zu denkenden Fahrzeugkörper übertragen. Die beiden äußeren Konstruktionsteile Kt' der Brücke Kt mit den äußeren Tragmagneten Mt2 sind über die getrennt stellfähigen Aktuatoren St mit deren Anschlussteilen V jeweils in z-Richtung verschiebbar. Entsprechend 4 wird bei Auslenkung nach außen jeweils eine nach außen zeigende auf T wirkende Kraft aufgebaut. Es kann z. B. bei einer Linkskurve auf der linken Seite durch Auslenkung von Kt' eine gegen die Zentrifugalkraft, also nach links gerichtete Kraftkomponente dazu herangezogen werden, das Fahrzeug längs der Mittellinie der Schiene durch die Kurve zu führen. Ähnliches gilt bei seitlichen Windeinflüssen oder auch bei geringfügigen geometrischen Abweichungen im Schienenverlauf. Hier erweist es sich als günstig, dass bereits bei einer vergleichsweise geringen Verschiebelänge von Kt' gegenüber Kt bzw. gegenüber der Schienenmitte ein nennenswerter Seitenkraftanteil zur Rückführung verfügbar ist.
6 zeigt die rechtsseitige Magnetanordnung mit jeweils 4 Magneten in Schiene Sr und dem Tragteil T. Hier ist für die Magnetposition angenommen, dass das Fahrzeug gegenüber der Schiene um Δz nach links versetzt wurde, und es bereits gelungen ist, Kt' nach rechts um den Betrag Δz₁ + Δz₂ zu versetzen. Es zeigt sich, dass bei etwa gleichbleibender Tragkraft beider Magnetgruppen eine resultierende Kraft nach rechts auf den Tragrahmen T ausgeübt wird. Hierzu trägt bei, dass die etwas nach links versetzten Magneten Mt1 noch eine kleine Seitenkraftkomponente F_z1 nach rechts infolge der Wechselwirkung mit den Magneten Ms2 erfahren und zusätzlich die Magnete Mt2 durch ihren Versatz nach rechts einen starken Schub F_z2 in diese Richtung bewirken.
Der bei schneller Fahrt notwendige schnelle Versatz von Kt' wird grundsätzlich dadurch möglich, dass im Vergleich zum Fahrzeug nur eine kleine Masse, nur ein Teil der Tragmagnete, versetzt werden muss und horizontale Störungen sich langsamer auswirken als vertikale im Falle der geregelten Tragkraft. Eine entsprechende Stellkraft wird durch den Aktuator St bereitgestellt, wenn nach dem seitlichen Versatz der Sensor Se an den Regelkreis die Abweichungen Δz₁ meldet und letzterer das Stellglied St aktiviert. Dabei ist die Dosierung der Stellkraft durch den Regler R situationsabhängig, so dass die Traganordnung T wieder in den Ausgangszustand zurückgeführt wird. Der Forderung nach schneller Reaktion der Stabilisierungseinrichtung kommt entgegen, dass die beschriebenen Magnetanordnungen parallelpolarer Art verhältnismäßig hohe Seitenkraftwerte bezogen auf die Tragkraft aufweisen, die auch den bei Transsportsystemen bekannten Störfaktoren entsprechen.
Da bei Bewegung der Traganordnung in x-Richtung im Interaktionsbereich von T und S sich der Magnetisierungszustand der Magneten Ms besonders in den Ein- und Austrittsbereichen schnell ändert, besteht dort die Tendenz zur Erzeugung von Wirbelströmen, die der Feldänderung entgegenwirken. Dies gilt auch in Anbetracht des sehr hohen elektrischen Widerstandes des Magnetmaterials und sollte bei der Gliederung der Magnete bedacht werden. Eine Unterteilung in kleinere Einheiten mit dazwischenliegenden isolierenden Klebeschichten dient dabei zur Unterdrückung von Wirbelstromverlusten.
Mit 7 wird darauf eingegangen, dass neben der durch 6 eingeführten seitlichen Magnetverschiebung mit Hilfe eines beweglichen Konstruktionsteils Kt' und einem Stellglied St auch modifizierte Formen der Bewegung von Kt' in Betracht zu ziehen sind. Im vorliegenden Beispiel wird das Teil Tv zusammen mit Kt' um den Drehpunkt D schwenkbar vorausgesetzt, so dass die Magnete Mt2 sich auf einer Kreisbahn bewegen. Es ist weiter angenommen, dass die Magnete Mt2 gegenüber der zur Schiene definierten Ausgangssymmetrie nun auch begrenzt nach links geschwenkt werden können. Die Kraft F_z kann hierdurch nach links einen bestimmten Wert annehmen, so dass die Regelung beidseitig wirkt.
Das Stellelement St überträgt die Stellkraft über das Verbindungsteil V auf das im Kreis bewegte Teil Tv und bedarf, dank der Anlenkung am Radius r₁, der kleiner ist als r_M, nur eines relativ kleinen Hubs. Durch die Bewegung des magnettragenden Teils Kt' gegenüber dem Tragrahmen Kt trifft auf letzteren ein Impuls, der aus dem Produkt Masse mal Geschwindigkeit von Kt' besteht. Die Auswirkungen dieser Störung sind umso geringer, je größer die Masse von Kt im Vergleich zu Kt' ist. Zur Unterdrückung des Störimpulses kann eine gedämpfte und gefederte Ankopplung des Stellgliedes St in Betracht gezogen werden. Besonders wirksam erscheint die gleichzeitige Ausführung eines Gegenimpulses gleicher Größe und entgegengesetzter Richtung. Der Impulsausgleich bewirkt sowohl eine Sicherung des Fahrkomforts als auch die bestmögliche Wirksamkeit der regelungstechnischen Maßnahme.
Integrierter Stellantrieb für die Seitenkraftregelung
Die stelltechnische Aufgabe einer nur kleinen Auslenkung für eine begrenzte Masse führt auf ein Problem, das mit überschaubarem Aufwand auf unterschiedliche Weite gelöst werden kann. Wie in Bildern 6 und 7 dargestellt, bedarf die Bewegung eines spielarmen Antriebs und einer Führung des zu bewegenden Teils Tv nach einer Kraftaufschaltung. Neben einer hydraulisch zu betätigenden Stellanordnung St kommt auch der elektromagnetisch arbeitende Aktuator in Betracht.
8 zeigt die grundsätzliche Möglichkeit einer Funktionsintegration des Aktuators in Wechselwirkung mit den zu stellenden Magneten Mt2. Über die Führungsflächen F ist Tv mit dem Bauteil Kt2 in z-Richtung beweglich. Den etwas länger ausgeführten Magneten Mt2 sind parallelpolig ausgerichtete Ergänzungsmagneten Mt'2 gegenübergestellt. An der jeweiligen Innenseite der Magnete sind Spulenseiten W über einen kleinen Luftspalt am Tragrahmen Kt1 befestigt. Sie werden über ein Stellglied SG von einem spannungsführenden Versorgungsnetz E gespeist, so dass ihr Strom nach Größe und Richtung über einen Regler R, der mit dem Messsensor Se in Verbindung steht, bestimmt werden kann. In 8 befinden sich die Magneten Mt1 und Mt2 gerade in der Ausgangssymmetrie zur Schiene S. Die beiden z-Komponenten der Kraft, die am Spalt δ erzeugt werden, sind gleich groß und heben sich auf.
In dieser Mittelstellung können durch den Strom der Spulen W in der gezeichneten Verteilung, in Wechselwirkung zu den Magnetenden von Mt2 und Mt'2 die nach rechts zeigenden Seitenkräfte F'_z2 und F''_z2 erzeugt werden. Bei entgegengesetzt gewählter Stromverteilung würde die Kraft in die andere Richtung zeigen. Es sollte erwähnt werden, dass das Baumaterial für Kt1 und Kt2 sowie auch jenes für Ks unmgnetisches Material sein muss, wenn sich die beschriebenen Kraftwirkungen in voller Größe einstellen sollen.
Mit den beschriebenen Ergebnissen zur Erziehung einer ausreichend hohen Tragkraftdichte im Bereich von z. B. 30 N/cm², einem Nennluftspalt von 5 ÷ 6 mm mit der Kantenlänge der Magneten von etwa 4 cm, ergibt sich für den Massebedarf in Abhängigkeit von der Tragkraft ein recht niedriger Wert.
Verlangt man z. B. bei einem Transportsystem für eine Schiene die spezifische Tragkraft von 12 kN/m, so ist hierfür eine Interaktionsbreite der Magneten von 4 cm und eine Schienen-Magnetbreite von 5 cm erforderlich. Je Schiene sind bei einem Magnetquerschnitt von 20 cm² und einem Magnetvolumen von 2 dm³/m eine Magnetmasse von 15 kg/m, für beide Schienen also 30 kg/m anzusetzen. Berücksichtigt man, dass heute bereits für sehr genau bearbeitete Magneten bei kleineren Bezugsmengen Preise von weniger als 50 E/kg gelten, so ergibt sich für das Beispiel der Schienenausrüstung ein Magnetanteil, der unter der Marke von 10³ E/m liegen dürfte, und damit den wirtschaftlichen Rahmen nicht sprengt. Ein mit Permanentmagneten bestückter Fahrweg erfordert bekanntlich besondere Maßnahmen, um ihn vor der Ansammlung von Eisenpartikeln und davor zu bewahren, dass Magnetmaterial entwendet wird. Die dazu bislang entwickelten Problemlösungen sind nicht für alle Einsatzmöglichkeiten gleich zielführend und einfach. Diesem Nachteil stehen jedoch interessante Vorteile gegenüber, z. B. auch der, dass die hier beschriebenen Stützschienen durch Verbreiterung den zusätzlichen Betrieb schwerer Fahrzeuge zulassen und somit der wirtschaftlich günstige Mischverkehr mit Fahrzeugen für verschiedene Transportaufgaben an gleicher Schiene zu bewältigen ist.
Als Antriebstechnik empfiehlt sich bei der PM-Stütztechnik eine durch das magnetische Feld mögliche Kraftübertragung zum Fahrzeug, wobei es zweckmäßig erscheint, den Linearantrieb mit einer weitgehend ähnlichen Luftspaltweite wie die Stütztechnik auszustatten. Die damit verknüpften Wandlerkonzepte müssen die geforderte Antriebsleistung angesichts dieses Spalts möglichst aufwandsarm bereitstellen, ohne die Tragfunktion hierdurch wesentlich zu beeinträchtigen.
Seitenkraftstabilisierung durch Normalkräfte
Die Anwendung abstoßender Seitenkräfte zur Kompensation der durch die Tragkraftstützung bei seitlicher Verschiebung verursachten exzentrischen Versatzkräfte gelingt im Zusammenhang mit einer den Versatz in einem zweiten Spalt verstärkenden Auslenkung. Auch dieses Verfahren verlangt den Einsatz einer Regelung. Um zu einer baulich einfachen Ausführung bei begrenztem Einsatz von Magnetmaterial zu gelangen, wird mit 9 die Anwendung von geknickten Tragmagneten Mt beschrieben, die an ihrem zweiten Ende Normalkräfte erzeugen.
9 zeigt die Trag- und Führanordnung TF an der Schiene S in der Position mit den Nennspalten δ_y und δ_z. In Wechselwirkung mit den Schienenmagneten Msa wird die vertikale Stützkraft F_y am Spalt δ_y erzeugt. Am Spalt δ_z entstehen zwei Kraftkomponenten, nämlich die stellbare Kraft F_z und eine vertikale Zusatzkraft F_y. Die Führkraft F_z ist stark spaltabhängig und kann durch die von außen eingeleitete Spaltlängenänderung beeinflusst werden. Für die abstoßend wirkende Kraft bringt die Spaltverkleinerung eine exponentielle Kraftzunahme. Die Annäherung der Magnetoberflächen im Spaltraum von δ_z erfolgt durch Drehung der um den Punkt D schwenkbaren Magnetanordnung Tv, die am Tragteil Kt gelagert ist. Ausgelöst wird der Schwenkeingriff z. B. nach einer kleinen Linksauslenkung von Kt, gegenüber der Schienenmitte. Ähnlich wie beim Verfahren nach 6 und 7 wird dies durch einen Messsensor festgestellt und über einen Regler dem Stellglied St als Stellbefehl übermittelt. Über die mechanische Verbindung V erfolgt die Auslenkung des Stellhebels H im Sinne einer Linksdrehung von Tv, die zu einer Spaltverkleinerung von δ_z führt. Aus dieser in 9 dargestellten Position der Stromzentren kann deren kleiner gewordener Abstand, der größere Kräfte bedeutet, ersehen werden. Während vor dem Linksversatz im Tragspalt, die auf Kt' von den Magneten ausgeübte F_z-Komponente nicht zur Stabilisierung der Mittellage ausreichte, kann nun eine größere Kraft F_z die Rückführung ermöglichen. Bei Annäherung an die Endposition wird vom Regler die Auslenkung von Kt' wieder zurückgenommen. Zu bemerken ist, dass bei 9 vorausgesetzt wird, dass das Tragteil Kt mit mindestens zwei bezüglich F_z gegensätzlich wirkenden Anordnungen der gezeichneten Art bestückt ist, so dass sich im Normalbetrieb die beiden Kraftkomponenten F_z, z. B. erzeugt an einer rechten und einer linken Schienenseite, aufheben. Es ist ersichtlich, dass zwei dieser Anordnungen sowohl einer Schiene, als auch zwei getrennten Schienen zugeordnet werden können.
Vorteilhaft ist, dass bei Winkelauslenkungen zur Veränderung der F_z-Komponente am Spalt δ_z die geometrischen Auswirkungen am Tragspalt δ_y nur geringe Veränderungen der Magnetpositionen auslösen. Die Vorgänge an Trag- und Führspalt erweisen sich durch den tiefliegenden Drehpunkt D als nur in geringem Maße gekoppelt. Vorteilhaft ist auch zu erwähnen, dass durch das Stellverfahren am Führspalt dessen Normalwert verhältnismäßig groß angesetzt werden kann. In der Mittelstellung treten hierdurch verhältnismäßig kleine Führkräfte auf Bei Störungen hingegen genügen kleine Bewegungen, um bereits große Kraftkomponenten verfügbar zu machen. Wie sich zeigt, eignet sich das beschriebene Verfahren dieses „Magnetischen Spurkranzes” für alle Anwendungsfälle, bei denen Wert auf verhältnismäßig große Führkraft-Maximalwerte gelegt werden muss.
Stabilisierung durch stromführende Spulen
Beim Verfahren nach 9 wurde ein von außen eingeleiteter Polflächenversatz und die mit ihm verbundene Normalkraftverstärkung zur Stabilisierung der Seitenkräfte eingesetzt. Ohne mechanische Veränderungen wird nach 10 die Stabilisierung durch eine zusätzliche Feldstärkekomponente, die mit Hilfe einer Spule Sp in Polnähe der Magnete Msb erregt wird, herbeigeführt. Die Magnetanordnung ist derjenigen von 9 sehr ähnlich, so dass am Spalt δ_y von den Magneten Msa und Mt die Tragkräfte und am Spalt δ_z im Zusammenwirken mit den Seitenkraftmagneten Msb die Führkraft erzeugt wird. Da die von den Permanentmagneten erzeugten Seitenkräfte nicht ausreichen, um Kt zu stabilisieren, werden bedarfsabhängig von der Spule Sp Kraftzusatzkomponenten erzeugt. Über das Messglied Se und das Stellglied SG lassen sich mit Hilfe der Regelung R die Spulenströme beider Richtungen aus einem Spannungsnetz E aufschalten.
In 10 bewirkt z. B. der in der Spule Sp gezeichnete Strom eine Verstärkung der durch die Magneten Mt erzeugten Kraft. Ähnlich wie in 9 wird auch in 10 davon ausgegangen, dass der Spalt δ_z größer als der Tragspalt δ_y, ist, und dass der gezeichneten rechtsseitigen Trag-Führanordnung eine analog wirkende Anordnung linksseitiger Art gegenübersteht. Bei identisch ausgestatteter Zusatzerregung durch eine Spule Sp kann die Seitenkraftstabilisierung dann jeweils durch Ströme in einer Richtung vorgenommen werden. Hierdurch vereinfacht sich die Ausführung des Stellgliedes SG. Der Vorteil der Stromstabilisierung entsprechend 10 besteht hauptsächlich darin, dass alle beweglichen Teile vermieden werden, so dass aus mechanischer Sicht eine sehr einfache Anordnung entsteht. Die erforderliche Stromversorgung und Aufbereitung ist im Vergleich zu der für geregelte Zugmagneten bei Tragkraftstabilisierung als sehr aufwandsarm zu bezeichnen. Die Spule Sp kann mit begrenztem Querschnitt und verhältnismäßig hohen Stromdichten ausgelegt werden, da der Spulenstrom nur impulsartig und in größeren zeitlichen Abständen eingesetzt wird; somit also die hervorgerufenen mittleren Verluste begrenzt sind.

Claims

Magnetanordnung zur berührungslosen Stützung von ruhenden oder beweglichen Körper oder Fahrzeugen, die aus mindestens zwei Teilen besteht, eine Stützkennlinie aufweist, die mit kleinerem Stützabstand zunehmende Kräfte aufweist, wobei die wechselwirkenden Magnetpartner parallelpolar angeordnet sind und zur Vervielfachung der Tragkraft eine Erweiterung der Magnetanordnung in seitlicher Richtung dient.
Magnetanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Tragmagnete stellbar angeordnet sind, und durch Auslenkung mit Hilfe von Stellglied, Regelung und Messsensor, das Tragteil bei linearer Anwendung parallel zur Schienenmitte führen.
Magnetanordnung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der senkrechten Richtung die Magnetabmessung etwa die fünffache Länge des Nennluftspalts beträgt und die im Nennzustand erzeugte Kraftdichte größer ist als bei einem geregelten Zugmagnet bei gleichem Spalt.
Magnetanordnung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Maßnahme der Verbreiterung der Schienenmagnete gegenüber den Tragteilmagneten eine Schwächung der seitlichen Instabilität erzeugt wird.
Magnetanordnung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung von stellbaren Seitenkräften in Kombination mit einer stabil wirkenden Tragkraft annähernd rechtwinklig geknickte Magnete eingesetzt werden.
Magnetanordnung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Beeinflussung der Seitenkraft eine stromdurchflossene Spule in Wechselwirkung mit stationären Magneten dient, die Spule über ein Stromstellglied und einen Regler mit Ortssensor ausgesteuert wird.
Magnetanordnung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Antriebskonzept ein elektromagnetischer Wandler vorgesehen ist, dessen Luftspalt im selben Größenbereich wie der Nennluftspalt der Traganordnung liegt.