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Integriertes elektromagnetisches Trag- und Antriebssystem für spurgebundene
adhäsionslose Fahrtechnik 1. Einleitung Zu den Merkmalen der spurgebundenen adhäsionslosen
Fahrtechnik mit Hilfe magnetischer Felder gehört heute noch eine gewisse Konstruktionserschwernis,
die mit der Erregung der magnetischen Felder und der Bereitstellung der nötigen
(magnetisch leitfähigen) FeldrückschluP-Elemente längs der Strecke verbunden ist.
Beim bisherigen Stand der Systemkonzeptionen geht man weiter i. a. davon aus, daß
der elektrische Linearantrieb vom elektromagnetischen oder elektrodynamischen Tragsystem
völlig getrennt ist. Bekannt sind allerdings Vorschläge [1] , theoretische Untersuchungen
[23 und vorführbereite Experimentaleinrichtungen [3] den Linearmotor so auszubilden
und zu steuern, daß er die Doppelfunktion zu tragen (gegebenenfalls seitlich zu
fuhren) und anzutreiben (bzw. zu bremsen) übernimmt.
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Hierdurch gelingt auch eine. Kombination von Traktionselement (z.
B. Sekundärteil des einseitig wirkenden asynchronen Linearmotors) und Spurführungselement,
was zu verringertem Trassenaufwand führt. Nachteilig wirkt sich die enge Kopplung
von Trag- und Traktionskräften aus, der durch entsprechende Steuerung des den Motor
speisenden Wechselrichters (vermutlich nur unvollständig) begegnet wird. Ohne Auswirkungen
bleibt diese Art der Kombination von Trag- und Antriebsfunktion auf das Problem
der Energieübertragung zum Fahrzeug und den verhältnismäßig hohen elektrischen Aufwand
für das Antriebsaggregat (Motor, elektronische Stellglieder) im Fahrzeug. Hierdurch
ist bei llochgeschwindigkeitsbaiinen wegen des geringen Nutzgewichtanteils die Wirtschaftlichkeit
des Fahrzeugeinsatzes beeinflußt; bei Nahverkehrs fahrzeugen stört auch der Einbau
hochempfindlicher Aggregate im Fahrzeug in soweit, als sie vor der Einwirkung Sachunkundiger
nur schwer zu schützen sind.
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2. Ein integriertes elektromagnetisches Trag- und Antriebssystem auf
der Grundlage geregelter Zugmagnete und eines elektrischen Linearmotors Wird nicht
der Linearmotor als Grundelement eines kombinierten Trag-Antriebssystems gewählt,
sondern vom Zugmagneten ausgegangen, so können für ein kombiniertes System weitere
Vorteile abgeleitet werden.
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2.1 Der geregelte Zugnagnet Gegenüber allen anderen nagnetischen Tragsystemen
weist der geregelte Zugmagnet den Vorteil eines minimalen Materialkostenanteils
für das Spurführungselement auf. Die Leistung zur Bereitstellung des statischen
Ruhewerts des magnetischen Feldes ist bezogen auf das Fahrzeuggewicht gering (ca.
1-2 kW/Mp); gering ist auch der durch die Fahrzeugbewegung bedingte Fahrwiderstand,
wenn bestimmte Vorkehrungen bei der Bemessung der Spurführungselementes und der
Magnete getroffen werden. Zu berücksichtigen ist der Kostenanteil der zur Steuerung
der Magnetströme notwendigen elektronischen Stellglieder, der von den dynamischen
Forderungen der Regelung (hohe Stelfigkeit bedingt große Spannungsüberhöhung) abhängig
ist. Interessant dürfte in diesem Zusammenhang die Anwendung kleinerer (kurzer)
Magnete mit einem Spalt von 5-8 mn fiir den Einsatz in @ahverkehrsfahrzeugen nein,
da die zugehörigen Stellglieder schon heute im Bereich der mit Transistoren zu bewältigenden
Leistungen liegen und danit weniger aufwendig sind.
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Auch für Fahrzeuge mit großem Gewicht je Längeneinheit ergeben sich
wieder besondere Vorteiler da zwar der Trassenanteil durch das Spurführungselement
proportional nit dem Gewicht steigt, der Leistungsbedarf der magneten vor Gewicht
jedoch weit weniger abhängig ist, so daß der Anteil der Stellglieder relativ zurücktritt0
Eine Systemverbesserung ist durch den Vorschlag, eine die Seitenführungskräfte erzeugende
Steuerspule in die Pole des Tragmagneten einzubauen, erreichbar. Vereinfachungen
der Weichenausführung, größere maximale seitliche Auslenkung, geringe regelungstechnische
Kopplung der Trag--und Seitenführung sind damit verbunden. Weiter ist auch bekannt
( P22 30 4b1.3), daß Möglichkeiten bestehen, ohne Anwendung regelungstechnischer
Maßnahmen Zugmagneten durch ein elektrodynamisches Verfahren zu stabilisieren.
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2.2 Der elektrische Linearantrieb Völlir unabhängig von der Idealvorstellung,
den Antrieb mit dem Tragsystem zu kombinieren, darf festgestellt werden, daß die
bisher untersuchten bzw. bekannten Antriebsvarianten nicht annähernd allen technischen
und Wirtschaftlichen Grund forderungen in vollem Umfang entsprechen. Bei Wanderfeldmotoren
für hohe Fahrgeschwindigkeiten sind schwerlich Gewichte für das gesamte Antriebssystem
(einschließlich Stellglied). von weniger als 2 kg/kW denkbar; der Volumenanteil
am Fahrzeug ist außerdem verhältnismäßig groß. Um eine verlustarme und gleichzeitig
stufenlose Geschwindigkeitsbeeinflussung zu erreichen, ist die Entwicklung von }iochleistungswechselrichtern
für Betriebsspannungen im @ereich von 20 kV erforderlich, da aus Gewichtsgründen
auf den Transformator im Fahrzeug verzichtet und der Kostenanteil für das Stromzufiiiirunr'ssystern
niedrig gehalten werden muß. Die verhältnismäßig langsamen Fortschritte in der Einführung
hochsperrender und gleichzeitig schneller rjhyristoren lassen z. Zt. eher jene Lösungen
erfolgreich erscheinen, bei denen das Problem der Zwangskommuntierung durch Anwendung
besonderer @lindleistungsserzeugung auf der Motorseite umgangen wird.
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Auch im günstigsten Falle einer wechselrichtergespeisten linearen
ASM wird es großer Optimierungsanstrengungen bedürfen, um den durch die Endeffekte
beeinträchtigten Wirkungsgrad nennenswert über 70 % anzuheben.
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Auch bei den bisher bekannten Synchronversionen des Lincarmotors ist
keine besonders günstige Voraussetzung für eine verlustarme Energieumwandlung gegeben,
da insbesondere bei größeren Spalten die zusätzliche Erregerleistung ins Gewicht
fällt und ungünstige Entwurfsbedingungen fiir die Auslegung der Wanderfeldwicklung
bestehen. Es kommt hinzu, daß bei großen Spalten auch der Trassenaufwand (mit der
Spaltweite etwa proportional) ansteigt.
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Für Synchron - und Asynchronantriebe, deren Primärteile sich auf dem
Fahrzeug befinden, gilt, daß sie eine aufwendige (nach Gewicht, Volumen und Preis
belastende) technische Fahrzeugausstattung, eine zusätzliche Traktionseinr- chtung
längs der Trasse und die nur schwer zu realisierende Energieübertragung zum Fahrzeug
verlangen und außerdem der öhe der Leistung unange messen niedrige Umwandlungswirkungsgrade
ergeben.
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2.3 Beschreibung des integrierten Trag-Antriebssystems Grundlage des
integrierten Systems ist ein durch im Fahrzeug befindliche Erregeranordnungen bereitgestelltes
magnetisches Feld zur Erzeugung der tragkräftefi das gleichzeitig die Aufgabe übernimmt,
zusammen mit läng der Spurführungselemente verteilten Strömen dieSchubkraft zu bilden.
Hierbei ist davon auszugehen, daß ausreichend große Tragkräfte durch magnetische
Felder nur dann entstehen, wenn das Feld in Richtung Fahrzeuglänge einen nennenswerten
Teil (z. B. etwa 50 X) der Fahrzeugausdehnung einnimmt. Außerdem ist die magnetische
Induktion des Feldes im Bereich zwischen 5 und 7 kG (entsprechend einer spez. Tragkraft
von 1-2 kp/cm ), also verhältnismäßig hoch.
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Der durch Zusammenwirken von magnetischer Induktion und elektrischen
Strömen erzeugte Schub eines Linearmotòrs üblicher Bauart wird auf verhältnismäßig
kleiner Grundfläche erzeugt. Dabei entspricht die magnetische Induktion annähernd
derjenigen der Tragmagnete (sie ist normalerweise kleiner)! während die Konzentration
der Ströme (Strombelag = Strom je Längeneinheit der Motorgrundfläche) groß ist.
Zieht man das magnetische Feld der Zugmagneten für die Schuberzeugung heran, vergrXßert
sich die Wirkungsfläche des Schubes um mehr als den Faktor 20.
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Um diesen Faktor darf also der Strombelag (bei Gleicher magnetischer
Induktion) abnehmen, so; daß der Materialaufwand zur Führung der Ströme im Bereich
des Spurführungselementes stark abnimmt. Wichtig ist auch, daß mit kleiner werdendem
Strombelag im feststehenden Teil auch die elektrischen Verluste abnehmen, so daß
daran gedacht werden kann, einen größeren Wicklungsabschnitt, der merklich länger
als das Fahrzeug ist, einzuschalten. Der kleine Strombelag bewirkt auch eine sehr
starke Reduzierung der mit dem Wicklungsteil außerhalb des Fahrzeuges verbundenen
magnetischen Energie (die dem Strombelag im Quadrat proportional ist). Wenn die
Möglichkeit besteht, bei gutem Umwandlungswirkungsgrad (kleinen Verlusten) einen
langen Streckenabschnitt einzuschalten und mit Strom zuversorgen, hat dies Vorteile
für die Wahl der Schaltelemente bzw. den Gesamtumfang der zur Steuerung des Motors
notwendigen Stellglieder. Zahl und Kosten dieser Stellglieder sind der Länge der
Teilabschnitte umgekehrt proportional. Die in der Spurführungseinrich tnng unterzubringende
Wicklung wird über ein Stellglied z. B. von einem Transformator gespeist, der über
eine besondere Speiseleitung mit der Energiequelle, dem Kraftwerk oder dem Verbundnetz
in Verbindung steht.
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Eine besondere Energieübertragungsanlage mit Hilfe von Schleifkontakten
oder Hochstrom-Lichtbögen kann entfallen. Damit steht der in den Spurführungselementen
unterzubringenden Traktionswicklung und den zu jedem Wicklungsabsohnitt gehörenden
Stellgliedern der Vorteil der völlig entfallenden Antriebsanlage auf den Fahrzsugens
der entfallende Trassenteil des Linearmotors,~ die nicht vorhandene Energieübertragungseinrichtung
und ein nennenswert besserer Wirkungsgrad der gesamten Energieumwandlung gegenüber
Auf Grund dieser Gegenüberstellung darf erwartet werden, daß die untere Grenze der
Länge für den gemeinsam zu speisenden Wicklungsabschnitt,bei dem gleiche Gesamtkosten
wie bei einem mit konventionellen Linearantrieb ausgestatteten System erreicht werden,
erheblich niedriger-liegen wird als der'Zugabstand. Rechnungen zeigen, daß auf Schnellbahnverhältnisse
bezogen sehr günstige Werte für die Wicklung und den Antriebswirkungsgrad erreicht
werden1 wenn die Länge des Streckenabschnittes im Bereich von 1 km gewählt wird.
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Je nachdem, ob in Fahrtrichtung betrachtet die Polarität der Einzelmagnete
wechselt oder nicht, wird für den Antrieb das Grundprinzip einer Wanderfeldsynchron-
oder einer Gleichstrommaschine festgelegt. Gleiche Magnetfeldrichtung im Spur fiihrungsel
em ent setzt dort gleiche Stromrichtung im gesamten Streckenabschnitt voraus. Dies
ist wicklunxstechnisch bei der gleichzeitig notwendigen Reihenschaltung innerhalb
der Teilabschnitte nur sehr schwer realisierbar. Sehr vorteilhaft wäre bei einer
Gleichstrom-Antriebsanlage die verhältnismäßig einfache Geschwindigkeitsbeeinflussung
mit Hilfe eines gesteuerten Gleichrichters. Bei alternierenden Polen der Tragmagnete
ist die Wicklung der Spurführung als Wanderfeldwicklung möglichst dreiphasig mit
einer der Magnetteilung entsprechenden Polteilung auszulegen und mit einer der Fahrzeuggeschwindigkeit
zugeordneten Frequenz der Wechselströme zu speisen.
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Letzteres ist die Aufgabe eines Frequenzumrichters, über den der Streckenabschnitt
mit Energie versorgt und das Fahrzeug gesteuert wird. Die Steuerung ist so zu konzipieren,
daß höchstzulässige Werte der Phasenverschiebung zwischen Feld- und Stromwellen
nicht überschritten werden, sofern die Stabilität des Betriebes gewährleistet sein
soll. Bei zusätzlicher Blindleistungseinspeisung auf der Lastseite kann der Wechselrichter
mit natürlicher Kommuntierung arbeiten und auch für Spannungen im Bereich zwischen
10 und 2D kV ausgelegt werden; es entfällt dann ein Transformator auf der Lastseite.
Andernfalls kann auf der Lastseite ein
zusätzlicher Transformator
notwendig sein. Bild 1 stellt das Grundsätzliche der Motoranordnung und Bild 2 die
Schaltung dar.
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Die im unteren Teil des Bildes 1 gezeichneten Spulen, die sich mit
ihren Stellgliedern auf dem Fahrzeug befinden, führen einen der Tragfunktion entsprechenden
Strom, der über Meßglieder und durch Vergleich mit bestimmten Sollwerten bestimmt
wird. Änderungen des durch die Schubkraft festgelegten Motor-Strombelages bedingen
nur geringe Einflüsse auf das resultierende magnetische Feld und damit die Tragkraft,
da der Strombelag klein und der Spalt verhältnismäßig groß ist. Die kleine verbleibende
Koppelung zwischen Schub- und Tragfunktion kann durch regelungstechnische Maßnahmen
ausgeglichen werden. Verglichen mit der für den Antrieb notwendigen Leistung ist
die Leistung zur Speisung der Tragspulen (i. a. um mehr als den Faktor 10) kleiner.
Selbst unter Berücksichtigung der zur raschen Aussteuerung des Magnetstromes notwendigen
Leistungsreserve erscheint es unschwer möglich, diese Leistung durch Stromerzeugungsaggregate
auf dem Fahrzeug bereitzustellen. hierdurch kann ein Höchstmaß an Ausfallsicherheit
für das Tragsystem erzielt werden. Bei Transportsystemen mit kleineren Geschwindigkeiten
wird die Stromübertragung zum Fahrzeug mit Hilfe von Schleifkontakten die einfachere
Lösung sein.
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Im Bild 2 das die den beiden lahrzeugspuren entsprechenden traengebundenen
Wicklungsabschnitte und ihre Ankoppelung an die Hochßpannungrs-Energiezuführung
darstellt, ist die Steuerverbindung zwischen dem Fahrzeug und dem zum Abschnitt
gehörigen Frequenzumrichter nicht dargestellt.
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Sie ist notwendig, wenn vom Fahrzeug aus eine Einwirkungsmöglichkeit
auf Schubkraft und Geschwindigkeit gegeben sein soll.
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Im Falle der Nahverkehrsantriebe sind die Wicklungsabschnitte dem
geringe ren Fahrzeugabstand entsprechend kleincr, die angewendeten Spannungen sind
ebenfalls geringer.
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Um die stoß freie Umschaltung von einem auf den anderen Wicklungsabschnit
t zu ermöglichen, sind besondere Maßnahmen der Steuerung der Umrichter und gegebenenfalls
die Anwendung von zusätzlichen Energiespeichern zur Glättung der Ausgleichsvorgänge
notwendig.
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Schließlich soll erwähnt werden, daß die Seitentührungskräfte durch
zusätzliche Steuerspulen, die in den Polbereichen der Traguagneten untergebracht
sind, erzeugt werden können. Es kann sich dabei als vorteilhaft
erweisen,
das Eisenteil des Spurführungselementes in seiner geometrsichen Form etwas abzuwandeln.
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Grundsätzlich erscheint es auch möglich, elektrodynamisch stabilivierte
Zugmagnete (Patentanmeldung P 22 30 167.3) für ein integriertes Trag-Antriebssystem
zugrunde zu legen.