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Betrieb und Ausführungsform einer integrierten Trag-Vortriebseinrichtung
für Schnellbahnen (Integrierte Magnetfeld-Fahrtechnik) 1. Allgemeine Gesichtspunkte
Der in der Patentanmeldung P 2238 403.8 beschriebene Grundgedanke des neuartigen
Verfahrens basiert auf der Anwendung eines magnetischen Feldes, das Normalkräfte
zur Kompensation des Gewichtes und im Zusammenwirken mit Strömen im Spurführungselement
Vortriebskräfte erzeugt. Ähnlich wie bei der Kombination Rad-Schiene können sich'hier
in einer Einrichtung die Vortriebserzeugung, die Abstützung des Gewichtes sowie
die seitliche Führung des Fahrzeuges vereinigen.
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Das neue Verfahren erreicht diese Wirkungen mit minimalen Verlusten
gegenüber bekannten Lösungen mit stark verringertem Aufwand. Während innerhalb des
Fahrzeuges nur die Erregeranordnung der Tragmagnete anzuordnen ist und jegliche
weiteren Aggregate für die Vortriebserzeugung entfallen, sind die ferromagnetischen
Spurführungselemente mit einer Wanderfeldwicklung auszustatten, deren Strom je Längeneinheit
wesentlich durch das Verhältnis Schubkraft zu Fahrzeuggewicht bestimmt ist. Die
dank des großen magnetischen Gesamtflusses verhältnismäßig kleinen Strombeläge gestatten
die ReaIisierung geringer Verluste bei begrenztem Materialaufwand für die Wicklung
und die Anwendung großer Schaltabschnittslängen. Die Länge der gleichzeitig an Spannung
liegenden-Wicklungsabschnitte kann mit 5-lo km den aus Sicherheitsgründen
bedingten
Fahrzeugabständen entsprechen. Sie kann im Bereich der Anfahr- und Bremsstrecken
zur Verringerung der Verluste kleiner gewählt werden, als im Bereich hoher Geschwindigkeiten.
Es läßt sich ein erträglicher Aufwand für die zur Speisung der Wanderfeldwicklungen
notwendigen Unterstationen, die einen Transformator und einen Frequenzumrichter
enthalten, erreichen. Das durch den Wegfall der Antriebsanlage im Fahrzeug erreichbare
hohe Nutzgewicht, der hohe Wirkungsgrad der Energieumwandlung, der Wegfall des Energieübertragungsproblems
sowie die völlig verschlßfreie und durch die geregelten Magnetfelder und den Strom
des Frequenzumrichters optimal anpaßbare Fahrtechnik entsprechen den höchsten Anforderungen,
die an ein Verkehrssystem der Zukunft gestellt werden können.
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2. Optimaler Betrieb der Antriebsanlage bei integrierter Magnetfeldtechnik
Die Erzeugung einer in Fahrtrichtung wirkenden Schubkraft setzt die Anordnung von
elektrischen Strömen quer zur Hauptrichtung des magnetischen Feldes voraus. Die
entsprechend der periodischen Feldanordnung wellenförmig mit dem Fahrzeug laufende
Stronverteilung wird in der Wanderfeldwicklung geführt, deren Spannung die Größe
des Stromes bestimmt und deren Frequenz durch ein Meß- und Steuersystem der Fahrzeug
geschwindigkeit angepaßt werden muß. Um der Bedingung zu entsprechen, daß innerhalb
jedes Streckenabschnittes eine Anfahrt aus dem Stand ohne fremde Hilfe möglich sein
soll, muß die Frequenz des Umrichters bis auf Null herabstellbar sein. Damit entfällt
die Möglichkeit, auf der Lastseite des Umrichters einen Transformator anzuwenden,
und es entfallen alle Umrichtertypen, deren Kommutierung auf der Grundlage induzierter
Spannungen der Lastseite beruhen.
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Es bleibt der selbstgeführte zwangskommutierte Frequenzumrichter,
dessen Anwendung sich nicht zuletzt durch die bei langen Streckenabschnitten bedingten
großen subtransienten Reaktanzen ausschließlich empfiehlt.
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Bild 1 stelit einen Wicklungsabschnitt der ortsfesten Wanderfeldwicklung
und das Erregersystem des Fahrzeuges in vereinfachter Form dar. An der Wicklung
wird die durch den Frequenzumrichter nach Größe und Frequenz bestimmte Spannung
Ua angelegt, wenn das Fahrzeug in den Abschnitt einfährt. Das von den Tragmagneten
erregte magnetische Feld induziert dabei die Wanderfeldwicklung, so daß eine innerhalb
des Magnetbereiches sich aufbauende Spannung Up entsteht.
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Die Größe des Stromes 1a wird durch die zwischen Uä und gegebene Spannungsdifferenz
und durch die vom Wicklungsabschnitt repräsentierten Widerstände bestimmt. Als Widerstände
kommen innerhalb und außerhalb des Magnetbereiches dem Längenverhältnis entsprechende
ohmsche Widerstände und jeweils ein induktiver Widerstand in Betracht. Innerhalb
des Magnetbereiches verläuft das magnetische Feld der Ankerströme über einen Eisenrückschluß,
der durch die Magnete gegeben ist, während dieser außerhalb des Magnetbereiches
fehlt. Demgemäß führt der gleiche Strom 1a innerhalb und außerhalb des Magnetbereiches
zu unterschiedli,ch großen magnetischen Flüssen.
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Innerhalb des Magnetbereiches wirkt der Strom der Wanderfeldwicklung
durch sein-magnetisches Feld auf das von den Tragmagneten erzeugte Feld zurück und
ändert es zu einer dem Hauptfluß entsprechenden Größe, dem die induzierte Spannung
Uh proportional ist. Infolge des normalerweise sehr geringen Strombelages der Wanderfeldwicklung
ist diese Rückwirkung sehr klein. Auch das relativ schwache magnetische Außenfeld
(Streufeld) stellt einen Blindwiderstand X@ dar, der bei großen Längen des Wicklunsabschnittes
gegenüber dem Blindwiderstand-des Innenbereiches Xh dominant wird.
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Der Strom der Vortriebsanlaga wird damit wesentlich durch eine dem
eigentlichen Energiewandler vorgeschaltete Reaktanz bestimmt. Dies bedeutet,, daß
bei Ausgleichsvorgängen, wie z.B.
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im Falle eines Netzkurzschlusses, nur ein sehr kleiner Kurzschlußstrom
fließt.- Für die Anwendung eines Wechselrichters mit natürlicher Kommutierung werden
während der Stromübertragung zwischen verschiedenen Wicklungssträngen große Kurzschlußströme
benötigt, die bei großen Streureaktanzen nicht realisierbar sind Dieses Problem
kann nur so umgangen
werden, daß der Kommutierungsvorgang mit Hilfe
besonderer Kommutierungskreise, die eigene Energiespeicher enthalten (Zwangskommutierung),
vorgenommen wird.
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Das Spannungszeigerdiagramm, Bild 2, stellt außer der annähernd maßstabsgerechten
Verteilung der Spannungen und Spannung abfälle eine optimale Zuordnung des die Schubkraft
bildenden Stromes zum magnetischen Feld dar. Der elektronisch gesteuerte Frequenzumrichter
gestattet eine Zuordnung von Strom und Spannung derart, daß der gesamte Strom schubbildend
wirkt und damit zu minimalen Verlusten in der Vortriebsanlage führt.
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Wenn der Strom 1,a mit der vom Hauptfeld induzierten Spannung Uh phasengleich
ist, steht auch die Feldverteilung zur Strombelagswelle phasengleich, wodurch ein
Höchatwert der Schubkraft entsteht (Bild 3). Diese Zuordnung bestimmt die Form des
Spannungszeigerdiagrammes, das in rechtwinklige Einzeldiagramme zerfällt und legt
damit einen ganz bestimmten Polradwinkel 3 (Winkel zwischen den Spannungen Ua und
Up) fest,, Da im Falle des berührungsfreien Schnellverkehrs von geregelten Magneten
auszugehen ist, wird im Mittel übet die Fahrzeug länge die Feldintensität und damit
die Spannung Uh ( die dem magnetischen Fluß proportional ist) konstant gehalten,
Sie ist also für die Bestimmung des Betriebaverhaltens als gegeben anzusehen.
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Die dargestellte Spannungssteuerung stelt sicher, daß der Einfluß
des magnetischen Feldes der Ankerwicklung auf as magnetische Tragfeld verschwindend
klein ist. Der ohnehin kleine Betrag des rückwirkenden Feldes wird durch die gewählte
Phasenzuordnung, die nahezu eine um @/2 phasenverschobene Ankerrückwirkungswelle
entstehen läßt, praktisch bedeutungslos.
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Stromänderungen in der Ankerwicklung wirken sich damit auf das Tragfeld
der Magneten in kaum meßbarer Größe aus, Es ist also eine außerordentlich weitgehende
Entkopplung zwischen der Vortriebskraft und der Tragkraft erreicht (wenn von Xnderungen
der Vortriebskraft ausgegangen wird). Die dem Wandlerteil der Maschine vorgeschaltete
Reaktant bewirkt gegenüber Induktionsvorgängen, die durch Feldänderungen der Magnete
ausgelöst werden, ein Konstantstromverhalten.
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Auch dynamisch gesehen ist damit eine weitgehend. UnabhUngigkeit zwischen
Trag- und Antriebsanlage gegeben.
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3. Ausführung der Wanderfeldwicklung Um die Führung, der Stromwelle
in langen Abschnitten bei kleinen Verlusten zu ermöglichen, ist die Wicklung mit
geringer Stromdichte auszuführen. Gleichzeitig ist besonders durch die noch nicht
abgeschlossene Entwicklung der Frequenzumrichter hoher Spannung die Forderung gegeben,
mit einer kleinen wirksamen Windungszahl auszukommen, so daß die Höhe der Spannung
(bei großen Anlagen) etwa 5 kV nicht überschreiten sollte. Bei Drehstromwicklungen,
die dreisträngig ausgeführt sind, ist die'kleinste ausführbare Leiterzahl je Pol
die Zahl 3. Sind alle Pole der Wicklung in Reihe geschaltet, so ist die wirksame
Windungszahl je Strang w«;- p; ; wenn pi die Zahl der feldführenden Polpaare ist,
Eine Wicklung mit einem Leiter je Windung wird zweckmäßig als Wellenwicklung entsprechend
Bild 4a ausgeführt. Der Sternpunkt liegt an einem, der Wicklungsanschluß am anderen
Ende des Abschnittes.
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Mit einem Drittel der effektiven Windungszahl kommt eine Wicklung
nach Bild 4b aus, bei der 3 Teilstränge parallel geschaltet sind. Hierbei ergibt
sich ein etwas vergrößerter Materialaufwand, der durch die Wicklungsverbindungen
außerhalb des Eisens bedingt ist. Da die Stromdichte der Wicklung im Größenbereich
von lA/mm2 liegt und auch der Strombelag klein ist, liegt die durch die Wicklungsverluste
bedingte Temperaturerhöhung im Vergleich zu normalen Werten außmrordentlich niedrig;
es sind somit günstige Voraussetzungen für die Erzielung einer extrem hohen Lehensdauer
der''Wanderfeldwicklung gegeben.
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Auch bezüglich des Feuchtigkeitsschutzes darf davon ausgegangen werden,
daß die Herstellungstechnik kunststoffimprägnierter Hochspannungsisolationen den
gestellten Forderungen entspricht. Erfahrungen mit Isolationen, die seit einigen
Jahren auf dem Markt sind, zeigen, daß Wicklungen dieser Art, auch unter ständiger
Wassereinwirkung, betriebssicher arbeiten. Die Anwendung einer besonderen Vergußmasse'
kann
bewirken, daß der gesamte Statorblock gegen das Eindringen
von Feuchtigkeit verspiegelt ist. Auch eine Xunstßtoffabdeckung der Wicklungsverbindungen
erscheint erwägenswert, um das Eindringen von Schmutz und Feuchtigkeit in gleicher
Weise zu verhindern.
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Da die Rückenhöhe des Eisenkörpers direkt proportlonallder Polteilung
ist, wird aus Rücksicht auf den Materialaufwand eine kleine Polteilung angestrebt.
Fahrgeschwindigkeit und Polteilung bestimmen die Frequenz des Drehstromsyste:ns
die vom Wechselrichter bestinunt wird.
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Für v 2 140 m/sec (503 km/h) ergibt sich z.B. mit der Polteilung o
= 25 cm eine Frequenz von f - 280 Hz, was für zwangskommutierte Wechselrichter in
naher Zukunft ausführbar erscheint. Bild 5 zeigt eine typische Leiteranordnung;
der verhältnismäßig flache Leiter erfährt auch bei maximaler Frequenz durch den
Nutenquerfluß nur eine sehr geringe Widerstandszunahme infolge Stromverdrängung.
Um eine Verdrängungswirkung durch den in die Nut eindringenden Hauptflußanteil zu
begrenzen, kann eine Vergrößerung der Zahnhöhe bzw. eine Unterteilung in mehrere
parallele Leiter herangezogen werden. Die Anwendung einer sogenannten offenen Nut
erscheint nicht nur aus Gründen einer möglichst einfachen Wicklungsausführung sondern
auch deswegen interessant, weil die hierdurch verursachten Induktionsschwankungen
z.B.
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für die Zwecke der Ortsbestimmung des Fahrzeuges und eine im begrenzten
Umfang durchzuführende Energieübertragung auf das Fahrzeug herangezogen werden können.
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4. Geometrie des Spurführungssystems Die für die Spurführungselemente
benötigte Eisenbreite ergibt sich aus der gewünschten Normalkraft.
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Durch einen Faktor k, der zwischen o und 1 liegt, kann ausgedrückt
werden, daß durch entsprechende Gestaltung des Spurführungselementes gegebenenfalls
ein Teil der entstehenden Kraft nicht zur Tragkraftbildung beiträgt.
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Für k = 1 erreicht also bE seinen Kleinstwert und - wie Bild 6a zeigt
- steht die gesamte magnetische Zugkraft zur Kompensation des Gewichtes zur Verfügung.
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Im Bild links ist oben die Wanderfeldanordnung, unten das Magnetsystem
mit der Erregerwicklung angedeutet, Im Bild rechts ist eine Aufteilung des Eisens
in zwei Abschnitte vorgenommen und das Erregersystem mit einer zusätzlichen Steuerwicklung
ausgestattet, die entsprçchend der Patentanmeldung P 2238 402.7 zur Erzeugung stellbarer
Seitenkräfte dient.
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Diese Kräfte kommen durch eine gesteuerte Feldverdrängung zustande.
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Die Bilder 6b und 6c zeigen in unterschiedlicher Ahstufung eine durch
Schwenkung eines Teilbereiches verursachte Drehung des resultierenden Kraftvektors
F. Auf das gesamte Fahrzeug bezogen, kann die horizontale Kraftkompönente ausgeglichen
werden, wenn ein zweites Spurführungssystem in spiegelbildlicher Anordnung vorgesehen
ist. Die Horizontalkraft kann bei unterschiedlicher Aus Steuerung der beiden Seiten
zur Erzeugung seitlicher Führungskräfte dienen.
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In all' den Fällen, wo bezogen auf das Fahrzeuggewicht verhältnismä.ßig
große Schubkräfte zu vetwirklichen sind, entstehen auch große Strombeläge. Diese
sind umso schwerer nu realisieren,- je länger der Wicklungsabschnitt im Vergleich
zur Lunge der Magnetanordnung des Fahrzeuges ist. Hier kann mit k < 1 die Schuber@eugung
durch Anwendung eines nicht zur Gewichtskompensation beitragenden zusätzlichen magnetischen
Flußes wetter erleichtert werden. Die dadurch erzielte Verkleinerung des Strombelages
hat gleichzeitig zur Folge, daß Wicklungsmaterial gespart, bzw. ein verbesserter
Wirkungsgrad erreicht wird. k # 1 stellt einen vergrößerten Spielraum für die optimale
Bemessung der Antriebs- und Spurführungsanlage dar; die Verteilung der elektromagnetischen
Beanspruchungen auf Eisen und Wicklung wird damit von einem starren Schema gelöst.
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Bild 7a gibt eine Form des Fahrb alkens wieder, die bezüglich der
horizontalen und vertikalen Kräfte autark ist. Es wäre denkbar, mit einer einspurigen
Konstruktion bei nicht allzu
hohen Forderungen hinsichtlich der
Rollstabilität, z.B. eine Nahverkehrs-Hängebahn nach diesem Prinzip zu gestalten.
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Elektrisch weist die Anwendung des Vortriebssystems auf ein einziges
Wicklungsband bei kleinen Leistungen Vorteile auf (Verluste, Wicklungsaufwand, kleine
Streuung).
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Während die Anordnung 7a die Fahrzeugkonstruktion im Gleichgewichtszustand
nicht mit Horizontalkräften belastet, ist diese Aussage auf Bild 7b nicht anwendbar;
her wird wieder eine zweite Spur benötigt. Die resultierende Kraft wird durch Fa
und Fb in der Weise gebildet, daß eine das Gewicht unterstützende Komponente vorhanden
ist. Das Fahrzeug kann damit magnetisch allseitig gefesselt werden; auch Bewegungen
nach oben können durch magnetische Gegenkräfte regelungstechnisch begrenzt werden.
Da die resultierende Kraft in beiden Hauptrichtungen durch eine Differenzbildung
zustande kommt birgt die Anordnung 7b besondere regelungstechnische Vorteile. Es
resultiert unter gleichen Voraussetzungen bei den Stellgliedern der geregelten Magnete
eine Erhöhung der Regelgeschwindigkeit.
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Bezüglich der Ansprechgeschwindigkeit der Seitenführungseinrichtung
gilt diese Aussage auch für die Anordnung nach Bild 7a.
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5. Überlegungen zum Aufbau eines kombinierten Schnelltransportsystems
Wenn man davon ausgeht, daß die Einrichtung eines Personenschnellverkehrs in der
Zielvorstellung mit 500 km/h (PSV Soo) erwünscht ist, könnte ffir eine Transportvariante
ein Fahrzeug mittlerer Größe (Länge 120 m; Gewicht 170 t; Leistung etwa lo MW) zugrunde
gelegt werden. Für die integrierte Trag-Antriebsanordnung kann sich eine Geometrie,
wie sie im Bild da für k = o,5 skizziert ist, empfehlen.
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Bei Höchstgeschwindigkeit würde mit Wicklungsabachnitten von 8 km
Länge und der in Bild 5 skizzierten Wioklungsgeometrie ein Wirkungsgrad von etwa
82@ erreicht werden.
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Für Anfahrt- und Brorftsvorgänge sind besondere leistungsstark zu
bemessende Einspeisungen und evtl. verkürzte Wicklungsabschnitte zur Verringerung
der Wicklungsverluste sinnvoll.
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Beschleunigungen und Verzögerungen bis zu 2m/s2 können zu verhältnlsLnäßig
kurzen Stationsabständen führen. Dennoch wird der Anbindung von Nahverkehrsmitteln
dicht besiedelter Regionen an ein neues Schnellverkehrssystem eine große Bedeutung
zukommen.
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Im Sinne wirtschaftlicher Uberlegungen darf als ein wichtiges Ziel
gelten, auch ein großes Gütervolumen durch das neue Schnelltransportsystem zu erfassen,
wobei ein vergrößertes Fahrzeugprofil der Erweiterung des Spielraumes für die Art
des Gütertransportes dient. Bild 85 zeigt eine Möglichkeit, wie für ein Fahrzeug
mit stark vergrößertem Gewicht je Lngeneinheit und großem Querschnitt das gleiche
Antriebs-und Seitenführungssystem wie bei PSV 500 angewendet werden kann. Zur Aufnahme
des vergrößerten Fahrzeuggewichtes dienteine (nicht mit einer Wicklung-versehene)
reine Tragspur und im Fahrzeug ein zusätzliches Erregersystem für das zugehörige
magnetische Feld. Will man die für PSV 500 installierten aktiven Teile fUr den Antrieb
des Güterfahrzeuges bei konstanter Spannung verwenden, so ist die Geschwindigkeit
zu reduzieren. Bei einem Fahrzeug doppelter Länge, also L = 240 m (und einem Gewicht
von etwa looo t) ist aus Gründen der Spannungsbegrenzung beim Antriebssystem die
Geschwindigkeit auf etwa 250 km/h festzulegen (GSV 250).
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Hierbei ist selbst beim vierfachen Querschnitt des Fahrzeuges gegenüber
PSV 500 die.verfügbare Leistung von io MW noch nicht voll ausgenutzt. Die Installation
des Antriebs kann damitvfür beide Transportvarianten genutzt werden.
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Die Wirtschaftlichkeit des Güter transportes wird durch sehr hohen
Wirkungsgrad (92%) und durch die verhältnismäßig kleine Antriebsleistung je Tonne
Transportgewicht sehr günstig beeinflußt.
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Durch ein hohes Transportaufkommen aus beiden Bereichen des Personen-
und Gütertransportes kann die Wirtschaftlichkeit der neuen Fahrtechnik sichergestellt
werden.
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6. Geschwindigkeitsbeeinflussung Im Abschnitt 2 wurde ausgefUhrt,
daß eine Fahrt mit minimalen Verlusten in der Wanderfeldwicklung (die den weitaus
größten Anteil der Gesamtverluste bestimmt> voraussetzt, so dab die Strombelagswelle
mit der periodischen Magnetfeldverteilung in Phase sein muß, Weicht die Zuordnung
hiervon ab, fließen Stromanteile, die nicht schubkraftbildend wirken, Um den Energiebedarf
auf ein Minimum zu beschränken, folgt für die betriebsmäßige Geschwindigkeitsbeeinflussung,
daß die Fahrzeug führung über die Steuerung des Frequln:umrichters Zu erfolgen hat,
von wo aus die phasen- und größenrlchtige Zuordnung von Spannung und Strom und die
Vorgabe der Frequenz möglich ist.
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Die dazu erforderliche Ortsbestimmung des Fahrzeuges kann durch Erfassung
der durch die Nutung verursachten Feldschwankungen vom Fahrzeug aus durchgeführt
und über ein Nachrichten-Übertragungssystem an die Unterstation übermittelt werden.
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Sie kann auch durch ein gesondertes Meßsystem, wie es zur Polradwinkelerfassung
rotierender Synchronmaschinen verwendet wird, erfolgen.
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Die ebenfalls erforderliche Phasenbestimmung der Strombelagswelle
kann an der Einspeisestelle der Wanderfeldwicklung (nahe dem Frequenzumrichter)
erfolgen.
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Zur Erhöhung der Betriebssicherheit wird es sinnvoll sein, ein zusätzliches
Meßwert-Übertragungssystem zu überlagern, das die zuerst beschriebene Anordnung
in etwas größeren Abständen kontrolliert und z.B. eine Korrektur von Meß- und Steuerungenauigkeiten
erlaubt.
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Da das Hauptsystem keinen nennenswerten Aufwand bedingt, und das Kontrollsystem
in einem groben Raster überlagert ist, dürfte der Gesamtaufwand für die Fahrzeugführung
mit minimalen Verlusten gering sein. Bei entsprechender Auslegung des im Motorbetrieb
als Gleichrichter arbeitenden Eingangs teils des Frequenzumrichters kann im Falle
der Bremsung die kinetische Energie des Fahrzeugs in das speisende Netz zurückgeliefert
werden. Die Bremsung erfolgt wie die Steuerung der Vortriebskräfte stufenlos zwischen
o und einem vornehmlich durch die Bauteile des Umrichters bedingten Maximalwert.
Die maximalen
Bremskräfte entsprechen ohne besondere Auslegung
etwa den maximalen Schubwerten. Bei Anordnungen, deren magnetischer Fluß nicht vollständig
zur Gewichtskompensation dient (ku 1), besteht darüberhinaus die Möglichkeit, vom
Fahrzeug aus eine stufenlose Geschwindigkeitsbeeinflussung vorzunehmen.
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Eine Vergrößerung des horizontal wirkenden magnetischen~ Feldes wirkt
schubkraftsteigernd; eine Verkleinerung schubkraftschwächend. Dabei wird vorausgesetzt,
daß durch symmetrische Aussteuerung-keine resultierenden Seitenkräfte entstehen.
Da der zur Gewichtskompensation erforderliche magnetische Fluß im zeitlichen Mittel
konstant gehalten'wird, ist durch den Wert k FX ein unterer Grenzwert des hierdurch
nicht zu unterscheidenden Schubes gegeben. Eine Geschwindigkeitsbeeinflussung dieser
Art entspricht zwar nicht vollständig den Erfordernissen eines optimalen Wirkungsgrades,
kann aber dennoch sehr erwünscht sein, da sie vom Fahrzeug aus auch in dem Fall
vorgenommen werden kann, wenn die Signalübertragung zum Frequenzumrichter ausgefallen
ist.
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Eine weitere Beeinflussung der Fahrzeuggeschwindigkeit durch einen
Steuereingriff vom Fahrzeug aus ergibt sich durch Umpolen der Magnete. Hierdurch
wird die Feldwelle um 180° in der Phasenlage gegenüber der Strombelagswelle verschoben;
so daß eine Bremskraft entsteht. Soch einfacher in der technischen Durchführung
ist eine Schubkraftbeeinflussung durch Verschiebung der die Feldposition bestimmenden
Sensoren, sofern diese am Fahrzeug angeordnet sind.Damit wird die Stromwelle nicht
mehr optimal schubkraf£bildend zugeordnet; der Grenzfall ist ebenfalls die vollständige
Schubumkehr.
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Das Verfahren arbeitet stufenlos. Im Falle der Bremsung wird Energie
in das Netz zurückgeliefert.
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Fällt der Strom der Wanderfeldwicklung aus oder ist die Übereinstimmung
zwischen Fahrzeuggeschwindigkeit und Phasengeschwindigkeit der Strombelagswelle
nicht mehr-gegeben, besteht keine Möglichkeit der elektrischen Bremsung. Die mittlere
Schubkraft geht in diesem Fall auf Null zurück.
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7! Elektromagnetische Ubertragung der Energie für die Bordstromversorgung
Das beschriebene Antriebssystem zeichnet sich dadurch aus, daß auf eine Ubertragung
der Antriebsenergie auf das Fahrzeug verzichtet werden kann; sie wird stattdessen
dem ortsfesten Antriebselement über die Unterstationen zugeführt, das Bordnetz hat
für die Sicherstellung der Stromversorgung der geregelten Elektromagnete und die
Bordhilfssysteme zu sorgen. Die hierfür erforderliche Leistung liegt beträchtlich
niedriger als die Antriebsleistung; der Leistungsunterschied beträgt bei schnellen
Fahrzeugen mehr als eine Zehnerpotenz.
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Es erscheint wünschenswert, die Sicherstellung der Bordstromversorgung
ohne ZuhJlEenahme von Turbinenaggregaten zu erreichen, um die Probleme des Geräusches
und der Abgaserzeugung möglichst vollständig zu eliminieren.
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Geht man davon aus, daß für Kurzzeitbetrieb die Stromversorgung der
Magnete huber elektrochemische Pufferbatterien sichergestellt wird, so besteht die
Aufgabe, ein geeignetes Ladeaggregat für diese Batterie zu schaffen.
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Eine Einkopplung elektrischer Energie in das Fahrzeug ist auf der
Grundlage einer induktiven Wirkung durch die von den Nuten der Wanderfeldwicklung
ausgehende Modulation des magnetischen Feldes möglich. Eine durch die magnetischen
Leltwertschwankungen hervorgerufene Feldwelle läuft innerhalb des Magnetbereiches
mit einer der Fahrgeschwindigkeit entsprochenden Relativgeschwindigkeit gegenüber
der Polfläche. Für eine Wicklung entsprechend Bild 5, die mit einer Nut je Pol und
Strang ausgeführt ist, entsteht gegenüber der Grundwelle des Feldes hauptsächlich
die sechsfache Periodenzahl (siehe Bild 9>.
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In einer Drehstromwicklung, die im Polschuh der Tragmagneto untergebracht
wird, entsteht durch einen Induktionsvorgang eine Spannung der sechsfachen Grundfrequenz
der Hauptwicklung.
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Die Größe der Spannung (im Leerlauf) ist der Geschwindigkeit des Fahrzeuges
proportional. Wird die Polbreite mit 2/3 @ ausgeführt, so kann im Polschuh eine
vierpolige Wicklung untergebracht und der Maximalwert der Ubertragbaren Leistung
erzielt werden. Für eine Abschätzung der abgebbaren Leistung eines solchen Stromerzeugers
muß die ausnutzbare Xduktionsamplitude
bekannt sein. Dieser Amplitudenwert
nimmt mit der Größe des Spaltes ab. Er erreicht bei Nutformen nach Bild 5 und einem
Spalt von 2 cm etwa den Wert von o,l2 B.
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Die durch Lastanpassung erzielbare maximale Leistung des Ladeaggregates
liegt für eine Fahrgeschwindigkeit von v = loo m/sec beim 8-lofachen Betrag der
mittleren Erregerleistung.
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Durch Wahl einer verhältnismäßig hohen Betriebsspannung wird man zu
erreichen versuchen, daß bereits bei Geschwi-ndigkeiten, die deutlich unterhalb
der Höchstgeschwindigkeit des Fahrzeuges liegen, eine.Ladeleistung an das Bordnetz
bzw.
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die Pufferbatterie abgegeben wird. Dazu ist eine durch gesteuerte
Gleichrichter realisierbare Spannungsbeeinflussung auszuführen. Zur Sicherstellung
der Funktion des linearen Generators ist der Polschuhbereich des Magneten zu lamellieren.