DE2412221A1 - Differential fluid electrodynamic magnetic hover transport - with right angled figure eight shaped secondary coils parallel to primary coil planes - Google Patents
Differential fluid electrodynamic magnetic hover transport - with right angled figure eight shaped secondary coils parallel to primary coil planesInfo
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Abstract
Description
"Supra-Acht-Differenzflußverfahren, eine neue Variante der elektrodynamischen Schwebetechnik" 1. Einleitung Es empfiehlt sich, elektrodynamische Tragsysteme als Nullflußverfahren auszubilden, da die Normalflußtechnik auf Bremskräfte führt, die in der Größenordnung des aerodynamischen Widerstandes liegen und damit zu übergroßen Installationen für den Antrieb und zu hohem Energieverbrauch führen. Von dieser überbeugung ließen sich Powell und Danby leiten, deren Konstruktionsvorschlag (das Nullflußverfahren) eine Absenkung der Bremskräfte von etwa 5 % auf rund 1 % des Fahrzeuggewichts ermöglicht."Supra-eight differential flow method, a new variant of the electrodynamic Levitation technology "1. Introduction It is recommended to use electrodynamic support systems as Train zero flow method, since the normal flow technique leads to braking forces that are of the order of magnitude of the aerodynamic resistance and are therefore too oversized Installations for the drive and lead to high energy consumption. Of this Powell and Danby were guided by over-flexion, whose design proposal (the Zero flow method) a reduction in braking forces from around 5% to around 1% of the Vehicle weight allows.
Der dem physikalischen Prinzip zugrundeliegende Gedanke des Nullflußverfahrens ist revhnerisch fundiert, sowie teilweise experimentell nachvollzogen. n jedoch in eine überzeugenda Anordnung von Fahrzeug- und Fahrbahnelementen umzusetzen, dürfte außerordentlich schwer sein. Gründe dafilr sind die in mehreren Ebenen auskragende Fahrbahnform, die fliegende Anordnung von Sekundär- und Erregerspulen (Bild 1).The idea of the zero-flow method on which the physical principle is based is based on Revhner and partially experimentally reconstructed. n however to convert it into a convincing arrangement of vehicle and roadway elements be extraordinarily difficult. The reasons for this are that it protrudes in several levels Lane shape, the flying arrangement of secondary and excitation coils (Fig. 1).
Verlegt man die Erregereinrichtung für das Primärfeld nach außen und den Sekundärteil nach innen, so entsteht ebenfalls eine Nullflußanordnung, wen sich die beiden Teilfelder entgegenwirken.If you move the excitation device for the primary field to the outside and the secondary part to the inside, a zero-flow arrangement also arises if there is counteract the two subfields.
Die Vorteile dieser modifizierten Nullflußanordnung (Bild 2) liegen vor allem in dem vereinfachten Fahrbahnelement, das ein Aluminiumflachleiter sein kann. Dieser ist allerdings ebenfalls in fliegender Anordnung zu befestigen. Nachteilig ist weiter, daß auf dem Fahrzeug nun die doppelte Zahl von Magneten erhöhter elektrischer Durchflutung zu installieren sind, so daß Gewicht und Kühlleistung die Fahrzeugkonstruktion beeinträchtigen. Es kommt hinzu, daß die gleichzeitige Anwendung eines Nullflußverfahrens zum Tragen und diejenige eines synchronen Langstatorvortriebs Fahrzeug und Fahrbahnkonfiguration zusätzlich komplizieren und sich daher von selbst verbieten.The advantages of this modified zero flow arrangement (Fig. 2) lie especially in the simplified carriageway element, which will be an aluminum flat conductor can. However, this must also be attached in a flying arrangement. Disadvantageous is further that on the vehicle now double the number of magnets increased electrical Flooding must be installed so that the weight and cooling capacity of the vehicle structure affect. In addition, the simultaneous use of a zero flow method for carrying and that of a synchronous long-stator propulsion vehicle and roadway configuration further complicate and therefore prohibit themselves.
2. Das Differenzflußverfahren mit Tragkräften in Richtung der Spulenebene Das im Folgenden beschriebene Verfahren ist zwar physikalisch mit den Nullflußanordnungen verwandt, unterscheidet sich aber hinsichtlich der Fluß führung und der Wicklungsgestaltung grundlegend.2. The differential flux method with load-bearing forces in the direction of the coil plane The method described below is physical with the zero flow arrangements related, but differs in terms of the flow management and the winding design fundamental.
Leitgedanke für den hier zu beschreibenden Vcrschlag ist, mit dem Primärspulenaufwand des Normalflußverfahrens die Wirkung des Nullflußverfahrens zu erreIchen und dabei eine möglichst einfache Fahrbahn- und Fahrzeugkonfiguration zu erzielen.The main idea behind the proposal to be described here is with the Primary coil effort of the normal flux method the effect of the zero flux method to achieve the simplest possible lane and vehicle configuration to achieve.
Weniger einschneidend dürfte es hierbei sein, wenn das Spurführungselement nicht als homogene Aluminiumschiene, sondern in der Art ausgeprägter Spulen ausgeführt werden muß, sofern dadurch komplizierte Ausbildungen von Fahrbahn und Fahrzeug vermieden werden können. Für eine Leiteranordnung mit ausgeprägten Spulen spricht zusätzlich die günstigere Materialausnutzung. Da es sich beim Sekundärleitersystem um eine Kurzschlußwicklung mit Spulenspannungen im Bereich von 1 Volt handelt, besteht hier kein Isolationsproblem.It should be less drastic here if the tracking element not designed as a homogeneous aluminum rail, but in the form of pronounced coils must be, provided that this avoids complicated designs of the roadway and vehicle can be. An additional advantage is a conductor arrangement with pronounced coils the more favorable material utilization. Since the secondary conductor system is a Short-circuit winding with coil voltages in the range of 1 volt exists here no isolation problem.
Die Einfachheit der geometrischen Anordnung des Supra-Acht-Differenzflußverfahrens wird wesentlich dadurch bestimmt, daß die Spulenachsen horizontal verlaufen-. Sie sind damit gegenüber den bisher bekannten Tragsystemen um 900 gedreht.The simplicity of the geometrical arrangement of the supra-eight differential flow method is essentially determined by the fact that the coil axes run horizontally. she are thus rotated by 900 compared to the previously known support systems.
Die-Sekundärspulen sind also z. B. an der vertikalen Innenseite der Fatjrbahnlängsträger anzuordnen-. Ihre Gesamthöhe liegt im Bereich von ca. 80 cm (Bild 3a).The secondary coils are so z. B. on the vertical inside of the To arrange fatjrbahn longitudinals. Their total height is in the range of approx. 80 cm (Picture 3a).
Die Wirkungsweise der Traganordnung beruht auf der Induktionswirkung bewegter magnetischer Felder und weist die hierfür typischen Merkmale auf. Nimmt man an, daß - wie in Bild 3b gezeigt wird - der schraffierte Bereich der Spulenfläche und mit ihr die Zone der in Spulenachse verlaufenden Induktionskomponente By darstellt, so wird bei hinreichend großer Geschwindigkeit vx in der Spule eine Spannung induziert, die zu Strömen führt. Spulenströme und magnetisches Feld der Erregerspule ergeben Kräfte in den drei aufeinander senkrecht stehenden Hauptrichtungen. Hiervon sind Fx die Bremskräfte, F Seitenkräfte und Fz die Tragkräfte. Voraussetzung für die y Entstehung der Spulenströme ist eine Auslenkung in z-Richtung. Bei einer Vertikalverschiebung t entsteht in der zu einer 8 geformten Sekundärspule eine resultierende Spannung, die den Strom verursacht. Die Stromrichtung, die für die Richtung der Kraft bestimmend ist, ist so festgelegt, daß in Übereinstimmung mit der Lentz'schen Regel die Wirkung des Primärfeldes durch den Strom geschwächt wird. Hieraus folgt z. B.The mode of operation of the support arrangement is based on the induction effect moving magnetic fields and has the characteristics typical for this. Takes one assumes that - as shown in Figure 3b - the hatched area of the coil surface and with it represents the zone of the induction component By running in the coil axis, a voltage is induced in the coil at a sufficiently high speed vx, which leads to rivers. Coil currents and magnetic field of the excitation coil result Forces in the three main directions perpendicular to each other. Of which are Fx the braking forces, F lateral forces and Fz the load-bearing forces. Requirement for the y The creation of the coil currents is a deflection in the z-direction. With a vertical shift t creates a resulting voltage in the secondary coil, which is shaped into an 8, which causes the electricity. The direction of the current, which determines the direction of the force is determined so that in accordance with Lentz's rule the effect of the primary field is weakened by the current. From this it follows z. B.
die Stromrichtung in den mittleren Spulenteilen. Mit dem Strom Ix im Mittelzweig und der y-Komponente der magnetischen Induktion folgt je Längeneinheit des Leiters die Tragkraft Fz= 2 Ix By.the direction of the current in the middle parts of the coil. With the current Ix in the middle branch and the y-component of the magnetic induction follows for each unit of length of the conductor the load capacity Fz = 2 Ix By.
Damit'wird deutlich, daß hier im Gegensatz zu den bisher beschriebenen Anordnungen die Normalkomponente der Spuleninduktion zur Kraftbildung herangezogen wird. Spannungserzeu-'gung und Kraftwirkung beruhen auf der gleichen Induktionskomponente.This makes it clear that here, in contrast to those previously described Arrangements the normal component of the coil induction used to generate forces will. The generation of tension and the effect of force are based on the same induction component.
Für ein Beispiel sind in Bild 4 die Verläufe der Tragkraft F z und der Bremskraft Fx, bezogen auf F den Tragkraftwert, bei sehr hoher Geschwindigkeit aufgetragen. Fx durchläuft bei einem Bruchteil der Fahrzeug-Höchstgeschwindigkeit einen Maximalwert, um dann etwa umgekehrt proportional zur Geschwindigkeit Vx abzunehmen. Die Anwendung von mehr Leitermaterial bewirkt im oberen Geschwindigkeitsbereich eine Senkung der Bremskraft und verschiebt den Tragkraftanstieg zu kleineren Geschwindigkeiten.For an example, the curves of the load-bearing capacity F z and are shown in Figure 4 the braking force Fx, based on F the load capacity value, at very high speed applied. Fx cycles at a fraction of the vehicle's top speed a maximum value in order to then decrease approximately inversely proportional to the speed Vx. The use of more conductor material results in the upper speed range a reduction in braking force and shifts the increase in load capacity to lower speeds.
Die Abhängigkeit der Tragkraft von der Auslenkung ist bei konstanter Geschwindigkeit in Bild 5 dargestellt. Fo und 0 sind die Werte im Ruhezustand, in dem ohne dynamische Einflüsse gerade das Fahrzeuggewicht kompensiert wird.The dependence of the load-bearing capacity on the deflection is constant Speed shown in Figure 5. Fo and 0 are the values at rest, in the vehicle weight is compensated without dynamic influences.
3. Ausführung von Erregerspulen und Sekundärwicklung Für die Supraleitertechnik besteht die Aufgabe, eine Erregerspule zu bauen, die im Abstand von 20 -. 25 cm von der Wicklungsebene eine in der Spulenachse wirkende Induktionskomponente von etwa 1 T entwickelt.3. Execution of excitation coils and secondary winding For superconductor technology the task is to build an excitation coil that is spaced 20 -. 25 cm from the winding plane an induction component of acting in the coil axis about 1 T.
Induktionen dieser Größe werden bei ähnlichem Abstand auch beim Normalflußverfahren bereitgestellt.Inductions of this size are also used with the normal flow method at a similar distance provided.
Nicht nur die in der Mittelachse der Erregerspule liegenden Leiter der Sekundärspule, scndern auch die äußeren Rückleiter beteiligen sich an der Tragkraftbilduna. Bild 6 zeigt den Verlauf von-Tragkraft und Bremskraft in Abhängigkeit vom'Verhältnis der Spulenbreite b /b . Als Bezugswert ist die jeweilige sp Kraft bei gleichen Spulenbreiten gewählt. Es erscheint sinnvoll, für b /b Werte um 1,5 bis 2 zu wählen.Not just the conductors lying in the center axis of the excitation coil of the secondary coil, the outer return conductors also contribute to the formation of the load capacity. Figure 6 shows the course of the load capacity and braking force as a function of the ratio the coil width b / b. The reference value is the respective sp force with the same coil widths chosen. It makes sense to choose values around 1.5 to 2 for b / b.
Die Leiter sind zur Unterdrückung von Wirbel strömen aus dünnen Aluminiumteilleitern auszuführen, deren Oxidationsschicht isolierend wirkt. Sie sind damit flexibel und können in der angegebenen Form verlegt und eingegossen werden.The conductors are made of thin aluminum partial conductors to suppress eddy currents perform whose oxidation layer has an insulating effect. You are flexible with it and can be laid and cast in the specified form.
Durch die in den Bildern 3a und 3b skizzierte symn-etrisch überlappende Anordnung der kurzgeschlossenen Einzelspulen wird erreicht, daß Tragkraftschwankungen vermieden werden. Überlappen sich 2 Spulen, so ist das Überlappungsmaß gleich der halben Spulenweite; sind 3 Spulen an der uberlappllng beteiligt, so beträgt das überlappungsmaß 1/3 der Spulem^Tei-e.Through the symmetrically overlapping one sketched in Figures 3a and 3b Arrangement of the short-circuited individual coils is achieved that fluctuations in the load capacity be avoided. If 2 coils overlap, the amount of overlap is the same as that half spool width; if 3 coils are involved in the overlap, this amounts to overlap dimension 1/3 of the Spulem ^ Tei-e.
4. Die Seitenkräfte - Spulenebene gegenüber der Vertikalen geneigt Zur seitlicnen Führung des Fahrzeuges werden stabilisierend wirkende Kräfte Fy benötigt, wobei es zulässig erscheint, die in beiden Teilspuren wirkenden Kräfte in ihrer Sunde auszunutzen und die Stabilisierung nicht von einer Teilspur zu verlangen.4. The lateral forces - coil plane inclined to the vertical For the lateral guidance of the vehicle, stabilizing forces Fy are required, whereby it seems permissible to use the forces acting in both partial tracks in their To take advantage of Sunde and not to require the stabilization of a partial track.
Die bisher beschriebene Traganordnung erweist sich hinsichtlich der in y-Richtung wirkenden Kräfte in diesem Sinne als stabil, d. h. bei einer Verschiebung in y-Richtu1ig treten rückstellende Kräfte auf. Allerdings ist der Betrag der seitlichen Rückstellkräfte zu gering, um gegenüber allen vorkommenden Störkräften eine ausreichende Führung zu gewährleisten.The support arrangement described so far proves to be in terms of Forces acting in the y-direction as stable in this sense, d. H. in the event of a shift restoring forces occur in the y-direction. However, the amount is lateral Restoring forces too low to be sufficient against all disturbing forces that occur Ensure leadership.
um die Seitenkräfte etwa um den Faktor 10 zu vergrößern, genügt die Anwendung einiger zusätzlicher Spulen. Es erscheint indes nicht notwendig, zusätzliche Spurführungseinrichtungen anzuwenden. Die wenigen notwendigen Seitenführungsspulen lassen sich so anbringen, daß sie im sekundären Leitersystem einen positiven Beitrag zur Induktion der Spannungen leisten.to increase the side forces by a factor of about 10, the is sufficient Application of some additional coils. However, it does not seem necessary to provide additional To apply tracking devices. The few necessary lateral guide coils can be attached in such a way that they make a positive contribution to the secondary ladder system to induce the tensions.
Ihre Induktion B bildet mit dem Gesamtstrom 21 der Tragz x spulen die Seitenkraft. Hierzu muß die Spulenachse der Seitenführungsspulen vertikal ausgerichtet werden. Bild 7 zeigt die Anordnung einer Doppelspule, die in gemeinsamen Kryostaten untergebracht werden kann. Da die Zahl der Seitenführungsspulen höcnstens die halbe Zahl der Tragspulen erreicht, erscheint der zusätzliche Aufwand tragbar.Your induction B forms with the total current 21 of the Tragz x coils the lateral force. For this purpose, the coil axis of the lateral guide coils must be aligned vertically will. Figure 7 shows the arrangement of a double coil in common cryostat can be accommodated. Since the number of lateral guide coils is at most half that When the number of reels is reached, the additional effort appears to be manageable.
Es zeigt sich, daß bei Anwendung der Seitenführungsspulen sowohl F als auch F in annähernd gleicher Weise ansteigen, so x daß der Quotient Fx/F z praktisch konstant bleibt.It turns out that when the lateral guide coils are used, both F and F increase in approximately the same way, so x that the quotient Fx / F z practically remains constant.
Wie die Rechnung weiter ergibt, sinkt die Eigenfrequenz fe gegenüber Vertikalschwingur.gen durch die Überlagerung eines der Auslenkung t weniger als proportionalen Stromanteils. Die Hilfsspule mit senkrechter Spulenachse kann auch als Mittel zur Beeinflussung der Federkennlinie betrachtet werden.As the calculation also shows, the natural frequency fe decreases in comparison Vertical oscillation .gen due to the superposition of one of the deflection t less than proportional current component. The auxiliary coil with a vertical coil axis can also can be viewed as a means of influencing the spring characteristic.
Eine andere Möglichkeit, ohne zusätzliche Spulen die seitlichen Führungskräfte zu erzeugen, besteht darin, die Wicklungs-0 ebene um einen Winkel von etwa 30 gegen die Senkrechte zu neigen (s. Bild 8).Another option without additional coils is the side executives To generate, consists in the winding-0 plane by an angle of about 30 against to incline the vertical (see Fig. 8).
Hierbei macht man sich die starke Abhängigkeit der Kraft F z (und ihrer Komponenten Fz und Fy) vom Abstand der Spulenebenen z y zunutze. Bei einer Verschiebung des Fahrzeuges zur Sekundärspule hin vergrößern sich die Rückstellkräfte Fy.Sie bewirken y eine (ailerdings wenig gedämpfte) Rückführung in die Mittelebene. Um bei einer solchen Konfiguration eine resultierende Seitenkraft von etwa 0,4fachem Fahrzeuggewicht bei einer Auslenkung von 2 . 3 cm zu erreichen, scheint ein Winkel oC von wenig mehr als 300 ausreichend.The strong dependency of the force F z (and their components Fz and Fy) from the distance between the coil planes z y. At a Shifting the vehicle towards the secondary coil increases the restoring forces Fy. They bring about y (albeit less damped) return to the central plane. In order to achieve a resulting side force of about 0.4 times with such a configuration Vehicle weight with a deflection of 2. Reaching 3 cm seems like an angle oC of little more than 300 is sufficient.
5, Die Frage des Antriebs Weit mehr noch als beim elektromagnetischen Tragsystem verlangt die elektrodynamische Schwebetechnik nach einem nicht fahrzeug«ebundenen Antrieb, der das verhältnismäßig große Spiel zwischen Fahrzeug und Fahrweg nicht durch die Ankopplungsbedingungen des Kurzstatormotors einschränkt.5, The question of the drive Far more than that of the electromagnetic one Electrodynamic levitation technology demands a support system that is not tied to a vehicle Drive that does not have the relatively large clearance between the vehicle and the track limited by the coupling conditions of the short stator motor.
Eine zusätzliche Ausstattung des Fahrzeuges mit supraleitenden Spulen, ausschließlich für die Vortriebsbildung, stößt jedoch.aus mehreren Gründen auf Schwierigkeiten, so daß der dringende Wunsch, die Tragspulen gleichzeitig mit für die Vortriebsbildung heranzuziehen, bestehen bleibt.An additional equipment of the vehicle with superconducting coils, exclusively for the formation of tunneling, but encounters difficulties for several reasons, so that the urgent desire to use the support coils at the same time for the formation of propulsion to use remains.
Wie eine durch Bild 9 verdeutlichte Überlegung zeigt, induziert das magnetische Feld einer Spule der Wanderfeldwicklung des Langstators in der 8-fsrmigen Spule des Tragsystems keine Spannung, da sich die beiden Anteile des magnetischen Feldes in der oberen und der unteren Hälfte für die Spannzngsbildung aufheben; die beiden Spulen sind entkoppelt. Das gilt für die gesamten Wicklungen ebensc wie für Einzelspulen, wobei auch die Form einer Einlaitet-Mäander-Wicklng mit eingeschlossen ist. Die einzige Bedingung besteht darin, daß eine symmetrische Anordnung hinsichtlich der vertikalen Lage gegeben ist, Daraus darf gefolgert werden, daß Trag- und Vortriebswicklung in enger Nachbarschaft zueInander im gleichen Fahrwegbett angeordnet werden können.As a consideration illustrated in Figure 9 shows, this induces magnetic field of a coil of the traveling field winding of the long stator in the 8-shaped Coil of the support system no tension, since the two parts of the magnetic Cancel the field in the upper and lower halves for the creation of the clamping mechanism; the both coils are decoupled. This applies to the entire windings as well as to Single coils, including the shape of a single-line meander winding is. The only condition is that there must be a symmetrical arrangement with respect to the vertical position is given, it may be concluded from this that the load-bearing and propulsion winding can be arranged in close proximity to one another in the same guideway bed.
Im Falle einer um den Winkel az geneigten Spulenebene wirkt es sich günstig aus, daß mit einem etwas verstärkten magnetischen Fluß ein kleinerer Strombelag für die Schubbildung im Vergleich zu einer senkrechten Wicklungsebene benötigt wird.In the case of a coil plane inclined by the angle az, it has an effect favorable from the fact that with a somewhat increased magnetic flux, a smaller current load is required for the formation of thrust compared to a vertical winding plane.
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