DE2412221B2 - Electrodynamic support and guide system - Google Patents
Electrodynamic support and guide systemInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein elektrodynamisches Trag- und Führungssystem der im Oberbegriff des Anspruchs t genannten Art.The invention relates to an electrodynamic support and guide system in the preamble of Claim t mentioned Art.
Es empfiehlt sich, elektrodynamische Tragsysteme als sogenannte Nullflußsysteme auszubilden, da nach Überlegung von Powell und Danby (US-PS 34 70 828; »Cryogenics and Industrial Gases«, Okt. 1969, Seiten 19—24), eine Absenkung der auf das Fahrzeuggewicht bezogenen Bremskräfte auf etwa ein Fünftel ermöglicht wird.It is advisable to design electrodynamic support systems as so-called zero flow systems, since after Consideration by Powell and Danby (US-PS 34 70 828; "Cryogenics and Industrial Gases", Oct. 1969, pages 19-24), a reduction in the weight of the vehicle related braking forces to about a fifth is made possible.
Der dem physikalischen Prinzip zugrundeliegende Gedanke des Nullflußverfahrens ist rechnerisch fundiert sowie teilweise experimentell nachvollzogen. Ihn jedoch in eine überzeugende Anordnung von Fahrzeug- und Fahrbahnelementen umzusetzen, dürfte außerordentlich schwer sein. Gründe dafür sind die in mehreren Ebenen auskragende Fahrbahnform, die fliegende Anordnung von Sekundär- und Erregerspulen, wie dies beispielsweise in F i g. 1 dargestellt ist (US-PS 34 70 828, Figur 12).The idea of the zero flow method on which the physical principle is based is computationally founded as well as partially reproduced experimentally. However, in a convincing arrangement of vehicle and Implementing roadway elements is likely to be extremely difficult. The reasons for this are in several Flat cantilevered carriageway shape, the flying arrangement of secondary and excitation coils, like this for example in FIG. 1 is shown (US-PS 34 70 828, Figure 12).
Verlegt man — wie Fi g. 2 zeigt — die fahrzeugseitigen .Erregerspulen für das Primärfeld nach außen und den streckenseitigen Sekundärteil nach innen (»Cryogenics and Industrial Gases«, Okt 1969, Seiten 19—24), so entsteht ebenfalls eine Nullflußaaordnung, wenn Sekundärspulen zwischen Erregerspulen hineinragen und sichIf you lay - as Fig. 2 shows - the vehicle-side .Excitation coils for the primary field to the outside and the track-side secondary part to the inside (»Cryogenics and Industrial Gases ", Oct 1969, pp. 19-24), supra there is also a zero flux order when secondary coils protrude between excitation coils and yourself
ίο die beiden Teilfelder der Erregerspulen entgegenwirken.
Die Vorteile dieser modifizierten Nullflußanordnung liegen vor allem in dem vereinfachten Fahrbahnelement,
das auch ein Aluminiumflachleiter sein kann, und darin, daß der Außenseite der Erregerspulenanordnungen
die Wicklung eines synchronen Langstatorvortriebs zugeordnet werden kann. Dabei sind allerdings
nicht nur die Erregerspulen, sondern auch die Tragelemente in fliegender Anordnung zu befestigen.
Nachteilig ist weiter, daß auf dem Fahrzeug nun die doppelte Zahl von Erregerspulen erhöhter elektrischer
Durchflutung zu installieren sind, so daß Gewicht und Kühlleistung die Fahrzeugkonstruktion beeinträchtigen.
Bei einem elektrodynamischen Trag- und Führungssystem der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten
Art (US-PS 34 70 828, Figur 5) ist es zum seitlichen Führen des Fahrzeuges bekannt, einer Erregerspulenanordnung
mit waagerechten Spulenebenen zwei sekundäre Spulensysteme in auskragender Anordnung zuzuordnen,
deren Leiterschleifen die Form einer Acht haben. Hiermit lassen sich starke Führungskräfte
erzielen. Zur Erzeugung von Tragkräften sind in diesem bekannten Fall umfangreiche weitere sekundäre Spulensysteme
erforderlich.
Der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit dem im Oberbegriff angegebenen
Sekundärspulensystem unter möglichst geringem Aufwand an fahrzeugseitigen Erregerspulen sowohl
Trag- als auch Führungskräfte in ausreichendem Maß zu erzeugen.ίο counteract the two subfields of the excitation coils. The advantages of this modified zero flux arrangement are primarily in the simplified track element, which can also be an aluminum flat conductor, and in the fact that the winding of a synchronous long stator propulsion can be assigned to the outside of the excitation coil arrangement. In this case, however, not only the excitation coils but also the support elements are to be attached in a floating arrangement. A further disadvantage is that twice the number of excitation coils with increased electrical flow have to be installed on the vehicle, so that weight and cooling capacity impair the vehicle construction. In an electrodynamic support and guidance system of the type mentioned in the preamble of claim 1 (US-PS 34 70 828, Figure 5), it is known for lateral guidance of the vehicle to assign two secondary coil systems in a cantilevered arrangement to an excitation coil arrangement with horizontal coil planes, their conductor loops are in the shape of an eight. This is how strong leaders can be achieved. In this known case, extensive additional secondary coil systems are required to generate load-bearing forces.
The invention specified in claim 1 is based on the object of using the secondary coil system specified in the preamble to generate sufficient amounts of both support and management personnel with as little expenditure as possible on vehicle-side excitation coils.
Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöstThis object is achieved by the features specified in the characterizing part of claim 1
Durch die Erfindung wird ein Differenzflußverfahren mit Tragkräften in Richtung der Spulenebene und mit
Führungskräften geschaffen. Dabei ist die Erfindung zwar physikalisch mit den Nullflußanordnungen verwandt,
unterscheidet sich aber hinsichtlich der Flußführung und der Wicklungsgestaltung grundlegend. Weniger
einschneidend dürfte es hierbei sein, daß das Spurführungselement nicht als homogene Aluminiumschiene,
sondern in der Art ausgeprägter Spulen ausgeführt werden muß, da 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.
Die Einfachheit der geometrischen Anordnung des neuen Trag- und Führungssystems wird wesentlich
dadurch bestimmt, daß die Spulenachsen horizontal verlaufen. Sie sind damit gegenüber den bisher
bekannten Tragsystemen um 90° gedreht. Die Sekundärspulen sind also z. B. an der vertikalen Innenseite der
Fahrbahnlängsträger anzuordnen. Ihre Gesamthöhe liegt im Bereich von ca. 80cm. Fig.3a zeigt diese
Anordnung, wobei die zur Führungskrafterzeugung erforderliche zusätzliche Erregerspule zunächst nochThe invention creates a differential flow method with load-bearing forces in the direction of the coil plane and with managers. The invention is physically related to the zero flux arrangements, but differs fundamentally with regard to the flux guidance and the winding design. It should be less drastic here that the tracking element does not have to be designed as a homogeneous aluminum rail, but rather in the form of pronounced coils, since this means that complicated designs of the roadway and vehicle can be avoided. An additional advantage of a conductor arrangement with pronounced coils is the more favorable use of material. Since the secondary conductor system is a short-circuit winding with coil voltages in the range of 1 volt, there is no insulation problem here.
The simplicity of the geometric arrangement of the new support and guide system is essentially determined by the fact that the coil axes are horizontal. They are thus rotated by 90 ° compared to the previously known support systems. The secondary coils are z. B. to be arranged on the vertical inside of the roadway side members. Their total height is around 80cm. 3a shows this arrangement, the additional excitation coil required for generating the guide force initially still
weggelassen istis omitted
Die Wirkungsweise der Traganordnung beruht in gleicher Weise wie die Wirkungsweise der aus der US-PS 3470828, Figur 5 bekannten Führungsanordnung auf der Induktionswirkung bewegter magnetischer Felder und weist die hierfür typischen Merkmale auf. Nimmt man an, daß — wie in Fig.3b gezeigt wird — der schraffierte Bereich die Spulenfläche und mit ihr die Zone der in Spuienachse 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, Fy Seitenkräfte und Fz die Tragkräfte. Voraussetzung für die Entstehung der Spulenströme ist eine Auslenkung in z-Richtung. Bei einer Vertikalverschiebung Δ 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 Obereinstimmung mit der Lentzschen Regel die Wirkung des Primärfeldes durch den Strom geschwächt wird. Hieraus folgt z.B. die Stromrichtung in den mittleren Spulenteilen. Mit dem Strom Ix im Mittelz ,veig und der y-Komponente der magnetischen Induktion folgt je Längeneinheit des Leiters die TragkraftThe operation of the support arrangement is based in the same way as the operation of the guide arrangement known from US Pat. No. 3,470,828, FIG. 5, on the induction effect of moving magnetic fields and has the characteristics typical for this. Assuming that - as shown in Figure 3b - the shaded area, the coil area and is with it, the zone of extending in Spuienachse induction component By, then at sufficiently high speed V x in the coil a voltage is induced to flow conducts coil currents and the magnetic field of the excitation coil results in forces in the three main directions that are perpendicular to one another. Of these, F x are the braking forces, F y are lateral forces and Fz are the load-bearing forces. A deflection in the z-direction is a prerequisite for the creation of the coil currents. In the event of a vertical displacement Δ , a resulting voltage arises in the secondary coil, which is formed into an 8, which causes the current is weakened. From this, for example, the direction of the current in the middle parts of the coil follows. With the current I x in the mean, veig and the y-component of the magnetic induction, the load-bearing capacity follows for each unit length of the conductor
F1=Ilx- By.F 1 = Il x - By.
Damit wird deutlich, daß hier die Normalkomponente der Spuleninduktion zur Kraftbildung herangezogen wird. Spannungserzeugung und Kraftwirkung beruhen auf der gleichen Induktionskomponente.This makes it clear that the normal component of the coil induction is used here to generate the force will. The generation of voltage and the effect of force are based on the same induction component.
Für ein Beispiel sind in Fig.4 die Verläufe der Tragkraft Fz und der Bremskraft Fx, bezogen auf F2a, den Tragkraftwert bei sehr hoher Geschwindigkeit aufgetragen. Fx durchläuft bei einem Bruchteil der Fahrzeug-Höchstgeschwindigkeit einen Maximalwert, um dann etwa umgekehrt proportional zur Geschwindigkeit ν* 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 capacity F z and the braking force F x , based on F 2a , the load capacity value at very high speed are plotted in FIG. F x passes through a maximum value at a fraction of the vehicle's maximum speed, and then decreases approximately inversely proportional to the speed ν *. The use of more conductor material causes a reduction in the braking force in the upper speed range and shifts the increase in load capacity to lower speeds.
Die Abhängigkeit der Tragkraft von der Auslenkung Δ ist bei konstanter Geschwindigkeit in F i g. 5 dargestelltThe dependence of the load-bearing capacity on the deflection Δ is shown in FIG. 5 shown
Fo und Δο sind die Werte im Ruhezustand, in dem ohne dynamische Einflüsse gerade das Fahrzeuggewicht kompensiert wird.Fo and Δο are the values in the idle state, in which the vehicle weight is being compensated without dynamic influences.
Für die bei der Erzeugung hinreichend starker Magnetfelder notwendige 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 !'entwickelt.For the superconductor technology necessary for the generation of sufficiently strong magnetic fields, there is the task of building an excitation coil, which is located at a distance of 20-25 cm from the winding plane in the Developed an induction component of about 1! 'Acting on the coil axis.
Nicht nur die in der Mittelachse der Erregerspule liegenden Leiter der Sekundärspule, sondern auch die äußeren Rückleiter beteiligen sich an der Tragkraftbildung. Fig.6 zeigt den Verlauf von Tragkraft und Bremskraft in Abhängigkeit vom Verhältnis der Spulenbreite b/bp. Als Bezugswert ist die jeweilige Kraft bei gleichen Spulenbreiten gewählt. Es erscheint sinnvoll, für bjbp Werte um 1,5 bis 2 zu wählen.Not only the conductors of the secondary coil lying in the central axis of the excitation coil, but also the outer return conductors participate in the formation of the load-bearing capacity. 6 shows the course of load capacity and braking force as a function of the ratio of the spool width b / bp. The respective force with the same coil width is selected as a reference value. It makes sense to choose values around 1.5 to 2 for bjb p.
Die Leiter sind zur Unterdrückung von Wirbelströmen zweckmäßig aus dünnen Aluminiumteilleitern auszuführen, deren Oxidationsschicht isolierend wirkt. Sie sind damit flexibel und können in der angegebenen Form verlegt und eingegossen werden.To suppress eddy currents, the conductors are expediently made of thin aluminum partial conductors perform whose oxidation layer has an insulating effect. You are thus flexible and can use the specified Form to be laid and poured.
Durch die in den Fig.3a und 3b skizzierte symmetrisch überlappende Anordnung der kurzgeschlossenen Einzelspulen wird erreicht daß Tragkraftschwankungen vermieden werden. Oberlappen sichBy outlined in Figures 3a and 3b symmetrically overlapping arrangement of the short-circuited individual coils is achieved that fluctuations in the load capacity be avoided. Upper lobe itself
2 Spulen, so ist das Überlappungsmaß gleich der halben Spulenweite; sind 3 Spulen an der Überlappung beteiligt so beträgt das Überlappungsmaß V3 der Spulenweite. Das Oberlappen zweier Spulen ist durch die DE-OS 21 21 247 an sich bekannt. 2 bobbins, the amount of overlap is equal to half the bobbin width; if 3 coils are involved in the overlap, the amount of overlap is V3 of the coil width. The upper lobe of two coils is known from DE-OS 21 21 247 per se.
Zur seitlichen Führung des Fahrzeuges werden zusätzlich noch stabilisierend wirkende Kräfte Fy benötigt wobei es zulässig erscheint die in beiden Teilspuren eines spurgeführten Fahrzeuges wirkenden Kräfte in ihrer Summe auszunutzen und die Stabilisierung nicht von einer Teilspur zu verlangen.For the lateral guidance of the vehicle, stabilizing forces F y are also required, whereby it appears permissible to use the total of the forces acting in both sub-lanes of a track-guided vehicle and not to require stabilization from one sub-lane.
Dk bisher beschriebene Traganordnung erweist sich hinsichtlich der in y-Richtung wirkenden Kräfte in diesem Sinne zwar als stabil, d. h. bei einer Verschiebung in y-Richtung treten rückstellende Kräfte auf. Jedoch 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 itself with regard to the forces acting in the y-direction in in this sense as stable, i.e. H. in the case of a shift in the y-direction, restoring forces occur. However is the amount of the lateral restoring forces is too low to withstand all disturbing forces that occur to ensure adequate leadership.
Um die Seitenkräfte etwa um den Faktor 10 zu vergrößern, genügt die Anwendung einiger zusätzlicher fahrzeugseitiger Erregerspulen. Eis ist jedoch erfindungsgemäß 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. Ihre Induktion B2 bildet mit dem Gesamtstrom 2Ix der Sekundärspulen die Seitenkraft. Hierzu muß die Spulenebene der Seitenführungsspulen horizontal ausgerichtet werden. F i g. 7 zeigt die Anordnung einerIn order to increase the side forces by a factor of about 10, it is sufficient to use a few additional excitation coils on the vehicle. According to the invention, however, ice is not necessary to use additional tracking devices. The few necessary lateral guide coils can be attached in such a way that they make a positive contribution to the induction of the voltages in the secondary conductor system. Their induction B 2 forms the side force with the total current 2I x of the secondary coils. For this purpose, the coil plane of the lateral guide coils must be aligned horizontally. F i g. 7 shows the arrangement of a
J5 Doppelspule, die in einem gemeinsamen Kiyostaten
untergebracht werden kann. Da die Zahl der Seitenführungsspulen höchstens die halbe Zahl der Tragspulen
erreicht, erscheint der zusätzliche Aufwand tragbar.
Es zeigt sich, daß bei Anwendung der Seitenführungsspulen sowohl die Tragkraft F2 als auch die Bremskraft
Fx in annähernd gleicher Weise ansteigen, so daß der
Quotient FxIF2 praktisch konstant bleibtJ5 double coil that can be accommodated in a common kiyostat. Since the number of lateral guide coils reaches at most half the number of support coils, the additional effort appears to be acceptable.
It turns out that when the lateral guide coils are used, both the load-bearing force F 2 and the braking force F x increase in approximately the same way, so that the quotient F x IF 2 remains practically constant
Wie die Rechnung weiter ergibt, sinkt die Eigenfrequenz fe gegenüber Vertikalschwingungen durch dieAs the calculation also shows, the natural frequency fe decreases compared to vertical vibrations due to the
Überlagerung eines der Auslenkung Δ weniger als proportionalen Stromanteils. Die Hilfsspule mit horizontaler
Spulenebene kann auch als Mittel zur Beeinflussung der Federkennlinie betrachtet werden.
Weit mehr noch als beim elektromagnetischen Tragsystem verlangt die elektrodynamische Schwebetechnik
nach einem nicht fahrzeuggebundenen Antrieb, der das verhältnismäßig große Spiel zwischen Fahrzeug
und Fahrweg nicht durch die Ankopplungsbedingungen des Kurzstatormotors einschränkt.Superposition of a current component that is less than proportional to the deflection Δ. The auxiliary coil with a horizontal coil plane can also be viewed as a means for influencing the spring characteristic.
Far more than with the electromagnetic support system, electrodynamic levitation technology requires a drive that is not tied to the vehicle and that does not restrict the relatively large clearance between the vehicle and the route through 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 aui Schwierigkeiten, so daß der dringende Wunsch, die Tragspulen gleichzeitig mit für die VortriebsbildungAn additional equipment of the vehicle with superconducting coils, exclusively for the formation of propulsion, however, encounters difficulties for several reasons, so that the urgent desire is that the Support coils at the same time for the formation of the advance
fco heranzuziehen, bestehen bleibt.to use fco remains.
Wie eine durch Fig.8 verdeutlichte Überlegung zeigt, induziert das magnetische Feld einer Spule der Warderfeldwicklung des Langstators in der 8-förmigen Spule des Tragsystems keine Spannung, da sich dieAs a consideration illustrated by FIG. 8 shows, the magnetic field of a coil induces the Warder field winding of the long stator in the 8-shaped Coil of the suspension system no tension, as the
h5 beiden Anteile des magnetischen Feldes in der oberen und der unteren Hälfte für die Spannungsbildung aufheben; die beiden Spulen sind entkoppelt. Das gilt für die gesamten Wicklungen ebenso wie für Einzelspulen,h5 two parts of the magnetic field in the upper one and the bottom half for tension build-up; the two coils are decoupled. That applies to the entire windings as well as for individual coils,
wobei auch die Form einer Einleiter-Mäander-Wicklung 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.the shape of a single-conductor meander winding is also included. The only condition is there in that there is a symmetrical arrangement with regard to the vertical position. It can be deduced from this that the support and propulsion winding are in close proximity to each other in the same bed of driveways can be arranged.
Hierzu 5 Blatt ZeichnungenIn addition 5 sheets of drawings
Claims (4)
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-
1974
- 1974-03-14 DE DE19742412221 patent/DE2412221C3/en not_active Expired
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