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"Weiche ohne bewegliche Teile für berührungslose Fahrtechnik" 1. Zielsetzung
Ein Transportsystem, dessen Grundlage. die beührungslose Fahrtechnik ist, sollte
zweck'äßig auch hinsichtlich. der Weiche auf Mechanismen verzichten, die dem Vc-rschleiß,
der Abnutzung und der Störanfälligkeit ausgesetzt sind. Dabei wird die Forderung
nach einer berührungslos funktionierenden Fahrtrichtungsbeeinflussung, besonders
bei hohen Fahrgeschwindigkeiten, im Vordergrund stehen. Daß hierbei die Verwendung
mechanischer lIilfsmittel wie seitliches Versetzen der Spurführungen oder die Anwendung
des Klapprinzips zu besonders schwerfälligen Konstruktionen führt, liegt an der
notwendigen Größe der Früm.ungsradien, die mit der Geschwindigkeit zunehmen Unter
den berührungslosen passiven Weichen ist jenen Konstruktionen der Vorzug zu geben,
bei denen hinsichtlich der Fahrzeugausrüstung keine großen Anforderungen gestellt
werden. In diesem Zusammenhang sind die durch die Weichen bedingten zusätzlichen
Massen ebenso unerwünscht, wie notwendige Eingriffe in die Steuerung oder die Verwendung
von Regelorganen zusätzlich zu den für die Schwebetechnik des Fahrzeuges notwendigen
Ausrüstungen.
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Nach den bisherigen Vorschlägen zur Bewältigung des berührungslosen
Führens der Fahrzeuge im Weichenbereich, sind noch keine zufriedenstellenden Lösungen
bekanntgeworden.
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2. Vorschlag für eine elektromagnetische Weiche 2.1 Grundsätzliche
Anordnung und Funktion Ausgehend von einem elektromagnetischen Trag- und Führungssystem
- wie es z. B. im Z us anlmenwirken mit der Langstator-Antriebstechnik Verwendung
findet (P 23 62 019.1) - soll eine berührung los arbeitende passive Weiche zwei
wichtige Funktionselemente aufweisen.
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Da gemäß Bild 1 im Verzweigungsbereich der Spurführung nur jeweils
eine Trag- und Führungseinrichtung für eine Fahrzeugseite zur Verfügung steht, muß
die Tragkraft der anderen Fahrzeugseite ersetzt werden. Im Bereich der Fahrzeugmitte
wird deshalb ein nur im Weichenraum verlegtes Funktionselement verwendet, das tragende
Kräfte unter dem Fahrzeug erzeugt (Al, A2).
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Weiter wird zur seitlichen Fahrzeugführung, beispielsweise links und
rechts der Traganordnung A, eine Führungseinrichtung B1 und B2 eingesetzt, die zusammen
mit der regulären Seitenführung einer Fahrzeugseite die gewünschte seitliche Ausrichtung
und Führung des Fahrzeuges ermöglicht.
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2.2 Das Tragelement Uir auf begrenztem Raum Tragkräfte zwischen 1
und 4 t/m zu erzeugen, ohne daß im Fahrzeug ein großes Mehrgewicht eIltsteht, eignet
sir eine asynchrone Langstatoranordnung, deren Stator mit Eisen ausgeführt ist und
eine Gleich- oder Wechselstromwicklung, dann vorzugsweise als Mehrphasenwicklung
enthält, wobei das Sekundärte i einer gewichtsarmen Ausführung im Fahrzeug untergebracht
ist.
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Aufgrund der kurze Eingriffszeit der Weiche können hohe Strombelastungen
bei Primär- und Sekundärwicklung in Kauf genoinr'.n werden,
so daß
mit begrenztem Materialaufwand konstruiert werden kann.
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Um die notwendigen Tragkrfte zwischen Primär- und Sekundärteil zu
erzeugen, sind hohe Ströme notwendig. Durch Speisung der Primärwi ck lung mit Drehstrom
kann von dieser Linearmotoranordnung außer der Tragkraft auch eine Schubkraft (oder
Bremskraft) entwickelt werden, die den Schub- (oder Bremskraft-)ausfall durch den
Wegfall einer Antriebshälfte ersetzt.
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Bild 2a zeigt prinzipiell Anordnung und Stromverteilung der Langstatoranordnung
bei kleinem Schlupf. In diesem Fall entwickelt das Funktionselement überwiegend
nur Vortriebskräfte.
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Die in Bild 2b gezeichnete Stromverteilung tritt bei großem Schlupf
(z. B. 50 - 100 %) auf und führt überwiegend zu einer Tragkraftbildung. Bei mittlerem
Schlupf treten beide Kraftwirkungen gleichzeitig auf.
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Der Mechanismus der Kraftbildung ist in den Vektordiagrammen rechts
erklärt. Durch das Zusammenwirken von der durch-den Primärteil erzeugten magnetischen
Flußdichte B und der Stromdichte des Sekundärteiles G erklärt sich jeweils durch
das Vektorprodukt die auf das Volumenelement wirkende Kraft Fv. F v Zusätzlich zu
den im Motorlängsschnitt auftretenden Magnetfeldkomponenten bilden -die im Querschnitt
des Bildes 2a sichtbaren Komponenten der Flußdichte mit den in Längsrichtung fließenden
Strömen Kraftkomponenten, die nennenswert die Tragkraft verstärken. Um innerhalb
der vorkommenden seitlichen Verschiebung des Fahrzeuges gegenüber der Spurmittelachse
durch das Tragelement geringe Seitenkrafteinflüsse zu erhalten, empfiehlt sich eine
im Grundriß des Bildes 2b angedeutete geschlitzte Anordnung des Sekundärteiles sowie
eine Verbreiterung des Sekundärteiles gegenüber der Primäranordnung.
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Die Breite der kombinierten Trag- und Vortriebsanordnung und ihr Strom
sind so zu wählen, daß bei der gewählten Schubhöhe, die
einige cm
beträgt, annähernd das Fahrzeuggewicht getragen und ein der Fahrzeuggeschwindigkeit
entsprechender Schubbeitrag geleistet wird. Tragkraft und Vortriebskraft sind dem
Quadrat des Betriebsstromes proportional. Seine Höhe kann durch die Wahl der Betriebsspannung
eingestellt werden. Ihre Größe läßt sich durch ein vor der Weiche angebrachtes Meßglied
dem Gewicht und der Geschwincigkeit des Fahrzeuges anpassen.
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Da die betriebsmäßige Verweilzeit des Fahrzeuges in der Weiche nur
wenige Sekunden beträgt, die Pause zwischen zwei aufeinander folgenden Zügen jedoch
im Bereich von 10 min. und mehr liegt, ist ein ausgesprochener Stoßbetrieb gegeben.
Die angesichts der vorliegenden Einrichtung notwendige Blind- und Wirkleistung führt
zu einer verhältnismäßig großen Anschlußleistung der Weiche. Die kurze Betriebszeit
legt es nahe, die Bereitstellung dieser Leistung durch einen überlastbaren Drehstromgenerator
mit stellbarer Spannung vorzunehmen, der gegebenenfalls -mit einer zusätzlichen
Schwungmasse gekuppelt wird. Auf diese Weise kann die hohe Leistungespitze der Schwungenergie
des Generators entnommen werden, die während der Einschaltzeit der Weiche abgebremst
wird. In der Pause zwischen zwei Zügen wird der Schwungmassengenerator durch einen
mit ihm gekuppelten Motor oder durch Umkehrung des Generatorbetriebes wieder auf
Höchstdrehzahl gebracht. Dem Netz werden somit nur vergleichsweise kleine Leistungen
entnommen.
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Eine hinsichtlich der Anschlußleistung besonders günstige Ausführung
des Langstatorelements entsteht durch den Wegfall der Blindleistung bei Gleichstromspeisung
der Primärwicklung. Ähnlich einem bei der synchronen Langstatortechnik verwendeten
gleichstromgespeisten Erregersystem lasen sich alternierende magnetische Pole zu
einer (ruhenden) Wanderfeldanordnung zusammenfassen, s. Bild 3.
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Nachteilig ist hingegen, daß das Langstatorelement in dieser Form
keine Beiträge zur Schubkraft zu erzeugen vermag-. Es entwickelt entsprechend den
Verlusten im Sekundärteil eine Bremskraft.
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Hinzu kommt, daß das Tragverfahren bei kleinen Fahrgeschwindigkeiten
keine ausreichenden Kräfte erzeugt, so daß für das Anfahren im Weichenbereich, z.
B. eine Anordnung von Rollen als Hilfstragsystem benötigt wird Die notwendige Schubkraft
kann durch Vergrößerung der Antriebskräfte im seitlichen Langstatorelement über
eine Erhöhung des Stromes erreicht werden.
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Es erscheint bei einer Gleichstrom-Trageinrichtung möglich, durch
Anwendung schnell aus steuerbarer Stellglieder den Erregerstrom der Magnetanordnung
lage- bzw. bewegungsabfiängig so zu beeinflussen, daß Vertikalbewegungen gedämpft
werden. Als schnell steuerbares Stellglied kommen z. B. gesteuerte Gleichrichter
in Frage.
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Trotz der gegenüber der Drehstromausführung verkleinerten Anschlußleistung
erscheint auch hier eine Pufferung des Energiebedarfs sinnvoll.
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2.3 Die Seitenführung Eine elektromagnetische Seitenführung setzt
eine zweiseitige geregelte Wirkung horizontaler Kräfte voraus. Da das magnetische
Feld zwischen eisenberandeten Oberflächen nur Zugkräfte entwickelt, muß die am Fahrzeug
angreifende resultierende Seitenkraft durch Differenzwirkung zweier ungleich großer
Kraftkomponenten aufgebracht werden.
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Bei einer Rechtsabzweigung, entsprechend Bild 1, besteht das Seitenführungsproblem
bei Windstille darin, die Zentrifugalkräfte des Fahrzeuges, die nach links gerichtet
sind, zu kompensieren, d. h.
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eine konstante nach rechts weisende freie Seitenkraft aufzubringen.
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Diese Kraft kann wie die Bilder 4a und 4b zeigen, durch die im Eingriff
befindlichen Trag- und Führungsmagnete der rechten Fahrzeugseite (TFr) erzeugt werden.
Um eine ausreichende Sicherheit gegen Übersteuern der zentripedalen Führungslcraft
zu haben, ist eine regelbare Gegenkraft Bla notwendig. Durch seitliche Versetzung
einer stationären Spulenanordnung mit Eisenrückschluß, die durch Gleichstrom
gespeist
wird und mit der im Fahrzeug befestigten ferrotagnetischen klkerschiene einen Flußkreis
bildet, entstehen stromaiJ-> hängige Seitenkräfte, die der Wirkung von TFr entgegengerichtet
sind. Durch eine lageabhangige Regelung der stationären Bla Magnete kann eine seitlich
stabile Kurvenführung selbst in dem Fall erreicht werden, wo die Seitenkraft im
Fahrzeug beispielsweise konstant gehalten wird. Die von den Seitenführungsmagneten
erzeugt ten Zugkräfte müssen durch das Langstator-Tragverfahren mit aufgenommen
werden. Es erscheint möglich, daß parallel zur Seitenfbhrungsanordnung durch eine
weitere Nagnetreihe mit Ankerschiene im Fahrzeug zusätzliche regelbare Zugkräfte
erzeugt werden, die zur Dämpfung etwaiger Vertikal schwingungen herangezogen werden
können (Blb). Dies erscheint angesichts der mit nur geringer Dämpfung ausgestatteten
Langstator-Trageinrichtung sinnvoll. Allerdings kann bereits durch das verbleibende
Tragsystem auf der rechten Fahrzeugseite ein Beitrag zur Dgnpfung von Vertikalbewegungen
geleistet werden, so daß möglicherweise auf die erwähnte Susatzeinrichtung verzichtet
werden kann.
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Bei Geradeausfahrt steht dem Fahrzeug die linke Trag- und Führunseinrichtung
zur Verfügung (TF1), die Seitenführung wird von B2a und eine eventuell notwendige
Dämpfung der Vertikalbewegungen durch B2b vorgenommen. Hiermit ist ein stabiler
Geradeauslauf im Weichenbereich, auch unter der Wirkung seitlicher Störkräfte, möglich
(Bilder 4c und 4d). In jedem Fall übernimmt - wie eingezeichnet -die Langstator-Trageinrichtung
die Kompensation des Fahrzeuggewichts und etwaiger zusätzlicher Zugkraftkomponenten
der Seitenführung.
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Auch für die Auslegung der Seitenführungsmagnete gilt, daß sie mit
verhältnismäßig großen Stromdichten betrieben werden können, da ihre Einsatzzeit
vergleichsweise kurz ist. Um geringe Gewichte der Ankerschienen auf dem Fahrzeug
zu erzielen, muß der Polfluß möglichst gering gehalten werden. Neben der Gleichpolanordnung
sind
auch Wechselpolanordnungen denkbar, wenn die Ankerschiene auf dem Fahrzeug geblecht
ausgeführt wird.
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Weniger aufwendig hinsichtlich der im Weichenbereich zu installierenden
Magnete ist eine im Bild 5 skizzierte Anordnung, bei der ungeregelte Seitenführungskräfte
dadurch erzeugt werden, daß im Bereich der Langstatoranordnung A eine Wicklung in
der durch die Patentanmeldung P 24 12 221.2 beschriebenen 8-förmigen Art Verwendung
findet. Sie führt nur bei Auslenkungen aus der Mittellage Strom und entwickelt stark
mit der Auslenkung ansteigende seitliche Rückstellkräfte, Um eine möglichst schwankungsfreie
Kraftentwicklung zu erreichen, ist die Ausführung der Spulenanordnung nach einer
(kurzgeschlossenen) zwei oder dreiphasigen Drehstromwicklung, d. h. mit überlappten
Spulen zu empfehlen. Die Spulenanordnung führt nur bei seitlicher Auslenkung zu
Verlusten und verhält sich hinsichtlich ihrer Gesarntfunktion entsprechend einem
elektrodynamischen Nullflußverfahren. Ihre Anwendung ist an die supraleitenden Erregerspulen
nicht gebunden. Als stationäre Erregeranordnung genügt z. B. eine gleichstromerregte
Magnetanordnung konventioneller Art mit stellbarer Spannung. Im Fahrzeug befindet
sich eine in Flachleiterform ausgeführte Tragwicklung und überlagert die Seitenführungswicklung,
beide im Mittelbereich des Fahrzeuges angeordnet. Beide Wicklungen können in Leichtmetall
und damit gewichtsarm ausgeführt werden, so daß keine ungebührliche Gewichtsvergrößerung
des Fahrzeuges entsteht. In dieser Form kann die Weiche mit einem Minimum an elektrotechnischem,
insbesondere regelungstechnischem Aufwand, und damit sehr betriebssicher ausgeführt
werden.
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Im Vergleich zu Bild 1 werden die Funktionen der Seitenführungen B1
und B2 durch den Primärteil der Langstatoranordnung Al und A2 übernommen. Eine Bestimmung
der Fahrbahnwahl erfolgt durch eine Erregung der entsprechenden Primärteile Al oder
A2.