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"Integrierte Magnetfahrtechnik für den Nahverkehr"
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Integrierte Magnetfahrtechnik für den Nahverkehr Langstator- und Magnetanordnung
Spurgeführte Verkehrsmittel lassen sich den Forderungen des Betreibers und des Verkehrsteilnehmers
umso besser anpassen, je einfacher de technische Ausrüstung und je flexibler ein
mögliches Betriebskonzept ist.
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Um eine möglichst große Vereinfachung zu erreichen, wird ein Langstatorantrieb
auf der Grundlage des Synchronmotors vorgesehen, bei dem zur Vermeidung stromführender
Aggregate auf dem Fahrzeug Permanentmagnete die Bereitstellung des magnetischen
Feldes übernehmen. Ähnlich wie bei anderen bereits beschriebenen Konfigurationen
der integrierten Magnetfahrtechnik, treten bei stromführender Statorwicklung Traktionskräfte
auf, die das Fahrzeug bewegen, wenn Strom-und Feldverteilung mit gleicher Geschwindigkeit
(synchron) wandern und die erzeugten Schubkräfte zur überwindung der Fahrwiderstände
ausreichen7 (P 22 57773.7, P 23 62019.1).
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Mit den Bildern 1 und 2 wird je Fahrzeugseite eine Doppelanordnung
für Stator und Magnete angewendet. Der auf Stützen montierte Träger 1 nimmt die
vom Fahrzeug übertragenen Kräfte auf und ist insbesondere gegen Biegung mit einem;
ausreichend großen Widerstandsmoment auszustatten. An ihm sind die beiden weitgehend
gleichartigen Statoren 2 und 2' gegebenenfalls über ein Justierelement befestigt.
Jeder Stator besteht aus einem lamellierten Blechpaket, in dessen Nuten eine Wanderfeldwicklung
3 bzw. 3' vornehmlich in dreisträngiger Ausführung eingelgt ist. Für die Permanentmagneten
5 und 5' ist eine wie im Bild 1 gezeichnete Verbindung mit dem Weicheisen-Joch 4
gegeben, so daß der magnetische Widerstand für die Flußschleifen stark verringert
wird. Mit der im Bild 2 angegebenen Pol- und Stromverteilung (für einen Augenblick)
entstehen die gleichgerichteten Schubkräfte Fxo (oben) und Fxu (unten), wobei angenommen
ist, daß z.B.
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auf der Unterseite ein größerer Luftspalt bei gleicher Magnetlänge
zu niedrigeren magnetischen Flußdichten und damit bei gleichem Strom zu einer ntedrigeren
Schubkraft führt.
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Die der Flußdichte im Quadrat proportionale Kraft in vertikaler Richtung
ist oben und unten unterschiedlich groß und entgegengerichtet. Die Differenz von
F und F wirkt yo yu der Gewichtskraft FG entgegen. Die Räder 6 haben damit nur eine
Restkraft, die kleiner als das Gewicht ist, abzustützen; das Fahrzeuggewicht ist
zum Teil kompensiert. Werden die Räder nach unten angepreßt, kann man von Unterkompensation
sprechen; würde die Magnetkraft größer als das Fahrzeuggewicht sein, wäre eine Überkompensation
erreicht. Im Falle einer zusätzlich angewendeten regelungstechnischen Stabilisierung
des magnetischen Schwebens, ließe sich eine vollständige Kompensation durchführen.
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Geht man zunächst von der Anwendung des Rades (ausschließlich) als
Stützelement aus, so erscheint eine Unterkompensation sinnvoll. Sie ist so zu wählen,
daß das leere Fahrzeug gerade noch eine ausreichende Berührung zur unteren Fahrbahn
aufweist. Im beladenen Zustand werden die Räder dann mit geringfügig mehr als der
Nutzlast angepreßt.
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Die Vorteile der Unterkompensation liegen darin, daß sie bei der gewählten
Statoranordnung eine gleichmäßigere magnetische Belastung der Statoren und damit
eine günstigere Schubkraftentwicklung ermöglicht und außerdem eine verhältnismäßig
einfache Weichenkonstruktion ergibt.
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Die Aufteilung des Stators in je eine obere und untere Hälfte erweist
sich deshalb als nützlich, weil gegenüber einer etwa doppelt so breiten einteiligen
Anordnung die Befestigungsprobleme wesentlich entschärft werden und eine günstigere
Gestaltung des Fahrbahnträgers resultiert.
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Wie Bild 3a und dieDraufsicht 3b zeigen, wird nun bei einer etwas
modifizierten Trägerausführung die Abstützung des Rades 6 direkt auf dem Täger vorgenommen.
Hierdurch lassen sich Probleme umgehen, die naturgemäß durch die Anpressung des
Rades auf dem Blechpaket bestehen. Letzteres läßt sich damit vorwiegend den elektromagnetischen
Gegebenheiten entsprechend dimensionieren. Gegen die etwa durch dynamische Vorgänge
verursachte Tendenz des Fahrzeuges an die obere Statorseite angezogen zu werden
sind die zusätzlichen
Rollen 9 vorgesehen. Die Fahrzeugkabine 11
wird über das Zwischenelement 10 und die Traverse 7 mit Magneten und Rädern verbunden,
wobei die Zwischenschaltung einer Sekundärfederung i.a. vorgesehen ist. Die Seitenführung
soll durch die Rollen 8 übernommen werden, die unter leichter Vorspannung mit dem
senkrechten Teil des Trägers 1 in Verbindung stehen. Sie werden zweckmäßig so angeordnet,
daß ihr Abstand etwa halb so groß ist wie die gesamte Magnetlänge. Hierdurch wird
bei Kurven der kleinstmögliche örtliche Versatz der starren Magnetanordnung gegenüber
der gekrümmten Kontur von Träger und Stator erzielt.
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Die Grundkonzeption des dargestellten Fahrwerkes entspricht einem
rollengeführten Drehgestell.
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Parallelführung einzelner Räderpaare und Sekundärfederung Um die Störungen,
die durch die Fahrbahn auf den Fahrgast übertragen werden, möglichst klein zu halten,
kann eine Entkopplung zwischen den Tragelementen (Magneten und Rädern) einerseits
und der Kabine andererseits erfolgen.
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Hierbei ist zu bedenken, daß Störungen über die Tragräder vertikal
und über die Führrollen horizontal übertragen Werden. Als Entkopplungselement bieten
sich Federn und Schwingungsdämpfer an. Da weder vertikale noch horizontale Störungen
im Schwerpunkt des Fahrzeuges angreifen, neigen beide Störungsarten gleichzeitig
zur Übertragung von Drehmomenten auf die Kabine. Dadurch bewirken horizontale Störungen
gleichzeitig vertikale Anregungen und umgekehrt.
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Außer der reinen Komfortüberlegung besteht Anlaß, die beim Drehgestell
nicht idealen Laufeigenschaften in der Kurve zu verbessern. Die Einstellung der
im Drehgestell gelagerten Räder ist in der Kurve umso weniger optimal, je länger
der Radabstand im Vergleich zum Kurvenradius wird. Die Kurvenfahrt führt zu zusätzlichen
Laufverlusten und zu Verschleißerscheinungen an Rad und Fahrbahn. Es kommt hinzu,
daß die Übertragung der Stützkräfte von der Kabine auf das Drehgestell
einen
nicht geringen konstruktiven Aufwand erfordert.
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Wie die Bilder 4a, 4b und 4c zeigen, ist eine vorteilhafte Lösung
der Kabinenfederung möglich, die sowohl den Komfortwünschen entspricht als auch
eine Verbesserung des Radlaufes in der Kurve zuläßt. Bild 4a stellt einen Querschnitt
der Tragwerksaufhängung dar während 4b eine Draufsicht beinhaltet.
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Die Tragkräfte werden über die Federn 13 und die waagrechten Verbindungselemente
12 vom Magnetträger auf genommen. Die Federn 13 sind so dimensioniert, daß sich
eine niedrige Eigenfrequenz für die Kabine im Bereich von 1 bis 2 Hz ergibt.
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über die Gelenkhebel 14 sowie die Verbindungsteile 15 wird sichergestellt,
daß der Magnetträger mit dem Rad bei vertie kalen Anregungen im wesntlichen ohne
Winkeldrehung, also nur vertikal ausgelenkt wird. Dies entspricht den Verhältnissen
einer Einzel-Radaufhängung.
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Bezüglich seitlicher Auslenkungen wird durch eine Art Parallelogramm-Führung
(siehe auch Bild 4c) mit Hilfe der leicht vorgespannten Führrollen 8 und der Federn
16 eine Anpassung der Lage der Magnetträger und der Stützräder an den Verlauf der
Kurve erreicht. Da die seitliche Verschiebung der Magnetträger gegenüber der Kabine
ohne Störung in vertikaler Richtung erfolgt, kann ein hoher Fahrkomfort erwartet
werden. Dies bedingt allerdings auch für den seitlichen Versatz die Anwendung von
Pendelstäben (17). Diese sind über das Verbindungsstück 18 parallel geführt und
stützen sich über die Elemente 19 auf die Federn 16.
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Um die Einstellbarkeit der Magnetaufhängung gegenüber der Kabine zu
gewährleisten, müssen die Verbindungsteile 15 geringfügige Winkeldrehungen gegenüber
dem Magnetträger zulassen. Bei Auslenkungen aus der Normallage treten auch seitliche
Bewegungen bei den Verbindungselementen zu den Federn aufs sowie geringfügige Abstandsänderungen
zwischen den beiden Parallelführungen. Da die maximale Winkelauslenkung für den
Magnetträger nur wenige Grad beträgt, erscheint es möglich die Änderung des Abstandes
der Parallelführungen gegenüber der Kabine durch eine elastische Ausbildung
der
Pendelstäbe 17senkrecht zu ihrer Pendelebene aufzunehmen. Es ist ebenfalls nicht
undenkbar, den Entkopplungsmechanismus der Parallelführungen durch die Anwendung
elastischer Verbindungselemente so zu gestalten, daß Hebel und Federn zu einem Funktionselement
verschmolzen werden. Dies mag die Fahrzeugherstellung vereinfachen und die Wartungfragen
der Gelenkverbindungen eliminieren.
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Das beschriebene Konstruktionsprinzip läßt im Gegensatz zur Drehgestelltechnik
auch ungerade Zahlen von Stützräderpaaren (größer als 1) zu. Damit kann eine gute
Anpassung der Magnetlängen an den Kurvenradius erreicht werden.
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Ein wichtiger Vorteil der Einzelaufhängung zusammen mit der Parallelführung
besteht darin, daß sich die Trägeranordnung bei Berücksichtigung der Kurvenüberhöhung
sehr einfach gestaltet. Eine Winkeldrehung desTrägers gegenüber der vertikalen Achse
erweist sich als unnötig.
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Die Weiche Es ist erwünscht, unkomplizierte starre Weichen ausführen
zu können, da hierdurch ein hoher Vernetzungsgrad eines Verkehrssystems ermöglicht
wird, das für den Benutzer einen hohen Bedienungskomfort zuläßt. Darüberhinaus kann
die Einführung von Weichen zur Senkung der Investitionen führen, da niveauungleiche
Kreuzungen oder verlängerte Streckenführungen vermieden werden können. Dies ist
gleichbedeutend mit einer Erhöhung der Beförderungsleistung für ein Streckennetz
gegebener Länge md Kosten. Der hier ausgeführte Vorschlag eines Weichenkonzepts
geht davon aus, daß in der Weiche keine beweglichen Teile verwendet werden sollen
und daß der Fahrkomfort durch die Weiche nicht beeinträchtigt werden soll.
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Im Weichenbereich entfällt jeweils auf einer Fahrzeugseite die magnetische
Tragkraft und der Vortrieb. Das Stützrad übernimmt hier den vollen Gewichtsanteil.
Bei unterkompensierten Fahrzeugen entsteht jedoch für den Fahrgast keine
Beeinträchtigung,
da kein Wechsel der Abstützungsrichtung gegeben ist. Der Vortrieb wird von der verbleibenden
Statorseite aus mit vergrößertem Strombelag weiterhin ruckfrei aufrechterhalten.
Die seitliche Führung des Fahrzeuges kann jetzt nur von einem Träger aus erfolgen
(Bild 5a). Dies bedingt, daß außer den Führrollen ein Funktionselement zur Entwicklung
von Zugkräften (Kräfte, die zum Träger hin gerichtet sind) benötigt wird. Wie in
den Bildern 5b und 5c dargestellt, kann dieses Zugelement ein Elektromagnet 20 sein,
der im Weichnbereich mit Strom aus dem Bordnetz versorgt wird. Sein magnetisches
Feld schließt sich über den Mittelteil des Trägers. Es ist zweckmäßig, auf jeder
Seite zwei Magnete in der Nähe der seitlichen Führrollen anzuordnen, weil hier die
Abweichungen des Spaltes vom normalen Wert minimal sind. Zur besseren Flußführung
kann der Träger im Mittelteil durch ein aufgeschweißtes Flacheisen 22 verstärkt
werden, wie Bild 5c zeigt. Der Magnet wird nach den Gesichtspunkten eines geringen
Gewichtes und begrenzter Verluste in der Magnetwicklung 21 entworfen. Um die Zahl
der tragkraftbildenden oberen Magneten nicht zu beeinträchtigen, empfiehlt sich
eine Montage des Magneten im unteren Teil des Magnetträgers. Wie Bild 5a zeigt,
wird im Verschneidungsbereich der Weiche als Rollbelag das dem unteren Quergurt
entsprechende Band benötigt.
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Die gewünschte Fahrtrichtung wird durch die Erregung der Magnete bestimmt,
die von einem kurz vor der Weiche angeordneten Signalgeber auf das Fahrzeug übertragen
wird. Es erscheint möglich, durch Messung des Abstandes zwischen Magnet und Träger
eine solche Einstellung des Stromes zu bewirken, daß die Führung des Fahrzeuges
mit minimaler Leistung ermöglicht wird. Hierzu ist ein Stellglied zur Beeinflussung
des Gleichstromes der Magnetwicklung (Gleichspannungssteller) nötig-. Ohne Zuhilfenahme
einer Regelung kann eine grobe Anpassung in Stufen dadurch erreicht werden, daß
im Falle eines Abzweiges zwei Magnete parallel und im Falle der Geradeausfahrt in
Reihe geschaltet werden.
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Hierdurch wird der notwendigen höheren Zugkraft in der Kurve Rechnung
getragen und im Falle der Geradeausfahrt Energie gespart. Die im Weichenbereich
vorzunehmende Verstärkung des Träger-Mittelstückes bewirkt eine Verkleinerung der
magnetischen Flußdichte und in Verbindung hiermit eine Verkleinerung der Wirbelstromverluste,
die eine bremsende Wirkung auf das Fahrzeug ausüben.
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Durch starke Ströme in der Magnetwicklung lassen sich Bremswirkungen
auf das bewegte Fahrzeug an beliebiger Stelle der Strecke ausüben. Es erscheint
zweckmäßig, die Magnete beider Seiten gleichmäßig zu erregen.
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Eine Magnetanordnung für erhöhte Flußdichten Die in den Bildern 1
und 2 skizzierte Magnetanordnung in Doppelreihe mit zwei Weicheisenjochen führt
bei Magneten niedriger Luftspaltinduktion zu großen Blechpaketbreiten des Stators.
Die Statorbreite muß bei bestimmter Hubkraft umso größer sein, je geringer die magnetische
Induktion ist.
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Die derzeit zur Verfügung stehenden Magnetwerkstoffe, die in größeren
Einheiten hergestellt werden, haben einen Remanenzpunkt von 0,38 T und führen bei
der angegebenen Konstruktion unter Berücksichtigung eines Luftspaltes von 1,5 cm
zu einer Luftspaltinduktion von wenig mehr als 0,2 T.
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Hierfür errechnet man Paketbreiten, deren Befestigung am Träger bereits
zu Schwierigkeiten führt, ein Umstand, der insbesondere bei einer Anordnung eines
einzelnen Blechpaketes deutlich hervortritt, ;SP 24 49618.2 Bild 3).
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Eine Erhöhung der magnetischen Induktion und eine Anwendung der Doppelstator-Ausführung
erleichtern hingegen die konstruktiven Probleme und ermöglichen eine Materialeinsparung
bei Bleckpaket und Träger. Für die Bemessung der Blechpakete ist der Übergang auf
höhere Luftspaltinduktionen deshalb sinnvoll, da durch die höheren Joche keine Zuschläge
aus Gründen mangelnder mechanischer Festigkeit gemacht zu werden brauchen.
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Bild 6a zeigt eine Magnetanordnung, bei der die Permanentmagnete (S,N)
gegeneinander gepolt sind und ihren magnetischen Fluß über Weicheisenblöcke den
Luftspalten 49 und 69 sowie den Statoren zuführen. Durch einen unten vergrößerten
Luftspalt können die Flußdichten so eingestellt werden, daß gerade die gewünschte
Tragkraft resultiert.
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Zunächst sei angenommen, daß die Weicheisenstücke nur wenig höher
sind als die Permanentmagnete, also hN = 0 ist.
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In dem Maße wie hm größer gewählt wird als s, ist es möglichl die
Flußdichte Bo auch größer zu wählen als die Flußdichte Bm im Polbereich des Permanentmagneten.
B kann z.B. den 0 doppelten Wert von B erreichen. Große Flußdichten bedeum ten offenbar
eine größere Magnethöhe hm So ist es möglich durch größere Flußdichten auch größere
Tragkräfte bei gegebener Statormasse je Längeneinheit zu erzielen, Um den von den
Permanentmagneten erzeugten magnetischen Fluß möglichst weitgehend über den Luftspalt
zu leiten ist es nützlich, wie in Bild 6a gezeichnet, ihre Breite größer als die
des Weicheisens zu wählen.
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Bei unterkompensierten Fahrzeugen unterscheidet sich B weu niger von
Bo, was für die Schubkraftbildung vorteilhaft ist.
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Durch die Wahl der höheren Flußdichten kann selbst bei der doppelseitigen
Statoranordnung im Vergleich zum einseitigen Stator mit einer kleineren Statormasse
und mit einem kleineren Strombelag bei gleicher Schubkraft gerechnet werden.
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Geregelte Permanentmagnete r Beim unterkompensieten Fahrzeug treten
die größten Fahrwiderstände durch die rollende Reibung bei vollbesetzter Kabine
auf.AußerCdemhierdurch bedingten Energieverbrauch ist der Verschleiß an Fahrwerk
und Fahrbahn nachteilig. Es ist zu bedenken, daß ein notwendigerweise hart an die
Fahrbahn angekoppeltes Rad und eine verhältnismäßig große.ungefederte Masse auch
bei einer magnetischen Entlastung nicht problemlos ist.
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Die magnetische Schwebetechnik ist für den Nahverkehr bisher deshalb
nicht erfolgreich angewendet worden, weil Energieprobleme und im Zusammenhang mit
dem verwendeten Kurzstator-Linearmotor schwer zu lösende Gewichtsfragen das Konzept
belasteten. Zu der verhältnismäßig großen Energie für das Schweben mit Elektromagneten
kamen die Wirbelstromverluste in den massiven Tragschienen. Die an Bord des Fahrzeuges
befindlichen Aggregate für die Trag- und Antriebstechnik bedingten also außer dem
hohen Fahrzeuggewicht auch einen verstärkten Energieverbrauch.
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Bisher war es noch nicht gelungen,Permanentmagnete mit hinreichend
kleinem Aufwand an zusätzlichen Spulen und Stellgliedern für die Schwebetechnik
anzuwenden. Das Problem der Permanentmagnete besteht bei der Bild 1 entsprechenden
üblichen Anordnung darin, daß infolge ihrer schlechten magnetischen Leitfähigkeit
der für die Stabilisierung notwendige zusätzliche Fluß nur über große elektrische
Durchflutungen zu erzeugen ist. Sie erfordern Spulen großen Querschnittes und leistungsstarke
Stellglieder. Auch angesichts der bisher verhältnismäßig kleinen Flußdichten waren
die Permanentmagnete den Elektromagneten unterlegen.
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Bei der bereits in der Patentanmeldung P 24 49&18.2 beschriebenen
Anordnung entsprechend Bild 6a kann eine Stabilisierung des Schwebevorganges durch
zusätzliche Spulen erreicht werden. Die im Bild 6b skizzierte Magnetkombination
kann durch vergleichsweise kleine elektrische Durchflutungen über den gestrichelt
gezeichneten Weicheisenpfad einen Zusatzfluß entwickeln, der sich dem Fluß der Permanentmagnete
überlagert. Es treten dann z.B. oben die Induktion BU+aESlnten ZBu--ta auf. Eine
Stromumkehr führt zum Wechsel der Überu lagerungsrichtung. Wegen der guten magnetischen
Leitfähigkeit genügt für die Regelspule ein kleiner Querschnitt, der auch zu einer
kleinen Zeitkonstante führt. Die Aussteuerungen des Stromes werden über einen Vierquadranten-Steller
vorgenommen. Die Stromversorgung kann aus einem Bordnetz niedriger Spannung (z.B.
48 V), das durch eine Batterie gepuffert ist, erfolgen. Die Regelung beruht auf
der Zuhilfenahme von Meßsignalen
für Spalt und dessen zeitliche
Ableitung.
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Es ist nun denkbar, die statische Belastung insgesamt von den Permanentmagneten
aufzunehmen. Hierzu könnte eine Niveaubeeinflussung der Federung beitragen, die
so justiert wird, daß der mittlere Spulenstrom verschwindet. Dies würde bedeuten,
daß bei größerer Belastung des Fahrzeuges der Erregerteil mehr zum oberen Stator
hin verschoben wird und der obere Luftspalt kleiner, der untere größer wird. Die
Regelspule führt damit nur die zur Stabilisierung der Magnete und die zum Ausgleich
dynamischer Vorgänge benötigten Ströme, so daß die benötigte Leistung kaum ins Gewicht
fällt.
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Hinzu kommt, daß durch die magnetische Schwebetechnik keine zusätzlichen
Verluste in den Tragschienen entstehen. Die erforderlichen Spulen und Stellglieder
stellen keine nennenswerte Vergrößerung des Fahrzeuggewichts dar. Die hier beschriebene
Lösung für die magnetische Schwebetechnik kommt offenbar mit minimalem Aufwand aus
und stellt unter Berücksichtigung der Einsparung der Rolleistung aus der Sicht des
Energieverbrauchs ein optimales Verfahren dar.
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Um auch die seitliche Führung verschleißarm zu gestalten, können die
für die Weichenfahrt benötigten Magnete eingesetzt werden. Die mechanische Verbindung
von linkem und rechtem Magnetträger über die Parallelführung kann beibehalten werden,
so daß eine ähnliche Fahrzeugkinematikwwie oben beschriebengegeben ist. Der Leistungsbedarf
für die.Seitenführung ist relativ klein, da die Aussteuerung der Magnete nur zeitweise
erfolgt. Dementsprechend können auch geringfügige Wirbelstromverluste im Stahlträger
hingenommen werden.
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Der Einsatz der Führrollen beschränkt sich jetzt auf den Weichenbereich.
Sie sind ausrückbar zu gestalten und zusammen mit den Magneten vor der Weiche betätigt.
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Es erscheint zweckmäßig als Notlaufvorrichtung und als Stützorgan
in der Weiche entsprechend Bild 7 das Rad zu verwenden.
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Wie hier skizziert kann es im C-förmig mit Rippen abgesteiften Magnetträger
gelagert sein. Im normalen Schwebezustand besteht keine Berührung mit dem Träger;
im Weichenbereich erfolgt auf der abzustützenden Seite vor dem Ausfahren der
Magnete
eine Anhebung der Fahrbahn bis zur Berührung mit dem Rad (gestrichelt gezeichnet).
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Ohne Verwendung der Schweberegelung würde bei einem unterkompensierten
Fahrzeug das Rad seine Stützfunktion längs der gesamten Strecke behalten.
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Die beschriebenen Stütz- und Führverfahren in konventioneller und
berührungsfreier Technik lassen vier verschiedene Kombinationen zu: 1) Tragen mit
entlasteten Rädern; Führen durch Rollen 2) Tragen durch geregelte Permanentmagnete;
Führen durch Rollen 3) Tragen mit entlasteten Rädern; Führen durch geregelte Elektromagnete
4) Tragen durch geregelte Permanentmagnete; Führen durch geregelte Elektromagnete
Bereitstellung der Antriebsenergie und die Fahrsteuer -c Die Versorgung des Antriebs
mit elektrischer Energie t so zu erfolgen, daß die Verluste im stationären Teil
des Motors und der Aufwand für die Energiezufuhr und ihre Aufberetung in erträglichen
Grenzen gehalten wird. Da die Wicklun sverluste und die von der Statorwicklung aufgenommene
Blindleistung mit der Länge der Wicklungsabschnitte anwachs-», besteht ein enger
Zusammenhang zwischen dem Aufwand f: Stellglieder an der Einspeisestelle und der
Abschnittslänge.
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Zur Beschränkung dieses Aufwandes und der Begrenzung a-Verluste ist
es sinnvoll, mit einer möglichst günstig-Phasenlage des Statorstromes gegenüber
der Magnetfeldverteilung zu arbeiten, (P 22 57773.7, P 24 49618.2) Mit einem Minimum
an Statorstrom kann so ein Höchste es Schubes erreicht werden. Hierzu muß jedoch
ein Phasen=- elkreis eingesetzt und ein ausreichend schnellwirkendes Stellglied
vorhanden sein. Zum Phasenregelkreis gehört z.B. -In Meßglied, das die relative
Lage der Strom- gegenüber-Feldverteilung auf dem Fahrzeug erfaßt, eine ffbertra~
dieser
Signale zum Stellglied (z.B. über Linienleiter), einen Frequenzumrichter als Stellglied,
so daß durch Zündwinkelbeeinflussung die Phasenlage des Stromes geregelt werden
kann. Mit dem Frequenzumrichter läßt sich die Antriebsenergie so steuern, daß z.B.
innerhalb eines Anfahr-Abschnittes das Fahrzeug mit linear zunehmender Geschwindigkeit
beschleunigt wird (Bilder 8a und 8b). Hierbei wird die Frequenz f der speisenden
Wechselströme der Fahrgeschwindigkeit entsprechend erhöht und gleichzeitig ein optimaler
Phasenwinkel eingehalten. Der gesamte Beschleunigungsbereich kann mit Hilfe von
Schaltern in zwei Teilabschnitte unterteilt werden, von denen erst der eine dann
der andere an Spannung gelegt wird. Entsprechend Bild 8c sind die (dreisträngigen)
Schalter durch eine Antiparallelschaltung von zwei Halbleiterbauteilen gekennzeichnet.
Wird der Folgeschalter durch Zünden der Halbleiterelemente leitfähig und der Schalter
des passierten Abschnittes durch Aussetzen der Zündung geöffnet, tritt nur ein unmerklicher
Ausgleichsvorgang im Stromverlauf auf. Die geringste Beeinflussung des Fahrbetriebes
entsteht, wenn das Umschalten bei der Mittelstellung des Fahrzeuges im Bezug auf
die beiden Abschnitte erfolgt. Der Strom-Übertragungsvorgang wird durch einen Sensor
auf der Fahrwegseite ausgelöst. Eine praktisch vollständige Vermeidung von Schubkraftschwankungen
läßt sich durch überlappende Wicklungen beider Abschnitte erzielen.
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Im zweiten Beschleunigungsabschnitt wird das Fahrzeug auf volle Geschwindigkeit
gebracht und erreicht bei verschwindender Beschleunigung den nächsten Abschnitt.
Dieser wird kurz vor der Einfahrt des Fahrzeuges an Spannung gelegt, wobei die Frequenz
derjenigen des vorausgehenden Abschnitts entspricht. Bei Eintritt in den neuen Speiseabschnitt
übernimmt das jetzt zuständige Stellglied die Phasenregelung.
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Der Stationsumrichter kann abgeschaltet und zur Beschleunigung bzw.
Bremsung eines anderen Fahrzeuges verwendet werden.
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Die Art der Bremsmöglichkeit hängt von der Art der verwendeten Umrichter
ab. Bei Antrieben kleiner Leistung und der
Verwendung spannungsbestimmter
Umrichter ist eine Bremsung durch Beeinflussung des Phasenwinkels möglich, bei der
die Bremsenrgie in der großflächig verteilten Statorwicklung in Wärme umgesetzt
wird. Bei strombestimmten Umrichtern ist ohne zusätzliche Bauelemente eine Rückspeisung
der Energie (Nutzbremsung) ins Netz durchführbar.
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Das Fahren mit fester Frequenz Eine Einsparung an Frequenzumrichtern
für den mit konstanter Geschwindigkeit befahrenen Bereich ist möglich, ohne daß
wesentliche Abstriche an der durch die Phasenwinkel-Regelung erreichten verlustarmen
Betriebsweise gemacht werden müssen. Dies ist im Bild 9 gezeichnet. Die Energieversorgung
erfolgt über einen Transformator z.B. aus dem 50 Hz-Netz (dreisträngig). Unvermeidliche
Störungen wie z.B. Windstöße sowie Steigungen und ähnliches bewirken Auswanderungstendenzen
aus dem synchronen Lauf. Durch den Wegfall des Frequenzumrichters ist die Möglichkeit
genommen, Einflüsse dieser Art über eine Zündwinkelverstellung zu beheben und die
Phasenlage optimal einzustellen.
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Wird jedoch der vorhandene Schalter z.B. durch antiparallele Thyristoren
gebildet, so besteht die Möglichkeit mit der sog. Phasen-Anschnittssteuerung die
Stromamplitude der Strangströme zu beeinflussen. Eine vorübergehende Vergrößerung
der Stromamplitude führt mit einer Vergrößerung des Schubes auf eine Beschleunigung
des Fahrzeuges und umgekehrt. Um durch den zum kontinuierlichen Stellglied gewordenen
Schalter Vergrößerungen des Stromes zu ermöglichen, muß der durch die Netzspannung
vorgebbare Strom etwas größer sein als dem normalen Betriebszustand entspricht.
Im Zusammenwirken mit dem Phasen-Regelkreis kann hierdurch ein stabiler Betrieb
mit kleinen Verlusten erreicht werden.
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Bild 9 weist darauf hin, daß die Phasenregelung über den Strom innerhalb
eines Unterwerks (Speiseabschnitt) auch für zwei und eventuell für mehrere Fahrzeuge,
die alle mit gleicher
Geschwindigkeit fahren, angewendet werden
kann.
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Als Nachteil muß in Kauf genommen werden, daß eine elektrische Bremsung
auf kleinere Geschwindigkeiten oder gar bis zum Stillstand erschwert wird. Eine
Anfahrt, etwa nach einem Netzausfall, kann ermöglicht werden, indem ein Frequenzumrichter
für Sonderfälle vorgehalten wird und über eine Ringleitung auf den betreffenden
Abschnitt einspeist.
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Hierdurch kann auch ein Streckenabschnitt, in dem sich mehrere Fahrzeuge
befinden, wieder in Betrieb genommen werden. Eine Bremsung durch Umschalten auf
den Frequenzumrichter ist grundsätzlich auch möglich, wenn sichergestellt ist, daß
im Falle mehrerer Fahrzeuge, deren Geschwindigkeit noch gleich ist; sie ist im Falle
eines einzelnen Fahrzeuges am wenigsten problematisch.
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Die Bordstromversorgung Das beschriebene Fahrzeugkonzept verlangt
für den Betrieb der Kabinen, selbst in der Schwebeversion, an Bord einen vergleichsweise
kleinen Energieanteil. Dies gilt gegenüber allen anderen bekannten Systenvarianten.
Es liegt deshalb nahe, möglichst ohne Schleifkontakte auszukommen und die Bordstromversorgung
weitgehend berührungsfrei und damit störsicher und verschleißarm zu konzipieren.
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Grundlage der Versorgung soll das bewährteSystem eines durch einen
Generator gespeisten und durch eine Batterie gepufferten Bordnetzes sein. Eine Ladung
der Batterie kann im Stillstand des Fahrzeuges über ortsfeste Kontakte an den Haltestellen
und während der Fahrt berührungslos über einen Generator erfolgen, der in linearer
Bauform ausgeführt ist und nach dem Prinzip der Mittelfrequenzmaschinen arbeitet.
Die vom Generator abgegebene Leistung wird über einen Gleichrichter der Batterie
zugeführt.
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Für die im Nahverkehr gegebenen Verhältnisse kleiner Polteilungen
empfiehlt sich eine entsprechend Bild lOa und lOb gestaltete einsträngige Gleichpol-Ausführung.
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Von der Erregerwicklung e wird über den magnetischen Pfad m, der mit
der besseren magnetischen Leitfähigkeit (gestrichelt gezeichnet) ausgestattet ist,
ein Feld erregt. Durch die versetzte Anordnung der Polenden des Erregerkreises wechselt
der Feldverlauf bei der Verschiebung des Erregerteils gegenüber den Statoren. Eine
Nutteilung entspricht dabei einer vollen Periode des Feldverlaufes. Durch das nach
jeder Halbperiode erfolgende Überwechseln des Feldes von einer Statorseite zur anderen
bleibt der Gesamtfluß der Erregerspule konstant; es werden dort keine Spannungen
induziert, Die auf den Polenden aufgesetzten Spulen der Arbeitswicklung al bis a4
können parallel, paarweise parallel oder in Reihe geschaltet werden, wenn die zwischen
den beiden Statorseiten gegebene Phasenverschiebung von 1800 beachtet wird.
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Die den zeitlichen Fluß änderungen proportionalen Spannungen
erreichen
einen hohen Wert, wenn die Polbreite etwa gleich der Zahnbreite des Stators gewählt
wird, und die Nutbreite größer ist als der Luftspalt. Die Wahl eines kleinen Spaltes
kann eine besondere Führung des Generators gegenüber der Fahrbahn, die zumindest
in vertikaler Richtung unabhängig vom Magnetträger ist, erfordern. Da in Längsrichtung
verhältnismäßig viel Raum zur Unterbringung der Wicklungen vorhanden ist, können
deren Verluste sehr niedrig gehalten werden; der Generator arbeitet mit hohem Wirkungsgrad.
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Seine "Antriebs"-Leistung wird durch den synchronen Linearmotor gedeckt.
Da die im Einphasenbetrieb auftretenden pulsierenden Längskräfte im Vergleich zur
Fahrzeugmasse sehr gering sind, dürften sie vom Fahrgast unbemerkt bleiben.
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Bei Verwendung von zwei Generatoren lassen sich diese um eine Viertel-Nutteilung
versetzt anordnen, so daß die Kraftschwankungen vermieden werden können.
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Es ist möglich durch Wicklungsumschaltungen (Reihen-Parallelschaltung)
der Spulen a im Bereich kleiner Geschwindigkeiten eine Spannungserhöhung zu erzielen
und hierdurch eine verstärkte Ladung der Batterie vornehmen zu können. Dem gleichen
Ziel dient die Verwendung einerRegelung des Erregerstromes und die Verwendung steuerbarer
Gleichrichter.