DE2710156A1 - Permanent-magnetanordnungen fuer tragen, fuehren und vortrieb - geregelte permanentmagnete mit geringer stelleistung - Google Patents

Description

• PERMANENT-MAGNETANORDNuNGgIs FUn TRAGEN, FUHREN UND VORTRIEB
• GEREGELTE PERMANENTMAGNETE MIT GERINGER STELLEISTUNG Beschreibung von Funktion und Anordnungsmöglichkeiten Die Anwendung magnetischer Kräfte zur berührungsfreien Aufhängung von ruhenden oder bewegten Körpern, wird in der Zukunft in vielfältiger Form genutzt werden. Die in den letzten Jahren unternommenen Anstrengungen auf dem Gebiet der Verkehrstechnik sind ein Beispiel für eine interessante Entwicklung.
• In de Patentanmeldungen P 2238403.8, P 2257773.7, P 2362019.1, P 2449618.2 wurden Vorschläge beschrieben, wie durch die Kombination der Funktionen Tragen, Antrieb und evtl. Führen Vereinfachungen des GesamtkonzeT>ts erreicht werden können. Hier, wie bei der nichtkombinierten Anordnung, ist für die Fahrzeugausrüstung eine niedrige elektrische Bordleistung und damit eine möglichst leistungsarm betriebene Magnetanordnung anzustreben.
• Weitgehend passive Fahrzeuge entsprechen der Zielvorstellung eines wartungsarmen und störsicheren Transportkonzepts. Durch die Verlagerung der leistungsführenden Bauteile des Antriebs aus dem Fahrzeug an die Fahrstrecke, wird beim Langstatorkonzept ein wichtiger Schritt in diese Richtung getan. Die Anwendung von geregelten Permanentmagneten stellt einen weiteren wichtigen Schritt dar. Magnet- und Statoranordnung sind in ihrer äußeren Form modifizierbar und können den vielfältigen Forderungen - wie etwa dem Transportcharakter (Personen- oder Gütertransport) - Geschwindigkeits- und Beschleunigungsverhalten und ähnlichem angepaßt werden. Der Energieverbrauch sowie der notwendige Material aufwand für die Trassenelemente sind wichtige Entwurfskriterien.
• Im Hinblick auf niedrigen Materialbedarf für das Eisenblechpaket sind einseitig wirkende Tragmagnete günstig, sofern allerdings der Forderung nach ausreichender Schuberzeugung mit Hilfe einer einseitig angeordneten Wicklung entsprochen werden kann.
• Der Ubergang von der doppelseitigen Magnetanordnung nach Bild 1 entsprechend P 2449618 (dort Bild 3) zu einer einseitigen Magnetanordnung, siehe Bild 2, vollzieht sich dadurch, daß der den unteren Flußanteil führende Eisenkörper 6 fest mit der Erregeranordnung verbunden wird. Der Spalt zwischen den Weicheisenpolen 4 und den Jochen ist unten durch su)(5), ), oben durch 6o gegeben. Der durch den Permanentmagnet erregte Fluß ist ausreichend, um etwa die geforderte Tragkraft zu erzeugen. Die im oberen Spalt entstehende magnetische Flußdichte Bo erzeugt zusammen mit den Strömen der Mehrphasenwicklung des Stators (2) auch die Vortriebskräfte.
• Um die Stabilisierung der Tragkraft zu bewirken, sind zusätzliche Steuerspulen (7) um die Weicheisenpole angeordnet. Bei Spaltänderungen 0 erzeugen sie eine dieser Änderung entgegenwirkende Kraft, die eine Folge der Änderung der Flußdichte +weist. Einem größer werdenden Spalt entspricht eine Flußvergrößerung und umgekehrt.
• Zu diesem Zweck werden die Steuerspulen z. B. mit Hilfe eines elektronisch gesteuerten Stromstellers (4-Quadranten-Steller) etwa aus einer Batterie mit geregeltem Strom versorgt. Außer dem Spaltsignal wird auch dessen zeitliche Ableitung (erste oder zweite Ableitung) zur Beeinflussung des Steuerstromes herangezogen.
• Die Anordnung des Bildes 2 entspricht hinsichtlich der wesentlichen magnetischen bzw. elektrischen Eigenschaften dem Verhalten der in Bild 1 beschriebenen Variante.
• Da die zusätzlich durch die Steuerwicklung erzeugten Anteile des magnetischen Flusses auf dem Wege über den magnetisch gut leitfähigen Weicheisenkreis verlaufen, kann die insgesamt notwendige Durchflutung der Steuerspulen und damit der Querschnitt klein gehalten werden. Die Regelung der Permanentmagnete erfolgt mit kleinem zusätzlichen Gewicht und geringen Steuerleistungen.
• Wegen des kleinen Spulenquerschnitts ist auch die Zeitkonstante der Wicklung relativ klein. Bei gegebenen Spannungen erhöht sich im Vergleich zu normalen Elektromagneten die Aussteuergeschwindigkeit. Dies bedeutet, daß auch das Produkt aus maximaler Spannung und maximalem Strom der Wicklung vergleichsweise klein ist.
• Die Größe der notwendigen Stromsteller und die der Stromquelle entnommene maximale Leistung sind gering.
• Da der normale Traganteil der Erreger anordnung durch die Permanentmagnete leistungslos gestellt wird, entsteht bei den Anordnungen nach Bild 1 oder 2 ein Schwebekonzept mit sehr günstigen Eigenschaften.
• Die Anordnung des Bildes 2 führt wegen der entfallenden nach unten wirkenden Gegenkräfte zur Tragkraft auf günstigere Verhältnisse von Tragkraft zu Eigengewicht der Erregeranordnung.
• Wie angedeutet, kann in den Polschuhen eine Mehrphasen-Generatorwicklung eingelegt sein, die bei Bewegung aus der von Stator durch Leitfähigkeitsschwankungen verursachten Feldoberwelle Energie in das Bordnetz einspeist (entsprechend P 2257773).
• Es bedarf kaum des Hinweises, daß geregelte Permanentmagnete in der Form nach Bild 2, also in der längsmagnetisierenden Anordnung, ähnlich wie Elektromagnete, angeordnet werden können, um für kombinierte Funktionen Verwendung zu finden. So ist z. B. eine Erregeranordnung möglich, die entsprechend Bild 6c in P 2257773 je Seite aus zwei um 900 gegeneinander gedrehte Magnetreihen besteht, wovon eine die Trag-, die andere die Führfunktion übernimmt. Der Fluß beider oder nur einer Anordnung kann in einer entsprechenden Stator-Kombination zur Erzeugung der Vortriebs- und Bremskräfte mit herangezogen werden. Die Ausnützung beider Magnetreihen zur Vortriebsbildung hat Vorteile im Hinblick auf Verluste und Installationen für die Energieversorgung.
• Bild 3 stellt dar, wie bei verschiedenen Magnetentwürfen für Bahnanwendungen der Zusammenhang zwischen Steuerdurchflutung und erreichbarer Tragkraft, bezogen auf das Gewicht der Erregerleistung, verläuft. Dabei sind links Ferritmagnete und rechts Selten Erden-Kobalt-Magnete zugrunde gelegt worden. Die Entwürfe unterscheiden sich zusätzlich im Hinblick auf das gewählte Niveau der Flußdichte, wobei rechts jeweils die Magnete mit höheren Induktionen liegen.
• Wie das Bild erkennen läßt, sind die z. Zt. preisgünstig verfügbaren schwächeren Ferritmagnete im Verhältnis zu ihrer Tragkraft noch verhältnismäßig schwer-. Ihre Anwendung ist also auf vergleichsweise leichte Fahrzeuge beschränkt. Hingegen entsprechen die modernen Selten Erden-Kobalt-Magnete voll den Anforderungen, die an Trageinrichtungen auch für schwere Fahrzeuge gestellt werden.
• Soll nur die Tragfunktion erfüllt werden, so kann auch ein geregelter Magnet Anwendung finden, der als Teilelement der oben beschriebenen Magnetkette verstanden werden kann (Bild 4).
• Die Tragschiene (1) kann eben oder auch in der bekannten C-Form ausgeführt und gegebenenfalls lamelliert sein.
• Um die Führfunktion für ein Fahrzeug zu bewirken, kann - wie Bild 5 zeigt - der geregelte U-Magnet in zweiseitiger Anordnung auf eine in der Mitte befindliche Schiene wirken, die den magnetischen Fluß der Permanentmagnete «p waagerecht und den Fluß der Steuerspulen über ihren vertikalen Teil führt. Die Schiene kann dabei einen lamellierten Eisenteil aufweisen, so daß Wirbelströme teilweise unterdrückt werden können. Die Formgebung der Schiene weist im Bild vorstehende Polansätze auf, die das magnetische Feld bündeln, den Streufluß verkleinern und damit eine wirksamere Kraftbindung ergeben.
• Eine Verringerung des Magnetgewichtes bzw. der Erregeranordnung kann unter Inkaufnahme einer Vergrößerung des Schienenvolumens mit Bild 6 dadurch erzielt werden, daß der Magnet von der Schiene umfaßt wird.
• Wird das gesamte Schienenvolumen zur Führung des magnetischen Flusses herangezogen, so kann wie Bild 7 zeigt, ein Weicheisenteil der Magnetanordnung mit den zugehörigen Steuerspulen eingespart werden. Allerdings reduziert sich hierdurch auch die Kraftwirkung F z in seitlicher Richtung. Hinzu kommt eine vom Feld des unteren Spaltes erzeugte, den Magnet nach unten ziehende Kraft Fy.
• y Bei einer Drehung der Anordnung um 1800 kann auch diese Kraftwirkung umgekehrt und damit zu einer Kompensation des Fahrzeuggewichts mit herangezogen werden (Bild 8). Es kann, wie dargestellt ist, zur Verringerung des ortsfesten Schienenvolumens der Magnet mit Polhörnern ausgestattet werden. Die für die Führfunktion notwendige Flußkomponente verläuft weitgehend unabhängig vom Fluß der Permanentmagnete,der auch der Tragfunktion dient. Hierbei sind hohe Feldstärken im Eisen zu vermeiden. Unter dieser Voraussetzung sind die Beeinflussungen zwischen den Kraftkomponenten für Tragen und Führen gering.
• Daß es auch möglich ist, in dieser Transversalflußform Kraftwirkungen in allen drei Hauptrichtungen zu erzeugen, ist für ein Beispiel in Bild 9 gezeichnet. Außer der ähnlich wie in Bild 8 wirkenden Trag- und Seitenkraftbildung, tritt durch die Wechselwirkung mit der Wanderfeldwicklung noch eine Vortriebskraft Fx hinzu. Die Erregerpole sind nun mit wechselnder Polarität in Fahrtrichtung angeordnet. Dies entspricht der linearen Anordnung einer Synchronmaschine.
• Beide Seiten des Stators tragen eine Mehrphasenwicklung, die über einen Frequenzumrichter gespeist und so betrieben wird, daß die Kraftwirkungen der einzelnen Pole sich zu einer zeitlich weitgehend konstanten Kraft unterstützen. Die gezeichnete Anordnung setzt einen Stator voraus, der in der Flußebene geblechtes Eisen aufweist, um Wirbelströme zu unterdrücken.
• Bei einigen der beschriebenen Anordnungen kann auch durch Weglassen der Steuerspulen S-etwa bei Ersatz der magnetischen Führung durch andere Hilfsmittel - noch ein Vorteil für die Anwendung des Permaerregersystems gesehen werden. So können die Magnetanordnungen nach Bild 1 und 2, ebenso wie diejenige von Bild 9, durch die Erzeugung höherer Flußdichten als bei Verwendung ohne Weicheisenpole z.B. eine wirksamere Vortriebsbildung ergeben. Dies wird dadurch erreicht, daß die Breite der Permanentmagnete größer gewählt wird als die Breite der Weicheisenpole. Dies gilt unabhängig von der Art des Magnetwerkstoffes. Konfigurationen nach Bild 2 und 9 lassen darüberhinaus die Erzeugung ungeregelter Normalkräfte zu, die z.B. zur teilweisen Kompensation des Fahrzeuggewichtes genutzt werden können.
• Die Heranziehung geregelter Permanentmagnete weist im Falle von berührungslos funktionierenden Fahrzeugen von vornherein offensichtliche Vorteile auf. Sie zeigt aber auch nach näherer Betrachtung - in Kombination mit der Anwendung des Rades- einige ganz wesentliche positive Aspekte. So könnte eine berührungslose magnetische Führfunktion zusammen mit dem Langstator-Vortriebskonzept die hauptsächlichen Nachteile und geschwindigkeitsbegrenzenden Einflüsse der Rad-Schiene Technik beseitigen. Bild 10 enthält die Bild 1 entsprechende Magnet- und Statoranordnung mit einer Not-Führvorrichtung unten. Dieselbe Funktion könnte auch durch eine Bild 9 entsprechende Konfiguration erzielt werden (mit zusätzlicher Stützkraft).
• Die dynamischen Verhältnisse des Radlaufes verbessern sich durch Wegfall des Sinuslaufes. Die Kurvenfahrt kann geführt, ohne Anlauf der Spurkränze erfolgen. Es läßt sich eine erhöhte Entgleisungssicherheit erreichen.
• Die Probleme der Stromübertragung zum Fahrzeug existieren nicht mehr; eine Stromerzeugung für die relativ geringe Bordleistung (geregelte Permanentmagnete) kann z.B. über Generatoren vom Rad aus oder über Lineargeneratoren in den Polen der Magnete und ggf. einer Pufferbatterie erfolgen.
• Durch den Linearantrieb kann eine örtlich variable Schuberzeugung und eine Trassierung mit höheren Steigungen erfolgen, während sich die verbesserten Führfunktionen günstig auf den zulässigen Kurvenradius auswirken. Eine Erweiterung des Geschwindigkeitsbereiches ist offensichtlich. Vorhandene Gleisanlagen lassen sich durch Nachrüsten an die verbesserte Traktionstechnik anpassen.
• Aussagen, die hier beispielhaft auf lineare (translatorische) Bewegungen bezogen sind, lassen sich ganz entsprechend auf rotatorische Anordnungen übertragen.

Claims (4)

1. Schutzansprüche 1. rag-, Führ- und Vortriebsverfahren einzeln oder in Kombikation bestehend aus jeweils einem feststehenden und einem beweglichen Funktionselement zwischen denen durch ein magnetisches Feld Kräfte übertragen werden, dadurch gekennzeichnet, daß durch Permanentmagnete ein wesentlicher Teil des magnetischen Flusses erzeugt und durch räumliche Gestaltung und/oder Regelung mindestens zwei senkrecht aufeinanderstehende Kraftkomponenten dauernd oder bei Auslenkung aus einer Ruhelage erzeugt werden können.
2. 2. T-, F- u. V-verfahren mit Permanentmagneten nach 1), dadurch gekennzeichnet, daß durch die Verwendung von Weicheisen-Hilfspolen eine das Magnetfeld im wirksamen Spalt verstärkende Wirkung erzielt wird, was durch ein entsprechendes Verhältnis von Polbreite des P-Magnet zur Polbreite des Weicheisenpols erreicht werden kann.
3. 3. T-, F- u. V-verfahren mit Permanentmagneten nach 1) und 2), dadurch gekennzeichnet, daß die zur Stabilisierung der senkrecht zur Eisenoberfläche auftretenden Kraftkomponente Steuerspulen Anwendung finden, deren magnetischer Fluß sich vornehmlich, unter Einbeziehung der Hilfspole, über Weicheisenbereiche schließen kann, wobei die nach außen wirkenden Magnetkräfte in zwei freien Spalten (mit Relativbewegungen) oder in einem freien Spalt auftreten, wobei in letzterem Fall ein interner Rückschluß mit festem bzw. einstellbarem Spalt vorgesehen wird.
4. 4. Berührungsfreie T-, F- oder Vortriebsfunktionen in Zweierkombination mit Vortr. nach 1), 2) und ggf. 3) in Zusammenwirken mit einem berührungsbehafteten oder anderen z.B. dem Luftkissen-Stützverfahren, dadurch gekennzeichnet, daß durch Anwendung der magnetischen bzw. elektromagnetischen Wirkungen das nichtmagnetische Verfahren eindimensional und damit vereinfacht und dynamisch unempfindlicher angewendet wird,wobei auch den Eigenarten des nichtmagnetischen Verfahrens durch Wahl der Spaltebene, die z.B. vertikale Veränderungen durch Rad- oder Schienenabnu }-4 w thiSlrrochen werden kann.