-
Magnetanordnung, Magnetaufhängung und Führkraftregelung
-
beim repulsiven magnetischen Tragverfahren mit Permanentmagneterregung
1.
Einführung Die magnetische Abstützung von Fahrzeugen kann prinzipiell auf verschiedene
Weise geschehen, unterliegt aber Kriterien der Wirtschaftlichkeit, die eine Einschränkung
auf jene Verfahren gebieten, die geringsten Aufwand an Material und einen kleinen
Energieverbrauch ermöglichen. Wie in P 30 23324.0 beschrieben, stehen durch energiestarke
Permanentmagnete erregte magnetische Felder im Vordergrund, die mit entsprechenden
aktiven (gleichstromgespeisten) "Schienen" des Fahrweges kombiniert werden und dabei
zu ausreichend großen abstoßenden, stabilen Kräften führen. Der Energieverbrauch
ist hierbei deutlich kleiner als bei den früher beschriebenen elektrodynamisch wirkenden
Stützverfahren. Die Magnetanordnung ist dabei bezüglich der erzielbaren Kräfte sowie
deren Steifiakeit von beachtlicher Bedeutung. Für die Gestaltung des Fahrzeugaufbaues,
insbesondere für die konstruktive Lösung zur Ausführung der Schwebeanordnung ist
die Art der seitlichen Führung des Fahrzeuges sehr wichtig. Für Trag- und Führfunktion
soll der Aufwand an Magnetmaterial (als Anteil am Fahrzeuggewicht) nicht zu groß
sein.
-
Die bisher auf der Grundlage von Ferrit als Magnetmaterial beschriebenen
Lösungen zeigten sich den Elektromagneten (anziehende Schwebeverfahren) deshalb
unterlegen, weil der Aufwand an Magnetmaterial für Fahrzeug und Fahrweg zu groß
und die Steifigkeit der Schwebekräfte sehr gering war.
-
Wird an die aus früheren Beschreibungen bekannten abstoßend wirkenden
Stützungen mit fahrwegseitigem Magnetbelag gedacht, so erschien diese Lösung auch
deshalb nicht anwendungsfähig, weil die Kosten der fanrwegseitigen Magnete zu groß
waren.
-
Eine neue Lösung entsteht durch die Anwendung energiestarker Magnete
im Fahrzeug und eine verbesserte Magnetanordnung in Fahrzeug bzw. Fahrweg und darüber
hinaus durch die gleichzeitige Nutzung der Magnetanordnung zur Erzeugung von Trag-
und Führkräften.
-
2. Gestaltung der Magnetanordnung zur Erzielung einer hohen Materialnutzung
Der Anteil der Permanentmagnete am Fahrzeuggewicht darf aus technischen und wirtschaftlichen
Gründen eine bestimmte Größe nicht übersteigen, wenn eine sinnvolle und gegenüber
anderen Verfahren konkurrenzfähige Lösung erreicht werden soll. Der Einsatz von
Hochenergiemagneten erlaubt die Erzeugung weit größerer Felddichten als im Falle
von Ferritmagneten. Wie aber Anwendungsuntersuchungen zeigen, stellt die Technik
des magnetischen Schwebens auch an den Entwurf von Schwebeanordnungen mit neuen
Magnetwerkstoffen sehr hohe Anforderungen. Dies ist sowohl auf die Einhaltung eines
verhältnismäßig großen Spaltes, wie auch die Beachtung der dynamischen Eigenschaften
der Magnetanordnung zurückzuführen. Die gestellten Anforderungen können nur bei
günstigster Gestaltung und hoher Materialnutzung bei Erreger system und Fahrbahnkomponenten
erfüllt werden.
-
Von besonderer Bedeutung ist hierbei die in Bild 1 erläuterte Feldlinienführung
in einer magnetischen Erregeranordnung.
-
Große Stützkräfte erfordern, wie in Bild 1 b dargestellt, zur Erzeugung
einer großen Stützkraftkomponente F bei einem y gegebenen Strom (Stromdichte Gx)
eine möglichst große waagerechte Feldkomponente Bz. Diese den Leiter durchsetzende
Feldkomponente nimmt mit zunehmendem Abstand vom Magneten bekanntlich ab, weshalb
im allgemeinen in der Nähe des Magneten größere Tragkräfte zu erwarten sind als
in vergleichsweise großem Abstand. In Anbetracht der Magnethöhe von mehreren cm
erscheint die Anwendung eines Eisenrückschlusses, der eine
gute
magnetische Leitfähigkeit darstellt günstig im Sinne einer großen Felddichte im
Leiter und damit einer hohen Tragkraft. Dies gilt, obgleich das Eisen zum Gewicht
der Magnetanordnung einen Beitrag leistet und darüber hinaus mit dem stromdurchflossenen
Leiter eine anziehende Kraft verursacht. Diese Einflüsse sind jedoch deutlich geringer
als die das Feld verstärkende Wirkung.
-
Zu einer guten Nutzung des Magnetmaterials, d.h. für eine geringe
Magnetmasse bei gegebener Tragkraft, sind auch die Einflüsse der Streukomponenten
des magnetischen Feldes, die sich zwischen den Magneten unterschiedlicher Polarität
ausbilden, zu beachten. Um sie klein zu halten, wird bekanntlich ein Spalt zwischen
den Magneten angeordnet. Mit größerem Spalt gelingt eine stärkere Verringerung des
Streuflußanteils, jedoch nimmt dann auch durch die schmaler gewordenen Magnete deren
Wirkung ab. Ein weitgehendes Schließen des Spaltes führt zu einer Streuflußvergrößerung,
die von den Permanentmagneten geliefert werden muß und damit ebenfalls zu einer
starken Schwächung des Spaltfeldes führt.
-
Für die Spaltbreite in Relation zur Magnetbreite kann man durch Detailuntersuchungen
ein Optimum finden.
-
Dennoch erweist sich auch bei Beachtung dieser Zusammenhänge der Verlauf
der Tragkraft in Abhängigkeit von der Entfernung zum Magnet als sehr flach. Der
Kennlinienverlauf (Tragkraft abhängig vom Spalt, siehe Kurve a, Bild 3) verrät eine
geringe Steilheit und damit eine begrenzte Anwendbarkeit des Trac3verEahrcns. Wie
Bild 3 zeigt, kann in der NShe der Magnetoberfläche auch eine Umkehr des Kraftverlaufs
(Abnahme) festgestellt werden, wenn bestimmte Verhältnisse von Spaltbreite zur Magnethöhe
vorliegen. Diese Aussagen gelten nicht nur für auf gleichstromführenden Leitern
basierenden Anordnungen, sondern treten auch im Falle von fahrwegseitigen Permanentmagneten
(s. Bild 2) auf.
-
Größere Tragkräfte und größere Steifigkeit lassen sich mit Hilfe einer
Streufluß- "Steuerung" durch Permanentmagnete im Spalt zwischen den Hauptmagneten
erzielen.
-
Die Bilder 1 a und 2 zeigen die Anordnung dieser Steuermagnete. Sie
sind so angeordnet, daß sie den von den Hauptmagneten erzeugten Streuflüssen, die
jeweils von N nach S verlaufen, entgegenwirken. Die Nordpole der Steuermagnete zeigen
damit jeweils zum Nordpol der Hauptmagnete. Die Abmessungen, insbesondere die Länge
der Steuermagnete,ist so zu wählen, daß im Zwischenraum das resultierende Feld weitgehend
verschwindet. Um einen magnetischen Kurzschluß zu vermeiden, ist die Höhe der Steuermagnete
so zu beschränken, daß eine Berührung mit dem Eisenrückschluß vermieden wird. Durch
die Anwendung dieser Steuer- oder Querflußmagnete ergeben sich im Außenraum sowohl
größere Feldstärken als auch ein kontinuierliches Ansteigen der Feldstärken zur
Magnetoberfläche hin.
-
Damit wird nicht nur eine größere Tragkraft erzielt, sondern auch
eine größere Zunahme der Kraft mit kleinerem Spalt erreicht. Diese Eigenschaft drückt
der Kraftverlauf der Kennlinie b in Bild 3 aus. Die Ausnutzung des Materials zur
Erzeugung hoher Schwebekräfte und verbesserter Schwebebedingungen führt zu einer
verbesserten Anwendbarkeit des Stützverfahrens. So ist z.B. einleuchtend, daß die
größere Steifigkeit der Stützkennlinie deshalb sehr wichtig ist, weil bei Störungen
im Fahrbahnverlauf oder bei von außen auf das Fahrzeug wirkenden Kräften schon nach
viel kürzerer Zeit eine neue Gleichgewichtsposition des Magneten gegenüber der Schiene
erreicht wird. Ein zu langsames Einschwingen auf die neue Lage ist gleichbedeutend
mit ungenügenden (dynamischen) Schwebeeigenschaften und einer Beschränkung des Verfahrens
auf kleine Geschwindigkeiten.
-
Außer der-Magnetanordnung mit gleichstromführender Schiene (P 30 23324.0),
die in Bild 1 a im Querschnitt gezeichnet ist, stellt die praktisch völlig verlustlose
Anordnung nach Bild 2 mit einer permanenterregten Schiene ein anderes interessantes
Beispiel dar. Bei dieser Anordnung ist die fahrbahnseitige Magnetkonfiguration eine
Art Spiegelbild der fahrzeugseitigen Magnetgeometrie. Aus Gründen der Wirtschaftlichkeit
müssen bei längeren Fahrbahnen jedoch billigere Magnete als im Fahrzeug verwendet
werden. Hierzu eignen sich z.B. die früher ausschließlich verwendeten Ferritmagnete,
deren Preis um mehr als einen Faktor 10 niedriger liegt als bei Samarium-Kobalt-Magneten.
Trotz des deutlich niedrigeren Preises muß darauf geachtet werden, daß die Kosten
der Magnete begrenzt, d.h. die notwendige Magnetmasse je Längeneinheit der Fahrbahn
minimiert wird.
-
Zur Erreichung dieses Ziels läßt sich sehr vorteilhaft die Streuflußkontrolle
mit Hilfe von Quernagneten anwenden, (siehe Bild 2). Es gilt hierfür die gleiche
Begründung wie im Falle des fahrzeugseitigen Erregermagneten. Eventuelle Abweichungen
der Magnetausfuhrung gegenüber den Fahrzeugmagneten können sich durch Berücksichtigung
der Magnetstabilität ergeben.
-
Es darf damit festgestellt werden, daß die Streuflußverminderung durch
Quermagnete in den Pollücken sowohl zu einer besseren Nutzung des Magnetmaterials
im Fahrzeug als auch zu einer Minimierung des Aufwandes für den Fahrweg führt und
damit kleinere Fahrzeuggewichte und -kosten, sowie eine Verringerung der Aufwendungen
für die Fahrwegkomponenten (Leiter oder Magnete und Fahrwegkonstruktion) erreicht
wird.
-
Die Anwendung von Querflußmagneten verbessert darüber hinaus die Steilheit
der Tragkraft - Spaltkenniinie und hat damit sehr wesentlichen Einfluß auf die Anwendbarkeit
abstoßender Schwebekräfte. Das Verfahren der repulsiven Schwebekräfte läßt sich
hierdurch bei höheren Maximal geschwindigkeiten einsetzen. Es kann davon ausgegancjen
werden, daß die Tragmagnete in Einheiten von 1 t 2 m Länge in längeren Schwebegestellen
zusammengefaßt werden. Federn und Dämpfer ermöglichen, ähnlich
wie
bei der Einzelradaufhängung von Rädern, eine freie Einstellung der Magnete gegenüber
dem Schwebegestell. Der Aufwand an Führeinrichtungen kann hierbei wesentlich geringer
sein als im Falle der Ankopplung von instabilen Magneten mit anziehenden Kräften.
-
Das Verfahren kann indes nicht nur bei abstoßenden magnetischen Tragverfahren,
sondern auch bei Erregeranordnungen mit Permanentmagneten anderer Art, z.B. auch
für lineare Antriebe verwendet werden. Querflußmagnete können auch hierbei zu einer
Vergrößerung der nutzbaren Felder führen.
-
3. Regelverfahren zur Erzeugung von seitlichen Führkräften Die bekannten
und z.T. in der Anmeldung P 30 23324.0 beschriebenen Verfahren zur Erzeugung von
seitlichen Führkräften sollen möglichst der Bedingung entsprechen, daß sie nicht
nur kontaktlos funktionieren, sondern auch keinen nennenswerten Mehraufwand an Magnetmaterial
verursachen. Darüber hinaus ist erwünscht, daß auch ein umfangreicher Einsatz elektronischer
Bauelemente vermieden werden kann. Die repulsive Stütztechnik bringt den großen
Vorteil, daß hinsichtlich der Tragfunktion kein regelungstechnischer Aufwand und
damit ein Minimum an Wartungsproblemen entsteht. Für die Führfunktion wird ein Regelverfahren
auf der Grundlage eines hydraulischen Stellgliedes vorgeschlagen; die Elektronik
kann dadurch auf einen geringen Umfang reduziert werden. Bei einem Ausfall der Regelung
wird nur die kontaktlose Führfunktion, nicht aber die Bereitstellung der Schwebekräfte
beeinträchtigt.
-
Das Funktionsprinzip der Seitenführung wird mit Hilfe der Bilder
4 und 5 beschrieben. Bild 4 zeigt den Verlauf der Tragkräfte Fy und der Seitenkräfte
Fz bei Verschiebung z.B. des fahrzeugseitigen Magneten gegenüber den Stützelementen
des Fahrwegs bei konstantem Spalt. Ein solches seitliches Auswandern
z
kann z.B. als Folge einer Einfahrt des Fahrzeuges 0 in eine Kurve auftreten. In
diesem Fall ist entsprechend Bild 4 ein zunächst unmerklich kleiner Tragkraftabfall
(entsprechend FYa) zu verzeichnen. Bei einer Verschiebung, ya die etwa einer halben
Magnetpolteilung entspricht, geht die Tragkraft durch Null. Eine Verschiebung nach
der anderen Seite hat den gleichen Einfluß auf die Tragkraft. Es soll darauf hingewiesen
werden, daß sowohl bei Anwendung stromdurchflossener Spulen als auch bei der fahrwegseitigen
Permanentmagnetbelegung ähnliche Kurvenverläufe gegeben sind. Auch für die in Bild
4 gezeichneten Seitenkräfte F z wird ein analoger Verlauf festgestellt. Für die
Seitenkräfte gilt also, daß sie in der Mittellage der Magnetanordnung durch Null
gehen und ihre Richtung ändern. Die Seitenkräfte wirken (ungeregelt) destabilisierend,
d.h. sie versuchen eine einmal gegebene Auslenkung zu vergrößern. Es ist andererseits
zu erkennen, daß die seitlichen Kräfte, die bei Auslenkung vom Tragsystem erzeugt
werden, eine nennenswerte Größe erreichen und eine günstige Steilheit aufweisen.
Sie erreichen maximal etwa die Hälfte der Tragkräfte; zur Erzielung von zwei Drittel
dieses Wertes genügt eine Aus lenkung von einem kleinen Bruchteil der Magnetbreite.
-
Würde z.B. wie in Bild 4 gezeichnet, eine Auslenkung des Fahrzeugmagneten
um den Betrag z nach rechts stattfinden, so a würden sich wie erwähnt, die geringfügig
reduzierte Tragkraft Fya und die Seitenkraft F za ergeben. Da Fya kleiner ist als
der Nennwert Fyo, muß die Schwebehöhe sich soweit verringern, bis wieder gilt: F
= Fyo Der verringerten Schwebehöhe entya spricht dann eine entsprechend vergrößerte
Seitenkraft (nicht gezeichnet).
-
Während die Tragfunktion damit auch bei Aus lenkung sichergestellt
ist, bedarf die Seitenkraft einer Korrektur, da sie offenbar eine Fahrzeugbewegung
nach der falschen Seite verursacht. Mit einem mechanischen (hydraulischen) Stellorgan,
wie
es in Bild 5 in Verbindung mit dem Tragmagnet gezeichnet ist,
kann durch einen Druckunterschied p2> p1 am Kolben K des Zylinders Z eine Stellkraft
derart ausgeübt werden, daß eine Verschiebung des Magneten in die Lage b jenseits
der Mittellage erfolgt. Dort wirkt jetzt die Führkraft F zb in die (richtige) Richtung
zur Mittellage hin und führt damit zu einer Korrektur der seitlichen Fahrzeugposition.
Hierbei ist vorausgesetzt, daß die Verschiebung der Magnete bei begrenzter magnetischer
Gegenkraft und verhältnismäßig geringer Massewirkung (Magnetmasse klein gegenüber
der Fahrzeugmasse) sich mit begrenztem Aufwand an hydraulischen Kraftverstärkern
durchführen läßt. Der feste Punkt für die Verschiebung wird, entweder, wie gezeichnet,
durch das Schwebegestell G oder direkt durch die Fahrzeugmasse dargestellt. Die
Zwischenschaltung des gegenüber dem Fahrzeug-weich abgefederten Schwebegestells
bewirkt eine gewisse zeitliche Verzögerung für die Wirkung des hydraulischen Verstellhubes,
vermag aber andererseits die Massewirkungen der Magnetverschiebungen weitgehend
von der Fahrzeugzelle zu isolieren. Hierdurch wird ein erhöhter Fahrkomfort erzielt.
-
Auch für die Stellung b gilt, daß in dem Maße wie Fyb gegenüber den
tatsächlichen Gewichtskräften zu klein ist, ein kleinerer Spalt zu einem Ausgleich
der Kräfte führt. Auch die seitliche Stellkraft F zb wird hierdurch vergrößert.
Dies beschleunigt die Fahrbahnkorrektur in der z-Richtung.
-
In Bild 5 ist angenommen, daß sich zwischen dem Magnet M und dem Schwebegestell
G eine Feder- Dämpferanordnung Fd befindet.
-
Sie soll im Vergleich zur Sekundärfeder Fs, die eine niedrige Eigenfrequenz
besitzt, härter' abgestimmt sein. Sie läßt Bewegungen des Tragmagneten gegenüber
dem Schwebegestell mit kleinen Aus schlägen zu. Außerdem kann der Magnet über eine
waagerechte Führung gegenüber dem Schwebegestell über dem Kolben K bewegt werden.
Dies setzt entsprechende Druckunterschiede zwischen P1 und P2 auf beiden Seiten
des Zylinders Z voraus. Sie werden über ein Servoventil V bereitgestellt.
-
Das Ventil V ist mit einem Druckspeicher Sp in Verbindung, der im
allgemeinen von einem Kompressor auf annähernd konstantem Druck gehalten wird.
-
Die Ansteuerung des Ventils V erfolgt über einen Regler Re, der Signale
eines Lagesensors S mit einem Sollwert zO vergleicht. Zo entspricht im allgemeinen
der Mittellage der Fahrbahn. Bei Abweichungen aus dieser Lage treten Regelbefehle
auf, die, wie beschrieben, jeweils eine gegensinnige Aussteuerung des Magneten bezirken.
ähnlich wie bei der elektrischen Regelung eines Elektromagneten, erfordert die vorliegende
Art der Regelstrecke i.a. außer dem Wegsignal, die Berücksichtigung der Änderungsgeschwindigkeit
des Weges.
-
Letztere kann entweder über einen eigenen Geschwindigkeitssensor erzeugt
oder aus dem Lagesignal, oder aber z.B. aus einem gesondert~gentessenen Beschleunigungssignal
abgeleitet werden. Der Regler verarbeitet also im allgemeinen mehrere Signale und
ist damit in der Lage, einen solchen Verlauf der Drucksteuerung vorzugeben, daß
nicht nur die geforderte Verstärkung, sondern auch die nötige Dämpfung zur Stabilisierung
des Regelvorganges bereitgestellt wird.
-
Es ist offensichtlich, daß auch im Vergleich zu den in P 30 23324.0
beschriebenen Verfahren, die hier vorgeschlagene Lösung einer gemeinsamen Bereitstellung
von Trag- und Führkräften durch ihre Einfachheit und die Beschränkung des Aufwandes
für Fahrzeug und Fahrbahn hervortritt. Es wird somit möglich, die Gewichtsanteile
der Hochenergie-Permanentmagnete im Fahrzeug auf einen niedrigen Anteil zu begrenzen.
-
Ihr Einsatz führt auf insgesamt günstige Fahrzeuggewichte, die zu
einer überlegenheit gegenüber anderen Trag- und Führverfahren beiträgt. Durch die
stark verringerten Magnetmassen für den Fahrweg gewinnt insbesondere bei Verwendung
von Ferritmagneten das repulsive Schwebeverfahren stark an Attraktivität. Gegenüber
bisher bekannten Lösungen lassen sich die Fahrzeug- und die Fahrweganordnung vereinfacht
und verbilligt ausführen.
-
Der Aufwand an Elektronik ist, wie bereits erwähnt, gegenüber anderen
Schwebeverfahren, insbesondere jenen mit anziehenden Magneten, stark verringert.
Die Elektronik ist ausschließlich auf die Stabilisierung der Führfunktion beschränkt.
Man kann davon ausgehen, daß z.B. der Lagesensor S bevorzugt auf magnetischer Basis
(Hallsonden) evtl. auch auf elektromagnetischen (induktiven) Wirkungen basiert.
Es ist damit naheliegend, den eigentlichen Regler in elektronischen Komponenten
auszuführen, so daß für das Ventil V der Stelleingriff durch elektrische Spannungen
erfolgt. Hierbei kann jedoch von einer Verstärkerwirkung des hydraulischen Stellgliedes
ausgegangen werden, so daß die Stelleistung für das Ventil sehr gering sein kann.
Es resultiert hieraus für den elektrischen Teil eine Verstärkerendstufe geringer
Leistung. Da das Tragverfahren, insbesondere bei Verwendung fahrbahnseitiger Permanentmagneten
ausfallsicher ist, bedarf es nur verhältnismäßig bescheidener Vorkehrungen für den
Notlauf. Für die regelungstechnisch stabilisierte Seitenführung empfiehlt sich in
jedem Fall ein Notlauf zur seitlichen Begrenzung. Er kann auf der Basis von Kufen
oder Rädern vorgesehen werden.
-
Leerseite