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1. Problematik der Magnetschwebetechnik und Zielsetzung
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Eine universelle Verwendbarkeit der magnetischen Stütztechnik verlangt
eine ausreichende Steifigkeit bei kleiner Magnetmasse und hinreichend großem Spalt
Die in P 3034.418.4 beschriebene Stütztechnik mit Hochenergie-Permanentmagneten
auf der Fahrzeugseite und kostengünstigen Permanentmagneten schwächerer Remanenzinduktion
auf der Fahrwegseite führt zu einer prinzipiell günstigen Bemessung und läßt erkennen,
daß sowohl den grundsätzlichen stütztechnischen Forderungen wie auch den wirtschaftlichen
Gesichtspunkten Rechnung getragen werden kann. Insbesondere die relativ geringe
Masse der Fahrzeugmagnete sowie die verbesserte Steifigke^ìt der Stützkennlinie
ergeben die Voraussetzungen für Verbesserungen des dynamischen Verhaltens des Stützverfahrens.
Sie bedeuten eine Erhöhung der Eigenfrequenz der "magnetischen Federung", die bei
einem Spalt von ca. 1 cm höher liegt als bei den heute verwendeten geregelten Elektromagneten.
Es liegt nahe, mehrere der ungeregelten Stützmagnete als selbständig aufgehängte
bzw, abgefederte Einheiten mit einem Schwebegestell zu verbinden. Das Schwebegestell
ist dann über eine besonders weiche Feder-Dämpfer-Anordnung mit dem Wagenkasten
verbunden. Alle Schwingungsanregungen, deren Frequenz höher als die Eigenfrequenz
der Sekundärfederung ist, werden von der Fahrgastzelle weitgehend isoliert. Die
Magnete ihrerseits folgen wegen ihrer steifen Federkellnlinie in stärkerem Maße
der Kontur der Fahrbahn. Abrupten Knderungen im Schienenverlauf kann (und soll)
der Magnet jedoch nicht konturengetreu folgen; bei hohen Geschwindigkeiten erfolgt
ein verzögertes Einschwingen. Bezüglich Nick-und Rollverhalten kann ein Einzelmagnet
sich bei entsprechender Aufhängung frei einstellen. Hierdurch wird das dynamische
Verhalten im Vergleich zu einer geführten Aufhängung ohne Winkelanpassung verbessert.
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Von besonderer Bedeutung für die Erzielung eines hohen Fahrkomforts
ist die Anordnung einer Dämpfung zwischen dem Magnet
und dem Schwebegestell.
Bei geeigneter Abstimmung der Federn und Dämpfer in den beiden Ebenen kann selbst
für sehr hohe Geschwindigkeiten die durch die Fahrbahnform bedingte Schwingungsanregung
vom Fahrzeug ferngehalten werden. In diesem Zusammenhang kommt auch der Verteilung
bzw. Anordnung der Massen im Bereich der Magnete und des Schwebegestells eine große
Bedeutung zu. Für die allgemeine Anwendung der magnetischen Stütztechnik ist die
Frage von Belang, wie groß die zulässigen Fahrbahnverformungen und -toleranzen bei
dieser Einhaltung des Fahrkomforts sein können. Die Beantwortung dieser Frage hängt
wiederum sehr eng mit dem Entwurf des Magneten und seinem Spiel gegenüber dem Fahrweg
zusammen.
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2. Der Magnet mit zwei Luftspalten Die vorliegende Patentanmeldung
basiert auf der Anwendung von Permanentmagneten der oben erwähnten Materialkombination
in repulsiver Anordnung. Zur weiteren Verbesserung des schwebetechnischen Verhaltens
im Sinne einer universel-Jen Anwendung erweist sich die Einführung eines zweiten
lurl:saltes im magnetischen Kreis der Fahrzcugseite als nützlich. Die magnetischen
Stützkräfte werden, ähnlich wie bisher, durch die abstoßende Wirkung zwischen Fahrbahn-
und Fahrzeugmagneten entwickelt. Das aktive Magnetmaterial ist gemeinsam mit einer
leichten Haltekonstruktion gegenüber dem Rückschluß des Fahrzeugmagneten beweglich
und durch einen zusätzlichen Spalt getrennt angeordnet. Dieser Spalt wird über Federn
und Dämpfer überbrückt. Das Rückschlußjoch ist mit dem Schwebegestell des Fahrzeuges
verbunden.
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Die Anordnung von Federn und Dämpfern zwischen Rückschlußjoch und
Schwebegestell ist ebenfalls möglich, soll aber hir nicht weiter in Betracht gezogen
werden. Bild 1a zeigt einen Querschnitt durch die Magnetanordnung mit dem Fah@zeugmagnet
1, deni über Federn und nämr)fer verbundenen
Rückschlußjoch aus
ferromagnetischem M;i1-crial (Stntl) swie dem Fahrwegmagnet 2 mit zugehörigem Rückschlußjoch.
Der Spalt 1 trennt die aktiven Magnetmaterialien von Fahrweg und Fahrzeug, während
der Spalt 2 das aktive Magnetteil des Fahrzeugs gegenüber dem Rückschluß trennt.
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Bild 1b stellt eine Draufsicht auf den Magneten 1 dar. Der Magnet
ist aus einzelnen rechteckförmigen Blöcken aufgebaut; die Tragkonstruktion stellt
ein nichtmagnetisches Gitter dar, innerhalb dessen das Magnetmaterial beiestigt
ist. Federn und Dämpfer leiten ihre Kräfte in das Magnet Gitter ein.
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In Bild 2 sind die Kraft-Weg-Kennlinien des Magneten gezeichnet. Für
das folgende wird davon ausgegangen, daß die Federkennlinie des Magneten 1 der Magnetkennlinie
a entspricht. Eine Annäherung der Schiene an den Magneten 1 führt damit zu einer
Vergrößerung der Stützkraft F, die eine etwa gleich starke Verringerung des Spaltes
2 bewirkt. Beim theoretischen Grenzfall 61 = 0 ist auch = 0. Die Feder überträgt
die magnetischen Stützkräfte vom Spalt 1 auf das Rückschlußjoch. Die im Spalt 62
magnetisch entwickelten Kräfte wirken einerseits auf den Magneten 1, andererseits
auf das Joch; sie sind gleich groß und entgegengesetzt, so daß sie sich in der Summe
aufheben. Im folgenden können sie unberücksichtigt bleiben.
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Im Diagramm Bild 2 stellt die Kennlinie a den Zusammenhang zwischen
Stützkraft und Spalt 1 für den Fall dar, daß der Magnet ohne zusätzlichen Spalt
ausgeführt ist, also 62 = O. Hierbei ist wichtig, daß eine große Stützkraft Fn beim
Spalt 61n erzeugt werden kann. Die annähernd gerade Kraft-Weg-Kennlinie hat ihren
Maximalwert bei 6 = o.
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Die Steilheit der Kennlinie ist zur Charakterisierung des dynamischen
Verhaltens des Stützmagneten von Bedeutung. Je größer die Steilheit, umso schneller
vermag der Magnet auf
eine veränderte Lage der Schiene einzuschwingen;
umso kleiner sind die Schwankungen im Abstand zwischen Schiene (Magnet 2) und Fahrzeugmagnet.
Eine Verkleinerung der bewegten Magnetmasse wirkt im selben Maße wie eine Vergrößerung
der Steifigkeit. Als eine weitere erwünschte Zielsetzung gilt neben der Vergrößerung
der Steifigkeit und der Massenverkleinerung die Vergrößerung des verfügbaren Spielraumes
zwischen Schiene und Fahrzeug. Fahrbahnungenauigkeiten von einigen Millimetern sollen
bei bewegtem Fahrzeug nicht zur Berührung führen, d.h. der Federweg des Magneten
gegenüber dem Schwebegestell des Fahrzeugs soll nicht zu gering bemessen sein. Eine
Vergrößerung des Federweges darf aus Rücksicht auf das dynamische Verhalten auch
nicht zu einer Vergrößerung der Magnetmasse führen.
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Eine entsprechende Vergrößerung des Spaltes 6 1 auf den doppelten
Wert würde bei einem einspaltigen Magneten bedeuten, daß eine beträchtliche Tragkraftabsenkung
(s. Kurve a) resultiert. Ein wesentlich höherer Aufwand für die Magnete im Fahrweg
und Fahrzeug wäre die Folge. Die Eigenfrequenz und mit ihr die Einschwinggeschwindigkeit
nach einer Störung würde sinken.
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Ein günstiger Weg zur Erhöhung des zulässigen Spiels zwischen Fahrweg-
und Fahrzeugmagnet ohne Beeinträchtigung der dynamischen Eigenschaften gelingt durch
Anwendung eines zweiten Spaltes #2. Zunächst zeigt sich, daß dieser Spalt, solange
er im Größenbereich von 1 liegt, (S2NNS1) keinen wesentlichen Einfluß auf die erreichbare
Tragkraft hat. Dies kann dadurch erklärt werden, daß der magnetische Widerstand
der Feldröhren wesentlich durch den waagerechten Teil im Spalt 1 und weit weniger
durch den Feldverlauf im Spalt #2 bestimmt wird. In Bild 1a ist der Feldlinienverlauf
skizziert. Der dichtgedrängte Feldverlauf im Spalt 6 in waagerechter Richtung ist
erkennbar. Die Feldliniorl in Spalt 2 haben einen w?snlich größeren Abstand,
was
die Unterschiede des magnetischen Widerstandes deutlich macht. Der Spalt 82 verringert
die im Bereich 6 herrschen-2 1 de Felddichte praktisch nicht und führt damit auch
zu keiner nennenswerten Verringerung der Kräfte. Trotz eines zusätzlichen Spaltes
entsteht für einen solchen Magneten praktisch dieselbe Kennlinie wie unter a gezeichnet.
Auch die bei einer bestimmten Änderung des Spaltes #1 zu erwartende Änderung der
Kraft (Steifigkeit) bleibt damit annähernd gleich. Für das Beispiel gleichgroßer
Spalte 61 und verdoppelt sich der Bewegungsspielraum des Magneten 1 gegenüber dem
Magnet 2 annähernd. Im Hinblick auf die damit zulässige Bewegung der Schiene gegenüber
dem Fahrzeugmagnet tritt weiter der Vorteil hinzu, daß sich die bewegte Masse gegenüber
einem einspaltigen Magnet verringert. Dies ist gleichbedeutend mit einer Erhöhung
der Eigenfrequenz.
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In Bild 2 ist dargestellt, daß der Magnet mit zwei Spalten durch eine
nach rechts verschobene Kraft-Weg-Kennlinie zu kennzeichnen ist, wenn unter # die
Summe aus beiden res Spalten verstanden wird. Eine Tragkraftreduktion tritt bei
diesem Verfahren praktisch nicht auf. Günstige Verhältnisse werden erreicht, wenn
die Kraftübertragung im Spalt #2 durch eine Feder vorgenommen wird, deren Steifigkeit
der Magnetkennlnie (im Spalt 61) entspricht. Um die von der Fahrbahn herrührenden
Schwingungen gegenüber der Fahrgastzelle weitgehend zu isolieren, ist die Erzielung
einer geringen Masse des über das magnetische Feld mit der Fahrbahn gekoppelten
Macgnottells sehr wichtig. l3s erweist sich alr; günstig, daß die Magnete in Längsrichtung
mehrfach unterteilt sind. Sie werden in mehreren Einheiten jeweils selbständig aufgehängt
und zu Schwebegestellen zusammengefaßt.
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Zu je einer Fahrzeugsektion gehören je zwei oder mehrere Schwebegestelle.
Hierdurch läßt sich eine sehr weitgehende geometrische Anpassung der Magnetstellung
an die Fahrbahn in beiden Hauptebenen erreichen, und die einzelnen Magnete übernehmen
in allen Fällen nahezu 100% der nominalen Stützkräfte;
ein Uberdimensionieren
der Magnete kann weitgehend vermieden werden.
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Zur Erzielung einer optimalen Isolierung der Schwingungen vom Fahrzeugkörper
ist wichtig, daß sowohl zwischen den beweglichen Magnetteilen und dem fest mit dem
Schwebegestell verbundenen Teil Schwingungsdämpfer angewendet werden. Mit der Masse
des Schwebegestells verbunden sind im allgemeinen weitere Komponenten, zu denen
z.B. auch der Linearmotor gehören kann. Die Bewegungen des ';chwebegestells gegenüber
den Fahrbahnkomponenten sind in Anbetracht der zu wählenden harten Federung zwischen
beweglichem Magnetteil und dem Rückschlußjoch relativ gering. Es kann eine recht
genaue Führung der Motorkomponenten gegenüber dem Fahrzeug und damit ein verhältnismäßig
kleiner Spalt zwischen Motor und Reaktionsschiene erzielt werden.
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Die zwischen Schwebegestell und Fahrzeugkörper verwendeten Federn
sind hingegen weich (auf kleine Eigenfrequenz) abgestimmt. Es werden, wie erwähnt,
dort ebenfalls Dämpfer zugeordnet. Um die von der Fahrbahn herrührenden höherfrequenten
Anregungen zu dämpfen, ist es vorteilhaft, wenn die Masse des Schwebegestells größer
ist als die Masse des beweglichen Magnetteils. Die vorgeschlagene Aufteilung des
Magneten, d.h. die Ausführung mit zwei Spalten, kommt der Erzielung einer weitgehenden
Schwingungsisolierung sehr zugute. Wie Untersuchungen zeigen, lassen sich mit einer
derart ausgeführten zweistufigen Federung und Dämpfung und einer Aufteilung des
magnetischen Kreises des Fahrzeugmagneten selbst bei sehr hohen Geschwindigkeiten
(400-500 km/h) günstige Werte für den Fahrkomfort erzielen, obgleich das magnetische
Stützverfahren selbst keine Dämpfung besitzt.
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Gleichzeitig erweitert der Doppeltspalt-Magnet den Entwurfsspielraum
für die Fahrbahn beträchtlich. Es können damit konstruktive Lösungen in Betracht
gezogen werden, die zu (areb(\ez {n Fahrbahnto@eranzen und/oder Durchbiegungen führen.
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Zur Verminderung der auf das Fahrzeug übertragenen Schwingungen erscheint
für manche Anwendungen auch eine Doppelspalt-Magnetanordnung im Fahrweg nützlich.
Sie kann durch Aufnahme von Schwingungsenergie in den Dämpfungselementen zu einem
schwingungsarmen und ruhigen Lauf der Fahrzeuge und zu einer vergleichmäßigten Belastung
der Magnete beitragen.
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3. Die Anwendung verschiedener Magnetmaterialien, Mehrsc1iicht-Magnete
Schließlich sei erwähnt, daß sich für den Aufbau des fahrwegseitigen Magneten (Magnet
2) günstige Ergebnisse erzielen lassen, wenn der Magnet in der (vertikalen) Tragrichtung
unterteilt und aus zwei Schichten zusammengesetzt wird.
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Die beiden Schichten weisen dabei, dem gegenwärtigen Stand der Magnettechnologie
gemäß, unterschiedliche magnetische Eigenschaften (B(H)-Kennlinien) auf.
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Hierbei kann darauf Bezug genommen werden, daß im unteren (vom Fahrzeugmagneten
weiter entfernten) Bereich nur geringe Entmagnetisierungstendenzen auftreten. In
der oberen Schicht hingegen geht die Flußdichte bei kleinem Spalt gegen sehr kleine
Werte. Während zumindest für den Magnetteil nahe dem Spalt eine auch im Hinblick
auf die Temperatureinflüsse stabile, d.h. möglichst gerade,Kennlinie benötigt wird,
steht diese Eigenschaft für den unteren Magnetteil nicht im Vordergrund. Für diesen
Magnetteil sollte bei geringerer Entmagnetisierung zur Erzielung hoher Flußdichten
preisgünstiges Material mit möglichst hoher Remanenzinduktion Verwendung finden.
Ein Abknicken der B(H)-Kennlinie bei kleineren Flußdichten kann toleriert werden.
Höchste Remanenzinduktion und gerade B(H)-Kennlinie sind gegenwärtig insbesondere
bei Ferritmagneten nicht gleichzeitig herstellbar. Magnetkombinationen dc-i beschriebenen
Art führen deshalb auf insgesamt günst igere Tragkrä@le je Einheit
des
Magnetgewichts als im Falle eines homogenen Magnetmaterials mit Einhaltung der maximalen
Stabilitätsforderung für den gesamten Bereich.
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Das Verfahren der Magnet-Schichtung kann prinzipiell auch auf die
Anwendung von mehr als zwei Schichten mit an die Feldverhältnisse (Entmagnetisierungsbedingungen)
angepaßten Materialwerten hin weiterentwickelt werden. Hierbei kann durch feinere
Abstufung eine noch bessere Ausnutzung des Magnetmaterials erzielt werden.
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4. Kombination von Tragen und Führen Grundsätzlich stehen zur Erzeugung
der Führkräfte mehrere Verfahren zur Verfügung (s. auch P 3034.418.4).
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Es ist dabei in allen Fällen möglich, die Tragkraft ohne Regelung
durch die abstoßenden Permanentmagnete entsprechend Abschnitt 2 und 3 zu erzeugen.
Das Führen der Fahrzeuge kann so erfolgen, daß alle seitlichen Kräfte von einer
ebenfalls ohne Regelung arbeitenden Rollenanordnung, also mechanisch, z.B. in der
Mitte des Fahrzeugs übernommen werden. Diese Kräfte werden über Führelemente, die
identisch sein können mit der Schiene des Linearmotors, auf den Fahrweg übertragen.
Die bei seitlichem Auswandern, das durch Fahrbahnungenauigkeiten bedingt sein kann,
auftretenden Seitenkräfte der Magnete werden dann ebenfalls von der Führeinrichtung
aufgenommen. Sie addieren sich zu den durch andere Störeinflüsse bedingten Kraftkomponenten.
Es erscheint prinzipiell möglich, z.B. die durch Kurven bedingten Zentrifugalkräfte
durch einen definierten Versatz der Führschiene gegenüber den Fahrbahnmagneten der
Trageinrichtung zu kompensieren und so die Führeinrichtung (Räder) zu entlasten.
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Bild 3 zeigt die Skizze eines Fahrzeugs mit einer mechanisellex ol1fnführung
in Kombination mit einem repulsiven
Stützmagnetsystem. Letzteres
ist aus Gründen der Einfachheit nur mit einem Spalt gezeichnet worden. Der Linearmotor
kann dem Langstator- oder Kurzstatorkonzept zugeordnet werden und synchron oder
asynchron wirkend ausgeführt sein.
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Auch nichtelektrische Antriebssysteme erscheinen in der Kombination
mit den beschriebenen Trag- und Führverfahren kombinierbar .
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Im Bild 3 wurde vorausgesetzt, daß die Führrollen die Seitenkräfte
in die Reaktionsschiene des Linearmotors einleiten.
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Für größere Fahrgeschwindigkeiten treten,durch dynamische Vorgänge
verursacht, größere Kräfte auf, die einen stärkeren Verschleiß der mechanischen
Führelemente bedingen können. Zur Beschränkung der Verschleißprobleme kann, wie
in Bild 4 skizzenhaft angedeutet ist, eine Regelung verwendet werden. Hierzu wird
das Schwebegestell seitlich verschiebbar gegenüber der Rollenführung angeordnet.
Die zwischen beiden Fahrzeugteilen auftretenden seitlichen Kräfte lassen sich etwa
durch D@hnungs-Meßeinrichtungen sensieren.
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Das entsprechende Signal kann zur Ansteuerung eines Selmotors verwendet
werden, der z.B. über eine Spindel das Schwebegestell gegenüber der Führeinrichtung
entgegen der kraftbedingenden Auslenkung verschiebt, bis wieder ein kraftneutraler
Zustand erreicht wird. In diesem Fall übernehmen also die Magnete die seitliche
Führung des Fahrzeuges in sehr verschleißarmer Form, d.h. ohne größere mechanische
Belastung der Räder. Um eine dynamisch hochwertige Radentlastung zu erhalten, muß
eine verhältnismäßig schnellwirkende Verstelleinrichtung (Motor, Stellglied, Regler)
vorhanden sein.
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im liinblick auf zeine Bescllrtlnkun des Gesamt aufwandes für Fahrzeug
und Fahrweg erscheint es zweckmäßig, bei großen Geschwindigkeiten die Führkräfte
durch eine von den Tragmagneten erzeugte Seitenkraft mit Hilfe einer Regeluicj ohne
mechanische Kontakte zur Fahrbahn zu erzeugen.
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Der dabei erforderliche regelungstechnische Aufwand ist, ähnlich wie
bei Verwendung von Rädern, als mechanischer Kraftsensor sehr begrenzt. Im Vergleich
zu Schwebefahrzeu-(en, die auf der Grundlage regelungstechnisch stabilisierter anziehender
Kräfte beruhen, kann hier die Regelung der Führkräfte infolge der geringeren Instabilität
der Regelstrecke mit kleinerem Stellaufwand (kleineren Verstärkern) auskommen.
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In P 3034.418.4 wurde ein Beispiel beschrieben, bei dem als Stellglied
für die zur Regelung seitlich notwendige Versetzung der Fahrzeugmagnete hydraulische
Verstärker herangezogen wurden. Dies kann als ein Mittel betrachtet werden, um die
Leistung der elektrischen Stellglieder sehr stark zu reduzieren, da das hydraulische
Stellorgan selbst die Wirkung eines Verstärkers (Servomotors) aufweist.
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Daß anstelle mechanischer Führelemente und hydraulischer Stellglieder
auch elektromagnetische Vorrichtungen wie z.B.
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Linearmotoren zur seitlichen Verstellung der Tragmagnete eingesetzt
werden können, ist in Bild 5 skizziert. Das Bild zeigt dieses Stellorgan in der
Mitte des Fahrzeuges.
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Die seitlich wirkenden Kräfte werden durch das Zusammenspiel von magnetischem
Feld, das durch Permanentmagnete (Mitte) erzeugt wird, und elektrischen Strömen
im Stator hervorgerufen. Die Ströme fließen z;B. in mehreren Spulen, die im Eisen
des feststehenden Teiles in Nuten eingelegt siintl. Diese Spu]en werden über ein
elektrisches Stellglied (';Ironlstcller) von einer Energieguelle aus gespeist. Die
Größe des Stromes bestimmt im wesentlichen die Größe der Kraft, wobei beide Richtungen
über die Richtung des Stromes wählbar sind. Ein Regler sorgt für die Zuordnung der
zu wählenden Größe und Richtung des Stromes in Abhängigkeit von der auftretenden
Störung. Dieser Regelkreis kann bei Anwendung einer mechanischen Abtastung der Fahrbahnmitte
durch Rollen ganz ähnlich wie im Beispiel des Bildes 4 wirken.
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Die Erzeugung stromabhängiger Seitenkräfte zur Verstellung der fahrzeugseitigen
Tragmagnete basiert auf der Wechsclwirkung dieser Ströme mit einem magnetischen
Feld. Es ist deshalb möglich, die Verstelleinrichtung in den Tragmagneten mit doppeltem
Luftspalt einzubeziehen. Als magnetisches Feld kann hierbei die im Spalt #2 auftretende
Norrnaikomponente der Magnetinduktion (Bild 1a) Verwendung finden. I)ie Spulen sind
dann entsprechend Bild 6 im Rückschlußjoch des Magneten angeordnet. Das Joch ist
hierzu geblecht ausgeführt, um bei schnellen Aussteuerungen die Wirbelstrombildung
zu unterdrücken. Die nun auftretende Vergrößerung der im Schwebegestell befestigten
Magnetmasse beeinträchtigt die dynamischen Eigenschaften des Stützmagneten nicht.
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Für die seitliche Verschiebung des Magneten sind entsprcchende Linearführungen
vorgesehen. Die seitliche Verstellkraft, die dem Spulenstrom und der Stärke des
magnetischen Feldes proportional ist, ergibt sich in geringem Maße abhängig von
der Größe des Spaltes 1 Durch regelungstechnische Maßnahmen kann die Abhängigkeit
vom Spalt vlnterdrückt werden. Die Regelung erfolgt ähnlich wie oben und in P 3034.418.4
beschrieben. Die hier vorgeschlagene Anordnung zeichnet sich durch grundsätzliche
Einfachheit, vor allem der fahrzeugseitigen Komponenten, aus.
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