DE3104125C2 - Schwebeanordnung zur repulsiven berührungslosen Stützung von Fahrzeugen mittels Permanentmagneten - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schwebeanordnung zur repulsiven berührungslosen Stützung von Fahrzeugen mittels Permanentmagneten, .bei der in der Fahrbahn und am Fahrzeug Magnetanordnuiigen mit wenigstens zwei quer zur Fahrtrichtung nebeneinanderliegenden Permanentmagneten entgegengesetzter Polarität und einem weichmagnetischen Joch vorgesehen sind, wobei die Magnetanordnung am Fahrzeug an einem Schwebegestell angeordnet ist das über eine Feder-Dämpfer-Kombination mit dem Fahrzeugkörper verbunden ist, und mit einer Seitenführung für das Fahrzeug.

Eine Schwebeanordnung der genannten Art verbindet eine steife Federkennlinie für die Abstützung mit einer weitgehenden Schwingungsisolierung des eigentlichen Fahrzeugs. Bei einer bekannten Schwebeanordnung (DE-OS 30 34 418) liegt in der Magnetanordnung am Fahrzeug die weschmagnetische Jochplatte unmittelbar auf den Permanentmagneten auf.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung zu schaffen, mit der eine weitere Reduktion der ungefederten Masse und dianit eine weitere Verbesserung des Fahrkomforts zu erzielen ist

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst daß in den zum Fahrzeug gehörenden Magnetanordnungen zwischen den Permanentmagneten und dem weichmagnetischen Joch ein Spalt vorgesehen ist, über den eine Feder-Dämpfer-Kombination wirksam ist

Zweckmäßige Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Schv/ebeanordnung sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 4.

Bei einer Querverschiebung der Magnetanordnungen relativ zueinander treten in der Magnetanordnung Seitenkräfte auf, die in der Mitteilte der Magnetanordnung durch 0 gehen und ihre Richtung ändern. Die Seitenkräfte wirken destabilisierind, d. h. sie vergrößern eine einmal gegebene Auslenkung. Um die Seitenkräfte trotzdem wirksam für die Querführung des Fahrzeuges zu nutzen, ist es bekannt, die Magnetanordnung am Fahrzeug quer zum Fahrzeug verschiebbar anzuordnen und für die Magnetanordnung einen Stellmotor vorzusehen. Ober einen Sensor und eine Regeleinrichtung wird der Stellmotor dann im Sinne einer der seitlichen Spurabweichung entgegengesetzten Bewegung über die Sollspur hinaus angesteuert. Auf diese Weise ist es möglich, die magnetischen Seitenkräfte für die Seitenführung des Fahrzeuges zu nutzen und damit zusätzliche Seitenführungen zu vermeiden. Die Schwebeanordnung gemäß der Erfindung ermöglicht es, eine derartige Seitenführung in der Weise zu nutzen, daß die fahrzeugseitigen Magnete quer zum Fahrzeug verschieblich ausgebildet sind, daß eine Anordnung zur kontaktieren Messung der Seitenkraft vorgesehen ist und daß für die seitliche Verschiebung Stellorgane vorgesehen sind, mit denen die Magnete über einen Regler in Abhängigkeit von der gemessenen Seitenkraft verstellbar sind.

Zweckmäßige Ausgestaltungen dieser Anordnung sind Gegenstand der Unteransprüche 6 bis 10.

Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise veranschaulicht und im nachstehenden im einzelnen anhand der Zeichnung beschrieben.

Bild la zeigt einen Querschnitt durch eine Schwebeanordnung gemäß der Erfindung.

Bild Ib zeigt eine Draufsicht auf die am Fahrzeug angeordneten Permanentmagneten.

Bild2 zeigt in einem Diagramm die Wirkung der erfindungsgemäß ausgebildeten Magnetanordnung.

B i 1 d 3 zeigt im Querschnitt durch den unteren Te^:J des Fahrzeuges und die Fahrbahn eine Schwebeanordnung gemäß der Erfindung mit einer Anordnung zur Seitenführung des Fahrzeuges.

B i I d 4 zeigt in perspektivischer Darstellung teilweise geschnitten eine erfindungsgemäß ausgebildete Schwebeanordnung mit integriertem Stellmotor zur Erzeugung der Seitenkräfte zur Seitenführung des Fahrzeuges.

Die Erfindung basiert auf der bekannten Anwendung von Permanentmagneten in repulsiver Anordnung. Zur Verbesserung des schwebetechnischen Verhaltens im Sinne einer universellen Anwendung ist ein zweiter Luftspalt im magnetischen Kreis der Fahrzeugseite vorgesehen. Die magnetischen Stützkräfte werden durch die abstoßende Wirkung der Magneianordnungen am Fahrzeug und in der Fahrbahn entwickelt Das aktive Magnetmaterial am Fahrzeug ist in einer !sichten Haltekonstruktion angeordnet, die gegenüber ihrem Rückschluß in Form der weichmagnetischen Jochplatte (Joch S) beweglich und durch einen Spalt getrennt angeordnet ist. Ober diesen Spalt wirken Feder und Dämpfer. Die Jochplatte kann direkt mit dem Schwebegestell des Fahrzeuges verbunden sein. Es ist aber auch möglich, zwischen der Jochplatte und dem Schwebegestell wiederum Federn und Dämpfer anzuordnen. Bild la zeigt einen Querschnitt durch die Magnetanordnung mit dem Fahrzeugmagnet 1, dem über Federn und Dämpfer verbundenen Rückschlußjoch (Joch 6) aus ferromagnetischem Material (Stahl) sowie dem Fahrwegmagnet (Magnet 2) mit zugehörigem Rückschlußjoch. Der Spalt όι trennt die aktiven Magnetmaterialicn von Fahrweg und Fahrzeug, während der Spalt O₂ das aktive Magnetteil des Fahrzeugs gegenüber dem Rückschluß trennt

Bild Ib stellt eine Draufsicht auf den Magneten 1 dar. Der Magnet ist aus einzelnen rechtec!:förmigen Blöcken aufgebaut; die Tragkonstruktion stellt ein nichtmagnetisches Gitter dar, innerhalb dessen das ·>■> Magnetmaterial befestigt ist Federn und Dämpfer leiten ihre Kräfte in das Magnet-Gitter ein.

In B i I d 2 sind die Kraft-Weg-Kennlinien des Magneten gezeichnet. Für das folgende wird davon ausgegangen, daß die Federkennlinie des Magneten 1 in 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 Ö2 bewirkt Beim theoretischen Grenzfall όι = 0 ist auch O2 = 0. Die Feder überträgt die magnetischen Stützkräfte vom Spalt δ) auf das Rückschlußjoch. Die im Spalt 67 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 *>o Summe aufheben. Im folgenden können sie unberücksichtigt bleiben.

Im Diagramm BiId2 stellt die Kennlinie a den Zusammenhang zwischen Stützkraft und Spalt 6\ für den Fall dar, daß der Magnet ohne zusätzlichen Spalt ausgeführt ist, also J2 = 0. Hierbei ist wichtig, daß eine große Stützkraft F_n beim Spalt öm erzeugt werden kann. Die annähernd gerade K. aft-Weg-Kennlinic hat ihren Maximalwert bei <5i = 0. Die Steilheit der Kennlinie ist zur Charakterisierung des dynamischen Verhaltens des Stützmagneten von Bedeutung. Je größer die Steilheit, um so schneller vermag der Magnet auf eine veränderte Lage der Schiene einzuschwingen; um so 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 Fahrweges darf aus Rücksicht auf das dynamische Verhalten auch nicht zu einer Vergrößerung der Magnetmasse führen.

Eine entsprechende Vergrößerung ?*js Spaltes Oi auf den doppelten Wert würde bei einem einspaltige!! Magneten bedeuten, daß eine beträchtliche Tragkraftabsenkung (siehe Kurve a) resultiert Ein wesentlich höherer Aufwand für die Magnete im Fahrweg and Fahrzeug wäre die Folge. Die Eigenfrequenz und mit ihr die Einschwinggeschwindigkeit nach einer Störung würde sinken.

Ein günstiger Weg zur Erhöhung des zulässigen Spiels zwischen Fahrweg- und Fahrzei-gmagnet ohne Beeinträchtigung der dynamischen Eigenschaften gelingt durch Anwendung eines zweiten Spaltes 62-Zunächst zeigt sich, daß dieser Spalt, solange er im Größenbereich von öt liegt, (<5| « Oi) 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 <5i und weit weniger durch den Feldverlauf im Spalt 62 bestimmt wird. In BiIdIa ist der Feldlinienverlauf skizziert. Der dichtgedrängte Feldverlauf im Spalt δ\ in waagerechter Richtung ist erkei .lbar. Die Feldlinien im Spalt Ö2 haben einen wesentlich größeren Abstand, was die Unterschiede des magnetischen Widerstandes deutlich macht. Der Spalt 62 verringert die im Bereich όι herrschende Feiddichte 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 όι zu erwartende Änderung der Kraft (Steifigkeit) bleibt damit annähernd gleich. Für das Beispiel gleich großer Spalte όι und O2 verdoppelt sich der Bewegungsspielraum d?s 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.

In Bi Id 2 ist dargestellt, daß der Magnet mit zwei Spalten durch eine nach rechts verschobene Kraft-Weg-Kennl'jiie zu kennzeichnen ist, wenn urter ores die Summe aus beiden Spalten verstanden wird. Eine Tragkraftreduktion tritt bei diesem Verfahren praktisch nicht auf. Günstige Verhältnisse werden erreicht, wenn die Kraftübertragung im Spalt Ö2 durch eine Feder vorgenommen wird, deren Steifigkeit der Magnetkenn-

linie (im .Spalt <5i) 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 Magnetteils sehr wichtig. Es ·> erweist sich als günstig, daß die Magnete in Längsrichtung mehrfach unterteilt sind. Sie werden in mehreren Einheiten jeweils selbständig aufgehängt und zu Schwebegestellen zusammengefaßt Zu je einer Fahrzeugsektion gehören je zwei oder mehrere Schwebege- ι ο stelle. 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 Überdimensionieren der Magnete kann weitgehend vermieden werden.

Zur Erzielung einer optimalen Isolierung der Schwingungen vom Fahrzeugkörper ist wichtig, daß sowohl zwischen den beweglichen Magnetteilen und dem fest mit dem Schwebegesieii 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 Schwebegestells 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.

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 Gleichzeitig erweitert der Doppelspalt-Magnet den Entwurfsspielraum für die Fahrbahn beträchtlich. Es können damit konstruktive Lösungen in Betracht gezogen werden, die zu größeren Fahrbahntoleranzen und/oder Durchbiegungen führen.

Zur Verminderung der auf das Fahrzeug übertragenen Schwingungen erscheint für manche Anwendungen auch eine Doppelspait-Magnetanordnung im Fahrweg nützlich. Sie kann durch Aufnahme von Schwingungöenergie in den Dämpfungselementen zu einem schwingungsarmen und ruhigen Lauf der Fahrzeuge und zu einer vergleichsmäßigen Belastung der Magnete beitragen.

Für den Aufbau der fahrwegseitigen Magnetanordnung lassen sich günstige Ergebnisse erzielen, wenn deren Magnet 2 in der vertikalen Tragrichtung unterteilt und aus zwei Schichten zusammengesetzt wird. Die beiden Schichten weisen dabei, dem gegenwärtigen Stand der Magnettechnologie gemäß.

unterschiedliche magnetische Eigenschaften (B(H)-Kennlinien) auf. Hierbei kann darauf Bezug genommen werden, daß im unteren (vom Fahrzeugmagneten weiter entfernten) Bereich nur geringe Entmagneiisieningstendenzen 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(TY/Kennlinie sind gegenwärtig insbesondere bei Ferritmagneten nicht gleichzeitig herstellbar. Magnetkombinationen der beschriebenen Art führen deshalb auf insgesamt günstigere Tragkräfte je Einheit des Magnetgewichts als im Falle eines homogenen Magnetmaterials mit Einhaltung der maximalen Stabilitätsforderung für den gesamten Bereich.

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 Abstaining eine noch bessere Ausnutzung des Magnetmaterials erzielt werden.

Bei der Ausführungsform nach B i 1 d 3 ist als Antrieb für das Fahrzeug ein an sich bekannter Linearmotor (Stellmotor 8) vorgesehen, der am Schwebegestell 4 des Fahrzeuges angreift In der Magnetanordnung am Fahrzeug ist der Magnet 1 querverschieblich im Schwebegestell 4 angeordnet Die Jochplatte (Joch 6) ist dagegen fest mit dem Schwebegestell verbunden. Im Schwebegestell ist weiter ein elektrischer Stellmotor 8 angeordnet mit Spulen 10 und verschiebbaren Permanentmagneten 12 als Anker. Die Permanentmagnete 12 sind über ein Gestänge 14 mit den Magneten 1 verbunden. Die seitlich wirkenden Kräfte werden durch das Zusammenspiel von magnetischem Feld der Permanentmagnete und elektrischen Strömen in den Spulen im Stator hervorgerufen. Die Spulen werden über ein elektrisches Stellglied (Stromsteller) von einer Energiequelle aus gespeist Die Größe des Stromes bestimmt im wesentlichen die Größe der Stellkraft 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 aufgetretenen Seitenkräfteu. Als Sensor können bei einer mechanischen Abtastung der Fahrbahnmitte durch Rollen diese Rollen verwendet werden.

Anstelle eines magnetischen Stellmotors kann auch ein hydraulischer Stellmotor vorgesehen werden.

Es ist auch möglich, die Seitenverstelleinrichtung in die Magnetanerdnung am Fahrzeug selbst einzubeziehen. Als magnetisches FeSd kann hierbei die im Spalt zwischen dem fahrzeugseitigen Magneten 1 und dessen Joch 6 auftretende Normalkomponente der Magnetinduktion (Bild la) Verwendung finden. Eine derartige Anordnung ist in B i 1 d 4 wiedergegeben. Der Magnet 1 ist hierbei an einer Tragkonstruktion 16 angeordnet, die die lochplatte 6 seitlich umgreift und über Linear führungen 18 quer im Schwebegestell 14 geführt ist In der Jochplatte 6 sind hierbei Spulen 20 angeordnet, die im

Bild rechts im Schnitt dargestellt sind. Durch entsprechende Erregung der Spulen 20 wird der Magnet 1 quer zum Fahrzeug verschoben. Die seitliche Verstellkraft, die dem Spulenstrom und der Stärke des magnetischen Feldes proportional ist, ist in geringem MaBe abhängig von der Größe des Spaltes <$i. Durch regelungstechnische Maßnahmen kann diese Abhängigkeit vom Spalt unterdrückt werden. Die Jochplatte ist bei dieser

Ausführungsform geblecht ausgeführt, um bei schnellen Aussteuerungen die Wirbelstrombildung zu unterdrükken. Die durch die Verschiebeanordnung bedingte Vergrößerung der Masse des Magneten 1 beeinträchtigt die dynamischen Eigenschaften des Magneten nicht. Die Verstelleinrichtung zur Erzeugung der seitlichen Führungskräfte nach B i 1 d 4 zeichnet sich durch eine außerordentliche Einfachheit aus.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Schwebeanordnung zur repulsiven berührungslosen Stützung von Fahrzeugen mittels Permanentmagneten, bid der in der Fahrbahn und am Fahrzeug Magnetanordnungen mit wenigstens zwei quer zur Fahrtrichtung nebeneinanderh'egenden Permanentmagneten entgegengesetzter Polarität und einem weichmagneitischen Joch vorgesehen sind, wobei die Magnetanordnung am Fahrzeug an einem Schwebe- _IC gestell angeordnet ist, das über eine Feder-Dämpfer-Kombinationi mit dem Fahrzsugkörper verbunden ist, und mit «iner Seitenführung für das Fahrzeug, dadurch gekennzeichnet, daß in den zum Fahrzeug gehörenden Magnetanordnungen zwisehen den Permanentmagneten (Magnet 1) und dem weichmagnerischen Joch ein Spalt (O₂) vorgesei. α ist, über de« eine Feder-Dämpfer-Kombinatit.η wirksam ist

Z Schwebeanordnung mit Permanentmagneten nach Ansp-uch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auch *5e fahrbahnseitigen Magnetanordnungen (Magnet 2) mit einem Spalt (δι) zwischen den Permanentmagneten und dem Joch ausgestattet sind, über den eine Feder-Dämpfer-Kombination wirksam ist

3. Schwebeanordnung mit Permanentmagneten nach Anspruch 1 oder 2, da-Jurch gekennzeichnet daß fahrzeugiseitig Hochenergie-Permanentmagnete und fahnvegseitig preisgünstige Magnete mit niedriger Remanenz-Induktion angeordnet sind.

4. Schwebeanordmmg mit Permanentmagneten nach einem der Ansp-üche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die fahrbahnseitigen Magnetanordnungen (Magnet 2/ ?.us zwei oder mehreren Schichten unterschiedlichen k agnetmaterials zusammengesetzt sind, wobei nahe am Spalt (<5i) ein Material mit der Eigenschaft einer temperaturstabilen, geradlinigen ß(//>Kennlinie und abseits vom Spalt ein Material mit großer Remanenzinduktion angeordnet is;t.

5. Schwebeanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die fahrzeugseiti|»en Magnete (1) quer zum Fanrzeog verschieben ausgebildet sind, daß eine Anordnung zur kontaktlosen Messung der seitlichen Kraft vorgesehen ist, und daß für die seitliche Verschiebung der Magnete Stellorgane (Stellmotor 8) vorgesehen sind, mit denen die Magnete über einen Regler in Abhängigkeit von der gemessenen Seitenkraft verstellbar sind.

6. Schwebeianordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellorgane über Verbindungsglieder (Gestänge 14) mit den auf beiden Seiten des Fahrzeugs angeordneten Magneten (1) derart verbunden sind, daß diese gleichsinnig querverstellt werden.

7. Schwebcanordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Stellorgane elektromagnetische Stelimotore (8) vorgesehen sind. _w,

8. Schwebeanordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß hydraulische Stelimotore vorgesehen sind.

9. Schwebeanordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Stellorgane stromdurchflossene Spulen (20) vorgesehen sind, die an den Spalt (<5₂) des Magneten (1) angrenzend in dessen Joch angeordnet sind und mit dem im Spalt vorhandenen magnetischen Feld die seitliche Verschiebung bewirken.