DE3114462C2 - Electromagnet to generate the carrying and, if necessary, the executives for a track-bound levitation vehicle - Google Patents
Electromagnet to generate the carrying and, if necessary, the executives for a track-bound levitation vehicleInfo
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Abstract
Bei dem erfindungsgemäßen Elektromagneten wird durch eine Änderung des bislang U-förmigen Kernquerschnitts im Bereich des Kernjochs (kegel- oder kegelstumpfförmiger Jochquerschnitt) und/oder durch eine Änderung der Spulenform die wärmeabstrahlende Fläche der Magnetspule vergrößert, so daß eine bessere Eigenkühlung erzielt wird, was wiederum eine Verringerung des Magnetgewichts bei gleicher Leistung oder eine Vergrößerung der Leistung bei gleichem Gewicht im Vergleich zu bekannten Elektromagneten zum Erzeugen der Trag- und ggfs. der Führungskräfte eines spurgebundenen Schwebefahrzeugs ermöglicht.In the electromagnet according to the invention, the heat-radiating surface of the magnet coil is increased by changing the previously U-shaped core cross-section in the area of the core yoke (conical or frustoconical yoke cross-section) and / or by changing the coil shape, so that better self-cooling is achieved, which in turn a reduction in the magnet weight with the same power or an increase in the power with the same weight in comparison to known electromagnets for generating the support and, if necessary, the executives of a track-bound levitation vehicle.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Elektromagnet gemäß dem Oberbegriff der nebengeordneten Ansprüche 1 und 4. Ein derartiger Elektromagnet ist z. B. aus der DE-OS 24 42 388 bekanntThe invention relates to an electromagnet according to the preamble of the independent claims 1 and 4. Such an electromagnet is z. B. from DE-OS 24 42 388 known
Die in verschiedenen Prototypen von Magnetschwebefahrzeugen, z. B. dem TRANSRAPID 04 der Krauss-Maffei AG, verwendeten Elektromagneten zum Erzeugen der Tragkräfte und (im Falle eines sogenannten »kombinierten Trag-Führungssystems«) der FCjhrungskräfte weisen einen etwa U-förmigen Magnetkern auf, welcher mit einer längsgeteilten Magnetspule in Fahr-The various prototypes of magnetic levitation vehicles, z. B. the TRANSRAPID 04 from Krauss-Maffei AG, used electromagnets to generate the load-bearing capacities and (in the case of a so-called "combined load-bearing guide system") the senior staff have an approximately U-shaped magnet core, which with a longitudinally divided magnet coil in driving
!0 zeug- bzw. Fahrweglängsrichtung bewickelt ist. Ein derartiger, bekannter Elektromagnet ist in F i g. 1 veranschaulicht. In dieser Darstellung ist mit 10 der U-förmige Magnetkern bezeichnet, welcher zwei Polschenkel ■11, 12 und ein dazwischen liegendes Joch 13 aufweist.! 0 is wound in the longitudinal direction of the vehicle or track. Such a known electromagnet is shown in FIG. 1 illustrates. In this illustration, 10 denotes the U-shaped magnetic core, which has two pole legs 11, 12 and a yoke 13 located between them.
Die mit 20 bezeichnete Magnetspule besteht aus den beiden Spulenteilen 21 und 22, welche eine gemeinsame Berührungsebene besitzen, die senkrecht zu dem Joch 13 bzw. den Polflächen 11a und 12a der Polschenkel 11, 12 verläuft Jedes Spulenteil 21,22 ist in Fahrzeug- bzw.The magnet coil designated by 20 consists of the two coil parts 21 and 22, which have a common Have contact plane that is perpendicular to the yoke 13 or the pole faces 11a and 12a of the pole legs 11, 12 runs Each coil part 21,22 is in vehicle or
2ü Fahnvegiängsrichtung, d. h. senkrecht zur Zeichenebene
von Fig. 1, aus Kupfer- oder Aluminiumband unter Zwischenlage von Isoliermaterial gewickelt Dabei verlaufen
die Spulenteile 21, 22 in dem Ausschnitt (»Fenster«), der von den Polschenkeln 11,12 und dem Joch 13
begrenzt wird, sowie auf dem Rücken des Jochs 13, wobei die Spulenteik 2ΐ, 22 an den beiden Stirnseiten des
Elektromagneten von dem Rücken des Jochs 13 auf dessen Brust bzw. umgekehrt umgelenkt sind.
Wie der Fachwelt seit langem bekannt ist, treten bei einem derartigen Elektromagneten Kühlungsprobleme
auf, da bei einem Schwebefahrzeug das Gewicht der Magneten bei vorgegebener Tragkraft möglichst minimal
sein soll, was eine Aussteuerung der Elektromagneten bis an ihre Leistungsgrenze bedingt Die in den Magnetspulen
erzeugte Wärme wird im wesentlichen an den Stirnseiten der Spulen abgeleitet, da die Wärmeleitung
des Bandmaterials in Richtung der Stirnseiten des Elektromagneten besonders gut ist. "Dagegen ist die radiale
Wärmeleitung aufgrund des zwischen den einzelnen Wicklungslagen angeordneten Isoliermaterials sehr
schlecht, womit der Wärmefluß in dieser Richtung entsprechend gering ist.2ü Fahnvegiängsrichtung, ie perpendicular to the plane of FIG. 1, wound from copper or aluminum tape with the interposition of insulating material is, as well as on the back of the yoke 13, the Spulenteik 2ΐ, 22 are deflected on the two end faces of the electromagnet from the back of the yoke 13 to the chest or vice versa.
As has long been known to those skilled in the art, cooling problems occur with such an electromagnet, since the weight of the magnets in a suspension vehicle should be as minimal as possible with a given load capacity, which causes the electromagnets to be driven to their performance limit essentially derived at the end faces of the coils, since the heat conduction of the strip material in the direction of the end faces of the electromagnet is particularly good. "On the other hand, the radial heat conduction is very poor due to the insulating material arranged between the individual winding layers, so that the heat flow in this direction is correspondingly low.
Zur Verbesserung der Kühlung von Elektromagneten für Schwebefahrzeuge ist es bereits bekannt, zwischen den einzelnen Wicklungslagen der Magnetspule(n) Kühlkanäle anzubringen bzw. freizulassen und mit einem flüssigen oder gasförmigen Kühlmedium zu beschicken. Eine derartige Fremdkühlung hat sich jedoch in der Vergangenheit aus den verschiedensten Gründen als unzweckmäßig erwiesen, u. a. deshalb, weil die Gewichtsersparnis bei dem Tragmagneten durch einen zusätzlichen Gewichtsaufwand für das Kühlaggregat, das sich zwangsläufig innerhalb des Fahrzeugs befindet, nahezu vollständig kompensiert wird. Zudem wird durch den Einbau der Kühlkanäle in die Magnetspule deren mechanische Festigkeit verschlechtert, was bei den angestrebten hohen Tragkräften und der damit verbundenen hohen mechanischen Belastung aller Teile des Elektromagneten äußerst unerwünscht ist, Aus diesen Gründen weisen die derzeit projektierten Magnetschwebebahnen, z. B. für die geplante Teststrecke in Meppen/Emsland Tragmagneten auf, welche die gleiche Bauweise wie die bei den ersten Prototypen (z. B. TRANSRAPID 02) im Jahre 1971 benutzten Tragmagneten aufweisen, und zwar mit allen Vor- und Nachteilen. To improve the cooling of electromagnets for levitation vehicles, it is already known between the individual winding layers of the magnet coil (s) to attach cooling channels or to leave them free and with a to charge liquid or gaseous cooling medium. However, such external cooling has proven itself Proven in the past to be inexpedient for a variety of reasons, including: because of the weight savings in the case of the lifting magnet due to the additional weight required for the cooling unit, the is inevitably located inside the vehicle, is almost completely compensated. In addition, through the installation of the cooling channels in the magnetic coil worsens its mechanical strength, which is the case with the high load-bearing capacities and the associated high mechanical stress on all parts of the Electromagnet is extremely undesirable. For these reasons, the currently planned magnetic levitation trains, z. B. for the planned test track in Meppen / Emsland lifting magnets, which the same Construction like the lifting magnets used in the first prototypes (e.g. TRANSRAPID 02) in 1971 have, with all the advantages and disadvantages.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Elektromagneten der eingangs erwähnten Bauart zu schaf-The object of the invention is to create an electromagnet of the type mentioned at the beginning.
fen, welcher eine bessere Eigenkühlung aufweist und damit bei gleicher Leistung mit einem kleineren Magnetkern und damit einem verringerten Gewicht ausgebildet werden kann.fen, which has better self-cooling and thus with the same performance with a smaller magnetic core and thus can be formed into a reduced weight.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale der nebengeordneten Ansprüche 1 und 4 alternativ gelöst-Vorteilhafte Weiterbildungen des Elektromagneten nach Anspruch 1 ergeben sich aus den Ansprüchen 2 und 3.According to the invention, the object is achieved by the characterizing features of the independent claims 1 and 4 alternatively solved-advantageous developments of the electromagnet according to claim 1 result from claims 2 and 3.
Der Erfindungsgedanke beruht auf der Überlegung, durch eine Änderung des Profils des Magnetkerns und/ oder durch eine Änderung der Spulenform die wärmeabstrahlende Fläche der Magnetspule zu vergrößern, um bei gleichem Wicklungsquerschnitt bzw. gleicher Leistung den Magnetkern bzw. das Magnetgewicht verringern zu können. Bei einem ersten Lösungsvorschlag wird das Querschnittsprofil des Magnetkernjochs kegelförmig oder kegelstumpfförmig ausgebildet, wodurch die auf den kegeligen Abschnitten des Jochs gewickelten Spulenteile in sich verschoben werdua, so daß die auf den Jochrücken der kegeligen Jochabschnitte angeordneten Hälften der in sich verschobenen Spulenteile in Querschnittsrichtung des Elektromagneten gesehen schräg nach außen verlaufen und mit dem jeweils angrenzenden Spulenteil auf dem Jochrücken einen kegeligen Luftspalt begrenzen, in welchen Wärme abgestrahlt werden kann. Bei einem zweiten Lösungsvorschlag wird die Spule in drei Spulenteile unterteilt und dabei das mittlere Spulenteil über die Polflächen der Jochschenkel bzw. die beiden seitlichen Spulenteile hinausragend ausgebildet Dieser hinausragende Abschnitt des mittleren Spulenteils liegt bei Verwendung einer U-förmigen Ankerschiene als Rückschluß für den Magnetkern innerhalb des von den Schenkeln der Ankerschiene begrenzten Fensters in ausreichendem Abstand zu dem Jochabschnitt der U-förmigen Ankerschiene. Über die Stirnseiten dieses hinausragenden Abschnitts sowie des entsprechenden Abschnitts auf der Rückseite des Elektromagnten kann die Verlustwärme ungehindert an die Umgebungsluft abgeführt werden. Selbstverständlich lassen sich beide Lösungsvorschläge auch gemeinsam anwenden, wodurch die Eigenkühlung des Elektromagneten weiter verbessert wird.The idea of the invention is based on the idea of changing the profile of the magnetic core and / or to enlarge the heat-radiating surface of the magnet coil by changing the coil shape, in order to reduce the magnetic core or the magnetic weight with the same winding cross-section or the same power to be able to. In a first proposed solution, the cross-sectional profile of the magnetic core yoke is conical or frustoconical, whereby the coil parts wound on the tapered sections of the yoke are displaced so that the halves of the self-displaced coil parts, which are arranged on the yoke backs of the conical yoke sections seen in the cross-sectional direction of the electromagnet obliquely outward and with the respective adjoining coil part on the yoke back limit a conical air gap in which heat is radiated can be. In a second proposed solution, the coil is divided into three coil parts and while the middle coil part protrudes beyond the pole faces of the yoke legs or the two lateral coil parts This protruding portion of the central coil part is when using a U-shaped anchor rail as a return path for the magnetic core within the of the legs of the anchor rail limited window at a sufficient distance from the yoke section of the U-shaped anchor rail. Over the front sides of this protruding section and the corresponding section on the back of the electromagnet, the heat loss can be dissipated unhindered to the ambient air. Of course both proposed solutions can also be used together, which means that the Electromagnet is further improved.
Ein Weg zur Ausführung der Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigtOne way of carrying out the invention is explained in more detail with reference to the drawings. It shows
F i g. 1 einen Querschnitt durch einen bekannten Elektromagneten zum Erzeugen der Trag- und gegebenenfalls der Führungskräliii für ein Schwebefahrzeug;F i g. 1 shows a cross section through a known electromagnet for generating the support and optionally the management force for a hover vehicle;
F i g. 2 einen Querschnitt durch eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Elektromagneten;F i g. 2 shows a cross section through a first embodiment of an electromagnet according to the invention;
F i g. 3 einen Querschnitt durch eine zweite, noch weiter verbesserte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Elektromagneten, undF i g. 3 shows a cross section through a second, even further improved embodiment of an inventive Electromagnets, and
F i g. 4 einen Querschnitt durch eine dritte, dem bekannten Elektromagneten gemäß F i g. 1 hinsichtlich des Kernquerschnittsprofils ähnliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Elektromagneten.F i g. 4 shows a cross section through a third, the known electromagnet according to FIG. 1 with regard to the Core cross-sectional profile similar embodiment of the electromagnet according to the invention.
Bei dem in F i g. 2 im Schnitt dargestellten Elektromagneten beträgt der Winkel zwischen den beiden Polschenkeln 31,32 des Magnetkerns 30 und den kegelförmig zueinander verlaufenden Abschnitten 33a und 336 des Magnetkernjochs (Joch 33) etwa 135°. wodurch das von dem Joch 33 und den Polschenkeln 31,32 begrenzte Fenster größer als bei dem bekannten Elektromagneten gemäß F i g. 1 ist. In diesurΛ Fenster ist nach wie vor die Magnetspule 40 angeordnet, deren beide Teile 41, 42 sowohl an den Wänden der Polschenkel und des luchs als auch aneinander längs einer senkrecht zu den Polflachen 31a, 32a verlaufenden Ebene anliegen. Infolge des kegeligen Verlaufes der Abschnitte 33a, 336 des Jochs zueinander sind die Magnetspuienteile (Spulenteile 41, 42) in sich verschoben, d. h., daß die Hälften der Spulenteile 41 und 42 innerhalb des erwähnten Fensters sowie auf dem Rücken des Jochs 33 einen rautenförmigen Querschnitt besitzen. Auf diese Weise berühren sich die auf dem Rücken des Jochs 33 liegenden Hälften der Spulenteile 41,42 nicht mehr längs einer vertikalen Berührungsebene, wie dies bei dem bekannten Elektromagneten gemäß F i g. 1 der Fall ist Vielmehr weisen die auf dem Rücken des Jochs 33 angeordneten Hälften der Spulenteile 41» 42 bezüglich des Magnetquerschnitts schräg nach außen, so daß zwischen den Hälften der Spulenteile 41 und 42 auf dem Jochrücken ein zwickeiförmiger Luftraum frei bleibt, in welchen die in den Spulenteilen 41, 42 erzeugte Verlustwärme zusätzlich abgeführt werden kann. Bei gleicher: Wicklungsquerschnitt bietet deshalb die Ausführungsrbrm nach F i g. 2 gegenüber dem bekannten Elektromagneten gemäß F i g. 1 den Vorteil einer höheren Leistungskapazität, was konstruktiv dahingehend genutzt werden kann, daß der Magnetkern der Ausführungsform gemäß F i g. 2 gegenüber der bekannten Lösung verringert und dementsprechend leichter gemacht werden kann.In the case of the FIG. 2 electromagnets shown in section, the angle between the two pole legs 31, 32 of the magnet core 30 and the tapered sections 33a and 336 of the magnet core yoke (yoke 33) is approximately 135 °. whereby the window delimited by the yoke 33 and the pole legs 31, 32 is larger than in the case of the known electromagnet according to FIG. 1 is. In diesur Λ window is to be placed in front of the solenoid coil 40, the two parts 41, 42 abut both the walls of the pole leg and the lynx and to each other along a perpendicular to the pole faces 31a, 32a extending plane. Due to the conical shape of the sections 33a, 336 of the yoke to each other, the magnetic coil parts (coil parts 41, 42) are shifted, that is, the halves of the coil parts 41 and 42 within the window mentioned and on the back of the yoke 33 have a diamond-shaped cross-section . In this way, the halves of the coil parts 41, 42 lying on the back of the yoke 33 no longer touch one another along a vertical contact plane, as is the case with the known electromagnet according to FIG. 1 is the case Rather, the halves of the coil parts 41 »42 arranged on the back of the yoke 33 point obliquely outwards with respect to the magnet cross-section, so that a gusset-shaped air space remains free between the halves of the coil parts 41 and 42 on the back of the yoke, in which the in the coil parts 41, 42 generated heat loss can also be dissipated. With the same: winding cross-section, the embodiment according to FIG. 2 compared to the known electromagnet according to FIG. 1 has the advantage of a higher power capacity, which can be used constructively to the effect that the magnetic core of the embodiment according to FIG. 2 can be reduced compared to the known solution and accordingly made lighter.
Eine andere Lösungsmöglichkeit ist in F i g. 4 veranschaulicht Der dort gezeigte Elektromagnet besitzt in Übereinstimmung mit dem bekannten Elektromagneten nach Fig. 1 einen U-förmigen Magnetkern 10, dessen Polschenkel 11,12 mit dem Joch 13 rechte Winkel einschließen. Im Unterschied zu der bekannten Lösung ist bei der Ausführungsform nach Fig.4 die Magnetspule 80 in drei Magnetspulenteile (Spulenteile 81,82 und 83) längs zweier, senkrecht zu den Polflächen 11a, 12a verlaufender Ebenen unterteilt, wobei die jeweils äußeren, an einen Polschenkel 11 bzw. 12 angrenzenden Spulenteile 81 und 82 eine Wicklungshöhe ähnlich wie die beiden Spulenteile 21 und 22 gemäß Fi g. 1 besitzen, d. h„ daß die Spulenteile 81, 82 die Polflächen 11a, 12a nicht überragen. Dagegen besitzt das mittlere Spulenteil 83 eine größere Wicklungshöhe als die Spulenteile 81, 82. so daß das mittlere Spulenteil 83 in den von den Schenkeln 71, 72 und dem Joch 73 einer (als magnetischer Rückschluß für den Elektromagneten vorgesehenen) Ankerschiene 70 begrenzten Raum hineinragt, und zwar unter ausreichendem Abstand zu dem Joch 73 der Ankerschiene 70. Die Stirnseiten der über die Spulenteile 81,82 herausragenden Abschnitte des mittleren Spulenteils 83 stellen wärmeabstrahlende Flächen dar, welche für einen gegenüber der bekannten Lösung nach Fig. 'ι verbesserten Wärmefluß innerhalb der Magnetspule 80 sorgen.Another possible solution is shown in FIG. 4 illustrates The electromagnet shown there has in accordance with the known electromagnet According to FIG. 1, a U-shaped magnetic core 10, the pole legs 11, 12 of which enclose right angles with the yoke 13. In contrast to the known solution, in the embodiment according to FIG. 4 there is the magnetic coil 80 into three magnet coil parts (coil parts 81, 82 and 83) along two perpendicular to the pole faces 11a, 12a Subdivided levels, the respective outer coil parts adjoining a pole limb 11 or 12 81 and 82 have a winding height similar to that of the two coil parts 21 and 22 according to FIG. Own 1, d. H" that the coil parts 81, 82 do not protrude beyond the pole faces 11a, 12a. In contrast, the middle coil part has 83 a greater winding height than the coil parts 81, 82. so that the middle coil part 83 in the of the legs 71, 72 and the yoke 73 of a (provided as a magnetic return path for the electromagnet) Anchor rail 70 protrudes limited space, at a sufficient distance from the yoke 73 of the anchor rail 70. The end faces of the sections of the central coil part protruding beyond the coil parts 81, 82 83 represent heat-radiating surfaces which, compared to the known solution according to FIG provide improved heat flow within solenoid 80.
In F i g. 3 ist eine Kombination der in F i g. 2 und 4 dargestellten Maßnahmen zur Verbesserung der Wärmeabfuhr veranschaulicht. Der Magnetkern 50 besitzt Polschenkel 51,52 und ein Magnetkernjoch 53, welches ein kegelstumpffc.miges Profil mit kegeligen Abschnitten 53a und 53£> sowie einem Zwischenstück 53c aufweist. Die kegeligen Abschnitte 53a und 53b tragen die in sich verschobenen Mdgnetspulentei.'e 61 und 62. welche den Spulenteüen 51 Und 52 der Ausführungsform nach Fig. 2 entsprechen. Der gerade Jochabschnitt 53c trägt den mittleren Spulenteil 63, welcherIn Fig. 3 is a combination of those shown in FIG. 2 and 4 illustrated measures to improve the heat dissipation. The magnetic core 50 has pole legs 51, 52 and a magnetic core yoke 53, which has a truncated cone-shaped profile with conical sections 53a and 53c and an intermediate piece 53c. The conical sections 53a and 53b carry the internally displaced magnetic coil parts 61 and 62, which correspond to the coil parts 51 and 52 of the embodiment according to FIG. The straight yoke portion 53c carries the central coil part 63, which
tu dem mittleren Spulenteil 83 der Ausführungsform nach Fig.4 entspricht und demgemäß eine gegenüber den Spulenteüen 61 und 62 vergrößerte Wicklungshöhe aufweist. Wie ohne weiteres aus F i g. 3 ersichtlich ist. ist diedo the middle coil part 83 of the embodiment 4 corresponds and accordingly one compared to the Spulenteüen 61 and 62 has increased winding height. As can be seen without further ado from FIG. 3 can be seen. is the
zusätzliche wärmeabführende Fläche der Aiisführungsform nach Fig. 3 im Vergleich zu den Ausführungsformen nach F i g. 2 und 4 nochmals vergrößert, so daß die Ausführungsform nach Fig.3 wärmetechnisch die beste Lösung bietet.additional heat-dissipating surface of the form of implementation according to FIG. 3 in comparison to the embodiments according to FIG. 2 and 4 enlarged again so that the Embodiment according to Figure 3 offers the best solution thermally.
Es versteht sich, daß die Ausführungsform nach Fig. 2 auch bei einer Flachankerschiene mit rechtcckförmigem Querschnitt anwendbar ist, während die Ausführungsformen nach Fig. 3 und 4 eine U-förmige Ankerschiene oder eine E-förniige Ankerschiene voraussetzen. It goes without saying that the embodiment according to FIG. 2 also with a flat anchor rail with a rectangular Cross-section is applicable, while the embodiments of FIGS. 3 and 4 have a U-shaped anchor rail or require an E-shaped anchor rail.
Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings
1515th
2020th
2525th
3030th
4040
4545
5050
5555
6060
6565
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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OR8 | Request for search as to paragraph 43 lit. 1 sentence 1 patent law | ||
8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
D2 | Grant after examination | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |