DE3331953A1

DE3331953A1 - Elektromagnetischer linearantrieb

Info

Publication number: DE3331953A1
Application number: DE19833331953
Authority: DE
Inventors: Andreas Dr. Gründl; Götz Dipl.-Phys. 8136 Percha Heidelberg; Peter Dr. 8000 München Rosner
Original assignee: Magnetbahn GmbH
Current assignee: Magnetbahn GmbH
Priority date: 1983-09-05
Filing date: 1983-09-05
Publication date: 1985-04-04
Also published as: DE3331953C2; US4931677A

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Linearantrieb mit einem einen Fahrweg bildenden Stator, der mit Stromleitern bestückt ist und in eine Vielzahl von Statorelementen gleicher Länge unterteilt ist, und mit einem ein Fahrzeug bildenden Läufer, der vorzugsweise mit Permanentmagneten bestückt ist, die mit dem Stator zu einem Antrieb zusammenwirken, wobei der Stator in eine Anzahl Motorelemente mit je einer Mindestzahl von Statorelementen und je einer Energiezuführeinheit unterteilt ist, die einzeln ein- und ausschaltbar sind, und zwar insbesondere mittels am Fahrweg angeordneter, durch das Fahrzeug beeinflußbarer Sensoreinrichtungen.

Aus der DE-OS 30 42 497 ist es bekannt, den Stator eines solchen elektromagnetischen Linearantriebs in mehrere Abschnitte zu unterteilen. Jedem Abschnitt ist eine Schalteinrichtung zugeordnet, mittels derer die Stromleiter dieses Abschnitts an eine Energieversorgungseinheit anschaltbar sind. Damit erreicht man, daß man nicht alle Stromleiter des den Fahrweg bildenden Stators gleichzeitig mit Energie versorgen muß, was einerseits zu relativ hohen Leistungsverlusten führen würde und andererseits zu Bauelementen, die für sehr hohe Leistung ausgelegt sein müßten. Die Ein- und Ausschaltung der einzelnen Statorabschnitte geschieht bei diesem bekannten Linearantrieb mit Hilfe von Sensoreinrichtungen, die längs des Fahrwegs angeordnet und durch das Fahrzeug beeinflußbar sind. Auf diese Weise erreicht man, daß das Fahrzeug selbst das Ein- und Ausschalten der einzelnen Statorabschnitte bewirkt.

Längs des Fahrwegs des elektromagnetischen Linearantriebs ist ein bestimmtes Geschwindigkeitsprofil erforderlich. So

sind nach Haltestationen Beschleunigungsstrecken, vor Haltestationen Bremsstrecken und dazwischen Beharrungsfahrtstrecken erforderlich. Dementsprechend ist der Leistungsbedarf längs des Fahrwegs unterschiedlich. 5

Die Kosten der für die einzelnen Statorabschnitte erforderlichen Schalteinheiten und Leistungsversorgungseinheiten hängen stark von deren maximal erforderlicher Leistung ab. Da der Fahrweg in eine beträchtliche Anzahl Abschnitte unterteilt wird, benötigt man für ein solches Magnetbahnsystem eine erhebliche Anzahl Schalteinheiten und Leistungsversorgungseinheiten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem elektromagnetisehen Linearantrieb der eingangs angegeben Art möglichst günstige Kosten zu erreichen.

Diese Aufgabe wird bei einem solchen elektromagnetischen Linearantrieb erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß alle Motorelemente für die gleiche Maximalleistung.ausgelegt sind und daß Motorelemente unterschiedlicher Länge vorgesehen sind, wobei die Länge eines jeden Motorelements durch den lokalen Bedarf an Maximalleistung pro Längeneinheit bestimmt ist, der entsprechend einem vorbestimmten Geschwindigkeitsprofil längs des Fahrwegs am Ort des jeweiligen Motorelements vorhanden ist.

Die für alle Motorelemente einheitliche Maximalleistung wählt man vorteilhafterweise derart, daß die einzelnen Schaltungskomponenten und Bauelemente für relativ geringe Nennleistungen ausgelegt sein können, so daß man nicht auf allzu teure Bauelemente zurückgreifen muß. Daß die Schalteinheiten, Leistungsversorgungseinheiten und

weitere Komponenten, wie beispielsweise Statorelemente, Steuereinhexten, für jedes Motorelement gleich sind, führt zu dem weiteren

Vorteil, daß diese Schalteinheiten, Leistungsversorgungseinheiten usw. je alle mit gleichen Bauelementen aufgebaut werden können. Dies führt zu einem beträchtlichen Kostenvorteil, da sich die Stückpreise für die einzelnen Komponenten bekanntlich mit zunehmender Abnahmestückzahl verringern.

An Orten unterschiedlichen maximalen Leistungsbedarfs werden Motorelemente verschiedener Länge benutzt. In Abhängigkeit von dem gewünschten Geschwindigkeitsprofil, d. h. in Abhängigkeit von der ortspezifischen Beschleunigung und Geschwindigkeit längs des Fahrwegs,verwendet man Motorelemente unterschiedlicher Länge. Dabei ordnet man auf Beschleunigungsstrecken des Fahrwegs Motorelemente abnehmender Länge hintereinander an. Mit zunehmender Geschwindigkeit kommt es dadurch zu einem immer höheren Leistungsangebot pro Fahrweglänge. Nach dem Erreichen einer Maximalgeschwindigkeit besteht nur noch ein relativ geringer Leistungsbedarf für eine Beharrungsfahrt konstanter Geschwindigkeit. Die Beharrungsfahrtstrecke baut man mit Motorelementen großer Länge auf. Dies führt zu einer geringen spe^ zifischen Maximalleistung, d. h. Leistung pro Länge, entlang der Beharrungsfahrtstrecken. An die Beharrungsfahrtstrecken anschließende Bremsstrecken beginnen mit kurzen Motorelementen, die mit zunehmender Länge der Bremsstrekke immer langer werden.

Für die Beharrungsfahrtstrecken wird eine Ausführungsform bevorzugt, bei der nicht alle Statorelemente eines Motorelements mit Stromleitern ver-

sehen sind. Zwischen gewickelte, d. h. mit Stromleitern versehene Statorelemente sind unbewickelte, d. h., nicht mit Stromleitern versehene Statorelemente eingefügt. Die nichtbewickelten Statorelemente haben dabei keine antreibende, sondern nur eine- tragende Funktion. Sie dienen Iediglich dem Schließen des magnetischen Kreises zum Tragen

des Fahrzeugs.

In bevorzugter Weise ist der Energiezuführeinheit eines je den Motorelements eine Leistungssteuerungseinheit zugeordnet, mit der die dem Motorelement zugeführte Leistung auf Werte unterhalb der Maximalleistung dieses Motorelements steuerbar ist. Dadurch erreicht man, daß man bei Bedarf auch unterhalb der·Maximalgeschwindigkeit bleiben kann, die einem vorbestimmten Geschwindigkeitsprofil entsprechen

würde.

Hierzu eignet sich besonders gut eine Fahrprogrammsteuerung,

wie sie in der eigenen Patentanmeldung P

(K 20 472S/6) mit dem gleichen Anmeldetag wie die vorliegende Patentanmeldung beschrieben ist. Der Offenbarungsgehalt dieser parallelen Patentanmeldung wird hiermit ausdrücklich durch Bezugnahme zu einem Bestandteil der vorliegenden Anmeldung gemacht.

Ein Linearantrieb mit

Konstantleistungs-Motorelementen der hier beschriebenen Art ist besonders vorteilhaft in Kombination mit einer

LeistungsZuführungseinheit gemäß P (K 20 530S/6)**^

und/oder einer Fahrwegumschaltung gemäß P

(K 20 531 S/6) und/oder der bereits erwähnten Fahrprogrammsteuerung gemäß P (K 20 472S/6) .

Auch die Offenbarungen der P (K 20 531S/6)

und der P (K 20 53OS/6) werden hiermit

ausdrücklich durch Bezugnahme zu einem Bestandteil der vorliegenden Anmeldung gemacht, die gleichzeitig mit diesen drei anderen Patentanmeldungen eingereicht worden ist.

*) (Titel:¹¹ Elektromagnetischer Linearantrieb")

**) (Titel: "Energiezuführeinheit für einen mehrphasigen elektromagnetischen Linearantrieb")

Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Linearantriebs mit Motorelementen gleicher Maximalleistung und unterschiedlicher Länge ist in einer Sicherheitswirkung zu sehen. Auf keinem Teil des Fahrwegs kann das Fahrzeug eine vorgegebene Maximalgeschwindigkeit überschreiten. So kann das Fahrzeug beispielsweise auf einer Beharrungsfahrtstrecke eine vorbestimmte Beharrungsfahrtgeschwindigkeit nicht überschreiten. Dies ist besonders bei Kurvenstrecken von Vorteil. Über eine durch die Auslegung der Fahrstrecke bedingte Maximalgeschwindigkeit kann das Fahrzeug dort nicht hinauskommen.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Länge der einzelnen Motorelemente klein gegenüber der Fahrzeuglänge. Dadurch erreicht man, daß immer nur die Motorelemente arbeiten, die sich tatsächlich unter einem Fahrzeug bzw. Zug befinden und zum Vortrieb beitragen.

Im folgenden werden die Erfindung und Weiterbildungen der Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform erläutert. In der beigefügten Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Streckenbelegung mit Motorelementen im Bereich einer Halte-

station;

Fig. 2 die maximale spezifische Schubkraft längs der in Fig. 1 gezeigten Strecke; und

Fig. 3 ein Maximalgeschwindigkeitsprofil der in Fig. 1 gezeigten Strecke.

Fig. 1 zeigt einen Streckenausschnitt, der an einer Station S beginnt, an der das Fahrzeug anhält. Zum Verlassen der Station S durchläuft das Fahrzeug zunächst eine Beschleunigungsstrecke mit Motorelementen MBl, MB2, ... MBn, denen je eine Elektronikeinheit EBl, EB2, ..., EBn zugeordnet ist. Die einzelnen Motorelemente sind alle kurz gegenüber der Fahrzeug- bzw. Zuglänge und sind alle für die gleiche Maximalleistung ausgelegt. Jede Elektronikeinheit ist somit für die gleiche Maximalleistung ausgelegt.

Beim Herausfahren aus der Station S überfährt das Fahrzeug immer kürzer werdende Motorelemente. Das heißt, mit zunehmender Entfernung von der Station S wird dem Fahrzeug eine bestimmte Leistung pro zunehmend kürzer werdender Streckenlänge angeboten. Dies führt zu einer Beschleunigung und damit zunehmenden Geschwindigkeit des Fahrzeugs.

An das Ende der Beschleunigungsstrecke schließt eine Behärrungsfahrtstrecke an, deren Motorelemente MHl, MH2, MH3, ... für die gleiche Maximalleistung wie die Motorelemente der Beschleunigungsstrecke ausgelegt sind. Da für eine Beharrungsfahrt nur eine geringe Schubkraft benötigt wird, sind die Motorelemente MHl, MH2, ... der Beharrungsfahrtstrecke lang und elektromagnetisch "verdünnt". Dies

erreicht man dadurch, daß bei jedem Motorelement nur einige der Statorelemente bewickelt sind, die restlichen Statorelemente jedoch unbewickelt bleiben. Um eine gleichmäßige Beharrungsfahrt zu erzielen, sind die bewickelten

Statorelemente periodisch zwischen die nichtbewickelten Statorelemente eingefügt.

In Fig. 1 sind bewickelte Statoren schwarz und unbewickelte Statoren weiß gezeichnet.

Geht man einmal davon aus, daß sämtliche in Fig. 1 gezeigten Motorelemente mit der Maximalleistung gespeist werden, ergibt sich längs der in Fig. 1 gezeigten Fahrstrecke das in Fig. 2 gezeigte Schubkraft- bzw. Beschleunigungsprofil. Bis zum Ende der Beschleunigungsstrecke wirkt eine maximale spezifische Schubkraft auf das Fahrzeug. Ab dem Beginn der daran anschließenden Beharrungsfahrtstrecke wirkt auf das Fahrzeug nur noch eine verminderte Beharrungsschubkraft, mit der Geschwindigkeitsverluste des in Beharrungsfahrt befindlichen Fahrzeugs kompensiert werden.

Fig. 3 zeigt die dabei auftretende maximal mögliche Geschwindigkeit. Beim Verlassen der Station S steigt die maximal mögliche Geschwindigkeit infolge der konstanten maximalen Beschleunigung stetig an, bis sie beim Einlaufen des Fahrzeugs in die Beharrungsfahrtstrecke in einen konstanten Geschwindigkeitswert übergeht. Die während der Beharrungsfahrt aufgebrachte Schubkraft dient nur noch dem Ausgleich von Leistungsverlusten.

In bevorzugter Weise ist die den einzelnen Motorelementen zugeführte Leistung auf Werte steuerbar, die unter der Maximalleistung liegen. Dadurch kann man in das Fahrverhalten des Fahrzeugs eingreifen, wenn man unter der örtlich je maximal möglichen Geschwindigkeit bleiben möchte. An einem bestimmten Ort des Fahrwegs kann das Fahrzeug jedoch nie über die für diesen Ort maximal mögliche Geschwindigkeit hinauskommen. Durch die Wahl der Länge des Motorelements an einem bestimmten Ort ist somit von vorn-

herein eine Geschwindigkeitsbegrenzung gewährleistet, die zur Sicherheit des Systems beiträgt.

Man kann folgendermaßen zusammenfassen: 5

Grundeinheit des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Linearantriebs sind Motorelemente. Sie setzen sich aus mehreren Statorelementen einer bestimmten einheitlichen Länge von beispielsweise 72 cm zusammen. Die Maximalleistung ist für jedes Motorelement gleich. Die Leistungsanpassung an den tatsächlichen Bedarf geschieht unter Einsatz von Komponenten gleicher Leistung. Variiert wird lediglich die Zahl der einzelnen Komponenten je Fahrweglänge. Typische Längen von Motorelementen reichen von etwa 1,4 m bis etwa 6m. Die genaue Länge der einzelnen Motorelemente ergibt sich aus dem lokalen Leistungsbedarf. Da beim Anfahren bzw. Bremsen zwar viel Schub, aber bei kleinen Geschwindigkeiten nur wenig Leistung benötigt wird, wird hier durch Hintereinanderschalten entsprechend vieler Statorelemente und deren Versorgung über eine Leistungsversorgungseinheit die Leistungsanpassung vollzogen, und es ergeben sich entsprechend lange Motorelemente. Die kleinste Länge haben Motorelemente im Streckenbereich hoher Beschleunigung und hoher Geschwindigkeit. Im Bereich der Beharrungsfahrt ist der Leistungsbedarf gering. Hier werden die Motorelemente durch Einfügen nichtbewickelter Statorelemente verlängert, so daß der auf die Fahrweglänge bezogene Aufwand entsprechend reduziert ist.

Claims

KAIK)H KU NKEH SCHMIlT-MiiSm· HIRSCH " " 1>\ΤΕ\Τ\Ν\\Λ1ΤΕ

KTHOl¹K-VN VrmKMO

Magnet-Bahn GmbH
Moosεtr. 14
Starnberg

(u.Z.: K 20 137S/6SW) 5. September 1983

Elektromagnetischer Linearantrieb

Patentansprüche

f 1 .] Elektromagnetischer Linearantrieb

- mit einem einen Fahrweg bildenden Stator, der mit Stromleitern bestückt ist und in eine Vielzahl von Statorelementen gleicher Länge unterteilt ist,

- und mit einem ein Fahrzeug bildenden Läufer, der mit Magneten, vorzugsweise Permanentmagneten, bestückt ist, die mit dem Stator zu einem Antrieb zusammenwirken,

- wobei der Stator in eine Anzahl Motorelemente mit je

einer Mindestanzahl von Statorelementen unterteilt ist und den einzelnen Motorelementen individuelle Energiezuführeinheiten zugeordnet sind, die einzeln ein- und ausschaltbar sind, und zwar vorzugsweise mittels am Fahrweg angeordneter, durch das Fahrzeug beeinflußbarer Sensoreinrichtungen,

dadurch gekennzeichnet,

- daß alle Motorelemente (MBl, MB2, ... MBn, MHl, MH2, ...) für die gleiche Maximalleistung ausgelegt sind

- und daß Motorelemente (MBl, MH3, ...) unterschiedlicher Länge vorgesehen sind, wobei die Länge eines jeden

Motorelements (MBl, ... MH3, ...) durch den lokalen Bedarf an Maxinalleistung pro Längeneinheit bestimmt ist, der (^"entsprechend einem vorbestirrtnten maxiinalen Geschwindigkeitsprofil längs des Fahrwegs am Ort des jeweiligen Motorelements (MBl, ... MH3, ...) vorhanden ist. J
2. Elektromagnetischer Linearantrieb nach Anspruch 1,

d.a durch gekennzeichnet, daß auf Beschleunigungsstrecken des Fahrwegs Motorelemente (MBl, MB2, ... MBn) abnehmender Länge, auf Bremsstrecken Motorelemente zunehmender Länge und auf Beharrungsfahrtstrekken Motorelemente (MHl, MH2, ...) gleicher Länge hintereinander angeordnet sind.
3. Elektromagnetischer Linearantrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf Beharrungsfahrtstrecken Motorelemente (MHl, MH2, ...) vorgesehen sind, bei denen nicht alle Statorelemente mit Stromleitern versehen sind.
4. Elektromagnetischer Linearantrieb nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch g e kennz e i chn.et , daß der Energiezuführeinheit eines jeden Motorelements eine Leistungssteuerungseinheit zugeordnet ist, mit der die dem Motorelement zugeführte Leistung auf Werte unterhalb der Maximalleistung steuerbar ist.
5. Elektromagnetischer Linearantrieb nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Länge der Motorelemente klein ist gegenüber der Fahrzeuglänge.