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A) Die Grundfunktionen A 1) Generatorfunktion Gegenstand der hier
beschriebenen Vorschläge ist eine berührungslose magnetische Kupplung (Bild 1) zwischen
einem genuteten ferromagnetischen Maschinenteil E 1 und einem zweiten Maschinenteil
E 2, das als Rad ausgebildet ist und in gleichmäßiger Verteilung magnetische Pole
Paufweist. Letztere sind entweder durch stromführende Spulen oder, wie gezeichnet,
durch Permanentmagnete M erregt Die leistungslose Erregung des magnetischen Feldes
durch Permanentmagnete ermöglicht eine besonders einfache Form des magnetischen
Rades. Durch entsprechend starke Magnete kann das von ihnen erzeugte Feld auch einen
größeren Abstand zwischen beiden Maschinenteilen überbrücken und dabei große Kräfte
übertragen. Bei richtiger Wahl von Größe und Form des passiven und aktiven Teils
lassen sich außer den anziehenden Kräften Fy auch hohe Kräfte in der Rollrichtung
des Rades, also Tangentialkräfte Fx übertragen. Diese Kräfte werden als Reluktanzkräfte
bezeichnet. Ist das Rad in einem Fahrzeug
gclagert, so kann mit
ihm ein Generator verbunden werden, dcr als Ladeaggregat für das Bordnetz dient.
Die magnetischen Antriebskräfte des Rades müssen hierbei vom Fahrzeugantrieb bzw.
aus der kinetischen Energie des Fahrzeugs gedeckt werden. Der Generator speist oberhalb
einer bestimmten Fahrgeschwindigkeit Leistung in das Bordnetz und ist in der Lage,
auch eine Pufferbatterie aufzuladen. Letztere wird üblicherweise deshalb verwendet,
weil im unteren Geschwindigkeitsbereich die Leistung der Verbraucher vom Generator
nicht sichergestellt werden kann.
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Mit Hilfe des Magnetrades gelingt eine Auskopplung elektrischer Leistung
aus der Bewegungsenergie auch bei größerem Abstand zur Schiene; gleichzeitig werden
anziehende Normalkräfte ausgeübt.
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A2) Antriebsfunktion Die berührungslose magnetische Reluktanzkupplung
gibt die Möglichkeit eines modifizierten Linearantriebs mit vorteilhaften Eigenschaften.
Das Magnetrad ist in der Lage, Antriebskräfte berührungslos auf das Fahrzeug zu
übertragen, wenn auf,jWdas Rad z. B. durch einen Antriebsmotor Drehmomente ausgeübt
werden. Hierbei eröffnet sich die Möglichkeit, einen mit kleinem Luftspalt, also
elektromagnetisch sehr günstig ausgelegten Motor in rotierender Bauart zu verwenden.
Somit lassen sich für den Antrieb erheblich günstigere Leistungsdaten, wie z. B.
Wirkungsgrad, Leistungsfaktor, Kraft- bzw. Leistungsdichte, erreichen als im Falle
des direktwirkenden Linearmotors. Bei letzterem sind infolge des großen Luftspalts
die Leistungsdaten stark beeinträchtigt. Auch auf dessen Bauleistung wirkt sich
die Verwendung eines Antriebsmotors mit kleinem Spalt sehr günstig aus. Der Antriebsmotor
kann in die Funktion eines Generators übergeführt werden, wenn ihm clcktrische Leistung
entzogen wird. Hierbei tritt auf das Fahrzeug eine Bremswirkung auf. Auch bei der
Betriebsweise als Antrieb wird eine anziehend wirkende Normalkraft Fyentwickelt.
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B) Die Kombination Reluktanzkupplung und elektromagnetischer Wandler
Das Magnetrad, das z. B. mit Permanentmagneten bestückt ist, erzeugt auf seinem
gesamten Umfang ein magnetisches Feld. Die Eingriffsfläche mit dem passiven Maschinenteil
ist auf einige wenige Pole beschränkt.
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Innerhalb dieser Fläche wird eine verhältnismäßig große Magnetfelddichte
erzeugt, während auf dem restlichen Umfang entsprechend der dort verringerten magnetischen
Leitfähigkeit die Felddichte gering ist (B i 1 d 1).
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Wird auf dem von den Kopplungskräften Fx nicht benötigten Umfangsteil
entsprechend B i 1 d 2 ein magnetisch leitfähiger Rückschluß E3 angeordnet, so entsteht
in diesem Bereich ein magnetisches Wanderfeld großer Amplitude. Dieses Feld läßt
sich direkt zur Umsetzung elektrischer in mechanische Leistung, also zur elektromechanischen
Energiewandlung verwenden. Der Stator wird hierzu mit einer Drehstromwicklung versehen
und im Antriebsfalle mit phasenverschobenen Wechselströmen gespeist. Deren Frequenz
hat der Drehgeschwindigkeit der Feldwelle zu entsprechen. Gezeichnet sind in B i
1 d 2 drei Phasen (3 Spulen (U, g W) je Polteilung).
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Auch 2 Phasen oder aber mehr als 3 Phasen können für bestimmte Anwendungen
vorteilhaft sein.
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Wird das Magnetrad über die passive Schiene angetrieben, kann in
der Statorwicklung eine Wechselspannung induziert werden, die im Generatorbetrieb
eine Leistungsabgabe an einen Verbraucher zuläßt. Da bei kleinem Spalt große Induktionsamplituden
erzeugt werden, kann schon bei verhältnismäßig kleiner Fahrgeschwindigkeit eine
sehr verlustarme Energieumsetzung mit relativ wenig Wicklungsvolumen erreicht werden.
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Der elektromechanische Wandler arbeitet mit hohem Wirkungsgrad und
kann bei Zufuhr von elektrischer Leistung Antriebskräfte übertragen. Wie bei jeder
Synchronmaschine kann durch eine Phasenwinkel-Steuerung auch mit betriebsoptimalem
Leistungsfaktor z. B.
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auch mit cos 97 = I gefahren werden.
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In einem einzigen Gerät wird hiermit eine Verbindung zwischen einer
berührungs- und leistungslos arbeitenden Reluktanzkupplung und einer verlustarmen
Synchronmaschine erreicht.
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Die Anwendbarkeit dieses elektromechanischen Wandlers für Antriebsaufgaben
in der Fahrzeugtechnik ist sehr vielseitig. Das Gerät beweist alle Vorzüge in Verbindung
mit der berührungslosen Kraftübertragung, es läßt den Betrieb als Antriebsaggregat
und Generator (Bremse) zu und läßt im Vergleich zu den bekannten Linearwandlern
(mit großem Spalt) erhebliche Verbesserungen zu. Letztere drücken sich sowohl im
Installationsumfang der Wandlerkomponenten als auch in der Güte der Energiewandlung
aus.
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Der Einsatz des Geräts zur Energieauskopplung aus der Antriebsenergie
des Fahrzeugs, ihrer Umwandlung und Einspeisung ins Bordnetz erscheint z. B. sehr
günstig. Im Vergleich zu dem in der Magnetschwebetechnik früher vorgeschlagenen
Lineargenerator bestehen Vorteile. Der Reluktanzgenerator rotierender Art arbeitet
unabhängig vom Feld der Tragmagneten; er erzeugt sich sein magnetisches Feld selbst.
Die Tragmagnete lassen sich bei Wegfall des Lineargenerators sowohl hinsichtlich
ihres magnetischen Kreises als auch im Hinblick auf ihre Masse günstiger ausführen.
Deshalb resultieren kleinere Wicklungsverluste für die Magnete und, wie bereits
erwähnt, auch für den Generator. Durch die Verwendung einer stark vergrößerten Flußamplitude
kann die Einsatzgeschwindigkeit des Ladeaggregats abgesenkt werden. Die Gewichtsbilanz
des Fahrzeugs wird insgesamt günstig beeinflußt.
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C) Komponentenbeschreibung einer berührungslosen elektromechanischen
Energiewandlung Entsprechend der Beschreibung der Abschnitte A und B sind die Hauptkomponenten
einer für die Antriebs- oder Generatorfunktionen bestimmten Anordnung gemäß B i
I d 3: - Schiene und Magnetrad bilden die leistungs- und berührungslos arbeitende
Reluktanzkupplung.
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- Magnetrad und elektromechanischer Wandler ermöglichen die Funktion
der Energieumwandlung.
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- Stromrichter ermöglichen die Anpassung der elektrischen Leistung
an die Bedingungen des Netzes.
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Magnetkupplung Die genutete Schiene (s. B i 1 d e r 1; 2 und 3) ist
aus gut leitfähigem magnetischen (Eisen) und in lamellierter Form hergestellt. Die
Magnetteilung des Rades entspricht der Nutteilung der Schiene. Außer einer Blechung
läßt sich bei der Schiene auch ein Aufbau aus Eisenpulver-Preßteilen anwenden. Für
die Funktion der
Magnetkupplung 0 ist es ohne Bedeutung, ob in den
Nuten des Stators eine Wicklung untergebracht ist oder nicht.
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Die Ausbildung des Magnetrades ist so gestaltet, daß zwischen den
Magneten Weicheisenpole angeordnet sind. Es liegt damit eine Anordnung vor, bei
der durch Wahl der Magnetdicke und -höhe die höchste Energiedichte im Magnetmaterial
erreicht werden kann. Diese Bemessung führt zum geringsten Materialaufwand für die
Magnete. Um dabei auch eine Übereinstimmung zwischen Polbreite des Rades und der
Zahnbreite des Stators zu erzielen, wird entsprechend B i 1 d 4a der Polbogen B
des Magnetrades durch eine ausgeprägte Pollücke L begrenzt. Die Magnete M lassen
sich so schmaler als die Nutbreite Nder Schiene ausführen.
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Anstelle einer geraden Schiene kann auch ein Rad mit größerem Durchmesser
als das Magnetrad treten. Es besteht dann die Möglichkeit, ein magnetisches Getriebe
zu realisieren.
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Weiter besteht die Möglichkeit, die Magnete auf die Schiene bzw.
auf das Großrad zu übertragen und das kleine Rad genutet und passiv auszuführen.
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Elektromechanischer Wandler Der elektromechanische Wandler (!) kann
als Kombination Magnetrad und elektrische Maschine gegebenenfalls mit zwischengeschaltetem
Getriebe ausgeführt sein.
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Eine besonders interessante Möglichkeit besteht entsprechend B i
1 d 2 darin, das magnetische Feld des Rades in Wechselwirkung mit elektrischen Strömen
einer Mehrphasenwicklung einzusetzen.
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Zur Umformung der elektrischen Leistung werden üblicherweise Stromrichter
SR, deren Hauptelemente aus Halbleiterventilen bestehen, herangezogen O. Arbeitet
die Anordnung im Generatorbetrieb, so soll die Wechselspannung am Ausgang des Generators
vielfach in eine Gleichspannung bestimmter Größe umgeformt werden. Dies erfordert
einen Gleichrichter, der steuerbar ist. Auch ein ungesteuerter Gleichrichter mit
nachgeschaltetem Gleichspannungssteller S kann diese Aufgabe übernehmen (3 Hierdurch
kann die Ausgangsspannung der Batteriespannung angepaßt werden, wenn wie in B i
1 d 3 eine Pufferbatterie O zur Stützung des Bordnetzes verwendet wird.
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Im allgemeinen Fall kann auch eine Fahrleitung O vorhanden sein,
welcher der Energiebedarf für den Antrieb des Fahrzeugs entnommen wird. Es besteht
dann auch die Möglichkeit, in umgekehrter Richtung dem elektromechanischen Wandler
Energie zuzuführen und das Magnetrad zur Übertragung der Drehmomente für die Bewegung
des Fahrzeuges zu verwenden.
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Auch ohne eine Fahrleitung kann für begrenzte Fahrzeugbewegungen
aus der Batterie Leistung für den Antrieb entnommen werden. Dies kann z. B. bei
Fahrzeugbewegungen innerhalb des Stationsbereichs angewendet werden, während die
Hauptaufgabe des Geräts in der Bordstromversorgung bei höheren Geschwindigkeiten
besteht.
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D) Maßnahmen zur Vergrößerung der Tangential- und Normalkräfte Die
übertragbaren Kräfte in Tangential- und Normalenrichtung hängen vom Quadrat der
wirksamen magnetischen Flußdichte und der Zahl der im Eingriff befindlichen Zähne
ab.
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Um Tangentialkräfte zu übertragen, ist eine Auslenkung zwischen dem
Weicheisenpol des Rades und dem Zahn der Schiene notwendig. Die übertragbare Kraft
nimmt mit der Auslenkung zu und erreicht bei etwa der halben Zahnbreite ihren Maximalwert.
Die Zahl der in naher Nachbarschaft stehenden feldführenden Zähne ist abhängig vom
Durchmesser des Magnetrades und im allgemeinen gering. Maßnahmen zur Vergrößerung
der wirksamen magnetischen Flußdichte und zur Erhöhung der kraftbildenden Zahnzahl
sind für den beschriebenen Wandler von großer Bedeutung.
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In B i 1 d 4a wird angedeutet, daß durch Zwischennuten NZ'im Pol
des Rades und NZ" im Zahn der Schiene Feldbeeinflussungen im Sinne höherer übertragbarer
Tangentialkräfte Fx möglich sind. Es gelingt hierdurch, ohne Erhöhung der Zahl der
Magnete gewissermaßen durch Steigerung der Zahnzahl eine Vergrößerung der Tangentialkraft.
Das Verfahren der Zwischennuten ist insbesondere bei kleinem Spalt zwischen E 1
und E2 wirksam; es ermöglicht eine Beschränkung der Zahl der Magnete, da es eine
bessere Ausnutzung der Polbreite zur Tangentialkraftbildung ergibt Die Normalkraftbildung
wird nur in geringemtíaße berührt.
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B ii d 2 zeigt gestrichelt zwei zusätzliche PoleH 1 und H2. Diese
Hilfspole bewirken eine Verringerung des magnetischen Widerstandes, erhöhen also
die Feldstärke (auch) im Mittelbereich (außerhalb der Pole H1, H2). Mit (dem Quadrat)
der Feldstärke nehmen die übertragbaren Normal- und Tangentialkräfte zu. Dabei ist
die Erzeugung der Tangentialkräfte auf den Bereich der direkten Feldausbildung zwischen
Rad und Schiene beschränkt.
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Wie B i 1 d 5 zeigt, werden die Flußanteile, die von den Magneten
1 und 3 erzeugt werden, wesentlich verstärkt; die Flußdichte in den Zähnen 1' und
2' erhöht sich. Die Kräfte können damit auf mehr als den doppelten Wert ansteigen.
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Bild 5 stellt darüber hinaus eine Anordnung dar, bei der die Polansätze
H 1 und H 2 nicht im Stator befestigt, sondern als selbständige Konstruktionselemente
beweglich ausgeführt und gegenüber dem Rad bzw. der Welle gelagert sind.
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Als Wirkung der Hilfspole kann allgemein festgestellt werden, daß
außer dem Feldanteil a, der vom Magnet 2 erzeugt wird, nun stärkere Feldanteile
b 1 und b 2 durch die Magnete 1 und 3 erregt werden, wodurch größere Kräfte resultieren.
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Absolut geseheni sind die durch Magneträder mit energiestarken Permanentmagneten
erzielbaren Kräfte, auch bei Spalten bis zu 1 cm, von beachtlicher Größe.
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Es handelt sich um Tragkräfte von mehr als 10 kN und maximale Tangentialkräfte
von mehreren kN. Die magnetische Tragkraft ist ein hohes Vielfaches des Gewichts
des Magnetrades.
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Das notwendige Volumen der Reluktanzschiene ist infolge der geringen
Pol- bzw. Nutteilung vergleichsweise begrenzt.
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E) Stellbare Tragkräfte In gestrichelter Darstellung zeigt B i 1
d 5 die zusätzlichen Pole H1 und H2 seitlich ausgelenkt. Die Feldverstärkung durch
die Anteile der Felder b 1 und b 2 ist damit nicht mehr gegeben; die Normalkraft
und mit ihr auch die maximal übertragbare Tangentialkraft werden hiermit geschwächt.
Das Herausdrehen der Pole H1 und H2 erfordert eine Leistung, die von einem Stellmotor
ausgeht und sich einer Kraftübertragung bedient.
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Für die gestrichelt gezeichnete Ausrücklage der Polelemente ergibt
sich ein stark vergrößerter Spalt, der die Verringerung der Flußanteile bewirkt.
Die Feldanteile a verteilen sich über einen größeren Zahnbereich, so daß durch die
abnehmende Felddichte die Tragkraft auch in diesem Bereich geschwächt wird. Die
Verschiebung der Polelemente 111 und H2 greift also auch in die Verteilung des vom
mittleren Magneten erzeugten Feldes ein und erweist sich als eine sehr wirksame
Stellmöglichkeit. Der Kleinstwert der Tragkraft ist kleiner als 50% der Maximalkraft
bei gleichem Spalt.
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Ein Feldeingriff mit Hilfe der verschiebbaren Pole zur Beeinflussung
und Stabilisierung der Tragkraft erweist sich günstiger als eine Verschiebung des
gesamten Rades, weil die Masse der Pole im Vergleich zu der des Rades wesentlich
geringer ist. Eine schnelle Tragkraftbeeinflussung, wie sie bei Spaltänderungen
während der Fahrt erforderlich ist, setzt eine unmittelbare (verzögerungsfreie)
Sensierung des Spaltes und eine rasch wirkende Kraftänderung zur Herstellung des
Gleichgewichts voraus.
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Auch bei Erregung des magnetischen Feldes durch Permanentmagnete
ist die Instabilität der anziehend wirkenden Kräfte, also die Neigung zum Anklatschen
oder zum Abfallen des Magnetrades sehr groß. Nur durch einen rasch wirksamen Regelkreis
kann eine Stabilisierung gegenüber Störeinflüssen (Fahrwegveränderungen und Kraftstörungen)
erfolgen.
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In B i 1 d 5 ist die Wirkungskette Sensor Se zur Erfassung von Spalt
und Spaltänderungen; Regler Re; Stellglied St und Energiequelle E zur Bereitstellung
der Stelleistung angedeutet. Die vom Stellglied auszuübenden Kräfte können dabei
durch unterschiedliche Antriebe bereitgestellt werden.
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Der schnellwirkende geschlossene Regelkreis läßt Abwandlungen zu.
Vereinfachungen lassen sich dadurch erzielen, daß eine zwangsweise Winkelverstellung
von H1 und H2 etwa abhängig vom Federweg der Sekundärfeder und damit vom Lastgewicht
des Fahrzeuges abgeleitet wird. Hierdurch ist es nicht mehr möglich, den dynamischen
Erfordernissen entsprechend das Rad schnell genug der Fahrbahn nachzuführen. Es
ist dann notwendig, ein Stützrad zur Spaltbegrenzung zu verwenden.
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Das Magnetrad weist auch in diesem Falle Vorteile gegenüber bekannten
Lösungen auf. Wenn beide Räder auf derselben Welle angeordnet und somit gekoppelt
sind, tritt beim Stützrad im Falle eines Kontaktes mit der oberen Schiene kein Verschleiß
auf.
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Wie B i 1 d 5 zeigt, kann ein Ausgleich der magnetischen Kräfte,
die eine Verschiebung der Pole H1 und H2 zur Mittellinie des Rades hin bewirken,
durch die Federn Fl und F2 erfolgen. Sie lassen sich z.B. so einstellen, daß die
magnetischen Kräfte für die dem mittleren Spaltabstand bzw. der mittleren Stellung
der Pole entsprechenden Werte gerade kompensiert sind.
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Das Stellglied St ist damit für diese Mittelstellung durch die statischen
Kräfte nicht belastet.
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Für die mechanisch eingeleitete Feldbeeinflussung sind weitere Verfahren
denk- und ausführbar. Ihnen allen ist gemeinsam, daß eine Bewegung von Massen zur
Erzeugung einer Stellkraft erforderlich ist.
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Bei Tragkraftbeeinflussung durch die hier beschriebenen Stellverfahren
kann gleichzeitig auf dem nicht zur Tragkraftbildung benötigten Umfang des Magnetrades
eine Energieumwandlung im Sinne von A) oder B) (B i I d 2) vorgenommen werden. Hierbei
kann es zweckmäßig sein, eine Strombegrenzung der Mehrphasen-
wicklung abhängig von
der Größe des Tragfeldes vorzunehmen.
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F) Magnetkraftregelung mit passiven elektrischen Komponenten Die
oben beschriebene mechanische Verstellung der Hilfspole H1 und H2 kann nur unter
Einsatz von äußeren Stellkräften und Heranziehung einer zusätzlichen Energiequelle
und damit durch einen aktiven Eingriff in den Feldkreis erfolgen.
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Für dynamisch hochwertige Regelungen stellt die mechanische Bewegung
der Pole trotz der verhältnismäßig geringen bewegten Masse eine Verzögerung dar,
die mit Hilfe erhöhter Energiezufuhr während des Stellvorganges begrenzt werden
muß. Um eine schnell wirksame Stabilisierung des Tragvorganges für höhere Fahrgeschwindigkeiten
vorzunehmen, ist ein Verzicht auf bewegliche mechanische Elemente erwünscht.
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B i 1 d 6 stellt drei verschiedene Stellungen von Schiene und Magnetrad
dar. Die Hilfspole H1 und H2 sind hierbei mit einer Wicklung D 1 und D 2 ausgeführt,
die die Pole umschließt.
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Die Position 6a zeigt den Feldverlauf für eine Stellung des Magneten
2 zwischen den Zähnen 1" und 2". Tragkraftbildende Feldanteile finden sich unter
den Zähnen 1" und 2" und in verminderter Größe auch unter 0" und 3". Die Hilfspole
H1 und H2 beteiligen sich durch ihren, den magnetischen Leitwert verbessernden Anteil
an den Tragkräften aller vier Zähne.
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Wenn das Fahrzeug um eine halbe Nutteilung nach rechts weitergewandert
ist (oder die Schiene um den gleichen Betrag nach links verschoben wurde), beteiligt
sich entsprechend B i 1 d 6b auch der Zahn 4" an der Tragkraftbildung. Im Mittelbereich
sind dann zwei Feldbahnen a 1 und a 2 an die Stelle der Feldbahn a getreten.
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Aufgrund der größeren magnetischen Widerstände sind die Flüsse der
Hilfspole H1 und H2, dargestellt durch die punktierten Feldlinien b 1 und b 2, nun
verhältnismäßig klein. Die gesamte Tragkraft ist in der Stellung 6b jedoch nur geringfügig
kleiner als in der Stellung 6a.
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Stellung 6c zeigt den Feldverlauf nach Drehung des Rades um eine volle
Nut- bzw- Magnetteilung. Im Vergleich zur Stellung 6a ist zu bemerken, daß sich
gleiche Kräfte ergeben, allerdings hat sich die Feldrichtung lokal umgekehrt. Dies
hat auf die Kraftgröße keinen Einfluß, kann aber für die Beeinflussung der Kraft
durch passive elektrische Elemente genutzt werden. Die Flußrichtungsumkehr ist auch
für die Feldrichtung der Hilfspole festzustellen. Die Drehung um eine Magnetteilung
entspricht einer halben Wechselperiode des Flusses.
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Die Tragkraftbeeinflussung kann nun so erfolgen, daß die den Hilfspol
umschließende Wicklung Ddurch einen schnell zu betätigenden Halbleiterschalter mit
stellbarem Strom betrieben wird. B i 1 d 7 zeigt am Beispiel der Wicklung D2 des
stellbaren Pols H2 die relative Einfachheit des Schaltkonzepts. Durch zwei Halbleiterschalter
51 und S2, die grundsätzlich beide Stromrichtungen in der Wicklung D 2 zulassen,
kann der Strom zwischen Null und dem Maximalwert (beider Richtungen) gestellt werden.
Als Stellgröße dient dabei die Zündspannung bzw. deren zeitlicher Einsatz. Die Größe
des Stromes ergibt sich bei gegebener, durch das Magnetrad induzierter Spannung
aus der während der stromführenden Phase wirksamen Spannungs-Zeitfläche. Ein verzögerter
Zündzeitpunkt führt zu kleinerer Stromamplitude. Das beschriebene Steuerverfahren
ist
nicht auf eine besondere Spannungsquelle angewiesen.
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Als Halbleiter-Schalter lassen sich Thyristoren verwenden, da die
Umschaltung an den natürlichen Strom-Nulldurchgang gebunden werden kann.
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Durch den Regler Re, der die Eingangssignale des Schwebe-Zustandssensors
Se verarbeitet, wird bei zu großem Spalt zwischen El und E2 der Strom im D; Kreis
verringert. Dies bedeutet später Zündeinsatz; bei zu geringem Spalt wird mit frühen
Zündsignalen auf großen Strom geregelt. Bei mittlerem Spalt wird mit einem Strom
mittlerer Größe gearbeitet. Die Verlustleistung wird aus der Antriebsleistung über
das Magnetfeld des Magnetrads übertragen.
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G) Zu- und Gegenschaltung von Feldanteilen Das Schalt- und Regelkonzept
nach Bild 7 verbraucht in der Normallage von E2 gegenüber El (Nennspalt) Energie.
B i 1 d 8 zeigt ein erweitertes Regelkonzept, das in der Normalposition verlustlos
arbeitet und nur bei Abweichungen einer Energiezufuhr bedarf. Hierbei wird außer
der geregelten Dämpferwicklung D 1, D 2 eine die Tragkraft verstärkende (Booster-)Wicklung
Cd, Cq für beide Pole eingesetzt Sie ist im B i 1 d 8 als Zweiphasen-Wicklung (d,
q) ausgeführt, d. h. die sie speisenden Ströme sind entsprechend dem örtlichen Versatz
der Spulen Cd, Cq mit um 90" phasenverschobenen Spannungen gespeist. Die Spannungen
werden von Generatorwicklungen Gd und Gq gewonnen, die räumlich verschoben am Stator
in Nuten untergebracht sind. Die Strombeeinflussung ist analog zur Schaltung von
B i 1 d 7 und wird durch zwei antiparallele, verzögert schaltbare H albleiterventile
bewirkt.
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Die Boosterwicklungen in dieser Form ergeben eine Tragkraftvergrößerung,
wenn Spaltvergrößerungen sensiert werden: sie führen bei zu kleinem Spalt keinen
Strom. Umgekehrt führt die Dämpferwicklung D nur Strom, wenn der Spalt kleiner als
der Nennspalt ist. Eine zweiphasige Ausführung der Wicklung C ergibt zudem eine
zeitlich nicht schwankende zusätzliche Kraft. Wird aus Vereinfachungsgründen die
Boost-Wicklung einphasig ausgeführt, tritt ein zeitlich schwankendes Zusatzfeld
auf, das einen pulsierenden Tragkraftanteil ergibt. Die Spulenanordnung der C-Wicklung
und die erweiterte Polanordnung führen dazu, daß das Zusatzfeld von Feld und Form
der Permanentmagnete unabhängig ist. Die vom Magnetfeld phasen- und frequenzrichtig
erzeugte Spannung macht den Einsatz der Zusatzerregung von Hilfsnetzen und Speichern
unabhängig. Der mittlere Leistungsbedarf der »Boost and Back«-Schaltung ist sehr
gering; der Schaltungsaufwand begrenzt, das Schaltkonzept ist sehr einfach. Dasselbe
gilt für die notwendige Steuerelektronik. Die Einfachheit des Konzepts und die verlustarme,
energiestarke Betriebsweise sind gute Voraussetzungen für eine vorteilhafte Anwendung
mit hoher Zuverlässigkeit unter den verschiedensten Voraussetzungen. Es kann offensichtlich
erwartet werden, daß Stabilisierungsschaltungen nach dem Konzept B i 1 d 7 in den
Fällen angewendet werden, wo die dynamischen Ansprüche nicht allzu hoch sind, kleinere
Fahrgeschwindigkeiten vorliegen und die auftretende Verlustleistung nicht ins Gewicht
fällt. Bei möglichst vollständiger Nutzung der gesamten magnetischen Feldkräfte,
bei hohen dynamischen Anforderungen (hohe Geschwindigkeiten) und geringstem Leistungaufwand
empfiehlt sich das Regelkonzept nach B i 1 d 8. Es steht damit die Anwendung der
Normalkraftkomponente des Magnetrades gleichberechtigt neben dem Einsatz
der Tangentialkraft.
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H) Anwendungsfelder Fahrzeugtechnische Anwendungen verlangen für
die Subsysteme hohe Effizienz und Leistungsdichte. Das Magnetrad ermöglicht vielseitige
Funktionsanpassungen und Kombinationen von Teilfunktionen. Als Beispiele seien genannt:
1) Hauptfunktion: Auskopplung elektrischer Energie aus der Antriebsenergie (Generatorbetrieb,
Bordstromversorgung) Nebenfunktion: Tragkraftbildung (stabilisiert), Rangierbetrieb
2) Hauptfunktion: Fahrzeugantrieb und Tragkraftbildung (stabilisiert) 3) Hauptfunktion:
Fahrzeugantrieb Nebenfunktion: Seitenführung des Antriebs oder des Fahrzeugs Im
Anwendungsbeispiel 1 ist zur berührungslosen Einkopplung elektrischer - Leistung
ins Fahrzeug kein besonderes Fahrwegelement El entsprechend B i 1 d 3 notwendig.
Beim Langstatorantrieb kann der vorhandcne Stator mit den offenen Nuten der Drehstromwicklung
die Funktion El übernehmen. Hingegen wird bei den Beispielen 2 und 3 eine Reaktionsschiene
El notwendig. Die Zahl der- notwendigen Schienen läßt sich gegenüber anderen bekannten
Lösungen beschränken, weil Funktionskombinationen (Tragkaft- bzw. Führkraftbildungen)
möglich sind.
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Das Magnetrad in der beschriebenen Doppelfunktion - als Kupplungselement
und als Rotor eines elektromechanischen Wandlers - führt zu vorteilhaften Systemeigenschaften
im Bereich neuer Transporttechnologien.