DE3523345A1

DE3523345A1 - High-speed bearing magnets and linear motors with bearing function

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Publication number: DE3523345A1
Application number: DE19853523345
Authority: DE
Inventors: Herbert Prof Dr Ing Weh
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1985-06-29
Filing date: 1985-06-29
Publication date: 1987-01-02

Abstract

The arrangement and shape of the magnet circuit using permanent magnets and movable pole elements have been described in several patent applications. By means of the permanent magnets, low-loss bearing magnets are aimed at and by means of the movable polar elements, in conjunction with a gap control, fast-acting magnetic circuits are aimed at. The application of the permanent magnets also provides advantages for the design of linear synchronous motors with a high power density and low material expenditure; it permits, for example, also the so-called double excitation. Motors of this kind are also suitable for the simultaneous production of (controlled) bearing and propulsion forces. When permanent excitation is introduced it is important that the overall outlay for the magnetic circuit (overall mass of the magnets attached to the vehicle) remains limited, that the mass of the permanent magnets itself is kept small and that the outlay for the bearing force control circuit is small. The solution proposed here permits substantial improvements over known arrangements with regard to these aims. An improvement of the properties for the bearing (propulsion) behaviour is achieved accompanied by limited overall outlay and compact design for rail and bearing (propulsion) component.

Description

Introduction and objective

Die Einbringung von Permanentmagneten in Trag- oder kombinierte Trag-Vortriebsanordnungen unterliegt strengen Kriterien insofern, als die Auslegung dieser Funktionselemente sehr unmittelbare Wirkungen auf die Entwurfsmerkmale des gesamten Fahrzeugs und der Fahrwegausrüstung beinhalten.
Obgleich abhängig von den unterschiedlichen Konzepten für Antrieb und Energieversorgung gewisse Schwerpunktverschiebungen in die Beurteilung eingehen, sind mehrere Auslegungsmerkmale vorhanden, die allgemein sind für die schwebetechnische Anwendung.The incorporation of permanent magnets in support or combined support-propulsion arrangements is subject to strict criteria in that the design of these functional elements has very direct effects on the design features of the entire vehicle and the track equipment.
Although depending on the different concepts for propulsion and energy supply, certain shifts in the focus are included in the assessment, there are several design features that are general for use in levitation technology.

Aus der Forderung nach kleinem fahrtechnischen Aufwand folgt für Fahrweg- und Fahrzeugkomponenten das Ziel kleiner Masse. Die im Fahrzeug als Trag- und Vortriebselemente wirkenden Teile stellen aufgrund der verhältmäßig geringen Kraftdichten, die durch das magnetische Feld übertragen werden können, einen am gesamten Fahrzeug gemessenen beachtlichen Anteil dar. Ein schweres Fahrzeug bedingt jedoch einen stärker dimensionierten Fahrweg mit einer größer dimensionierten Schienenanordnung und führt zu einer insgesamt weniger wirtschaftlichen Systemlösung.It follows from the requirement for a small technical effort the goal of small mass for track and vehicle components. The Place parts that act as support and propulsion elements in the vehicle due to the relatively low force densities caused by the magnetic field can be transmitted to the entire vehicle measured considerable proportion. A heavy vehicle caused however a more dimensioned track with a larger one dimensioned rail arrangement and leads to an overall less economical system solution.

Hohe Primärmasse für das mit der Schiene über das magnetische Feld gekoppelte Tragelement bedeutet aber auch ungünstigeres dynamisches Verhalten (langsameres Einschwingen nach einem Regelbefehl), woraus sich für den zu wählenden Nennspalt bei gegebenen Fahrbahnparametern eine Vergrößerung ergibt. Ein höherer Energiebedarf für Schwebe-und Vortriebsfunktion sowie stärker ausgelegte Komponenten für die Bordstromversorgung und den Regelkreis sind die Folge.High primary mass for that with the rail over the magnetic Field-coupled support element also means less favorable dynamic behavior (slower settling after a control command), which results in the nominal gap to be selected for given roadway parameters an enlargement results. A higher energy requirement for Levitation and propulsion function as well as stronger components for the on-board power supply and the control circuit are the result.

Eine Anwendung der Permanenterregung zur Beschränkung des Energiebedarfs für die Schwebefunktion und die Verlustminderung beim Antrieb erfolgt also mit der Nebenbedingung einer zu vermeidenden Massevergrößerung und der Aufwandsbeschränkung bei der Regelung sowie der Anbindung der Magnete. Hierbei ist die konstruktive Gestaltung und die Eigensteifigkeit des Magneten zu beachten. Die bisher bekannt gewordenen Lösungsvorschläge erfüllen die gestellten Bedingungen nur in sehr beschränkter Weise Für den magnetischen Kreis der Permanentmagnete wird gemeinsam mit der erwähnten konstruktiven Verbesserung bezüglich Biegesteifigkeit und Baubarkeit eine Auslegung mit minimalem magnetischen Streufluß und geringster Streuung der Tragwicklung realisiert. Hieraus resultieren Verringerungen für die Massenanteile im Tragesystem einschließlich des konstruktiv notwendigen Aufwands. Es ergeben sich weiter Verbesserungen im elektromagnetischen Verhalten sowie in der Auslegung der Regelkreise. Die gleichzeitig vorgesehene Anwendung beweglicher Polelemente trägt wesentlich zur Verringerung der Komponentengröße (der Stromsteller) im Regelkreis bei und ermöglicht eine schnelle Beeinflussung der Magnete, so daß ein verbessertes Folgeverhalten resultiert.An application of permanent excitation to limit energy consumption for the floating function and the loss reduction in the drive takes place with the constraint of an increase in mass to be avoided and the effort involved in regulating and connecting the magnet. Here is the constructive design and the inherent rigidity of the magnet. The proposed solutions so far only fulfill the conditions set in a very limited way For the magnetic circuit of the permanent magnets is common with the mentioned structural improvement in terms of bending stiffness and buildability a design with minimal magnetic leakage flux and lowest Spreading of the support winding realized. This results in reductions for the mass fractions in the carrying system including the constructive necessary effort. There are further improvements in electromagnetic behavior as well as in the design of the control loops. The one provided at the same time Use of movable pole elements contributes significantly to the reduction the component size (the current controller) in the control loop at and allows a quick influence on the magnets, so that a improved follow-up behavior results.

Trag- and Tragleitmagnete with permanent excitation and movable Pole elements

Obgleich Vorschläge für die Anwendung von Permanentmagneten und beweglichen Polelementen bekannt sind, lassen diese Vorschläge eine befriedigende Anwendung in ihrer Kombination nicht zu. Die sich bei bloßer Addition der bekannten Vorschläge ergebenden Merkmale sind vom Aufwand (etwa für die Permanentmagnete) und von der Größe der notwendigen Steuerdurchflutung für die dynamisch erforderlichen Stromanteile unbefriedigend.Although suggestions for the use of permanent magnets and Movable pole elements are known, leave these suggestions not a satisfactory application in their combination. The features resulting from the mere addition of the known proposals are of the effort (for the permanent magnets, for example) and the size of the necessary tax flow for the dynamically required Power levels unsatisfactory.

Bild 1 zeigt als erstes Beispiel die zweckmäßige Formgebung eines U-förmigen Magneten mit Permanenterregung; dabei stellt 1 die Schiene (in Querschnitt), 2 den Rumpf des Tragmagneten, 3 den Permanentmagnet, 4 das bewegliche Polteil, 5 die Spule, 6 den die Steifigkeit verstärkenden Träger (Konstruktionsteil), 7 die Linearführung, 8 eine Feder (ohne Dämpfer) dar. Figure 1 shows as a first example the practical shape of a U-shaped magnet with permanent excitation; 1 represents the rail (in cross section), 2 the fuselage of the support magnet, 3 the permanent magnet, 4 the movable pole part, 5 the coil, 6 the stiffness-enhancing support (construction part), 7 the linear guide, 8 a spring (without damper) represents.

Kennzeichnend für die Form und Eigenschaften des magnetischen Kreises ist die Lage und Größe der Permanentmagnete.Sie ergibt einen geringen Streufluß im Innern des U-förmigen Teils. Dies ist die Folge der weit nach oben verlegten Magnet-Seitenfläche.Characteristic of the shape and properties of the magnetic Circle is the position and size of the permanent magnets a small leakage flow inside the U-shaped part. This is the result of the magnetic side surface that is placed far up.

Um eine große Querschnittsfläche für den Fluß des Permanentmagneten zu erreichen, ist seine Querschnittsausdehnung ein Mehrfaches (ca. das dreifache) der Querschnittsfläche des Tragspalts, so daß für den Tragspalt eine Flußkonzentration erfolgt. Die Flußdichte im Magnet ist deutlich geringer als im Tragspalt. Durch die Schräglage der an den Magnet anschließenden Spaltebene gegenüber dem beweglichen Pol wird eine Verringerung der den beweglichen Polteil nach unten ziehenden Kraft erreicht.Die nach oben ziehende Kraftkomponente ist somit wegen der Felddichte-Unterschiede und der Schrägstellung wesentlich größer als die entgegengesetzte Kraft. Der magnetische Widerstand für Feldkomponenten, die durch die stromführende Spule erzeugt werden, ist außerdem wegen des großen Flußquerschnitts im Magneten gering.To have a large cross-sectional area for the flux of the permanent magnet to achieve, its cross-sectional extent is a multiple (approx. three times) the cross-sectional area of the supporting gap, so that for the Carrying gap there is a flow concentration. The flux density in the magnet is significantly smaller than in the supporting gap. Due to the inclined position of the gap plane adjoining the magnet towards the movable pole will be a reduction in the movable Pole part pulling down force reached Force component is therefore due to the field density differences and the Inclination much larger than the opposite force. The magnetic resistance for field components caused by the Live coil is also generated because of the large Flow cross section in the magnet is small.

Ein weiteres Merkmal der Anordnung der stromführenden Spule angrenzend an den Tragspalt ist der geringe Streufluß und somit eine sehr enge Kopplung mit dem die Tragkraft bildenden Magnetfeld. Die übliche Spulenanordnung sieht bei waagerechter Spulenachse den Rückleiter unter dem waagerechten Teil des magnetischen Kreises vor. Die Anordnung mit senkrechter Spulenachse und der Aufteilung der Spule in zwei Einheiten auf die Schenkel hat eine stark verbesserte Eigenstabilität des elektrischen Kreises (konstanter Magnetfluß bei Änderung des magnetischen Widerstandes) bei Fahrbahnstörungen zur Folge. Durch die kleinere Streuinduktivität entstehen bei plötzlichen Fahrbahnstörungen größere Ströme und der magnetische Tragfluß wird ungeachtet der Spaltänderung über längere Zeit konstant gehalten. Gleichzeitig entstehen bei Spannungsaufschaltung durch den Regler schnellere Feld- bzw. Kraftänderungen. Dies wiederum bedeutet, daß kleinere maximale Aussteuerungen notwendig sind, um Spaltstörungen auszugleichen. Die höhere Schnelligkeit des Magneten läßt Einsparungen in den Komponenten des Regelkreises oder auch größere Fahrbahnstörungen bei gleichem Aufwand zu. Die Verwendung von Permanentmagneten ermöglicht eine Reduktion der stationären Schwebeenergie fast bis auf den Wert null, so daß die Größe der Pufferbatterie erheblich verringert werden kann und sich der Energieversorgungsaufwand reduziert.Another feature of the arrangement of the current-carrying coil adjacent to the supporting gap is the low leakage flux and thus a very close coupling with the magnetic field that forms the load-bearing capacity. The Usual coil arrangement sees the horizontal coil axis Return conductor under the horizontal part of the magnetic circuit. The arrangement with a vertical coil axis and the division of the Coil in two units on the legs has a greatly improved Intrinsic stability of the electrical circuit (constant magnetic flux when changing the magnetic resistance) Episode. The smaller leakage inductance results in sudden Road disturbances larger currents and the magnetic carrying flux is kept constant over a long period of time regardless of the gap change. At the same time, when the voltage is applied by the controller faster field or force changes. This again means that smaller maximum levels are necessary, to compensate for gap disorders. The higher speed of the magnet leaves savings in the components of the control loop or else larger road surface disruptions with the same effort. The use of Permanent magnets enable a reduction of the stationary levitation energy almost down to zero, so the size of the backup battery can be significantly reduced and the energy supply expenditure reduced.

Mit geringerem Einsatz an Stellkomponenten mit einer Bordstromversorgung auf geringerem Leistungsniveau läßt sich auch die Zuverlässigkeit des Schwebesystems verbessern. Hinzu kommt, daß der Wegfall der stationären Erregung für die Schwebefunktion auf eine Verringerung des stromführenden Querschnitts der Wicklung führt, so daß die Breite der Magnetfenster stark verringert werden kann. Dies ist wegen der hochgezogenen Permanentmagnete ohne Nachteil für deren Streuverhalten und somit für die Größe der P-Magnete durchführbar. Da außerdem die Tiefe des Fensters gering gehalten werden kann, ist auch der Streufeldanteil der stromführenden Spule klein. Somit wird sowohl im Fahrzeugteil des Magneten als auch im Schienenteil Material gespart. Insbesondere durch den schmalen Schienenanteil ergeben sich hieraus wirtschaftliche Vorteile. Die gewählte streuflußarme Formgebung des Tragteils erlaubt eine gegenüber Biegekräften dennoch steife Form. Es liegen in Längsrichtung des Magneten keine Unterbrechungen vor und die in Richtung der Tragkraft vorhandenen Ansätze tragen sehr zur Vergrößerung des mechanischen Widerstandsmoments gegen Biegung bei. Es lassen sich hierdurch die aus mechanischen Gründen notwendigen Versteifungselemente 6 mit geringem Materialaufwand ausführen, was die Ausführung des Fahrzeugs mit geringer Gesamtmasse begünstigt.With less use of control components with an on-board power supply at a lower power level, the reliability of the levitation system can also be improved. In addition, the elimination of the stationary excitation for the levitation function leads to a reduction in the current-carrying cross section of the winding, so that the width of the magnetic window can be greatly reduced. Because of the raised permanent magnets, this can be done without disadvantage for their scattering behavior and thus for the size of the P magnets. Since the depth of the window can also be kept low, the stray field portion of the current-carrying coil is also small. This saves material both in the vehicle part of the magnet and in the rail part. The narrow rail section in particular results in economic advantages. The selected shape of the supporting part with little stray flux allows a shape which is nevertheless rigid with respect to bending forces. There are no interruptions in the longitudinal direction of the magnet and the lugs present in the direction of the load capacity contribute greatly to increasing the mechanical resistance moment against bending. As a result, the stiffening elements 6 , which are necessary for mechanical reasons, can be made with little material, which favors the design of the vehicle with a low overall mass.

Das bewegliche Polelement 4 ist über eine reibungsarme Linearführung 7 sowie über Feder und Dämpfer mit dem Rumpfteil des Magneten verbunden. Die Feder 8 ist so bemessen, daß sie beim Nennspalt die auf das Element wirkende resultierende Magnetkraft aufnimmt. Der beim Permanentmagnet vorhandene zusätzliche Spalt kann kleiner gewählt werden als der Tragspalt. Soll durch Strombeaufschlagung der Spule eine Verkleinerung des Tragspaltes δ bewirkt werden, so führt dies zu einer Vergrößerung des Spalts δ _M am Magnet und umgekehrt. Der entsprechende Anteil des (sich in ungünstiger Richtung verändernden) magnetischen Widerstandes ist infolge der gewählten Querschnittsverhältnisse jedoch gering. Die für eine kurze Anregelzeit sehr wichtige Reduktion der Masse der beweglichen Polelemente kommt besonders zur Wirkung, wenn die auf sie wirkende Magnetkraft möglichst groß ist. Durch die Querschnittsgebung und die Schrägstellung der Spaltebene (δ _M) wird eine resultierende Kraft von weit über 50% der gesamten magnetischen Tragkraft erzielt. Die bei Aussteuerung der Spule entstehende Kraft auf das bewegliche Polelement ist in der Größenordnung der zu erzielenden Tragkraftanteile. Für eine hohe Beschleunigung des Polelements ist die Differenz zwischen Magnetkraft und Federkraft und die Masse des Polelements von Bedeutung. Große Kraft und kleine Masse ermöglichen eine hohe Stellbeschleunigung bei gegebener Stromaussteuerung. Dies ist bei der gewählten Formgebung sehr günstig. Im Verein mit der streuungsarmen Spule lassen sich durch begrenzte Spulenströme eine hohe Stellbeschleunigung und rasche Korrekturen einer auftretenden Spaltströmung erreichen. Nach einer durch den Regler veranlaßten Veränderung des Tragspalts (auf den ursprünglichen Wert) wirkt über die Feder die veränderte Kraft auf eine entsprechende Lageänderung des Rumpfteils des Tragmagneten gegenüber dem Tragspalt. Der Rumpfteil des Magneten selbst kann über eine weitere Feder mit dem Schwebegestell verbunden sein. In diesem Fall wird über das Koppelelement die Kraft auf das Schwebegestell weitergereicht usw. Es läßt sich bei beweglichen Polelementen jedoch auch eine feste Verbindung des Rumpfmagnets mit dem Schwebegestell realisieren, wenn die Auslenkung der Polelemente ausreichend groß gewählt wird. Wie gezeichnet, ist für die Regelung die Messung oder indirekte Bestimmung des Tragspalts δ die entscheidende Referenzgröße. Hierzu dient z.B. der Spaltsensor Se (Bild 1). Über eine Meßwert-Auswerteinheit (Mikrorechner) MA lassen sich weitere für die Regelung wichtige Zustandsgrößen ableiten. Hierzu können, wie bekannt ist, auch zusätzliche Signale (aus dem elektrischen Kreis und evtl. über weitere Sonden) herangezogen werden. Die so zur Verfügung stehenden Signalspannungen werden dem Regler Re zugeführt. Im Beispiel ist außer dem Spaltsignal δ die erste und zweite zeitliche Ableitung und gebildet worden. Nach Vergleich mit den Sollwerten kann vom Reglerausgang ein Stromsteller V (als Verstärker) angesteuert werden, der seinerseits den Strom der Steuerspule 5 bestimmt. Die Energiequelle B ist so beschaffen, daß sie bei begrenztem Spannungsabfall den maximalen Spulenstrom liefert.The movable pole element 4 is connected to the body part of the magnet via a low-friction linear guide 7 and via spring and damper. The spring 8 is dimensioned such that it absorbs the resulting magnetic force acting on the element at the nominal gap. The additional gap present in the permanent magnet can be chosen smaller than the supporting gap. If a reduction in the supporting gap δ is to be brought about by applying current to the coil, this leads to an increase in the gap δ _M at the magnet and vice versa. However, the corresponding proportion of the magnetic resistance (which changes in an unfavorable direction) is small due to the selected cross-sectional ratios. The reduction in the mass of the movable pole elements, which is very important for a short rise time, is particularly effective when the magnetic force acting on them is as large as possible. Due to the cross-section and the inclination of the gap plane ( δ _M ), a resulting force of well over 50% of the total magnetic load capacity is achieved. The force exerted on the movable pole element when the coil is driven is in the order of magnitude of the load capacity components to be achieved. The difference between magnetic force and spring force and the mass of the pole element are important for high acceleration of the pole element. Large force and small mass enable high positioning acceleration for a given current level. This is very cheap with the chosen shape. In conjunction with the low-scatter coil, limited coil currents can be used to achieve high positioning acceleration and rapid corrections to any gap flow that occurs. After a change in the supporting gap (to the original value) caused by the controller, the changed force acts via the spring on a corresponding change in position of the body part of the supporting magnet in relation to the supporting gap. The fuselage part of the magnet itself can be connected to the floating frame by means of a further spring. In this case, the force is passed on to the floating frame via the coupling element, etc. However, in the case of movable pole elements, a firm connection of the fuselage magnet to the floating frame can also be achieved if the deflection of the pole elements is chosen to be sufficiently large. As shown, the measurement or indirect determination of the supporting gap δ is the decisive reference variable for the control. The Se gap sensor ( Fig. 1) is used for this purpose. Further state variables important for the control can be derived via a measured value evaluation unit (microcomputer) MA . As is known, additional signals (from the electrical circuit and possibly via further probes) can also be used for this. The signal voltages thus available are fed to the controller Re . In the example, the first and second time derivatives and have been formed in addition to the gap signal δ . After comparison with the target values, a current controller V (as amplifier) can be controlled by the controller output, which in turn determines the current of the control coil 5 . The energy source B is designed so that it delivers the maximum coil current with a limited voltage drop.

Die beschriebene Magnetanordnung vereinigt sowohl Vorzüge bezüglich des Aufwandes auf der Fahrwegseite, beschränkt aber auch die fahrzeugseitigen Massenanteile; sie verringert den Umfang der für die Regelung notwendigen Stellglieder und den Energiebedarf für die Schwebefunktion. Die Magnete lassen sich in bekannter Weise auch zur Erzeugung von stellbaren Führkräften durch paarweise gegensinnige Aussteuerung verwenden.The magnet arrangement described combines both advantages in terms of the effort on the guideway side, but also limits the on-board mass fractions; it reduces the scope of those for Regulation necessary actuators and the energy requirement for the Hover function. The magnets can also be used in a known manner Generation of adjustable executives by pairs in opposite directions Use modulation.

Short stator synchronous linear motor with double permanent magnet excitation (DELSYM) and moving poles

Wie bekannt ist, läßt sich die Synchronvariante des Linearmotors bei Verwendung vom Permanentmagneten insbesondere bei doppelseitiger Erregung mit hohen Kraftdichten für gegebene Strombeläge entwerfen.As is known, the synchronous variant of the linear motor can be when using the permanent magnet, especially with double-sided Design excitation with high force densities for given current pads.

Diese Variante eignet sich auch zur Erzeugung stabilisierbarer Normalkräfte, wobei das geregelte Feld durch elektrische Ströme erzeugt und dem Fluß der Permanentmagnete überlagert wird. Hierzu dienen nach bisherigen Vorstellungen sogenannte Steuerspulen, deren Strom nach Messung des Tragspalts durch einen Meßwertgeber und Vergleich mit einem Sollwert und durch Aufschaltung des Differenzsignals auf einen Regler (unter Beachtung zusätzlicher Bedingungen) in der Größe bestimmt wird.This variant is also suitable for generating stabilizable ones Normal forces, the controlled field by electrical currents generated and superimposed on the flow of the permanent magnets. For this According to previous ideas, so-called control coils serve their current after measurement of the supporting gap by a sensor and comparison with a setpoint and through Connection of the differential signal to a controller (taking into account additional conditions) is determined in size.

Die in Bild 2 gezeichnete Konfiguration basiert hinsichtlich der Magnetkreis-Gestaltung auf den Grundsätzen der Anordnung von Bild1.The configuration shown in Figure 2 is based on the principles of the arrangement of Figure 1 with regard to the magnetic circuit design.

Die Schiene besteht aus zwei Teilschienen 1 a und 1 b. Der Rumpfteil des dem Fahrzeug zugehörigen Tragmotors ist Teil 2. Teil 3 bezeichnet die Permanentmagnete, Teil 4 die beweglichen Pole und Teil 5 die Spule zur Erzeugung der Steuerströme zur Stabilisierung des Schwebevorganges. 6 bezeichnet den Magnetträger, 7 die Linearführung, 8 die Feder. Teil 9 bezeichnet das lamellierte Eisenteil des Stators mit Nuten für die mehrphasige Statorwicklung 10. Letztere ist normalerweise über einen Frequenzumrichter gespeist. Im Statorbereich wird die Flußverteilung durch die alternierend wirkenden in Längsrichtung um eine Polteilung versetzten Querverbinder Qa und Qb der Schiene in der Art einer Wechselpolanordnung geführt. Hiermit entsteht eine verhältnismäßig große induzierte Spannung bzw. eine große wirksame Amplitude der magnetischen Flußdichte für die Kraftbildung.The rail consists of two sub-rails 1 a and 1 b . The fuselage part of the vehicle's engine is part 2 . Part 3 designates the permanent magnets, part 4 the movable poles and part 5 the coil for generating the control currents to stabilize the levitation process. 6 denotes the magnetic carrier, 7 the linear guide, 8 the spring. Part 9 designates the laminated iron part of the stator with slots for the multi-phase stator winding 10 . The latter is usually powered by a frequency converter. In the stator area, the flux distribution is guided through the alternating cross connectors Qa and Qb of the rail, which are offset in the longitudinal direction by one pole pitch, in the manner of an alternating pole arrangement . This creates a relatively large induced voltage or a large effective amplitude of the magnetic flux density for the force generation.

Im Vergleich zu Motorentwürfen ohne bewegliche Pole ergibt die hier beschriebene Anordnung ähnlich wie bei der Magnetform nach Bild 1 zahlreiche Vorteile. Diese beruhen insbesondere auf dem günstigen dynamischen Verhalten mit den Folgewirkungen für den Tragenergiebedarf und der Auslegung der Stellglieder im Tragregelkreis. Die Anordnung der Permanentmagnete und der Tragspule führt zu minimalen Streuflüssen, was vorteilhaft für den Massenbedarf und die dynamischen Eigenschaften des Regelkreises ist.Compared to motor designs without movable poles, the arrangement described here, similar to the magnet shape shown in Figure 1, offers numerous advantages. These are based in particular on the favorable dynamic behavior with the consequences for the load energy requirement and the design of the actuators in the load control loop. The arrangement of the permanent magnets and the support coil leads to minimal leakage fluxes, which is advantageous for the mass requirement and the dynamic properties of the control loop.

Die Schienenabmessungen werden wesentlich durch die maximalen Flußdichten und die Abmessungen der zur Unterbringung der Spulen notwendigen Räume (Wicklungen 5 und 10) bestimmt. Hierbei ist die Tragwicklung 5 nach der Größe der maximal auftretenden Durchflutung (Summe aller Ströme) und diese wiederum durch die Art des magnetischen Kreises mit der Form und Dicke der Permanentmagnete und den Spalten δ und δ _m bestimmt. Die Wicklung 5 des Linearmotors kann umso raumsparender dimensioniert werden, je größer die Flußamplitude des Motors ist. Mit ihrer Größe wächst jedoch auch die Breite des Blechpakets 9 und die notwendige Dicke der Schienenansätze Qa, Qb.Eine kleine Abmessung der Nut zur Unterbringung der Wicklungen 5 und 10 ist also hauptsächlich durch günstige Gestaltung des magnetischen Kreises beeinflußbar. Die beschriebenen Möglichkeiten zur Begrenzung der Wicklungsdurchflutung der Tragwicklung 5 trägt wesentlich zur Reduktion von Magnetkreis- und Schienenmasse bei.The rail dimensions are essentially determined by the maximum flux densities and the dimensions of the spaces required for accommodating the coils (windings 5 and 10 ). Here, the support winding 5 is determined according to the size of the maximum flow (total of all currents) and this in turn is determined by the type of magnetic circuit with the shape and thickness of the permanent magnets and the gaps δ and δ _m . The winding 5 of the linear motor can be dimensioned to save space, the larger the flux amplitude of the motor. However, the size of the laminated core 9 and the necessary thickness of the rail attachments Qa, Qb also increase with their size. A small dimension of the groove for accommodating the windings 5 and 10 can therefore be influenced mainly by the favorable design of the magnetic circuit. The described possibilities for limiting the winding throughput of the supporting winding 5 contribute significantly to the reduction of the magnetic circuit and rail mass.

Die beweglichen Pole 4 sind in ihrer Wirkung dadurch nur wenig eingeschränkt, daß im Mittelteil des Motors der Spalt nicht durch ein entsprechendes bewegliches Teil beeinflußt werden kann. Im Mittelteil ist die magnetische Flußdichte in ihrem Größtwert nur etwa 50-60% des Flußdichtewertes, der im Bereich des Tragspaltes (am beweglichen Pol 4) auftritt. Eine schnelle Änderung des Spalts δ unter dem Pol 4 ist für die Stabilisierung der Schwebefunktion von größter Wirksamkeit. Durch die hier erfolgende rasche Spaltänderung entsteht über die (auf geschlossenen Bahnen verlaufenden Feldlinien) auch im Mittelbereich verzögerugsfrei eine entsprechende Normalkraftänderung im Sinne der Stabilisierung.The movable poles 4 are only slightly limited in their effect in that the gap in the central part of the motor cannot be influenced by a corresponding movable part. In the middle part, the magnetic flux density is only about 50-60% of the flux density value that occurs in the area of the supporting gap (at the movable pole 4 ). A rapid change in the gap δ under the pole 4 is extremely effective for stabilizing the levitation function. As a result of the rapid change in the gap here, a corresponding change in the normal force in the sense of stabilization also occurs in the middle area via the field lines running on closed paths.

Die von den Strömen der Wicklung 10 erzeugten Anteile des magnetischen Felds sind in der Lage, die Tragkräfte des Linearmotors zu beeinflussen; sie lassen sich deshalb zur Tragkraftregelung heranziehen. Wie Bild 3 zeigt, ist damit eine Motoranordnung für kombinierte Trag-Vortriebsfunktion ohne Tragwicklung 5 und entsprechend verkleinerten Abmessungen von Schiene und Bordteil des Motors möglich.The portions of the magnetic field generated by the currents of the winding 10 are able to influence the load capacities of the linear motor; they can therefore be used to control the load capacity. As Figure 3 shows, a motor arrangement for a combined support-propulsion function without support winding 5 and correspondingly reduced dimensions of the rail and the on-board part of the motor is possible.

Der Einfluß der Ankerströme auf das magnetische Feld ist mit Hilfe der Bilder 4a-4c dargestellt. Der Anker A mit den stromführenden Nuten Nu und die von den Schienen-Querverbindern Qa und Qb gebildeten Pole sind in der Ebene der Bewegung dargestellt. Eine der in den Nuten Nu liegenden Spulen Sp mit Energieaufbereitung zeigt Bild 5a, eine geeignete Stromform i(t) ist in Bild 5b gezeichnet. Die in Bild 4a angesetzte Verteilung der Ankerströme ist symmetrisch zur Achse der Pollücke (zwischen Qa und Qb); die Ströme in den einzelnen Spulen sind gleich groß angenommen. Wird von Sättigungserscheinungen im Eisen abgesehen und der große Spalt δ berücksichtigt, so kann festgestellt werden, daß in dieser Verteilung die Ankerströme keinen nennenswerten Einfluß auf die Tragkraft haben. Sie bilden jedoch ausnahmslos Vortriebskräfte, da sie unter den Polen sich im magnetischen Feld befinden. Um Verluste zu sparen, ist weiter angenommen, daß die Spulen, die zwischen Qa und Qb im feldfreien Raum liegen, keinen Strom führen. Somit sind von 7 Spulen (Phasen) 5 schubbildend. Jede Phase hat (sh. Bild 5a) ihre eigene Strombereitstellung. Die Verteilung der Ströme nach Bild 4a ist tragkraftneutral.The influence of the armature currents on the magnetic field is shown with the help of Figures 4a-4c. The armature A with the current-carrying grooves Nu and the poles formed by the rail cross connectors Qa and Qb are shown in the plane of the movement. Figure 5a shows one of the coils Sp with energy processing in the grooves Nu , a suitable current form i (t) is shown in Figure 5b. The distribution of the armature currents in Figure 4a is symmetrical to the axis of the pole gap (between Qa and Qb ); the currents in the individual coils are assumed to be the same. If there are no saturation phenomena in the iron and the large gap δ is taken into account, it can be determined that in this distribution the armature currents have no significant influence on the load capacity. However, they all form propulsive forces, since they are located in the magnetic field under the poles. In order to save losses, it is further assumed that the coils which lie between Qa and Qb in the field-free space do not carry any current. This means that 5 out of 7 coils (phases) form thrust. Each phase has its own power supply (see Fig . 5a). The distribution of the currents according to Figure 4a is neutral.

Werden, wie Bild 4b darstellt, die beiden Spulen der Pollücke mit Strom beschickt, so wirkt in den beiden magnetischen Kreisen der Erregerfelder (der P-Magnete) die Erregung R _e = 2 R _N zusätzlich. Sie kann feldverstärkend (wie gezeichnet) oder schwächend wirken. Eine entsprechende Stromform i(t) zeigt Bild 5b. Für die Stromverteilung nach Bild 4a würde i(t) eine Lücke im Verhältnis 2/5 aufweisen. Wie in Bild 5b ebenfalls angedeutet ist, läßt sich wegen der in der Pollücke fehlenden induzierten Spannung der Strom vergrößern. Eine kurzzeitige Erhöhung führt dann zu einer entsprechenden Verstärkung des Feldes und damit der Tragkräfte. Ein Einfluß auf die Vortriebskräfte entsteht indirekt über das (verstärkte) magnetische Feld im Polbereich. Einen weit stärkeren Einfluß auf die Größe des magnetischen Feldes erbringt die Stromverteilung nach Bild 4c. Hier magnetisieren 6 der 7 Phasenströme und verstärken beispielsweise die Flußdichte und die Tragkraft. Gegenüber Bild 4b ist die Stromverteilung gegen die Pole verschoben. Dies ist gleichbedeutend mit einer zeitlichen Verschiebung (Phasenverschiebung) um 2/7 · π im Vergleich zu Bild 4b für die Ströme der 7 Phasen. Magnetisierend wirkende Stromanteile entsprechend Bild 4b und 4c analog den in den Tragspulen 5 fließenden Strömen. Wie diese verlaufen auch die magnetisierenden Ankerströme im Wicklungsraum zwischen Polteil 4 und dem Blechpaket 9 in Abschnitten von Polteilungslänge gleichgerichtet. Die gegensinnige Stromrichtung gehört zu Spulen, die auf der anderen Motorseite magnetisieren.If, as shown in Figure 4b, the two coils of the pole gap are supplied with current, the excitation R _e = 2 R _N also acts in the two magnetic circuits of the excitation fields (the P magnets). It can have a field-enhancing (as drawn) or weakening effect. A corresponding current form i (t) is shown in Figure 5b. For the current distribution according to Figure 4a, i (t) would have a gap in the ratio 2/5. As also indicated in Figure 5b, the current can be increased due to the induced voltage missing in the pole gap. A brief increase then leads to a corresponding strengthening of the field and thus the load capacities. An influence on the propulsive forces occurs indirectly via the (amplified) magnetic field in the pole area. The current distribution according to Figure 4c has a much stronger influence on the size of the magnetic field. Here 6 of the 7 phase currents magnetize and increase, for example, the flux density and the load capacity. Compared to Figure 4b, the current distribution is shifted towards the poles. This is equivalent to a time shift (phase shift) by 2/7 · π compared to Figure 4b for the currents of the 7 phases. Magnetizing current components acting according to Figure 4b and 4c, analogous to the current flowing in the coil support 5 flows. Like these, the magnetizing armature currents in the winding space between the pole part 4 and the laminated core 9 run in the same direction in sections of pole pitch length. The opposite direction of current belongs to coils that magnetize on the other side of the motor.

Mit den in Bild 5a gezeichneten Wechselrichtern lassen sich voraussetzungsgemäß sowohl die Stromform der einzelnen Ströme (Größe und Abhängigkeit von der Zeit) als auch die Phasenlage der Ströme insgesamt (gegenüber den Polen der Schiene) einstellen. Diese Eingriffe sind verzögerungsarm durchführbar. Die Spannungsreserve und der Kommutierungsverlauf haben Einfluß auf die Stelldynamik.With the inverters shown in Figure 5a, both the current shape of the individual currents (size and dependence on time) and the overall phase position of the currents (compared to the poles of the rail) can be set. These interventions can be carried out with little delay. The voltage reserve and the commutation process have an influence on the positioning dynamics.

Stelleingriffe entsprechend Bild 4b und 4c bedingen kleinere oder größere Veränderungen der Schubkraft. Da die Tragkraftregelung an einem Fahrzeug mit vielen Trag-Stützstellen (Motor-Einheiten) mit selbständiger Tragregelung besteht, heben sich die Schubkraftstörungen insgesamt auf. Es soll erwähnt werden, daß innerhalb einer Motoreinheit die Spulen unterschiedlicher Polpaare parallel oder in Reihe geschaltet werden, so daß die Zahl der Wechselrichter gleich der Zahl der selbständigen Phasen (z.B. 7 in den Bildern 4a-4c). Da größere Polteilungen zweckmäßig sind, um die Durchflutung R _e zu steigern, kommen auch Wicklungen mit mehreren Spulen je Phase in Frage (gezeichnet 1 Spule je Phase).Control actions according to Figure 4b and 4c cause minor or major changes in thrust. Since the load capacity control exists on a vehicle with many support points (motor units) with independent load control, the shear force disturbances cancel each other out. It should be mentioned that within a motor unit the coils of different pole pairs are connected in parallel or in series, so that the number of inverters is equal to the number of independent phases (eg 7 in Figures 4a-4c). Since larger pole pitches are expedient to increase the flux R _e , windings with several coils per phase can also be used (drawn 1 coil per phase).

Es ist allerdings erforderlich, die Phasenzahl deutlich höher als 3 zu wählen, wenn Stelleingriffe analog zu Bild 4b mit R _e- Regelung(in der Pollücke) durchgeführt werden sollen.However, it is necessary to choose a phase number significantly higher than 3 if control interventions are to be carried out analogously to Figure 4b with R _e control (in the pole gap).

Die hier beschriebene Regelung der beiden Funktionen Tragkraft und Vortriebskraft über nur eine (mehrphasige) Wicklung mit einem Energie-Aufbereitungssystem (mehrphasiger Wechselrichter) stellen eine starke Vereinfachung dar. Die im Vergleich der Bilder 2 und 3 deutlich werdenden geringeren Massen infolge der Einsparung der Tragwicklung 5 haben hinsichtlich Kosten der Schiene und Massenanteile von Fahrzeugkomponenten sehr günstige Auswirkungen für eine wirtschaftliche Systemgestaltung. The regulation of the two functions payload and propulsion force described here on only one (multi-phase) winding with a power conditioning system (multi-phase inverter) represent an oversimplification. The clearly becoming lower masses due to the reduction of the carrying winding 5 in the comparison of the images 2 and 3 have very favorable effects on economical system design with regard to rail costs and mass fractions of vehicle components.

Auch in der Anordnung der Trag-Vortriebskomponenten nach Bild 3 ist zusätzlich die Erzeugung von seitlich wirkenden Führkräften dadurch möglich, daß 2 Trag-Vortriebseinheiten bezüglich der Schiene versetzt angeordnet und bei gemeinsam konstanter Tragkraft gegensinnig auch die Magnetisierungsströme beaufschlagt werden. Hierdurch können Funktionselemente nach Bild 3 (ähnlich wie das angetriebene Rad, allerdings im Gegensatz zum Rad berührungslos) die drei Kraftkomponenten für Tragen, Führen und Vortrieb (bzw. Bremsen) übertragen. Die Anwendung der Permanentmagnete ermöglicht bezüglich Tragen eine weitgehend leistungslose Krafterzeugung. Magnet- und Regelkreis in Kombination mit beweglichen Polelementen lassen ein dynamisch hochwertiges Folgeverhalten (Magnetteil der Schiene) bei kleinstem Energiebedarf für die Regelung zu.Also in the arrangement of the supporting jacking components according to Figure 3, the generation of laterally acting guiding forces is additionally possible in that two supporting jacking units are arranged offset with respect to the rail and the magnetizing currents are acted upon in opposite directions if the jointing force remains constant. In this way, functional elements according to Figure 3 (similar to the driven wheel, but in contrast to the wheel without contact) can transmit the three force components for carrying, guiding and propelling (or braking). The use of permanent magnets enables largely no power to be generated when worn. Magnetic and control circuit in combination with movable pole elements allow a dynamic high-quality follow-up behavior (magnetic part of the rail) with the smallest energy requirement for the control.

Claims

1.Magnet carrying and carrying propulsion arrangements with a ferromagnetic rail and a functional element which provides the magnetization and is attached to the vehicle in its magnetic circuit. Permanent magnets have a basic excitation and a coil system which leads to the necessary dynamic excitation components for stabilization, which in conjunction with a control circuit (which Size of the gap compared to the rail used as the primary reference signal), the permanent magnets have a cross-section at least twice as large as the pole face of the rail and movable pole elements are used, which are supported by springs and dampers on the fuselage magnet, characterized in that the top edge of the P-magnets extends to the vicinity of the upper edge of the winding window receiving the coil, is inclined at an angle (at an angle greater than 20 °) to the rail and the coil axis of the control coils is perpendicular to the rail plane .

2. Magnet-supporting and supporting propulsion assemblies according to claim 1, characterized in that the movable pole part upwards the cross-sectional area of the rail is adapted downwards to the cross-section of the P-magnet and has a gap δ _M which is smaller than this at nominal conditions is as the rail gap δ .

3. Trag-jacking arrangement with P-magnet and movable pole elements according to claim 1 and 2, characterized in that the rail alternately arranged cross connector Qa, Qb and the fuselage part of the magnet in the middle has a laminated core with multi-phase winding accommodated in slots, which with speed-appropriate Frequencies is fed.

4. Trag-jacking arrangement according to claim 3, characterized in that the load capacity control is carried out by the armature winding designed as a multi-phase winding with the aid of the coil currents assigned to the pole gap (corresponding to Figure 4b).

5. Trag-jacking arrangement according to claim 3 and 4, characterized in that for large field modulations by pole gap currents and a (further) phase shift ( Figure 4c) there is a load capacity stabilization.

6. supporting jacking arrangement according to the above claims, characterized, that two units are laterally offset, to constant ones Load capacity with opposite field control for lateral force control be used.