DE4114706C1 - Combined magnet and rail system for magnetically levitated vehicle - uses magnetic forces between soft iron poles providing magnetic levitation force which is stabilised via regulating circuit and current coil - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Magnet- und Schienen­ anordnung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruches 1.

Eine solche Anordnung ist aus der DE-OS 26 14 883 bekannt.

Zahlreiche Vorschläge zur Verbesserung der Trag- und Führ­ technik sind darauf gerichtet, durch Heranziehung von Per­ manentmagneten die Nachteile einer rein elektromagnetischen Aufhängung zu überwinden. Insbesondere für die Anwendung der Schwebetechnik bei Fahrzeugen sind Fragen der Verlust­ vermeidung für die Erzeugung des magnetischen Feldes, der schnellen Regelbarkeit zur Erzielung eines guten Folgever­ haltens (des Magneten gegenüber der Fahrbahn) sowie eine günstige konfiguratorische Anordnung von Magnet und Schiene von besonderer Bedeutung. Weiter ist ein ausreichendes Ver­ hältnis von Seitenkraft zu Tragkraft bei kombinierten Tragführanordnungen sicherzustellen. Der Quotient Tragkraft zu Magnetgewicht ist dabei ein Maß für die Güte der Trag­ konzeption. Wesentlich beeinflußt wird die Tragkraft durch die Führung des magnetischen Feldes, den Anteil der nicht zur Kraftbildung beitragenden Feldkomponenten im Zu­ sammenhang mit der geometrischen Anordnung der Schienen.

Für kombinierte Trag-Führanordnungen kann die Querschnitts­ konfiguration von Magnet und Schiene so gewählt werden, daß in einer Richtung stabilisierend wirkende Rückstellkräfte ausreichender Größe erzeugt werden. Letztere lassen sich entweder zur Tragkraft- oder zur Seitenkraftbildung ein­ setzen (DE-OS 37 19 587 oder DE-OS 26 14 883). Die hier zu beschreibende Anordnung macht von der letzteren Möglichkeit Gebrauch und verwendet zur Verlustminimierung Permanent­ magnete, so daß stromführenden Spulen die Aufgabe zuge­ wiesen ist, mit Hilfe einer Regelung die bei Störungen stabilisierend wirkenden Feldkomponenten zu erzeugen.

Ausgehend von diesem St. d. T. liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde den Magneten, der aus dem Permanentmagnet, der Spule und den Flußführelementen zusammengesetzt ist, so mit einer Schienenanordnung zu kombinieren, daß in vertikaler Richtung die Magnetanordnung sehr wenig Platz beansprucht, daß ein günstiges Verhältnis Tragkraft/Magnetgewicht er­ reicht wird und preisgünstige Dauermagnete verwendet werden können. Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die kenn­ zeichnenden Merkmale des Anspruches 1. Die so ent­ sprechende, insgesamt sehr flache Ausführungsform des Magnetquerschnitts soll ermöglichen, daß auch die Schienenanordnung in vertikaler Richtung wenig Raum beansprucht und somit günstig in eine flach ausgeführte Fahrbahn integriert werden kann. Ein Umgreifen der Fahrbahn als Ganzes oder eine U-förmig ausgeführte Fahrbahn mit seitlich angebrachten Trag-Führelementen kann so umgangen werden. Es besteht somit die Zielsetzung durch eine flach ausgeführte Magnet/Schienenanordnung auch eine einfache bodengestützte Fahrbahnvariante zu ermöglichen und die bekannten komplizierteren Fahrbahngeometrien, die auch höhere Kosten bedingen, zu vermeiden.

Die Konzeption einer bauhöhenbeschränkten Magnet-/Schienen­ anordnung wird durch die Merkmale der Schutzansprüche sowie die nachfolgende Beschreibung dargelegt. Ein Weg zur Aus­ führung der Erfindung wird weiter anhand von mehreren Zeichnungen erläutert.

Fig. 1 Schemadarstellung einer weitgehend bekannten Ma­ gnet-/Schienenanordnung mit zwei C-Schienen, Ma­ gnete senkrecht stehend;

Fig. 2 Schemadarstellung einer erfindungsgemäßen Magnet­ /Schienenanordnung mit waagerechtem Magnet und Stromkreis;

Fig. 3 Schemadarstellung der Verbindung zwischen Trag- Führmagnet und Fahrzeug;

Fig. 4 Schemadarstellung der Fahrwegausbildung;

Fig. 5 Waagerechte Magnetanordnung mit Sammler für einen ringförmigen Schwungmassenspeicher.

Die Anwendung von Permanentmagneten zur Erregung des magne­ tischen Flußanteils, der die Tragkräfte für normale Schwe­ bebedingungen erzeugt, bewirkt die angestrebte starke Re­ duktion der für den Schwebevorgang benötigten Leistung. Gleichzeitig wird für die Bemessung des Leistungsstellglie­ des eine Verringerung der Bauleistung sowie eine Verbesse­ rung der dynamischen Regelbedingungen erzielt. Wichtig ist dabei, daß beim Einsatz von Permanentmagneten günstige Vor­ aussetzungen zur Begrenzung der Streufeldanteile bestehen. Im Zusammenhang hiermit steht die Wahl der Querschnittsgeo­ metrie, die ihrerseits auch Einfluß auf die Bauhöhe des Ma­ gneten und die Zweckmäßigkeit der Schienenanordnung hat. Gegenüber bisherigen Vorschlägen und bekanntgewordenen Querschnittsgeometrien wird die gestellte Aufgabe hier durch einen verbesserten Ansatz für die Magnet-/Schienen­ geometrie gelöst. Es werden insgesamt vier Magnetfeld-Teil­ pole in die Magnet-/Schienenanordnung einbezogen. Zur Er­ zielung ausreichend großer Tragkräfte wird die im Spalt δ entstehende Normalkomponente des magnetischen Feldes zum Einsatz für die Tragkraftbildung gebracht, z. B. Fig. 1. Die Kanteneffekte, die bei Verschiebung des Magneten M aus der Mittellage gegenüber den Schienen Sn die Seitenkräfte bil­ den, sind durch die vorhandene Zahl der Kanten (insgesamt 8 bei 4 Polen) ebenfalls ausreichend wirkungsvoll. Durch die Sammleranordnung mit der Breite b_E des Weicheisenpols PE am Spalt, die deutlich geringer als die anteilige Permanentma­ gnetbreite b_M ist, ergibt sich auch bei Verwendung von Per­ manentmagneten mit Remanenzinduktionen von 0,4 T (wie z. B. Ferrit-Material) eine Luftspaltinduktion nahe 1,0 T.

Fig. 1 stellt eine mögliche Anordnung dar, die hinsichtlich Spulenausführung mit Hin- und Rückleiter L1, L2 in je einem Magnet, Kantenzahl (der Teilpole) und Sammlerform des Per­ manentmagneten den gestellten Bedingungen entspricht und als konfiguratorisch naheliegend angesehen werden kann. Sie weist allerdings noch den Nachteil auf, daß sie durch die Magnetgestaltung in Sammlerform zu einer großen vertikalen Bauhöhe und damit auch zu einer ungünstigen Fahrweggestal­ tung beiträgt. Die Unterkante Magnet liegt verhältnismäßig tief gegenüber der Oberkante der Fahrbahn (Bauhöhe h_t). Nachteilig ist auch, daß am unteren Magnetende verhältnis­ mäßig große Streuflußkomponenten auftreten, deren Berücksichtigung ihrerseits die Bauhöhe des Magneten ver­ größert. So entsteht auch ein gegenüber dem erreichbaren Optimum weniger günstiges Verhältnis von Tragkraft zu Ma­ gnetgewicht.

Deutlich günstiger erscheint die erfindungsgemäße Quer­ schnittsanordnung nach Fig. 2. Im Vergleich zu Fig. 1 sind die beiden Magnetteile um 90° gedreht und zusammengefügt. Streuflußanteile werden somit (im Mittelbereich) vermieden.

Dies reduziert die Breite der Gesamtanordnung und die Menge des Magnetmaterials zur Erzielung gleicher Tragkraft. Der mechanische Verbund wird beim Magnet direkt durch die fluß­ führenden, aus Eisen bestehenden Deckplatten PE1 und PE2 ermöglicht.

Durch die Ausbildung nach oben weisender Polansätze PA1 und PA2 wird auch hier erreicht, daß die Normalkomponente des Feldes tragkraftbildend wirkt. Ungleich lang ausgebildete Schenkel der Trag-Führschiene Sn und annähernd gleich lange vertikale Polansätze PA am Magneten sind zur Reduktion des Streuflusses zweckmäßig. Das Minimum der Höhe der Polan­ sätze folgt aus der Bedingung, daß der magnetische Fluß möglichst vollständig in die dafür vorgesehene Polfläche Eintritt. Dies kann erreicht werden, wenn die PA-Höhe min­ destens gleich der Luftspaltlänge δ ist. Die Bauhöhe h_t kann so gegenüber Fig. 1 drastisch reduziert werden. Sie ist deutlich geringer als die Magnetausdehnung in horizon­ taler Richtung.

Eine so ausgebildete Magnet-/Schienenanordnung weist die für die Fahrbahn besonders wichtigen Vorteile einer kosten­ günstigen Ausführung bei beliebiger Ausbildung des Fahr­ bahnträgers und die gewünschte Anwendungsfreizügigkeit z. B. der Fahrbahnverlegung auf bereits vorhandenen Trassen auf. Gleichzeitig wird eine so gestaltete Magnet -/Schienenanordnung den Wünschen der Systemgestalter ge­ recht, sich flexibel an unterschiedliche Gewichtsforderun­ gen für die Fahrzeuge anpassen zu lassen. Durch die Anwen­ dung von Ferrit-Magneten kann der Kostenanteil für die schwebetechnische Ausrüstung der Fahrzeuge im Vergleich zu Hochenergiemagneten drastisch gesenkt werden. Die Vorteile der Anwendung geregelter Permanentmagnete werden auf diese Weise besonders deutlich sichtbar.

In Fig. 2 ist die Energiezufuhr über den Stromkreis zur Spule L1, L2 des Magneten gezeichnet, die über einen Stel­ ler St aus einer Energiequelle E vorgenommen wird. Die Aus­ steuerung des Stellers über einen Regler R′ der Spaltab­ weichungen durch ein Sensorelement S und den Vergleich ge­ genüber dem Nennspalt δ berücksichtigt, bestimmt die für die Spule wirksame Spannung, die ihrerseits (unter Berück­ sichtigung von ohmschen Widerstand und Induktivität) den Strom der Spule bestimmt. Diese Spaltregelung entspricht prinzipiell den bekannten Anordnungen und erfüllt auch die bei seitlicher Verschiebung zu berücksichtigende Bedingung, daß durch den Spulenstrom die Tragkraft zur Spaltregelung nachgestellt wird. Da die Spule des Trag-Führmagneten im Vergleich zu einem Elektromagnet mit geringerem Querschnitt ausgelegt wird, kann ihre Induktivität klein gehalten wer­ den, was zur Verbesserung des dynamischen Verhaltens bei­ trägt. Die notwendige größte Stellerleistung folgt bei ge­ gebenem Spulenquerschnitt aus der Magnetisierungsleistung, die sich zum Abheben des Magnets bei anliegenden Polflächen von Magnet und Schiene (aus dem Ruhezustand) ergibt.

Die in Fig. 3 dargestellte Anordnung weist auf die Verbin­ dung zwischen Trag-Führmagnet und Fahrzeug hin. Da jede Fahrzeugseite in ihrer Trag- und Führfunktion autark, d. h. von der anderen Fahrzeugseite unabhängig ist, erscheint eine Anordnung der beschriebenen Art besonders geeignet für die Ausbildung einer Anzahl selbständiger Stützelemente, die einer Einzelradstützung bei Fahrzeugen entspricht. Die Anbindung an das Fahrzeugunterteil kann dabei in unter­ schiedlicher Weise erfolgen. Die regelungstechnische Ent­ kopplung einzelner Magneteinheiten erfordert eine Anbindung der Magnete über elastische Elemente. Fig. 3 weist auf die Notwendigkeit einer Führung der Magnete in vertikaler und seitlicher Richtung hin. Diese Führung kann durch unter­ schiedliche technische Mittel (Parallelführung PF wie ge­ zeichnet, Linearführung LF z. B. horizontal o. ä.) erfolgen. Je nachdem, ob nur eine oder mehrere Federebenen in einer Richtung angesetzt werden, ergeben sich unterschiedliche Bedingungen für die Wahl der Steifigkeit bzw. der Eigenfre­ quenzen der Federelemente. In Fig. 3 sind z. B. die Federn F1 und F2 vertikal und F3 horizontal vorgesehen. Bei der angesprochenen Einzelmagnetanbindung ist der bei Kurven­ fahrten auftretende maximale seitliche Verschiebeweg zu be­ rücksichtigen. Die Anwendung von mehreren Schwebe- bzw. Drehgestellen je Fahrzeug verringert die maximale Seiten­ verschiebung. Mit den Kopplungselementen in Verbindung las­ sen sich Maßnahmen zur Roll- und Nickstabilisierung mit den in der Fahrzeugtechnik bekannten Mitteln heranziehen. Ma­ gnetausführung und Magnetanbindung an das Fahrzeug lassen sich im vorliegenden Fall zu einer insgesamt einfachen Fahrzeuggestaltung kombinieren. Es kann eine sehr kleine Bauhöhe (für Fahrzeug und Fahrbahn) im Vergleich zu anderen bekannten Anordnungen erzielt werden.

Fig. 4 stellt eine Fahrwegausbildung dar, die im Zusammen­ wirken mit der beschriebenen Magnetkonfiguration einsetzbar ist.

Die oben beschriebenen Maßnahmen zur Ausbildung von Ma­ gneten und Schienen mit dem Ziel einer möglichst geringen Bauhöhe und einem günstigen Verhältnis von Tragkraft zu Ma­ gnetgewicht, auch bei Anwendung von Ferrit-Magneten, ist nicht allein auf die Anwendung bei Fahrzeugen der Verkehrs­ technik beschränkt. Auch bei rotierenden Körpern, etwa ringförmigen Massespeichern, bietet die Magnetfeldstützung große Vorteile (vgl. auch DE-OS 37 19 587, Fig. 3a, 3b). Sie ist für die Ausführbarkeit von Massenspeichern und deren reibungsfreiem Betrieb eine Vorbedingung, wenn diese Körper eine bestimmte Größe (Durchmesser) erreichen sollen. Der Raumbedarf für die Magnetanordnung und der Material­ aufwand für die Magnete stellen aus wirtschaftlicher Sicht einen konstruktionsentscheidenden Faktor dar und sind be­ deutungsvoll.

In Fig. 5 wurde ähnlich wie bei der Anordnung nach Fig. 2 eine Sammleranordnung für die Ausbildung der Magnete ge­ wählt und eine waagerechte Magnetanordnung M mit einer zu Fig. 2 analogen Ausbildung der den Spaltbereich bildenden Polansätze verwendet. Schiene und Erregerteil vertauschen allerdings ihre Rollen. Um den ringförmigen Rotationskörper R, der um eine vertikale Achse (rechts der gezeichneten An­ ordnung) rotiert, mit möglichst geringer Zusatzmasse zu be­ frachten, werden dort die passiven Schienenelemente Sn ringförmig so angeordnet, daß eine Fliehkraftabstützung durch das Fasermaterial des Schwungrings R gegeben ist. Fig. 5 zeigt zwei Stützmagnete M, die am oberen Teil des Ringprofils die Stützfunktion versehen. Die Magnete sind hierbei einseitig wirkend eingesetzt, entsprechen aber im übrigen den bei Fig. 2 dargestellten Merkmalen (vertikale Polansätze). So lassen sich je cm Ringhöhe verhältnismäßig hohe Tragkräfte erzielen, die einem günstigen Verhältnis Ringmasse zu Magnetmasse entsprechen. In radialer Richtung bewirkt der Kanteneffekt eine Stabilisierung des schweben­ den Rings. Wenn keine Maßnahmen für den Versatz der Erre­ gerteile gegenüber den Schienen vorgesehen sind, kann eine zusätzliche Anordnung eines radialwirkenden Magneten zur Stabilisierung der radialen Lage und dem Aufbringen der Dämpfung nützlich sein. Die Magnetstützung eines Schwung­ massenspeichers kann auf diese Weise den Forderungen nach raumsparender und massearmer Anordnung sowie der Wirt­ schaftlichkeit angepaßt werden. Den bei hoher Umfangsge­ schwindigkeit auftretenden Dehnungsproblemen wird gegebe­ nenfalls durch eine geschwindigkeitsabhängige Positionie­ rung der Erregerteile in radialer Richtung entsprochen.

Claims (5)

1. Magnet- und Schienenanordnung zur Übertragung von magnetischen Kräften zwischen Weicheisenpolen zur Erzeugung einer durch einen Regelkreis und einer stromführenden Spule stabilisierten Tragkraft und sich frei einstellender seitlicher Rückstellkräfte mit einer Erregung des magnetischen Feldes durch Permanentmagnete mit Flußführung in Weicheisenteilen zum Tragspalt, wobei der flußführende Querschnitt am Tragspalt um mehr als einen Faktor 2 kleiner ist als der Querschnitt des Permanentmagneten und einer Schienenanordnung, die aus Weicheisen-Profilstahl besteht, dessen Dicke etwa der Dicke der Weicheisenelemente des Magneten entspricht, dadurch gekennzeichnet, daß die Weicheisenelemente des Magneten (M) Polansätze (PA, PA1, PA2) besitzen, die um etwa 90° abgewinkelt sind und in ihrer Länge mindestens der Luftspaltlänge (δ) entsprechen und die den Magnetkreis vervollständigende Schiene (Sn) im wesentlichen rechtwinklig mit ungleichen Schenkellängen in vertikaler Richtung ausgeführt ist.

2. Magnet- und Schienenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Seiten der Magnetanordnung (Fig. 2) oder zwei übereinander angeordnete Magnete (Fig. 5) durch die beiden Spulenseiten (L1, L2) einer Spule stabilisiert werden.

3. Magnet- und Schienenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Magneteinheit mit zwei Schienen (Sn) zusammenwirkt und die Trag- und Führkräfte durch Federn (F1, F2) und Dämpferelemente unabhängig von der gegenüberliegenden Fahrzeugseite auf das Fahrzeug übertragen werden.

4. Magnet- und Schienenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schienenanordnung (Sn) auf der Oberseite einer flach ausgeführten Fahrbahn montiert und so ausgeführt ist, daß die Bauhöhe (h_t, Fig. 2, Fig. 3) kleiner ist als die Breite der Magnet- und Schienenanordnung.

5. Magnet- und Schienenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetanordnung feststehend und kreisförmig in Segmenten ausgeführt ist und die Schienenanordnung mit entsprechender Geometrie auf der oberen Innenseite eines rotierenden Schwungrings (R) angeordnet ist und dieser durch die magnetischen Kräfte geführt wird (Fig. 5).