DE69419410T2

DE69419410T2 - Magnetische trag- und vortriebsvorrichtung mit permanentmagneten und verschachteltem eisen oder stahl

Info

Publication number: DE69419410T2
Application number: DE69419410T
Authority: DE
Inventors: Elberto Berdut
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-04-14
Filing date: 1994-04-13
Publication date: 1999-10-28
Anticipated expiration: 2014-04-14
Also published as: EP0693999A4; BR9405920A; ATE181885T1; US5452663A; US5615618A; DE69419410D1; ES2133558T3; EP0693999A1; JPH08509353A; US5586505A; WO1994023965A1; EP0693999B1; DK0693999T3

Description

Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein bewegliches Fahrzeug, wie zum Beispiel einen Zug, der eine Vielzahl von magnetischen Einheiten verwendet, von denen jede eine Vielzahl von Permanentmagneten und dazwischenliegende Eisen- oder Stahlbauteile enthält, um einen Schwebezustand zu erzeugen und als Linear- oder Rotationsmotor zu wirken. Spezieller bezieht sich die vorliegende Erfindung auf einen schwebend gehaltenen Zug, der solche Magneteinheiten verwendet, welche ausgestaltet sind, sich gegenseitig abzustoßen oder anzuziehen und somit den Zug von einem Fahrweg abheben, während er in Querrichtung abstützend gehalten wird. Spezieller bezieht sich die vorliegende Erfindung auf einen schwebend gehaltenen Zug, der solche Magneteinheiten als eine Basis für einen Linearmotor für den Vortrieb des Zuges verwendet. Noch spezieller bezieht sich die vorliegende Erfindung auf die Magneteinheiten selbst, wobei jede eine Vielzahl von Permanent-Keramik-Magneten oder von Ferro-Magneten umfaßt, die zwischen zugehörigen Blechen aus schmiedbaren Stahl oder schmiedbaren oder geformten Eisen angeordnet sind.

Beschreibung des Standes der Technik

Im US-Patent Nr. 3,791,309, erteilt an Baermann, wurde erkannt, daß es bekannt ist, Fahrzeuge, wie zum Beispiel Züge, entlang einer Tragleitung oder eines Fahrweges mittels Luftkissen oder entlang eines Fahrweges aus einem magnetisch anziehenden Materi al schweben zu lassen. Bei einem solchen Fahrzeug hat das Fahrzeug Elektromagnete, die daran befestigt sind und das Fahrzeug wird bezüglich des Fahrweges durch Ausnutzung der Anziehungskräfte zwischen den Elektromagneten und dem Fahrweg im Schwebezustand gehalten. Es sind einige Einrichtungen zur Aufrechterhaltung eines Luftspaltes zwischen den Elektromagneten und dem Fahrweg vorgesehen. Eine solche Anordnung erfordert jedoch eine relativ hohe Energiemenge, um die Magnete zu erregen, um die erforderlichen starken Magnetkräfte zu erreichen.
Baermann hat auch erkannt, daß die Nutzung der Supraleitfähigkeit für diesen Zweck untersucht wurde. Diese Anwendung leidet jedoch unter der Schwierigkeit, die niedrigen Temperaturen, die für die Supraleitfähigkeit erforderlich sind, über den gesamten Fahrweg aufrechtzuerhalten.
Baermann hat daher ein magnetisches Schwebesystem vorgeschlagen, das Elektromagnete verwendet, die in einer Abstoßungskraftanordnung mit Halteanordnungen für das Fahrzeug in Querrichtung angebracht sind. Es bleibt jedoch ein Problem, nämlich die Notwendigkeit der Stromzuführung zu solchen Elektromagneten zu vermeiden. Daher sieht Baermann Haupt-Permanentmagnete und zusätzliche Permanentmagnete vor, welche die Räume zwischen den Hauptmagneten überbrücken, die gleichnamige Pole haben, welche gleichnamigen Polen gegenüberliegen, wodurch die zur Verfügung stehenden Schwebekräfte erhöht werden.
In dem US-Patent Nr. 4,148,260, erteilt an Minovitsch, wird die Verwendung von mauersteinförmigen Keramik-Ferritmagneten offenbart, die Ende-an-Ende entlang einem Stahlkanal angeordnet sind, mit einer gleichen Gruppierung gegenüberliegend dazu. Dadurch wird eine Kraftlinienstreuung ausgeschaltet, während Querstabilität und eine erhöhte Abstoßungskraft zur Verfügung gestellt werden.
US-A-4,641,065 offenbart einen Drehspulen-Linearmotor, der eine Schiene mit im allgemeinen U-förmigen Querschnitten und Perma nentmagnete in Form flacher Platten umfaßt, die in Richtung der Dicke magnetisiert sind und an einer Innenseite der Schienen wechselnde Polaritäten der Magnetpole bezüglich den nächstfolgenden aufweisen. Ein Spulenpaar ist den Permanentmagneten gegenüberliegend in der Schiene angeordnet. An den jeweiligen Spulen sind Abnehmer vorgesehen und eine Zuführungsanordnung, angebracht an einer Innenseite der Schiene, führt den Spulen über die Abnehmer nur dann elektrischen Strom zu, wenn die jeweils aktiven Teile der Spulen sich vollständig in dem magnetischen Fluß der gleichen Richtung befinden. Die Permanentmagnete sind Keramik-Magnete oder Ferro-Magnete.
Es bleibt jedoch nach wie vor ein Problem, die Permanentmagnetsysteme effektiv für das Schweben zu nutzen und einfache Propulsionseinrichtungen für solche Schwebesysteme zur Verfügung zu stellen.
Weiterhin ist nach wie vor ein Problem, einen Basis-Keramik- Magnet als Baublock für die Schwebesysteme zur Verfügung zu stellen, welcher keine Elektromagnete erfordert.
Diese und andere Mängel des Standes der Technik werden aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung der vorliegenden Erfindung ersichtlich.

Kurze Zusammenfassung der Erfindung

Es ist eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Magneteinheit zur Verfügung zu stellen, die für das Halten eines Fahrzeuges, wie zum Beispiel eines Zuges, im schwebenden Zustand geeignet ist, wobei die Einheit Permanentmagnete, wie Keramik- oder Ferro-Magnete verwendet.
Es ist eine andere Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, eine solche Magneteinheit zur Verfügung zu stellen, die eine Vielzahl von Permanentmagneten, wie Keramik- oder Ferro-Magnete verwendet, die individuell schmiedbaren Stahl oder schmiedbares oder geformtes Eisen zwischen den Magneten verwenden, wobei eine Vielzahl solcher Magneteinheiten mit solchen dazwischenliegenden, magnetisch permeablen Bauteilen verbunden sind.
Es ist eine andere Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, solche Magneteinheiten an den gegenüberliegenden Bereichen eines Haltebauteils für einen Zug und an einem Haltebauteil an einem Fahrwegsystem zu verwenden, wobei die Anordnung so gestaltet ist, daß sie sich steuerbar gegenseitig anziehen und dadurch den Schwebezustand des Zuges bezüglich der Fahrweges bewirken.
Es ist noch eine andere Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, solche Magneteinheiten in einem Linearmotor zu verwenden, der an dem festen Bereich des Fahrweges Kommutatoren hat und einen an dem Zug befestigten, bewegbaren Kern aufweist.
Die Erfindung bezieht sich auf eine Magneteinheit, wie sie in Patentanspruch 1 beansprucht ist und auf einen Motor, wie er in Patentanspruch 13 beansprucht ist.
Ein Hauptmerkmal der Erfindung bezieht sich auf eine Magneteinheit mit einer Vielzahl von Gruppen von Permanentmagneten, wie Keramik- oder Ferro-Magnete, angeordnet Seite an Seite, wobei jede Vielzahl von einer benachbarten Vielzahl durch ein magnetisch permeables Bauteil, wie zum Beispiel ein schmiedbares Stahlbauteil oder ein schmiedbares oder geformtes Eisenbauteil getrennt ist, um die magnetischen Kraftflußlinien zu konzentrieren. Vorzugsweise ist auch jeder der Keramik-Magnete innerhalb einer Gruppe durch ein dazwischenliegendes Blech aus schmiedbarem Stahl getrennt. Eine solche Vielzahl von Gruppen von Keramik-Magneten ist untereinander und mit einem Haltebauteil durch Befestigungsbauteile befestigt und von dem Haltebauteil durch ein nicht-magnetisches Bauteil, wie zum Beispiel eine Nichteisen-Platte getrennt. Eine zweite Vielzahl von Gruppen von Permanentmagneten, wie zum Beispiel Keramik- oder Ferro-Magnete, ist benachbart zu der ersten Vielzahl solcher Gruppen von Keramik- Magneten angeordnet, wobei gleiche oder entgegengesetzte Pole der Magnete sich gegenüberliegen, so daß die erste und die zweite Vielzahl solcher Gruppen von Magneten sich jeweils abstoßen oder anziehen. Diese Abstoßungs- oder Anziehungskräfte werden verwendet, um ein Schweben eines Fahrzeuges, wie einen Zug, zu bewirken.
Ein zweites Merkmal der Erfindung bezieht sich auf eine Kombination einer Vielzahl solcher Gruppen von in dieser Weise relativ zu einem Haltebauteil eines Zuges und einem benachbarten Fahrwegbauteil angeordneten Magneteinheiten. Ein Paar einer solchen Vielzahl solcher Gruppen von Magneteinheiten ist vorzugsweise an den gegenüberliegenden Seiten des Fahrzeuges angeordnet, um einen Gleichgewichtszustand und erhöhte Schwebekräfte zu erzielen. Eine Hydraulikeinheit, die mikroprozessorgesteuert sein kann, wird verwendet, um den Luftspalt zwischen den jeweiligen Paaren solcher Einheiten einzustellen.
Ein drittes Hauptmerkmal der Erfindung bezieht sich auf die Verwendung solcher Einheiten, um eine Hauptkomponente eines Linearmotors für den Antrieb des Zuges entlang dem Fahrweg zur Verfügung zu stellen. Durch die einleitende Aktivierung einer Antriebsmaschine an dem Zug, um Bewegung zu erzeugen, wird der Zug bei seiner Fahrt durch eine Vielzahl solcher Magneteinheiten unterstützt, die wiederholt abwechselnde Zonen von Anziehung und Abstoßung erzeugen. Durch die Verwendung einer Abnehmeranordnung wird das Moment des Zuges, nachdem die Bewegung eingeleitet ist, durch die Fahrt durch die Zonen unterstützt, wobei die Magnetkräfte der Anziehung die Bewegung des Zuges durch Anziehen des Zuges zu einer Bewegungszone hin unterstützen und die Magnetkräfte der Anziehung auch die Bewegung des Zuges durch Abstoßen des Zuges weg von einer Abstoßungszone unterstützen.
Diese und andere Merkmale der Erfindung werden aus der nachfolgenden, ausführlichen Beschreibung der Erfindung ersichtlich.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Die Zeichnungen zeigen in
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Zuges, der die Erfindung verkörpert und sich auf einer Schiene bewegt, die auf Stützen über dem Gelände angeordnet ist;
Fig. 2 eine Querschnittsansicht des Zuges, geschnitten entlang der Linie 2-2 von Fig. 1;
Fig. 3 eine Querschnittsansicht eines Teils von Fig. 2 von vorn, die einen Bereich eines Hydrauliksystems zeigt, welches verwendet wird, um die Entfernung zwischen den Magnetfeldern zu steuern;
Fig. 4 eine Seitenansicht des gleichen Bereiches, wie er in Fig. 3 dargestellt ist;
Fig. 5 eine Vorderansicht, teilweise im Querschnitt, die einen Bereich des Magnetschwebesystems von Fig. 2 zeigt;
Fig. 6 einen oberen Bereich, teilweise geschnitten, eines Linearmotors, der für den Vortrieb des Zuges verwendet wird;
Fig. 7 die elektrischen Verbindungen zwischen den Wicklungen und den Abnehmern für den Linearmotor von Fig. 6;
Fig. 8 einen seitlichen Querschnitt des Linearmotors von Fig. 6 und 7;
Fig. 9 einen Kern-Rotor für einen Generator und Motor, der Magneteinheiten des beschriebenen Typs verwendet; und
Fig. 10 einen Stator für einen Generator und Motor, der Magneteinheiten des beschriebenen Typs verwendet und für die Verwendung mit dem Kern-Rotor von Fig. 9 geeignet ist.

Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungen

In Fig. 1 ist ein Zug, der die Erfindung verkörpert, auf einem länglichen Betonträgerbauteil 11 über dem Gelände durch eine Vielzahl von Stützen 12 abstützend gehalten. Das Trägerbauteil 11 umfaßt ein Paar von beabstandeten, gegenüberliegenden horizontalen Bauteilen 13, 14, die sich im allgemeinen horizontal oben auf dem Trägerbauteil 11 erstrecken, und ein gleichartiges Paar von beabstandeten, gegenüberliegenden, horizontalen Bauteilen 15, 16, die sich im allgemeinen horizontal unten an dem Trägerbauteil 11 erstrecken. Das Trägerbauteil definiert somit ein Paar von gegenüberliegenden, sich allgemein horizontal erstreckenden Kanälen 17, 18, wobei jedes Magnetschienen für den Zug 10 aufnimmt, wie es nachfolgend ausführlicher erläutert wird. Der Kanal 17 ist zwischen dem oberen sich horizontal erstreckenden Bauteil 13 und dem unteren sich horizontal erstreckenden Bauteil 15 ausgebildet, während der Kanal 18 zwischen dem sich oben erstreckenden horizontalen Bauteil 14 und dem sich unten horizontal erstreckendem Bauteil 16 ausgebildet ist.
Ein zweiter Kanal 20 ist an dem oberen Bereich des Trägers 11 für die Aufnahme eines sich horizontal erstreckenden Linearmotors ausgebildet, der im allgemeinen mit der Bezugszahl 19 bezeichnet ist. Der Linearmotor 19 wird in der vorliegenden Beschreibung später ausführlich erläutert.
Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht des Zuges 10, geschnitten entlang der Linie 2-2 von Fig. 1. Der Zug 10 umfaßt, in vereinfachter Weise dargestellt, ein Außenhautbauteil 21, das ein Innenabteil 22 definiert, welches mit einer Vielzahl von Sitzen 23 und darüber angeordneten Gepäckablagen 24 ausgestattet ist. Eine Eingangs- und Ausgangstür ist bei 25 dargestellt. Das Innenabteil wird auf dem Tragkonstruktionsbauteil 26 abstützend gehalten. Es ist so zu verstehen, daß die Darstellung des Zuges 10 eine typische Darstellung ist und daß die tatsächliche Konstruktion eine Anzahl von verschiedenen Formen aufweisen kann, die in der Technik der öffentlichen Verkehrsmittel gut bekannt sind.
Das Tragkonstruktionsbauteil 26 erstreckt sich quer zu dem Träger 11 und weist ein federähnliches Tragkonstruktionsbauteil 27 auf, das an seinen gegenüberliegenden Enden an dem Tragkonstruktionsbauteil 26 befestigt ist. Ein Bereich des Tragkonstruktionsbauteils 27 ist von dem Tragkonstruktionsbauteil 26 beabstandet und berührt ein massives, C-förmiges Bauteil 30, das den Zug abstützend hält und einen sich quer erstreckenden Oberflächenbereich 28 aufweist, der mit den sich gegenüberliegenden, nach unten erstreckenden Schenkeln 29, 31 vereinigt ist, welche so voneinander beabstandet sind, daß ihr Abstand größer ist, als die obere Fläche des Trägers 11 an seinen sich im allgemeinen horizontal erstreckenden Bauteilen 13, 14. Die nach inneren gerichteten, sich horizontal erstreckenden Tragkonstruktionsbauteile 32, 33 sind an den gegenüberliegenden unteren Enden der sich nach unten erstreckenden Schenkel 29, 31 jeweils so befestigt, daß sie die oberen Flächen 29a, 31a definieren, welche normalerweise von den unteren Flächen 13a, 14a der sich im allgemeinen horizontal erstreckenden Bauteile 13, 14 des Trägers 11 beabstandet sind. Die nach innen gerichteten, sich horizontal erstreckenden Bauteile 32, 33 erstrecken sich somit in den Kanälen 17, 18 nach innen, um sich entlang dem Träger fortzubewegen.
Eine Vielzahl von Magneteinheiten, im allgemeinen mit der Bezugszahl 34 bezeichnet, sind an den unteren Flächen 13a, 14a jedes sich horizontal erstreckenden Bauteils 13, 14 befestigt, während eine Vielzahl von zusammenpassenden Magneteinheiten, die im allgemeinen mit der Bezugszahl 35 gekennzeichnet sind, an den oberen Flächen 32a, 33a der Bauteile 32, 33 befestigt ist. Die Magneteinheiten sind in Paaren angeordnet und ihre magnetischen Pole sind so gewählt, daß magnetische Anziehungskräfte erzeugt werden und somit die Schenkel 32, 33 zu den Bauteilen 13, 14 hin anziehen. Dadurch kann das nach unten wirkende Gewicht des Zuges 10 innerhalb von Grenzen, die ausreichend sind, einen entsprechenden Spalt zu definieren, wie es später erläutert wird, steu erbar an die unteren Flächen 13a, 14a angezogen werden. In dieser Weise schwebend gehalten, kann der Zug 10 längs dem Träger 11 in Längsrichtung durch eine minimale Kraft, die ausreicht um die Luftreibung und die Neigungskräfte zu überwinden, vorwärtsgetrieben werden.
Fig. 3 und 4 zeigen einen Rollenmechanismus für den stehenden Zug, der im allgemeinen mit der Bezugszahl 36 gekennzeichnet ist und der eine hydraulische Einstellmöglichkeit aufweist. Jedes im allgemeinen L-förmige Bauteil 37 eines Paares hat einen allgemein senkrechten Schenkel 38, der an einer Außenfläche 15a, 16a der unteren, sich im allgemeinen horizontal erstreckenden Bauteile 15, 16 befestigt ist. Der Schenkel 38 bildet mit dem sich horizontal erstreckenden Schenkel 39 eine Einheit, der dazwischenliegend die äußeren, sich horizontal erstreckenden Flächen eines Paares von Rollenbauteilen 40, 41 beabstandet, von denen jedes jeweils an einem Rollenhaltestützblech 42 befestigt ist, das im Querschnitt C-förmig ist. Das Rollenstützblech 42 enthält eine sich horizontal erstreckende obere Fläche 42a und eine sich im allgemeinen horizontal erstreckende untere Fläche 42b, die von der oberen Fläche 42a beabstandet ist, wobei jede jeweils mit einem im allgemeinen vertikalen Bauteil 42c vereinigt ist. Ein Paar von beabstandeten, sich vertikal erstreckenden Bauteilen 42c bildet an ihren Enden eine Einheit mit den jeweiligen gegenüberliegenden Enden der Bauteile 42a, 42b. Somit sind die Rollen 40, 41 jeweils drehbar um die Achsen 42a, 42b zwischen den Schenkeln 40d und 42c für die Rolle 40, und zwischen den Schenkeln 40e und 42c für die Rolle 41 angebracht. Die Befestigungsmuttern 43a und 43b sind an den gegenüberliegenden Enden der Achsen 42a und 42b befestigt.
Eine obere Fläche des Schenkels 42a ist an einem Schenkelbauteil 45a einer hydraulischen Stelleinheit 45 befestigt, welche an dem Bauteil 29 befestigt ist. Die hydraulische Stelleinheit wird durch Mikroprozessoren gesteuert, um einen vorherbestimmten Luftspalt zwischen den benachbarten Magneteinheiten 35 aufrechtzuerhalten. Der Computer berücksichtigt solche Daten, wie das gegenwärtige Gewicht des Zuges, den gegenwärtigen Luftspalt, den gewünschten Luftspalt und die Instandhaltungsvergangenheit der Schiene. Beginnend mit aneinander gelagerten Einheiten, bewirken die hydraulischen Stelleinheiten, daß sich die Einheiten bis zu dem gewünschten Trennungsgrad, z. B. 3,175 mm bis 6,35 mm (1/8 bis 1/4 Zoll), oder in dieser Größenordnung trennen.
Fig. 5 zeigt ausführlicher die Konstruktion jeder der Magneteinheiten 35. Jede Magneteinheit umfaßt eine Vielzahl von stabförmigen Permanentmagneten 51, wie zum Beispiel Keramik- oder Ferromagneten, getrennt durch eine Vielzahl von im allgemeinen T-förmigen, magnetisch permeablen Bauteilen 52, wie zum Beispiel schmiedbare Stahlschienen oder schmiedbare oder geformte Eisenbauteile, wobei die Endbauteile 52a im allgemeinen L-förmig ausgebildet sind. Eine sandwichartige Konstruktionseinheit 55 wird durch wechselweise Anordnung eines Endbauteils 52a, eines Permanentmagneten 51, eines magnetisch permeablen Bauteils 52, eines anderen Permanentmagneten 51 oder einer Vielzahl solcher Magneten usw. gebildet. Jede der sandwichartigen Konstruktionseinheiten wird durch eine nichtmagnetische Schraube 53 zusammengehalten, die an ihren gegenüberliegenden Enden durch ein nichtmagnetisches Befestigungselement 54 gesichert ist. Vorzugsweise ist jede Gruppe von Permanentmagneten durch ein magnetisch permeables Bauteil getrennt, das zwischen benachbarten Permanentmagneten angeordnet ist, und jede der Vielzahl solcher Gruppen wird durch ein magnetisch permeables Bauteil getrennt, wie zum Beispiel ein schmiedbares Stahlblech oder ein schmiedbares oder formbares Eisenblech.
Keramik-Magnete sind im Handel leicht erhältlich und werden wegen ihrer magnetischen Stärke und der körperlichen Dimensionierung aus den kommerziellen Quellen ausgewählt. Gegenwärtig werden wegen ihres größeren Kraftvermögens Ferro-Permanentmagneten bevorzugt. Ein bevorzugter von Delco-Remy entwickelter Ferro-Permanentmagnet ist als Permanentmagnet der Fabrikmarke Magnequench bekannt. Er kann eine effektive Kraft von 12 bis 14 Kilogauß erreichen. Im Vergleich dazu können Keramik-Magnete eine Kraft von 7 bis 9 Kilogauß entwickeln. Wenn die Permanentmagnete der Fabrikmarke Magnequench und die magnetisch permeablen Bauteile verwendet werden, kann die erfindungsgemäße Ausführung etwa 100 Kilogauß entwickeln.
Die Konstruktionseinheiten 55 sind jeweils an dem sich horizontal erstreckenden Bauteil 13 und an dem Haltebauteil 29 durch ein Paar von gegenüberliegenden L-förmigen Bauteilen 56 befestigt, die jeweils sowohl an den Bauteilen 13, 29 als auch an den Konstruktionseinheiten 55 befestigt sind. Der Raum zwischen den Konstruktionseinheiten 55 ist im allgemeinen mit der Bezugszahl 57 gekennzeichnet und ist der Raum, der durch das in Fig. 4 dargestellte Hydrauliksystem gesteuert wird. Eine Konstruktionseinheit 51 ist durch eine Schutzeinrichtung aus Nichteisenmetall 58 an dem sich horizontal erstreckenden Bauteil befestigt. In gleicher Weise ist eine zweite Konstruktionseinheit 51 durch eine Schutzeinrichtung aus Nichteisenmetall 59 an der Halteeinheit 29 befestigt.
Die Pole der Keramikeinheiten sind so angeordnet, daß sie linear quer über die Einheit 51 abwechseln. Das bedeutet, die Anordnung der Magnete ist S-N-N-S-S-N-N usw. Im Gegensatz dazu ist die benachbarte Einheit 51 nach dem Schema N-S-S-N-N-S-S usw. angeordnet. Bei benachbarter Anordnung passen die gegenüberliegenden Pole so zusammen, daß sie Anziehungsmagnetkräfte zwischen den beiden Einheiten erzeugen.
Die Konstruktionseinheiten 55 nutzen somit die passive Energie, die durch eine Kombination von Keramik-Magneten 51 und schmiedbaren Stahlbauteilen 52 erzeugt wird. Diese Werkstoffkombination erzielt die gleichen Ergebnisse, wie gebräuchlicher Kupferdraht, der um einen Kern aus schmiedbarem Stahl und Elektrizität gewickelt ist. Ein Vorteil einer solchen Einheit ist der, daß sie keine Wärmeenergie entwickelt, so daß sie heiß wird und daß sie keine elektromagnetische Energie entwickelt, die schädlich sein kann. Sie verwendet auch keine Energie, mit Ausnahme der Ener gie, die den Keramik-Magneten zugeführt werden muß, damit sie die permanente Magnetkraft erzeugen.
Die Magneteinheiten 55 mit einem Luftspalt 57 von 12,7 mm bis 3,175 mm (1/2 Zoll bis 1/8 Zoll) können unter Ausnutzung der Anziehungskräfte bei sehr geringen Kosten ein hohes Gewicht schweben lassen. Eine Schiene mit einer Dicke von 30,3 mm (1 1/4 Zoll) kann 0,35 kp/cm² (5 Pfund pro Quadratzoll) und eine Schiene mit einer Dicke von 76,2 mm (3 Zoll) kann 0,703 kp/cm² (10 Pfund pro Quadratzoll) bei einem Luftspalt von 3,175 mm schweben lassen. Somit schweben Fahrzeuge, die mit dieser Schwebeeinrichtung fahren, effektiv über der Fahrschiene, wobei die Reibung deutlich verringert ist und somit ein geringer Verschleiß an der Ausrüstung entsteht. Der Energieverbrauch ist auf eine Startbewegung und Verdrängen des Luftwiderstandes, auf jegliche Veränderungen des Fahrweges und auf den Betrieb der Bremsen (nicht gezeigt) beschränkt.
Alternativ können die jeweiligen Magneteinheiten in Haltekonstruktionen angeordnet werden, um sich voneinander abzustoßen, wenn die Abstoßungskräfte einen Schwebezustand für die Einheit erzeugen.
Solche Einheiten haben viele Anwendungen und sie können, zum Beispiel für Hochgeschwindigkeits-Personenzüge, die mit über 483 km/h (300 Meilen/h) fahren, für innerstädtische Verkehrsmittel, die mit geringer Geschwindigkeit fahren und auch für den Frachttransport verwendet werden. Somit sparen Systeme, die solche Einheiten verwenden, Zeit und Brennstoff, während die Umwelt vor den Brennstoff-Emissionen geschützt wird.
Fig. 6 zeigt eine, oben teilweise weggeschnittene, Ansicht des Linearmotors 19, der in dem Kanal 20 des Trägers 11 angeordnet ist, wie am besten aus Fig. 1 ersichtlich ist. Eine Motormontageplatte 71 ist unter dem Zug 10 in einer Weise angeordnet, die für eine spezielle Installation geeignet ist. Die gegenüberliegenden Innenwandflächen 20a des Kanals 20 nehmen ein Kanalbau teil 72 für das Kontaktieren der seitlichen Führungen 73 des mobilen Zugchassis auf. Jede Führung 73 umfaßt eine Führungshalterung 74, die an der Montageplatte 71, zum Beispiel durch Befestigungsschrauben, befestigt ist und die eine Vielzahl von Führungsrollen 75 aufnimmt, die an der Führungshalterung 74 so befestigt sind, daß sie drehbar sind, z. B. auf Rollenlagern. Die gegenüberliegenden Führungen 73 verleihen dem Zug Querstabilität, wenn der Linearmotor fortbewegt wird und sie unterstützen die Verhinderung von Querschwankungen. Die Montageplatte 71 ist als am Zug an einer Halterung 76 hängend dargestellt, welche an der Montageplatte 71 befestigt ist und ein Paar von schwenkbaren Traglaschen 77 aufnimmt.
An der Montageplatte 71 ist ebenfalls ein Bürstenhaltebauteil 78 befestigt, um die Bürsten 79, 79a zu befestigen, welche die dazugehörigen elektrisch-geladenen Schienen 79', 79a' berühren. Ein Haltebauteil 78 ist an jeder Seite der Montageplatte so montiert, daß seine zugehörige Bürste 79, 79a den Kontakt mit einer elektrischen Verbindung zu dem Magnet-Linearmotor in einer Weise aufnehmen kann, die noch erläutert wird und die effektiv der Wirkung eines Kommutators für einen Gleichstrommotor gleichkommt. Normalerweise sind die Bürsten 79, 79a an der Montageplatte befestigt, während die zugehörigen Abnehmer 81, 81a mit den Motorwicklungen verbunden sind, wie es in Fig. 7 dargestellt ist. Ein positiver Kommutatorabnehmer 82 ist linear von einem negativen Kommutatorabnehmer 83 beabstandet und davon durch eine neutrale Kommutatorzone 84 getrennt.
Nachdem die Bewegung des Zuges eingeleitet ist, unterstützt das Fahren des Zuges entlang den beabstandeten, abwechselnd positiven und negativen Zonen 82, 83 die Beibehaltung der Fahrgeschwindigkeit, wobei die Notwendigkeit, dem Antriebsmotor des Zuges, der eine solche Bewegung einleitet, Strom zuzuführen, minimiert oder eliminiert wird. Somit hat der sich in Bewegung befindliche Zug einen magnetisch positiven Bereich, der von einem ankommenden magnetisch negativen Bereich angezogen wird und von einem gerade vorbeigekommenen magnetisch positiven Be reich abgestoßen wird. Durch solche Wechsel, wirkt das System wie ein Rotationskommutator, mit der Ausnahme, daß er entlang der Schiene ausgerichtet ist.
Fig. 7 stellt die elektrischen Verbindungen zwischen den Wicklungen und den Bürsten dar. Die Zeichnung zeigt die Position des Eintritts und des Austritts der Elektrizität in jede Spule bei etwa 50% der Leistung in einer Position und die anderen 50% der Leistung in der anderen, um je nach der relativen Position der Bürsten eine Anziehung oder eine Abstoßung zu erzeugen.
In einer Weise, die der im Zusammenhang mit Fig. 5 beschriebenen Schwebeeinrichtung gleicht, umfaßt der Linearmotor 19 eine Vielzahl von Magneteinheiten 51, wobei jede Einheit Permanentmagnet- Bauteile 85, wie zum Beispiel Keramik- oder Ferro-Magnetbauteile, aufweist, die durch dazwischenliegende, magnetisch permeable Bauteile 86 getrennt sind, wie zum Beispiel schmiedbare Stahlbauteile oder geformtes Eisen und wobei jede Magneteinheit von einer benachbarten Einheit durch ein T-förmiges, magnetisch permeables Bauteil 87 der Typen getrennt ist, die verbunden mit einem Nichteisenmetall-Haltebauteil 88 beschrieben sind.
Zwischen den sich im allgemeinen parallel erstreckenden Schenkeln der T-förmigen Bauteile 87 befindet sich ein Kanal 89, in dem eine Vielzahl von Metallkernen 90 angeordnet ist, um die eine Vielzahl von Windungen 91 von leitfähigem Draht, wie zum Beispiel Kupferdraht, gewickelt ist. Ein solcher Aufbau ist am besten aus Fig. 8 zu erkennen.
Wie in Fig. 8 dargestellt, überdeckt ein Paar von Schutzabdeckungsbauteilen den Kanal 19 und einen Teil der Motoranordnung. Wie man weiterhin sehen kann, paßt die Traglasche 77 mit dem Laschenhalter 77b an dem Rahmen des Zuges zusammen und gleichermaßen mit dem Laschenaufhänger 77a an dem beweglichen Teil des Motors. Wie weiterhin zu sehen ist, hält der Bürstenhalter 78 die Bürsten 79 in vorgespannter Beziehung, um den Kontakt zwischen einer Stirnfläche jeder Bürste und der benachbarten Kom mutatorsektion aufrechtzuerhalten. Die Kupferdrahtwicklungen 91 sind an einer Vielzahl von zentralen Abschirmungen befestigt. Der untere Bereich des Kerns 100 der Wicklungen 91 und die Metallabschirmungen sind durch ein Paar von gegenüberliegenden Rollen 102 stabilisiert, von denen jede in einem C-förmigen Bauteil 103 gehalten wird, welches an einer Basis 104 des Kerns 100 befestigt ist. Die Rollen 102 wirken somit als untere Führungen für die Einheit, wenn sich der Zug und damit auch der Kern 100 an den feststehenden Bereichen der Konstruktion entlang bewegt. Die Wicklungen 91 sind mittels einer Kernhalterung 94 an dem Haltebauteil 90 befestigt.
Andererseits sind die Keramikeinheiten 51 an dem seitlichen Haltebauteil 106 in dem Kanal 19 so befestigt, daß sich der beweglichen Kern dazwischen fortbewegen kann.
Der Linearmotor ist somit ausgestaltet, um Energie unter Verwendung der passiven Energie der Keramik-Magnete, kombiniert mit den T-förmigen Trenn-Elementen, die aus schmiedbarem Stahl hergestellt sind, einzusparen. Somit wirken die Keramik-Magnete wie eine Kupferwicklung auf einem Kern aus schmiedbarem Stahl, die eine Reaktion der Stahlmoleküle ähnlich dem Arbeiten einer Kupferwicklung mit konventioneller Elektrizität erzeugt. Der lineare Kommutator weist somit zwei Schienen von alternativen stromführenden und stromlosen Zonen auf, wobei die Stromzuführung durch Bürsten erfolgt, die sich von negativ auf positiv verändern. Der Zentralkern kann in Vielfachen von acht oder mehr Kernen gruppiert werden, wobei jedoch jeder Kern seine eigenen Bürstensätze aufweist, so daß jeder Kern, je nach Notwendigkeit, einzeln oder gemeinsam betrieben werden kann.
Zu Fig. 7 zurückkehrend, ist somit ersichtlich, daß eine Südpol- Magnetsammelschiene 102 über eine Leitung 104 mit dem Abnehmer 81a verbunden ist, um zu bewirken, daß der Abnehmer als ein Südpol-Magnetbauteil wirkt. Eine Nordpol-Magnetsammelschiene 103 ist über eine Leitung 103a mit dem Abnehmer 81 verbunden, um zu bewirken, daß der Abnehmer als ein Nordpol-Magnetbauteil wirkt.
Es ist zu bemerken, daß die Sammelschiene 102 abwechselnd mit dem Kern und den Wicklungen der Magneteinheiten verbunden ist, um eine magnetische Südausrichtung anzunehmen, während die Sammelschiene 103 entgegengesetzt angeschlossen ist.
Somit wurde ein Schienenfahrzeug beschrieben, das auf der Basis von Magneteinheiten des Typs funktioniert, der eine Vielzahl von Permanentmagneten, wie zum Beispiel Keramik- oder Ferro-Magnete, umfaßt, die dazwischen durch magnetisch permeable Bauteile, wie zum Beispiel schmiedbarer Stahl oder schmiedbares oder geformtes Eisen, gehalten werden und durch solche magnetisch permeable T- förmige Bauteile beabstandet sind. Die Magneteinheiten sind an einer Unterseite eines Haltebauteils des Zuges und an der Oberseite eines Haltebauteils einer Schiene befestigt, so daß die Anziehungskräfte zwischen gegenüberliegenden Polen den Zug wirksam von dem abstützenden Fahrweg abheben, wenn sie durch den schmiedbaren Stahl konzentriert sind. Der Zug wird linear durch einen Linearmotor angetrieben, welcher entlang eines Kanals entlang dem Fahrweg eine Kommutatorkonstruktion aufweist, die mit einer Vielzahl solcher Magneteinheiten verbunden ist. Der Motor enthält einen beweglichen Kern, der mit einer Kommutatorkonstruktion verbunden ist. Somit wurde ein wirksames Schwebezugsystem mit einem Linearmotor-Vortriebssystem unter Verwendung von Keramik-Magneten offenbart.
Fig. 9 bzw. Fig. 10 stellen einen Kernrotor und einen Stator für eine Drehvorrichtung für einen Generator und Motor dar, welche die Prinzipien der Erfindung verkörpern. In Fig. 9 ist ein Kern 140 fest an einer sich in axialer Richtung erstreckenden Welle 142 befestigt, welche eine Vielzahl von sektorförmigen Permanentmagnetbauteilen 144 aufweist, die um die Welle 142 herum angeordnet sind. Die Bauteile 144 sind in den Bauarten ausgeführt, die im Zusammenhang mit den vorherigen Ausführungen beschrieben sind. Die Magnete 144 sind durch die magnetisch permeablen Bauteile 146 beabstandet. Die Bauteile 144 und 146 sind durch eine geeignete Endplatte 148 an der Welle befestigt.
Es sollte bemerkt werden, daß benachbarte Magnetbauteile so angeordnet sind, daß sie mit gleichartigen Magnetpolen den dazwischenliegenden, benachbarten, magnetisch permeablen Bauteilen 146 gegenüberliegen.
Der Stator 160 von Fig. 10 ist in gleicher Weise aus einer in Drehrichtung beabstandeten Vielzahl von Permanentmagneteinheiten 162 des beschriebenen Typs aufgebaut, zwischen welche die magnetisch permeablen Bauteile 164 der Typen eingefügt sind, die vorher beschrieben wurden. Die Rotationsdynamik dieser Kombination entspricht den Wirkprinzipien der vorherigen Erläuterungen.
Wenn auch die hierin beschriebenen, bevorzugten Ausführungen der vorliegenden Erfindung gegenwärtig von dem Erfinder für diese Anwendung als die besten für die Ausführung der Erfindungen dargestellt werden, sind doch zahlreiche Modifikationen und Anpassungen der vorliegenden Erfindung für andere Fachleute erkennbar. Daher sind die Ausführungen als erläuternd und beispielhaft anzusehen und es ist so zu verstehen, daß zahlreiche Modifikationen und Anpassungen der Erfindung, wie sie in den Patentansprüchen beschrieben wird, für Fachleute erkennbar sind.

Claims

1. Magneteinheit (35), mit:

einer Gruppe von zumindest einem Paar von Permanentmagneten (51), die entweder Keramik-Magnete oder Ferro- Magnete umfassen;

zumindest einem Paar von magnetisch permeablen Bauteilen (52), die eine Gruppe bilden, die schmiedbare Stahlbauteile, schmiedbare Eisenbauteile oder geformte Eisenbauteile enthält, die benachbart zu jeder Außenfläche von dem Paar von Keramik-Magneten (51) angeordnet sind; und

Einrichtungen (53, 54) zum Befestigen von dem Paar von magnetisch permeablen Bauteilen und dem Paar von Permanentmagneten, um dadurch eine Magneteinheit (35) zu schaffen, durch welche der Magnetfluß davon durch die magnetisch permeablen Bauteile (52) konzentriert wird,

dadurch gekennzeichnet, daß die Magneteinheit außerdem zumindest ein Paar von den Gruppen von den Permanentmagnetbauteilen (51), die die Magneteinheit (35) bilden, und ein zusätzliches magnetisch permeables Bauteil enthält, das zwischen dem Paar von den Gruppen von den Permanentmagnetbauteilen angeordnet ist, um Flußlinien von der Magneteinheit (35) zu fokussieren.

2. Magneteinheit (35) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetisch permeablen Bau eile (52a), die an den äußeren Flächen der Permanentmagnetbauteile angeordnet sind, im allgemeinen L-förmig sind, und das magnetisch permeable Bauteil (52), das zwischen dem Paar von den Gruppen von den Magnetbauteilen angeordnet ist, im allgemeinen T-förmig ist.

3. Magneteinheit (35) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein schmiedbares Stahlbauteil (52) zwischen den Permanentmagneten angeordnet ist, die das Paar bilden.

4. Magneteinheit (35) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eines von dem Paar von den Gruppen von den Permanentmagneten (51) an einem Haltebauteil (29) von einem Fahrzeug (10) montiert ist und ein anderes von dem Paar von den Gruppen von den Permanentmagneten (51) an einem Haltebauteil von einer Anordnung (11) benachbart zu dem Fahrzeug (10) montiert ist, wobei Anziehung oder Abstoßung von dem Paar dazu beitragen, das Fahrzeug (10) schweben zu lassen.

5. Magneteinheit (35) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Magneteinheit (35) außerdem ein nicht-magnetisches Bauteil (58) aufweist, das benachbart zu einer Fläche der Magneteinheit (35) angeordnet ist, um die Magneteinheit an einem Haltebauteil (11) zu befestigen.

6. Magneteinheit (35) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen (45) vorgesehen sind, um einen Spalt (57) zwischen den Magneteinheiten zu steuern.

7. Magneteinheit (35) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (45) eine hydraulische Einheit ist, die von einem Mikroprozessor gesteuert wird.

8. Magneteinheit (35) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine ausreichende Vielzahl von den Paaren von den Gruppen von Magneten (51) entlang eines Fahrweges angeordnet ist, um zu bewirken, daß ein Fahrzeug (10), wie ein Zug, für eine Translationsbewegung schwebend gehalten wird.

9. Magneteinheit (35) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Magneteinheit (35) Teil von einem System ist, um einen Zug (10) zum Fahren abstützend zu halten, während er schwebend gehalten ist, und außerdem aufweist:

ein erstes Haltebauteil (30), durch das ein Bereich von einem Zug gebildet ist;

ein zweites Haltebauteil (11), um einen Zug abstützend zu halten, wobei die Gruppen von Permanentmagnetbauteilen an dem ersten und dem zweiten Haltebauteil (30, 11) in einer länglichen, einander zugewandten Beziehung angeordnet sind, wobei die Vielzahl von den Gruppen angeordnet ist, um sich gegenseitig anzuziehen; und

Einrichtungen (45), um einen Luftspalt (57) zwischen den Gruppen an den ersten und zweiten Haltebauteilen (30, 13) zu steuern.

10. Magneteinheit (35) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Haltebauteil (30) ein im allgemeinen C-förmiges Bauteil mit nach innen gerichteten Schenkelbauteilen (29, 31) mit einer Fläche darauf (29a, 31a) ist, um eine erste Gruppe von der Vielzahl von Permanentmagneteinheiten (35) daran zu befestigen; und

das zweite Haltebauteil (11) eine Fläche (13a, 14a) etwa parallel zu der Fläche (29a, 31a) auf den nach innen gerichteten Schenkelbauteilen (29, 31) von dem ersten Haltebauteil (30) bildet, um eine zweite Gruppe von der Vielzahl von den Permanentmagneteinheiten (35) daran in einer gegenüberliegenden Beziehung zu der ersten Gruppe zu befestigen, wobei die Magnetkräfte zwischen der ersten und der zweiten Gruppen bewirken, daß der Zug (10) unter Steuerung der hydraulischen Einrichtung (45) schwebend gehalten wird.

11. Magneteinheit (35) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das System außerdem ein Referenzbauteil (37) aufweist, das an dem zweiten Haltebauteil (11) befestigt ist, das zwischen ein Paar von Führungswalzen (40, 41) vorsteht, die in einer Halteeinheit (42) abstützend gehalten sind, wobei das hydraulische Bauteil (45) mit der Halteeinheit (42) und mit dem ersten Haltbauteil (30) an dem Zug verbunden ist.

12. Magneteinheit (35) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das System außerdem einen Linearmotor (19) aufweist, um den Vortrieb des Zuges (10) zu unterstützen, wobei der Linearmotor (19) eine Vielzahl von den Gruppen von den Magneteinheiten (35), die in einem länglichen Kanal (20) in dem zweiten Haltebauteil (11) angeordnet sind, wobei die Vielzahl von Gruppen jeweils verbunden sind, um eine erste Vielzahl von Abnehmerbauteilen (81, 81a) mit abwechselnd positiven und negativen Magneteinheiten entlang eines Weges für den Zug (10) zu bilden;

eine zweite Vielzahl von Bürstenbauteilen (79, 79a) an dem Zug aufweist, um mit der ersten Vielzahl von Abnehmerbauteilen (81, 81a) entlang des Weges Kontakt zu haben, wodurch das Fahren des Zuges (10) entlang des Weges durch die jeweiligen Magnetkräfte von Anziehung und Abstoßung unterstützt wird, wobei eine Bewegung des Zuges durch eine Antriebsmaschine eingeleitet wird.

13. Motor (19) zur Unterstützung der Bewegung eines bewegbaren Bauteils (10), wobei der Motor (19) aufweist:

eine Vielzahl von Magneteinheiten (51), die eine Vielzahl von Gruppen von Permanentmagneten (85) aufweisen, die Keramik-Magnete oder Ferro-Magnete enthalten, wobei die Magnete (85) entlang eines Weges angeordnet sind;

Einrichtungen (72), die mit der Vielzahl von den Magneteinheiten (51) verbunden sind, um eine Vielzahl von jeweils positiv und negativ angeordneten Magnetabnehmern (81, 81a) entlang des Weges zu bilden;

eine Vielzahl von Magnetkernen (90) mit Windungen (91) darum, die an den Weg angeordnet sind, so daß abwechselnde Kräfte von Anziehung und Abstoßung die Bewegung des bewegbaren Bauteiles (10) unterstützen, wobei das bewegbare Bauteil (10) zu einer Bewegung auf einem linearen Weg oder einem umlaufenden Weg um eine Achse in der Lage ist, dadurch gekennzeichnet, daß

magnetisch permeable Bauteile (86) an den Enden von den Magneten (80) und zwischen den Gruppen von Magneten (85) angeordnet sind.

14. Motor (19) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Kerne (90) durch Walzenbauteile (102) abstützend gehalten sind, die mit einem Bereich von einem Kanal (19) Kontakt haben.

15. Motor (19) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Kerne (90) an dem Haltebauteil (30) von einem Schwebezug (10) abstützend gehalten sind.

16. Motor (19) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Abnehmer (81, 81a) als ein linearer Kommutator wirken.

17. Motor (19) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Abnehmer (81, 81a) abwechselnd einen positiven magnetischen Bereich, einen negativen magnetischen Bereich und einen Zwischenbereich bilden, wobei die Abnehmer (79, 79a) auf dem Weg jeweils mit den Bereichen Kontakt haben, um nacheinander Anziehungs- und Abstoßungskräfte zu empfangen.