WO2001096139A2 - Verfahren und anordnung zum berührungslosen transport eines fahrzeuges auf einer schienenanordnung - Google Patents

Verfahren und anordnung zum berührungslosen transport eines fahrzeuges auf einer schienenanordnung Download PDF

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    • B60L13/04—Magnetic suspension or levitation for vehicles
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    • B60L2200/00—Type of vehicles
    • B60L2200/26—Rail vehicles

Definitions

  • the invention relates to a method and an arrangement for the contactless transport of a vehicle on a rail arrangement.
  • Such contactless transport is generally achieved with magnetic load capacities between an exciter part on the vehicle side and the rail arrangement on the carriageway side.
  • hybrid magnet systems are known in which a permanent magnet device for receiving a base load and a coil arrangement for generating an additional magnetic field are used.
  • the main part of the magnetic field in the air gaps between the excitation part and the rails on the carriageway is generated by the permanent magnetic field.
  • the magnetic flux of the additional magnetic field mainly serves to stabilize the levitation forces. It should be able to be generated with little scatter.
  • the rails used in such a rail arrangement can, for example, be designed ferromagnetic in a C-shape. In this way, stabilizing restoring forces can be achieved with lateral deflection.
  • double arrangements of C-shaped rails are already known.
  • the changing load conditions in particular in the case of vehicles of different masses per unit length or vehicles with different payloads, are compensated for by the coil system.
  • slight fluctuations in the air gap heights are to be achieved.
  • proposals are known from DE 27 10 156 A1, DE 25 41 599 A1, DE 22 64 329 A1 and DE 99 16 971 C1.
  • the systems shown here either have low control dynamics or are very complex in terms of equipment, electronic actuators in particular sometimes having to be significantly enlarged, so that production and maintenance costs on the one hand and the need for electrical power on the other are increased.
  • the object of the invention is to provide an improvement over the prior art and, in particular, to achieve safe control with preferably high dynamic response with relatively little effort and preferably low power consumption.
  • a high level of security should preferably be ensured even in the event of possible partial failures of electrical functions and circuits.
  • This object is achieved by a method for the contactless transport of a vehicle on a rail arrangement, in which an excitation part connected to the vehicle with a permanent magnet device for generating a vertical permanent magnetic field between an upper C-shaped ferromagnetic rail and a lower C-shaped ferromagnetic rail and is transported along the rail, through current windings which are placed around pole attachments of the excitation part, an excitation current is passed to generate an additional magnetic field, and an upper air gap formed between the excitation part and the upper rail is smaller than a lower air gap formed between the excitation part and the lower rail.
  • this object is achieved by an arrangement for the contactless transport of a vehicle on a rail arrangement, with an upper C-shaped ferromagnetic rail and a lower C-shaped ferromagnetic rail, each having at least two ends, one on the vehicle side between the upper rail and the lower one Rail-mounted, vehicle-side attached excitation part, which has a permanent magnet device and at least two laterally offset upper pole lugs and at least two laterally offset lower pole lugs, with an upper air gap between the two ends of the upper rail and the exciter part and between the two A lower air gap is formed at the ends of the lower rail and the excitation part, current conductor windings which are wound around the pole attachments, and a mechanical limitation for a lower minimum air gap, wherein a vertical height of the upper rail is smaller than a width of the upper pole lugs.
  • an upper and lower G-shaped ferromagnetic rail is thus provided on the carriageway side, between which an exciter part is provided which is operatively connected to the rails via an upper air gap and a lower air gap.
  • a magnetic flux can be closed with the upper rail and a further magnetic flux with the lower rail via the excitation part.
  • a special geometric design according to which the height of the permanent magnet device is greater than twice the width of the pole attachments, ensures that the excitation part is securely received between the rails with a relatively low need for regulation.
  • the height of the upper rail is smaller than the width of the pole lugs, which limits the maximum winding throughput.
  • current coil devices which are laid or wound around the four pole lugs are provided with independent regulation and independent energy supply.
  • a linear drive can act against a separate reaction rail, the linear drive being connected to the excitation part. Furthermore, guide magnets can be connected to the excitation part and integrated in a common frame arrangement.
  • a method for the contactless transport of a vehicle on a rail arrangement in which the upper air gap is set smaller than the lower air gap with an arrangement according to the invention.
  • a magnetic flux of the additional magnetic field which is low compared to the magnetic flux of the permanent magnetic field can be achieved, as a result of which small coil arrangements with low power consumption and low mass can be used.
  • the excitation part together with the coil arrangements can also be used low mass are provided, so that the vehicle mass is not significantly increased, so that the power consumption can be kept low both for the coil arrangement used for the load-bearing effect and for the linear drive used for forward movement or forward acceleration.
  • the height of the upper air gap and / or the height of the lower air gap can also be regulated. Furthermore, as an alternative or in addition, regulations on vertical accelerations are also possible.
  • FIG. 1 shows a perspective view of an arrangement according to an embodiment of the invention
  • Figure 2 is a sectional view of an arrangement with a further embodiment of the invention.
  • FIG. 3 shows a perspective view of a rail arrangement according to FIG. 2.
  • Load capacity generated in the excitation magnet (in the Y direction) has the advantage that in the lateral direction (Z direction) restoring forces are created which have a stable effect due to the edge effect.
  • a two-sided, symmetrical arrangement of the functional elements is advantageously selected. This can further increase security and reliability in the event of faults in subsystems. This security is also possible in the event of a total failure of one half of the arrangement.
  • controllability for driving on rigid switches can be made possible.
  • an upper C-shaped rail 1 made of ferromagnetic material and a lower C-shaped rail 2 made of ferromagnetic material are provided.
  • An excitation part 3 is arranged between the rails 1, 2.
  • the excitation part 3 has four pole extensions.
  • a lower left pole extension 6 and a lower right pole extension 7 lie opposite ends 15, 16 of the lower rail 2, a lower air gap 9 being formed between them.
  • an upper left pole shoulder 4 and an upper right pole shoulder 5 lie opposite the ends 13, 14 of the upper rail 1, an upper air gap 8 being formed between them.
  • a permanent magnet 12 is provided in the excitation part 3. Windings of current coils are provided around the pole lugs, only one of the windings being shown in FIG. 1, but several windings can also be provided.
  • An upper left-hand current coil 20 is provided around the pole attachment 4
  • an upper right-hand current coil 21 is provided around the pole attachment 5
  • a lower left-hand current coil 10 is provided around the pole attachment 6,
  • a lower right-hand current coil 11 is provided around the lower right-hand pole attachment 7.
  • each of the current coils is provided with a separate control device 19 and a separate energy supply 18, only the corresponding connection of the upper right current coil 21 being shown in FIG. 1.
  • the pole attachments are provided on two collector parts 22, 23 made of ferromagnetic material.
  • Sensors measure the height of the lower air gap 9 and / or upper air gap 8, their output signals being fed to the respective control device 18, so that the power supply of the energy source 19 can be controlled via the control device 18 and actuators 24.
  • individual areas of each current coil can also be connected to separate control devices and current sources.
  • the size of the field component that forms a force in the gap area is influenced more by the asymmetrical field division, which is based on the differences in the gap lengths, than would be the case with a one-sided arrangement.
  • Small gap length fluctuations - when excited by the permanent magnet - lead to strong changes in the load capacity.
  • the supporting gap has approximately the same values.
  • a large gap sensitivity of the loss-free load capacity is reinforced by the effect of the permanent magnet used in the collector arrangement with a width greater than twice the width of the pole attachments.
  • the floating function is stabilized by switching on the electrical coil flooding on the top and bottom.
  • very small time constants act for both windings due to their dimensioning, so that the windings can absorb current very quickly.
  • the dynamic response to stabilization commands via the control devices increases.
  • the electrical flow components on rails 1 and 2 are advantageously used - in comparison to the one-sided exciter arrangement, there is the possibility here of distributing the current used to the upper and lower current coils and Compensate changes in load capacity by the current with small losses.
  • the dimensioning of the upper and lower current coils or windings is sufficiently large that the stabilization function is retained even if individual currents fail.
  • the floating function can continue to be fully fulfilled, for example in the event of failure of a lower current coil and an upper current coil.
  • the floating function is only possible to a limited extent if three of the four current coils or windings fail. In this case there is less dynamics and there is a limited range of gap lengths with regard to the gap.
  • the dimensioning of the control elements in the circuits of the current coils can be determined from the greatest demands to be made.
  • the limit positions of the excitation part 3 with minimum upper gap and maximum lower gap must be taken into account. It is expedient to mechanically limit the minimum gap to one or two mm, for example.
  • the magnetic conductivity of the rail 1 is advantageous, for example by limiting the yoke thickness, that is to say its thickness in the central region, to the values which correspond to the highest desired flux density in the air gap region of the poles. This can be done, for example, by limiting the yoke thickness b j to 80% of the width of the upper ends or of the pole extensions, the widths b e of the pole extensions and the width b r of the upper ends approximately corresponding.
  • the largest value of the upper air gap is assigned the smallest value of the height of the lower air gap given the constant rail spacing provided. This smallest value of the lower air gap is marked by a mechanical limitation. It defines the so-called lowering position of the excitation unit 3. From this position, the vehicle must be lifted into the operating position of the air gaps 8 and 9 with the magnetic lifting force. The currents required to generate the lifting force are advantageously to be taken into account when dimensioning the electrical circuits.
  • load ratings of more than 10 can be achieved, with specific load capacities (for the entire vehicle) of 4 kN / m being achieved.
  • the change in the bearing gap when the vehicle is unloaded and 2 kN / m can be limited to approximately 5 mm.
  • a low load influence on the gap length and the low mass expenditure for the excitation part 3 offers the best conditions for a combination of the support system with a linear drive that is strongly coupled with it.
  • an advantageous embodiment is shown in Figures 2, 3.
  • the air gap of the linear drive with respect to the reaction rail 17 can also be kept approximately constant with only slight fluctuations due to the influence of the load. This means that the linear motor can be operated with maximum efficiency and a small mass fraction.
  • a linear motor variant is advantageously used, the track-bound elements of which are technically simple and can be carried out inexpensively.
  • the normal force component of the linear drive is advantageously significantly lower than the component of the magnetic load capacity of the suspension system. Magnetic circuits, in which permanent magnets are installed for excitation, can on the one hand excite the main field without power and on the other hand limit the magnetic instability and the normal component of the magnetic tensile force.
  • a short stator variant can advantageously be implemented in the vehicle with the winding-carrying power unit and the permanent magnet, that is to say with a passive rail.
  • transverse synchronous machines with permanent magnets can be used here.
  • FIG. 2 shows the components of an arrangement which generate load and propulsive forces in two different planes.
  • the excitation part 3 is connected to the linear drive part 25 via a vertical connecting element 26 and is rigidly coupled here.
  • a transverse magnetic circuit is used, which is closed via a C-shaped reaction rail 17. Longitudinally structured rails are considered for the drive.
  • the linear drive part 25 is advantageously designed as a single-stranded unit, which is followed by units for other strands, each of which is fed via a frequency converter. They have the task of generating the alternating current with a frequency that corresponds to the driving speed and the phase positions that are most suitable for thrust formation.
  • the proportion of the mass of the linear drive 25 can advantageously be limited to 5 to 6% of the vehicle weight.
  • a further proportion by weight is necessary for the energy processing components to be stored in the vehicle body. His size depends on the type of driving energy available (level of voltage and frequency) and the state of development of the semiconductor switches. In the case of direct current supply, for example at two kV, it can be limited to relatively low values. With new switching elements, for example of the IGBT type with liquid cooling, inverters can be manufactured in a very compact design that have power densities of 60 to 80 kW / kg.
  • FIG. 3 shows the passive guideway elements on one guideway side for the combination of support and drive elements described above.
  • a two-sided symmetrical arrangement around the vertical line of symmetry V shown in Figure 2 is realized, whereby the advantages of the symmetrical arrangement of the functional elements described above can be achieved. These relate in particular to the safety and reliability in the event of failure of subsystems and in the switch area.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Anordnung zur berührungslosen Erzeugung von magnetischen Teilkräften für Fahrzeuge mit einem mit dem Fahrzeug verbundener Erregerteil mit einer Permanentmagneteinrichtung zum Erzeugen eines vertikalen Permanentmagnetfeldes zwischen einer oberen C-förmigen, ferromagnetischen Schiene und einer unteren C-förmigen ferromagnetischen Schiene geführt und entlang der Schiene transportiert wird, durch um Polansätze des Erregerteils gelegte Stromwicklungen ein Erregerstrom zur Erzeugung eines Zusatzmagnetfeldes geleitet wird, und ein zwischen dem Erregerteil und der oberen Schiene gebildeter oberer Luftspalt kleiner als ein zwischen Erregerteil und unterer Schiene gebildeter unterer Luftspalt ist.

Description

Verfahren und Anordnung zum berührungslosen Transport eines Fahrzeuges auf einer Schienenanordnung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Anordnung zum beruhrungslosen Transport eines Fahrzeuges auf einer Schienenanordnung.
Ein derartiger berührungsloser Transport wird in der Regel mit magnetischen Tragkräften zwischen einem fahrzeugseitigem Erregerteil und der fahrbahnseiti- gen Schienenanordnung erreicht. Hierbei sind insbesondere Hybridmagnetsysteme bekannt, bei denen eine Permanentmagneteinrichtung zur Aufnahme einer Grundlast und eine Spulenanordnung zur Erzeugung eines Zusatzmagnetfeldes verwendet werden. Der Hauptanteil des Magnetfeldes in den Luftspalten zwischen Erregerteil und fahrbahnseitigen Schienen wird durch das Permanent- magnetfeld erzeugt. Der magnetische Fluss des Zusatzmagnetfeldes dient hauptsächlich zur Stabilisierung der Schwebekräfte. Er soll mit geringer Streuung erzeugbar sein.
Die bei einer derartigen Schienenanordnung verwendeten Schienen können zum Beispiel ferromagnetisch in C-Form ausgeführt sein. Hierdurch können unter anderem stabilisierende Rückstellkräfte bei seitlicher Auslenkung erreicht werden. Hierbei sind bereits Zweifachanordnungen von C-förmigen Schienen bekannt.
Die sich ändernden Lastverhältnissen, insbesondere bei Fahrzeugen unterschiedlicher Massen je Längeneinheit beziehungsweise Fahrzeugen mit unterschiedlichen Nutzlasten, werden durch das Spulensystem ausgeglichen. Hierbei sollen geringe Schwankungen der Luftspalthöhen erreicht werden. Hierzu sind Vorschläge aus der DE 27 10 156 A1 , DE 25 41 599 A1 , DE 22 64 329 A1 und DE 99 16 971 C1 bekannt. Die hier gezeigten Systeme besitzen jedoch entweder eine geringe Regeldynamik oder sind apparativ sehr aufwendig, wobei insbesondere elektronische Stellglieder zum Teil deutlich vergrößert werden müssen, so dass zum einen die Herstellungs- und Wartungskosten und zum anderen der Bedarf an elektrischer Leistung erhöht ist. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, gegenüber dem Stand der Technik Verbesserung zu schaffen und insbesondere mit relativ geringem Aufwand und vorzugsweise geringer Leistungsaufnahme eine sichere Regelung mit vorzugs- weise hoher Regeidynamik zu erreichen. Hierbei soll vorzugsweise auch bei möglichen Teilausfällen elektrischer Funktionen und Kreisläufen eine hohe Sicherheit gewährleistet sein.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum berührungslosen Transport eines Fahrzeuges auf einer Schienenanordnung, bei dem ein mit dem Fahrzeug verbundenes Erregerteil mit einer Permanentmagneteinrichtung zum Erzeugen eines vertikalen Permanentmagnetfeldes zwischen einer oberen C-förmigen, ferromagnetischen Schiene und einer unteren C-förmigen ferromagnetischen Schiene geführt und entlang der Schiene transportiert wird, durch um Polansätze des Erregerteils gelegte Stromwicklungen ein Erregerstrom zur Erzeugung eines Zusatzmagnetfeldes geleitet wird, und ein zwischen dem Erregerteil und der oberen Schiene gebildeter oberer Luftspalt kleiner .als ein zwischen Erregerteil und unterer Schiene gebildeter unterer Luftspalt ist.
Weiterhin wird diese Aufgabe gelöst durch eine Anordnung zum berührungslosen Transport eines Fahrzeuges auf einer Schienenanordnung, mit einer oberen C-förmigen ferromagnetischen Schiene und einer unteren C-förmigen ferromagnetischen Schiene, die jeweils mindestens zwei Enden aufweisen, einem fahrzeugseitig zwischen der oberen Schiene und der unteren Schiene angeordneten, fahrzeugseitig befestigten Erregerteil, das eine Permanentmagneteinrichtung und mindestens zwei in seitlicher Richtung zueinander versetzte obere Polansätze und mindestens zwei in seitlicher Richtung zueinander versetzte untere Polansätze aufweist, wobei zwischen den beiden Enden der oberen Schiene und dem Erregerteil ein oberer Luftspalt und zwischen den beiden Enden der unteren Schiene und dem Erregerteil ein unterer Luftspalt ausgebildet ist, Stromleiterwicklungen, die um die Polansätze gewickelt sind, und einer mechanischen Begrenzung für einen unteren Mindestluftspalt, wobei eine vertikale Höhe der oberen Schiene kleiner als eine Breite der oberen Polansätze ist.
Erfindungsgemäß wird somit fahrbahnseitig eine obere und untere G-förmige ferromagnetische Schiene vorgesehen, zwischen denen ein Erregerteil vorgesehen ist, das mit den Schienen über einen oberen Luftspalt und einen unteren Luftspalt in Wirkverbindung steht. Hierbei kann über das Erregerteil ein magnetischer Fluss mit der oberen Schiene und ein weiterer magnetischer Fluss mit der unteren Schiene geschlossen werden. Hierbei wird durch eine besondere geometrische Ausbildung, gemäß der die Höhe der Permanentmagneteinrichtung größer als das Doppelte der Breite der Polansätze ist, eine sichere Aufnahme des Erregerteils zwischen den Schienen mit einem relativ geringen Regelungsbedarf erreicht. Vorteilhafterweise ist hierbei die Höhe der oberen Schiene kleiner als die Breite der Polansätze ausgeführt, wodurch die maximale Wicklungsdurchflutung beschränkt wird.
Erfindungsgemäß sind um die vier Polansätze gelegte beziehungsweise gewickelte Stromspuleneinrichtungen mit selbständiger Regelung und selbständiger Energieversorgung versehen.
Ein Linearantrieb kann gegen eine separate Reaktionsschiene wirken, wobei der Linearantrieb mit dem Erregerteil verbunden ist. Weiterhin können Führmagneten mit dem Erregerteil verbunden und in einer gemeinsamen Rahmenanordnung integriert sein.
Erfindungsgemäß wird insbesondere ein Verfahren zum berührungslosen Transport eines Fahrzeuges auf einer Schieneήanordnung geschaffen, bei dem mit einer erfindungsgemäßen Anordnung der obere Luftspalt kleiner als der untere Luftspalt eingestellt wird. Hierdurch kann ein im Vergleich zum Magnetfluss des Permanentmagnetfeldes geringer Magnetfluss des Zusatzmagnetfeldes erreicht werden, wodurch kleinbauende Spulenanordnungen mit geringer Leistungsaufnahme und geringer Masse verwendet werden können. Aufgrund der geringen Masse kann das Erregerteil mitsamt Spulenanordnungen insgesamt mit geringer Masse versehen werden, so dass die Fahrzeugmasse nicht wesentlich erhöht wird, wodurch der Leistungsverbrauch sowohl für die zur Tragwirkung verwendete Spulenanordnung als auch für den zur Vorwärtsbewegung beziehungsweise Vorwärtsbeschleunigung verwendeten Linearantrieb gering gehalten werden kann.
Erfindungsgemäß kann auch die Höhe des oberen Luftspaltes und/oder die Höhe des unteren Luftspaltes geregelt werden. Weiterhin sind alternativ oder ergänzend hierzu auch Regelungen auf vertikale Beschleunigungen möglich.
Aufgrund separater Regelungen und Stromversorgungen der Spulenanordnungen der vier Polansätze kann ein hohes Maß an Sicherheit erreicht werden, wobei auch bei Teilausfällen oder einem Totalausfall ein Schwebezustand durch das Permanentmagnetsystem ermöglicht werden kann.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen an einigen Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine perspektivische Ansicht einer Anordnung gemäß einer Ausfüh- rungsform der Erfindung;
Figur 2 eine Schnittdarstellung einer Anordnung mit einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
Figur 3 eine perspektivische Ansicht einer Schienenanordnung gemäß Figur 2.
Die Verwendung von C-förmigen Stahlschienen zur Übertragung der von einem. Erregermagnet erzeugten Tragkraft (in Y-Richtung) weist den Vorteil auf, dass in seitlicher Richtung (Z-Richtung) durch den Kanteneffekt stabil wirkende Rück- Stellkräfte entstehen.
Zur Erzielung hoher Tragzahlen (das heißt ein hohes Verhältnis von Tragkraft zu Gewicht des Erregersystems) ist eine weitgehende Vermeidung von Streufeldanteilen und das Erreichen hoher Flussdichten vorteilhaft. Hierbei ist die Verwendung einer Kombination von Permanentmagneten mit stromerregten Spulen besser als die Verwendung von lediglich stromerregten Spulen. Herkömmliche Anordnungen waren bisher einseitig wirkend und ermöglichten die Erzeugung von geregelten Zugkräften auf der Oberseite des Erregerteils.
Bei einer derartigen einseitigen Kraftgene ierung treten jedoch größere Spaltlängenunterschiede bei schwankendem . Fahrzeuggewicht beziehungsweise schwankendem Nutzlastgewicht auf, wodurch ein größerer Energieaufwand für die Stützkrafterzeugung erforderlich wird. Ein Einsatz von Spulenströmen zur dauernden Korrektur des Spalts ist aus Dimensionierungsgründen ebenfalls nicht vorteilhaft. Vorteilhafterweise wird erfindungsgemäß eine zweiseitig - symmetrische Anordnung der Funktionselemente gewählt. Hierdurch kann eine weitere Erhöhung der Sicherheit und Zuverlässigkeit bei Fehlern in Teilsystemen erreicht werden. Diese Sicherheit ist insbesondere auch bei einem Totalausfall einer Hälfte der Anordnung möglich. Insbesondere können aufgrund der Entregbarkeit der einzelnen Schwebeelemente und deren Kombination mit magnetisch stellbaren Seitenführelementen in gleicher Schiene eine Steuerbarkeit für das Befahren starrer Weichen ermöglicht werden.
Gemäß Figur 1 ist eine obere C-förmige Schiene 1 aus ferromagnetischem Material und eine untere C-förmige Schiene 2 aus ferromagnetischem Material vorgesehen. Zwischen den Schienen 1 , 2 ist ein Erregerteil 3 angeordnet. Das Erregerteil 3 weist vier Polansätze auf. Ein unterer linker Polansatz 6 und ein unterer rechter Polansatz 7 liegen gegenüber Enden 15, 16 der unteren Schiene 2, wobei zwischen ihnen ein unterer Luftspalt 9 ausgebildet ist. Entsprechend liegen ein oberer linker Polansatz 4 und ein oberer rechter Polansatz 5 den Enden 13, 14 der oberen Schiene 1 gegenüber, wobei zwischen ihnen ein oberer Luftspalt 8 ausgebildet ist.
In dem Erregerteil 3 ist ein Permanentmagnet 12 vorgesehen. Um die Polansätze sind Wicklungen von Stromspulen vorgesehen, wobei in Figur 1 lediglich eine der Wicklungen gezeigt ist, jedoch auch mehrere Wicklungen vorgesehen werden können. Um den Polansatz 4 ist eine obere linke Stromspule 20, um den Polansatz 5 eine obere rechte Stromspule 21 , um den Pplansatz 6 eine untere linke Stromspule 10 und um den unteren rechten Polansatz 7 eine untere rechte Stromspule 11 vorgesehen. Erfindungsgemäß ist jede der Stromspulen mit einer separaten Regeleinrichtung 19 und einer separaten Energieversorgung 18 versehen, wobei in Figur 1 lediglich die entsprechende Anbindung der oberen rechten Stromspule 21 gezeigt ist. Die Polansätze sind an zwei Sammlerteilen 22, 23 aus ferromagnetischem Material vorgesehen. Nicht gezeigte Sensoren messen die Höhe des unteren Luftspaltes 9 und/oder oberen Luftspaltes 8, wobei ihre Ausgangssignale der jeweiligen Regeleinrichtung 18 zugeführt werden, so dass über die Regelein- richtung 18 und Stellglieder 24 eine Steuerung der Stromversorgung der Energiequelle 19 stattfinden kann. Erfindungsgemäß können auch einzelne Bereiche jeder Stromspule mit separaten Regeleinrichtungen und Stromquellen verbunden sein.
Während die an der Schiene 1 entwickelten positiven Tragkräfte annähernd proportional zum Quadrat der Summe der Durchflutungen (eingeprägte Permanentmagnet-Durchflutung und elektrische Durchflutung) am oberen Luftspalt 8 sind, werden negative Tragkräfte am unteren Luftspalt 9 erzeugt, die annähernd dem Quadrat der Summe der dortigen Durchflutungen entsprechen. Bei allen Luftspalten gilt, dass der untere Luftspalt 9 größer als der obere Luftspalt 8 ist. Da die jeweilige Felddichte auch von der Spaltlänge, das heißt Spalthöhe, und dem magnetischen Widerstand im Permanentmagneten 12 abhängt, ist im Allgemeinen die unten wirkende Zugkraft kleiner als die oben wirkende Zugkraft. Beide Kräfte sind überdies über den jeweiligen Anteil der elektrischen Durchflutung beeinflussbar.
Die Größe des im Spaltbereich eine Kraft bildenden Feldanteils wird bei unterschiedlichen Spaltlängen stärker von der unsymmetrischen Feldaufteilung, die von den Unterschieden der Spaltlängen herruht, beeinflusst, als dies bei einer einseitigen Anordnung der Fall wäre. Geringe Spaltlängenschwankungen führen - bei Erregung durch den Permanentmagneten - zu starken Änderungen der Tragkraft. Somit hat für einen verlustarmen Betrieb der Schwebemagnete auch bei sehr unterschiedlichen Fahrzeuggewichten je Meter Länge der Tragspalt annähernd gleiche Werte. Eine große Spaltempfindiichkeit der verlustlos erzeugten Tragkraft wird durch die Wirkung des in Sammleranordnung verwendeten Permanentmagneten mit einer Breite größer als einer doppelten Breite der Polansätze verstärkt.
Eine Stabilisierung der Schwebefunktion erfolgt durch die Aufschaltung der elektrischen Spulendurchflutungen an Ober- und Unterseite. Hierbei wirken im Allgemeinen für beide Wicklungen dimensionierungsbedingt sehr kleine Zeitkonstanten, so dass die Wicklungen sehr reaktionsschnell Strom aufnehmen können. Durch die Gegenschaltung der oberen und unteren Kräfte erhöht sich die dynamische Reaktion auf Stabilisierungsbefehle über die Regeleinrichtungen. Vorteilhafterweise erfolgt zum Betrieb mit besonders kleinen Spaltänderungen für größere Tragkraftänderungen in - gegebenenfalls begrenztem Umfang - der Einsatz der elektrischen Durchflutungskomponenten an Schiene 1 und 2. Im Vergleich zur einseitigen Erregeranordnung besteht hier die Möglichkeit, den eingesetzten Strom auf die oberen und unteren Stromspulen zu verteilen und Tragkraftänderungen durch den Strom bei noch kleinen Verlusten auszugleichen.
Vorteilhafterweise erfolgt die Dimensionierung der oberen und unteren Strom- spule beziehungsweise Wicklungen hinreichend groß, so dass auch bei Ausfall einzelner Ströme die Funktion der Stabilisierung erhalten bleibt. Vorteilhafterweise kann die Schwebefunktion zum Beispiel bei Ausfall einer unteren Stromspule und einer oberen Stromspule weiterhin voll erfüllt. Erst bei Ausfall von drei der vier Stromspulen beziehungsweise Wicklungen ist die Schwebefunktion nur eingeschränkt möglich. In diesem Fall liegt eine geringere Dynamik und bezüglich des Spalts ein beschränkter Bereich der Spaltlänge vor.
Die Dimensionierung der Stellelemente in den Schaltkreisen der Stromspulen kann aus den zu stellenden größten Anforderungen ermittelt werden. Hierbei sind die Grenzlagen des Erregerteils 3 bei minimalen oberen Spalt und maximalen unteren Spalt zu berücksichtigen. Es ist zweckmäßig, den minimalen Spalt mechanisch zum Beispiel auf ein oder zwei mm zu beschränken. Weiterhin ist vorteilhafterweise die magnetische Leitfähigkeit der Schiene 1 , zum Beispiel durch Beschränkung der Jochdicke, das heißt ihrer Dicke im mittleren Bereich, auf die Werte zu limitieren, die der höchsten erwünschten Flussdichte im Luftspaltbereich der Pole entspricht. Dies kann zum Beispiel durch eine Begrenzung der Jochdicke bj auf 80 % der Breite der oberen Enden beziehungsweise der Polansätze erfolgen, wobei die Breiter be der Polansätze und die Breite br der oberen Enden sich etwa entsprechen. Dem größten Wert des oberen Luftspaltes ist bei dem vorgesehenen konstanten Schienenabstand der kleinste Wert der Höhe des unteren Luftspalts zugeordnet. Dieser kleinste Wert des unteren Luftspaltes wird durch eine mechanische Begrenzung markiert. Er definiert die sogenannte Absenkposition der Erregereinheit 3. Aus dieser Position muss mit der magnetischen Anhebekraft das Fahrzeug in die Betriebsposition der Luftspalte 8 und 9 gehoben werden. Die zur Erzeugung der Anhebekraft erforderlichen Ströme sind zur Dimensionierung der elektrischen Kreise vorteilhafterweise zu beachten.
Erfindungsgemäß sind bei Spaltlängenverhältnissen von 1 :2 mit einem oberen Luftspalt 8 von etwa 1 cm Tragzahlen von mehr als 10 erzielbar, wobei spezifische Tragkräfte (für das gesamte Fahrzeug) von 4 kN/m erreicht werden können. Die Änderung des Tragspalts bei entladenem Fahrzeug und 2 kN/m kann auf etwa 5 mm beschränkt werden.
Ein geringer Lasteinfluss auf die Spaltlänge und der geringe Massenaufwand für das Erregerteil 3 bietet beste Voraussetzung für eine Kombination des Tragsystems mit einem mit diesem stark gekoppelten Linearantrieb. Hierzu ist in Figur 2, 3 eine vorteilhafte Ausführungsform gezeigt. Auch der Luftspalt des Linearantriebs gegenüber der Reaktionsschiene 17 kann mit nur geringen Schwankungen durch Lasteinfluss annähernd konstant gehalten werden. Somit kann der Linearmotor mit höchstem Wirkungsgrad und kleinem Massenanteil betrieben werden. Vorteilhafterweise wird eine Linearmotor-Variante verwendet, deren fahrweggebundene Elemente technisch einfach sind und kostengünstig ausgeführt werden können. Darüber hinaus ist vorteilhafterweise der Normalkraftanteil des Linearantriebs deutlich geringer als der Anteil der magnetischen Tragkraft des Schwe- besystems. Durch Magnetkreise, in denen Permanentmagnete zur Erregung eingebaut sind, kann zum einen das Hauptfeld leistungslos erregt werden und zum anderen eine Begrenzung der magnetischen Instabilität und der Normalkomponente der magnetischen Zugkraft erreicht werden.
Vorteilhafterweise kann insbesondere eine Kurzstator - Variante mit dem wicklungstragenden Leistungsteil und dem Permanentmagneten im Fahrzeug, das heißt mit passiver Schiene, verwirklicht werden. Hierbei können insbesondere transversale Synchronmaschinen mit Permanentmagneten verwendet werden.
In Figur 2 sind die Komponenten einer Anordnung, die Trag- und Vortriebskräfte in zwei verschiedenen Ebenen erzeugen, gezeigt.
Das Erregerteil 3 ist mit dem Linearantriebsteil 25 über ein vertikales Verbindungselement 26 verbunden und hierbei starr gekoppelt. Beim Linearantriebsteil wird, wie aus Figur 2, 3 ersichtlich ist, ein transversaler Magnetkreis verwendet, der über eine C-förmige Reaktionsschiene 17 geschlossen wird. Für den Antrieb kommen in Längsrichtung strukturierte Schienen in Betracht. Das Linearantriebsteil 25 ist vorteilhafterweise als einsträngige Einheit ausgebildet, der sich Einheiten für andere Stränge anschließen, die jeweils über einen Frequenz- Umrichter gespeist sind. Sie haben die Aufgabe, den Wechselstrom mit einer der Fahrgeschwindigkeit entsprechenden Frequenz und der für die Schubbildung zweckmäßigsten Phasenlagen zu erzeugen.
Während der Massenanteil des Erregerteils 3 im Bereich von 10 % des Fahr- zeuggewichtes liegt, kann vorteilhafterweise erfindungsgemäß der Anteil der Masse des Linearantriebs 25 auf 5 bis 6 % des Fahrzeuggewichts beschränkt werden. Für die im Fahrzeugkörper zu lagernden Komponenten der Energieaufbereitung ist ein weiterer Gewichtsanteil notwendig. Seine Größe hängt von der Art der verfügbaren Fahrenergie (Höhe der Spannung und Frequenz) und dem Entwicklungsstand der Halbleiterschalter ab. Er kann bei Gleichstromspeisung zum Beispiel bei zwei kV auf verhältnismäßig niedrige Werte beschränkt werden. Mit neuen Schaltelementen, zum Beispiel vom IGBT-Typ mit Flüssigkeitskühlung lassen sich Wechselrichter in sehr kompakter Ausführung herstellen, die Leistungsdichten von 60 bis 80 kW/kg aufweisen.
In Figur 3 sind die passiven Fahrwegelemente einer Fahrwegseite für die oben beschriebene Kombination von Trag- und Vprtriebselementen gezeigt. Hierbei wird eine zweiseitig-symmetrische Anordnung um die in Figur 2 gezeigte vertikale Symmetrielinie V verwirklicht, wodurch die oben beschriebenen Vorteile der symmetrischen Anordnung der Funktionselemente erreicht werden können. Diese betreffen insbesondere die Sicherheit und Zuverlässigkeit bei Ausfällen von Teilsystemen und im Weichenbereich.
Bezugszeichenliste
1 obere C-förmige Schiene
2 untere C-förmige Schiene
3 Erregerteil
4 oberer linker Polansatz
5 oberer rechter Polansatz
6 unterer linker Polansatz
7 unterer rechter Polansatz
8 oberer Luftspalt
9 unterer Luftspalt
10 untere linke Stromspule
11 untere rechte Stromspule
12 Permanentmagnet
13 Ende der Schiene 1
14 Ende der Schiene 1
15 Ende der Schiene 2
16 Ende der Schiene 2
17 Reaktionsschiene
18 Energieversorgung
19 Regeleinrichtung
20 obere linke Stromspule
21 obere rechte Stromspule
22 Sammlerteil
23 Sammlerteil
24 Stellglied
25 Linearantriebsteil
26 vertikales Verbindungselement

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum berührungslosen Transport eines Fahrzeuges auf einer Schienenanordnung, bei dem ein mit dem Fahrzeug verbundenes Erregerteil (3) mit einer Permanentmagneteinrichtung (12) zum Erzeugen eines vertikalen Permanentmagnetfeldes zwischen einer oberen C-förmigen, ferromagnetischen Schiene (1) und einer unteren C-förmigen ferromagnetischen Schiene (2) geführt und entlang der Schiene transportiert wird, durch um Polansätze (4, 5, 6, 7) des Erregerteils (3) gelegte Stromwicklungen ein Erregerstrom zur Erzeugung eines Zusatzmagnetfeldes geleitet wird, und ein zwischen dem Erregerteil (3) und der oberen Schiene (1) gebildeter oberer Luftspalt (8) kleiner als ein zwischen Erregerteil und unterer
Schiene (2) gebildeter unterer Luftspalt (9) ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass während einer Fahrt des Fahrzeuges entlang der Schienenanordnung die Flussdichte des Zusatzmagnetfeldes der Stromwicklungen kleiner als eine Flussdichte des Magnetfeldes der Permanentmagneteinrich- tung (12) ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fiussdichte des Zusatzmagnetfeldes kleiner/gleich ein Zehntel der Flussdichte des Permanentmagnetfeldes der Permanentmagneteinrichtung (12) ist.
4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine vertikale Länge des oberen Luftspaltes und/oder eine vertikale Länge des unteren Luftspaltes (9) geregelt wird.
5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass in vertikaler Richtung auftretende Beschleunigungen geregelt werden.
6. Anordnung zum berührungslosen Transport eines Fahrzeuges auf einer Schienenanordnung, insbesondere zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der vorherigen Ansprüche, mit einer oberen C-förmigen ferromagnetischen Schiene (1) und einer unteren C-förmigen ferromagnetischen Schiene (2), die jeweils mindestens zwei
Enden (13, 14, 15, 16) aufweisen, einem fahrzeugseitig zwischen der oberen Schiene (1) und der unteren Schiene (2) angeordneten, fahrzeugseitig befestigten Erregerteil (3), das eine Permanentmagneteinrichtung (12) und mindestens zwei in seitlicher Richtung zueinander versetzte obere Polansätze (4, 5) und mindestens zwei in seitlicher Richtung zueinander versetzte untere Polansätze (6, 7) aufweist, wobei zwischen den beiden Enden (15, -16) der oberen Schiene (1 ) und dem Erregerteil (3) ein oberer Luftspalt (8) und zwischen den beiden Enden (13, 14) der unteren Schiene (2) und dem Erregerteil (3) ein unterer Luftspalt (9) ausgebildet. ist,
Stromleiterwicklungen (10, 11 , 20, 21), die um die Polansätze gewickelt sind, und einer mechanischen Begrenzung für einen unteren Mindestluftspalt, wobei eine vertikale Höhe (bj) der oberen Schiene (1) kleiner als eine Breite (br) der oberen Polansätze (4, 5) ist.
7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine vertikale Höhe der oberen Schiene (1) kleiner als die Breite (br) der oberen Polansätze (4, 5) ist.
8. Anordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens vier jeweils um einen Polansatz gelegte Stomleiterwicklungen vorgesehen sind, vorzugsweise eine untere linke Stromleiterwicklung (10), eine untere rechte Stromleiterwicklung (11), eine obere linke Stromleiterwicklung (20) und eine obere rechte Stromleiterwicklung (21).
9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass jede der um einen der Polansätze gelegte Stromleiterwicklungen eine eigene Regeleinrichtung (19) zugeordnet ist.
10. Anordnung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der um einen Polansätze gelegten Stromleiterwicklungen eine eigene Energieversorgung (18) zugeordnet ist.
11. Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass eine Linearantriebseinrichtung mit dem Erregerteil (3) fest verbunden ist, der in Wirkverbindung mit einer fahrbahnseitigen Reaktionsschiene (17) ist.
12. Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass das Erregerteil (3) mit einem in der gleichen Schiene wirkenden Führmagneten verbunden ist.
3. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine gemeinsame Rahmenanordnung für den Erregerteil (3) und den Führmagneten vorgesehen ist.
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