WO2003008225A1 - Integrierte magnetschwebeanordnung - Google Patents

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WO2003008225A1
WO2003008225A1 PCT/EP2001/008087 EP0108087W WO03008225A1 WO 2003008225 A1 WO2003008225 A1 WO 2003008225A1 EP 0108087 W EP0108087 W EP 0108087W WO 03008225 A1 WO03008225 A1 WO 03008225A1
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force
coil
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PCT/EP2001/008087
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Herbert Weh
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Herbert Weh
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L13/00—Electric propulsion for monorail vehicles, suspension vehicles or rack railways; Magnetic suspension or levitation for vehicles
    • B60L13/04—Magnetic suspension or levitation for vehicles
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K41/00—Propulsion systems in which a rigid body is moved along a path due to dynamo-electric interaction between the body and a magnetic field travelling along the path
    • H02K41/02—Linear motors; Sectional motors
    • H02K41/03—Synchronous motors; Motors moving step by step; Reluctance motors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2200/00—Type of vehicles
    • B60L2200/26—Rail vehicles
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K2201/00—Specific aspects not provided for in the other groups of this subclass relating to the magnetic circuits
    • H02K2201/12—Transversal flux machines

Definitions

  • the invention relates to an arrangement for the contactless transport of a vehicle on a rail arrangement.
  • the invention has for its object to enable the generation of propulsive force on a rail without excessively impairing the load and side force generation. This should advantageously be done with little effort and high efficiency of the three force-generating systems.
  • This object is achieved according to the invention by an arrangement for the contactless transport of a vehicle on a rail arrangement, which has at least the following features: a rail unit divided by a rail pole division, a longitudinal force generating device provided on the vehicle and having coils that wrap around magnetic units with a coil pole division in this way that a coil extends over one or more rail pole pitches, the articulated rail and the longitudinal force-generating motor device forming a single-stranded transverse flux motor, and a driving force generation can be set via an alternating current in the coil of the longitudinal force-generating device.
  • transverse flux motor By designing the transverse flux motor according to the invention, propulsion can be generated with relatively little expenditure on equipment.
  • a high degree of free space for designing the arrangement for generating a load-bearing force and generating a cornering force can be maintained and a high degree of efficiency can nevertheless be achieved.
  • a generation of load-bearing force and generation of lateral force can be carried out on the same rail unit.
  • the pole division of the coil units and the rail units can be selected the same, so that a “short stator variant” is achieved.
  • a coil unit can also extend over a plurality of rail pole divisions, so that a “long stator variant” is produced becomes.
  • C-shaped rails are used in conjunction with magnetic circuit parts which are also C-shaped on the guideway side, a simple geometric design of the guideway and vehicle can be achieved. With the same exciter arrangement, it is possible to generate both the load-bearing forces and the lateral forces which have a resetting effect on deflection and thus have a stabilizing effect. As a result, the control can advantageously be limited to the load stabilization. According to the invention, the propulsion and braking force formation can also be achieved via C-shaped rails.
  • Figure 1a is a side view or side sectional view with track-side rail elements according to an embodiment of the
  • Figure 1b shows a cross section through the arrangement of Figure 1a with a circuit arrangement
  • FIG. 2 shows a perspective view of an arrangement according to a further embodiment of the invention
  • FIG. 3 shows a perspective view of a conventional rail exciter part arrangement
  • Figure 4 is a perspective view of another embodiment with a combination of those shown in Figures 2 and 3
  • Figure 5 is a perspective view of another embodiment of the invention.
  • Figure 6 shows a cross section through an arrangement according to another
  • Figure 7 shows a cross section through an arrangement according to another
  • each rail unit 2 has two C-shaped rail elements 3, 4 which are spaced apart in the transverse direction and are open at the bottom and are made of a ferromagnetic material.
  • Each rail element 3, 4 is wrapped in the longitudinal direction by a coil, 5, 6, the coil extending on each rail element and in the opening of each C-shaped rail element.
  • a distance b s is provided in each case between the rail elements 3 which follow one another in the longitudinal direction and between the rail elements 4 which follow one another in the longitudinal direction.
  • exactly one armature coil 5, 6 is assigned to each rail element. Coils lying one behind the other in the longitudinal direction are flowed through by the current in different directions, so that an alternating pole arrangement is formed with coil axes pointing in the transverse or lateral direction and currents running in the longitudinal direction.
  • the field arrangement has the same pole pitch ⁇ as the stator arrangement and is also characterized by pole gaps b t between the flux-carrying iron parts 8, 9.
  • the main part of the magnetic flux is generated by permanent magnets 10 without power.
  • the field excitation used for stabilizing the levitation force is generated by an additional current in the coils 12, 13.
  • Permanent magnets 14 are used for stray field compensation. So that both coil sides 12, 13 have a magnetizing effect in this double-sided magnet arrangement, and the stray field compensation ensures minimal loading of the iron circuit, very high load ratings can be generated with this arrangement.
  • the lateral restoring force meets the requirements.
  • a propulsive force is generated by a current control in such a way that the alternating current is switched over in relation to the position of the exciter parts in the rhythm of the pole division.
  • the position shown in FIG. 1a corresponds to the greatest propulsive force of the cross-magnetized arrangement, while this disappears when the pole gaps face each other. In this position, the current change is advisable.
  • B f and B a are in this case the air gap induction, by the excitation system, or by the Armature coil are generated ⁇ is the air gap and b is the leg width of the arrangement.
  • the frequency converters 25 installed on the roadway side are controlled by signals from a pole position sensor 28, it being possible to set the magnitude of the driving force by specifying large or small current amplitudes.
  • the supply of the electrical energy will take place via a supply network 26.
  • transformations are also used to minimize line losses.
  • the current-carrying winding sections are expediently subdivided by switches and additional lines, depending on the mode of operation of the transport units, in such a way that their lengths are significantly smaller than the distances between the frequency converters.
  • the two rails lying side by side can also be operated such that the coils 5, 6 are fed by the rail elements 3, 4 with currents of different phase positions.
  • the rail elements 3, 4 then form a two-stranded three-phase system with transverse magnetization, the current offset being 90 ° and the currents being supplied by a two-stranded frequency converter.
  • the spatial arrangement of the rail elements should be selected so that the rail elements 3 and 4 are offset by ⁇ 12.
  • the Support jacking arrangements on the second side are operated in such a way that they also form an independent two-phase system. By offset of this system compared to that of the first page, a four-strand system results with minimal thrust pulsations overall.
  • the armature coils 34 and 5, 6 shown in FIG. 1 are to be considered as examples, depending on the voltage / current distribution, other designs of the armature windings with transverse magnetization are also conceivable. This can be the case in particular if only one conductor per rail element 3, 4 is used. Rail sections can be used, for example, by dividing a rail unit into three units and a corresponding division of the coils 5, 6 and 34 within a pole division ⁇ to reduce reluctance effects.
  • a suitable selection of the cross-sectional configuration and the use of the armature coils 34 can thus achieve a propulsive force in addition to the load-bearing capacity and lateral force on a rail.
  • the support elements 11 connected to the excitation part transmit both carrying and driving forces to the respective frames, which are elastically connected to the vehicle body.
  • the force distribution on the two sides of the vehicle is largely symmetrical.
  • non-structured C-rails 17 can be used.
  • the excitation parts continue to provide the load-bearing function in full.
  • the arrangement shown in FIGS. 6 and 7 for the short stator variant, which is symmetrical with respect to the support elements 11, can also be used for the active rails of the long stator version.
  • a short stator variant is shown in FIG. It has advantages with regard to an inexpensive lane design with improved design options for the operation of traffic systems with numerous train units.
  • the armature current is carried in coils of vehicle-mounted motor elements during the formation of the propulsion.
  • the size of the motor gap which is identical to the floating gap, is achieved to achieve good efficiency, in particular by means of field excitation by means of permanent magnets. This results in a very small motor gap.
  • the excitation takes place via an exciter unit, which is also C-shaped, or a motor element 40, which is arranged essentially transversely to the roadway.
  • the collector arrangement is divided by permanent magnets 36 and ferromagnetic elements 38, which alternately form polarized magnets.
  • the pole extensions of the articulated rail are located at a distance from the pole pitch ⁇ on different sides of the C-shaped arrangement and are formed by two ferromagnetic rail elements 30, 31 shaped in mirror image.
  • the currents of the coil 34 are supplied in accordance with the position of the motor 40 relative to the rail as an alternating current via a direct current-alternating current (DC / AC) frequency converter 27.
  • the sides of the coil in the direction of travel carry the magnetizing current.
  • the design of the motor corresponds to the concept of a transverse flux motor.
  • the frequency converter 2 is transmitted to the frequency converter by the sensor signals from the pole position sensor 28 and the control unit 15.
  • the energy is supplied via a busbar 29, the voltage Us of which is made available to the DC-AC frequency converter 27 via a sliding contact 32.
  • the magnitude of the voltage Ua supplied to the coils determines the magnitude of the currents in the coil 34 and leads to a thrust that is essentially proportional to the current.
  • the use of a pole pitch that is not too large is favorable.
  • a lower limit can be chosen if the implementation of the high frequencies makes it difficult to implement the frequency converter and the resulting iron losses in the rail area adversely affect the efficiency.
  • the coils 34 encircle a larger number of magnet units of permanent magnets 36 and electromagnets 38. Since first-order motor arrangements result in a strongly fluctuating thrust course, the combination of several motor units 40, 44, their arrangement and currents are spatially or temporally offset are a sensible measure. The compensation of pulsating force components is then achieved by mechanically connecting these motor elements, as shown for example in FIG. 5.
  • the thrust units integrated in the racks comprise both a plurality of motor elements 20 arranged one behind the other as well as a number of excitation parts which form the load-bearing capacity.
  • FIG. 4 the arrangement of a motor 40, which acts as a thrust element, and a support element 41, which interact with the common articulated rail unit 42, is shown.
  • the two elements 40, 41 can be designed to optimize the respective force components of the propulsive force F x and transverse force F y .
  • the motor 40 generates the propulsive force F x with a high tangential force density
  • the support element 41 generates the transverse force F y with a high normal force density.
  • an expedient embodiment is also possible if the rail unit 42 is predominantly used for the operation of motor elements 40, 44 and the support elements act in parallel on the non-structured C-shaped rail 17.
  • the rails 42 and 17 can be integrated side by side into the carriageway 1, for example on one side.
  • the exciter arrangement which is symmetrical with respect to the supporting element 11 is appropriately used in accordance with FIG. 6.
  • the magnetic effects generated by the support element in a double-sided unit act on the rails 51, 52 lying next to one another. They are mainly caused by the permanent magnet 43, but also include the portion of the control coil necessary for stabilization, the magnetizing coil sides of which are marked by 54, 55. With this pair of coils, one side can be largely de-energized, while the opposite side is strengthened in its magnetic effect. For example, the left side can be made magnetically ineffective for a short time, while the right-hand and lateral forces are strengthened. On command from the vehicle, this can be introduced into a branch line without having to adjust stationary parts of the route.
  • the adjustable currents of the coils 56 to 59 can also be used to dampen lateral movements of the vehicle. In addition, additional measures can be taken to increase the lateral forces in the switch area.
  • the method described here can also be correspondingly transferred to the long starter variant shown in FIG.
  • the generation of propulsive forces is advantageously dispensed with for these rail sections.
  • motor elements can also be designed on both sides for the formation of propulsion.
  • Magnetizable conductors 62, 64 are used within the respective transverse magnetic circuit.
  • the magnetic field closes via the magnetic circuit 66, 68 or 70, 72. In this way, parts of the losses in action can be reduced and mass parts on the exciter side can be restricted.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zum berührungslosen Transport eines Fahrzeuges auf einer Schienenanordnung. Um eine Vortriebskraft an einer Schiene mit geringem Aufwand und hoher Effizienz zu ermöglichen ohne die Trag- und Seitenkrafterzeugung allzu stark zu beeinträchtigen, weist die Anordnung auf: eine durch eine Schienen-Polteilung gegliederte Schieneneinheit (42); eine am Fahrzeug vorgesehene Längskraft erzeugende Einrichtung, die Magneteinheiten umschlingende Spulen mit einer Spulen-Polteilung derartig aufweist, dass sich eine Spule über eine oder mehrere Schienen-Polteilungen erstreckt, wobei die gegliederte Schieneneinheit und die Längskraft erzeugende Motoreinrichtung einen einsträngigen Transversalflussmotor bilden, und eine Vortriebskrafterzeugung über einen Wechselstrom in der Spule der Längskraft erzeugenden Einrichtung einstellbar ist.

Description

Integrierte Magnetschwebeanordnung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum berührungslosen Transport eines Fahrzeuges auf einer Schienenanordnung.
Bei dem berührungslosen Transport von Schwebefahrzeugen sind Kräfte in Vortriebsrichtung (Beschleunigung, Abbremsung), in Seitenrichtung oder Querrichtung (Seitenführung) und in vertikaler Richtung (Tragkraft) zu erzeugen. Hierbei müssen die erforderlichen Einrichtungen zur Erzeugung dieser Kräfte in der Schiene beziehungsweise in dem Fahrzeug so angeordnet werden, dass die erforderlichen Kräfte in allen drei Richtungen immer sicher erzeugt werden können. Hierbei treten Bauraumprobleme auf, die zum Teil durch Anordnung der verschiedenen krafterzeugenden Einrichtungen an verschiedenen Schienen gemildert werden können. Die DE 199 16 971 A1 zeigt ein derartiges System. Durch Verwendung mehrerer Schienen in einer Fahrbahn werden jedoch die Herstellungs-, Betriebs-, und Wartungskosten deutlich erhöht. Weiterhin müssen durch die erhebliche Gewichtserhöhung wiederum leistungsfähigere und damit teurere und schwerere krafterzeugende Einrichtungen verwendet werden.
Somit kann bei einem allzu aufwendigen System die Anwendbarkeit, Leistungsfähigkeit und Wirtschaftlichkeit beeinträchtigt sein.
Weiterhin ist für ein wirtschaftliches System eine einfache Ausführung der Weichen erforderlich, die bei dem System der DE 199 16 971 A1 problematisch ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vortriebskrafterzeugung an einer Schiene zu ermöglichen, ohne die Trag- und Seitenkrafterzeugung allzu stark zu beeinträchtigen. Dies soll vorteilhafterweise mit geringem Aufwand und hoher Effizienz der drei krafterzeugenden Systeme erfolgen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch Anordnung zum berührungslosen Transport eines Fahrzeuges auf einer Schienenanordnung, das mindestens folgende Merkmale aufweist: eine durch eine Schienen-Polteilung gegliederte Schieneneinheit, eine am Fahrzeug vorgesehene Längskraft erzeugende Einrichtung, die Magneteinheiten umschlingende Spulen mit einer Spulen-Polteilung derartig aufweist, dass sich eine Spule über eine oder mehrere Schienen-Polteilungen erstreckt, wobei die gegliederte Schiene und die Längskraft erzeugende Motoreinrichtung einen einsträngigen Transversalflussmotor bilden, und eine Vortriebskrafterzeugung über einen Wechselstrom in der Spule der Längskraft erzeugenden Einrichtung einstellbar ist.
Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Transversalflussmotors kann eine Vortriebsbildung mit relativ geringem apparativen Aufwand erzeugt werden. Hierbei kann insbesondere ein hoher Freiraum zur Gestaltung der Anordnung für eine Tragkrafterzeugung und eine Seitenführungskrafterzeugung gewahrt bleiben und dennoch ein hoher Wirkungsgrad erreicht werden. Hierbei kann insbesondere eine Tragkrafterzeugung und Seitenkrafterzeugung an der gleichen Schieneneinheit vorgenommen werden.
Erfindungsgemäß kann hierbei insbesondere die Polteilung der Spuleneinheiten und der Schieneneinheiten gleich gewählt werden, so dass eine „Kurzstator- Variante " erreicht wird. Alternativ hierzu kann-sich eine Spuleneinheit auch über mehrere Schienen-Polteilungen erstrecken, so dass eine „Langstator-Variante" erzeugt wird.
Bei einer Verwendung von C-förmigen Schienen in Verbindung mit ebenfalls C-förmig ausgeführten Magnetkreisteilen auf der Fahrwegseite kann eine einfache geometrische Ausführung von Fahrweg und Fahrzeug erreicht werden. Es können mit ein und derselben Erregeranordnung sowohl die Trag- als auch die bei Auslenkung rückstellend und somit stabilisierend wirkenden Seitenkräfte erzeugt werden. Hierdurch kann vorteilhafterweise die Regelung auf die Tragkraftstabilisierung beschränkt werden. Erfindungsgemäß kann hierbei auch die Vortriebs- und Bremskraftbildung über C-förmige Schienen erreicht werden.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen an einigen Ausführungsformen erläutert. Es zeigen:
Figur 1a eine Seitenansicht oder seitliche Schnittansicht mit fahrbahn- seitigen Schienenelementen gemäß einer Ausführungsform der
Erfindung;
Figur 1b einen Querschnitt durch die Anordnung von Figur 1a mit einer Schaltungsanordnung;
Figur 2 eine perspektivische Ansicht einer Anordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
Figur 3 eine perspektivische Ansicht einer herkömmlichen Schienen-Erre- gerteil-Anordnung;
Figur 4 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform mit einer Kombination der in den Figuren 2 und .3 gezeigten
Anordnungen an gemeinsamer Schiene;
Figur 5 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform der
Erfindung mit seitlich nebeneinander in einer Fahrbahn angeordneten Anordnungen aus Figur 2 und 3;
Figur 6 einen Querschnitt durch eine Anordnung gemäß einer weiteren
Ausführungsform der Erfindung;
Figur 7 einen Querschnitt durch eine Anordnung gemäß einer weiteren
Ausführungsform der Erfindung. Gemäß Figur 1a, 1b sind in einer Fahrbahn 1 mehrere in Längsrichtung beziehungsweise Fahrtrichtung zueinander beabstandete Schieneneinheiten 2 angebracht. Jede Schieneneinheit 2 weist gemäß Figur 1 b zwei in Querrichtung zueinander beabstandete, C-förmige, nach unten offene Schienenelemente 3, 4 aus einem ferromagnetischen Material auf. Jedes Schienenelement 3, 4 ist in Längsrichtung von einer Spule, 5, 6 umschlungen, wobei die Spule sich jeweils auf jedem Schienenelement und in der Öffnung jedes C-förmigen Schienenelementes erstreckt. Zwischen den in Längsrichtung aufeinander folgenden Schienenelementen 3 sowie zwischen den in Längsrichtung aufeinander folgenden Schienenelementen 4 ist jeweils ein Abstand bs vorgesehen. Bei dieser Ausführungsform, die zum Beispiel als Langstator- Variante bezeichnet werden kann, ist jedem Schienenelement genau eine Ankerspule 5, 6 zugeordnet. In Längsrichtung hintereinander liegende Spulen werden in unterschiedlicher Richtung vom Strom durchflössen, so dass eine Wechselpolanordnung mit in Querrichtung beziehungsweise seitlicher Richtung weisenden Spulenachsen und in Längsrichtung verlaufenden Strömen entsteht.
Die Erregerteilanordnung besitzt hierbei die gleiche Polteilung τ wie die Statoranordnung und ist ebenfalls durch Pollücken bt zwischen den flussführenden Eisenteilen 8, 9 gekennzeichnet. Der Hauptteil des magnetischen Flusses wird durch Permanentmagnete 10 leistungslos erzeugt. Über einen zusätzlichen Strom in den Spulen 12, 13 wird die zur Schwebekraft-Stabilisierung verwendete Felderregung erzeugt. Permanentmagnete 14 sind zur Streufeldkompensation eingesetzt. Damit in dieser doppelseitigen Magnetanordnung beide Spulenseiten 12, 13 magnetisierend wirksam werden, und die Streufeldkompensation für minimale Belastung des Eisenkreises sorgt, lassen sich mit dieser Anordnung sehr hohe Tragzahlen erzeugen. Die seitliche Rückstellkraft entspricht den Anforderungen. Auf der Fahrbahnseite wird eine Vortriebskraft erzeugt durch eine Stromsteuerung derartig, dass der Wechselstrom in Bezug zur Lage der Erregerteile im Polteilungsrhythmus umgeschaltet wird. Die in Figur 1a gezeichnete Position entspricht der größten Vortriebskraft der quermagnetisierten Anordnung, während diese bei sich gegenüberstehenden Pollücken verschwindet. Bei dieser Position erfolgt zweckmäßig der Stromwechsel.
Bei der in Figur 1a gezeigten Schenkelpaarung kann für einen Luftspaltraum 2b ' δ eine wirksame Vortriebskraft von Fx = 4B(Ba ■ b/μ0. erzielt werden. Bf und Ba sind hierbei die Luftspaltinduktionen, die vom Erregersystem beziehungsweise von der Ankerspule erzeugt werden δ ist der Luftspalt und b die Schenkelbreite der Anordnung.
Die auf der Fahrbahnseite installierten Frequenzwandler 25 werden hierzu durch Signale eines Pollagesensors 28 angesteuert, wobei die Größe der Vortriebskraft durch Vorgabe großer oder kleiner Stromamplituden gestellt werden kann. Die Zuführung der elektrischen Energie wird über ein Zuleitungsnetzwerk 26 erfolgen. Hierbei werden auch Transformationen zur Minimierung der Leitungsverluste angewendet. Zwischen dem Frequenzwandler 25 und den Ankerspulen 34 werden zweckmäßigerweise und abhängig von der Betriebsform der Transporteinheiten durch Schalter und zusätzliche Leitungen die stromführenden Wicklungsabschnitte so unterteilt, dass ihre Längen deutlich kleiner als die Abstände der Frequenzwandler ausgeführt werden.
Gemäß Figur 1b können die beiden seitlich nebeneinander liegenden Schienen auch so betrieben werden, dass die Spulen 5, 6von den Schienenelemente 3, 4 mit Strömen unterschiedlicher Phasenlage gespeist sind. Die Schienenelemente 3, 4 bilden dann ein zweisträngiges Drehstromsystem mit Quermagnetisierung, wobei der Stromversatz 90° beträgt und die Ströme von einem zweisträngigen Frequenzwandler geliefert werden. In diesem Fall ist die räumliche Anordnung der Schienenelemente so zu wählen, dass die Schienenelemente 3 und 4 um τ 12 versetzt sind. Vorteilhafterweise können die Trag-Vortriebsanordnungen der zweiten Seite so betrieben werden, dass diese ebenfalls ein eigenständiges Zweiphasensystem bildet. Durch Versatz dieses Systems gegenüber jenem der ersten Seite ergibt sich ein viersträngiges System mit insgesamt minimalen Schubpulsationen. Hierbei sind die gezeigten Ankerspulen 34 beziehungsweise 5, 6 von Figur 1 als Beispiel zu betrachten, wobei je nach Spannungs-/ Stromaufteilung auch andere Ausführungen der Ankerwicklungen bei Quermagnetisierung denkbar sind. Dies kann insbesondere dann der Fall sein, wenn nur ein Leiter je Schienenelement 3, 4 eingesetzt wird. Hierbei können Schienengliederungen zum Beispiel unter Teilung von einer Schieneneinheit in drei Einheiten und einer entsprechende Aufteilung der Spulen 5, 6 beziehungsweise 34 innerhalb einer Polteilung τ zur Verringerung von Reluktanzeffekten verwendet werden.
Erfindungsgemäß kann somit durch geeignete Auswahl der Querschnittsgebung und Verwendung der Ankerspulen 34 eine Vortriebskraft zusätzlich zu der Tragkraft und Seitenkraft an einer Schiene erreicht werden.
Im Falle einer Betriebsstörung ist die Tragfunktion davon unberührt, sofern die Stromversorgung der Spulen 12 gesichert bleibt. Da der Hauptanteil der Mag- netfelder durch Permanentmagnet erzeugt wird, ist der Energieverbrauch für die Schwebefunktion sehr gering. Es wird dabei dem Gesichtspunkt Rechnung getragen, dass unter dem Fahrzeug ein hoher Bedeckungsgrad durch die Erregerteile vorhanden ist und somit die Schub- und Tragkraftbildung annähernd gleichmäßig über die gesamte Fahrzeuglänge verteilt ist. Die erforderliche Strombelastung für die Ankerspule ist relativ gering. Die stromabhängigen Verluste der Entwicklungen sind damit sehr gering; es können bei gegebenen Spulenquerschnitten verhältnismäßig lange Entwicklungsabschnitte der Statorwicklung (deutlich länger als die Zuglänge) an Spannung gelegt werden. Die hierzu erforderlichen Schalter- und die Frequenzwandler-Aufwendungen lassen sich auf angemessene Werte begrenzen. Wie Figur 1 b zu entnehmen ist, übertragen die mit dem Erregerteil verbundenen Stützelemente 11 sowohl Trag- als auch Antriebskräfte auf die jeweiligen Gestelle, die mit dem Fahrzeugkörper elastisch verbunden sind. Die Kraftverteilung auf die beiden Fahrzeugseiten ist dabei weitgehend symmetrisch. In Abschnitten, in denen eine Antriebswirkung nicht vorgenommen wird, können ungegliederte C-Schienen 17 eingesetzt werden. Hierbei wird von den Erregerteilen die Tragfunktion weiter in vollem Umfang erbracht. Im Falle von magnetischen Weichen ist die in den Figuren 6 und 7 für die Kurzstator-Variante dargestellte, im Bezug auf die Stützelemente 11 symmetrische Anordnung auch für die aktive Schienen der Langstator-Version anwendbar.
In Figur 2 ist eine Kurzstator-Variante gezeigt. Sie weist Vorteile auf mit Blick auf eine kostengünstige Fahrbahnausführung in verbesserter Gestaltungsmögiich- keiten für die Betriebsweise von Verkehrssystemen mit zahlreichen Zugein- heiten. Bei dieser Kurzstator-Variante wird bei der fahrzeuggebundenen Vortriebsbildung der Ankerstrom in Spulen von fahrzeugfesten Motorelementen geführt. Die mit dem Schwebespalt identische Größe des Motorspaltes wird zur Erreichung eines guten Wirkungsgrades insbesondere mittels einer Felderregung durch Permanentmagnete erreicht. Hierdurch wird ein sehr kleiner Motor- spalt erreicht. Hierbei wird eine passiv ferromagnetische Schiene 42 mit C-förmi- gem Querschnitt in gegliederter Form, wie in Figur 2 gezeigt wird, eingesetzt. Die Erregung erfolgt über eine ebenfalls C-förmig ausgebildete Erregereinheit beziehungsweise ein Motorelement 40, das im Wesentlichen quer zur Fahrbahn angeordnet ist. Die Sammleranordnung wird durch Permanentmagnete 36 und fer- romagnetische Elemente 38 gegliedert, wobei diese abwechselnd polarisierte Magnete bilden. Die Polansätze der gegliederten Schiene finden sich im Abstand der Polteilung τ auf verschiedenen Seiten der C-förmigen Anordnung und werden durch zwei spiegelbildlich geformte ferromagnetische Schienenelemente 30, 31 gebildet. Die Ströme der Spule 34 werden der Position des Motors 40 gegenüber der Schiene entsprechend als Wechselstrom über einen Gleichstrom-Wechselstrom- (DC/AC-)Frequenzumrichter 27 zugeführt. Die in Fahrtrichtung liegenden Spulenseiten führen den magnetisierenden Strom. Insoweit entspricht die Bauform des Motors dem Konzept eines Transversalflussmotors. Der Rhythmus des Ausschaltens des Halbschwingungen der in Figur 2 gezeigten Spannung Ua wird durch die Sensorsignale von dem Pollagesensor 28 und der Steuereinheit 15 dem Frequenzwandler übermittelt. Die Energiezufuhr erfolgt, wie am Beispiel von Figur 2 dargestellt, über eine Stromschiene 29, deren Spannung Us über einen Schleifkontakt 32 dem Gleichstrom-Wechselstrom- Frequenzumrichter 27 zur Verfügung gestellt wird. Die Größe der den Spulen zugeführten Spannung Ua bestimmt die Größe der Ströme in der Spule 34 und führt zu einem Schub, der im Wesentlichen dem Strom proportional ist. Für die Größe der erzielbaren Kraft ist die Anwendung einer nicht zu großen Polteilung günstig. Eine untere Grenze kann gewählt werden, wenn die Verwirklichung der hohen Frequenzen die Ausführung des Frequenzumrichters erschwert, und die entstehenden Eisenverluste im Schienenbereich sich auf den Wirkungsgrad nachteilig auswirken.
Durch Motoranordnungen der erfindungsgemäß beschriebenen Art werden verhältnismäßig hohe Kraftdichten erzielt, wobei vorteilhafterweise die Erregung der Motorelemente durch Permanentmagnete 36 mit hohen Remanenzinduktionen erfolgt.
Wie in Figur 2 gezeigt, umschlingen die Spulen 34 eine größere Anzahl von Magneteinheiten von Permanentmagneten 36 und Elektromagneten 38. Da erstrangige Motoranordnungen einen stark schwankenden Schubverlauf zur Folge haben, ist die Kombination mehrerer Motoreinheiten 40, 44, deren Anordnung und Ströme räumlich beziehungsweise zeitlich versetzt sind, eine sinnvolle Maßnahme. Der Ausgleich pulsierender Kraftanteile wird dann durch mechanische Verbindung dieser Motorelemente erzielt, wie zum Beispiel in Figur 5 gezeigt.
Vorteilhafterweise umfassen die in Gestellen integrierten Schubeinheiten sowohl mehrere hintereinander angeordnete Motorelemente 20 als auch mehrere tragkraftbildende Erregerteile. Gemäß Figur 4 wird die Anordnung von je einem als Schubelement wirkenden Motor 40 und einem Tragelement 41 gezeigt, die in Wechselwirkung mit der gemeinsamen gegliederten Schieneneinheit 42 stehen. Die beiden Elemente 40, 41 können zur Optimierung der jeweiligen Kraftkomponente der Vortriebskraft Fx und Querkraft Fy ausgelegt sein. Hierbei erzeugt der Motor 40 die Vortriebskraft Fx mit hoher tangentialer Kraftdichte, wahrend das Tragelement 41 die Querkraft Fy mit hoher Normalkraftdichte erzeugt.
Wie in Figur 5 gezeigt, ist eine zweckmäßige Ausführungsform auch möglich, wenn die Schieneneinheit 42 überwiegend zum Betrieb von Motorelementen 40, 44 genutzt wird und die Tragelelemente parallel auf die nicht gegliederte C-förmige Schiene 17 wirken. Die Motoren 40, 44 sind miteinander verbunden und zum Beispiel entsprechend einem Längenversatz von τ 12 beziehungsweise α2= a1 + π/2 mit um 90° verschobenen Strömen betrieben. Die Schienen 42 und 17 lassen sich nebeneinander in die Fahrbahn 1 , zum Beispiel auf einer Seite, integrieren.
Für weichengängige Querschnittsvarianten wird zweckmäßig die zum Stützelement 11 symmetrische Erregeranordnung entsprechend Figur 6 herangezogen. Auf die nebeneinander liegenden Schienen 51 , 52 wirken die vom Tragelement in einer doppelseitigen Einheit erzeugt magnetischen Wirkungen. Sie werden in der Hauptsache von dem Permanentmagneten 43 hervorgerufen, umfassen aber auch den zur Stabilisierung notwendigen Anteil der Regelspule, deren magnetisierende Spulenseiten durch 54, 55 markiert sind. Durch dieses Spulenpaar kann eine Seite weitgehend entregt werden, während die Gegenseite in ihrer magnetischen Wirkung verstärkt wird. So kann beispielsweise die linke Seite kurzzeitig magnetisch unwirksam gemacht werden, während rechts Trag- und Seitenkräfte verstärkt werden. Auf Befehlsgabe aus dem Fahrzeug kann dieses in eine Abzweiglinie eingeleitet werden, ohne dass stationäre Teile des Fahrwegs verstellt werden müssen. Die stellbaren Ströme der Spulen 56 bis 59 lassen sich auch zur Dämpfung seitlicher Bewegungen des Fahrzeuges einsetzen. Ergänzend können zur Verstärkung der Seitenkräfte im Weichenbereich zusätzliche Maßnahmen ergriffen werden.
Das hier beschriebene Verfahren kann auch auf die in Figur 1 gezeigte Lang- Startervariante entsprechend übertragen werden. Für diese Schienenabschnitte wird vorteilhafterweise auf die Erzeugung von Vortriebskräften verzichtet.
Gemäß Figur 7 können auch für die Vortriebsbildung Motorelemente doppelseitig ausgeführt sein. Hierbei kommen magnetisierbare Leiter 62, 64 innerhalb des jeweiligen transversalen Magnetkreises zum Einsatz. Das magnetische Feld schließt sich über den Magnetkreis 66, 68 beziehungsweise 70, 72. So können Anteile der Wirkungsverluste reduziert und Massenanteile auf der Erregerseite eingeschränkt werden.
Bezugszeichenliste
Fahrbahn
Schieneneinheit
Schienenelement
Schienenelement
Ankerspule
Ankerspule
Erregerteil
Eisenteil
Eisenteil
Permanentmagnet
Stützelement
Spule
Spule
Permanentmagnet
Steuereinheit
Erregerteil
Schieneneinheit
Eisenkörper
Magnet
Erregerspule
Spaltsensor
Gleichspannungswandler
Frequenzwandler
Zuleitungsnetzwerk
DC/AC-Wandler
Stromschiene Schienenelement
Schleifkontakt
Spule
Permanentmagnet
ferromagnetische Elemente
Motor
Tragelement
Schieneneinheit
Motor
Stützelement
Schienenelement
Schienenelement
Permanentmagnet
Regelspule
Regelspule
Linke Spule(nhälfte)
Linke Spule(nhälfte)
Rechte Spule(nhälfte)
Rechte Spule(nhälfte) magnetisierbarer Leiter
magnetisierbarer Leiter
Elektromagnet
Schieneneinheit
Elektromagnet
Stützelement
Schieneneinheit

Claims

Patentansprüche
1. Anordnung zum berührungslosen Transport eines Fahrzeuges auf einer Schienenanordnung, das mindestens folgende Merkmale aufweist: eine durch eine Schienen-Polteilung gegliederte Schieneneinheit ( 42) eine am Fahrzeug vorgesehene Längskraft erzeugende Einrichtung, die Magneteinheiten umschlingende Spulen mit einer Spulen-Polteilung derartig aufweist, dass sich eine Spule über eine oder mehrere Schienen- Polteilungen erstreckt, wobei die gegliederte Schieneneinheit und die Längskraft erzeugende Motoreinrichtung einen einsträngigen Transversalflussmotor bilden, und eine Vortriebskrafterzeugung über einen Wechselstrom in der Spule der Längskraft erzeugenden Einrichtung einstellbar ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu der Längskraft erzeugenden Einrichtung eine am Fahrzeug vorgesehene Tragkaft erzeugende Einrichtung mit mehreren Schwebeeinheiten und/oder eine am Fahrzeug vorgesehene Seitenkraft erzeugende Einrichtung der Schieneneinheit zugeordnet ist.
3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Tragkraft- und Seitenführungskraft erzeugender Magnet (20) vorgesehen ist, der eine ferromagnetische C-förmige Schiene (17) aufweist, wobei die Tragkräfte durch spaltabhängig geregelte Gleichströme in einer Spule (21) des Magneten (20) stabilisierbar sind.
4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Tragkraft- und Seitenführungskraft erzeugende Magnet zur Tragkraftbildung für die Erzeugung des Magnetflusshauptanteils Permanentmagneten enthält, und die stromführende Spule zweiseitig zur Magnetisierung nutzbar ist und der Streufeldanteil weitgehend durch die Permanentmagnete kompensierbar ist.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Spuleneinheiten (21) jeweils einer Schieneneinheit (17) zugeordnet sind.
6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich eine Spuleneinheit (34) über mehrere Schienen-Polteilungen erstreckt.
7. Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere einsträngige Motorelemente für eine Vortriebsbildung vorgesehen sind, deren Anordnung einen Polteilungsversatz aufweisen und deren Phasenströme sich um eine entsprechende Phasenverschiebung unterscheiden, und gleichzeitig Tragkräfte in mehreren gleichartig aufgebauten Magneten erzeugbar sind.
8. Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Motorelemente zur Vortriebsbildung derartig ausgebildet sind, dass im Querschnitt einer Fahrzeugseite eine zweisträngige Motoranordnung mit einer Phasenverschiebung der Ströme um 90° gebildet ist.
. Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Motorelement zusätzlich zur Erregung durch Permanentmagnete eine stellbare Stromerregung aufweist und durch das
Motorelement ein regelbarer Normalkraftanteil zur Tragkraft beisteuerbar ist.
10. Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magneten und/oder die Motorelemente zur Vortriebsbildung zur Ausbildung von starren Weichen symmetrisch zu einem Stützelement ausgeführt sind.
11. Verfahren zum berührungslosen Transport eines Fahrzeuges auf einer
Schienenanordnung unter Verwendung einer Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche.
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Citations (4)

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