DE102009025337A1

DE102009025337A1 - Tragmagnet mit Permanentmagneten und Stromstellung

Info

Publication number: DE102009025337A1
Application number: DE102009025337A
Authority: DE
Inventors: Herbert Weh
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-07-10
Filing date: 2009-06-18
Publication date: 2010-01-14
Anticipated expiration: 2029-06-19
Also published as: DE102009025342B4; DE102009025337B4; DE102009025342A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein kombiniertes Trag-Vortriebssystem in linearer Bauform, deren hauptsächliche Magnetfeldanteile durch Permanentmagneten erzeugt werden, und das Primärteil eine Wechselstrom führende Wicklung aufweist, und deren vom Erregerteil erzeugte Felddichte betriebsabhängig durch elektrische Eingriffe mit geringer Leistung veränderbar ist, (Fig. 2c).

Description

Stand der Technik
Für den Betrieb eines kombinierten Tag-Vortriebssystems auf der Grundlage der magnetischen Feldwirkung bestehen mehrere Grundvoraussetzungen. Sie beziehen sich auf den sicheren Betrieb, d. h. die Beachtung von Vorkehrungen auch in Extremsituationen, und verlangen darüber hinaus die Einhaltung von Komfortbedingungen, insbesondere bei Einsatz im Personenverkehr.
Da elektrische und elektronische Geräte und Einrichtungen nicht fehlerlos arbeiten, wird hierbei in aller Regel eine Systemredundanz vorausgesetzt und als Mittel einer Fehlerbeschränkung herangezogen. Durch eine reichliche Auslegung der Systemkomponenten wird bei Auftreten eines Fehlers an einem oder nur wenigen von vielen Geräten eine Systembeeinträchtigung vermieden. Zusätzlich wird die Fehlerhäufigkeit dadurch beschränkt, dass die einzelnen Geräte eine hohe Mindestbetriebsdauer nachzuweisen haben. Letzteres hängt, außer von der Herstellungsqualität, vom Komplexheitsgrad des Gerätes ab. Es ist bekannt, dass bei elektronischen Geräten die Zahl der Einzelbauteile, etwa die Zahl der verwendeten Transistoren, in typischer Weise die Mindestbetriebsdauer bestimmen. So ist z. B. einleuchtend, dass elektronische Steller, die zur Strombeeinflussung über einen Ausgang für nur eine Stromrichtung verfügen, also z. B. ein 2Q-Steller, halb so komplex sind wie Geräte mit einem Ausgang für zwei Stromrichtungen, die als 4Q-Steller bezeichnet werden. Entsprechend verhält sich auch die statistisch zu erwartende Mindestbetriebsdauer. Letztere wird auch als die MTBF-Zeiten bezeichnet.
Es wird ersichtlich, dass aus Gründen der Wartungsbeschränkung den Systemen mit einfacherer Geräteausstattung ein Vorzug eingeräumt wird. Dies ist z. B. ein Grund, weshalb beim gegebenen Stand der Technik der auf Basis der elektrisch erregten Trag-Vortriebsmagneten beruhenden Systemvariante vor einer permanenterregten Variante der Vorzug gegeben wird. Bei letzterer ist bekannt, dass trotz des offensichtlichen Vorteils der Erregung durch Permanentmagneten wegen der aufwendigen Feldstelltechnik der Weg zur Anwendung verschlossen bleibt. Im Falle der elektrisch erregten Magneten lässt sich die Feldstellung durch 2Q-Steller bewirken, während im Falle der Permanentmagneten der Strom in zwei Richtungen mit Hilfe von 4Q-Stellern verändert werden muss. Bekannt ist, dass die im Mittel zur Erzeugung der magnetischen Felder erforderliche Leistung je Tonne Fahrzeuggewicht zwischen 1,5 bis 2 kW liegt. Dank einer nur zur Stellung einer Stromrichtung benötigten Elektronik werden MTBF-Zeiten von 10–20.10³ h erwartet. Wichtig ist dabei, dass der Ausfall der Elektronik über den Abschaltvorgang des Stromes zu einem Tragkraftschwund, d. h. zum Absenken des Magnets, weg von der Fahrbahn führt. Die befürchtete magnetkraftbedingte Schienenberührung wird so vermieden.
Es besteht allerdings kein Zweifel, dass das bestehende Erregerkonzept auf der Basis der Stromerregung nicht die Grenze der systemoptimalen Tragtechnik sein kann. Durch die Wicklungsverluste der Magneten wird eine sehr aufwendige Stromversorgung an Bord der Fahrzeuge erforderlich. Sie basiert auf einer in den Magneten selbst untergebrachten Generatorkomponente, die dabei ihrerseits die Wirksamkeit der Magnete einschränkt sowie auf einer Energiepufferung durch die Bordbatterie. Der Gewichtsanteil dieser Einrichtungen stellt eine unerfreuliche Nebenwirkung für die Antriebsauslegung und die Leistungsaufnahme der Fahrzeuge dar.
Die Vermeidung der aufwendigen Leistungsbereitstellung für die Tragtechnik gelingt auf der Grundlage von Permanentmagneten. In Kombination mit einer aufwandsarmen Stelltechnik für den von ihnen erzeugten Magnetfluss kann eine deutlich effizientere Systemlösung entstehen. Die Erregerstärke der Permanentmagnete kann dazu dienen, dass die magnetischen Tragkräfte auch an einem deutlich vergrößerten Spalt gegenüber der Tragschiene erzeugt werden. Durch den größeren Spalt wäre das System nicht in gleicher Weise an sehr enge Genauigkeitsförderungen für die Verlegung der Fahrbahn gebunden. Eine deutliche Kostensenkung für die Fahrbahntrasse stünde in Aussicht. Es sollte darüber hinaus möglich sein, durch abgesenkte Erregerleistung und Einschränkung des Bereitstellungsaufwands zu leichteren Fahrzeugen zu kommen. Die erforderliche Bordleistung ließe sich über eine induktive Einkopplung, unabhängig von den Erregermagneten, gestalten. Bereits in früheren Patenten, wie z. B. in DE 27 31 818 wurden Lösungsvorschläge für die Anwendung von Permanentmagneten in der magnetischen Tragtechnik gemacht. Für die Steuerwicklung wurde dabei nach Bild 1 die Anordnung in der Pollücke am Luftspalt gewählt. Dies trägt ersichtlich dazu bei, dass die Polbreite eingeschnürt wird. Um ausreichend hohe Sammelfaktoren zu verwirklichen, wird im Pol eine Art Doppel-V-Geometrie zur Anordnung der Permanentmagnete gewählt. Dies wiederum verkleinert die Feldaustrittsfläche zusätzlich. Es werden so mit anderen Worten suboptimale Verhältnisse für den Feldaustritt am Luftspalt herbeigeführt und die Erzeugung einer kleinen Kraftdichte begünstigt. Ähnliches zeigt sich auch im Falle der Magnetgeometrie nach Bild 2.
Im Patent DE 29 25 867 wird gezeigt, wie durch Einsatz einer kombiniert longitudinal/transversalen Geometrie der Tragmagneten in Verbindung mit einer in Längsrichtung verlaufenden Steuerwicklung das Problem der stellbaren Magnetkraft bei hauptsächlicher Erregung durch Permanentmagnete gelöst werden kann. Es wird durch die Bilder 2, 3, aber auch 4 erkennbar, dass es bei der vorliegenden Magnetform schwer fällt, einen Sammelfaktor größer als 1,5÷2,0 zu verwirklichen. Durch die Aufspaltung jedes zweiten Pols entsteht im Kopfbereich der Magnete ein großer Streufeldanteil. Die Ausführung hoher Felddichten, insbesondere bei großem Luftspalt, wird dadurch sehr erschwert. Für hohe Felddichten und großen Spalt ist diese Anordnung nicht geeignet.
Der durch die Fahrzeuganwendung bestimmten Effizienzforderung in Verbindung mit der notwendigen Massenbeschränkung wird durch die Anwendung von Permanentmagneten zur Felderregung in leistungsloser Form besonders gut entsprochen. Allerdings ist der Aufwand für die Verwirklichung der Stellbarkeit im Allgemeinen groß. Ihm kann durch den Einsatz einer Zusatzwicklung in versenkter Form grundsätzlich gut entsprochen werden. Damit erweist sich der Einsatz eines Verfahrens, wie z. B. in DE 41 39 843 C2 beschrieben, bei dem es sich um eine Streuflussbeeinflussungstechnik handelt, als weniger zweckmäßig. Ihre Wirksamkeit ist, da sie nur eine Teilkomponente des Flusses betrifft -der sich im vorliegenden Fall als verhältnismäßig gering erweist- nicht für die Erschließung eines großen Stellbereichs geeignet.
Als ebenfalls weniger geeignet muss auch die in US 6 750 628 B2 beschriebene Variante sowohl hinsichtlich der Anordnung der Permanentmagnete als auch bezüglich der gewählten Wicklung angesehen werden. Die Kombination einer Zusatzwicklung mit einer am Luftspalt liegenden Flachmagnetanordnung bedingt wegen der notwendigen großen Magnetdicke eine hohe Stelldurchflutung der Wicklung. Deren Anordnung in Form einer toroidalen Spule ist unzweckmäßig. Letztere erfordert zusätzliches Wicklungsmaterial und produziert einen nennenswerten Streufluss. Dieser wirkt sich induktivitätsvergrößernd aus und belastet die Stellkreisauslegung der Elektronik.
Es besteht demnach die erfindungsgemäße Aufgabe darin, das Erregersystem für magnetisch getragene Fahrzeuge mit der Möglichkeit des in der Tragschiene integrierten Antriebs so umzugestalten, dass die Hauptkomponente des magnetischen Feldes durch Permanentmagnete in streufeldarmer und durch einen erhöhten Sammelfaktor gekennzeichnete Ausführung erzeugt wird, und die zur Feldbeeinflussung erforderliche Stromeinwirkung in verlustarmer Ausführung möglichst so erfolgt, dass nur Ströme einer Richtung benötigt werden und bei Geräteausfall eine Schienenberührung durch den Magneten vermieden wird.
Beschreibung
1 zeigt einen aus Primärteil PT, einer Langstator-Wicklungsanordnung LW und dem Erregerteil ET mit einer permanenterregten Magnetanordnung bestehenden Synchronantrieb, der auch die Steuerwicklungen W1/W2 enthält und zusätzlich Tragaufgaben übernehmen soll.
Eine so gestaltete Magnetanordnung weist gegenüber der elektrisch erregten Variante bereits mehrere Vorteile auf, obgleich sie durch die Anordnung der Wicklung am Luftspalt dort die feldführende Zone und damit den Bereich der Kraftbildung einschränkt. Sie ist nicht als voll optimal anzusehen.
Die Heranziehung der V-förmigen Sammleranordnung der Magnete M, mit 1_m > τ/2, ermöglicht jedoch gegenüber einer Flachmagnetanordnung die Erzeugung hoher Felddichten im Luftspaltbereich von Ep und führt zu hohen spezifischen Tragkräften, so dass bei gleicher Gesamtkraft verhältnismäßig geringe Massen der Traganordnung möglich werden. Die Tragkraftstabilisierung erfolgt durch Überlagerung einer von der Wicklung W1 erzeugten zusätzlichen stromabhängigen Feldkomponente, die sich je nach Stromrichtung als Zusatz- oder Gegenerregung zum Feld der Permanentmagnete überlagert.
Im Falle einer reinen Tragmagnetanordnung entfällt die in 1 im Bauteil PT gezeichnete Wechselstromwicklung LW.
Im Vergleich zur Flachmagnetanordnung entsteht der Vorteil eines geringeren Aussteuerbereichs für die Wicklung W1. Geht man nämlich davon aus, dass eine Maximalaussteuerung entsprechend der Permanentmagnet-Durchflutung Θ_m erforderlich ist, so kann für die Sammleranordnung, deren Magnetdicke h_m geringer als jene der Flachanordnung gewählt wird, die Aussteuerleistung entsprechend kleiner gewählt werden.
Nachteilig erscheint nach bisheriger Technik, dass trotz der möglichen Beschränkung der Auslegungsleistung 4Q-Steller einzusetzen sind und dass sich, ähnlich wie beim rein elektrisch erregten Magnetfeld, Schwierigkeiten bei großen mittleren Spalten und bei hoher Fahrgeschwindigkeit für die Gesamtauslegung ergeben. Aus Sicht eines berührungsfreien Schwebens wird als erforderlich gehalten, dass bei Ausfall der Leistungselektronik oder Schaden an der Wicklung W1 eine Ersatz-Stellanordnung mit Wicklung W2 eingesetzt werden kann. Diese Forderung zieht eine entsprechende Magnetkreisvergrößerung und eine Ausstattungszunahme nach sich, sh. 1.
Es kann als nachteilig angesehen werden, dass die Wicklung W2 ebenfalls einen hohen Platzbedarf erfordert, da sie, wie die Wicklung W1, für den gleichen Maximalstrom auszulegen ist.
Elektrische Entregung mit einfacher Schaltung
Die 2a und 2b zeigen eine Magnetkreisanordnung, bei der gegenüber 1 die Wicklung W2 mit einem Abstand von etwa der halben Jochhöhe gegenüber W1 in einer eigenen Aussparung von Ek eingelegt oder „versenkt” ist. Im stromlosen Zustand von W2 ergeben sich für die Flussführung gegenüber der Anordnung 1 keine nennenswerten Änderungen, sh. 2a. Es kann angenommen werden, dass dieser Erregerzustand der erwünschten Normalkraft bei Nennspalt entspricht.
Wie 2b andeutet, ist im Entregungsfall, ohne Strom in W1 und Gegenerregung in W2, das obere Jochteil mit der Stärke h_j1 von den Feldkomponenten beider Erregungen, jener der Permanentmagnete und derjenigen der Wicklung W2, durchsetzt und geht in die Sättigung. Die damit verbundene Erhöhung des magnetischen Widerstands erhöht die Wirksamkeit von W2, so dass näherungsweise eine elektrische Durchflutung der Größe von –Θ_m zur vollständigen Entmagnetisierung des Luftspaltes führt. Berücksichtigt man, dass durch die Verlagerung von W2 in das Jochteil die Raumanforderung für die offene Nut mit W1 sich nun verringert, so lassen sich hierdurch größere Polbreiten b_p ausführen, die je Polteilung eine größere Tragkraft ermöglichen. Wird W2 nur als Entregungswicklung eingesetzt, so kann diese mit einem einfachen EIN-/AUS-Schalters bzw. 2Q-Steller mit geringerem Aufwand betrieben werden. Der Tragmagnet wird bei Wicklungsausfall von W1 durch die von W2 bewirkte Entregung annähernd mit Tragkraft 0 in eine sichere Position mit großem Schienenabstand gefahren.
Es kann weiter festgestellt werden, dass bereits mit einer sehr viel kleineren elektrischen Durchflutung als dem Wert Θ_m, eine nennenswerte Feldschwächung zu erzielen ist. Bereits mit Restkräften, die etwa der halben Magnetdurchflutung entsprechen, lässt sich die für den sicheren Zustand wichtige Rückstellung des Magneten erzielen. Da die Wicklung W2 den blockierenden Zusatzfluss im Abschnitt h_j1 nicht über den Luftspalt zu erregen hat, reicht zur Blockade bereits eine deutlich kleinere Zusatzerregung aus. Somit entsteht ein Auslegungsvorteil für die Wicklung W2, die folglich auch mit einer kleineren Leistung betrieben werden kann.
Betrieb mit 2Q-Steller
Eine günstige Einsatzvariante der beiden Wicklungen W1 und W2 wird mit dem Diagramm von 3 erkennbar. Die dafür zweckmäßige Auslegung des Magnetkreises und der Geräte der Leistungselektronik ergibt sich mit einer Aufgabentrennung beider Wicklungen derart, dass W1 nur zur Auferregung und W2 zur Aberregung eingesetzt wird. Für beide Wicklungen kann damit die Strombereitstellung jeweils über einen 2Q-Steller erfolgen. Aufgrund einer einfacheren Schaltungstopologie weisen 2Q-Steller eine geringere Fehlerwahrscheinlichkeit, also höhere MTBF-Zeiten auf, als 4Q-Steller. Durch die Funktionsaufspaltung werden die Einsatzzeiten etwa halbiert, so dass sich unter Berücksichtigung der kleineren Betriebszeiten statistisch deutlich unwahrscheinlichere Ausfallereignisse abzeichnen.
3 zeigt eine Aufteilung der elektrischen Zusatzerregungen für Spaltänderungen bis zu 100% gegenüber dem Nennspalt δ_n·F_A0(δ) ist die Kennlinie des ungeregelten Tragmagneten, die für δ = 0 etwa den fünffachen Tragnennwert erzeugt und beim doppelten Nennspalt etwas weniger als die Hälfte dieses Wertes annimmt.
Will man F_A1 über dieser Spaltskala konstant halten, so sind die Zusatzdurchflutungen Θ_e1 bzw. Θ_z1 erforderlich, die an den Endpunkten etwas mehr als den Wert 0,5 Θ_m annehmen.
Zur Erzeugung einer den dynamischen Verhältnissen des Schwebevorgangs entsprechenden Kraft-Weg-Charakteristik, etwa nach der Kennlinie F_A2(δ), sind jedoch höhere Durchflutungen notwendig. Sie entsprechen den Verläufen von Θ_e2 und Θ_z2, die dann Endwerte bei rund 1 Θ_m annehmen.
Um im Sinne höherer Verfügbarkeit der Entregungsschaltung von W2 weitere Verbesserungen zu erzielen, kann der Trennbereich zwischen W1 und W2 zu kleineren mittleren Spalten hin verlagert werden. Θ_e übernimmt damit einen größeren Teil des Betriebs, auch unterhalb der Nenntragkraft. Hierdurch wird ein kleinerer Teil dieser Kraft bereits über elektrische Ströme erzeugt, während der Einsatz der Entregungswicklung W2 erst bei seltener auftretenden Spalterweiterungen notwendig wird.
Dem Sicherheitsgedanken der mit hoher Wahrscheinlichkeit zu vermeidenden Berührung der Spaltgegenseite ist hierdurch weitergehend Rechnung getragen. Gleichzeitig kommt durch die gewählte Magnetanordnung eine hohe spezifische Tragkraft zur Wirkung, und die erforderliche elektrische Leistung, auch die Geräteleistung, kann reduziert werden.
Zu einer weiteren Steigerung der positiven Merkmale und auch einer Konzeptvereinfachung führt die Konfiguration nach 2c. Hier wird davon ausgegangen, dass durch vergrößerte Abmessungen der Magnete M auch bei größerem Arbeitsluftspalt δ_a eine hohe Felddichte erzeugt werden kann. Es steht somit für den Hauptarbeitsbereich ein gewisser Kraftüberschuss zur Verfügung. Die Felddichte ist groß genug, um z. B. die Kraftanforderungen der rechten Seite im Diagramm 3 abzudecken. Auf die Wicklung W1 wird verzeichnet. Mit Hilfe der Wicklung W2 und einer zweckmäßigen Wahl der entstehenden Teiljochhöhen h_j1 gelingt es, die jeweils zur Tragkraftstabilisierung aufzuschaltenden Erregerdurchflutungen Θ_e2 gleicher Stromrichtung über einen 2Q-Steller ST und den Regler R bereitzustellen. Um auch bei Stellerausfall eine sichere Entregung zu ermöglichen, kann das Stromnetz über den Schalter Sn und einen Begrenzungswiderstand die Wicklung mit einem definierten Strom versorgen. Er wird nach Absenken des Magneten nicht mehr benötigt und kann durch Öffnen des Schalters wieder auf Null gestellt werden.
Nimmt man zur Erläuterung der Funktion der Magnetentregung an, dass in der Wicklung W2 eine gleichgroße Durchflutung wirkt wie in den Magneten M, so würden sich im Jochteil h_j2 die beiden gegenläufigen Flussanteile gerade aufheben. In h_j1 kommt es durch die von den gleichgroßen Durchflutungen erzeugten Feldkomponenten zu einer Überschreitung der Sättigungsgrenze des leitfähigen Materials. Sie liegt im Falle von Eisen z. B. bei 1,9 T. Da beide Erregeranteile gleich stark sind, kann angenommen werden, dass die Hälfte des vorhandenen Flusses in h_j1 der durch den Arbeitsspalt verlaufenden Komponente zukommt. Durch die Wahl der Abmessungen der beiden Jochhöhen und ihr Verhältnis zur Polbreite ergibt sich die Möglichkeit, die Größe des Restflussanteils für den Entregungsfall festzulegen. Es ist ersichtlich, dass auch größere oder kleinere Erregerdurchflutungen der Wicklung W2 Einfluss auf die erzielbaren Daten haben.
Besonders in dieser mit 2c beschriebenen Entwurfsvariante kommen die Vorteile der nicht am Luftspalt angelegten Wicklung für die Zusatzdurchflutung gut zur Wirkung. Es werden günstige Auslegungsbedingungen für große Sammelfaktoren der Permanentmagnete ermöglicht. Der Streufeldanteil ist bei V-förmiger Anordnung sehr gering. Die Felddichte im Arbeitsspalt lässt sich somit steigern. Durch die versenkte Anordnung der Wicklung W2 verringert sich der notwendige Maximalwert der Zusatzdurchflutung und mit ihm die erforderliche Erregerleistung. Die versenkte Wicklung ermöglicht den direkten Eingriff in den magnetischen Hauptfluss ohne Streufeldanteil der Spule. Die Verwirklichung des großen Stellbereichs gelingt daher mit minimaler Leistung und sehr begrenzter Induktivität.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 2731818 [0005]
- DE 2925867 [0006]
- DE 4139843 C2 [0007]
- US 6750628 B2 [0008]

Claims

Magnetische Traganordnung, geeignet zur Kombination mit einem als Schienenteil ausgebildeten magnetischen Rückschluss, der durch einen mechanisch bedingten Spalt getrennt ist, wobei die Tragschiene mit einer verteilten Wechselstromwicklung bestückt sein kann, und das Hauptteil des magnetischen Feldes im Luftspalt durch in V-förmiger Anordnung streuungsarm und mit gegenüber 1 größerem Sammelfaktor angeordneten Permanentmagneten erzeugt wird, und zur Feldbeeinflussung eine mit ihrem Strom führenden Querschnitt zwischen den durch die Permanentmagnete gebildeten Polen innerhalb der magnetisch leitfähigen Struktur angeordnete Wicklung dient, zwischen den Polen am Luftspalt eine Einschnürstelle besteht und die Ströme der Steuerwicklung bevorzugt nur in einer Richtung eingesetzt werden.
Magnetische Traganordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zwischen der Poleinschnürstelle und der Querschnittsberandung der Steuerwicklung entstehende Feldbereich sowie der zwischen Jochaußenrand und Querschnittsrand der Wicklung bestehende Bereich bezüglich seiner jeweiligen Ausdehnung in der Summe vom Flussmaximalwert abhängt, während der erstgenannte Bereich mit seiner Abmessung den Minimalwert des Flusses bestimmt.
Magnetische Traganordnung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch Ausweitung der zwischen den Polen vorhandenen Einschnürstelle eine zweite Steuerwicklung Platz findet, die einen Teil der Steuerungsaufgabe übernimmt und dabei mit einem Strom nur einer Richtung beaufschlagt wird.
Magnetische Traganordnung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch Überbrückung eines Stromstellers mit Hilfe eines schnell wirkenden Schalters für besondere Bedarfsfälle eine Entregung der Magneten herbeigeführt wird.