DE102012009134A1

DE102012009134A1 - Magnetic circuit for producing regulated magnetic flux between C-shaped steel rail and coil-less support part for vehicle, has middle part of magnets adjusted based on gap length for normal force stabilization by control force of actuator

Info

Publication number: DE102012009134A1
Application number: DE201210009134
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-08-30
Filing date: 2012-08-30
Publication date: 2014-03-27

Abstract

The circuit has permanent magnets including a unit per pole half in a flow direction. Flow guiding cross-sectional surfaces of the magnets are embedded in iron. The magnets are separated by a gap. The surfaces are larger than a pole surface at the gap. A division into three units is provided transverse to the direction. A middle part (Mv) of the magnets is frictionlessly displaced around a magnet width transverse to the direction. The middle part is adjusted based on a gap length for stabilization of an easily controllable normal force (Fn) by a control force (deltaF) of an actuator.

Description

Stand der TechnikState of the art

In der Verkehrstechnik werden Magneten als Tragelemente gegenüber Stahlschienen herangezogen, deren instabiles Verhalten durch geregelten Strom stabilisiert wird. Für große Windkraft-Generatoren wird versucht, die unterteilten Erregermagnete entlang des Stators magnetisch zu führen, um so einen kleinen Nennspalt realisieren zu können. Wichtig ist in beiden Fällen, dass die Spaltkontrolle mit begrenzter Stellleistung (Elektronikaufwand) durchgeführt werden kann. Nicht nur der Energiebedarf zur Stabilisierung der Schwebekräfte und des Führvorgangs für die bewegten Generatorteile, sondern auch der Umfang und Aufwand für die technischen Maßnahmen nehmen mit wachsender Stellleistung zu. Es leuchtet ein, dass sich z. B. bei Fahrzeugen mit zunehmender Stellleistung auch Auswirkungen auf den mobilen Ausrüstungsumfang ergeben, der die Fahrzeugeffizienz besonders schwächt. Für Windkraftgeneratoren tritt ein solcher Mehraufwand vornehmlich im rotierenden Teil, auf und fordert somit besondere konstruktive Lösungen.In traffic engineering, magnets are used as support elements in relation to steel rails whose unstable behavior is stabilized by regulated current. For large wind power generators an attempt is made to magnetically guide the subdivided excitation magnets along the stator in order to be able to realize a small nominal gap. It is important in both cases that the gap control can be carried out with limited actuating power (electronic effort). Not only the energy requirement for stabilizing the levitation forces and the guiding process for the moving generator parts, but also the scope and effort for the technical measures increase with increasing actuating power. It is clear that z. B. in vehicles with increasing actuating power also affect the scope of mobile equipment, which particularly weakens the vehicle efficiency. For wind power generators, such an overhead occurs primarily in the rotating part, and thus calls for special constructive solutions.

Umgekehrt kann auch argumentiert werden, dass die Spalt-Regelungseffizienz für Fahrzeug- und Generatoranwendung gleichermaßen eine wichtige Voraussetzung dafür ist, dass bei vorliegenden Störeigenschaften und kleinem Spalt eine verhältnismäßig niedrige Masse je Leistungseinheit erzielt werden kann. Wenn es nicht gelingt, bei einem bestimmten Nennspalt ein bestimmtes Maß an Störamplituden im geometrischen Verlauf des Stators zu tolerieren, ergeben sich bauliche Konsequenzen, deren Verwirklichung in aller Regel zu einer erheblichen Verteuerung führt. Dies gilt auch für die Anwendung eines vergrößerten Nennluftspaltes. Im Hinblick auf die notwendige Stellleistung hat die zu stabilisierende Masse des bewegten Tils eine besondere Bedeutung. Große Masseanteile erschweren den Stabilisierungsvorgang und erweisen sich zur Begrenzung der Stellleistung als höchst unerwünscht.Conversely, it can also be argued that the gap control efficiency for vehicle and generator application is equally an important prerequisite for being able to achieve a relatively low mass per power unit given the disturbance characteristics and small gap present. If it is not possible to tolerate a certain amount of interference amplitudes in the geometric course of the stator at a certain nominal gap, structural consequences result, the realization of which usually leads to a considerable increase in price. This also applies to the application of an enlarged nominal air gap. With regard to the necessary actuating power, the mass of the moving Tile to be stabilized has a special significance. Large mass fractions complicate the stabilization process and prove to limit the control performance as highly undesirable.

Für den genannten Anwendungsbereich einer Spaltführung spielt offenbar die Stellbarkeit des Magnetfeldes, das für die Erzeugung der Kräfte verantwortlich ist, eine wichtige Rolle. Es ist naheliegend, beim Grundmodell davon auszugehen, dass ein Magnetkreis aus C-förmigen Schienen und stromerregtem Tragteil besteht und die Spulenströme die Regelgröße für den Tragvorgang bilden. Die über 2-Q-Steller geregelten Ströme werden z. B. aus einer großen Batterie entnommen. Hohe Fahrgeschwindigkeiten erfordern zunehmend schnellere Eingriffe und führen zu größeren Aussteueramplituden und somit größerer Stellleistung.For the mentioned field of application of a gap guide apparently the adjustability of the magnetic field, which is responsible for the generation of forces, plays an important role. It is obvious that in the basic model it can be assumed that a magnetic circuit consists of C-shaped rails and a current-carrying supporting part and that the coil currents form the controlled variable for the carrying process. The regulated via 2-Q controller currents are z. B. removed from a large battery. High speeds require increasingly faster interventions and lead to larger Aussteueramplituden and thus greater Stellleistung.

Der Betrag der mittleren Stellleistung für Nennspalt und ungestörte Fahrt der möglichst klein sein soll, bedeutet also eine kleine Spaltlänge. Die Stellleistungsspitze steigt hingegen mit den Amplituden und der Frequenz des Störspektrums. Zu berücksichtigen ist weiterhin, dass auch die Eigenschaften des Tragmagneten sich im Ergebnis der Leistungsgröße stark wiederspiegeln. Beim rein elektrisch erregten Magnet kommen eine verhältnismäßig große Eigenmasse und eine große elektrische Zeitkonstante T = L/R als Verzögerungselemente in Betracht. Ihnen muss durch Einsatz einer gegenüber dem Nennwert erhöhten Spannung und damit auch durch proportional erhöhte Stellleistung begegnet werden.The amount of the average actuating power for rated gap and undisturbed ride should be as small as possible, so means a small gap length. The actuating power peak, on the other hand, increases with the amplitudes and the frequency of the interference spectrum. It should also be taken into account that the properties of the carrying magnet are also strongly reflected in the result of the output size. In the purely electrically excited magnet, a relatively large net mass and a large electrical time constant T = L / R come into consideration as delay elements. They must be countered by using an increased voltage compared to the nominal value and thus also by proportionally increased actuating power.

Vorliegende Erfahrungen mit Magnetkreisen, deren Erregung durch Permanentmagneten geleistet wird, machen klar, dass sich deren Einsatz auch für die Anwendung zur Leistungsminimierung grundsätzlich empfiehlt. Sie übernehmen auch hierbei die leistungslose Erzeugung des Ruheanteils des magnetischen Feldes und überlassen. dem Spulenstrom die Bereitstellung des zur Störungsausregelung notwendigen Stromanteils. Sowohl die Eigenmasse des Magnetteils als auch die elektrische Zeitkonstante erfahren hierdurch eine Reduktion, sodass beide Stromanteile und damit die Stellleistung stark zurückgehen. Um die zugeführte Leistung optimal einzusetzen, wird sie mit beiden Stromrichtungen im 4 Q-Modus, und damit in einer Doppelbrücke, bestückt mit Schaltelementen der Leistungselektronik der Magnetspule zugeführt. Die moderne Leistungselektronik verwendet insbesondere gate-gesteuerte IGBTs, die sich hinsichtlich der erzielbaren Schaltsicherheit sehr vorteilhaft verhalten und kurze Schaltzeiten mit geringen Schaltverlusten ermöglichen.Present experience with magnetic circuits whose excitation is provided by permanent magnets make it clear that their use is also generally recommended for the application for power minimization. You also take over the powerless generation of the quiescent portion of the magnetic field and leave. the coil current, the provision of necessary for disturbance compensation current component. Both the net mass of the magnetic part and the electrical time constant thereby undergo a reduction, so that both current components and thus the actuating power decline sharply. To optimally use the supplied power, it is supplied with both current directions in 4 Q mode, and thus in a double bridge, equipped with switching elements of the power electronics of the solenoid. The modern power electronics used in particular gate-controlled IGBTs, which behave very advantageous in terms of achievable switching safety and enable short switching times with low switching losses.

Der hier besonders auf die Anwendung in der Verkehrstechnik bezogene Entwicklungsstand kennzeichnet im Großen und Ganzen auch die Verhältnisse in andern Einsatzfeldern, etwa auch für den erwähnten Generator großen Durchmessers. Zwar zeigt sich dort, dass für die kleinere Umfangsgeschwindigkeit die hauptsächlichen Störamplituden bei deutlich kleineren Frequenzen liegen; es ist allerdings auch klar, dass bei zunehmendem Durchmesser der Forderung nach kleiner Leistung nur mit kleinem Nennluftspalt (bei gegebenen Bauungenauigkeiten, Abweichungen von der Kreisbahn) und durch Anwendung der Spaltführung entsprochen werden kann. Die Aufgabe der Spaltstabilisierung bei möglichst begrenzter Steilleistung ist in beiden Fällen von großer Bedeutung. Aus energetischer Sicht ist die Anwendung von Tragmagneten mit Grunderregung durch Permanentmagneten ein deutlicher Fortschritt.The state of development related here in particular to the application in traffic engineering generally characterizes the conditions in other fields of application, for example also for the mentioned generator of large diameter. Although it shows there that for the smaller peripheral speed, the main noise amplitudes are at much lower frequencies; However, it is also clear that with increasing diameter of the demand for low power can be met only with a small nominal air gap (given building inaccuracies, deviations from the circular path) and by applying the gap guide. The task of gap stabilization with the lowest possible steepness is of great importance in both cases. From an energetic point of view, the use of supporting magnets with basic excitation by permanent magnets is a significant advance.

Während im Falle des reinen Elektromagneten die gesamte Aussteuerleistung aus dem Netz (der Batterie) entnommen wird, verringert sich dieser Anteil beim hybriden Magneten. Hier wird nur der für die Stabilisierungsmaßnahme notwendige Stromanteil aus dem Netz bezogen, sodass bei Einhaltung des Sollspalts mit der Größe des erforderlichen Stroms auch die Leistung sinkt. Es kann auch durch den Hinweis anschaulich gemacht werden, dass im Falle einer Spaltstörung beim Elektromagnet die gesamte Rückstellarbeit (als Produkt aus Kraft- und Spaltänderung) über den Strom aus dem Netz (und damit die Energie als Spannung × Strom × Zeit) zu decken ist. Beim hybriden Magneten hingegen wird ein Teil der Rückstellkraft aus der Energie der Permanentmagneten und nur ein kleiner Anteil durch den elektrischen Strom erzeugt. Die Rückstellenergie wird teilweise aus dem Energiegehalt der P-Magneten zur Verfügung gestellt. Ein weiterer Vorteil für die kombinierte Erregung in Magneten besteht auch darin, dass sie mit einer Spulenwicklung ausgestattet werden, die nur eine kleinere Stromsumme zu tragen hat. Die Strom-Dauerbelastung zur Aufbringung der mittleren Tragkraft entfällt. Allerdings trägt auch diese Spule mit ihrer Masse zur Erhöhung der bewegten Magnetmasse bei. Da die Rückstellung des Magneten nach einer Spaltstörung sehr schnell zu erfolgen hat, sind Maßnahmen zur Verkleinerung der Masse des Magnet-Tragteils erforderlich. Dieser Forderung ist auch der Wunsch beigeordnet, die notwendige Durchflutung zur Aussteuerung der Spule möglichst stark zu reduzieren oder im Optimalfall darauf verzichten zu können. Als Ersatz für die Stellgröße elektrischer Strom der Spule muss ein möglichst massearmes Magnetteil zur Veränderung des magnetischen Widerstands herangezogen werden. Verschiedene Positionen des bewegten Magnetteils entsprechen für die durch Permanentmagneten erregte Anordnung unterschiedlichen Felddichten im Luftspalt. Die erzeugte Feldwirkung ergibt sich unmittelbar und verzögerungsfrei aus der Stellung des beweglichen Magnetteils im Vergleich zum stationären Magnet. Die Minimierung der Stellleistung folgt aus der stark begrenzten Auslenkung des bewegten Teils.While in the case of the pure electromagnet, the entire output power from the network (the battery) is removed, this proportion is reduced in the hybrid magnet. Here only the for the stabilization measure necessary electricity component from the network, so that adhering to the target gap with the size of the required power and the power decreases. It can also be made clear by the indication that in the event of a fault in the electromagnet, all the restoring work (as a product of force and gap change) must be covered by the current from the grid (and thus the energy as voltage × current × time) , In the case of the hybrid magnet, on the other hand, part of the restoring force is generated from the energy of the permanent magnets and only a small part is generated by the electric current. The reset energy is provided in part from the energy content of the P magnets. Another advantage of the combined excitation in magnets is that they are equipped with a coil winding that has to carry only a smaller amount of current. The continuous current load for applying the average load capacity is eliminated. However, this coil also contributes with its mass to increase the moving magnetic mass. Since the provision of the magnet has to be done very quickly after a fault in the gap, measures to reduce the mass of the magnetic support member are required. This requirement is also associated with the desire to reduce the necessary flooding to control the coil as much as possible or in the best case to be able to do without it. As a substitute for the manipulated variable of the electrical current of the coil, a magnetic component of as low a mass as possible must be used to change the magnetic resistance. Different positions of the moving magnet part correspond to different field densities in the air gap for the arrangement excited by permanent magnets. The generated field effect results directly and without delay from the position of the movable magnetic part in comparison to the stationary magnet. The minimization of the actuating power follows from the very limited deflection of the moving part.

Die erfindungsgemäße Aufgabe besteht somit darin, eine permanentmagneterregte Anordnung zur Erzeugung von Feldkräften anzugeben, mit deren Hilfe magnetische Trag- und Führfunktionen erzielbar sind, und ihre Eignung durch ein verschiebbares Teil ausweisen, wobei bereits bei kleinen Verschiebelängen, etwa in der Größe des Luftspaltes, ein sehr starker Einfluss auf die Feldkräfte erzielt wird. Dies ermöglicht bei kleiner Verschiebeteilmasse, die z. B. nur ein Drittel der Tragteil-Magnetmasse beträgt, die Anwendung einer kleinen Stellleistung. Die Leistungszufuhr soll ausschließlich durch den mit dem beweglichen Magnetteil verbundenen Aktuator (kleiner Stellleistung) erfolgen. Um das Ziel der weitgehend minimierten Magnetmasse zu erreichen, soll der Magnetkreis auf der Grundlage der sogenannten Sammleranordnung der Permanentmagneten, z. B. in V-Form erfolgen. Hierdurch lassen sich im Tragspalt besonders hohe Felddichten mit begrenztem Materialaufwand für die Permanentmagneten und das magnetisch leitfähige Material erzielen. Es liegt nahe, dass die angestrebte Magnetkreisaufteilung zur Einrichtung eines Verschiebeteils so erfolgen soll, dass die Verschiebeamplitude weitgehend unabhängig von den Abmessungen der Magnetpole ist. Das Verfahren soll ein seiner Wirksamkeit durch die zu wählende Polabmessung nicht beschränkt werden.The object of the invention is therefore to provide a permanent magnet-excited arrangement for generating field forces, with the help of magnetic support and guiding functions can be achieved, and identify their suitability by a movable part, even at small displacement lengths, about in the size of the air gap, a very strong influence on the field forces is achieved. This allows for small displacement part mass, the z. B. only one third of the supporting part magnetic mass, the application of a small actuating power. The power supply should be carried out exclusively by the actuator connected to the movable magnet part (small actuating power). In order to achieve the goal of largely minimized magnetic mass, the magnetic circuit on the basis of the so-called collector arrangement of the permanent magnet, for. B. in V-form. As a result, particularly high field densities can be achieved in the support gap with limited material costs for the permanent magnets and the magnetically conductive material. It is obvious that the desired magnetic circuit distribution to set up a displacement part should be such that the displacement amplitude is largely independent of the dimensions of the magnetic poles. The method should not be limited in its effectiveness by the pole size to be selected.

In bislang bekannten Patentanmeldungen sind bereits einige Entwicklungsstufen auf dem Weg zu geregelten Tragmagneten oder spaltgeregelten Synchronmaschinen mit verminderter Stellleistung angegeben worden. So ist z. B. in DE 10 2009 025 337.8 in der Anwendung auf Synchronmaschinen beschrieben, wie durch Heranziehung einer innerhalb des Tragteils des Magneten wirksamen Sättigungsstrecke mit einer besonderen Spulenanordnung Einfluss auf den intern wirksamen magnetischen Widerstand und damit die Steuerbarkeit bei verkleinerter Stellleistung genommen wird. Dies bedeutet im konkreten Fall auch eine Verkleinerung des Spulenquerschnitts und der Spulenmasse im Vergleich zur Normalausstattung des Erregerteils einer kombiniert erregten Synchronmaschine. Immerhin handelt es sich dabei aber um den zusätzlichen Einbau einer Spulenanordnung in das Erregerteil, deren Eisenumschließung zu einer verhältnismäßig hohen Induktivität (hohe Zeitkonstante) führt, sodass für den Steuerkreis die Energiebereitstellung mit hohem Blindleistungsanteil versehen ist.In previously known patent applications, some development stages have already been specified on the way to controlled supporting magnets or gap-controlled synchronous machines with reduced actuating power. So z. In DE 10 2009 025 337.8 described in the application on synchronous machines, as influenced by the use of an active within the supporting part of the magnet saturation path with a special coil arrangement on the internally effective magnetic resistance and thus the controllability at reduced actuating power. This means in the specific case, a reduction of the coil cross-section and the coil mass compared to the standard equipment of the exciter part of a combined excited synchronous machine. After all, this involves the additional installation of a coil arrangement in the excitation part, the iron enclosure leads to a relatively high inductance (high time constant), so that the energy supply is provided with a high reactive power component for the control circuit.

In der Anmeldung DE 10 2009 018 064.8 werden z. B. rotierend angeordnete Magneten innerhalb des Magnetkreises zur Feldbeeinflussung oder auch zur Erzeugung von Wechselfeldern empfohlen. Dies lässt sich am besten zusammen mit einer transversal wirkenden Feldanordnung ausführen und bedeutet für das Drehteil zwischen Maximum und Null der Erregung eine Vierteldrehung. Die Anordnung ist in der doppelseitigen Feldvariante besonders überzeugend, aber für geregelte Zugmagneten in einseitiger Form wenig geeignet. Grundsätzlich stellt die Vierteldrehung des Magnetblocks einen verhältnismäßig großen Stellhub dar, und die Blockform der Magnetanordnung weist eine zu schwache Sammelwirkung auf. Sie kommt damit nicht auf die für hohe Zugkräfte gewünschten hohen Felddichten. Zu der in DE 10 2009 050 511.3 mit 1 beschriebenen Doppelschienenanordnung und versschiebbaren Polleisten der Magnetanordnung ist zu sagen, dass hier eine verhältnismäßig große Stellkraft gefordert wird, die sich direkt aus der Differenz der Normalkräfte ergibt und damit trotz kleinem Stellhub eine große Stellleistung resultiert.In the application DE 10 2009 018 064.8 be z. B. rotating magnets within the magnetic circuit for field control or for the generation of alternating fields recommended. This is best done with a transversal field array and means a quarter turn for the spin part between maximum and zero of the excitation. The arrangement is particularly convincing in the double-sided field variant, but not very suitable for controlled tension magnets in one-sided form. Basically, the quarter turn of the magnet block represents a relatively large stroke, and the block shape of the magnet assembly has too weak a collection effect. It does not come to the high field densities required for high tensile forces. To the in DE 10 2009 050 511.3 With 1 described double rail assembly and sliding pole strips of the magnet assembly is to say that here a relatively large actuating force is required, resulting directly from the difference of the normal forces and thus results in a large actuating power despite small stroke.

Beschreibungdescription

Im Folgenden werden Beispiele für die Anwendung von Magnetkreisen zur kontrollierten Normalkrafterzeugung mit einer besonders wirksamen Verschiebetechnik beschrieben. Wie einleitend erwähnt, soll bei der Verschiebung auf kurzem Weg bereits eine starke Einflussnahme auf den magnetischen Fluss und die Felddichte erreicht werden. Dies ist eine Voraussetzung, um die erforderliche Stellenergie (und Stellleistung) niedrig zu halten. Die Stellkraft selbst soll durch Begrenzung der bewegten Masse und durch weitgehende Vermeidung von Gegenkräften ebenfalls niedrig gehalten werden. Hierdurch lässt sich auch die Stellleistung als Produkt von Kraft und Stellgeschwindigkeit niedrig halten. Die bei der Verschiebung eines Magnetteils unvermeidlich auftretende magnetische Rückstellkraft ist annähernd der Auslenkung aus der Mittellage, die dem starken Magnetfeld entspricht, proportional. Sie lässt sich z. B. durch eine gegensinnig wirkende Federkraft weitgehend kompensieren. Natürlich ist durch eine reibungsarme mechanische Führung sicherzustellen, dass die Verschiebung nicht durch mechanische Unzulänglichkeiten behindert wird. Wie bereits erwähnt, soll die Anordnung der Permanentmagneten zur Erzielung hoher Felddichten in Sammlerbauform erfolgen. Dies bedeutet, dass die resultierende Breite der Magneten einer Polhälfte mindestens den zweifachen Betrag der Luftspaltlänge (Nennwert) betragen und die Magnetlänge mehr als den zweifachen Betrag der Polbreite ausmacht. Mit der durch 1 gezeichneten Magnetkreis-Querschnittsform verbindet sich der Zweck eine leicht regelbare Normalkraft F_n zu erzeugen, sodass das Tragteil TM, das z. B. Teil eines Fahrzeuges ist, bei konstantem Spalt δ gegenüber der Schiene R stabilisiert werden kann. Die Stabilisierung erfolgt durch Übertragung einer Stellkraft, die auf das Verbindungselement K von Mv, und damit das bewegliche Magnetteil wirkt. Es ist in Querrichtung beweglich und mit kompensierter magnetischer Rückstellkraft reibungsarm, d. h. fast kraftfrei beweglich, sofern es sich um kleine Beschleunigungen handelt. Der Spalt δ_s zwischen Mv und den beiden nur in Längsrichtung beweglichen Magnetteilen M1 und M2 ist im Verhältnis zum Tragspalt-Nennwert sehr klein. Die miteinander verbundenen Teile M1 und M2 übertragen die Tragkraft auf das Fahrzeug. Erregt wird das magnetische Feld durch die Permanentmagneten Mp1, Mpv und Mp2, die als Gesamtlänge den Betrag l_m erreichen. Sie unterstützen sich durch gleiche Polarität bei gleicher Magnetbreite h_m. Während offenbar l_m/b_e > 2, mit b_e der Polbreite gilt, ist auch die Bedingung ausreichender Magnetbreite durch 2h_m > 2 erfüllt. In der gezeichneten Position von 1, bei Auslenkung Δf = 0 für Mv wird die maximale Felddichte und der Größtwert der Normalkraft erzielt. Der Verlauf der gestrichelt gezeichneten Feldlinien lässt erkennen, dass alle drei Bereiche von TM entsprechend ihrer Magnetlängenanteile sich an der Bildung des magnetischen Flusses im Luftspalt beteiligen. Nur im unteren Teil von M2 bildet sich ein Streufeldanteil aus. Die Sammlerfunktion, die sich als Flusskonzentration im Luftspalt auswirkt, ist ersichtlich.The following are examples of the use of magnetic circuits for controlled Normal power generation described with a particularly effective displacement technique. As mentioned in the introduction, a strong influence on the magnetic flux and the field density should already be achieved during the displacement over a short distance. This is a requirement to keep the required point energy (and control power) low. The force itself should also be kept low by limiting the moving mass and by largely avoiding counter-forces. As a result, the actuating power as a product of force and actuating speed can be kept low. The magnetic restoring force which inevitably occurs when a magnetic part is displaced is approximately proportional to the deflection from the central position, which corresponds to the strong magnetic field. It can be z. B. largely compensate by an oppositely acting spring force. Of course, to ensure by a low-friction mechanical guide that the displacement is not hindered by mechanical inadequacies. As already mentioned, the arrangement of the permanent magnets to achieve high field densities in collector design should be done. This means that the resulting width of the magnets of one pole half is at least twice the amount of the air gap length (nominal value) and the magnet length is more than twice the pole width. With the through 1 drawn magnetic circuit cross-sectional shape, the purpose combines an easily controllable normal force F _n to produce, so that the support member TM, the z. B. part of a vehicle, at a constant gap δ relative to the rail R can be stabilized. The stabilization is carried out by transmitting a force acting on the connecting element K of Mv, and thus the movable magnetic part. It is movable in the transverse direction and friction-compensated with compensated magnetic restoring force, that is to move almost without force, as long as it is small accelerations. The gap δ _s between Mv and the two only longitudinally movable magnetic parts M1 and M2 is very small in relation to the Tragspalt nominal value. The interconnected parts M1 and M2 transmit the load capacity to the vehicle. Excited the magnetic field by the permanent magnets Mp1, Mp2 Mpv and which reach the total length of the sum l _m. They support each other by the same polarity with the same magnet width h _m . While apparently l _m / b _e > 2, with b _{e of} the pole width, the condition of sufficient magnet width is satisfied by 2h _m > 2. In the drawn position of 1 , at deflection Δf = 0 for Mv, the maximum field density and the maximum value of the normal force are achieved. The course of the dashed field lines shows that all three areas of TM according to their magnetic length shares participate in the formation of the magnetic flux in the air gap. Only in the lower part of M2 does a stray field component form. The collector function, which affects the concentration of flux in the air gap, can be seen.

In der zweiten Bilddarstellung 2 ist die Position von Mv seitlich um den Betrag Δf = 0,5 h_m verschoben. Es zeigt sich, dass nun im Mittelbereich Magnetteile von Mv Bereiche (aus Eisen) von M1 und M2 überdecken, aber auch Magnetbereiche von M1 und M2 den Eisenbereichen von Mv gegenüberstehen. Dort bilden sich jeweils örtlich Streufeldzonen aus, die auch nahe den Oberflächen einen gemeinsamen Fluss erzeugen, der dann weiter innen in Querrichtung zurückläuft. Nahe der Oberfläche von Mv und den beiden Teilen M1 bzw. M2 haben sich so in Querrichtung Sperrzonen infolge des Streuflusses entwickelt, die dem Flussübertritt zum Luftspalt eine Barriere bilden. Der Streufluss im unteren Bereich des Teils M2 vergrößert sich. Von Mv werden nur die beiden Querflüsse erregt, von denen das obere Teil einen größeren Magnetquerschnitt von M1 zu seiner Erregung vereinnahmt. Der Luftspaltfluss und mit ihm die ihn kennzeichnende Felddichte B_f hat bereits einen kleinen Wert angenommen. Im Diagramm 3 wurde die B_f/B_f0-Kennlinie annähernd in linearer Abhängigkeit zur Verschiebekoordinate Δf/h_m dargestellt. Für Δf/h_m = 0,5 erreicht der auf den Maximalwert B_f0 bezogene Felddichtebetrag B_f etwa den Wert 0,3. Durch die Verschiebung von Mv wird die Normalkraft, die sich B_f ² proportional verhält, noch stärker als B_f reduziert. Ihre Größe ist in 3 ebenfalls auf den Größtwert F_n0 bezogen. Bereits bei der Verschiebung um etwa nur die halbe Magnetbreite ist unter den gegebenen Bedingungen ein Absinken der Normalkraft auf etwa 10% ihres Ausgangswertes zu erkennen. Für den Luftspalt von δ = 5 mm beträgt die den Sammlerbedingungen entsprechend Magnetbreite bei der vorliegenden Aufteilung ca. 8 mm. Die hier vorliegende Maximalauslenkung würde demnach sich zu Δf = 4 mm ergeben. Für die zur Störungsausregelung vorzunehmende Auslenkung sind somit z. B. 2 mm anzusetzen. Sowohl die erforderliche Auslenkungsamplitude als auch die zu bewegende Masse lassen sich folglich auf sehr kleine Werte reduzieren. Erwähnt soll werden, dass mit energiestarken Permanentmagneten (Remanenzinduktion 1,2–1,3 T) die Sammleranordnung in der gezeichneten Form zu Felddichten B_f im Bereich von 1,5 T (im Luftspalt) führt und der Anteil der aktiven Masse für TM verhältnismäßig gering ist. Der Masseanteil des beweglichen Teils Mv liegt deutlich unter der Marke von 1% der zu tragenden Fahrzeugmasse. Schließlich ist auch erkennbar, dass der Anteil der P-Magneten am Fahrzeuggewicht auf eine sehr kleine Größe zu beziffern ist. Das bewegliche Teil Mv ist entsprechend 4 mit dem Aktuator ST gekoppelt, sodass zur gesamten hin- und hergehenden Masse auch dessen bewegliches Teil hinzukommt. Die auszuregelnde Störung kann dabei durch eine Stellamplitude aufgefangen werden, deren Größe bei 1–2 mm hegt. Für die Anwendung im Verkehrsbereich lässt sich die erforderliche Stellgeschwindigkeit auf Amplitudenwerte von etwa 0,1 m/s abschätzen, so dass unter Berücksichtigung der vorliegenden bewegten Massen sich Leistungswerte von etwa 5 W/t (Watt pro Tonne) ergeben. Es soll damit gezeigt werden, dass die Auslegungsleistung für den Aktuator bei diesem Verfahren auf sehr niedrige Werte führt und die Grundidee des Verschiebeverfahrens in Verbindung mit schlanken Magneten in Sammleranordnung besonders günstige Daten ermöglicht. Im Vergleich zu der klassischen strombasierten Magnetregelung liegen die Daten um mehr als zwei Größenordnungen niedriger. Die Skizze 4 macht außerdem deutlich, dass mit der Querverschiebung von Mv und dem mechanischen Stellgerät ST nur eine sehr begrenzte Erhöhung der beweglichen Masse verbunden sein muss. Die verhältnismäßig kleine Stellkraft führt auf eine begrenzte Zusatzmasse durch den Aktuator. Es ist angedeutet, dass die Führung des beweglichen Magnetteiles Mv auch über in senkrechter Richtung angrenzende Fährstücke Fu, die in Bohrungen von M1 und dort in dessen Eisenteil Le 1 angebracht sind, erfolgen kann.In the second picture 2 the position of Mv is displaced laterally by the amount Δf = 0.5 h _m . It turns out that in the middle range magnetic parts of Mv cover areas (made of iron) of M1 and M2, but also magnetic areas of M1 and M2 face the iron areas of Mv. There each form locally stray field zones, which also generate near the surfaces of a common river, which then runs back further inside in the transverse direction. Near the surface of Mv and the two parts M1 and M2 have so in the transverse direction blocking zones developed as a result of the stray flux, which form the passage of the flux to the air gap barrier. The leakage flux in the lower part of the part M2 increases. Only the two transverse flows are excited by Mv, of which the upper part receives a larger magnetic cross section of M1 to its excitation. The air gap flux and with it the characteristic field density B _f has already assumed a small value. In the diagram 3 the B _f / B _f0 characteristic was shown approximately in linear dependence on the displacement coordinate Δf / h _m . For Δf / h _m = 0.5, the _field density amount B _f related to the maximum value B _f0 reaches about 0.3. By shifting Mv, the normal force, which proportionally behaves B _f ^2, is reduced even more than B _f . Her size is in 3 also related to the maximum value F _n0 . Already during the shift by about half the magnet width, a decrease of the normal force to about 10% of its initial value can be seen under the given conditions. For the air gap of δ = 5 mm, the magnet width corresponding to the collector conditions is approx. 8 mm in the present distribution. The maximum deflection present here would therefore result in Δf = 4 mm. For the deflection to be made for deflection are thus z. B. 2 mm. Both the required deflection amplitude and the mass to be moved can consequently be reduced to very small values. It should be mentioned that with energy-strong permanent magnets (remanence induction 1.2-1.3 T), the collector arrangement in the form shown leads to field densities B _f in the range of 1.5 T (in the air gap) and the proportion of the active material for TM relatively is low. The mass fraction of the movable part Mv is well below the mark of 1% of the vehicle mass to be supported. Finally, it can also be seen that the proportion of P-magnets on the vehicle weight is to be quantified to a very small size. The mobile part Mv is corresponding 4 coupled with the actuator ST, so that the entire reciprocating mass and its moving part added. The disturbance to be compensated can be absorbed by an amplitude of adjustment, the size of which is 1-2 mm. For application in the transport sector, the Estimate the required positioning speed to amplitude values of approx. 0.1 m / s, so that, considering the moving masses present, power values of approx. 5 W / t (watts per tonne) result. It should be shown that the design performance for the actuator in this method leads to very low values and the basic idea of the displacement method in conjunction with slender magnets in a collector arrangement enables particularly favorable data. Compared to the classic current-based magnetic control, the data is more than two orders of magnitude lower. The sketch 4 also makes it clear that with the transverse displacement of Mv and the mechanical actuator ST only a very limited increase in the movable mass must be connected. The relatively small actuating force leads to a limited additional mass by the actuator. It is indicated that the guidance of the movable magnet part Mv can also be effected via feet F 'which are adjacent in the vertical direction and which are mounted in boreholes of M1 and there in the iron part Le 1 thereof.

Die für das Stellelement ST in 5 dargestellte Funktionsmöglichkeit basiert auf dem elektromagnetischen Anziehungsprinzip, das eine Kraft auf zwei Ankerteile St1 und St2 innerhalb eines feststehenden Spulen- und Magnet-bestückten Magnetkreisteils verursacht. Die elektrische Durchflutung der Spulen W1 und W2 ist gegensinnig und überlagert in ihrer Feldwirkung diejenigen der Permanentmagneten Mp1 und Mp2, die in der Sammleranordnung dimensioniert werden. Beide Spulen sind in Reihe geschaltet und in einem zylindrischen Teil K aus magnetisch leitfähigen Material (Eisen) gelagert. Auf das bewegliche Teil des Stellgerätes We wirkt die Differenzkraft ΔF = F₁–F₂. Sie bewegt das Verschiebeteil um den Betrag Δf. Dies ist die Strecke, um die sich auch die Verbindungsstange We zusammen mit MF bewegt. Sie kann auch als. Differenz zwischen den Spalten δ₁ und δ₂ des Aktuators ST erklärt werden. Innerhalb der durch die Spaltfestlegung gegebenen Grenze lässt sich zwischen der Stellkraft ΔF und der Positionsverschiebung Δf von Mv auch unabhängig von der jeweiligen Ausgangsstellung durch den Aktuator ein linearer Zusammenhang zwischen Kraft und Strom darstellen. Dies wird durch das Diagramm von 6 angedeutet. Es besteht durch die Hereinnahme eines elektromagnetischen Aktuators wieder die Verbindung zu einem elektrischen Strom als Regelungsgröße. Dazwischen geschaltet ist über das Teil Mv jedoch ein regelungstechnisches Verstärkerglied, das mit Hilfe des magnetischen Sperrfeldes den Zusammenhang mit der Verschiebekoordinate stark hervorhebt. Die Stellenergie wird aus dem elektrischen Netz N über ein elektronisches Stellglied El in 4-Q-Schaltung nach Maßgabe eines Spaltsensors δ und des Regelkreises Re in Form von Strom und Spannung geliefert.The for the actuator ST in 5 Functionality shown is based on the electromagnetic attraction principle, which causes a force on two armature parts St1 and St2 within a fixed coil and magnet-equipped magnetic circuit part. The electric flux of the coils W1 and W2 is in opposite directions and superimposed in their field effect those of the permanent magnets Mp1 and Mp2, which are dimensioned in the collector assembly. Both coils are connected in series and stored in a cylindrical part K of magnetically conductive material (iron). The differential force ΔF = F ₁ -F ₂ acts on the movable part of the actuating device We. It moves the displacement part by the amount Δf. This is the distance around which the connecting rod We moves together with MF. She can also as. Difference between the columns δ ₁ and δ _{2 of} the actuator ST can be explained. Within the limit given by the gap definition, a linear relationship between force and current can also be represented between the actuating force ΔF and the positional shift Δf of Mv independently of the respective starting position by the actuator. This is indicated by the diagram of 6 indicated. It is by the inclusion of an electromagnetic actuator again the connection to an electric current as a control variable. In between, however, is via the part Mv, a control-technical amplifier element, which strongly emphasizes the connection with the displacement coordinate with the help of the magnetic Sperrfeld. The set energy is supplied from the electrical network N via an electronic actuator El in 4-Q circuit in accordance with a gap sensor δ and the control loop Re in the form of current and voltage.

Erregermagnet für permanentmagnet-erregte Synchronmaschine mit stellbarer FelddichteExciter magnet for permanent magnet-excited synchronous machine with adjustable field density

Um die Vorzüge der Sammleranordnung mit dem Vorteil einer kurzhubigen mechanischen Verstelltechnik zu verbinden, lässt sich die Maßnahme der Magnetunterteilung auf die Erregeranordnung der Synchronmaschine übertragen. Ähnlich wie beim Zugmagnet nach 1 kann eine Aufteilung der Magneten unter Beibehaltung der resultierenden Magnetstärke zur Reduktion der maximal notwendigen Aussteuerung Δf herangezogen werden. 7 zeigt eine Anordnung der Magneten innerhalb einer Polteilung der Erregeranordnung RM, die der Statoranordnung ST gegenübersteht. Es ist zu erkennen, dass die Pole Ps des Stators mit einer einsträngigen Wicklung (streckenweise) versehen sind und die Spulenachse von Sp mit der Polachse zusammenfallt. Die in RM gezeichnete Magnetform ist als Abwandlung der V-Form dem Ziel angepasst, dass die Sperrwirkung bei Verschiebung von Mv möglichst den gesamten Bereich einer Polteilung erfasst. Mit der Dreiteilung von RM und die Annahme von drei Teilmagneten je Polhälfte wird dieses Ziel ziemlich gut erreicht. Die skizzierten Feldlinien der Sperrflusskomponenten zeigen dies. Sie schließen im unteren Teil durch ihre Querkomponenten den mittleren Magnetbereich nahezu perfekt ab.In order to combine the advantages of the collector arrangement with the advantage of a short-stroke mechanical adjustment technology, the measure of the magnetic division can be transmitted to the excitation arrangement of the synchronous machine. Similar to the pull magnet after 1 can be used to reduce the maximum necessary modulation .DELTA.f a division of the magnet while maintaining the resulting magnetic strength. 7 shows an arrangement of the magnets within a pole pitch of the exciter assembly RM, which faces the stator assembly ST. It can be seen that the poles Ps of the stator are provided with a single-stranded winding (in sections) and the coil axis of Sp coincides with the polar axis. As a modification of the V-shape, the magnetic shape drawn in RM is adapted to the goal that the blocking effect when shifting Mv covers as far as possible the entire range of a pole pitch. With the tripartite division of RM and the assumption of three partial magnets per half of the pole, this goal is achieved quite well. The sketched field lines of the Sperrflusskomponenten show this. In the lower part they almost perfectly close off the middle magnetic field due to their transverse components.

Mit den rechts angegebenen Zahlen für S_m und S' wird angedeutet, dass die Verschiebewirkung von Mv auf das Magnetfeld vereinfacht auch als Änderung des Sammelfaktors betrachtet werden kann. Er ist maximal und minimal (Sm und S') in Zahlen angegeben. Wie die Verschiebung von Mv bei der Synchronmaschine zur Normalkraftstabilisierung eingesetzt wird, gilt für die Festlegung ihres Sollwertes sinngemäß entsprechend den Erörterungen beim Zugmagnet. Die Sollwertverschiebung von Mv entspricht im vorliegenden Beispiel etwa dem 0,15-fachen Betrag der Magnetbreite h_m.With the numbers for S _m and S 'given on the right, it is indicated that the displacement effect of Mv on the magnetic field can also be considered as a change of the collection factor in a simplified manner. It is maximum and minimal (Sm and S ') in numbers. As the shift of Mv is used in the synchronous machine for normal force stabilization applies to the definition of their setpoint mutatis mutandis according to the discussions with the pull magnet. The setpoint shift of Mv in the present example corresponds approximately to 0.15 times the magnitude of the magnet width h _m .

In 8 ist eine Vierfachgliederung der P-Magnete gezeichnet. Ihre mittlere Länge ist gegenüber 7 leicht vergrößert, sodass der maximale Sammelfaktor den Wert 4 annimmt. Hierdurch lässt sich eine weitere Anhebung der mittleren Felddichte im Maschinenspalt erreichen. Für mehrpolige Anordnungen mit einem verschiebbaren Mittelteil Mv der Erregeranordnung muss ähnlich wie beim Zugmagneten im Rotor ein Aktuator, oder müssen mehrere Aktuatoren eingesetzt werden. Es gilt hier in gleicher Weise, durch die Magnetunterteilung eine Hubamplitudenreduktion zur Verminderung der Stellleistung zu erzielen.In 8th is a quadruple breakdown of the P magnets drawn. Their average length is opposite 7 slightly increased so that the maximum collection factor is 4. This makes it possible to achieve a further increase in the average field density in the machine gap. For multi-pole arrangements with a displaceable middle part Mv of the excitation arrangement, similar to the tension magnet in the rotor, an actuator or several actuators must be used. It applies here in the same way to achieve a Hubamplituderreduktion to reduce the actuating power by the magnetic division.

Die beschriebenen Anwendungsbeispiele zeigen, dass im Zusammenhang mit dem Sammlerkonzept die gesteckten Ziele erreicht werden können. Bei der zu betrachtenden Synchronmaschine mit großem Durchmesser ist der Übergang zum Fahrzeug auf der linearen Strecke und im Fahrzeug montierten Erregerteilen gut erkennbar.The application examples described show that the goals set can be achieved in connection with the collector concept. In the case of the synchronous machine to be considered with large diameter, the transition to the vehicle on the linear route and vehicle-mounted exciter parts clearly visible.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102009025337 [0009]
DE 102009018064 [0010]
DE 102009050511 [0010]

Claims

Magnetic circuit for generating a controlled magnetic flux between a rail of magnetically good conductive material and a gap-free permanent magnet fitted coil-free support member in which the permanent magnets in the flow direction at least one unit per half of the pole and the flux-conducting cross-sectional surfaces of the magnets are embedded in the iron , These surfaces are larger than the total pole face at the gap and transverse to the flow direction is a subdivision into three units, whose central part is displaceable by at least one magnetic width h _m transverse to the flow direction and with the force of an actuator connected to this part gap-dependent for normal force stabilization is adjusted.

Normal force controlled magnetic circuit with coil-free magnet-carrying parts according to the above claim, characterized in that the embedded with their flux-conducting surface in the iron permanent magnets in the gap near part in approximately parallel groups of equal distances and the same magnet width and the mass of the middle displacement part is smaller than the mass of adjacent fixed parts and also the gaps with respect to the sliding part are smaller than the nominal gap with respect to the gap adjacent magnetic circuit part.

Normal force controlled magnetic circuit with coil-free magnet-carrying parts according to the above claims, characterized in that the nominal value of the normal force corresponds to a non-zero displacement length of the central part and at zero position of the displacement length, the magnetic design for a collection factor greater than two, is effective.

Normal force controlled magnetic circuit with coil-free magnet-carrying parts according to the above claims, characterized in that as the actuator, an electromagnetic actuator lower anchor mass and hybrid excitation takes over its coil current, the mechanical adjustment of the movable magnetic part.