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Elektromagnetisches Führungssystem Die Erfindung bezieht sich auf
ein elektromagnetisches Führungssystem für ein Fahrzeug mit mindestens einem mit
dem Fahrzeug verbundenen regelbaren und in Bewegungsrichtung des Fahrzeugs langgestreckten
Magneten, dem eine ortsfeste ferromagnetische Schiene als Rückschlußkörper zugeordnet'ist.
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Zur berührungsfreien, elektromagnetischen Führung von Fahrzeugen entlang
einer entsprechenden Fahrbahn können Schwebeführungs- und Seitenführungssysteme
verwendet werden, die im allgemeinen aus mehreren Magnetreihen bestehen, denen Jeweils
entsprechende ferromagnetI.sche Schienenkörper zugeordnet sind.
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Um eine stabile Führung des Fahrzeugs zu gewährleisten, sind neben
den Schwebeführungsmagneten zum Ausgleich der Schwerkraft im allgemeinen zusätzlich
noch Seitenführungsmagnete am Fahrzeug und seitliche Führungsschienen an der Fahrbahn
angeordnet. Dadurch lassen sich Seitenkräfte wie beispielsweise Fliehkräfte in Streckenkrümmungen
ausgleichen. Um den Bedarf an ferromagnetischem Material für die schienenförmigen
RUckschlußkörper möglichst gering zu halten, sind die Magnete im allgemeinen schmal
ausgebildet und können sich über die gesamte Fahrzeuglängsseite erstrecken (Elektrotechnische
Zeitschrift, Ausgabe A, 1953, Seiten 11 bis 13).
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Ein entsprechendes Schwebeführungs- und Seitenführungssystem ist beispielsweise
auch aus der deutschen Patentschrift 707 032 bekannt. Die Trag- und Seitenftihrungskräfte
können entweder von getrennten Elektromagneten, die beispielsweise entlang entsprechender
Rea ionsschienen geführt werden, erzeugt werden (Abb. 1 und 6), oder es können durch
eine Neigung der
Magnete und der ihnen zugeordneten Reaktionsschienen
gegenüber der Horizontalebene sowohl Trag- als auch Seitenführungskräfte z" gleicher
Zeit erzeugt werden (Abb. 4 und 5).
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Bei einer schnellen Bewegung der gleichstromerregten Elektromagnete
treten Bremskräfte durch in den schienenförmigen RUckschlußkörpern induzierte Wirbelströme
auf. Diese Verluste können dadurch klein gehalten werden, daß man die Schienen aus
dünnen, verlustarmen Blechen zusammensetzt. Ferner können die Schienen aus übereinandergeschichteten
Gußeisenplatten mit geringem spezifischen, elektrischen Leitwert und geringer magnetischer
Permeabilität hergestellt werden, um diese Wirbelstrombildung klein zu halten.
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Aus der deutschen Offenlegungsschrift 2 035 840 ist ferner bekannt,
die mit den Wirbelstromen verbundene Bremskraft ohne Lamellierung oder Verwendung
von ferromagnetischem Material mit geringer Leitfähigkeit wie beispielsweise Ferrit
herabzusetzen. Hierzu können die Gleichstrommagnete eines Trag- oder Seitenfuhrungssystems,
die schmale und in Bewegungsrichtung langgestreckte Polflächen besitzen, mit mehreren
in Bewegungsrichtung hintereinandergereihten Einzel spulen versehen sein.
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Auf diese Weise wird eine Herabsetzung der durch die Wirbel ströme
hervorgerufenen Bremskraft allein durch die besondere Formgebung der Gleichstrommagnete
erzielt, da der magnetische Gleichfluß längs der aneinandergereihten Einzel spulen
stetig verlaufen kann. Bei gleichförmiger Bewegung treten dann Wirbel des elektrischen
Feldes jeweils nur an den Stirnseite' des aus mehreren Einzelspulen gebildeten Magneten
auf, so daß nur im Bereich der Enden des Magneten Wirbelströme induziert werden
und die Bremskraft von der Anzahl der Spulen und damit von der Länge des Gleichstrommagneten
unabhängig wird. Zwar verringert sich die Tragkraft linear mit einer Verkleinerung
der Breite der Polflächen, die Bremskraft nimmt jedoch quadratisch mit der Verkleinerung
der Breite der Polflächen ab.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, die Magnete
eines
solchen Führungssystems dahingehend zu verbessern, daß ihre Wirbelstrombildung an
ihren Stirnseiten mit geringem Aufwand klein gehalten wird.
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Ausgehend von einem elektromagnetischen Führungssystem der eingangs
genannten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Magnet
mindestens einen Hauptmagneten enthält, der an seinen beiden Enden Jeweils mit mindestens
einem in Fahrtrichtung ausgedehnten Endstück versehen ist, und daß die jeweils von
den Endstücken im Luftspalt zwischen den Endstücken und der Schiene in Richtung
senkrecht zur Schiene hervorgerufene magnetische Flußdichte kleiner ist als die
von dem anliegenden Hauptmagneten hervorgerufene entsprechende Flußdichte Die mit
der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die durch Wirbelströme
hervorgerufene Bremskraft des Magneten an seinen Stirnseiten wesentlich vermindert
wird im Vergleich zu einem Magneten mit einem schroffen Abfall auf Null der von
ihm hervorgerufenen gesamten Flußdichte. Die Flußdichte im Luftspalt zwischen den
Endstücken des Magneten und der Schiene läßt sich beispielsweise dadurch beeinflussen,
daß die Windungszahl der Erregerwicklung und/oder der Strom in der Erregerwicklung
des Magneten an dessen Endstücken abnimmt.
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Ferner kann auch der Magnet so ausgebildet sein, daß der Sollabstand
zwischen der Reaktionsschiene und seiner oberen Flachseite nach den Enden des Magneten
jeweils zunimmt.
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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung und deren in den Unteransprüchen
gekennzeichneten Weiterbildungen wird auf die schematische Zeichnung Bezug genommen,
in deren Figur 1 in einem AusfUhrungsbeispiel ein Längsschnitt durch ein elektromagnetisches
Führungssystem gemäß der Erfindung dargestellt ist. Figur 2 zeigt in einem Diagramm
die von diesem Führungssystem hervorgerufene magnetische Flußdichte. In den Figuren
3 und 4 ist jeweils eine weitere Ausgestaltungsmöglichkeit der Endstücke des Magneten
eines elektromagnetischen Führungssystems
gemäß der Erfindung veranschaulicht.
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In Figur 1 ist nur der obere Teil eines Fahrzeugs 2 angedeutet, das
berührungslos entlang einer ferromagnetischen Schiene 3 der Dicke D nach dem elektromagnetischen
Anziehungsprinzip in einer Fahrtrichtung s geführt wird. Hierzu dient mindestens
ein mit dem Fahrzeug 2 verbundener Tragmagnet, der in der Figur mit 4 bezeichnet
ist. Er enthält einen Hauptmagneten 5 mit einem Magnetkern 6 und einer Erregerwicklung
7 um den Magnetkern 6. Die Erregerwicklung 7 wird mit Gleichstrom gespeist, der
regelbar ist, um so einen Sollabstand 9 zwischen der oberen Flachseite 10 des Magnetkerns
6 und der Schiene 3 zu gewährleisten. Die hierfür erforderlichen Meßeinrichtungen
sowie die Stromregeleinrichtungen sind in der Figur nicht ausgeführt.
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An dem in Fahrtrichtung liegenden und dem dazu gegenUberliegenden
Ende des Hauptmagneten 5 ist jeweils ein Endstück 11 bzw. 12 so angesetzt, daß die
zwischen dem Hauptmagneten 2 und den Endstücken 11 bzw. 12 ausgebildeten Trennfugen
14 bzw.
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15 keinen wirksamen Luftspalt ergeben. Jedes Endstück 11 bzw.
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12 enthält einen Magnetkern 17 bzw. 18, der in Bewegungsrichtung die
Lange L hat und dessen obere Flachseite 19 bzw. 20 gegenüber der angrenzenden oberen
Flachseite 10 des Magnetkerns 6 so zurückgesetzt ist, daß der Abstand 22 zur Schiene
3 gegenüber dem Abstand 9 zwischen der oberen Flachseite 10 des Magaetkerns 6 und
der Schiene 3 vergrößert ist. Um die Magnetkerne 17 und 18 der Endstücke 11 und
12 ist Jeweils in einer Nut eine Erregerwicklung 24 bzw. 25 angeordnet, die ebenfalls
mit Gleichstrom gespeist wird. Eine Regelung des Stroms in diesen Erregerwicklungen
24 und 25 ist nicht unbedingt erforderlich.
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Bei einer schnellen Schwebeführung von Fahrzeugen durch regelbare
Tragmagnete in Verbindung mit ferromagnetischen Schienen als Rückschlußkörper werden
bekanntlich Wirbelströme in den Schienen erzeugE.-Die Wirbelströme und die durch
sie bedingten Bremskräfte können zunächst dadurch herabgesetzt werden,
daß
man in Fahrtrichtung langgestreckte Magnete mit über ihre Länge konstanter Flußdichte
verwendet. Eine Änderung des magnetsschen Flusses in den Schienen, die die Ursache
für die Wirbelströme ist, findet dann jeweils nur in begrenzten Gebieten statt,
die den Enden der Magneten gegenüberliegen.
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Die Bremskraft, die ein einziger Magnet hervorruft, ist somit von
seiner Länge unabhängig. Eine weitere Herabsetzung der Bremskraft ist gemäß der
Erfindung dadurch möglich, daß man an den Enden eines Magneten die Flußdichte im
Luft spalt zwischen dem Magneten und der Schine abnehmen läßt und somit die entsprechende
Flußänderung in der Schiene vermindert.
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Im Ausführungsbeispiel eines Tragmagneten nach Figur 1 ist deshalb
an den Enden des Tragmagneten Jeweils eine Stufe in dessen Magnetkörper vorgesehen.
Diese Stufen werden durch die beiden gegenüber dem Hauptmagneten 5 zurückgesetzten
Endstücke 11 und 12 gebildet.
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Für diesen in Figur 1 dargestellten Tragmagneten 4-ist in Figur 2
in einem Diagramm in willkürlichen Einheiten die magnetische Flußdichte B im Luftspalt
zwischen dem Magneten 4-und der Schiene 3 in Abhängigkeit von der Magnetlänge x
in Bewegungsrichtung s veranschaulicht. Im Diagramm ist die in dem Luft spalt 9
von dem Hauptmagneten 5 hervorgerufene Flußdichte mit B1 und die jeweils von den
Endstücken 1 und 12 hervorgerufene Flußdichte mit B2 bezeichnet. Durch die Zurückset=ung
der beiden Endstücke 11 und 12 gegenüber dem Hauptmagneten 5 ist der Wert der Flußdichte
B2 kleiner als~B1, beispielsweise halb so groß.
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Neben der in den Figuren 1 und 2 veranschaulichten stufenartigen Vergrößerung
des Luftspaltes zwischen der Schiene 3 und dem Körper des gesamten Tragmagneten
4 an dessen stirnseitigen Enden kann zur entsprechenden Verminderung der Flußdichte
im Luft spalt ferner auch die Windungszahl der Erregerwicklungen 24 und 25 der Endstücke
11 und 12 entsprechend kleiner gegenüber der Windungszahl der Wicklung 7 des Hauptmagneten
2 gewählt werden. Darüber hinaus läßt sich auch M1r die Wicklungen
24
und 25 ein entsprechend kleinerer Stromwert vorsehen.
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Um die Bremskräfte eines Magneten mit schroffem Uebergang der von
ihm in dem Luftspalt erzeugten Flußdichte von einem Wert B1 auf Null mit dem Magneten
des elektromagnetischen Führungssystems gemäß der Erfindung vergleichen zu können,
wird das Verhältnis der Bremskräfte bei einem stufenweisen bzw. allmählichen Ubergang
der Flußdichte mittels der Endstücke 11 und 12 zu den Bremskräften bei einem schroffen
Übergang als Reduzierfaktor R definiert.
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Für die in den Figuren 1 und 2 gewahlte Ausführungsform eines Magneten
ist die Bremskraft minimal, wenn die von dem Endstück 11 oder 12 hervorgerufene
Flußdichte B2 gerade halb so groß ist wie die Flußdichte B1 des Hauptmagneten 5.
Für diesen Wert von B2 wird zweckmäßig für die Länge L der beiden Endstücke 11 und
12 ein Wert L = 1,5 D gewählt. Für diesen Wert der Länge L weicht nämlich der Reduzierungsfaktor
R von seinem minimalen Grenzwert 0,5, der sich für L gegen unendlich ergibt, um
weniger als 1 , ab. Eine Vergrößerung der Länge L über diesen Wert hinaus ist also
praktisch wirkungslos und deshalb nicht erforderlich. Um die Bremskraft des gesamten
Tragmagneten 4 Jedoch noch weiter herabzusetzen, kann man vorteilhaft mehrere Stufen
mit Flußdichten B2, B3 ... bis Bn vorsehen, wobei dann die Flußdichte jeweils auf
einer Länge : mit L etwa 1,5 . D konstant bleibt. Der Tragmagnet 4 hat dann an seinen
Enden Jeweils n - 1 Stufen.
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Neben einer solchen stufenweisen Abnahme der Flußdichte eines Tragmagneten
gemäß den Figuren 1 und 2 nach dessen Stirnseiten hin kann gemäß Figur 3 die Flußdichte
im Luft spalt auch allmählich, beispielsweise linear, abfallen. In der Figur ist
die Große der Flußdichten durch die Länge von Pfeilen veranschaulicht. Diese Pfeile
sind dem Hauptmagneten 2 und einem Endstück 30 eines Tragmagneten 31 zugeordnet
und Figur 1 und 2 entsprechend mit B1 bzw. B2 bezeichnet. Von dem längs einer ferromagnetischen
Schiene 3 geführten Tragmagneten 51 ist nur
ein Teil seines Hauptmagneten
5 und sein eines Endstück 30 durch die von ihnen hervorgerufenen Flußdichten angedeutet.
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Die Flußdichte B2 des Endstückes 30 fällt vom Wert B1 linearin Richtung
auf die Stirnseite 32 des Endstückes 30 auf einen Wert B3 ab. Ein Minimum der Bremskraft
des gesamten Magneten wird dann erhalten, wenn als Wert für die Flußdichte B1 3
2 + . L/D gewählt wird, wobei L wiederum die Länge des Endstückes 30 in Fahrtrichtung
und D die Dicke der Schiene 3 sind. Für diesen Wert der Flußdichte B3 an der Stirnseite
32 des Endstückes 30 und unter der Annahme, daß das Verhältnis von L zu D gleich
1,5 gewahlt wird, ergibt sich dann ein Reduzierungsfaktor R gemäß der Definition
in der Beschreibung zu Figur 1 von ungefähr 0,29. Bei einer Erhöhung der Gesamtlänge
des Magneten um nur 3 % beträgt dann die Bremskraft nur noch 9 96 des Wertes bei
einem sprunghafte Uebergang der Flußdichte B1 auf Null L..
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an den Enden. Bei einer Vergrößerung des Verhältnisses D läßt sich
dieser Reduzierungsfaktor R jedoch noch weiter vermindern.
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Tn Figur 4-ist in eimer Figur 3 entsprechenden Darstellung eine Ausführungsform
eines elektromagnetischen Schwebe systems gewählt, bei dem die Flußdichte B2 eines
Endstückes 35 eines teilweise angedeuteten Tragmagneten 36 im Luftspalt von einem
Wert B1 des Hauptmagneten 5 dieses Tragmagneten 36~über die Länge L des Endstücks
35 auf Null abfällt. Für wiederum den Wert 1,5 des Verhältnisses von Länge L des
Endstückes 35 zu Dicke D der ferromagnetischen Schiene 3 ergibt sich dann ein Reduzierungsfaktor
R von ungefähr 0,32 gemäß der Erläuterung zu Figur 1.
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Die in den Ausführungsbeispielen dargestellten Hauptmagnete der Tragmagnete
kUnnen beispielsweise mehrere in Fahrtrichtung hintereinandergereihte Teilkerne
mit entsprechenden Erregerwicklungen
enthalten. Die Teilkerne werden
vorteilhaft so zusammengesetzt, daß die entstandenen Trennfugen in ihren Polflächen
keine wirksamen Luft spalte bilden. Auf diese Weise verhalten sich die aneinandergereihten
Teilkerne nach außen zumindest annähernd wie ein einziger Gleichstrommagnet. Eine
entsprechende Verbindung zwischen diesen Teilkernen, die ebenso vorteilhaft auch
zwischen einem Magnetkern eines Hauptmagneten und dem Kern eines Endstückes verwendet
werden kann, ist in der deutschen Offenlegungsschrift 2 035 840 naher veranschaulicht.
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10 Patentansprüche 4 Figuren