DE102013014248A1

DE102013014248A1 - Elektrischer Linearantrieb für den Straßenverkehr

Info

Publication number: DE102013014248A1
Application number: DE201310014248
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-08-27
Filing date: 2013-08-27
Publication date: 2015-03-05

Abstract

Hoher Wirkungsgrad und geringe Komplexität beim Fahrzeug zeichnen den elektrischen Linearantrieb für Straßenverkehr aus. In Transversalfluss-Bauform ergeben sich verstärkt Vorteile, die der Kostenbegrenzung für die fahrbahnbasierten Baugruppen zugutekommen, und die sich auch für rotierende Anwendungen empfehlen.

Description

Stand der Technik
In der Geschichte der elektrischen Antriebe finden sich zahlreiche Vorschläge und Versuchsbeschreibungen für die Anwendung bei Straßenfahrzeugen. Zu den in den letzten zwei Jahrzehnten unternommenen Entwicklungsschritten hin zu elektrisch betriebenen Straßenfahrzeugen für Personenbeförderung (den PKW) befinden sich unzählige Batteriefahrzeuge (Speicherfahrzeuge) und Fahrzeuge mit kombiniertem Antrieb (Hybridfahrzeuge), die den elektrischen Antrieb als Zusatzantrieb für Kurzstreckeneinsatz oder Intervallbetrieb mitführen. In allen Fällen muss die elektrische Energie im Fahrzeug erst in der Form der Speicherladung zugeführt werden, bevor sie über den an Bord befindlichen Elektromotor, dem Antrieb über Welle, Getriebe und die Räder schließlich dem Fahrzeug zur Bewegung verhilft. Auch wenn neue Speicher-, wie die Lithium-Ionen-Batterien, eine höhere Speicherfähigkeit (ausgedruckt in kWh/kg) und ein günstigeres Speichervolumen als etwa die NiCd-Batterie aufweisen, sind die Merkmalsbeschränkungen, wie begrenzte Lebensdauer und Zyklenzahl, hochgradige Temperatur-Sensibilität der Elektroden, lange Ladezeiten und immer noch zu niedrige Speicherkapazität ungünstige Voraussetzungen für eine Anwendung im Straßenfahrzeug.
Die Energiespeicherung auf der Grundlage der elektrochemischen Umsetzung mit Hilfe von Elektroden und Elektrolyt kann bei unterschiedlichen Reaktionspartnern zu modifizierbaren Ergebnissen führen und neue Reaktionspartner werden veränderte Merkmale erbringen. Es ist allerdings schwer vorstellbar, dass sich grundsätzliche Aussagen, wie niedrige Stromdichten, Lebensdauer abhängige Betriebsmerkmale, kostspieliger Materialeinsatz usw., in Zukunft beseitigen lassen. Auch der begrenzte Wirkungsgrad, der sich aus der Addition der Vorgänge Laden und Entladen ergibt und bei etwa 40% liegt, gilt als großes Hindernis. In der Kombination mit dem Verbrennungsmotor lassen sich die nachteiligen Wirkungen der Batterie etwas abschwächen, so dass das hybride Fahrzeug überwiegend unter der angereicherten Komplexität und den vermehrten Kosten leidet. Für den Langstreckenverkehr auf Fernstraßen und Autobahnen hat diese Kombinationstechnik kaum erkennbare Vorteile.
Es ist auch nicht erschließbar, wie das Nahverkehrs-Schienenfahrzeug unter Beibehaltung der Schiene zu einer neuen Verkehrsvariante, die über die Ballungsraum-Anwendung hinaus als Ersatz für das Auto dient, entwicklungsfähig sein soll. In der Vergangenheit hatte es Ansätze hierzu gegeben. Es wurden Versuchsanlagen für leichte Schienenfahrzeuge (für 4 Personen) mit elektrischem Antrieb entwickelt, deren Einsatz allerdings über den städtischen Bereich hinaus kaum ausgedehnt werden könnte. Die indi-viduelle Zielwahl ist dabei stark durch die Ausbreitung der Gleisanlage begrenzt. Natürlich ist die elektrische Funktion des Antriebs im Falle einer Gleisanlage besser zu verwirklichen. Die damals existierende Möglichkeit der Steuerung verlangte, dass die Energieaufbereitung für eine stellbare Antriebs-kraft im Fahrzeug vorgenommen wurde, was zu dessen Komplexität beiträgt.
Für eine mögliche Anwendung im Straßenverkehr wäre dieses Verfahren ungeeignet. Es müsste hierzu auch ein Ersatz für die Energiezufuhr mit Hilfe von Schleifkontakten eingebracht werden. Die heute recht weit entwickelte (induktive) Übertragung der elektrischen Energie mit Hilfe hochfrequenter elektromagnetischer Felder erscheint bei Langstreckenanwendung mit Wirkungsgraden um (nur) 80% nicht günstig genug und zu aufwendig. Der Aufwand verteilt sich dabei auf Anlagenteile im Fahrweg und im Fahrzeug. Die EMV-Belastung ist ebenfalls zu bedenken.
Als Ziel der technisch machbaren und wirtschaftlich sinnvollen erfindungsgemäßen Lösung für den Straßenverkehr über größere Entfernungen erscheint ein Linearantrieb mit den Merkmalen deutlich erhöhter Wirkungsgrad (gegenüber Batteriefahrzeugen), geringer Antriebsaufwand im Fahrzeug, geringe Komplexität und kleiner Kostenaufwand für die Umrüstung erfolgversprechend. Der Umrüstungsaufwand für den straßenbezogenen Anlagenteil ist in diesem Falle mit Hilfe einer gut angepassten Technik minimierbar. Erfindungsgemäß wird die Antriebskraft dabei magnetisch (kontaktfrei) übertragen.
Der elektrische Fahrzeugantrieb soll ohne einen durch den Antrieb unmittelbar genutzten Speicher und ohne stromführende Teile, wie Spulen im Fahrzeug, auskommen und die Kräfte für den Vortrieb werden ohne Inanspruchnahme der Räder als Traktionsmittel übertragen. Auf komplexe Baugruppen und massereiche Teile im Fahrzeug kann verzichtet werden. Der Wirkungsgrad des Antriebs einschließlich der Energiezuführung wird mindestens 90% erreichen. Der klassische Antrieb auf der Grundlage des Verbrennungsmotors wird in abgasarmer Ausführung für Kurzstreckenanwendung und auch für den Notfalleinsatz herangezogen. Eine konduktive Stromzuführung zum Fahrzeug wird nicht in Anspruch genommen.
Als unmittelbare Folge der angestrebten technischen Merkmale ist zu erwarten, dass Fahrzeuge dieser Art wirtschaftlicher sind, da sie mit deutlich geringerem Energieaufwand betrieben werden. Sie fahren im Vergleich zu Speicherfahrzeugen durch den fehlenden Speicher mit einem geringeren Fahrzeuggewicht. Durch die im elektrischen Betriebsmodus stattfindende magnetische Kraftübertragung wird der Reifenverschleiß minimiert und das Bremsen erfolgt unbeeinflusst vom Zustand der Straße und der Reifen mit erhöhter Sicherheit, wobei die Energie dem Versorgungssystem wieder zurückgeliefert wird. Die elektrische Ausrüstung der Straße ist eine Einladung zur Anwendung einer weiter automatisierten Fahrzeugsteuerung. Die Fahrweise wird somit nutzerfreundlich, wirtschaftlich sowie umwelt- und resourcenfreundlich. Besonders im Vergleich zum reinen Batteriefahrzeug mit dessen bemerkenswerten Beschränkungen von Fahr- und Leistungsmerkmalen entsteht ein beachtlicher Unterschied.
Beschreibung
Hauptkomponenten des Linearantriebs
Die hier angestrebte Antriebsvariante für den Einsatz im Straßenverkehr verlangt nicht weniger als die Einführung eines Bündels von Antriebsmerkmalen, die bislang allenfalls und auch nur zum Teil bei modernen Schnellbahnen in Verbindung mit Magnetschwebetechnik eingesetzt wurden. Die direkte Heranziehung magnetisch wirksamer Kraftkomponenten ohne körperliche Berührung ist Voraussetzung für die Vermeidung der elektrischen Energieübertragung zum Fahrzeug. Ein elektrisch aktives Fahrbahn-Motorteil, das mit stromführenden Spulen bestückt ist, wechselwirkt mit einem mit Permanentmagneten bestückten elektrisch passiven Fahrzeug-Motorteil, in dem die Vortriebskraft auftritt. Mit der Stellbarkeit der Ströme in den Fahrbahnspulen ist die Beeinflussung der Antriebskraft ermöglicht. Das den Motor im Fahrzeug repräsentierende Teil ist umso leichter, je wirksamer das Magnetfeld eingebracht wird. Darüber hinaus ist seine Masse der Schubkraft bei gegebenem Strom etwa proportional anzusetzen. Es lässt sich voraussagen, dass dieser Masseanteil nur ein kleiner Bruchteil desjenigen eines elektrochemischen Speichers sein wird. Die massearme Ausführung dieses Motorteils und sein verlustloser Betrieb sind Kennzeichen des zu beschreibenden Linearantriebs. Verluste im Zusammenhang mit der Vortriebskraft finden in dem etwa die Länge des Fahrzeug-Motorteils betreffenden stromführenden Spulenbereich und in den Zuleitungsteilen der parallel zur Fahrbahn verlegten Anlagenteile der Energieversorgung statt. Die bestromte Strecke ist auf weniger als die Fahrzeuglänge eingegrenzt und die Verluste betragen nur wenige Prozentpunkte der Antriebsleistung.
1 zeigt die wichtigsten Baugruppen einer für elektrischen Verkehr ausgerüsteten Straße mit der Fahrbahn BF, die in Spurmitte das feststehende Motorteil LB dem Fahrzeug FZ zur Schubbildung anbietet. Letzteres ist mit dem Motorteil LF bestückt und führt dieses in Spurmitte. Die seitliche Zentrierung von LF erfolgt durch Magnetkräfte und in Sonderfällen durch Einsatz eines Aktuators und ist damit verstellbar. Die Einhaltung einer definierten Spaltlänge (vertikal zwischen den beiden Motorteilen BF und LF) wird durch einen Aktuator FAy vorgenommen. In seitlicher Richtung z wird zur Zentrierung von LF die eigenstabil wirkende Kraft F_z herangezogen. Vertikal wirkt zusätzlich zur Massenkraft (Gewicht), die durch das magnetische Feld verursachte Normalkraft F_n. Die Größe des Luftspaltes δ ergibt sich aus der unvermeidlichen Fahrbahnwelligkeit, der Fahrgeschwindigkeit und dem Reaktionsvermögen der Regelung Re, die den Aktuator FA_y aussteuert und nicht zuletzt aus der zu bewegenden Masse des Motorteils LF. Der Dynamikanspruch lässt sich auch ausdrücken in der nach einer eingetretenen Störung des Soll-Luftspaltes wirksam werden Rückstellkraft im Verhältnis zur Masse des LF-Teils. Dieses Verhältnis ergibt die Rückstellbeschleunigung, die für die Wiederherstellung des Ausgangszustandes nach einer bestimmten Zeit zur Verfügung steht. Auch in diesem Zusammenhang ist die niedrige Masse des Fahrzeug-Motorteils LF ein wichtiger Pluspunkt. Ähnlich günstig wie für das Rückstellverhalten in vertikaler Richtung ist offensichtlich die kleine Masse auch zur Begrenzung der Stellleistung des seitlich agierenden Aktuators FA_z.
Ein besonderes Kennzeichen des Linearantriebs besteht darin, dass die stromführende Gruppe der Spulen in ihrer Längenausdehnung dem Fahrzeugmotorteil LF entsprechend angepasst werden kann. Durch Funkkontakt mit dem Fahrzeug sowie durch Signalübertragung SU erfolgt der Angleich der stromführenden Länge entsprechend der Fahrzeugposition und die Vorgabe des Stromsollwertes zur Einhaltung oder Erzielung der Fahrgeschwindigkeit. Wie in 1 angedeutet, sind die schaltbaren Wicklungsgruppen in kleine Einheiten EB' unterteilt, die deutlich kürzer sind als die gesamte stromführende Spulengruppe EB, die ihrerseits nur wenig länger ist als das Motorteil LF und damit kürzer als das Fahrzeug, sh. 2. Die Spulen sind, wie in 1 ebenfalls angedeutet, z. B. in der Form einer dreisträngigen Drehstromwicklung im Motorteil LB in Nuten angelegt und lassen sich über die Halbleiterschalter, wie in 1 dargestellt, in einer sechsteiligen Brückenschaltung strangweise (und jeweils in zwei verschiedenen Richtungen) beschalten. Die Schaltsignale für die Brücken werden abhängig von Position, Fahrgeschwindigkeit und der zu erzeugenden Schubkraft über die Signalübertragung SU vom Fahrzeug Fz aus vorgeben. Der elektronische Regelkreis Re ermittelt (berechnet) die zur Signalvorgabe durch SU erforderliche Größe der Stromamplituden. Durch eine Folge von Ein-/Aus-Schaltvorgängen kann der wirksame Stromsollwert eingestellt werden. Die Energiezuleitung Ez ermöglicht einen bestimmten Maximalwert des Stromes, für den die Anlage ausgelegt ist. Neben den erforderlichen Kabeln sind bei längeren Abschnitten auch Transformatorten eingesetzt und ermöglichen die verlustarme Übertragung mit Hilfe höherer Spannungen. Schaltanlagen und Überwachungseinrichtungen sorgen für sicheren Betrieb.
Wenn bei manueller FZ-Führung die üblichen (v-abhängigen) Fahrzeugabstände eingehalten werden, verringert sich die thermisch relevante Stromdichte der Spulen weit unter den durch den Wirkungsgrad limitierten Wert. Selbst wenn die Fahrzeuge mit Minimalabständen fahren, ergeben sich dank der geringeren Schaltabschnittslängen im Vergleich zu den Fahrzeuglängen Strompausen, die sich für die Dimensionierung der Spulen mit verhältnismäßig hohen Stromdichten (für die Schubphase) bei gleichzeitiger Einhaltung des Wirkungsgrades empfehlen. Für die Festlegung der Eingriffslänge l_M0 des magnetischen Feldes wirkt sich günstig aus, dass größere (schwerere) Fahrzeuge, die mehr Schub und Eingriffslänge l_M0 benötigen, in aller Regel eine größere Länge aufweisen, wodurch l_M0 vergrößert werden kann. Es lassen sich z. B. mehrere gleichlange l_M0-Teile anwenden, deren Spalte individuell geregelt werden. Fahrzeug-Anhänger lassen sich mit einem eigenen Motorteil LF und eigener Schubkraft ausstatten, dessen Stromzuteilung vom Fahrzeug aus mitprogrammiert (und geregelt) wird. Offensichtlich liegt es nahe, auch eine weitgehend automatisierte Betriebsform mit kontrolliertem Abstand (abhängig vom akzeptierten Sicherheitslevel) und mit spurtreuer Lenkung einzubeziehen, was bereits nach heutigem technischen Stand möglich erscheint.
Das Fahrzeug ist für den Betrieb auf der nachgerüsteten elektrischen Autobahn um Einhaltung der vorgegebenen Spur durch sorgfältige Lenkung innerhalb eines zulässigen Spielraumes bemüht. Bei einfacher Ausrüstung sind Überholvorgänge mit elektrisch erzeugter Schubkraft nicht möglich. Allerdings liegt es nahe, die Möglichkeiten für Überholvorgänge sowie für Ausfahrten und Einfahrten mit elektrischem Betrieb ebenfalls vorzusehen. So ist z. B. die seitliche Verschiebbarkeit des Fahrzeug-Motorteils LF nach 3 dazu einsetzbar, dass mit Hilfe des Aktuators FA_z eine Wahl zwischen zwei nebeneinander angeordneten Fahrbahn-Motorteilen LB1 bzw. LB2 getroffen wird. Die Lenkung über die Räder muss dieser Fahrbahnwahl dann folgen. Ein solcher Vorgang ist durch die 3 und 3a dargestellt. Die Fahrbahn entsprechend LB2 von 3a kann z. B. für eine Ausfahrt gegenüber LB1 zu einer Kursabweichung nach links führen. Durch eine begrenzte seitliche Verschiebbarkeit des Motorteils LF wird die Nebeneinanderanordnung der Bahnteile LB1 und LB2 für verschiedene Zwecke herangezogen. So können beispielsweise auch zur Durchführung von Überholvorgängen Überholzonen mit mehreren LB-Teilen hintereinander eingerichtet werden, die eine entsprechende Beschleunigung der Fahrzeuge und ein Ausweichen auf die linke Spur ermöglichen. Auch das Zurückführen des Fahrzeugs von der linken in die rechte Spur wird in ähnlicher Weise in dafür vorgesehenen Abschnitten möglich. Da die Größe der Schubkräfte durch die Stromtragfähigkeit der eingesetzten Spulen und das Schaltvermögen der Leistungselektronik bestimmt sind, gibt die Auslegungsleistung der Baugruppen von LB den Rahmen der Fahrmöglichkeiten und deren Grenzen vor. Für die Fahrzeuge ist darüber hinaus die Eingriffslänge und die Wirksamkeit der angewendeten Permanentmagneten zusätzlich ein wichtiges Leistungsmerkmal. 4 zeigt die Ansicht des Magnetkreises in der Länge einer Polteilung für die Bauteile LF und LB. Die in LF eingesetzten Permanentmagneten Pm sind V-förmig in Sammleranordnung angewendet. Die für hohe Felddichten bekannten Bemessungsregeln sehen vor, dass die Magnetlänge l_m größer als die flussführende Abmessung am Luftspalt ist und die Magnetdicke h_m mindestens der doppelten Luftspaltlänge δ entspricht. Für die Unterbringung der Spulen Sp sind drei Nuten je Polteilung vorgesehen. Durch die in Sammleranordnung geformte Erregeranordnung werden hohe Felddichten ermöglicht, die zu begrenzten Spulenquerschnitten und kleiner Spulenmasse führen. Da Letztere noch stärker als die Eisenmasse die Herstellungskosten der fahrbahnbedingten Motorbaugruppe bestimmen, stellt dieses Entwurfskonzept einen Schlüssel zur Kostenminimierung dar. Es ist gleichzeitig die Grundlage für die Erzielung einer geringen Fahrzeug-Zusatzmasse durch das Erregerteil
4 zeigt im Bauteil LF in Spaltnähe die Anordnung einer Spule Gl. In dieser Spule werden bei Bewegung durch die Leitfähigkeitsschwankungen der teilweise geöffneten Nuten von Sp Spannungen der dreifachen Grundfrequenz induziert. Die Spule im Erregerteil ermöglicht somit die Auskopplung elektrischer Energie; sie arbeitet nach Gleichrichtung und Regelung der Spannungsgröße als Lineargenerator im Fahrzeug. Die in das Bordnetz einspeisbare Leistung ermöglicht ohne bewegte Teile die Bedarfsdeckung für Hilfsantriebe und die Ladung der Bordbatterie.
Die in 5 dargestellte Kennlinie für den Verlauf der Rückstellkraft F_z in Abhängigkeit von der relativen Verschiebung z/b_e ist näherungsweise eine Sinuskurve mit dem Maximalwert bei z = b_e, wobei sich der Maximalwert F_zm proportional dem Quadrat der durch die P-Magneten erzeugten Felddichte ergibt, der bei vorliegendem Entwurf nach 4 ein sehr hoher Wert ist.
Wie Modellauslegungen des Linearantriebs zeigen, lässt sich z. B. für ein Mittelklassefahrzeug mit 4 Personen und der mittleren Fahrleistung von 40 kW bei einer Geschwindigkeit von 120 km/h mit der beschriebenen Technik und einer LF-Teil-Länge von 40 cm bei einer Masse von 20 kg ein Motorwirkungsgrad von 96% ermitteln. Die Paketbreite beträgt 10 cm. Vom Tragsystem für das Teil LF ist die Normalkraft F_n von etwa 300 N zu kompensieren, um den Luftspalt im Mittel auf 1 cm konstant zu halten. Um kurze Reaktionszeiten des Aktuators FA_y zu ermöglichen, ist es von großem Vorteil, dass mit Hilfe hoher Felddichten nur eine kleine LF-Masse erreicht wird. Je kürzer die Reaktionszeit der LF-Führung ist, umso kleiner kann der Nennspalt gewählt werden, was sich günstig für die erzielbaren Leistungsdaten des Motors auswirkt.
Für die Beurteilung des Fahrbahnaufwands zeigen die Entwurfsdaten für Eisen- und Wicklungsmasse und je Meter Länge den Betrag von 53 kg, darunter 24 kg für Kupfer. Die Stromdichte in den Spulen liegt für die Schubphase bei etwa 5 A/mm². Wie sich zeigt, lassen sich sowohl die aktive Masse je Längeneinheit insgesamt als auch die für die Kosten wichtige Kupfermasse dadurch senken, dass das Motorteil LF (und die Eingriffslänge) bei gleicher Kraftdichte (für den Schub) länger gewählt wird. Mit dem damit schmaleren LB-Körper (in der Fahrbahn) werden Masse- und Kosteneinsparungen möglich.
Mit der Festlegung der Eingriffslänge wird auch über die wegen des Schaltvorganges geringfügig größere Länge der stromführenden Spulenreihe entschieden. Auf diese Länge verteilen sich die der Schaltleistung (Auslegungsleistung) entsprechend zu installierenden Schaltelemente. Hierbei handelt es sich nach heutigem Stand um IGBTs, die über eine Steuerspannung mit sehr kurzer Schaltzeit ein- und ausgeschaltet werden können. Auch die je Längeneinheit erforderliche Schaltleistung nimmt mit der Wahl einer größeren Motorteillänge von LF ab. Unter der Annahme, dass die spezifischen Kosten der Schaltelemente z. B. für eine Spannung von 400 V etwa im Bereich von 0,1 EUR/A liegen und für Dynamoblech (gestanzt) etwa 2 EUR/kg sowie für die Niederspannungswicklung 10 EUR/kg angesetzt werden dürfen, folgt, dass die Energieaufbereitung bei einer mittleren Länge von 64 cm für LF nur etwa die Hälfte der Kosten für das Statorteil des Motors LB ausmacht.
Weitere Optimierung zur Kostensenkung durch Transversalfluss-Magnetkreis
Für das Bauteil LB des Linearmotors und auch für das Fahrzeug basierte Motorteil LF lassen sich Reduktionsschritte für deren aktive Masse und die zugeordneten Kostenpakete durch den Übergang auf einen transversalen Magnetkreis erzielen. Dies ist durch die Darstellung des Erregerteils LF nach 6 sowie die Darstellungen 8a und 8b gezeigt. Hierbei ergeben sich insbesondere für die Spulenabmessungen Sp (Kupfermasse) deutliche Einsparungen. Das Wicklungsmaterial ist für das Ausstattungsteil LB (Fahrbahn) der bestimmende Kostenfaktor. Für das Fahrzeug-Motorteil LF wird eine Massereduktion auf etwa 60% möglich, wobei der Anteil der Permanentmagneten etwa gleich bleibt. Bei einer Motorlänge von 92 cm kann gegenüber der bisher beschriebenen Motorvariante eine Kostenreduktion für das Fahrbahnteil LB von mehr als 50% ermittelt werden. Da die LF-Teil-Masse gesenkt werden kann, konnte der mittlere Luftspalt auf den Wert von 0,5 cm angesetzt werden. Die Vorteile des Sammlerkonzepts lassen sich bei diesem Magnetkreis besonders deutlich verwirklichen. Die Zahl der eigenständigen Wicklungsstränge wurde in 8b zu zwei angesetzt. Für die praktische Ausführung empfiehlt sich zur Erzielung einer ausreichenden Schubglättung die Strangzahl 4 zu verwenden. Da sich im Falle der Transversalflusste3chnik der Einsatz kleiner Polteilungen günstig auswirkt, ist mit einer steigenden Betriebsfrequenz, z. B. dem dreifachen Wert, zu rechnen. Der Wirkungsgrad ist wenig verändert und erreicht ebenfalls fast 96%.
Um diese Ergebnisse zu erzielen, ist bei der Ausführung der Erregerteile Et die in 6 gezeichnete Maßnahme der Streuflussdämpfung empfehlenswert. Sie betrifft den von den Erregerteilen Et, die im Abstand einer Polteilung angeordnet sind, in den Zwischenräumen in der Horizontalebene verkaufenden Streufluss. Durch die im Zwischenraum der Erregereinheiten Et angeordneten Zusatzmagnete Pm2 erfolgt eine Gegenmagnetisierung für den Streufluss. Im Diagramm 7 ist eine Darstellung des Zusammenhangs zwischen der Luftspaltfelddichte B_f und dem im Zwischenraum gezeichneten Dämpfungsmagnet Pm2 und Θ_m2 = –gΘ_m1 zu finden. Durch die Verbreiterung der Magnetdicke h_m2 sinkt der Streuflussanteil, ausgedrückt durch den Streukoeffizient σ_v und die erzielbare Felddichte B_f im Luftspalt steigt entsprechend an. Diese Effizienzsteigerung für die Erregeranordnung lässt sich in eine Abmessungs- und Massereduktion für das Fahrbahnteil LB umsetzen. Für den Parameter g = 1 wird mit einer negativen Streuung (Streufelddichte in umgekehrter Richtung) eine Anhebung der Luftspaltfelddichte von etwas mehr als 50% erzielt. Im Falle der Erregeranordnung mit gedämpftem Streufeld werden die Vorteile der Transversalflusstechnik auch im Falle verhältnismäßig großer Magnetlängen l_m deutlich. Es lassen sich große Sammelfaktoren l_M/b = S ohne Nachteile für die Felddichte B_f (Magnetkreiseffizienz) verwirklichen. Die Darstellungen 8a und 8b zeigen die Linearmotoranordnung mit dem auf dem Fahrzeug verschieblich angeordneten Erregerteil LF und dem Fahrbahn basierten Statorteil LB mit zwei um 1,5 Polteilungen versetzten (einsträngigen) Wicklungssteilen als Strang a und Strang b, die über ein gemeinsames Konstruktionsteil Ks zum Fahrbahnteil LB verbunden sind. Die Erregerteile Et weisen an Pm1 angrenzende Eisenteile Fe auf, die für die Permanentmagneten Pm eine wechselnde Flussführung in den Statorelementen Ts und Ts' ermöglichen. So wird im Mittelbereich, der von der Spule umfasst ist, bei Bewegung von Et um eine Polteilung ein Flusswechsel (Flussrichtungsumkehr) ermöglicht. Dies gilt für ein Strangteil, das jeweils mindestens ein Ts und ein Ts'-Teil oder ein Vielfaches hiervon umfasst.
Die Aufbereitung der Spulenströme erfolgt über die Brücken (in 4-Schaltelement-Anordnung), die den einzelnen Strängen zugeordnet sind. Das Erregerteil Et von LF überdeckt mehrere Strangteile des Stators. Die Energiezufuhr erfolgt, ähnlich wie in 1, längs der Fahrbahn über Kabel und mit Hilfe höherer Spannung (Transformatoren).
Die in 8a gezeichneten Spulen Lg umfassen die äußeren Schenkel von Fe (der Erregeranordnung Et) und nehmen die von den Feldschwankungen (der Grundfrequenz) induzierten Spannungen auf. Sie bilden die Grundlage des Lineargenerators, der mit Hilfe dieser Spulen Lg einen (kleinen) Teil der Antriebsleistung generatorisch über den Gleichrichter Ss, der mit einer Spannungsregelung versehen ist, in das Bordnetz NB überträgt. Dadurch, dass die Feldschwankungen nur zum Teil über die in Lg fließenden Ströme abgedämpft werden, entgeht der Wirkung des Linearmotors nur ein kleiner Teil seiner Maximalleistung (als Motor). Einschließlich der geforderten Massen- und Materialkostenreduktion erfüllt der Linearmotor mit transversalem Magnetkreis optimal die erhofften Systemmerkmale. Er lässt weitere Anpassungsschritte zu, die im Falle anderer Anwendungsvoraussetzungen, z. B. auch bei rotierender Anwendung eine besondere Rolle spielen.
Es ist deutlich erkennbar, dass die hier beschriebene Konfiguration der Sammleranordnung für das Erregerteil Et unter Berücksichtigung der Streuflussdämpfung mit Hilfe der Permanentmagneten Pm2 in den Erregerzwischenräumen der Anwendung des transversalen Magnetkreises einen vergrößerten Spielraum verschafft. Da nun die Erregeranordnung mit großem Sammelfaktor oder großer Polteilung von ihren bisherigen Nachteilen befreit ist, lässt sich die Technik dieser Magnetkreise auch nutzbringend für die rotierende Anwendung einsetzen. Es ist bekannt, dass z. B. bei Zuordnung nur eines Wicklungsstranges je Umfang durch Wegfall der Spulenquerverbindung die Spulenform in einen Ring entartet, was den Maschinenaufbau stark vereinfacht. Bei Anwendung kleiner Luftspalte verringert sich zusätzlich der Aufwand für die Permanentmagneten deutlich.
Normalkraftregelung mit beweglichem Teilmagnet
Die Ausrüstung des Erregerteils Et des Fahrzeugs mit Dämpfermagneten Pm2 lässt die Wirksamkeit großer Sammlerfaktoren zwischen S = 2 ÷ 5 unabhängig von der Größe der Polteilung hervortreten und begünstigt die massesparende Bemessung des Linearantriebs, auch für größeren Luftspalt. Zur Anwendung dieser transversalen Magnetkreisvariante zeigt 9 die Möglichkeit einer Ausführung mit Stellbarkeit der Felddichte. Die Anordnung kommt ohne stromführende Spule aus. Es handelt sich bei dieser als Querschnitt gezeichneten Variante, um eine in drei Teile aufgelöste Magnetgruppe. Die Permanentmagneten Pm sind gegenüber der früheren Anordnung nach 6 zusätzlich in je zwei gleich große Einheiten unterteilt, die im Erregerteil E1 in Luftspaltnähe zusammengeführt sind. Das mittlere Erregerteil E2 ist in einer Richtung horizontal beweglich und wird über den Aktuator Ah positioniert. Die beiden Erregerteile E1 und E3 sind in einem gemeinsamen Rahmen Kf verbunden, in dem auch der Aktuator Ah befestigt ist. Das Führgestänge F2 ermöglicht die seitliche Bewegung von E2 gegenüber den anderen Magnetteilen. Der Rahmen Kf wird vertikal durch den Aktuator Av positioniert, der auch die Aufnahme der nach unten zeigenden Normalkraft F_n mit ihrem Nennwert übernimmt. Mit Hilfe einer zusätzlichen Führung Kv ist die seitliche Verschiebbarkeit gegenüber dem Anbindungsteil Kt ermöglicht. Letzteres ist mit dem Fahrzeugboden verbunden und trägt den für Stellvorgänge einsetzbaren Aktuator Ap.
Das in der Fahrbahn installierte Motorteil LB entspricht im Aufbau der in 8b gezeichneten Konfiguration mit den versetzten Eisenteilen Ts und Ts' sowie der Spule Sp in abschnittsweise einsträngiger Form.
In 9a ist ausschnittsweise die Endposition der seitlich verschobenen Erregereinheit E2 dargestellt. Die Permanentmagneten Pm stehen am (gegenüber dem Hauptspalt kleinen) Spalt δ_S direkt gegenüber den Eisenteilen Fe und entwickeln in der Spaltumgebung in horizontaler Richtung starke Streufelddichten. Dieses Streufeld verhindert den Durchtritt des Feldes vertikal zum Luftspalt, wo nur eine kleine Felddichte B_f entstehen kann. Die Permanentmagneten der Erregerteile E2 und E3 sind dabei unwirksam und selbst die Magnetisierungswirkung des Teils E1 ist durch das Streufeld stark reduziert.
Unter Bezug auf das Sammlerverhalten der Erregeranordnung kann festgestellt werden, dass der Sammelfaktor S sehr klein ist und einen Wert unter 1 (z. B. S = 0,8) angenommen hat. Im Gegensatz hierzu ist in der 9 die Stellung von E2 gezeichnet, die (ohne Verschiebung) den Maximalwert des Sammelfaktors, z. B. S = 4 ergibt.
Unterschiedliche Positionen von E2 gegenüber E1 wirken sich in diesem Rahmen wie eine Änderung des Faktors S zwischen Maximal- und Minimalwert aus. Diese Einflussnahme ist wegen der geringen zu bewenden Masse von E2 durch den Aktuator mit begrenzter Stellleistung in kurzer Zeit erreichbar. Durch Aufteilung der Permanentmagnete wird dazu beigetragen, dass sich der maximale Stellweg etwa auf die Hälfte verkürzt. Bei einer geringen Luftspaltstörung von z. B. Δδ/δ_n = 0,1 genügt bereits eine kleine S-Änderung und damit auch ein Bruchteil der in 9a gezeichneten Maximalauslenkung um zur Beseitigung der Störung eine ausreichende magnetische Rückstellkraft AF_n zu erzeugen.
Das Verfahren des stellbaren Erregermagneten mit Hilfe eines verschiebbaren Teils von Et bedeutet eine im Volumen begrenzte Erweiterung der Magnetanordnung zur Verwirklichung großer S-Werte, kommt jedoch ohne stromführende Spule innerhalb des Erregerteils aus. Deren Wirksamkeit ist bei der Kombination mit Permanentmagneten, insbesondere bei großen Luftspalten, gering und vergrößert deshalb stark die zu bewegende Erregeranordnung. Mit der in 9 ebenfalls dargestellten Gleichung für B_f, also für den Zusammenhang zwischen der Felddichte im Luftspalt und den anderen Magnetkreisdaten, dem Luftspalt δ', der Magnetdicke h_m ^x, dem Streufeldkoeffizienten σ und dem Sammelfaktor S ist der analytische Zusammenhang sichtbar gemacht.
Es liegt nahe, den über den Sammelfaktor S steuerbaren Feldeingriff in einem Regelkreis zur Spaltkorrektur für kleinere Störungen Δδ < δ_n heranzuziehen, die dank der kleinen beteiligten Masse von E2 sehr schnell korrigierbar sind. Die Grob-Positionierung und die während der Fahrt geschwindigskeitsabhängige Einstellung des Nennspalts sowie die Ausführung größerer Korrekturen erfolgen über den Aktuator Av. Insoweit ist auch die Nutzung von Av, wie in 9 gezeichnet, mit dem Regelkreis Re verbunden, der die Steuerbefehle für beide Aktuatoren zur Konstanthaltung des Spalts berechnet.
In 10 wird abhängig von dem Spaltlängenverhältnis δ/δ_n der Normalkraftverlauf (Verhältnis der Normalkraft zum Nennwert) F_n/F_no für einen ungeregelten Magnetkreis dargestellt. Er zeigt die starke Instabilität, die durch die bei kleinem Spalt stark zunehmende Felddichte B_f entsteht. Wird durch den Stelleingriff über E2 und die dadurch bewirkte S-Änderung zwischen 0,8 und 4,0 eine Feldbeeinflussung B_f/B_fo nach dem gestuften Verlauf von 10 vorgenommen, so kann die im unteren Diagrammteil dargestellte Rechteckkurve für die geregelte Normalkraft F_nG/F_no – 1 erreicht werden. Es liegt nun eine stabile Rückstellkennlinie im Bereich von Luftspaltänderungen zwischen 0 und 2δ_n vor, wobei der Nennwert von F_n durch den Aktuator Av kompensiert wird. Die Kennlinie erfüllt die für schnelle Störungsbeseitigung bestehenden Voraussetzungen.
In 9 sind im Erregerteil E1 angeordnete Spulen Lg als Bestandteil des Lineargenerators gezeichnet. Sie wirken im feststehenden Teil von Et und belasten nicht direkt den schnell zu vollziehenden Eingriff über das Bauteil E2. Die in den Spulen Sp induzierten Wechselspannungen mit Grundfrequenz werden in dem Aufbereitungsgerät Ss, das auch die Gleichrichtung vornimmt, für die Einspeisung in das Bordnetz elektronisch angepasst.
Mit Hilfe einer in 11 und 12 dargestellten Magnetkreisanpassung lassen sich Anwendungen der doppelseitig wirksamen Magnetkräfte für günstige Betriebs- und Einsatzmerkmale erschließen. Vor allem bei Nutzung der zweiseitig beeinflussbaren Normalkräfte F_n, die sich in entgegengesetzter Richtung aussteuern lassen, entsteht die Voraussetzung für schnelles Eingreifen mit Hilfe stromführender Spulen, die über elektronische Stellgeräte regelungsfähig sind. Sie lassen sich zur Führung des Erregerteils Et entlang der Statorkontur nutzen. 11 zeigt den Querschnitt durch die Magnetkreisanordnung, wobei der zweiteilige Stator LB zur Mittellinie spiegelbildlich symmetrisch ist. Er steht an den Luftspalten δ₁ und δ₂ dem Erregerteil Et gegenüber und besitzt an den Außenschenkeln von Ts und Ts' gleichstromführende Spulen Spe. Oben links und unten rechts ist eine (direkte) magnetische Wechselwirkung durch Ts gegeben, während die Wechselwirkung mit Ts' nach Bewegung um eine Polteilung erfolgt. Im Falle einer elektrischen Zusatzerregung durch Ströme in Spe kann darauf gezielt werden, dass der durch Permanentmagnete Pm erzeugte magnetische Flussanteil durch die elektrisch erzeugte Flusskomponente teilweise ersetzt wird. Besonders vorteilhaft ist die elektrische Zusatzerregung für die Erzeugung einer Normalkraftdifferenz durch ungleiche Kräfte auf beiden Seiten des Luftspaltes. Durch schnelle Aussteuerung der Gleichströme von Spe in unterschiedlicher Richtung kann z. B. bei δ₁ eine Verstärkung und bei δ₂ eine Schwächung der Normalkraft herbeigeführt werden. Liegt eine Positionsstörung vor, die z. B. δ₁ > δ₂ verursacht hat, lässt sich durch die beschriebene Kraftdifferenz das Bauteil Et wieder in die Mittelposition zurückführen. Die Luftspaltlänge wird hierzu mit Hilfe eines Sensors ermittelt und liegt dem Regelkreis zur Einleitung der Rückstellaktion in ihrer Größe vor. Der doppelseitige Feldeingriff erweist sich als deutlich vorteilhafter als eine einseitige Regelung.
12 zeigt schematisch den Einsatz des zweiseitig geregelten Magnetkreises zur Luftspaltstabilisierung eines Generators mit großem Durchmesser. Die beiden Erregerwicklungen Spe lassen sich bei Auslegung mit gleicher Windungszahl in Reihenschaltung einsetzen, so dass sie mit nur einem Stellgerät Sr ausgesteuert werden können.
Die mit den Permanentmagneten Pm ausgestattete Erregereinheit Et besitzt gegenüber der Statoranordnung (und deren ferromagnetische Pole) in horizontaler Richtung eine zusätzliche Rückstellwirkung, hin zur magnetischen Mitte, die der Position der maximalen Felddichte entspricht. In 12 ist deshalb das segmentiert zu denkende Bauteil Et, das dem Magnetkreisteil eines (entsprechend segmentierten) Rotors entspricht, sowohl radial über Fr als auch horizontal (axial) über das zweite Paar von Linearlagern Fh, zweidimensional verschieblich, mit dem als ringförmig anzusehenden Rotorkörper Rk verbunden. Die mechanischen Führkomponenten übertragen die Umfangskraft. Das Bauteil Et kann dank der zweidimensionalen Führung mit verhältnismäßig geringem Nennluftspalt δ_n, auch im Falle größerer geometrischer Abweichungen zwischen zwischen Rk und Sk ausgeführt werden. Der Einsatz einer Spaltregelung ermöglicht Einsparungen bei der Magnetkreisauslegung und die doppelseitige Anordnung bringt Vorteile für die mechanische Ankopplung des Magnetkreises durch weitere Baugruppen.
Um die Variabilität der Magnetkreisanordnung sichtbar zu machen, ist mit 13 darauf hingewiesen, dass im Falle der einseitigen Erregung des Magnetkreises die Möglichkeit besteht, die zur Erregung verwendeten Permanentmagneten Pm in die Statorteile Ts und Ts', und zwar in deren äußere Schenkel einzubauen. Der Sammeleffekt bleibt dabei erhalten. Das bisher verwendete Erregerteil Et wird nun magnetisch passiv und dient als (magnetisch) gut leitendes Reaktionsteil Rt. Eine entsprechende Anordnung ist mit dem longitudinalen Wanderfeld-Magnetkreis nach 4 nicht möglich. Die Anwendung des transversalen Magnetkreises (in Wechselfeldausführung) erlaubt eine deutlich günstigere Anpassung.
So ist z. B. auch der mit 14 dargestellte Übergang in die doppelseitige Variante mit elektrischer Zusatzerregung in den stromführenden Spulen Spe im Stator möglich, wenn ein doppelseitig nutzbares Reaktionsteil Rt eingesetzt wird. Die Anordnung nach 14 ermöglicht dabei ebenfalls eine zweidimensionale Führung von Rt mit dem Ziel des konstanten Luftspaltes. Das Reaktionsteil Rt lässt sich mit minimaler aktiver Masse ausführen, was im Hinblick auf eine Regelung mit geringem Aufwand (begrenzte Auslegungsleistung der Spulenkreise) von Bedeutung ist. Weiter ist ersichtlich, dass durch den Wegfall der Permanentmagneten in Rt dieses Bauteil nicht nur mechanisch einfacher gestaltet ist, sondern auch an Robustheit (gegenüber mechanischen Stoßbelastungen) gewinnt.

Claims

Elektrischer Linearantrieb für Straßenfahrzeuge bei dem das spulentragende Statorteil LB in Spurmitte des Fahrwegs mit glatter Fahrbahn installiert und mit einer mehrsträngigen Wicklung in Spulenform ausgestattet ist, die über Schaltelemente der Leistungselektronik und ein Energiezuleitungssystem mit Wechselströmen stellbarer Größe versorgt wird, das Magnetfeld von Permanentmagneten in Sammleranordnung erzeugt wird und die stromführende Wicklungslänge nur wenig länger als das Fahrzeug basierte Motorteil ist, folglich die Länge der schaltbaren Wicklungsabschnitte kleiner als dessen Länge gewählt ist und die Größe der wirksamen Ströme und deren Schaltmuster zur Geschwindigkeitsbeeinflussung vom Fahrzeug aus vorgegeben werden, die Stromversorgung des Bordnetzes zur Speisung der Hilfsantriebe durch generatorisch betriebene Wicklungen ohne bewegte Teile im fahrzeugbasierten Motorteil LF erfolgt und die vertikale Spalteinstellung durch einen Regelkreis mit Hilfe eines Aktuators FA_y erfolgt, während sich die horizontale Zentrierung des Erregerteils durch die selbsttätige Feldwirkung und/oder die Einflussnahme über einen Aktuator FA_y ergibt und die Bemessung der Magnetkreisteile einschließlich der Spulenquerschnitte einen Wirkungsgrad von mehr als 90% zulässt.
Magnetkreisanordnung für rotierende und lineare elektrische Maschinen geeignet als Linearantrieb für Straßenfahrzeuge mit einem in Spurmitte eingelassenen Stator und glatter Fahrbahnoberfläche nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetische Kreis in Transversalflussform ausgeführt ist, wobei die Erregung durch Permanentmagneten sammlerartig quer zur Fahrbahn mit zwei gleich polarisierten Magneten im Abstand der Spulenweite gebildet wird, die von angrenzenden Eisenteilen Fe benachbart sind, welche die Pole am Luftspalt bilden und im Abstand der Polteilung stehen und der Stator aus abschnittsweise einsträngig ausgeführten Einheiten Ts und Ts' besteht, die abwechselnd gegenüber der Mittellinie seitlich versetzt den beiden Spulenseiten zugeordnet sind und strangweise einen Längsversatz aufweisen, dessen Mindestgröße sich entsprechend dem angewendeten Phasenwinkel des mehrsträngigen, symmetrischen Stromsystems ergibt.
Magnetkreisanordnung in Transversalflussform und Erregung durch Permanentmagneten in Sammlerart nach obigem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass in den Lücken zwischen den Sammlerteilen Et Permanentmagneten Pm2 zur Streuflussdämpfung angeordnet sind und ihre Polarität für den Streufluss jener der Magneten Pm1 der Sammlereinheiten Et entgegenwirkt.
Magnetkreisanordnung in Transversalflussform und Erregerteil in Sammlerart nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Stromaufbereitung in so kurzen Wicklungsabschnitten unterteilt ist, dass diese deutlich kleiner als die Länge des dem Fahrzeug zugeordneten Motorteils LF ist.
Magnetkreisanordnung in Transversalflussform und Erregerteil in Sammlerart nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erregerteile Et in drei Einheiten E1 ÷ E3 vertikal gegliedert sind und das mittlere Teil gegenüber den beiden anderen Teilen quer zur Flussrichtung (horizontal) verschiebbar und über einen Aktuator Ah stellbar ist, das den beiden Teilen E1 und E3, die fest in einem gemeinsamen Rahmen Kf verbunden sind und dem Teil E2 durch einen im Vergleich zum Hauptluftspalt δ kleineren Spalt δ_S gegenübersteht, die in zwei Erregerzentren gegenüber dem Stator und dessen Spule angeordneten Permanentmagneten horizontal in mindestens zwei Einheiten gleicher Polarität unterteilt und hinsichtlich der Magnetstärke h_m so bemessen sind, dass diese je Zentrum in der Summe mindestens die doppelte Größe des Nennspaltes δ aufweisen und die Magnetlänge l_m mehr als das Doppelte der Eisenbreite b des Stators am Luftspalt beträgt.
Magnetkreisanordnung in Transversalflussform und Erregerteil in Sammlerart nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem über den Aktuator Ah stellbaren Mittelteil E2 von ET und durch Aufnahme der mittleren Tragkraft über den Aktuator Av in vertikaler Richtung sowie durch Wahl eines großen Sammelfaktors S > 2 innerhalb eines begrenzten Stellbereichs für den Luftspalt ohne Inanspruchnahme von stromführenden Spulen durch Beeinflussung der Magnetfelddichte eine stabile Rückstellkennlinie erzeugt wird.
Magnetkreisanordnung in Transversalflussform und Erregerteil in Sammlerart nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Speisung des Bordnetzes im fahrzeugbasierten Motorteil Et in Spaltnähe angeordnete Spulen Lg, die den mit Betriebsfrequenz pulsierenden Magnetfluss umschließen, für generatorischen Betrieb nach Gleichrichtung des Wechselstroms herangezogen werden.
Magnetkreisanordnung in Transversalflussform und Erregung durch Permanentmagneten in Sammlerart nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe von Permanentmagneten in Sammleranordnung und oder durch gleichstromführende Erregerspulen die den äußeren Schenkeln Ts und Ts' des die Wechselstromwicklung tragenden Teils zugeordnet sind, von LB aus Erregerfeldkomponenten erzeugt werden können.
Magnetkreisanordnung in Transversalflussform und Erregerteil in Sammlerart nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die stromtragende Statoranordnung LB doppelseitig und zur vertikalen Mittelebene spiegelsymmetrisch angeordnet ist.
Magnetkreisanordnung in Transversalflussform und Erregerteil in Sammlerart nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die spulentragende Statoranordnung LG als Zusatzaufgabe ausschließlich die Erzeugung der Erregerfeldkomponenten übernimmt, und das Reaktionsteil Rt ohne Spulen und Permanentmagneten magnetisch passiv ausgeführt ist und aus magnetisch gut leitfähigem Material besteht.