DE19802255C1

DE19802255C1 - Stütztechnik mit magnetisch aktiven Partnerelementen

Info

Publication number: DE19802255C1
Application number: DE1998102255
Authority: DE
Inventors: Herbert Weh
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-01-22
Filing date: 1998-01-22
Publication date: 1999-10-07
Anticipated expiration: 2018-01-23

Abstract

Ausgehend von der Erzeugung stabil wirkender abstoßender Kräfte zwischen magnetisch aktiven Stützpartnern wird die erfindungsgemäße Formgebung für die Erzielung günstiger Merkmale bei begrenztem Materialeinsatz beschrieben. Neben der verlustarmen Erzeugung der geschwindigkeitsunabhängig wirkenden Stützkraft werden zweckmäßige Lösungen zur Entwicklung der seitlichen Führkraft und der Vortriebskraft zusammen mit dem Feld der Stützschiene angegeben. Es wird so eine für Kurz- und Langstatorversion günstige, aufwandsoptimierte und verlustarme Trag-Vortriebstechnik mit Vorzügen gegenüber bekannten Lösungen dargestellt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine berührungslose magnetische Stützeinrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruches 1.

Die Erzeugung abstoßender Stützkräfte durch die Wechselwirkung zwischen magnetisch akti ven Teilen wird mit Hilfe neuer Materialien mit verschwindend kleinem elektrischen Wider stand nämlich von Supraleitern als Massivkörper in der Weise möglich, daß zwischen den Stützkörpern geschwindigkeitsunabhängig stabil wirkende, abstoßende Kräfte fast verlustlos erzeugt werden. Auch mit hochwertigen Permanentmagneten lassen sich, in spezieller Anord nung ähnliche Schwebewirkungen erzielen. Diese Kräfte erweisen sich als sehr stark vom Abstand abhängig, entwickeln somit eine große Steifigkeit. Die Größe der Stützkraft je Flä cheneinheit der Stützkörper (Krafttdichte) hängt von mehreren Parametern, auch von geome trischen Größen ab. Sie ist aufwandsrelevant und kann durch die Höhe der Felddichte, die von den primären Stützkörpern ausgeht, beeinflußt werden. Die Reichweite des magnetischen Fel des ist eine für die erzielbare Schwebedistanz wichtige Größe. Für die Dimensionierung und die Gestaltung der Stützkörper ist mit Blick auf Stützkraft und Steifigkeit sowie auf den Auf wand an Magnetmaterial und die notwendige Masse der anzuwendenden Stützpartner ein en ger Zusammenhang gegeben, der für die Zweckmäßigkeit des Stützverfahrens bestimmend wirkt.

Als wichtiger Anwendungsaspekt ist zusätzlich die Erzeugung einer ausreichend großen seit lichen Führkraft (quer zur Bewegungsrichtung) zu erwähnen. Dabei kann die Bewegung des gestützten Teils (Fahrzeug) weitgehend linear wie im Falle einer Bahn oder kreisförmig - wie im Falle einer Schwungmassenstützung - vorgesehen sein. Zur seitlichen Stabilisierung gegen über störenden äußeren Einflüssen ist ohne erhebliche Aufwandsvergrößerung eine Führkraf terzeugung in Verbindung mit dem Feld der Hauptstützelemente angestrebt.

Insbesondere für die Anwendung in der Transporttechnik lassen sich zweckmäßige Systemei genschaften nur erzielen, wenn auch die Erzeugung der Vortriebs- bzw. Bremskräfte ohne erheblichen zusätzlichen Aufwand (spezielle Schienen) und mit gutem Wirkungsgrad durch führbar ist. Wichtig erscheint damit, die zur Stützung verwendete Schiene erforderlichenfalls mit einer zusätzlichen Einrichtung zu versehen und sie so mit zur Schubbildung einzusetzen.

Aus EP 0 483 748 A2 ist eine magnetische Stütz- und Vortriebseinrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruches 1 bekannt. Dabei können die Vortriebskräfte durch Zusammenwirken eines aus einer Wanderfeldwicklung erzeugten magnetischen Feldes und den vom wechseln den magnetischen Zustand in den Supraleiter erzeugten verlustbehafteten Reaktionswirkun gen auf der Schienenoberseite erzeugt werden. Hierbei ist nachteilig, daß neben den in den Su praleiter hervorgerufenen Wechselstromverlusten der durch die Wicklung erforderliche Platz bedarf einen Verlust an Tragkraftwirkung durch den vergrößerten Abstand zu den Magneten zur Folge hat. Die mit dem ersten Stützpartner fest verbundene Wicklung schließt darüber hinaus die Möglichkeit einer Schubkrafterzeugung in der Art der fahrzeuggebundenen Kurz statortechnik aus.

Die erfindungsgemäß gestellte Aufgabe besteht nun vorwiegend darin, die Funktion der Stützkrafterzeugung unter Berücksichtigung von hoher Kraftdichte, geringstmöglichem Schwebeabstand und günstiger Steifigkeit durch geeignete Wahl der geometrischen Parameter besonders zweckmäßig so zu gestalten, daß ein geringer massebedingter Aufwand entsteht und die weiteren Funktionen von Führkrafterzeugung und Schubbildung mit der Hauptfunkti on kombinierbar gestaltet werden können. Es gehört somit zu der weiterführenden Aufgabe, die für die Kraftbildung eingesetzten Komponenten so zu wählen, daß günstige Systemmerk male für die Aufgaben der Transporttechnik erzielt werden.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruches 1. Vorteilhafte Weiterbildungen zeigen die Unteransprüche.

In der nachfolgenden Beschreibung wird die Erfindung anhand der Fig. 1-8 erläutert:

Fig. 1 Anordnung von zwei Stützpartnern, wobei der primäre Stützpartner Permanentma gnete und der sekundäre Stützpartner Supraleiter in der Form von texturiertem Massivmaterial aufweisen.

Fig. 2 zeigt die Verbindungsstelle zweier Schienen mit Dehnfuge und Überlappungsberei chen.

Fig. 3 Stützanordnung mit Permanentmagneten im Bereich des primären und des sekundä ren Stützpartners.

Fig. 4 Geschrägt ausgeführte Stützpartner zur Erhöhung der Seitenkräfte.

Fig. 5a Doppelspulen-Anordnung (im Fahrzeug) zur Seitenkrafterzeugung mit aktiver Re gelung.

Fig. 5b Anwendung der aktiven Seitenkrafterzeugung unterhalb der Schiene mit einseiti gem Eisenrückschluß.

Fig. 5c Anordnung eines Seitenkraftelements mit Anwendung von Permanentmagneten.

Fig. 6a Anwendung einer zweisträngigen Wicklung in der Art der Langstatortechnik (stationär) und Erzeugung der Feldverstärkung durch Permanentmagneten auf der Fahrzeugseite.

Fig. 6b Anwendung von Permanentmagneten an den Stellen der Feldschwächung gegen über Fig. 6a mit verringerter Breite ausgeführt.

Fig. 6c Draufsicht auf die Spulenanordnung der zweisträngigen Wicklung mit nebeneinan der liegenden Spulen (in Flachausführung). Spulen des Stranges II gegenüber dem Strang I um eine halbe Polteilung versetzt.

Fig. 7 Schienenanordnung für Kurzstator-Linearantrieb mit Modulatorelementen zur Feldverstärkung und Feldschwächung; Erzeugung einer stationären Feldwelle im Spalt.

Fig. 8 Querschnittsanordnung von Schiene und Fahrzeug; linke Seite, Ausführung der Stützung auf Schienenoberseite, des Kurzstator-Linearantriebs und Seitenkrafter zeugung (hintereinander) an der Schienenunterseite.

Die Trag- und Führfunktion

Die Nutzung der Interaktion zwischen einem (stationären) magnetischen Stützelement S1 und einem (beweglichen) supraleitenden Element S2 zur Erzeugung von stabil wirkenden Schwe bekräften ohne das Hilfsmittel der aktiven Regelung ist für die Anwendung der reibungsfreien Lagerung eine wichtige Aufgabe. Diese Stütztechnik schließt also den Fall ein, daß in einer Richtung eine widerstandsfreie Bewegung zugelassen wird. Das magnetische Stützfeld von S1 ist dann so auszubilden, daß Feldänderungen in Bewegungsrichtung minimal sind. Soll hinge gen eine Bewegung in allen Richtungen verhindert werden, so ist mindestens in zwei aufein ander senkrechten Richtungen eine starke Feldänderung des primären Stützfeldes vorzusehen. Mit Fig. 1 wird davon ausgegangen, daß es sich um eine Anordnung zur Erzeugung stabil wirkender Schwebekräfte hauptsächlich in vertikaler Richtung handelt, wobei S1 das festste hende Teil und S2 das in einer Schwebehöhe h_S berührungslos zu stützende bewegliche Part nerteil ist. Es steht jedoch der Annahme nichts im Weg, daß an der Stützung des Tragelemen tes TE mehrere ähnlich wirkende Stützelemente mit ihren magnetischen Interaktionen betei ligt sind.

Im Falle eines Schwebefahrzeugs entspricht S1 also dem linksseitigen Schienenelement, wäh rend S2 annahmegemäß die linke Seite eines Fahrzeuges darstellt.

Über das Tragteil TE kann die rechte Fahrzeugseite mit einer spiegelbildlich ausgeführten Stützanordnung verbunden sein, wobei auch eine entsprechend gestaltete Schiene erforderlich ist.

Bei einem bloßen Lager lassen sich ähnliche Elemente S1/S2 kombinieren, wobei zur Ver meidung einer Bewegung mindestens zwei Elementpaare um 90° gedreht einzusetzen sind.

Mit Fig. 1 wird davon ausgegangen, daß zur Erzielung ausreichend großer Stützkräfte minde stens zwei Magneteinheiten unterschiedlicher Polarität den Stützverband S1 bilden. Mit hori zontaler Magnetisierungsrichtung der Permanentmagnete M1, M2 der linken und der rechten Seite von S1 sowie der Anordnung von senkrecht stehenden ferromagnetischen Sammlerteilen G entsteht in deren Bereich am oberen Rand der Anordnung als Beispiel von Fig. 1 die Polfolge von links S, N, S. Für das magnetisch erregte Stützfeld ist somit in der Querrichtung eine stark veränderliche Felddichte gegeben. Die Abnahme der Feldstärke im senkrechten Abstand von der Oberfläche der Magnetanordnung S1 hängt wesentlich von deren horizontaler Abmessung, also insbesondere von der Polbreite b_M ab. Je größer b_M ist, um so geringer ist die Abnahme der Felddichte. Die im Schwebeabstand h_S auftretende Tragkraft hängt von der Größe der Feldstärke an dieser Stelle und bei Anwendung von Supraleitern von der Größe des Feldes am Ort des Einfrierens des Feldzustandes (Ort des Übergangs in den supraleitenden Zustand) ab. Der Größtwert der Tragkraft wird für breit ausgelegte Stützmagnete in S1 und eine feldfreie Einfrierposition erzielt. Die Abnahme der Tragkraft mit zunehmendem Abstand ist jedoch im Zusammenhang mit der erforderlichen Stützsteifigkeit notwendig. Auch mit Blick auf die Be grenzung des Materialaufwands für die Stützeinrichtung S1 liegt eine zweckmäßige Begren zung der Abmessung b_M, die etwa 70 bis 80% Magnetanteil umfaßt, nahe. Ausreichende Stei figkeit und hohe Stützkraft lassen sich für Verhältnisse von Magnetteilung b_M und Schwebe höhe h_S im Bereich zwischen 5 und 10 erreichen.

Es ist leicht nachweisbar, daß die am Ort h_S erzielbare Felddichte mit der Remanenzflußdichte B_r des verwendeten Magnetmaterials proportional ansteigt und auch mit der Abmessung l_M der Schienenhöhe größer wird. Diese wird zweckmäßig größer als b_M gewählt.

Ferromagnetische Sammlerteile G der Breite b_E ermöglichen den Einsatz von kostengünsti gem Magnetmaterial und die Anwendung geeigneter geometrischer Parameter-Sätze, etwa auch die Festlegung einer größeren vertikalen Abmessung l_M zur Erzielung einer gewünschten Felddichte ohne Überschreitung der Abmessung b_M. Hierbei ist zu beachten, daß die gewählte Quermagnetisierung der Permanentmagnete im oberen und unteren Bereich der Schienenober flächen ähnliche Feldwirkungen erzeugt. Für viele Anwendungen kann dies erfindungsgemäß genutzt werden. Als weiterer Vorteil der Sammlerteile G ist ihr großer Vergleichmäßigungsef fekt für das äußere Schienenfeld zu erwähnen. Hierdurch entstehen in S2 bei Bewegung mi nimale Verluste.

Für eine einseitige Anwendung der Schiene ist wie in Fig. 1 dargestellt, am unteren Rand eine besondere Einrichtung bzw. Gestaltung vorgesehen. Zur Verringerung des dort austretenden Feldes kann materialsparend die Sammlerform der Eisenteile G geschrägt ausgeführt werden. Zusätzlich bzw. alternativ ermöglicht die Anwendung eines Blockiermagneten M3 in der ge zeigten Form eine weitere Reduktion des austretenden Feldes von S1. Es ist naheliegend M3 mit einer magnetischen Erregung auszuführen, die etwa der resultierenden Erregung der bei den Teilmagnete (der linken und rechten Hälfte) von S1 entspricht und die Magnetbreite b'_M etwa gleich der halben Schienenbreite zu wählen.

Die seitlichen Sammlerschienen G sollen magnetisch hohe Leitfähigkeit aufweisen und eine hohe Vergleichmäßigung des Feldes im oberen Luftspaltbereich ergeben. Demnach kommt insbesondere Eisen als Material in Betracht. Verursacht durch Schwankungen des Schwebe zustands (Schwebehöhe h_S) entstehen bei Bewegung von S2 gegenüber S1 geringfügige Fel dänderungen, die folglich auch Eisenverluste in G erzeugen können. Diese sind bei kleinen Bewegungsgeschwindigkeiten vernachlässigbar, erfordern jedoch bei höheren Frequenzen den Einsatz von lamelliertem Material. Die Lamellierungsrichtung von G wird dabei zweckmäßig so gewählt, daß die hauptsächliche Feldrichtung mit der Lamellenebene zusammenfällt, diese z. B. senkrecht gewählt wird.

Durch Einsatz von Magnetmaterial mit hoher Remanenzinduktion lassen sich die Schwebe kräfte (etwa proportional zu B_r ²) vergrößern. Eine Abstimmung der Schienenpolbreite b_M mit der zulässigen Masse der Permanentmagnete führt in der Regel auf den Einsatz von Perma nentmagneten, die aus zwei verschiedenen Materialanteilen kombiniert werden. Wie in Fig. 1 angenommen, besteht der Materialteil M1 aus kostengünstigen Permanentmagneten (z. B. Fer rit-Material) der Remanenzinduktion B_r1, während in der Mitte das stärker magnetisierende Material M2 mit der höheren Remanenzinduktion B_r2 herangezogen ist. In Fig. 1 ist angedeu tet, daß ein symmetrischer Aufbau für die Erzeugung großer Tragkräfte empfehlenswert ist. Durch die gewählten Breitenverhältnisse M1 und M2 läßt sich der mittlere wirksame Rema nenzwert in linearer Abhängigkeit von der Breite bestimmen.

Es ist davon auszugehen, daß die aktive Schiene in Abschnitten bestimmter Länge hergestellt wird und diese miteinander verbunden werden. Um einen störungsarmen Feldübergang zwi schen einzelnen Schienenstücken zu erreichen, wird der geometrische Übergang zwischen Magneten M und M' und den Sammlerteilen G und G' verschiedener Schienen S1 und S1' entsprechend Fig. 2 gestaltet. Gezeichnet ist eine Draufsicht auf die Schienen, die im Bereich der Verbindung eine besondere Formgebung erfahren. Zur Vermeidung von Längskräften als Folge von Temperaturschwankungen sind Dehnspalte vorgesehen. Die Formgebung ist so gewählt, daß bei maximaler Temperatur die Dehnspalte die Länge 0 annehmen, jedoch eine Überdeckung der ferromagnetischen Wangen G bei maximalem Dehnspalt (niedrigste Tempe ratur) noch sichergestellt ist. Hierdurch lassen sich Feldschwankungen im Verbindungsbereich minimieren.

Entsprechend Fig. 1 ist die seitliche Ausdehnung der Supraleiter SL zweckmäßig so zu wäh len, daß sie symmetrisch zur Schienenmitte liegt und größer als die halbe Breitenausdehnung von S1 (größer als b_M) ist. Bei den zur Verfügung stehenden texturierten Massivmaterialien werden bei einer Kühlmitteltemperatur von 77 K (und Kühlung durch flüssigen Stickstoff) elektrische Grenzstromdichten von etwa 5 × 10⁴ A/cm² erzielt, so daß die SL-Ströme sich in der Tendenz flächig aber nahe dem Magnetisierungszentrum (im Mittelbereich der Schienen magnete) verteilen. Bei hohen Tragkräften und großen Strömen fließt diese Stromverteilung (bei Beibehaltung der Grenzstromdichte) stärker in die Querschnittsfläche hinein. Eine we sentlich über die Breite von b_M hinaus gesteigerte Ausdehnung der Supraleiter SL bringt nur mehr einen geringfügigen Zuwachs an Tragkraft.

Der horizontal wirkende Anteil der Magnetkraft ist als positiv (zentrierend) wirkende Stell kraft nicht für alle Anwendungen der Transporttechnik und der Magnetlagerung hoch genug. Durch die Formgebung von Schiene und supraleitenden Körpern kann Einfluß auf die Größe der seitlichen Führkraft genommen werden. Es gilt im allgemeinen, daß diese Maßnahmen zu einer gewissen Verringerung der vertikalen Stützkraft führen. Die in Fig. 1 gezeichnete Un terteilung der Supraleiter SL in zwei gleichgroße Anteile bewirkt ebenfalls eine geringfügige Reduzierung der Tragkraft. Sie ist umso größer, je niedriger die Grenzstromdichte ist. Eine weitere Aufteilung der supraleitenden Massivkörper in Querrichtung erbringt nennenswerte Tragkrafteinbrüche und muß vermieden werden. Um die erforderliche Temperatur der Supra leiter gegen die einströmende Wärme und die durch Feldschwankungen induzierten Eigen verluste (Hystereseanteil) sicherzustellen, ist eine Kühlung des SL-Materials in Form einer Badkühlung bzw. einer Kühlung durch forcierte Strömung vorwiegend durch das Medium flüssiger Stickstoff vorgesehen. Zwischen dem Behälter SK und den SL-Körpern befindet sich das Kühlmittel, das im Falle einer forcierten Strömung auch durch geeignete Maßnahmen geführt ist und z. B. in einem geschlossenen Kreislauf mit Hilfe eines Rückkühlaggregats an nähernd auf konstanter Temperatur gehalten wird. Die dem Behälter von den Supraleitern übertragenen Stützkräfte werden über elastische Verbindungsteile V auf das Tragteil TE des Fahrzeugkörpers weitergeleitet, wobei L die elastische Verbindung zur Führung des Kühlmit tels andeutet.

Es sei erwähnt, daß anstelle der Supraleiter SL Permanentmagneten P als Stützpartner zu den aktiven Schienen eingesetzt werden können, sh. Fig. 3. Ohne die Anwendung spezieller Tief temperatur-Kühleinrichtungen lassen sich so verhältnismäßig große Tragkräfte, mit höheren spezifischen Werten als im Falle der SL-Anwendung erzielen. Es ist zu beachten, daß hierbei in seitlicher Richtung bei Auslenkung aus der Mittellage instabile Kräfte auftreten, die größer sein können als etwaige instabile Wirkungen im Falle der SL-Anwendung und die damit zu einer verstärkten Anwendung stabilisierender Maßnahmen zwingen. Sind diese Maßnahmen jedoch ohne größere Schwierigkeit ausführbar, empfiehlt sich die P-Magnet-Stützung als Er gänzung oder alternativ zur Anwendung der Supraleiter. Fig. 3 zeigt im Querschnitt den Ein satz von zwei Permanentmagneten P im Abstand b_a, der etwa gleich der Polbreite b_M ist. Die Magnetisierungsrichtung der P-Magnete ist waagerecht und ermöglicht bei Wahl einer genü gend großen Abmessung in vertikaler Richtung einen Größtwert an Tragkraft. Es wird eine stabil wirkende Stützfunktion mit hoher Steifigkeit erzielt. Über das Konstruktionsele ment KM und die Verbindungselemente V werden die Stützkräfte auf das Tragteil TE über tragen, das seinerseits die Fahrzeugzelle trägt. Um gute Materialnutzungen zu erzielen, sollte Art und Breite der Permanentmagnete so gewählt werden, daß ihre erregende Wirkung etwa derjenigen der gegenüberstehenden Schiene entspricht. Die vertikale Ausdehnung sollte nicht kleiner als der 4 bis 5fache Betrag des Luftspaltes sein. Für eine gewichtssparende Tragkraf terzeugung ist der Einsatz von Magnetmaterial mit hoher Remanenz-Flußdichte empfehlens wert.

Als eine der Vergrößerung der seitlichen Rückstellkraft dienende Maßnahme ist in Fig. 4 eine schräge Ausführung der Schienenoberseite von S1 dargestellt. Bei einer entsprechend der Schienenschrägung gewählten Ausführung von S2 (gleicher Winkel) ergibt sich eine deutliche Vergrößerung der seitlichen Rückstellkräfte. Ein Teil der Normalkräfte dient nun zur Stabili sierung des Seitenkraftverhaltens. Es wird dadurch deutlich, daß die geschrägte Anordnung zu einer winkelabhängigen (Winkel α) Reduktion der spezifischen Tragkraft führt. Die Untersu chungen zeigen, daß der Effekt der Seitenkraftvergrößerung auch von der gewählten Breite der Supraleiter SL abhängt und gemäß Fig. 4 deren Breite etwa der Schienenbreite entspre chen soll. Mit erhöhtem Aufwand an Schienen- und SL-Material ist für bestimmte Anwen dungen die Sicherstellung einer bestimmten Seitenkraft (bei SL-Anwendung) erzielbar. Eine Schrägung, die deutlich über den Winkel von 30° hinausgeht, zieht allerdings kaum vertretba re Einbußen an Materialausnutzbarkeit nach sich. Es zeigt sich, daß nun zur Sicherstellung des berührungsfreien Betriebs ein größerer Spalt gewählt werden muß. Es ist weiterhin sichtbar, daß die günstigsten Daten mit dem geringsten Aufwand bezüglich des Stützverfahrens von der nicht geschrägten Schiene ausgehen.

Eine Stabilisierung, die grundsätzlich größere seitliche Kräfte zu erzeugen gestattet und gleichzeitig die Vorteile der nicht geschrägten, aber weiterhin aktiv angenommenen Schiene nutzt, ist in Fig. 5 skizziert. Hier wird von der Möglichkeit Gebrauch gemacht, auf ein mit dem Fahrzeug verbundenes Spulensystem die Seitenkraft mit Hilfe stellbarer Energiezufuhr zu den Spulen zu bewirken. Das aktiv geregelte System erlaubt zwei Stromrichtungen und läßt bereits in der Mittelstellung die Erzeugung von horizontal wirkenden Kräften zu. Fig. 5a zeigt das Spulensystem als Beispiel auf der Oberseite der Schiene. Es handelt sich um die beiden Spulen Sz1 und Sz2, die mit der beispielhaft eingezeichneten Stromrichtung des Stromes J und in Wechselwirkung mit dem von der Schiene erzeugten magnetischen Feld B_Y (der mit Pfeilen eingezeichneten Vertikalkomponente) die ebenfalls als Pfeil eingezeichnete Seiten kraft F_z entwickeln, die dem Produkt B_Y . J proportional ist. Durch Vorgabe einer anderen Stromrichtung kann eine Änderung der Kraftrichtung erreicht werden Die Energiezufuhr aus E zur Spule Sz wird über einen Regelkreis R, beispielsweise abhängig von der Position der Spulen bzw. dem Fahrzeug (Sensor Se) über ein Stellglied St der Leistungselektronik (Tiefsetzsteller) gesteuert. Es lassen sich hierbei die in der einschlägigen Literatur bekannten Verfahren zur Optimierung des Regelkreises einsetzen. Vorteilhaft ist, daß als Folge der geo metrischen Anordnung der Spule gegenüber der Schiene nur sehr kleine Zeitkonstanten (minimaler Verzögerungseffekt) wirksam sind und die raschen Änderungen des Spulenstroms und der Kraft mit geringer Überdimensionierung des elektronischen Stellglieds erreicht wer den können.

In Fig. 5b ist eine andere Anwendung der aktiven Seitenkrafterzeugung zusammen mit dem unteren Teil der Schiene S1 aufgezeichnet. Hierbei wird davon ausgegangen, daß am unteren Schienenrand fest mit der Schiene verbunden eine zweisträngige Langstatorwicklung Wi an gewendet wird. Die zur Seitenkrafterzeugung verwendeten Doppelspulen Sz sind teilweise in Eisen Fe eingebettet. So wird eine Verstärkung des zur Verfügung stehenden Magnetfeldes im unteren Bereich erzielt. Gleichzeitig entsteht eine gewünschte Tragkraftkomponente. Letztere kann genutzt werden, wenn das Seitenkraftelement mit den Tragkraft-erzeugenden Fahrzeug teilen auf der Schienenoberfläche verbunden wird. Die vertikale Instabilität des Seitenkrafte lements (mit Eisen) wird durch die hohe verfügbare Steifigkeit der Elemente mit abstoßender Krafterzeugung ausgeglichen bzw. überkompensiert.

In Fig. 5c ist eine andere Ausführungsform des Seitenkraftelements alternativ zu Fig. 5b ge zeichnet. Hierbei werden zusätzlich zwei Permanentmagnete Ms zur Intensivierung des zur Verfügung stehenden Schienenfelds herangezogen. Sie dienen einer weiteren Erhöhung der Seitenkraft-bildenden Wirkung im Vergleich zur Fig. 5b.

Der integrierte Antrieb

Eine zweckmäßige Fahrzeug/Fahrweg-Konfiguration weist nur eine minimale Schienenzahl und eine entsprechende minimale Ausstattung an Fahrwegelementen auf. Die minimale Schienenzahl ist neben dem Monorail die Zahl 2, deren praktische Bedeutung für allgemeine Anwendungsfälle größer ist. Im vorliegenden Erfindungsbereich bedeutet dies die Nutzung des magnetischen Feldes der Stützschiene für den Antrieb, der ebenfalls beiden Schienen zu geordnet werden soll. Aus Gründen der Verlustvermeidung soll das Stützfeld wie erwähnt in Bewegungsrichtung weitgehend unveränderlich sein. Zur Schuberzeugung werden deshalb im Bereich der Schienenunterseite Elemente eingesetzt, die durch Feldmodifikation zu einer überlagerten Feldwelle führen. Letzteres läßt sich in Kombination mit einer geeigneten Wicklungsanordnung im Sinne eines Linearantriebs zur Vortriebsbildung nutzen. Hierbei ist sowohl die Form eines Langstatorantriebs im Falle von stationärer Wicklung und Stromver sorgung sowie die dazu duale Form des Kurzstatorantriebs möglich. Bei letzterem ist die Spulenanordnung mit dem Fahrzeug verbunden. Eine die Schienen-Feldwelle erzeugende An ordnung besteht aus den sogenannten Feldmodulatoren. Diese sind im ersten Fall dem Fahr zeug zugeordnet, während sie im zweiten Fall stationär angewendet werden. Der Längsab stand der Feldmodulatoren bestimmt die Polteilung der Feldwelle und muß mit der gewählten Teilung der Wicklung übereinstimmen. Entsprechend Fig. 6a ist die im Querschnitt gezeich nete Wicklung Wi dreigeteilt und entspricht einer zweisträngigen Ausführung. In dieser Langstatorvariante sind im mittleren Bereich entsprechend der Darstellung 6c in einer Ebene nebeneinanderliegende Spulen des Strangs I mit gleicher Polteilung τ aufgereiht, und so in Reihe geschaltet, daß die beiden anliegenden Spulenteile gleiche Stromrichtung führen. Ähn liches gilt für die beiden äußeren Spulenreihen, die zum zweiten Wicklungsstrang II gehören und an gleicher Stelle gleiche Ströme führen. Sie sind um eine halbe Polteilung gegenüber dem ersten Strang versetzt angeordnet. Die in den Bildern 6a und 6b gezeichneten Modulato relemente bestehen aus Permanentmagneten, die im Abstand einer Polteilung wechselweise das Feld verstärken (Fig. 6a) bzw. schwächen (Fig. 6b). Durch unterschiedliche Wahl der Abmessungen der verstärkenden und der schwächenden Magnete läßt sich ein Beitrag zur stabilen Schwebetechnik leisten. Die vorgesehenen Magnetabmessungen sind so gewählt, daß bei der unterstützenden Modulatoranordnung die Magnetbreite b_OV von Mov etwa gleichgroß wie die Polteilung b_M der Schiene ist. Dadurch wird ein Minimum an Seitenkraft und ein Ma ximum an Tragkraft erzielt. Für die feldschwächenden Modulatorelemente Mos wird eine kleinere Breite b_OS gewählt (etwa 0,5 b_M) und außerdem angenommen, daß drei Elemente mit etwas reduzierter Magnethöhe eingesetzt sind. Durch die Wahl der schmaleren Magnete Mos entsteht eine seitlich stabilisierende Kraftkomponente, wobei zusätzlich erkennbar ist, daß ein negativer Tragkraftanteil entsteht. Letzterer ergibt sich bei der gewählten Bemessung als ins gesamt (nach seinem Betrag) kleiner als der positive Tragkraftanteil nach Fig. 6a. Hierdurch wird erzielt, daß der Antriebsbereich einen Beitrag zur Tragkraft (mit geringer Instabilität) liefert und zusätzlich die Seitenkraft erhöht wird. Ähnlich wie beim Seitenkraftelement nach Fig. 5b und 5c ist der Tragkraftanteil (Zugkraft) instabil und muß durch einen Extraanteil an Steifigkeit bei der abstoßenden Tragkraft stabilisiert werden.

Für eine Kurzstatorlösung des Linearantriebs ergibt sich die in Fig. 7 dargestellte Anordnung des magnetischen Kreises. Er besteht aus der Stützschienenanordnung S1 und der darunter liegenden Modulatoranordnung Mo. Letztere ist im Querschnitt ähnlich wie S1 aus P-Magneten M' und Sammlerteilen G' aufgebaut und weist verstärkende und schwächende Elemente in wechselnder Reihenfolge auf. Sie bestimmen mit ihrem Längsabstand τ die Wel lenlänge der stationären Feldwelle. Als besonders zweckmäßig gilt in diesem Zusammenhang, daß an den Stellen der Fahrstrecke, wo größere Schub- oder Bremskräfte benötigt werden, durch Wahl stärkerer Permanentmagnete M' in den Modulatoren die Amplitude der B-Welle im Spaltraum erhöht werden kann. Permanentmagneten bestimmter Stärke können im übri gen, ganz ähnlich wie oben für die Stützschiene bereits beschrieben, durch verschieden starke Materialanteile M1 und M2 mit unterschiedlicher Remanenzinduktion ausgeführt werden.

Fig. 8 zeigt die dem Schienenbild 7 entsprechende Anordnung im Querschnitt mit der im Spaltbereich angeordneten Wicklung Wi, den Modulatoren Mo und der oberseitigen Stützvor richtung S2. Die Wicklung Wi ist auf einem Wicklungsträger TW aufgebracht, der wiederum mit der Stützkonstruktion S2 verbunden ist. Ähnlich wie im Bild 6c ist die Wicklung Wi zweisträngig in ebener Form mit nebeneinander liegenden Spulen besonders flach ausgeführt und mit minimalem Spalt zu den Modulatoren orientiert. Da die Stromzuführung über das Fahrzeug zu erfolgen hat, wird für größere Leistungen dort die Frequenzanpassung mit Hilfe eines Frequenzumrichters Fu vorgenommen. Es ist vorteilhaft, daß anders als im Falle der Langstatorwicklung, die Ermittlung der erforderlichen Stromrichtung über eine Pollageerfas sung direkt vom Fahrzeug aus erfolgen kann. Sie wird mit Hilfe des Sensors Se von der Posi tion der Modulatoren abgeleitet. Für die Stromübertragung kommen bekannte Verfahren - wie etwa Schleifkontaktübertragung bis hin zur induktiven Stromübertragung mit Hilfe offener Magnetkreise - in Betracht.

In Fig. 8 ist links der Mittellinie anstelle der Wicklung die Seitenstabilisierung aktiver Art mit den Doppelspulen Sz und einem Eisenrückschluß gezeichnet, die Spulen der Schiene S1 mit kleinem Spalt zugewendet. Für praktische Anwendungen ist mit einem Längenverhältnis Sei tenstabilisator zu Linearmotor von etwa 1 : 3 zu rechnen. Eine möglichst weitgehende Nutzung der Fahrzeuglänge zur magnetischen Interaktion dient der Erzielung günstiger Auslegungs- und Betriebsmerkmale, (z. B. Wirkungsgrad).

Die in Fig. 8 gewählte Formgebung von Fahrzeug- und Fahrwegteilen ist als Beispiel gedacht und modifizierbar. Das vertikale Fahrwegteil Fw dient der Befestigung von S1 und Mo und übernimmt mit der oberhalb dem Tragteil TE angeordneten horizontalen Erweiterung H eine mechanische Schutzfunktion für die magnetisch aktive Schiene (Überdachung im Bereich der gesamten Schienenseite).

Der Fahrzeugkörper selbst ist breiter als der Mittelwert des Schienenabstands.

Claims

1. Berührungslose magnetische Stützeinrichtung zwischen zwei Partnerelementen mit über wiegend abstoßender Kraftwirkung,

1. wobei ein erster Stützpartner (S1) ein eingeprägtes magnetisches Feld beinhaltet, das für Trans port- und/oder Lagerungsaufgaben in einer Richtung weitgehend gleichförmig ist, während es sich in der Querrichtung stark ändert und
2. wobei der zweite Stützpartner (S2) aus supraleitendem Massivmaterial und/oder Permanentma gneten besteht,

dadurch gekennzeichnet, daß

1. der erste magnetische Stützpartner (S1) aus mindestens zwei Polbereichen besteht und seine magnetische Achse quer zur Bewegungsrichtung und zur Stützkraft ausgerichtet ist, wobei eine Flußführung durch ferromagnetisches Material an den Polrändern vorgesehen ist,
2. die Höhe (l_M) des ersten Stützpartners mindestens gleich der Polbreite (b_M) eines Polbe reichs gewählt ist,
3. die Magnetisierung des ersten Stützpartners durch Permanentmagnete erfolgt, deren Breite 70% bis 80% der Polbreite (b_M) beträgt und diese etwa zehnmal größer als die angestrebte Schwebehöhe (h_S) gewählt ist,
4. auf der Unterseite des ersten Stützpartners zusätzliche, den magnetischen Kreis blockierende oder schließende Elemente vorgesehen sind.

2. Magnetische Stützeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

1. die mittlere Breite der Supraleiter (SL) größer als eine Polbreite (b_M) gewählt ist,
2. die Supraleiter in weitgehend feldfreiem Zustand außerhalb des Feldes des ersten Stütz partners unter die Sprungtemperatur gekühlt werden.

3. Magnetische Stützeinrichtung nach obigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß

1. die Oberseite des ersten Stützpartners (S1) geschrägt ausgeführt ist
2. und die Anordnung der Supraleiter (SL) in einem entsprechenden Winkel gedreht ist.

4. Magnetische Stützeinrichtung nach obigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß

1. die Schrägung von erstem und zweitem Stützpartner symmetrisch zur Mitte der Anordnung ausgeführt ist.

5. Magnetische Stützeinrichtung nach obigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß

1. mindestens ein Teil der Tragkräfte auf der Oberseite des ersten Stützpartners (S1) durch absto ßende Kräfte erzeugende Permanentmagnete (P) entwickelt wird, wobei die Erregung der Per manentmagnete etwa gleichgroß wie diejenige des ersten Stützpartners (S1) gewählt
2. und die Permanentmagnete (P) mit waagerechter Magnetisierung in der Mitte zwischen den Weicheisen teilen der Stützordnung vorgesehen sind.

6. Magnetische Stützeinrichtung nach obigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß

- als Stützschienen Teile des ersten Stützpartners (S1) mit gleichartigem Aufbau verwendet werden, deren Verbindungsstellen eine Dehnspalte aufweisen.

7. Magnetische Stützeinrichtung nach obigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß im Verbindungsbereich der Stützschienen die ferromagnetischen Schienenteile mit einer Überlappung (δ) ausgeführt sind, die größer ist als die maximale Dehnfuge.

8. Magnetische Stützeinrichtung nach obigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß bei einseitiger Nutzung der Stützschiene ein Blockiermagnet (M3) mit hoher Remanenzindukti on und ungefähr der Ausdehnung einer Polbreite (b_M) im Bereich der Weicheisenteile eingesetzt wird.

9. Magnetische Stützeinrichtung nach obigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß dem zweipoligen Feldbereich der Stützschiene auf einem Teil der Fahrzeuglänge eine Doppelspulen-Anordnung (Sz) auf der Fahrzeugseite gegenübersteht, die über eine Stromrege lung (R) z. B. stellungsabhängig mit Strömen beschickt wird und mit den Stützelementen (S1) ver bunden ist.

10. Magnetische Stützeinrichtung nach obigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Doppelspulen-Anordnung (Sz) auf der Schienenunterseite mit einem einseitigen ferroma gnetischen Rückschlußelement (Fe) kombiniert wird.

11. Magnetische Stützeinrichtung nach obigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Doppelspulen-Einheit (Sz) zusätzlich mit Permanentmagneten (Ms) in feldverstärkender Form bestückt ist.

12. Magnetische Stütz- und Vortriebseinrichtung nach obigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß bei zweiseitiger Nutzung des ersten Stützpartners (S1) im Bereich der Unterseite mit Hilfe von feldbeeinflussenden Elementen (Mov, Mos) dem magnetischen Feld eine Feldwelle in Bewegungsrich tung überlagert wird, deren Polteilung mit der Teilung einer Spulenanordnung überein stimmt.

13. Magnetische Stütz- und Vortriebseinrichtung nach obigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verstärkung der Feldwelle Modulatorelemente (Mov, Mos), die mit Permanentmagneten bestückt sind oder aus solchen bestehen, eingesetzt werden.

14. Magnetische Stütz- und Vortriebseinrichtung nach obigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die gewählte Breite der Modulatorelemente (Mov, Mos) im Falle eines Langstatorantriebs für verstär kende Modulatoren (Mov) und schwächende Modulatoren (Mos) ungleich groß ist und die Elemente mit der Stützvorrichtung (S2) verbunden sind.

15. Magnetische Stütz- und Vortriebseinrichtung nach obigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulatorelemente (Mo) für Kurzstatorausführung in Sammlerform ausgebildet sind und ih re Länge etwa gleichgroß wie die Länge des Zwischenraums gestaltet ist.

16. Magnetische Stütz- und Vortriebseinrichtung nach obigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Erzeugung der Feldwelle eingesetzten Permanentmagnete (Mo) in den Bereichen großen Schubbedarfs bzw. großer Bremskräfte Magnetmaterial mit hohen Remanenzflußdichten aufweisen und in Bereichen kleinen Schubs Magnetmaterial mit kleinen Remanenzwerten ver wendet werden.

17. Magnetische Stütz- und Vortriebseinrichtung nach obigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß zu einer zweipoligen Schienenanordnung eine zweisträngige Wanderfeldwicklung (Wi) in ebe ner Ausführung der Spulen verwendet wird, wobei die Wicklungen des einen Stranges (I) dem mittleren Pol und die Wicklungen des zweiten Stranges (II) in gleicher Teilung ausgeführt den seitlichen Halbpolen zugeordnet sind, und der Versatz der Spulen beider Stränge einer halben Polteilung (τ) ent spricht, wobei die speisenden Ströme um 90° elektrisch phasenverschoben sind.