DE3411190C2

DE3411190C2 - Magnetregler für Langstator-Magnetschwebefahrzeuge

Info

Publication number: DE3411190C2
Application number: DE3411190A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dipl.-Phys. Dr. 8000 München Bohn; Günter 8421 Train Steinmetz
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Alstom Transportation Germany GmbH
Priority date: 1984-03-27
Filing date: 1984-03-27
Publication date: 1986-11-06
Also published as: DE3411190A1; JPS60216706A; JPH0783525B2; US4587472A

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Magnetregler zur Regelung des Luftspaltes (S) zwischen Tragmagneten (2) eines Langstator-Magnetfahrzeuges und einem regelmäßig gezahnten Schienenfahrweg (1), mit der die Magnetkraft der Tragmagnete (2) in Abhängigkeit des Luftspaltes (S) und gegebenenfalls dessen zeitlicher Änderungen (S) aufschaltbar ist. Um das Magnetschwebefahrzeug im Stand, bei Langsamfahrt und bei hohen Geschwindigkeiten stabil zu halten, wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, in die Oberfläche eines Poles (5) jedes Tragmagneten (2) eine Leiterschleife (9) mit der Breite eines Schienenzahnes (4) einzulegen. Die Frequenz (f) des Ausgangssignales (Uv) der Leiterschleife (9) ist direkt proportional zu der Geschwindigkeit (v) des Magnetschwebefahrzeuges. Dieses Frequenzsignal (Uf) wird nach Anpassung dazu verwendet, die Reglerverstärkung des Magnetreglers (21) festzulegen. Die Anpassung erfolgt so, daß für kleine Frequenzen entsprechend kleinen Geschwindigkeiten des Magnetschwebefahrzeuges die Reglerverstärkung klein, für hohe Frequenzen entsprechend hohen Geschwindigkeiten die Reglerverstärkung groß ist.

Description

so werden die Reglerparameter so verändert, daß ein gutes Folgeverhalten der Magnete zu ihrer Schiene erreicht wird oder es werden nach Oberschreiten einer bestimmten Frequenz die Reglerparameterverstärkuing gegebenenfalls in Stufen umgeschaltet

Die Regelungselektronik: für ein »Magnetisches Ra.d« besteht aus einem Beobachter und dem eigentlichen Magnetregler. Es ist gemäß der Erfindung wesentlich, daß in beiden Teilen — im Beobachter für die Parameter und im Regler für die Verstärkungen — ein Geschwindigkeitseinfluß installiert wird.

Es ist denkbar, daß einige Parameter auch nicht stetig steigend mit der Geschwindigkeit erhöht werden, sondern z. B. für eine bestimmte niedrigere Geschwindigkeit ein Minimum aufweisen.

Als Leiterschleife kann eine einfache Schleife mit der Breite eines Schienenzahnes verwendet werden. In dieser Schleife wird dann eine Wechselspannung induziert, deren Größe von der Feldamplitudenwelligkeit des Magnetfeldes zwischen Magnet und Schiene und der Geschwindigkeit des Schwebefahrzeuges abhängt, während die Frequenz der Wechselspannung nur von der Geschwindigkeit abhängt Das Magnetfeld im Luftspalt zwischen Tragmagnet und Fahrweg hat eine Welligkeit, die bedingt ist durch den Takt der Magnetsteller für den Magnetstrom der Tragmagnete und durch die Umschaltung der Magnetsteller bei dem üblichen Zwei- bzw. Dreipunktbetrieb. Um diese Welligkeit zu eliminieren, wird anstelle einer einfachen Leiterschleife vorzugsweise eine Doppelschleife in Achterform mit gleich großen Einzelschleifen verwendet wobei jede Einzelschleife wiederum eine Breite entsprechend eines Schienenzahnes aufweist

Hiermit wird gleichzeitig verhindert daß der veränderliche Magnetfluß zwischen Tragmagnet und Schiene direkt in die Leiterschieife eingekoppelt wird. Der veränderliche Magnetfluß verursacht in diesem Falle nur eine Modulation der Amplitude des Ausgangssignales der Doppelschleife.

Für eine stabile Regelung des Schwebefahrzeuges bei niedrigen Geschwindigkeitsbereichen ist es nicht notwendig, die Geschwindigkeit sehr genau zu erfassen. Die Störempfindlichkeit des Systems kann auf einfache Weise durch ein Dreipunktglied stark reduziert werden, dem die Ausgangssignale der Leiterschleife zugeführt werden. Aus der in der Leiterschleife induzierten Wechselspannung kann so auf einfache Weise ein Stufensignal gebildet werden, aus dem sich mit bekannten Verfahren die zur Geschwindigkeit des Schwebefahrzeuges proportionale Grundfrequenz ermitteln läßt.

Die Erfindung ist in einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert In der Zeichnung stellt dar

F i g. 1 ein schematisches Blockschaltdiagramm eines Magnetreglers gemäß der Erfindung für ein Langstator-Magnetschwebefahrzeug;

F i g. 2 eine schematische Darstellung von Langstatorschiene und Tragmagnet eines Schwebefahrzeuges zur Erläuterung der Funktion eines Magnetreglers gemäß der Erfindung;

F i g. 3a und 3b schematische Darstellungen in Schnitt und Aufsicht eines Poles eines Tragmagnetes eines Magnetschwebefahrzeuges, in dem eine Doppelschleife zur Ableitung eines Geschwindigkeitssignales eingelegt ist;

F i g. 4 eine schemetische Darstellung zur Aufarbeitung eines von einer Doppelschleife abgegebenen Geschwindigkeitssignales mittels eines Dreipunktgliedes.

Zunächst soll auf die F i g. 2 bis 4 eingegangen weirden. In F i g. 2 sind schematisch eine Tragschiene 1 in Form eine? Langstators und ein Tragmagnet 2 für ein Magnetschwebefahrzeug dargestellt Die Fahrtrichtung des Magnetschwebefahrzeuges liegt in der Richtung der Tragschiene. Diese Tragschiene 1 weist in Längsrichtung auf der dem Tragmagneten 2 zugewandten Seite abwechselnd gleich breite Nuten 3 und Zähne 4 auf, deren Breite mit b bezeichnet ist Der in Längsrichtung der Tragschiene 1 angeordnete Tragmagnet weist zu

ίο beide Enden je einen etwa L-förmigen Pol und in der Mitte einen etwa T-förmigen weiteren Pol 6 auf, die sämtlich durch ein gemeinsames Joch 7 verbunden sind. Um die Pole sind hier nur angedeutet Magnetspulen 8 gelegt, mit denen zwischen den in F i g. 2 linken Pol 5 und dem mittleren Pol und der Tragschiene sowie zwischen dem in der Zeichnung rechten Pol 5 und dem mittleren Pol 6 zwischen Tragschiene und Tragmagnet jeweils ein Magnetfluß B erzeugt wird, wenn die Magnetspulen init Strom versorgt werden. Tragschiene 1 und Tragmagnet 2 sind voneinander Jurch einen Luftspalt S getrennt entsprechend dem Absiand zwischen der Poloberfläche des Tragmagneten und der Oberfläche der Zähne 4 der Tragschiene 1.
Wird der Tragmagnet 2 entlang der Schiene 1 bewegt, dann triü an einem magnetfesten Ort ζ. B. im Punkt A, eine Welligkeit der Feldstärke Bz auf, je nachdem ob der Punkt A einer Nut 3 der Trag- bzw. Statorschiene oder einem Zahn 4 der Statorschiene gegenübersteht Im ersten Fall liegt ein schwaches, im zweiten Fall ein demgegenüber höheres Feld vor.

Wird in die Oberfläche z. B. des Poles 5 eine Leiterschleife mit der Breite b eines Zahnes 4 der Statorschiene gelegt, dann wird in dieser Leiterschleife eine Wechselspannung induziert die von der Größe der Feldamplitudenwelligkeit und der Geschwindigkeit, und deren Frequenz nur von der Geschwindigkeit abhängt. Um die Walligkeit, die durch die Spannungsimpulse des Stellers 22 und die Magnetdynamik entsteht, zu eliminieren, wird in die Oberfläche des Poles 5 eine Doppelschleife 9 in Form einer Acht eingelegt wie dieses schematisch in den Ki g. 3a und 3b gezeigt ist. Die Leitungen der Doppelschleife verlaufen in einer längs des Umfar.ges des Poles umlaufenden Außennut 10, wobei die Längsseiten der beiden Außennuten 10 mittig durch eine Mittelnut 11 verbunden sind. Auf diese Weise ergeben sich zwei rechteckige Spulenhälften 9| und 9₂ jeweils mit der Breite b entsprechend der Breite einss Zahnes 4 der Tragschiene 1.InFi g. 3b sind mit 12 bzw. 13 die Anschlüsse für den Plus- bzw. Minuspol der induzierten Wechselspannung bezeichnet

Dieses bei einer Bewegung des Tragmagneten 2 läng; der Tragschiene 1 in der· Doppelschleife 9 induzierte Wrchsilspannungssignal ist schematisch in F i g. 4 dargestellt und mit £/,· bezeichnet. Die Frequenz / dieses Signales U_v ist direki proportional der Geschwindigkeit v, mit der die Doppelschleife 9 längs der Tragschiene 1 bewegt wird. Das Signal U_v wird dem Dreipunktglied 14 gemäß F i g. 4 zugeführt und dadurch in ein Stufensignal Ov umgewandelt. Mit bekannten Methoden kann dann dieses Stufensignal in ein Signal Uf (Fig, 1) in digitaler oder analoger Form umgewandelt werden, welches direkt die Grundfrequenz /des Signales U_v angibt.

In F i g. 1 ist ein autonomes Regelsystem 20 für einen Tragmagneten 2 dargestellt. Das Regelsystem enthält einen Magnetregler 21, dessen Ausgangssignale einem Magnetstromsteller 22 zugeführt werden, der den durch die Magnetspulen 8 des Tragmagneten 2 fließenden Strom und damit die Magnetkraft festlegt. Die Ein-

5

gangssignale für den Regler werden von einer Verknüpfungsstelle geliefert, der einmal der Sollwert des Luftspaltes zwischen Tragschiene und Tragmagnet und zum , anderen Istwerte, in diesem Falle der gemessene Luftspalt und die zweite zeitliche Ableitung des Luftspaltes 5 ■ bzw. die Magnetbeschleunigung zugeführt werden. Aus diesen Signalen werden dann die Eingangssignaie für den Regler verknüpft.

Das mit Hilfe der Doppelschleife 9 erfaßte Signal U_v wird einer Auswerteschaltung 24 zugeführt, die eingangsseitig das oben erwähnte Dreipunktglied 14 ent-

hält, und in dieser in das Signal Ur umgewandelt. Dieses _.

Signal Ur wird einer Anpassungsschaltung 25 zugeführt, f

in der in Abhängigkeit der Frequenz /"die Reglerver- if)

Stärkung G für den Magnetregler 21 festgelegt wird. 15 Das Ausgangssignal G(Q dieser Anpassungsschaltung ' <

steuert die Reglerverstärkung des Magnetreglers 21.

In F i g. 1 ist die Anpassungsschaltung 25 so ausgelegt. ;

daß die Regierverstärkung G eine kontinuierliche Funk- ^

tion der Frequenz /ist. Sie beginnt bei kleinen Frequen- 20 '

zen entsprechend kleinen Geschwindigkeiten des Magnetschwebefahrzeuges bei einem geringen Wert, steigt ■ ■ dann mit größer werdenden Frequenzen entsprechend höheren Geschwindigkeiten kontinuierlich an und geht dann in einen etwa konstanten Endwert bei hohen Frequenzen entsprechend den üblichen Reisegeschwindigkeiten über.

Anstatt einer Anpassungsschaltung 25 mit kontinuierlicher Kennlinie für die Reglerverstärkung G zu wählen, können auch Anpassungsschaltungen 25' bzw. 25" mit

Stufenkennlinien verwendet werden, wie in F i g. 1 dar- ί

gestellt Die Anpassungsschaltung 25' hat dabei eine '

Zwei-Punkt-Charakteristik, die Kennlinie der Anpassungsschaltung 25" eine Drei-Punkt-Charakteristik. Bei der Anpassungsschaltung 25' verbleibt die Reglerver-Stärkung bis zu einer gewissen Frequenz bzw. Geschwindigkeit auf einem konstanten niedrigen Wert und springt dann für höhere Frequenzen auf einen hohen Endwert. Die Kennlinie der Anpassungsschaltung 25" weist zwischen dem niedrigen Wert und dem hohen Wert für die Reglerverstäekung noch einen Zwischenwen auf. An den Sprungpunkten sind jeweils Totzonen vorgesehen, um ein stabiles Regelverhalten zu gewährleisten.

45

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

50

55

60

65

Claims

1 2 und auch ein gutes Folgeverhalten bei hohen Geschwin-Patentansprüche: digkeiten des Schwebefahrzeuges. Diese Forderungen könnten für übliche Magnet-

1. Magnetregler zur Regelung des Luftspaltes zwi- regler dann erfüllt werden, wenn der Schienenfahrweg sehen Tragmagneten eines Langstator-Magnet- 5 hohe Steifigkeit und/oder hohe Fahrwegmasse aufweist Schwebefahrzeuges und einem regelmäßig gezahn- und gSeichzeitig extrem genau verlegt ist Diese hohen ten Schienenfahrweg, wobei der Strom in der Wick- Anforderungen an den Fahrweg schlagen sich entsprelung des Tragmagneten in Abhängigkeit vom Luft- chend in den Kosten des Gesamtsystems cieder.

spalt und gegebenenfalls von dessen zeitlichen An- Aus Kostengründeij wird man daher diese iiohen Änderungen einstellbar ist, dadurch gekenn- io forderungen an den Fahrweg vermeiden und einen kozeichnet, daß in die Oberfläche eines Poles (5) stengünstigeren, mäßig massiven und mäßig genauen jedes Tragmagneten (2) eine Leiterschleife (9) mit Fahrweg wähien. Um für einen solchen Fahrweg den der Breite (b) eines Schienenzahnes (4) eingelegt ist. Luftspalt, der im Bereich eines Zentimeters liegt, inner- und daß die Anschlüsse (12,13) der Leiterschleife (9) halb zulässiger Toleranzen während der Fahrt zu halten, mit einer Auswerteschaltung(14,24,25) zur Bildung i" sind dann hohe Reglerverstärkungen erforderlich, um eines der Frequenz (f) des Ausgangssignales (U_v) der das notwendige Folgeverhalten zu erreichen. Hohe Leiterschleife zugeordneten Ansteuersignales (G, f) Reglerverstärkungen können den Fahrweg andererseits verbunden sind, das dem Magnetregler (21) zur Be- zu Schwingungen im Stand anregen. Während der Fahrt einflussung der Reglerparameter (G) aufscfealtbar tritt das Schwingungsproblem nicht auf, da das Schwelst , 2» befahrzeug nur sehr kurze Zeit über einem Träger des

2. Magaetregler nach Anspruch I₁ dadurch ge- Fahrweges schwebt

kennzeichnet, daß die Leiterschleife (9) eine Dop- Zur Lösung dieses Problemes ist vorgeschlagen wor-

pelschleife (9|, ife) in Achterform mit gleich großen den, im Stand des Schwebefahrzeuges die Magnetkraft

Schleifenhälften jeweils mit der Breite (b) eines für die Tragmagnete mit einem hohen Gewichtsfaktor

Schienenzahnes (4) ist 25 konstant zu regeln. Diese Kraftaufschaltung wird de-

3. Magnetregler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch zentral ca. zehn Sekunden nach Anfahren des Schwebegekennzeichnet daß die Auswerteschaltung (14,24, fahrzeuges weggecommen, wonach der Regler dann mit 25) für das Ausgangssignal (U_r) der Leiterschleife (9) hoher Reglerverstärkung arbeitet und sein scharfes FoI-ein mit den Anschlüssen (12,13) der Leiterschleife (9) geverhalten erhält Das bedeutet jedoch, daß ein Langverbundenes Dreipunktglied (14) aufweist 30 samfahren nach dieser Zeitspanne nicht mehr möglich

4. Magnetregler nach einem der vorhergehenden ist.

Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Aus- Es ist versucht worden, die Magnetkraft auf die Trag-

wertescha'tung (14, "24, 25) iusgangsseitig eine An- magnete in Abhängigkeit eines zentral erfaßten Gepassungsschaltung (25^ aufweist die aus einem der schwindigkeitssignales aufzuschalten. Diese geschwin-Frequenz (7} und damit der GvSchwindigkeit (v)dcs 35 digkeitsabhängige Magnetkraftaufschaltung mußte je-Magnetschwebefahrzeuges direkt proportionalen doch aus Sicherheitsgründen aufgegeben werden, da Signal (Ur) das Ansteuersignal (G(f)) für die Regler- das zentral erfaßte Geschwindigkeitssignal nicht in die parameter bildet. ansonsten völlig autonom arbeitenden Tragmagnete

5. Magnetregler nach Anspruch 4, dadurch ge- entsprechend den magnetischen RSdern geführt werden kennzeichnet, daß die Anpassungsschaltung (25) ei- 40 darf.

ne zwischen einem niedrigen und einem hohen Wert Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ma-

kontinuierlich verlaufende Kennlinie (G-f) aufweist. gnetregler der in Rede stehenden Art so weiterzuent-

6. Magnetregler nach Anspruch 4, dadurch ge- wickeln, daß Schwebefahrzeug und Schienenweg in alkennzeichnet, daß die Anpassungsschaltung (25', len Betriebszuständen des Magnetschwebefahrzeuges 25") eine gestufte Kennlinie (G-/) aufweist. 45 stabil gehalten werden können.

7. Magnetregler nach Anspruch 6, dadurch ge- Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnet, daß die Kennlinie (G-I) an den Stufen kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegejeweils Totzonen aufweist. benen Merkmale gelöst.

Demgemäß wird an jedem Tragmagneten eines

50 Langstator-Magnetschwebefahrzeuges die Fahrgeschwindigkeit über die Frequenz der Luftspaltinduktionswelligkeit gemessen, d. h. die Geschwindigkeit wird

Die Erfindung bezieht sich auf einen Magnetregler dezentral jeweils mit einer Leiterschleife induktiv erfür Langstator-Magnetschwebefahrzeuge gemäß dem faßt. Das Ausgangssignal der Leiterschleife wird hinüber begriff des Patentanspruches 1. 55 sichtlich dessen Grundfrequenz ausgewertet und kann

Derartige Magnetregler sind z. B. aus der Zeitschrift dann nach entsprechender Aufbereitung jeweils dem »ZEV-Glasers Annalen« 105 (1981), Nr. 7/8 Juli/August, autonomen Magnetregler des zugehörigen Tragmagne-Seiten 205—224, bekannt. Sie dienen zur Regelung des ten bzw. magnetischen Rades zugeführt werden. Ist die-Luftspaltes zwischen den Tragmagneten, sozusagen den se Frequenz Null oder klein entsprechend dem Stand magnetischen Rädern, und auch den Führungsmagneten 60 oder einer Langsamfahrt des Schwebefahrzeugs, so eines Langstator-Magnetschwebefahrzeuges und einem werden die Regelparameter, beispielsweise die Regler-Schienenweg, der für die Tragmagnete regelmäßig ge- verstärkung, so eingestellt, daß ein stabiles Standschwezahnt ist. Der Magnetregler stellt den Strom der einzel- ben möglich ist. Hierdurch können auch bei einem mänen Tragmagnete in Abhängigkeit des Luftspaltes und ßig genauen Fahrweg mit nicht sehr großer Fahrweggegebenenfalls dessen zeitlicher Änderungen ein. 65 masse Schwingungen des Fahrweges zuverlässig ver-

Magnetregler für derartige Schwebefahrzeuge müs- mieden werden. Das Schwebefahrzeug wird in diesem

sen zwei Anforderungen erfüllen, nämlich eine stabile Falle stabil gehalten. Erhöht sich die Frequenz entspre-

Regelung beim Stand des Magnetschwebefahrzeuges chend einer schnelleren Fahrt des Schwebefahrzeuges,