Stability behaviour of electromagnetic track brakes: self-excitation mechanisms and control

Abstract

Magnetschienenbremsen (MG-Bremsen) sind zusätzliche Bremssysteme für Schienenfahrzeuge, die bei geringem Kraftschluss und Notbremsungen wirksam eingesetzt werden. Versuche bei Anwendung bis zum Stillstand haben gezeigt, dass MG-Bremsen zu selbsterregten Schwingungen neigen. Diese Schwingungen können die Bremswirkung verringern und die Beanspruchung der Struktur erhöhen und stellen somit ein Sicherheitsrisiko dar. Dieses Phänomen wurde durch Messfahrten und ersten Studien beleuchtet, jedoch sind die zugrunde liegenden Erregungsmechanismen und deren Wechselwirkungen durch den Reibkontakt und dem gekoppelten elektromagnetischen System nicht vollständig geklärt. Dieses fehlende Verständnis verhindert vorhandene Messdaten vollständig zu interpretieren und limitiert die Entwicklung effektiver Gegenmaßnahmen. Diese kumulative Dissertation zielt darauf ab die zugrundeliegenden Mechanismen besser zu verstehen und daraus Lösungsvorschläge für robuste MG-Bremsen abzuleiten. Dabei wird der Stabilitätsverlust und das dynamische Verhalten nach einsetzen selbsterregter Schwingungen, durch eine Kombination aus experimentellen Untersuchungen und theoretischen Analysen untersucht. Experimente liefern wesentliche Erkenntnisse über die Geschwindigkeitsabhängigkeit des Reibungskoeffizienten sowie der elektromagnetischen Anziehungskräfte, die beide einen entscheidenden Einfluss auf das Stabilitätsverhalten haben. Darauf aufbauend wird ein Minimalmodell, zur Untersuchung fundamentaler Erregungsmechanismen, ein Rahmenmodell, zur Analyse der mechanischen und elektrischen Kopplung, sowie ein Viertelmodell, zur Betrachtung von verteilten Kontaktpunkten und geschwindigkeitsabhängigen Anzugskräften, abgeleitet. Durch Energiebilanzen am schwingenden System und mithilfe nichtlinearer Stabilitätstheorie wird gezeigt, wie Reibungseigenschaften, elektromagnetische Kopplungseffekte und bewegungsinduzierte Wirbelströme mit der strukturellen Dämpfung zusammenwirken und das Entstehen sowie das Anwachsen selbsterregter Schwingungen bestimmen. Mithilfe von Bifurkationsanalysen und Fortsetzungsmethoden werden Übergänge vom stabilen Betrieb zu periodischen und quasi-periodischen Schwingungen, die Koexistenz mehrerer Attraktoren und das Einsetzen von Haft-Gleit-Bewegungen aufgezeigt. Aufbauend auf dem analysierten dynamischen Verhalten erfolgt eine systematische Untersuchung des Einflusses veränderlicher Reibungsbedingungen, Konstruktionsparameter und elektromagnetischer Eigenschaften auf das Stabilitätsverhalten. Darüber hinaus werden aktive Regelungsstrategien zur Minderung selbsterregter Schwingungen eingeführt. Zwei Ansätze mit Zustandsrückführung werden vorgestellt, die den vorhandenen Aktor über eine Spannungsmodulation nutzen. Nichtlineare Stabilitätsanalysen des geschlossenen Regelkreises zeigen, dass beide Strategien den stabilen Bereich deutlich erweitern, wobei nur der Ansatz, der aktiv Energie dissipiert, Schwingungen über den gesamten Geschwindigkeitsbereich verhindern kann.

Magnetic track brakes (MTBs) are additional braking systems for railway vehicles, primarily employed under low-adhesion conditions and in emergencies. While their effectiveness in such situations was shown frequently, experiments have revealed that MTBs are prone to self-excited vibrations, particularly at low velocities. These vibrations compromise the braking performance, increase structural loads, and pose potential safety risks. Although the phenomenon has been observed in experiments and was addressed in recent studies, the underlying excitation mechanisms and their dependence on the frictional contact and electromagnetic interactions remain insufficiently understood. This lack of understanding hinders the ability to interpret existing measurement data and limits the implementation of effective control strategies, both passive and active. This cumulative thesis aims to enhance the understanding of the excitations involved. It examines the onset of self-excited vibrations, the dynamic behaviour of the coupled electromagnetic system following a loss of stability, and offers recommendations to improve the robustness of the system through a combination of experimental investigations and theoretical analysis. Experimental studies provide essential insights into the velocity dependence of the friction coefficient and electromagnetic attraction forces, both of which are shown to critically influence stability. Building on these findings, electromagnetic-mechanical models are developed and utilised to analyse the vibrational behaviour of MTBs. A minimal model utilised to study fundamental excitation mechanisms, an MTB brake frame model applied to investigate the interactions through the mechanical structure and the shared power supply, and a corner model to examine influences of distributed contact points and velocity-dependent attraction forces. Using energy considerations and nonlinear stability theory, the thesis demonstrates how frictional properties, electromagnetic coupling effects, and motional eddy currents interact with structural damping to govern the emergence and growth of self-excited vibrations. Applied bifurcation analysis and continuation methods reveal the transitions from stable operation to periodic and quasi-periodic vibrations, including the coexistence of multiple attractors and the onset of stick–slip motions. Based on the revealed mechanisms, the influence of changing friction conditions, design parameters, and properties of the electromagnetic system on the stability behaviour is examined. Beyond investigations on the fundamental dynamics, control strategies to actively mitigate self-excited vibrations are introduced. Two state-feedback approaches are proposed that directly exploit the available actuator by modulating the electric voltage, which either suppresses an identified excitation mechanism or actively dissipates energy. Nonlinear stability analysis of the closed-loop system reveals that both strategies significantly increase stable regions. However, when friction levels are high and the friction characteristics exhibit large negative gradients, self-excited vibrations can only be avoided through active dissipation.