Neues Auslegungsverfahren zur FE gestützten Optimierung von Magnetkörpern für die Magnetschienenbremse

Abstract

Bei Schienenfahrzeugen setzt sich die durch Reibung zwischen Rad und Schiene hervorgerufene Bremskraft aus dem Produkt des Reibungskoeffizienten, sowie der zwischen Rad und Schiene vertikal wirkenden Haftkraft zusammen. Dabei wird der Reibungskoeffizient von diversen Faktoren wie zum Beispiel der eingesetzten Materialpaarung zwischen Schiene und Magnetkörper, Aufschweißungen an den Reibflächen oder den vorherrschenden Witterungsbedingungen beeinflusst. Diese Einflüsse erfordern weitere Bremssysteme, die nicht zwischen Rad und Schiene wirken. Die Magnetschienenbremse zählt zu einem dieser Systeme. Bei dieser wird eine Haftkraft über ein magnetisch erzeugtes Feld zwischen Schiene und Magnetkörper aufgebracht. Ähnlich zu der vorhin erwähnten Beziehung zwischen Schiene und Rad wirkt eine Bremskraft in Form von Reibung entgegen der Bewegungsrichtung des Schienenfahrzeuges zwischen Magnetkörper und Schiene. Die aktuelle Ausführung der Magnetschienenbremse setzt sich im Groben aus einer symmetrisch gewickelten Spule, einem Magnetkern und Polschuhen als Verschleißteil zusammen. Die fortschreitende Entwicklung stößt allerdings mit dieser Ausführungsform an die Grenzen der Physik. Aus diesem Grund werden in dieser Arbeit analytische Untersuchungen für die magnetischen Eigenschaften asymmetrisch gewickelter Spulen untersucht. Mit Hilfe dieser Betrachtungen lassen sich neue Geometrien definieren, die zu einer Steigerung der Haftkraft bei kleiner werdenden Dimensionen beitragen sollen. Des Weiteren wird ein neues Auslegungsverfahren für die Spulendimensionierung hergeleitet. Es erfolgt die Spulenauslegung nicht wie herkömmlich über den Durchflutungssatz, sondern unter der Annahme einer konstanten Stromversorgung. Die Herleitung basiert auf den Gesetzen der Thermodynamik unter Berücksichtigung elektrotechnischer Einflussgrößen. Der Vorteil dieser Auslegungsvariante ist die Unabhängigkeit von der Versorgungsspannung. Da diese von einer Batterie zur Verfügung gestellt wird, liegen Spannungsschwankung von bis zu 30% vor. Schwankungen dieser Größenordnung verursachen erhebliche Verluste an der Haftkraft. Über die Auslegung mit konstanter Stromversorgung sind diese Schwankungen zu vernachlässigen. Unter Einbeziehen der analytischen Ergebnisse in die Modellierung, werden zwei unterschiedliche Geometrien abgeleitet und modelliert. Zusätzlich erfolgt die Erstellung eines Modells für einen symmetrisch gewickelten Doppelspulenmagneten. Die Modelle werden über FE-Simulationen bewertet und weiteres Optimierungspotenzial aufgezeigt. Es hat sich gezeigt, dass mit den angenommenen Eingangsparametern eine Geometrieoptimierung im Vergleich zur aktuellen Bauweise der Magnetschienenbremse erreicht wird. Diese Modelle weisen aber eine Haftkraft von lediglich 84kN/m auf. Mit einer entsprechenden Materialaufwertung von ungefähr 8% kann eine Haftkraftsteigerung um bis zu 11% erreicht werden. Ähnliche Ergebnisse sind durch die Änderung der Eingangsparameter möglich. Diese sind jedoch mit einem Anstieg an elektrischer Leistung verbunden.

For the railroad the brake force evoked through friction between wheel and rail is defined as a product of the coefficient of friction and the introduced force into vertical direction. The coefficient of friction is influenced from different factors, for example from the combination of the used materials between rail and magnet core, welded-on layers between the friction surface or the atmospheric influence. Therefore additional systems are needed to take part on the transmission of load. One of these systems is the electromagnetic rail brake. Through an electromagnetic field a force is induced between the rail and the magnet. Similar as in the brake force relation between wheel and rail, the force appears in form of friction against the direction of motion between the rail and the magnet core. Therefore, the electromagnetic rail brake is a track brake. The actual design of the electromagnetic rail brake system consists of a symmetric coil, a magnetic core and two pole shoes, which are used as wear part. During an increase of development the design reached the physical limits. Now, this thesis considers an analytical study of an asymmetric coil design and their magnetic properties. With this solution, it is possible to define new geometries with the result of smaller geometrical dimension and an increase in force. Additionally, a new arithmetic technique is derived for the coil. The initial point for the new coil design is a constant current supply. A benefit of this assumption is, that it is possible to fix the working point of the electromagnetic rail brake, independent from the supply voltage. The derivation occurs on the rules of thermodynamics in combination with electrical characteristics. Including the results of the analytical solutions, it is possible to define two new geometries for the electromagnetic rail brake. Additionally a third model is going to be generated. This one consists of two symmetric coils. Using FE-Simulations, it is possible to perform optimizations for the models. With the defined initial parameters, it is possible to reach an optimization in comparison to the actual configuration for the electromagnetic rail brake. The force between rail and magnet achieves approximately 84kN/m . A valorization of 8% in the material for the magnet gives an increase of 11% for the force. Another option for an increase is to redefine the initial parameters. However, this is linked with an increase of the electrical power.