Numerical optimization of magnetic fields for track brakes in consideration of safety requirements for autonomous drive mode

Abstract

Track brakes are used in rail traffic to fulfill the legally defined braking distances for rapid-, automatic-, and emergency-brake applications. Due to the increasing number of passengers and goods on the railways, signal headway decreases. In addition, velocities are raising. As a result, rail brakes in their current configuration achieve their physical limits. For this reason, different optimization strategies are applied in this thesis to optimize the braking performance of the electromagnetic track brake and the linear eddy current brake. Firstly, a gradient free optimization method is used. It is based on the principle of evolution and is known in diverse publications as genetic optimization algorithm. A challenge for this purpose is the major computational effort in shape optimization. On the other hand, a gradient based optimization method is carried out. This was done by the use of a topology optimization approach. It is known as SIMP method(Solid Isotopic Material with Penalization). Therein, the gradient is computed by the adjoint method. Through the application of two completely different optimization methods, the advantages of both strategies can be used. In addition, the provided optimization space and the parameters to be optimized are essential. Consequently, model investigations are carried out,which reproduce the operating conditions realistically. Moreover, the efficiency of the brake is currently checked at regular, defined intervals or is assessed by the driver. However, for an automated driving mode it is necessary to make statements about the functionality of the brake directly and independently. For this reason, a measuring method to determine the force is developed and tested in operation. Thus, an overview of the current state of the brake can be derived from the determination of the brake performance. In further consequence, an essential point for automated driving and its safety is ensured.

Schienenbremsen werden eingesetzt, um die gesetzlich definierten Bremswege im Bahnverkehr bei Schnell-, Zwangs- und Notbremsungen einhalten zu können. Durch das steigende Fahrgast sowie Güteraufkommen auf der Schiene werden Taktzeiten immer dichter. Zusätzlich erhöht sich die Transportgeschwindigkeit. Dadurch werden Schienenbremsen in ihrer aktuellen Konfiguration an ihre physikalischen Grenzen gebracht. Aus diesem Grund wird in dieser Arbeit anhand unterschiedlicher Optimierungsstrategien versucht, die Bremsperformance der Magnetschienenbremse als auch der Wirbelstrombremse zu optimieren. Zum Einen wird eine gradientenfreie Methode eingesetzt. Diese beruht auf dem Evolutionsprinzip und ist in diverser Literatur als genetischer Optimierungsalgorithmus bekannt. Als Herausforderung stellt sich dabei der enorme Rechenaufwand dar, der für die Shape-Optimierung der Bremse notwendig ist. Zum Anderen werden Optimierungen basierend auf einem gradientenbasierten Verfahren durchgeführt. Hierzu dient ein Topologieoptimierungsansatz basierend auf der SIMP-Methode (Solid Isotopic Material with Penalization). Die Bereitstellung des erforderlichen Gradienten an den Optimierer erfolgt über die Adjungierte. Durch die Verwendung zweier völlig unterschiedlicher Optimierungsmethoden können die Vorteile beider Strategien genutzt werden. Zusätzlich ist in der Optimierung die Bereitstellung der zu optimierenden Parameter, bzw. des Optimierungsraums wesentlich. Deshalb werden Modelluntersuchungen getätigt, welche die Betriebsbedingungen realitätsnahe abbilden. Die Funktionstüchtigkeit der Bremse im Betrieb wird aktuell in regelmäßig definierten Intervallen überprüft, bzw. vom Fahrzeugführer beurteilt. Für einen automatisierten Fahrbetrieb ist es jedoch erforderlich, Aussagen über die Funktionalität unmittelbar und unabhängig treffen zu können. Aus diesem Grund wird eine Messmethodik zur aktuellen Kraftbestimmung untersucht und im Betrieb getestet. Durch die Bestimmung der Bremsperformance kann so ein Überblick über den aktuellen Zustand der Bremse abgeleitet werden. In weiterer Folge ist dies ein wesentlicher Punkt um einen automatisierten Fahrbetrieb gewährleisten zu können.