Electro-magnetic effects at magnetic track brakes

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.