DE2250372A1

DE2250372A1 - Magnetsystem fuer die schwebefuehrung eines entlang einer fahrbahn bewegten fahrzeugs

Info

Publication number: DE2250372A1
Application number: DE2250372A
Authority: DE
Inventors: Hermann J Prof Dr Fink
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1972-10-13
Filing date: 1972-10-13
Publication date: 1974-04-25
Also published as: US3841227A; JPS4972818A; DE2250372B2; FR2202803A1; DE2250372C3; FR2202803B3

Description

ΐ 2.-Okt. 1872

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Erlangen, den

Berlin und München "Werner-von-Siemens-Str. 50

Unser Zeichen: VPA 72/8704 Kb/Koe

Magnetsystem für die Schwebeführung eines entlang einer Fahrbahn bewegten Fahrzeugs

Die Erfindung betrifft ein Magnetsystem für die Schwebeführung eines entlang einer Fahrbahn bewegten Fahrzeugs mit zwei entlang der Fahrbahn verlaufenden, an dieser befestigten, TJ-förmigen, jeweils aus einem horizontal zur Fahrbahn verlaufenden Ober- und Unterteil und einem etwa senkrecht zur Fahrbahn stehenden Seitenteil bestehenden Führungskanälen aus unmagnetischem, elektrisch leitendem Material und am Fahrzeug in Fahrtrichtung hintereinander befestigten, horizontal zur Fahrbahn liegenden, zwischen Ober- und Unterteil der Führungskanäle angeordneten supraleitenden Magnetspulen, die bei Bewegung des Fahrzeugs zur Schwebeführung des Fahrzeugs ausnutzbare Ströme in den Führungskanälen induzieren.

Für die elektrodynamische Schwebeführung von Fahrzeugen, die insbesondere für Fahrzeuggeschwindigkeiten von etwa 300 km/h und mehr von Interesse ist, sind bereits verschiedene Systeme bekanntgeworden. Diese Systeme haben gemeinsam, daß durch am Fahrzeug befestigte Supraleitungsmagnetspulen in an der Fahrbahn angebrachten elektrisch leitenden Trag- bzw. Führungselementen, beispielsweise in Form von elektrisch leitenden Platten oder in Fahrbahnrichtung hintereinander angeordneten Leiterschleifen, bei der Bewegung des Fahrzeugs entlang der Fahrbahn Ströme induziert werden, welche auf die Magnetspulen abstoßende Kräfte ausüben, die zum Tragen bzw. Führen des Fahrzeugs entlang der Fahrbahn ausgenutzt werden.

Das einfachste System, ein sogenanntes Normalfluß-System, besteht aus einer entlang der Fahrbahn verlaufenden,- horizontal liegenden leitenden Platte, über die sich eine ebenfalls horizontal zur Fahrbahn liegende Magnetspule hinwegbewegt.

409817/0135

VPA 72/8704

Bei Annäherung der Magnetspule an die Platte werden die abstoßenden Kräfte größer, wodurch sich der Abstand zwischen Platte und Magnetspule wieder vergrößert und die Magnetspule schwebend gehalten wird. Neben den Hubkräften, die der Schwerkraft des Fahrzeugs entgegengerichtet sind, treten wegen des ohmschen Widerstands der leitenden Platte auch Bremskräfte auf, die der Fortbewegungsrichtung des Fahrzeugs entgegengerichtet sind. Dieses einfache System liefert jedoch keine ausreichende Stabilisierung des Fahrzeugs gegenüber von der Seite her einwirkenden Kräften oder gegenüber Kräften, die das Fahrzeug von der Fahrbahn abzuheben bestrebt sind. Das heißt mit anderen V/orten, das System gewährleistet keine ausreichende Führung des schwebenden Fahrzeugs in horizontaler und vertikaler Richtung.

Eine solche Führung wird dagegen bei einem Magnetsystem erreicht, das in einem Aufsatz von Guderjahn et al. in der Zeitschrift "Journal of Applied Physics" 40 (1969), Seiten 2133 bis 2140 beschrieben ist. Bei diesem System ist beiderseits der Fahrbahn je ein U-förmiger, beispielsweise aus Aluminium bestehender, sich zur Fahrbahnmitte hin öffnender Führungskanal vorgesehen, in dem die am Fahrzeug befestigten, horizontal zur Fahrbahn liegenden Supraleitungsmagnetspulen bei Bewegung des Fahrzeuges entlanggleiten. Die Hubkräfte und die vertikalen Führungskräfte werden dabei im wesentlichen durch Wirbelströme aufgebracht, die in den etwa horizontal zur Fahrbahn liegenden Ober- und Unterteilen der Führungskanäle erzeugt werden. Die horizontale Führung des Fahrzeugs wird dagegen im wesentlichen durch die in den etwa senkrecht zur Fahrbahn stehenden Seitenteilen der Führungskanäle induzierten Ströme bewirkt. Im Vetgleich zum eingangs erwähnten Normalfluß-System sind jedoch die Bremkräfte verhältnismäßig groß, da zusätzliche Verluste in den Ober- und Seitenteilen der Führungskanäle entstehen. Ferner ist zum Heben eines gleich schweren Fahrzeugs infolge der von den Kanaloberteilen auf

— 3 —

409817/0135

VPA 72/8704

die Magnetspulen wirkenden Abstoßungskräfte, die in gleicher Richtung wirken wie das Fahrzeuggewicht, ein größerer Spulenstrom erforderlich. Dies bedingt eine entsprechend größere und kostspieligere Auslegung der Supraleitungsmagnetspulen. In einem Aufsatz von Guderjahn et al. in der Zeitschrift "Cryogenics" 11 (1971), Seiten 171 bis 178 wird der Vorschlag gemacht, bei einem Magnetsystem mit U-förmigen Führungskanälen die Hubkraft dadurch zu vergrößern, daß an der Unterseite des Oberteils jedes Kanals eine sich entlang des Kanals erstreckende Platte aus ferromagnetischem Material, beispielsweise aus Eisen, angeordnet wird. Zu den elektrodynamisch erzeugten Hubkräften tritt dann die elektromagnetische Anziehung zwischen Supraleitungsmagnetspulen und ferromagnetischer Platte hinzu. Allerdings sind dabei magnetische Verluste im ferromagnetischen Material nicht auszuschließen. Nach Sättigung des ferromagnetischen Materials, deren Eintritt oft schwer kontrollierbar ist, und in gewissem Umfang auch schon vorher, treten zudem auch Wirbelstromverluste im nichtmagnetischen, elektrisch leitenden Oberteil des Führungskanales auf.

Verhältnismäßig klein sind demgegenüber die Bremskräfte und Verluste bei einem sogenannten Nullfluß-System, das in einem Aufsatz von Richards et al. in der Zeitschrift "Journal of Applied Physics" 43 (1972), Seiten 2680 bis 2691 beschrieben ist. Bei diesem Magnetsystem werden an Fahrzeug befestigte, paarweise senkrecht übereinander angeordnete, gegensinnig zueinander erregte Supraleitungsmagnetspulen an einer mit der Fahrbahn verbundenen, horizontal angeordneten, elektrisch leitenden Platte derart entlanggeführt, daß die Platte jeweils zwischen den.senkrecht übereinander angeordneten Magnetspulenpaaren liegt. In der Platte werden dann, insbesondere wenn sie dünn gegenüber der Eindringtiefe des Magnetfeldes in das Plattenmaterial ist, nur dann Verluste - abgesehen von den kleinen, auch in der Mittellage erzeugten Verlusten - und somit Bremskräfte erzeugt, wenn die Platte nicht genau in der Mitta zwischen den Spulen der jeweiligen Spulenpaare liegt.

- 4 A09817/0135

VPA 72/8704

Die erzeugte Bremskraft ist in erster Näherung proportional zur zweiten Potenz der Auslenkung aus der Mittellage, während die erzeugte Hubkraft in erster Näherung der Auslenkung unmittelbar proportional ist. Zur Erzielung der erforderlichen Hubkräfte für ein gleich schweres Fahrzeug benötigt man bei diesem System jedoch im Vergleich zum eingangs erwähnten Normalflußsystem statt einer Magnetspule zwei Magnetspulen und außerdem in den Magnetspulen wesentlich höhere Ströme. Die Magnetspulen müssen daher verhältnismäßig aufwendig konstruiert werden. Hin ähnliches Nullfluß-System, bei welchem die an der Fahrbahn befestigte Tragschiene nicht aus einer leitenden Platte, sondern aus einer Vielzahl von in Fahrtrichtung hintereinander angeordneten Leiterschleifen besteht, ist in einem Aufsatz von Powell et al. in der Zeitschrift "Cryogenics and Industrial Gases" 4 (1969)» Seiten bis 24 beschrieben. Neben der Erfordernis verhältnismäßig groß dimensionierter Supraleitungsmagnetspulen stehen bei diesen Nullfluß-Systemen auch der Anlage von Weichen große Schwierigkeiten entgegen. Außerdem kann gegebenenfalls auch infolge der verhältnismäßig starken Dämpfung bei Auslenkungen aus der Gleichgewichtslage in vertikaler Richtung Überdämpfung auftreten und die Rückkehr in die Ausgangsla^ge verhältnismäßig lange dauern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die magnetische Schwebeführung von entlang einer Fahrbahn bewegten Fahrzeugen weiter zu verbessern. Insbesondere soll ein Magnetsystem angegeben werden, das einerseits geringere Verluste als das System mit den U-förmigen Führungskanälen aufweist, dennoch aber eine gute Höhen- und Seitenstabilisierungsfähigkeit besitzt, und andererseits zur Erzeugung der gleichen Hubkraft, d.h. zum Tragen eines Fahrzeugs mit gleichem Gewicht, geringere Spulenströme und damit weniger groß dimensionierte Magnetspulen benötigt als das bekannte Nullfluß-System.

409817/0135

VPA 72/8704

Zur Lösung dieser Aufgabe wird "bei einem Magnetsystem mit zwei entlang der Fahrbahn verlaufenden, an dieser befestigten, U-förmigen, jeweils aus einem horizontal zur Fahrbahn verlaufenden Ober- und Unterteil und einem etwa senkrecht zur Fahrbahn stehenden Seitenteil bestehenden Führungskanälen aus unmagnetischem, elektrisch leitendem Material und am Fahrzeug in Fahrtrichtung hintereinander befestigten, horizontal zur Fahrbahn liegenden, zwischen Ober- und Unterteil der Führungskanäle angeordneten supraleitenden Magnetspulen erfindungsgemäß senkrecht über jeder Magnetspule eine weitere, horizontal zur Fahrbahn liegende, oberhalb des Oberteils des jeweiligen Führungskanals angeordnete supraleitende Magnetspule befestigt, die mit der zugehörigen, senkrecht unter ihr liegenden Magnetspule und dem Oberteil des Führungskanals ein Nullfluß-System bildet.

Das erfindungsgemäße Magnetsystem weist gegenüber den bereits bekannten Systemen eine Vielzahl von Vorteilen auf. So verteilen sich die zum Tragen des Fahrzeugs erforderlichen Hubkräfte auf das aus je einem Spulenpaar und dem Oberteil des

/be-

Führungskanals/stehende Nullfluß-System und das aus der jeweils unten liegenden Spule eines Magnetspulenpaares und dem Unterteil des Führungskanals bestehende Normalfluß-System, wobei jedes System einen Teil der erforderlichen Hubkraft erzeugt. Dies hat zur Folge, daß zum Tragen eines gleich schweren Fahrzeugs der erforderliche Strombedarf je Magnetspule beim erfindungsgemäßen Magnetsystem nicht nur kleiner ist als bei dem bekannten Nullfluß-System, sondern auch kleiner als bei dem bekannten System mit U-förmigem Führungskanal und nur einer im Kanal entlanggleitenden Magnetspule. Die am Fahrzeug befestigten Magnetspulen können daher beim erfindungsgemäßen Magnetsystem kleiner dimensioniert und weniger aufwendig konstruiert werden als bei den bekannten Systemen. Insbesondere sind die innerhalb der Magnetspulen infolge des Stromflusses auftretenden, auf die Leiter der Spule insbesondere in radialer Richtung wirkenden Kräfte

- 6 409817/0136

VPA 72/8704

leichter zu beherrschen. Da sich die zwei jeweils übereinander angeordneten Magnetspulen zudem noch elektrisch in Serie schalten lassen, können auch die Stromversorgungseinrichtungen vergleichsweise kleiner dimensioniert werden. Infolge des kleineren Spulenstroms sind auch die Verluste in den U-förmigen Führungskanälen gegenüber dem bekannten System mit nur einer im Führungskanal entlanggleitenden Spule herabgesetzt.

Wie im einzelnen noch erläutert werden wird,, eignet sich das erfindungsgemäße Magnetsystem auch gut für Weichen und bietet darüber hinaus Möglichkeiten zur Anpassung an die Kennlinien von Antriebseinrichtungen, so daß eine ruhige und gleichmäßige Fahrt erreicht werden kann. Um die Verluste und damit die Bremskräfte innerhalb des einen Teil des erfindungsgemäöen Magnetsystems bildenden Nullfluß-Systemsmöglichst klein zu halten, sollte die Dicke der Oberteile der U-förmigen Führungskanäle entweder gleich der Eindringtiefe des von den Magnetspulen erzeugten Magnetfeldes bei der höchsten beim Betrieb des Fahrzeugs auftretenden Fahrgeschwindigkeit oder kleiner als diese Eindringtiefe sein. Die Eindringtiefe ist bekanntlich im Einzelfall von der Magnetfeldkonfiguration und damit von den geometrischen Eigenschaften der Magnetspulen, insbesondere von deren Länge, abhängig sowie auch vom Leitermaterial, das für die Führungskanäle verwendet ist, insbesondere von dessen elektrischer Leitfähigkeit. Außerdem nimmt die Eindringtiefe bei sonst gleichen Bedingungen mit wachsender Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeuges ab.

Ober-, Unter- und Seitenteile der U-förmigen Führungskanäle können vorteilhaft aus elektrisch leitenden, entlang der Fahrbahn angeordneten Platten bestehen. Als Plattenmaterial eignet sich vorzugsweise Aluminium. Jedoch kommen auch Kupfer oder andere elektrisch leitende Metalle in Frage. Bei Verwendung von Aluminium wird die Bedingung, daß die Dicke des Oberteils des Führungskanals gleich der Magnetfeldeindringtiefe oder

_ 7 _ 409817/0135

VPA 72/8704

kleiner als diese sein soll, in der Regel erfüllt sein, wenn die für das Oberteil verwendete Platte nicht dicker als etwa 1 cm ist. Die Platten können sowohl massiv ausgebildet als auch lamelliert sein. Ferner können Ober-, Unter- und Seitenteile des Führungskanals elektrisch miteinander verbunden bzw. aus einem Stück gefertigt oder aus Platten zu einem Stück verschweißt sein. Eine andere Möglichkeit für die Ausführung der U-förmigen Führungskanäle besteht darin, daß deren Ober-, Unter- und Seitenteile aus entlang der Fahrbahn aneinandergereihten, kurzgeschlossenen Leiterschleifen bestehen. Bei den Leiterschleifen des Oberteils des Führungskanals soll dann vorzugsweise die Dicke der für die Leiterschleifen verwendeten Leiter, senkrecht zur Fahrbahn gesehen, gleich oder kleiner sein, als die Eindringtiefe des Magnetfeldes.

Besonders vorteilhaft ist es ferner, wenn der Quotient aus dem Abstand zwischen je zwei senkrecht übereinander angeordneten Magnetspulen und dem Abstand zwischen dem Oberteil und dem Unterteil des U-förmigen Führungskanales zwischen etwa 0,7 und 1,3 liegt. Da hierbei die beiden Abstände nicht zu sehr voneinander abweichen, wird erreicht, daß bei in Fahrt befindlichem Fahrzeug einerseits der untere Magnet jedes Magnetspulenpaares sich nahe an der Mittelebene zwischen Ober- und Unterteil des U-förmigen Führungskanals befindet und andererseits das Oberteil des Führungskanales nahe der Mittelebene zwischen der oberen und der unteren Magnetspule jedes Spulenpaares verläuft. Da in beiden Mittelebenen der Quotient aus der jeweiligen Bremskraft und der jeweiligen Hubkraft ein Minimum hat, ergibt sich der Vorteil, daß auch ein günstiges, d.h. kleines Verhältnis zwischen Brems- und Hubkraft des Gesamtsystems erreicht wird. Bei Abweichungen von der erläuterten Lage nahe der Mittelebene in vertikaler Richtung treten ferner.Rückstellkräfte auf, die zu einer guten Stabilität in dieser vertikalen Richtung und damit zu einer steifen Fahrt führen, bei der keine länger dauernden Schwingungen um die Gleichgewichtslage auftreten. Die Ände-

409817/0135 " ⁸ "

VPA 72/8704

rung des Verhältnisses zwischen Magnetspulenabstand und Abstand von Ober- und Unterteil des Führungskanals, das im Idealfalle gleich 1 sein müßte, innerhalb der erwähnten Grenzen bietet ferner eine Möglichkeit zur Anpassung der Eigenschaften des Magnetschwebesystems an das jeweilige Antriebssystem.

Für die Anordnung der Führungskanäle entlang der fahrbahn ergeben sich verschiedene Möglichkeiten. Bei einer Ausführungsform können sich die U-förmigen Führungskanäle zur Fahrbahnmitte hin öffnen. Bei einer anderen Ausführungaform können sich die U-förmigen Führungskanäle zum Fahrbahnrand hin öffnen. Dabei können zusätzlich die Seitenteile der beiden U-förmigen Führungskanäle zu einem einzigen, senkrecht zur Fahrbahn stehenden Teil vereinigt seiii. Die beiden Führungskanäle bilden dann eine, vorzugsweise in Fahrbahnmitte angeordnete, einheitliche Struktur, für die weniger leitendes Material erforderlich ist als für zwei getrennte U-förmige Führungskanäle.

Zum Antrieb des Fahrzeuges, also zu dessen Bewegung entlang der Fahrbahn, eignet sich beim erfindungsgemäßen Magnetsystem insbesondere ein Linearmotor. Die aktive Wicklung des Linearmotors kann vorteilhaft mit dem Fahrzeug verbunden und der Läufer des Linearmotors eine entlang der Fahrbahn verlaufende, mit dieser verbundene Schiene aus elektrisch leitendem Material sein. Bei voneinander getrennten, in der Nähe des Fahrbahnrandes angeordneten U-förmigen Führungskanälen kann diese Schiene vorteilhaft zwischen den Führungskanal en anjder Fahrbahn befestigt sein. Falls die Seitenteile der beiden U-förmigen Führungskanäle zu einem einzigen, senkrecht zur Fahrbahn stehenden Teil vereinigt sind, kann vorteilhaft dieses Teil über die Oberteile der Führungskanäle hinaus verlängert sein und in den Luftspalt der mit dem Fahrzeug verbundenen Linearmotorwicklung hineinragen. Die aktive Wicklung des

409817/0135

VPA 72/8704

Linearmotors kann aber auch entlang der Fahrbahn angeordnet sein und mit einem entsprechend der gewünschten Fahrzeuggeschwindigkeit entlang der Fahrbahn wandernden Magnetfeld erregt werden.Am Fahrzeug selbst werden dabei vorteilhaft eine oder mehrere mit einem magnetischen Gleichfeld erregte Spulen vorgesehen, die von dem entlang der Fahrbahn wandernden Magnetfeld mitgenommen werden (Synchronmotor). Als Fahrzeugspulen können dabei auch die supraleitenden Trag- und Führungsmagnete dienen. Die aktive Wicklung kann dann bei-

,an spielsweise entlang der Fahrbahn vertikal zwischen den/beiden Fahrzeugseiten befindlichen Magnetspulenpaaren angeordnet sein.

Wie bereits erwähnt, bietet sich beim erfindungsgemäßen Magnetsystem die vorteilhafte Möglichkeit einer Anpassung' an die Kennlinie des Antriebssystems, insbesondere eines Linearmotors. Unter Kennlinie des Antriebssystems ist dabei der Zusammenhang zwischen Antriebskraft und Geschwindigkeit zu verstehen. Bevorzugt können dabei die zwischen den Supraleitungsmagnetspulen und den U-förmigen Führungskanälen auftretende Bremskräfte derart an die Antriebskraft des Linearmotors angepaßt sein, daß sich beim Betrieb des Fahrzeugs mit gleichmäßiger Geschwindigkeit bei Änderung der einen Kraft auch die andere Kraft im gleichen Sinne ändert. Bei einer solchen Anpassung wird eine sehr gleichmäßige, ruckfreie Fahrt erreicht.

Die üblicherweise bei Weichen auftretenden Schwierigkeiten lassen sich beim erfindungsgemäßen Magnetsystem vorteilhaft dadurch vermeiden, daß im Weichenbereich die Führungskanäle jeweils nur aus einem Unter- und einem Seitenteil bestehen und die Seitenteile gegenüber den verbreitert ausgebildeten Unterteilen beweglich, beispielsweise horizontal verschiebbar, sind. Im Weichenbereich ist dann nur ein Normalfluß-System vorhanden, welches die erforderlichen Hubkräfte aufbringt. Durch die verschiebbaren Seitenteile ist eine gute horizontale Führung im Weichenbereich gewährleistet.

- 10 409817/0135

VPA 72/8704

Anhand einiger Figuren und Ausführungsbeispiele soll die Erfindung noch näher erläutert werden.

Fig. 1 zeigt schematisch im Querschnitt eine beispielhafte Ausführungsform des erfindung3gemäßen Magnetsystems.

Fig. 2 zeigt schematisch die Abhängigkeit des Verhältnisses von Bremskraft zu Hubkraft von einigen Größen des Systems sowie die Kennlinie eines Linearmotors.

Figuren 3 und 4 zeigen schematisch im Querschnitt weitere beispielhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Magnetsyatems.

Fig. 5 zeigt schematisch in Draufsicht eine Weiche für das Magnetsystem nach Fig. 1.

Fig. 6 zeigt schematisoh ein Teilstück eines Führungskanals mit kurzgeschlossenen Leiterschleifen.

In Fig. 1 ist ein Magnetsystem für die Schwebeführung eines Fahrzeugs 1 dargestellt, das entlang einer Fahrbahn 2 bewegt wird. Beiderseits der Fahrbahn 2 ist je ein U-förmiger, sich zur Fahrbahnmitte hin öffnender Führungskanal 3 und 4 befestigt. Jeder Führungskanal besteht aus einem plattenförmigen Unterteil 5 bzw. 8 und einem plattenförmigen Oberteil 6 bzw, 9» die jeweils horizontal zur Fahrbahn 2 verlaufen» sowie aus einem plattenförmigen Seitenteil 7 bzw. 10, das jeweils senkrecht zur Fahrbahn steht. Die einzelnen Platten jedes Führungskanals, die beispielsweise aus Aluminium bestehen, können beispielsweise an den Stoßstellen leitend miteinander verbunden sein. Der Führungskanal kann auch aus U-förmigen, beispielsweise durch Biegen eines Bleches gefertigten Teilstücken bestehen, die in Fahrtrichtung entlang der Fahrbahn hintereinander angeordnet sind.

An beiden Seiten des Fahrzeugs 1 sind Paare von senkrecht übereinander angeordneten Supraleitungsmagnetspulen 11 und bzw. 13 und 14 angeordnet. Die untere Spule 11 bzw. 13 jedes Spulenpaares bewegt sich bei Fortbewegung des Fahrzeugs je-

- 11 409817/0135

VPA 72/8704

weils innerhalb"des zugehörigen Führungskanales 3 bzw. 4» während die jeweils obere Spule 12 bzw. 14 sieh oberhalb des Oberteiles 6 bzw. 9 des jeweiligen Führungskanales entlangbewegt. Die Spulen 11 und 12 bzw. 13 und 14 sind, wie in Fig. 1 durch Punkte und Kreuze angedeutet ist, gegensinnig zueinander erregt und bilden mit den plattenförmigen Oberteilen 6 bzw. 9 des zugehörigen Führungskanals jeweils ein Nullfluß-System. Die Magnetspulen 11 bis 14 befinden sich jeweils in einem in Fig. 1 schematiseh angedeuteten Kryostaten 15 bis 18 mit einem Kühlmittel, "vorzugsweise flüssigem Helium, welches die Spulen auf der für die Herbeiführung und Aufrechterhaltung des supraleitenden Zustandes erforderlichen tiefen Temperatur von wenigen Grad Kelvin kalt» In der Hegel sind mehrere derartige Spulenpaare an beiden Seiten des Fahrzeugs in Fahrtrichtung hintereinanderliegend befestigt» Beispielsweise kann bei einem nicht zu langen Fahrzeug an jedem Fahrzeugende auf beiden Fahrzeugseitea Js ein Spulenpaar angeordnet sein.

Am Unterbau des Fahrzeugs 1 sind ferner Räder 19 und 20 angebracht, auf denen das Fahrzeug beim Anfahren und Abbremsen auf der Fahrbahn 2 entlangrollen kann, wenn die zum Schweben des Fahrzeugs erforderliche Geschwindigkeit noch nicht erreicht bzw. bereits wieder unterschritten ist. Die Räder können auch, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist, durch Schienen geführt werden. Zum Antrieb des. Fahrzeugs 1 dient ein Linearmotor, dessen aktive Wicklungen 21 mit dem Fahrzeug 1 verbunden sind. In den Luftspalt der Wicklung 21 ragt eine entlang der Fahrbahn 2 verlaufende, an dieser befestigte Schiene 22, beispielsweise aus Aluminium, die als Läufer des Linearmotors dient.

Die im Magnetsystem auftretenden Kräfte sind am Beispiel des Führungskanales 3 und des Spulenpaares 11, 12 ebenfalls in .Fig. 1 dargestellt. In dem aus dem Spulenpaar 11, 12 und dem Kanaloberteil 6 bestehenden Nullfluß-System treten bei Auslenkung aus der Mittellage die der Schwerkraft des Fahrzeugs

- 12 -

409817/0135

VPA 72/8704

entgegengerichtete Kraft A sowie die zur Fahrbahn hin gerichtete Kraft B auf. In dem aus der unteren Spule 11 und ι dem Kanalunterteil 5 bestehenden Normalfluß-System tritt die nach oben von der Fahrbahn weg gerichtete Kraft C auf. Wie Fig. 1 zeigt, haben die Kräfte B und G auch je eine horizontal zur Fahrbahn und senkrecht zur Fahrtrichtung gerichtete Komponente, welche durch die im Seitenteil 7 des Führungskanals induzierten Ströme entsteht und die horizontale Führung des Fahrzeugs bewirkt. Ferner haben alle Kräfte A, B und C auch horizontal zur Fahrbahn verlaufende und entgegengesetzt zur Fahrtrichtung gerichtete, in Fig'. 1 nicht sichtbare Komponenten, die sogenannten Bremskräfte. Wenn man die Fahrtrichtung als x-Richtung und die Richtung senkrecht zur Fahrbahn als z-Richtung bezeichnet, so erhält man für das Gesamtsystem die Hubkraft
K_H = <A_Z - B_z) ₊ C_z

und die Bremskraft
^KB = <^Ax ⁺ V ^{+ C}x ·

Wie aus Fig. 1 ferner zu ersehen ist, hat das erfindungsgemäße Magnetsystem auch den Vorteil, daß die Unterteile 5 und 8 der Führungskanäle, die einen erheblichen Teil der Hubkräfte aufnehmen, unmittelbar auf der Fahrbahn und damit auf festem Untergrund aufliegen.

Das Verhältnis von Bremskraft zu Hubkraft beim erfindungsgemäßen Magnetsystem in Abhängigkeit von dem Produkt v-d'^ist schematisch in Fig. 2 dargestellt. Auf der linken Ordinate ist dabei das Verhältnis von Brems- zu Hubkraft Kg/K„, auf der unteren Abszisse das Produkt v«d«e~ aufgetragen. ▼ bedeutet die Geschwindigkeit des Fahrzeugs relativ zur Fahrbahn.«* die elektrische Leitfähigkeit des Plattenmaterials der Führungskanäle und d die Dicke des plattenförmigen Führungskanalteils. Kurve a zeigt das Verhältnis von Brems- zu Hubkraft f4ir das aus dem Führungskanalunterteil und der jeweils unteren Spule

- 13 409817/0135

VPA 72/8704

eines Spulenpaares bestehende liormalfluß-System, Kurve b das Verhältnis von Brems- zu Hubkraft für das aus dem Kanaloberteil und jeweils einem Spulenpaar bestehende lullfluß-System und Kurve c das Verhältnis von Brems- zu Hubkraft für das Gesamtsystem. Bei festem d und G* läßt sich aus den Kurven a bis c jeweils die Abhängigkeit des Verhältnisses von Brems- zu Hubkraft von der Fahrzeuggeschwindigkeit ablesen, Ferner ergibt sich aus den Kurven a und b, daß man beispielsweise im Normalfluß-System durch Vergrößerung der Plattendicke oder durch Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit des Plattenmaterials das Verhältnis von Brems- zu Hubkraft verkleinern und auch im Nullfluß-System, wo die Plattendicke in der Regel kleiner als die Magnetfeldeindringtiefe ist und damit eine geringere Rolle spielt, durch Änderung der Leitfähigkeit der plattenförmigen Kanaloberteile das Verhältnis von Brems- zu Hubkraft ändern kann. In beiden Systemen läßt sich zudem das Verhältnis von Brems- zu Hubkraft unabhängig voneinander ändern, indem man beispielsweise für die Führungskanaloberteile und die Führungskanalunterteile Materialien mit unterschiedlichen Leitfähigkeiten wählt. Das durch die Kurve c gegebene Verhältnis von Brems- zu Hubkraft des Gesamtsystems läßt sich daher durch entsprechende Bemessung der Einzelsysteme unterschiedlichen Betriebsbedingungen anpassen. Eine weitere Möglichkeit zur Beeinflussung des Verhältnisses von Brems- zu Hubkraft besteht schließlich, wie bereits erwähnt, darin, daß auch das Verhältnis des Abstandes zwischen je zwei senkrecht übereinander angeordneten Magnetspulen eines Spulenpaares zum Abstand zwischen Ober- und Unterteil des ü-förmigen Führungskanals verändert werden kann. Im Bereich höherer Geschwindigkeiten ist beim erfindungsgemäßen Magnetsystem das Verhältnis von Brems- zu Hubkraft der Bremskraft proportional, da sich die Hubkraft rasch einem Grenzwert nähert und bei zunehmender Geschwindigkeit praktisch nicht mehr ansteigt.

Außer den erwähnten Verhältnissen von Brems- zu Hubkraft ist in Fig. 2 als Kurve 1 noch die Kennlinie eines Linearmotors,

-H-409817/0135

VPA 72/8704

d.h. die Antriebskraft des Linearmotors in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit dargestellt. Die zugehörige Geschwindigkeit ν ist an der oberen Abszisse, die Antriebskraft K. an der rechten Ordinate aufgetragen. Im dargestellten Falle iat für eine mittlere Geschwindigkeit ν die durch die Kurve c bei festem d und β" in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit ν gegebene Bremskraft des Gesamtsystems derart an die Antriebskraft des Linearmotors angepaßt, daß bei einer Änderung der einen Kraft sich auch die andere Kraft in gleichem Sinne ändert. Wird etwa die Bremskraft größer, was zu einer Verringerung der Fahrgeschwindigkeit führen würde, so wird gleichzeitig auch die Antriebskraft des Linearmotors größer und somit die Geschwindigkeitsverringerung wieder ausgeglichen. Dadurch wird ein sehr ruhiges, ruckfreies Fahren gewährleistet. Zusätzlich sind gegebenenfalls noch die durch den Luftwiderstand des Fahrzeugs erzeugten Bremskräfte bei der Anpassung zu berücksichtigen, die in Fig. 2 vernachlässigt sind. Zum Abbremsen des Fahrzeugsjmüssen bei einer solchen Anpassung natürlich zusätzliche Maßnahmen ergriffen werden. Beispielsweise kann man zum Bremsen die Stromrichtung in einer.Spule jedes Spulenpaares oder einiger Spulenpaare umkehren, so daß das betreffende Spulenpaar kein Nullfluß-System mehr bildet und die Verluste in den FührungskanalOberteilen und damit die Bremskräfte ansteigen.

Fig. 3 zeigt eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Magnetsystems, bei dem entlang der Fahrbahn 2 zwei U-förmige Führungskanal 31 und 32 angeordnet sind, die sich jeweils zum Fahrbahnrand hin öffnen. Die am Unterbau des Fahrzeugs 1 vorgesehenen Räder 33 und 34, die durch Schienen 35 und 36 geführt werden können, liegen bei dieser Ausführungsform außerhalb der Führungskanäle 31 und 32. Die Magnetspulenpaare 37 und 38 bzw. 39 und 40, die ebenfalls im Fahrzeugunterbau gelagert sind, umschließen von außen her die Oberteile der Führungskanäle 31 und 32. Wicklung und Läuferschiene des Linearmotors aind mit 41 bzw. 42 bezeichnet.

- 15 409817/0135

VPA 72/8704

Bei der in Fig. 4 dargestellten Äusführungsform eines erfindungsgemäßen Magnetsystems sind die senkrecht zur Fahrbahn stehenden Seitenteile der beiden U-förmigen, sich zum Fahrbahnrand hin öffnenden Führungskanäle 51 und 52 zu einem einzigen senkrecht zur Fahrbahn 2 stehenden Teil 53 vereinigt. Dieses Teil ist ferner über die Oberteile 54 und 55 der Führungskanäle 51 und 52 hinaus verlängert und ragt in den Luftspalt einer mit dem Fahrzeug 1 verbundenen Linearmotorwicklung 56 hinein. Diese Ausführungsform, die in ihren übrigen Teilen der in Fig. 3 dargestellten .Ausführungsform entspricht, hat den besonderen Vorteil, daß die beiden U-förmigen Führungskanäle und die Läuferschiene des Linearmotors ein einziges, in einfacher Weise zu verlegendes Bauteil bilden. Außerdem ist bei diesem Bauteil gegenüber den anderen Ausführungsformen auch noch eine Materialersparnis möglich. Auch die Dicke und Leitfähigkeit des Teils 53 können den Erfordernissen der horizontalen Führung und den Bremsverhältnissen angepaßt werden.

Bei allen bereits erläuterten Ausführungsformen kann zudem auch die Läuferschiene des Linearmotors verhältnismäßig niedrig und damit materialsparend ausgebildet sein, da, wie bereits erwähnt, bei entsprechender Wahl des Quotienten aus dem Abstand zwischen je zwei senkrecht übereinander angeordneten Magnetspulen und dem Abstand zwischen dem Oberteil und dem Unterteil des U-förmigen Führungskanals eine steife Fahrt mit nur geringfügigen Ablenkungen in vertikaler Richtung gewährleistet ist. Auch eine verhältnismäßig niedrige Läuferschiene kann daher nicht infolge von vertikalen Schwingungen aus dem Luftspalt der Linearmotorwicklung herausgeraten.

Eine Weiche für die in Fig. 1 dargestellte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Magnetsystems ist schematisch von oben gesehen in Fig. 5 dargestellt. Außerhalb des unmittelbaren Weichenbereiches bestehen die Führungskanäle des Magnetsystems -jeweils aus einem Unter feil 61 und einem Oberteil 62, die

- 16 -

409817/0135

VPA 72/8704

horizontal zur Fahrbahn verlaufen, und einem senkrecht zur Fahrbahn stehenden Seitenteil 63, sind also U-förmig ausgebildet. Innerhalb des Weichenbereiches sind keine Führungskanaloberteile vorhanden, so daß die Führungskanäle jweils nur aus einem horizontal zur Fahrbahn liegenden Unterteil 64 und einem senkrecht zur Fahrbahn stehenden Seitenteil 65 . bestehen. In Fig. 5 ist die Stellung der Seitenteile 65 für Geradeausfahrt mit durchgehenden Linien dargestellt. Ein Abbiegen des von unten her in die Weiche einfahrenden Fahrzeugs kann dann dadurch erreicht werden, daß die Seitenteile 65 in Richtung der Pfeile 66 horizontal zu den Führungskanalunterteilen 64 verschoben werden, bis sie die in Fig. 5 durch unterbrochene Linien dargestellte Position 65a erreichen. Die Unterteile 64 der Führungskanäle sind, wie Fig. 5 zeigt, an den wesentlichen Stellen der Weiche verbreitert ausgebildet. Die infolge des Fehlens der Führungskanaloberteile 62 innerhalb des Weichenbereichs auftretende Verminderung der Hubkraft kann dadurch ausgeglichen werden, daß durch entsprechende Änderung der Dicke bzw. der elektrischen Leitfähigkeit der Führungskanalunterteile 64 innerhalb des Weichenbereiches die durch das Normalfluß-System erzeugte Hubkraft entsprechend vergrößert wird. Bei Linearmotorantrieb des Fahrzeuge kann beispielsweise die entlang der Fahrbahn verlegte Läuferschiene des Linearmotors innerhalb der Weiche ebenfalls horizontal zur Fahrbahn verschoben werden oder es kann innerhalb der Weiche auf einen Antrieb verzichtet und die Weiche im Schwung durchfahren werden. Die horizontal zu verschiebenden Seitenteile 65 der Führungskanäle brauchen ferner,nicht aus einem Stück zu bestehen, sondern können auch ausJTeilstücken zusammengesetzt sein, die zur Weichenstellung unterschiedlich weit seitlich verschoben werden. Eine andere Möglichkeit zur Ausbildung einer Weiche besteht darin, daß zur Weichenstellung die Seitenteile 65 in die Fahrbahn nach unten eingefahren und Seitenteile 65a aus der Fahrbahn nach oben ausgefahren werden. Auch Weichen für die in den Figuren 3 und 4 dargestellten Ausführungsformen können in entsprechender Weise aufgebaut

' - 17 409817/0135

VPA 72/8704

werden, wenn man jeweils die Seitenteile der Führungskanäle im Weichenbereich beweglich gestaltet und die Kanaloberteile wegläßt. Außerdem kann eine Weiche insbesondere für die. in Pig. 4 dargestellte Ausführungsform auch so ausgebildet sein, daß das ganze aus den beiden U-förmigen Führungskanälen 51 und 52 bestehende schienenförmige Teil im Weichenbereich gegenüber der Fahrbahn beweglich, beispielsweise durch Heben und Senken ein- bzw. ausfahrbar, ausgestaltet ist. Die Kombination von Null- und Normalfluß-System bleibt dann auch im Weichenbereich erhalten.

Anstelle von Führungskanalen, die aus elektrisch leitenden Platten bestehen, können beim erfindungsgemäßen Magnetsystem auch Führungskanäle aus entlang der Fahrbahn aneinandergereihten, kurzgeschlossenen Leiterschleifen verwendet werden. Ein Teilstück eines solchen Führungskanals ist schematisch in Fig. 6 dargestellt. Unter-, Seiten- und Oberteil des Führungskanals besteht dabei aus in Fahrtrichtung aneinandergereihten Leiterschleifen 71» 72 und 73, beispielsweise aus Aluminium, die in einen U-förmigen Träger 74 aus elektrisch isolierendem Material eingelagert sind. Der Träger 74 ist wiederum an der Fahrbahn 75 befestigt. Bei der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform kann außer den Führungskanalteilen auch der in den Luftspalt der Linearmotorwicklung hineinragende Teil aus kurzgeschlossenen Leiterschleifen bestehen. Ferner sind bei 'der Ausgestaltung der Führungskanäle auch Kombinationen von aus Platten und aus kurzgeschlossenen Leiterschleifen bestehenden Teilen möglich.

Beim .erfindungsgemäßen Magnetsystem können Höchstgeschwindigkeiten von etwa 500 km/h erreicht werden. Die mittlere Geschwindigkeit ν kann dabei beispielsweise etwa 300 km/h betragen. Beispielsweise bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform kann ein kleineres Fahrzeug etwa 12 t wiegen. Die Schwebeführung eines solchen Fahrzeuges kann beispielsweise durch vier Spulenpaare erreicht werden, von denen je zwei Spulenpaare auf jeder Fahrzeugseite in Fahrtrichtung hintereinander-

409817/0135

VPA 72/8704

liegend» beispielsweise an den jeweiligen Fahrzeugenden, angeordnet sind. Die Spulen können beispielsweise aus den bekannten, sogenannten Vielkernleitern bestehen, bei denen eine Vielzahl von sehr dünnen Drähten aus Hochfeldsupraleitermaterial, vorzugsweise aus einer Niob-Titan-Legierung, in eine Matrix aus elektrisch normalleitendem Metall, wie Kupfer oder einer Kupfer-Nickel-Legierung, eingelagert ist. Die Einzeldrähte können dabei vorteilhaft auch um die Achse des Vielkernleiters verdrillt sein. Der Strombelag jeder Spule kann bei-

5 6
spielsweise zwischen 10 und 10 Amperewindungen betragen. Die Spulen können, beispielsweise in Fahrtrichtung gesehen, je etwa 1m lang und horizontal zur Fahrbahn je etwa 50 cm breit sein, wobei der Abstand der beiden Spulen eines Spulenpaares voneinander, senkrecht zur Fahrbahn gesehen, wiederum etwa 50 cm betragen kann. Die U-förmigen Führungskanäle können aus Aluminiumplatten bestehen. Die Platten der Kanalunter- und Kanalseitenteile können dabei beispielsweise etwa 2 cm stark, die der Kanaloberteile etwa 1 cm stark sein. Im Vergleich dazu beträgt die Eindringtiefe des Magnetfeldes bei der angegebenen mittleren Geschwindigkeit etwa 10 cm. Der Abstand der Kanalunterteile von den Kanaloberteilen, die jeweils etwa 70 cm breit sind, kann etwa 60 cm betragen. Die auf das Fahrzeug bei einer Geschwindigkeit von etwa 300 km/h wirkende Bremskraft und damit auch die erforderliche Antriebskraft beträgt etwa 2-10^ Newton. Die Hubkraft beträgt je nach Strombelag der Magnetspulen etwa das zehn- bis hundertfache der Bremskraft.

15 Patentansprüche
6 Figuren

■ - 19 409817/0135

Claims

YPA 72/8704

Patentansprüche·

M.J Magnetsystem für die Schwebeführung eines entlang einer Fahrbahn bewegten Fahrzeugs mit zwei entlang der Fahrbahn verlaufenden, an dieser befestigten U-förmigen, jeweils aus einem horizontal zur Fahrbahn verlaufenden Ober- und Unterteil und einem etwa senkrecht zur Fahrbahn stehenden Seitenteil bestehenden Führungskanälen aus unmagnetischem, elektrisch leitendem Material und am Fahrzeug in Fahrtrichtung hintereinander befestigten, horizontal, zur Fahrbahn liegenden, zwischen Ober- und Unterteil der Führungskanäle angeordneten supraleitenden Magnetspulen, die bei Bewegung des Fahrzeugs zur Schwebeführung des Fahrzeugs ausnutzbare Ströme in den Führungskanälen induzieren, dadurch gekennzeichnet, daß senkrecht über jeder Magnetspule (11, 13) eine weitere, horizontal zur Fahrbahn (2) liegende, oberhalb des Oberteils (6_y 9) des jeweiligen Führungskanals (3, 4-) angeordnete supraleitende Magnetspule (12, 14) befestigt ist, die mit der zugehörigen, senkrecht unter ihr liegenden Magnetspule (11, 13) und dem Oberteil (6, 9) des Führungskanals (3, 4) ein Nullfluß-System bildet.

2. Magnetsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des Oberteils (6, 9) jedes U-förmigen Führungskanals (3, 4) gleich der Eindringtiefe des durch die Magnetspulen (11, 12; 13» 14) erzeugten Magnetfeldes bei der höchsten beim Betrieb auftetenden Fahrgeschwindigkeit oder kleiner als diese Eindringtiefe ist.

3. Magnetsystem nach Anspruch 1 oder.2, dadurch gekennzeichnet, daß die U-förmigen Führungskanäle (3, 4) aus entlang der Fahrbahn angeordneten, elektrisch leitenden Platten (5, 6, 7; 8, 9, 10) bestehen.

■4. Magnetsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die U-förmigen Führungskanäle aus entlang der Fahrbahn aneinandergereihten, kurzgeschlossenen Leiterschleifen

409817/013S " ²° "

VPA 72/8704

(71, 72, 73) bestehen.

5. Magnetsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Quotient aus dem Abstand zwischen Je zwei senkrecht übereinander angeordneten Magnetspulen (11, 12) und dem Abstand zwischen dem Oberteil (6) und dem Unterteil (5) des U-förmigen Pührungskanales (3) etwa zwischen 0,7 und 1,3 beträgt.

6. Magnetsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die U-förmigen Führungskanäle (3, 4) sich zur Fahrbahnmitte hin öffnen.

7. Magnetsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die U-förmigen Führungskanäle (31, 32) sich jeweils zum Fahrbahnrand hin öffnen.

8. Magnetsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenteile der beiden U-förmigen Führungskanäle (51, 52) zu einem einzigen, senkrecht zur Fahrbahn (2) stehenden Teil (53) vereinigt sind.

9· Magnetsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Fahrzeug (1) mittels elnea Linearmotors (21, 22) entlang der Fahrbahn (2) bewegbar ist.

10. Magnetsystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Wicklung (21) des Linearmotors mit dem Fahrzeug (1) verbunden und der Läufer des Linearmotors eine entlang der Fahrbahn (2) verlaufende, mit dieser verbundene Schiene (22) aus elektrisch leitendem Material ist.

11. Magnetsystem nach einem der Ansprüche 6 oder 7 und den Ansprüchen 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß die den Läufer des Linearmotors bildende Schiene (22) zwischen den U-förmigen Führungskanälen (3, 4) an der Fahrbahn (2) befestigt ist.

- 21 409817/0135

VPA 72/8704

12. Magnetsystem nach den Ansprüchen 8, 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß das senkrecht zur Fahrbahn (2) stehende Teil (53) über die Oberteile (54, 55) der Führungskanäle (51, 52) hinaus verlängert ist und in den Luftspalt der mit dem Fahrzeug (1) verbundenen Linearmotorwicklung (56) hineinragt,

13· Magnetsystem nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen den supraleitenden Magnetspulen und den U-förmigen Führungskanälen auftretenden Bremskräfte derart an die Antriebskraft des Linearmotors angepaßt sind, daß beim Fahrbetrieb des Fahrzeugs mit gleichmäßiger Geschwindigkeit bei einer Änderung der einen Kraft sich die andere Krafijim gleichen Sinne ändert.

14. Magnetsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 13₇ dadurch gekennzeichnet, daß an Weichen die Führungskanäle jeweils nur aus einem Unter- und einem Seitenteil (64, 65) bestehen und die Seitenteile (65) gegenüber den verbreitert ausgebildeten Unterteilen (64) beweglich sind.

15. Magnetsystem nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das aus den beiden U-förmigen Führungskanälen (51, 52) bestehende Teil an Weichen gegenüber der Fahrbahn beweglich ausgebildet ist.

409817/0135