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Magnetsystem zur berührungsfreien Führung eines entlang einer Fahrbahn
bewegten Fahrzeugs Die Erfindung betrifft ein Magnetsystem zur berührungsfrelen
Führung eines entlang einer Fahrbahn bewegten Fahrzeugs mit je einer Magneteinheit
zur seitlichen Führung und zur 3 chwebeführung.
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Zur seitlichen, berührungsfreien Führung von Fahrzeugen, die insbesondere
Fahrzeuggeschwindigkeiten von etwa 300 km/ Stunde und mehr erreichen sollen, sind
zwei unterschiedliche Führungsprinzipien bekannt. Gemäß dem sogenannten elektrodynamischen
Führungsprinzip sind längs einer Fahrbahn senkrecht zur Fahrbahnebene in Fahrtrichtung
verlaufende elektrisch leitende Führungselemente angebracht, deren gegenüberliegende
senkrechte Außenflächen mit am Fahrzeug entsprechend angebrachten Magnetspulen,
vorzugsweise supraleitende Magneten, in Wechselwirkung treten. In diesen Führungselementen,
die beispielsweise in Form von elektrisch leitenden Platten oder lelterschleifen,
die in Fahrtrichtung hintereinander angeordnet sind, bestehen können, werden bei
der Bewegung des Fahrzeugs entlang der Fahrbahn Ströme induziert, deren abstoßende
magnetische Kräfte zum seitlichen Führen des Fahrzeugs entlang der Fahrbahn ausgenutzt
werden.
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Ein einfaches seitliches Führungssystem besteht beispie weise aus
zwei sogenannten Normalfluß-Systemen, die zu beiden Seiten und entlang der Fahrbahn
angeordnet sind.
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Jedes System enthält eine vertikal entlang der Fahrbahn verlaufende
leitende Platte, die auch als Schiene bezeichnet wird. Die entsprechende Magnetspule
des Fahrzeugs bewegt sich parallel zu dieser Schiene und induziert darin Wirbelströme,
die ihrerseits ein Magnetfeld erzeugen, das dem
Erregerfeld entgegengerichtet
ist. Durch diese Magnetfelder wird auf die mit dem Fahrzeug verbundenen Magnetspulen
von den Schienen aus eine abstoßende Kraft ausgibt, die proportional dem Produkt
aus dem Schienenstrom und der magnetischen Feldkomponente in Richtung der Höhle
des Schienenkörpers ist. Die dabei entstehenden Wirbelstromverluste und damit die
erzeugte Bremskraft sind dagegen proportional dem Quadrat der magnetischen Feldkomponente,
die senkrecht zur Ausdehnung des Schienenkörpers verläuft. Diese Komponente ist
bei dem Normalfluß-System verhältismäßig groß, d.h. mit den erforderlichen Führungskräften
werden zugleich auch große Wirbelströme und somit entsprechend große Bremskräfte
erzeugt, die der Bewegungsrichtung des Fahrzeugs entgegengerichtet sind. Da die
seitlichen Führungskräfte von vornherein so ausgelegt sein müssen, daß sie die maximal
zu erwartenden Querkräfte, die während der wahrt auf das Fahrzeug einwirken, stets
kompensieren können, ist es notwendig, die Magnetspulen ständig in erregten Zustand
zu halten; d.h.
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Ständig werden große Wirbelstromverluste bei einem solchen Normalfluß-System
auch bei momentan geringen Seitenkräften erzeugt, die durch die Antriebssysteme
des Fahrzeugs kompensiert werden müssen.
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Dieser Nachteil der elektrodynamischen Seitenführung wird bei dem
sogenannten elektromagnetischen Führungsprinzip vermieden. Ein entsprechendes Magnetsystem
ist beispielsweise aus der deutschen Offenlegungsschrift 2 060 970 bekannt. Bei
diesem Fiihrungsprinzip werden die Anziehungskräfte-ausge nutzt, die zwischen den
zu beiden Seiten des Fahrzeugs angeordneten Elektromagneten und ihren zugehörenden
Eisenschienen auf der-?ahrbahntrasse wirken. Diese elektromagnetischen Ansiehungskräfte
nehmen bekanntlich zu, je mehr sich eine Fahrzeugseite, d.h. die an ihr angebrachten
Magneten ihren Führungsschienen nähern. Eine Regeleinrichtung sorgt dann rechtzeitig
für eine dosierte Schwächung der Erregung dieser
Magneten und einer
Zunahme der Erregung der Magneten auf der gegenüberliegenden Fahrzeugseite, so daß
der Abstand der Magneten zu ihren Schienen annähernd konstant gehalten wird.
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Die hierfür erforderliche Regeltechnik, die eine horizontale Lageregelung
des Fahrzeugs bei Stillstand und in Fahrt ermöglicht, ist kompliziert, wegen der
angestrebten hohen Fahrzeuggeschwindigkeit muß diese Regelung innerhalb einiger
Millisekunden auf Störungen, beispielsweise auf Fahrbahnfehler oder Windkräfte,
reagieren. Sie muß sehr präzise arbeiten; denn mit einem elektromagnetischen Führungssystem
erhält man bei erträglichem Aufwand nur einen freien luftspalt zwischen den Führungernagneten
und den Schienen von maximal etwa 10 bis 15 mm.
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Für eine Anwendung dieses Systems sprechen die im Verhältnis zur Antriebslelstung
geringen Bremsverluste. Der Nachteil des kleinen Luftspaltes' der geringe Schienentoleranzen
und einen hohen Aufwand für die horizontale Lageregelung erforderlich macht, ist
zugleich ein Vorteil, wenn das Fahrzeug durch einen Linearmotor angetrieben wird
und mit der Fahrzeugseitenführung zugleich die Iiinearmotorseitenführung gekoppelt
ist, bei der der Luftspalt zwischen einer Reaktionsschiene und den Erregersystemen
des Linearmotors in derselben Größenordnung liegt.
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Die mit dem elektromagnetischen Führungsprinzip bei einer Seitenführung
eines Fahrzeugs erzielten Vorteile sind bei einer Anwendung dieses Führungsprinzips
auf die Schwebeführung eines Fahrzeugs unwesentlich, weil damit zu geringe Schwebehöhen
erreicht werden können. Aus Sicherheitsgründen sind nämlich Schwebehöhen im Bereich
von etwa 20 cm und mehr anzustreben, um eine Behinderung durch beispielsweise Eis,
Schnee oder andere auf den Schienen liegende Fremdkörper zu verhindern. Solche Höhen
sind nach dem elektromagnetischen 3chwebeprinzip bei vertretbarem Aufwand nicht
möglich.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, ein System von Magneten
für eine Seiten- und Schwebeführung eines bewegten Fahrzeugs zu schaffen, das die
Vorteile der beiden bekannten, vorerwähnten Führungsprinzipien ausnutzt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die zur seitlichen
Führung dienende Magneteinheit eine regelbare elektromagnetische Pührungseinheit
mit anziehenden Kräften ist und daß die zur Schwebeführung dienende Magneteinheit
eine elektrodynamische Hubeinheit mit abstoßenden Kräften ist.
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Das erfindungsgemäße Magnetsystem weist durch die Kombination der
beiden bekannten Führungsprinzipien, d.h. des elektromagnetischen und elektrodynamischen
Führungsprinzipsa den Vorteil der großen Hubhöhe sowie der geringen Wirbelstromverluste
der seitlichen Führung auf. Da die Abweichungen von dem seitlichen Dollabstand sehr
gering sind, kann vorteilhaft die Fahrzeugseitenführung mit der Seitenführung eines
Linearmotors gekoppelt sein, da der Linearmotor mit kleinen Toleranzen des Sollabstands
an seiner Reaktionsschiene geführt werden muß.
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Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung kann die zur Schwebeführung
dienende Magneteinheit vorzugsweise supraleitende Magnetspulen enthalten, die mit
ihren zugehörenden, auf der oberen Flachseite der Fahrbahn in Pahrtrichtung angeordneten
Reaktionsschienen ein Normalfluß-System bilden.
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Die supraleitenden Magnetspulen, die im Fahrzeug untergebracht werden
können, ergeben Vorteile für diese Führungstechnik. Die supraleitenden Magneten
arbeiten im Kurzschluß, d.h. der einmal angeworfene Erregerstrom bleibt ohne Zufuhr
elektrischer Energie von außen mit einer Abfallrate von nur einigen Prozent pro
Tag praktisch konstant. Damit wird die Aufrechterhaltung der Hubkraft von einer
Energiequelle an
Bord unabhängig und die Sollage des Fahrzeugs bei
Fahrt ist ohne jede Regelung aufgrund des Eigengewichts des Fahrzeugs als Rückstellkraft
stabil. Die supraleitenden Wicklungen arbeiten bei Temperaturen des flüssigen Hellums
von beispielsweise 4,2 K. Zur Erhöhung der Sicherheit läßt sich dann vorteilhaft
ein zusätzlicher normalleitender Ring, beispielsweise aus hochreinem Aluminium,
der jeder supraleitenden Wicklung zugeordnet ist, auf der Heliumtemperatur dieser
Wicklung halten. Dieser Ring übernimmt aufgrund seiner magnetischen Kopplung automatisch
den magnetischen Fluß der Wicklung und damit ihre Hubkraft, wenn die Erregung der
Wicklung im Störungstall ausfällt. Dies geschieht fir eine begrenzte Zeit, die aber
zu einer Notbremsung des Fahrzeugs mit Sicherheit ausreicht. Auch diese einfache,
aber wirkungsvolle Sicherheitseinrichtung ist von der elektrischen Energieversorgung
oder Regeleinrichtung unabhängig Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung nd deren
in dem Unteranspruch gekennzeichneten weicheren Ausbildung sind in der Zeichnung
schematisch dargestellt und werden im tolg:e. Ren näher erläutert.
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Die iP r eigt schematisch einen Querschnitt durch ein Fahrzeug 1,
das gemäß der Erfindung berührungsfrei entlang einer Fahrbahn 2 geführt wird. Das
Fahrzeug 1, dessen unterer Teil in der Figur nur angedeutet ist, soll sich im fahrenden
Zustand befinden, d.h. längs der Fahrbahn 2 schwebend geführt werder. Diese Fahrbahn
besteht aus einem Schienenfundament 3, das beispielsweise rechteckigen oder U-förmigen
Querschnitt besitzt und aus 3eton gegossen sein kann. Dieses Schienenfundament 3
ruht auf einem in der Figur nicht näher dargestellten Bahnkörper 4. Auf seiner oberen
Flachseite sind in Fahrtrichtung zwei parallel verlaufende Reaktionsschienen 5 und
6 zur Schwebeführung angebracht. Diese Reaktionaschienen Ind beispielsweise aus
Alumir£ium. Senkrecht zu ihnen verlaufen
in Fahrtrichtung an den
beiden gegenüberliegenden Seitenteilen des Schienenfundamentes 3 zwei einanderparallele
Schienen 7 und 8, die zur seitlichen Führung des Fahrzeugs 1 notwendig sind und
beispielsweise aus geblechtern Eisen bestehen.
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An dem parallel zur oberen Flachseite des Schienenfundamentes 3 geführten
Fahrzeugboden 9 ist eine Magneteinheit 10 zur Schwebeführung des Fahrzeugs angebracht.
Sie besteht aus zwei Magnetspulen 11 und 12, die über den auf dem Schienenfundament
3 verlaufenden Reaktionsschienen 5 und 6 angeordnet sind. Im Zusammenwirken dieser
Reaktionsschienen 5 und 6 mit ihren zugeordneten Magnetspulen 11 und 12, die sich
in erregtem Zustand befinden sollen, wird die zur Schwebe! rung des Fahrzeugs erforderliche
Hubkraft nach dem elektrodynamischen Schwebeprlnzip erzeugt. Diese Magneteinheit
10 stellt ein Normalfluß-System dar. Als Magnetspulen 11 und 12 werden vorteilhaft
supraleitende Magnetspulen verwendet.
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Sie befInden sich jeweils in einem in der Figur schematisch dargestellten
Kryostaten 13 und 14 mit einem Kühlmittel, vorzugsweise Helium, welches die Spulen
auf der für die Herbeiführung und Aufrechterhaltung des supraleitenden Zustandes
erforderlichen tiefen Temperatur von wenigen K halt. In der Regel sind mehrere derartige
Spulenpaare an beiden Seiten des Fahrzeugs in Xahrtrichtung hintereinanderliegend
befestigt. Beispielsweise kann bei einem nicht zu langen Fahrzeug an jedem Fahrzeugende
auf beiden Fahrzeug seiten je ein solches Spulenpaar angeordnet sein.
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Zur seitlichen Führung-dient eine weitere Magneteinheit 15, die aus
zwei Normalmagneten 16 und 17 mit jeweils einem Eisenjoch 18 bzw. 19 besteht. Diese
Magneten sind im rechten Winkel zu den Schwebemagneten 11 und 12 so an den Fahrzeugseiten
angeordnet, daß sie von außen mit den an den Seiten deQ Sch4>enenfundamentes
3 verlaufenden Führungsachienen 7 und 8 in Wechselwirkung treten können. Sie arbeiten
nach
dem elektromagnetischen Prinzip. Die Führungsschienen 7 und
8 bestehen deshalb aus einem ferromagnetischen Material wie beispielsweise geblechtem
Eisen. Das Zusammenwirken der von den Magneten 16 und 17 ausgehenden anziehenden
Kräfte mit den dazugehörenden Führungsschienen 7 bzw. 8 wird mittels eines besonderen,
in der Figur nicht angedeuteten Regelmechanismus so beeinflußt, daß zwischen den
Führungsschienen 7 und 8 und den Stirnseiten der Eisenjoche 18 und 19 der Magneten
16 und 17 ein annähernd konstanter Abstand eingehalten wird.
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Zum Antrieb des Fahrzeugs 1 kann vorteilhaft ein Linearmotor 20 dienen,
dessen aktive Wicklungen 21 und 22 mit dem Fahrzeug starr verbunden sind. Diese
Wicklungen sind in einem vorbestimmten Abstand voneinander angeordnet, so daß zwischen
ihnen ein vertikaler Luftspalt 23 liegt. In diesen Luftspalt 23 ragt eine entlang
der Fahrbahn 2 verlaufende, auf dieser in der Mitte der oberen Flachseite senkrecht
befestigte Schiene 24, die als Läufer des Linearmotors 20 dient und beispielsweise
aus Aluminium sein kann. Der jeweilige Abstand zwischen der Linearmotorwicklung
21 bzw.
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22 und der Läuferschiene 24 ist in der Figur mit 25 bezeichnet. Er
kann vorteilhaft von der Regeleinheit der zur seitlichen Führung des Fahrzeugs dienenden
Magneteinheit 15 geregelt werden, indem die maximale Abweichung quer zur Fahrzeug
bzw. Fahrbahnrichtung den maximal zulässigen Abweichungen von der Sollweite der
Abstände 25 angepaßt wird.
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Ferner können vorteilhaft am Unterbau des Fahrzeugs 1 in der Figur
nicht dargestellte Räder angebracht sein, auf denen das Fahrzeug beim Anfahren und
Abbremsen auf der Fahrbahn 2 entlangrollen kann, so lange die zum Schweben des Fahrzeugs
erforderliche Geschwindigkeit noch nicht erreicht bzw. bereits wieder unterschritten
ist. Die Räder können auch durch Schienen geführt werden.
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Zur Schwebeführung des Fahrzeugs können an Stelle des in der Figur
angedeuteten Normalfluß-Systems auch andere nach dem elektrodynamischen Prinzip
arbeitende Systeme wie beispielsweise Nullfluß-Systeme, die im allgemeinen geringere
Bremskräfte aufweisen, aber kompliziertere Anordnungen von Reaktionsschienen und
Magneten erfordern, vorgesehen sein.
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Ferner können zur seitlichen Führung anstatt der Normalmagneten mit
Eisenjoch auch andere nach dem elektromagnetischen Anziehungsprinzip arbeitende
Magnettypen, wie beispielsweise supraleitende Magneten, eingesetzt werden.
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2 Patentansprüche 1 Figur