DE2315060A1 - Linear-synchronmotor fuer magnetschwebefahrzeuge - Google Patents

Description

81-20.424p(20.425H)

26. März 1973

HITACHI LTD.. Tokio (Japan)

Linear-Synchronmotor für Magnet-Schwebefahrzeuge

Die Erfindung bezieht sich auf einen Linear-Synchronmotor, insbesondere auf eine Anordnung der Feldspulen und der Triebspulen eines derartigen Motors.

Bei herkömmlichen Fahrzeugen, deren Räder durch einen Antriebsmotor gedreht werden, wird die Fortbewegung des Fahrzeugs durch die Reibungskraft zwischen den Rädern und den Schienen oder dem Boden bewirkt« Die Reibungskraft ist jedoch nicht voll wirksam für Fahrzeuge, die mit einer so hohen Geschwindigkeit wie 300 km/h oder mehr fahren. Um dieses Problem zu lösen, wurden verschiedene Fahrzeugsysteme entwickelt, bei denen ein Fahrzeug schwebt oder über

8i-(pos 30282)-Ko-r (9)

dem Boden angehoben ist und ohne die Hilfe der Reibungskraft zwischen den Rädern und dem Boden angetrieben wird» Ein Linearmotor ist für ein derartiges Antriebssystem ohne Reibungskraft geeignet« Bekanntlich ist ein Linearmotor ein elektrischer Motor, der entlang einer Bahn angeordnet ist, wobei entweder der Anker oder der Feldteil des Motors am schwebenden Fahrzeug angebracht und die übrigen Teile entlang der Bahn vorgesehen sind, oder umgekehrt.

Um das Fahrzeug in die Luft anzuheben, werden einer seits Magnetspulen am Fahrzeug angebracht, um das magnetische Feld zu erzeugen, und andererseits wird eine Anordnung von kurzgeschlossenen Spulen im Boden vorgesehen» Wenn bei dieser Anordnung das Fahrzeug über und entlang den" am Boden angeordneten Spulen fährt, dann verkettet sich' das ' magnetische Lauffeld mit den im oder am Boden angeordneten Spulen, um dadurch einen elektrischen Strom in den zuletzt" genannten Spulen zu induzieren., Der so induzierte Strom erzeugt ein anderes magnetisches Feld, das auf das erste magnetische Feld einwirkt, um eine Abstoßungskraft zwischen den Fahrzeug-Spulen und den Boden-Spulen herzustellen, die das Fahrzeug über den Boden anhebt.

Jedoch ist lediglich die Anhebung des Fahrzeugs über den Boden für jeden praktischen Betrieb nicht ausreichend. Es müssen einige Leiteinrichtungen entlang der Bahn vorgesehen sein, um das Fahrzeug in seiner Richtung oder seinem Kurs zu halten. Bei einem für diesen Zweck bereits diskutierten System sind eine andere Folge von Magnetsp'ulen am Fahrzeug und eine Anordnung der kurzgeschlossenen Spulen im oder am Boden vorgesehen, um eine in seitlicher. Richtungwirkende elektromagnetische Kraft zu erzeugen, die das sich

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bewegende Fahrzeug auf seinem Kurs hält. Das dem Betrieb einer derartigen Leiteinrichtung zugrundeliegende Prinzip gleicht im wesentlichen der oben beschriebenen magnetischen Abhebung.

In diesem Zusammenhang wurde auch schon diskutiert, die Magnetspulen, die entweder zur Anhebung oder zur Leitung des Fahrzeuges dienen, auch für die Feldspulen des Antriebs-Linear-Motors zu verwenden. Ein derartiger Linearmotor hat den Vorzug, daß er ein Linear-Synchronmotor ist, der im Betrieb dem Prinzip des gewöhnlichen oder des Dreh-Synchronmotors entspricht. Obwohl ein Linear-Induktionsmotor im Betrieb diesem Prinzip entspricht, so ist er doch dem zuerst beschriebenen Motor in der Leistungsfähigkeit sowie im Leistungsfaktor unterlegen. Zahlreiche Probleme sind zu lösen, bevor der Linear-Induktionsmotor praktisch verwendet werden kann.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines magnetischen Schwebefahrzeugs, das durch den erfindungsgemäßen Linear-Synchronmotor angetrieben ist, mit der Anordnung der Spulen am Fahrzeug und an der Bahn;

Fig. 2 eine Vorderansicht des Fahrzeugs und der Bahn;

Fig. 3 ein schematisehes Diagramm, das dem unteren Teil der in der Fig. 2 dargestellten Anordnung entspricht;

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Fig. h die Verteilung des magnet!sehen Flusses bei den in der Fig. 3 vorgesehenen Spulen;

Fig. 5 Kurven, die die Antriebskraft, die in senkrechte!· Richtung wirkende Kraft und die seitliche Federkraft jeweils als Funktion des Verhältnisses der Weiten der in der Fig. 3 dargestellten Trieb- und Feldspulen angeben;

Fig. 6 und 7 jeweils den wesentlichen Teil von anderen erfindungsgexnäßen Linear-Synchronmotoren;

die Anordnung der Spulen in einem bereits diskutierten Schwebe- und Antriebssystem mit einem Linear-Synchronmotor;

Fig. 9 die Verteilung des magnetischen Flusses bei der in der Fig. 8 dargestellten Spulenanordnung;

Fig. 10 die Lagebeziehung der Trieb- und Feldspulen bei dem bereits diskutierten Linear-Synchronmotor (Fig. 8);

Fig. 11 und 12 Kurven, die die Veränderungen der Antriebskraft, der in senkrechter Richtung wirkenden Kraft und der seitlichen Federkraft, die bei dem bereits diskutierten System (Fig. 8 - 10) entlang der Bahn auf das Fahrzeug einwirken, angeben. ·

Zunächst wird anhand der Fig. 8 die Spulenanordnung in dem bereits diskutierten Schwebe- und Antriebssystem mit

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einem Linear-Synchronmotor näher erläutert. Zwei Paare Feldspulen i6a, i6B, 17A, 17B sind im Unterteil eines Fahrzeuges 15 vorgesehen. Die Spulen 16A und 16B liegen in seitlichen Teilen des Fahrzeuges 15 gegenüber zum Boden. Die Spulen 17A und 17B sind in der Nähe der Mitte des Fahrzeuges angebracht, wobei ihre Ebenen senkrecht zur Ebene der Spulen i6a und 10B sind. Auf der Seite des Bodens liegen Schwebe- oder Tragspulen 18A und 18B jeweils gegenüber zu den Feldspulen 16a und 16B. Weiterhin liegt eine Leitspule senkrecht im Boden, so daß sie zwischen den Feldspulen 17A und 17B vorgesehen ist. Die Tragspulen 18A und 18B und eine Leitspule 19 sind kurzgeschlossene Spulen. Sie können auch aus leitenden Schichten bestehen. Eine Triebspule 20 des Linear-Synchronmotors liegt zwischen den Tragspulen 18A und 18B. Die Weite L oder die seitliche Abmessung der Triebspule 20 entspricht dem Abstand zwischen den Feldspulen 17A und 17B« Die Triebspule 20 ist rechteckig. Sie wird von einer Wechselstromquelle erregt, um abhängig von der Geschwindigkeit des fahrenden Fahrzeugs eine Laufwelle eines magnetischen Flusses zu erzeugen. Das Fahrzeug 15 wird durch die Antriebskraft fortbewegt, die auf der Wechselwirkung zwischen der magnetischen Laufwelle und dem magnetischen Feld der Spulen 17A und 17B beruht. Weiterhin erzeugt die Fahrt des Fahrzeugs 15 eine magnetische Abstoßung jeweils zwischen den Feldspulen i6a, !OB und den Tragspulen 18A, IBB und zwischen den Feldspulen 17A, 17B und der Leitspule 19» tun das Fahrzeug dadurch über den Boden anzuheben und stabil auf der Bahn zu halten.

In Fig. 9 ist die Verteilung der waagrechten Komponente Bx und der senkrechten Komponente By der Dichte des

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— ο —

magnetischen Flusses dargestellt, der durch die Feldspulen 17A und 17B in der Lage der Antriebsspule 2O erzeugt wird. In Fig. 9 entsprechen Form und Lage der Feldspulen " 17A und 17B nicht der Form und der Lage der Triebspule 20. Es soll darauf hingewiesen werden, daß eine scheinbare oder virtuelle Spule 17 besteht, wie dies in der Fig. 9 durch Strichlinien angedeutet ist, die der Triebspule 20 entspricht. Wie aus der Fig» 9 hervorgeht, ist die waagrechte Flußdichte Bx an den sich gegenüberliegenden Seiten 20a der Triebspule 20 am höchsten. Dieser große magnetische Fluß wirkt auf den durch die Seiten 20a der Triebspule fließenden Strom und erzeugt eine Anziehung und Abstoßung im Linearmotor, um dadurch eine vertikale Schwingung zu bewirken, die sich auf das Schweben oder Anheben des magnetischen Systems nachteilig auswirkt. Weiterhin hat in der Lage der Seiten 20a der Triebspule die senkrechte Flußdichte By einen steilen Anstieg in bezug auf die zeitliche Verschiebung» Deshalb hat die waagrechte Federkonstante oder Federkraft, die das Produkt aus dem durch die Spulenseite 20a fließenden Strom und dem Gradienten der Flußdichte By ist, einen großen aber instabilen Wert in der Lage der Seiten 20a, wodurch die seitliche Stabilität des Fahrzeugs verschlechtert wird.·

Die Bezeichnung "Federkonstante" bedeutet eine magnetische Kraft, die für die seitliche Verschiebung de3 Fahrzeuges 15 aus dessen Mittellage oder für ein Zurückbringen des Fahrzeuges in die Mittellage erforderlich ist, während eine Kraft, die das Fahrzeug in eine Verschiebung zwingt, als "instabile Federkonstante" bezeichnet wird. Eine Kraft, die die Mittellage wiederherstellt, wird als "stabile Federkonstante" bezeichnete

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In der Fig. 10 ist die Lagebeziehung der Triebspulen und der Feldspulen für die in den Fig. 8 und 9 dargestellten Anordnungen gezeigt. Die Triebepulen 20 sind in einem regelmäßigen Abstand angeordnet, der einem elektrischen Winkel von 120° in bezug auf das longitudinale magnetische Feld entspricht, das durch die Feldspulen 1? erzeugt wird. Die Triebspulen 20 sind jeweils über Schalteinrichtungen, wie beispielsweise nicht dargestellte Thyristoren, mit einer Wechselstromquelle verbunden. Die Schalteinrichtungen verteilen den Strom in die jeweiligen Triebspulen in genauer Folge und genauen SchaItIntervallen, abhängig von der Fahrtgeschwindigkeit des Fahrzeuges.

Die Fig. 11 und 12 zeigen Veränderungen der Antriebskraft F, der in senkrechter Richtung wirkenden Kraft T und der seitlichen Federkonstanten K, die auf das Fahrzeug einwirken, wenn sich das Fahrzeug entlang der Bahn bewegt· Dabei gilt Fig. 11 für einen Fall, in dem der Voreilwinkel $ für die Steuerung der Thyristoren zur induzierten Spannung Null beträgt. Die Fig. 12 gilt für einen Voreilwinkel von 20°. Wie aus den Fig. 11 und 12 hervorgeht, sind die jeweiligen maximalen Werte der in senkrechter Richtung wirkenden Kraft und der seitlichen Federkonstanten, die für eine stabile Fahrt des Fahrzeuges nachtelig sind, im Vergleich zur Antriebskraft beträchtlich groß. Darüber hinaus sind die Veränderungen der zuerst genannten Kräfte periodisch oder oszillatorisch. Deshalb ist es mit der bereits diskutierten Spulenanordnung sehr schwierig, eine stabile Fahrt des Fahrzeuges zu erreichen. In diesem Zusammenhang geht aus den Figuren hervor, daß ein Betrieb mit einem Voreilwinkel von 20 weniger Antriebskraft bei einer instabileren Federkonstanten im Vergleich zu einem Betrieb mit einem Voreilwinkel Null ergibt. Was das Problem der magnetischen Abhebung

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betrifft, soll darauf hingewiesen werden, daß der zuerst genannte Betrieb mit eine*· Steuervoreilüng von 2Ö vorteilhafter ist, da bei diesem Betrieb die in senkrechter Richtung wirkende Kraft abstoßend ist«, Es ist möglich, daß selbst das auf die Triebspule einwirkende magnetische !PeId zur Anehbung des Fahrzeuges von einigem Nutzen ist,* indem der Voreilwirikel geeignet ausgewählt wird. Öle iß der Fig. 8 dargestellte Spulenanordnung ist jedoch auf keinen Fäll für eine' praktische Anwendung geeignet, wenn nicht einige Maßnahmen ergriffen werden, um die großen Schwingurigskömpönenten der in senkrechter Richtung wirkenden kraft Und der seitlichen Federkonstänteri zu verringern.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Linear-Synchronmötor für ein Magnet-Schwebefahrzeug anzugeben, bei dem die unwirksame Kraft in senkrechter Richtung* die auf das Fahrzeug einwirkt^ verringert ist. Die unwirksame oder wirkungslose Komponente der seitlichen Fede'rköristaiite'n, die auf das Fahrzeug einwirkt ^ Soll verringer-fc sein; Die seitliche Federkonstarite, die auf dös Fahrzeug einwirkt* soll insbesondere eine stabile konstante sein* SehlifeÖlicii solion die Verringerung der wirkungsiöseri in senkrechter Richtung wirkenden Kraft und die Forderung einer stabilen FederkoÄ-stahten gleichzeitig erreicht werden*

Zur Lösung dieser Aufgabe hat der erfiridurigsgemäßö Linear-Synchronmotör ein Paar vöii Feldspulen₍ ά±β am iiägnöt-Schwebefahrzeug angebracht sind, und eiriü Trieibipüle> diö im Boden vorgöseheh istj wobei 䱧 Weiten der Födä- und Triebspulen und der mittlöre Abstand zwiseiieh den Feld- üiid Triebspülen so ausgewählt sind, daß dazwischen eine bestimmte Beziehung besteht.

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Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.

In den Fig. 1 - 3 ist ein Magnet-Schwebefahrzeug oder Magnetkissenfahrzeug 1 dargestellt, das durch den erfindungsgemäßen Linear-Synchronmotor angetrieben wird. Das Fahrzeug 1 umfaßt einen Fahrgastraum 2 und ein Lager 3» das auf der Unterseite des Raumes 2 angebracht ist. Das Lager ist mit einer Längsauskehlung 3G entlang seiner Mittellinie und mit Feldspulenpaaren 4a, kB und 5A, 5B versehen. Diese Feldspulen bestehen aus Supraleitern und erzeugen ein konstantes magnetisches Feld. Die Spulen 4A und 4b sind in waagrechter Richtung am unteren Teil des Lagers 3 gegenüber zueinander in bezug auf die Mittellinie der Auskehlung 3G oder des Fahrzeuges 1 vorgesehen. Es ist selbstverständlich, daß mehrere derartige Feldspulenpaare in gleichen Abständen entlang der Länge des Fahrzeuges 1 angeordnet sind. Andererseits sind die Feldspulen 5A, 5B in senkrechter Richtung gegenüber zueinander oder gegenüber zu den Seitenwänden der Auskehlung 3G vorgesehen. Die Spulen 5A und 5B, die in ihrer Anzahl den Spulen kA und kB entsprechen, sind in gleichen Abständen entlang der Länge des Fahrzeuges vorgesehen.

Gegenüber dem so ausgebildeten Fahrzeug ist eine Bahn EP mit einem Vorsprung oder eine Wand EC entlang der Mittellinie auf dem Boden vorgesehen, um das sich bewegende Fahrzeug zu leiten. Das Profil der Bahn entspricht dem Lager des Fahrzeuges, wobei jedoch dazwischen ein ausreichender Abstand liegt. Weiterhin ist die Bahn EP mit Tragspulen 8a und 8B versehen. Eine Anzahl der aus diesen Spulen gebildeten Paare ist in waagrechter Richtung in gleichen Ab-

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ständen unter und entlang der Bahn der Feldspulen 4A und kB vorgesehen» Die Tragspule besteht aus einein gewickelten und kurzgeschlossenen Leiter oder aus einer Leiterschicht. In der Mittelwand EC und im gleichen Abstand von den Spulen 5A und 5B sind Leitspulen 6 vorgesehen, die zur Aufrechterhaltung der seitlichen Stabilität des Fahrzeuges dienen. Die Leitspule besteht ebenfalls aus einer geschlossenen Wicklung oder einer leitenden Schichte Eine Anzahl derartiger Spulen ist entlang der Bahn vorgesehen. Entlang der Mittellinie der Bahn ist eine Anzahl von rechteckigen Triebspulen 7 in waagrechter Lage eingebettet» Es ist selbstverständlich, daß die Anzahl der Feldspulen 4A, 4B und 5A und 5B für jedes Fahrzeug unter Beachtung von Faktoren wie der Länge, der Breite und des Gewichts des Fahrzeugs sowie der Kapazität der Spulen bestimmt ist.

Bei der oben beschriebenen Spulenanordnung wirken die durch die am Fahrzeug angebrachten Feldspulen kA, kB und 5A, 5B erzeugten magnetischen Lauffeider auf die Tragspulen 8A, 8B und die Leitspulen 6 auf der Bodenseite, um jeweils eine Tragkraft und eine Leitkraft zu erzeugen. Weiterhin werden die Triebspulen-7 mit einem Dreiphasenwechselstrom erregt, der von einer äußeren Stromquelle eingespeist wird, um eine Laufwelle eines magnetischen Flusses zu erzeugen, der auf das magnetische Lauffeld der Feldspulen 5A, 5B einwirkt, um die Feldspulen und damit das Fahrzeug synchron mit der Bewegung der magnetischen Welle durch die Triebspulen fortzubewegen. Deshalb kann durch Steuerung der Frequenz des die Triebspulen erregenden Dreiphasenwechselstromes die Fahrtgeschwindigkeit des Fahrzeuges gesteuert werden.

In diesem Zusammenhang soll darauf hingewiesen werden,

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daß die Weite oder seitliche Länge 2b der Triebspule 7 größer ist als der Abstand zwischen sich gegenüberliegenden Feldspulen 5A und 5B. Aus der Fig. 4, die die waagrechten und senkrechten Komponenten der Verteilung des magnetischen Flusses zeigt * der in der Nähe der Triebspule durch eine imaginäre waagrechte Spule 5 erzeugt wird, die durch die unteren Seiten der beiden Feldspulen 5A und 5B gebildet wird» geht hervor, daß die waagrechte Flußdichte Bx auf den Seiten 7a der Triebspule 7 kleiner ist als in den entsprechenden Lagen der in der Fig. 9 dargestellten Triebspule 7· Weiterhin soll darauf hingewiesen werden, daß der seitliche Gradient der senkrechten Flußdichte By in den gleichen Lagen bei der Anordnung der Fig h kleiner und entgegengesetzt zum entsprechenden Gradienten bei der Anordnung der Fig. 9 ist. Deshalb ist bei der in den Fig. 3 und k dargestellten Anordnung die senkrechte Anziehung und Abstößung, die durch das Produkt aus dem durch die Spule 7 fließenden Strom und der magnetischen Flußdichte Bx im Teil 7& äer Triebspule 7 bestimmt ist, im Vergleich zu den entsprechenden Kräften bei der bereits diskutierten Spulenanordnung (Fig. 8 und 9) verringert. Weiterhin ist die seitliche Federkonstante, die das Produkt aus dem durch die Spüle 7 fließenden Strom und der magnetischen Flußdichte By im Teil 7a ist, zu einer sehr kleinen instabilen Konstanten oder sogar zu einer stabilen Federkonstanten gemacht.

Die oben aufgezeichneten Wechselwirkungen zwischen den Spulen werden nachfolgend mit Hilfe einer mathematischen Näherungsrechnung untersucht. Die waagrechten und senkrechten Komponenten Sx und By der magnetischen Flußdiehte können durch die folgenden Gleichungen ausgedrückt w'ördeii:

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ö ο ο

(x-a) + g (x+a; + g

7 T₂ 2 / ν 2 2

(x-a; + g (x+aj + g

mit zu» = magnetische Permeabilität der Luft,

zu»

a «= eine Hälfte der seitlichen Weite oder Breite der imaginären Feldspule 5_S

g = mittlerer Abstand zwischen der Triebspule 7 und der imaginären Feldspule 5 während der normalen Fährt des Fahrzeugs,

χ = seitliche Verschiebung der imaginären Feldspule aus deren Mittellage, und

„ = magnetomotorische Kraft der imaginären Feldspule.

Die Länge der Feldspulen oder der imaginären Feldspule 5 kann als unendlich oder wesentlich größer als die seitliche Breite 2a der imaginären- Spule 5 angenommen werden. -

Weiterhin soll mit 2b die seitliche Breite der Triebspule 7 bezeichnet werden. Mit c soll die Länge derselben Spule entlang der Länge der Bahn bezeichnet werden. Mit ϊ

soll die magnetomotorische Kraft durch die Triebspule 7 bezeichnet werden. Die maximalen Werte der Antriebskraft und der in senkrechter Richtung wirkenden Kraft (jeweils F, T), die zwischen den Triebspulen und den Feldspulen

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wirken, und der maximale Wert der seitlichen Federkonstante (κ) können dann jeweils durch die folgenden Gleichungen ausgedrückt werden:

It

/, \2 2 (b-a) + g

T = 2

ΛΕ

(b + a) + g

dx

_By

a ζ

_g ²-(b-a)² [<*-a)² ₊g²]

(5)

Im folgenden sollen die Bezeichnungen "senkrechte Kraft" und "seitliche Federkonstante" als Verweisung auf die jeweils maximalen Werte dieser Kräfte verstanden werden, wenn nicht ausdrücklich etwas anderes betont wird.

Die Beziehungen des Verhältnisses der Breite der Trieb spule 7 zur Feldspule 5 in bezug auf die Antriebskraft F, die senkrecht Kraft T und die seitliche Federkonstante K, die durch die Gleichungen (3) bis (5) bestimmt sind, sind in der Fig 5 dargestellt, aus der drei Merkmale entnommen werden können:

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(1) Die Antriebskraft F nimmt ungefähr proportional zum Verhältnis b/a in dem Bereich ab, in dem dieses Verhältnis kleiner ist als eins. Sie nimmt lediglich wenig .in dem Bereich ab, in dem das Verhältnis b/a größer ist als eins.

(2) Die senkrechte Kraft T nimmt steil ab, wenn das Verhältnis b/a von eins abweicht.

(3) Die seitliche Federkonstante K nimmt einen maximalen instabilen Wert (magnetische Abstoßung) in dem Ber ich an, in dem das Verhältnis b/a in der Nähe von eins ist. Jedoch nimmt die Konstante K steil ab, wenn das Verhältnis von eins abweicht, um gegebenenfalls zu einer stabilen Federkonstanten (magnetische Anziehung) zu werden.

Aus der obigen Beschreibung geht hervor, daß, obwohl das Verhältnis b/a mit Ausnahme vom Standpunkt der Antriebskraft F aus betrachtet, vorzugsweise eins beträgt, diesem Verhältnis eins auch ein mehr als doppelt so größer Spitzenwert der senkrechten Kraft als die Antriebskraft mit einem maximalen Wert der instabilen seitlichen Federkonstante K zugeordnet ist, die jede stabile Fahrt des Fahrzeuges behindert. Insbesondere ist für einen praktischen Betrieb des Fahrzeugs ein Kompromiß zwischen der Antriebskraft einerseits und der senkrechten Kraft und der seitlichen Federkonstanten erforderlich. Bei der Auslegung des Systems ist so die Antriebskraft etwas verringert, um die senkrechte Kraft und die seitliche Federkonstante unter vernünftigen Pegeln zu halten. Es ist selbstverständlich, daß die Verringerung der Antriebskraft weniger schwierig durchgeführt werden kann, indem das Verhältnis b/a in einem Bereich größer als eins, ausgewählt wird, wie wenn ein Verhältnis kleiner eins gewählt wird, da im ersten Bereich des Verhältnisses der Gradient der Abnahme geringer ist.

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Was nun die seitliche Federkonstante anbelangt, so ist festzustellen, daß eine stabile Federkonstante erhalten werden kann, indem die Veränderlichen in der Gleichung (i) so gewählt werden, daß sich für die Konstante K ein negativer Wert ergibt. Da der mittlere Spulenabstand g ein Bruchteil der Breite a der Feldspule 5 beträgt, kann ein

2 2

Wert g gegenüber einem Wert a vernachlässigt werden, d.

h. a £> g . Deshalb kann die Bedingung, daß die seitliche Federkonstante eine stabile Konstante ist, aus der Gleichung (5) erhalten und wie folgt ausgedrückt werden:

b = a + g (6)

Wie jedoch bereits oben erwähnt wurde, nimmt die Antriebskraft F, obwohl schrittweise, ab, wenn die Breite der Triebspule 7 in bezug auf die Breite der Feldspule 5 zunimmt. Deshalb ist eine unbeschränkte Zunahme der Breite, der Triebspule 7 für einen praktischen Gebrauch nicht geeignet, da sie eine außergewöhnliche Zunahme der magnetomotorischen Kraft der Triebspule erfordert. Vom praktischen Gesichtspunkt aus betrachtet kann die erlaubte Abnahme der Antriebskraft auf die Hälfte des Spitzenwertes angesetzt werden, der dem Verhältnis b/a « 1 entspricht. Diese Bedingung wird durch die folgenden Gleichungen festgelegt; insbesondere ergibt sich aus der Gleichung (3)s

a + g - \f~2ag H b Is a + g + \/2ag (7)

Weiterhin ergibt sich aus den Gleichungen (6) und (7)» a + g^b^a+g + v'äag (8)

Daraus ergibt sich:

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In dem durch die obige Bedingung festgelegten Bereich (Fig. 5) ist die Abnahme der senkrechten Kraft T im Vergleich zur Abnahme der Antriebskraft F größer. Darüber hinaus nimmt die seitliche Federkonstante einen negativen Wert an, was 'eine stabile Federkonstante bedeutet. Dadurch ist die hin- und hergehende senkrechte Kraft, die ein stabiles Schweben des Fahrzeuges behindert, wirksam unterdrückt. Demgemäß nimmt die Vibration oder Schwingung des Fahrzeuges ab. Weiterhin bewirkt die stabile Federkonstante, daß das Fahrzeug in die normale Mittellage zurückkehrt, wenn es sich aus der normalen Lage entfernt. Deshalb kann durch die Auswahl des Verhältnisses in dem oben genannten Bereich ein stabiler Betrieb des Magnet-Schwebefahrzeugs erreicht werden, das durch einen Linear-Synchronmotor angetrieben wird.

In Versuchen wurde die obige Bedingung numerisch festgelegt. Es wurde angenommen, daß die Breite 2a der Feldspule 0,8 m und der mittlere Abstand g zwischen der Feldspule und der Triebspule während des Normalbetriebs desFahrzeugs 0,2 m betragen.

Aus der Gleichung (9) folgt dann:

0.2 < b < . 0,2 /2 χ 0.2

οίϊ ⁼ ό^⁼¹⁺ίΐ⁺/ 0,4

Insbesondere ist damit festgelegt, daß die Breite 2b der Triebspule im Bereich von 1,2 - 2m liegen sollte.

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Im folgenden wird eine weitere Näherung zur Begrenzung der Breite der Triebspulen durchgeführt, indem insbesondere die instabile seitliche Federkonstante beachtet wird. Es wird angenommen, daß vom praktischen Gesichtspunkt aus betrachtet die instabile seitliche Federkonstante K auf die Hälfte von ihrem Spitzenwert verringert werden muß. Aus der Gleichung (5) in der a 2$> g ist, ergibt sich;

Indem die linke Seite der Gleichung (9) in die Glei chung (10) eingesetzt wird, ergibt sich;

In den Fig. 6 und 7 sind weitere Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Linearmotors dargestellt, bei denen die Spulenanordnungen von den anhand der Fig. 3-5 erläuterten Spulenanordnungen abweichen.

In der Fig. 6 ist ein Paar von Feldspulen 9-A, 9-B aus einem Supraleiter in senkrechter Richtung in beiden Flanken des Lagers des Fahrzeugs 1 vorgesehen. Ein komplementäres Paar von Leit- und Tragspulen 1OA, 1OB ist ebenfalls in senkrechter Richtung auf der Bodenseite ungefähr gegenüber zu den Feldspulen, jedoch etwas in bezug auf die Feldspulen nach unten versetzt, angeordnet. Weiterhin ist eine weitere Feldspule 11 aus einem Supraleiter in waagrechter Richtung an der Unterseite und in der Mitte des Fahrzeuglagers vorgesehen, wobei gegenüber im Boden E eine Triebspule 12 angeordnet ist. Es soll darauf hingewiesen werden, daß die Feldspule 11 keine imaginäre Spule wie die Spule 5 beim

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ersten Ausführungsbeispiel, sondern vielmehr eine reale oder'tatsächliche Spule ist. Auch mit dieser Spulenanordnung kann die Verringerung der unerwünschten senkrechten Kraft sowie der instabilen seitlichen Federkonstanten oder die Umwandlung der instabilen Federkonstanten in eine stabile Konstante erreicht werden, indem-die Breite 2a der Feldspule 11, die Breite 2b der Triebspule 12 und der mittlere Abstand g zwischen den Spulen 11 und 12 entsprechend der durch die Gleichungen (9) oder (11) festgelegten Bedingungen ein- ' gestellt werden.

Bei der in der Fig. 6 dargestellten Spulenanordnung sind drei Feldspulen 9A, 9B und 11 im Fahrzeug im dargestellten Schnitt und drei weitere Spulen, nämlich Leit- und Tragspulen 1OA, 1OB und eine Triebspule 12, auf der Bodenseite vorgesehen, so daß bei dem dargestellten Schnitt die Gesamtzahl der Spulen 6 beiträgt. Bei dem ersten Ausführungsbeispiel der Fig; 3 hat ein Schnitt vier Fahrzeugspulen und vier Bodenspulen, so daß die Gesamtzahl acht beträgt. Deshalb bietet die in der Fig. 6 dargestellte Spulenanordnung im Vergleich zu der in der Fig 3 dargestellten Anordnung einen wirtschaftlicheren Linear-Synchronmotor.

Bei dem in der Fig. 7 dargestellten Ausführungsbeispiel sind ein Paar von Triebspulen 14a, 14B in senkrechter Richtung auf der Bodenseite E gegenüber zu den jeweiligen Flanken des Lagers des Fahrzeugs 1 und ein komplementäres Paar von Feldspulen 13A, 13B im Fahrzeuglager gegenüber zu den jeweiligen Triebspulen angeordnet. Weiterhin sind eine Leitspule 6 und Tragspulen 8A, 8B im Fahrzeuglager jeweils gegenüber zu zusätzlichen Paaren von Feldspulen 5A, 5B und kA,

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kB vorgesehen. Mit dieser Anordnung können die Betriebskennlinien des Linear-Synchronmotors verbessert werden, da die magnetische Kopplung zwischen den Fahrzeugspulen und den Boden-Spulen für jede Spulengruppe einzeln ausgelegt werden kann. In diesem Zusammenhang soll darauf hingewiesen werden, daß bei dem in der Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel die Feldspulen 5A und 5B mit der Leitspule 6 und der Triebspule 7 gekoppelt sind.

Es ist selbstverständlich, daß die elektromagnetische Beziehung zwischen den Feldspulen 13A, 13B und den Triebspulen i4a, 14B bei dem in der Fig. 7 dargestellten Ausführungsbeispiel dem in der Fig. 6 dargestellten Ausführungsbeispiel entspricht. Die durch die Gleichungen (9) oder (11) ausgedrückten Bedingungen müssen auch in diesem Fall beachtet werden.

Bei den obigen Ausführungsbeispielen werden Triebspulen verwendet, deren Breite größer ist als die Breite der gegenüberliegenden Feldspulen. Es ist jedoch auch möglich, die Breite der Triebspulen so zu wählen, daß sie kleiner ist als die Breite der gegenüberliegenden Feldspulen. In diesem Fall wird die Bedingung für einen stabilen Betrieb durch ähnliche Prozesse erreicht und durch die folgende Gleichung ausgedrückt:

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Claims (1)

1. ■ - 20 -

   Patentansprüche

   1. iLinear-Synchronraotor für Magnet-Schwebefahrzeug mit Feldspulen im Fahrzeug zur Erzeugung eines konstanten magnetischen Feldes und Triebspulen im Boden gegenüber zur Bahn der Feldspulen, dadurch gekennzeichnet , daß das 'Verhältnis der Breite der Triebspulen (7) zur Breite der Feldspulen {kA, kB, 5A, 5B) so ausgewählt ist, daß es in einen der durch die folgenden Gleichungen ausgedrückten Bereiche fällt, in denen 2a die Breite der Feldspulen, 2b die Breite der Triebspulen und g den mittleren Abstand zwischen der Bahn der Feldspule und der Triebspule bei einem normalen Betrieb des Fahrzeugs (1) bedeuten?

   1 + -ξ^ ^ - ^ 1 + I + ja» oder

   2. Linear-Synchronmotor für Magnet-Schwebefahrzeug mit mindestens einem Paar Feldspulen im Fahrzeug zur Erzeugung eines konstanten magnetischen Feldes und mit Triebspulen im Boden gegenüber zur Bahn einer imaginären Feldspule, die durch Teile der Paare der Feldspulen gebildet ist, dadurch gekennzeichnet , daß das Verhältnis der Breite der TrUebspulen (7) zur Breite der imaginären Feldspule (15) in einen der durch die folgenden Gleichungen ausgedrückten Bereiche fällt, in denen 2a die Breite der imaginären Feldspule, 2b die Breite der Triebspule und g den mittleren Abstand zwischen der Bahn der Feldspule und der Trieb-

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   spule bei einem normalen Betrieb des Fahrzeugs (i) bedeuten:

   ^{1 +} * * τ ^{s 1} - f

   ¹ ♦ f * ! ^s ' ♦ f ♦

   3· Linear-Synchronmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Paare der Feldspulen (5A, 5B) in der Nähe des unteren Mittelteiles des Fahrzeugs (i) in senkrechter Richtung und gegenüber zueinander in bezug auf die senkrechte Mittelebene in Längsrichtung des Fahrzeugs (i) vorgesehen sind, daß Leitspulen (6) in senkrechter Richtung in der Bodenseite zwischen den Rahmen der Paare der Feldspulen (5A, 5B) angeordnet sind, und daß mindestens ein weiteres Paar von Feldspulen (^A, kB) in waagrechter Richtung in den unteren Seitenteilen des Fahrzeuges (i) und gegenüber zur Mittellinie in Längsrichtung des Fahrzeuges (i) vorgesehen ist, wobei ein entsprechendes Paar von Tragspulen (8A, 8B) in waagrechter Richtung im Boden und jeweils gegenüber zur Bahn des anderen Paares der Feldspulen angeordnet ist.

   h. Linear-Synchronmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Paar Feldspulen (4a, kB) in waagrechter Richtung im unteren Mittelteil des Fahrzeugs (i) vorgesehen ist, und daß mindestens ein weiteres Paar von Feldspulen (5A, 5B) in senkrechter Richtung in beiden oder jedem der unteren Seitenteile des Fahrzeugs (1) parallel zur senkrechten Mittelebene des Fahrzeugs (i) in Längsrichtung angeordnet ist, wobei ein Paar von Leit- und Tragspulen in

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   senkrechter Richtung auf der Bodenseite ungefähr gegenüber zur Bahn des anderen Paares von Feldspulen, jedoch in eine etwas tiefere Stellung verschoben, vorgesehen ist.

   5. Linear-Synchronmotor für Magnet-Schwebefahrzeug, mit mindestens einem ersten Paar von Feldspulen, die in der Nähe des unteren Mittelteiles des Fahrzeugs in senkrechter Richtung und gegenüber zueinander in bezug auf die senkrechte Mittelebene in Längsrichtung des Fahrzeugs angeordnet sind, mit mindestens einem zweiten Paar von Feldspulen, die in waagrechter Richtung in den unteren Seitenteilen des Fahrzeugs und gegenüber in Beziehung auf die Mittellinie in Längsrichtung des Fahrzeugs vorgesehen sind, mit mindestens einem dritten Paar von Feldspulen, die in senkrechter Richtung in beiden unteren Seitenteilen des Fahrzeuges parallel zur senkrechten Mittelebene in Längsrichtung des Fahrzeugs (1). angeordnet sind, mit Leitspulen, die in senkrechter Richtung auf der Bodenseite zwischen den Bahnen des ersten Paares von Feldspulen angeordnet sind, mit einem Paar Tragspulen, die im Boden in waagrechter Richtung und jeweils gegenüber zu den Bahnen des zweiten Paares von Feldspulen vorgesehen sind, und mit einem Paar Triebspulen, die im Boden in senkrechter Richtung und jeweils gegenüber zu den Bahnen des dritten Paares von Feldspulen vorgesehen sind, dadurch gekennzei ohne t , daß das Verhältnis der Breite der Triebspulen zur Breite der dritten Feldspule so gewählt ist, daß es in einen der durch die folgenden Gleichungen ausgedrückten Bereiche fällt, in denen 2a die Breite der dritten Feldspule, 2b die Breite der Triebspule und g den mittleren Abstand zwischen der Bahn der dritten Feldspule und der Triebspule

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   bei einem normalen Betrieb des Fahrzeuges bedeuten:

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