DE2315060B2

DE2315060B2 - Linear-synchronmotor fuer ein elektromagnetisch gefuehrtes schwebefahrzeug

Info

Publication number: DE2315060B2
Application number: DE19732315060
Authority: DE
Inventors: Naoki Tokaimura Ibaraki Maki (Japan)
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1972-03-28
Filing date: 1973-03-26
Publication date: 1976-05-20
Also published as: JPS5619199B2; JPS4898312A; FR2178047A1; DE2315060A1; FR2178047B1; GB1423053A; US3890906A

Description

oder Tragspulen 18A und 18ß jeweils gegenüber zu den Feldspulen 16Λ und 15ß. Weiterhin liegt eine Leitspule J9 senkrecht im Boden, so daß sie zwischen den Feldspulen \7A und 17ß vorgesehen ist. Die Tragspuien 18.4 und 18ßund eine Leitspule 19 sind kurzgeschlossene Spulen. Sie können auch aus leitenden Schichten bestehen. Eine Triebspule 20 des Linear-Synchronmotors liegt zwischen den Tragspulen 18/4 und 18ß. Die Breite L oder die seitliche Abmessung der Triebspule 20 entspricht dem Abstand zwischer. den Feldspulen 17.4 und 17ß. Die Triebspule 20 ist rechteckig. Sie wird von einer Wechselstromquelle erregt, um abhängig von der Geschwindigkeit des fahrenden Fahrzeugs eine Wanderwelle eines magnetischen Flusses zu erzeugen. Das Fahrzeug 15 wird durch die Antriebskraft fortbewegt, die auf der Wechselwirkung zwischen der magnetischen Wanderwelle und dem magnetischen Feld der Spulen 17,4 und 17ß beruht. Weiterhin erzeugt die Fahrt des Fahrzeugs 15 eine magnetische Abstoßung jeweils zwischen den Feldspulen 16Λ, 16ß und den Tragspulen 18A 18ßund zwischen den Feldspulen 17.4,17ßundder Leitspule 19, um das Fahrzeug dadurch über den Boden anzuheben und stabil auf der Bahn zu haken.

In F i g. 9 ist weiterhin die Verteiiung der waagerechten Komponente Bx und der senkrechten Komponente ßyder Dichte des magnetischen Flusses dargestellt, der durch die Feldspulen 17A und 17ß in der Ebene der Antriebsspule 20 erzeugt wird. In F i g. 9 entsprechen Form und Lage der Feldspulen 17Λ und 17ß nicht der Form und der Lage der Triebspule 20. Es ist nun darauf hinzuweisen, 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 F i g. 9 hervorgeht, ist die waagerechte Flußdichte ß.Y 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 ein 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 Ebene der Triebspule 20 an den Seiten 20a die senkrechte Flußdichte By einen steilen Anstieg in bezug auf die seitliche Verschiebung nicht dargestellte Thyristoren, mit einer Wechselstromquelle verbunden. Die Schalteinrichtungen verteilen den Sti um in die jeweiligen Triebspulen in genauer Folge und genauen Schaltintervallen, abhängig von der Fahrtgeschwindigkeit des Fahrzeuges.

Die Fig. U und 12 zeigen weiterhin Veränderungen der Antriebskraft F. der in senkrechter Richtung wirkenden Kraft Γ und der seitlichen Federkonstanten K, die auf das Fahrzeug einwirken, wenn sich das

ο Fahrzeug entlang der Bahn bewegt. Dabei gilt F i g. 1! für einen Fall, in dem ein Voreilwinkel γ für die Steuerung der Thyristoren zur induzierten Spannung Null beträgt. Die Fig. 12 gilt für einen Voreilwinkel von 20^c. 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 nachteilig sind, im Vergleich zur Antriebskraft beträchtlich groß. Darüber hinaus sind die Veränderungen der

:o zuerst genannten Kräfte periodisch oder oszillatorisch. Deshalb ist es mit der bereits bekannten Spulenanordnung schwierig, eine stabile Fahrt des Fahrzeuges zu erreichen. In diesem Zusammenhang geht aus den Figuren hervor, daß ein Betrieb mit einem Voreilwinkel

!5 von 20° weniger Antriebskraft bei einer instabileren Federkonstanten im Vergleich zu einem Betrieb mit einem Voreilwinkel »Null« ergibt. Zum Problem der magnetischen Abhebung soll darauf hingewiesen werden, daß der zuerst genannte Betrieb mit einer

Steuervoreilung von 20° 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 Feld zur Anhebung des Fahrzeuges von einigem Nutzen ist, indem der

Voreilwinkel geeignet ausgewählt wird. Die in der F i g. 8 dargestellte Spulenanordnung ist jedoch auf Keinen Fail für eine praktische Anwendung geeignet, wenn nicht einige Maßnahmen ergriffen werden, um die großen Schwingungskomponenten der in senkrechter

Richtung wirkenden Kraft und der seitlichen Federkonstanten zu verringern.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Linear-Synchronmotor für ein elektromagnetisch geführtes Schwebefahrzeug anzugeben, bei dem die

Deshalb hat eine waagrechte »Federkonstante« oder 45 Schwingungskomponenten der in senkrechter Richtung

Federkraft, die dem Produkt aus dem durch die wirkender Kraft und der seitlichen Federkonstanten

Spulenseite 20a fließenden Strom und dem Gradienten weitgehend beseitigt sind.

. -. ~ .· .. r, :__.,:.. .: η _u__ o\_eSe Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst.

der Flußdichte By proportional ist, einen großen, aber instabilen Wert in der dargestellten Lage der Seiten 20a, wodurch die seitliche Stabilität des Fahrzeugs verschlechtert wird.

Die Bezeichnung »Federkonstante« bedeutet dabei eine magnetische Kraft, die für die seitliche Verschiebung des 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 Fed^rkonstante« bezeichnet.

In der F i g. 10 ist nun die Lagebeziehung der Triebspulen und der Feldspulen für die in den F i g. 8 und 9 dargestellten Anordnungen gezeigt. Die Triebspulen 20 sind in einem regelmäßigen Abstand angeordnet, der einem elektrischen Winkel von 120° in bezug auf das longitudinal magnetische Feld entspricht, das durch die Feldspulen 17 erzeugt wird. Die Triebspulen 20 sind jeweils über Schalteinrichtungen, wie beispielsweise daß das Verhältnis der Breite der Triebspulen zur Breite der Feldspulen bzw. zum Abstand der den Triebspulen zugeordneten Seiten der Feldspulen in der Weise größer als 1 gewählt ist, daß es in den durch die folgende Ungleichung ausgedrückten Bereich fällt, in der 2a die Breite der Feldspulen, 26 die Breite der Triebspulen und g den mittleren Abstand zwischen der Bahn der Feldspulen und den Triebspulen bei einem normalen bd

p
Betrieb des Fahrzeugs bedeuten:

g ig 1
a

Ψϊ

In einer anderen Ausführungsform ist es möglich, daß das Verhältnis der Breite der Feldspulen zur Breite der Triebspulen in der Weise größer als 1 gewählt ist, daß es in den durch die folgende Ungleichung ausgedrückten Bereich fällt, in der 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 bedeuten:

1 +

2b =

B. <
b =

Bei beiden Ausführungsformen sind die Schwingungskomponenten der in senkrechter Richtung wirkenden Kraft und der seitlichen Federkonstanten wesentlich verringert, so daß dadurch ein stabiler Betrieb des Fahrzeugs möglich ist. Die zweite Ausführungsform ist vor allem dann vorteilhaft, wenn die Abmessungen der Triebspule aus irgendwelchen Gründen eingeschränkt sind.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung und deren theoretische Grundlagen an Hand der Figuren näher erläutert. Es zeigt

F i g. 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,

F i g. 2 eine Vorderansicht des Fahrzeugs und der Bahn,

F i g. 3 ein schematisches Diagramm, das dem unteren Teil der in der Fig.2 dargestellten Anordnung entspricht,

Fig.4 die Verteilung des magnetischen Flusses bei den in der F i g. 3 vorgesehenen Spulen,

F i g. 5 Kurven, die die Antriebskraft, die in senkrechter Richtung wirkende Kraft und die seitliche Federkraft jeweils als Funktion des Verhältnisses der Weiten der in der F i g. 3 dargestellten Trieb- und Feldspulen angeben,

F i g. 6 und 7 jeweils den wesentlichen Teil von anderen erfindungsgemäßen Linear-Synchronmotoren,

F i g. 8 die Anordnung der Spulen in dem bereits bekannten Schwebe- und Antriebssystem mit einem Linear-Synchronmotor,

Fig.9 die Verteilung des magnetischen Flusses bei der in der F i g. 8 dargestellten bekannten Spulenanordnung,

F i g. 10 die Lagebeziehung der Trieb- und Feldspulen bei dem bereits bekannten Linear-Synchronmotor (F ig. 8) und

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

In den F i g. 1 bis 3 ist ein Magnet-Schwebefahrzeug 1 dargestellt, das durch den erfindungsgemäßen Linear-Synchronmotor angetrieben wird. Das Fahrzeug 1 umfaßt einen Fahrgastraum 2 und ein Untergestell 3, das an der Unterseite des Fahrgastraumes 2 angebracht ist. Des Untergestell ist mit einer Längsauskehlung 3G entlang seiner Mittellinie und mit Feldspulenpaaren 4A 4ßund 5A 5ß versehen. Diese Feldspulen bestehen aus Supraleitern und erzeugen ein konstantes magnetisches Feld. Die Spulen 44 und AB sind in waagrechter Lage am unteren Teil des Untergestells 3 symmetrisch zur 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 Lage symmetrisch zur Mittellinie und angrenzend an die Seitenwände der Auskehlung 3G vorgesehen. Die Spulen 5A und 5ß, die in ihrer Anzahl den Spulen AA und 4ß entsprechen, sind in gleichen Abständen entlang der Länge des Fahrzeuges vorgesehen.

Gegenüber dem so ausgebildeten Fahrzeug ist eine Bahn EP mit einem Vorsprung oder einer Wand EC entlang der Mittellinie auf dem Boden vorgesehen, um das sich bewegende Fahrzeug zu leiten. Das Profil der Bahn entspricht dem Untergestell des Fahrzeuges, wobei jedoch dazwischen ein ausreichender Abstand

ίο liegt. Weiterhin ist die Bahn EPmit Tragspulen 8/4 und 8ß versehen. Eine Anzahl der aus diesen Spulen gebildeten Paare ist in waagrechter Richtung in gleichen Abständen unter und entlang der Reihe der Feldspulen AA und 4ß vorgesehen. Jede Tragspule besteht aus einem gewickelten und kurzgeschlossenen Leiter oder aus einer Leiterschicht. In der Mittelwand FC und im gleichen Abstand von den Feldspulen 5/4 und 5ß sind Leiispulen 6 vorgesehen, die zur Aufrechterhaltung der seitlichen Stabilität des Fahrzeuges dienen. Jede Leitspule besteht ebenfalls aus einer geschlossenen Wicklung oder einer leitenden Schicht. 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.

Bei der oben beschriebenen Spulenanordnung wirken die durch die am Fahrzeug angebrachten Feldspulen 4A 4ß und 5A 5ß erzeugten und mit dem Fahrzeug bewegten magnetischen Felder auf die Tragspulen 8A 8ß 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 Wanderwelle eines magnetischen Flusses zu erzeugen, der auf das magnetische Feld der Feldspulen 5A 5ß 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 Tnebspulen erregenden Dreiphasenwechselstromes die Fahrtgeschwindigkeit des Fahrzeuges gesteuert werden.

Die Breite 2b der Triebspule 7 ist größer als der Abstand zwischen sich gegenüberliegenden Feldspulen

45. 5/4 und 5ß. Aus der F i g. 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 5Λ und 5ß gebildet wird, geht hervor, daß die waagrechte Flußdichte Bx auf den Seiten Ta der Triebspule 7 kleiner ist als in den entsprechenden Lagen der in der Fig.9 dargestellten Triebspule 7. Weiterhin soll daraul hingewiesen werden, daß der seitliche Gradient der senkrechten Flußdichte By in den gleichen Lagen be: der Anordnung der F i g. 4 kleiner und entgegengesetzi zum entsprechenden Gradienten bei der Anordnung dei Fig.9 ist. Deshalb ist bei der in den Fig.3 und >■ dargestellten Anordnung die senkrechte Anziehung un< Abstoßung, die durch das Produkt aus dem durch di< Triebspule 7 fließenden Strom und der magnetische] Flußdichte Bx im Teil la der Triebspule 7 bestimmt isl im Vergleich zu den entsprechenden Kräfte bei de bereits diskutierten Spulenanordnung (Fig.8 und 9 verringert Weiterhin ist die seitliche Federkonstante die das Produkt aus dem durch die Triebspule ' fließenden Strom und der magnetischen Flußdichte B im Teil 7a ist zu einer sehr kleinen instabile

ti

23 15 Ό60

Konstanten oder sogar zu einer stabilen Federkonsta.nte:n gemacht.

Die oben aufgezeichneten Wechselwirkungen zwischen den Spulen werden nachfolgend mit Hilfe eimer mathematischen Nähemingsrechnung untersucht. Die wuagrechten und senkrechten Komponenten Bx und By der von der imaginären Feldspule 5 bewirkten magnetischen Flußdichte in der Triebspulenebene können durch die folgenden Gleichungen ausgedrückt werden:

Bv = -Φ

\ β S \

\ (x - α)² + g² (χ + af + Γ J "

(χ-αγ'+g¹

/i_c, — magnetische Permeabilität der Luft,

a = eine Hälfte der Breite de:r imaginären Feldspule 5,

j; — mittlerer Abstand zwischen der Triebspule 7 und der imaginäiren Feldspule 5 während der normalen Fahrt des Fahrzeugs,

χ = seitlicher Absland von der Mittellinie der imaginären Feldspule 5 und

/_; = magnetomotorische Kraft der imaginären Feldspule.

Die Länge der Feldspulen 5/4,5 B oder der imaginären Feldspule 5 kann als unendlich oder wesentlich größer als die Breite 2a der imaginären Spule 5 angenommen werden.

Weiterhin soll mit 2b die Breite der Triebspule 7 bezeichnet weiden. Mit csoll die Länge derselben Spule entlang der Länge der Bahn bezeichnet werden. Mit I₁ 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 wirken, und der maximale Wert der seitlichen Federkonstante (K) können dann jeweils durch die folgenden Gleichungen ausgedrückt werden:

= 2 IBx-/. dz = ^L-klL

(b-a)² + g²

K = ^-ZlBy-Vd.=

IrLC

g² -[b-af b -af + g²]²

g² - (b + uf Ub + a)² + g²]-

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 Triebspule 7 zur Feldspule 5 in bezug auf die Antriebskraft F, die senkrechte Kraft Tund die seitliche !Federkonstante K, die durch die Gleichungen (3) bis (5) bestimmt sind, sind in der F i g. 5 dargestellt, aus der drei wichtige Eigenschaften entnommen werden können:

(1) Die Antriebskraft Fnimmt 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 Bereich 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 vom Standpunkt der Antriebskraft F aus betrachtet, vorzugsweise eins betragen müßte, diesem Verhältnis eins auch ein mehr als doppelt so großer Spitzenwert der senkrechten Kraft als die Antriebskraft mit einem maximalen Weri 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 seitlicher Federkonstanten erforderlich. Bei der Auslegung de: Systems ist so die Antriebskraft etwas verringert, um die senkrechte Kraft und die seitliche Federkonstante untei vernünftigen Pegeln zu halten. Es ist selbstverständlich daß die Verringerung der Antriebskraft wenigei schwierig durchgeführt werden kann, indem da;

609 521/25

' a-

Verhältnis b/a in einem Bereich größer als eins ausgewählt wird, wie wenn ein Verhältnis kleiner als eins gewählt wird, da im ersten Bereich des Veriiäitnisses der Gradient der Abnahme geringer ist.

Was nun die seitliche Federkonstante anbelangt, so ist festzustellen, daß eine stabile Federkonstante erhalten werden kann, indem die Veränderlichen in der Gleichung (1) so gewählt werden, daß sich die Konstante K ein negativer Wert ergibt Da der mittlere Spulenaibstand gern Bruchteil der Breite a der Feldspule 5 beträgt, kann ein Wert g² gegenüber einem Wert a² vernachlässigt werden, d.h. ä^z>g². Deshalb kann die Bedingung, daß die seitliche Federkonstante eine stabile Konstante ist, aus der Gleichung (5) erhalten und wie folgt ausgedrückt werden:

b ^ α + g ,

(6)

Wie jedoch bereits oben erwähnt wurde, nimmt die Antriebskraft F 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 magnetoimotorischen 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=\ entspricht. Diese Bedingung wird durch die folgenden Gleichungen festgelegt; insbesondere ergibt sich aus der Gleichung (3):

α + g - \'2ag 5; b ^ α + g + \ 2og . (7)

Weiterhin ergibt sich aus den Gleichungen (6) und (7):

α + g^b^a + g+ flag . (8)
Daraus ergibt sich:

1 +

a - a

(9)

In dem durch die obige Bedingung festgelegten Bereich (F i g. 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 Federkonitante, 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 obengenannten 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 des Fahrzeugs 0,2 m betragen.

	0,4 - '	I +	0,2	•0,2
			0,4	0,4
h	- S 2,5 .
0,4

Aus der Gleichung (9) folgt dann:

0,4

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

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 die Hälfte von ihrem Spitzenwert verringert werden muß. Aus der Gleichung (5), in der a²> g¹ ist, ergibt sich:

b ^ a +

(10)

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

■ (ID

In den F i g. 6 und 7 sind weitere Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Linearmotors dargestellt, bei denen die Spulenanordnungen von den an Hand der F i g. 3 bis 5 erläuterten Spulenanordnungen abweichen.

In der F i g. 6 ist ein Paar von Feldspulen 9A 9B aus einem Supraleiter in senkrechter Richtung in beiden Flanken des Untergestells des Fahrzeugs 1 vorgesehen. Ein komplementäres Paar von Leit- und Tragspulen 10.4, lOß 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 Fahrzeuguntergestells 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 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 ^ zwischen den Spulen 11 und 12 entsprechend der durch die Gleichungen (9) oder (11) festgelegten Bedingungen eingestellt werden. ^

Bei der in der Fi g. 6 dargestellten Spulenanordnung sind drei Feldspulen 9A 9B und 11 im Fahrzeug im £ dargestellten Schnitt und drei weitere Spulen, rämlicfe Leit- und Tragspulen 1OA 105 und eine Triebspulei?^; auf der Bodenseite vorgesehen, so daß bei deriiy dargestellten Schnitt die Gesamtzahl der Spulen sechs? beträgt Bei dem ersten Ausführungsbeispiel der Fig#? hat ein Schnitt vier Fahrzeugspulen und vier Bodensjjp len, so daß die Gesamtzahl acht beträgt Deshalb bietejK die in der Fig.6 dargestellte Spulenanordnung:»? Vergleich zu der in der F i g. 3 dargestellten Anordnung! einen wirtschaftlicheren Linear-Synchronmotor.

Bei dem in der F i g. 7 dargestellten Ausfüiirungsbeispiel sind ein Paar von Triebspulen 14Λ, 14S in senkrechter Richtung auf der Bodenseite E gegenüber den jeweiligen Flanken des Untergestells des Fahrzeugs 1 und ein komplementäres Paar von Feldspulen 13Λ, 13ß im Fahrzeuguntergestell gegenüber den jeweiligen Triebspulen angeordnet. Weiterhin sind einer bodenfesten Leitspule 6 und Tragspulen SA, 8B gegenüber zusätzliche fahrzeugseitige Paare von Feldspulen 5/4,5 B und 4A, 4ß 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 F i g. 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 13Λ, 13ß und der Triebspulen 14/4, 14ßbei dem in der Fig.7 dargestellten Ausführungsbeispiel dem in der F i g. 6 dargestellter Ausführungsbeispiel entspricht. Die durch die Gleichun gen (9) oder (11) ausgedrückten Bedingungen müsser auch in diesem Fall beachtet werden.

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

1 +

2b =

^a <
b =

Hierzu 5 Blatt Zeichnuneen

Claims

23 i5 Patentansprüche:

1. Linear-Synchronmotor für ein elektromagnetisch geführtes Schwebefahrzeug, welches Feldspulen im Fahrzeug zur Erzeugung eines konstanten magnetischen Feldes aufweist, denen in der Fahrstiecke sowohl kurzgeschlossene Trag- und Leitspulen für die magnetische Schwebeführung als auch wechselstromgespeiste Triebspulen zur Erzeugung eines mit den Feldspulen zusammenwirkenden Wanderfeldes zugeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Eireite der Triebspulen (7; 12; 14A, 14B) zur Breite: der Feldspulen (11; 13Λ 135,1 bzw. zum Abstand der den Triebspuleri (7) zugeordneten Seiten der Feldspulen (5A 5 B) in der Weise größer als 1 gewählt ist, daß es in den durch die folgende Ungleichung ausgedrückten Bereich fällt, in der 2a die Breite der Feldspulen. 2b die Breite der Triebspuien und g dei! mittleren Abstand zwischen der Bahn der Feldspulen und den Triebspulen bei einem normalen Betrieb des Fahrzeugs (1) bedeuten:

-J- < Λ
2a α

2. Linear-Synchronmotor für ein elektromagnetisch geführtes Schwebefahrzeug, welches Feldspulen im Fahrzeug zur Erzeugung eines konstanten magnetischen Feldes aufweist, denen in der Fahrstrecke sowohl kurzgeschlossene Trag- und Leitspulen für die magnetische Schwebeführung als auch wechselstromgespeiste Triebspulen zur Erzeugung eines mit den Feldspulen zusammenwirkenden Wanderfeldes zugeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Breite der Feldspulen bzw. des Abstandes der den Triebspulen zugeordneten Seiten der Feldspulen zur Breiie Her Triebspulen in der Weise größer als 1 gewählt ist, daß es in den durch die folgende Ungleichung ausgedrückten Bereich fällt, in der 2a die Breite der Feldspulen, 26 die Breite der Triebspulen und ^ den mittleren Abstand zwischen der Bahn der FelCdSpule und der Triebspule bei einem normalen Betrieb des Fahrzeugs (1) bedeuten:

1 +

2b

— < 1 + —

■27

3. Linear-Synchronmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Breite der Triebspulen zur Breite der Feldspulen in der Weise noch weiter eingeschränkt ist, daß

I₊^ia a

55

60

Die Erfindung bezieht sich auf einen Linear-Syn-"onmotor für ein elektromagnetisch geführtes Schwe-Fahrzeug, welches Feldspulen im Fahrzeug zur zeugung eines konstanten magnetischen Feldes [weist, denen in der Fahrstrecke sowohl kurzgellossene Trag- und Leitspulen für die magnetische hwebeführung als auch wechselstromgespeiste Triebspulen zur Erzeugung eines mit den Feldspulen zusammenwirkenden Wanderfeldes zugeordnet sind.

Bei herkömmlichen Fahrzeugen, deren Räder durch einen Motor angetrieben werden, wird die Fortbewegung des Fahrzeugs durch die Reibungskraft zwischen den Rädern und den Schienen oder dem Boden bewirkt. Die Reibungskraft wirkt sich jedoch bei Fahrzeugen nicht voll aus, die mit einer Geschwindigkeit von 300 km/h oder mehr fahren. Um dieses Problem zu lösen, wurden verschiedene Fahrzeugsysteme entwikkelt, bei denen ein Fahrzeug schwebt oder über 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 nämlich 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 einerseits Magnetspulen am Fahrzeug angebracht, um ein magnetisches 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 einen praktischen Betrieb nicht ausreichend. Es müssen nämlich bestimmte Leiteinrichtungen entlang der Bahn vorgesehen sein, um das Fahrzeug in seiner Richtung oder auf seinem Kurs zu halten. Bei einem für diesen Zweck bereits bekannten System (»Cryogenics and Industrial Gases«, Oktober 1969, S. 19 bis 24) sind eine weitere Folge von Magnetspulen am Fahrzeug und eine Anordnung der kurzgeschlossenen Spulen im oder am Boden vorgesehen, um eine in seitlicher Richtung wirkende elektromagnetische Kraft zu erzeugen, die das sich bewegende Fahrzeug auf seinem Kurs hält. Das dem Betrieb einer derartigen Leiteinrichtung zugrunde liegende Prinzip gleicht im wesentlichen der oben erläuterten magnetischen Abhebung. Es ist auch nicht mehr neu (vgl. die oben angegebene Literaturstelle), die Magnetspulen, die entweder zur Leitung des Fahrzeuges dienen, auch für die Feldspulen des Antriebs-Linearmotors 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.

Die Spulenanordnung dieses bereits bekannten Systems mit einem Linear-Synchronmotor wird zunächst an Hand der F i g. 8 näher erläutert. Zwei Paare Feldspulen 16Λ, 165 und 17Λ, 175 sind im Unterteil eines Fahrzeugs 15 vorgesehen. Die Spulen 16Λ und 165 liegen in seitlichen Teilen des Fahrzeuges 15 gegenüber zum Boden. Die Spulen 17Λ und 175 sind in der Nähe der Mitte des Fahrzeuges angebracht, wobei ihre Ebenen senkrecht zur Ebene der Spulen 16Λ und 165 sind. Auf der Seite des Bodens liegen Schwebe-