DE2355697A1

DE2355697A1 - Magnetsystem zur beruehrungsfreien fuehrung eines bewegten fahrzeugs

Info

Publication number: DE2355697A1
Application number: DE19732355697
Authority: DE
Inventors: Juergen Dipl Phys Miericke; Laxmikant Dr Rer Nat Urankar
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1973-11-07
Filing date: 1973-11-07
Publication date: 1975-05-15
Also published as: FR2249793A1; FR2249793B1; US3927735A; JPS5079013A

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Erlangen, den 6. 11. 1973 Berlin und München Werner-von-Siemens-Str. 50

VPA 73/7617 Slm/Hnl

Magnetsystem zur berührungsfreien Führung eines bewegten Fahrzeugs " ■

Die Erfindung bezieht sich auf ein Magnetsystem zur berührungsfreien Führung eines entlang einer Fahrbahn bewegten Fahrzeugs mit mehreren mit dem Fahrzeug verbundenen und in Fahrtrichtung hintereinander angeordneten Einzelmagneten.

Zur berührungsfreien, magnetischen Führung von Fahrzeugen, die insbesondere Geschwindigkeiten über 300 km/h erreichen sollen, sind zwei unterschiedliche Führungsprinzipien bekannt. Bei dem sogenannten "elektromagnetischen" Führungssystem werden die Anziehungskräfte ausgenutzt, die zwischen zu beiden Seiten des Fahrzeugs angeordneten Elektromagneten und ihnen zugeordneten ferromagnetischen Schienenteilen einer Fahrbahntrasse wirken. Die Erregung der Elektromagnete muß dabei regelbar sein, damit ihr Abstand zu den Schienenteilen annähernd konstant gehalten werden kann.

Demgegenüber werden bei"dem sogenannten "elektrodynamischen" Führungsprinzip abstoßende magnetische Kräfte ausgenutzt, die bei der" Bewegung von Magneten über elektrisch gut leitende, aber nichtmagnetische Platten aufgrund von Wirbelströmen hervorgerufen werden. Da die Feldstärke dieser im allgemeinen ungeregelten Elektromagnete sehr viel höher als die der Elektromagnete in einem elektromagnetischen Führungssystem sein muß, werden vorteilhaft supraleitende Magnete verwendet, zumal auch deren Gewicht vergleichsweise geringer als das entsprechender normalleitender Magnete ist.

Es sind verschiedene Ausführungsformen, von elektrodynamischen Schwebeführungsanordnungen bekannt (US-Patentschrift 3 470 828) Diese Anordnungen umfassen mehrere Fahrzeugschleifen, die. an

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beiden Seiten des Fahrzeugs jeweils in Fahrtrichtung hintereinander angeordnet sind und mit entsprechenden Schienenschleifen in Wechselwirkung treten. Die einzelnen Fahrzeugschleifen sind langgestreckt und etwa rechteckig ausgebildet, so daß die Stirnseiten zweier hintereinander liegender Fahrzeugschleifen nahe aneinandergebracht werden können. Als Fahrzeugschleifen dienen supraleitende Magnete mit rechteckigen oder an den Stirnseiten nur leicht abgerundeten,- in Fahrtrichtung langgestreckten Spulenkörpern (US-Patentschrift 3 717 103). Wie nämlich aus der Theorie des elektrodynamischen Schwebens über einer leitenden Platte hervorgeht, ist das Verhältnis von auftretender Hubkraft zu Bremskraft eines solchen Systems bei hohen Betriebsgeschwindigkeiten, beispielsweise bei 500 km/h, für langgestreckte Magnete besonders günstig. Kleine Magnete rufen dagegen einen starken Skineffekt hervor, d. h. bei diesen hohen Geschwindigkeiten werden von kleinen Magneten die in den leitenden Schienenplatten zur Ausbildung der Hubkräfte erforderlichen Ströme stark aus dem Platteninneren an die Plattenoberfläche gedrängt und somit größere Bremsverluste erzeugt.

Langgestreckte rechteckige Supraleitungsmagnete , beispielsweise von mehr als k Metern Länge., sind jedoch von der Wickeltechnik her schwierig zu fertigen. Darüber hinaus erfordern ihre großen Leiterlängen im allgemeinen mehrere Kontaktstellen in einer Wicklung, da die einzelnen Leiterlängen fertigungstechnisch begrenzt sind. Ein Übergang dieser Kontaktstellen in den normalleitenden Zustand kann jedoch nur mit verhältnismäßig großem Aufwand verhindert werden. Darüber hinaus treten bei Rechteckmagneten zwischen den Längsleitern große Spreizkräfte auf, die durch besondere zusätzliche Maßnahmen aufgefangen werden müssen. Bei tiefgekühlten, insbesondere supraleitenden Spulen befinden sich die dann erforderlichen Abstützungsvorrichtungen mit einem Ende auf Tieftemperatur, mit dem anderen Ende jedoch auf Raumtemperatur. Über solche Abstützungsvorrichtungen können größere Wärmemengen in das zur Kühlung erforderliche Medium einströmen und somit höhere

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Verdampfungsverluste an Kühlmedium, insbesondere bei Verwendung von Helium, bewirken.

Aufgrund der annähernd rechteckigen Form der tiefgekühlten Magnete sind auch die Gefäße für das Kühlmedium von kastenförmiger Gestalt. Ein gegebenenfalls erforderlicher Strahlungsschild sowie ein äußeres Vakuumgefäß müssen dann etwa die gleiche Form wie die Magnete haben. Solche kastenförmigen Kryostaten werden jedoch im allgemeinen aus einer Vielzahl von Einzelteilen zusammengesetzt. Sie weisen somit viele Schweißnähte auf und müssen ferner so dimensioniert sein, daß die vorhandenen Vakuumkräfte bzw. die in einem Störungsfall seitens der Magnete entstehenden Druckkräfte auf ihre Wände nicht zu einer Zerstörung führen können. Darüber hinaus sind viele Schweißnähte schwache Stellen, sowohl von der mechanischen Stabilität als auch von der Vakuumdichtigkeit her betrachtet.

Ferner stellen die bekannten langgestreckten Rechteckmagnete für einen sicheren Schwebebetrieb ein Risiko bei Störungen dar. Denn schon bei Ausfall eines Rechteckmagneten wird nämlich die Tragfähigkeit des Schwebesystems stark beeinträchtigt. Solche Magnete sind darüber hinaus schlecht auszuwechseln bzw. zu reparieren, und bei einer Beschädigung treten hohe Reparaturkosten auf.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, die vorbeschriebenen Schwierigkeiten zu beseitigen oder wenigstens zu vermindern. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe für ein Magnetsystem mit mehreren mit dem Fahrzeug verbundenen und im Fahrzeug hintereinander angeordneten Einzelmagneten dadurch gelöst, daß die.

jeweils ·

Einzelmagnete etwa kreisförmigen Querschnitt haben und mehrere hintereinander angeordnete Einzelmagnete mit gleicher Stromrichtung jeweils zu einer Magneteinheit zusammengefaßt sind, deren Magnetfeld annähernd dem eines einzigen langgestreckten Rechteckmagneten entspricht.

Die Vorteile dieser Ausbildung eines Magnetsystems bestehen

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einmal darin, daß kleine kreisförmige Einzelmagnete einfach zu wickeln sind. Zum anderen ist bei Verwendung von vielen kleinen, voneinander elektrisch unabhängigen Magneten selbst bei Ausfall von mehreren Magneten eine sichere Schwebeführung gewährleistet, da der Hubkraftverlust innerhalb des gesamten Magnetsystems dann verhältnismäßig klein ist. Ferner ist es auch einfacher und billiger, kleinere Einzelmagnete zu reparieren bzw. auszuwechseln als größere Reckteckmagnete .. Insbesondere bei einer Verwendung von Supraleitungsmagneten als Einzelmagnete können die inneren Spulenkräfte aufgrund des Eigenstroms vom Leitermaterial als Zugspannung aufgenommen werden und müssen nicht über besondere Abstützungsvorrichtungen übertragen werden. Hierdurch lassen sich auch die Wärmeeinleitungsverluste in das die Supraleitungsmagneten kühlende Kühlmedium verringern.

Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Einzelmagnete in etwa zylinderförmigen Kryostaten angeordnet sind, d. h. ihre erforderlichen Kühlmittelbehälter und Vakuumgehäuse können vorteilhaft zylinderförmig gestaltet sein. Sie besitzen damit eine größere Steifigkeit als Kastenprofile und können dünnwandiger als diese dimensioniert werden. Ihre Herstellung ist somit einfacher und damit billiger. Darüber hinaus weisen sie weniger Schweißnähte auf als Kastenprofile, und ihre Vakuumfestigkeit ist somit von vornherein leichter zu erreichen.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung und deren in den Unteransprüchen gekennzeichneten Weiterbildungen wird auf die Zeichnung Bezug genommen. In Figur 1 ist für ein elektrodynamisches Führungssystem die Abhängigkeit der spezifischen Bremsverluste von der Länge eines Rechteckmagneten in Bewegungsrichtung als Diagramm dargestellt. In Figur 2a sind schematisch die Stromrichtungen und -schleifen in hintereinander angeordneten rechteckigen Einzelmagneten veranschaulicht, während in Figur 2b der Gesamtstrom in der sich aus diesen Einzelmagneten ergebenden Magneteinheit dargestellt

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ist. Die Figuren 3a und b geben die den Figuren 2a und b entsprechenden Verhältnisse für Einzelmagnete mit jeweils kreisförmigem Querschnitt gemäß der Erfindung wieder. In Figur 4 ist schematisch ein horizontaler Querschnitt durch ein Fahrzeug mit mehreren Einzelmagneten gemäß der Erfindung dargestellt. '

Aus dem Diagramm der Figur 1 ist ersichtlich, daß die spezifischen Bremsverluste P/Ft, d. h. die Bremsverluste :P pro Hubkraft F^, mit zunehmender Länge 1 des Hubmagneten in Bewegungsrichtung bei gleichbleibender Geschwindigkeit ν abnehmen. Die Bremsverluste P stellen dabei das Produkt aus Bremskraft und Fahrzeuggeschwindigkeit dar. Es ergibt sich, daß zu einer Begrenzung bzw. Verringerung der Bremsverluste möglichst langgestreckte Hubmagnete erforderlich sind. Solche Hubmagnete können beispielsweise rechteckig gestaltet und in bekannter Weise aus mehreren Einzelmagneten zusammengesetzt sein.

In Figur 2a sind von sechs solcher Einzelmagnete, die in Bewegungsrichtung hintereinander angeordnet und mit 2 bis 7 bezeichnet sind, die Stromschleifen ihrer Spulen sowie die Stromrichtungen durch Pfeile dargestellt. Die Einzelmagnete 2 bis 7 sind alle gleichsinnig erregt. An den einander zugewandten Stirnseiten jeweils zwei aufeinanderfolgender Einzelmagnete heben sich die von den Strömen erzeugten Magnetfelder infolge der gegensinnig fließenden Ströme annähernd auf, so daß nur die die Einzelmagnete 2 bis 7 umhüllende Stromschleife zur Erzeugung eines Magnetfeldes beiträgt. Gemäß Figur 2b kann dieses durch je einen Doppelpfeil F_H pro Stromschleife angedeutete Magnetfeld auch von einer einzigen über die Fläche der Einzelmagnete 2 bis 7 sich erstreckenden Magneteinheit .8 hervorgerufen werden.

In der Anordnung nach Figur 3a sind sechs Einzelmagnete 12 bis 17 mit vorzugsweise etwa kreisförmiger Querschnittsfläche dargestellt. Diese Einzelmagnete 12 bis 17 sind ebenfalls gleichsinnig erregt und stellen gemäß Figur 3b eine

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langgestreckte Magneteinheit 1_8 dar. Diese Magneteinheit 1_8 entspricht im wesentlichen der Magneteinheit 8 nach Figur 2b. Das von ihr erzeugte und in der Figur durch Doppelpfeile F angedeutete Magnetfeld entspricht somit annähernd dem Magnetfeld F_H der in Figur 2b dargestellten Magneteinheit 8.

In Figur 4 ist ein Fahrzeug 20 dargestellt, das nach dem elektrodynamischen Führungsprinzip schwebend über einer Fahrbahntrasse mit Schienen oder Leiterplatten 21 und 22 geführt wird. Zur Erzeugung der erforderlichen Hubkraft sind an den Fahrzeuglängsseiten jeweils vier Magneteinheiten 25_ bis 28 bzw. 3.0 k^is 51 angeordnet, die starr mit dem Fahrzeug verbunden sind. Jede Magneteinheit besteht beispielsweise aus sieben in Fahrtrichtung hintereinander angeordneten Einzelmagneten 35 bis 41, von denen in der Figur nur die der Magneteinheit £5 zugeordneten Einzelmagnete näher bezeichnet sind. Diese Einzelmagnete 35 bis 41 sind gleichsinnig erregt, etwa gleich groß und haben vorzugsweise kreisförmige Querschnitte. Je sieben Einzelmagnete bilden eine beispielsweise etwa 2 m lange Magneteinheit. Die zu beiden Seiten des Fahrzeugs 20 angeordneten Magneteinheiten £5 bis 28_ bzw. 30> bis 33 werden abwechselnd von Strömen mit entgegengesetzter Stromrichtung durchflossen. Die Stromrichtungen sind an den Einzelmagneten der Magneteinheiten durch kleine Pfeile angedeutet. Durch eine so hervorgerufene alternierende Polarität der Magneteinheiten 25. bis 26 bzw. 30 bis 33 erhält man zwischen jeweils zwei hintereinander angeordneten Magneteinheiten einen großen Magnetfeldgradienten, der entsprechend große Hubkräfte bewirkt.

Das im Ausführungsbeispiel gewählte Magnetsystem kann nicht nur zur Erzeugung von Hubkräften in den bekannten elektrodynamischen Führungssystemen verwendet werden. Ebenso lassen sich auch seitenstabilisierende Führungskräfte durch entsprechende Anordnungen solcher Magnetsysteme an den Fahrzeugen hervorrufen. Darüber hinaus kann die Schwebe- und Seitenführung eines Fahrzeugs aber auch nach dem elektromagneti-

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sehen Führungsprinzip mittels entsprechender Magnetsysteme mit Einzelmagneten erfolgen, die steuerbar oder teilweise auch permanentmagnetisch sind und kreisförmige Querschnitte aufweisen.

4 Patentansprüche 4 Figuren

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Claims

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Patentansprüche
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' 1) !Magnetsystem zur berührungsfreien Führung eines entlang emier Fahrbahn bewegten Fahrzeugs mit mehreren mit dem Fahrzeug verbundenen und in Fahrtrichtung hintereinander angeordneten Einzelmagneten, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelmagnete (35 bis 41) jeweils etwa kreisförmigen Querschnitt haben und mehrere hintereinander angeordnete Einzelmagnete mit gleicher Stromrichtung jeweils zu einer Magneteinheit (25 bis 28, 30 bis 33.) zusammengefaßt sind, deren Magnetfeld annähernd dem eines einzigen langgestreckten Rechteckmagneten entspricht (Figur 4).
2) Magnetsystem nach Anspruch 1 nach dem elektrodynamischen Führungsprinzip, dadurch gekennzeichnet, daß die Polarität jeweils zwei benachbarter, in Fahrtrichtung hintereinander angeordneter Magneteinheiten (25. bis 2£3 bzw. 30 bis 33.) abwechselnd verschieden ist (Figur 4).
3) Magnetsystem nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelmagnete (35 bis 41) Supraleitungsmagnete sind.
4) Magnetsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelmagnete (35 bis 41) in etwa zylinderförmigen Kryostaten angeordnet sind und von Helium gekühlt sind.

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