DE2357325C3

DE2357325C3 - Magnetic system for levitating a moving vehicle

Info

Publication number: DE2357325C3
Application number: DE19732357325
Authority: DE
Inventors: Laxmikant Dr.Rer.Nat. 8520 Erlangen Urankar
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Filing date: 1973-11-16
Publication date: 1976-07-29

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Magnetsystem zur spurgebundenen, elektrodynamischen Schwebeführung eines bewegten Fahrzeugs mit in Fahrtrichtung parallelen Reihen von fahrzeugfesten Paaren horizontal und übereinanderliegender Magnetspulen, die je ein NuII-flußsystem bilden und zwischen denen eine Reihe ortsfester Hubschleifen angeordnet ist.The invention relates to a magnet system for track-bound, electrodynamic levitation guidance of a moving vehicle with parallel rows of vehicle-fixed pairs in the direction of travel, horizontal and superimposed magnet coils, each with a zero flux system form and between which a number of stationary lifting loops is arranged.

Magnetschleifen für eine elektrodynamische Schwebeführung eines bewegten Fahrzeugs, die vorzugsweise als supraleitende Spulen ausgelegt sind, können beispielsweise am Fahrzeug befestigt sein und in einer Schleife aus nichtmagnetischem Material Wirbelströme erzeugen, deren magnetische Abstoßungskraft als Hubkraft für das Fahrzeug dient. Ferner sind im Feld der Magnetschleifen im allgemeinen noch weitere Schleifen aus nichtmagnetischem Material angeordnet, in denen das Feld der Magnetschleifen ebenfalls Reaktionskräfte erzeugt, die zur horizontalen Stabilisierung des Fahrzeugs über der Fahrbahn oder auch an einer Aufhängevorrichtung dienen. Diese Schleifen aus nichtmagnetischem Material vorzugsweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, werden deshalb auch als Hubschleifen bzw. Stabilisierungsschleifen bezeichnet. Magnetic loops for electrodynamic levitation of a moving vehicle, which are preferably designed as superconducting coils, can, for example be attached to the vehicle and eddy currents in a loop made of non-magnetic material generate whose magnetic repulsive force serves as a lifting force for the vehicle. Furthermore, in the field of Magnetic loops are generally arranged further loops of non-magnetic material, in which the field of the magnetic loops also generates reaction forces that stabilize the horizontal Serve vehicle above the road or on a suspension device. These loops made of non-magnetic Material preferably made of aluminum or an aluminum alloy, are therefore also referred to as lifting loops or stabilizing loops.

Eine magnetische Schwebeführung eines Fahrzeugs, das als Träger für Magneten mit großen Strömen dient, die im Zusammenwirken mit elektrisch leitenden Teilen der Fahrbahn Hubkräfte erzeugen, ist aus der US-Patentschrift 10 20 943 bekannt. Die Hubkräfte wirken der Schwerkraft des Fahrzeugs entgegen und halten so das Fahrzeug während seiner Bewegung in einem Schwebezustand über der Fahrbahn. Verschiedene Ausführungsformen einer solchen elektrodynamischen Schwebeführung, bei der magnetische Abstoßungskräfte ausgenutzt werden, sind aus der US-Patentschrift 34 70828 bekannt Mehrere Magnetsysteme können jeweils am Fahrzeug in Fahrtrichtung hintereinander angeordnet sein. Jedes System enthält am Fahrzeug befe- ⁶S stigte supraleitende Fahrzeugschleifen und gegensinnig gewickelte, an der Fahrbahn befestigte normalleitende Schienenschleifen. In den Schienenschleifen, die jeweils in Fahrtrichtung parallel nebeneinander und parallel zu den Fahrzeugschleifen angeordnet sind, werden durch das Feld der Fahrzeugschleifen Reaktionskräftc hervorgerufen, die das Fahrzeug in einer stabilen Lage in einer horizontalen Ebene haltea Sobald sich nämlich das Fahrzeug und damit seine Fahrzeugschleifen in vertikaler Richtung aus ihrer Mittellage entfernen, werden die dort angeordneten Schienenschleifen von einem größeren Fluß durchsetzt, der eine Rückstellkraft in Richtung der sogenannten Nullage erzeugL In dieser Gleichgewichtslage werden praktisch keine Ströme erzeugt. Diese Ausführungsform einer elektrodynamischen Schwebeführung wird deshalb auch als Nullflußsystem bezeichnetA magnetic levitation guide of a vehicle, which serves as a carrier for magnets with large currents, which generate lifting forces in cooperation with electrically conductive parts of the roadway, is known from US Pat. No. 1,020,943. The lifting forces counteract the force of gravity of the vehicle and thus keep the vehicle floating over the road during its movement. Various embodiments of such an electrodynamic levitation guide, in which magnetic repulsive forces are used, are known from US Pat. No. 34,70828. Several magnet systems can each be arranged one behind the other on the vehicle in the direction of travel. Each system includes the vehicle befe- ⁶ S stigte vehicle superconducting loops and wound in opposite directions, fixed to the road surface normal conducting rail grinding. In the rail loops, which are arranged parallel to each other in the direction of travel and parallel to the vehicle loops, reaction forces are generated by the field of the vehicle loops, which keep the vehicle in a stable position in a horizontal plane Remove direction from their central position, the rail loops arranged there are traversed by a larger flow, which generates a restoring force in the direction of the so-called zero position. In this equilibrium position, practically no currents are generated. This embodiment of an electrodynamic levitation control is therefore also referred to as a zero flow system

Aus der Zeitschrift »Cryogenics and Industrial Gases«, Oktober 1969. S. 19 bis 24, ist eine Ausführungsform einer elektrodynamischen Schwebeführung der eingangs bezeichneten Art bekannt, bei der jeweils ein Nullflußsystem an beiden Seiten des Fahrzeugs und ein weiteres in der Mitte unter dem Fahrzeug angeordnet sind. Die seitlich angeordneten Nullflußsysteme dienen zur Schwebeführung, das unter dem Fahrzeug angeordnete System zur seitlichen Führung des Fahrzeugs.From the magazine "Cryogenics and Industrial Gases", October 1969. pp. 19 to 24, is an embodiment of an electrodynamic levitation guide of the At the outset known type, in each of which a zero flow system on both sides of the vehicle and a another are arranged in the middle under the vehicle. The laterally arranged zero flow systems are used for levitation guidance, the system located under the vehicle for lateral guidance of the vehicle.

Bei jedem dieser Schwebeführungssysteme werden ?m Fahrzeug befestigte, paarweise senkrecht übereinander angeordnete, gegensinnig zueinander erregte Supraleitungsmagnetspulen in einer mit der Fahrbahn verbundenen, horizontal angeordneten, elektrisch leitend« η Schiene aus einer Vielzahl von in Fahrtrichtung hintereinander angeordneten Leiterschleifen derart entlanggeführt, daß die Schiene jeweils zwischen zwei senkrecht übereinander angeordneten Magnetspulen liegt Die Schiene ist dünn gegenüber der Eindringtiefe des Magnetfeldes in das Schienenmaterial. Es werden deshalb nur dann Verluste und somit Bremskräfte erzeugt, wenn die Schiene nicht genau in der Mitte zwischen den Spulen der jeweiligen Spulenpaare liegt. Die Bremskraft ist in erster Näherung proportional zur zweiten Potenz der Auslenkung aus der Nullage, während die erzeugte Hubkraft in erster Näherung der Auslenkung unmittelbar proportional ist. Auf Grund dieser Kräfteüberlagerung läßt sich eine stabile Schwebeführung des Fahrzeugs erreichen.In each of these suspension guidance systems,? Are attached to the vehicle, in pairs, vertically one above the other arranged superconducting magnet coils excited in opposite directions in a horizontally arranged, electrically conductive, connected to the roadway « η rail made up of a large number of conductor loops arranged one behind the other in the direction of travel guided along that the rail between two magnet coils arranged vertically one above the other The rail is thin compared to the penetration depth of the magnetic field in the rail material. It will therefore only losses and thus braking forces are generated if the rail is not exactly in the middle between the coils of the respective coil pairs. The braking force is proportional to the first approximation second power of the deflection from the zero position, while the lifting force generated is a first approximation of the Deflection is directly proportional. Due to this superposition of forces, a stable floating guidance can be achieved of the vehicle.

Bei diesem Nullflußsystem befinden sich jedoch die Hubschleifen nicht genau in der Mittelebene zwischen den etwa gleichstark erregten Magnetspulen oberhalb und unterhalb dieser Hubschlei^fen, weil das Eigengewicht des Fahrzeugs einschließlich der mit ihm verbundenen Magnetspulen eine zusätzliche Kraft darstellt, die eine vertikale Annäherung der oberen Magnetspulen an die Hubschleifen bewirkt. Somit sind innerhalb dieser Nullflußsysteme die Abstände der Hubschleifen zu ihren Magnetspulen entsprechend verschieden groß, d. h, die Sicherheitstoleranzen bezüglich vertikaler Bewegungen des Fahrzeugs sind nach,unten geringer als nach oben.In this Nullflußsystem, however, the Hubschleifen are not exactly in the center plane between the equally strong excited magnetic coils above and below this Hubschlei ^f s, because the weight of the vehicle including the connected thereto solenoid is an additional force that a vertical approach of the upper solenoid causes the lifting loops. Thus, within these zero flux systems, the distances between the lifting loops and their magnetic coils are correspondingly different, i.e. That is, the safety tolerances with regard to vertical movements of the vehicle are lower downwards than upwards.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, für ein nach dem Nullflußprinzip elektrodynamisch schwebendes Fahrzeug die Magnetsysteme der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß eine annähernd symmetrische Lage der Magnetspulenpaare bezüglich ihrer zugeordneten Hubschleifen erreicht wird.The object of the invention is therefore, for a floating electrodynamically according to the zero flux principle Vehicle to improve the magnet systems of the type mentioned so that an approximately symmetrical Position of the magnet coil pairs is achieved with respect to their associated lifting loops.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß mindestens in einigen der Viagnetspulenpaare das von der oberen Magnetspule erzeugte Magnetfeld stärker ist als das von der unteren Magnetspule hervorgerufene Magnetfeld, so daß die Abstände zwischen den Hubschleifen und diesen Magnetspulen wenigstens an-According to the invention, this object is achieved in that at least in some of the Viagnet coil pairs The magnetic field generated by the upper solenoid is stronger than that generated by the lower solenoid Magnetic field, so that the distances between the lifting loops and these magnetic coils are at least

nähernd gleich groß sindare approximately the same size

Diese Gestaltung eines elektrodynamischen Magnetsystems hat den Vorteil daß auf Grund der asymmetrischen Ausbildung des auf die Hubschleifen einwirkenden Magnetfeldes der beiden Magnetspulen ein wenigstens annähernd gleicher Abstand zwischen den beiden Magnetspulen und der Schienenplatte gehalten werden kann. Die maximal zulässige Auslenkung aus der mittleren Schwebehöhe dieses Systems, die nämlich immer durch den kleinsten Abstand zwischen den Magnetspulen und der Schiene gegeben ist. läßt sich somit effektiv vergrößern.This design of an electrodynamic magnet system has the advantage that due to the asymmetrical Training of the acting on the lifting loops Magnetic field of the two magnet coils an at least approximately the same distance between the two Solenoid coils and the rail plate can be held. The maximum permissible deflection from the middle This system floats, namely always due to the smallest distance between the magnet coils and the rail is given. can thus be effectively enlarge.

Nach einer Weiterbildung des Magnetsystems gemäP der Erfindung kann vorteühaf; eine Regelung der Magnetfelder einander zugeordneter Magnetspulen in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des Fahrzeugs vorgesehen stin. Für dieses Nullflußsystem läßt sich damit eine Anpassung an die Kurve der geschwindigkeitsabhängigen spezifischen Bremsverluste, die als Produkt aus Fahlzeuggeschwindigkeit und Bremskraft pro Hub kraft definiert sind, erreichen.According to a further development of the magnet system according to P the invention can proceed; a regulation of the magnetic fields of mutually associated magnetic coils in Stin provided depending on the speed of the vehicle. For this zero flow system it can be an adaptation to the curve of the speed-dependent specific braking losses, which is the product from vehicle speed and braking force per lifting force are defined, achieve.

Die Erzeugung eines asymmetrischen Magnetfeldes bezüglich der Mittelebene zwischen den Magnetspulen der Magnetspulenpaare bietet natürlich keinerlei Schwierigkeiten. So können beispielsweise die Magnetspulen von gleicher Baugröße sein und die obere Magnetspule stärker erregt sein als die ihr zugeordnete untere Magnetspule. Es genügt dann, den Erregerstrom in der oberen Magnetspule so weit zu erhöhen, daß sich die Nullflußzone in vertikaler Richtung gerade um den Betrag verschiebt, der sich auf Grund des Eigengewichtes des Fahrzeugs als Auslenkung ergeben würde, wenn beide Magnetspulen gleichstark erregt werden.The generation of an asymmetrical magnetic field with respect to the center plane between the magnet coils of course, the pair of solenoids does not present any difficulties. For example, the solenoids be of the same size and the upper solenoid be more excited than the lower magnet coil assigned to it. It is then sufficient to apply the excitation current to increase in the upper solenoid so far that the zero flow zone shifts in the vertical direction just by the amount that is due to its own weight of the vehicle would result as a deflection if both magnet coils are excited to the same degree.

Natürlich kann auch die oberhalb der Hubschleifen angeordnete Magnetspule eine größere Anzahl von Windungen als die ihr zugeordnete untere Magnetspule haben. Dann ist es möglich, daß ihre Betriebsströme wenigstens annähernd gleich sind. Insbesondere bei Verwendung von supraleitenden Materialien für die Wicklungen dieser Spulen können dann gleiche Toleranzen der maximalen Strombelastbarkeit dieser Leiter erreicht werden.Of course, the magnetic coil arranged above the lifting loops can also have a larger number of Have turns than the lower magnet coil assigned to it. Then it is possible that their operating currents are at least approximately the same. Especially when using superconducting materials for the Windings of these coils can then have the same tolerances for the maximum current carrying capacity of these conductors can be achieved.

Zur zeichnerischen Erläuterung der Erfindung wird auf die F 1 g. 1 und 2 Bezug genommen. InTo illustrate the invention graphically, reference is made to F 1 g. 1 and 2 are referred to. In

F i g. I ist der bekannte Magnetfeldverlauf in einem Nullflußsystem bei gleicher Erregung der beiden Magnetspulen schematisch veranschaulicht, während inF i g. I is the known course of the magnetic field in a zero flux system with the same excitation of the two magnetic coils schematically illustrated, while in

F i g. 2 der entsprechende Magnetfeldlinienverlauf in einem Magnetsystem gemäß der Erfindung wiedergegeben istF i g. 2 shows the corresponding course of the magnetic field lines in a magnet system according to the invention is

Das bekannte Nullflußsystem einer elektrodynamischen Schwebeanordnung erhält man nach F i g. 1 durch das Zusammenwirken zweier an einem Fahrzeug F befestigter Magnetspulen Mi und Mi. Diese beiden Magnetspulen, die in gleicher Weise aufgebaut und parallel zueinander angeordnet sind, werden von gleichgroßen, aber entgegengesetzten Strömen /1 und /2 durchflossen und erzeugen so zwei gegeneinander gerichtete Magnetfelder Hi und H., deren Feldlinien in der Figur durch Linien mit Pfeilen veranschaulicht sind. Die Mittelebene zwischen den Magnetspulen Mi und Mi stell! eine sogenannte Nullflußzone N dar und ist strichpunktiert angedeutet. Im gemeinsamen Magnetfeld Wi, Hi der Magnetspulen Mi und M2 ist eine Hub schleife Saus nichtmagnetischem Material angeordnet, die in dem System die Form einer Platte oder einer Schiene haben kann. Wenn sich diese vorzugsweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehende Hubschleife Sin der Nuilflußzone Nbewegt, sind die in ihr induzierten Ströme und damit die Rieht- und Bremskräfte NuIL Bei einer Auslenkung aus der Mittelebene werden Wirbelströme nach dem elektrodynamischen Prinzip in dieser Kubschleife S induziert, die auf sie eine in Richtung a;;f die Nuilflußzone N wirkende Kraft A. und somit eine Rückstellkraft erzeugen. Die Steifigkeit der Nullflußanordnung nimmt zu, wenn der Strom /1 und h in den Magnetspulen Mi und Mi. dse vorzugsweise supraleitende Magneten sein können, erhöht wird oder wenn der gegenseitige Abstand der beiden Magnetspulen Mt und Mi kleiner wird. In der Null· fluß?one N bleiben die Verluste in der Hubschleife S null, solange die endliche Dicke dieser Schiene vernach.ässigt werden kann.The known zero flow system of an electrodynamic suspension arrangement is obtained from FIG. 1 by the interaction of two magnet coils Mi and Mi attached to a vehicle F. These two magnet coils, which are constructed in the same way and arranged parallel to one another, are traversed by currents / 1 and / 2 of the same size but opposite and thus generate two magnetic fields directed against one another Hi and H., whose field lines are illustrated in the figure by lines with arrows. The middle plane between the solenoids Mi and Mi stell! a so-called zero flow zone N and is indicated by dash-dotted lines. In the common magnetic field Wi, Hi of the magnet coils Mi and M2, a hub loop S made of non-magnetic material is arranged, which in the system can be in the form of a plate or a rail. If this lifting loop Sin, which is preferably made of aluminum or an aluminum alloy, moves in the flow zone N , the currents induced in it and thus the directional and braking forces are NuIL a force A. acting on them in the direction a ;; f of the flow zone N and thus generating a restoring force. The rigidity of the zero flux arrangement increases when the current / 1 and h in the magnet coils Mi and Mi. dse can preferably be superconducting magnets, is increased or when the mutual distance between the two magnet coils Mt and Mi becomes smaller. In the zero flow? One N , the losses in the lifting loop S remain zero as long as the finite thickness of this rail can be neglected.

Auf ein mit den Magnetspulen M\ und Mi starr verbundenes Fahrzeug, dessen eine Fahrzeugseite in der Figur nur zum Teii angedeutet ist, wirkt jedoch die Schwerkraft, so daß sich eine vertikale Auslenkung der Hubschleife Saus der Nuilflußzone um den Betrag der Höhe Δ h ergibt. Diese durch einen Pfeil G bezeichnete Schwerkraft wird von der Rückstellkraft K des elektrodynamischen Nullflußsystems kompensiert, so daß sich das Fahrzeug in einer stabilen Lage befindet. Wie aus der Figur hervorgeht, ist dann jedoch der Abstand h> zwischen der Hubschleife S und der oberen Magnetspule Mi kleiner als der Abstand to zwischen der Hubschleife S und der unteren Magnetspule M2. Dies führt aber zu einer Verringerung der Toleranzen der Schwebehöhe des Systems auf den Betrag '/> (Tu + Λ: - 2J h). Der Bewegungsspielraum des Fahrzeugs in vertikaler Richtung wird dementsprechend verkleinert.However, gravity acts on a vehicle rigidly connected to magnet coils M and Mi , one side of which is only partially indicated in the figure, so that there is a vertical deflection of the lifting loop S from the flow zone by the amount Δ h. This force of gravity, indicated by an arrow G, is compensated for by the restoring force K of the electrodynamic zero-flow system, so that the vehicle is in a stable position. As can be seen from the figure, however, the distance h> between the lifting loop S and the upper magnetic coil Mi is smaller than the distance to between the lifting loop S and the lower magnetic coil M2. However, this leads to a reduction in the tolerance of the floating height of the system to the amount '/> (Tu + Λ: - 2J h). The freedom of movement of the vehicle in the vertical direction is reduced accordingly.

Gemäß F 1 g. 2 wird deshalb der Strom /1 in der oberen Magnetspule Mi gegenüber dem Strom /2 in der unteren Magnetspule M2 so weit erhöht, daß sich die Nuilflußzone in dem Nullflußsystem etwa um den Betrag Δ h in vertikaler Richtung nach der unteren Magnetspule M: parallel verschiebt. Damit läßt sich gewährleisten, daß die schraffiert dargestellte Hubspuie S etwa in der Mittelebene der beiden Magnetspulen Mi und Mi liegt. Aus der F i g. 2 geht hervor, daß dann das Luftspaltverhältnis von Abstand Λι zwischen Hub-"schleife Sund oberer Magnetschleife Mi zu Abstand fo zwischen Hubschleife S und unterer Magnetspule Mi bei einer den Gewichtsverhältn'.ssen des Fahrzeugs angepaßten asymmetrischen Erregung der beiden Magnetspulen Mi, M2 mit /1 größer h etwa gleich eins ist. In diesem erfindungsgemäßen Nullflußsystem bleiben somit die vollen Toleranzen der Schwebehöhe erhalten.According to F 1 g. 2, the current / 1 in the upper magnet coil Mi is increased compared to the current / 2 in the lower magnet coil M2 so much that the zero flux zone in the zero flux system is displaced parallel by approximately the amount Δ h in the vertical direction after the lower magnet coil M :. . This ensures that the hub coil S shown hatched lies approximately in the center plane of the two magnet coils Mi and Mi. From FIG. 2 shows that the air gap ratio between the distance Λι between the lifting loop and the upper magnetic loop Mi to the distance fo between the lifting loop S and the lower magnetic coil Mi with an asymmetrical excitation of the two magnetic coils Mi, M2 with / 1 greater than h is approximately equal to 1. In this zero-flow system according to the invention, the full tolerances of the floating height are thus retained.

Da jedoch die spezifischen Bremsverluste auch in einem solchen Nullflußsystem geschwindigkeitsabhängig sind, kann es unter Umständen vorteilhaft sein, die Erhöhung des Stromes /1 in der oberen Magnetspule Mi entsprechend zu regeln.However, since the specific braking losses also depend on the speed in such a zero-flow system it may be advantageous to increase the current / 1 in the upper solenoid Wed to regulate accordingly.

Im Ausführungsbeispiel ist ein Magnetsystem zur Schwebeführung eines Fahrzeugs gewählt, bei dem die erforderlichen Hubschleifen an einem Fahrbahnkörper befestigt sind. Es sind aber auch entsprechende Magnetsysteme für ein an einer Tragvorrichtung aufgehängtes Fahrzeug geeignet. Ferner können auch Fahrzeuge mit Magnetsystemen verwendet werden, deren Magnetspulen mit Stabilisierungssystemen magnetisch gekoppelt sind (deutsche Auslegeschrift 21 60 666).In the exemplary embodiment, a magnet system for levitating a vehicle is selected in which the required lifting loops are attached to a roadway body. But there are also corresponding magnet systems suitable for a vehicle suspended from a support device. Vehicles can also are used with magnet systems, whose magnet coils with stabilization systems are magnetic are coupled (German Auslegeschrift 21 60 666).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. Magnetic system for the track-bound, electrodynamic levitation control of a moving vehicle with parallel rows in the direction of travel of vehicle-fixed pairs of horizontal and superimposed magnetic coils, each of which forms a flow system and between which a row is located. that at least in some of the magnet coil pairs (Mt, Mi) the magnetic field fWi / generated by the upper magnet coil fMi,} is stronger

is than the magnetic field (Hi ) caused by the lower magnetic coil {Mi) , so that the distances (In and In) between the lifting loops (S) and these magnetic spouts (Mt. Mi) are at least approximately the same (Fig. 2 \

2. Magnet system according to claim 1, characterized in that a control of the magnetic fields ao (Hi, Hi) of mutually associated magnetic coils (Mi. Mi) depending on the speed of the vehicle ff? is provided.