DE2401625A1

DE2401625A1 - Magnetsystem zur beruehrungsfreien fuehrung eines bewegten fahrzeugs

Info

Publication number: DE2401625A1
Application number: DE2401625A
Authority: DE
Inventors: Hans Hieronymus; Juergen Dipl Phys Miericke; Franz Pawlitschek; Laxmikant Dr Rer Nat Urankar
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1974-01-14
Filing date: 1974-01-14
Publication date: 1975-07-24
Also published as: FR2257475A1; US3951075A; JPS50106315A

Description

SIEMEKS AKTIEMGESELLSCMFT Erlangen, den 12. 1. 1974 Berlin und München Werner-von-Siemens-Str.

VPA 74/8701 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 parallel zueinander angeordneten supraleitenden Magnetschleifen, die mit entsprechenden Schienenschleifen zugleich ein elektrodynamisches Hub- und Seitenführungssystem bilden.

Zur berührungsfreien_i magnetischen Führung von Fahrzeugen mit höher Geschwindigkeit, insbesondere über 300 km/h, können supraleitende Magnet schleifen verwendet werden, die beispielsweise an dem Fahrzeug befestigt sind. Diese Magnetschleifen rufen In schienenartigen Reaktionskörpern aus nichtmagnetischem Material, die deshalb auch als Schienenschleifen bezeichnet werden, Wirbelströme hervor, deren magnetische Abstoßungskräfte als Hub- oder Seitenführungskräfte für das Fahrzeug dienen«

Für eine solche elektrodynamische Führung eines Fahrzeugs sind zwei Magnetfeldkonfigurationen bekannt, die in Wechselwirkung mit solchen Schienenschleifen aus elektrisch gut leitendem, aber nicht-magnetischem Material stehen. Bei dem sogenannten Normalflußsystem, wie es beispielsweise aus der US-Patentschrift 3 589 300 bekannt ist, wird ein Magnetfeld, das von einer stromdurchflossenen Spule erzeugt wird, die im allgemeinen an der Unterseite eines Fahrzeugs montiert ist, über eine Anordnung von metallischen Schleifen aus nichtmagnetischem Material bewegt, die auch als kontinuierliche Schiene gestaltet sein kann. Das Magnetfeld induziert in der

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Schiene Wirbel ströme, die ihrerseits ein Magnetfeld erzeugen, das dem Erregerfeld entgegengerichtet ist. Durch diese Ma- gnetfelder wird das Fahrzeug von den Schleifen bzw. der Schiene abgestoßen und dadurch eine Hubkraft erzeugt» die proportional ist dem Produkt aus dem Schienenstrom und der Feldkomponente in Richtung der Breite des Schienenkörpers. Die Wirbelstromverluste und die damit erzeugte Bremskraft sind dagegen proportional dem Quadrat der Feldkomponente, die senkrecht zur Ausdehnung des Schienenkörpers verläuft. Beim Normalflußsystem ist diese Flußkomponente verhältnismäßig groß. Mit der Erzeugung der erforderlichen Hubkraft werden somit zugleich auch große Wirbelströme und entsprechend grosse Bremskräfte erzeugt.

Mit einem beispielsweise aus der Zeitschrift "Cryogenics"„ 1971, Seiten 192 bis 204, bekannten sogenannten Nullflußsystem ist es möglich, durch zwei entgegengesetzt polarisierte Magnetfelder gleicher Stärke, die sich gegenüberstehen, in der Symmetrieebene eine Zone zu erzeugen, in der die Induktion in Richtung der Dicke der Schiene Null ist, die Induktion in Richtung der Breite der Schiene und senkrecht zur Bewegungsrichtung des Fahrzeugs jedoch doppelt so groß ist wie mit einer einzigen Spule. Mit einer Auslenkung der Schiene aus diesem Nullflußgebiet nimmt die Induktion in Richtung der Dicke der Schiene und damit der Fluß in dieser Richtung zu, während die Induktion in Richtung der Ausdehnung der Schiene und senkrecht zur Bewegungsrichtung des Fahrzeugs bei kleinen Auslenkungen annähernd konstant bleibt. Man kann deshalb mit verhältnismäßig kleinen Schienenströmen die gleiche Hubkraft wie bei einem Normalflußsystem erzeugen. Das Verhältnis von Bremskraft zu Hubkraft ist wesentlich kleiner als bei einem Normalflußsystem. Das Nullflußsystem hat zwar den Vorteil, daß die Bremskräfte klein gehalten werden können und daß mit einer waagerechten Lagerung der Fahrzeugschleifen und der Reaktionsschiene eine Stabilisierung des Systems nach oben und nach unten gewährleistet ist. Bei diesem System sind jedoch stets zwei Magnetspulen erforderlich, die sich mit gros-

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sen Kräften abstoßen. Es ist somit eine ausreichend stabile, mechanische Konstruktion am Fahrzeug erforderlich, die einen entsprechenden Aufwand erfordert. Ferner muß die Schiene zwischen den beiden Spulen liegen. Damit treten jedoch mechanische Probleme bei der SchienenabStützung auf.

Das Normalflußsystem benötigt nur eine Magnetschleife und ermöglicht eine einfache Schienenkonstruktion. Es genügt nämlich eine kontinuierliche Platte, die sich beispielsweise am Boden liegend abstützen läßt. Jedoch treten die schon erwähnten großen Bremskräfte auf, die vom Antrieb überwunden werden müssen.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift 2 139 506 ist ein Magnetsystem für die elektrodynamische Schwebeführung eines bewegten Fahrzeugs bekannt. Dieses Magnetsystem umfaßt zwei am Fahrzeug befestigte, zueinander parallele und vertikal angeordnete supraleitende Magnetschleifen. Zwischen diesen beiden Magnetschleifen befindet sich eine ebenfalls vertikal angeordnete und auf einem Fahrbahnkörper befestigte Stabilisierungsschleife zur Erzeugung einer horizontalen, seitlichen Führungskraft für das Fahrzeug. Zwischen den beiden Magnetschleifen ist ferner horizontal eine Hubschleife zur Erzeugung einer der Schwerkraft des Fahrzeugs entgegenwirkenden Hubkraft derart angeordnet, daß sie die Stabilisierungsschleife ■ kreuzt. Das Magnetsystem stellt somit eine Kombination zweier Nullflußsysteme dar, die senkrecht zueinander angeordnet sind und sich gegenseitig durchdringen. Für eine ausreichend stabile Befestigung der entsprechenden Kombination von Hub- und Stabilisierungsschleife, deren Querschnitte senkrecht zur Bewegungsrichtung des Fahrzeugs ein Kreuz bilden, sind jedoch starke Abstützungskörper erforderlich. Auch müssen im allgemeinen die Hub- und Stabilisierungsschleife verhältnismäßig dick ausgeführt sein, damit sie nicht während des Fahrbetriebs deformiert werden können. Dickere Schienen führen jedoch zu zusätzlichen Bremsverlusten des Magnetsystems.

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Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, dieses Magnetsystem zu verbessern, insbesondere ein Magnetsystem für eine elektrodynamische Führung eines bewegten Fahrzeugs zu schaffen, das eine einfache und stabile Konstruktion der Hub- und Stabilisierungsschleifen zuläßt und dessen Bremsverluste dennoch verhältnismäßig niedrig sind.

Ausgehend von einem Magnetsystem der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß jeweils zwei vertikal angeordnete Magnetschleifen zusammen mit einer zwischen ihnen befindlichen Stabilisierungsschleife ein Nullflußsystem zur Seitenführung und mit einer senkrecht zu ihnen und unterhalb der Stabilisierungsschleife angeordneten Hubschleife ein Normalflußsystem zur Schwebeführung bilden.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß aufgrund der besonderen räumlichen Zuordnung der Magnetschleifen gegeneinander eine supraleitende Magnetschleife für das Normalflußsystem eingespart werden kann. Darüber hinaus läßt sich eine stabile Anordnung des Schienenkörpers aus Hub- und Stabilisierungsschleife vornehmen} denn die Reaktionskraft zur erzeugten Hubkraft wirkt in Richtung des Fahrbahnkörpers, auf dem der Schienenkörper befestigt ist. Das Biegemoment auf die Hubschleife läßt sich somit gering halten. Darüber hinaus kann die Hubschleife verhältnismäßig dünn sein, wenn sie direkt auf dem Fahrbahnkörper aufliegt.

Für das Magnetsystem der eingangs genannten Art besteht eine weitere Lösung der Aufgabe darin, daß jeweils zwei horizontal angeordnete Magnetschleifen zusammen mit einer zwischen ihnen befindlichen Hubschleife ein Nullflußsystem zur Schwebeführung und mit einer senkrecht zu ihnen und seitlich von der Hubschleife angeordnete Stabilisierungsschleife ein Normalflußsystem zur Seitenführung bilden. Diese Ausführungsform weist verhältnismäßig geringe Bremsverluste auf, weil als Hubsystem, das im allgemeinen auf Grund des zusätzlichen Fahrzeuggewich-

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tes größere Bremsverluste als ein Seitenführungssystem besitzt, ein Nullflußsystem verwendet wird.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Magnetsystems gemäß der Erfindung besteht darin, daß die Stabilisierungsschleife mit der Hubschleife einen gemeinsamen T-förmigen Profilkörper bildet. Dieser Profilkörper, der darüber hinaus zumindest teilweise mit einem Versteifungskörper versehen sein kann, weist eine große Steifigkeit auf und kann leicht angefertigt, beispielsweise gegossen werden.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung und deren in den Unteransprüchen gekennzeichneten Weiterbildungen wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der Ausführungsbeispiele von Magnetsystemen nach der Erfindung schematisch veranschaulicht sind.

In der Figur 1 ist eine Anordnung des Magnet- und Schienensystems nach der Erfindung wiedergegeben,

Figur 2 zeigt eine weitere Möglichkeit der Ausgestaltung des Schienensystems nach Figur 1,

in Figur 3 ist eine weitere Ausbildungsmöglichkeit des Magnet- und Schienensystems nach der Erfindung veranschaulicht

und in den Figuren 4 und 5 sind zwei Anordnungen des Magnetsystems nach der Erfindung an Fahrzeugen dargestellt.

In Figur 1 ist im Querschnitt ein Schienensystem mit zwei senkrecht zueinander angeordneten, langgestreckten Schienenschleifen veranschaulicht. Diese Schleifen können als Leiterspulen mit mehreren Windungen oder als langgestreckte Platten ausgeführt sein und bestehen aus Metall, insbesondere aus einem nicht-magnet!sehen Metall, wie beispielsweise Aluminium, oder aus einer Metallegierung mit gleichen oder wenigstens ähnlichen Eigenschaften. Sie werden in Bewegungsrichtung des Fahrzeugs derart hintereinander angeordnet, daß sie ein T-förmiges Schienensystem bilden. Dieses Schienensystem ist auf

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einem Fahrbahnkörper 6 befestigt, der beispielsweise aus Beton gegossen sein kann. In dessen obere Flachseite 8 ist eine der Schienenschleifen, die als Hubschleife 2 bezeichnet wird, horizontal eingelassen. Ein Versteifungskörper 10 umschließt die andere Schienenschleife, die als Stabilisierungsschleife 4 dient. Dieser Versteifungskörper 10, der längs der Mittellinie dieser Stabilisierungsschleife 4 in Fahrbahnrichtung verläuft und an der oberen Flachseite 8 des Fahrbahnkörpers vertikal angebracht ist, besteht beispielsweise aus einem nicht-magnetischen, elektrisch nichtleitenden Material. Zu beiden Seiten der in dem Versteifungskörper 10 eingelassenen Stabilisierungsschleife 4 wird parallel eine Magnetschleife 12 bzw. 14 geführt. Diese beiden Magnetschleifen sind an einem in der Figur nicht näher dargestellten Fahrzeug 16 befestigt und werden von gegensinnig erregten, supraleitenden Magnetspulen gebildet. Das von ihnen erzeugte Magnetfeld ist in der Figur durch einzelne Linien angedeutet, die mit Pfeilen zur Darstellung der Feldrichtung versehen sind.

Aufgrund der räumlichen Zuordnung der Magnetschleifen 12 und 14 zu den Schienenschleifen 2 und 4 stellt das Magnetsystem nach der Erfindung eine Kombination eines Nullflußsystems mit einem Normalflußsystem dar. Das Nullflußsystem, das die Magnetschleifen 12 und 14 und die Stabilisierungsschleife 4 bilden und das in der Figur mit A bezeichnet ist, dient zur seitlichen Führung des Fahrzeugs 16, während das mit B bezeichnete Normalflußsystem, das von den der Hubschleife 2 zugewandten Leitern der Magnetschleifen 12 und 14 mit dieser Schienenschleife gebildet wird, zur Schwebeführung des Fahrzeugs vorgesehen ist.

Das in Fig. 2 dargestellte Schienensystem unterscheidet sich von dem Schienensystem gemäß Figur 1 dadurch, daß seine beiden senkrecht zueinander angeordneten Schienenschleifen elektrisch miteinander verbunden sind. Hierzu ist eine vertikal •angeordnete Stabilisierungsschleife 24 zur Seitenstabilisierung direkt auf der oberen Flachseite einer horizontal angeordneten Hubschleife 22 zur Schwebeführung befestigt, bei-

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spielsweise angeschweißt, gelötet oder geschraubt. Das so von den beiden Schienenschleifen 22 und 24 gebildete T-förmige Schienensystem ist zu seiner Versteifung ebenfalls von einem Versteifungskörper 30 umschlossen und auf einem Fahrbahnkörper 6 angeordnet.

Das in Figur 3 dargestellte Magnet- und Schienensystem stellt ebenfalls eine Kombination eines Nullflußsystems mit einem Normalflußsystem dar. Das in der Figur mit C bezeichnete Nullflußsystem wird zur Schwebeführung eines nicht näher dargestellten Fahrzeuges 36 verwendet, während das mit D bezeichnete Normalflußsystem zur seitlichen Fahrzeugführung dient. Das Magnetsystem umfaßt zwei^λ horizontal und parallel übereinander angeordnete Magnetschleifen 32 und 34, die seitlich an dem Fahrzeug 36 befestigt sind und die mit einer Hubschleife 40 und einer Stabilisierungsschleife 38 in Wechselwirkung treten. Diese beiden Schienenschleifen, die aus einem elektrisch leitenden, nicht-magnetischen Material wie beispielsweise Aluminium bestehen, sind senkrecht zueinander angeordnet. Die Stabilisierungsschleife 38 ist dabei in einer vertikalen Ebene angeordnet, und auf ihrer Mittellinie ist in Fahrtrichtung die Hubschleife 40 senkrecht stehend befestigt, beispielsweise aufgeschweißt, so daß der gemeinsame Querschnitt beider Schienenschleifen ein um 90° auf die Seite gedrehtes großes T bildet. Die beiden Schienenschleifen sind an einem Fahrbahnkörper 42 seitlich befestigt. Zu ihrer Versteifung können sie zusätzlich von einem nicht-metallischen Versteifungskörper 44 umschlossen sein, der seinerseits ebenfalls seitlich an dem Fahrbahnkörper 42 befestigt ist. Aufgrund der räumlichen Anordnung der beiden Magnetschleifen 32 und 34 stellen diese zusammen mit der zwischen ihnen liegenden Hubschleife 40 das Nullflußsystem C dar, das zur Schwebeführung des Fahrzeugs 36 dient. Die der vertikal angeordneten Stabilisierungsschleife 38 zugewandten Leiter der Magnetschleifen 32 und 34 bilden mit dieser Schienenschleife das Normalflußsystem D aus, das zur seitlichen Führung des Fahrzeugs benötigt wird.

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Nach Figur 4 ist als Ausführungsbeispiel eine Anordnung von zwei Magnetsystemen 5,0 und 5J_ an der Unterseite eines nicht näher ausgeführten Fahrzeugs 53 vorgesehen. Die beiden Magnetsysteme 50 und ^1_, die dem in Figur 1 dargestellten Magnetsystem entsprechen, stützen sich jeweils an einem Schienensystem .55 bzw. 56 ab. Diese Schienensysteme , die das in Figur 2 wiedergegebene Profil besitzen, sind parallel zueinander auf der oberen Flachseite eines Fahrbahnkörpers 58 in Fahrtrichtung befestigt.

In Figur 5 ist als weiteres Ausführungsbeispiel eine Anordnung zweier Magnetsysteme 60 und 6^ einer Hängebahn 63 wiedergegeben. Die Magnet systeme 6C) und 6_1_, die dem in Figur 3 dargestellten Magnetsystem entsprechen, sind mit einem Oberteil 64 der in der Figur nicht näher ausgeführten Hängebahn 63 verbunden und werden jeweils an einem entsprechenden Schienensystem 65 bzw. 66 entlanggeführt. Die Schienensystene 6J5 und 66 sind an den einander zugewandten Innenseiten zweier parallel zueinander angeordneter Fahrbahnkörper 68 und 69 befestigt, die über einen Verbindungskörper 70 miteinander verbunden sind und einen Teil einer Tragevorrichtung für die Hängebahn 63 darstellen»

Die in den Ausführungsbeispielen beschriebenen Magnetsysteme einer Schwebe- und Seitenführung eines Fahrzeugs sind zwar aus Sicherheitsgründen besonders günstig für ein an einer Tragevorrichtung aufgehängtes Fahrzeug, sie können jedoch ebensogut für Fahrzeuge verwendet werden₉ deren Magnetschleifen mit Schienensystemen gekoppelt sind, die an dem Oberbau eines Fahrbahnkörpers befestigt sind. Eine ausreichend stabile Führung eines Fahrzeugs gegen Drehkräfte um die Achse in Fahrtrichtung erhält man mit in einem verhältnismäßig großen Abstand nebeneinander angeordneten Magnet- und Schienensystemen.

Ferner kann es zweckmäßig sein, an dem Fahrzeug noch weitere solcher Magnetsysteme auch in Fahrzeugrichtung hintereinander anzuordnen. Die Fahrzeuge müssen darüber hinaus stets mit in den Figuren nicht dargestellten Transportgestellen mit Rädern

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versehen sein, die sich in der Ruhelage und bei niedrigen Fahrzeuggeschwindigkeiten in bekannter Weise auf ebenfalls nicht dargestellten Schienen eines Fahrbahnoberbaus abstützen.

Als Antrieb kann beispielsweise ein Linearmotor dienen, dessen, aktiver Teil mit dem Fahrzeug verbunden ist.

Wegen der zur elektrodynamisehen Führung der Fahrzeuge erforderlichen großen Ströme sind für Magnetsysteme nach der Erfindung supraleitende Magnetspulen vorgesehen. Sie können in bekannter Weise durch entsprechende Kühlmittel, insbesondere Helium, auf kryogenen Temperaturen gehalten werden. Die hierzu erforderlichen Kühlsysteme sind in den Figuren nicht dargestellt .

Zusätzlich können zur Dämpfung von Schwingungen der Fahrzeuge sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Richtung jeweils entsprechende, an der Fahrbahn befestigte Dämpfungsschleifen vorgesehen sein, die mit den magnetischen Feldern der Magnetsysteme so zusammenwirken, daß die Fahrzeuge in der Gleichgewichtslage stabilisiert werden. Die zur Schwebe- wie auch Seitenführung der Fahrzeuge erforderlichen Schienen lassen sich darüber hinaus aus einer Vielzahl von in Fahrtrichtung hintereinander angeordneten Leiterschleifen darstellen. Sie können zusätzlich in bekannter Weise lamelliert sein; d. h. sie bestehen dann aus einzelnen, in der Art eines Sandwich-Systems aufeinandergelegten Einzelplatten. Dann sind nur die Komponenten der Wirbelströme in der Ebene parallel zur Ebene der sie erzeugenden Ströme der Magnetschleifen zur Hubkrafterzeugung bzw. zur Erzeugung der Seitenstabilisierungskraft wirksam, während die übrigen Komponenten, die lediglich Bremskräfte und damit Verluste erzeugen, wesentlich vermindert und unter Umständen sogar praktisch ausgelöscht werden.

Da die zur seitlichen Stabilisierung erforderlichen Führungskräfte im allgemeinen wesentlich geringer sind als die Hubkräfte zur Schwebeführung, kann es gegebenenfalls ausreichend

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sein, zur Seitenstabilisierung Schienen geringerer Ausdehnung als zur Schwebeführung vorzusehen. Die Bremsverluste eines solchen Systems lassen sich somit verringern.

5 Patentansprüche
5 Figuren

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Claims

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1) Magnetsystem, zur berührungsfreien Führung eines entlang \ein4r Fahrbahn bewegten Fahrzeugs mit mehreren mit dem Fahrzeug verbundenen und parallel zueinander angeordneten supraleitenden Magnetschleifen, die mit entsprechenden Schienenschleifen zugleich ein elektrodynamisches Hub- und Seitenführungssystem bilden, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei vertikal angeordnete Magnetsohleifen (12 und 14) zusammen mit einer zwischen ihnen befindlichen Stabilisierungsschleife (4) ein Nullflußsystem (A) zur Seitenführung und mit einer senkrecht zu ihnen und unterhalb der Stabilisierungsschleife (4) angeordneten Hubschleife (2) ein Normalflußsystem (B) zur Schwebeführung bilden (Fig. 1).

2) Magnetsystem zur berührungsfreien Führung eines entlang einer Fahrbahn bewegten Fahrzeugs mit mehreren mit dem Fahrzeug verbundenen und parallel zueinander angeordneten supraleitenden Magnetschleifen, die mit entsprechenden Schienenschleifen zugleich ein elektrodynamisches Hub- und Seitenführungssystem bilden, dadurch gekennzeichnet,' daß jeweils zwei horizontal angeordnete Magnetschleifen (32 und 34) zusammen mit einer zwischen ihnen befindlichen Hubschleife (40) ein Nullflußsystem (C) zur Schwebeführung und mit einer senkrecht zu ihnen und seitlich von der Hubschleife (40) angeordneten Stabilisierungsschleife (38) ein Normalflußsystem (D) zur Seitenführung bilden (Fig. 3).

3) Magnetsystem nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stabilisierungsschleife (24 oder 38) mit der Hubschleife (22 oder 40) einen gemeinsamen T-förmigen Profilkörper bildet.

4) Magnetsystem .nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen den Magnetschleifen (12, 14 oder 32, 3.4) angeordnete Stabilisierungs- bzw. Hubschleife (4 oder 24 bzw. 40) zumindest teilweise mit einem Versteifungskörper (10 oder 30 bzw. 44) versehen ist.

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5) Magnetsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Versteifungskörper (10, 30, 44) aus einem nichtmagnetischen Material besteht.

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