DE2405850C3 - Elektrodynamisches Magnetsystem zur berührungsfreien Führung eines entlang einer Fahrbahn bewegten Fahrzeugs - Google Patents

Description

, , _„ Fahrzeugs in der Weise umkehrbar ist unterhalb einer vorbestimmten Geschwindigkeit (v_o) zumindest teilweise eine alternierende Polfolge besteht, während oberhalb dieser Geschwindigkeit die Polarität der Magnete gleich ist ¹S

2. Elektrodynamisches Magnetsystem zur berührungsfreien Führung eines entlang einer Fahrbahn bewegtes Fahrzeugs mit mehreren mit dem Fahrzeug verbundenen und in Fahrtrichtung hintereinander angeordneten Magneten, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (I) zwischen unmittelbar hintereinander angeordneten Magneten gleicher Polarität mit steigender Geschwindigkeit verkleinerbar ist.

3. Elektrodynamisches Magnetsystem nach Anspruch 1 oder 2 mit zwei parallel zueinander angeordneten Reihen von hintereinander angeordneten Magneten, dadurch gekennzeichnet, daß zum Polaritätswechsel bei der vorbestimmten Geschwindigkeit (v„) eine mechanische Vertauschbarkeit einzelner Magnete (21 und 23) der einen Reihe mit entsprechenden Magneten (26 und 28) der anderen Reihe vorgesehen ist.

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

Zur berührungsfreien, magnetischen Führung von Fahrzeugen, die insbesondere Geschwindigkeiten über 300 km/h erreichen sollen, sind in erster Linie zwei unterschiedliche Führungsprinzipien gebräuchlich. Bei dem sogenannt...; »elektromagnetischen« Führungssystem werden die Anziehungskräfte ausgenutzt, die zwischen zu beiden Seiten des Fahrzeugs angeordneten Elektromagneten und ihren zugeordneten ferromagnetischen Schienenteilen auf einer Fahrbahnirasse 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 »elektrodynami sehen« Führungsprinzip abstoßende magnetische Kräfte ausgenützt. d<e bei der Bewegung von Magneten über elektrisch gut leitende, aber nicht-ferromagnetische 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 be-Fahrtrichtung langgestreckten Spulenkörpern (US-Patentschrift 37 17 103). Wie nämlich aus der Theoriedes elektrodynamischen Schwebens über einer leitenden Platte hervorgeht ist das Verhältnis von auftretender Hubkraft zu Bremskraft eines solchen Systems bei hohen Betriebsgeschwindigkeifen. beispielsweise bei 500 km/h, für langgestreckte Magnete besonders günstig. Kleine Magnete hingegen rufen einen starken Skinelfekt hervor, d h. bei diesen Geschwindigkeiten werden von kleinen Magnelen die in den leitenden Schienenschleifen oder -platten zur Ausbildung der Hubkiäfte erforderlichen Ströme stark aus dem Schiene.ninnern an die Schienenoberfläche gedrängt, d. h. es werden somit größere Bremsverluste erzeugt.

Wie aus der genannten US-Patentschrift 34 70828 weiter hervorgeht, ist es besonders günstig, die Polarität jeweils zweier in Fahrtrichtung hintereinander angeordneter, zueinander benachbarter Magnete verschieden zu wählen. Durch eine solche alternierende Polarität der Magnete ergibt sich zwischen jeweils zwei hintereiniander angeordneten Magneten ein großer Magnetfeldgradient, der zu großen Hubkräften führt.

Die Erfindung geht aus von der Erkenntnis, daß die Polarität sowie der Abstand /wischen jeweils zwei hintereinander angeordneten Magneten in Abhängig, keit von der Fahrzeuggeschwindigkeit das Schwebeverhalten stark beeinflussen. Eine solche Geschwindigkeit*· abhängigkeit ist teilweise durch das kennzeichnende Verhältnis der Zeitkonstanten des Schienenstromes zu der leerlaufzeit der Magnete wie auch durch Skineffektbetrachtungen zu erklären.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, das bekannte Magnetsystem dahingehend zu verbessern, daß das Verhältnis der Führungskräfte für höhere Fahrzeuggeschwindigkeiten zu den Bremsverlusten erhöht wird.

Diese Aufgabe wird für das eingangs genannte Magnetsystem erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Polarität einzelner Magnete in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des Fahrzeugs in der Weise umkehrbar ist. daß unterhalb einer vorbestimmten Geschwindigkeit zumindest teilweise eine alternierende Polfolge besteht, wahrend oberhalb dieser Geschwindigkeit die Polarität der Magnete gleich ist.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die Bremsverluste, die in einem elektrodynamischen Führungssystem der bekannten Ausbildung mit der Geschwindigkeit stark anwachsen, verhältnismäßig geringgehalten werden können.

Gemäß einer weiteren Lösung der genannten Aufgabe ist ^für das Magnetsystem nach der Erfindung vorgesehen, daß der Abstand zwischen unmittelbar hintereinander angeordneten Magneten gleicher Polarität mit steigender Geschwindigkeit verkleinerbar ist Die Bremsverluste des elektrodynamischen Führungssystems lassen sich damit weiter verringern. Das j Magnetsystem gemäß der Erfindung ist deshalb ? vorzugsweise so ausgebildet, daß die Abstände der

«weinen Magnete der Geschwindigkeit des Fahrzeugs angepaßt sind Es kann so betrieben werden, daß für Geschwindigkeiten unterhalb einer vorbestimmten Geschwindigkeit zunächst die einander benachbarten einzelnen Magnete mit jeweils verschiecenen Polaritäten in einem vorgegebenen Abstand angeordnet werde·' und daß etwa bei der vorbestimmten Geschwindigkeit ein Wechsel der Polarität einzelner Magnete so vorgenommen wird, daß al!e einzelnen Magnete gleiche Polarität besitzen und daß darauf der Abstand der Magnete verkleinert wird.

Zur Erläuterung von Ausführungsbeispielen der Erfindung wird auf die schematische Zeichnung Bezug genommen. In den

. Fig. 1 und 2 sind jeweils in einem Diagramm die spezifischen Verluste bzw. die Schwebehöhen eines vorgegebenen Normalflußsystems in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit dargestellt; in den

Fig. 3 und 4 sind zwei Magnetsystem^ für verschiedene Geschwindigkeitsbereiche gemäß der Erfindung angedeutet; die

F i g. 5 end 6 zeigen diese Magnetsysteme gemäß den F i g. 3 und 4 jeweils in einem Fahrzeug; und in

Fig. 7 sind in einem Diagramm die spezifischen Bremsverluste eines vorgegebenen Normalflußsystems vom Abstand der einzelnen Magnete eines Magnetsystems gemäß der Erfindung veranschaulicht.

Für die F i g. 1 und 2 ist den Berechnungen als Ausführungsbeispiel ein Magnetsystem zugrunde gelegt, das zwei etwa rechteckige, in Fahrtrichtung hintereinander angeordnete einzelne Magnete umfaßt, deren parallel zur Fahrbahnebene liegenden Querschnitte mit ihren großen Achsen in Fahrtrichtung weisen und die jeweils etwa 0.5 m lang und 0.3 m breit sein sollen. Der Abstand ihrer einander zugewandten Stirnseiten beträgt etwa 0,25 m. Diese beiden einzelnen Magnete bilden zusammen mit einer etwa 2,0 cm dicken Aluminiumschiene, über die sie mit einer Geschwindigkeit ν geführt werden, ein Normalflußs> stern. Sie werden dabei von einem Dauerstrom / von 3 χ 10⁵ Α-Windungen durchflossen. Als Fahrzeuggewicht G, das das von den beiden einzelnen Magneten erzeugte Magnetfeld zu tragen hat, ist ein Wert von 1,5 t angenommen worden.

Mit diesen Annahmen sind im Diagramm der Fig. 1 die Verluste Ppro Fahrzeuggewicht G in Abhängigkeit von der Fahrztuggeschwindigkeil ν wiedergegeben. Die Verluste Pstellen dabei das Produkt aus der in dem Normalflußstystem auftretenden Bremskraft und der Geschwindigkeit ν dar und werden im allgemeinen in Kilowatt gemessen. Die in der Figur mit N-N bezeichnete Kurve bezieht sich auf einzelne Magnete, die gleiche Polarität haben, d. h. deren Betnebsströme / die gleiche Umlaufrichtung aufweisen. Die mit N-S bezeichnete Kurve stellt die spezifischen Bremsverluste eines entsprechenden Magnetsystems dar, dessen beide hintereinander angeordnete einzelne Magnete jedoch abwechselnd verschiedene Polarität aufweisen. Diese Magnete werden somit von Strömen mit entgegengesetzter Umlaufrichtung durchflossen.

Da die spezifischen Bremsverluste eines solchen Magnetsystems, das aus einer Vielzahl hintereinander angeordneter einzelner Magnete bestehen kann, im allgemeinen vom Antrieb eines mit ihm verbundenen Fahrzeugs überwunden werden müssen, ist es zweckmä-Big, diese Verluste möglichst klein zu halten. Deshalb soll das Magnetsystem so betrieben werden, daß für die verschiedenen Geschwindigkeitsbereiche sein Arbeuspunkt im Diagramm nur auf der Kurve liegt, die bei einer gegebenen Geschwindigkeit die kleineren Verluste aufweist. Das bedeutet aber, daß ungefähr am Schnittpunkt der beiden dargestellten Kurvenäste, der in diesem Ausführungsbeispiel etwa bei einem Wert v_o der Geschwindigkeit von 30 m/sec liegt, eine Änderung der Polarität eines zweier benachbart zueinander angeordneter Magnete vorgenommen werden muß. Für Geschwindigkeiten unterhalb etwa dieser vorbestimmten Geschwindigkeit v_o werden demnach die einzelnen Magnete des Magnetsystems nach der Erfindung so betrieben, daß die Polarität zwischen zwei einander benachbarten und hintereinander liegenden Magneten alternierend ist. Für Geschwindigkeiten größer v_o wird gleiche Polarität der einzelnen Magnete vorgesehen.

Auch ein Magnetsystem mit einer Vielzahl von hintereinander angeordneten einzelnen Magneten weist spezifische Verluste auf. für die sich den Kurven in dem Diagramm der Fig. 1 entsprechende Verhältnisse ergeben. Bei einem solchen Magnetsystem kann man einen allmählichen Übergang von den alternierenden Polaritäten zu den gleichen Polaritäten der einzelnen Magnete dadurch erhalten, daß man zunächst erst jeden zweiten oder dritten Magneten mit entgegengesetzter Polarität i'mpolt. In einem weiteren Schritt kann dann die Umpolung der restlichen dafür vorgesehenen einzelnen Magnete vorgenommen werden.

Der Schnittpunkt der beiden mit N-S und N-N bezeichneten Kurven für die spezifischen Bremsverluste liegt für das als Ausführungsbeispiel gewählte Magnetsystem gemäß Fig. 1 bei einer Geschwindigkeit v„ = 30 m/sec. für andere Magnetkonfigurationen kann er sich entsprechend verschieben.

Für ein Magnetsystem gemäß F i g. 1 ist im Diagramm der Fig. 2 die Hubhöhe h in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit ν wiedergegeben. Die mit N-S bezeichnete obere Kurve stellt dabei die Hubhöhe des Magnetsystems mit alternierender Polarität seiner einzelnen Magnete dar. während die mit N-N bezeichnete untere Kurve die Hubhöhe für einzelne Magnete mit gleicher Polarität wiedergibt.

Obwohl gemäß Fig. 1 in dem gewählten Ausführungsbeispiel die spezifischen Bremsverluste des Magnetsystems für die Geschwindigkeiten unterhalb v„ verhältnismäßig gering sind, ist es vorteilhaft, eine Umpolung einzelner Magnete des Magnetsystems etwa bei der Geschwindigkeit v_o vorzunehmen. Wie aus dem Diagramm der Fig.2 für die Hubhöhen hervorgeht, führt gerade für niedrige Geschwindigkeiten eine alternierende Polarität der einzelnen Magnete zu größeren Hubhöhen als eine gleiche Polarität. Bei höheren Geschwindigkeiten v, wie beispielsweise 120 m/sec, unterscheiden sich die Hubhöhen für die beiden verschiedenen Polungsarten der einzelnen Magnete nur unwesentlich, während die entsprechenden spezifischen Bremsverluste dann die entscheidende Rolle spielen.

In Fig. 3 sind die Stromflußrichuingen von sechs in Fahrtrichtung hintereinander angeordneten einzelnen Magneten eines Fahrzeugs für kleine Fahrzeuggescl.-vindigkeiten, d.h. für Geschwindigkeiten v< v_o dargestellt. Die sechs Magnete sind durch Schleifen 2 bis 7 der in ihnen fließenden Ströme angedeutet und die Stromflußrichtungen durch Pfeile an den Stromschleifen wiedergegeben. Einander benachbarte Magnete werden demnach von Strömen in verschiedener Richtung durchflossen, so daß sich abwechselnde Polaritäten der ihnen zugeordneten Magnetfelder

ausbilden. Diese Magnetfelder sind durch Doppelpfeile ß^bis B₇ angedeutet, die in Richtung der Normalen auf den von den Stromschleifen eingeschlossenen Flächen abwechselnd nach oben und unten weisen.

Für hohe Fahrzeuggeschwindigkeiten, d. h. für Geschwindigkeiten ν > v_o werden dann für die hintereinander angeordneten einzelnen Magnete die in Fig.4 wiedergegebenen Stromflußrichtungen gewählt werden. Die einzelnen Magnete, die denen in Fig. 3 Abhängigkeit der spezifischen Bremsvcrluste P pro Hubkraft Fi in einem Normalflußsystem vom Abstand / zwischen den Stirnseiten zweier benachbarter und hintereinander angeordneter einzelner Magnete angegeben. Als Berechnungsbeispiel sind die gleichen Magnete wie im Falle der Fig. 1 und 2 gewählt. Die beiden oberen Kurven zeigen die spezifischen Bremsverluste bei einer Fahrzeuggeschwindigkeit v= 150 m/sec und die' beiden unteren Kurven für eine ν = 30 m/sec. Die mit N — N

)ie Fliißrichuingcn dieser Ströme in den Schleifen 12 bis 17 sind alle gleich, so daß die mit Doppelpfeilen ß,₂ bis S₁₇ gekennzeichneten Magnetfelder dieser Magnete alle in die gleiche Richtung weisen.

In den Fig. 5 und 6 ist schematisch in einem horizontalen Querschnitt jeweils ein Fahrzeug H) angedeutet, das sich mit einer Geschwindigkeit ν in Richtung eines nicht näher bezeichneten Pfeils längs einer Fahrbahn 12 bewegen soll. Das Fahrzeug JO wird durch zwei mit ihm starr verbundene elektrodynamische Magnetsysteme j4 und 15 in einem Schwebezustand gehalten, indem es über zwei horizontal auf der Fahrbahn 12 angeordnete Reaktionsschienen 16 und 17 N-S bezeichneten Kurven die entsprechenden Abhängigkeiten für die Magnete mit verschiedener

Polarität veranschaulichen. Ihre Schnittpunkte liegen auf einer gestrichelt eingezeichneten Linie, deren Parameter die Geschwindigkeit ν ist. Neben einem Wechsel der Polarität einzelner Magnete mit der Fahrzeuggeschwindigkeit gemäß den vorhergehenden

Figuren kann auch eine Änderung der Abstände / zwischen den einzelnen Magneten vorgenommen werden, um die spezifischen Brcmsverluste des Magnetsystems weiter zu verringern. Das heißt, daß bei hohen Geschwindigkeiten und gleicher Polarität der Abstand /

Fahrhnhn 12 angeordnete KcaKtionsscmenen io unu n u«ni"...».₆» _D ._._.-—-

geführt wird diebeispielsweise aus Aluminiumplatten 25 zweckmäßig möglichst gering gewählt wird, wahrend

beSen können Die oberhalb dieser Reaktionsschie- bei kleinen Geschwindigkeiten und a tern.crender

SenT6und17 angeordneten Magnetsysteme 14 und 15 Polarität ein gewisser Abstand vorteilhaft .st der im

umfassen jeweils vier an den FahrzeuglängsTeiten Tn Diagramm gemäß der F, g. 7 mit /„ bezeichne ist Mit

_FTh trichting hintereinander angeordnete Magnete mit einem Umpolen der Polarität be.sp.elswe.se bei k einen

rechteckigem Ouerschnitt. die durch Schleifen 20 bis 23 30 Geschwindigkeiten ,st zwar zunächst ein geringer

bzw 25 Ss 28 der Ströme in ihren Spulen angedeutet Zuwachs der Bremsverluste verbunden, der aber durch

Dzw. Z3 uis ^o uv. . 1. . . . _ein verkleinern der Abstände mit zunehmender

sind. Während das Fahrzeug 10 in Fig. 5 mit einer Geschwindigkeit ν < v„ über die Reaktionsschienen 16 und 17 geführt wird, bewegt sich nach Fig. b das Fahrzeug 10 mit einer Geschwindigkeit ν > ι,- Die Geschwindigkeit v„ ergibt sich gemäß Fig. 1 aus dem Schnittpunkt der Kurven der geschwindigkeitsabhängigen spezifischen Bremsverluste der Magnetsysteme mit gleicher bzw. alternierender Polarität seiner einzelnen Magnete. Deshalb ist in F i g. 5 die Polarität benachbarter Magnete, beispielsweise der Magnete 20 und 21. verschieden, d.h. die Stromrichtungen in den Spulen dieser Magnete sind an den einander zugewandten Stirnseiten gleich. Nach Fig.6 sind hingegen die Stromrichtungen und damit die Polaritäten in den Magneten jeder Magnetreihe 20, 26, 22, 28 bzw. 25, 21, 27, 23 gleich. Wie in F i g. 5 durch Pfeile angedeutet ist. läßt sich die Magnetfeldkonfiguration gemäß Fig.6 dadurch erreichen, daß man die Magnete 21 und 23 des Geschwindigkeit praktisch wieder ausgeglichen werden kann. In einem entsprechenden Fahrzeug mit einem

Magnetsystem gemäß dieser Weiterbildung der t.rfindung ist deshalb der Abstand benachbarter Magneten mechanisch veränderbar, d. h. diese Magnete sind zumindest teilweise in Fahrtrichtung beweglich angeordnet.

Ein oder mehrere Magnetsysteme eines Fahrzeugs können bei einem Anfahr- und Beschleunigungsvorgang deshalb vorteilhaft so betrieben werden, daß zunächst im Geschwindigkeitsbereich unterhalb der vorbestimmten Geschwindigkeit v„ die einander benachbarten

Magnete des Magnetsystems mit jeweils verschiedenen Polaritäten in dem Absland / angeordnet werden, daß mit zunehmender Geschwindigkeit etwa bei c!cr Geschwindigkeit v_o ein Wechsel der Polarität einzelner

■naaDinanuii-raaen^MUMu^uv, Magnete so vorgenommen wird, daß alle einander 14 mit den Magneten 26 und 28 des 5° benachbarten Magnete gleiche Polarität besitzen und !"!"vertauscht daß darauf der Abstand der Magnete verkleinert wird.

Bne'Polaritätsänderung kann darüber hinaus auch Entsprechend kann bei einem Abbremsvorgang in durch eine elektrische Umpolung der entsprechenden umgekehrter Weise verfahren werden. SeTbetSeSeL der Magnete 21.23 und 26.28 Im Ausführungsbeispiel wurde em Magnet^

mmen werden. & g^än'¹·^das e™ elektrodynamisches NormalftaßsystenJ

vorgenommen _{Λ t} ^ _=i ^_ „;_,„„„ _M*_mnr hai darstellt. Für andere elektrodynamische Fehrungssvste-

me sind die Verhältnisse entsprechend. Die angedeateten Magnetsysteme nach der Erfindung können nicht

denr die Maenetlänge, die roiamax, ac. .v.^..««.«- nur zur Erzeugung von Habkräften verwendet werden. stanidieFahrieoggeschwindigkek sowie die Schienen- 60 Man kann auch settenstabilisierende rahrangskn^ oarameter wie beispielsweise die Dicke oder Leitfähig- durch entsprechende Anordnungen solcher Magnetsyikeft der Schienen, hängen in komplizierter Weise sterne an den Fahrzeugen hervorrufen, miteinander zusammen. Bei einem Fahrzeug ist es Die Schwebe- and Sritenrahnmgsragnetsystone

deshalb zweckmäßig, die Magnedänge und die Schie- können darüber hinaus auch miteinander ^f^^^ raenroarameter vorzugeben, jedoch die Polarität und den *5 sein. Entsprechende Magnetsysteme sind beispiels* AJjstand der Magnete untereinander als variable aus den deutschen Offenlegangsschriften 21 6066t {Jrößen in einem gewissen Bereich zuzulassen. 21 60 680 bekannt

ta Fig.? ist deshato in einem Diagramm die

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

9TgCIiUIlIItICIl wt101.11.

Ebenso wie die Polarität der einzelnen Magnete hat auch der Abstand der einander benachbarten Magnete einen Einfluß auf das Schwebeverhalten des Fahrzeugs; denn die Magnetlänge, die Polarität der Magnetab-

.. «-- * . -t. -1-^ -11-—J. p»* rnnnp Γ1ΙΡ Sf*rltPTl(*fl-

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Elektrodynamisches Magnetsystem zur berührungsfreien Führung eines entlang einer Fahrbahn bewegten Fahrzeugs mit mehreren mit dem Fahrzeug verbundenen und in Fahrtrichtung hintereinander angeordneten Magneten, dadurch gekennzeichnet, daß die Polarität einzelner

kannt (US-Patentschrift 34 70 828). Diese Anordnungen umfassen mehrere Fahrzeugschleifen, die an beiden Seiten eints 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 hintereinanderliegender Fahrzeugschleifen nahe aneinandergebracht werden können. Als Fahrzeug- «Mileifen dienen supraleitende Magnete mit rechtecki-