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Magnetsystem für die spurgebundene Schwebeführung eines bewegten Fahrzeugs
Die Erfindung bezieht sich auf ein Magnetsystem für die spurgebundene Schwebe führung
eines bewegten Fahrzeugs mit einer supraleitenden Fahrzeugschleife, die parallel
und oberhalb einer Reaktionsschiene aus nichtmagnetischem, elektrisch leitendem
Material angeordnet ist.
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Zur berührungsfreien, magnetischen Führung von Fahrzeugen mit hoher
Geschwindigkeit, insbesondere über 400 klih, können supraleitende Magnet schleifen
verwendet werden, die beispielsweise an dem Fahrzeug befestigt sind und deshalb
auch als Fahrzeugschleifen bezeichnet werden. Diese Magnet schleifen rufen in schienenartigen
Reaktionskörpern aus nichtmagnetischem, elektrisch leitendem Material Wirbelstrdme
hervor, deren magnetische Abstoßungskräfte als Hub-. oder Seitenführungskräfte für
das Fahrzeug dienen.
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Für eine solche elektrodynamische Führung eines Fahrzeugs ist beispielsweise
aus der US-Patentschrift 3 589 300 ein sogenanntes Normalflußsystem bekannt. Bei
diesem Normalflußsystem wird ein Magnetfeld, das von einer stromdurchflossenen supraleitenden
Spule erzeugt wird, die im allgemeinen an der Unterseite eines Fahrzeugs montiert
ist, über eine horizontale Anordnung von metallischen Schleifen aus nlchtmagnetischem
Material bewegt. Diese Schleifen können auch als kontinuierliche Schiene gestaltet
sein. Das Magnetfeld der supraleitenden Spule induziert in diesem schienenartigen
Reaktionskdrperp der auch als Reaktionsschiene bezeichnet wird, Wirbelströme, die
ihrrseits ein Magnetfeld erzeugen, das dem Erregerfeld entgegengerichtet ist. Durch
diese Magnetfelder wird das Fahrzeug von der Reaktionsschiene abgestoßen
und
dadurch eine Hubkraft erzeugt, die proportional ist dem Produkt aus dem Schienenstrom
und den dazu senkrecht gerichteten Feldkomponenten in der horizontalen Ebene der
Reaktionsschiene. Die Wirbelstromverluste und die damit erzeugte Bremskraft sind
dagegen proportional dem Quadrat der Feldkomponente, die senkrecht zur horizontalen
Ebene der Reaktionsschiene verläuft. Bei einem Normalflußsystem ist diese Feldkomponente
verhältnismäßig groß. Mit der Erzeugung der erforderlichen Hubkraft werden somit
zugleich auch große Wirbelströme und entsprechend große Bremskräfte erzeugt.
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Das Normalflußsystem benötigt im Gegensatz zu einem beispielsweise
aus der Zeitschrift "Cryogenics" 1971, Seiten 192 bis 204 bekannten Nullflußsystem
im allgemeinen nur eine Magnetschleife und ermöglicht ferner eine einfache Schienenkonstruktion.
Es genügt nämlich eine kontinuierliche Platte, die sich beispielsweise am Boden
liegend abstützen läßt.
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Aus der deutschen Patentschrift 2 203 203 ist ein weiteres Normalflußsystem
bekannt, dessen Bremskräfte gegenüber dem aus der US-Patentschrift 3 589 300 bekannten
System geringer sind. Dieses Magnetsystem enthält eine supraleitende Fahrzeugschleife,
die mit einem ferromagnetischen Körper verbunden ist, dessen U-förmiges Profil die
Fahrzeugschleife umgibt. Parallel zur Fahrzeugschleife ist zwischen seinen Schenkeln
eine horizontale Reaktionsschiene angeordnet. Dieser ferromagnetische Körper bildet
einen magnetischen Rückschluß für das Feld der Fahrzeugschleife und formt zugleich
den Verlauf des Feldes in der Reaktionsschiene derart, daß die Flußkomponenten in
der horizontalen Ebene der Reaktionsschiene groß ist. Mit dieser Anordnung können
somit große Hubkraft und zugleich verhältnismäßig kleine Bremskräfte erzeugt werden.
Darüber hinaus ermöglicht dieses Magnetsystem eine einfache Konstruktion der Fahrzeugschleifen
und ihrer Befestigung am Fahrzeug und zugleich eine einfache Konstruktion der Reaktionsschiene
und ihrer Abstützung am Schienenfundament der Fahrbahn.
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Die ferromagnetischen Materialien des Rückschlußkörpers um die Fahrzeugschleife
können jedoch in magnetische Sättigung übergehen. Ab einer vorbestimmten Induktion
kann dann dieser Rückschlußkörper den magnetischen Fluß nicht mehr in der gewünschten
Form führen, und die Vorteile dieser Anordnung, insbesondere ihre verhältnismäßig
geringen Bremskräfte, sind dann nicht mehr gegeben.
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Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, diese bekannte Ausfghrungsform
eines Magnetsystems zu verbessern. Insbesondere soll auch bei sehr hohen Magnetfeldstärken
eine Magnetfeldkonfiguration erzeugt werden, die trotz großer Schwebehöhen verhältnismäßig
geringe Bremskräfte aufweist und eine einfache Konstruktion erlaubt.
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Ausgehend von einem Magnetsystem der eingangs genannten Art wird diese
Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Fahrzeugschleife mit zwei weiteren
senkrecht zu ihr und untereinander parallelen, supraleitenden Magnetschleifen eine
Magneteinheit mit U-förmigem Profil bildet, und daß die Polaritäten jeweils einander
benachbarter Seiten der Fahrzeugschleife und Magnetschleifen gleich sind, und daß
die Reaktionsschiene senkrecht zu den Magnet schleifen zwischen diesen angeordnet
ist.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
daß bei dem Magnetsystem auch bei hohen Feldstärken das Verhältnis von Hubkraft
zu Bremskraft größer als bei einem Normalflußsystem der bekannten Art ist; denn
mit der erreichten Magnetfeldkonfiguration wird die Flußkomponenc te in Richtung
der Reaktionsschiene klein gehalten. Dagegen sind die Flußkomponenten in Richtung
der Ebene der Reaktionsschiene verhältnismäßig groß. Das Magnetsystem nach der Erfindung
erlaubt eine einfache Anordnung der supraleitenden Magnetspulen am Fahrzeug und
zugleich eine einfache Ausbildung der Reaktionsschiene, die beispielsweise auf einem
quaderförmigen Schienenfundament befestigt sein kann. Die Abstoßungskraft zwischen
der Magneteinheit aus Fahrzeugschleife
und Magnet schleifen und
der Reaktionsschiene kann als Hubkraft für das Fahrzeug dienen, während dann das
Fahrzeuggewicht die Rückstellkraft darstellt.
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Eine Weiterbildung dieses Magnetsystems besteht darin, daß der senkrechte
Abstand zwischen den beiden parallelen Magnetschleifen nur einige Zentimeter größer
als die Breite der Reaktionsschiene ist. Die zwischen diesen Magnetschleifen und
den beiden Schmalseiten der Reaktionsschiene ausgebildeten Luftspalte, die vorteilhaft
mittels eines zusätzlichen Seitenführungssystems annähernd konstant gehalten werden
können, sind dann verhältnismäßig klein. Somit ist aber die horizontale Feldkomponente
der magnetischen Induktion in der Reaktionsschiene, die bekanntlich die senkrechte
Abstossungskraft zwischen der Reaktionsschiene und der Fahrzeugschleife bewirkt,
verhältnismäßig groß im Vergleich zu den Bremskräften des Magnetsystems.
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Nach einer weiteren Ausbildung des Magnetsystems nach der Erfindung
ist vorgesehen, daß zwei etwa um 900 gegeneinander versetzte und jeweils etwa 450
gegen eine horizontale Ebene geneigt angeordnete Magneteinheiten ein Hub- und Seitenführungssystem
für ein Fahrzeug bilden. Besondere Seitenstabilisierungssysteme sind dann für ein
derartiges Magnetsystem nicht mehr erforderlich.
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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung und deren in den Unteransprüchen
gekennzeichneten Weiterbildungen wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der in
Figur 1 schematisch der Feldverlauf in einem Magnet system nach der Erfindung gezeigt
ist. In Figur 2 ist eine Anwendung dieses Magnetsystems für eine Schwebebahn veranschaulicht.
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In Figur 1 ist eine Fahrzeugschleife 2 für hohe Ströme, die vorzugsweise
eine supraleitende Spule sein kann, in einer horizontalen Ebene angeordnet. Ferner
sind zwei weitere supraleitende Magnetschleifen 4 und 6 vertikal und parallel zueinander
so angeordnet, daß sie mit der Fahrzeugschleife 2
eine Magneteinheit
mit etwa U-förmigem Profil bilden. Die -drei Schleifen dieser Magneteinheit können
beispielsweise am Unterbau eines in der Figur nicht dargestellten Fahrzeugs angebracht
und mit ebenfalls nicht gezeigten Kilh1vorrichtungen versehen sein. Zwischen den
beiden seitlichen Magnetschleifen 4 und 6 ist horizontal und parallel zu der Fahrzeugschleife
2 eine Reaktionsschiene 8 angeordnet. Diese Reaktionsschiene ist vorteilhaft so
breit, daß zwischen ih--ren vertikalen Seitenflächen und der jeweils zugeordneten
Magnetschleife 4 bzw. 6 nur ein verhältnismäßig kleiner Luftspalt 9 bzw. 10 von
einigen Zentimetern Breite, beispielsweise jeweils 3 cm, ausgebildet ist. Die Reaktionsschiene
8 besteht aus Metall, insbesondere aus einem nichtmagnetischen, aber elektrisch
gutleitendem Material wie beispielsweise Aluminium, und bildet eine geschlossene
Schiene, oder sie kann auch aus einzelnen, in Bewegungsrichtung des Fahrzeugs hintereinandergereihten
Schleifen bestehen.
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Ferner kann vorzugsweise die Reaktionsschiene 8 lamelliert sein. Sie
besteht dann aus einzelnen, in der Art eines Sandwich-Systems aufeinandergelegton
Einzelplatten. Mit dieser Gestaltung der Schiene wird erreicht, daß im wesentlichen
nur die Komponenten der Wirbelströme zur Hubkrafterzeugung wirksam sind, die in
der Ebene prarallel zur Ebene der sie erzeugenden Ströme der Fahrzeugschleife 2
liegen. Die Ubrigen Komponenten, die lediglich Bremskräfte und somit Verluste erzeugen,
sind dann wesentlich vermindert.
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Die Reaktionsschiene 8 ist mit Hilfe eines Schienenfundamentes 12
aus nichtleitendem Material wie beispielsweise Beton auf einem in der Figur nicht
dargestellten Bahnkörper befestigt. Das Schienenfundament 12 hat zusammen mit der
Reaktionsschiene 8 einen rechteckigen Querschnitt und ragt in den kanalförmigen
Raum des Magnetsystems hinein. Dieses Magnetsystem wird somit während der Bewegung
des -Fahrzeugs in Längsrichtung der Reaktionsschiene 8 senkrecht zur Zeichenebene
geführt.
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Die Stromrichtungen in der Fahrzeugschleife 2 und ihrer benachbarten
Magnetschleife 4 Dzw, 6 sind an den einander benachbarten Stirnseiten gleich, d.
h. die Schleifen weisen dort die gleiche Polarität auf. Wie in der Figur durch Feldlinien
und Pfeile angedeutet ist, erhält man damit eine Magnetfeldkonfiguration, die am
Ort der Reaktionsschiene eine magnetische Induktion B mit einer großen Horizontalkomponente
h und einer senkrecht dazu, in der Figur nicht dargestellten Horizontalkomponente
BX sowie einer kleinen Vertikalkomponente Bz hervorruft. Da das Produkt aus Eorizontalkomponente
N und Vertikalkomponente BZ ein Maß für die Hubkraft und das Quadrat der Vertikalkomponente
BZ für die Bremskraft des Magnetsystems sind, läßt sich mit diesem Feldverlauf der
Quotient aus Hub- und Bremskraft verhältnismäßig klein halten. Wirkt nun auf die
Fahrzeugschleife 2 eine Kraft, beispielsweise die Schwerkraft eines Fahrzeugs, dann
bewegt sich die Reaktionsschiene 8 relativ zum Fahrzeug nach oben in ein Gebiet,
in dem sowohl die Horizontalkomponente W als auch die Vertikalkomponente BZ der
magnetischen Induktion und damit auch die Hubkraft -zunimmt. In diesem Magnetsystem
wird dann eine entsprechend höhere Induktion in der Reaktionsschiene 8 und damit
auch eine höhere Hubkraft erzielt.
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Das in Figur 1 als Subsystem dargestellte Magnetsystem nach der Erfindung
kann auch zu einer berührungsfreien, seitlichen Führung eines Fahrzeugs verwendet
werden. Hierzu sind beispielsweise die Reaktionsschiene 8 und die Fahrzeugschleife
2 vertikal und somit die beiden MagnetSchleifen 4 und 6 horizontal anzuordnen. Zur
Seitenführung eines Fahrzeugs können aber auch andere elektrodynamische Magnetsysteme
wie beispielsweise Nullflußsysteme dienen, die auch mit einer oder mehreren der
Schleifen 2, 4 und 6 kombiniert sein können.
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Ferner werden vorteilhaft die Feldstärken der Fahrzeugschleife 2 und
der Magnetschleifen 4 und 6 so gewählt, daß wahrend
des Fahrbetriebes
eines mit derartigen Magnetsystemen versehenen Fahrzeugs die Reaktionsschiene 8
etwa in der gemeinsamen Ebene der Mittelsenkrechten auf den beiden Magnetschleifen
4 und 6 geführt wird. Die von diesen beiden Schleifen in der Reaktionsschiene 8
erzeugten Bremskräfte sind somit verhältnismäßig gering. Unter Umständen kann sich
dann auch ergeben, daß sich die Fahrzeugschleife 2 von den beiden Magnet schleifen
4 und 6 sowohl in ihren geometrischen Maßen wie auch in ihren elektrischen Betriebsdaten
unterscheidet.
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Nach Figur 2 ist an beiden Seiten am Unterbau 14 eines nicht näher
ausgeführten Fahrzeugs jeweils ein Magnetsystem angeordnet, wie es in Figur 1 dargestellt
ist. Die beiden Magnetsysteme, die mit 16 und 17 bezeichnet sind, umfassen jeweils
drei supraleitende Magnetspulen 22, 24 und 26 bzw. 32, 34 und 36 in U-förmiger Anordnung
und umschließen jeweils eine Reaktionsschiene 28 bzw. 38, die auf einem Schienenfundament
15 befestigt sind. Die beiden Magnetsysteme sind zusammen mit den ihnen zugeordneten
Reaktionsschienen nach außen hin 0 um etwa 45 aus der Horizontalebene abgewinkelt
angeordnet.
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Es läßt sich somit für das Fahrzeug eine Führungskraft zwischen jeder
Reaktionsschiene und dem dazugehörigen Magnetsystem erzeugen, die sowohl eine vertikale
Komponente als Hubkraft als auch eine horizontale Komponente als Seitenführungskraft
aufweist. Ein besonderes Seitenstabilisierungssystem entfällt damit.
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Zum Antrieb des Fahrzeugs kann beispielsweise ein Linearmotor dienen.
In der Figur ist deshalb zwischen den beiden Magnetsystemen 16 und 17 auf der mittleren,
horizontalen Oberseite 30 des Schienenfundamentes 15 die Erregerwicklung 40 eines
synchronen Linearmotors angeordnet. Parallel zu ihr ist am Boden des Fahrzeugs 14
eine entsprechende Magnetschleife 42, beispielsweise eine supraleitende Magnetspule,
befestigt, die somit in Wechselwirkung mit der Erregerwicklung 40 treten kann.
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Als Fahrzeugantrieb können auch andere Linearmotorsysteme
wie
beispielsweise asynchrone Linearmotore mit ein- oder doppelseitiger Ständerausfuhrung
dienen. Im allgemeinen sind diese Antriebe in' der Fahrzeug- bzw. Fahrbahnmitte
angeordnet. Dabei können entweder die aktiven oder passiven Teile des Antriebs am
Unterbau des Fahrzeugs angebracht sein.
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Das im Ausführungsbeispiel beschriebene Magnetsystem ist ebenso auch
für ein Fahrzeug geeignet, das längs einer an einer entsprechenden Tragvorrichtung
befestigten Reaktionsschiene schwebend geführt wird.
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6 Patentansprüche 2 Figuren