DE2523888C2 - Magnetisches Führungssystem zur berührungsfreien Schwebeführung eines bewegten Fahrzeugs - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf ein magnetisches Führungssystem zur berührungsfreien Schwebeführung eines bewegten Fahrzeugs nach dem elektrodynamischen Abstoßungsprinzip längs einer an einer Fahrbahn befestigten Führungsschiene, die zwei sich in Führungsrichtung erstreckende, senkrecht zueinander angeordnete Schienenteile enthält, mit einer ersten fahrzeugfesten, supraleitenden Magnetschleife, die oberhalb und parallel zu dem einen Schienenteil zu führen ist und mit diesem ein Normalflußsystem bildet, und mit einer zweiten fahrzeugfesten, supraleitenden Magnetschleife, die parallel zu dem weiteren Schienenteil zu führen ist.

Ein derartiges magnetisches Führungssystem ist aus der Veröffentlichung »Proc. IEEE«, Vol.61, No.5, Mai 1973, Seite 577 bekannt

Zur berührungsfreien, magnetischen Schwebeführung eines Fahrzeugs mit hoher Geschwindigkeit, insbesondere über 400 km/h, werden zweckmäßig supraleitende Magnetspulen vorgesehen, die am Fahrzeug befestigt sind. Diese Magnetspulen, die auch als Magnetschleifen bezeichnet werden, rufen in schienenartigen Reaktionskörpern aus elektrisch leitendem, nichtmagnetischem Material Wirbelströme hervor, die zu magnetischen Abstoßungskräften führen, die als Hub- oder Seitenführungskräfte für das mit den Magnetschleifen verbündene Fahrzeug dienen.

Für eine solche elektrodynamische Führung eines Fahrzeugs sind zwei Magnetfeldkonfigurationen mit entsprechenden Führungsschienen bekannt. Bei dem sogenannten Normalflußsystem, wie es beispielsweise der US-Patentschrift 35 89 300 zu entnehmen ist, wird ein Magnetfeld, das von einer stromdurchflossenen Magnetschleife erzeugt wird, die im allgemeinen an der Unterseite eines Fahrzeugs montiert ist, über einer Anordnung von metallischen Leiterschleifen aus nichtmagnetischem Material bewegt Diese Anordnung von Leiterschleifen kann auch als kontinuierliche Führungsschiene gestaltet sein. Sein Magnetfeld induziert in dieser Schiene Wirbelströme, die ihrerseits ein Magnetfeld hervorrufen, das dem Erregerfeld der fahrzeugfesten Magnetschleife entgegengerichtet ist Dieses Magnetfeld ruft somit eine Hubkraft hervor, die proportional ist dem Produkt aus dem Schienenstrom und der Feldkomponente in Richtung der Breite des Schienenkörpers. Aufgrund dieser Hubkraft wird das Fahrzeug von der Schiene abgestoßen.

Mit den Wirbelströmen ist jedoch auch eine Bremskraft verbunden, die proportional dem Quadrat der Feldkomponente ist, die senkrecht zur Ausdehnung der Führungsschiene verläuft Beim Normalflußsystem ist diese FeldkompoEonte verhältnismäßig groß. Mit der Erzeugung der erforderlichen Hubkraft werden somit zugleich auch große Bremskräfte erzeugt die von einem Antriebssystem der mit dem Fahrzeug verbundenen Magnetschleife überwunden werden müssen.

Das aus der genannten Veröffentlichung »Proc. IEEE« bekannten magnetischen Führungssystem hat mindestens eine L-förmige Führungsschiene, an deren beiden senkrecht zueinander angeordneten Schienenteilen je eine Magnetschleife parallelgeführt wird. Diese Magnetschleifen sind unmittelbar zueinander benachbart auf der einen Seite der Führungsschiene angeordnet und bilden jeweils mit dem ihnen zugeordneten Schienenteil ein Normalflußsystem (vgl. Fig. 13a und c). Die Bremskräfte dieses Systems sind somit entsprechend hoch und auch die magnetische Wechselwirkung zwischen den benachbarten Magnetschleifen sehr stark. Außerdem ist bei diesem Führungssystem stets eine weitere Magnetschleife für eine stabile Seitenführung erforderlich.

Mit einem weiteren elektrodynamischen Führungssystem, dem sogenannten Nullflußsystem, wie es beispielsweise aus der Zeitschrift »Cryogenics«, 1971, Seiten 192 bis 204 bekannt ist läßt sich durch zwei entgegengesetzt polarisierte Magnetfelder gleicher Stärke, die sich gegenüber stehen, in ihrer gemeinsamen Symmetrieebene eine Zone erzeugen, in der die Induktion in Richtung der Dicke der Schiene null ist, die Induktion in Richtung der Breite der Führungsschiene und senkrecht zur Bewegungsrichtung des Fahrzeugs jedoch doppelt so groß ist wie bei einer einzigen Magnetschleife. Mit einer Auslenkung der Schiene aus diesem sogenannten 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 Führungsschiene und senkrecht zur Bewegungsrichtung des Fahrzeugs bei kleinen Auslenkungen annähernd konstant bleibt Man kann deshalb mit verhältnismäßig kleinen Schienenströmen die gleiche Hubkraft wie bei dem Normalflußsystem erzeugen. Hingegen ist das Verhältnis von Bremskraft zu Hubkraft wesentlich kleiner als bei dem Normalflußsystem.

Das Nullflußsystem hat zwar den Vorteil, daß die von ihm erzeugten Bremskräfte verhältnismäßig klein gehalten werden können und daß beispielsweise bei einer horizontalen Anordnung der Magnetschleifen und der Führungsschiene eine eigenstabile Hubführung nach oben und nach unten gewährleistet ist Bei diesem System sind jedoch als Magnetschleifen stets zwei gegensinnig erregte Magnetspulen, die sich mit großen Kräften abstoßen. Aufgrund dieser sogenannten Spreiz-

kräfte ist eine mechanisch ausreichend feste Halterung der Magnetschleifen am Fahrzeug vorgesehen, die ein großes Eigengewicht aufweist und über die größere Wärmemengen auf die tiefgekühlten Wicklungen der Magnetschleifen übertragen werden köaien.

Aufgabe der Erfindung ist es nun, das eingangs genannte magnetische Führungssystem dahingehend zu verbessern, daß sein Verhältnis von magnetischer Führungskraft zu Bremskraft größer als bei diesem bekannten Führungssystem ist Außerdem sollen die iu magnetische Wechselwirkung zwischen den beiden Magnetschleifen verringert und eine stabile Seitenführung ohne zusätzliche Magnetschleifen möglich sein.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Hauptanspruch gekennzeichneten Merkmale gelöst

Ein derartiges magnetisches Führungssystem hat insbesondere den Vorteil, daß sich aufgrund der besonderen räumlichen Zuordnung der beiden Magnetschleifen gegeneinander die magnetische Wechselwirkung so vermindern läßt daß entsprechend leichtere Halterungen für die Magnetschleifen verwendet werden können, die eine verhältnismäßig geringe Wärmeeinleitung auf die tiefgekühlteii Wicklungen der Magnetschleifen von außen bewirken. Darüber hinaus ist im gesamten Geschwindigkeitsbereich die spezifische Verlustleistung des Magnetsystems kleiner im Vergleich zu den beiden Normalflußsystemen der aus der genannten Veröffentlichung »Proc. IEEE« bekannten Magnetschleifen. Unter der spezifischen Verlustleistung des Magnetsystems versteht man dabei im allgemeinen den Quotienten aus den Bremsverlusten zur Führungskraft Die Bremsverluste stellen dabei das Produkt aus der in dem Führungssystem auftretenden Bremskraft und der Fahrzeuggeschwindigkeit dar. Der Erfindung liegt nämlich die Erkenntnis zugrunde, daß es sich bei dem Seitenführungssystem um einen Teil eines herkömmlichen elektrodynamischen Nullflußsystems handelt Bei diesem auch als elektrodynamisches Quasi-Nullflußsystem bezeichneten Führungssystem sind im Gegensatz zu dem Nullflußsystem herkömmlicher Bauart seine beiden Magnetschleifen nicht parallel zueinander, sondern senkrecht zueinander angeordnet. Das Magnetsystem wird längs eines Schienenteils geführt das in einer Ebene liegt, die auch als Quasi-Nullflußebene bezeichnet werden kann. Das Quasi-Nullflußsystem zur Seitenführung erhält man beispielsweise aus einem Nullflußsystem herkömmlicher Bauart dadurch, daß die eine seitlich des in einer Nullflußzone abgeordneten Schienenteils geführte Magnetschleife um 90° aus der vertikalen in die horizontale Ebene gedreht wird. Die spezifische Verlustleistung dieses Quasi-Nullflußsystems ist deutlich geringer als die entsprechende Verlustleistung eines Normalflußsystems.

Das Gewicht eines Fahrzeugs kann sich ferner noch verringern lassen, wenn gemäß einer weiteren Ausbildung des Magnetsystems nach der Erfindung mindestens eine seiner beiden Magnetschleifen zum Antrieb eines Linear-Synchron-Motors dient

Femer können auch die von den Magnetschleifen hervorgerufenen Magnetfelder verschieden groß sein. Im allgemeinen sind nämlich für ein magnetisches Führungssystem größere Hubkräfte als Seitenkräfte erforderlich. Es läßt sich so eine Anpassung an die erforderlichen Kraftverhältnisse und somit eine Begrenzung eiler spezifischen Verlustleistung erreichen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsfor men erläutert Dabei ist in

F i g. 1 ein Ausführungsbeispiel eines magnetischen Führungssystems veranschaulicht Die

F i g. 2 und 3 zeigen weitere Ausbildungsmöglichkeiten von magnetischen Führungssystemen gemäß der Erfindung.

Nach F i g. 1 ist das als Querschnitt dargestellte magnetische Führungssystem zugleich zu einer elektrodynamischen Hub- und Seitenführunc eines Fahrzeugs vorgesehen. Die dem Quasi-Nullflußsystem zugeordnete Führungsschiene ist deshalb im Querschnitt L-förmig ausgebildet und enthält einen horizontalen, auf einer Fahrbahn 21 befestigten Schienenteil 33, der an seiner rechten äußeren Seite mit einem vertikalen Schienenteil

32 verbunden ist Die Teile 32 und 33 können beispielsweise einen gemeinsamen Profilkörper bilden oder voneinander elektrisch getrennt sein. Der vertikale Schienenteil 32 ist zwischen zwei Magnetschleifen 30 und 31 des Quasi-Nullflußsystems angeordnet, wobei rte Magnetschleife 30 parallel und oberhalb des horizontalen Schienenteils 33 und die Magnetschleife 31 parallel und seitlich des vertikalen Schienenteils 32 geführt wird. In der Figur ist ferner angedeutet, daß die vertikale Magnetschleife 31 zugleich als Erregerwicklung für einen Linear-Synchron-Motor eines in der Figur nicht dargestellten Fahrzeugs, an dem die beiden Magnetschleifen 30 und 31 des Quasi-Nullflußsystems befestigt sind, dienen kann. Hierzu ist parallel zu der Magnetschleife 31 in der Fahrbahn 21 die aktive Wicklung 28 des Linear-Synchron-Motors angeordnet

Zur Seitenführung dient das Quasi-Nullflußsystem mit den beiden Magnetschleifen 30 und 31 und dem zwischen ihnen angeordneten vertikalen Schienenteil 32, während eine Hubführung mittels der Magnetschleife 30 und dem ihr zugeordneten horizontalen Schienenteil 33 ermöglicht wird. Magnetschleife 30 und Schienenteil 33 stellen dabei ein Normalflußsystem herkömmlicher Bauart dar.

Die beiden Ebenen, in denen die Magnetschleifen 30 und 31 angeordnet sind, schneiden sich etwa an dem unteren Seitenteil 35 der Magnetschleife 31. Die Magnetschleife 30 kann somit in einem geringen Abstand zu dem horizontal angeordneten Schienenteil

33 der Führungsschiene geführt werden. Das von dieser Magnetschleife und dem ihm zugeordneten Schienenteil ausgebildete Normalflußsystem weist somit entsprechend höhere Hubkräfte auf. Bei dieser Gestaltung eines Magnetsystems nach der Erfindung fließen jedoch in den Magnetschleifen 30 und 31 die Erregerströme vorteilhaft in solchen Richtungen, daß sie an den einander zugewandten Seitenteilen 34 und 33 der Magnetschleifen 30 bzw. 31 entgegengerichtet sind. Die spezifische Verlustleistung des Magnetsystems ist dann wesentlich kleiner als bei gleicher Stromflußrichtung an den Seitenteilen 34 und 35.

Das in F i g. 2 als Querschnitt dargestellte Magnetsystem besteht im wesentlichen aus zwei spiegelbildlich zueinander angeordneten Quasi-Nullflußsystemen gemäß Fig. 1. Hierzu ist die Führungsschiene als im Querschnitt U-förmiger Profi'körper ausgebildet Sie umfaßt einen horizontalen Schienenteil 38, an dessen beiden Längsseiten jeweils ein Schienenteil 36 bzw. 37 vertikal angeordnet ist Parallel zu diesen vertikalen Srhienenteilen 36 und 37 und außerhalb der U-förmigen Führungsschiene werden zwei Magnetschleifen 39 und 40 geführt, während parallel und oberhalb des horizontalen Schienenteils 38 sich eine weitere Magnetschleife 41 befindet. Diese Magnetschleife 41 bildet

zusammen mit dem ihr zugeordneten Schienenteil 38 ein Normalflußsystem zur Hubführung, während sie zusammen mit den vertikal angeordneten Magnetschleifen 39 und 40 jeweils ein Quasi-Nullflußsystem zur Seitenführung darstellt.

Nach F i g. 3 ist als Ausführungsbeispiel eine Anordnung von zwei Magnetsystemen nach der Erfindung an der Unterseite eines nicht näher ausgeführten Fahrzeugs 45 vorgesehen. Diese beiden Magnetsysteme, die mit 47 und 48 bezeichnet sind, entsprechen im wesentlichen den in F i g. 1 dargestellten Magnetsystemen und weisen jeweils eine vertikale Magnetschleife 50 bzw. 51 und eine horizontale Magnetschleife 52 bzw. 53 auf. Die beiden Magnetsysteme stützen sich jeweils an einer Führungsschiene ab, deren Querschnitt jeweils ein um !80° gedrehtes großes T in sich bildet. Die horizontalen Teile diese Führungsschienen sind mit 55 und 56 und die vertikalen Teile mit 57 und 58 bezeichnet Gegenüber den Ausführungsformen der Führungsschienen nach der F i g. 1 ist der horizontale Schienenteil 55 bzw. 56 jeder dieser Schienen soweit verlängert, daß er sich bis unterhalb der vertikal angeordneten Magnetschleife 50 bzw. 51 des zugeordneten Quasi-Nullflußsy-

s stems erstreckt Auch von diesen vertikal angeordneten

Magnetschleifen 50 und 51 können somit Hubkräfte

nach dem elektrodynamischen Normalflußprinzip zur

Schwebeführung des Fahrzeugs hervorgerufen werden. Da die zur Seitenstabilisierung eines Fahrzeugs

ίο erforderlichen Führungskräfte im allgemeinen geringer sind als die Hubkräfte zur Schwebeführung, kann es ferner für die kombinierten Hub- und Seitenführungssysteme nach den Figuren gegebenenfalls ausreichend sein, zur Seitenstabilisierung Schienen geringerer Ausdehnung als zur Schwebeführung vorzusehen und auch die zur Seitenführung dienenden Magnetschleifen kleiner auszugestalten, so daß die von ihnen hervorgerufenen Magnetfelder geringer als die zur Hubführung erforderlichen sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Magnetisches Führungssystem zur berührungsfreien Schwebeführung eines bewegten Fahrzeugs nach dem elektrodynamischen Abstoßungsprinzip s längs einer an einer Fahrbahn befestigten Führungsschiene, die zwei sich in Führungsrichtung erstrekkende, senkrecht zueinander angeordnete Schienenteile enthält, mit einer ersten fahrzeugfesten, supraleitenden Magnetschleife, die oberhalb und ι ο parallel zu dem einen Schienenteil zu führen ist und mit diesem ein Normalflußsystem bildet, und mit einer zweiten fahrzeugfesten, supraleitenden Magnetschleife, die parallel zu dem weiteren Schienenteil zu führen ist, dadurch gekennzeichnet, is daß die zweite Magnetschleife (31; 39, 40; 50, 51) längs der von der ersten Magnetschleife (30; 41; 52, 53) abgewandten Flachseite des weiteren Schienenteils (32; 36,37; 57,58) zu führen ist und daß die in den etwa L-förmig zueinander angeordneten Magnetschleifen fließenden Erregerströme an den einander zugewandten Seitenteilen (34, 35) der Magnetschleifen entgegengerichtet sind.

2. Magnetisches Führungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine der beiden Magnetschleifen (31) zur Erregung eines Linear-Synchron-Motors dient (Fig. 1).

3. Magnetisches Führungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die von den Magnetschleifen hervorgerufenen Magnetfelder verschieden groß sind.