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Hybrides Trag- und Führungssystem für
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spurgebundene Fahrzeuge Die Erfindung bezieht sich auf ein hybrides
Trag- und Führungssystem für spurgebundene Fahrzeuge unter Ausnutzung der Magnetschwebetechnik
bei hohen Fahrgeschwindigkeiten und herkömmlicher Rad/Schiene-Technsk im Halt.-
und Niedergeschwindigkeitsbereich.
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Solche hybriden Trag- und Führungssysteme sind besonders von der eiektrodynamischen
Schwebetechnik bekannt. Typisches Merkmal dieser Technik ist die Notwendigkeit einer
"Start- und Landeeinrichtung", da das Schwebeverfahren erst ab einer definierten
Geschwindigkeit voll einsetzen kann. Während der Hochgeschwindigkeitsphase kann
bis
Start- und Landeeinrichtung - zum Beispiel Räder in herkömmlicher
Rad/Schiene-Technik - eingezogen sein, das elektrodynamische Schwebesystem trägt
und führt das Fahrzeug in magnetischer Höhen- und Seitenfesselung auf einer Sondertrasse,
in der besondere Trag- und Führungsschienen eingebettet sind.
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Bekanntlich ist von den elektrodynamischen Schwebesystemen besonders
das des sogenannten Nullflunverfahrens für eine vollständige magnetische Fesselung
des Fahrzeuges auch gegen Entgleisungsstße geeignet. Durch die Verwendung jeweils
zweier gegensinnig erregter, die zugehörige Trag- oder Führungsschiene umschließende
Magnetsysteme wird hierbei eine Wirkung erzielt, die der Gegeneinanderschaltung
zweier vorgespannter Federn ähnelt. Liegt die Trag- oder Führungsschiene genau in
der Mitte zwischen den Fahrzeugspulen, wird die resultierende magnetische Kraft
auf die Führungsschiene zu Null. Dagegen steigen die Kräfte im interessierenden
Bereich der "Federkennlinie" proportional zur positiven oder negativen Abweichung
von der Nullage außerordentlich steil an und bewirken eine starke, berührungsfreie
Fesselung an die Trag- und Führungsschienen.
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Bei magnetischer Kraftwirkung auf die Trag- oder Führungsschie neun,
also in Bereichen außerhalb der Nullage, treten bei Hochgeschwindigkeitsfahrt des
Fahrzeuges Wirbelstromverluste in diesen Schienen auf. Diese Verluste setzen sich
aus statischen Verlusten, die durch die Fahrzeuggewichtsauslenkung bedingt sind,
nd9 und aus dynamischen Verlusten, zum Beispiel durch Seitenschwingungen der FUhrüngsspulen
un die Führungsschienen zusammen.
Das sind Verluste, die den Vortrieb
des Fahrzeugs hemmen und vom Antrieb zusätzlich aufgebracht werden müssen.
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Zweck der Erfindung ist es, das bekannte elektrodynamische Schwebeverfahren
wirtschaftlich zu verbessern, wobei die spezielle Aufgabe insbesondere darin besteht,
die statischen Schwebeverluste auszuschalten.
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Diese Aufgabe wird für ein hybrides Trag- und Führungssystem der eingangs
genannten Art dadurch gelöst, daß während des Betriebes im hohen Fahrgeschwindigkeitsbereich
die Räder in Schienenkontakt unter Aufnahme der statischen Grundlast des Fahrzeuges
verbleiben und das Trag- und Führungssystem der Magnetschwebetechnik allein zur
Ausregelung dynamischer Unregelmäßigkeiten und Schwingungen während der Fahrt dienlich
ist. Dadurch, daß die statische Grundlastxauf den Rädern verbleibt, können die beachtlichen
statischen Schwebeverluste, die bei ca. 500 km/h rund 20 % der normalen Vortriebsleistung
entsprechen können, eingespart werden.
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In Ausgestaltung der Erfindung ist für den hohen Fahrgeschwindigkeitsbereich
ein elektrodynamisches Schwebesystem nach dem Nullflußverfahren, insbesondere in
Breitspurverlegung der Trag-und Führungsschienen und in Verbindung mit einem unsymmetrischen
Linearmotorantrieb, und für den Bereich niederer Fahrgeschwindigkeit ein Einzelradantrieb
in Normal spur mit einzeln abgefederten Rädern vorgesehen. Die Breitspurverlegung
der Trag- und Führungsschiene schafft die für Hochgeschwindigkeit günstigere
größere'Spurweite",
ohne die Normalspurweite der vorhandenen Gleise verlassen zu müssen. Gleichzeitig
wird mit der für die Bekämpfung der Fahrzeugschwingungen als sehr wirksam erkannten
Spurerweiterung der heute schon verlangte Fahrkomfort (TEE-Komfort) auch bei Höchstgeschwindigkeit
möglich. Die Achslager der einzeln abgefederten Räder können dabei hydraulisch niveaugeregelt
sein.
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Von Vorteil ist es, wenn die Einzelradantriebe im Bereich hoher Fahrgeschwindigkeit
mitlaufen und der jeweiligen Fahrzeuggeschwindigkeit entsprechend synchrone Radleerlaufdrehzahlen
liefern. Dabei sind zweckmäßig als Räder solche mit breiten zylindrischen Radlaufflächen
vorgesehen, von denen nur ein Teil mit Spurkränzen versehen ist. Weitere Merkmale
sind den Ansprüchen-in Verbindung mit der erläuternden und zugehörigen Beschreibung
zu entnehmen.
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Anhand eines in mehreren Ansichten schematisch dargestellten Drehgestells
werden Einzelheiten der Erfindung im nachstehenden näher erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 - die seitliche Ansicht eines für elektrodynamisches
Schweben sowie konventionellen Rad/Schiene-Betrieb ausgerüsteten Drehgestells im
Längsschnitt gemäß Schnittlinie 1-1 von Fig. 3.
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Fig. 2 - die Draufsicht auf das gemäß Schnittlinie 11-11 von Fig.
3 geschnittene Drehgestell.
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Fig. 3 zip die Ansicht auf das im Drehpunkt quergeschnitteine Drehgestell.
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Das in den Figuren dargestellte Drehgestell ist für Fahrbetrieb auf
konventionellen Schienen 1 in Normal spur sowie für elektrodynamisches Schweben
über eine Spur größerer Breite, gegeben durch die Trag- und Führungsschienen 2,3
(Fig. 3) ausgelegt. Beispielsweise sechs Räder 4, nur zum Teil mit Spurkränzen ausgerüstet,
haben direkten Einzelradantrieb 5 und sind wechselseitig versetzt angeordnet, wenn
man ein Zahnradgetriebe zwischen Motor und Radachse vermeiden will. Sie tragen über
Brückenträger 6 und deren Querträger 7, ferner über federnde Brückenträger 15 das
flache Primärteil 8 eines unsymmetrischen Linearmotors. Sein Sekundärteil aus Eisenblech
auf der Strecke ist mit 9 bezeichnet (Fig. 1 und 3) und so auf dem Schienenunterbau
befestigt, daß die Fläche durch die höchsten Linien der Schienenoberfläche von 1
sich mit der oberen Fläche von 9 deckt. Das Sekundärteil 9 ist von nicht gezeichneten
Querstäben eines Kurzschlußankers" durchzogen, der linear (5.Fig. 1) die gesamte
Hochgeschwindlgkeits-Trasse durchzieht. Die Drehgestellplatte 10 und die Wagenplatte
11 des Wagenkastens sind über gegeneinander verspannte Federn 12 der zentralen Drehachse
13 federnd abgestützt. Die Kraftübertragung des Linearmotors auf die Wagenplatte
11 erfolgt über Zugstangen 14, deren Achsen sich wie üblich am unteren Ende von
13 möglichst in der Schienenoberfläche schneiden. Die Räder 4 sind einzeln abgefedert
und in der Spurweite verstellbar, was z.B. die als Drehhebel wirksamen Brückenträger
15 durchführen können Die Tragspulenpaare des elektrodynamischen Schwebesystems
sind mit 16, die seitlichen FUbrungsspulenpaare mit 17 bezeichnet.
Letztere
drehen die beiden Drehgestelle des Fahrzeuges um die zentrale Drehachse 13. Trag-
und Führungsspulenpaare 16 und 17 sind an den Drehgestellplatten 10 befestigt.
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Die Normalspur mit den Schienen 1 übernimmt in jeder Fahrtphase die
statische Grundlast des Fahrzeuges, sowohl beim Fahren im Niedergeschwindigkeitsbereich,
also auch bei der Fahrt auf den jetzt vorhandenen Strecken, bei dem der Antrieb
des Fahrzeuges Uber die Motoren 5 und die Räder 4 mit breiten Radlaufflächen (z.B.
250 mm) erfolgt, als auch beim Fahren im Hochgeschwindigkeitsbereich mit Antrieb
vom Linearmotor 8/9, wobei die Räder 4 nur im Synchronleerlauf mitrollen. Im Niedergeschwindigkeitsbereich,
z.B. 0 bis 200 kmjh, ist der Linearmotor abgeschaltet, und die elektrodynamische
Führung des Wagens ist unwirksam, weil die Schienen 2,3 fehlen. Die Wagenführung
muß jetzt über die Spurkränze der Räder erfolgen. Der Radabstand ist in diesem Falle
z.B. durch den als Hebeltrieb wirkenden Brückenträger 15 nach außen, das heißt,
durch Verbreiterung auf Normalspur zu stellen. Es genügt, wenn nur die vorderen
und die hinteren Räder eines Drehgestells mit Spurkränzen versehen sind und, wie
beschrieben, verstellt werden. Alle Räder 4, auch die ohne Spurkranz, können unter
geringer Winkelneigung nach innen, entsprechend der nach innen abgeschrägten Schienenlauffläche
abrollen. Beim Übergang auf elektrodynamisches Schweben, asBç in Bereich zwischen
100 bis 400 km/h wird die seitliche Führung voll von den Spulenpaaren 17 übernommen.
Die Räder werden in ihrem Abstand durch Bewegurg des Briickenträgers 15 verringert,
bis die Spurkränze die Normal schienen 1 nicht mehr
berühren können.
Durch die Übernahme der Seitenführung durch die Spulenpaare 17 in Verbindung mit
den Führungsschienen 3 wird die Spurweite auch für die Tragspulen 16 auf z.B. 2500
mm erweitert, was den durch die Normalspur 1 bisher begrenzten Fahrkomfort verbessert.
Denn es bietet sich jetzt die Möglichkeit weicherer Abfederung der schwingenden
Masse der Grundlast.
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Die Tragspulen 16 wirken kräftemäßig nur auf diese Schwingungen, bzw.
auf deren Komponenten in den x-, y-, z-Richtungen des Wagenkastens ein, wobei zwischen
diesem (Wagenplatte 11) und den Drehgestellplatten 10 der beiden Drehgestelle zusätzliche
DämpfunWneingebaut werden. Nur die Schwingungen, die über das Federsystem 12 gehen,
und die Schwingungen der Drehgestelle belasten das Schwebesystem.
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Mittels einer nicht gezeichneten exakten Niveau-, d.h. Höhenlageregelung
wird erreicht, daß die Nullage der Nullfluß-Anordnung trotz sich durch Beladung
ändernder Grundlast gewahrt bleibt.
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In einer anderen Ausführung können die Führungsspulenpaare 17, wie
in Fig. 3 gezeigt an der Drehgestellplatte 10, die Tragspulen 16 dagegen an den
langen Rändern der Wagenplatte 11 angebracht sein. Diese Anordnung nutzt die beschriebene
Breitspur hinsichtlich der dynamischen Tragefunktion unmittelbar für den Wagenkasten
aus.
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Die Führungsfunktion muß bei den Drehgestellen bleiben. Sie kann noch
dadurch erheblich unterstützt werden, daß die magnetische
Kraft
zwischen Primär- und Sekundärteil der Linearmotoren 8/9, eine nach innen ziehende
Komponente bildet. Diese zusätzliche FUhrungskraft wird dadurch verstärkt, daß die
beiden Eisenpakete von 8 und 9 in mehrere einander entsprechende Längspakete aufgeteilt
werden, zwischen denen gleich breite Luftkanäle, die zur Motorkühlung dienen können,
ausgebildet werden. Wegen des kleinen Luftspaltes der Linearmotoren (1 bis 2 cm)
braucht die Kanalbreite nur etwa ebenso groß zu sein, um die natürliche Ftlhrungskraft
der kanal losen Eisenpakete zu vervielfachen.
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Die magnetische Kraft zwischen 8 und 9 belastet zwar die Räder 4 zusätzlich
zu den Gewichten der Drehgestelle und des Wagenkastens auf der Wagenplatte 11, sie
ist aber eine nicht mit Masse behaftete Kraft, die deshalb die Eigenschwingung des
Schwingungssystems mit der Masse der Primärteile 8 und ihrer Brückenkonstruktion
(6,7) und der Federung der Brückenträger 15.nicht beeinflußt (s.Fig. 1).
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Die Normal schienen 1 können während der Hochgeschwindigkeitsfahrt
als Stromschienen dienen, wenn sie auf der abgesperrten Sondertrasse, z.B. auf isolierenden
Kunststoffplatten, verlegt werden. In der Figur 2 ist die eine mit n+, die andere
mit -gekennzeichnet, wenn Gleichstrom für Wechselrichter verwendet wird. Über diese
Wechselrlchter kann der erforderliche Drehstrom, insbesondere für die Versorgung
des Linearmotors 8/9 des Fahrzeuges erzeugt werden. Statt Gleichstrom kann auch
für die große Leistung der Linearmotore 8/9 eine direkte Einspei
sung
von Drehstrom von z.B. 15 000 V verketteter Spannung vorgenommen werden, wobei an
"+" und - zwei Phasen gelegt werden und als dritte Phasenzuleitung der für Notbetrieb
auch auf der Sondertrasse nötige 15 kV Fahrdraht verwendet wird, der auf normalen
Strecken üblich ist. Eine Schlen w ann dann an Erde liegen bleiben. Bei veränderlicher
Drehstromfrequenz können so die schweren Wechselrichter in feste Stationen längs
der Sonder tasse verlegt werden. Die anderen Stromverbraucher, z.B.
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die. Motore 5 mit ihren wesentlich geringeren Leistungen können mit
üblichen Mitteln einschließlich ihrer Wechselrichter auf eine verkettete Spannung
des Drehstromsystems umgeschaltet werden. Da die Motxs 5 zusammen nur etwa 1/8 der
Leistung benötigen, wenn sie das Pahrzeug auf halbe Höchstgeschwindigkeit bringen
sollen, können die Linearmotore direkt auf konstante Drehstromspannung geschaltet
werden und brauchen nicht gesteuert zu werden, da sie mit ihrer Kennlinie von halber
auf volle Geschwindigkeit gehen.
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Die Räder 4 sind Sonderkonstruktionen, bei denen zwischen Radscheibe
bzw. -Zylinder und Lauf- bzw. Spurkranz eine dnnwandige Kunststoffeinlage angebracht
ist und der Stromübergang von Schiene und Rad zum Fahrzeug über einen über der Radnabe
isoliert aufgebrachten Schleifring nebst zugehöriger Stromabnehmerbürste (hier nicht
näher dargestellt) erfolgt. Bei Normalfahrt, d.h., bei z.B. bis 200 km/h Fahrgeschwindigkeit,
bei der die Linearmotoren 8/9 abgeschaltet sind und nur die Motore 5 laufen, erfolgt
die Stromaufnahme im üblichen Sinne über die normale Oberleitung.
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Die Stromabnehmer können bei Hochgeschwindigkeitsfahrt entweder eingezogen
werden -oder für die Stromabnahme der dritten Phase eines Drehstromnetzes oder des
Nullpunktes eines Gleichstromnetzes dienen.
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Durch die Erfindung können statische Schwebeverluste, die bei einem
Wagengewicht von 80 t und Geschwindigkeiten um 500 km/h bei 1500 kW Schienenverluste
liegen können, auf einfache Art ausgeschaltet werden, weiterhin kann der Fahrkomfort
durch die große Verbreiterung der fUr die Fahrzeugschwingungen wirksamen orni elektromagnetischen
Fahrspur um fast das Doppel e er eblich bei hohen Geschwindigkeiten verbessert werden.
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Der Erfindungsgedanke ist nicht auf das Elektrodynamische System (EDS)
beschränkt, auch das Elektromagnetische System (EMS) und sogar das z.Zt. nicht gefragte
Luftkissensystem könnten mit stark reduzierten Abmessungen und damit Verlusten eingesetzt
werden 10 Seiten Beschreibung 12 Patentansprüche 1 Bl. Zeichnungen