DE3237373C2

DE3237373C2 - Kontaktlose Stromabnehmervorrichtung für Magnetschwebebahnen

Info

Publication number: DE3237373C2
Application number: DE19823237373
Authority: DE
Inventors: Tsuyoshi Kokubunji Fujimoto; Takehiko Hino Iwahana; Fumio Kazama; Hiroshi Hitachi Takahashi
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1981-10-09
Filing date: 1982-10-08
Publication date: 1984-12-13
Also published as: JPS5863001A; DE3237373A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine kontaktlose Stromabnehmervorrichtung für Magnetschwebebahnen, in der die von Grund-Hubspulen erzeugten harmonischen Komponenten des magnetischen Gegenflusses verwendet werden, um die von elektrischen Verbrauchern wie Klimaanlage und Beleuchtungsanlage im Zug benötigte elektrische Leistung zu erzeugen. Dazu enthält die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Vielzahl von Stromabnehmer-Induktionsspulen (2), die am Bahnkörper gegenüber den Grund-Hubspulen (6) angeordnet sind, wobei die in den Stromabnehmer-Induktionsspulen durch die harmonischen Komponenten des magnetischen Gegenflusses, die von den Grund-Hubspulen (6) erzeugt werden, induzierte Spannung zu einem Leistungswandler gelangt, der die von den elektrischen Verbrauchern wie Klimaanlage und Beleuchtungseinrichtungen benötigte Leistung liefert. Erfindungsgemäß besitzen die einzelnen Stromabnehmer-Induktionsspulen (2) unterschiedliche Windungszahlen, die vom Pegel der induzierten Spannung, die aufgrund der Verkettung der harmonischen Komponenten der Grund-Hubspulen mit den Stromabnehmer-Induktionsspulen entsteht, abhängig sind. Dadurch wird das Gewicht der einzelnen Stromabnehmer-Induktionsspulen bezüglich ihrer Leistungsaufnahme ausgeglichen, so daß die elektrische Leistung mit hohem Wirkungsgrad aufgenommen wird.

Description

— eine Vielzahl von Stromabnehmer-Induktionsspulen (7), die an der äußeren Oberfläche des supraleitenden Magneten (2) gegenüber den Grund-Hubspulen (6) angeordnet sind, wobei

— von den Grund-Hubspulen (6) erzeugte höhere harmonische Komponenten des magnetischen Flusses mit den Stromabnehmer-Induktionsspulen (7) verkettet sind, und in jeder der Stromabnehmer-Induktionsspulen eine Spannung induzieren, und

— eine Einrichtung, die einen Umrichter (8) enthält, der die verschiedenen elektrischen Verbraucher (9) im Zug mit elektrischer Leistung versorgt,

dadurch gekennzeichnet, daß

— die Stromabnehmer-Induktionsspulen (7) in dem Bereich, wo die pro Windung induzierte Spannung relativ hoch ist, eine erhöhte Windungszahl und in dem Bereich, wo die pro Windungszahl induzierte Spannung relativ klein ist, eine verringerte Windungszahl haben.

Die Erfindung betrifft eine kontaktlose Stromabnehmervorrichtung für Magnetschwebebahnen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches.

In einer Magnetschwebebahn, die magnetisch über dem Boden in der Schwebe gehalten wird, sind am Bahnkörper supraleitende Magnete und ihnen gegenüberliegend am Boden Grundspulen angeordnet, die die Bahn in der Schwebe halten, wobei die zwischen den supraleitenden Magneten und den Grund-Hubspulen wirkende Kraft zum Antrieb der Magnetschwebebahn mit hoher Geschwindigkeit verwendet wird.

Dabei ergibt sich das Problem, wie in solchen Magnetschwebebahnen Stromversorgungsquellen zur Versorgung von Klimaanlagen, Beleuchtungseinrichtungen usw. vorzusehen sind. Weil die Bahn mit hoher Geschwindigkeit fährt, ist die Stromversorgung mit Hilfe üblicher Scherenstromabnehmer schwierig.

Zur Lösung dieses Problems entwickelte man kontaktlose Stromabnehmer (JP-OS 8 266/1980), die zur Bereitstellung der benötigten elektrischen Leistung von den Grund-Hubspulen erzeugte harmonische Komponenten des magnetischen Gegenflusses verwenden. Diese herkömmliche Vorrichtung besteht aus mehreren stromabnehmenden Induktionsspulen am Bahnkörper gegenüber den Grund-Hubspulen, die in den stromabnehmenden Induktionsspulen durch höhere Harmonische (üblicherweise die sechste Harmonische) des magnetischen Gegenflusses, den die Grund-Hubspulen erzeugen, induzierten Spannung wird über einen Leistungswandier den Verbrauchern, wie Beleuchtungsanlage und Klimaanlage, im Zug zugeführt. Obwohl die von den Grund-Hubspulen erzeugten harmonischen Komponenten des magnetischen Flusses mit den Stromabnehmer-Induktionsspulen verkettet sind, sind die einzelnen Flußdichten an verschiedenen Punkten längs der Fahrtrichtung der Bahn unterschiedlich. Da jedoch sämtliche Stromabnehmer-Induktionsspulen dieselbe Windungszahl besitzen, ist das Gewicht einiger Stromabnehmer-Induktionsspulen, bezogen auf die aufgenommene Leistung, verhältnismäßig groß, und die Stromabnehmer-Induktionsspulen haben damit einen verhältnismäßig hohen Widerstand. Deshalb besitzt die herkömmliche Vorrichtung den Nachteil, daß ihr Wirkungsgrad gering ist. Genauer gesagt ist die in den Stromabnehmer-Induktionsspulen induzierte Spannung V durch die Summe harmonischer Komponenten mehrerer Ordnungen gegebtn, wie Gleichung (1) zeigt

X cos

3/1 + 1

ω t+ Qn-I) ■ — · x\
*-, Sin

JL

X COS

30 {3 -η-ω-t + Qn+l) ·— · JfIl.

Darin sind:

N die Windungszahl der Stromabnehmer-Induktionsspulen,

λ die Länge der Stromabnehmer-Induktionsspulen in Fahrtrichtung,

L_in-\,L3_n+\ Konstanten,

ν die Bahngeschwindigkeit und
r der Polabstand.

Da alle Stromabnehmer-Induktionsspulen, unabhängig davon, daß die pro Windung induzierte Spannung an verschiedenen Punkten längs der Fahrtrichtung des Zuges unterschiedlich ist, dieselbe Windungszahl aufweisen, arbeitet die herkömmliche Vorrichtung mit nur kleinem Wirkungsgrad.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung,, die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden und eine kontaktlose Stromabnehmervorrichtung für Magnetschwebebahnen anzugeben, bei der die einzelnen Stromabnehmer-Induktionsspulen bezüglich ihrer Stromaufnahmefähigkeit ausgeglichene Gewichte haben und die Leistungsaufnahme mit hohem Wirkungsgrad sicherstellen.

Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches gelöst.

Dabei weist die erfindungsgemäße Lösung das Merkmal auf, daß mehrere Stromabnehmer-Induktionsspulen am Bahnkörper gegenüber den Grund-Hubspulen angeordnet sind und zur elektrischen Leistungsaufnahme verschiedene, vom Wert der induzierten Spannung abhängige Windungszahlen aufweisen. Dabei wird die Spannung aufgrund der Verkettung der Stromabnehmer-Induktionsspulen mit den harmonischen Komponenten des von den Grund-Hubspulen erzeugten magnetischen Flusses induziert. Das erfindungsgemäße Merkmal besteht im einzelnen darin, daß die Stromabnehmer-Induktionsspulen in einem Bereich, wo die pro

Windung induzierte Spannung relativ hoch ist, erhöhte Windungszahlen und in einem Bereich, wo die pro Windung induzierte Spannung relativ klein ist, eine vermindernde Windungszahl aufweisen, so daß das Gewicht der einzelnen Stromabnehmer-Induktionsspulen bezüglich ihrer Leistungsaufnahme ausgeglichen ist, wodurch elektrische Leistung mit hohem Wirkungsgrad abgenommen wird.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Spulenanordnung in einer Hochgeschwindigkeits-Magnetschwebebahn, die mit einer Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen kontaktlosen Stromabnehmervorrichtung ausgerüstet ist,

Fig.2 die Anordnung der Stromabnehmer-Induktionsspulen relativ zu den Grund-Hubspulen bei der Ausführungsvariante von F i g. 1,

F i g. 3A bis 3E Signalformen der pro Windung in den einzeinen Stromabnehmer-Induktionsspulen in F i g. 2 induzierten Spannung, und

Fig.4 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Bahngeschwindigkeit und der in den Stromabnehmer-Induktionsspulen induzierten Spannung, zum Vergleich einer herkömmlichen Vorrichtung, bei der sämtliche Stromabnehmer-Induktionsspulen dieselbe Windungszahl besitzen mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung, in der die Stromabnehmer-Induktionsspulen unterschiedliche Windungszahlen aufweisen.

F i g. 1 zeigt schematisch die Spulenanordnung in einer Hochgeschwindigkeits-Magnetschwebebahn, die mit einer erfindungsgemäßen Ausführungsvariante der kontaktlosen Stromabnehmervorrichtung, die harmonische Komponenten des von den Grund-Hubspulen erzeugten magnetischen Gegenflusses verwendet, ausgerüstet ist

F i g. 1 zeigt am Fahrzeug 1 der Magnetschwebebahn angeordnete Magnete 2 mit Magnetfluß erzeugenden Spulen. Der von den supraleitenden Spulen erzeugte Magnetfluß bewirkt zusammen mit dem Stromfluß durch Antriebsspulen 4, Führungsspulen 5 und Grund-Hubspulen 6 am Fahrweg 3 die Erzeugung von Antriebskraft, Führungskraft (Rückstellkraft der seitlichen Versetzung) und Hubkraft. Am Boden des Fahrzeuges 1 gegenüber den Grund-Hubspulen 6 ist eine Vielzahl von Stromabnehmer-Induktionsspulen 7 angeordnet. Die in den Stromabnehmer-Induktionsspulen 7 durch höhere harmonische Komponenten (im allgemeinen die sechste Harmonische) des von den Grund-Hubspulen 6 erzeugten magnetischen Gegenflusses induzierte Spannung wird einem Leistungswandler 8 angelegt, der die benötigte elektrische Leistung an Verbraucher 9 wie Leuchtstoffröhren und Klimaanlagen in der Bahn liefert.

F i g. 2 zeigt die gegenseitige Anordnung der Grund-Hubspulen 6 und der Stromabnehmer-Induktionsspulen 7. Wie Fig.2 zeigt, sind drei Grund-Hubspulen 6 mit den Phasen U-, W- und V'-Phasen, die eine Polteilung umfassen, gegenüber insgesamt fünfzehn Stromabnehmer-Induktionsspulen 7 angebracht, die an die Phasen R, 5 und Tangeschlossen s'nd.

Die Fig.3A bis 3E ste'len Signalformen der in den jeweiligen, in der in F i g. 2 gezeigten Weise angeordneten Stromabnehmer-Induktionsspulen 11 bis 15 induzierten Spannung dar. Auf der waagrechten Achse ist die Zeit Tund auf der senkrechten Achse die induzierte Spannung V dargestellt. Damit wird gezeigt, wie die in jeder Stromabnehmer-Induktionsspule 11 bis 15 induzierte Spannung V mit der Zek t variiert. Somit zeigen die F i g. 3A, 3B, 3C, 3D und 3E jeweils die in den Stromabnehmer-Induktionsspulen H₁ 12, 13, 14 und 15 mit derselben Windungszahl induzierte Spannung V. Die F i g. 3A bis 3E machen deutlich, daß sich der Wert der induzierten Spannung V abhängig von der Lage der Stromabnehmer-Induktionsspulen 11 bis 15 stark ändert Bei der erfindungsgemäßen Ausführung wird deshalb die Windungszahl der Stromabnehmer-Induktionsspulen 11 und 12 mit relativ großer induzierter Spannuiig Verhöht und die Windungszahl der Stromabnehmer-Induktionsspulen 13 und 14, die eine relativ kleine induzierte Spannung Vhaben, kleiner als die Windungszahl der Stromabnehmer-Induktionsspule 15 gewählt, in der eine mittlere Spannung V induziert wird und deren Windungszahl so groß ist wie bei herkömmlichen Stromabnehmer-Induktionsspulen, so daß Leistung mit hohem Wirkungsgrad ohne Änderung des Gesamtgewichts der Stromabnehmer-Induktionsspulen 7 aufgenommen wird.

Bei dieser Anordnung der Stromabnehmer-Induktionsspulen 7 ist das Gewicht der einzelnen Induktionsspulen bezüglich ihrer Leistungsaufnahme ausgeglichen, und sie besitzen die zum Induzieren der benötigten Spannung wirksamen Windungszahlen, so daß die Stromabnehmer-Induktionsspulen Leistung mit hohem Wirkungsgrad aufnehmen. Dabei ist das Gesamtgewicht dasselbe wie bei der herkömmlichen Vorrichtung. F i g. 4 ist eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Bahngeschwindigkeit ν und der Gesamtspannung V, die in den Stromabnehmer-Induktionsspulen 7 induziert wird. Sie dient zum Vergleich zwischen der herkömmlichen Vorrichtung, bei der sämtliche Stromabnehmer-Induktionsspulen die gleiche Windungszahl besitzen, mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung, in der die Stromabnehmer-Induktionsspulen unterschiedliche Windungszahlen haben. An der Abszisse ist die Bahngeschwindigkeit ν und an der Ordinate die induzierte Spannung Vangetragen.
Die gestrichelte Kurve X in F i g. 4 stellt die induzierte Spannung V einer herkömmlichen Vorrichtung bezogen auf die Bahngeschwindigkeit ν dar. Dagegen stellt die ausgezogene Kurve Y in F i g. 4 die pro Windungen induzierte Spannung V, bezogen auf die Bahngeschwindigkeit v, im Falle der erfindungsgemäßen Vorrichtung dar, bei der die Windungszahlen der Stromabnehmer-Induktionsspulen in Bereichen, wo die die pro Windung induzierte Spannung V relativ hoch ist, erhöht sind und wo die Windungszahl in Bereichen, wo die pro Windung induzierte Spannung relativ klein ist, vermindert ist. Soso mit wird deutlich, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung, verglichen mit herkömmlichen Vorrichtungen, trotz gleichbleibenden Gesamtgewichts der Stromabnehmer-Induktionsspulen mehr Leistung aufnehmen kann. Wenn z. B. die Windungszahlen der Stromabnehmer-Induktionsspulen 11 und 12 in Fig. 2 um 50% erhöht und die der Stromabnehmer-Induktionsspulen 13 und 14 um 50%, bezogen auf die Windungszahl der Stromabnehmer-Induktionsspule 15, verringert werden, erhöht sich die induzierte Spannung V um etwa 13%, wodurch der Wirkungsgrad entsprechend ansteigt, obwohl das Gesamtgewicht der Stromabnehmer-Induktionsspulen dasselbe ist wie bei einer herkömmlichen Stromabnehmervorrichtung.

Die vorangehende Beschreibung macht deutlich, daß die erfindungsgemäße kontaktlose Stromabnehmervorrichtung für Magnetschwebebahnen das Merkmal aufweist, daß eine Vielzahl am Bahnkörper gegenüber den Grund-Hubspulen zur Stromaufnahme angeordnete

Stromabnehmer-Induktionsspulen in Abhängigkeit von den Werten der Spannung, die durch die Verkettung der Stromabnehmer-Induktionsspulen mit den harmonischen Komponenten des räumlichen Gegenflusses der Grund-Hubspulen erzeugt wird, unterschiedliche Windungszahlen besitzen. Deshalb haben die einzelnen Stromabnehmer-Induktionsspulen bezüglich ihrer Leistungsaufnahme ausgeglichene Gewichte, und die so gebildete kontaktlose Stromabnehmervorrichtung nimmt elektrische Leistung mit hohem Wirkungsgrad auf.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

15

20

25

35

40

45

50

55

60

65

Claims

Patentanspruch:

Kontaktlose Stromabnehmervorrichtung für Magnetschwebebahnen, die enthält: s

— einen am Fahrweg (1) angeordneten supraleitenden Magneten (2),

— am Fahrweg (3) gegenüber dem supraleitenden Magneten (2) angeordnete Grund-Hubspulen