DE3941525A1 - Supraleitende magnetvorrichtung fuer eine magnetschwebebahn sowie die vorrichtung aufweisende magnetschwebebahn - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine supraleitende Magnetvorrichtung zur Verwendung in einer Magnetschwebebahn sowie eine ent­ sprechende Magnetschwebebahn mit der supraleitenden Magnet­ vorrichtung.

Ferner betrifft die Erfindung auch den Aufbau einer Trenn­ wand zwischen Spulen und ein Kühlsystem zur Kühlung dieser Spulen, was für die praktische Verwendung dieser supralei­ tenden Magnetvorrichtung notwendig ist.

Es wurden Fortschritte in den Untersuchungen erzielt, die sich mit dem praktischen Einsatz einer Magnetschwebebahn beschäftigen, die so ausgelegt ist, daß supraleitendes Material zur Bildung von Spulen verwendet wird, wobei supraleitende Magnetvorrichtungen, in denen diese Spulen in Kühlbehältern aufgenommen sind, an Wagenkästen angeordnet sind, so daß die Spulen Abstoßungskräfte oder Induktions­ kräfte in bezug auf bodenverlegte Statorspulen empfangen, so daß das Fahrzeug mit Hochgeschwindigkeit auf einem Fahr­ weg fahren kann.

Da es bei dieser Magnetschwebebahn notwendig ist, daß das Fahrzeug geringes Gewicht hat, so daß ein starkes Magnet­ feld durch einen elektrischen Strom erzeugt wird, wurde als für diese Anforderungen geeignet eine Magnetvorrichtung untersucht, die Supraleiter einsetzt, da hier kein Energie­ verlust auftritt. In diesem Supraleiter erfolgt eine plötz­ liche Änderung vom supraleitenden Zustand in einen normalen leitenden Zustand durch einen Störfaktor wie Temperatur, Schwingungen, Wärme od. dgl. (als "Quencherscheinung" be­ zeichnet, im folgenden nur kurz "Quenchen").

Es wurden bereits verschiedene Mittel vorgeschlagen, mit denen Fahrzeuge auch bei Auftreten von Quenchen sicher kontrollierbar sind.

In der JP-OS 54-1 32 917 (A) wurde z. B. vorgeschlagen, daß bei Quenchen einer der supraleitenden Magnetvorrichtungen an den Wagenkästen dieses Quenchen erfaßt wird, so daß das Gleichgewicht zwischen den Wagenkästen dadurch aufrechter­ halten wird, daß eine weitere supraleitende Magnetvorrich­ tung zwangsabgeschaltet wird, die symmetrisch mit der ge­ quenchten Magnetvorrichtung angeordnet ist, um die Wagen sicher anzuhalten.

In der JP-OS 57-21 602 (A) ist ferner vorgeschlagen, daß Gleitflächen von Notkufen zum Gleiten/Abstützen der Bahn so ausgebildet sind, daß sie der Ausbildung von Ankerschienen entsprechen, so daß die Bahn stabil auf einem Gleis abge­ setzt wird, um sicher zu gleiten und gehalten zu sein, auch wenn die Hubkraft der Elektromagnetvorrichtung verschwin­ det.

Bei diesen konventionellen Methoden oder Gegenmaßnahmen gegen das Quenchen in den supraleitenden Magnetvorrichtun­ gen einer solchen Magnetschwebebahn müssen aus Sicherheits­ gründen Probleme hinsichtlich des Gleichgewichts der Bahn im Fahrzustand und der Stabilität der Bahn bei einem Not­ halt gelöst werden; ein Nachteil ist jedoch noch nicht vollständig beseitigt, der darin besteht, daß bei einem Abschalten der supraleitenden Magnetvorrichtung oder einer im wesentlichen vollständigen Entmagnetisierung der Vor­ richtung aufgrund von Quenchen die Magnetvorrichtung selbst die Stabilität der Bahn nachteilig beeinflußt. Das Bahn, die unter Nutzung der magnetischen Abstoßungskraft mit hoher Geschwindigkeit fährt, benötigt zwar die geringes Gewicht aufweisende supraleitende Magnetvorrichtung, die ständig eine starke magnetische Abstoßungskraft liefert, aber die gequenchte supraleitende Magnetvorrichtung ver­ braucht den Permanentstrom, und magnetische Abstoßungskraft geht verloren, so daß die supraleitende Magnetvorrichtung die Bahn unvermeidlich als Last oder Gewicht beeinflußt. Dieses Gewicht der supraleitenden Magnetvorrichtung wirkt sich unmittelbar auf das Gleichgewicht der Wagenkästen wäh­ rend der Hochgeschwindigkeitsfahrt aus. Da Quenchen in jedem Augenblick in dem unter Nutzung der Supraleitfähig­ keit fahrenden Fahrzeug auftreten kann, kann Sicherheit nicht vollständig nur dadurch erreicht werden, daß versucht wird, das Gleichgewicht der Wagenkästen während der Hoch­ geschwindigkeitsfahrt aufrechtzuerhalten. Im Fall eines Nothalts aufgrund von Quenchen stellt ferner die Notwendig­ keit der erneuten Erregung der gequenchten supraleitenden Magnetvorrichtung ein Hindernis hinsichtlich des Einsatzes in der Praxis dar, weil es sehr lang dauert, die supralei­ tende Magnetvorrichtung abzukühlen und sie wieder zu erre­ gen, es sei denn, der Halt geschieht nahe einer Station oder auf einem Schienensystem, das mit ausreichenden Repa­ ratureinrichtungen versehen ist.

Zur Lösung dieser Probleme schlägt die Erfindung eine supraleitende Magnetvorrichtung vor, die so ausgelegt ist, daß auch im Fall von Quenchen die magnetische Abstoßungs­ kraft nicht verlorengeht, so daß eine mit Hochgeschwindig­ keit fahrende Bahn zumindest die nächstliegende Station sicher erreichen kann; ferner wird eine solche Magnetschwe­ bebahn, in der die genannte Vorrichtung installiert ist, und ein Steuerverfahren für die Wagen vorgeschlagen.

Durch die Erfindung wird ferner eine Trennwand zwischen Supraleiterspulen sowie ein Kühlsystem für diese Spulen vorgeschlagen, wobei sowohl Trennwand als auch Kühlsystem für den praktischen Einsatz dieser supraleitenden Magnet­ vorrichtung notwendig sind.

Die supraleitende Magnetvorrichtung gemäß der Erfindung löst die vorgenannten Probleme durch eine Kombination aus einer supraleitenden Hauptspule zur Anwendung unter Normal­ bedingungen, eine supraleitende Hilfsspule zur Anwendung im Notfall, wobei diese Spulen nicht nur in Positionen relativ zueinander angeordnet sind, die eine gegenseitige Induk­ tion zwischen ihnen erlauben, sondern auch jeweils in wär­ meisolierten Kühlbehältern angeordnet sind, sowie Kühlvor­ richtungen zum jeweiligen Kühlen dieser Kühlbehälter.

Im Betrieb werden für diese Kombination von supraleitenden Normalspulen und Notfahrspulen geeignete Permanentstrompegel zur Erregung der entspre­ chenden Spulen zum Fließen gebracht.

Die Positionen dieser Kombination aus supraleitenden Nor­ mal- und Notfahrspulen sind unter Berücksichtigung eines elektromagnetischen Kopplungsbeiwerts zwischen den Spulen so gewählt, daß zwischen den jeweiligen Spulen nicht weni­ ger als ein bestimmter Wert der gegenseitigen Induktion erfolgen kann.

Ferner bestehen die für den Normalbetrieb eingesetzte supraleitende Hauptspule und die für den Notfall gedachte supraleitende Hilfsspule aus unterschiedlichen Materialien, die für den Kombinationseinsatz ausgewählt sind, wobei jeweilige Charakteristiken der Normal- und der Notfahrspu­ len in Betracht gezogen sind.

Ferner sind die unter Normalbedingungen eingesetzte supra­ leitende Hauptspule und die im Notfall einzusetzende supra­ leitende Hilfsspule einander benachbart mit einer dazwi­ schenliegenden nichtmagnetischen und wärmeisolierenden Trennwand angeordnet.

Wenn die so aufgebaute supraleitende Magnetvorrichtung an dem Fahrzeug montiert wird, wird ferner eine geeignete Stelle an einem Wagenkasten des Fahrzeugs ausgewählt.

Ferner ist die am Fahrzeug montierte supraleitende Magnet­ vorrichtung so ausgelegt, daß die im Notfall zu verwendende supraleitende Hilfsspule näher an zugehörigen Statorspulen liegt, die auf einem zugehörigen Fahrweg für das Fahrzeug verlegt sind, als die im Normalbetrieb verwendete supra­ leitende Hauptspule.

In der supraleitenden Magnetvorrichtung mit dem oben ange­ gebenen Aufbau wird eine geeignete Zeitkonstante für die Schwächung oder das Abklingen eines Stroms, der aufgrund von Quenchen geschwächt wird, vorläufig bestimmt. Wenn daher die für den Normalbetrieb dienende supraleitende Hauptspule gequencht wird, wird ein bestimmter Spannungs­ pegel in der supraleitenden Notfahrspule induziert, die in einer relativen Lage angeordnet ist, in der die gegensei­ tige Induktion mit der Hauptwicklung möglich ist, und dann wird in ihr ein der Spannung entsprechender bestimmter Strompegel erzeugt, so daß die Gesamtgröße des Magnetfeldes oder der Magnetkraft, die von der supraleitenden Magnetvor­ richtung erzeugt wird, im wesentlichen konstantgehalten werden kann. Auch wenn also in der Magnetschwebebahn, die diese supraleitende Magnetvorrichtung enthält, ein Quench­ vorgang in einer der supraleitenden Hauptspulen für Normal­ betrieb während der Hochgeschwindigkeitsfahrt auftritt, wird in der entsprechenden supraleitenden Notfahr-Hilfs­ spule sofort ein elektrischer Strom induziert zur Bereit­ stellung einer bestimmten Magnetkraft bzw. eines bestimmten Magnetfeldes, das zur Unterhaltung der Schwebefahrt erfor­ derlich ist, und somit kann das Fahrzeug die Hochgeschwin­ digkeitsfahrt ohne Gleichgewichtsverlust fortsetzen, bis die nächste Station oder Reparatureinrichtung erreicht wird.

Da jede supraleitende Magnetvorrichtung nach der Erfindung aus einer Kombination aus zwei oder mehr supraleitenden Spulen besteht, besteht eine Tendenz zu größerem Gewicht als bei den konventionellen Verfahren. Die jeweiligen supraleitenden Spulen sind aber so ausgelegt, daß das Gesamtgewicht nicht einfach verdoppelt wird, wie noch unter Bezugnahme auf die bevorzugten Ausführungsbeispiele erläu­ tert wird.

Ferner wird das Problem gelöst, daß der Wagen bzw. der Zug bei jedem Quenchen ständig wieder anhalten, neu erregen und neu anfahren muß, so daß mit der Erfindung ein Linearmotor­ fahrzeug in sehr effektiver Weise realisierbar ist.

Bei der supraleitenden Magnetvorrichtung gemäß der Erfin­ dung verschwindet die Magnetkraft bzw. das Magnetfeld die­ ser Vorrichtung auch dann nicht vollständig, wenn in einer der in der Vorrichtung vorhandenen supraleitenden Spulen ein Quenchvorgang stattfindet, und wenn eine solche Vor­ richtung an einer Magnetschwebebahn installiert ist, hat dies bedeutsame Auswirkungen auf die Aufrechterhaltung einer gleichmäßigen und stabilen Fahrt dieser Bahn.

Durch die bei der supraleitenden Magnetvorrichtung nach der Erfindung verwendete Trennwand wird in einer gequenchten supraleitenden Spule erzeugte Wärme gegenüber der anderen supraleitenden Spule, die relativ dazu entsprechend ange­ ordnet ist, isoliert, so daß die gegenseitige Induktion mit dieser Wicklung ermöglicht wird; dadurch kann der Aufbau der supraleitenden Magnetvorrichtung weiter vereinfacht werden.

Das Kühlsystem der vorgenannten supraleitenden Magnetvor­ richtung ist für den praktischen Einsatz der Vorrichtung wesentlich.

Da die Magnetschwebebahn nach der Erfindung mit der ge­ nannten supraleitenden Magnetvorrichtung ausgerüstet ist, kann diese Bahn auch im Fall von Quenchen in stabiler Weise weiterfahren, ohne daß weitere Schritte wie Nothalt od. dgl. zu unternehmen sind.

Bei dem Steuer- und Regelverfahren für die Magnetschwebe­ bahn nach der Erfindung können Anordnungen für die Repara­ tur der gequenchten supraleitenden Magnetvorrichtung be­ reits vorher getroffen werden.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Prinzips einer supraleitenden Magnetvorrichtung nach der Erfindung;

Fig. 2 ein Diagramm, das Permanentstrombetriebsarten einer Haupt- und einer Hilfsspule in der supraleitenden Magnetvorrichtung der Erfindung zeigt;

Fig. 3 einen Querschnitt durch den Aufbau der supra­ leitenden Magnetvorrichtung gemäß einem bevor­ zugten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 4 eine geschnittene Perspektivansicht eines Teils einer Trennwand für die obige supralei­ tende Magnetvorrichtung gemäß einem Ausfüh­ rungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 5 einen Schnitt, der eine Einzelheit des Aufbaus der Trennwand von Fig. 4 zeigt;

Fig. 6 einen Schnitt durch ein weiteres Ausführungs­ beispiel der Trennwand;

Fig. 7 eine schematische Darstellung des Aufbaus eines Kühlsystems gemäß einem Ausführungsbei­ spiel der Erfindung, das für die obige supra­ leitende Magnetvorrichtung wesentlich ist;

Fig. 8 im Schnitt eine Vorderansicht einer Magnet­ schwebebahn gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei die obigen supraleitenden Magnetvorrichtungen installiert sind;

Fig. 9 eine Draufsicht auf den Zug von Fig. 8;

Fig. 10 eine Draufsicht, die nur eine Bugsektion des Zugs von Fig. 8 zeigt;

Fig. 11 die Konfiguration eines weiteren Ausführungs­ beispiels der supraleitenden Magnetvorrich­ tung, die an der Magnetschwebebahn installiert ist;

Fig. 12 die Konfiguration eines weiteren Ausführungs­ beispiels der Magnetvorrichtung; und

Fig. 13 ein Schaltbild, das ein Steuer- und Regelver­ fahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert, das zur Anwendung bei der obigen Magnetschwebebahn vorgesehen ist.

Anhand der Fig. 1 und 2 wird das Prinzip einer supralei­ tenden Magnetvorrichtung erläutert.

Die supraleitende Magnetvorrichtung hat eine supraleitende Hauptspule 2 (im folgenden nur "Hauptspule") für den Nor­ malbetrieb und eine supraleitende Hilfsspule 3 (im folgen­ den nur "Hilfsspule") für den Notfahrbetrieb in Kombination mit der Hauptspule 2. Die Hauptspule 2 und die Hilfsspule 3 sind jeweils mit Permanentstromschaltern 4, 4′, externen Widerständen 5, 5′ und Erregerstromzuführungen 6, 6′ ver­ sehen. Die Hauptspule 2 und die Hilfsspule 3 sind so ange­ ordnet, daß sie gegenseitig durch eine zwischen ihnen be­ findliche Trennwand 7 hindurch induzierbar sind, die aus einem Material besteht, das nicht nur wärmeisolierend ist, sondern auch eine sogenannten nichtmagnetische Eigenschaft in bezug auf Magnetismus hat, und die Spulen sind jeweils in Kühlbehältern 8, 8′ aufgenommen, denen jeweils gesondert Kühlmittel zuführbar ist. Es sind Kühleinrichtungen 9, 9′ zur Umwälzung des Kühlmittels zu und von den Kühlbehältern 8, 8′ vorgesehen.

Eine Statorspule 10 wird auf Fahrwegen oder Schienen für eine Magnetschwebebahn verlegt, wenn die supraleitende Magnetvorrichtung 1 an einer solchen Magnetbahn installiert ist.

Das Prinzip der supraleitenden Magnetvorrichtung nach der Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf ein Aus­ führungsbeispiel der Vorrichtung erläutert, die an einer Magnetschwebebahn installiert ist.

Durch das Kühlmittel, das flüssiges Helium od. dgl. ist und von der Kühleinrichtung 9 geliefert wird, wird die Haupt­ spule 2 auf oder unter eine kritische Temperatur für die Supraleitfähigkeit gekühlt. Ein Erregerstrom mit vorbe­ stimmtem Pegel, der von einer gesondert vorgesehenen exter­ nen Stromversorgung geliefert wird, wird der Hauptspule im supraleitenden Zustand durch die Erregerstromzuführungen 6 zugeführt. Wenn der Erregerstrom der Hauptspule 2 einen bestimmten Pegel erreicht, wird der Permanentstromschalter 4 eingeschaltet, so daß die Hauptspule 2 im supraleitenden Zustand auf einem bestimmten elektromagnetischen Potential gehalten wird. Wenn der Hauptspule 2 kinetische Energie erteilt wird, d. h. wenn die Hauptspule 2 relativ zur Sta­ torspule 10 in einer Richtung quer zum Magnetfluß von der Statorspule 10 bewegt wird, findet die elektromagnetische Induktion statt, so daß ein Strom in der Hauptspule 2 fließt unter Bildung eines geschlossenen Kreises im Zusam­ menwirken mit dem geschlossenen Permanentstromschalter 4, wodurch der Magnetfluß gemäß der folgenden Gleichung er­ zeugt wird:

Φ = NI (wobei N = Windungszahl der Wicklung).

Dieser Magnetfluß bewirkt eine magnetische Abstoßung der Hauptspule 2 von der Statorspule 10, und dies dient als die Abstoßungskraft der supraleitenden Magnetvorrichtung gegen­ über der Statorspule 10. Diese Kraft dient als die Hubkraft der Magnetschwebebahn.

Bei dieser Art von Vorrichtung mit der aus supraleitendem Draht bestehenden Hauptspule 2 besteht die Gefahr, daß in einem solchen Supraleiter zu jeder Zeit Quenchen auftreten kann. Wenn Quenchen auftritt, wird die in der Hauptspule 2 unterhaltene Stromenergie sehr schnell aufgrund des elek­ trischen Widerstands in Form von Wärme verbraucht, und der von der Spule 2 erzeugte Magnetfluß verschwindet. Es ist jedoch bekannt, daß in diesem Fall eine Zeitkonstante oder eine Zeitdauer, während der der Verbrauch der Stromenergie nach dem Quenchen der Hauptspule 2 fortgesetzt wird, im wesentlichen dadurch einstellbar ist, daß beide Größen des Widerstands der gequenchten Spule 2 und des externen Wider­ stands 5 eingestellt werden, und daß die Verminderung oder das Abklingen des Stroms sowie des Magnetflusses mit dieser Zeitkonstanten stattfinden.

Wegen dieser Schwächung oder dieses Abklingens des Magnet­ flusses infolge des Stromverbrauchs wird in der Hilfsspule 3, die in einer Lage vorgesehen ist, die eine gegenseitige Induktion mit der Hauptspule 2 erlaubt, eine EMK erzeugt, die die Schwächung des Magnetflusses verhindert. Selbst­ verständlich muß zur Nutzung dieser gegenseitigen Induktion die Hilfsspule 3 so ausgelegt sein, daß ihre Eigenschaften und Form derart sind, daß sie nicht von der aufgrund des Quenchens der Hauptspule 2 erzeugten Wärme und von der relativ schnellen Schwächung des Magnetflusses der Haupt­ spule 2 beeinflußt wird.

Wenn in der Hilfsspule 3 entsprechend der Schwächung des Magnetflusses aufgrund des Quenchens der Hauptspule 2 ein bestimmter Spannungspegel induziert wird, wird in der Hilfsspule 3 ein der induzierten Spannung entsprechender Strom erzeugt. Das heißt also, wie Fig. 2 zeigt, daß ein elektrischer Strom in einer Permanentstrombetriebsart I _T der Hauptspule 2 einen vorbestimmten Wert hat, bis das Quenchen auftritt. Unmittelbar nach dem Auftreten des Quen­ chens zum Zeitpunkt T _Z beginnt er sich jedoch abzuschwä­ chen, und zwar entsprechend der der Spule eigenen Zeitkon­ stanten. Dann wird in der Hilfsspule 3, die in einer Lage vorgesehen ist, die eine gegenseitige Induktion mit der Hauptspule 2 erlaubt, aufgrund der gegenseitigen Indukti­ vität der Strom erzeugt, wie die Permanentstrombetriebsart I _{E 1} der Hilfsspule 3 in dem Diagramm zeigt. Eine Betriebs­ art I _{E 2} zeigt die Anderung des Zustands des induzierten Stroms aufgrund der gegenseitigen Induktion, wenn ein be­ stimmter Erregungsstrom vorsorglich an die Hilfsspule 3 in gleicher Weise wie an die Hauptspule 2, nur mit unter­ schiedlichen Pegeln des Permanentstroms zwischen beiden, angelegt wird. Eine Betriebsart I _{T 2} zeigt eine Schwächungs­ kennlinie, wenn die Hauptspule 2 eine andere oder geänderte Zeitkonstante hat.

Die Lagen der Hauptspule 2 und der Hilfsspule 3 sind in geeigneter Weise auf der Basis von Grundberechnungen be­ stimmt worden, und diese Spulen wurden ferner so angeord­ net, daß sie nicht gegenseitig wärmebeeinflußbar sind, so daß die gegenseitige Induktivität der Spulen experimentell beobachtet werden konnte. Bei diesem Versuch mit vorbe­ stimmten Spulenformen, Windungszahlen und Stromdichten wur­ den Kopplungsbeiwerte der Spulen aus den beobachteten Stro-­ men in der Hilfsspule 3 abgeleitet, wenn ein Zwischenraum zwischen den Spulen von 10 mm auf 100 mm geändert wurde. Der Beiwert lag in einem Bereich von 0,6 bis 0,2, was eine ausreichend starke gegenseitige Induktivität bestätigt.

Wenn also entsprechend diesen Ergebnissen die Formen oder Auslegungen der Spulen, die Windungszahlen und die Strom­ dichten geeignet gewählt sind, wenn z. B. ein Strom im Permanentstrombetrieb der Hauptspule 549 A und ein Strom in der gleichen Betriebsart der Hilfsspule 200 A beträgt, wo­ bei die Zeitkonstante der Hauptspule 4 s ist, und wenn in der Hauptspule 2 Quenchen zwangsweise hervorgerufen wird, steigt der in der Hilfsspule 3 aufgrund der Stromschwächung der Hauptspule 2 induzierte Permanentstrom auf 520 A bis 300 A unter Berücksichtigung des Zwischenraums zwischen den Spulen und von Nebenverlusten.

Auf der Basis der obigen Rechenergebnisse wurde gefunden, daß, wenn die Eigeninduktivitäten der Haupt- und der Hilfs­ spule mit L ₁ bzw. L ₂ ausgedrückt werden und eine gegensei­ tige Induktivität dieser Spulen mit 0,2 L ₁ L ₂ oder höher eingestellt wird, ein ausreichender Kopplungsbeiwert auf­ rechterhalten werden kann.

Die supraleitende Magnetvorrichtung mit der Kombination aus Hauptspule 2 und Hilfsspule 3 kann beispielsweise entspre­ chend Fig. 3 aufgebaut sein.

Fig. 3 zeigt im Schnitt nur einen Teil der Einrichtung, in der diese Spulen angeordnet sind, und dabei sind gleiche Teile wie vorher mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Die Hauptspule 2 und die Hilfsspule 3 sind so angeordnet, daß sich zwischen ihnen die Trennwand 7 befindet. Diese Spulen sind an der Trennwand 7 festgelegt und jeweils ge­ sondert in den Kühlbehältern 8, 8′ aufgenommen, in denen die jeweiligen Spulen mittels der Trennwand 7 gesondert luftdicht gehalten sind. Der Aufbau dieser Trennwand 7 wird später noch erläutert. Ein Träger 11 stützt die Trennwand 7 und die Kühlbehälter 8, 8′ mechanisch ab. Selbstverständ­ lich hat dieser Träger 11 die Aufgabe, die Spulen mecha­ nisch gegenüber den Magnetkräften zwischen den Spulen und dem dort herrschenden Magnetfeld abzustützen, so daß die supraleitende Magnetvorrichtung als Ganzes bzw. auch die Magnetschwebebahn insgesamt funktioniert. Ein Vakuumbehäl­ ter 12 bildet einen äußeren Rahmen eines Teils für die Spulen in der supraleitenden Magnetvorrichtung. Ein Befe­ stigungsteil 13 ist an einem Teil des Vakuumbehälters 12 ausgebildet.

Die so aufgebaute supraleitende Magnetvorrichtung 1 weist ferner Rohrleitungen zur Zuführung/Rückgewinnung des Kühl­ mittels in die bzw. aus den Kühlbehältern 8, 8′, Leiter zur Zuführung der Erregerströme zu der Hauptspule 2 und der Hilfsspule 3 etc. auf, diese Elemente sind jedoch der Ein­ fachheit halber nicht dargestellt. Wenn in der so aufge­ bauten supraleitenden Magnetvorrichtung die Hauptspule 2 gequencht wird, kann zwischen dieser Hauptspule und der benachbarten Hilfsspule 3 durch die zwischengefügte nicht­ magnetische Trennwand 7, die die gegenseitige Induktivität nicht beeinflußt, eine ausreichende gegenseitige Indukti­ vität bewirkt werden. Wie bereits erwähnt, muß ferner bei dieser supraleitenden Magnetvorrichtung die aufgrund des Quenchvorgangs in der Hauptspule 2 erzeugte Wärme von der Hilfsspule 3 getrennt sein, und die Spulen müssen in Stel­ lungen angeordnet sein, die die gegenseitige Induktivität ermöglichen. 12 a ist eine Strahlungsabschirmung.

Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Trennwand 7, die zwischen der Hauptspule 2 und der Hilfsspule 3 vorgesehen ist. Wie erwähnt, muß diese Trennwand 7 nichtmagnetisch und wärmeisolierend sein.

Um diesen Anforderungen zu genügen, umfaßt die Trennwand 7 Oberflächenteile 7 a, 7 b, die den Spulen 2, 3 gegenüberste­ hen, und zwischen diesen Oberflächenteilen 7 a, 7 b sind Ver­ bindungsstützen 7 c integral und versetzt ausgebildet. Zwi­ schen diesen integral übereinandergelegten Verbindungsstüt­ zen 7 c ist ein Hohlraum 7 d gebildet. Eine geeignete Anzahl Öffnungen 7 p ist in den Verbindungsstützen 7 c gebildet, so daß der Hohlraum 7 d denselben Umgebungsbedingungen, d. h. dem Vakuumzustand, wie Randabschnitte 7 e der Trennwand 7 ausgesetzt ist, wodurch der Wärmeisoliereffekt verstärkt wird.

Diese Trennwand kann aus Einzelplatten aus glasfaserver­ stärktem Kunstharz od. dgl. hergestellt sein, wobei jede Platte mit Standardkonfiguration durch Formpressen herge­ stellt ist. In diesem Fall wird eine benötigte Anzahl sol­ cher Einzelplatten mit Standardform integral aneinanderge­ schichtet, wobei die Berechnungsergebnisse aus der Kon­ struktionsplanung berücksichtigt werden.

Fig. 5 zeigt im Schnitt die Trennwand von Fig. 4 zwischen der Hauptspule 2 und der Hilfsspule 3. Dabei hat allerdings die Trennwand 7 sechs Einzelplatten oder vorgeformte Teile der integral aneinandergeschichteten Standardkonfiguration.

Fig. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Trennwand 7, die integral mit den Kühlbehältern 8, 8′ zur Aufnahme der Hauptspule 2 und der Hilfsspule 3 geformt ist.

Dabei sind Endabschnitte der Kühlbehälter 8, 8′ verlängert unter Bildung von Wandverbindungsteilen 8 a, mit denen Wand­ verlängerungsteile 7 F integral verschweißt sind unter Bil­ dung des Hohlraums 7 d für die Wärmeisolierung. Dieser Hohl­ raum 7 d steht mit der Außenseite durch die Öffnungen 7 p in Verbindung, die in den Wandverlängerungsteilen 7 F vorge­ sehen sind, so daß er im Vakuum gehalten wird.

Die Trennwand sowie die Kühlbehälter dieser Konstruktion bestehen z. B. aus rostfreiem Stahl, der nichtmagnetisch und schweißbar ist.

Zusätzlich zu der obigen Erläuterung der Trennwand 7 ist zu beachten, daß sich ein großer Unterschied in der verlangten mechanischen Festigkeit für die Trennwand 7 daraus ergibt, ob die Trennwand zur Übertragung der Magnetkräfte, die von der Hauptspule 2 und der Hilfsspule 3 auf beiden Seiten der Trennwand 7 erzeugt werden, durch einen Verstärkungsträger 11 zu dem Befestigungsteil 13 dienen soll. Ferner hängt die Konstruktion der Trennwand 7 von der verlangten Größe des Zwischenraums zwischen der Hauptspule 2 und der Hilfsspule 3 zum Erhalt des magnetischen Kopplungsbeiwerts dieser Spulen, der durch die Konstruktion bestimmt ist, ab.

Unter Beachtung dieser Faktoren kann das Ausführungsbei­ spiel nach Fig. 5 verwendet werden, wenn die Trennwand 7 nicht oder nur mit geringer Last beaufschlagt ist, während das Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 so ausgelegt ist, daß es einer Belastung standhalten kann.

Fig. 7 ist ein Schema, das das Kühlsystem der oben be­ schriebenen supraleitfähigen Magnetvorrichtung erläutert. Dabei sind vorgesehen eine Kühlmittelzuführeinheit 81, Ver­ flüssiger 82, Rückschlagventile 83 und Sicherheitsventile 84.

Diese Figur zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einer zentra­ len Kühlmittelzuführeinheit, die gleichzeitig vier supra­ leitende Magnetvorrichtungen 1 jeweils mit Hauptspule 2 und Hilfsspule 3, die gesondert in den entsprechenden Kühlbe­ hältern 8, 8′ untergebracht sind, kühlt.

Aus der Kühlmittelzuführeinheit 81 wird flüssiges Helium od. dgl. durch entsprechende Rohrleitungen über die Rück­ schlagventile 83 jedem Kühlbehälter 8, 8′ der supraleiten­ den Magnetvorrichtung zugeführt. Da das flüssige Helium unter einem im wesentlichen normalen Druck gefördert wird, verdampft es in den Kühlbehältern, und der Dampf wird in den Verflüssigern 82 durch weitere Eintrittsleitungen ge­ sammelt, wiederum verflüssigt und zur Kühlmittelzuführein­ heit 81 rückgeleitet. Durch ständige Wiederholung dieses Zyklus werden die Hauptspulen 2 und die Hilfsspulen 3 auf einer Temperatur gehalten, die gleich oder niedriger als die kritische Temperatur für ihre Supraleitfähigkeit ist.

Wenn dann plötzlich in einer der Hauptspulen 2 ein Quenchen auftritt, wird eine erhebliche Wärmemenge erzeugt.

Dadurch wird die aufgrund der Wärme verdampfende Kühlmit­ telmenge erhöht. In diesem Fall ist es nahezu unmöglich, daß die Verflüssiger 82 die gesamte erhöhte Dampfmenge auf­ nehmen. Daher sind die die jeweiligen Spulen enthaltenden Kühlbehälter jeweils für sich mit den Sicherheitsventilen 84 ausgerüstet, die als Schwallausgleicher dienen, um einen sehr schnellen und übermäßigen Druckanstieg aufgrund der gesteigerten Kühlmittelverdampfung infolge des Quenchvor­ gangs sicher zu vermeiden. Ferner besteht eine wichtige Funktion dieses Kühlsystems darin, daß die gesonderten Rohrleitungen, die den Einfluß der in einer gequenchten Hauptspule 2 erzeugten Wärme bzw. insbesondere das Einströ­ men des aufgrund dieser Wärme verdampften Kühlmittels in verschiedene Leitungen zur Kühlung der übrigen Wicklungen, die sich im supraleitenden Zustand befinden, vermeiden sollen, in Kombination mit der Kühlmittelzuführeinheit ausgelegt sind, die eine den Anforderungen genügende Kapa­ zität hat. Da die gesonderten Rohrleitungen jeweils mit den Rückschlagventilen 83 ausgestattet sind, können Gegenströme des darin befindlichen Kühlmittels vermieden werden.

Erforderlichenfalls können Absperrventile, z. B. Magnet­ ventile, den entsprechenden Rückschlagventilen gegenüber­ stehend angeordnet sein, um die Kühlmittelzuführung zu dem Kühlbehälter, der die gequenchte Spule enthält, im Zusam­ menwirken mit zusätzlichen Mitteln zur Erfassung eines Quenchvorgangs in jeder Spule zu unterbrechen (und außerdem den Dampfstrom zum entsprechenden Verflüssiger zu unter­ brechen).

Wenn bei der so ausgebildeten supraleitenden Magnetvorrich­ tung im Supraleiter einer Spule ein Quenchvorgang auftritt, so kann die in einer die gegenseitige Induktion zulassenden Lage angeordnete zweite Spule wenigstens die magnetische Energie oder Kraft aufrechterhalten, und außerdem kann diese magnetische Kraft gemäß dem Prinzip der gegenseitigen Induktion hinreichend hoch sein, so daß die Hubkraft auf­ rechterhalten wird, was bei den konventionellen Magnet­ schwebebahnen nicht möglich ist.

Nachstehend wird eine neue Art einer Magnetschwebebahn er­ läutert, an der die supraleitende Magnetvorrichtung gemäß der Erfindung installiert ist.

Fig. 8 zeigt im Querschnitt eine Vorderansicht der Magnet­ schwebebahn.

Die allgemeine Konstruktion dieser Magnetschwebebahn unter­ scheidet sich nicht von der herkömmlichen Konstruktion, aber die für die Schwebefahrt erforderliche supraleitende Magtnetvorrichtung umfaßt die Haupt- und Hilfsspulen gemäß der Erfindung.

Ein Wagenkasten 100 befindet sich innerhalb der bodenver­ legten Schwebeständer 101 und fährt unter Nutzung der elek­ tromagnetischen Induktion und der magnetischen Abstoßungs­ kraft, die zwischen der am Wagenkasten 100 befindlichen supraleitenden Magnetvorrichtung 1 und den Spulen 10 und Vortriebsstatorspulen 102 erzeugt wird. Dabei hat der Wagen Räder 103, einen Wagenboden 104 und Sitze 105. Zusatzein­ richtungen 106 wie die Kühlmittelzuführeinheit, Rohrlei­ tungen und Erfassungsmittel sind unter dem Wagenboden 104 installiert.

Wie Fig. 9 zeigt, ist diese Art von Magnetschwebebahn nor­ malerweise mit mehreren zusammengekoppelten Wagen ausge­ stattet. Die Zeichnung zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einer Bugsektion 110, einer Hecksektion 120 sowie zwei dazwischen eingeschobenen Zwischensektionen 130.

Außerdem weist die Magnetschwebebahn die oben beschriebenen supraleitenden Magnetvorrichtungen 1 auf, die jeweils an der Bugsektion 110 und der Hecksektion 120 vorgesehen sind.

Im Fall der Magnetschwebebahn sind die Beschleunigung in Fahrtrichtung und die beim Durchfahren einer Kurve erzeugte Fliehkraft die Hauptkräfte, die während der Fahrt auf die Wagenkästen einwirken. Diese beiden Kräfte müssen von der magnetischen Abstoßungskraft zwischen den an geeigneten Stellen der Wagen angeordneten supraleitenden Magnetvor­ richtungen 1 und den am Schwebegestell verlegten Stator­ spulen 10 im Gleichgewicht gehalten werden. Wenn also bisher eine dieser supraleitenden Magnetvorrichtungen auf­ grund von Quenchen die magnetische Abstoßungskraft verloren hat, wurde der entsprechende Teil des Wagens nicht mehr von dieser Kraft gehoben, und infolgedessen verlor das Fahrzeug insgesamt das Gleichgewicht.

Im Fall von mehreren zusammengekoppelten Sektionen wurde die Bug- oder die Hecksektion von einem solchen Ungleich­ gewicht der Kräfte am stärksten beeinflußt. Weil beide Enden der Zwischensektionen 130 mit den übrigen Sektionen 110 und 120 verbunden sind, kann ein Verlust der Hubkraft einer der Zwischensektionen infolge von Quenchen dadurch ausgeglichen werden, daß der Einfluß dieses Verlusts über die Verbindungsmittel auf die übrigen Sektionen verteilt wird, wenn die Verbindungsmittel geeignet gewählt sind.

Wenn dagegen Quenchen in einer der supraleitenden Magnet­ vorrichtungen der Bugsektion 110 auftrat, bestand die Ge­ fahr, daß das Ungleichgewicht der Kräfte aufgrund des Quenchvorgangs unmittelbar in einer Störung des Fahrgleich­ gewichts der Bugsektion 110 resultieren würde.

Aus diesem Grund ist bei der Erfindung die supraleitende Magnetvorrichtung 1 sowohl an der Bugsektion 110 als auch an der Hecksektion 120 vorgesehen, um besonders wirksam diese Gefahr zu vermeiden.

Fig. 9 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem an der Bug­ sektion 110 und an der Hecksektion 120 jeweils vier supra­ leitende Magnetvorrichtungen 1 vorgesehen sind.

Die vergrößerte Darstellung von Fig. 10 zeigt die Bugsek­ tion 110 von Fig. 9, die zwei Wagen 111, 112 aufweist, wobei an jedem Wagen zwei supraleitende Magnetvorrichtungen 1 vorgesehen sind.

Ferner ist bei jeder in dieser Weise an den Wagen instal­ lierten supraleitenden Magnetvorrichtung die Lage der supraleitenden Spulen in geeigneter Weise gewählt. Das bedeutet, daß die Hauptspule 2 und die Hilfsspule 3 so angeordnet sind, daß die Hilfsspule 3 näher an der zuge­ hörigen Vortriebsstatorspule an der Führungsbahn liegt als die Hauptspule 2. Wenn nämlich in der supraleitenden Ma­ gnetvorrichtung diese Spulen an Stellen angeordnet sind, die eine Erhöhung des Permanentstroms in der Hilfsspule aufgrund der gegenseitigen Induktivität ermöglichen, so ist es unmöglich, daß diese Erhöhung der magnetischen Energie in der Hilfsspule die Verminderung der magnetischen Energie in der Hauptspule, die durch das Verschwinden des Perma­ nentstroms infolge von Quenchen hervorgerufen ist, voll­ ständig ausgleicht.

Die Fig. 11 und 12 zeigen Modifikationen der supraleitenden Magnetvorrichtung, die hinsichtlich des Einbaus an der Magnetschwebebahn verbessert sind.

Das Ausführungsbeispiel von Fig. 11 ist so aufgebaut, daß die Hauptspule 2 in Rennbahnform so an der Befestigung eines Wagens angeordnet ist, daß sie mehrere Hilfsspulen 3 (drei in der Zeichnung) enthält.

Diese Konstruktion ist zwar effektiv, wenn die supralei­ tende Magnetvorrichtung dickenreduziert sein soll, aber die Anordnung der selbständigen Kühlsysteme ist kompliziert.

Fig. 12 zeigt eine Abwandlung des vorstehenden Ausführungs­ beispiels, wobei mehrere Sätze der Hauptspule 2 und der Hilfsspule 3 konzentrisch positioniert und an der Befesti­ gung 13 angeordnet sind.

Das Schaltbild von Fig. 13 erläutert eine für die Magnet­ schwebebahn, an der die supraleitenden Magnetvorrichtungen installiert sind, erforderliche Sicherheitsmethode.

Auch wenn bei der vorgenannten supraleitenden Magnetvor­ richtung in der Haupt- oder Hilfsspule ein Quenchvorgang auftritt, kann der schlimmste Fall des Verschwindens der Hubkraft infolge des Quenchvorgangs vermieden werden. In­ folgedessen kann die Magnetschwebebahn auf ihrem Fahrweg weiterfahren. Wenn nun jedoch bei fortgesetzter Fahrt mit der gequenchten supraleitenden Spule der nächste Quench­ vorgang in derselben supraleitenden Magnetvorrichtung auf­ tritt, wird das Gleichgewicht der Magnetschwebebahn insge­ samt gestört. Um diese Gefahr zu vermeiden, ist ein Sicher­ heits- oder ausfallsicheres Verfahren notwendig, mit dem der Betrieb der Magnetschwebebahn steuer- und regelbar ist, so daß die gequenchte supraleitende Magnetvorrichtung er­ kannt und sofort ein Zeitpunkt und ein Ort bestimmt werden, wann und wo die weiterfahrende Magnetschwebebahn angehalten und repariert wird.

Ein System zur Durchführung des vorgeschlagenen Sicher­ heitsverfahrens ist in Fig. 13 gezeigt, wobei an jeder Hauptspule 2 und jeder Hilfsspule 3 der supraleitenden Ma­ gnetvorrichtung ein Sensor 200 zur Quencherfassung ange­ ordnet ist. Aufgrund eines Ausgangssignals des Sensors 200 wird die gequenchte Spule von einer Diskriminiereinrichtung 201 diskriminiert, die dann einem Sender/Empfänger 202 und von dort einer Kontrollstation 203 ein Signal zuführt, das in der Kontrollstation auf einer Anzeigevorrichtung ange­ zeigt wird. Zusätzlich wird ein Ausgangssignal der Diskri­ miniereinrichtung 201 einer Ausgleichseinrichtung 204 zuge­ führt, die die Magnetschwebebahn z. B. dadurch ins Gleich­ gewicht bringt, daß in einer Spule einer anderen supralei­ tenden Magnetvorrichtung, die an einer Stelle vorgesehen ist, die zum Ausgleich der gequenchten Spule der supralei­ tenden Vorrichtung wirksam ist, ein gewolltes Quenchen her­ vorgerufen wird, so daß die Stabilität der Magnetschwebe­ bahn insgesamt in einfacher Weise aufrechterhalten wird. Eine solche Zwangsquencheinrichtung ist bei 205 gezeigt.

Ferner können bei der angegebenen Magnetschwebebahn, die trotz des Quenchens in einer supraleitenden Magnetvorrich­ tung weiterfahren kann, in der Kontrollstation wirksame fakultative Mittel wie eine Fahrgeschwindigkeitsregelung, vorspringende Stabilisatorflügel od. dgl. anstelle einer Zwangsquencheinrichtung zum Quenchen der Spule durch die Ausgleichseinrichtung 204 vorgesehen sein. Wenn die Magnet­ schwebebahn eine Station oder eine andere Stelle mit Repa­ ratureinrichtungen erreicht, wird jedenfalls der Quenchzu­ stand beseitigt. Wenn die Vorbereitung für diese Reparatur vor der Ankunft der Bahn bereits beendet ist, kann die Sicherheit der Magnetschwebebahn dieses Typs wesentlich verbessert werden.

Claims (11)

1. Supraleitende Magnetvorrichtung, gekennzeichnet durch
eine supraleitende Hauptspule (2) ,
eine supraleitende Hilfsspule (3),
Kühleinrichtungen (9, 9′), die die jeweiligen Spulen (2, 3) enthaltenden Kühlbehältern (8, 8′) Kühlmittel zuführen, und
eine zwischen den die Spulen (2, 3) enthaltenden Kühlbe­ hältern (8, 8′) angeordnete nichtmagnetische Trennwand (7), die die Spulen hermetisch voneinander trennt,
wobei die Spulen (2, 3) in relativen Lagen angeordnet sind, die eine gegenseitige elektromagnetische Induktion erlauben.

2. Supraleitende Magnetvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptspule (2) für Normalfahrt und die Hilfsspule (3) für Notfahrt aus Supraleitern mit voneinander verschie­ denen Charakteristiken bestehen.

3. Supraleitende Magnetvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptspule (2) in einer Permanentstrombetriebsart mit einem flachen Nennstrom magnetisch erregt ist und die Hilfsspule (3) in einer Permanentstrombetriebsart unterhalb des flachen Nennstroms erregt ist.

4. Supraleitende Magnetvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptspule (2) in einer Permanentstrombetriebsart mit einem flachen Nennstrom magnetisch erregt ist und die Hilfsspule (3) in einer Permanentstrombetriebsart unterhalb des flachen Nennstroms erregt ist.

5. Supraleitende Magnetvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand (7) eine wärmeisolierende Vakuumschicht aufweist.

6. Kühlsystem für die supraleitende Magnetvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlvorrichtungen (9, 9′) das Kühlmittel jeweils dem die Hauptspule (2) für Normalfahrt enthaltenden Kühl­ mittelbehälter (8) und dem die Hilfsspule (3) für Notfahrt enthaltenden Kühlmittelbehälter (8′) zuführen.

7. Magnetschwebebahn, dadurch gekennzeichnet, daß die supraleitenden Magnetvorrichtungen nach einem der Ansprüche 1-5 sowohl an einer Bugsektion (110) als auch einer Hecksektion (120) der mehrere miteinander verbundene Wagen (110, 130, 120) umfassenden Bahn vorgesehen sind.

8. Supraleitende Magnetvorrichtung für die Magnetschwebe­ bahn nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die an der Magnetschwebebahn vorgesehene supraleitende Magnetvorrichtung (1) so aufgebaut ist, daß die Hauptspule (2) für Normalfahrt in einer Position angeordnet ist, die von einer auf einem zugehörigen Fahrweg der Wagen angeord­ neten Vortriebsstatorspule (10) weiter als die Hilfsspule (3) für Notfahrt entfernt ist.

9. Supraleitende Magnetvorrichtung für die Magnetschwebe­ bahn nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die an der Magnetschwebebahn vorgesehene supraleitende Magnetvorrichtung (1) so aufgebaut ist, daß die Hauptspule (2) für Normalfahrt die Hilfswicklung (3) für Notfahrt umschließt.

10. Supraleitende Magnetvorichtung, gekennzeichnet durch
eine Supraleiter-Hauptspule (2) für Normalfahrt,
eine Supraleiter-Hilfsspule (3) für Notfahrt,
Kühleinrichtungen (9, 9′), die Kühlmittelbehältern (8, 8′), die die jeweiligen Spulen (2, 3) enthalten, Kühlmittel zuführen, und
eine zwischen den die Spulen (2, 3) enthaltenden Kühl­ mittelbehältern (8, 8′) angeordnete nichtmagnetische, wär­ meisolierende Trennwand (7) zur hermetischen Trennung dieser Spulen,
wobei die Spulen (2, 3) in relativen Lagen angeordnet sind, die einen Kopplungsbeiwert von 0,2 oder mehr ermög­ lichen, so daß zwischen den Spulen eine gegenseitige Induk­ tion stattfinden kann.

11. Supraleitende Magnetvorrichtung, gekennzeichnet durch
eine in einem Kühlbehälter (8) aufgenommene erste supra­ leitende Hauptspule (2) und eine in einem Kühlbehälter (8′) aufgenommene zweite supraleitende Hilfsspule (3), wobei die Spulen in relativen Lagen angeordnet sind, die eine gegen­ seitige Induktion ermöglichen,
wobei die beiden Spulen (2, 3) über die Kühlbehälter (8, 8,) von einem Träger (11) abgestützt sind, der eine mecha­ nische Abstützung gegenüber der von den Spulen erzeugten Magnetkraft bewirkt und mit einer an einem Außenabschnitt festzulegenden Befestigungsvorrichtung (13) integral ge­ formt ist, und
wobei die Kühlbehälter (8, 8′) mit Kühleinrichtungen (9, 9′) zur Kühlmittelzuführung verbunden sind, die den Supra­ leiter auf bzw. unter eine kritische Temperatur des Supra­ leiters kühlen.