DE4223307A1 - Aeromagnetische steuerung von magnetschwebefahrzeugen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf aeromagnetische Steuerungen von Magnetschwebefahrzeugen. Insbesondere bezieht sie sich auf die Benutzung von Steuerflächen und gesteuerten magnetischen Schwebevorrichtungen zum gemeinsamen Auffangen von dynamischen Kräften und Belastungen, die durch Magnetschwebe­ fahrzeuge (MAGLEV-Fahrzeuge) beim Fahren mit hohen Geschwindig­ keiten auf eine Führungsbahn ausgeübt werden.

Magnetisch angehobene und angetriebene Fahrzeuge, gemeinhin als MAGLEV-Fahrzeuge bezeichnet, versprechen schon lange schnellen und komfortablen Transport. In Deutschland und Japan wird der­ zeit mit solchen Systemen experimentiert, und die Verbesserung von supraleitenden Spulen verbessert weiter die Möglichkeiten, diese Art von Massentransportfahrzeugen über lange Entfernungen weltweit einzusetzen. Die Führungsbahn eines MAGLEV-Fahrzeuges muß so entworfen sein, daß sie dynamischen Biegekräften in vertikaler Richtung standhält, die 2,5 bis 3 mal den Biege­ kräften entsprechen, die bei der statischen Belastung durch das Fahrzeug entstehen. Entsprechend, wenn das Fahrzeug durch Kurven fährt, muß die Führungsbahn die durch die Zentrifugal­ kraft erzeugten Seitenkräfte aufnehmen, die die Hälfte des Fahrzeuggewichtes betragen können. Jedes Verfahren, das die Spitze dieser dynamischen Lasten minimieren kann, wird eine deutliche Auswirkung auf die zu konstruierende Steifheit und die entsprechenden Kosten der Führungsbahn haben, für die ein MAGLEV-System dessen Hauptkostengesichtspunkt darstellt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die vertikalen und seitlichen Belastungskräfte auf eine Führungsbahn für ein Magnetschwebefahrzeug zu vermindern.

Die Aufgabe wird durch das MAGLEV-Fahrzeug nach den Patentan­ sprüchen 1 und 7 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Das zentrale Prinzip der vorliegenden Erfindung besteht darin, die aerodynamischen Steuerflächen des MAGLEV-Fahrzeuges mit magnetischen Spulen, die die Verbindung zur Führungsbahn her­ stellen, zu kombinieren. Sensorvorrichtungen stellen eine Ver­ schiebung eines MAGLEV-Fahrzeuges relativ zu seiner Führungs­ bahn fest, und ein Computer reagiert auf die Sensoren und be­ wirkt ein Verstellen der Steuerflächen und selektives Aktivie­ ren von Spulen so, daß rollende, stampfende, gierende und sich hebende Bewegungen des Fahrzeuges vertikal und seitlich gesteuert werden. Die Steuerflächen werden relativ zu einer Luftströmung so abgelenkt, daß sie die dynamische Belastung der Führungsbahn mindern und damit die benötigte Auffangwirkung haben. Die Magnetspulen wirken gegen die Führungsbahn und sorgen für den Fahrkomfort des Passagieres.

Die einzigartige Lösung bei der vorliegenden Erfindung besteht in der gemeinsamen Nutzung von aerodynamischen Steuerflächen und magnetischen Steuerungen zum Minimieren von vertikalen und seitlichen Belastungen der Führungsbahn, indem die Amplitude von daraufwirkenden dynamischen Belastungen durch das Fahrzeug minimiert wird. Zum selben Zeitpunkt sorgt die Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung für eine relativ vibrationsfreie und ausgeglichene Fahrt für die Passagiere. Obwohl einstellbare Steuerflächen extensiv bei Luftfahrzeugen zum Steuern eines Rollens, Stampfens, Gierens und Hebens eingesetzt werden und herkömmliche MAGLEV-Fahrzeuge magnetische Spulen für eine Schwebesteuerung der MAGLEV-Fahrzeuge für den Fahrgast-Komfort einsetzen können, wurde eine Verbindung dieser beiden bisher nicht für die vorteilhafte Wirkung des Verminderns einer Führungsbahnbelastung eingesetzt.

Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren.

Von den Figuren zeigen

Fig. 1 ein Schaubild eines MAGLEV-Fahrzeuges auf einer er­ höhten Führungsbahn und

Fig. 2 ein Blockdiagramm des elektrischen Steuersystems für die vorliegende Erfindung.

In der Fig. 1 ist eine bildhafte Darstellung gezeigt, bei der ein herkömmlich geformtes MAGLEV-Fahrzeug 10 auf einem angeho­ benen Führungsbahnsystem 12 entlangfährt, welches von Säulen über Autobahnen geführt wird. Selbstverständlich wurde diese Umgebung nur aus Gründen der Darstellung gewählt, und es wird darauf hingewiesen, daß kein notwendiger Zusammenhang zwischen dem MAGLEV-System und den darunterliegenden Straßen besteht. Verschiedene Formen von Führungsbahnen und Fahrzeugen sind im Rahmen des Schutzbereiches der Erfindung möglich.

Die Führungsbahn 12 umfaßt einen Kanalaufbau mit einander gegenüberliegenden Seitenwänden 16 sowie einen Boden 19.

Entlang den vorderen und hinteren Enden des Fahrzeuges 10 sind bewegliche Steuerflächen 17 auf gegenüberliegenden Seiten­ flächen montiert, wobei die Steuerflächen in Fig. 1 nur bezüg­ lich der nähestliegenden Seitenfläche gezeigt sind.

Jede bewegliche Steuerfläche 17 umfaßt ein aerodynamisches Steuerflächenelement 20, welches auf einem Scharnier (Drehge­ lenk) 22 montiert ist, wodurch eine Drehbewegung des Elementes 20 gestattet wird. Wenn das Fahrzeug sich mit relativ niedrigen Geschwindigkeiten bewegt oder sich einer Station nähert, wird das Element 20 in eine mit der Fahrzeugseite bündige Position gedreht, so daß ein Fahrtwiderstand bei niedrigen Geschwindig­ keiten vermindert wird und ein Schaden durch Kontakt mit den Seitenwänden 16 der Führungsbahn 12 verhindert wird. Das gela­ gerte Element 20 ist auf einem Drehteller 24 montiert, so daß die Ebene des Steuergliedes relativ zur Richtung der Fahrzeug­ bewegung verändert werden kann. Es existieren weitere aerody­ namische Steuerflächen, die dieselben funktionellen Wirkungen wie in den Ansprüchen dieser Erfindung bewirken.

Oberhalb des Fahrzeuges sind zwei Steuerflächenelemente drehbar gelagert, durch das Bezugszeichen 26 bezeichnet. Seitliche Stützen 30 stützen das drehbar auf einem Schaft 28 montierte Element 26. Die Stirnseite des Elements 26 wird wie die des Steuergliedes 20 relativ zu einem auftreffenden Luftstrom ver­ ändert, so daß das MAGLEV-Fahrzeug 10 hierdurch angehoben werden kann, womit die dynamische Ablenkung des Fahrzeuges in vertikaler Richtung bezüglich der Führungsbahn geändert wird.

Ein alternativer Ansatz zum Einsatz der Steuerflächenelemente 20 und 26 wäre die Benutzung von variabel ablenkbaren RAM- Luftdüsen, die in eine geeignete Richtung gerichtet werden, um das gewünschte Abstoßen von der Führungsbahn zu bewirken, wie durch die bewegliche Luftdüse 29 angedeutet. Obwohl nur eine von derartigen Düsen eingesetzt wird, wird darauf hingewiesen, daß vier derartige Düsen als Ersatz für die Elemente 20 montiert werden könnten, und zusätzliche Elemente könnten auf dem Dach des Fahrzeugs 10 angebracht werden, zum Ersetzen der Steuer­ flächenelemente 26.

Die Fig. 1 verdeutlicht ferner die Benutzung von magnetischen Antrieben in der Form von Spulen, die vorn und hinten am Fahrzeug 10 vorgesehen sind. Im vorderen Bereich des Fahrzeuges sind seitlich angeordnete, vertikal ausgerichtete Spulen 32 gezeigt, die im inneren unteren Bodenbereich des Fahrzeuges an­ geordnet sind. Entsprechende horizontale Spulen 36 sind gegen den Fahrzeugboden positioniert. Entlang der Führungsbahn ist eine Anzahl von interagierenden Aluminiumspulen oder Platten (nicht gezeigt) vorgesehen, die in den Seitenwänden 16 oder im Boden 19 der Führungsbahn montiert sein können, zum Ermöglichen von zusätzlicher selektiver Steuerung des Fahrzeugabstandes be­ zogen auf die Seitenwände und die Bodenfläche der Führungsbahn. Die Spulen arbeiten in einer aus dem Stand der Technik bekann­ ten Weise. Es wird aber erwähnt, daß erst die Kombination von aerodynamischen Steuerflächen und magnetischen Spulen die aus­ reichende Flexibilität zum Ausgleichen der dynamischen Kräfte und Belastungen ermöglicht, zum Vereinfachen von konstruktiven Aufgaben und Kosten der Führungsbahn, in demselben Maße, wie das Fahrzeug selbst den Passagieren eine komfortable Fahrt bietet.

Ein alternativer Ansatz würde ein sekundäres Federungssystem zwischen der Passagierkabine und dem die supraleitenden Magne­ te enthaltenden unteren Bereich des Fahrzeugs einsetzen. Hier­ durch könnte die Notwendigkeit für magnetische Antriebe ent­ fallen, da das Federungssystem den für die Passagiere benötig­ ten Fahrkomfort ermöglicht.

Die Fig. 2 bezieht sich auf ein verallgemeinertes Blockdia­ gramm des elektrischen Steuerungssystems für die vorliegende Erfindung. Positionsinformationen über das Fahrzeug 10 bezüg­ lich der Führungsbahn 12 werden durch herkömmliche Bereichs­ sensoren bereitgestellt, die als seitlicher Verschiebungssensor 42 und vertikaler Verschiebungssensor 44 vorliegen. Vier Sen­ soren von jeder Art würden im Fahrzeug 10 vorliegen, zwei in der Front und zwei im Heck. Die seitlichen Sensoren stellen Informationen für einen Computer 34 bereit, so daß eine Ab­ standsmessung für die Steuerung einer seitlichen Bewegung und einer Gierungsbewegung bezüglich der Führungsbahn vorgenommen wird. Die vertikalen Sensoren 44 würden nach unten zeigen und zum Durchführen von Hebe-, Nick-, Gier- und Rollmessungen re­ lativ zur Führungsbahn benutzt werden.

In Ergänzung zu den erwähnten Bereichssensoren sind ein linearer, zweiachsiger Beschleunigungsmesser 46 sowie ein drei­ achsiger Wendekreisel (Gyroskop) 48 herkömmlicher Art auf dem Fahrzeug befestigt und werden zum Messen der translatorischen und rotatorischen Bewegungen des Fahrzeuges relativ zum Träg­ heitsraum benutzt. Aus der von den Sensoren 42 und 44 enthal­ tenen Abstandsinformation sowie von der durch den Beschleuni­ gungsmesser 46 und das Gyroskop 48 gemessenen translatorischen und rotatorischen Bewegung erzeugt der Computer 34 Signale für ein Scharnierstellglied 22A sowie einen Drehtellerantrieb 24A, die das Steuerelement 20 so stellen, daß ein vorgewählter Hebe­ betrag bewirkt wird. Entsprechend legt der Computer 34 ein Steuersignal an den Drehantrieb 26A an, ausreichend zum Drehen des aerodynamischen Elements 26 auf seinem Schaft 28 um einen vorgewählten Anhebebetrag, abhängig von der Geschwindigkeit und der für den Fahrzeugort relativ zur Führungsbahn gemessenen Po­ sitionsinformation. Es sollte erwähnt werden, daß eine Posi­ tionsinformation ebenfalls an den Computer 34 als die Position der Säulen 14 relativ zum Fahrzeug 10 übertragen werden kann, wenn dieses von Säule zu Säule fährt. Das Ausüben von Anhebe­ kräften auf das Fahrzeug, als es entlang der Säulen mit gewis­ sen Geschwindigkeiten fährt, wird zu einer gewünschten Vermin­ derung der dynamischen Last auf die Führungsbahn führen. Das Ausmaß der gewünschten Anhebung durch die aerodynamischen Steuerflächen wird durch den Computer 34 auf im wesentlichen dieselbe Weise gesteuert, wie ein "Fly-by-wire" Flugzeug durch bordeigene Computer gesteuert wird, der mit Sensor- und Navigationsinformation versehen wird.

Die horizontalen aerodynamischen Steuerflächenelemente 20, die auf dem Fahrzeug 10 mit einer einzelnen Drehachse montiert sind, werden zum Steuern des Hebens und Stampfens benutzt. Die vier zusätzlichen aerodynamischen Steuerflächenelemente 20, die auf den Seiten des Fahrzeugs angeordnet sind, werden zum Errei­ chen einer seitlichen Steuerung entsprechend Rollen und Gieren benutzt. Der Betrieb des Scharnierantriebes 22A führt zur Dreh­ verstellung des Elementes 20 und ermöglicht dabei das Minimie­ ren der auf das Fahrzeug wirkenden Seitenkräfte. Die Aktivie­ rung des Drehantriebes 24A sorgt für die Drehbewegung des Ele­ ments 20 und wird zur Gier- und Rollsteuerung benutzt. Aus der obigen Beschreibung geht hervor, daß die Kombination von aero­ dynamischen Steuerflächen mit vom Fahrzeug getragenen Magnet­ spulen die vorteilhafte Wirkung des Ausgleichens von dynami­ schen Kräften und Belastungen ermöglicht, die durch ein MAGLEV-Fahrzeug auf dessen Führungsbahn ausgeübt werden, wobei gleich­ zeitig maximaler Komfort für Fahrgäste sichergestellt ist. Ein verbesserter Betrieb wird durch den Einsatz von supraleitenden Spulen in den Fahrzeugen erwartet, obwohl herkömmliche eisen­ lose Spulen oder Eisenkernspulen eingesetzt werden können.

Claims (8)

1. MAGLEV-Fahrzeug mit mindestens einem zur Fahrt entlang einer Führungsbahn vorge­ sehenen Wagen,
einer auf dem Wagen montierten, variabel verstellbaren und auf den Wagen einen vorgewählten Auftrieb ausübenden Vorrichtung und
einer Mehrzahl von mit dem Wagen verbundenen Spulen, zum magne­ tischen Zusammenwirken mit der Führungsbahn zum gesteuerten Herstellen eines Abstandes zwischen dem Wagen und der Führungs­ bahn.

2. MAGLEV-Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die variabel verstellbare Auftriebsvorrichtung eine Mehrzahl von aerodynamischen Steuerflächen aufweist, die mit dem Wagen drehbar verbunden sind.

3. MAGLEV-Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die variabel verstellbare Auftriebsvorrichtung eine Mehrzahl von mit dem Wagen verbundenen Strahldüsen aufweist.

4. MAGLEV-Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrzahl von Spulen
einen Satz von vertikal ausgerichteten Spulen umfaßt, die min­ destens in einem vorderen und einem hinteren Ende des Wagens angeordnet sind, und
einen Satz von horizontal ausgerichteten Spulen aufweist, die mindestens in einem vorderen und einem hinteren Ende des Wagens angeordnet sind.

5. MAGLEV-Fahrzeug nach Anspruch 2 oder 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die aerodynamische Steuerfläche
einen ersten Satz von Steuerflächen aufweist, die in einer gleichen Entfernung mit der Deckenfläche des Wagens verbunden sind, wobei jede drehbar mit einer Achse parallel zum Wagendach verbunden ist, und senkrecht zu einer Achse des Wagens angeord­ net ist, und
einen zweiten Satz von Steuerflächen umfaßt, die drehbar mit den Wagenseiten verbunden sind.

6. MAGLEV-Fahrzeug nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jede des zweiten Satzes von Steuerflächen mit dem Wagen über einen dazwischen vorgesehenen Drehteller verbunden ist, der das Drehen von jeder des zweiten Satzes von Steuerflächen um eine Achse gestattet, die auf der Seitenfläche des Wagens senkrecht steht.

7. MAGLEV-Fahrzeug mit mindestens einem für das Fahren entlang einer Führungsbahn vor­ gesehenen Wagen,
einem ersten Satz von Auftrieb ausübenden Steuerflächen, die in einem gleichen Abstand auf der Dachfläche des Wagens befestigt sind, wobei jede drehbar an einer Achse befestigt ist, die parallel mit dem Wagendach verläuft und senkrecht zu einer Wagenachse verläuft,
einem zweiten Satz von Auftrieb ausübenden Steuerflächen, die drehbar mit den Wagenseiten verbunden sind,
einem Satz von senkrecht ausgerichteten Spulen, mindestens an dem vorderen und dem hinteren Ende des Wagens, und
einem Satz von horizontal ausgerichteten Spulen, die mindestens am vorderen und am hinteren Ende des Wagens angeordnet sind, wobei die Spulen selektiv magnetisch mit der Führungsbahn in Eingriff treten, zum steuerbaren Erzeugen eines Abstandes zwi­ schen dem Wagen und der Führungsbahn.

8. MAGLEV-Fahrzeug nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß jede des zweiten Satzes von Steuerflächen mit dem Wagen über einen dazwischenliegenden Drehteller verbunden ist, der das Drehen jeder des zweiten Satzes von Steuerflächen um eine Dreh­ tellerachse ermöglicht.