DE4313846A1

DE4313846A1 - Elektromagnetische Aufhängung unter Verwendung eines supraleitenden Magneten

Info

Publication number: DE4313846A1
Application number: DE19934313846
Authority: DE
Inventors: Richard J Hebermann; Dennis R Hull; Z J J Stekly
Original assignee: Grumman Aerospace Corp
Current assignee: Grumman Corp
Priority date: 1992-04-29
Filing date: 1993-04-27
Publication date: 1993-11-25
Also published as: JPH077812A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektromagneti sche Aufhängung für ein Hochgeschwindigkeits-Beför derungssystem. Insbesondere bezieht sich die Erfin dung auf ein Magnet-Schwebe-System gemäß dem Ober begriff des Anspruchs 1.

Herkömmliche Antriebseinrichtungen für schienenge bundene Beförderungssysteme, einschließlich der Antriebsmotoren und der Räder, sind in der Praxis bei Geschwindigkeiten oberhalb von 300 mph (Meilen pro Stunde) d.s. 482,8 km/h nicht brauchbar. Die den herkömmlichen Systemen anhaftenden Probleme umfassen den Fahrwiderstand, die Haftung zwischen Schienen und Rädern, Störungen durch Wind, Träg heitseffekte, Unregelmäßigkeiten im Bahnkörper bzw. hinsichtlich der Bettung sowie Antriebsschwierig keiten. Um derartige Probleme zu überwinden, ist bereits eine Vielzahl von Systemen vorgeschlagen worden, welche anstelle der Verwendung von Rädern und mechanischen Aufhängungen von Systemen mit elektromagnetischer Aufhängung und Stabilisierung Gebrauch machen, um die dynamische Reibung zu ver mindern, und dementsprechend zum Betrieb bei super hohen Geschwindigkeiten befähigt sind, während der Energieverbrauch gleichzeitig vermindert wird. Das Ausmaß des Verbrauchs der in einem solchen System verwendeten Energie kann ferner durch die Benutzung der auf dem Phänomen der Supraleitfähigkeit basie renden Technologie vermindert werden, bei welcher der elektrische Strom durch Drähte hindurch gelie fert wird, welche scheinbar keinen inneren elektri schen Widerstand besitzen, wodurch die Leistungs fähigkeit, die Kosten, die Sicherheit, die Umwelt belastung ebenso wie der energetische Wirkungsgrad des Systems verbessert bzw. begünstigt wird.

Die Magnetschwebe-Technologie (im folgenden kurz "MAGLEV-Technologie" genannt) läßt sich im großen und ganzen in zwei Arten von primären Aufhängungs systemen untergliedern, nämlich in das anziehende oder elektromagnetische Aufhängungssystem (im fol genden kurz "EMS" genannt) und in das zurückstoßen de oder elektrodynamische Aufhängungssystem (im folgenden kurz "EDS" genannt).

Das EMS-System ist durch das deutsche Transrapid- System exemplifiziert, welches sich seit ungefähr 20 Jahren in der Entwicklung befindet und kurz vor der kommerziellen Anwendung steht. Bei diesem Sy stem werden übliche, d. h. keine supraleitenden Elektromagnete verwendet, um ein Schweben des Fahrzeuges durch Anziehung an ferromagnetische Schienen zu erzielen, die an einer Leit- oder Führungsbahn angebracht sind.

Die derzeitige Entwicklung des Transrapid-Systems weist verschiedene bedeutende Vorteile und Nach teile auf. Als positiv sind sein geringer Energie verbrauch, sein Widerstand gegenüber Entgleisung sowie die geringe magnetische Feldstärke in der Passagierkabine zu bewerten. Zu den Nachteilen dieses Systems sind der geringe Spielraum von 1 cm zu rechnen, der zwischen den Magnetpolen und der Leit- oder Führungsbahn erforderlich ist (woraus eine Erhöhung der Bau- und Unterhaltungs-Kosten resultiert), das hohe Fahrzeuggewicht aufgrund der Verwendung von üblichen Magnetsystemen sowie die begrenzte Nutzlast oder der begrenzte Frachtraum.

Auf der anderen Seite haben die Japaner ein EDS- System gebaut und getestet (die MLU-Serien), wobei Geschwindigkeiten von annähernd 300 Meilen pro Stunde d.s. 482,8 km/h erreicht werden. Das System der Japaner, welches dem deutschen Trans rapid unähnlich ist, benutzt die Technologie supra leitender Magnete und arbeitet daher mit einem breiten Spielraum oder Spalt von 10,16 bis 15,24 cm. Das supraleitende Luft-Kernsystem, wie es bei der japanischen Eisenbahn verwendet wird, erfährt jedoch eine magnetische Dämpfung aufgrund dynami scher Effekte, leidet unter dem Nachteil, daß die magnetischen Feldstärken in den Fahrzeugen sehr hoch sind, und erfordert ferner bedeutende zusätz liche selbsttragende Bauelemente oder Trägerelemen te für die lasttragenden Spulen. Die Notwendigkeit von Trägerelementen zum Abstützen oder Tragen einer Last auf den Spulen führt zu dem Problem von Erwär mungs- oder Wärmeverlusten von der Spule zu den warmen tragenden bzw. selbsttragenden Bauelementen. Ferner erfordern die EDS-Systeme eine verhältnis mäßig komplizierte Leit- oder Führungsbahn und diese Systeme können erst schweben, wenn eine ge wisse Geschwindigkeit erreicht worden ist, wodurch die Verwendung von Hilfs-Rädern notwendig wird. Ein Beispiel für ein supraleitendes Luft-Kern-System für MAGLEV-Anwendungen ist in dem US-Patent No. 39 13 493 beschrieben.

Keines der beiden existierenden MAGLEV-Systeme hat sich somit als vollständig zufriedenstellend erwie sen. Durch Aufgeben der Verwendung von ferromagne tischen Schienen, um, wie in herkömmlichen magneti schen EMS-Aufhängungen, den magnetischen Fluß zu erzwingen, ergeben die mit Luft-Kern arbeitenden, supraleitenden Spulen, wie diejenigen, die in den japanischen Systemen verwendet werden, bedeutende Probleme, weil durch die Spulen hohe und freie magnetische Felder erzeugt werden und weil ferner Lasten vorhanden sind, welche von den Spulen getra gen werden müssen. Während das deutsche EMS-System mit derartigen Problemen nicht behaftet ist, be schränkt die Verwendung von herkömmlichen Elektro magneten bei einem gegebenen Strom die mögliche Anziehungskraft und vermindert daher die Spalt größe, wie oben erwähnt.

Mit Rücksicht auf die bei dem oben beschriebenen, deutschen EMS-System und dem japanischen supralei tenden EDS-System auftretenden Nachteile besteht ein erster Gegenstand der Erfindung darin, die besten Merkmale sowohl des deutschen EMS-Systems als auch des japanischen EDS-Systems zu vereinigen, ohne hierbei die Nachteile der beiden System mit zu übernehmen.

Eine zweite Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein EMS-System vorzusehen, bei welchem die Techno logie der Supraleitfähigkeit verwendet wird und bei welchem überdies auch die äußeren magnetischen Feldstärken verringert werden.

Eine dritte Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein MAGLEV-Aufhängungssystem vorzu sehen, bei welchem die Größe des Spaltes zwischen dem Fahrzeug und der Leit- oder Führungsbahn da durch maximiert wird, daß supraleitende Spulen benutzt werden, um die Anzahl der Amperewindungen bei dem Elektromagneten zu erhöhen, während gleich zeitig die Belastung an den Spulen dadurch mini miert wird, daß für diese Spulen ein Eisenkern vorgesehen wird.

Eine vierte Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein MAGLEV-Beförderungssystem vorzu sehen, bei welchem die Technologie der Supraleitfä higkeit benutzt wird, wobei die Spulen in effekti ver Weise gegenüber der Leit- oder Führungsbahn isoliert werden können, wodurch die Kühlung der supraleitenden Spulen vereinfacht und Wärmeverluste vermindert werden können.

Eine fünfte Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein MAGLEV-System zu schaffen, welches die folgen den Vorteile bietet:

1. Die Fähigkeit einer sicheren Funktionsweise bei allen Geschwindigkeiten;

2. ein magnetisches Streufeld im Passagierraum, welches auf einige wenige Gauß (Gleichstrom) und einige wenige Milligauß (Wechselstrom) beschränkt ist;

3. Minimierung der Kosten für die Leit- oder Führungsbahn (Bahnkörper);

4. leicht zu handhabender, bordeigener Leistungs bedarf oder -verbrauch;

5. ein Fahrzeug, welches scheinbar unfähig zur Entgleisung ist; und

6. ein zwischen dem Fahrzeug und der Leit- oder Führungsbahn vorhandener Luftspalt, welcher angemessen ist, um einen Spielraum unter nor malen Betriebsbedingungen zu ergeben und um die mit der Installation, Wartung bzw. In standhaltung und Unterhaltung der Führungsbahn verbundenen Kosten möglichst gering zu halten.

Die wie vorstehend definierten Aufgaben der Erfin dung werden durch ein Magnetschwebe-System gelöst, welches erfindungsgemäß durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gekennzeichnet ist. Weite re vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsge mäßen Systems ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Als Kerngedanke der vorliegenden Erfindung wird es angesehen, supraleitende Spulen mit Eisenkernen vorzusehen, um den magnetischen Fluß innerhalb des Eisenkerns sowie einer an der Leit- oder Führungs bahn bzw. dem Bahnkörper vorgesehenen Schiene zu begrenzen, wobei der Eisenkern dazu dient, das Gewicht des Fahrzeuges zu tragen, während der ma gnetische Fluß begrenzt und eingeschränkt wird, derart, daß sich lediglich eine sehr geringe Streu ung der magnetischen Felder ergibt. Die Verwendung von supraleitenden Magneten mit Eisenkern erlaubt es ferner, daß das Gewicht des Fahrzeuges eher durch den Eisenkern als durch die Spulen getragen wird, wodurch die im Zusammenhang mit dem Transport von großen Lasten auftretenden Probleme des Wärme verlustes von den supraleitenden Spulen zu der verhältnismäßig warmen Tragkonstruktion hin verrin gert werden.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung dient die nachfolgende Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen, in welchen zei gen:

Fig. 1 eine endseitige Querschnittsansicht eines MAGLEV-Fahrzeuges (d. h. also eines Magnetschwebe-Fahrzeuges) sowie einer Leit- bzw. Führungsbahn, welche ein Aufhängungssystem umfaßt, das in Überein stimmung mit den Prinzipien einer bevor zugten Ausführungsform der Erfindung ausgebildet ist;

Fig. 2 eine vergrößerte, teilweise im Quer schnitt dargestellte Endansicht der primären Komponenten des Aufhängungs systems gemäß Fig. 1;

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht der in Fig. 2 dargestellten primären Komponenten des Aufhängungssystems; und

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht einer bevor zugten alternativen Ausführungsform der in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Kompo nenten des primären Aufhängungssystems.

Fig. 1 zeigt im Querschnitt ein MAGLEV-Fahrzeug und ein Schienensystem 1, dessen allgemeine Konstrukti onsweise derjenigen des deutschen Transrapid-Sy stems ähnlich ist. Hierzu gehören ein Schienenfahr zeug 2 mit Fahrgastraum, eine Führungsbahn 3, ein Fahrzeug-Aufhängungssystem 4 sowie ein Träger 6 für die Aufhängung.

Obwohl das Aufhängungssystem 4 in einer solchen Weise dargestellt ist, daß es seine Benutzung in Verbindung mit einer einzelnen Führungsbahn 3 ver anschaulicht, sind andererseits aber auch Anpassun gen des bevorzugten Systems an Doppel-Führungsbah nen möglich. Die Gestalt des Fahrzeuges und seiner Innenausstattung ist selbstverständlich eine Ange legenheit der jeweiligen Wahl von Konstruktion und Ausführung im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung und die Erfindung ist somit in keiner Weise auf einen besonderen Fahrzeugtyp beschränkt, d. h. die Erfindung ist davon unabhängig, ob es sich um ein Fahrzeug zur Beförderung von Personen oder um ein Fahrzeug für den Frachtverkehr handelt; die Erfindung ist aber auch nicht auf eine solche spe zielle Anwendung beschränkt, wie sie hier in Ver bindung mit einem Hochgeschwindigkeits-Massen transport-System für die Beförderung von Personen über große Entfernungen erläutert ist.

Die primäre Last auf der Aufhängung ist das Ergeb nis des Gewichtes des Fahrzeuges sowie der durch das Antriebssystem verursachten Reaktionskräfte. Diese Last bzw. dieses Gewicht wird durch eine aus geblättertem Eisen bestehende Schiene 7 getragen, die auf einer Erstreckung 10 einer Führungsbahn 3 aufgebaut ist. Bekanntlich können verschiedene elektromagnetische oder permanentmagnetische Auf hängungs-Anordnungen verwendet werden, wie bei spielsweise der dargestellte Magnet 12, um eine seitliche Stabilisierung des Fahrzeuges 2 zu erzie len. Im Falle erhöhter Anforderungen an das Aufhän gungsverhalten können zusätzlich herkömmliche elektromagnetische Hilfssysteme mit hinzu genommen werden. Ein jedes dieser Elemente kann von herkömm licher Art sein und bildet keinen Bestandteil der vorliegenden Erfindung.

Wie sich am besten aus den Fig. 2 und 3 ersehen läßt, weist das Aufhängungs-System 4 eine im wesentlichen w-förmige, aus geblättertem Eisen bestehende Kern-Struktur 5 auf, welche an dem Auf hängungs-Träger 6 befestigt ist, um den Kern eines supraleitenden Magneten zu bilden, der das Fahrzeug durch Anziehung an die aus geblättertem Eisen be stehende Schiene 7 zum Schweben bringt, wobei diese Schiene 7 an einem sich nach abwärts erstreckenden Abschnitt 10 der Führungsbahn 3 angebracht ist.

Eine supraleitende Spule 8 ist an dem mittleren Schenkel 9 der W-förmigen Kern-Struktur 5 be festigt. Die Spule kann entweder in andauernder Art und Weise erregt werden, wobei der Magnet als ein Permanentmagnet ohne Energieversorgung erscheint, oder aber in der Art einer Energieversorgung mit einem veränderlichen Fluß.

Die supraleitende Spule 5, welche den mittleren Schenkel 9 des Elementes 5 umgibt, ist in einem abgedichteten Tieftemperatur-Behälter 11 für Kühl zwecke untergebracht. Der Behälter ist vorzugsweise mit flüssigem Helium gefüllt und weist eine ring förmige Gestalt auf, um den Schenkel 9 zu umgeben. Der Behälter 11 kann so ausgebildet sein, daß er eine Vakuumstrecke 14 umfaßt, die von mit Helium gefüllten Abteilen oder Zellen 15 umgeben ist. Die Vakuumstrecke kann ferner ungefähr 3 cm einer Superisolation oder eines (nicht gezeigten) me tallisierten Mylar (eingetragenes Warenzeichen) enthalten, wie dies in der Technik der supraleiten den Magneten bekannt ist. Es wird jedoch darauf hingewiesen, daß die Ausführung dieses Kühlsystems modifiziert oder aber im Hinblick auf zukünftige Entwicklungen im Bereich der Technologie der Hoch temperatur-Supraleiter entbehrt werden kann.

Für die Fachwelt auf dem hier in Rede stehenden Gebiet versteht es sich ferner, daß ein zusätzli ches Antriebssystem erforderlich ist, um das Fahr zeug entlang der Führungsbahn in Bewegung zu ver setzen. Das Antriebssystem bildet keinen Bestand teil der vorliegenden Erfindung, obwohl bereits verschiedenartige supraleitende, lineare In duktionsmotoren hoher Leistung vorgeschlagen worden sind, welche in Verbindung mit dem bevorzugten Aufhängungs-System Anwendung finden können. In Fig. 3 sind in der laminierten oder geblätterten Schiene 7 Schlitze oder Einschnitte 16 gezeigt, um dort (nicht dargestellte) Antriebs-Spulen anzuordnen.

Gemäß einer alternativen Ausführungsform kann der Kern 5 U-förmig gestaltet sein und eine Basis und zwei Schenkel aufweisen, deren distalen Enden der Schiene 7 gegenüberliegen, wobei eine Spule 8 die Basis des U umgibt, wie in Fig. 4 gezeigt. Es wird selbstverständlich bemerkt, daß die Spule 8 schema tisch dargestellt ist und daß sie in der Praxis innerhalb eines ringförmigen Tieftemperatur-Behäl ters eingeschlossen sein wird, welcher ähnlich dem in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Behälter ist. Für viele Anwendungen ist die Konfiguration gemäß Fig. 4 derjenigen gemäß den Fig. 1 bis 3 vorzuziehen.

Im Rahmen einer beispielhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Aufhängungs-Systems wird von einem Spalt von ungefähr 5,08 cm und einer Fluß dichte von 1,5 T (T = Tesla) Gebrauch gemacht. Es sind ungefähr 120 kA-Windungen des Supraleiters erforderlich, um eine Last von 100,000 lb = 45 400 kg zu tragen. Dieses Erfordernis von 120 kA-Windun gen ist bedeutend geringer als die 700 kA-Windun gen, welche für das japanische EDS-System erforder lich sind. Das Gesamtgewicht des Schwebe-Systems gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel beträgt annähernd 3,485 lbs. = ca. 1582 kg. Jedoch kann eine Reduzierung hinsichtlich des Gewichtes nicht als eine optimale Situation angesehen werden, da in vielen Systemen die Verwendung einer größeren An zahl von supraleitenden Magneten mit Eisenkern an dem Fahrzeug (bei höheren Kosten pro Fahrzeug) eine geringere Schienenabmessung ermöglichen und zu einer Kosteneinsparung beim gesamten System führen würde.

Die Verwendung von Eisen in einem im wesentlichen geschlossenen magnetischen Kreis bedeutet, daß außen auftretende magnetische Flußdichten aufgrund Streuung minimal sind. Äußere Felder in der Nähe des Spaltes werden von der Spaltgröße und von dem äußeren Feld abhängen, welches das Magnetfeld in dem Eisen ist. Die B/H-Kurve bestimmt die Stärke des Magnetfeldes an der Eisenoberfläche. In typi scher Weise ergibt ein 1,8 T-Feld in dem Eisen ein Oberflächenfeld von 0,005 T bis 0,01 T (50 bis 100 Gauß), welches durch geeignete Abschirmung in dem Fahrgast-Abteil noch um Größenordnungen weiter reduziert werden könnte, woraus eine sichere magne tische Umgebung resultiert.

Ein Problem, welches bei einem Magneten mit Eisen kern auftritt, der bei 1,8 T betrieben wird, be steht darin, daß er bis nahe an die Sättigungs grenze des Eisens geht, wodurch das Vorsehen von großen Stromschwankungen in dem supraleitenden Magneten zum Zwecke der Steuerung notwendig gemacht wird. Falls dies erforderlich ist, kann dieses Problem dadurch überwunden werden, daß zusätzliche kleinere Magnete mit Eisenkern vorgesehen werden, und zwar entweder bei Raumtemperatur arbeitende oder supraleitende Magnete, welche bei 1 T betrie ben werden, wodurch ein ausreichender Bereich vor gesehen wird, um den Spulenstrom zum Steuern der Höhe des Luftspaltes zu mäßigen.

Eines der hauptsächlichsten Merkmale dieser Ausge staltung besteht darin, daß die meisten der Fahr zeug-Lasten auf das Eisen und nicht auf den Leiter übertragen werden. Dies stellt einen großen kon struktionsmäßigen Vorteil für ein supraleitendes Magnetsystem dar. In Luft-Kern-Systemen werden die Kräfte unmittelbar auf die supraleitende Spule ausgeübt. Diese Belastungen müssen von den Tief temperatur-Spulen durch schwere Streben mit den diesen anhaftenden hohen Wärmeverlusten auf Struk turen mit Raumtemperatur übertragen werden. Wenn Eisen den Leiter umgibt, dann werden die magneti schen Haupt-Kräfte durch das Eisen getragen. Die auf den Leiter einwirkenden Kräfte werden bis zu einem geringen Bruchteil derjenigen Kräfte redu ziert, welche auf ein Luft-Kern-System einwirken. Diese kraftarme Umgebung ist sehr vorteilhaft für die Ausgestaltung der supraleitenden Wicklungen, wodurch die Gefahr einer festen Magnet-Zusammen pressung (magnet clench) durch Windungs- oder Wicklungs-Schlupf (winding slip), welcher sich durch auferlegte hohe Lasten ergibt, reduziert wird.

Es wird bemerkt werden, daß die grundlegenden Kon zepte der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in einer Anzahl von Art und Weisen realisiert wer den können, ohne von dem Rahmen und dem Geist der Erfindung abzuweichen. Daher soll die vorangehende Beschreibung nicht als eine Beschränkung verstanden werden. Es ist statt dessen beabsichtigt, daß die Erfindung ausschließlich durch die beigefügten Ansprüche abgesteckt werden soll.

Claims

19716Die Erfindung bezieht sich auf eine elektromagneti sche Aufhängung für ein Hochgeschwindigkeits-Beför derungssystem. Insbesondere bezieht sich die Erfin dung auf ein Magnet-Schwebe-System gemäß dem Ober begriff des Anspruchs 1.

Herkömmliche Antriebseinrichtungen für schienenge bundene Beförderungssysteme, einschließlich der Antriebsmotoren und der Räder, sind in der Praxis bei Geschwindigkeiten oberhalb von 300 mph (Meilen pro Stunde) d.s. 482,8 km/h nicht brauchbar. Die den herkömmlichen Systemen anhaftenden Probleme umfassen den Fahrwiderstand, die Haftung zwischen Schienen und Rädern, Störungen durch Wind, Träg heitseffekte, Unregelmäßigkeiten im Bahnkörper bzw. hinsichtlich der Bettung sowie Antriebsschwierig keiten. Um derartige Probleme zu überwinden, ist bereits eine Vielzahl von Systemen vorgeschlagen worden, welche anstelle der Verwendung von Rädern und mechanischen Aufhängungen von Systemen mit elektromagnetischer Aufhängung und Stabilisierung Gebrauch machen, um die dynamische Reibung zu ver mindern, und dementsprechend zum Betrieb bei super hohen Geschwindigkeiten befähigt sind, während der Energieverbrauch gleichzeitig vermindert wird. Das Ausmaß des Verbrauchs der in einem solchen System verwendeten Energie kann ferner durch die Benutzung der auf dem Phänomen der Supraleitfähigkeit basie renden Technologie vermindert werden, bei welcher der elektrische Strom durch Drähte hindurch gelie fert wird, welche scheinbar keinen inneren elektri schen Widerstand besitzen, wodurch die Leistungs fähigkeit, die Kosten, die Sicherheit, die Umwelt belastung ebenso wie der energetische Wirkungsgrad des Systems verbessert bzw. begünstigt wird.Die Magnetschwebe-Technologie (im folgenden kurz "MAGLEV-Technologie" genannt) läßt sich im großen und ganzen in zwei Arten von primären Aufhängungs systemen untergliedern, nämlich in das anziehende oder elektromagnetische Aufhängungssystem (im fol genden kurz "EMS" genannt) und in das zurückstoßen de oder elektrodynamische Aufhängungssystem (im folgenden kurz "EDS" genannt).Das EMS-System ist durch das deutsche Transrapid- System exemplifiziert, welches sich seit ungefähr 20 Jahren in der Entwicklung befindet und kurz vor der kommerziellen Anwendung steht. Bei diesem Sy stem werden übliche, d. h. keine supraleitenden Elektromagnete verwendet, um ein Schweben des Fahrzeuges durch Anziehung an ferromagnetische Schienen zu erzielen, die an einer Leit- oder Führungsbahn angebracht sind.Die derzeitige Entwicklung des Transrapid-Systems weist verschiedene bedeutende Vorteile und Nach teile auf. Als positiv sind sein geringer Energie verbrauch, sein Widerstand gegenüber Entgleisung sowie die geringe magnetische Feldstärke in der Passagierkabine zu bewerten. Zu den Nachteilen dieses Systems sind der geringe Spielraum von 1 cm zu rechnen, der zwischen den Magnetpolen und der Leit- oder Führungsbahn erforderlich ist (woraus eine Erhöhung der Bau- und Unterhaltungs-Kosten resultiert), das hohe Fahrzeuggewicht aufgrund der Verwendung von üblichen Magnetsystemen sowie die begrenzte Nutzlast oder der begrenzte Frachtraum. Auf der anderen Seite haben die Japaner ein EDS- System gebaut und getestet (die MLU-Serien), wobei Geschwindigkeiten von annähernd 300 Meilen pro Stunde d.s. 482,8 km/h erreicht werden. Das System der Japaner, welches dem deutschen Trans rapid unähnlich ist, benutzt die Technologie supra leitender Magnete und arbeitet daher mit einem breiten Spielraum oder Spalt von 10,16 bis 15,24 cm. Das supraleitende Luft-Kernsystem, wie es bei der japanischen Eisenbahn verwendet wird, erfährt jedoch eine magnetische Dämpfung aufgrund dynami scher Effekte, leidet unter dem Nachteil, daß die magnetischen Feldstärken in den Fahrzeugen sehr hoch sind, und erfordert ferner bedeutende zusätz liche selbsttragende Bauelemente oder Trägerelemen te für die lasttragenden Spulen. Die Notwendigkeit von Trägerelementen zum Abstützen oder Tragen einer Last auf den Spulen führt zu dem Problem von Erwär mungs- oder Wärmeverlusten von der Spule zu den warmen tragenden bzw. selbsttragenden Bauelementen. Ferner erfordern die EDS-Systeme eine verhältnis mäßig komplizierte Leit- oder Führungsbahn und diese Systeme können erst schweben, wenn eine ge wisse Geschwindigkeit erreicht worden ist, wodurch die Verwendung von Hilfs-Rädern notwendig wird. Ein Beispiel für ein supraleitendes Luft-Kern-System für MAGLEV-Anwendungen ist in dem US-Patent No. 39 13 493 beschrieben.Keines der beiden existierenden MAGLEV-Systeme hat sich somit als vollständig zufriedenstellend erwie sen. Durch Aufgeben der Verwendung von ferromagne tischen Schienen, um, wie in herkömmlichen magneti schen EMS-Aufhängungen, den magnetischen Fluß zu erzwingen, ergeben die mit Luft-Kern arbeitenden, supraleitenden Spulen, wie diejenigen, die in den japanischen Systemen verwendet werden, bedeutende Probleme, weil durch die Spulen hohe und freie magnetische Felder erzeugt werden und weil ferner Lasten vorhanden sind, welche von den Spulen getra gen werden müssen. Während das deutsche EMS-System mit derartigen Problemen nicht behaftet ist, be schränkt die Verwendung von herkömmlichen Elektro magneten bei einem gegebenen Strom die mögliche Anziehungskraft und vermindert daher die Spalt größe, wie oben erwähnt.Mit Rücksicht auf die bei dem oben beschriebenen, deutschen EMS-System und dem japanischen supralei tenden EDS-System auftretenden Nachteile besteht ein erster Gegenstand der Erfindung darin, die besten Merkmale sowohl des deutschen EMS-Systems als auch des japanischen EDS-Systems zu vereinigen, ohne hierbei die Nachteile der beiden System mit zu übernehmen.

Eine zweite Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein EMS-System vorzusehen, bei welchem die Techno logie der Supraleitfähigkeit verwendet wird und bei welchem überdies auch die äußeren magnetischen Feldstärken verringert werden.Eine dritte Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein MAGLEV-Aufhängungssystem vorzu sehen, bei welchem die Größe des Spaltes zwischen dem Fahrzeug und der Leit- oder Führungsbahn da durch maximiert wird, daß supraleitende Spulen benutzt werden, um die Anzahl der Amperewindungen bei dem Elektromagneten zu erhöhen, während gleich zeitig die Belastung an den Spulen dadurch mini miert wird, daß für diese Spulen ein Eisenkern vorgesehen wird. Eine vierte Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein MAGLEV-Beförderungssystem vorzu sehen, bei welchem die Technologie der Supraleitfä higkeit benutzt wird, wobei die Spulen in effekti ver Weise gegenüber der Leit- oder Führungsbahn isoliert werden können, wodurch die Kühlung der supraleitenden Spulen vereinfacht und Wärmeverluste vermindert werden können.Eine fünfte Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein MAGLEV-System zu schaffen, welches die folgen den Vorteile bietet:1. Die Fähigkeit einer sicheren Funktionsweise bei allen Geschwindigkeiten;2. ein magnetisches Streufeld im Passagierraum, welches auf einige wenige Gauß (Gleichstrom) und einige wenige Milligauß (Wechselstrom) beschränkt ist;3. Minimierung der Kosten für die Leit- oder Führungsbahn (Bahnkörper);4. leicht zu handhabender, bordeigener Leistungs bedarf oder -verbrauch;5. ein Fahrzeug, welches scheinbar unfähig zur Entgleisung ist; und6. ein zwischen dem Fahrzeug und der Leit- oder Führungsbahn vorhandener Luftspalt, welcher angemessen ist, um einen Spielraum unter nor malen Betriebsbedingungen zu ergeben und um die mit der Installation, Wartung bzw. In standhaltung und Unterhaltung der Führungsbahn verbundenen Kosten möglichst gering zu halten. Die wie vorstehend definierten Aufgaben der Erfin dung werden durch ein Magnetschwebe-System gelöst, welches erfindungsgemäß durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gekennzeichnet ist. Weite re vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsge mäßen Systems ergeben sich aus den Unteransprüchen.Als Kerngedanke der vorliegenden Erfindung wird es angesehen, supraleitende Spulen mit Eisenkernen vorzusehen, um den magnetischen Fluß innerhalb des Eisenkerns sowie einer an der Leit- oder Führungs bahn bzw. dem Bahnkörper vorgesehenen Schiene zu begrenzen, wobei der Eisenkern dazu dient, das Gewicht des Fahrzeuges zu tragen, während der ma gnetische Fluß begrenzt und eingeschränkt wird, derart, daß sich lediglich eine sehr geringe Streu ung der magnetischen Felder ergibt. Die Verwendung von supraleitenden Magneten mit Eisenkern erlaubt es ferner, daß das Gewicht des Fahrzeuges eher durch den Eisenkern als durch die Spulen getragen wird, wodurch die im Zusammenhang mit dem Transport von großen Lasten auftretenden Probleme des Wärme verlustes von den supraleitenden Spulen zu der verhältnismäßig warmen Tragkonstruktion hin verrin gert werden.Zur näheren Erläuterung der Erfindung dient die nachfolgende Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen, in welchen zei gen:

Fig. 1 eine endseitige Querschnittsansicht eines MAGLEV-Fahrzeuges (d. h. also eines Magnetschwebe-Fahrzeuges) sowie einer Leit- bzw. Führungsbahn, welche ein Aufhängungssystem umfaßt, das in Überein stimmung mit den Prinzipien einer bevor zugten Ausführungsform der Erfindung ausgebildet ist;Fig. 2 eine vergrößerte, teilweise im Quer schnitt dargestellte Endansicht der primären Komponenten des Aufhängungs systems gemäß Fig. 1;Fig. 3 eine perspektivische Ansicht der in Fig. 2 dargestellten primären Komponenten des Aufhängungssystems; undFig. 4 eine perspektivische Ansicht einer bevor zugten alternativen Ausführungsform der in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Kompo nenten des primären Aufhängungssystems.Fig. 1 zeigt im Querschnitt ein MAGLEV-Fahrzeug und ein Schienensystem 1, dessen allgemeine Konstrukti onsweise derjenigen des deutschen Transrapid-Sy stems ähnlich ist. Hierzu gehören ein Schienenfahr zeug 2 mit Fahrgastraum, eine Führungsbahn 3, ein Fahrzeug-Aufhängungssystem 4 sowie ein Träger 6 für die Aufhängung.Obwohl das Aufhängungssystem 4 in einer solchen Weise dargestellt ist, daß es seine Benutzung in Verbindung mit einer einzelnen Führungsbahn 3 ver anschaulicht, sind andererseits aber auch Anpassun gen des bevorzugten Systems an Doppel-Führungsbah nen möglich. Die Gestalt des Fahrzeuges und seiner Innenausstattung ist selbstverständlich eine Ange legenheit der jeweiligen Wahl von Konstruktion und Ausführung im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung und die Erfindung ist somit in keiner Weise auf einen besonderen Fahrzeugtyp beschränkt, d. h. die Erfindung ist davon unabhängig, ob es sich um ein Fahrzeug zur Beförderung von Personen oder um ein Fahrzeug für den Frachtverkehr handelt; die Erfindung ist aber auch nicht auf eine solche spe zielle Anwendung beschränkt, wie sie hier in Ver bindung mit einem Hochgeschwindigkeits-Massen transport-System für die Beförderung von Personen über große Entfernungen erläutert ist.Die primäre Last auf der Aufhängung ist das Ergeb nis des Gewichtes des Fahrzeuges sowie der durch das Antriebssystem verursachten Reaktionskräfte. Diese Last bzw. dieses Gewicht wird durch eine aus geblättertem Eisen bestehende Schiene 7 getragen, die auf einer Erstreckung 10 einer Führungsbahn 3 aufgebaut ist. Bekanntlich können verschiedene elektromagnetische oder permanentmagnetische Auf hängungs-Anordnungen verwendet werden, wie bei spielsweise der dargestellte Magnet 12, um eine seitliche Stabilisierung des Fahrzeuges 2 zu erzie len. Im Falle erhöhter Anforderungen an das Aufhän gungsverhalten können zusätzlich herkömmliche elektromagnetische Hilfssysteme mit hinzu genommen werden. Ein jedes dieser Elemente kann von herkömm licher Art sein und bildet keinen Bestandteil der vorliegenden Erfindung.Wie sich am besten aus den Fig. 2 und 3 ersehen läßt, weist das Aufhängungs-System 4 eine im wesentlichen w-förmige, aus geblättertem Eisen bestehende Kern-Struktur 5 auf, welche an dem Auf hängungs-Träger 6 befestigt ist, um den Kern eines supraleitenden Magneten zu bilden, der das Fahrzeug durch Anziehung an die aus geblättertem Eisen be stehende Schiene 7 zum Schweben bringt, wobei diese Schiene 7 an einem sich nach abwärts erstreckenden Abschnitt 10 der Führungsbahn 3 angebracht ist. Eine supraleitende Spule 8 ist an dem mittleren Schenkel 9 der W-förmigen Kern-Struktur 5 be festigt. Die Spule kann entweder in andauernder Art und Weise erregt werden, wobei der Magnet als ein Permanentmagnet ohne Energieversorgung erscheint, oder aber in der Art einer Energieversorgung mit einem veränderlichen Fluß.Die supraleitende Spule 5, welche den mittleren Schenkel 9 des Elementes 5 umgibt, ist in einem abgedichteten Tieftemperatur-Behälter 11 für Kühl zwecke untergebracht. Der Behälter ist vorzugsweise mit flüssigem Helium gefüllt und weist eine ring förmige Gestalt auf, um den Schenkel 9 zu umgeben. Der Behälter 11 kann so ausgebildet sein, daß er eine Vakuumstrecke 14 umfaßt, die von mit Helium gefüllten Abteilen oder Zellen 15 umgeben ist. Die Vakuumstrecke kann ferner ungefähr 3 cm einer Superisolation oder eines (nicht gezeigten) me tallisierten Mylar (eingetragenes Warenzeichen) enthalten, wie dies in der Technik der supraleiten den Magneten bekannt ist. Es wird jedoch darauf hingewiesen, daß die Ausführung dieses Kühlsystems modifiziert oder aber im Hinblick auf zukünftige Entwicklungen im Bereich der Technologie der Hoch temperatur-Supraleiter entbehrt werden kann.Für die Fachwelt auf dem hier in Rede stehenden Gebiet versteht es sich ferner, daß ein zusätzli ches Antriebssystem erforderlich ist, um das Fahr zeug entlang der Führungsbahn in Bewegung zu ver setzen. Das Antriebssystem bildet keinen Bestand teil der vorliegenden Erfindung, obwohl bereits verschiedenartige supraleitende, lineare In duktionsmotoren hoher Leistung vorgeschlagen worden sind, welche in Verbindung mit dem bevorzugten Aufhängungs-System Anwendung finden können. In Fig. 3 sind in der laminierten oder geblätterten Schiene 7 Schlitze oder Einschnitte 16 gezeigt, um dort (nicht dargestellte) Antriebs-Spulen anzuordnen.Gemäß einer alternativen Ausführungsform kann der Kern 5 U-förmig gestaltet sein und eine Basis und zwei Schenkel aufweisen, deren distalen Enden der Schiene 7 gegenüberliegen, wobei eine Spule 8 die Basis des U umgibt, wie in Fig. 4 gezeigt. Es wird selbstverständlich bemerkt, daß die Spule 8 schema tisch dargestellt ist und daß sie in der Praxis innerhalb eines ringförmigen Tieftemperatur-Behäl ters eingeschlossen sein wird, welcher ähnlich dem in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Behälter ist. Für viele Anwendungen ist die Konfiguration gemäß Fig. 4 derjenigen gemäß den Fig. 1 bis 3 vorzuziehen.Im Rahmen einer beispielhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Aufhängungs-Systems wird von einem Spalt von ungefähr 5,08 cm und einer Fluß dichte von 1,5 T (T = Tesla) Gebrauch gemacht. Es sind ungefähr 120 kA-Windungen des Supraleiters erforderlich, um eine Last von 100,000 lb = 45 400 kg zu tragen. Dieses Erfordernis von 120 kA-Windun gen ist bedeutend geringer als die 700 kA-Windun gen, welche für das japanische EDS-System erforder lich sind. Das Gesamtgewicht des Schwebe-Systems gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel beträgt annähernd 3,485 lbs. = ca. 1582 kg. Jedoch kann eine Reduzierung hinsichtlich des Gewichtes nicht als eine optimale Situation angesehen werden, da in vielen Systemen die Verwendung einer größeren An zahl von supraleitenden Magneten mit Eisenkern an dem Fahrzeug (bei höheren Kosten pro Fahrzeug) eine geringere Schienenabmessung ermöglichen und zu einer Kosteneinsparung beim gesamten System führen würde. Die Verwendung von Eisen in einem im wesentlichen geschlossenen magnetischen Kreis bedeutet, daß außen auftretende magnetische Flußdichten aufgrund Streuung minimal sind. Äußere Felder in der Nähe des Spaltes werden von der Spaltgröße und von dem äußeren Feld abhängen, welches das Magnetfeld in dem Eisen ist. Die B/H-Kurve bestimmt die Stärke des Magnetfeldes an der Eisenoberfläche. In typi scher Weise ergibt ein 1,8 T-Feld in dem Eisen ein Oberflächenfeld von 0,005 T bis 0,01 T (50 bis 100 Gauß), welches durch geeignete Abschirmung in dem Fahrgast-Abteil noch um Größenordnungen weiter reduziert werden könnte, woraus eine sichere magne tische Umgebung resultiert.Ein Problem, welches bei einem Magneten mit Eisen kern auftritt, der bei 1,8 T betrieben wird, be steht darin, daß er bis nahe an die Sättigungs grenze des Eisens geht, wodurch das Vorsehen von großen Stromschwankungen in dem supraleitenden Magneten zum Zwecke der Steuerung notwendig gemacht wird. Falls dies erforderlich ist, kann dieses Problem dadurch überwunden werden, daß zusätzliche kleinere Magnete mit Eisenkern vorgesehen werden, und zwar entweder bei Raumtemperatur arbeitende oder supraleitende Magnete, welche bei 1 T betrie ben werden, wodurch ein ausreichender Bereich vor gesehen wird, um den Spulenstrom zum Steuern der Höhe des Luftspaltes zu mäßigen.Eines der hauptsächlichsten Merkmale dieser Ausge staltung besteht darin, daß die meisten der Fahr zeug-Lasten auf das Eisen und nicht auf den Leiter übertragen werden. Dies stellt einen großen kon struktionsmäßigen Vorteil für ein supraleitendes Magnetsystem dar. In Luft-Kern-Systemen werden die Kräfte unmittelbar auf die supraleitende Spule ausgeübt. Diese Belastungen müssen von den Tief temperatur-Spulen durch schwere Streben mit den diesen anhaftenden hohen Wärmeverlusten auf Struk turen mit Raumtemperatur übertragen werden. Wenn Eisen den Leiter umgibt, dann werden die magneti schen Haupt-Kräfte durch das Eisen getragen. Die auf den Leiter einwirkenden Kräfte werden bis zu einem geringen Bruchteil derjenigen Kräfte redu ziert, welche auf ein Luft-Kern-System einwirken. Diese kraftarme Umgebung ist sehr vorteilhaft für die Ausgestaltung der supraleitenden Wicklungen, wodurch die Gefahr einer festen Magnet-Zusammen pressung (magnet clench) durch Windungs- oder Wicklungs-Schlupf (winding slip), welcher sich durch auferlegte hohe Lasten ergibt, reduziert wird.Es wird bemerkt werden, daß die grundlegenden Kon zepte der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in einer Anzahl von Art und Weisen realisiert wer den können, ohne von dem Rahmen und dem Geist der Erfindung abzuweichen. Daher soll die vorangehende Beschreibung nicht als eine Beschränkung verstanden werden. Es ist statt dessen beabsichtigt, daß die Erfindung ausschließlich durch die beigefügten Ansprüche abgesteckt werden soll.

1. Magnetschwebe-System, welches eine Führungsbahn mit einer magnetisch leitfähigen Schiene (7), die sich entlang einer Längsachse der Führungsbahn erstreckt, sowie ein Fahrzeug-Aufhän gungselement (4) aufweist, welches einen magnetisch leitfähigen Kern (5) umfaßt, wobei Abschnitte oder Teile dieses Kerns der Schiene gegenüberliegen und von dieser durch einen Spalt getrennt sind, gekennzeichnet durch eine supraleitende Spule (8), welche den genannten Kern in einer solchen Weise umgibt, daß die genann te supraleitende Spule in dem genannten Kern ein magnetisches Feld induziert, um zu verursachen, daß der genannte Kern zu der genannten Schiene hingezo gen wird, wodurch die Breite des genannten Spaltes reduziert wird, wenn ein elektrischer Strom in der genannten Spule vorhanden ist.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der genannte Kern (5) aus geblätter tem Eisen gebildet ist.

3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Kern (5) eine im wesentlichen W-förmige Gestalt besitzt und einen mittleren Schenkel (9) umfaßt, wobei die genannte supraleitende Spule (8) den genannten mittleren Schenkel umgibt, und wobei distale Enden eines jeden der genannten Schenkel Oberflächen aufweisen, welche der genannten Schiene quer durch den genann ten Spalt hindurch gegenüberliegen.

4. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Kern (5) eine im wesentlichen U-förmige Gestalt aufweist und eine Basis und zwei Schenkel umfaßt, wobei distale Enden der Schenkel Oberflächen aufweisen, welche der genannten Schiene quer durch den genannten Spalt hindurch gegenüberliegen, und wobei die supra leitende Spule (8) die genannte Basis umgibt.

5. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte supraleitende Spule (8) innerhalb eines ringförmi gen Tieftemperatur-Behälters eingeschlossen ist.

6. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Schiene (7) eine aus Eisenblättern bestehende Schiene ist.

7. System nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Spule (8) eine 120 kA-Windung-supraleitende Spule ist.

8. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Fahr zeug-Aufhängungselement an einem Eisenbahn-Passa gierwaggon (2) angebracht ist.

9. System nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Weite des genannten Spaltes zwischen dem genannten Kern (5) und der genannten Schiene (7) annähernd 5,08 cm beträgt, wenn ein Strom in der genannten Spule (8) vorhanden ist.

10. Ein Magnetschwebe-Eisenbahnsystem, gekennzeichnet durch wenigstens ein Fahrzeug (2) und wenigstens ein Magnetschwebe-System nach einem der Ansprüche 1-9, bei welchem das genannte Fahr zeug-Aufhängungselement (4) an dem genannten Fahr zeug angebracht ist.