JP3920358B2 - 磁気浮上車両の走行システム - Google Patents

Description

この発明は磁気浮上車両の走行システムに関する。
磁気浮上車両の走行システムは、例えば、「磁気鉄道トランスラピッド、旅の新次元（Magnetbahn TRANSRAPID Die neue Dimension des Reisens）」、ヘストラ出版社、ダルムシュタット、１９８９、ＩＳＤＮ３−７７７１−０２０８−３、特に７６−７９頁により公知である。この磁気浮上車両走行システムは、その場合、主として３つの機能、即ち磁気浮上車両を無接触で走行路の上に支持し、案内しそして駆動する機能を満たしている。この走行システムは、このために、支持システム、案内システム及び駆動システムを備えている。公知の案内システムは、磁束が車両側にある側部案内レールの長手方向に対して垂直に走り、これにより磁気浮上車両の側部案内を行うように、案内電磁石が側部に配置された案内電磁石装置を備えている。支持機能は、磁気浮上車両の浮上枠の下部領域に対で配置された支持電磁石により受け持たれている。このために必要な磁気誘導は、同時に駆動装置の励磁をも形成するので、この支持システムと駆動システムとは同一の電磁石装置により形成され、その機能は互いに逆に影響し合っている。これらの支持もしくは駆動電磁石装置には、走行路側に鋼板鉄心が対応して設けられている。支持もしくは駆動電磁石に対応して設けられた鋼板鉄心は電流が流れる移動磁界巻線を有し、リニア同期の長固定子駆動装置の固定子を形成する。
米国特許第５６０５１００号明細書により、車両側の駆動電磁石が走行路側に配置された電流導体と共に直流駆動システムを形成する磁気浮上車両の走行システムが公知である。この駆動電磁石は、電気導体を収容する走行路側の固定子を貫通する、水平な磁界を作るように配置される。走行路は、このために、多数の小さい区間に分割され、そのそれぞれが接離可能な直流を供給されるので、固定子を取り囲む駆動電磁石の両磁極の近くにある電気導体のみを電流が流れる。この公知の走行システムにおいては、固定子の各区間は駆動電磁石の幅より小さくなければならない。さもないと、電流が駆動電磁石により押しやられて、推進力の発生に貢献しない固定子範囲に電流が流れるからである。このため、高速で開閉する多数の電子的スイッチを使用する必要があるが、この電子的スイッチは結果として高い初期費用及び維持費用をもたらす。
「フィリップス・テクニカル・レビュー（Philips techn. REV.）」４０、１９８２、Ｎｏ．１１／１２、３２９〜３３７頁からは、コイル巻線を備えた直線的な固定子の互いに対向する側にそれぞれ１つの駆動電磁石が配置され、その磁気軸は水平に延び、駆動電磁石の一方の極が固定子に向き、駆動電磁石の他方の極が固定子と反対側に向くようにしたリニア直流駆動システムが公知である。このシステムでは、駆動電磁石により作られた磁界の一部のみがリニア推進力を生み出すために貢献する。さらに、駆動電磁石により作られる、固定子に対し反対向きの磁界成分が、後方で固定子を介して閉じて推進力作用を妨害するのを回避するために、走行路の外側にも付加的な鉄心を配置している。
そこでこの発明の課題は、磁気浮上車両の走行システムであって、特に走行路側の、長距離にわたって必要とする装置、特に走行路、固定子や区間ケーブルに対する技術的支出を軽減するものを提供することにある。
前記の課題は、請求項１の特徴を備えた磁気浮上車両の走行システムにより解決される。この発明によれば、この走行システムは、支持システムと駆動システムとを備え、支持システムは、磁気浮上車両を持ち上げるための支持電磁石を含み、支持電磁石の両磁極間を通り両磁極を結ぶ磁気軸が走行路の長手方向に直角に延びており、駆動システムは、車両側の駆動電磁石装置を含み、駆動電磁石装置は走行路の長手方向に延びしかも巻線を備えた固定子と共にリニア直流電動機を形成し、固定子の両側に配置された駆動電磁石装置の駆動電磁石はそれぞれの同一符合の磁極が互いに向き合うように対をなして配置され、駆動電磁石の両磁極を結ぶ磁気軸は走行路の長手方向に対して直角にしかも支持電磁石の磁気軸に対して直角に配置され、走行路の長手方向に見て複数の駆動電磁石が前後して配置され、この前後に配置された複数の騒動電磁石の磁極がそれぞれ同一符号を有する。
駆動のために必要な車両側の電磁石は、それ故、これを通して走行路に交番磁界を誘起しないように配置される。換言すれば、走行路に誘起された磁束は車両の全長にわたって同一の方向を持ち、磁気浮上車両が通過する際にその符号が交替することはない。
各１つの駆動電磁石の磁極は固定子の１つの側に配置され、これに向かい合っているから、駆動電磁石の外側を通る磁界の最大可能な部分が固定子に取り入れられ、それ故、推進力を生み出すのに有効である。
駆動電磁石は、その通過の際固定子に交番磁界を誘起しないから、固定子は中実の強磁性鋼で作ることができる。固定子の製造原価は、これにより、鋼板鉄心及びねじ止めを必要としないので減少する。
リニア直流モータを駆動するためにただ直流電流が供給されるだけなので、その他に、変電所にインバータや変圧器並びにこれらに付属する開閉装置を省略することができる。さらに、無効電力需要が零に近くなる。さらにまた、周波数や位相の検出並びにその処理が必要でないから、制御が非常に簡単になる。この理由から磁気浮上車両の運転に必要な、車両と変電所との間のデータ伝送が著しく簡単になる。交番磁界が誘起されることがないから、さらにまた磁界の反転に伴う損失も発生しない。
特に、その両磁極の間に延びる磁気軸を備えた駆動電磁石を垂直に配置するようにするのがよい。
この発明のこれに代わる構成においては、駆動電磁石を水平に配置することもできる。
この発明の有利な実施例において、駆動電磁石装置はそれぞれ対をなして互いに対向する駆動電磁石を有し、その間に固定子が配置される。この手段により比較的低い固定子電流で高い駆動力が得られる。これにより区間ケーブルにおける損失が減少する。
特に、固定子はその長手方向に並べてもしくは上下に配置された２つの螺旋状の巻線を有するのがよい。これにより磁極の各々が車両の駆動に貢献し、かつ固定子の構造が簡単になる。それに代えて、長手方向に見て８の字を形成する固定子巻線を設けることもできる。
駆動電磁石を縦型に配置したこの発明の異なる構成においては、駆動システムは同時に案内システムとして形成される。これにより、駆動及び側部案内に同一の構造部品を使用するにも係わらず、磁気浮上車両を駆動機能とは完全に分離でき、その結果側部案内の簡単な制御が可能となる。
駆動電磁石を水平に配置する場合、駆動システムは同時に支持システムとして形成するのがよい。これにより、駆動及び支持のために同一の構造部品を使用するにも係わらず、磁気浮上車両を駆動機能とは完全に分離できるので、その支持システムの簡単な制御が可能となる。
この発明の特に有利な構成においては、車両側の支持電磁石装置の支持電磁石は、水平でかつその両磁極の間に通る磁気軸が、特に走行路の下側において、走行路の長手方向に対して直角方向であり、その長手方向に前後して配置された磁極が同一の符号を持つように配置される。この手段により、走行路での交番磁界の発生が同様に回避され、走行路として強磁性の支持板が使用可能となる。
この発明のその他の有利な構成例は、請求項１に続く請求項に記載されている。この発明をさらに説明するために図面の実施例を参照する。図面において、
図１はこの発明による走行システムの概略原理図で、
図２はこの走行システムを拡大して、
図３はこの発明の有利な構成例における固定子の構造を、
図４及び５は、それぞれ固定子の適した巻線方法を、
図６は走行路の電圧供給装置を概略ブロック回路図で、
図７は走行路の、特に有利な電力供給装置を同じく原理図で示す。
図１において、浮上枠４を備えた磁気浮上車両２が、走行路６の上に浮上して案内されている。磁気浮上車両２の走行システムは、支持システム８並びに駆動システム１０を有している。この支持システム８は、強磁性体の走行路板１２並びに浮上枠４に固定された支持電磁石装置１４により形成され、この支持電磁石装置は、走行路板の下において走行路支柱１６の両側に配置されている。
駆動システム１０は、車両側の駆動電磁石装置１８と共にリニア直流電動機を形成する固定子１６を備える。この駆動システム１０は、その場合、同時に磁気浮上車両２の側部案内のための案内システムとして形成されている。
図２の拡大図において、支持電磁石装置１４は、特にｕ状の鉄心を備えた支持電磁石２０を有し、その両磁極２２と２４との間を通る磁気軸２６は、走行路６の長手方向２８に対して直角に向いている。この長手方向２８は、図２による例示では、紙面に対して垂直に延びている。この長手方向２８に多数の支持電磁石２０が前後して配置され、この前後に配置された磁極２２もしくは２４はそれぞれ同一の符号を持っている。
磁気浮上車両２が通過する際、即ちその運動が長手方向２８である場合には、それに伴って走行路板１２に交番磁界が発生しない。即ち、磁化の反転が起こらないので、走行路板１２として単純な強磁性鋼板を使用することができる。
支持電磁石２０の巻線３０に流れる電流により磁気浮上車両２を支持するために、必要な支持磁界が調整される車両底部３４にばね３２を介して支持され、支持電磁石装置１４に硬く結合されている鋼鉄製の車輪３６は、仮に運転障害が起きたときに、車両２を支持するためのものである。
ばね３２の間には床下枠が設けられ、これに駆動電磁石装置１８の、同じくｕ状の鉄心を持つ駆動電磁石４０が固定されている。駆動電磁石４０の両磁極４２と４４との間を通る磁気軸４６は、走行路板１２に対して垂直にかつ走行路６の長手方向２８に対して垂直に向いている。長手方向２８に多数の駆動電磁石４０が前後して、その前後して配置された磁極４２もしくは４４がそれぞれ同一符号を持つように配置されている。換言すれば、前後して配置されている駆動電磁石４０は同一に配列されている。各駆動電磁石４０には、対向してかつ鏡面対称に配置された駆動電磁石４０が対応して設けられ、その結果駆動電磁石装置１８は、それぞれ対をなして互いに対向する駆動電磁石４０を有する。
対をなして互いに対向する駆動電磁石４０の間には、図の実施例では、２つの直流電流巻線５２及び５４を備える固定子５０が配置されている。駆動電磁石４０は、それ故、各駆動電磁石４０の両磁極４２、４４が固定子５０の１つの側にあり、かつこれと向かい合うように配置される。このようにして、実際上、駆動電磁石４０の外側を通る全ての磁界が推進力の発生に貢献することとなる。
巻線５２及び５４は、長手方向２８に螺旋状に、固定子５０の上に巻かれている。これらは互いに並べられて、即ち図の実施例の場合には固定子５０上に上下に並べられて、１つの巻線、即ち巻線５２が駆動電磁石４０の正極、他方の巻線５４が駆動電磁石４０の負極側に対応するように配置される。巻線５２及び５４には逆方向の直流電流が流れるので、駆動電磁石４０により固定子に発生される磁束５６によって、長手方向２８に対して平行な駆動力、或いは制動のための駆動ないし推進力が作用する。
床下枠３８に配置された液体ブレーキは、故障の場合に磁気浮上車両２を制動する非常ブレーキの役目をしている。
駆動電磁石４０の磁気軸４６は長手方向２８に対して直角に、即ち磁気浮上車両２の運動方向に対して直角に配置されているから、固定子５０には交番磁界が発生しない。固定子５０は、それ故、走行路板１２と同様に中実の鋼材で作ることができる。
駆動システム１０は、同時に案内システムとして作用している。駆動電磁石４０は、その場合、固定子５０と共に案内電磁石対を形成し、この場合、案内機能は右側及び左側の駆動電磁石４０の磁束の差から生ずる。駆動機能は右側及び左側の駆動電磁石４０の磁束の和並びに巻線５２及び５４に流れる直流電流から生ずるので、駆動機能と案内機能とは互いに分離されている。駆動電磁石対への磁束密度の分布に応じて、長手方向２８に対して直角に磁気浮上車両２に作用する力は、長手方向２８に作用する駆動力と無関係に設定される。
支持磁界も側部案内も駆動磁束を決定しないから、全て３つの機能、即ち、支持機能、案内機能及び駆動機能は、互いに別々に最適化できる。特に、高い駆動力は、これに関連する誘導作用を上げることにより行え、大きな固定子電流を供給する必要はない。この結果ケーブルの損失が減少し、細いケーブルで済ますことができる。さらに、例えば巻線短絡の場合に、支持及び案内機能に対する駆動装置からの反作用も排除される。
図２のような、駆動電磁石４０が縦形に配置されている実施例に代わる実施例として、駆動電磁石を同様、対に互いに対向して、その間にある固定子は原理的に同じ構成にして、水平に配置することも原理的に可能である。このような代替的な実施例においては、駆動電磁石は支持機能のために使用される。
図３は、固定子上部或いは下部の構造を図示する。直方体状の鉄心６２は、その平らな側面６４において、同じく直方体状の鉄心部片６６に溶接されている。この部片は互いに間隔を持って配置され、このようにして固定子導体を納めるための側部溝６８を形成している。鉄心６２の一方の狭い方の面において、互いに対向している鉄心部片６６が横連結体７０に接続されているので、この狭い方の面に、同様に長手方向２８に対して直角に延びている溝７２が生じている。反対側の狭い方の面には横連結体７４が設けられ、これは長手方向２８に対して斜めに配置され、鉄心６２の下側の狭い方の面に斜めに延び、隣接する溝６８への接続を行う溝７６を形成している。このような形状により、製造技術的に簡単に、固定子導体を鉄心６２の上に螺旋状に巻くことができる。２つのこのような鉄心６２は互いに並行して配置されるので、２つの互いに並行して配置された螺旋状の巻線が生ずる。このようにして形成された巻線を、図４に概略的に図示する。但し、この場合鉄心６２のみ示され、横連結体及び鉄心部片は示されていない。
２つの螺旋状の巻線５２、５４の代わりに、図５に概略的に示すように、８の字の形に巻いた巻線７８を設けることもできる。
図６において、走行路６は多数の固定子区間８０を有している。各固定子区間８０は、２つの巻線５２、５４を備えた固定子を有する。巻線５２、５４は、接続点８２を介して区間ケーブル８４もしくは８６を介して直流を供給されている。区間ケーブルの代わりに、簡単な電流導体を使用することもできる。区間ケーブル８４及び８６は変電所８８を介して地上回路網９０に接続されている。この変電所８８において整流器９２を介して走行システムの給電に必要な直流が作られる。
図７のように、車両２からの分散制御の場合、多数の固定子区間８０に１つの変電所８８から電流を供給することも可能である。このような分散制御は、駆動電磁石の巻線に流れる電流を制御することによって、即ち、駆動電磁石の磁気誘導を調整することによって可能である。

Claims (9)

1. 支持システム（８）と駆動システム（１０）とを備えた磁気浮上車両（２）のための走行システムであって、
   支持システム（８）は、磁気浮上車両（２）を持ち上げるための支持電磁石（２０）を含み、支持電磁石（２０）の両磁極（２２、２４）間を通り両磁極（２２及び２４）を結ぶ磁気軸（２６）が走行路（６）の長手方向（２８）に直角に延びており、
   駆動システム（１０）は、車両側の駆動電磁石装置（１８）を含み、駆動電磁石装置（１８）は走行路（６）の長手方向（２８）に延びしかも巻線（５２、５４）を備えた固定子（５０）と共にリニア直流電動機を形成し、固定子の両側に配置された駆動電磁石装置（１８）の駆動電磁石（４０）はそれぞれの同一符合の磁極（４０，４２）が互いに向き合うように対をなして配置され、駆動電磁石（４０）の両磁極（４２、４４）を結ぶ磁気軸（４６）は走行路（６）の長手方向（２８）に対して直角にしかも支持電磁石（２０）の磁気軸（２６）に対して直角に配置され、走行路（６）の長手方向（２８）に見て複数の駆動電磁石が前後して配置され、この前後に配置された複数の駆動電磁石（４０）の磁極（４２、４４）がそれぞれ同一符号を有する磁気浮上車両の走行システム。
2. 両磁極（４２、４４）の間に延びる磁気軸（４６）を備えた駆動電磁石（４０）が垂直に配置されている請求項１に記載の走行システム。
3. 固定子（５０）が、２つの互いに並べて配置され長手方向に螺旋状の巻線（５２、５４）を有する請求項１に記載の走行システム。
4. 固定子（５０）が、長手方向（２８）に見て８の字を形成する巻線（７８）を有する請求項１に記載の走行システム。
5. 駆動システム（１０）が同時に案内システムとして構成されている請求項１〜４のいずれか１つに記載の走行システム。
6. 車両側の支持電磁石装置（１４）を備え、その支持電磁石（２０）はその両磁極（２２、２４）の間を通る磁気軸（２６）でもって走行路（６）の長手方向（２８）に対して水平にかつ直角方向に配置され、この長手方向（２８）に前後して配置された磁極（２２、２４）が同一符号を持つ請求項１〜５のいずれか１つに記載の走行システム。
7. 走行路（６）として強磁性の走行路板（１２）が使用されている請求項６に記載の走行システム。
8. 支持電磁石（２０）が車両側において走行路板（１２）の下に配置されている請求項７に記載の走行システム。
9. 磁気浮上車両（２）に対する推進力が分散的に磁気浮上車両（２）自体において駆動電磁石の磁気誘導を介して設定可能である請求項１〜８のいずれか１つに記載の走行システム。

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