DE2357325B2 - Magnetsystem zur Schwebeführung eines bewegten Fahrzeugs - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Magnetsystem zur ipurgebundenen, elektrodynamischen Schwebeführung fines bewegten Fahrzeugs mit in Fahrtrichtung paralle-Ilen Reihen von fahrzeugfesten Paaren horizontal und •bereinanderliegender Magnetspulen, die je ein NuII-llußsystem bilden und zwischen denen eine Reihe ortslester Hubschleifen angeordnet ist.

Magnetschleifen für eine elektrodynamische Schweberührung eines bewegten Fahrzeugs, die vorzugsweise Ills supraleitende Spulen ausgelegt sind, können beispielsweise am Fahrzeug befestigt sein und in einer Schleife aus nichtmagnetischem Material Wirbelströme erzeugen, deren magnetische Abstoßungskraft als Hubkraft für das Fahrzeug dient. Ferner sind im Feld der IMagnetschleifen im allgemeinen noch weitere Schleifen aus nichtmagnetischem Material angeordnet, in denen das Feld der Magnetschleifen ebenfalls Reaktionskräfte erzeugt, die zur horizontalen Stabilisierung des Fahrzeugs über der Fahrbahn oder auch an einer Aufhängevorrichtung dienen. Diese Schleifen aus nichtmagnetischem Material, vorzugsweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, werden deshalb auch als Hubschleifen bzw. Stabilisierungsschleifen bezeichnet.

Eine magnetische Schwebeführung eines Fahrzeugs, das als Träger für Magneten mit großen Strömen dieni, die im Zusammenwirken mit elektrisch leitenden Teilen der Fahrbahn Hubkräfte erzeugen, ist aus der US-Patentschrift 10 20 943 bekannt. Die Hubkräfte wirken der Schwerkraft des Fahrzeugs entgegen und halten so das Fahrzeug während seiner Bewegung in einem Schwebezustand über der Fahrbahn. Verschiedene Ausführungsformen einer solchen elektrodynamischen Schwebeführung, bei der magnetische Abstoßungskräfte ausgenutzt werden, sind aus der US-Patentschrift 34 70 828 bekannt. Mehrere Magnetsysteme können jeweils am Fahrzeug in Fahrtrichtung hintereinander angeordnet sein. Jedes System enthält am Fahrzeug befestigte supraleitende Fahrzeugschleifen und gegensinnig gewickelte, an der Fahrbahn befestigte normalleitende Schienenschleifen. In den Schienenschleifen, die jeweils 325

in Fahrtrichtung parallel nebeneinander und parallel zu den Fahrzeugschleifen angeordnet sind, werden durch das Feld der Fahrzeugschleifen Reaktionskräfte hervorgerufen, die das Fahrzeug in einer stabilen Lage in einer horizontalen Ebene halten. Sobald sich nämlich das Fahrzeug und damit seine Fahrzeugschleifen in vertikaler Richtung aus ihrer Mittellage entfernen, werden die dort angeordneten Schienenschleifen von einem größeren Fluß durchsetzt, der eine Rückstellkraft in Richtung der sogenannten Nullage erzeugt. In dieser Gleichgewichtslage werden praktisch keine Ströme erzeugt. Diese Ausführungsform einer elektrodynamischen Schwebeführung wird deshalb auch als Nullflußsystem bezeichnet.

Aus der Zeitschrift »Cryogenics and Industrial Gases«, Oktober 1969, S. 19 bis 24, ist eine Ausführungsform einer elektrodynamischen Schwebeführung der eingangs bezeichneten Art bekannt, bei der jeweils ein Nullflußsystem an beiden Seiten des Fahrzeugs und ein weiteres in der Mitte unter dem Fahrzeug angeordnet sind. Die seitlich angeordneten Nullflußsysteme dienen zur Schwebeführung, das unter dem Fahrzeug angeordnete System zur seitlichen Führung des Fahrzeugs.

Bei jedem dieser Schwebeführungssysteme werden am Fahrzeug befestigte, paarweise senkrecht übereinander angeordnete, gegensinnig zueinander erregte Supralei'.ungsmagnetspulen in einer mit der Fahrbahn verbundenen, horizontal angeordneten, elektrisch leitenden Schiene aus einer Vielzahl von in Fahrtrichtung hintereinander angeordneten Leiterschleifen derart entlanggeführt, daß die Schiene jeweils zwischen zwei senkrecht übereinander angeordneten Magnetspulen liegt. Die Schiene ist dünn gegenüber der Eindringtiefe des Magnetfeldes in das Schienenmaterial, Es werden deshalb nur dann Verluste und somit Bremskräfte erzeugt, wenn die Schiene nicht genau in der Mitte zwischen den Spulen der jeweiligen Spulenpaare liegt. Die Bremskraft ist in erster Näherung proportional zur zweiten Potenz der Auslenkung aus der Nullage, während die erzeugte Hubkraft in erster Näherung der Auslenkung unmittelbar proportional ist. Auf Giund dieser Kräfteüberlagerung läßt sich eine stabile Schwebeführung des Fahrzeugs erreichen.

Bei diesem Nullflußsystem befinden sich jedoch die Hubschleifen nicht genau in der Mittelebene zwischen den etwa gleichstark erregten Magnetspulen oberhalb und unterhalb dieser Hubschleifen, weil das Eigengewicht des Fahrzeugs einschließlich der mit ihm verbundenen Magnetspulen eine zusätzliche Kraft darstellt, die eine vertikale Annäherung der oberen Magnetspulen an die Hubschleifen bewirkt. Somit sind innerhalb dieser Nuilflußsysteme die Abstände der Hubschleifen zu ihren Magnetspulen entsprechend verschieden groß, d. h., die Sicherheitstoleranzen bezüglich vertikaler Bewegungen des Fahrzeugs sind nach unten geringer als nach oben.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, für ein nach dem Nullflußprinzip elektrodynamisch schwebendes Fahrzeug die Magnetsysteme der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß eine annähernd symmetrische Lage der Magnetspulenpaare bezüglich ihrer zugeordneten Hubschleifen erreicht wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß mindestens in einigen der Magnetspulenpaare das von der oberen Magnetspule erzeugte Magnetfeld stärker ist als das von der unteren Magnetspule hervorgerufene Magnetfeld, so daß die Abstände zwischen den Hubschleifen und diesen Magnetspulen wenigstens an-

nähernd gleich groß sind

Diese Gestaltung eines elektrodynamischen Magnetsystems hat den Vorteil, daß auf Grund der asymmetrischen Ausbildung des auf die Hubschleifen einwirkenden Magnetfeldes der beiden Magnetspulen ein wenig- S stens annähernd gleicher Abstand zwischen den beiden Magnetspulen und der Schienenpl.ute gehalten werden kann. Die maximal zulässige Auslenkung aus der mittleren Schwebehöhe dieses Systems, die nämlich immer durch den kleinsten Abstand zwischen den Magnetspulen und der Schiene gegeben ist, läßt sich somit effektiv vergrößern.

Nach einer Weiterbildung des Magnetsystems gemäß der Erfindung kann vorteilhaft eine Regelung der Magnetfelder einander zugeordneter Magnetspulen in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des Fahrzeugs vorgesehen sein. Für dieses Nullflußsystem läßt sich damit eine Anpassung an die Kurve der geschwindigkeitsabhängigen spezifischen Bremsverluste, die als Produkt aus Fahrzeuggeschwindigkeit und Bremskraft pro Hubkraft definiert sind, erreichen.

Die Erzeugung eines asymmetrischen Magnetfeldes bezüglich der Mittelebene zwischen den Magnetspulen der Magnetspulenpaare bietet natürlich keinerlei Schwierigkeiten. So können beispielsweise die Magnetspulen von gleicher Baugröße sein und die obere Magnetspule stärker erregt sein als die ihr zugeordnete untere Magnetspule. Es genügt dann, den Erregerstrom in der oberen Magnetspule so weit zu erhöhen, daß sich die Nullflußzone in vertikaler Richtung gerade .im den Betrag verschiebt, der sich auf Grund des Eigengewichtes des Fahrzeugs als Auslenkung ergeben würde, wenn beide Magnetspulen gleichstark erregt werden.

Natürlich kann auch die oberhalb der Hubschleifen angeordnete Magnetspule eine größere Anzahl von Windungen als die ihr zugeordnete untere Magnetspule haben. Dann ist es möglich, daß ihre Betriebsströme wenigstens annähernd gleich sind. Insbesondere bei Verwendung von supraleitenden Materialien für die Wicklungen dieser Spulen können dann gleiche Toleranzen der maximalen Strombelastbarkeit dieser Leiter erreicht werden.

Zur zeichnerischen Erläuterung der Erfindung wird auf die F i g. 1 und 2 Bezug genommen. In

F i g. 1 ist der bekannte Magnetfeldverlauf in einem Nullflußsystem bei gleicher Erregung der beiden Magnetspulen schematisch veranschaulicht, während in

F i g. 2 der entsprechende Magnetfeldlinienverlauf in einem Magnetsystem gemäß der Erfindung wiedergegeben ist.

Das bekannte Nullflußsystem einer elektrodynamischen Schwebeanordnung erhält man nach F i g. I durch das Zusammenwirken zweier an einem Fahrzeug F befestigter Magnetspulen Mi und Mi. Diese beiden Magnetspulen, die in gleicher Weise aufgebaut und parallel zueinander angeordnet sind, werden von gleichgroßen, aber entgegengesetzten Sfiömen /1 und /2 durchflossen und erzeugen so zwei gegeneinander gerichtete Magnetfelder Hi und H2, deren Feldlinien in der Figur durch Linien mit Pfeilen veranschaulicht sind. Die Mittelebene zwischen den Magnetspulen Mi und M2 stellt eine sogenannte Nullflußzone N dar und ist strichpunktiert angedeutet. Im gemeinsamen Magnetfeld Hi, H2 der Magnetspulen Mi und M2 ist eine Hubschleife Saus nichtmagnetischem Material angeordnet, die in dem System die Form einer Platte oder einer Schiene haben kann. Wenn sich diese vorzugsweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehende Hubschleife 5 in der Nullflußzone N bewegt, sind die in ihr induzierten Ströme und damit die Rieht- und Breinskräfte Null. Bei einer Auslenkung aus der Mittelebene werden Wirbelströme nach dem elektrodynamischen Prinzip in dieser Hubschleife S induziert, die auf sie eine in Richtung auf die Nullflußzone N wirkende Kraft K und somit eine Rückstellkraft erzeugen. Die Steifigkeit der Nullflußanordnung nimmt zu, wenn der Strom /1 und /2 in den Magnetspulen Mx und M2, die vorzugsweise supraleitende Magneten sein können, erhöht wird oder wenn der gegenseitige Abstand der beiden Magnetspulen Mx und Mi kleiner wird In der Nullflußzone N bleiben die Verluste in der Hubschleife S null, solange die endliche Dicke dieser Schiene vernachlässigt werden kann.

Auf ein mit den Magnetspulen Mi und Mi starr verbundenes Fahrzeug, dessen eine Fahrzeugseite in der Figur nur zum Teil angedeutet ist, wirkt jedoch die Schwerkraft, so daß sich eine vertikale Auslenkung der Hubschleife S aus der Nullflußzone um den Betrag der Höhe Δ h ergibt. Diese durch einen Pfeil G bezeichnete Schwerkraft wird von der Rückstellkraft K des elektrodynamischen Nullflußsystems kompensiert, so daß sich das Fahrzeug in einer stabilen Lage befindet. Wie aus der Figur hervorgeht, ist dann jedoch der Abstand Λι zwischen der Hubschleife S und der oberen Magnetspule Mi kleiner als der Abstand hi zwischen der Hubschleife S und der unteren Magnetspule Mi. Dies führt aber zu einer Verringerung der Toleranzen der Schwebehöhe des Systems auf den Betrag '/2 (h\ + /)2 — 2Δ h). Der Bewegungsspielraum des Fahrzeugs in vertikaler Richtung wird dementsprechend verkleinert.

Gemäß F i g. 2 wird deshalb der Strom /1 in der oberen Magnetspule Mi gegenüber dem Strom h in der unteren Magnetspule Mi so weit erhöht, daß sich die Nullflußzone in dem Nullflußsystem etwa um den Betrag Δ h in vertikaler Richtung nach der unteren Magnetspule M2 parallel verschiebt. Damit läßt sich gewährleisten, daß die schraffiert dargestellte Hubspule S etwa in der Mittelebene der beiden Magnetspulen Mi und M2 liegt. Aus der F i g. 2 geht hervor, daß dann das Luftspaltverhältnis von Abstand Λι zwischen Hubschleife Sund oberer Magnetschleife Mi zu Abstand In zwischen Hubschleife S und unterer Magnetspule M2 bei einer den Gewichtsverhältnissen des Fahrzeugs angepaßten asymmetrischen Erregung der beiden Magnetspulen Mi, M2 mit /1 größer k etwa gleich eins ist. In diesem erfindungsgemäßen Nullflußsystem bleiben somit die vollen Toleranzen der Schwebehöhe erhalten.

Da jedoch die spezifischen Bremsverluste auch in einem solchen Nullflußsystem geschwindigkeitsabhängig sind, kann es unter Umständen vorteilhaft sein, die Erhöhung des Stromes /1 in der oberen Magnetspule Mi entsprechend zu regeln.

Im Ausführungsbeispiel ist ein Magnetsystem zur Schwebeführung eines Fahrzeugs gewählt, bei dem die erforderlichen Hubschleifen an einem Fahrbahnkörper befestigt sind. Es sind aber auch entsprechende Magnetsysteme für ein an einer Tragvorrichtung aufgehängtes Fahrzeug geeignet. Ferner können auch Fahrzeuge mit Magnetsystemen verwendet werden, deren Magnetspulen mit Stabilisierungssystemen magnetisch gekoppelt sind (deutsche Auslegeschrift 21 60 666).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentanspräche: 23

1. Magnetsystem zur spurgebundenen, elektrodynamischen Schwebeführung eines bewegten Fahrzeugs mit in Fahrtrichtung parallelen Reihen von fahrzeugfesten Paaren horizontal und übereictnderliegender Magnetspulen, die je ein Nullflußsystem bilden und zwischen denen eine Reihe ortsfester Hubschleifen angeordnet ist, dadurch ge- ίο kennzeichnet, daß mindestens in einigen der Magnetspulenpaare (M, Mi) das von der oberen Magnetspule (Mi) erzeugte Magnetfeld (H\) stärker ist als das von der unteren Magnetspule (Mi) hervorgerufene Magnetfeld (Hi), so daß die Abstände (h\ und In) zwischen den Hubschleifen (S) und diesen Magnetspulen (Mi, Mi) wenigstens annähernd gleich groß sind (F i g. 2).

2. Magnetsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Regelung der Magnetfelder to (Wi, H2) einander zugeordneter Magnetspulen (Mi, Mi) in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des Fahrzeugs (F) vorgesehen ist.