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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs
1 angegebenen Gattung.
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Die
Bordenergie üblicher
Magnetschwebebahnen wird in der Regel berührungslos mit Hilfe von Lineargeneratoren
erzeugt, die in die Magnetpole der wenigstens einen, zum Tragen
und/oder Führen
des Magnetschwebefahrzeugs bestimmten Magnetanordnung integriert
sind und z. B. mit einem Langstator zusammenwirken (z. B.
DE 34 10 119 A1 ).
Die Energieübertragung
hängt dabei
von der Geschwindigkeit des Magnetschwebefahrzeugs ab, weshalb bisherige Vorrichtungen
erst ab Geschwindigkeiten von ca. 100 km/h den vollen Energiebedarf
des Magnetschwebefahrzeugs decken. Deswegen sind längs des
Fahrwegs dort, wo die Geschwindigkeit der Magnetschwebefahrzeuge
geringer oder Null ist (z. B. in Bahnhöfen), zusätzliche Energiequellen erforderlich. Dazu
gehören
einerseits leistungsstarke, im Magnetschwebefahrzeug mitgeführte Batterien,
andererseits externe Mittel wie z. B. längs Langsamfahrabschnitten
des Fahrwegs verlegte Stromschienen, denen am Magnetschwebefahrzeug
angebrachte Stromabnehmer zugeordnet sind. Letzteres kann es erforderlich
machen, das Magnetschwebefahrzeug bei Betriebsstörungen nur dort anzuhalten,
wo eine solche externe Stromversorgung vorhanden ist. Außerdem ist
der finanzielle Aufwand für
derartige Vorrichtungen vergleichsweise groß. Schließlich erfordern sie eine ständige Wartung
aufgrund von Entladungsvorgängen
in den Batterien oder aufgrund eines mechanischen Verschleißes.
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Das
der Erfindung zugrundeliegende Problem besteht daher darin, die
Vorrichtung der eingangs bezeichneten Gattung so auszubilden, daß sie mit
einfachen und preisgünstigen,
konstruktiven Mitteln eine wirksame und dauerhafte Energieübertragung
gewährleistet.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe dienen die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs
1.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
bringt den Vorteil mit sich, daß sie
verschleiß-
und auch in Winterzeiten wartungsarm arbeitet. Der Primärleiter kann
außerdem
preisgünstig
hergestellt und mit tolerierbarem Kostenaufwand längs des
gesamten Fahrwegs angebracht werden, wodurch das Magnetschwebefahrzeug
bei Störungen
an jedem beliebigen Punkt der Strecke angehalten oder mit reduzierter
Geschwindigkeit betrieben werden kann. Die Befestigung der Empfängerspule
am Magnetrücken bringt
außerdem
den Vorteil mit sich, daß sie
mit der Magnetanordnung zu einer integralen Baueinheit zusammengefaßt werden
kann und ihre relative Lage zum Primärleiter geringeren Schwankungen
unterliegt, als wenn sie z. B. an dem mit Federn am Magnetrücken abgestützten Wagenkasten
montiert würde.
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Weitere
vorteilhafte Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der in unterschiedlichen Maßstäben gehaltenen
Zeichnungen an Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 schematisch
einen Teilschnitt durch ein übliches
Magnetschwebefahrzeug im Bereich eines mit einem Langstator versehenen
Fahrwegs;
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2 und 3 in
perspektivischen Darstellungen einen Modul mit zwei Magnetanord nungen
des Magnetschwebefahrzeugs nach 1 von vorn
bzw. von hinten;
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4 schematisch
einen Regelkreis für
die Magnetanordnungen nach 2 und 3;
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5 eine
der 3 entsprechende Darstellung des Moduls, jedoch
nach Entfernung einer vorderen Verkleidung und mit Blick auf verschiedene, in
einem Magnetrücken
montierte Komponenten;
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6 eine schematische Vorderansicht einer
der Magnetanordnungen nach 5 mit weiteren
Einzelheiten;
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7 einen
Schnitt längs
der Linie VII-VII der 6;
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8 ein
schematisches Schaltbild für
die Magnetanordnung nach 6 bei erfindungsgemäßer Einzelansteuerung
ihrer Magnetpole;
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9 einen
der 1 ähnlichen,
jedoch vergrößerten Teilschnitt
zur Darstellung einer berührungslosen
Energieübertragung
vom Fahrweg auf das Magnetschwebefahrzeug;
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10 die Vorderansicht einer Magnetanordnung
mit einer Empfängerspule
für die
berührungslose
Energieübertragung,
von der Seite eines Trägers
des Fahrwegs her gesehen;
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11 einen
Schnitt längs
der Linie XI-XI der 10;
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12 eine
perspektivische Vorderansicht der Magnetanordnung nach 10;
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13 eine
vergrößerte Einzelheit
X der 11;
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14 eine
schematische und perspektivische, stark vergrößerte Darstellung eines Teils
einer Wicklungshälfte
einer in die Magnetanordnung nach 12 integrierten
Empfängerspule
von vorn, d. h. von der Seite eines in 9 gezeigten,
an einem Fahrwegträger
montierten Primärleiters
aus gesehen;
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15 eine
der 14 entsprechende Darstellung der Wicklungshälfte, jedoch
von hinten, d. h. von der Seite eines in 9 am Magnetschwebefahrzeug
montierten Magnetrückens
aus gesehen;
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16 schematisch
den aus 15 ersichtlichen Teil der Wicklungshälfte nach
Abwinklung von Wicklungsköpfen
um ca. 90°;
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17 und 18 schematisch
die Wicklungshälfte
in den 14 und 15 entsprechenden
Ansichten, jedoch nach Abwinklung von Wicklungsköpfen um ca. 180°; und
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19 schematisch
einen Querschnitt durch eine Wicklungshälfte nach 16 und
den Primärleiter.
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1 zeigt
schematisch einen Querschnitt durch ein Magnetschwebefahrzeug 1,
das in üblicher Weise
auf einem in Längsrichtung
einer Trasse verlaufenden Fahrweg fahrbar montiert ist, der aus
Stahl und/oder Beton hergestellte Träger 2 und auf diesen montierte
Fahrwegplatten 3 enthält.
Der Antrieb des Magnetschwebefahrzeugs 1 erfolgt mittels
eines Langstatormotors, der unterhalb der Fahrwegplatte 3 befestigte,
in deren Längsrichtung
aufeinander folgende Statorpakete 4 aufweist. Die Statorpakete 4 weisen
abwechselnd aufeinander folgende, nicht dargestellte Zähne und
Nuten auf, in die Wicklungen eingelegt sind, die mit Drehstrom variabler
Amplitude und Frequenz gespeist werden. Das eigentliche Erregerfeld
des Langstatormotors wird durch wenigstens eine erste, als Tragmagnet 5 wirkende
Magnetanordnung erzeugt, die mit wenigstens einem seitlichen Gestellbügel 6 am
Magnetschwebefahrzeug 1 befestigt ist und den in 1 nach
unten offenen Nuten der Statorpakete 4 zugewandte Magnetpole
aufweist. Der Tragmagnet 5 stellt nicht nur das Erregerfeld
bereit, sondern erfüllt
auch die Funktion des Tragens und Schwebens, indem er beim Betrieb
des Magnet schwebefahrzeugs 1 einen vorgegebenen Spalt 7 von
z. B. 10 mm zwischen dem Tragmagenten 5 und den Statorpaketen 4 aufrecht
erhält.
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Zur
Spurführung
des Magnetschwebefahrzeugs 1 weist die Fahrwegplatte 3 seitlich
angebrachte Führschienen 8 auf,
denen ebenfalls an den Gestellbügeln 6 montierte
Führmagnete 9 gegenüberstehen,
die beim Betrieb dazu dienen, zwischen sich und der Führschiene 8 einen
dem Spalt 7 entsprechenden Spalt 7a aufrechtzuerhalten.
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Gemäß 2 und 3 bilden
der in 1 gezeigte Tragmagnet 5 und der Führmagnet 9 jeweils ein
an den Gestellbügeln 6 befestigtes
Modul mit je einer Magnetanordnung 10 bzw. 10a für die Funktionen "Tragen" bzw. "Führen" . Es ist jedoch klar, daß am Magnetschwebefahrzeug 1 seitlich
nebeneinander und in Fahrtrichtung hintereinander in der Regel eine
Vielzahl derartiger Module angebracht sein kann.
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Die
Magnetanordnung 10 für
die Funktion "Tragen" enthält zwölf hintereinander
angeordnete Magnetpole 11, deren elektrisch in Reihe geschaltete Wicklungen 12 und
Kerne 14, die in 2 für einen der
Magnetpole 11a schematisch angedeutet sind, normalerweise
rundum von einem Korrosionsschutz in Form einer Gießharzschicht
od. dgl. umgeben sind. Die Kerne 14 der einzelnen Magnetpole 11 sind untereinander
durch nicht gezeigte Polrücken
miteinander und mittels ebenfalls nicht dargestellter Polwangen
und diese durchragender Stäbe
an einem nachfolgend kurz als Magnetrücken bezeichneten Magnetrückenkasten 15 der
Magnetanordnung 10 befestigt. An diesem Magnetrücken 15 greifen über Primärfedern
die Gestellbügel 6 an,
die mit einem biegesteifen, Längs-
und Querverbinder aufweisenden Untergestell bzw. Schweberahmen 16 verbunden
sind, auf dem ein mit einer Fahrgastzelle versehener Wagenkasten 17 des
Magnetschwebefahrzeugs 1 (1) abgestützt ist.
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Magnetschwebefahrzeuge
1 und
deren Magnetanordnungen sind dem Fachmann z. B. aus den Druckschriften
US-PS 4,698,895,
DE
39 28 278 A1 ,
DE
39 28 278 A1 und PCT WO 97/30 504 A1 allgemein bekannt,
die hiermit der Einfachheit halber durch Referenz zum Gegenstand
der vorliegenden Offenbarung gemacht werden.
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Zur
Regelung der Wicklungen 12 der Magnetpole 11 derart,
daß der
Spalt 7 bei der Fahrt des Magnetschwebefahrzeugs 1 konstant
bleibt, dient ein Regelkreis 18 nach 4.
Dieser enthält
wenigstens einen, vorzugsweise mehrere Spaltsensoren 19 (vgl. auch 2),
die an dieselbe Ebene wie die Magnetpole 11 grenzen, mit
induktiven oder kapazitiven Mitteln die aktuelle Größe des Spalts 7 messen
und als Istwertgeber für
den Regelkreis 18 dienen. Die vom Spaltsensor 19 abgegebenen
elektrischen Signale werden einem Regler 20 zugeführt und
in diesem mit einem über
eine Leitung 21 fest vorgegebenen oder adaptierten Sollwert
verglichen. Der Regler 20 ermittelt daraus ein Differenz-
bzw. Stellsignal für
ein Stellglied 22, das seinerseits den Strom durch die
Wicklungen 12 so steuert, daß der Spalt 7 eine
im wesentlichen konstante Größe hat und
während
der Fahrt beibehält.
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Zur
Versorgung des Regelkreises 18 mit der erforderlichen Betriebsspannung
dient in 4 eine Energieversorgungseinheit,
die in wenigstens einem Magnetpol (z. B. 11a in 2)
angebrachte Wicklungen 23 eines Lineargenerators enthält, die
im Zusammenwirken mit dem Langstator eine von der Geschwindigkeit
des Magnetschwebefahrzeugs 1 abhängige Wechselspannung von z.
B. bis 300 V liefern. Diese Spannung wird in einem z. B. einen Hochsetzsteller
aufweisenden Spannungswandler 24 in eine für den Betrieb
vorgesehene Gleichspannung von z. B. 440 V umgewandelt, die einerseits
mittels einer Leitung 25 an den Regler 20 und
das Stellglied 22 gelegt, andererseits über eine Leitung 26 an
das Bordnetz des Magnetschwebefahrzeugs 1 weitergeleitet
wird.
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Während der
Regler 20, das Stellglied 22 und der Spannungswandler 24 bisher
irgendwo, vorzugsweise im Boden des Wagenkastens 17 untergebracht
sind, was umfangreiche, durch das Bezugszeichen 27 in 3 angedeutete
Verkabelungen erforderlich macht, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen,
diese Komponenten sämtlich
im Magnetrücken 15 der
Magnetanordnung 10 unterzubringen. Dies ergibt sich insbesondere
aus 5, die eine Ansicht des Magnetrückens 15 nach
Entfernung einer zum Fahrweg 3 hin gerichteten Verkleidung 28 (2) zeigt.
Mit den Bezugszeichen 29 sind beispielhaft Öffnungen
im Magnetrücken 15 angedeutet,
die zur Aufnahme von Einschüben 30 dienen,
die den Regelkreis 18 und dessen Komponenten 20 bis 22 sowie die
Spannungswandler 24 der Energieversorgungseinheit aufnehmen.
Zweckmäßig sind
die Einschübe so
gestaltet, daß nach
ihrer Montage ohne weitere Zusatzarbeiten die richtigen Kontaktierungen
hergestellt sind, d. h. die Öffnungen 29 und
Einschübe 30 mit
zusammenwirkenden Steck- und Einschubmitteln od. dgl. versehen sind.
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Die
Unterbringung des Regelkreises 18 und des Spannungswandlers 24 im
Magnetrücken 15 ist ohne
Probleme möglich,
weil der Magnetrücken 15 bei
bekannten Magnetanordnungen 10 im wesentlichen aus einem
Hohlkörper
mit U-Profil besteht, so daß er
ausreichend Platz bietet. Dadurch gelingt es, auf die Verkabelung 27 weitgehend
zu verzichten, da praktisch nur noch die zum Bordnetz führende Leitung 26 sowie
etwa benötigte
Leitungen für
Steuerungs- und Diagnoseaufgaben aus dem Magnetrücken 15 herausgeführt werden
brauchen. Alle übrigen
Leitungen können
im Magnetrücken 15 verlaufen und
von dort auf kürzestem
Weg zu den Spaltsensoren 19 sowie den Wicklungen 12 und 23 geführt werden.
Daraus folgt, daß die
gesamte Magnetanordnung 10 einschließlich der Magnetpole 11,
des Regelkreises 18, der Energieversorgungseinheit 23, 24 und
der Verkabelung eine autonome, mechatronische Baueinheit bildet,
in die alle für
die Schwebefähigkeit
erforderlichen Funktionalitäten
integriert sind. Bei Bedarf können
zusätzlich
Pufferbatterien im Magnetrücken 15 untergebracht
sein, die beim Stillstand oder bei zu langsamer Fahrt des Magnetschwebefahrzeugs 1 die
erforderliche Energie liefern.
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Das
in 2 gezeigte Modul weist außer der Magnetanordnung 10 für die Funktion "Tragen" eine weitere Magnetanordnung 10a mit
Magnetpolen 32 für
die Funktion "Führen" auf. Die Magnetanordnung 10a ist
ebenfalls in der Nähe
des Magnetrückens 15a (3)
vorgesehen und zweckmäßig innerhalb
desselben Rastermaßes
von z. B. 3096 mm untergebracht, das auch für die Magnetanordnung 10 gilt. Den
Magnetenpolen 32 sind analog zu den Spaltsensoren 19 ausgebildete
weitere Spaltsensoren 19a zugeordnet, die mit weiteren,
nicht dargestellten und wie die Regelkreise 18 ausgebildeten
Regelkreisen verbunden sind, die dem Zweck dienen, den Spalt 7a zwischen
den Magnetpolen 32 und der Seitenführschiene 8 (1)
konstant zu halten. Für
die weiteren Regelkreise gilt im wesentlichen dasselbe, wie oben
anhand der Regelkreise 18 beschrieben wurde. Die Energieversorgung
dieser Regelkreise erfolgt dabei zweckmäßig mit Hilfe der Energieversorgungseinheiten 23 und 24,
da die Führmagnete
normalerweise keine Wicklungen von Lineargeneratoren aufweisen.
Anders als bei der Magnetanordnung 10 sind bei der Magnetanordnung 10a nur
drei Magnetpole 32 vorhanden, die durch zwei Reihen von
je drei Wicklungen gebildet werden.
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Die
für die
Funktion "Tragen" bestimmte Magnetanordnung 10 besitzt
zwölf Magnetpole 11,
die in zwei Gruppen von je sechs unmittelbar nebeneinander liegenden
Magnetpolen eingeteilt sind. Dabei wird jede dieser Gruppen durch
je einen Regelkreis 18 geregelt und zweckmäßig auch
durch je eine der Gruppe einzeln zugeordnete Energieversorgungseinheit 23, 24 mit
Strom versorgt. Dadurch wird einerseits der Vorteil erzielt, daß beim Ausfall
einer Gruppe die jeweils andere Gruppe weiter arbeitet. Andererseits
wird der zugehörige
Schweberahmen 16 mit seinen biegesteifen Längs- und
Querverbindern beim Ausfall einer Gruppe durch eine zugeordnete
Gruppe einer benachbarten Magnetanordnung, die dann vorzugsweise
mit einem entsprechend höheren
Strom beaufschlagt wird, in seiner Lage gehalten, ohne daß das Magnetschwebefahrzeug 1 auf
eine Gleitschiene abgesetzt wird oder die Magnetanordnung 10 an
den Langstator anschlägt.
Allerdings ergeben sich dadurch die beiden folgenden Nachteile.
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Ein
erster Nachteil der gruppenweisen Zusammenfassung von je sechs Magnetpolen 11 besteht
darin, daß in
ihren Wicklungen 12 vergleichsweise hohe Spannungen auftreten
können.
Diese werden vor allem durch kapazitive Spannungsüberhöhungen verursacht,
die sich aufgrund der Herstellung der Wicklungen der Magnetpole 11 aus
Leitungsbändern
und die dadurch erzeugten, parasitären Kapazitäten ergeben. Die aus den Induktivitäten der
Wicklungen und den parasitären
Kapazitäten
gebildeten elektrischen Schwingkreise führen bei der Anregung der Magnetanordnung 10 zu
Resonanzschwingungen, die so hohe Spannungen und Ströme zur Folge
haben können,
daß Isolationsschäden auftreten.
Ein weiterer Nachteil ist, daß die
Regelkreise 18 mit besonderen Sicherheitseinrichtungen
versehen werden müssen,
die beim fehlerhaften Arbeiten eines Stellgliedes 22 (4)
verhindern, daß die
zugeordnete Gruppe von Magnetpolen 11 an den Langstator
anschlägt.
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Erfindungsgemäß wird zur
Vermeidung dieser Nachteile vorgeschlagen, daß jede Gruppe nur einen Magnetpol 11 oder
höchstens
zwei Magnetpole 11 enthält.
Eine derartige Aufteilung der Magnetpole 11 ist in 6 bis 8 dargestellt.
Die Magnetanordnung 10 enthält hier zwölf Magnetpole 11a bis 111 mit
Wicklungen 12, nur teilweise dargestellten Spaltsensoren 19 sowie
den Wicklungen 23 des Lineargenerators. Außerdem sind
wie in 2 der Magnetrücken 15 und
Einschübe 30 angedeutet,
die die Regelkreise 18 und Energieversorgungseinheiten enthalten,
wobei allerdings die in den Einschüben 30 enthaltenen
Komponenten zum besseren Verständnis
in 8 unterhalb des Magnetrückens 15 dargestellt
sind. Mit dem Bezugszeichen 34 sind Ausnehmungen angedeutet,
in die die Enden der Gestellbügel 6 nach 1 und 2 eintreten.
Weiter zeigt 6 die in 2 nicht
sichtbaren Polrücken 35,
die die Kerne 14 der Magnetpole 11 miteinander
verbinden. Schließlich
zeigen 6 und 8, daß je sechs
Magnetpole 11a bis 11f bzw. 11g bis 11l je
einen Halbmagneten A bzw. B bilden, die in bekannter Weise mechanisch
mit dem Schweberahmen 16 für den Wagenkasten 17 (1)
des Magnetschwebefahrzeugs 1 gekoppelt sind.
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Elektrisch
werden die Magnetpole 11, wie 8 zeigt,
jeweils einzeln und unabhängig
voneinander gesteuert. Dazu ist im Halbmagneten A jedem Magnetpol 11a bis 11f je
eine Magnetpoleinheit 36a bis 36f zugeordnet,
die je einen zugehörigen
Regelkreis 18 und einen zugehörigen, mit einem Hochsetzsteller
od. dgl. versehenen Spannungswandler 24 gemäß der obigen
Beschreibung enthält.
Ferner ist jede Magnetpol-Wicklung 12 (z. B. speziell eine Wicklung 12d des
Magnetpols 11d) über
Leitungen 37 mit einer zugehörigen Magneteinheit (z. B.
speziell der Magnetpoleinheit 36d) und dem in ihr enthaltenen
Regelkreis 18 und jede Lineargenerator-Wicklung 23 (z.
B. speziell eine Wicklung 23d des Magnetpols 11d) über Leitungen 38 mit
der zugehörigen
Magnetpoleinheit 36d und dem in ihr enthaltenen Spannungwandler 24 gemäß 4 verbunden.
Für alle anderen
Magnetpole 11 gilt sinngemäß dasselbe.
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Außerdem sind
die vorhandenen Spaltsensoren 19 über Leitungen 39 mit
allen Magnetpoleinheiten 36 verbunden, deren Regelkreisen 18 die
jeweiligen Istwerte des Spalts 7 zu übermitteln. Der andere Halbmagnet
B ist entsprechend ausgebildet.
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Aufgrund
der beschriebenen Anordnung enthält
jeder Halbmagnet A, B je sechs Magnetpole 11 mit je einer
zugeordneten Magnetpoleinheit 36. Wird daher ein Magnetpol 11 oder
die zugehörige
Magnetpoleinheit 36 defekt, besteht keine Gefahr, daß die Magnetpolanordnung 10 oder
ein Halbmagnet A, B insgesamt ausfällt, da die Nachbar-Magnetpole
der defekten Einheit ohne weiteres deren Funktion mit übernehmen
können.
Daher ist es weder erforderlich, die Regelkreise 18 mit
besonderen Sicherungseinrichtungen gegen Fehlsteuerungen der Stellglieder 22 zu
versehen, noch treten die schädlichen,
kapazitiven Spannungsüberhöhungen auf.
Entsprechende Vorteile ergeben sich, wenn die Magnetpole 11 nicht einzeln,
sondern paarweise angesteuert werden. Besonders vorteilhaft ist
es, daß beim
Ausfall irgendeiner Komponente immer nur einer oder höchstens zwei
Magnetpole 11, aber nicht sechs oder zwölf Magnetpole 11 eines
Halbmagneten oder der ganzen Magnetanordnung 10 ausfallen.
Außerdem
wird das Spannungsniveau erniedrigt, wodurch die für das Bordnetz
vorgesehene Spannung reduziert werden kann.
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Im übrigen zeigt 8 noch
eine Besonderheit im Hinblick auf die Magnetpole 11a und 11l,
die den Anfang bzw. das Ende der Magnetanordnung 10 bilden.
Da diese Magnetpole 11a, 11l als halbe Pole ausgebildet
sind, so daß kein
Platz für
die Anbringung einer Lineargenerator-Wicklung 23 vorhanden ist,
wird die zugehörige
Magnetpoleinheit 36a bzw. 36l zweckmäßig vom
Bordnetz aus mit Strom versorgt, wie in 8 durch
eine Leitung 40 angedeutet ist.
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Entsprechend
kann im Hinblick auf die Steuerung der Magnetpole 32 des
Führmagneten
vorgegangen werden.
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Die
Erzeugung der Bordenergie mit Hilfe von Lineargeneratoren funktioniert
nur in Fahrwegabschnitten, in denen die Geschwindigkeit des Magnetschwebefahrzeugs 1 eine
bestimmte Mindestgröße erreicht.
In anderen Fahrwegabschnitten erfolgt die Energieerzeugung daher
mit Hilfe von am Fahrweg verlegten Stromschienen, denen mechanische oder
mechanisch-pneumatische Stromabnehmer 41 (8)
zugeordnet sind. Die Stromabnehmer 41 sind zusätzlich zu
den Wicklungen 23 vorhandene Bestandteile der Energieversorgungseinheit
insgesamt und werden entsprechend 8 bei Einzelpolansteuerung
mit jeder einzelnen Magnetpoleinheit 36 verbunden. Außerdem führt der
Ausgang des Stromabnehmers 41 über einen geeigneten, z. B.
einen Hochsetzsteller enthaltenden Spannungswandler 42 zur
Leitung 40. Wie 2 und 5 zeigen,
ist der Stromabnehmer 41 z. B. in dem mit der Verkleidung 28 aerodynamisch
abgedeckten Magnetrücken 15 und
damit wie die Wicklungen 23 des Lineargenerators in die
autonome Baueinheit der Magnetpolanordnung 10 integriert.
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Da
Stromschienen und mechanische Stromabnehmer 41 wegen der
Verschleißneigung
insbesondere bei hohen Geschwindigkeiten nicht immer erwünscht sind,
ist nach einem weiteren wesentlichen Merkmal der Erfindung vorgesehen,
die Energieübertragung
vom Fahrweg 3 auf das Magnetschwebefahrzeug 1 auf
eine andere Weise berührungslos
und vorzugsweise induktiv zu bewirken. Dies ist insbesondere in 9 gezeigt,
die einen im wesentlichen der 1 entsprechenden,
jedoch vergrößerten schematischen
Schnitt zeigt.
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Nach 9 ist
an einer Stelle des Fahrwegs, an der bisher die Stromschiene für den Stromabnehmer 41 (8)
angeordnet ist, ein als Sendespule ausgebildeter Primärleiter 44 vorgesehen,
der vorzugsweise je einen hin- und herlaufenden Leitungsabschnitt 44a, 44b enthält und sich
zweckmäßig über die
gesamte Länge
des Fahrwegs 2, 3 erstreckt. Die beiden Leitungsabschnitte 44a, 44b sind
z. B. mittels einer aus einem Isolator bestehenden Halterung 45 am
Träger 2 befestigt.
Der Primärleiter 44 liegt
außerdem
an einer nur schematisch dargestellten, vorzugsweise hochfrequenten
Spannungsquelle 46 von z. B. 300 V.
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Am
Magnetschwebefahrzeug 1 ist anstelle des Stromabnehmers 41 eine
Empfängerspule 47 montiert.
Diese ist vorzugsweise so ausgebildet, daß sie den Primärleiter 44 nicht
umgreift, sondern diesem mit einem geringen Abstand gegenübersteht. Dadurch
ist es möglich,
die Empfängerspule 47 wie die übrigen beschriebenen
Komponenten der Regelkreise 18 und der Energieversorgungseinheiten
erfindungsgemäß im Magnetrücken 15 unterzubringen und
mit dessen aus einem elektrisch isolierenden Material bestehender
Verkleidung 28 abzudecken oder in diese zu integrieren.
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Nach
einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist die Halterung 45 in der Weise klappbar ausgebildet,
daß der
Primärleiter 44 nach
oben oder unten schwenkbar am Träger 2 montiert
ist und abschnittsweise weggeschwenkt werden kann. Es kann dann
vermieden werden, daß der
Primärleiter 44 bei
Arbeiten, bei denen er im Weg ist, völlig demontiert werden muß.
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10 bis 13 zeigen
in einer der 5 ähnlichen Darstellung die Ausbildung
der Empfängerspule 47,
die aus Gründen
der Redundanz zweckmäßig zwei
Hälften 47a und 47b aufweist,
die je einem der oben beschriebenen Halbmagneten A, B zugeordnet
sind und daher im Ausführungsbeispiel
eine Länge
von je ca. 1500 mm aufweisen. Dabei besteht jede in 10 und 12 mit
einer dicken Linie dargestellte Hälfte 47a, 47b vorzugsweise
aus einer Mehrzahl von parallelen Leitern 47c (13),
die so relativ zum Primärleiter 44 angeordnet
sind, daß sie von
den von diesem bzw. den Leitungsabschnitten 44a, 44b erzeugten,
konzentrischen magnetischen Feldlinien durchdrungen werden und an
ihren nicht dargestellten Anschlußenden die vom Primärleiter 44 gelieferte
Spannung von ca. 300 V ausgekoppelt werden kann. Die beiden Anschlußenden können daher
analog zu 8 mit den Magnetpoleinheiten 36 bzw.
dem Spannungswandler 42 verbunden werden. Dabei ist klar,
daß zweckmäßig an beiden
Seiten des Trägers 2 entsprechende
Primärleiter 44 verlegt
werden, wenn die Magnetschwebefahrzeuge 1 an beiden Längsseiten
mit Magnetanordnungen 10, 10a versehen sind.
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Die
Empfängerspule 47 wird
vorzugsweise als vorgefertigte Baugruppe gemeinsam mit den notwendigen
Kontaktierungselementen, z. B. Steckverbindern, hergestellt und
am Magnetrücken 15 oder der
Verkleidung 28 so montiert bzw. in diese integriert, daß sie ein
Teil der von der Magnetanordnung 10 gebildeten autonomen
Baueinheit bildet.
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Ein
wesentlicher Vorteil der berührungslosen Energieübertragung
besteht darin, daß sie
mechanisch verschleißfrei
arbeitet und die ausgekoppelte Energie wie bei Anwendung einer Stromschiene
von der Fahrtgeschwindigkeit unabhängig ist. Außerdem ergibt
sich vielfache Redundanz, da pro Magnetanordnung 10 je
zwei Spulenhälften 46a, 46b vorhanden
sind. Weiter können
die Wicklungen 23 des Lineargenerators und bei entsprechender
Auslegung sogar die Hochsetzsteller und Bordbatterien entfallen. Eine
etwaige Notstromversorgung könnte
dann mit einfachen Bleibatterien sichergestellt werden.
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Die
Empfängerspule 47 bzw.
die Wicklungshälften 47a, 47b sind
vorzugsweise nach Art von sog. Lagenwicklungen ausgebildet. Sie
enthalten, wie 13, 14 und 15 für die Wicklungshälfte 47a zeigen,
eine Mehrzahl von in einer Ebene liegenden Lagen 48. Die
einzelnen Lagen 48 sind vorzugsweise aus einem Leiter mit
rundem oder quadratischem Querschnitt hergestellt und weisen parallel zueinander
und längs
der Magnetanordnung 10 (12) erstreckte,
im wesentlichen geradlinige, erste bzw. zweite Längsabschnitte 48a, 48b sowie deren
Enden verbindende Wicklungsköpfe 48c auf. Die
Längsabschitte 48a, 48b verlaufen
parallel zu den Leitungsabschnitten 44a, 44b des
Primärleiters 44 und
dienen der Spannungserzeugung. Dabei sind die ersten Längsabschnitte 48a dem
Leitungsabschnitt 44a und die zweiten Längsabschnitte 48b dem
Leitungsabschnitt 44b des Primärleiters 44 derart
zugeordnet, daß die
Leitungsabschnitte 44a, 44b jeweils etwa in der
Mitte des von den zugeordneten Längsabschnitten 48a, 48b gebildeten
Lagenteils angeordnet sind, wie insbesondere 14 zeigt.
Demgegenüber
verlaufen die Leiter der Wicklungshälfte 47a im Bereich
der Wicklungsköpfe 48c im
wesentlichen senkrecht zu den Leitungsabschnitten 44a bzw. 44b,
so daß sie
einerseits nicht oder zumindest nicht wesentlich zur Spannungsbildung
beitragen und andererseits einen vergleichsweise großen Platzbedarf entsprechend
einem Maß 1
in 14 in Längsrichtung
der Magnetanordnung 10 haben. Da die Wicklungsköpfe 48c außerdem aus
praktischen Gründen nicht über die
Längsenden
der Magnetanordnungen 10 hinausragen können (12), bringen
sie den Nachteil mit sich, daß sie
die wirksame Länge
der zur Spannungserzeugung vorgesehenen Längsabschnitte 48a, 48b reduzieren
und daher eine optimale Spannungserzeugung behindern.
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Zur
Vermeidung dieses Nachteils ist erfindungsgemäß vorgesehen, die Empfängerspule 47 bzw.
deren Hälften 47a, 47b im
Bereich der Wicklungsköpfe 48c aus
der von den Längsabschnitten 48a, 48b gebildeten
Wicklungsebene heraus nach hinten zu biegen bzw. abzuwinkeln. Dies
ist in 16 für um ca. 90° abgewinkelte Wicklungsköpfe 48d und in 17 und 18 für um ca.
180° abgewinkelte Wicklungsköpfe 48e schematisch
dargestellt. Da die Empfängerspule 47 gemäß 9 und 12 an
der dem Primärleiter 44 zugewandten
Vorderseite des Magnetrückens 15 montiert
ist, kommen die Wicklungsköpfe 48d dadurch
senkrecht zur Vorderseite des Magnetrückens 15 zu liegen,
weshalb dieser mit entsprechenden Ausnehmungen bzw. Schlitzen versehen
wird, die die abgewinkelten Wicklungsköpfe 48d aufnehmen.
Bei den um 180° umgebogenen Wicklungsköpfen 48e können diese
Ausnehmungen entsprechend flacher ausgebildet werden.
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Da
die einzelnen Lagen 48 der Empfängerspule 47 bzw.
deren Hälften 47a, 47b parallel
zur Wicklungsebene sämtlich übereinander
liegen, kann jede einzelne Lage 48 an derselben Stelle
gebogen werden, ohne daß benachbarte
Lagen 48 diesen Vorgang behindern. Dadurch ergibt sich
eine vergleichsweise scharfe Knickstelle für die ganze Wicklung mit der
Folge, daß die
Längsabschnitte 48a, 48b der Empfängerspule 47 bzw.
der Wicklungshälften 47a, 47b praktisch über die
ganze Länge
der Magnetanordnung 10 erstreckt und damit jeweils um ein
Maß 2·l länger als
in 14 ausgebildet werden können. Dabei versteht sich,
daß die
in 16 bis 18 gezeigten
Abwinklungen um 90° bzw.
180° zwar
besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele
darstellen, aber auch Abwinklungen um andere Winkel, insbesondere
um Winkel zwischen 90° und
180° möglich sind.
Außerdem
können
die Wicklungsköpfe 48c je nach
Anordnung und Ausbildung der Magnetanordnung 10 auch zur
entgegengesetzten Seite hin gebogen sein. Schließlich ermöglicht es die Erfindung, die Empfängerspule 47 aus
mehr als zwei Teilen 47a, 47b zusammenzusetzen,
ohne daß dadurch
die Gesamtlänge
der beteiligten Längsabschnitte 48a, 48b wesentlich
verringert wird. Beim Vorhandensein einer Vielzahl von Magnetanordnungen 10 und/oder
Empfängerspulen 47 längs des
Magnetschwebefahrzeugs wird dadurch die wirksame Länge der
Leitungsabschnitte 48a, 48b beträchtlich
vergrößert.
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Die
aus 14 bis 18 ersichtliche
Anordnung führt
zu einer vergleichsweise kleinen magnetischen Kopplung zwischen
dem Primärleiter 44 und
der Empfängerspule 47 bzw.
den Leitungsabschnitten 44a, 44b und den Längsabschnitten 48a und 48b.
Außerdem
besteht die Gefahr von Wirbelstromverlusten in hinter der Empfängerspule 47 angeordneten,
aus Metall bestehenden Bauteilen des Magnetrückens 15 (9).
Es ist daher bereits vorgeschlagen worden, auf einer vom Primärleiter 44 abgewandten
Seite der Empfängerspule 47 ein
Mittel zur Konzentration der vom Primärleiter 44 erzeugten, schematisch
in 19 angedeuteten, magnetischen Feldlinien 49a, 49b vorzusehen.
Dieses Mittel enthält insbesondere
Bauteile, die aus einem Material mit hoher Permeabilität und hohem
elektrischen Widerstand bestehen. Ein besonders bevorzugtes Material für diesen
Zweck ist Ferrit, insbesondere Weichferrit, das allerdings wegen
seiner Herstellung aus ferrimagnetischen Pulvern durch Pressen und
nachfolgendes Sintern vergleichsweise spröde, mechanisch empfindlich
und daher schlecht bearbeitbar ist. Bei der bereits vorgeschlagenen
Anordnung wird das Mittel zur Konzentration der Feldlinien daher
nicht aus großflächigen,
plattenförmigen
Elementen, sondern aus einer Vielzahl von vergleichsweise kleinen Materialstreifen
und Verbindungselementen zusammengesetzt, die durch Kleben oder
sonstwie zu Gitterrahmen miteinander verbunden werden und für die Zwecke
der vorliegenden Erfindung mechanisch ausreichend stabil sind. Dabei
ist für
den Fall, daß die Empfängerspule 47 aus
wenigstens zwei Hälften 47a, 47b besteht
und jede Hälfte
mit ihren Längsabschnitten 48a, 48b je
einem der beiden Leitungsabschnitte 44a bzw. 44b gegenübersteht
(9 und 12), für jede Hälfte 47a, 47b jeweils
dieselbe Anordnung vorgesehen. Ist eine einteilige Empfängerspule 47 vorgesehen,
gilt für
diese sinngemäß dasselbe.
Daher wird nachfolgend nur die für
eine Wicklungshälfte 47a vorgesehene
Anordnung näher
erläutert.
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Bei
einem ebenfalls aus 14 bis 18 ersichtlichen
und zusätzlich
in 19 dargestellten, derzeit für am besten gehaltenen Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist auf einer vom Leitungsabschnitt 44a abgewandten
Seite der Wicklungshälfte 47a eine
Mehrzahl von ersten Materialstreifen 50a vorgesehen, die
im wesentlichen senkrecht zum Leitungsabschnitt 44a und
parallel zu der von den Längsabschnitten 48a gebildeten
Wicklungsebene angeordnet sind. An einer vom Leitungsabschnitt 44b abgewandten
Seite der Wicklungshälfte 47a ist bei
entsprechender Anordnung eine Mehrzahl von zweiten Materialstreifen 50b vorgesehen,
die zweckmäßig in derselben
Ebene wie die ersten Materialstreifen 50a liegen. Beide
Materialstreifen 50a, 50b haben eine Länge, die
etwas größer ist,
als der Höhe der
von den Längsabschnitten 48a, 48b gebildeten Lagenteile
entspricht, ohne daß sie
sich mit den einander zugewandten Enden überlappen. Die einzelnen Materialstreifen 50a, 50b sind
jeweils gitterartig und mit vorgewählten Abständen parallel zueinander angeordnet.
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Die
Enden der ersten Materialstreifen 50a sind durch erste
Verbindungselemente 51a miteinander verbunden, die im wesentlichen
parallel zum Leitungsabschnitt 44a angeordnet sind. Entsprechend sind
die Enden der zweiten Materialstreifen 50b durch zweite
Verbindungselemente 51b verbunden. Dadurch entstehen nach
Art von Gitterrahmen ausgebildete Bauelemente, die in nicht näher dargestellter
Weise an den Magnetrücken 15 befestigt
werden.
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Sowohl
die Materialstreifen 50a, 50b als auch die Verbindungselemente 51a und 51b,
die beispielsweise durch Kleben miteinander verbunden sind, bestehen
vorzugsweise aus einem Ferrit. Sie sind außerdem zweckmäßig dicht
hinter den Längsabschnitten 48a, 48b und
so angeordnet, daß sie eine
Konzentration der von den Leitungsabschnitten 44a, 44b erzeugten
Feldlinien 49a bzw. 49b bewirken, wie in 19 schematisch
angedeutet ist. Dabei ist in 19 angenommen,
daß der
Leitungsabschnitt 44a momentan in einer aus der Zeichenebene heraustretenden
Richtung und der Leitungsabschnitt 44b momentan in einer
in die Zeichenebene eintretenden Richtung vom Strom durchflossen
ist. Wegen der hohen Permeabilität
der Materialstreifen 50a, 50b werden die Feldlinien 49a, 49b unmittelbar
hinter den Leitungsabschnitten 48a, 48b geschlossen,
wie in 19 schematisch durch Pfeile
angedeutet ist, wodurch die magnetische Kopplung stark erhöht wird,
was für
die Spannungserzeugung günstig
ist. Gleichzeitig wird wegen des hohen elektrischen Widerstandes
der Materialstreifen 50a, 50b vermieden, daß sich größere Wirbelstromverluste
ergeben, zumal die Materialstreifen 50a, 50b und
Verbindungselemente 51a, 51b die hinter ihnen
liegenden Teile der Magnetrücken 15 magnetisch
abschirmen. Schließlich
bewirken die Verbindungselemente 51a, 51b eine
weitgehend gleichförmige
Verteilung des magnetischen Flusses innerhalb der Gitterrahmenstruktur.
Dabei ist die Länge
der Materialstreifen 50a, 50b und der Verbindungselemente 51a, 51b so
gewählt, daß möglichst
viele der Feldlinien 49a, 49b gesammelt bzw. konzentriert
werden.
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Sowohl
die Materialstreifen 50a, 50b als auch die Verbindungselemente 51a, 51b besitzen vorzugsweise
rechteckige Querschnitte und dadurch Schmal- und Breitseiten 52, 53 bzw. 54 und 55,
die in 14 schematisch angedeutet sind.
Dabei sind die Breitseiten 53, 55 vorzugsweise
parallel zur Wicklungsebene angeordnet. Außerdem liegen die Verbindungselemente 51a, 51b erfindungsgemäß mit ihren
Breitseiten 55 an den Breitseiten 53 der Materialstreifen 50a, 50b an,
wodurch vergleichsweise große Verbindungs-
bzw. Stoßflächen und
trotz der unvermeidbaren Luftspalte vergleichsweise kleine magnetische Übergangswiderstände erhalten
werden, was zu einer weiteren Verbesserung der magnetischen Kreise
führt.
Bei einer Befestigung der Verbindungselemente 51a, 51b auf
den den Leitungsabschnitten 44a, 44b zugewandten
Seiten der Materialstreifen ergibt sich außerdem der Vorteil, daß die Verbindungselemente 51a, 51b im
wesentlichen in derselben Ebene wie die Längsabschnitte 48a, 48b der
Wicklungshälfte 47a zu
liegen kommen, wie insbesondere 19 zeigt.
Dadurch entsteht für
sie kein zusätzlicher
Raumbedarf, insbesondere wenn ihre Dicke, was in magnetischer Hinsicht
ausreicht, nicht größer als
die Dicke der Längsabschnitte 48a, 48b ist.
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Die
Materialstreifen 50a, 50b und Verbindungselemente 51a, 51b bestehen
beispielsweise aus Ferritstäben
mit einer Länge
von höchstens
100 mm, einer Breite von höchstens
15 mm und einer Dicke von höchstens
3 mm. Bei einem Abstand der Leitungsabschnitte 44a, 44b voneinander
von ca. 150 mm und einer Höhe
der aus den Längsabschnitten 48a, 48b gebildeten
Lagenteile von je ca. 30 mm bei z. B. zehn Lagen kann die Länge der
Materialstreifen 50a, 50b z. B. 100 mm und ihr
gegenseitiger Abstand parallel zum Primärleiter 44 z. B. 15
mm betragen. Der Abstand der Empfängerspule 47 vom Primärleiter 44 beträgt in diesem
Fall z. B. 40 mm. Außerdem ist
klar, daß in
Längsrichtung
der Längsabschnitte 48a, 48b mehrere
aus den Materialstreifen 50 und den Verbindungselementen 51 gebildete
Gitterrahmen hintereinander angeordnet sein können, wenn die Wicklungshälften 47a, 47b wesentlich
länger
als die problemlos verarbeitbaren Längen der Verbindungselemente 51 sind.
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Die
Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, die
auf vielfache Weise abgewandelt werden können. Dies gilt insbesondere
für die
Zahl der pro Magnetschwebefahrzeug insgesamt vorhandenen Magnetanordnungen 10, 10a und
den Aufbau von Modulen aus den Magnetanordnungen 10, 10a zu
Tragmagneten, Führmagneten
oder Kombinationen von Trag- und Führmagneten. Weiter kann die
Zahl der Magnetpole 11, 32 pro Trag- oder Führmagnet
anders als beschrieben gewählt
werden. Schließlich
versteht sich, daß die verschiedenen
Merkmale auch in anderen als den dargestellten und beschriebenen
Kombinationen angewendet werden können.