DE102011011810A1

DE102011011810A1 - Elektromagnetische Schwebetechnik mit einfachem Fahrweg

Info

Publication number: DE102011011810A1
Application number: DE102011011810A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-02-19
Filing date: 2011-02-19
Publication date: 2012-08-23

Abstract

Die Erfindung befasst sich mit einem kostengünstigen und energiesparenden Schwebekonzept, dessen Fahrbahnausrüstung sich auf die Anwendung von elektrisch und magnetisch passiven Schienen beschränkt und zugleich eine verzweigungsfreundliche Form aufweist. Die Fahrzeugausstattung technischer Art wird mit Verwendung von Permanentmagneten leistungsarm gestaltet und kommt mit geringer Masse für die Magnetkreisteile und die erforderliche Leistungsaufbereitung in Geräten der Leistungselektronik aus. Das Konzept ist für die Anwendung im Nah- und Schnellverkehr geeignet.

Description

Stand der Technik
Die elektromagnetische Schwebetechnik bringt in vertikaler Richtung für das Fahrzeug nach oben zeigende Tragkräfte zur Wirkung. Sie werden üblicherweise von Magneten, deren Spulen Gleichströme führen, aufgebracht, wobei in Abhängigkeit von der Spaltgröße und dessen Änderungstendenz die Größe des Stromes geregelt wird. Der Nennluftspalt hängt in seiner Größe von der Leistungsfähigkeit der Magneten und der Genauigkeit der Schienenverlegung und damit der Qualität des Fahrweges ab. Bei bekannten Prototypen für Hochgeschwindigkeitsverkehr liegt die Spaltgröße bei knapp 1 cm. Die dazu aufzuwendende Tragleistung liegt zwischen 1 bis 2 kW/t; sie steigt mit zunehmender Geschwindigkeit. Dies gilt auch für den Fall, dass an der Tragschiene zusätzlich zu den Tragkräften die Vortriebskräfte durch Wechselwirkung zwischen einer Reihe von Magnetpolen im Fahrzeug und einer Wechselströme führenden Wicklung in der Schiene erzeugt werden. Für die Stabilisierung des Fahrzeugs in seitlicher Richtung gegenüber äußeren Kräften wird je Fahrzeugseite eine zusätzliche Magnetkraftwirkung zwischen Magneten im Fahrzeug und einer massiven Schiene aus Stahl herangezogen, die gegenüber der Traganordnung um 90° geschwenkt ist. Auch hier handelt es sich um spaltgeregelte gleichstromerregte Magneten, deren Energieverbrauch sich zu jenem der Tragmagneten addiert.
Im Vergleich zur Tragtechnik der klassischen Rad-Schiene-Technik mit Stahlschienen und Spurkranz-Stahlrad ist die Trag-Führtopologie der Magnetschwebetechnik nun deutlich komplizierter. Nicht zuletzt durch die geometrisch separierte Führtechnik besteht keine Hoffnung eine verzweigungsfreundliche, im Hinblick auf die Ausführung von Weichen aufwandsarme Fahrbahnlösung zu finden. Vorteilhaft erscheint hingegen, dass der Leistungsbedarf für die Stütz- und Führfunktion begrenzt ist und die Verschleiß behaftete Übertragung von Normal- und Tangentialkräften überwunden ist.
Um den hohen Genauigkeitsanforderungen für die Fahrbahn auszuweichen, wurden verschiedene Entwicklungsschritte empfohlen. Es wurde z. B. in der Zeitschrift eb/Elektrische Bahnen empfohlen, die Tragkräfte als Tangentialkräfte an den seitlichen Flächen der Schienen eigenstabil, also ohne Regelung, zu erzeugen und dafür die Führkräfte in der Querrichtung als Differenzkraft der in dieser Ebene wirkenden Magneten zu regeln. Auch die Vortriebskraft für Lang- oder Kurzstatorantrieb könnte dann an den vertikalen Schienenseiten aufgebracht werden. Wie zu erkennen ist, bedeutet ein solches Konzept zwar in vertikaler Richtung eine sehr weitgehende Befreiung vom Auslegungszwang durch die tragtechnischen Zusammenhänge in Verbindung mit der Fahrbahngeometrie; weniger erfreulich ist der Umstand, dass nun eine geometrische Umschließung der Schiene durch die Fahrzeugmagneten erfolgt, die auch einen Zwang zur Einhaltung eines begrenzten seitlichen Luftspaltes bedingt.
An der Schiene, die nun im Falle der Kurzstatortechnik auch elektrisch passiv sein kann, findet jetzt die Funktionsintegration statt. Sie ist allerdings im Vergleich zur Festkörper-Kraftübertragung bei der Rad-Schienetechnik noch um einiges komplexer. Erwähnt soll werden, dass sich die früheren Fahrzeug/Fahrweg-Topologien, die mit doppelseitigem Linearmotor ausgestattet waren, im Hinblick auf Verzweigungsfähigkeit ebenfalls als äußerst hinderlich erwiesen haben.
Unter Bahnfachleuten ist heute nicht mehr strittig, dass für schnelle Bahnen auch bis in den Bereich von Geschwindigkeiten von 500 km/h die Energieübertragung zum Fahrzeug technisch vergleichsweise sicher darstellbar ist. Es gilt auch als darstellbar, die Energieaufbereitung auf dem Fahrzeug mit begrenztem Gewicht durchführen zu können. Schließlich ist auch bekannt, dass mit verbesserten Linearmotorvarianten und deren begrenzter Masse die Vortriebs- und Bremskräfte vom Fahrzeug aus bereitgestellt werden können. Der Einsatz des aktiven Fahrwegs kann damit sehr weitgehend eingeschränkt und im Normalfall durch einen elektrisch und magnetisch passiven Fahrweg ersetzt werden.
Auf der Grundlage des elektromagnetischen Trag-Führkonzeptes besteht weiter die aus der Schwebephysik stammende Bedingung, dass mindestens eine der beiden Kraftkomponenten zur Sicherstellung der vertikalen und horizontalen Stabilität geregelt sein muss. Die jeweils andere Komponente kann hingegen eigenstabil wirken. Wichtig erscheint dabei die Bedeutung einer weitgehenden Funktionsintegration an der Schiene oder einem nicht sehr weitläufigen Schienenverband. Mehrseitige Schienenumschließungen durch Magneten des Fahrzeugs sollten nicht in Anspruch genommen werden. Für die nun auch für den Motor passive Schiene ohne eingelegte Wicklung oder implantierte Permanentmagneten wird man zulassen dürfen, dass sie zur Unterdrückung von Wirbelströmen aus lamellierten Blechen aufgebaut ist und zur Erzeugung von Tangentialkräften in Längsrichtung am Spalt geometrisch konturiert und hierdurch mit einer örtlich veränderlichen Größe der magnetischen Leitfähigkeit ausgestattet wird. Schienen dieser Art sind gegenüber den aktiven Schienen für Langstatortechnik wesentlich kostengünstiger und ermöglichen einen deutlich flexibleren Zugbetrieb. Nicht zuletzt kommt eine solche Konzeptänderung auch dem Gesamtwirkungsgrad der Analge zugute. Schwebekonzepte für Nahverkehrs- und Schnellverkehrsanwendung lassen sich auf gleicher Grundlage aufbauen.
Somit besteht die erfindungsgemäße Aufgabe in der Beschreibung einer wirtschaftlich besonders günstigen Fahrzeug-Fahrweg-Geometrie auf der Grundlage der elektromagnetischen Trag- und Vortriebstechnik derart, dass die zur Stützung, Seitenführung und dem Vortrieb erforderlichen Kraftkomponenten von Magnetanordnungen des Fahrzeugs erzeugt und an elektrisch und magnetisch passiven Schienen so zur Wirkung gebracht werden, dass weder Schienen noch Fahrbahnanteile von der Magnetanordnung umschlossen werden und sich die an unterschiedlichen Schienen erzeugten Kraftkomponenten gegenseitig ergänzen. Es soll eine Aufteilung in Teilschienen mit vorzugsweise Trag-/Führkraftkomponenten und einer Schiene, an der Vortriebskräfte in Kombination mit den beiden anderen Komponenten entstehen, vorgenommen werden. Dabei wird eine enge Nachbarschaft mit gleicher Schienenunterkante angestrebt. Dort, wo keine Vortriebskräfte benötigt werden, kann die Vortriebsschiene entfallen.
Da neben dem Minimum der Fahrwegausrüstungskosten auch eine masse- und leistungsarme Fahrzeugausrüstung entstehen soll, rückt für die Magnetanordnung deren Betrieb mit möglichst kleinem Stromvolumen in den Vordergrund. Die Leistungsbereitstellung für die Fahrzeuge wird dem Stand der Technik entsprechend sowohl durch kontaktbehaftete Stromübertragung als auch durch berührungsfreie, also induktive Übertragung nach Art eines geöffneten Magnetkreises mit gegenüber 50 Hz stark erhöhter Frequenz erfolgen.
Im Folgenden wird anhand eines ausführlichen Textes und mehreren in den Text einbezogenen Zeichnungen die Lösung der Aufgabe beschrieben.
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Das Ziel einer umschließungsfreien elektromagnetischen Schwebe- und Vortriebstechnik ist durch Einsatz je einer passiven Schiene pro Fahrzeugseite in Wechselwirkung mit zwei Magnetanordnungen des Fahrzeuges, die durch Permanentmagneten und nur zum Teil durch stromführende Spulen erregt sind, grundsätzlich erreichbar.
1 zeigt eine Anordnung mit einem vereinfacht dargestellten Fahrzeug FZ und dem Fahrweg FW. In dieser etwas idealisierten Darstellung ist auf jeder Seite ein Paar wechselwirkender Komponenten gezeichnet. Sie bestehen aus den konturierten Schienen S links und S' rechts, die an den Schienenträgern T und T' befestigt sind. Getrennt durch die Luftspalte δ und δ' sind die Magneten M und M', die am Fahrzeugrahmen Fr Halt finden, gezeichnet. Das magnetische Feld wird in den Magneten M und M' erzeugt. Auf jeder Seite entstehen drei aufeinander senkrecht stehende Kraftkomponenten F in den Richtungen x, y und z, wie in 1 unten gezeichnet. Die nötige Energie wird über ein Energiezuführungssystem, das beispielhaft aus der Stromschiene Ss im Fahrweg FW und dem Übertragungselement Ez im Fahrzeug FZ besteht, zugeführt. Die Aufbereitung der Energie zum Einsatz in den Magneten erfolgt in einer ersten Stufe in dem Gerät EV, wo auch die Spannung an den Einsatz im Fahrzeug angepasst wird. Das stationäre Energiezuführungsteil wird bekanntlich zweckmäßig dann für höhere Spannung ausgelegt, wenn die Fahrzeuge hohe Leistungsanteile benötigen. Die Anpassung der Leistung an die örtlichen Gegebenheiten und den aktuellen Schwebezustand des Fahrzeuges erfolgt in weiteren Geräten Ea und Ea', wo Regelkreise nach erfolgter Sensormessung z. B. die Aussteuerungsgrößen, für die Ströme I und I' bestimmen.
Aufgesetzt auf den Rahmen Fr ist der Fahrzeugaufbau Fk zur Unterbringung der zu transportierenden Nutzlast. Die Kraftübertragung erfolgt normalerweise hier über Sekundärfedern Sf, die es ermöglichen, einen größeren Teil der vom Rahmen noch weiter geleiteten Schwingungen gegenüber der Nutzlast zu isolieren.
Beim Vergleich der Größe der Kraftkomponenten, die durch das Gerätepaar Magnet/Schiene dargestellt werden, wird deutlich, dass für den tatsächlichen Einsatz weitere Veränderungen zweckmäßig erscheinen. Obgleich grundsätzlich möglich, ist es mit Blick auf die genannten Materialminimierungen für Schienen und Magneten deutlich günstiger je Seite mindestens eine Aufspaltung für Schiene und Magnet vorzunehmen.
In der in 1 dargestellten Anordnung wird davon ausgegangen, dass die seitlichen Führkräfte F_z von den Magneten eigenstabil erzeugt werden. Diese Wirkung tritt bei eisenbehafteten Magnetkreisteilen auf, ist aber deutlich abhängig vom Verhältnis Luftspaltlänge zu Magnetbreite. Für schmale Schienen und Magneten werden im Vergleich zur Stützkraft verhältnismäßig große Kraftanteile möglich. Der Größtwert dieser Rückstellkraft wird etwa bei einer Verschiebelänge erreicht, die der Breite b der Anordnung entspricht. Für noch größere Verschiebelängen tritt eine rasche Abnahme der Rückstellkraft ein.
Die Physik des Schwebevorganges zeigt weiter, dass der Höchstwert der erzielbaren Rückstellkraft zwar mit der Tragkraft F_y steigt, dass aber der Proportionalitätsfaktor geometrieabhängig ist. Ohne Berücksichtigung von Sättigungszuständen im Eisen findet man zwischen der maximalen Rückstellkraft F_zmax und F_y näherungsweise den Zusammenhang F_zmyx/F_y = π/4 δ/b √γ; ·γ = 1 – 0,7√/δ/b.
Offensichtlich ist für die Erzeugung einer verhältnismäßig hohen Rückstellkraft ein zu großes Verhältnis b/δ ungünstig. Die Tragkraft F_y einer Seite ergibt sich proportional der mittleren Energiedichte B²/2μ₀·√γ und proportional zu Schienenlänge und Schienenbreite.
Wie bereits angedeutet, findet sich eine Lösung zur Erzielung verhältnismäßig hoher eigenstabil wirkender Kraftkomponenten im Vergleich zu der Stützkraft durch die Festlegung einer begrenzten Schienenbreite b.
Neben diesem Hindernis weist die Anordnung nach 1 den Nachteil auf, dass die Stützkräfte von Magneten des Linearmotors erzeugt und geregelt werden müssen. Sie erreichen dadurch nur verhältnismäßig kleine Werte je Querschnittseinheit und leiden außerdem darunter, dass die mögliche Regelamplitude sehr klein und unzureichend ist.
In der Darstellung 2 ist die Aufteilung von Schienen und Magneten für eine Fahrzeugseite vorgenommen. Anstelle der Schiene der Breite b von 1 sind nun zwei Schienen S1 und S2 mit den zugehörigen Breiten b1 und b₂ je Seite gezeichnet. Sie stehen am Luftspalt δ den Magneten M1 und M2 gegenüber, die ihrerseits im Fahrzeugrahmen Fr befestigt sind. Die Funktionsintegration bezieht sich nun auf die aus zwei Elementen bestehenden Einheiten für Schiene und Magneten, wobei die Größe der Kraftkomponenten jeweils unterschiedlich sein kann. So ist z. B. in 2 angenommen, dass das Elementpaar S1/M1 größere Anteile für Stützung F_y und Seitenkraft F_z erzeugt, aber kein Beitrag F_x entsteht. Hingegen wird durch das Elementpaar S2/M2, das für den Linearmotor steht, die Erzeugung der Kraftkomponente F_x geleistet, während die Beiträge zur resultierenden Stütz- und Führkraft, also die Komponenten F_y und F_z verhältnismäßig gering sind. Dies wird qualitativ in den Kraftpfeilskizzen von 2 zeichnerisch dargestellt. Es ist zu erkennen, dass der seitliche Abstand der Teilschienen S1 und S2 dem Raumbedarf der Spulenanordnung von M1 und M2 entspricht, aber auch etwas größer ist als die Breite b der beiden Schienen. Letzteres ist zu beachten, wenn bei der größten auftretenden seitlichen Verschiebelänge der Größtwert der Rückstellkraft erreicht werden soll. Aus diesem Grunde ist es auch zweckmäßig, die Breite der beiden Schienen S1 und S2 annähernd gleich groß zu wählen.
Zur Minimierung des Energiebedarfs der Magneten im Fahrzeug liegt es nahe, die Felderregung nicht in vollem Umfang den elektrischen Strömen der Spulen anzuvertrauen, sondern sie großenteils durch Permanentmagneten vornehmen zu lassen. Nur die zur Stützung notwendigen kurzen Erregerstromimpulse, die der Stabilisierung der Lage dienen, und die für den Vortrieb unvermeidlichen Wechselstromanteile werden den Spulen der jeweiligen Funktionsgruppe zugeteilt. Der Einsatz der sogenannten geregelten Permanentmagneten für die Stützung führt auf eine sehr leistungsarme Betriebsweise der Magneten und weist besonders günstige Merkmale auf, wenn die Permanentmagneten in Sammleranordnung angelegt sind. Der dann abgesenkte magnetische Widerstand dient der Beschränkung der erforderlichen elektrischen Durchflutung bei Feldaussteuerung. Das notwendige Verhältnis von Führ- zu Stützkraft entsteht durch die Wahl der Paketbreite im Verhältnis zum Luftspalt. Wenn davon ausgegangen wird, dass auch bei seitlicher Auslenkung die Stützkraft, die etwa dem Überdeckungsgrad des Elementpaares proportional ist, konstant gehalten werden muss, bedeutet dies eine Felddichteerhöhung, die durch die Regelung vorgenommen wird. Diese Felddichtevergrößerung kommt der Steigerung der Energiedichte, wie oben beschrieben, zugute und führt gleichzeitig zur Erhöhung der maximalen Rückstellkraft. So können bei Kurvenfahrten und etwa hälftiger Elementüberdeckung bereits Rückstellkräfte entwickelt werden, die etwa 25% der Stützkraft betragen.
Die Energieaufbereitung erfolgt jeweils in getrennten Geräten der Leistungselektronik Ea1 und Ea2 und wird durch Spannungen und die Ströme I_x und I_y an die Magnetspulen Sp1 und Sp2 weitergeleitet. Dabei dient der Strom I_x vornehmlich der Vortriebs- und Bremskraftbildung, während I_y in erster Linie der Erzeugung der Stützkraftstabilisierung zugute kommt. Wie bereits beschrieben, treten in beiden Schienen zusätzliche Kraftwirkungen F_z auf.
2a zeigt einen Ausschnitt aus der Stützanordnung mit zwei seitlich versetzten Magneteinheiten M1 und M1g gleicher Länge in Hintereinanderanordnung. Durch den seitlichen Versatz der Magneten gegenüber der Schiene entsteht bereits in der gezeichneten Symmetrielage für beide Einheiten eine Rückstellkraft, die bei gleicher Aussteuerung sich in der Summe aufhebt. Bei ungleicher Erregung entstehen ungleiche Tragkräfte und ungleiche Rückstellkräfte. Wählt man die Ungleichheit der Aussteuerung gerade so, dass in der Summe die Stützkraft konstant bleibt, kann dabei ohne Störung der Stützung eine resultierende Seitenkraft auch in der Mittellage erzeugt werden. Das Verfahren der versetzten Magneten bedeutet in der Summe eine kleine Einbuße an möglicher Tragkraft, gibt aber die Möglichkeit zum gezielten Eingriff der Führkräfte mit Hilfe der Stützkraftregelung. Der Eingriff kann zum Beispiel zur Dämpfung von seitlichen Fahrzeugschwingungen und auch zur Minimierung des seitlichen Versatzes des Fahrzeuges gegenüber der Schiene herangezogen werden.
Die Größe der für die Stützkraftstabilisierung erforderlichen Stromaussteuerungen wird, wie erwähnt, durch die Heranziehung der Sammleranordnung besonders stark minimiert. Die Strombereitstellung in der Geräteabteilung Ea1 bedient sich zur Stromfestlegung einer Spaltgrößenermittlung, zieht eine weitere Spaltgrößenänderung, wie Geschwindigkeit und Beschleunigung, heran und stellt mit Hilfe von Schaltelementen der Leistungselektronik Spannungs- und Stromgrößen bereit, die sich z. B. nach einem Auswandern des Magneten M1 aus der Sollposition zur Wiederherstellung des Nennzustandes innerhalb der erforderlichen Zeit in genügend großen Kraftkomponenten ausdrücken. Je schneller die Fahrgeschwindigkeit ist, umso geringer ist das Zeitfenster innerhalb dessen die Wiederherstellung des Ausgangszustandes erfolgen muss. Bei hoher Spuleninduktivität ist für die Lösung dieser Aufgabe eine wesentlich höhere Spannung zur Bereitstellung der Stromgrößen erforderlich. Dies führt auf eine erhöhte Auslegungsleistung für das Gerät Ea1. Um dies zu verhindern, sind kleine Spuleninduktivitäten gefragt. Da diese proportional dem erforderlichen Wicklungsquerschnitt der Spulen sind, und dieser mit der erforderlichen Größe des Aussteuerstroms wächst, kommt der Stromminimierung große Bedeutung zu. Auch aus diesem Grunde rechtfertigt sich der Einsatz der Permanentmagneten. Verbunden mit dieser Maßnahme lassen sich dynamisch günstigere Magneten mit verringerter Masse, kleineren Verlusten und gleichzeitig verringerter Zeitkonstante zur Stützung einsetzen. Ihre Energieaufbereitung kann mit verringertem Geräteaufwand vollzogen werden.
Um die erwähnte Beschränkung der Stützkraftaussteuerungen für besondere Betriebsfälle wie das Abstellen des Fahrzeuges zu sichern, wird hierzu ein Hilfsstützsystem mechanischer Form (z. B. ausfahrbare Kufen) eingesetzt.
3 zeigt eine Seitenansicht von Schiene S1 und Magnet M1. Die Schiene S1 weist einen konstanten Querschnitt auf und grenzt über den Spalt δ an den Magnet. Die im Magnet M1 gezeichneten Permanentmagneten Mp erzeugen längs der eingetragenen Magnetfeldlinien den Hauptteil des magnetischen Flusses, der proportional zur Energiedichte im Luftspalt die Stützkraft als Normalkraftkomponente entstehen lässt. Ersichtlich weist die Spule Sp1 einen verhältnismäßig kleinen Wicklungsquerschnitt auf. Die Ströme, die dort zu führen sind, treten eher impulsförmig auf. Im Vergleich zu Dauerstrom führenden Spulen sind der mittlere und der effektive Strom verhältnismäßig klein. Hierzu trägt die Sammleranordnung der Magneten Mp bei. Die Länge der Magneten ist hierbei deutlich größer als die Flussaustrittslänge am Spalt. Die Magnetdicke kann kleiner ausgeführt werden als im Falle einer Magnetanordnung direkt am Luftspalt.
Im Vergleich zu 3 ist in 4, wo die Ansicht des Linearmotors mit passiver Schiene dargestellt ist, deren Konturierung am Luftspalt ersichtlich. Die Schiene S2 weist in der Teilung der Magneten M2 am Luftspalt rechteckförmige Ausnehmungen auf. Hierdurch wird stellungsabhängig der von den Magneten M2 erzeugte magnetische Fluss moduliert. Im Zusammenhang mit dem in den Spulen Sp2 der Magneten M2 fließenden Wechselstrom lassen sich amplitudenproportionale Tangentialkräfte für Vortrieb und Bremsen erzeugen. Die Magneten Mp sind auch hier zweckmäßig in Sammleranordnung auszuführen. Auch hier dient dies der Begrenzung der Wechselstromamplituden für die Vortriebsbildung. Das Betriebsverhalten des Motors wurde in DE 10 200o7 042 935.7 beschrieben.
Mit 4 wird deutlich, dass an der elektrisch und magnetisch passiven Schiene S2 wegen des im Vergleich zu 3 verringerten Eintrittsquerschnittes für das magnetische Feld auch geringere Normalkraftkomponenten und kleinere seitliche Rückstellkräfte resultieren. Hinzu kommt, dass zur Effizienzsteigerung des Vortriebs mit Hilfe der Wechselströme beim Poleinlauf des Erregerteils nach Durchlauf der halben Polbreite der Strom von zusätzlicher Magnetisierung auf Feldschwächung umgeschaltet wird, wodurch es zu einer Schwächung der mittleren Normalkraft kommt. Untersuchungen der Zusammenhänge zwischen Magnetfeld und elektrischen Strömen zeigen, dass die Anwendung der Sammlerform den Betrieb mit verhältnismäßig hohen Felddichten ermöglicht und der Motor eine hohe Kraftdichte aufweist. Die Polbreite der Erregermagneten ist im Vergleich zur Breite des Schienenzahns nur geringfügig größer.
Erwähnt werden soll, dass die rechteckförmigen Ausnehmungen der Schiene S2, die der Reduktion der diesem Ort zuzuschreibenden magnetischen Leitfähigkeit gilt, auch durch die Anordnung eines ausgestanzten Gitters mit dünnen Verbindungsstegen im Größenbereich von 1 mm Dicke ersetzt werden kann. Zur Verstärkung der Festigkeit des Gitterbereichs lassen sich nach Paketierung die Hohlräume mit Kunststoff füllen.
Hierdurch entfällt die sichtbare geometrische Kontur, während die magnetisch wirksame Leitfähigkeitsschwankung erhalten bleibt. Die durch starke Spaltschwankungen bei schneller Fahrt hervorgerufenen Druckpulsationen der Luft lassen sich so vermeiden.
Die Anpassung des Konzeptes der passiven Schienen an unterschiedliche Vorgaben für die Fahrzeugmasse erfordert unter Beachtung der gewünschten Größenverhältnisse der drei Spannungskomponenten für Vortrieb, Stützen und Führen in Fällen stark vergrößerter Fahrzeugmasse eine weitere Aufteilung der Schienen. Wie 5 darstellt, wird hier eine weitere Elementpaarung S/M eingeführt. Die Schiene S1 für Stütz- und Führkrafterzeugung ist in zwei gleich große Anteile gespalten. Gleiches gilt für den Magneten M1. Die Vortriebskraft-Elementpaarung S2/M2 ist seitlich versetzt zu der Doppelschiene S1 beigefügt. Die Forderung nach dieser Schienenverstärkung kann z. B. auftreten, wenn die Fahrzeugmasse den Wert 2 t/m überschreitet. Für den zweiteiligen Magneten M1 lässt sich hierbei eine gemeinsame Spule Sp1 für beide Magnetkreisteile, wie gezeichnet, anwenden. Sie wird mit dem gemeinsamen Strom I_y über das Aufbereitungsgerät Ea1 betrieben. Die Breite der Stützschiene b₁ entspricht der erwähnten Regel, dass das Verhältnis b₁/δ einen bestimmten Wert, z. B. die Zahl 10 oder 12, nicht überschreiten darf, wenn die eigenstabile Rückstellkraft F_xmax im Verhältnis zur Stützkraft ausreichend hoch sein muss. Für die Festlegung der Breite b₂ der Vortriebsschiene S2 besteht ein etwas vergrößerter Spielraum, weil deren Seitenkraftanteile ohnehin kleiner sind als jene der Komponenten von S1.
5 lässt erkennen, dass eine Fahrbahn, die für schwere Fahrzeuge, z. B. mit zwei Stützschienen S1 ausgestattet ist, auch für leichtere Fahrzeuge, die nur eine Magnetreihe M1 aufweisen und eine Teilschiene S1 benötigen, ohne Nachteile befahrbar ist.
Die in den 1 bis 5 gezeichnete Aufhängung der Schienen an zwei nach innen hin offenen C-förmigen Schienenträgern weist eine für die Verzweigungsweichen günstige Formgebung auf Das Fahrzeug wird hierbei vorn Fahrbahnträger nur zum geringen, Teil umschlossen, während die Schiene vom Fahrzeug nicht umschlossen ist. Bei bekannten Topologien des Schnellverkehrs liegt umgekehrt eine weitgehende Umschließung der Fahrbahn und Fahrbahnkomponenten durch das Fahrzeug vor. In diesem Fall lassen sich Verzweigungen nur durch Fahrbalken-Verschiebung, also durch die Bewegung sehr großer Massen darstellen.
Im Falle der hier vorliegenden Teilumschließung des Fahrzeuges ist es möglich, durch Verschiebung der Schienenträger mit deren seitlicher Verbindung einen Verzweigungsweg freizugeben oder anzuschließen.
Schließlich soll erwähnt werden, dass zur Minimierung des Fahrenergiebedarfs dadurch wichtige Beiträge geleistet werden können, dass die Anfahrund Bremsenergiebeträge durch Einbeziehung von Gefälle- und Steigungsbereichen in die Fahrbahn reduziert werden. Hierdurch ist auch eine einfachere und masseärmere technische Ausrüstung der Fahrzeuge möglich.
Literaturhinweis

Eb/Elektrische Bahnen 104 (2006) H. 1–2, Seite 75, Herbert Web, „Magnetschwebetechnik und Linearantriebe für hohe Geschwindigkeit"

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007042935 [0026]

Claims

Elektromagnetisches Schwebekonzept zur berührungslösen Erzeugung von magnetischen Stütz-, Führ- und Vortriebskräften in drei senkrecht aufeinanderstehenden Richtungen, bestehend aus einer Fahrbahn, an der beidseitig Schienen angeordnet sind, Unterseite in einem möglichst konstant zu haltenden Luftspalt von reihenförmigen im Fahrzeug angeordneten Magneten Feldwirkungen erzeugt werden, wobei die Schienen vorzugsweise aus magnetisch gut leitfähigen Stahlblechen bestehen und je Seite im Normalfall zur Erzeugung der 3 Kraftkomponenten mindestens zwei rechteckige Schienenkörper S1 und S2 bilden, die an den waagerechten Tragteilen der Schienenträger T an der Fahrbahn befestigt sind, dabei das Verhältnis Schienenbreite b zu Luftspaltlänge δ den Wert zwölf nicht überschreitet und zwischen mehreren auf gleicher Seite angeordneten Schienen der gegenseitige Abstand mindestens gleich der Schienenbreite ist, und die der Stützung und Führung dienende Schiene S1 in Wechselwirkung mit Magnetreihen M1 im Fahrzeug steht, deren Magnetfeld durch eine Kombination aus Permanentmagneten und stromführenden Spulen in magnetisch leitfähiger Hintereinander-Anordnung erzeugt wird, während die hauptsächlich für Vortrieb wirkende Schiene S2 am Luftspalt konturiert ist, und in der Wicklung der ebenfalls kombiniert erregten Magnetanordnung M2 Wechselströme fließen, und die Stromversorgung der Magneten M1 und M2 jeweils über entsprechende Regelkreise in Verbindung mit einer Stromaufbereitung und der Energiezuführung zum Fahrzeug in Geräten auf dem Fahrzeug erfolgt.
Elektromagnetisches Schwebekonzept mit ausschließlich passiven Schienen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetanordnung zur Erzeugung der Stützkraft eine aus Permanentmagneten bestehende Erregeranordnung nach Art der Sammlerkonfiguration zur Feldfokussierung im Luftspalt besitzt, deren Flussanteil annähernd dem Nennschwebezustand zur Erzeugung der Stützkraft entspricht, und deren Spulenquerschnitt für die im Betriebsablauf auftretenden verhältnismäßig geringen Flussschwankungen, die nur ein Bruchteil des Nennflusses sind, gerecht wird.
Elektromagnetisches Schwebekonzept mit ausschließlich passiven Schienen nach obigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung der Stützkrafterzeugung durch die Magneten für größere Spaltänderungen durch eine Hilfseinrichtung ergänzt wird, die bei großen Spalten die Bereitstellung der Stützkraft übernimmt.
Elektromagnetisches Schwebekonzept mit ausschließlich passiven Schienen nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetanordnung zur Erzeugung der Vortriebskraft Rechteckpole mit Permanentmagneten in Sammleranordnung aufweist und die Polbreite nur geringfügig größer als die Breite der an der Schiene ausgebildeten rechteckförmigen Zähne ist und sich Pol- und Zahnteilung entsprechen.
Elektromagnetisches Schwebekonzept mit ausschließlich passiven Schienen nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der zur Stützung eingesetzten Magneten in ihrer seitlichen Position gegenüber der Schiene paarweise in entgegengesetzter Richtung versetzt angeordnet ist und ihre Aussteuerung durch Zu- und Gegenerregung bei im Paar konstanter Stützkraft erfolgt.
Elektromagnetisches Schwebekonzept mit ausschließlich passiven Schienen nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die normale Fahrbahn mit zwei nach innen hin offenen C-förmigen Schienenträgern bestückt ist, an deren oberen Tragteilen die Schienen befestigt und so angeordnet sind, dass die Ebene ihrer Unterseiten der gewünschten Fahrzeuglage entspricht.
Elektromagnetisches Schwebekonzept mit ausschließlich passiven Schienen nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahl der Stützschienen und Magnetreihen für schwere Fahrzeuge größer ist, als für leichtere Fahrzeuge und beide Fahrzeugarten an gleicher Fahrbahn verkehren.
Elektromagnetisches Schwebekonzept mit ausschließlich passiven Schienen nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Energieübertragung auf die Fahrzeuge das Mittel der induktiven Energieübertragung, also die Übertragung zwischen einem Leitersystem in der Fahrbahn und einer Spulenanordnung im Fahrzeug ohne Berührung herangezogen wird, wobei nur ein geringes Maß an ferromagnetischem Material auf beiden Seiten eingesetzt und eine Frequenz, die deutlich höher als 50 Hz ist, für die Ströme zur Anwendung kommt.
Elektromagnetisches Schwebekonzept mit ausschließlich passiven Schienen nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Minimierung der maximalen Fahrleistung und der Beschränkung der Fahrenergie die Fahrbahn nach einem besonderen Höhenprofil verlegt wird, bei dem die Haltepunkte höher liegen als die Fahrstrecke im mittleren Bereich zwischen den Haltestellen.