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Elektrischer Linearantrieb für ein trassengebundenes Fahrzeug Die
Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Linearantrieb für ein trassengebundenes
Fahrzeug.
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Bei dem Bemühen, die Höchstgeschwindigkeiten der Eisenbahnen wesentlich
zu erhöhen, kommt auch der Entwicklung neuartiger Antriebssysteme besondere Bedeutung
zu, da sich oberhalb einer Geschwindigkeit von ca. 350 km/h Probleme aufzeigen,
die mit den konventionellen Paarungen Rad-Schiene und Stromabnehmer-Fahrleitung
nicht mehr zu meistern sind.
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Als Antrieb für Schienenfahrzeuge sind schon Luftschraubenantriebe
und bestimmte elektrische Linear-Motorantriebe bekannt geworden. Die bekannten elektrischen
Antriebsarten haben den Nachteil, daß den auf dem Fahrzeug installierten Antriebsmotoren
die Antriebsleistung von außen über Stromschienen und Stromabnehmer zugeführt oder
daß die elektrische Leistung für den Antrieb auf dem Triebfahrzeug selbst erzeugt
werden muß, oder daß umfangreiche Maßnahmen für eine dreiphasige Stromversorgung
und eine Speisung mit veränderlicher Spannung und Frequenz nötig sind.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen trassengebundenen Fahrzeugantrieb
mit elektrischem Linear-Antrieb zu schaffen, der mit einem im Vergleich zu bekannten
Lösungen für eine derartige Transporteinrichtung geringeren Aufwand einen sicheren
Antrieb mit einer Anfahr-Brems- und Geschwindigkeitsregelung ermöglicht.
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Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt erfindungsgemäß dadurch,
daß in der Trasse in Fahrtrichtung hintereinander angeordnete Ankerwicklungs-Stromschleifen
an Gleichstromquellen längs der Tasse anschließbar und mit einem magnetischen Gleichfeld
einer Supraleiter-Magnetisierungseinrichtung auf dem Fahrzeug in Wirkverbindung
bringbar sind derart, daß das Fahrzeug in der einen oder anderen Trassenrichtung
angetrieben ist. Damit ist es also möglich, lediglich durch Schwächung oder Stärkung
des Ankerstromes in den entsprechenden Trassenleitern bzw. in den Ankerwicklungs-Stromschleifen
das Fahrzeug in seiner Geschwindigkeit zu steuern. Durch Umkehr der Stromrichtung
in den mit dem magnetischen Gleichfeld des Fahrzeuges zusammenwirkenden Ankerwicklungs-Stromschleifen
läßt sich auf einfache Weise ein zunächst angetriebenes Fahrzeug abbremsen.
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Wird die Tasse von Fahrzeugeinheiten bestimmter Mindestlänge befahren,
die aus mehreren, mit je einem Magnetsystem ausgerüsteten Einzelfahrzeugen bestehen,
so kann diepahl der vorzusehenden notwendigen Ankerwicklungs-Stromschleifen dadurch
vermindert werden, daß - in Fahrtrichtung gesehen - der Mindestabstand zwischen
zwei aufeinanderfolgenden Ankerwicklungs-Stromschleifen so groß gewählt ist, daß
vorzugsweise jeweils nur eine Stromschleife mit einem magnetischen Gleichfeld eines
Fahrzeugs einer Fahrzeugeinheit in Wirkverbindung gebracht ist.
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De irkungsgrad des erfindungsgemäßen Antriebs kann dadurch weiter
erhöht werden, daß jeweils nur die im Bereich eines Fahrzeugs bzw. einer Fahrzeugeinheit
befindlichen Ankerwicklungs-Stromschleifen eingeschaltet und von einer Gleichstromquelle
gespeist sind. Die elektrischen Verluste sind weiterhin dadurch vorteilhafterweise
reduzierbar, daß - in Fahrtrichtung gesehen - jeweils die Ankerwicklungs-Stromschleifen
durch das Fahrzeug bzw. die Fahrzeugeinheit selbst
mittels auf der
Fahrzeugeinheit bzw. auf dem Fahrzeug angeordneter Sender und an der Trasse vorgesehener
diesen zugeordneter Empfängereinrichtungen einschaltbar sind.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand eines schematisch dargestellten
Trassenstückes, das auch die für eine magnetische Schwebehalterung und Schwebeführung
notwendige Einrichtung enthält, näher erläutert.
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Die Zeichnung zeigt eine Aufsicht auf die Trasse mit den dazugehörigen
Stromleitern und den Spannungsspeise- und Regeleinrichtungen. Zur klareren zu Darm
Darstellung ist im oberen Figurenteil die Anordnung lediglich zweier Ankerwicklungs-Stromschleifen
1, 2 gezeigt, die sich mit gleichem Abstand zueinander über die gesamte tasse verteilen
und von denen jede aus mehreren Windungen bestehen kann. Weiterhin ist vereinfacht
nur jeweils eine Speise- und Regeleinrichtung des Spurführungs- und Tragschienensystems
für die Schwebehalterung und Schwebeführung des Fahrzeugs erläutert; im übrigen
sind die Einspeisungen an den dafür vorgesehenen Stellen nur jeweils durch ihre
Zuführungen angedeutt.
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Zu beiden Seiten der Fahrzeugeinheit 8, die aus drei Einzelfahrzeugen
8a, 8b, 8c mit je einer eigenen Supraleiter-Magnetisierungseinrichtung 3 besteht,
sind entlang der tasse selektiv einzuspeisende und gegeneinander isolierte Spurführungs-
und Tragschienen 4, 5, 6, 7 angeordnet. Diese Schienen sind unter Verwendung quer
zur Trassenrichtung verlaufender Verbindungsleiter 9, 10, 11 zu Spurführungs- und
Tragschienen-Stromschleifen I, II, III zusamxenschaltbarw wobei in jedem der Verbindungsleiter
9 bis 11 je ein elektronischer Schalter (Thyristoren 12 bis 14) angeordnet ist,
der jeweils durch einenentgegn der Hauptstromrichtung fließenden Strom gelöscht
werden kann. Zur Notabschaltung
ist jedem Thyristor 12 bis 14 noch
ein relaisbetätigter mechanischer Schalter 15; 16; 17 vorgeschaltet. Die jeweils
mit einem gemeinsamen Bezugszeichen gekennzeichneten und sich entsprechenden Einrichtungen
der selektiv einspeisbaren Stromschienen sind einander baugleich, können jedoch
unabhängig voneinander betätigt werden. In an sich bekannter Weise sind außerdem
größere Streckenabschnitte durch z.B. alle 10 km angebrachte Streckentrenner 18,
19 voneinander trennbar.
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Der dargestellte Streckenabschnitt ist unterteilt in jeweils 200 m
lange Spurführungs- und Tragschienenabschnitte I, II, III, die hintereinandergeschaltet
sind. In der Mitte jedes zweiten Abschnittes werden zweckmäßigerweise Einspeisepunkte
vorgesehen, von denen jeder jeweils mit einer Spannungsversorgungseinrichtung entlang
der Strecke verbunden ist. Eine Spannungsversorgungseinrichtung U1 mit der Einspeisung
im Streckenabschnitt I ist in der Zeichnung näher dargestellt; die nächstfolgende
Einspeisung erfolgt im Abschnitt III.
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Die Fahrzeugeinheit 8 besitzt aus drei Einzelfahrzeugen 8a, 8b, 8c
von je 20 m Länge. Auf jedem einzelnen Fahrzeug wird durch die Supraleiter-Magnetisierungseinrichtung
ein Magnetfeld erzeugt, das sich möglichst über die gesamte Fahrzeugbreite und über
die Hälfte der Fahrzeuglänge symmetrisch von der Mitte des Fahrzeuges ausFerechnet
nach vorn und hinten erstreckt, so daß sich bei der angenommenen Fahrzeugeinheitlänge
insgesamt je drei 10 m lange Magnetfelder mit je einem Bückabstand von 10 m zueinander
ergeben.
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Je ein Wicklungsteil der Supraleiter-Spule verläuft in Pahrtrichtung
entlang Je einer Wagenkastenseite der Fahrzeugeinheit 8.
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In zweckmäßiger Weise haben bei diesen vorausgesetzten Maßangaben
die Ankerwicklungs-Stromschleifen 1, 2 einen gegenseitigen Abstand von 50 m und
es ist bei einer einzelnen Stromschleife der vordere Wicklungsteil - in Fahrtrichtung
gesehen - vom hinteren Wicklungsteil 10 m entfernt angeordnet. Insbesondere bei
Schnellbahnen und im elektrischen Nahverkehr, bei denen fertige Zuggarnituren aus
Fahrzeugeinheiten mit bestimmter Mindestlänge zusammengesetzt sind, brauchen also
die Ankerwicklungsstromschleifen 1, 2 entsprechend dem Aufbau der kleinsten Pahrzeugeinheit
nicht unmittelbar aufeinanderfolgend aneinandergereiht werden. Jede Ankerwicklungs-Stromschleife
ist an eine Spannungsversorgungseinrichtung u1, u2 ..anschließbar, von denen in
der Zeichnung wiederum nur zwei einzelne Einrichtungen näher dargestellt sind. Zweckmäßigerweise
sind jeweils nur die im Bereich eines Fahrzeugs bzw. einer Fahrzeugeinheit befindlichen
Ankerwicklungs-Stromschleifen eingeschaltet und gespeist.
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Die Spannungsversorgungseinrichtungen Ul, U2, U3 der Spurführungs-
und Tragschienen 4 bis 7 sind über Geber 20-, 21, 22 ... (insbesondere magnetische
Feldplatten), diesen nachgeschalteten Auswertegliedern 27 und einer Regeleinrichtung
28; die Spannungsversorgungseinrichtungen ul, u2, der Ankerstromwicklungen 1, 2
jeweils über Geber 23, 24 zu Beginn und Ende der Ankerwicklungs-Stromschiife 1;
25, 26 zu Beginn und Ende der Ankerwicklungs-Stromschleife 2, diesen nachgeschalteten
Auswertegliedern 29 und Regeleinrichtungen 30 in Schaltabhängigkeit gestellt vom
Magnetfeld des Fahrzeuges 8 und dessen räumlicher Lage entlang der Tasse in Bezug
auf die Stellung in einem Abschnitt der Spurführungs-und Tragschienen 4 bis 7 bzw.
zu einer Ankerwicklungs-Stromschleife 1 bzw. 2. Zusätzlich zu den Wirkverbindungen
zwischen
den Auswertegliedern 27 der Spurführungs- und Tragechienen und der Regeleinrichtungen
28 ist eine solche von den Auswertegliedern 27 zu den mechanischen, relaisbetätigten
Schaltern 15 bis 17 vorhanden.
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Die Spannungsversorgungseinrichtungen Ul, U2 ... bzw.
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u1, u2 .... sind eingangsseitig an ein Drehstromnetz R, S, T angeschossen.
Die Spannungsversorgungseinrichtung U1, U2...
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der Spurführungs- und Tragschienen 4 bis 7 enthalten für jedes selektive
einzuspeisende System jeweils einen Transformator, ein nachgeschaltetes, in Wirkabhängigkeit
mit der Regeleinrichtung 28 stehendes spannungssteuerbares Element und eine Drehstrom-Diodenbrückenschaltung.
Die Spannungsversorgungseinrichtungen u1, u2 ... der Ankerstromschleifen 1, 2 bestehen
aus je einem spannungstransformierendem Element, dem eine steuerbare Dioden-Doppelbrückenschaltung
nachgeschaltet ist. An den Spurführungs- und Tragschienen 4 bis 7 sowie an den Ankerwicklungs-Stromschleifen
1, 2 sind zusätzlich Strommeßeinrichtungen 31, 32, 33 sowie 34, 35 vorgesehen, die
gleichfalls mit den Auswertegliedern 27 sowie 29 in Wirkverbindung stehen.
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Die grundsätzliche Funktionsweise der Schwebehalterung und Schwebeführung
sowie des Vortriebes des Fahrzeuges sei im folgenden anhand der Fig. 1 bis 3 bzw.
4 und 5 näär';erläutert. In Abhängigkeit vom Pahrzeugmagnetfeld und dessen räumlicher
Lage entlang der Strecke werden mit Hilfe der Geber 20 bis 26 die Spannungsversorgungseinrichtungen
U1, U2... bzw.
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ul, u2 ... eingeschaltet. Mit den Strommeßeinrichtungen 31 bis 35
werden entlang der Tasse der Stromfluß und die Stromrichtung kontrolliert und den
Regeleinrichtungen 28 bzw. 29 der Spannungsversorgungseinrichtung mitgeteilt. Hiermit
ist sichergestellt, daß im Störungsfall ein möglicherweise mit faicher Stromrichtung
beaufschlagter Stromkreis unterbrochen
wird. In Abhängigkeit von
den Gebern und Meßeinrichtungen werden auch die in den Verbindungsleitern der Spurführungs-und
Tragschienen angeordneten elektronischen Schalter (Thyristoren) und mechanischen
Schalter gegebenenfalls unter Zwischenschaltung der Regelglieder 27, 29-betätigt.
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Durch Aussteuerung der Transduktoren in den Spannungsversorgungseinrichtungen
U1, U2werden einerseits die gewünschten Schwebeabstände zwischen Fahrzeug und Spurführung
bzw. Tragschienen sichergestellt und andererseits durch Aussteuerung der steuerbaren
Gleichrichter in den Gleichrichterbriicken der Spannungsversorgungseinrichtungen
u1, u2, U3 und somit der änderung der Ankerstromwerte in den Ankerwicklungsstromschleifen
1, 2 auf einfache Weise eine Geschtindigkeitsregelung erreicht.
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Zunächst sei angenommen, daß von einer unterhalb des dargestellten
Trassenstückes befindlichen Einspeisestelle der Strom über die Spurführungs- und
Tragschienen des Abschnittes I und den geschlossenen mechanischen Schalter 15, den
gezündeten Thyristor 12 und den Verbindungsleiter 9 fließt.
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Das Fahrzeugmagnetfeld führt in Zusammenwirken mit den in den Spurführungs-
und Tragschienen des Abschnittes I fließenden Summenstrom zu den erwünschten Kräften
für die Schwebung der Fahrzeugeinheit 8. Mit dem tberttitt der Pahrzeugeinheit 8
vom Abschnitt I in den mittleren Streckenabschnitt II entsteht bei entsprechender
Fahrgeschwindigkeit ein InduktionsÇorgang, der bei einer in der Zeichnung dargestellten
angenommenen Fahrzeugbewegungsrichtung einen Strom erzeugt, der dem im Thyristor
zuvor fließenden Strom entgegengesetzt gerichtet ist und den Thyristor ohne zusätzliche
Mittel selbsttätig zum Verlöschen bringt. Der nunmehr gezündete Thyristor 13 übernimmt
im gleichen Augenblick bei ebenfalls geschlossenem Schalter 16 den Strom; damit
vergrößert
sich also die gesamte Spurführungs- und Tragschienen-Stromschleife
in ihrer Fläche um den Streckenabschnitt II.
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Für die einspeisende Spannung der Gesamtschleife I + II ergibt sich
keine zusätzliche Spannungsbeeinflussung, da die Summe des von der Fläche umschlossenen
magnetischen Flusses praktisch konstant geblieben ist. Verläßt nun diekahrzeugeinheit
8 den Streckenabschnitt III, so wird von der Spannungsversorgungseinrichtung U1
die Stromführung übernommen. Die Thyristoren 12 und 13 haben dann bereits ihre volle
Sperrfähigkeit wieder erlangt.
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Die Aufteilung des gesamten Schwebesystems auf selektiv eingespeiste
und verlegte Stromkreise sowie die Vielzahl der parallelen Einspeisepunkte führt
zusammen mit der selbsttätigen Löschung der Thyristoren durch das sich bewegende
Fahrzeug und zusammen mit der zusätzlich vorgesehenen mechanischen Trennstelle innerhalb
eines jeden Spurführungs- und Tragschienenabschnittes auf einfache Weise zu einem
hohen Grad von Sicherheit im Betrieb.
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Die für den Vortrieb benötigten Schubkräfte werden durch Zusammenwirken
der Ströme in den Ankerwicklungsschleifen 1, 2 mit dem auch für die Schwebehalterung
hinzugezogenen Magnetfeld auf dem Fahrzeug erzeugt. Durch Änderung dieser Ströme
läßt sich eine Geschwindigkeitsregelung und ein Anfahrvorgang erzielen. In zweckmäßigerweise
wird,sobald das erste Magnetfeld der Fahrzeugeinheit 8 den unteren, quer zur Fahrtrichtung
liegenden Wicklungsteil der Ankerwicklungsstromschleife 1 erreicht hat, mit Hilfe
des Gebers 23 die Spannungsversorgungseinrichtung ul an die AnkerwicklungssSromschleife
1 angeschlossen und von einem Strom der Größe und der:|Richtung durchflossen, daß
der gewünschte Vorschub in Fahrtrichtung erreicht wird.
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Sobald das vordere Magnetfeld der Fahrzeugeinheit 8 in den oberen,
quer zur Fahrtrichtung verlaufenden Wicklungsteil der Ankerstromwicklung 1 bewegt
ist, werden aufgrund eines entsprechenden Meldeimpulses des Gebers 24 über das Auswerteglied
29 und die Steuereinrichtung 30 die Thyristoren der Di oden-Doppelbrücken-Schang
der Spannungsversorgungseinrichtungen u1, u2 .. derart ausgesteuert, daß nunmehr
ein Strom in umgekehrter Richtung durch die Ankerwicklungsstromschleife 1 fließt.
Somit wird ein kontinuierlicher Vorschub durch Zusammenwirken des unteren wie des
oberen quer zur Fahrtrichtung liegenden Wicklungsteiles der Ankerwicklungsstromschleife
1 mit dem Magnetfeld des Fahrzeuges erreicht.
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Andererseits wird ersichtlachç daß durch entsprechende Spannungssteuerung
der Spannungsversorgungseinrichtung ul, u2 ... und durch entsprechende Stromsteuerung
in den Ankerwicklungsstromschleifen auch ein elektrischer Bremsbetrieb und ein Nutzbremsbetrieb
mit einfachen Mitteln erzielt, werden kann.
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Durch die in Fig. 1 näher dargestellte Zuordnung der Entfernungen
und Abstände zwischen den Einzelmagnetfeldern eines Fahrzeuges und den Ankerwicklungsstromschleifen
ist in vorteilhafter Weise sichergestellt, daß auch bei Hintereinanderreihung mehrerer
Einzelfelder einer Triebfahrz,eugeinheit beim Überfahren der Ankerwicklungsstromschleifen
jeweils nur eine Schubkraft derselben Richtung entsteht.
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5 Patentansprüche 1 Figur