DE2329769A1

DE2329769A1 - Antriebsvorrichtung fuer hochgeschwindigkeits-fahrzeug

Info

Publication number: DE2329769A1
Application number: DE2329769A
Authority: DE
Inventors: Naoki Maki
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1972-06-15
Filing date: 1973-06-12
Publication date: 1974-01-03
Also published as: JPS4919513A; FR2189247A1; DE2329769C3; JPS5345564B2; GB1397496A; DE2329769B2; FR2189247B1; US3867886A

Description

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12. Juni 1973

HITACHI. LTD.. Tokio (Japan)

Antriebsvorrichtung für Hochgeschwindigkeits-Fahrzeug

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Antriebsvorrichtung für ein Hochgeschwindigkeits-Fahrzeug, und insbesondere auf eine Vorrichtung, die das Fahrzeug mit einer magnetischen Abstoßungskraft anhebt und es reibungslos mit Hilfe eines Linearmotors antreibt.

Es wurde bereits eine Vorrichtung zum Antrieb eines Fahrzeugs mit einer hohen Geschwindigkeit von 550 km/h diskutiert, bei der das Fahrzeug durch eine magnetische Abstoßungskraft angehoben wird, die ausgeübt wird durch eine supraleitende Wicklung am Fahrzeug und durch eine kurzgeschlossene Wicklung oder Leiterschicht am Boden,

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und bei der das Fahrzeug reibungslos mittels eines Linearmotors angetrieben wird. Diese Vorrichtung hat jedoch die folgenden Nachteiles Die Anzahl der für den Antrieb, das freischwebende Anheben und die Stabilisierung verwendeten Wicklungen ist groß, wenn diese herkömmlich angeordnet sind, so daß das Gesamtgewicht des Fahrzeuges groß und dessen Kosten ebenfalls hoch sind.

Um diese Nachteile zu vermeiden, muß deshalb eine Vorrichtung angegeben werden, die einen Antrieb, eine Kissen- oder Schwebeeinrichtung und einen Stabilisator umfaßt, und die wirtschaftlich mit einer kleinen Anzahl von Wicklungen ausgerüstet ist.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Antrieb eines Fahrzeuges mit einer hohen Geschwindigkeit anzugeben, die in ihrem Gewicht leicht und in ihren Kosten wirtschaftlich ist.

Hierzu ist eine Bodenwicklung horizontal vorgesehen, und supraleitende Wicklungen sind am Fahrzeug angebracht, das so angetrieben wird, daß die supraleitenden Wicklungen auf beiden Seiten der Stabilisierwicklung, die zur Bodenwicklung gehört, und im wesentlichen in einer horizontalen Ebene vorgesehen sind, in der die Stabilisierwicklung liegt.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch eine herkömmliche Vorrichtung zum Antrieb eines Fahrzeugs mit einer hohen Geschwindigkeit;

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Fig. 2 die Magnetflußverteilung bei der in der Fig. 1 dargestellten Vorrichtung;

Fig. 3 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Antrieb eines Fahrzeugs mit einer hohen Geschwindigkeit;

Fig. k die Magnetflußverteilung bei der in der Fig. 3 gezeigten Vorrichtung; und

Fig. 5 und 6 weitere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung»

Zunächst soll eine herkömmliche Vorrichtung zum Antrieb eines Fahrzeugs mit einer hohen Geschwindigkeit anhand der Fig. 1 und 2 näher erläutert werden. Diese Vorrichtung verwendet einen Linearmotor mit einer supraleitenden Wicklung, bei der, wie in der Fig. 1 dargestellt ist, die Rückstell- und Kissenkraft durch die Wechselwirkung zwischen dem Magnetfluß erhalten wird, der durch eine supraleitende Wicklung 3 erzeugt wird, die am Fahrzeug 1 angebracht ist, und zwischen dem Strom, der in derartigen kurzgeschlossenen Wicklungen (oder Leiterschichten) in-, duziert wird, die am Boden als Stabilisierwicklung k und Kissenwicklung 6 angeordnet sind, während die Antriebskraft erzeugt werden kann aufgrund der Wechselwirkung zwischen dem Magnetfluß, der durch die supraleitende Wicklung 3 erzeugt wird, und zwischen der Magnetfluß-Laufwelle, die synchron zur Geschwindigkeit des Fahrzeuges ist und durch eine Triebwicklung 5 erzeugt wird, die aus rechteckigen Spulen besteht und durch eine äußere Dreiphasenetromquelle erregt wird.

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Anhand der Fig. 1 wird nun die relative Lage der einzelnen Wicklungen näher erläutert. Das Fahrzeug 1 hat eine konkave Aussparung oder Leitrinne, die sich in der Längsrichtung des Fahrzeuges erstreckt, und ein passender Vorsprung oder eine Leitschiene ist so am Boden vorgesehen, daß die Leitschiene in die Leitrinne paßt, wobei ein Luftspalt dazwischen vorgesehen ist. Die Stabilisierwicklung k ist in senkrechter Richtung in der Leitschiene vorgesehen. Die supraleitenden Wicklungen 3 sind am Fahrzeug auf beiden Seiten und parallel zur Stabilisierwicklung k vorgesehen, und weitere supraleitende Wicklungen 3* sind am Fahrzeug 1 in der Nähe und senkrecht zu den supraleitenden Wicklungen 3 angeordnet. Die Kissenwicklungen 6 sind am Boden, gegenüber und parallel zu den supraleitenden Wicklungen 3' vorgesehen. Die Triebwicklung 5 ist am Boden zwischen den Kissenwicklungen 6 und senkrecht zu Stabilisierwicklung 4 angeordnet.

Fig. 2 zeigt die Verteilung der Magnetflußdichte, die die Stabilisierwicklung k in Fig. 1 verkettet} und die auf die Wicklung h einwirkende Rückstellkraft kann mit Hilfe dieser Figur erläutert werden. Die horizontale seitliche Flußdichte Bx, die durch die Spulen A-B und C-D der supraleitenden Wicklung 3 erzeugt wird, ist so verteilt, wie dies in der rechten oberen Hälfte der Fig. dargestellt ist.

Demgemäß induziert der Fluß 0 , der die Stabilisierwicklung k entlang der Breite P-Q dieser Wicklung verkettet, eine Spannung über der Wicklung k, und ein Strom Ia fließt durch die kurzgeschlossene Stabilisierwicklung (oder Leiterschicht). Der Strom Ia nimmt so eine Richtung

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an, daß das entstehende Feld das Feld auslöschen kann, das durch die supraleitenden Wicklungen erzeugt wird, und die Größe des Stromes Ia ist proportional zur Verschiebung x, da die induzierte Spannung ebenfalls proportional zur Verschiebung χ in einem Bereich ist, in dem die Verschiebung klein ist. Hier soll unter der Bezeichnung "Verschiebung" der Abstand der Abweichung der Mitte des Fahrzeuges 1 (oder der Mittelebene zwischen den Wicklungen 3 von der Ebene verstanden werden, in der die Stabilisierwicklung k liegt. Die Flußdichte Bx, die in senkrechter Richtung durch die supraleitenden Wicklungen erzeugt wird, die die Spulenseiten P und Q der Stabilisierwicklung k verketten, weist eine Verteilung auf, wie diese links unten in der Figo 2 dargestellt ist. Demgemäß kann die Rückstellkraft aufgrund der Wechselwirkung zwischen der Flußdichte Bx (PP¹ in Figo 2) und dem induzierten Strom Ia erzeugt werden. Wenn die Verschiebung χ Null ist, dann verschwindet die Dichte des Flusses, der die Stabilisierwicklung k verkettet, einheitlich. Demgemäß wird keine Spannung (deshalb kein Strom) induziert, und die Rückstellkraft verschwindet mit dem Vorteil keines Kupferverlustes (d. h. Widerstandskraft). Wenn irgendeine Verschiebung vorliegt, dann werden ein Verkettungsfluß, eine induzierte Spannung, ein induzierter Strom und eine Rückstellkraft erzeugt, alle proportional zur Verschiebung x.

Mit dieser Anordnung der Wicklungen kann das Fahrzeug angehoben, angetrieben und stabilisiert werden. Es sind jedoch vier supraleitende Wicklungen 3 und 3¹ am Fahrzeug 1 mit den zugeordneten Teilen erforderlich. Deshalb müssen vier Einheiten derartiger Teile, wie beispielsweise

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Kühleinrichtungen und deren Zubehör, am Fahrzeug angebracht werden, so daß das Gesamtgewicht des Fahrzeuges groß ist. Je größer das Gewicht des Fahrzeuges 1 ist, um so höher muß die Kissen- oder Schwebekraft eingestellt werden. Dies ist einer der Nachteile, der bei der herkömmlichen Vorrichtung auftritt»

Gemäß der vorliegenden Erfindung, die die oben aufgezeigten Nachteile vermeidet, liegt die Stabilisierwicklung horizontal zwischen diesen supraleitenden Wicklungen am Fahrzeug, das waagerecht vorgesehen ist.

Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nun anhand der Fig. 3 und 4 näher erläutert. In der Fig. 3 hat ein Fahrzeug 1 supraleitende Wicklungen 3t die auf beiden Seiten an dessen Boden vorgesehen sind, wobei die Wicklungen in einer und derselben waagerechten Ebene liegen, Schwebe- oder Kissenwicklungen (oder Leiterschichten) 6 sind am Boden 2 gegenüber zu den jeweiligen supraleitenden Wicklungen 3 vorgesehen. Triebwickltmgen 5 sind ebenfalls am Boden 2 auf den äußeren Seiten der jeweiligen Kissenwicklungen 6 und im wesentlichen in der gleichen waagerechten Ebene angeordnet, die die supraleitenden Wicklungen 3 ^a"i Fahrzeug 1 enthält. Eine Stabilisierwicklung (oder Leiterschicht) 4 ist am Boden 2 zwischen den Kissenwicklungen 6 und im wesentlichen in der gleichen waagerechten Ebene angeordnet, die die supraleitenden Wicklungen 3 und die Triebwicklungen 5 enthält.

Fig. 4 zeigt die Verteilung der Flußdichte, die die Stabilisierwicklung 4 in Fig. 3 verkettet. In Fig. 4 ist auf der Abszisse der Abstand von der Mitte der Stabilisierwicklung 4 und auf der Ordinate die Flußdichtevertei-

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lung dargestellt, wobei die Skalene-'nteilung, d. h. die Werte der Koordinaten, die gleiche ist wie bei einem gewöhnlichen rechteckigen Koordinatensystem. Wenn die Verschiebung χ der Mitte des Fahrzeugs 1 in bezug auf den Mittelpunkt der Breite P-Q der Stabilisierwicklung "Null¹¹ ist, dann löscht der durch die Spule A-B erzeugte Fluß den durch die Spule C-D erzeugten Fluß aus, wie dies ±n Fig. k gezeigt ist. In diesem Fall verschwindet der die Wicklung 4 verkettende Fluß, so daß sowohl die Rückstellkraft als auch die Zieh- oder Widerstandskraft verschwinden. Wenn andererseits irgendeine Verschiebung χ vorliegt, dann beeinflußt die positive Flußdichte By1 nicht die negative Flußdichte By2. Folglich besteht ein Fluß, der die Wicklung h verkettet, so daß ein Strom über die Wicklung h induziert wird. Die Rückstellkraft kann aufgrund der Wechselwirkung zwischen dem induzierten Strom und dem Unterschied der Flußdichten By1 - By2 erzeugt werden.

Die so erhaltene Rückstellkraft wird im folgenden näher erläutert. Es soll angenommen werden (Fig. k), daß die Breiten A-B und C-D der supraleitenden Wicklungen und die Breite P-Q der Stabilisierwicklüng k überall a sind, daß jede Länge der jeweiligen Spalten B-P und C-Q durch g gegeben ist, wenn keine VerschJSWWmUgfa'-Mi.tte des Fahrzeuges 1 vorliegt, und daß das Fahrzeug 1 um eine Entfernung χ verschoben wurde, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist.

Die Länge von jeder supraleitenden Wicklung 3 i*t im Vergleich zu ihrer Breite A-B oder C-D ausreichend groß, und deshalb ist es möglich, eine supraleitende Wicklung mit einer unendlichen Länge anzunehmen. Unter dieser Annahme weist die durch die supraleitenden Wick—*

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ORIGINAL INSPECTED

lungen 3 (A-B und C-D) erzeugte vertikale Flußdichte By eine Verteilung auf, wie diese in Fig. k gezeigt ist. Der die Einheitslänge der Stabilisierwicklung k (P-Q) verkettende Fluß 0 ist nach dem Gesetz von Biot-Savart gegeben durch:

0 = /^f flog )² - log ² ^y 2⁵TI ^el g - x / ^ge I a +

g - x

+x/

. _log ^

⁵e\ g+x/ ⁶

mit Is = magnetomotorische Kraft jeder supraleitenden Wicklung, und

/U = magnetische Permeabilität der Luft.

Deshalb ist der in der kurzgeschlossenen Stabilisierwicklung k induzierte Strom I durch die folgende Differentialgleichung gegeben:

mit R, L und N = jeweils Widerstand, Induktivität und

Wicklungszahl der Stabilisierwicklung k

Da der Reaktanzabfall im allgemeinen größer als der Wideretandsabfall ist, gilt:

RI « L §i
dt

Da I = 0 für 0=0 gilt, ist der durch die Wicklung k in duzierte Strom gegeben durch:

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Die Dichten ByI und By2 des vertikalen Flusses, der die Stabilisierwicklung h bei den Teilen P und Q verkettet, sind jeweils durch die folgenden Gleichungen gegeben:

By_{1 =} /\1 (—1 -J ) (4) und

•M 2x V.g+^X a + g+x/ ^v/

/U Is

Da die Rückstellkraft F pro Einheitslänge der Stabilisierwicklung k aufgrund der Wechselwirkung zwischen dem induzierten Strom entsprechend der Gleichung (3) und den Magnetflußdichten entsprechend den Gleichungen (k) und (5) erzeugt wird, folgt aus den Gleichungen (1), (3)» (Ό und (5), daß F gegeben ist durch:

L ^ Zl/ Jg-x a + g-x⁺g+x

_ 1 ) , (g ^ x)(a ₊ g - x)^(2a + κ + x) ... (6) a + g + xj *e (g - x)(a + g + x)^i:(2a + g - x)

Wenn angenommen wird, daß in der Gleichung (6) gilt a, g^>x, dann folgt:

g²(a + g)²(2a ₊ g)

Es soll beispielsweise angenommen werden, daß Is = 500 Kiloamperewindungen (ΚΑΤ), a = 0,8 m und g = 0,25 m, und daß die Stabilisierwicklung k eine Rechteckspule mit 3 m χ 0,8 m aus einem Leiter mit 3,5 cm χ 6,5 cm ist, wo bei die Polanzahl für ein einziges Fahrzeug 8 (k Pole in zwei Reihen) beträgt. Dann folgt:

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τ 7 Γ 2 χ 3 χ 0.8

—τ- = 4 χ 10" χ 3 log Γ-1 -S +

IT L ^e 0,1 χ (3 + V3 + 0,8^

0,8 log _{+ 2} -^2 _{+ o}g2

0,1 χ (0,8 + V3² + 0,8²)

. 3,21 X !Ο"⁶ H

Deshalb wird für die Größe der Rückstellkraft für ein Fahrzeug erhalten:

F - ^2 χ IQ**⁷ χ 500 x 1O³)² . 16 χ O.8³ χ 0.05 ₈

3,21 χ 10 O,25²x1,O5²x1,85² 9_f8x1O³

= 8,2 t/Fahrzeug

Wie oben näher erläutert wurde, besteht keine Notwen digkeit für besondere supraleitende Wicklungen, die mit der Stabilisierwicklung 4 zur Stabilisation des Fahrzeu ges zusammenwirken. Deshalb kann die Anzahl der supralei tenden Wicklungen mit deren Zubehör verringert werden, so daß das Gesamtgewicht des Fahrzeuges kleiner wird, und so daß die Vorrichtung zum Antrieb des Fahrzeuges sehr wirtschaftlich wird.

Die Fig. 5 und 6 zeigen weitere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung; und die Anordnung der Wicklun gen am Fahrzeug 1 und am Boden 2 ist in jedem dieser Aus führungsbeispiele mit Ausnahme der Triebwicklung 5 die gleiche wie beim vorhergehenden Ausführungsbeispiel (Fig. 3). Der bemerkenswerte Gesichtspunkt des in der Fig. 5 gezeigten Ausführungsbeispiels liegt in der Anordnung einer

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Stabilisierwicklung 7» die am Boden 2 zwischen den Kissenwicklungen 6 am Fahrzeug 1 und in der gleichen waagerechten Ebene vorgesehen ist, die die Wicklungen 3 enthält. Die Wicklung 7 führt einen Voreilstrom von einer äußeren Dreiphasenstromquelle, so daß sie nicht nur die Rückstellkraft, sondern auch die Triebkraft erzeugen kann. Dadurch dient die Wicklung 7 als Trieb- und Stabilisierwicklung. Das Grundkonzept der relativen Verschiebung der supraleitenden Wicklungen und der Stabilisierwicklung bleibt jedoch das gleiche wie bei dem anhand der Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel„

Bei dem in der Fig. 6 dargestellten AusfUhrungsbeispiel ist die Anordnung der Kissenwicklungen 8 am Boden gegenüber den supraleitenden Wicklungen 3 am Fahrzeug 1 bemerkenswert. Die Wicklungen 8 erzeugen die Triebkraft sowie die Kissenkraft, indem sie einen Voreilstrom von einer äußeren Dreiphasenstromquelle führen. Dadurch dienen die Wicklungen 8 als Kissen- und Triebwicklungen. Das Grundkonzept der Anordnung der übrigen Wicklungen ist das gleiche wie bei den anhand der Fig. 3 und 5 erläuterten Ausführungsbeispielen.

Mit diesen Wicklungsanordnungen entsprechend den anhand der Fig. 5 und 6 erläuterten AusfUhrungsbeiapielen kann die Anzahl der am Fahrzeug 1 anzubringenden supraleitenden Wicklungen halbiert werden, und ebenso kann die Anzahl der am Boden 2 anzubringenden Wicklungen verringert werden, so daß eine wirtschaftliche Vorrichtung zum Antrieb eines Fahrzeuges mit hohen Geschwindigkeiten ermöglicht wird.

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Wie oben erläutert wurde, kann die Anzahl der am Fahrzeug 1 anzubringenden supraleitenden Wicklungen verringert werden, indem in waagerechter Richtung verschiedene Wicklungen vorgesehen werden, die am Boden angeordnet sind, und indem supraleitende Wicklungen am Fahrzeug angebracht werden, auf beiden Seiten der Stabilisierwicklung, der Wicklungen am Boden und in der gleichen horizontalen oder waagerechten Ebene, die die Stabilisierwicklung enthält. Auf diese Weise kann auch das den überflüssigen supraleitenden Wicklungen zugeordnete Zubehör entfernt werden, so daß das Gewicht des Fahrzeuges verringert werden kann, so daß demgemäß die Kissen- oder Schwebekraft kleiner eingestellt werden kann, und so daß die Kosten der Vorrichtung weniger hoch sind. Da darüber hinaus die supraleitenden Wicklungen, die insbesondere mit der Stabilisierwicklung zu Stabilisierung des Fahrzeuges zusammenarbeiten, ausgeschlossen werden können, ist der Magnetfluß, der durch die supraleitenden Wicklungen erzeugt wird und den Fahrgastraum durchdringt, geringer. Deshalb kann die magnetische Abschirmung des Fahrgastraumes wesentlich einfacher durchgeführt werden. Da weiterhin bei der vorliegenden Erfindung alle Wicklungen in horizontaler Richtung vorgesehen sind, kann der Einbau der Wicklungen beträchtlich erleichtert werden, wobei die Wicklungen bei dieser Anordnung sicherer gelagert sind.

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Claims

Pa tentansprüche

'!.^Antriebsvorrichtung für Hochgeschwindigkeits-Fahrzeug, gekennzeichnet durch

waagerecht im Boden (2) angeordnete Bodenwicklungen (4, 5, 6) einschließlich einer Stabilisierwicklung (4) und Kissenwicklungen (6), und

supraleitende Wicklungen (3) am Fahrzeug (1), die gegenüber den Kissenwicklungen (6) und auf beiden Seiten der Stabilisierwicklung (4) im wesentlichen in der gleichen waagerechten Ebene vorgesehen sind, die die Stabilisierwicklung (4) enthält, wobei das Fahrzeug (1) durch diese Wicklungen (3» 4, 5» 6) angehoben und angetrieben wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bodenwicklungen (4, 5» 6) weiterhin umfassen Triebwicklungen (5), die auf den Außenseiten der Kissenwicklungen (6) und im wesentlichen in der gleichen waagerechten Ebene vorgesehen sind, die die supraleitenden Wicklungen (3) enthält.
3· Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Trieb- sowie eine Rückstellkraft durch Einspeisung eines Voreilstromes von einer äußeren Dreiphasenstromquelle in die Stabilisierwicklung (4) erzeugt werden.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kissen- sowie eine Triebkraft durch Einspeisung eines Voreilstromes von einer äußeren Dreiphasenstromquelle in die Kissenwicklungen (6) erzeugt werden.

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