DE2329769B2

DE2329769B2 - Magnetische schwebefuehrungsvorrichtung fuer ein hochgeschwindigkeits- fahrzeug

Info

Publication number: DE2329769B2
Application number: DE19732329769
Authority: DE
Inventors: Naoki Ibaraki Maki (Japan)
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1972-06-15
Filing date: 1973-06-12
Publication date: 1977-12-08
Also published as: JPS4919513A; FR2189247A1; DE2329769A1; DE2329769C3; JPS5345564B2; GB1397496A; FR2189247B1; US3867886A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine magnetische Schwebefiihrungsvorrichtung für ein Hochgeschwindigkeits-Fahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs I.

Bei einem bekannten magnetischen Tragsystem dieser Art (vgl. US-PS 35 89 300) werden durch die supraleitenden Wicklungen in die darunterliegenden ersten Leiterebenen starke Magnetfelder übertragen, die bei bewegtem Fahrzeug Ströme induzieren und damit abstoßende, das Fahrzeug tragende Schwebekräfte erzeugen. Zur Erzeugung der seitlichen Führungskraft ist auf der Mittellinie zwischen den beiden ersten Leiterebenen eine sich senkrecht zur Fahrbahn erstreckende Rippe als weitere Leiterebene vorgesehen. Dabei wird offenbar, wie meist üblich, die Horizonialkomponenie des Magnetflusses zur Erzeugung der Führungskraft verwendet. Wird nun das Fahrzeug seitlich abgelenkt, so werden Wirbelströme in einer Vertikalebene induziert. Deshalb muß die Breite der Rippe in Horizontalrichtung so klein sein, daß in Horizontalebene nur geringe Wirbelströme zu erwarten sind. Aufgrund der Wicklungsanordnung mit zum Leiterblech parallelen und ihm im Fahrzeug gegenüberliegend angeordneten Magnetwicklungen ist die Magnetflußänderung in der Rippe in Horizontalrichtung bei einer Abweichung des Fahrzeugs so gering, daß dadurch eine Führ- oder Rückstellkraft nicht genügend wirksam erzeugt werden kann. Wenn bei breiterer Gestaltung der Rippe der Magnetfluß in Vertikalrichlung im Sinne d'*r Erzeugung von FTihrungskräften wirksam werden soll, so entstehen hohe Wirbelstromverluste, und zwar auch dann, wenn sich das Fahrzeug in seiner neutralen Lüge befinde!. Zur Vermeidung derart hoher Wirbelstromverluste bei Erzeugung von dennoch hoher Führungskrafi ist es bekannt, das sogenannte Niillflußsweni anzuwenden. In Anwendung auf die in der Mittellinie befindliche weitere Leiterebene (Rippe) würde dies die Anordnung weiterer supraleitender Wicklungen beiderseits dieser Rippe erfordern (»Cryogenics ,.ind Industrial Gases«. Oktober 19b9, S. 19 — 24). Andere Lösungen ohne zusätzliche supraleitende Wicklungen bedingen einen erheblichen Mehraufwand durch mehrere Reihen zusätzlicher streckenseiliger Führungswicklungen (vgl. US-PS 34 70 828). Es ist Aufgabe der Erfindung, eine magnetische Schwebeführung:,vonichtung der eingangs genannten r> Art hinsichtlich der Einrichtung zur E¹ -iugiing der seillichen Führungskraft so auszuführen, üaß bei guter Wirksamkeit einerseits das Gewicht des Fharzeugs durch Vermeidung zusätzlicher supraleitender Wicklungen niedrig gehalten wird und andererseits der ,o fahrbaiinseitige Aufwand für Anordnung und Befestigung der Wicklungen für die Seitenführung klein ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Gemäß der Erfindung werden also horizontale π Fahrbahnwicklungen und horizontale supraleitende Wicklungen am Fahrzeug so vorgesehen, daß eine Führwicklung an der Fahrbahn räumlich zwischen den supraleitenden Wicklungen und im wesentlichen in einer Ebene mit diesen angeordnet ist. Dadurch werden -tu die Gesamtkosten sowohl des Fahrzeugs als auch der Fahrbahn verringert. Durch die entgegengesetzte Polarität der supraleitenden Wicklungen wirkt das Führungssystem als Nullflußsystcm. Es ist bekannt, den fahrzeugseitigen supraleitenden Wicklungen noch •45 Triebwicklungen in der Fahrbahn zuzuordnen (»Cryogenics and Industrial Gases«, Oktober 1969, S. 24). In Weiterführung des crfindungsgeinäßcn Anordnungsprinzips kann dies im vorliegenden Fall durch die Merkmale des Anspruchs 2 geschehen. ")ii Eine weitere Verringerung der Wicklungen ist gemäß dem Anspruch 3 erreichbar durch Einspeisen eines Voreilstroms in die Schwebewicklungen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt V) F i g. I einen Schnitt durch eine Vorrichtung zutv Antrieb eines Fahrzeugs mit hoher Geschwindigkeit w ic sie sich aus der Anwendung des bekannten Stande¹ der Technik ohne erfinderische Tätigkeit ergibt,

F i g. 2 die Magnetflußverteilung bei der in der F i g. w) dargestellten Vorrichtung.

F i g. 3 einen Schnitt durch eine erlindungsgemäßi Vorrichtung zum Antrieb eines Fahrzeugs mit hohe Geschwindigkeit,

F i g. 4 die Magnetflußverteilung bei der in der F" i g. π") gezeigten Vorrichtung und

F i g. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorlie genoen Erfindung.

Z-.inächst sei eine magnetische Schwebeführungs- utii

Antriebsvorrichtung für ein I lochgeschwindiukei'.s-(alir/cug I anhand der I ig. 1 und 2 erüiuten. Cv ic sie sieh ohne weiteres durch Anwendung der bekannien Techniken aufbauen lallt.

Fahrzeugseilig sind in dem gezeichneten Oiierschniii insgesamt vier supraleitende Wicklungen 3, 3 auge brach·. Die supraleitenden Wicklungen 3 bilden zusammen mit in der Fahrbahn 2 ihnen jeweils gegenüber angeordneten Schwebewicklungen h bekannte Norpialfluil-Sysieinc zum Tragen des Fahrzeugs (IS-I'S 33 89 J(K)). Die supraleitenden Wicklungen^ nilden zusammen mit einer /wischen ihnen vertikal .,ngcoidnetcn Führwickliiug 4 ein bekanntes NuIIfIuIi-S\ stein zur stabilisierenden Seitenführung des Fahrzeuges (»t rvogenics and Industrial Gases«. Oktober I%*-1. S. 1 >-> 2-4). Hierzu hat das Fahrzeug I eine konkave Aussparung oder l.eitrinne. die sich in Längsrichtung des Fahrzeuges erstreckt und eine passende Leitschiene an der Fahrbahn 2 zur Aufnahme der Führwiekluni: umlaßt. Eine Triebwicklung 5 ist an der Fahrbahn /wischen den Schwebewicklungen 6 und senkrecht zur Führwicklung 4 angeordnet.

F i g. 2 zeigt die Verteilung der Magnetflulklichie. die mit der Führwicklung 4 in Fig. I verkettet ist; und die auf die Führwicklung 4 einwirkende Rückstellkraft kann mit 1 IiIIe dieser Figur erläutert werden. Die horizontale seitliche Flußdichte öa, die durch die Spulen A — ß und C- Dder supraleitenden Wicklung 3 erzeugt wird, ist so verteilt, wie dies in der rechten oberen I liilfte der F ι g. 2 dargestellt ist.

Demgemäß induziert der FIuIJ ·/>,. der mit der Führwicklung 4 entlang deren Breite P-Q verkettet ist. eine Spannung in der Wicklung 4, und ein Strom la Hießt durch die kurzgeschlossene Führwicklung 4 (oder das Leiterblech). Der Strom /;) fließt in einer solchen Richtung, daß das entstehende Feld das Feld auslöschen kann, das durch die supraleitenden Wicklungen 3 erzeugt wird. Die Größe des Stromes In ist in einem Bereich kleiner Verschiebungen proportional zur Verschiebung .v, da die induzierte Spannung ebenfalls proportional zur Verschiebung χ ist. Verschiebung ist der Abstand der Abweichung der Mitte des Fahrzeuges 1 (oder Jer Mittelebene zwischen den Wicklungen 3) von der Ebene, in der die Führwicklung 4 liegt. Die Flußdichte By, die in senkrechter Richtung durch die supraleitenden Wicklungen 3 erzeugt wird und mit den Spulenseiten P und Q der Führwicklung 4 verkettet ist. weist eine Verteilung auf, wie sie links unten in der F i g. 2 dargestellt ist. Demgemäß kann die Rückstellkraft aufgrund der Wechselwirkung zwischen der Flußdichte By (PP' in F i g. 2) und dem induzierten Strom Li erzeugt werden. Wenu die Verschiebung \ Null ist, verschwindet der Fluß, der mit der Stabilisierwicklung 4 verkettet ist. Demgemäß wird keine Spannung (deshalb kein Strom) induziert, und die Rückstellkraft wird Null. Wenn eine Verschiebung \ vorliegt, werden ein Verkettungsfluß, eine induzier·; Spannung, ein induzierter Strom und eine Rückstellkraft erzeugt, jeweils proportional zur Verschiebung \.

Mit der beschriebenen Anordnung de:- Wicklungen kann das Fahrzeug angehoben, angetrieben und seillich geführt werden. Es sind jedoch vier supraleitende Wicklungen 3 und 3' am Fahrzeug 1 mit den zugehörigen Teilen erforderlich. Deshalb müssen vier Einheiten derartiger Teile, wie beispielsweise Kühleinrichtungen und deren Zubehör, am Fahrzeug angebracht werden, so daß das Gesamtgewicht des Fahrzeugs groß ist. )e größer das Gewicht des Fahrzeugs 1 ist. um so höher muß die SlIh' ebekrall eingestellt werden. Dies ist bei der beschriebenen Anordnung der bekannten Technik nachteilig.

Gemäß der demgegenüber weniger aufwendigen erfindungsgemaßen Anordnung liegt die Führwicklung 4 horizontal zwischen den waagerecht vorgesehenen supraleitenden Wicklungen Jam Fahrzeug 1.

Ein Ausführungsbeispie! der Erfindung wird nun anhand der Fig. Ϊ und 4 naher erläutert. In der Fig. 5 hat das Fahrzeug 1 ir der gezeigten Schnittebene nur noch zwei supraleitende Wicklungen 3. die in bekannter Weise aiii beiden Seiten an dessen Boden vorgesehen sind, wobei (.lic Wicklungen 3 in einer gemeinsamen waagerechten Ebene liegen. Die Schwebew ickiungen h (an deren Stelle auch einfache 1 .eiterbleche treten können) sind an der Fahrbahn 2 gegenüber den jeweiligen supraleitenden Wicklungen i vorgesehen. Die Triebwicklungen ϊ sind ebenfalls an der Fahrbahn 2 außen beiderseits der jeweiligen Schwebew ickiungen b und im wesentlichen in der gleichen waagerechten Ebene angeordnet, die die supraleitenden Wicklungen 3 am Fahrzeug I enthalt. Die Führwicklung 4 ist entsprechend der erfindungsgemaßen Lehre an der Fahrbahn 2 zwischen den Schwebewicklungen 6 und im wesentlichen in der gleichen waagerechte.¹! Ebene angeordnet, die die supraleitenden Wicklungen 3 und die Triebwicklungen 5 enthält.

F i g. 4 zeigt die Verteilung der FWißdichte. die mit der T'ühiwicklung 4 in F i g. 3 verkettet ist. In F i g. 4 ist aiii der Abszisse der Abstand von der Mitte der Führwicklung 4 und auf der Ordinate die Flußdichievci teilung dargestellt, wobei die Skaleneinieilung. d. h. die Werte der Koordinaten, die gleiche ist wie bei einem üblichen rechteckigen Koordinatensystem. Wenn die Verschiebung ν der Mitte des Fahrzeugs I gegenüber dem Mittelpunkt der Breite P-Q der Führw ieklung 4 »Null« ist. löscht der durch die Spule A — B erzeugte !■"lull den durch die Spule C-O erzeugten 1-"IuIl aus. wie dies in Fig. 4 gezeigt ist. In diesem !'all verschwindet der mit der Führwicklung 4 verkettende FIuIi, so daß sowohl die Rückstellkraft als auch die /ich- oder Widerstandskraft verschwinden. Wenn andererseits eine Verschiebung \ vorliegt, gleicht die positive Fhißdichte By¹, die negative Fhilldichte By 2 nicht aus. Folglich besteht ein Fluß, der iril der Führwicklung 4 verkettet ist, so daß ein Strom über die Führwicklung 4 induziert wird. Die Rückstellkraft kann aufgrund der Wechselwirkung zwischen dem induzierten Strom und dem Unterschied der Flußdichten ByX-Hy2 erzeugt werden.

Die so erhaltene Rückstellkraft wird im folgenden näher erläutert. Es sei angenommen (F ig. 4), daß die Breiten A — Sund C—ü der supraleitenden Wicklungen 3 und die Breite P-Qder Führwicklung 4 überall α sind, dall jede Länge der jeweiligen Spalten ß—/'und C-Q durch iigegeben ist, wenn keine Verschiebung der Mitte des Fahrzeugs 1 vorliegt, und daß das Fahrzeug 1 um eine Entfernung \ verschoben ist, wie dies in I i g. 2 gezeigt ist.

Die Länge jeder supraleitenden Wicklung 3 ist im Vergleich zu ihrer Breite A-B b/w. C-D ausreichend groß, und deshalb ist es möglich, eine supraleitende Wicklung mit unendlicher Länge y.rmmchnien. Unter dieser Annahme weist die durch die supi aleitenden Wicklungen (A-B und C-D) erzeugte vertikale Fhißdichte By eine Verteilung auf, wie diese in F" i g. 4 gezeigt ist. Der die Einheitslänge der Führwicklung 4 (I'-Q) verkettende FIuIl Ψ, ist nach dem Gesetz von

H ι ο ι S a \ art gegeben durch:

'/ν = ^ j ι

(2a -r R - vV V « + R - ν / . _ln

t R

_ln

Is magnetomoiorische Krall jeder supraleitenden

Wicklung und
μ,, = magnetische Permeabilität der Luft.

Deshalb ist dcv kurzgeschlossenen Führwicklung 4 induzierte Strom / durch die lolgcudc Differentialgleichung gegeben:

induzierte Strom gegeben durch
N Φ

1 =

Die Flußdichten B) 1 und B) 2 des vertikalen Flusses. U^v mit der rohrwicklung 4 bei den Teilen I' und (J verkettet ist. sind jeweils durch die folgenden Glcichiiii gen gegeben:

dt

mil W. /'. und N = jeweils Widerstand. Induktivität und Windungszahl der Führw icklung 4.

Da der Reaktanzabfall im allgemeinen größer als der Widerslandsabfall ist. gilt

2 .γ Vr + -v " + R + ν

2.Y Vr - ν ii + g -

RI <e L

d/
dt

D.ι /-= 0 for Φ = 0 gilt, ist der durch die Führw icklung 4 F = 4

Da die Rückstellkraft /·" pro Finheitslänge der I ührwicklung 4 aufgrund der Wechselwirkung /wischen dem induzierten Strom entsprechend der Gleichung (3) und den Magnetflußdichten entsprechend den Glei chungen (4) und (5) erzeugt wird, folgt ;,us den Gleichungen (1).(3).(4) und (5). duU /"gegeben ist duivh:

L \2n J \g-

a + g - χ g + χ a + g + .v I (g - x)(a + g + x)²(2<j + g - x)

)²(

■■'-τ · 'M

Wenn angenommen wird, daß in der Gleichung (b) gil i¹ *· x.dann folgt:

F = 4² f^^V

\ba³

•.ν. (7) Ks sei beispielsweise As = 500 Kiloamperewindungen.

</ = 0.8m und t' = 0.25m und die Führwicklung 4 eine Rechleckspule mit 3 m χ 0.8 m aus einem Leiter mit

r> 3.5 ein >: b.5 cm. wobei die Polanzahl für ein einziges Fahrzeug 8 (4 Pole in zwei Reihen) betragt. Dann folgt:

^L = 4 10" ■ [31n —-²-:-LM..__.. ₊ 0.8In- -VJl⁰J _{+ 21}V _{+ 0} 8² - Jt.M Ί

L 0.1 -(3 + |3² + 0,8²) 0.1 (0.8 + . 3² + 0.8²) " 2 J

= 3.21 ■ 10 "//.

Deshalb wird für die Größe tier Ruckstellkraft /"für ein Fahrzeug erhalten:

^F *

(2 ■ 10"" ■ 500· 10³)² 16-0.8' 0.05 1
y^r ' ⁸ ' T.S-W ⁼ ⁸·² ^Fahrzeug .

Wie oben naher erläutert wurde, besteht keine Notwendigkeit für besondere supraleitende Wicklungen, die mit der Führwicklung 4 zur Stabilisation des Fahrzeuges zusammenwirken. Deshalb kann die Anzahl der supraleitenden Wicklungen mit deren Zubehör so \errir.gen werden, daß das Gesamtgewicht des Fahrzeuges kleiner und die Vorrichtung zum Antrieb des Fahrzeuges sehr wirtschaftlich w ird.

Die F i g. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Frfindung. bei dem die Anordnung der Wicklungen am Fahrzeug 1 und an der Fahrbahn 2 mit Ausnahme der Trieb« icklung 5 die gleiche wie beim vorhergehenden Auslührungsbcispiel (F i g. .3) ist.

hei diesem Alisführungsbeispiel ist die Doppeilunktion der Schwebewicklungen 8 an der Fahrbahn 2 gegenüber den supraleitenden Wicklungen 3 am Fahrzeug I bemerkenswert. Die Scln\ ebewicklungen 8 erzeugen sowohl die Triebkraft sow ie die Schw ebekraft indem sie einen Voreilstrom von einer äußeren Dreiphasenstromquelle führen. Dadurch dienen die Wicklungen 8 als Schwebe- und als Triebwicklungen Das Grundkonzept der Anordnung der übriger Wicklungen ist das gleiche wie bei dem anhand dei f- i g. 3 erläuterten Ausführungsbcispiel.

Mit Wicklungsanordnungen entsprechend den an hand der F i g. 5 und 6 erläuterten Ausführungsbeispie len kann die Anzahl der am Fahrzeug 1 anzubringende! supraleitenden Wicklungen 3 halbiert werden, um ebenso kann die Anzahl der an der Fahrbahn i anzubringenden Wicklungen verringert werden, so dal eine wirtschaftliche Vorrichtung zum Antrieb eine' Fahrzeuges mit hoher Gesehwindigkeil ermöglich

Ilieizu 3 lila',1 /.cichnunL'cn

Claims

U.

I. Magnetische Schwebelührungs\ inclining ti'"' ein Ilochgeschwindigkeiis-Fahrzeug mit in der ■"> Fahrbahn symmetrisch beiderseits der Mittellinie waagerecht liegenden ersten Leiterebeneii zur Erzeugung einer Schwebekrait iü Verbindung mit diesen Leiterebenen gegenüber im Fahr/eng waagerecht angeordneten supraleitenden Wicklungen, in wobei die Polarität des Magnetflusses beiderseits der Mittellinie entgegengesetzt ist. und mit einer weiteren, der Erzeugung einer seillichen Führungskralt dienenden Leiterebene, die auf der Mittellinie der Fahrbahn /wischen den fahrzeugseiligen supra- i"> !eilenden Wicklungen angeordnet ist. dadurch g e k e η η /. e i e h η e t. daß die weitere Leiterebene als Fiihrw icklung (4) ausgebildet ist und waagerecht in zumindest angenähert der gleichen Ebene wie die fahrzeugseiiigen supraleitenden Wicklungen (}) angeordnet ist.

I Vorrichtung nach Anspruch !.dadurch gekennzeichnet, daß in der Fahrbahn (2) weiter Triebwickiungen (5) an den Außenseilen der als Schwebewicklungen (6) ausgebildeten ersten Leiterebenen und im wesentlichen in der gleichen waagerechten Ebene wie die supraleitenden Wicklungen (3) angeordnet sind (F i g. 3).

j. Vo. richtung nach Anspruch I. dadurch gekennzeichnet, daß zum Erzeugen sowohl einer Sehwebeals auch einer Triebkraft in die Schwebewicklungen (8) ein Voreilsironi von einer äußeren Dreiphasenstromquelle eingespeist ist (F i g. 5).