DE2329769C3

DE2329769C3 - Magnetische Schwebeführungsvorrichtung für ein Hochgeschwindigkeits-Fahrzeug

Info

Publication number: DE2329769C3
Application number: DE2329769A
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: 1978-08-10
Also published as: JPS4919513A; FR2189247A1; DE2329769A1; JPS5345564B2; GB1397496A; DE2329769B2; FR2189247B1; US3867886A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine magnetische Schwebeführungsvorrichtung für ein Hochgeschwindigkeits-Fahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs L

Bei einem bekannten magnetischen Tragsystem dieser Art (vgL US-PS 3589 300) werden durch die supraleitenden Wicklungen in die darunterliegenden ersten Leiterebenen starke Magnetfelder übertragen, die bei bewegtem Fahrzeug Ströme induzieren und damit abstoßende, ds s. 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 Leite· ebene vorgesehen. Dabei wird offenbar, wie meist üblich, die Horizontalkomponente 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 Vertikalrich lung im Sinne der Erzeugung von Führungskräften wirksam werden soll, so entstehen hohe Wirbelstromverluste, und zwar auch dann, wenn sich das Fahrzeug in seiner neutralen Lage befindet. Zur Vermeidung derart hoher Wirbelstromverluste bei Erzeugung von dennoch hoher führungskraft ist es bekannt, das sogenannte Nullflußsystem anzuwenden. In Anwendung auf die in der Mittellinie befindliche weitere Leiterebene (Rippe) würde dies die Anordnung weiterer supraleitender Wicklungen beiderseits dieser Rippe erfordern (»Cryogenics and Industrial Gases«, Oktober 1969, S. 19-24). Andere Lösungen ohne zusätzliche supraleitende Wicklungen bedingen einen erheblichen Mehraufwand durch mehrere Reihen zusätzlicher streckenseitiger Führungswicklungen (vgl. US-PS 34 70 828).

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine magnetische Schwebeführungsvorrichtung der eingangs genannten Art hinsichtlich der Einrichtung zur Erzeugung der seitlichen Führungskraft so auszuführen, daß bei guter Wirksamkeit einerseits das Gewicht des Fharzeugs durch Vermeidung zusätzlicher supraleitender Wicklungen niedrig gehalten wird und andererseits der fahrbahnseitige 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 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 die Gesamtkosten sowohl des Fahrzeugs als auch der Fahrbahn verringert. Durch die entgegengesetzte Polarität der supraleitenden Wicklungen wirkt das Führungssystem als Nullflußsystem. Eis ist bekannt, den fahrzeugseitigen supraleitenden Wicklungen noch Triebwicklungen in der Fahrbahn zuzuordnen (»Cryogenics and Industrial Gases«, Oktober 1969, S. 24). In Weiterführung des erfindungsgemäßen Anordnungsprinzips kann dies im vorliegenden Fall durch die Merkmale des Anspruchs 2 geschehen.
Eine weitere Verringerung der Wicklungen ist gemäß dem Anspruch 3 erreichbar durch Einspeisen eines V oreilströms in die Schwebewicklungen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
F i g. 1 einen Schnitt durch eine Vorrichtung zum Antrieb eines Fahrzeugs mit hoher Geschwindigkeit, wie sie sich aus der Anwendung des bekannten Standes der Technik ohne erfinderische Tätigkeit ergibt,

F i g. 2 die Magnetflußverteilung bei der in der F i g. 1 dargestellten Vorrichtung,

Fig.3 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Antrieb eines Fahrzeugs mit hoher Geschwindigkeit,

F i g. 4 die Magnetflußverteilung bei der in der F i g. 3 gezeigten Vorrichtung und

F i g. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

Zunächst sei eine magnetische Schwebeführungs- und

Antriebsvorrichtung for ein Hoehgesohwindigkeits-Fahrzeug t anhand der Fig, 1 und 2 erläutert, wie sie sieh ohne weiteres durch Anwendung der bekannten Techniken aufbauen läßt,

Fahrzeqgseitig sind in dem gezeichneten Querschnitt insgesamt vier supraleitende Wicklungen 3, 3' angebracht. Die supraleitenden Wicklungen 3' bilden zusammen mit in der Fahrbahn 2 ihnen jeweils gegenüber angeordneten Schwebewicklungen 6 bekannte NormalfluÖ-Systeme zum Tragen des Fahrzeugs ι ο (US-PS 35 89 300), Die supraleitenden Wicklungen 3 bilden zusammen mit einer zwischen ihnen vertikal angeordneten Führwicklung 4 ein bekanntes Nullfluß-System zur stabilisierende» Seitenführung des Fahrzeuges (»Cryogenics and Industrial Gases«, Oktober 1969, S. 19—24). Hierzu hat das Fahrzeug 1 eine konkave Aussparung oder Leitrinne, die sich in Längsrichtung des Fahrzeuges erstreckt und eine passende Leitschiene an der Fahrbahn 2 zur Aufnahme der Führwicklung umfaßt Eine Triebwicklung 5 ist an der Fahrbahn zwischen den Schwebewicklungen 6 und senkrecht zur Führwicklung 4 angeordnet

Fi g. 2 zeigt die Verteilung der Magnetflußdichte, die mit der Führwicklung 4 in F i g. 1 verkettet ist; and die auf die Führwicklung 4 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 F i g. 2 dargestellt ist

Demgemäß induziert der Fluß Φ,, der m>t der Führwicklung 4 entlang deren Breite P-Q verkettet ist, eine Spannung in der Wicklung 4, und ein Strom /a fließt durch die kurzgeschlossene Führwicklung 4 (oder das Leiterblech). Der Strom la 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 Ia ist in einem Bereich kleiner Verschiebungen proportional zur Verschiebung x, da die induzierte Spannung ebenfalls proportional zur Verschiebung χ ist. Verschiebung ist der Abstand der Abweichung der Mitte des Fahrzeuges 1 (oder der Miltelebene 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 Fig.2 dargestellt ist. Demgemäß kann die Rückstellkraft aufgrund der Wechselwirkung zwischen der Flußdichte By (PP' in Fig.2) und dem induzierten Strom 7a erzeugt werden. Wenndie Verschiebung χ 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 χ vorliegt, werden ein Verkettungsfluß, eine induzierte Spannung, ein induzierter Strom und eine Rückstellkraft erzeugt, jeweils proportional zur Verschiebung x.

Mit der beschriebenen Anordnung der Wicklungen kann das Fahrzeug angehoben, angetrieben und seitlich 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. Je größer das Gewicht des Fahrzeugs I ist, um so höher muß die Schwebekraft eingestellt werden. Dies ist bei der beschriebenen Anordnung der bekannten Technik nachteilig.

Gemäß der demgegenüber weniger aufwendigen erfindungsgemäßen Anordnung liegt die Führwicklung 4 horizontal zwischen den waagerecht vorgesehenen supraleitenden Wicklungen 3 am Fahrzeug 1,

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun anhand der F i g, 3 und 4 näher erläutert In der F i g. 3 hat das Fahrzeug 1 in der gezeigten Schnittebene nur noch zwei supraleitende Wicklungen 3, die in bekannter Weise auf beiden Seiten an dessen Boden vorgesehen sind, wobei die Wicklungen 3 in einer gemeinsamen waagerechten Ebene liegen. Die Schwebewicklungen 6 (an deren Stelle auch einfache Leiterbleche treten können) sind an der Fahrbahn .2 gegenüber den jeweiligen supraleitenden Wicklungen 3 vorgesehen. Die Triebwicklungen 5 sind ebenfalls an der Fahrbahn 2 außen beiderseits der jeweiligen Schwebewicklungen 6 und im wesentlichen in der gleichen waagerechten Ebene angeordnet die die supraleitenden Wicklungen 3 am Fahrzeug 1 enthält Die Führaicklung 4 ist entsprechend der erfindungsgemäßen Lehre an der Fahrbahn 2 zwischen den Schwebewicklungen 6 und im wesentlichen in der gleichen waagerechten Ebene angeordnet, die die supraleitenden Wicklungen 3 und die Triebwicklungen 5 enthält

F i g. 4 zeigt die Verteilung der Flußdichte, die mit der Führwicklung 4 in F i g. 3 verkettet ist. In F i g. 4 ist auf der Abszisse der Abstand von der Mitte der Führwicklung 4 und auf der Ordinate die Flußdichteverteilung dargestellt, wobei die Skaleneinteilung, d. h. die Werte der Koordinaten, die gleiche ist wie bei einem üblichen rechteckigen Koordinatensystem. Wenn die Verschiebung χ der Mitte des Fahrzeugs 1 gegenüber dem Mittelpunkt der Breite P-Q der Führwicklung 4 »Null« ist, löscht der durch die Spule A—B erzeugte Fluß den durch die Spule C-D erzeugten Fluß aus, wie dies in Fig.4 gezeigt ist. In diesem Fall verschwindet der mit der Führwicklung 4 verkettende Flt'ß, so daß sowohl die Rückstellkraft als auch die Zieh- oder Widerstandskraft verschwinden. Wenn andererseits eine Verschiebung χ vorliegt, gleicht die positive Flußdichte SyI die negative Flußdichie By2 nicht aus. Folglich besteht ein Fluß, der mit 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-By2 erzeugt werden.

Die so erhaltene Rückstellkraft wird im folgenden näher erläutert. Es sei angenommen (F i g. 4), daß die Breiten /4—Sund C—Z?der supraleitenden Wicklungen 3 und die Breite P— Q der Führwicklung 4 überall a sind, daß jedp Länge der jeweiligen Spalten B—P und C-C? durch #gegeben ist, wenn keine Verschiebung der Mitte des Fahrzeugs 1 vorliegt, und daß das Fahrzeug 1 um eine Entfernung χ verschoben ist, wie dies in F i g. 2 gezeigt ist.

Die Länge jeder supraleitenden Wicklung 3 ist im Vergleich zu ihrer B.reite A^Bbzw. C~Oausreichend groß, und deshalb ist es möglich, eine supraleitende Wicklung mit unendlicher Länge anzunehmen. Unter dieser Annahme weist die durch die supraleitenden Wicklungen {A — B und C-D) erzeugte vertikale Flußdichte By eine Verteilung auf, wie diese in F i g. 4 gezeigt ist. Der die Einheitslänge der Führwicklung 4 (P-Q) verkettende Fluß Φ, ist nach dem Gesetz von

B i ο t - S a ν a r t gegeben durch:

g - .χ

. _ln

df

(2)

mit R, L und N = jeweils Widerstand, Induktivität und Wir,d'j""S7.üh! der Führ^>.vick!i!n^<T4.

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

RI

dl

2>

Da /= O for Φ = 0 gilt, ist der durch die Fiihrwicklung 4 1 1 1

F = 4

L \ 2.-T J Ig -x a + g- χ

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

F =

16 a³

L \ In J

■ x ■ (7)

_ln

_{+ ln} ( g + x J \a + g + χ

induzierte Strom gegeben durch

/5 = magnetomotorische Kraft jeder supraleitenden

Wicklung und
μη= magnetische Permeabilität der Luft.

Deshalb ist der kurzgeschlossenen Fiihrwicklung 4 induzierte Strom / durch die folgende Differentialgleichung gegeben:

Die Flußdichten By 1 und By 2 des vertikalen Flusses, der mit der Führwicklung 4 bei den Teilen P und Q verkettet ist, sind jeweils durch die folgenden Gleichungen gegeben:

und Bv -

«dl

2.x Vg + x a + g + x

Da die Rückstellkraft F pro Einheitslänge der Führwicklung 4 aufgrund der Wechselwirkung zwischen dem induzierten Strom entsprechend der Gleichung (3) und den Magnetflußdichten entsprechend den Gleichungen (4) und (5) erzeugt wird, folgt aus den Gleichungen (1), (3).(4) und (5), daß Fgegebcn ist durch:

I ι »6

-xi (g- x){a ■

xf{2a + g - x)

Es sei beispielsweise /5=500 Kiloamperewindungen, a = 0,8m und g-=0,25m und die Führwicklung 4 eine Rechteckspule mit 3mxO.8m aus einem Leiter mit 3,5 cm χ 6,5 cm. wobei die Polanzahl für ein einziges Fahrzeug8(4 Pole in zwei Reihen) beträgt. Dann folgt:

N'¹ L 0,1 ■ (3 + 13² + 0,

₊ 0,8 in ^==

0,8²) 0,1 · (0,8 + I 3² + 0,8²)

2 ί 3*

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

F =

(2 · 10"⁷ · 500 ■ 10³)² 16 0,8³0,05

3,21

1
0,2? ■ l,05² ■ 1,85² ' 9,8 ■ K

= 3,21 · 10"⁶H.

= 8,2 t/Fahrzeug.

Wie oben näher 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 verringert werden, daß das Gesamtgewicht des Fahrzeuges kleiner und die Vorrichtung zum Antrieb des Fahrzeuges sehr wirtschaftlich wird.

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

. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Doppelfunktton der Schwebewicklungen 8 an der Fahrbahn 2 gegenüber den supraleitenden Wicklungen 3 am Fahrzeug 1 bemerkenswert Die Schwebewicklungen 8

50

55

60

65 erzeugen sowohl die Triebkraft sowie die Schwebekraft, indem sie einen Voreilstrom von einer äußeren Dreiphasenstromquelle führen. Dadurch diene' die Wicklungen 8 als Schwebe- und als Triebwicklungen. Das Grundkonzept der Anordnung der übrigen Wicklungen ist das gleiche wie bei dem anhand der F i g. 3 erläuterten AusführungsbeispieL

Mit Wicklungsanordnungen entsprechend den anhand der F i g. 5 und 6 erläuterten Ausführungsbeispielen kann die Anzahl der am Fahrzeug 1 anzubringenden supraleitenden Wicklungen 3 halbiert werden, und ebenso kann die Anzahl der an der Fahrbahn 2 anzubringenden Wicklungen verringert werden, so daß eine wirtschaftliche Vorrichtung zum Antrieb eines Fahrzeuges mit hoher Geschwindigkeit ermöglicht wird.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

U Magnetische SchwebefahrHngsvorrichtung far ein Hochgesehwindigkeits-Fahrzeug mit in der Fahrbahn symmetrisch beiderseits der Mittellinie waagerecht liegenden ersten Leiterebenen zur Erzeugung einer Schwebekraft in Verbindung mit diesen Leiterebenen[gegenüber im Fahrzeug waagerecht angeordneten supraleitenden Wicklungen, wobei die Polarität des Magnetflusses beiderseits der Mittellinie entgegengesetzt ist, und mit einer weiteren, der Erzeugung einer seitlichen tnjhrungskraft dienenden Leiterebene, die auf der Mittellinie der Fahrbahn zwischen den fahrzeugseitigen supra- is leitenden Wicklungen angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Leiterebene als Führwicklung (4) ausgebildet ist und waagerecht in zumindest angenähert der gleichen Ebene wie die fahrzeugseitigen supraleitenden Wicklungen (3) angeordnet ist,

2, Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Fahrbahn (2) weiter Triebwicklungen (5) an den Außenseiten der als Schwebewicklungen (6) ausgebildeten ersten Leiterebenen und im wesentlichen in der gleichen waagerechten Ebene wie die supraleitenden Wicklungen (3) angeordnet sind (F ig, 3).

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erzeugen sowohl einer Schwebeais auch einer Triebkraft in die Schwebewickiungen (8) ein Voreüstrom von einer äußeren Dreiphasenstromquelle eingespeist ist (F i g. 5).