DE2412221B2

DE2412221B2 - Elektrodynamisches Trag- und Führungssystem

Info

Publication number: DE2412221B2
Application number: DE19742412221
Authority: DE
Inventors: Herbert Prof. Dr.-Ing. 3300 Braunschweig Weh
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1974-03-14
Filing date: 1974-03-14
Publication date: 1980-10-30
Also published as: DE2412221A1; DE2412221C3

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein elektrodynamisches Trag- und Führungssystem der im Oberbegriff des Anspruchs t genannten Art.

Es empfiehlt sich, elektrodynamische Tragsysteme als sogenannte Nullflußsysteme auszubilden, da nach Überlegung von Powell und Danby (US-PS 34 70 828; »Cryogenics and Industrial Gases«, Okt. 1969, Seiten 19—24), eine Absenkung der auf das Fahrzeuggewicht bezogenen Bremskräfte auf etwa ein Fünftel ermöglicht wird.

Der dem physikalischen Prinzip zugrundeliegende Gedanke des Nullflußverfahrens ist rechnerisch fundiert sowie teilweise experimentell nachvollzogen. Ihn jedoch in eine überzeugende Anordnung von Fahrzeug- und Fahrbahnelementen umzusetzen, dürfte außerordentlich schwer sein. Gründe dafür sind die in mehreren Ebenen auskragende Fahrbahnform, die fliegende Anordnung von Sekundär- und Erregerspulen, wie dies beispielsweise in F i g. 1 dargestellt ist (US-PS 34 70 828, Figur 12).

Verlegt man — wie Fi g. 2 zeigt — die fahrzeugseitigen .Erregerspulen für das Primärfeld nach außen und den streckenseitigen Sekundärteil nach innen (»Cryogenics and Industrial Gases«, Okt 1969, Seiten 19—24), so entsteht ebenfalls eine Nullflußaaordnung, wenn Sekundärspulen zwischen Erregerspulen hineinragen und sich

ίο die beiden Teilfelder der Erregerspulen entgegenwirken. Die Vorteile dieser modifizierten Nullflußanordnung liegen vor allem in dem vereinfachten Fahrbahnelement, das auch ein Aluminiumflachleiter sein kann, und darin, daß der Außenseite der Erregerspulenanordnungen die Wicklung eines synchronen Langstatorvortriebs zugeordnet werden kann. Dabei sind allerdings nicht nur die Erregerspulen, sondern auch die Tragelemente in fliegender Anordnung zu befestigen. Nachteilig ist weiter, daß auf dem Fahrzeug nun die doppelte Zahl von Erregerspulen erhöhter elektrischer Durchflutung zu installieren sind, so daß Gewicht und Kühlleistung die Fahrzeugkonstruktion beeinträchtigen. Bei einem elektrodynamischen Trag- und Führungssystem der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art (US-PS 34 70 828, Figur 5) ist es zum seitlichen Führen des Fahrzeuges bekannt, einer Erregerspulenanordnung mit waagerechten Spulenebenen zwei sekundäre Spulensysteme in auskragender Anordnung zuzuordnen, deren Leiterschleifen die Form einer Acht haben. Hiermit lassen sich starke Führungskräfte erzielen. Zur Erzeugung von Tragkräften sind in diesem bekannten Fall umfangreiche weitere sekundäre Spulensysteme erforderlich.
Der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit dem im Oberbegriff angegebenen Sekundärspulensystem unter möglichst geringem Aufwand an fahrzeugseitigen Erregerspulen sowohl Trag- als auch Führungskräfte in ausreichendem Maß zu erzeugen.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst

Durch die Erfindung wird ein Differenzflußverfahren mit Tragkräften in Richtung der Spulenebene und mit Führungskräften geschaffen. Dabei ist die Erfindung zwar physikalisch mit den Nullflußanordnungen verwandt, unterscheidet sich aber hinsichtlich der Flußführung und der Wicklungsgestaltung grundlegend. Weniger einschneidend dürfte es hierbei sein, daß das Spurführungselement nicht als homogene Aluminiumschiene, sondern in der Art ausgeprägter Spulen ausgeführt werden muß, da dadurch komplizierte Ausbildungen von Fahrbahn und Fahrzeug vermieden werden können. Für eine Leiteranordnung mit ausgeprägten Spulen spricht zusätzlich die günstigere Materialausnutzung. Da es sich beim Sekundärleitersystem um eine Kurzschlußwicklung mit Spulenspannungen im Bereich von 1 Volt handelt besteht hier kein Isolationsproblem.
Die Einfachheit der geometrischen Anordnung des neuen Trag- und Führungssystems wird wesentlich dadurch bestimmt, daß die Spulenachsen horizontal verlaufen. Sie sind damit gegenüber den bisher bekannten Tragsystemen um 90° gedreht. Die Sekundärspulen sind also z. B. an der vertikalen Innenseite der Fahrbahnlängsträger anzuordnen. Ihre Gesamthöhe liegt im Bereich von ca. 80cm. Fig.3a zeigt diese Anordnung, wobei die zur Führungskrafterzeugung erforderliche zusätzliche Erregerspule zunächst noch

weggelassen ist

Die Wirkungsweise der Traganordnung beruht in gleicher Weise wie die Wirkungsweise der aus der US-PS 3470828, Figur 5 bekannten Führungsanordnung auf der Induktionswirkung bewegter magnetischer Felder und weist die hierfür typischen Merkmale auf. Nimmt man an, daß — wie in Fig.3b gezeigt wird — der schraffierte Bereich die Spulenfläche und mit ihr die Zone der in Spuienachse verlaufenden Induktionskomponente By darstellt, so wird bei hinreichend großer Geschwindigkeit V_x in der Spule eine Spannung induziert, die zu Strömen führt Spulenströme und magnetisches Feld der Erregerspule ergeben Kräfte in den drei aufeinander -senkrecht stehenden Hauptrichtungen. Hiervon sind F_x die Bremskräfte, F_y Seitenkräfte und Fz die Tragkräfte. Voraussetzung für die Entstehung der Spulenströme ist eine Auslenkung in z-Richtung. Bei einer Vertikalverschiebung Δ entsteht in der zu einer 8 geformten Sekundärspule eine resultierende Spannung, die den Strom verursacht Die Stromrichtung, die für die Richtung der Kraft bestimmend ist, ist so festgelegt, daß in Obereinstimmung mit der Lentzschen Regel die Wirkung des Primärfeldes durch den Strom geschwächt wird. Hieraus folgt z.B. die Stromrichtung in den mittleren Spulenteilen. Mit dem Strom I_x im Mittelz ,veig und der y-Komponente der magnetischen Induktion folgt je Längeneinheit des Leiters die Tragkraft

F₁=Il_x- By.

Damit wird deutlich, daß hier die Normalkomponente der Spuleninduktion zur Kraftbildung herangezogen wird. Spannungserzeugung und Kraftwirkung beruhen auf der gleichen Induktionskomponente.

Für ein Beispiel sind in Fig.4 die Verläufe der Tragkraft F_z und der Bremskraft F_x, bezogen auf F_2a, den Tragkraftwert bei sehr hoher Geschwindigkeit aufgetragen. F_x durchläuft bei einem Bruchteil der Fahrzeug-Höchstgeschwindigkeit einen Maximalwert, um dann etwa umgekehrt proportional zur Geschwindigkeit ν* abzunehmen. Die Anwendung von mehr Leitermaterial bewirkt im oberen Geschwindigkeitsbereich eine Senkung der Bremskraft und verschiebt den Tragkraftanstieg zu kleineren Geschwindigkeiten.

Die Abhängigkeit der Tragkraft von der Auslenkung Δ ist bei konstanter Geschwindigkeit in F i g. 5 dargestellt

Fo und Δο sind die Werte im Ruhezustand, in dem ohne dynamische Einflüsse gerade das Fahrzeuggewicht kompensiert wird.

Für die bei der Erzeugung hinreichend starker Magnetfelder notwendige Supraleitertechnik besteht die Aufgabe, eine Erregerspule zu bauen, die im Abstand von 20—25 cm von der Wicklungsebene eine in der Spulenachse wirkende Induktionskomponente von etwa 1 !'entwickelt.

Nicht nur die in der Mittelachse der Erregerspule liegenden Leiter der Sekundärspule, sondern auch die äußeren Rückleiter beteiligen sich an der Tragkraftbildung. Fig.6 zeigt den Verlauf von Tragkraft und Bremskraft in Abhängigkeit vom Verhältnis der Spulenbreite b/bp. Als Bezugswert ist die jeweilige Kraft bei gleichen Spulenbreiten gewählt. Es erscheint sinnvoll, für bjb_p Werte um 1,5 bis 2 zu wählen.

Die Leiter sind zur Unterdrückung von Wirbelströmen zweckmäßig aus dünnen Aluminiumteilleitern auszuführen, deren Oxidationsschicht isolierend wirkt. Sie sind damit flexibel und können in der angegebenen Form verlegt und eingegossen werden.

Durch die in den Fig.3a und 3b skizzierte symmetrisch überlappende Anordnung der kurzgeschlossenen Einzelspulen wird erreicht daß Tragkraftschwankungen vermieden werden. Oberlappen sich

2 Spulen, so ist das Überlappungsmaß gleich der halben Spulenweite; sind 3 Spulen an der Überlappung beteiligt so beträgt das Überlappungsmaß V3 der Spulenweite. Das Oberlappen zweier Spulen ist durch die DE-OS 21 21 247 an sich bekannt.

Zur seitlichen Führung des Fahrzeuges werden zusätzlich noch stabilisierend wirkende Kräfte F_y benötigt wobei es zulässig erscheint die in beiden Teilspuren eines spurgeführten Fahrzeuges wirkenden Kräfte in ihrer Summe auszunutzen und die Stabilisierung nicht von einer Teilspur zu verlangen.

Dk bisher beschriebene Traganordnung erweist sich hinsichtlich der in y-Richtung wirkenden Kräfte in diesem Sinne zwar als stabil, d. h. bei einer Verschiebung in y-Richtung treten rückstellende Kräfte auf. Jedoch ist der Betrag der seitlichen Rückstellkräfte zu gering, um gegenüber allen vorkommenden Störkräften eine ausreichende Führung zu gewährleisten.

Um die Seitenkräfte etwa um den Faktor 10 zu vergrößern, genügt die Anwendung einiger zusätzlicher fahrzeugseitiger Erregerspulen. Eis ist jedoch erfindungsgemäß nicht notwendig, zusätzliche Spurführungseinrichtungen anzuwenden. Die wenigen notwendigen Seitenführungsspulen lassen sich so anbringen, daß sie im sekundären Leitersystem einen positiven Beitrag zur Induktion der Spannungen leisten. Ihre Induktion B₂ bildet mit dem Gesamtstrom 2I_x der Sekundärspulen die Seitenkraft. Hierzu muß die Spulenebene der Seitenführungsspulen horizontal ausgerichtet werden. F i g. 7 zeigt die Anordnung einer

J5 Doppelspule, die in einem gemeinsamen Kiyostaten untergebracht werden kann. Da die Zahl der Seitenführungsspulen höchstens die halbe Zahl der Tragspulen erreicht, erscheint der zusätzliche Aufwand tragbar.
Es zeigt sich, daß bei Anwendung der Seitenführungsspulen sowohl die Tragkraft F₂ als auch die Bremskraft F_x in annähernd gleicher Weise ansteigen, so daß der Quotient F_xIF₂ praktisch konstant bleibt

Wie die Rechnung weiter ergibt, sinkt die Eigenfrequenz fe gegenüber Vertikalschwingungen durch die

Überlagerung eines der Auslenkung Δ weniger als proportionalen Stromanteils. Die Hilfsspule mit horizontaler Spulenebene kann auch als Mittel zur Beeinflussung der Federkennlinie betrachtet werden.
Weit mehr noch als beim elektromagnetischen Tragsystem verlangt die elektrodynamische Schwebetechnik nach einem nicht fahrzeuggebundenen Antrieb, der das verhältnismäßig große Spiel zwischen Fahrzeug und Fahrweg nicht durch die Ankopplungsbedingungen des Kurzstatormotors einschränkt.

Eine zusätzliche Ausstattung des Fahrzeuges mit supraleitenden Spulen, ausschließlich für die Vortriebsbildung, stößt jedoch aus mehreren Gründen aui Schwierigkeiten, so daß der dringende Wunsch, die Tragspulen gleichzeitig mit für die Vortriebsbildung

fco heranzuziehen, bestehen bleibt.

Wie eine durch Fig.8 verdeutlichte Überlegung zeigt, induziert das magnetische Feld einer Spule der Warderfeldwicklung des Langstators in der 8-förmigen Spule des Tragsystems keine Spannung, da sich die

h5 beiden Anteile des magnetischen Feldes in der oberen und der unteren Hälfte für die Spannungsbildung aufheben; die beiden Spulen sind entkoppelt. Das gilt für die gesamten Wicklungen ebenso wie für Einzelspulen,

wobei auch die Form einer Einleiter-Mäander-Wicklung mit eingeschlossen ist. Die einzige Bedingung besteht darin, daß eine symmetrische Anordnung hinsichtlich der vertikalen Lage gegeben ist. Daraus darf gefolgert werden, daß Trag- und Vortriebswicklung in enger Nachbarschaft zueinander im gleichen Fahrwegbett angeordnet werden können.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrodynamisches Trag- und Führungssystem für ein spurgebundenes Fahrzeug, bei dem fahrzeugseitige Erregerspulen mit zur Fahrtrichtung paralleler Spulenebene streckenseitigen Sekundärspulen mit geringem Abstand gegenüberliegen, die in Fahrtrichtung hintereinander angeordnet sind, wobei jede streckenseitige Sekundärspule ähnlich einer Acht mit annähernd rechteckiger Form ausgebildet ist und die mittleren im Kreuzungsbereich der Acht befindlichen Spulenseiten der Sekundärspulen in Fahrtrichtung verlaufen, dadurch gekennzeichne ί, daß die Spulenebenen der streckenseitigen Sekundärspulen und der ihnen gegenüberliegenden fabrzeugseitigen Erregerspulen senkrecht ausgerichtet sind und daß zur Erzeugung zusätzlicher Kräfte zur seitlichen Führung zusätzliche fahrzeugseitige Erregerspulen mit horizontaler Spulenebene in Höhe der sich kreuzenden Spulenseiten der Sekundärspulen derart angeordnet sind, daß ihr Magnetfeld einen positiven Beitrag zu den von den senkrecht stehenden Erregerspulen in den Sekundärspulen induzierten Spannungen leistet

2. Elektrodynamisches Trag- und Führungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung von Tragkraftschwankungen die kurzgeschlossenen Sekundärspulen überlappt angeordnet sind.

3. Elektrodynamisches Trag- und Führungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Sekundärspulen aus einer Vielzahl dünner, miteinander verschränkter Teilleiter, insbesondere aus Aluminium bestehen, die zur Herstellung eines geschlossenen Stromkreises verlötet oder verschweißt sind.

4. Elektrodynamisches Trag- und Führungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine WanderfeldwL'klung eines synchronen Langstatorantriebs den Sekundärspulen im gleichen Fahrwegbett eng benachbart angeordnet ist und dadurch von den Sekundärspulen induktiv entkoppelt ist, daß die Spulenseiten der Wanderfeldwicklung sich mit den in vertikaler Richtung hintereinanderliegenden Spulenseiten der achtförmigen Sekundärspulen decken.