DE2365877A1

DE2365877A1 - Elektromagnetische schiene fuer den linearmotorantrieb eines schienenfahrzeuges

Info

Publication number: DE2365877A1
Application number: DE19732365877
Authority: DE
Inventors: Yoshikado Hosoda; Kazumi Matsui; Kenji Matuura; Tadashige Nishikawa; Makoto Tawara; Takashi Umemori
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd; Japan National Railways; Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd; Japan National Railways; Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1972-04-21
Filing date: 1973-04-19
Publication date: 1976-10-07
Also published as: DE2320236B2; GB1420391A; DE2320236A1; DE2320236C3; FR2181015B1; DE2365877C2; FR2181015A1

Description

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Tokyo und Csalca, Japan

(Ausscheidung aus TT-PS 2J- 2o 256.C) L^ J_ujj ^75

lL'loktroi:ia^vieti..eche Schiene fü::· Λ-~-η LLnsarmotorantriob oLnes .Schienenfaluv.^-useo

T-Ie lOrfinduns betrifft eine olektromagnetiGcho Schiene? für ien I.inear- :-:iotorantrieb sLnos Schienenfahrzeuges, bei v/elcher auf einen ortsfesten Tracer mit lotrecht stehender Spulenebene in Längsrichtung der Schiene hintereinander angeordnete Ankerspulen la gegenseitiger Überlappung vorgesehen sind und mittels phasenversetzter Steuerung über Halbleiter-Stromrichter im Sinne der Erzeugung eines entsprechend der Fahrzeuggeschwindigkeit fortschreitenden Wanderfeldes gespeist sind, um dem Fahrzeug in Verbindung mit einer fahrzeagseitigen gleichstromgespeisten Felderzeugeranordnung eine Antriebskraft und eine Schwebekraft zu erteilen.

Aus der DT-OS 2 133 922 ist eine Vorrichtung zum Antreiben eines beweglichen Körpers in einem schwebenden Zustand mit einer sehr hohen Geschwindigkeit unter dem Einfluß eines magnetischen Feldes und unter Verwendung von Ankerwicklungen bekannt, welche vertikale und horizontale Leiter besitzt, die kontinuierlich längs der Bewegungsbahn das beweglichen Körpers in Bewegungsrichtung angeordnet sind, und wobei bewegliche magnetische Felder zur Anwendung geiangsn, die an

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lor Ur₁1.~r se it·:.- -;»s be ν; e gliche η Kör pc-rs- so anceoHnrt ;?1>τΐ , daii -'.ir -:·ΐ·τ;·".ί5^!: ? xt:Jü~ ti. j Sk FIuI γ--ikr^hi- zu -Jlnnrn ^vi schlelfon :lär festen Auk?.-r.vL-'^>.klunre-n Vhr^n:iif!; uiv' .^:: v-;· rti -Mti ·■-. LUi:!. horizontalen Leiter di^:-:nr festen Ankerv/Lcklunren schneidet. Pel dUiSc-r ,bekannt·-η VorrL::h tung sine¹ j«. "-o^h "Vi.: h Ln tc-r";^: r. üririor-1 Lesenden Ankerwicklungen alle Ln eiern ael.beη "LcknlsL-;^ "i/:: L _\i ·. 1 ^f. und darüuerhlnaUij benötigt jede Ankerwicklung eins siren.·; Ctromabr.cb.T.Kreinrichi-un,?} um kon.tlnu.Ler] i.ch j-jf^J-· Ankerwicklung mi.t iirc VerschLebung der bev.^r3gl i chßn magnetischen "clrlnr i-ljichsätrorri zuführen" zu können. gur Erzielung eines b-nvejlichan Feldes bz'¹.'. zur Bowirkung eines Antriebs iau-7. h.·? "1Lt->ö->r bekannten Vorrichtung je:"ie Ankerwicklung zu ^anz becti'nrnton Z-eitrrurJit'jn ··- i..--r. v"¹ .··■ '·: j:nr.:U^!: L-?rh ii'f'cdsn, urn «Lie Aufhebung -3er durch die einzelnen stroradurchflosaenen Ankerwicklung'η !lervorj" ruf'-nou Antrü-!br;kraf t s;i verhindern.

Aus der DT-OS 1 δο7 569 1st ein linearer TnduktLonssiolor b-:!-.annt, 1er einen langgestreckten, ebenen Induktor aufweist, der sich üb-;r eine große Länge erstreckt und dessen Wicklungen ein gleitendes Magnetfeld entlang dieses Induktors erzeugen und wob^i. dor Indul-1 ior;; .•aotor einen kurzen Anker besitzt, der sich entlang des durch diesen Induktor bOGtimrat.iU 'V?se3 a-.t.?r Iv- 'Vir^un^ Ivs -1-Lt-nden Magnebfeldes. bewegen kann, welches im Anker InduktionsströmG .jrsevigt, 30-v;ie mit einem Magnetkreis, der den Hagnetfluß des gleitenden Magnetfeldes schließt. Gemäß dieser bekannten Konstruktion soll der Magnetkreis insgesamt fest mit dem kurzen Anker verbunden sein un.1 sich etwa auf die Länge dieses Ankers erstrecken. Bei diesem bekannton linearen Induktionsmotor gelangt die übliche Crehstromspeisung zur Anwendung und es sind die hintereinander folgenden V/icklungen des Induktiors gleichsinnig gewickelt und die senkrechten Leiter der einzelnen '.Vicklungen müssen aufeinanderfolgend so erregt werden, daß sich eine konstante in einer Richtung wirken.-:!.-; Kraft, die auf da·^ fahrzeug wirkt, bzw. den Anker wirkt, einstellt.

Aus der Ι^τ/Γ·-?3 3 &k^L. ^nr-~ ^f *" 'hlu.21.ich ein "linearer Induktionsmotor

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ßAD ORIGiMAL

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bs.-i :.-.·'.:-. I₅ hai -"--G- ¹Ii C]-3 ■■·' cV un^en r'os Π¹ cLorLcilfcd zum Teil ine L nan dc-rl ic; genri an JP-OiT¹IiO t εΐηο ur.'i die Spulene bune der einzelnen Spulen horizontal verläuft. Die go bekannte Anordnung" v.'Lrd eben-' .^r'a]],r durch Drehst rom gespeist, so daß hier kotne Ilintereinanderanciönun_t: -J-sr einzelnen '.Vicklungen entlang einer Schiene möglich i.^r:i:. Pei einer speziellen Auyführungsform dieser bekannten Konstruktion sind die Einzelnen 7/i. cklungen in Gruppen mit je drsi Wicklungen zusammengefaßt, v;ofcei sich eine Wicklung innerhalb der arv^;-_-ren Wicklung befindet. Auch sind die Wicklungen der einzelnen "ι·α£.ιι-π nicht: im entgegengesetzten '.Vickelsinn gewickelt, sondern si-i '.verton lcdirlich abwechselnd in en tgegerirc- setz tern Sinn erregt.

"ie erwähnt, besteht das Fahrzeugs-Antriebssystem unter Verv;endung von Halbleiter-gesteuerten Gleichrichter-Linearmotoren aui- Ankerspulen und einer rc-lderzeugeranordnunc als Hauptbestandt·-. Ll-:, während Schweben, Beschleunigen, Verzögern und Anhalten des Fahrzeugs durch Steuerung des durch Ankerspule fließenden Stroms mit Hilfe dj?r gesteuerten Gleichrichter hervorgebracht werden. Wenn ein Notfall eintritt und der Ankerstrom unterbrochen rird während das Fahrzeug schwebt und mit außerordentlich hoher Cc3ch'tfindigkeit fährt, sinkt der Fahrzeugkörper schnell herab, wobei die Fahrgäste, das Fahrzeug und die elektromagnetische Schiene stark gefährdet werden. Obgleich diese Gefahr durch Anordnung einer Notbrense, eines Not-Bodenlaufrades oder verschiedener anderer Arten von Sicherheitsvorkehrur.gen abgewandt v/erden kann, ist ein schnelles Anziehen der Kotbremse bei Fahrt mit übc-rhoher Geschwindigkeit mit Gefahr verbunden. Andererseits ist es schwierig, die Kot-Bodenlaufräder mit ausreichender mechanischer Festigkeit zu konstruieren, wobei eine gewisse Zeitspanne zwischen dem Auftreten des Notfalls und dem Aufsetzen der Räder verstreicht. Außerdem müssen dabei die Laufräder und die elektromagnetische Schiene so ausgebildet sein, daß sie ausreichende festigkeit besitzen, urn der Stoßbelastung widerstehen zu können, die durch das Herabfallen schwerer Fahrzeugwagen mit einem Gewicht von beispielsweise jeweils etwa ^-o t erzeugt werden. Tie ange-

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strebte Sicherheit kann daher nicht durch eine übliche Bremsanlage und durch Laufrader allein gewährleistet werden.

Eie der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht daher darin, die elektromagnetische Schiene der eingangs definierten Art derart zu verbessern, daß bei erhöhter Sicherheit gegen eine übermäßige V/ürmeentwicklung in der Schiene dem Fahrzeug eine ausreichende Bremskraft und eine Schwebekraft erteilt werden kann.

Ausgehend von der elektromagnetischen Schiene der eingangs definierten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß unter den Ankerspulen eine Anzahl von kurzgeschlossenen Induktionsspulen angeordnet ist, die in Längsrichtung der Schiene auf einer geraden Linie angeordnet sind und deren Spulenebenen lotrecht liegen, daß die Induktionsspulen in der "/eise auf dem Träger montiert sind, daß sie durch den von der am Schienenfahrzeug montierten Felderzeugeranordnung erzeugten Magnetfluß verkoppelt werden und dabei eine Schwebe- und eine Bremskraft erzeugen, und daß eine aus nicht magnetischem Metall bestehende Leitung zur Förderung eines Kühlmittels oberhalb oder unterhalb der Induktionsspulen angeordnet ist.

Zweckmässig wird die Anordnung aus der Anker- und der Induktionsspule mit Kunstharz zu einem einheitlichen Gefüge vergossen. Die beiden Seitenflächen des ortsfesten Trägers dienen zur Herstellung eines Kontakts mit Schleifer-Stromabnehmern zur Zufuhr von Erregerstrom zu einer am Fahrzeug montierten Felderzeugeranordnung.

Mit der erfindungsgemäßen Schiene läßt sich dem Fahrzeug eine zusätzliche Schwebekraft erteilen, ohne daß das Fahrzeug im Fall eines plötzlichen Anhaltens zu rasch absinkt und schlagartig gebremst wird. Als weiterer Vorteil ergibt sich, daß die in den Induktionsspulen und den Ankerspulen entwickelte Wärme wirksam und sehr schnell abgeführt wird, so daß eine Verschlechterung der elektromagnetischen Schiene durch den Wärmeeinfluß verhindert wird.

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Pe 3 sr. de rs zv/eckmässlge Ausbildungen und V/eiterbildungen der Erfir.'iu.'C .:._>;;(.r. εΐ-jh aus cer. Ansprüchen 2 bis 7.

I::. fclror.'j-ir. ;; L rf '-Le Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Mir./ic!ξ auf 'JIe Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Γ:.·:. · ^lr.en Querschnitt durch eine mit einer Kühlmittelleitung versehene elektromagnetische Schiene;

?ig. ? einen der Fig. 1 ähnelnden Querschnitt zur Darstellung einer abgewandelten Kühlmittelleitung;

Fig. 3 eine weitere der Fig.1 ähnelnde Querschnittsdarsteliung mit einer noch anders gestalteten Kühlmittelleitung; und

Fig. k einen Querschnitt durch eine andere Ausführungsforra einer elektromagnetischen Schiene, bei welcher eine Kühlmittelleitung und Abnehmer zur Anregung des Magnetfeldes am Fahrzeug an einem Träger montiert sind.

Srfindungsgemäß ist eine rechtcoki G'- > kursfj.. c--."L':.;..'„cr. - Γ pule, im folgenden als Induktionsspule Zk bezeichnet, deren Ebene praktisch ebenengleich oder parallel zur Ankerspulenebene liegt, unter letzterer angeordnet. Die Anordnung aus der Ankerspule und den kurzgeschlossenen Induktbnsspulen ist dabei mit einer Schutzhülle überzogen und an einem ortsfesten Träger befestigt. Bei dieser Konstruktion koppelt ein Teil des durch die vom fahrenden Fahrzeug getragene Magnetkonstruktion erzeugten Magnetflusses die Induktionsspulen zusammen, so daß in diesen ein Strom induziert wird, welcher Schwebe- und Bremskräfte erzeugt. Die auf diese Weise erzeugte Schwebekraft verhindert ein schnelles Herabfallen bzw. Sinken des Fahrzeugs infolge einer Unterbrechung des durch die Ankerspule fließenden Stroms, während das Fahrzeug bei Hochgeschwindigkeits-Fahrt schwebt. Die Bremskraft verzögert das Fahrzeug, das dann sicher "landen" kann.

Wenn ein durch die Halbleiter-gesteuerten Gleichrichter-Iinearmotoren

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angetriebener Zug, der auf der Schiene schwebt und mit ultrahoher Geschwindigkeit, von z.B. 5oo kr../h betrieben wLrci, beispielsweise ein 'A'agenge wicht von jeweils 4o t besitzt, betragen die für diesen •tritrahochgeschwindigkeits be trieb erforderlichen Antriebskräfte und Schwebekräfte jeweils 5 t bzw. L₀ t pro 'Vagen. Folglich beläuft sich die magnetomotorische Kraft, die durch die Ankrrspule erzeugt werden muß, auf bis zu 80.000 AT. Wenn eine Länge eines elektromagnetischen Schienen-Versorgungsabschnitts mit 5oo m angenommen wird, beläuft sich die Summe der elektromotorischen Gegenkraft und des in der Ankerspule induzierten Komreutationsstoßes bei fahrendem Fahrzeug auf 2o kV, wodurch in der unter der Ankerspule befindlichen Induktionsspule ebenfalls eine Hochspannung induziert wird. Fdglich muß die für den Schutz der Anordnung aus der Ahkerspule und der Induktionsspule vorgesehene Isolierhülie eine ausreichend hohe '':> ·:- loktri.c· h-~ Festigkeit besitzen. Zu diesem Zweck ist es vorteilhaft, eine geerdete Abschirmung aus eLnpr f-ietalllage bzw. -schicht zwischen die Ankerspule und die Induktionsspule oder zwischen die Ankerspule und den Träger für die elektromagnetische Schiene einzufügen. Um jedoch die Induktion von Wjrbe!strömen in der Abschirmschicht durch den Magnetfluß zu verhindern, der durch die vom Fahrzeug getragene Felderzeugeranordnung erzeugt wird, wird vorzugsweise die Abschirmschicht mit einer Metallschicht verwendet, welche "einen Teil ihrer Oberfläche, jedoch nicht die gesamte Oberfläche bedeckt, so daß entsprechende Schlitze feägelegt werden.

Um eine große magnetomotorische Kraft um 80·000 AT für die elektromagnetische Schiene zu erzeugen, muß eine hohs Stromdichte in der Größenordnung von I5 A/mm durch die Ankerspule geleitet werden, wobei in, der Ankerspule eine große Jouische Wärme entwickelt wird. 7/enn beispielsweise Züge von jeweils 3oo m Länge in 5 Minuten-Intervallen fcLt einer Geschwindigkeit von 5oo km/h auf elektromagnetischen. Schienen laufen, die jeweils Ankerspulen mit einem Leiter-

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Querschnitt von 5 cm aufweisen und aus 5>oo m langen Leiterabschnitten zusammengesetzt sind, erreicht der durch die sich mit der Zeit summierende Joulesche Wärme verursachte Temperaturanstieg der Anker-

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spule schließlich gemäß Fig. 12 einen '.Vert dicht bei 8o°C. Bei Langsamfahrt des Zuges, wobei der Strom langer angelegt wird, d.h. der Zug eine längere Zeitspanne benötigt, um den 5oo m langen elektromagnetischen Schienen-Versorgungsabschnitt zu durchfahren, ist^v dieser Teir.i^raturanstleg sogar noch höher und kann £foo° C oder sogar 1 .ooo Z an Stationen bei Fahrgeschwindigkeiten von 5o km/h betragen.Diο se Werte können sich noch beträchtlich durch die beim Pr.cHnsfin entstehende '.7Or¹HO erhöhen.

Durch diesen Übermaßen Temperaturanstieg werden die einen Teil der elektromagnetischen Schiene sowie des Spulenleiters darstellenden elektrischen Isolatoren, Füllstoffe und Schutzhüllen stark beeinträchtigt ο3·°γ sogar beschr'.iigt, wodurch ein mechanischer Ausfall d?r elektromiirnetii sehen Schiene hervorgerufen werden kann. Infolgedessen ist es höchst wünschenswert, eine wirksame Einrichtung zur Ableitung der in der elektromagnetischen Schiene entwickelten bzw. gespeicherten. Wärme vorzusehen.

Zur wirksamen Ausnutzung der Eigenschaften des Halbleiter-gesteuerten Gleichrichter-Linearmotors ist es gemäß Fig. 1 vorteilhaft, einen äußerst engen, beispielsweise etwa Io ram betragenenden Abstand C zv/ischen den Ankerspulen 21 , 21 ' und den Srregerspulen 22 der fahrzeuggetragenen Felderzeugsranordnung vorzusehen. Aus diesem Grund ist es schwierig, eine Kühleinrichtung in Form einer Kühlmittelleitung z.B. im F.aum zwischen der elektromagnetischen Schiene und der Felderzeugeranordnung anzuordnen. Beider erfIndungsgemäßen elektromagnetischen Schiene mit Induktionsspule ist es jedoch möglich, die in der Ankerspule entwickelte '.Värme wirksam abzuleiten und die mechanische Festigkeit zu erhöhen, indem die Ebene der Ankerspule in lotrechter Richtung angeordnet, eine Leitung 23 aus einem hochleitfähigen, nicht-magnetischen Metall, etwa Kupfer, Aluminium oder rostfreier Stahl, zum Durchleiten eines Kühlmittels wie Luft, öl oder Wasser über den in einer geraden Linie angeordneten Induktionsspulen angeordnet und eine Spile X vorgesehen wird, die durch materialeinheitliches Vergießen der Ankerspule gebildet

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wird, welche in zwei Hälften unterteilt ist, die gemäß Fig. 1 zu beiden Seiten der Leitung 23 angeordnet sind. Die aus nichtmagnetischem Metall bestehende Leitung 23 kann gemäß Fig. 2 an ihrer Innenfläche mit Rippen 25 besetzt sein oder gemäß Fig. 3 T-förmigen Querschnitt besitzen, um ihr Wärmeableitungsvermögen zu erhöhen.

Der ortsfeste Träger 3o für die vergossene Spulenanordnung kann auf die in Fig. k dargestellte Weise konstruiert sein. Der in Fig. >: dargestellte Träger 3o besteht aus nicht-magnetischem Metall, wie Aluminium, und ist an seiner Oberseite mit einer langgestreckten •Rut 26 zur Aufnahme einer Induktionsspule 2Zf und mit einem Kühlmittel· kanal 27 unter der Nut 26 versehen. Die in der Ankerspule und in der Induktionsspule erzeugte Joulesche Wärme kann durch Hindurchleiten eines zweckmässigen Kühlmittels durch den Kühlmittelkanal 27 wirksam abgeleitet v/erden. Bei Verwendung des Trägers 3o gemäß Fig. Zf könne zu beiden Seiten des Trägers mit Hilfe elektrischer Isolatoren 28 Stromabneherleitungen 29 für die Erregerspulen 22, 22' der Felderzeuge ranordnung befestigt werden.

Wenn der Träger 3o selbst als Stromabnehmerleitung für die Feld-Erregerspulen 22, 22· benutzt werden soll, kann er aus einem nicht-•nagnetischen Metall hergestellt und in zwei Längshälften unterteilt, werden, die durch einen zwischengefügten Isolator miteinander verbunden werden. Die Stromabnehmer bzw. -Kollektoren Y für die Feldspulen 22, 22' sind dabei so angeordnet, daß sie längs der Seitenflächen des Trägers schleifen.

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Claims

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Japanese National Railways · J]" Jy|| '

Patentansprüche

. Elektromagnetische Schiene für den Linearmotorantrieb eines Schienenfahrzeuges, bei welcher auf einen ortsfesten Träger mit lotrecht stehender Spulenebene in Längsrichtung der Schiene hintereinander angeordnete Ankerspulen in gegenseitiger Überlappung vorgesehen sind und mittels phasenversetzter Steuerung über Halbleiter-Stromrichter im Sinne der Erzeugung eines entsprechend der Fahrzeuggeschwindigkeit fortschreitenden Wanderfeldes gespeist sind, um dem Fahrzeug in Verbindung mit einer fahrzeugseitigen gleichstromgespeisten Felderzeugeranordnung eine Antriebskraft und eine Schwebekraft zu erteilen, dadurch gekennzeichnet, daß unter den Ankerspulen eine Anzahl von kurzgeschlossenen 'Induktionsspulen (2.Li) angeordnet r t, '•r. Tängsrichtung der Schiene auf einer geraden Linie angeordnet sind und deren Spulenebenen lotrecht liegen, daß die Induktionsspulen (2/f) in der Weise auf dem Träger (3o) montiert sind, daß sie durch den von der am Schienenfahrzeug montierten Felderzeugeranordnung (22,22·) erzeugten Magnetfluß verkoppelt werden und dabei eine Schwebe- und eine Bremskraft erzeugen, und daß eine aus nicht magnetischem Metall bestehende Leitung (23) zur Förderung eines Kühlmittels oberhalb oder unterhalb der Induktionsspulen (24) angeordnet ist«
2. Elektromagnetische Schiene nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die Ankerspule (21,21') die Metall-Leitung (23) und die

Induktionsspulen (2/|) zu einer untrennbaren Einheit zusammengesetzt sind, die auf dem Träger C3o^ montiert ist.

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y. Elektromagnetische Schiene nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (3o) aus einem nicht magnetischen Werkstoff besteht und an seiner Oberseite mit einer längsverlaufenden Nut (26) zur Aufnahme der Induktionsspule (24) und unterhalb der riut (26) mit einer Leitung (27) zur Förderung von Kühlmitteln versehen ist, und daß Einrichtungen (Y,28, 29) zur Zufuhr von Erregerstrom zu einer am Schienenfahrzeug montierten Felderzeugeranordnung (22,22·) mit zwischengefügten Isolatoren (28) zu beiden Seiten des Trägers (3o) montiert sind.

L·. Elektromagnetische Schiene nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ankerspule (21 ,21 ' ) au beiden Seiten der Leitung (2.3) angeordnet ist.

5· Elektromagnetische Schiene nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (3o) selbst aus zwei Längshälften aus nicht magnetischen Metall besteht, die mit einem zwischengefügten Isolator gegeneinander verspannt sind, und daß die beiden Seitenflächen des Trägers (3o) mit Stromabnehmern für eine am Schienenfahrzeug montierte Felderregerspule (22,22') in Schleifberührung (Y) bringbar sind, und daß der Träger (3o) mit zwischengefügtem Isolator auf einer am Boden angeordnete Konstruktion montiert ist.

6· Elektromagnetische Schiene nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Aiikerspule und die Induktionsspulen (24) eine elektrisch leitfähige Abschirmschicht eingefügt ist, die so ausgebildet ist, daß ein Wirbelstromfluß in ihr verhindert wird.

7· Elektromagnetische Schiene nach Anspruch 1 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Ankprspule und den Träger eine elektrisch leitfähige Abschirmschicht eingefügt ist, die so ausgebildet ist, daß ein Wirbelstromfluß in ihr verhindert wird.

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