DE3905582A1 - Schwebe-, antriebs- und fuehrungsvorrichtung fuer eine magnetschwebebahn mit induktiver abstossung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schwebe-, Antriebs- und Führungsvorrichtung für eine Magnetschwebebahn mit induktiver Abstoßung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 bzw. 2.

Magnetschwebebahnen mit induktiver Abstoßung bzw. Repulsion sind allgemein bekannt. Ein Beispiel einer solchen Bahn, insbesondere deren Antriebs- und Führungsmechanismus, wird nachfolgend mit Bezug auf die Fig. 1 bis 4 erläutert.

An beiden Seiten des Fahrgestells 4 eines Fahrzeugs VH der Magnetschwebebahn sind supraleitende Spulen 1, 1′ senkrecht befestigt. Leiterspulen 2, 2′, die Gebrauch von Antriebs- wie auch Führungskräften für die Führung wie auch den Antrieb des Fahrzeugs VH machen, sind in vorbestimmten Abständen in Bewegungsrichtung des Fahrzeugs längs der beiden inneren Seitenwände eines Fahrbahnbettes 9 mit U-förmigem Querschnitt fortlaufend in senkrechter Ausrichtung angeordnet. Diese Leiterspulen 2, 2′ sind so angeordnet, daß sie mit den am Fahrzeug 4 befestigten, supraleitenden Spulen 1, 1′ elektromagnetisch gekoppelt werden können. Schleifenförmige Leiterspulen 3, 3′, die das Fahrzeug in der Schwebe halten können, sind in horizontaler Ausrichtung auf der Bodenfläche des Fahrbahnbettes 9 angeordnet und erstrecken sich fortlaufend in Bewegungsrichtung des Fahrzeugs VH. Die Anordnung der Spulen ist in Fig. 2 verdeutlicht. Auf das Fahrzeug VH wirkt mit Hilfe der schleifenförmigen Leiterspulen 3, 3′ und der supraleitenden Spulen 1, 1′ eine Schwebekraft ein, während das Fahrzeug mit Hilfe der supraleitenden Spulen 1, 1′ und der Leiterspulen 2, 2′ angetrieben und geführt wird.

Dies wird nachfolgend anhand der Fig. 2(a) bis 4 näher erläutert.

Wie aus den Fig. 1 und 2(a) ersichtlich, sind die supraleitenden Spulen 1, 1′ in vorbestimmten Abständen in Bewegungsrichtung des Fahrzeugs VH auf beiden Seiten des Fahrgestells 4 vertikal angeordnet. Die schleifenförmigen Leiterspulen 3, 3′ für die Schwebung des Fahrzeugs sind auf dem Boden des Fahrbahnbettes 9 horizontal angeordnet und erstrecken sich kontinuierlich in Bewegungsrichtung des Fahrzeugs, wobei zwischen jeweils zwei aufeinanderfolgenden Leiterspulen 3, 3′ ein vorbestimmter Abstand vorgesehen ist. Die Anordnung dieser Leiterspulen 3, 3′ ist dabei so getroffen, daß zwischen diesen Leiterspulen 3, 3′ und den supraleitenden Spulen 1, 1′ eine magnetische Induktion stattfinden kann. Solange sich das Fahrzeug im Stillstand befindet, wird der von den supraleitenden Spulen 1, 1′ erzeugte magnetische Fluß nicht von den schleifenförmigen Leiterspulen 3, 3′ geschnitten. Demzufolge wird in den schleifenförmigen Leiterspulen 3, 3′ kein Strom erzeugt, so daß keine elektromagnetische Wechselwirkung zwischen den supraleitenden Spulen 1, 1′ und den schleifenförmigen Leiterspulen 3, 3′ auftritt. Das Fahrzeug VH wird mittels eines Linearmotors in Bewegung gesetzt, der aus den am Fahrgestell 4 befestigten, supraleitenden Spulen 1, 1′ und den längs des Fahrbahnbettes 9 angeordneten Leiterspulen 2, 2′ aufgebaut ist, die dem Antrieb und der Führung des Fahrzeugs VH dienen. Bewegt sich das Fahrzeug auf diese Art und Weise, so bewegen sich die supraleitenden Spulen 1, 1′ längs der schleifenförmigen Leiterspulen 3, 3′, die in vorbestimmten Abständen längs des Fahrbahnbettes 9 in Bewegungsrichtung des Fahrzeugs VH angeordnet sind. Demzufolge wird ein von den supraleitenden Spulen 1, 1′ erzeugter magnetischer Fluß von den schleifenförmigen Leiterspulen 3, 3′ für die Schwebung geschnitten, so daß in den beiden letzteren ein Strom induziert wird.

Wie aus Fig. 3 ersichtlich, steigt der induzierte Strom mit einer Zunahme der Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeuges VH an, wobei bei einer bestimmten Fahrgeschwindigkeit von etwa 200 km/h eine Sättigung des Stromes eintritt. Der induzierte Strom behält diesen Sättigungswert bei, solange das Fahrzeug sich mit dieser Geschwindigkeit oder schneller bewegt. In den in Fig. 2(a) gezeigten, schleifenförmigen Leiterspulen 3, 3′ für die Schwebung des Fahrzeugs wird ein verketteter Fluß R, wie dies in Fig. 2(b), die lagemäßig den Spulen 3, 3′ entspricht, dargestellt ist, während gleichzeitig eine Spannung e für das Schwebenlassen des Fahrzeugs in diesen Spulen induziert wird, wie dies in Fig. 2(c) gezeigt wird, die gleichfalls lagemäßig den Spulen 3, 3′ entspricht, so daß ein Strom i mit dem in Fig. 2(d) gezeigten Verlauf durch diese Spulen fließt. Fließt ein Strom ia in der in Fig. 2(e) gezeigten Richtung durch die supraleitenden Spulen 1, 1′, so fließt der in den Leiterspulen 3, 3′ durch diesen Strom ia induzierte Strom in der in Fig. 2(e) gezeigten Richtung. Gemäß der Linken-Hand-Regel von Fleming wird demzufolge eine Hub- bzw. Schwebekraft F = B × ia in den supraleitenden Spulen 1, 1′ erzeugt, wobei B die von den Leiterspulen 3, 3′ erzeugte magnetische Induktion und ia der durch die supraleitenden Spulen 1, 1′ fließende Strom ist. Somit wird das Fahrzeug VH durch eine Abstoßungskraft in der Schwebe gehalten, die zwischen den Strömen wirkt, die in den auf dem Fahrgestell 4 vorgesehenen supraleitenden Spulen 1, 1′ und in den auf dem Fahrbahnbett 9 vorgesehenen Leiterspulen 3, 3′ induziert werden.

Nachfolgend wird der Antrieb und die Führung des Fahrzeugs VH beschrieben.

Die Querschnittsflächen der für den Antrieb und die Führung dienenden Leiterspulen 2, 2′ sind gleich. Außerdem entspricht der Abstand zwischen der supraleitenden Spule 1 und der Leiterspule 2 dem Abstand zwischen der supraleitenden Spule 1′ und der Leiterspule 2′. Wie aus Fig. 4 ersichtlich, sind die Leiterspulen 2, 2′ für Antrieb und Führung mit Null-Fluß verbunden.

Mit den Leiterspulen 2, 2′ steht eine Mehrphasen- Antriebsstromquelle 8 mit drei oder mehr Phasen in Verbindung, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist, wobei Ströme mit gleicher Richtung durch die Leiterspulen 2, 2′ fließen, wie dies anhand der mit vollen Linien dargestellten Pfeile in Fig. 4 verdeutlicht ist. Demzufolge wird nach der Linken-Hand-Regel von Fleming eine elektromagnetische Kraft, die die supraleitenden Spulen 1, 1′ in Vorwärtsrichtung treibt, zwischen den senkrechten Segmenten der Leiterspulen 2, 2′ und den senkrechten Segmenten der supraleitenden Spulen 1, 1′ hervorgerufen, so daß letztlich eine Antriebskraft erzeugt wird, die das mit den supraleitenden Spulen 1, 1′ versehene Fahrzeug VH antreibt.

Nimmt man an, daß während der Bewegung des in Fig. 1 gezeigten Fahrzeugs VH die verketteten Flüsse, die in den den supraleitenden Spulen 1, 1′ entsprechend gegenüberliegenden Leiterspulen 2, 2′ für Antrieb und Führung erzeugt werden, als R g und R g′ bezeichnet werden, so gilt die Beziehung R g = R g′, falls das Fahrzeug VH keine seitliche Versetzung aufweist. Demzufolge ergibt sich der für ein Paar Spulen ausbildende verkettete Magnetfluß zu R g-R g′ = 0; d. h. es wird kein Strom induziert und somit keine Führungskraft erzeugt.

Befindet sich andererseits das Fahrzeug VH (Fig. 1) in einem seitlich versetzten Zustand, so gilt bei einer Versetzung nach links R g < R g′ oder bei einer Versetzung nach rechts R g < R g′, wobei der von dem Spulenpaar ausgebildete, verkettete Fluß sich zu R g - R g′ = ±Δ R g′ ergibt. Demzufolge wird eine der Versetzung proportionale Führungskraft in eine Richtung erzeugt, die die Versetzung zu Null macht. Wie im einzelnen in Fig. 4 dargestellt, fließt infolge der Versetzung der supraleitenden Spule nach links ein Strom, der eine durch den gestrichelten Pfeil verdeutlichte Richtung aufweist, durch die Leiterspule 2 für Antrieb und Führung, woraufhin eine Abstoßkraft wirkt, die das versetzte Fahrzeug in seinen ursprünglichen Zustand gemäß der Linken-Hand-Regel von Fleming zurückführt. Andererseits wird auch die supraleitende Spule 1, nach links versetzt, jedoch ruft diese Versetzung einen Stromfluß durch die Leiterspule 2′ für Antrieb und Führung hervor, dessen Richtung durch den gestrichelten Pfeil dargestellt ist. Demzufolge wird nach der Linken-Hand-Regel von Fleming die supraleitende Spule 1′ zur Leiterspule 2′ hingezogen.

Bei diesem System wird die Leistungsaufnahme, das Auslaufen, das Bremsen und das Anhalten des Fahrzeuges VH durch Steuern des Stromes bewirkt, der von der Antriebsstromquelle 8 in die Leiterspulen 2, 2′ für Antrieb und Führung fließt.

Beginnt sich das Fahrzeug VH infolge der von den Leiterspulen 2, 2′ erzeugten Antriebskraft zu bewegen, so wird mittels der supraleitenden Spulen 1, 1′ und den Leiterspulen 3, 3′ für das Schweben des Fahrzeugs eine Hub- bzw. Schwebekraft und mit Hilfe der supraleitenden Spulen 1, 1′ und den Leiterspulen 2, 2′ für Antrieb und Führung eine Führungskraft erzeugt. Nachdem das Fahrzeug VH eine bestimmte Geschwindigkeit erreicht hat, werden die in Fig. 1 gezeigten Hilfsräder 7, 7′ eingezogen und das Fahrzeug wird im Schwebezustand gehalten und geführt, während eine konstante Schwebe- bzw. Hubkraft beibehalten wird. Fällt die Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs VH unter einen bestimmten Wert, so nimmt die Schwebungskraft ab und die Hilfsräder 7, 7′ werden abgesenkt, um das Fahrzeug VH auf dem Fahrbahnbett 9 aufzusetzen. Wie aus Fig. 1 ersichtlich, sind an den einen Enden entsprechender Wellen 6, 6′ mechanische Führungsräder 5, 5′ drehbar befestigt, während die anderen Enden der Wellen 6, 6′ am Fahrzeug VH befestigt sind. Diese Führungsräder 5, 5′ werden ausgefahren und führen mechanisch das Fahrzeug VH, indem diese längs den Seitenwänden des Fahrbahnbettes 9 rollen, während das Fahrzeug auf seinen Hilfsrädern 7, 7′ fährt.

Bei dieser Magnetschwebebahn, bei der die Leiterspulen 3, 3′ für die Schwebung des Fahrzeugs horizontal auf dem Boden des Fahrbahnbettes 9 angeordnet und die supraleitenden Spulen 1, 1′ senkrecht an beiden Seiten des Fahrgestells 4 befestigt sind, die den beiden inneren Seitenwänden des Fahrbahnbettes 9 gegenüberliegen, muß ein großer Induktionsstrom durch die Leiterspulen 3, 3′ für die Schwebung des Fahrzeugs fließen, so daß eine Grenze dafür besteht, in welchem Ausmaß der den Leiterspulen 3, 3′ zuzuschreibende Leistungsverlust reduziert werden kann. D. h. es gibt eine Grenze dafür, wie weit der Fahrwiderstand des Fahrzeugs VH reduziert werden kann. Da außerdem eine unstabile Federkraft in seitliche Richtung durch die Leiterspulen 3, 3′ erzeugt wird, muß seitens der Leiterspulen 2, 2′ für Antrieb und Führung eine stabilisierende Federkraft erzeugt werden, die die unstabile Federkraft übersteigt.

In Verbindung damit wurde für die Verringerung des elektromagnetischen Fahrwiderstands bei einer Magnetschwebebahn die in Fig. 5 gezeigte Anordnung vorgeschlagen.

In Fig. 5 sind die Elemente, die identisch mit den in den Fig. 1 bis 4 gezeigten sind, mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Bei dieser Anordnung sind an beiden Seiten des Fahrgestells 4 des Fahrzeugs VH supraleitende Spulen 10, 10′ in horizontaler Ausrichtung befestigt, und zwar symmetrisch bezüglich der Mitte des Fahrgestells 4. Leiterspulen 12, 13 sowie 12′, 13′ von gleicher Form und Größe sind ebenso in horizontaler Ausrichtung an Wandflächen des Fahrbahnbettes 9 befestigt, die oberhalb und unterhalb der supraleitenden Spulen 10, 10′ liegen. Die Leiterspulen 12 und 13 sowie auch die Leiterspulen 12′ und 13′ sind mit Null-Fluß verbunden, wobei die Leiterspulen 12 und 13 bzw. 12′ und 13′ eine Leiterspule 11 bzw. 11′ bilden. Diese Leiterspulen 11, 11′ sind in vorbestimmten Abständen in Längsrichtung des Fahrbahnbettes 9 fortlaufend angeordnet.

Bei dieser Anordnung wird die Hub- bzw. Schwebungskraft mit Hilfe der Leiterspulen 12 und 13 bzw. 12′ und 13′ erzeugt. Sind die am Fahrgestell 4 befestigten supraleitenden Spulen 10, 10′ an Stellen zwischen den oberen und unteren Leiterspulen 12 und 13 bzw. 12′ und 13′ angeordnet, so wird der verkettete Magnetfluß der supraleitenden Spulen 10, 10′ wie auch der elektromagnetische Fahrwiderstand zu Null. Werden die supraleitenden Spulen 10, 10′ nach oben oder unten versetzt, so wirkt eine Kraft, die die supraleitenden Spulen 10, 10′ zu ihren Positionen mittig zwischen den Spulen 12, 13 und 12′, 13′ zurückführt. Werden die supraleitenden Spulen 10, 10′ jedoch nach links oder rechts versetzt, so wirkt eine unstabile Kraft in einer Richtung, die diese Versetzung vergrößert. Ein anderes Problem besteht darin, daß sowohl das Fahrgestell 4 als auch das Fahrbahnbett 9 bei dieser Anordnung einen komplizierten Aufbau aufweisen.

Es ist somit Aufgabe der Erfindung, eine Magnetschwebebahn vorzusehen, bei der der magnetische Fahrwiderstand minimiert werden kann, um die für die Fahrt erforderliche Energie in hohem Maße zu reduzieren, und bei der ein Aufbau verwendet werden kann, bei dem die Leiterspulen nicht auf der Fläche des Fahrbahnbettes vorgesehen werden müssen, die unter dem Fahrzeug liegt, so daß der Aufbau des Fahrgestells und des Fahrbahnbettes vereinfacht werden kann.

Ferner soll eine Magnetschwebebahn vorgesehen werden, bei der eine Antriebsstromquelle mit einem Verbindungskabel verbunden ist, das gegenüberliegende Leiterspulen für Schwebung und Führung mit Null-Fluß verbindet, wobei eine Leiterspule die Funktionen Antrieb, Schwebung und Führung ausführt, so daß demzufolge eine noch größere Verringerung des elektromagnetischen Fahrwiderstands durch einen äußerst einfachen Spulenmechanismus erzielt werden kann.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich anhand der Merkmale des Patentanspruches 1 bzw. 2.

Gemäß der Erfindung wird eine Magnetschwebebahn vorgeschlagen, bei der die supraleitenden Spulen senkrecht zu beiden Seiten des Fahrgestells des Fahrzeugs der Magnetschwebebahn angeordnet sind. Ferner sind Leiterspulen für den Antrieb, die gegenüber den supraleitenden Spulen liegen können, in vorbestimmten Abständen fortlaufend längs der beiden Seitenwände eines Fahrbahnbettes angeordnet, wobei mit diesen Leiterspulen eine Antriebsstromquelle in Verbindung steht. Leiterspulen für Schwebung und Führung, die jeweils durch eine Null-Fluß-Verbindung einer oberen und einer unteren Leiterspule ausgebildet sind, sind auf den Seiten der den supraleitenden Spulen gegenüberliegenden Leiterspulen für den Antrieb längs der Fahrrichtung des Fahrzeugs in vorbestimmten Abständen angeordnet, wobei eine dieser Leiterspulen für Schwebung und Führung in Null-Fluß-Verbindung mit der gegenüberliegend angeordneten anderen Leiterspule für Schwebung und Führung steht.

Außerdem kann eine Anordnung vorgesehen werden, bei der die Leiterspulen für den Antrieb nicht separat vorgesehen sind. In einem solchen Fall ist die Antriebsstromquelle mit einer Verbindungsleitung verbunden, die eine Null-Fluß-Verbindung der auf beiden Seitenwänden des Fahrbahnbettes gegenüberliegend angeordneten Leiterspulen für Schwebung und Führung vorsieht, so daß ein Paar Leiterspulen gleichzeitig dem Schwebenlassen, dem Antrieb und der Führung des Fahrzeugs VH dienen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Fig. 6 bis 12 näher erläutert. Die Zeichnung zeigt insgesamt in:

Fig. 1 eine Beispiel einer bekannten Magnetschwebebahn mit induktiver Abstoßung im Teilschnitt;

Fig. 2(a) ein Diagramm, das die Beziehung zwischen den am Fahrzeug vorgesehenen supraleitenden Spulen und den für die Erzeugung eines Schwebezustands des Fahrzeugs dienenden Leiterspulen bei der in Fig. 1 gezeigten Magnetschwebebahn wiedergibt;

Fig. 2(b) ein Zeitdiagramm, das den magnetischen Fluß verdeutlicht, der die Leiterspulen auf dem Fahrbahnbett in Fig. 2(a) verkettet;

Fig. 2(c) ein Zeitdiagramm, das die vom magnetischen Fluß in Fig. 2(b) erzeugte Spannung verdeutlicht;

Fig. 2(d) ein Zeitdiagramm, das den von der Spannung in Fig. 2(c) erzeugten Strom verdeutlicht;

Fig. 2(e) ein supraleitende Spule und eine für die Schwebung des Fahrzeugs vorgesehene Leiterspule im Schnitt, der die Strominduktion in den Leiterspulen für die Schwebung mit Hilfe der am Fahrzeug befindlichen supraleitenden Spulen wie auch die magnetische Schwebung der supraleitenden Spulen verdeutlicht;

Fig. 3 ein Diagramm, das die bekannte Beziehung zwischen der Fahrgeschwindigkeit und dem induzierten Strom im Fahrzeug einer Magnetschwebebahn wiedergibt;

Fig. 4 ein Schaltdiagramm, das die elektrischen Verbindungen der am Fahrzeug in Fig. 1 vorgesehenen supraleitenden Spulen sowie der am Fahrbahnbett vorgesehenen Leiterspulen für Antrieb und Führung verdeutlicht;

Fig. 5 ein anderes bekanntes Beispiel einer Magnetschwebebahn im Teilschnitt, wobei diese Magnetschwebebahn zur Reduzierung des elektromagnetischen Fahrwiderstandes vorgeschlagen wurde;

Fig. 6 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Magnetschwebebahn mit induktiver Abstoßung in Schnittansicht;

Fig. 7 ein Schaltdiagramm, das die Schaltungsanordnung der Leiterspulen für den Antrieb und der Leiterspulen für die Schwebung und Führung in Fig. 6 wiedergibt;

Fig. 8 ein Schaltdiagramm, das die Schwebewirkung der Leiterspulen für Schwebung und Führung in Fig. 6 verdeutlicht;

Fig. 9 ein Schaltdiagramm, das die Führungswirkung der Leiterspulen für Schwebung und Führung in Fig. 6 verdeutlicht;

Fig. 10 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Magnetschwebebahn mit induktiver Abstoßung;

Fig. 11(a) ein Schaltdiagramm, das die Schaltungsanordnung der in Fig. 10 gezeigten Leiterspulen wiedergibt;

Fig. 11(b) ein Schaltdiagramm zur Erläuterung der Schwebewirkung der in Fig. 10 gezeigten Leiterspulen;

Fig. 11(c) ein Schaltdiagramm zur Erläuterung der Führungswirkung der in Fig. 10 gezeigten Leiterspulen und

Fig. 12 ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Magnetschwebebahn mit induktiver Abstoßung.

Die Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die Fig. 6 bis 12 beschrieben, wobei Elemente, die mit den in den Fig. 1 bis 5 gezeigten identisch sind, mit gleichen Bezugszeichen versehen sind.

Längs der Fahrrichtung des Fahrzeugs VH sind in vorbestimmten Abständen Leiterspulen 14, 14′ für den Antrieb an den beiden inneren Seitenwänden eines U-förmigen Fahrbahnbettes 9 gegenüberliegend angeordnet. Wie aus Fig. 7 ersichtlich, steht eine dreiphasige Antriebsstromquelle 20 (z. B. kann ein Mehrphasenmotor mit mehr als drei Phasen Verwendung finden) mit den Antriebs-Leiterspulen 14, 14′ in Verbindung. Obwohl in Fig. 7 die Antriebs-Leiterspule 14′, die an der näheren Seitenwand des Fahrbahnbettes 9 angeordnet ist, nicht dargestellt ist, so ist diese Antriebs-Leiterspule 14′ auf der näheren Seitenwand des Fahrbahnbettes 9 in der gleichen Art und Weise wie die Antriebs-Leiterspule 14 angeordnet, wobei auch die Antriebsstromquelle 20 mit dieser Antriebs- Leiterspule 14′ in der gleichen Art und Weise verbunden ist. Auf den den supraleitenden Spulen 1, 1′ gegenüberliegenden Seiten der Antriebs-Leiterspulen 14, 14′ sind Leiterspulen 15, 15′ für Schwebung und Führung gegenüberliegend angeordnet, die in vorbestimmten Abständen in Fahrrichtung des Fahrzeugs VH fortlaufend vorgesehen sind. Jede Leiterspule 15 weist eine obere Spule 16 und eine untere Spule 17 von gleicher Form und mit gleichen Abmessungen auf, die mit Nullfluß verbunden sind. Jede Leiterspule 15′ weist eine obere Spule 16′ und eine untere Spule 17′ von gleicher Form und mit gleichen Abmessungen auf. Die gegenüberliegenden Leiterspulen 15, 15′ für Schwebung und Führung sind dann wieder über Verbindungsleitungen 18, 19 mit Null-Fluß verbunden.

Der Aufbau ist dabei so getroffen, daß, wenn die Hilfsräder 7, 7′ des Fahrzeugs VH in Berührung mit dem Fahrbahnbett 9 stehen, die vertikalen Mittelpunkte der supraleitenden Spulen 1, 1′, der Leiterspulen 15, 15′ für Schwebung und Führung und der Antriebs-Leiterspulen 14, 14′ auf der gleichen horizontalen Linie liegen. Die oberen Spulen 16, 16′ und die unteren Spulen 17, 17′ der Leiterspulen 15, 15′ für Schwebung und Führung sind vertikalsymmetrisch um entsprechende, vorbestimmte Punkte auf der horizontalen Linie ausgerichtet.

Infolge des oben beschriebenen Aufbaus fließen bei Leistungszufuhr seitens der Antriebsstromquelle 20 Ströme in die Antriebs-Leiterspulen 14, 14′, die die in Fig. 7 gezeigten Richtungen aufweisen, so daß durch jedes der vertikalen Segmente eine Antriebskraft erzeugt wird.

Bewegt sich das Fahrzeug VH, während seine Hilfsräder 7, 7′ sich in Kontakt mit dem Fahrbahnbett 9 befinden, so ist der durch die Leiterspulen 15, 15′ für Schwebung und Führung entfaltete, verkettete Fluß gleich Null, der Strom gleich Null und der elektromagnetische Widerstand gleich Null.

Der Grund dafür ist darin zu sehen, daß zwischen den supraleitenden Spulen 1, 1′ und den Leiterspulen 15, 15′ für Schwebung und Führung die oben erläuterte Lagebeziehung besteht, während die obere Spule 16 und die untere Spule 17, wie auch die obere Spule 16′ und die untere Spule 17′ mit Null-Fluß verbunden sind.

Bewegt sich andererseits das Fahrzeug VH im Schwebezustand, während die Hilfsräder 7, 7′ eingefahren sind, so kommen die vertikalen Mittelpunkte der supraleitenden Spulen 1, 1′ unter den vertikalen Mittelpunkten der Leiterspulen 15, 15′ für Schwebung und Führung zu liegen, wodurch eine Differenz im verketteten Magnetfluß zwischen der oberen Spule 16 und der unteren Spule 17 und zwischen der oberen Spule 16′ und der unteren Spule 17′ erzeugt wird. Zu einem solchen Zeitpunkt werden die in Fig. 8 veranschaulichten Ströme in der oberen Spule 16 und der unteren Spule 17 und in der oberen Spule 16′und der unteren Spule 17′ induziert. Demzufolge wirkt zwischen den horizontalen Segmenten 16 a, 16 a′ der beiden oberen Spulen 16, 16′ und den oberen horizontalen Segmenten der supraleitenden Spulen 1, 1′ eine Anziehungskraft, während zwischen den horizontalen Segmenten 17 a, 17 a′ der beiden unteren Spulen 17, 17′ und den unteren horizontalen Segmenten der supraleitenden Spulen 1, 1′ eine Abstoßungskraft wirkt. Infolge dieser Abstoßungs- und Anziehungskräfte wird eine Hub- bzw. Schwebekraft erzeugt, die versucht, die supraleitenden Spulen 1, 1′ nach oben zu bringen, wobei die supraleitenden Spulen 1, 1′ eine Stabilität an einer Stelle erreichen, bei der das Gewicht des Fahrzeugs VH ausgeglichen ist. Da die obere Spule 16 und die untere Spule 17 wie auch die obere Spule 16′ und die untere Spule 17′ die Hub- bzw. Schwebekraft effektiv mit einem geringen Strom erzeugen, liegt ein geringer elektromagnetischer Fahrwiderstand vor.

Die supraleitenden Spulen 1, 1′ sind bezüglich der in Längsrichtung verlaufenden Mittellinie des Fahrbahnbettes 9 symmetrisch angeordnet, wobei die gegenüberliegenden oberen Spulen 16, 16′ und die gegenüberliegenden unteren Spulen 17, 17′ über Verbindungsleitungen 18, 19 mit Null-Fluß verbunden sind. Befindet sich das Fahrzeug VH in der Mitte des Fahrbahnbettes 9, so wird der verkettete Fluß nicht zu Null, selbst wenn keine seitliche Versetzung des Fahrzeuges VH im Schwebezustand vorliegt. Da die verketteten Flüsse der Leiterspulen 15, 15′ für Schwebung und Führung jedoch gleich sind, fließen keine Ströme durch die Verbindungsleitungen 18, 19. Demzufolge wird keine seitlich gerichtete Kraft erzeugt.

Weist das in Fig. 6 gezeigte Fahrzeug VH jedoch z. B. eine Versetzung nach links auf, während es sich im Schwebezustand bewegt, so entsteht zwischen den oberen Spulen 16, 16′ und den unteren Spulen 17, 17′ bezüglich des verketteten Flusses eine Differenz. Damit die supraleitenden Spulen 1, 1′ diese Änderung des verketteten Flusses bewältigen können, werden die in Fig. 9 gezeigten Ströme in den Leiterspulen 15, 15′ für Schwebung und Führung induziert, wodurch eine Führungskraft erzeugt wird, die die supraleitenden Spulen 1, 1′ in die Mitte der Bahn zurückbringt. Mit anderen Worten, zwischen dem horizontalen Segment 16 a der oberen Spule 16 und dem oberen horizontalen Segment der supraleitenden Spule 1 und zwischen dem horizontalen Segment 17 a der unteren Spule 17 und dem unteren horizontalen Segment der supraleitenden Spule 1 wirken Abstoßungskräfte, und zwischen dem horizontalen Segment 16 a′ der oberen Spule 16′ und dem oberen horizontalen Segment der supraleitenden Spule 1′ und zwischen dem horizontalen Segment 17 a′ der unteren Spule 17′ und dem unteren horizontalen Segment der supraleitenden Spule 1′ wirken Anziehungskräfte. Diese Kräfte bringen die supraleitenden Spulen 1, 1′ und somit das Fahrzeug in die Mitte der Bahn zurück.

Die Fig. 10 bis 11(c) verdeutlichen ein zweites Ausführungsbeispiel einer Magnetschwebebahn mit induktiver Abstoßung. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich vom ersten Ausführungsbeispiel hauptsächlich dadurch, daß Leiterspulen, die den Antriebs-Leiterspulen 14, 14′ des ersten Ausführungsbeispiels entsprechen, nicht vorgesehen sind und daß Leiterspulen, die den gleichen Aufbau wie die Leiterspulen 15, 15′ für Schwebung und Führung des ersten Ausführungsbeispiels aufweisen, vorgesehen sind, die die Funktionen des Schwebens, des Antriebs und der Führung ausüben.

Wie aus Fig. 10 ersichtlich, sind auf den beiden Seitenwänden eines U-förmigen Fahrbahnbettes 9 Leiterspulen 21, 21′ gegenüberliegend angeordnet, die in vorbestimmten Abständen längs der Fahrtrichtung des Fahrzeuges VH fortlaufend vorgesehen sind. Der Aufbau dieser Leiterspulen 21, 21′ ähnelt dem der Leiterspulen 15, 15′ für Schwebung und Führung beim ersten Ausführungsbeispiel. D. h. die Leiterspule 21 (21′) weist eine obere Spule 22 (22′) und eine untere Spule 23 (23′) auf, die die gleiche Form und die gleichen Abmessungen besitzen und mit Nullfluß verbunden sind. Die an den beiden inneren Seitenwänden des U-förmigen Fahrbahnbettes 9 vorgesehenen, sich gegenüberliegenden Leiterspulen 21, 21′ sind mit Null-Fluß verbunden. Steht das Fahrzeug VH über seine Hilfsräder 7, 7′ mit dem Boden in Berührung, so liegen der vertikale Mittelpunkt der Leiterspule 21 und der vertikale Mittelpunkt der supraleitenden Spule 1 auf der gleichen horizontalen Linie, wobei die obere Spule 22 und die untere Spule 23 bezüglich eines vorbestimmten Punktes auf dieser horizontalen Linie symmetrisch angeordnet sind. Die Leiterspule 21′ weist exakt den gleichen Aufbau und exakt die gleiche Anordnung wie die Leiterspule 21 auf. Außerdem entspricht die obere Spule 22′ der oberen Spule 22 und die untere Spule 23′ der unteren Spule 23.

Eine für den Antrieb vorgesehene dreiphasige Stromquelle 26 (oder eine mehrphasige Stromquelle mit mehr als drei Phasen) steht mit Verbindungsleitungen 24, 25 in Verbindung, die die gegenüberliegend angeordneten Leiterspulen 21, 21′ mit Null- Fluß verbinden. Falls eine dreiphasige Stromquelle als Antriebsstromquelle Verwendung findet, so ist die Anordnung derart, daß die Phasen sukzessive mit jeder dritten Leiterspule verbunden sind.

Wird dem oben beschriebenen Aufbau Leistung seitens der Antriebsstromquelle 26 zugeführt, so fließt ein Antriebsstrom durch die Leiterspule 21, und zwar über einen Knoten 27 der Verbindungsleitung 24 von a über b, c und d zu einem Knoten 27′ und von e über f, g und h zum Knoten 27′ und ein Antriebsstrom durch die Leiterspule 21′, und zwar über den Knoten 27 der Verbindungsleitung 24 von a′ über b′, c′ und d′ zum Knoten 27′ und von e′ über f′, g′ und h′ zum Knoten 27′, wie dies aus Fig. 11(a) ersichtlich ist. Ströme mit gleicher Richtung fließen durch jede der Spulen 22, 23, 22′ und 23′, wie dies in der Zeichnung durch die Pfeile dargestellt ist. Die Antriebskraft wird durch Erzeugung eines elektromagnetischen Flusses in Vorwärtsrichtung des Fahrzeugs VH zwischen den vertikalen Segmenten der Leiterspulen 21, 21′, nämlich den Segmenten a-b, c-d, e-f, g-h, a′-b′, c′-d′, e′-f′, g′-h′, und den vertikalen Segmenten der supraleitenden Spulen 1, 1′ erzeugt.

Unterdessen werden Schwebe- und Führungskräfte in der gleichen Art und Weise erzeugt, wie dies vorstehend in Verbindung mit den Fig. 8 und 9 beschrieben wurde. Dies wird nochmals mit Bezug auf die Fig. 11(b) und 11(c) erläutert.

Bewegt sich das Fahrzeug VH auf seinen Hilfsrädern 7, 7′, so ist der von den Leiterspulen 21, 21′ für Schwebung und Führung entfaltete verkettete Fluß gleich Null, der Strom gleich Null und der elektromagnetische Widerstand gleich Null. Dies liegt in der oben erläuterten Lagebeziehung zwischen den supraleitenden Spulen 1, 1′ und den Leiterspulen 21, 21′ begründet, wobei die obere Spule 22 und die untere Spule 23 wie auch die obere Spule 22′ und die untere Spule 23′ mit Null-Fluß verbunden sind. Geht das Fahrzeug VH hingegen in den Schwebezustand über, so fallen die vertikalen Mittelpunkte der supraleitenden Spulen 1, 1′ gegenüber den vertikalen Mittelpunkten der Leiterspulen 21, 21′, wodurch zwischen der oberen Spule 22 und der unteren Spule 23 bzw. der oberen Spule 22′ und der unteren Spule 23′ bezüglich des verketteten Magnetflusses eine Differenz hervorgerufen wird. Hierbei werden die in Fig. 11(b) angedeuteten Ströme in den oberen Spulen 22, 22′ und den unteren Spulen 23, 23′ induziert. Infolge der Abstoßungs- und Anziehungskräfte zwischen den horizontalen Segmenten der Spulen 22, 23, 22′ und 23′ wird eine Hub- bzw. Schwebungskraft erzeugt, die versucht, die supraleitenden Spulen 1, 1′ nach oben zurückzuführen, wobei die supraleitenden Spulen 1, 1′ sich an einer Stelle stabilisieren, an der das Gewicht des Fahrzeugs VH ausgeglichen ist, und zwar in einer Art und Weise wie dies vorstehend beschrieben wurde.

Die supraleitenden Spulen 1, 1′ sind bezüglich der in Längsrichtung verlaufenden Mittellinie des Fahrbahnbettes 9 symmetrisch angeordnet, wobei die sich gegenüberliegenden oberen Spulen 22, 22′ und die sich gegenüberliegenden unteren Spulen 23, 23′ über Verbindungsleitungen 24, 25 mit Null-Fluß verbunden sind. Befindet sich das Fahrzeug VH in der Mitte des Fahrbahnbettes 9, so wird demzufolge der verkettete Fluß nicht zu Null, obwohl keine seitliche Versetzung des Fahrzeugs VH im Schwebezustand vorliegt. Da jedoch die verketteten Flüsse der Leiterspulen 21, 21′ gleich sind, fließen keine Ströme durch die Verbindungsleitungen 24, 25, so daß keine seitlich gerichteten Kräfte erzeugt werden.

Wird das in Fig. 10 gezeigte Fahrzeug VH während seiner Schwebefahrt z. B. nach links versetzt, so entwickelt sich eine Differenz bezüglich des verketteten Flusses zwischen den supraleitenden Spulen 1, 1′ und den oberen Spulen 22, 22′ und zwischen den supraleitenden Spulen 1, 1′ und den unteren Spulen 23, 23′. Demzufolge werden die in Fig. 11(c) gezeigten Ströme induziert, so daß eine Führungskraft erzeugt wird, die wie oben beschrieben, die supraleitenden Spulen 1, 1′ auf die Mitte des Fahrbahnbettes 9 hin ausrichtet.

Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde ein im Querschnitt U-förmiges Fahrbahnbett verwendet. Jedoch kann auch ein Fahrbahnbett Verwendung finden, daß im Querschnitt ein vorspringendes Teil darstellt. Ein derartiges Ausführungsbeispiel wird nachfolgend mit Bezug auf Fig. 12 beschrieben.

Wie aus Fig. 12 ersichtlich, sind an den beiden inneren Seitenflächen eines im allgemeinen kasten- bzw. kufenförmigen Fahrgestells 30 des Fahrzeugs VH supraleitende Spulen 31, 31′ senkrecht befestigt. An den beiden Seitenwänden eines vorspringenden Fahrbahnbettes 38 sind Leiterspulen 32, 32′ zur Durchführung von Schwebe-, Antriebs- und Führungsfunktionen angeordnet, wie dies in Verbindung mit dem zweiten Ausführungsbeispiel vorstehend beschrieben wurde, wobei die Anordnung der Leiterspulen 32, 32′ so getroffen ist, daß diese eine elektromagnetische Kopplung mit den supraleitenden Spulen 31, 31′ eingehen können. Die Leiterspule 32 weist eine obere und eine untere Spule 33 bzw. 34 und die Leiterspule 32′ eine obere und eine untere Spule 33′ bzw. 34′ auf. Die Leiterspulen 32, 32′ stehen über Verbindungsleitung 39, 40 in Verbindung. Die Hilfsräder 37, 37′ werden eingefahren, wenn sich das Fahrzeug im Schwebezustand fortbewegt. Fällt die Geschwindigkeit des Fahrzeugs unter einen bestimmten Wert, so werden die Hilfsräder 37, 37′ des Fahrzeugs VH ausgefahren und kommen mit dem Fahrbahnbett 38 in Kontakt. Mechanische Führungsräder 35, 35′ sind an den einen Enden von entsprechenden Wellen 36, 36′ drehbar befestigt, während die anderen Enden der Wellen 36, 36′ am Fahrzeug VH befestigt sind. Diese Führungsräder 35, 35′ werden ausgefahren und führen dann das Fahrzeug VH auf mechanischem Wege, indem diese längs der Seitenwände des vorspringenden Fahrbahnbettes rollen, während sich das Fahrzeug VH auf seinen Hilfsrädern 37, 37′ bewegt.

Die wesentlichen Vorteile der Erfindung können wie folgt zusammengefaßt werden:

• (1) Bei der bekannten Magnetschwebebahn mit induktiver Abstoßung sind die Leiterspulen 3, 3′ zum Erzeugen der Hub- bzw. Schwebekraft horizontal auf dem Boden des Fahrbahnbettes 9 angeordnet, während die supraleitenden Spulen 1, 1′ senkrecht an beiden Seiten des Fahrgestells 4 vorgesehen sind, wie dies aus Fig. 1 ersichtlich ist. Aufgrund dieses Aufbaus muß ein großer Induktionsstrom durch die zum Erzeugen der Schwebekraft vorgesehenen Leiterspulen 3, 3′ fließen, so daß eine Grenze dafür vorliegt, in welchem Umfang der Leistungsverlust der zum Erzeugen der Schwebekraft vorgesehenen Leiterspulen 3, 3′ verringert werden kann. D. h. mit anderen Worten, daß eine Grenze für die Reduzierung des Fahrbahnwiderstands gegeben ist. Gemäß der Erfindung kann jedoch der elektromagnetische Fahrwiderstand zu Null gemacht werden, während das Fahrzeug VH sich auf seinen Rädern bewegt. Dieser Widerstand kann jedoch selbst dann auf ein Minimum zurückgeführt werden, wenn sich das Fahrzeug VH im Schwebezustand fortbewegt. Somit kann der für die Fortbewegung des Fahrzeugs erforderliche Energiebedarf im Vergleich zum Stand der Technik in hohem Maße reduziert werden.
• (2) Ein beim bekannten System auftretendes Problem besteht darin, daß von dem zum Erzeugen der Schwebungskraft vorgesehenen Leiterspulen 3, 3′ eine unstabile Federkraft in seitlicher Richtung entfaltet wird. Gemäß der Erfindung sind die supraleitenden Spulen 1, 1′ so angeordnet, daß diese den Leiterspulen 15, 15′ für Schwebung und Führung oder den Leiterspulen 21, 21′ für Schwebung, Antrieb und Führung gegenüberliegen. Diese Maßnahme beseitigt die beim Stand der Technik auftretende unstabile Federkraft und stellt stabile Schwebe- und Führungskräfte sicher.
• (3) Gemäß der Erfindung brauchen keine Leiterspulen auf dem Boden des Fahrbahnbettes vorgesehen werden. Wird das Fahrbahnbett ausgelegt, so ist es nicht erforderlich, die Herstellungsgenauigkeit dieser Arbeit strikt zu überwachen. Außerdem besteht ein großer Freiheitsgrad für den Entwurf, da Beschränkungen bezüglich des Spalts zwischen Fahrgestell und Boden des Fahrbahnbettes nicht bestehen.
• (4) Werden die Antriebs-Leiterspulen 14, 14′, die einer hohen Spannung widerstehen müssen, getrennt und unabhängig von den Leiterspulen 15, 15′ für Schwebung und Führung angeordnet und außerdem die Leiterspulen 15, 15′ mit Null-Fluß verbunden, was in den Fig. 6 bis 9(c) der Fall ist, so müssen die Null-Fluß- Verbindungsleitungen 18, 19 lediglich niedrigen Spannungen widerstehen und können leicht verlegt und instandgehalten werden.
• (5) Falls die beiden Leiterspulen 21, 21′, die auf den beiden inneren Seitenwänden des Fahrbahnbettes 9 vorgesehen sind, gleichzeitig die Funktion des Schwebens, des Antriebs und der Führung ausführen können, was in den Fig. 10 bis 11(c) der Fall ist, nimmt der auf dem Fahrbahnbett vorgesehene Spulenmechanismus eine äußerst einfache Form an, wodurch die Installationskosten in hohem Maße reduziert werden können. Die Leiterspulen 21, 21′ und ihre Verbindungsleitungen 24, 25 müssen allerdings hoher Spannung standhalten. Der für den Antrieb erforderliche Hochspannungswert ergibt sich aus dem Gewicht des zu bewegenden Körpers, insbesondere der Anzahl der Wagen, die den Zug bzw. die Magnetschwebebahn bilden; d. h. die anzulegende Spannung kann entsprechend verringert werden, falls die Wagenanzahl verringert wird. Dies erleichtert den Aufbau und die Betriebsweisen, um mit der hohen Spannung fertigzuwerden. Die Erfindung ist somit für eine Vorrichtung zum Schwebenlassen, Antreiben und Führen eines Zugs gut geeignet, der eine vergleichsweise geringe Anzahl an Wagen aufweist.

Bei dem oben erwähnten Ausführungsbeispiel wird ein Fahrbahnbett mit einem U-förmigen Querschnittt oder einem vorsprungartigen Querschnitt verwendet (vergleiche das Fahrbahnbett 9 bzw. 38). Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Fahrbahnbetten beschränkt, da Fahrbahnbetten mit verschiedenen anderen Strukturen möglich sind. Ebenso wurden bei den vorangehenden Ausführungsbeispielen ausgeführt, daß die oberen Spulen 16, 16′ (22, 22′) und die unteren Spulen 17, 17′ (23, 23′), die am Fahrbahnbett angeordnet sind, die gleiche Form und die gleichen Abmessungen aufweisen. Aber selbst wenn diese Spulen nicht die gleiche Form und die gleichen Abmessungen aufweisen (wobei dann anders als bei den vorangegangenen Ausführungsbeispielen der verkettete Fluß selbst dann nicht Null werden würde, falls der vertikale Mittelpunkt der Leiterspule 15 (21) und der vertikale Mittelpunkt der supraleitenden Spule 1 auf der gleichen horizontalen Linie liegen würde), so wird der Leckfluß und somit der elektromagnetische Fahrwiderstand doch zu Null, falls die Formen und Abmessungen der Spulen so ausgewählt sind, daß die Gegeninduktivität zwischen den supraleitenden Spulen 1, 1′ und den Leiterspulen 15, 15′ (21, 21′) zu Null wird, falls sich das Fahrzeug auf seinen Hilfsrädern bewegt.

Somit deckt die Erfindung Fälle ab, bei denen die oberen und unteren Spulen der Leiterspulen entweder die gleiche Form oder die gleichen Abmessungen aufweisen oder nicht.

Claims (2)

1. Schwebe-, Antriebs- und Führungsvorrichtung für eine Magnetschwebebahn mit induktiver Abstoßung, gekennzeichnet durch

• - supraleitenden Spulen (1, 1′), die an beiden Seiten eines Fahrgestells (4) eines Fahrzeugs in vorbestimmten Abständen in Fahrtrichtung des Fahrzeugs (VH) in senkrechter Ausrichtung befestigt sind,
• - Leiterspulen (14, 14′) für den Antrieb, die an gegenüberliegenden Wänden eines Fahrbahnbettes (9) in vorbestimmten Abständen in Fahrtrichtung des Fahrzeuge (VH) befestigt sind,
• - eine Antriebsstromquelle (8), die mit den Leiterspulen (14, 14′) für den Antrieb verbunden ist,
• - Leiterspulen (15, 15′) für Schwebung und Führung, die jeweils eine obere und untere Leiterspule (16, 16′, 17, 17′) aufweisen, die mit Null-Fluß verbunden und auf den den supraleitenden Spulen gegenüberliegenden Seiten der Leiterspulen (14, 14′) für den Antrieb mit vertikaler Symmetrie angeordnet sind, wobei die Leiterspulen (15, 15′) für Schwebung und Führung an den sich gegenüberliegenden Wänden in vorbestimmten Abständen in Fahrtrichtung des Fahrzeugs (VH) angeordnet sind, und
• - Verbindungsleitungen (18, 19), die die auf den sich gegenüberliegenden Wänden des Fahrbahnbettes (9) angeordneten Leiterspulen (15, 15′) für Schwebung und Führung mit Null-Fluß verbinden.

2. Schwebe-, Antriebs- und Führungsvorrichtung für eine Magnetschwebebahn mit induktiver Abstoßung, gekennzeichnet durch

• - supraleitende Spulen (1, 1′), die an beiden Seiten eines Fahrgestells (4) eines Fahrzeugs (VH) in vorbestimmten Abständen in Fahrtrichtung des Fahrzeugs (VH) in senkrechter Ausrichtung befestigt sind,
• - Leiterspulen (21, 21′) für Schwebung, Antrieb und Führung, die jeweils eine obere und eine untere Spule (22, 23; 22′, 23′) einschließen und an entsprechenden, sich gegenüberliegenden Wänden eines Fahrbahnbettes (9) mit vertikaler Symmetrie angeordnet sind, wobei die Leiterspulen für Schwebung, Antrieb und Führung in vorbestimmten Intervallen in Fahrtrichtung des Fahrzeugs (VH) angeordnet sind,
• - Verbindungsleitungen (24, 25), die die Leiterspulen (21, 21′) für Schwebung, Antrieb und Führung, die an den sich gegenüberliegenden Wänden des Fahrbahnbettes (9) befestigt sind, mit Null-Fluß verbinden und
• - eine Antriebsstromquelle (26), die mit den Verbindungsleitungen (24, 25) verbunden ist.