DE4101190A1 - Magnet-fahrzeugsystem - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Magnet-Fahrzeugsysteme für hohe Geschwindigkeiten und insbesondere auf elektrische Leiter, die beispielsweise den Statorleiter eines Induktions-Linear­ antriebes solcher magnetisch aufgehängter oder magnetisch schwe­ bender Fahrzeuge bilden.

An Hochgeschwindigkeitsfahrzeugen für den Transport von Passa­ gieren und Fracht über Land oder in innerstädtischem Verkehr hat sich ein zunehmendes Interesse entwickelt. Von den Fachleuten wurde der Versuch unternommen, die Anwendung von Reibungsantrie­ ben zwischen Fahrzeug und Fahrbahn und -schiene zu vermeiden. Um dieses Ziel zu erreichen, werden Fahrzeuge in der Luft mittels magnetischer Kräfte in einem Abstand von der Fahrbahn in der Schwebe gehalten, wobei die Erzeugung der Magnetkräfte an zu­ einander entgegengesetzten Seiten oder der Unterseite zweier im wesentlichen ununterbrochener Statorschienen erfolgen kann, die in fluchtender Lageanordnung zu Schienen mit Trag-Elektro­ magneten angeordnet sind, die an beiden Fahrzeugseiten vorgesehen sind. Ein im wesentlichen konstanter Tragspalt wird auf diese Weise zwischen den Kernen der Elektromagnete und den Stator­ schienen aufrecht erhalten. Diese Trag- und Führungssysteme vermeiden eine direkte Berührung zwischen Fahrzeug und Laufbahn, abgesehen von Stromabnehmern oder dergleichen, die vorgesehen sein können, um für das Fahrzeug eine Stromabnahme von der Fahrbahn her zu ermöglichen. Dadurch werden Reibungskräfte zwischen Fahrzeug und Fahrbahn verringert oder vermieden.

Es wurde auch der Versuch unternommen, Drehantriebsmotoren an konventionellen Fahrzeugen durch induktive Linearantriebe zu ersetzen, die so ausgebildet sind, daß eine Vortriebskraft auf das Fahrzeug ausgeübt wird, ohne daß vom Fahrzeugkörper getragene bewegliche Teile vorhanden sind. Induktions-Linear­ antriebe arbeiten nach den für elektrische Ströme geltenden Prinzipien, wobei das Magnetfeld einen in der Schiene ange­ ordneten Statorblock überbrückt und ein am Fahrzeug befestigter Dauermagnet in Verbindung mit einem Strom wirksam ist, der in einer leitenden Schicht der Schiene oder in der gesamten Schiene zur Anwendung gebracht wird, um das Fahrzeug anzutreiben. Die leitende Schicht wird als Statorleiter bezeichnet. Der Strom reagiert mit dem Magnetfeld, und dadurch, daß man das Feld längs des Statorleiters wandern läßt, wird eine Linearkraft zwischen dem Statorleiter und der Schiene erzeugt, wodurch, da die Schiene feststehend ist, das Fahrzeug längs der Fahrbahn bewegt wird.

Bei früheren Bauformen von Induktions-Linearantrieben hat die Reaktionsschiene eine U-förmige Ausbildung mit einem zu einer Seite hin offenen Kanal für die Aufnahme des Stators und einer Vielzahl von in Abständen daran längs verlaufender Windungen, wobei die Windungen oder Spulen in Ebenen liegen, die zu der Richtung der Verschiebebewegung und zu den Schie­ nen mit U-förmigem Querschnitt senkrecht liegen. Die Spulen sind in Nuten einer Kernstruktur aus ferromagnetischem Werk­ stoff so angeordnet, daß längs der oberen und unteren Flanken des Stators aktive Oberflächen gebildet werden, die in Wechsel­ wirkung treten mit Schienen, die längs der Innenflanken der Schenkel des U-Profils vorgesehen sind. Diese Schichten sind leitend ausgebildet, um die vorstehend erwähnten Ströme zu erzeugen. Bei diesen Systemen enthalten die Statoren eine Viel­ zahl von in Axialabständen angeordneten Ringspulen (Ringwin­ dungen), die durch eine Mehrphasenquelle gespeist werden. Die aktive magnetische Masse des Stators weist einen Kern auf, der von den Spulen umgeben ist und sich in den Kanal oder die Schiene erstreckt, indem er entlang einer längsverlaufenden Ebene in zwei Kern-Lamellenstapel unterteilt ist, wobei eine Lamelle der zwei Stapel in zueinander orthogonalen Richtungen orientiert ist. Die beiden Stapel oder Pakete sind entlang der Längsebene miteinander zu einer starren Kernstruktur ver­ bunden.

Ein anderer bekannter Induktions-Linearantrieb weist Stator­ windungen auf, die ausschließlich in Ebenen an der Rückseite des Statorkerns oder der Lamellenstapel gelegen sind, und ist gekennzeichnet durch Streuinduktivität und geringe Leistung, was eine Erhöhung des Statorstromes zur Verbesserung der Leistung erforderlich macht. Daraus ergibt sich ein verhältnismäßig hoher Induktionsverlust im Luftspalt. Ein etwas effektiverer Induktions-Linearantrieb ist in der US-PS 33 33 124 beschrieben. Dieser besitzt eine Anzahl von ringförmigen Windungen, die in Aufeinanderfolge in Längsrichtung des Antriebes angeord­ net sind. Zwischen jeweils zwei solcher Windungen ist ein recht­ eckiger Stator-Lamellenpack vorgesehen. Die Stator-Lamellen­ packs sind an einer Montageplatte befestigt, die sich in Längs­ richtung des Antriebes erstreckt. Bei einer derartigen bekann­ ten Bauweise sind die Polflächen des Stators, verglichen mit den Polflächen der Reaktionsschiene, verhältnismäßig klein, so daß die magnetische Kraftliniendichte in den Statorpolen verhältnismäßig groß ist, insbesondere bei hoher elektrischer Leistung. Hierdurch wird die Induktion im Luftspalt erhöht, was zu Leistungsverlusten führt. Demgemäß weisen die bekannten Induktions-Linearantriebe einen verhältnismäßig niedrigen Wir­ kungsgrad auf.

Hinsichtlich des Herstellungsverfahrens der Statorschienen ist zu sagen, daß jede Schiene einen Statorblock enthält, der aus einem magnetischen Stahlblock, der in die Schiene verschraubt ist, einer Schicht aus massivem Aluminiumdraht, der als Stator­ leiter bezeichnet wird, und aus einem Epoxydmaterial besteht, das den Statorleiter trägt und schützt. Bei dem bekannten Her­ stellungsverfahren für die Schiene wird der Statorblock zuerst angebracht und in die Schiene verschraubt. Dann wird der massive Aluminiumdraht in die Statorschiene eingelegt und unmittelbar am Statorblock und durch diesen hindurch eingebaut. Dies wird mittels einer Biegemaschine bewerkstelligt, die in die Schiene eingesetzt wird, um den massiven Aluminiumdraht in ein regel­ mäßiges Muster zu biegen, das sich unmittelbar am Statorblock und durch diesen erstreckt. Wenn ein unregelmäßiges Muster erforderlich ist, wird ein manueller Biegevorgang am Draht durchgeführt, um den richtigen Sitz des Statorleiters in dem Statorblock, um diesen herum und durch den Statorblock hindurch sicherzustellen. Die Biegemaschine wird sodann entfernt, und man setzt eine Preßvorrichtung in die Schiene ein, um den Sta­ torleiter auf den Statorblock und durch diesen hindurch zu drücken.

Dieses bekannte Verfahren ist kostspielig und zeitraubend, weil die Biege- und Preßvorrichtungen teuer sind und ihre Be­ triebsweise umständlich und zeitraubend ist und durch die Ver­ wendung zusätzlicher Arbeitskraft weitere Kosten verursacht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein durch Magnet­ kräfte aufgehängtes und/oder angetriebenes Fahrzeugsystem mit gegenüber dem Stand der Technik verbesserten Eigenschaften zu schaffen sowie ein Verfahren aufzuzeigen, das eine besonders vorteilhafte Herstellung einer Statorschiene für ein derartiges Fahrzeugsystem ermöglicht.

Hinsichtlich des Fahrzeugsystems ist die gestellte Aufgabe erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Der weitere Aspekt der gestellten Aufgabe ist gemäß der Er­ findung durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 13 gelöst.

Bei der vorliegenden Erfindung wird anstelle einer massiven Leiterkonstruktion beim Stator von einem fein verlitzten Leiter Gebrauch gemacht, der manuell in der Statorschiene plaziert und ausgerichtet werden kann, ohne daß die Anwendung einer großen Kraft oder die Verwendung maschineller Einrichtungen für Biege- oder Preßverfahren erforderlich wäre. Die Verwendung fein verlitzter Leiter in der Statorschiene ermöglicht es, Kupfer anstelle von Aluminium als Leiterwerkstoff zu wählen. Da die Leitfähigkeit von Kupfer größer ist als die von Alu­ minium, - Kupfer allerdings auch teurer ist -, können weniger Stränge aus Kupfer benutzt werden, um im wesentlichen die gleiche oder eine größere Effektivität zu erzielen als bei einem massiven Aluminiumleiter. Auch wenn feine Stränge aus Aluminium als Leiter benutzt werden, überwiegt der Vorteil, daß maschinelle Einrichtungen für das Herstellverfahren in Wegfall kommen können, vom Standpunkt der Zeiteinsparung und Wirtschaftlichkeit den Nachteil, daß mehr Aluminium in der Statorschiene erforderlich ist oder ein leichter Leistungsverlust verursacht würde, wenn weniger Aluminium zur Anwendung gebracht wird als bei den be­ kannten Statorleitern aus massivem Aluminium.

Die Erfindung stellt einen verbesserten Induktions-Linearantrieb zur Verfügung, der es ermöglicht, hohe Geschwindigkeiten zu erreichen und sich durch große Leistungsfähigkeit auszeichnet.

Der verbesserte Induktions-Linearantrieb ist leicht und billig, hat jedoch eine mechanisch feste Bauweise, so daß er mit hoher Leistung betreibbar ist, um schwere Hochgeschwindigkeitsfahr­ zeuge anzutreiben, insbesondere solche vom magnetisch aufge­ hängten Typ.

Die Erfindung stellt auch ein magnetisch aufgehängtes Fahrzeug zur Verfügung, das einen induktiven Linearantrieb aufweist, der die Unzulänglichkeiten oder Nachteile der früher üblichen Linearantriebe nicht aufweist.

Die Erfindung stellt ferner ein verbessertes magnetisches Auf­ hängungssystem für ein Schwebefahrzeug zur Verfügung, das durch einen Induktions-Linearantrieb angetrieben ist.

Bei der Erfindung kommt die Notwendigkeit in Wegfall, Biege- und Preßvorrichtungen bei dem Einbau von Statorleitern in Sta­ torschienen verwenden zu müssen, die für eine magnetische Auf­ hängung des Fahrzeuges verwendet werden sollen. Dadurch wird die oben erwähnte Kosteneinsparung erreicht, während gleich­ zeitig der Zeitaufwand für die Herstellung eines Systems ver­ ringert wird, bei dem derartige Fahrzeuge Verwendung finden.

Außerdem wird bei der Erfindung ein verlitzter Statorleiter benutzt, der eine höhere Leitfähigkeit hat als der schlechter leitende massive Aluminiumleiter, wie er derzeit bei Schwebe­ fahrzeugen zur Anwendung kommt.

Bei der Erfindung wird ein fein verlitzter Kupferleiter anstelle eines massiven Statorleiters aus Aluminium bei dem Stator eines magnetisch aufgehängten Fahrzeuges benutzt, um eine zufrieden­ stellende Ausgangsleistung zu erhalten. Bei der Erfindung wird weniger Leitermaterial für den Stator benötigt als bei bekann­ ten Systemen.

Die oben angegebenen sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden für den Fachmann aus der nachfolgenden, auf die Zeichnung Bezug nehmenden, ins einzelne gehende Beschrei­ bung offenbar. Es zeigen:

Fig. 1 eine stark schematisch vereinfacht gezeich­ nete Querschnittsdarstellung eines Schwebe­ fahrzeuges, das auf einer Schiene läuft, die einen Statorblock und einen Statorleiter aufweist, und

Fig. 2 einen vergrößert gezeichneten Querschnitt einer Statorschiene, die zwischen einem Trag­ pfeiler und einem Winkelträger einer Fundament­ konstruktion untergebracht ist, von der das Fahrzeug in den Schwebezustand abgehoben wird.

Fig. 1 zeigt das Fahrzeug oder den Wagen 1 aufgehängt ober­ halb einer Statorschiene 3. Winkelträger 2 kommen an beiden Seiten des Wagens zur Anwendung. Der Wagen 1 weist außerdem einen Dauermagneten 6 auf, der sich unterhalb der Statorschiene 3 bewegt. Unterhalb des Dauermagneten 6 befindet sich ein Kabel­ schacht 8, der dazu benutzt wird, um die elektrische Versorgung für die Statorschiene vorzusehen, sowie ein Gehweg 10, den Passagiere für den Eintritt in den oder den Austritt aus dem Wagen 1 bei Notsituationen betreten können. Ein Querträger 9 befindet sich unterhalb der Kabelschächte 8 und ist mit jedem von zwei Tragpfeilern 11 verbunden.

Wie in Fig. 2 gezeigt ist, ist die Statorschiene 3 mit einem Statorleiter 4 und einem Statorblock 5 aus magnetischem Stahl aufgebaut. Zwar ist der Statorleiter in Fig. 2 neben den Sta­ torblöcken liegend dargestellt, in Wirklichkeit ist der Sta­ torleiter 4 jedoch in den einzelnen Segmenten des Statorblocks an diesem oder in diesem liegend angeordnet. Außerdem ist ein Epoxydmaterial 7 in der Statorschiene 3 enthalten, um einen Träger und eine Isolation für den Statorleiter zu bilden. Die Statorschiene 3 ist zwischen den Winkelträger 2 und den Trag­ pfeiler 11 eingepaßt und unmittelbar oberhalb des Dauermagneten 6 des Wagens 1 gelegen.

Zwischen dem Block aus magnetischem Stahl in der Statorschiene 3 und dem Dauermagneten 6, der am Wagen 1 zum Anheben desselben befestigt ist, wird ein Magnetfeld erzeugt. Der Statorleiter 4 besteht aus fein verlitzten Leiterdrähten aus Aluminium, Kupfer oder einem anderen Leiterwerkstoff, die von Hand in die Statorschiene eingebaut sind und in der Lage sind, einen Strom zu leiten, wie er in Verbindung mit dem Magnetfeld zur Anwendung gebracht wird, um den Wagen 1 anzutreiben. Die fein verlitzten Drähte können mit einer Plattierung versehen sein oder nicht, können gebündelt oder konzentrisch sein.

Die Fahrbahn und der Wagen, wie sie in den Fig. 1 und 2 gezeigt sind, wirken als Linearantrieb, wobei die Bahn als Stator des Motors fungiert.

Das Herstellungsverfahren für die Statorschiene 3 ist folgendes:
Als erstes wird der Statorblock 5 in die Statorschiene 3 einge­ baut und sodann darin verschraubt. Der fein verlitzte Stator­ leiter 4 wird sodann von Hand in die Statorschiene 3 eingelegt und auf dem Statorblock 5 und durch diesen hindurch geführt. Das Epoxydmaterial 7 wird dann in die Statorschiene 3 eingebracht.

Die untenstehende Tabelle 1 zeigt die Gleichwertigkeit zwischen der Verwendung eines fein verlitzten Kupferleiters mit einem massiven Aluminiumleiter in der Statorschiene eines Magnet­ schwebebahnsystems. Die Tabelle zeigt, daß fein verlitztes, verzinntes Kupfer einem massiven Aluminium-Statorleiter auf der Basis des industriellen Standards (MTA) gleichwertig ist. Wie aus Tabelle 1 ersichtlich ist, ist der Durchmesser in mm (10,08) und in Zoll (0,397) des fein verlitzten, verzinnten Kupferleiters etwa gleich demjenigen des Statorleiters aus massivem Aluminium. Die Querschnittsfläche des fein verlitzten Kupferleiters ist jedoch weit kleiner als diejenige des Leiters aus massivem Aluminium. Bei Verwendung eines fein verlitzten Leiters anstelle eines massiven Leiters in der Statorschiene wird daher ein Abmessungsvorteil erreicht. Auch ist der Wider­ stand pro Längeneinheit bei dem verzinnten, fein verlitzten Kupferleiter größer als bei dem Statorleiter aus massivem Alu­ minium, jedoch liegt der Wert noch bei dem oder unterhalb von dem industriellen MTA-Grenzwert, der nicht überschritten werden sollte. Man kann daher den verzinnten, fein verlitzten Kupfer­ leiter anstelle des Statorleiters aus massivem Aluminium anwen­ den, ohne den Bereich der industriellen Standardwerte zu verlassen, wobei der Vorteil erreicht wird, daß die Anwendung von Biege- und Preßvorrichtungen bei der Herstellung einer Statorschiene und eines Magnetschwebebahnsystems in Wegfall kommt. Tabelle 1 vergleicht einen Strang eines massiven Stator­ leiters aus Aluminium mit 133 Drähten zinnplattierten Kupfer­ drahtes (19 Litzen mit je 7 Drähten).

Tabelle 1

Fein verlitzter Leiter aus verzinnten Kupferdrähten ist einem massiven EEE Aluminium-Stator-Leiter gleichwertig

Obwohl bestimmte bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung hier beschrieben sind, versteht es sich für den Fachmann, daß Abwandlungen und Weiterbildungen der beschriebenen Ausführungs­ formen möglich sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Demgemäß ist der Bereich der Erfindung lediglich durch die beigefügten Ansprüche nach Maßgabe der diesbezüglichen Gesetzes­ vorschriften begrenzt.

Die vorstehende Beschreibung und die Zeichnung beschränken sich nur auf die Angabe von Merkmalen, die für die beispiels­ weise Verkörperung der Erfindung wesentlich sind.

Soweit daher Merkmale in der Beschreibung und in der Zeichnung offenbart und in den Ansprüchen nicht genannt sind, dienen sie erforderlichenfalls auch zur Bestimmung des Gegenstandes der Erfindung.

Claims (15)

1. Magnet-Fahrzeugsystem, mit
einem Fahrzeug (1);
zumindest einer Statorschiene (3), die unterhalb eines Teils des Fahrzeugs (1) angeordnet ist, und
einer teils am Fahrzeug (1) und teils an der Stator­ schiene (3) befindlichen Einrichtung zur Erzeugung einer magnetischen Kraft für das Antreiben des Fahrzeuges (1) längs der und/oder das Abheben des Fahrzeugs (1) von der Statorschiene (3),
wobei die Einrichtung zum Erzeugen der magnetischen Kraft eine innerhalb der Statorschiene (3) angeordnete Leiter­ anordnung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter­ anordnung in Form eines fein verlitzten Leiters (4) ausge­ bildet ist.

2. System nach Anspruch 1, bei dem die Einrichtung zum Er­ zeugen der magnetischen Kraft eine erste am Fahrzeug (1) befestigte Magnetanordnung (6) und eine innerhalb der Stator­ schiene (3) gelegene zweite Magnetanordnung (5) für die Wechselwirkung mit der ersten Magnetanordnung (6) aufweist, um die magnetische Kraft für das Abheben des Fahrzeugs (1) von der Statorschiene (3) zu erzeugen.

3. System nach Anspruch 2, bei dem die erste Magnetanordnung einen Dauermagneten (6) und die zweite Magnetanordnung einen Block (5) aus magnetischem Werkstoff aufweist.

4. System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, das ein in der Statorschiene (3) angeordnetes Material für den Schutz des fein verlitzten Leiters (4) aufweist.

5. System nach Anspruch 4, bei dem das schützende Material ein Epoxydharz (7) ist.

6. System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem der fein verlitzte Leiter (4) aus Kupfer hergestellt ist.

7. System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem der fein verlitzte Leiter (4) aus Aluminium hergestellt ist.

8. System nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem am Fahr­ zeug (1) Räder angeordnet sind, die auf der Statorschiene (3) laufen.

9. System nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem mit der Statorschiene (3) eine sie haltende Trageinrichtung verbun­ den ist.

10. System nach Anspruch 9, bei dem die Trageinrichtung einen Querträger (9) aufweist, der sich zwischen Tragpfeilern (11) erstreckt, die die Statorschienen (3) tragen.

11. System nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem der fein verlitzte Leiter (4) eine Plattierung aufweist.

12. System nach Anspruch 11, bei dem der fein verlitzte Leiter (4) Kupferdrähte mit Zinnplattierung aufweist.

13. Verfahren zum Herstellen einer Statorschiene eines Magnet­ fahrzeuges, wobei folgende Verfahrensschritte in Kombi­ nation vorgesehen sind:
Einsetzen eines Statorblocks in ein Gehäuse der Statorschiene und Befestigen in demselben;
von Hand erfolgendes Führen eines fein verlitzten Leiters in dem Statorblock und um diesen herum und
Einbringen eines schützenden Materials in die Stator­ schiene für das Halten und Schützen des Leiters.

14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem der fein verlitzte Leiter aus Kupfer gefertigt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, bei dem plattiertes Kupfer verwendet wird.