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Im Leistungskurs Physik - Magnetische Schwebeprinzipien am Beispiel von Magnetschwebebahnen



Facharbeit

Im Leistungskurs Physik

Magnetische Schwebeprinzipien am

Beispiel von Magnetschwebebahnen

1 Einleitung

    Die Eisenbahn ist eines der wichtigsten Verkehrssysteme der Welt. Doch trotz stetiger Weiterentwicklung und Modernisierung hat sich an dem grundlegendem Konzept nichts geändert: Sie wird von Rädern auf Schienen getragen, geführt und angetrieben. Dadurch sind ihr Grenzen gesetzt. Mit dem Eisenbahnsystem kann eine Geschwindigkeit über 300 km/h nicht erreicht werden. Dafür gibt es folgende Gründe: Bei sehr hohen Geschwindigkeiten ist eine ausreichende Seitenstabilität (besonders in Kurven mit engen Radien) nicht mehr zu gewährleisten, da die Fahrzeuge nicht fest mit der Schiene verbunden sind, die Reibung wird zu einem großen Bremsfaktor und die Masse der Eisenräder und Eisenschienen ist sehr groß. Weitere Nachteile sind die Abnutzung durch Reibung der mechanischen Komponenten und der überproportional zur Geschwindigkeit steigende Energieverbrauch.

     1922 stellte der deutsche Ingenieur Hermann Kemper erstmals Überlegungen zur Entwicklung einer elektromagnetischen Schwebebahn auf.

1934 bewies er die Tragfähigkeit seiner Schwebebahn anhand eines Versuchsmodells. Basierend auf Kempers Ergebnissen gab die Bundesregierung eine Studie über Hochleistungsschnellbahnen (HSB-Studie) in Auftrag. Gesucht wurde ein vollkommen neues, reibungsloses, sicheres, schnelles, umweltfreundliches und zuverlässiges Verkehrssystem. Untersucht wurden die Schwebeprinzipien elektromagnetisches, elektrodynamisches, und permanentmagnetisches Schweben. Außerdem wurden die Antriebssysteme "Kurzstator" (Antrieb im Fahrzeug) und "Langstator" (Antrieb im Fahrweg) untersucht. Im Folgenden werden die Schwebeprinzipien einzeln vorgestellt, die Funktionsweise wird erläutert und durch Anwendungsbeispiele ergänzt.   


2 Beschreibung der einzelnen Schwebeprinzipien

2.1 Permanentmagnetisches Schweben

2.1.1 Funktionsweise des permanentmagnetischen Schwebens (PMS)

     Das Prinzip des permanentmagnetischen Schwebens (PMS) beruht auf den abstoßenden Kräften, die zwischen zwei Permanentmagneten entstehen. Dazu müssen die Dipole so angeordnet werden, daß die jeweils gleichen Pole übereinanderstehen, wie in Abb. 2.1.1 dargestellt.

Abb. 2.1.1 Anordnung der Dipollatten

     Hierbei treten vier verschiedene Kräfte zwischen den Magneten auf:

Die Hauptkraft, die beim PMS genutzt wird, ist die Kraft zwischen den jeweiligen Nordpolen, die in der Lage ist, den oberen Magneten bei entsprechender seitlicher Fixierung über dem unteren Magneten in einen Schwebezustand zu bringen. Die anderen Kräfte, wie die Anziehung vom Nordpol des einen und dem Südpol des anderen Dipols bzw. andersherum, sowie die abstoßende Kraft zwischen den Südpolen können hier vernachlässigt werden, da die jeweiligen Pole in Relation zu den Nordpolen weiter auseinander liegen und somit weitaus kleinere Kräfte erzeugen.

2.1.2 Verwendung des permanentmagnetischen Schwebens

     Das PMS wird vor allem für Bahnen im unteren Geschwindigkeitsbereich eingesetzt. Da der physikalisch instabile Zustand des PMS nur mir aktiver Magnetregelung aufrecht erhalten werden kann, was mit Permanentmagneten nicht möglich ist, erfolgen Abstandsregelung und Führung über mechanische Elemente (z.B. durch ein Fahrgestell), oder durch elektrodynamische oder elektromagnetische Elemente (s. Abb.2.1.2).

     So wird das PMS häufig nur als Unterstützung benutzt, d.h. daß das Fahrzeug zusätzlich mechanisch getragen und geführt wird, zum Beispiel an einer Schiene, wie in Abb. 2.1.3 dargestellt.

Abb. 2.1.2  elektromagnetische Spurführung                    Abb. 2.1.3       Magnetbahn mit

                                                                                                                             Führungsschiene

     Bei dieser Verwendung wird das PMS hauptsächlich zur Fahrgeräuschemissionsreduzierung, Verringerung der Rollreibungskräfte und somit zur Verminderung der Abnutzung des Systems genutzt, es arbeitet nicht mehr berührungsfrei.

Ein Beispiel ist die M-Bahn[1], die auf einer Versuchsstrecke in Berlin erprobt wurde. Die Bahn läuft auf einer Schiene, unter der Permanentmagnete angebracht sind, die hauptsächlich dem Antrieb dienen. Gleichzeitig wird das Rollengestell entlastet. Sie ist nur für Geschwindigkeiten unter 100 km/h ausgelegt, also nur im Nahverkehr einsetzbar.

2.2 Elektrodynamisches Schweben

2.2.1 Funktionsweise des elektrodynamischen Schwebens (EDS)

     Das elektrodynamische Schweben beruht auf dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion.

     Induktionsgesetz:

Von M. Faraday 1831 entdecktes Grundgesetz der Physik; beschreibt die       Erzeugung einer elektrischen Spannung auf elektromagnetischem Wege durch Anderung des magnetischen Flusses, z.B. in einer Spule. Die Anderung läßt sich u.a. durch Bewegung der Spule in einem Magnetfeld oder durch zeitliche Anderung eines Magnetfeldes (z.B. durch Wechselstrom) erreichen: der durch die Induktion hervorgerufene Induktionsstrom fließt so, daß er (über sein Magnetfeld) seiner Ursache (z.B. Bewegung der Spule) entgegenwirkt (Lenzsche Regel).[2] 

     Durch große Spulen wird ein starkes Magnetfeld erzeugt. Wird ein Leiter nun relativ zum Magnetfeld bewegt, so werden im Leiter sekundäre Ströme induziert. Wird der Leiter kurzgeschlossen, wie es bei einer breiten Metallplatte der Fall ist, so bilden sich "Kreisströme", sogenannte Wirbelströme. Diese Wirbelströme erzeugen Ihrerseits auch wieder ein magnetisches Feld, welches nach der Lenz'schen Regel seiner Ursache, d.h. der Spule entgegengesetzt ist. Dadurch entstehen zwei entgegengesetzte, sich abstoßende Magnetfelder, die einen Schwebezustand erzeugen. Wahlweise


kann man nun die sich bewegende Spule über einer Leiterplatte oder die sich bewegende Leiterplatte über einer Spule schweben lassen.

     Doch würde bei einem vorhandenen ohmschen Widerstand der Induktionsstrom kontinuierlich nachlassen und schließlich zum Zusammenbruch des Schwebezustandes führen. Eine supraleitende Induktionsspule jedoch kann nach einem anfänglichen "Erregen" (durch Energiezufuhr ausgelöster Schwebezustand) kurzgeschlossen werden und der Strom fließt in voller Höhe weiter. Dadurch stellt sich ein stabiler Schwebezustand ein. Dazu ist es nötig, die primäre Induktionsspule mit flüssigem Helium auf ca. -269°C zu kühlen, was eine magnetische Flußdichte von bis zu 5 Tesla ermöglicht, wogegen mit einem SmCo5-Permanentmagneten nur eine Flußdichte von etwa 1,2 Tesla erreicht werden kann. Als Induktionsleiter wird bevorzugt eine Aluminiumplatte benutzt, da Aluminium zwar leitet, aber nicht magnetisierend ist.

2.2.2 Verwendung des elektrodynamischen Schwebens

     Auch das EDS kann als Schwebesystem bei Magnetschwebebahnen eingesetzt werden. Wenn an der Unterseite eines Fahrzeuges supraleitende Induktionsspulen angebracht werden, ist es in der Lage, über einer Leiterplatte zu schweben (s. Abb. 2.2.1). Allerdings ist es dazu notwendig, das Fahrzeug durch mechanische Komponenten (z.B. Räder) auf eine Geschwindigkeit von ca. 100 - 160 km/h zu beschleunigen, da es sich hier um einen elektrodynamischen Prozeß handelt, d.h. erst ab einer bestimmten Geschwindigkeit stellt sich der Schwebeeffekt ein. Die primären Induktionsspulen können durch ein fahrzeugeigenes Kühlsystem mit flüssigem Helium zur Supraleitung angeregt werden, was allerdings sehr energieaufwendig ist.


Abb. 2.2.2  Nullfluß-Spulenanordnung                         Abb. 2.2.3 Fahrzeug mit Nullfluß-Spulen-

                     mit Kreuzschiene                                               anordnung und  Fahrgestell

    

     Abb. 2.2.2 zeigt eine mögliche Anordnung der Spulen über und unter einer Kreuzschiene (Nullfluß-Spulenanordnung). Dadurch daß die Spulen über und unter dem Leiter angeordnet sind, entsteht ein sogenanntes Quadrupolfeld. Dieses Feld macht es möglich, das kein magnetischer Fluß den Leiter durchsetzt, so daß die ohmschen Verluste in dem Reaktionsleiter gering gehalten werden. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß die Funktionen Tragen und Führen von der selben Induktionsspule übernommen werden können.

     In Abb. 2.2.3 ist ein Schwebefahrzeug mit Nullfluß-System dargestellt. Das zusätzliche Eisenbahnfahrgestell dient der Vorbeschleunigung des Fahrzeuges. Die Verwendung dieses Fahrgestells hat den Vorteil, daß der Fahrweg auch von der normalen Eisenbahn mitbenutzt werden kann (bivalenter Fahrweg), entweder dauerhaft oder nur während einer Umstellung zwischen beiden Systemen. Allerdings ist es fraglich, ob das Eisenbahnsystem zur Beschleunigung überhaupt sinnvoll ist, da ein Eisenbahnfahrgestell sehr schwer ist und den Energieverbrauch im Gegensatz zu leichten Gummirädern sehr erhöhen würde.

     Ein Beispiel für elektrodynamisches Schweben ist der in Japan entwickelte MLU[3]. Das Fahrzeug bewegt sich bis zu einer Geschwindigkeit von 100 km/h auf Stützrädern, dann nicht auf einer Leiterplatte, sondern auf passiven Reaktionsspulen im Fahrweg. Der MLU kann Geschwindigkeiten im Bereich von 500 km/h erreichen.




2.3 Elektromagnetisches Schweben

2.3.1 Funktionsweise des elektromagnetischen Schwebens (EMS)   

     Zum EMS wird ein starkes Magnetfeld benötigt. Dieses wird durch einen zu einer Spule gewickelten, stromdurchflossenen Leiter erzeugt, dessen Windungsdichte möglichst groß ist. Die erzeugte magnetische Feldstärke hängt nun hauptsächlich von der fließenden Stromstärke ab[4]. Zusätzlich kann die Flußdichte durch Einbringen eines magnetisch gut polarisierbaren Materials (z.B. Eisen) verstärkt werden[5].

     Dieser Elektromagnet kann nun durch sein starkes Magnetfeld über einem anderen Feld mit entgegengerichteter Polarisation zum Schweben gebracht werden oder sich von unten an ein magnetisierbares Material (z.B. Eisen) heranziehen. Letzteres wird beim EMS genutzt.

     Ein sehr großes Problem dabei ist die Abstandsregelung. Um einen Schwebezustand zu erreichen, muß der Abstand genau so eingestellt werden, daß die Anziehungskraft des Magneten seine Gewichtskraft kompensiert. Wird der Spalt nur um wenige mm kleiner, so wird die Anziehungskraft entscheidend größer und der Magnet zieht sich ganz  an das magnetisierbare Material heran (F ­~ 1 / d²). Wird der Spalt dagegen größer, so überwiegt die Gewichtskraft und der Magnet fällt herunter. Dies verdeutlicht die folgende Tabelle (Sollabstand = 15 mm; Schwebelast inkl. Magnet = 10 000 N)

Abstand d/mm

Kraft F/N

Schwebekraft - Gewichtskraft F/N

Zustand von Spule und Material

10

22 500

12 500

Nähernd

11

18 600

8 600

Nähernd

12

15 600

5 600

Nähernd

 


13

13 300

3 300

nähernd

14

11 500

1 500

nähernd

15

10 000




0

stabil

16

8 800

- 1 200

entfernend

17

7 800

- 2 200

entfernend

18

6 900

- 3100

entfernend

19

6 200

- 3 800

entfernend

20

5 600

- 4 400

entfernend

     Deswegen bedarf es einer aktiven Regelung der Feldstärke des Elektromagneten, z.B. durch Regelung der fließenden Stromstärke I. Eine Möglichkeit ist es, den kapazitativen Widerstand eines Plattenkondensators mit angelegter Wechselspannung zur Feldregelung auszunutzen. Dazu wird eine Platte mit der Spule verbunden, während die andere Platte am darüberliegendem Material befestigt ist, so daß mit dem Abstand von Magnet und Material auch der Abstand der Platten variiert. Dadurch ändert sich bei einer Abstandsschwankung auch der kapazitative Widerstand des Kondensators (bei Wechselstrom). Durch eine geeignete elektronische Regeleinrichtung wird anhand des Widerstandes der Strom an der Spule geregelt und so das System in einen stabilen Zustand gebracht.  

2.3.2 Verwendung des Elektromagnetischen Schwebens

     Im Februar 1971 wurde zum ersten Mal ein Prinzipfahrzeug, basierend auf dem EMS, gebaut und erprobt. Wie in Abb. 2.3.1 gezeigt, werden die Elektromagnete in ein Schwebegestell integriert, das sich von unten an die am Fahrweg angebrachte Reaktionsschiene aus magnetisch polarisierbarem Material ziehen kann.                 

Abb. 2.3.1 Elektromagnetische Schwebeanordnung

     Da dieser Aufbau im Prinzip instabil ist, die Anziehungskraft hängt sehr stark von der Spaltbreite zwischen den Elektromagneten und der Reaktionsschiene ab, erfordert er ein schnell reagierendes Regelsystem, das kontinuierlich die Spaltbreite kontrolliert und die Magnetfeldstärke der Elektromagnete entsprechend reguliert, wie in 2.3.1 beschreiben. Die vertikale Spurführung erfolgt durch das gleiche System.

     Eine Anwendung des EMS ist das in Japan entwickelte HSST[6] (High Speed Surface Transport)-System. Tragen und Führen erfolgt hier kombiniert über dasselbe System. Der Antrieb erfolgt über einen Kurzstator-Linearmotor, d.h. der Antrieb liegt im Fahrzeug selbst, die Stromversorgung des Fahrzeuges wird über eine Schleifleitung sichergestellt, so ist das System ist nicht mehr vollständig berührungsfrei. Aus diesen Gründen ist das HSST für hohe Geschwindigkeiten ungeeignet, es kann Geschwindigkeiten von maximal 300 km/h erreichen. 

3 Das Schwebesystem des Transrapid

  

     Eine andere Anwendung des EMS ist der Transrapid[7], der 1979 anläßlich der Internationalen Verkehrsausstellung in Hamburg auf einer Teststrecke vorgestellt und im Personenverkehr eingesetzt wurde. Die Weiterentwicklung des Transrapid 05 ist der Transrapid 06, der 1983 auf einer 21,5 km langen Versuchsstrecke im Emsland in Betrieb genommen wurde. Er verfügt über 32 einzeln geregelte Tragmagnete sowie 28 Führungsmagneten pro Fahrzeugglied (der Transrapid kann aus mehreren Einheiten variabel kombiniert werden). Die Tragmagneten dienen gleichzeitig als Erreger für den Antrieb des Fahrzeugs, den Langstator-Linearmotor. Als Reaktionsschiene werden die ferromagnetischen Wicklungen des Langstator-Linearmotors genutzt, d.h. die Funktionen Tragen und Antreiben werden von demselben System übernommen. Die Spaltbreitensensoren kontrollieren ständig den Spalt zwischen Tragmagneten und Antriebswicklungen und übermitteln das Ergebnis an einen Regler, der über einen Magnetstromsteller eine Spaltbreite von 8 mm einstellt. Der Abstand zwischen Fahrzeugunterseite und Fahrwegtisch beträgt 15 cm, so daß das Fahrzeug in der Lage ist, trotz Schneedecke oder kleinen Hindernissen (<15 cm) betrieben zu werden. Die Energieversorgung der Elektromagneten erfolgt




über 8 Bordbatterien. Ab einer Geschwindigkeit von 100 km/h werden die Batterien über Induktionsspulen geladen, die im Bereich der Elektromagneten positioniert sind und über die Magnetfelder der Langstator-Wanderfeldwicklungen an der Unterseite des Fahrweges gespeist werden. Das bedeutet, daß die Energie, um das Fahrzeug zu versorgen, vollkommen berührungslos übertragen werden kann, so daß keine Schleifleitung oder ähnliches benötigt wird. Durch die Betriebsleittechnik wird jeweils nur der Abschnitt mit Strom versorgt, in dem sich das Fahrzeug momentan befindet. Diese Technik stellt ebenfalls die Stahlbiegeweichen (78-148 m Länge), steuert den Fahrbetrieb und ortet ständig das Fahrzeug.

4 Abschlußbetrachtung der Schwebesysteme

     Hier sollen die Vor- und Nachteile sowie die Verwendbarkeit der einzelnen Systeme noch einmal herausgestellt und untereinander verglichen werden.

     Das PMS arbeitet energiesparsam, die Permanentmagneten sind ausfallsicher und es beruht auf einem technisch einfachen Prinzip. Doch die Nachteile, wie der aufwendige Fahrweg, die mechanische Abstandsregelung und die Spurführung, die nicht mit Permanentmagneten zu verwirklichen ist, führten zum Einstellen einer weiteren Forschung für einen Einsatz im Hochgeschwindigkeitsbereich. Es wird nur im Personennahverkehr und im unteren Geschwindigkeitsbereich eingesetzt, wie bereits bei der M-Bahn verwirklicht.

     Vorteilhafter gegenüber dem PMS ist das EDS. Der Schwebezustand regelt sich von selbst, es wird also keine elektronische oder mechanische Regelung benötigt. Auch ist die relativ hohe Schwebehöhe von ca. 10 cm vorteilhaft. Doch dieses System wirft Probleme auf, die nur technisch aufwendig zu lösen sind, wie die supraleitenden, primären Induktionsspulen an der Fahrzeugunterseite. Sie erfordern eine technisch- und energieaufwendige Kältetechnik, gleichzeitig werden starke Magnetfelder im Fahrgastbereich erzeugt, was ein Mitfahren für Personen mit Herzschrittmachern unmöglich


macht und elektronische Geräte stören kann. Durch die benötigten mechanischen Fahrgestelle zum "Starten und Landen" wird die Masse des Fahrzeuges belastet. Bis sich neue Fortschritte im Bereich der Supraleitung ergeben (z.B. Supraleitung bei höheren Temperaturen), hat sich dieses System als zu nachteilig erwiesen. So wurde 1977 die Forschung in dem Bereich des EDS in Deutschland abgeschlossen. In Japan jedoch wird weiterhin Forschung auf diesem Gebiet betrieben, besonders wegen der hohen Erdbebensicherheit.

     Heute wird in Deutschland nur noch das EMS weiterentwickelt. Es wurde vom Systementscheid der Bundesregierung 1977 als das vorteilhafteste System herausgestellt. Nachteile sind die aufwendige Luftspaltregelung und die relativ hohen Gesamtkosten des Systems, da der Fahrweg 80 % der Kosten ausmacht (Transrapid).

     Dennoch ist das EMS auch in meinen Augen beim derzeitigen Entwicklungsstand das bessere System gegenüber PMS und EDS. So befürworte ich die für 2005 zwischen Hamburg und Berlin geplante Transrapid-Strecke.


II Literaturverzeichnis

 

Jung, Dr. Volkhard:    Magnetisches Schweben. Springer Verlag Berlin, Heidelberg 1988; ISBN 3-540-50196-7 (Berlin)

Purcell, Edward M.    Berkeley Physik Kurs 2: Elektrizität und Magnetismus. 2. Aufl. 1979; deutsche Ausgabe: Vieweg & Sohn  Verlagsgesellschaft mbH, Braunschweig 1979; ISBN 3-528-18352-7

Thyssen Transrapid System GmbH:  Magnetschnellbahn Transrapid: Technik und System. MSBTr 5/97 20.000 D PR

Thyssen Henschel       Infotec 1: Magnetschnellbahn Transrapid - Von der Entwicklung bis zur Anwendung. Infotec M A1; 2000D 12/95 SdW

Thyssen Transrapid System GmbH:  Vom alternativen Konzept zur Systemführung. Verkehr 2000 10/97 D

MVP Versuchs- und Planungsgesellschaft für Magnetbahnsysteme mbH: Dokumentation Transrapid Technik. München, Oktober 1996, 2. überarbeitete Auflage

Thyssen, Siemens, Henschel: Konsortium Transrapid



[1]  Schematische Darstellung vgl. Anhang I.1

[2] Knaurs Lexikon, Lexikographisches Institut, München, 1974, Band 8, S. 2806

[3] Schematische Darstellung und Bilder vgl. Anhang I.2

[4] vgl. Formel: H = I * n / l ; H Feldstärke, I Stromstärke, n Windungsdichte, l Spulenlänge

[5] vgl. Formel: B = m0 * mr * H ; B Flußdichte, m0 Feldkonstante, mr Permeabilitätszahl

[6] Schematische Darstellung und Bild vgl. Anhang I.3

[7] Technische Daten und Bilder vgl. Anhang I.4










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