Magnetische Schwebeprinzipe am Beispiel von Magnet

1 Einleitung 1



2 Beschreibung der einzelnen Schwebeprinzipien 2

2.1 Permanentmagnetisches Schweben 2
2.1.1 Funktionsweise des permanentmagnetischen
Schwebens 2
    Verwendung des permanentmagnetischen
Schwebens 3

2.2 Elektrodynamisches Schweben 4
    Funktionsweise des elektrodynamischen

Schwebens 4

    Verwendung des elektrodynamischen
Schwebens 5

2.3 Elektromagnetisches Schweben 7
    Funktionsweise des elektromagnetischen
Schwebens 7
    Verwendung des elektromagnetischen
Schwebens 7

3 Das Schwebesystem des Transrapid 8


4 Abschlu├čbetrachtung der Schwebesysteme 9


I Anhang


II Literaturverzeichnis

1 Einleitung


Die Eisenbahn ist eines der wichtigsten Verkehrssysteme der Welt. Doch trotz stetiger Weiterentwicklung und Modernisierung hat sich an dem grundlegendem Konzept nichts ge├Ąndert: Sie wird von R├Ądern auf Schienen getragen, gef├╝hrt und angetrieben. Dadurch sind ihr Grenzen gesetzt. Mit dem Eisenbahnsystem kann eine Geschwindigkeit ├╝ber 300 km/h nicht erreicht werden. Daf├╝r gibt es folgende Gr├╝nde: Bei sehr hohen Geschwindigkeiten ist eine ausreichende Seitenstabilit├Ąt (besonders in Kurven mit engen Radien) nicht mehr zu gew├Ąhrleisten, da die Fahrzeuge nicht fest mit der Schiene verbunden sind, die Reibung wird zu einem gro├čen Bremsfaktor und die Masse der Eisenr├Ąder und Eisenschienen ist sehr gro├č. Weitere Nachteile sind die Abnutzung durch Reibung der mechanischen Komponenten und der ├╝berproportional zur Geschwindigkeit steigende Energieverbrauch.

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

1934 bewies er die Tragf├Ąhigkeit seiner Schwebebahn anhand eines Versuchsmodells. Basierend auf Kempers Ergebnissen gab die Bundesregierung eine Studie ├╝ber Hochleistungsschnellbahnen (HSB - Studie) in Auftrag. Gesucht wurde ein vollkommen neues, reibungsloses, sicheres, schnelles, umweltfreundliches und zuverl├Ąssiges Verkehrssystem. Untersucht wurden die Schwebeprinzipien elektromagnetisches, elektrodynamisches, und permanentmagnetisches Schweben. Au├čerdem wurden die Antriebssysteme "Kurzstator" (Antrieb im Fahrzeug) und "Langstator" (Antrieb im Fahrweg) untersucht. Im Folgenden werden die Schwebeprinzipien einzeln vorgestellt, die Funktionsweise wird erl├Ąutert und durch Anwendungsbeispiele erg├Ąnzt.

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 absto├čenden Kr├Ąften, die zwischen zwei Permanentmagneten entstehen. Dazu m├╝ssen die Dipole so angeordnet werden, dass die jeweils gleichen Pole ├╝bereinanderstehen, wie in Abb. 2.1.1 dargestellt.
Abb. 2.1.1 Anordnung der Dipollatten

Hierbei treten vier verschiedene Kr├Ąfte 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 ├╝ber dem unteren Magneten in einen Schwebezustand zu bringen. Die anderen Kr├Ąfte, wie die Anziehung vom Nordpol des einen und dem S├╝dpol des anderen Dipols bzw. andersherum, sowie die absto├čende Kraft zwischen den S├╝dpolen k├Ânnen hier vernachl├Ąssigt werden, da die jeweiligen Pole in Relation zu den Nordpolen weiter auseinander liegen und somit weitaus kleinere Kr├Ąfte erzeugen.




2.1.2 Verwendung des permanentmagnetischen Schwebens

Das PMS wird vor allem f├╝r Bahnen im unteren Geschwindigkeitsbereich eingesetzt. Da der physikalisch instabile Zustand des PMS nur mir aktiver Magnetregelung aufrecht erhalten werden kann, was mit Permanentmagneten nicht m├Âglich ist, erfolgen Abstandsregelung und F├╝hrung ├╝ber mechanische Elemente (z.B. durch ein Fahrgestell), oder durch elektrodynamische oder elektromagnetische Elemente (s. Abb.2.1.2).

So wird das PMS h├Ąufig nur als Unterst├╝tzung benutzt, d.h. dass das Fahrzeug zus├Ątzlich mechanisch getragen und gef├╝hrt wird, zum Beispiel an einer Schiene, wie in Abb. 2.1.3 dargestellt.
Abb. 2.1.2 elektromagnetische Spurf├╝hrung Abb. 2.1.3 Magnetbahn mit
F├╝hrungsschiene

Bei dieser Verwendung wird das PMS haupts├Ąchlich zur Fahrger├Ąuschemissionsreduzierung, Verringerung der Rollreibungskr├Ąfte und somit zur Verminderung der Abnutzung des Systems genutzt, es arbeitet nicht mehr ber├╝hrungsfrei.
Ein Beispiel ist die M - Bahn[1], die auf einer Versuchsstrecke in Berlin erprobt wurde. Die Bahn l├Ąuft auf einer Schiene, unter der Permanentmagnete angebracht sind, die haupts├Ąchlich dem Antrieb dienen. Gleichzeitig wird das Rollengestell entlastet. Sie ist nur f├╝r 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 ├änderung des magnetischen Flusses, z.B. in einer Spule. Die ├änderung l├Ąsst sich u.a. durch Bewegung der Spule in einem Magnetfeld oder durch zeitliche ├änderung eines Magnetfeldes (z.B. durch Wechselstrom) erreichen: der durch die Induktion hervorgerufene Induktionsstrom flie├čt so, dass er (├╝ber sein Magnetfeld) seiner Ursache (z.B. Bewegung der Spule) entgegenwirkt (Lenzsche Regel).[2]

Durch gro├če Spulen wird ein starkes Magnetfeld erzeugt. Wird ein Leiter nun relativ zum Magnetfeld bewegt, so werden im Leiter sekund├Ąre Str├Âme induziert. Wird der Leiter kurzgeschlossen, wie es bei einer breiten Metallplatte der Fall ist, so bilden sich "Kreisstr├Âme", sogenannte Wirbelstr├Âme. Diese Wirbelstr├Âme 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 absto├čende Magnetfelder, die einen Schwebezustand erzeugen. Wahlweise

kann man nun die sich bewegende Spule ├╝ber einer Leiterplatte oder die sich bewegende Leiterplatte ├╝ber einer Spule schweben lassen.

Doch w├╝rde bei einem vorhandenen ohmschen Widerstand der Induktionsstrom kontinuierlich nachlassen und schlie├člich zum Zusammenbruch des Schwebezustandes f├╝hren. Eine supraleitende Induktionsspule jedoch kann nach einem anf├Ąnglichen "Erregen" (durch Energiezufuhr ausgel├Âster Schwebezustand) kurzgeschlossen werden und der Strom flie├čt in voller H├Âhe weiter. Dadurch stellt sich ein stabiler Schwebezustand ein. Dazu ist es n├Âtig, die prim├Ąre Induktionsspule mit fl├╝ssigem Helium auf ca. - 269┬░C zu k├╝hlen, was eine magnetische Flu├čdichte von bis zu 5 Tesla erm├Âglicht, wogegen mit einem SmCo5 - Permanentmagneten nur eine Flu├čdichte 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, ├╝ber einer Leiterplatte zu schweben (s. Abb. 2.2.1). Allerdings ist es dazu notwendig, das Fahrzeug durch mechanische Komponenten (z.B. R├Ąder) auf eine Geschwindigkeit von ca. 100 - 160 km/h zu beschleunigen, da es sich hier um einen elektrodynamischen Proze├č handelt, d.h. erst ab einer bestimmten Geschwindigkeit stellt sich der Schwebeeffekt ein. Die prim├Ąren Induktionsspulen k├Ânnen durch ein fahrzeugeigenes K├╝hlsystem mit fl├╝ssigem Helium zur Supraleitung angeregt werden, was allerdings sehr energieaufwendig ist.


Abb. 2.2.2 Nullflu├č - Spulenanordnung Abb. 2.2.3 Fahrzeug mit Nullflu├č - Spulen -

mit Kreuzschiene anordnung und Fahrgestell

Abb. 2.2.2 zeigt eine m├Âgliche Anordnung der Spulen ├╝ber und unter einer Kreuzschiene (Nullflu├č - Spulenanordnung). Dadurch dass die Spulen ├╝ber und unter dem Leiter angeordnet sind, entsteht ein sogenanntes Quadrupolfeld. Dieses Feld macht es m├Âglich, das kein magnetischer Flu├č den Leiter durchsetzt, so dass die ohmschen Verluste in dem Reaktionsleiter gering gehalten werden. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass die Funktionen Tragen und F├╝hren von der selben Induktionsspule ├╝bernommen werden k├Ânnen.

In Abb. 2.2.3 ist ein Schwebefahrzeug mit Nullflu├č - System dargestellt. Das zus├Ątzliche 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 w├Ąhrend einer Umstellung zwischen beiden Systemen. Allerdings ist es fraglich, ob das Eisenbahnsystem zur Beschleunigung ├╝berhaupt sinnvoll ist, da ein Eisenbahnfahrgestell sehr schwer ist und den Energieverbrauch im Gegensatz zu leichten Gummir├Ądern sehr erh├Âhen w├╝rde.


Ein Beispiel f├╝r elektrodynamisches Schweben ist der in Japan entwickelte MLU[3]. Das Fahrzeug bewegt sich bis zu einer Geschwindigkeit von 100 km/h auf St├╝tzr├Ądern, 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 ben├Âtigt. Dieses wird durch einen zu einer Spule gewickelten, stromdurchflossenen Leiter erzeugt, dessen Windungsdichte m├Âglichst gro├č ist. Die erzeugte magnetische Feldst├Ąrke h├Ąngt nun haupts├Ąchlich von der flie├čenden Stromst├Ąrke ab[4]. Zus├Ątzlich kann die Flu├čdichte durch Einbringen eines magnetisch gut polarisierbaren Materials (z.B. Eisen) verst├Ąrkt werden[5].

Dieser Elektromagnet kann nun durch sein starkes Magnetfeld ├╝ber 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 gro├čes 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 μm kleiner, so wird die Anziehungskraft entscheidend gr├Â├čer und der Magnet zieht sich ganz an das magnetisierbare Material heran (F ~ 1 / d┬▓). Wird der Spalt dagegen gr├Â├čer, so ├╝berwiegt die Gewichtskraft und der Magnet f├Ąllt 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
N├Ąhernd
11
18 600
8 600
N├Ąhernd
12
15 600
5 600
N├Ąhernd


13
13 300
3 300
n├Ąhernd
14
11 500
1 500
n├Ąhernd
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 Feldst├Ąrke des Elektromagneten, z.B. durch Regelung der flie├čenden Stromst├Ąrke I. Eine M├Âglichkeit ist es, den kapazitativen Widerstand eines Plattenkondensators mit angelegter Wechselspannung zur Feldregelung auszunutzen. Dazu wird eine Platte mit der Spule verbunden, w├Ąhrend die andere Platte am dar├╝berliegendem Material befestigt ist, so dass mit dem Abstand von Magnet und Material auch der Abstand der Platten variiert. Dadurch ├Ąndert 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 h├Ąngt 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 Magnetfeldst├Ąrke der Elektromagnete entsprechend reguliert, wie in 2.3.1 beschreiben. Die vertikale Spurf├╝hrung erfolgt durch das gleiche System.


Eine Anwendung des EMS ist das in Japan entwickelte HSST[6] (High Speed Surface Transport) - System. Tragen und F├╝hren erfolgt hier kombiniert ├╝ber dasselbe System. Der Antrieb erfolgt ├╝ber einen Kurzstator - Linearmotor, d.h. der Antrieb liegt im Fahrzeug selbst, die Stromversorgung des Fahrzeuges wird ├╝ber eine Schleifleitung sichergestellt, so ist das System ist nicht mehr vollst├Ąndig ber├╝hrungsfrei. Aus diesen Gr├╝nden ist das HSST f├╝r 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 anl├Ą├člich 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 verf├╝gt ├╝ber 32 einzeln geregelte Tragmagnete sowie 28 F├╝hrungsmagneten pro Fahrzeugglied (der Transrapid kann aus mehreren Einheiten variabel kombiniert werden). Die Tragmagneten dienen gleichzeitig als Erreger f├╝r 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 ├╝bernommen. Die Spaltbreitensensoren kontrollieren st├Ąndig den Spalt zwischen Tragmagneten und Antriebswicklungen und ├╝bermitteln das Ergebnis an einen Regler, der ├╝ber einen Magnetstromsteller eine Spaltbreite von 8 mm einstellt. Der Abstand zwischen Fahrzeugunterseite und Fahrwegtisch betr├Ągt 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

├╝ber 8 Bordbatterien. Ab einer Geschwindigkeit von 100 km/h werden die Batterien ├╝ber Induktionsspulen geladen, die im Bereich der Elektromagneten positioniert sind und ├╝ber die Magnetfelder der Langstator - Wanderfeldwicklungen an der Unterseite des Fahrweges gespeist werden. Das bedeutet, dass die Energie, um das Fahrzeug zu versorgen, vollkommen ber├╝hrungslos ├╝bertragen werden kann, so dass keine Schleifleitung oder ├Ąhnliches ben├Âtigt 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 L├Ąnge), steuert den Fahrbetrieb und ortet st├Ąndig das Fahrzeug.

4 Abschlu├čbetrachtung 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 Spurf├╝hrung, die nicht mit Permanentmagneten zu verwirklichen ist, f├╝hrten zum Einstellen einer weiteren Forschung f├╝r einen Einsatz im Hochgeschwindigkeitsbereich. Es wird nur im Personennahverkehr und im unteren Geschwindigkeitsbereich eingesetzt, wie bereits bei der M - Bahn verwirklicht.

Vorteilhafter gegen├╝ber dem PMS ist das EDS. Der Schwebezustand regelt sich von selbst, es wird also keine elektronische oder mechanische Regelung ben├Âtigt. Auch ist die relativ hohe Schwebeh├Âhe von ca. 10 cm vorteilhaft. Doch dieses System wirft Probleme auf, die nur technisch aufwendig zu l├Âsen sind, wie die supraleitenden, prim├Ąren Induktionsspulen an der Fahrzeugunterseite. Sie erfordern eine technisch - und energieaufwendige K├Ąltetechnik, gleichzeitig werden starke Magnetfelder im Fahrgastbereich erzeugt, was ein Mitfahren f├╝r Personen mit Herzschrittmachern unm├Âglich
macht und elektronische Ger├Ąte st├Âren kann. Durch die ben├Âtigten 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 h├Âheren 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 gegen├╝ber PMS und EDS. So bef├╝rworte ich die f├╝r 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: Elektrizit├Ąt 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 Systemf├╝hrung. Verkehr 2000 10/97 D

MVP Versuchs - und Planungsgesellschaft f├╝r Magnetbahnsysteme mbH: Dokumentation Transrapid Technik. M├╝nchen, Oktober 1996, 2. ├╝berarbeitete Auflage

Thyssen, Siemens, Henschel: Konsortium Transrapid

[1] Schematische Darstellung vgl. Anhang I.1
[2] Knaurs Lexikon, Lexikographisches Institut, M├╝nchen, 1974, Band 8, S. 2806
[3] Schematische Darstellung und Bilder vgl. Anhang I.2
[4] vgl. Formel: H = I * n / l ; H Feldst├Ąrke, I Stromst├Ąrke, n Windungsdichte, l Spulenl├Ąnge
[5] vgl. Formel: B = μ0 * μr * H ; B Flu├čdichte, μ0 Feldkonstante, μr Permeabilit├Ątszahl
[6] Schematische Darstellung und Bild vgl. Anhang I.3
[7] Technische Daten und Bilder vgl. Anhang I.4

1909 Worte in "deutsch"  als "hilfreich"  bewertet