Magnetschwebebahnen schweben mit Magnetismus über den Gleisen, auf denen sie fahren. Sie sind schneller, effizienter und umweltfreundlicher als moderne Radzüge. Es kann sein, dass eines Tages die Magnetschwebetechnologie auf der ganzen Welt alltäglich sein wird. Dieser Artikel beschreibt die Geschichte dieser Züge, ihre Funktionsweise sowie ihre Vor- und Nachteile. Außerdem wird die Bedeutung der Elektrotechnik für die Entwicklung von Magnetschwebebahnen erörtert und wie Elektrotechniker diese Technologie zur nächsten Transportrevolution machen können.

Einführung

Stellen Sie sich einen Zug ohne Räder vor. Anstatt auf der Strecke zu rollen, schwebt es leise über dem Gleis und gleitet reibungslos vom Ursprung zum Ziel, ohne jemals eine Schiene zu berühren. Das mag nach Science Fiction klingen, aber es gibt bereits Beispiele für diese Technologie an einer Reihe von Orten auf der Welt. Sie sind als Magnetschwebebahnen bekannt (abgeleitet vom Begriff Magnetschwebebahn). Diese futuristischen Lokomotiven bieten viele neue und aufregende Reisemöglichkeiten. Sie haben das Potenzial, schneller, sicherer und energieeffizienter zu sein als herkömmliche Transportsysteme. Obwohl es derzeit nur wenige solcher Züge gibt, sind sie eine Brutstätte für Forschung in der Elektrotechnik. Infolgedessen ist Magnetschwebebahn möglicherweise früher als gedacht alltäglich.

Geschichte von Magnetschwebebahn

Die grundlegenden Ideen der Magnetschwebetechnologie lassen sich bis ins frühe 20. Jahrhundert zurückverfolgen. Es wurde viel Arbeit investiert, um die Grundlagen für diese Züge zu schaffen, einschließlich der Entwicklung von Elektromotoren und der Erforschung des Magnetismus. Einige Wissenschaftler, nämlich Robert Goddard und Emile Bachelet, wagten es sogar, ein Fahrzeug vorzuschlagen, das mit Magneten schweben würde (Yadav, 2013). 1934 erhielt ein deutscher Mann namens Hermann Kemper ein Patent für das erste Konzept eines magnetisch schwebenden Zuges (Yadav, 2013). Erst in den 1960er Jahren begann sich die Idee wirklich zu manifestieren. Zu dieser Zeit begannen Deutschland und Japan, das Potenzial von Magnetschwebebahn zu erforschen. In den 70er und 80er Jahren machten beide Länder große Fortschritte bei der Entwicklung dieser Züge. Deutschland baute und testete eine Reihe von Prototypen von Magnetschwebebahnsystemen und nannte deren Design TransRapid (Abbildung 1). Die Züge erreichten auf der Teststrecke Geschwindigkeiten von über 402 km / h (Luu, 2005). Japan testete auch zwei eigene Serien, die ML-500 und später die MLU. Ihre Züge konnten 483 km / h überschreiten (Luu, 2005).

Abbildung 1

Transrapid im Testzentrum in Deutschland bei Bremen. Quelle: © Stahlkocher / CC BY-SA 3.0

Japan hat seine Magnetschwebetechnologie bis in die 90er Jahre und darüber hinaus weiterentwickelt. Sie testeten eine neue Serie namens MLX, die 2003 563 km / h brach (Yadav, 2013). Im Land wurden keine kommerziellen Linien eingerichtet, aber sie forschen noch. In Deutschland wurde 1992 eine kommerzielle TransRapid-Linie zwischen Berlin und Hamburg vorgeschlagen. Im Jahr 2000 stellte die Regierung das Projekt jedoch ein (Luu, 2005). Es war jedoch nicht alles verloren, als die Chinesen es bemerkten und die Deutschen beauftragten, einen TransRapid-Zug in Shanghai zu bauen. Der Shanghai Maglev (Abbildung 2), der aus diesem Vorhaben hervorgegangen ist, ist jetzt der einzige Hochgeschwindigkeits-Magnetschwebebahn im kommerziellen Einsatz. Es befördert Passagiere in 8 Minuten über eine Distanz von 30 km und erreicht eine Höchstgeschwindigkeit von über 431 km / h (Coates, 2004). So hat sich China schnell zu einem großen Akteur auf dem weltweiten Magnetschwebemarkt entwickelt. Das Land plant, die Entwicklung seiner Magnetschwebebahn-Infrastruktur fortzusetzen.

Abbildung 2

Shanghai Maglev verlässt den internationalen Flughafen Pudong, wobei die Schienenkarte der Shanghai Transit Map die Route zur Longyang Road zeigt. Collagenquellen: © Alex Needham / Public Domain und Metropedia

Wie funktioniert es?

Maglev-Züge haben keine Räder oder Schienen. Wie in Abbildung 3 gezeigt, haben sie Führungsbahnen und schweben diese Führungsbahnen hinunter, ohne sie jemals zu berühren.

Abbildung 3

Vergleich von Rad-Schiene mit Führungsbahnen. Quelle: Autor, abgeleitet von Lee (2006).

Es gibt drei wesentliche Teile, um die Magnetschwebebahnfunktionalität zu erreichen: Schweben, Antrieb und Führung (siehe unten).

Abbildung 4

Levitation, Antrieb und Führung in Magnetschwebebahn. Quelle: Autor, abgeleitet von Lee (2006).

Levitation

Levitation ist die Fähigkeit des Zuges, über dem Gleis aufgehängt zu bleiben. Es gibt zwei wichtige Arten der Levitationstechnologie:

• Elektromagnetische Aufhängung (EMS): EMS (Abbildung 5) nutzt die Anziehungskraft von Elektromagneten, die auf der Führungsbahn und im Zug angebracht sind, um eine Levitation zu erreichen.Die Vorteile dieser Methode bestehen darin, dass sie einfacher zu implementieren ist als die elektrodynamische Aufhängung (siehe unten) und dass die Levitation bei einer Geschwindigkeit von Null gehalten wird. Die Nachteile sind, dass das System von Natur aus instabil ist. Bei hohen Geschwindigkeiten wird es schwierig, den richtigen Abstand zwischen Zug und Fahrbahn einzuhalten. Wenn dieser Abstand nicht eingehalten werden kann, schwebt der Zug nicht und bleibt schleifend stehen. Um dies zu berücksichtigen, benötigt EMS komplexe Rückkopplungskontrollsysteme, um sicherzustellen, dass der Zug immer stabil ist (Lee, 2006).

Abbildung 5

Elektromagnetische Aufhängung (EMS). Verwendet anziehende Magnetkräfte. Quelle: Autor, abgeleitet von Lee (2006).

• Elektrodynamische Aufhängung (EDS): EDS (Abbildung 6) nutzt die Abstoßungskraft von (supraleitenden) Magneten, die auf der Führungsbahn und im Zug zu angeordnet sind Levitation erreichen. Die Magnete bewegen sich während der Fahrt aneinander vorbei und erzeugen die Abstoßungskraft. Die Vorteile dieser Methode sind, dass sie bei hohen Geschwindigkeiten unglaublich stabil ist. Die Einhaltung des richtigen Abstands zwischen Zug und Fahrbahn ist kein Problem (Lee, 2006). Die Nachteile sind, dass eine ausreichende Geschwindigkeit aufgebaut werden muss, damit der Zug überhaupt schweben kann. Darüber hinaus ist die Implementierung dieses Systems viel komplexer und kostenintensiver.

Abbildung 6

Elektrodynamische Federung (EDS). Verwendet abstoßende Magnetkräfte. Quelle: Autor, abgeleitet von Lee (2006).

Antrieb

Antrieb ist die Kraft, die den Zug vorwärts treibt. Maglev verwendet einen elektrischen Linearmotor, um einen Antrieb zu erreichen. Ein normaler elektrischer Rotationsmotor verwendet Magnetismus, um ein Drehmoment zu erzeugen und eine Achse zu drehen. Es hat ein stationäres Stück, den Stator, der ein rotierendes Stück, den Rotor, umgibt. Der Stator wird verwendet, um ein rotierendes Magnetfeld zu erzeugen. Dieses Feld induziert eine Rotationskraft auf den Rotor, wodurch er sich dreht. Ein Linearmotor ist einfach eine abgerollte Version davon (siehe Abbildung 7). Der Stator wird flach gelegt und der Rotor ruht darüber. Anstelle eines rotierenden Magnetfelds erzeugt der Stator ein Feld, das sich über seine Länge bewegt. In ähnlicher Weise erfährt der Rotor anstelle einer rotierenden Kraft eine lineare Kraft, die ihn den Stator hinunterzieht. Somit erzeugt ein elektrischer Linearmotor direkt eine Bewegung in einer geraden Linie. Dieser Motor kann jedoch nur dann eine Kraft erzeugen, wenn sich der Rotor über dem Stator befindet. Sobald der Rotor das Ende erreicht hat, bleibt er stehen.

Abbildung 7

Rotationsmotor gegenüber Linearmotor. Quelle: Autor, abgeleitet von Lee (2006).

Bei der Beschreibung eines Linearmotors wird standardmäßig der Begriff „primär“ anstelle von „Stator“ und „sekundär“ anstelle von „Rotor“ verwendet. In Magnetschwebebahnen ist die Sekundärseite an der Unterseite der Waggons angebracht, und die Primärseite befindet sich in der Führungsbahn. So wird ein Magnetfeld durch die Führungsbahn geschickt und zieht den Zug hinter sich her. In gewisser Weise kann die gesamte Länge eines Magnetschwebebahns als Teil des Zugmotors betrachtet werden. Das bisher beschriebene System ist ein Linearinduktionsmotor (LIM). Es wird so genannt, weil das Magnetfeld in der Primärseite ein Magnetfeld in der Sekundärseite induziert. Es ist die Wechselwirkung zwischen dem ursprünglichen Feld und dem induzierten Feld, die bewirkt, dass die Sekundärseite mitgezogen wird. In dieser Konfiguration bleibt die Sekundärseite jedoch immer etwas hinter dem Bewegungsfeld in der Primärseite zurück. Diese Verzögerung ist eine Quelle für Energie- und Geschwindigkeitsverlust. Bei einem linearen Synchronmotor (LSM) wird die Verzögerung durch Anbringen von Permanentmagneten an der Sekundärseite beseitigt. Da die Sekundärseite jetzt ein eigenes stationäres Magnetfeld erzeugt, wandert sie synchron mit dem Bewegungsfeld die Primärseite hinunter – daher der Name für diese Motorvariante (Gieras, 2011). Da LSMs schneller und effizienter sind, sind sie der Motor der Wahl in Hochgeschwindigkeits-Magnetschwebebahnen (Lee, 2006).

Führung

Führung ist das, was den Zug über dem Zug zentriert Führung. Für Hochgeschwindigkeits-Magnetschwebebahnen werden dazu abstoßende Magnetkräfte verwendet (Abbildung 8). Im TransRapid befinden sich zwei elektromagnetische Schienen im Zug, die zu beiden Seiten der Führungsbahn zeigen. Diese Schienen verhindern, dass der Zug zu weit vom Kurs abweicht (Lee, 2006). Im MLX ist die Führung mit dem Schwebesystem gekoppelt. Die Schwebeschienen auf beiden Seiten des Zuges sind miteinander verbunden. Durch diese Verbindung wird, wenn sich der Zug einer Seite nähert, eine Rückstellkraft induziert, die ihn zurück zur Mitte drückt. Somit wird der MLX gleichzeitig schwebend und geführt (Lee, 2006).

Abbildung 8

Leitsystem von Transrapid und MLX. Beide verwenden abstoßende Magnete. Quelle: Autor, abgeleitet von Lee (2006).

Vorteile von Maglev

Die offensichtlichste Attraktion von Magnetschwebebahnen ist, dass sie schneller als herkömmliche Eisenbahnzüge fahren können. Der einzige kommerzielle Hochgeschwindigkeits-Magnetschwebebahn, der Shanghai-Magnetschwebebahn, ist jetzt der schnellste Zug, den es gibt.Es fährt über 80 km / h schneller als die schnellste Hochgeschwindigkeitsradschiene (320 km / h Hayabusa, 2013). Und es ist nur der erste. Die mangelnde Reibung zwischen Zug und Fahrbahn beseitigt viele Grenzen, die traditionelle Züge verbinden. Maglev wird von hier aus nur schneller (Luu, 2005). Es gibt andere, subtilere Eigenschaften, die Magnetschwebebahn auch attraktiv machen:

• Langlebigkeit: Herkömmliche Räder und Schienen sind im Laufe der Zeit einer hohen Belastung ausgesetzt. Sie müssen regelmäßig ausgetauscht und repariert werden, um funktionsfähig zu bleiben. In Magnetschwebebahn gibt es keinen Kontakt zwischen Zug und Fahrbahn, so dass der Verschleiß wesentlich geringer ist. Aufgrund dieser Tatsache ist die Lebensdauer von Magnetschwebebauteilen entsprechend viel länger (Powell, 2003). In wirtschaftlicher Hinsicht ist dies ein ziemlicher Anreiz, da Reparatur und Wartung kostspielige und zeitaufwändige Tätigkeiten sind.
• Sicherheit: Es mag kontraintuitiv erscheinen, dass diese Züge sicherer sind, da sie so viel schneller fahren als ihre Räder Gegenstücke. Es ist trotzdem wahr. Magnetschwebebahnen sind kaum zu entgleisen (Luu, 2005). Es würde so etwas wie einen vollständigen Zusammenbruch der Führungsbahn erfordern, um einen Zug von seiner Strecke zu trennen. Außerdem ist das Wetter kein großes Problem. Da die Züge keine Reibung für Bewegung benötigen, verursachen Schnee, Eis und Regen nur geringe bis keine Auswirkungen (Luu, 2005). Schließlich ist es einfach, die Führungsbahnen anzuheben. Wenn die Züge auf Gleisen zehn Fuß über dem Boden fahren, besteht eine geringere Wahrscheinlichkeit einer Kollision mit einem Objekt auf seinem Weg (Luu, 2005).
• Energieeffizienz: Ein weiterer Vorteil der Levitation besteht darin, dass diese Züge Verliere keine Energie durch Reibung. Dies gibt ihnen einen Effizienzvorteil (Wang 2010). Der Energieverbrauch ist entscheidend für den Erfolg eines Transportsystems. Ein Großteil der Betriebskosten entfällt auf die Stromkosten. Daher ist dieser Effizienzvorsprung sehr wichtig. Magnetschwebebahnen sind zwar effizienter, aber derzeit nicht wesentlich effizienter als moderne Hochgeschwindigkeitszüge. Sie haben jedoch das Potenzial, in dieser Kategorie weit überlegen zu sein.
• Umweltbelastung: Maglev-Züge können engere Kurven fahren als Hochgeschwindigkeitsschienen. Auf diese Weise können Führungsbahnen gebaut werden, die das Gelände viel besser navigieren können (Wang 2010). Die Pfade können so gestaltet werden, dass sie so wenig wie möglich Auswirkungen auf die Umwelt haben. Führungsbahnen nehmen auch weniger Fläche ein als Schienen (Wang 2010). Dies reduziert die Umweltbelastung weiter. Und wie bereits erwähnt, lassen sich Führungsbahnen leicht vom Boden abheben (Luu, 2005). Pflanzen und Tiere sind sicherer, wenn der Zug über ihnen fährt und nicht direkt neben ihnen vorbeifährt.
• Lärmbelastung: Wenn Sie ein Transportprojekt in Betracht ziehen, ist der Lärm (innerhalb angemessener Grenzen) nicht so groß ein Anliegen wie Wirtschaftlichkeit oder Sicherheit. Die Rauschunterdrückung wird jedoch weiterhin als positives Merkmal angesehen. Maglev-Züge sind leiser als moderne Züge, daher ist dies ein weiterer Punkt für sie (Wang, 2010).

Nachteile von Maglev

Obwohl es dort viele Vorteile gibt sind immer noch Gründe, warum nicht überall Magnetschwebebahnen gebaut werden. Der vielleicht größte Grund ist, dass Magnetschwebebahnen nicht mit der vorhandenen Schieneninfrastruktur kompatibel sind. Jede Organisation, die versucht, ein Magnetschwebebahnsystem zu implementieren, muss bei Null anfangen und einen völlig neuen Satz von Spuren erstellen. Dies ist mit einer sehr hohen Anfangsinvestition verbunden (Coates, 2004). Obwohl Führungsbahnen im Laufe der Zeit weniger kosten als Schienen (Powell, 2003), ist es schwierig, Ausgaben im Voraus zu rechtfertigen. Ein weiteres Problem ist, dass Magnetschwebebahnen schnell fahren, aber möglicherweise nicht schnell genug. Länder mit bereits vorhandenen Hochgeschwindigkeitsschienen möchten nicht Milliarden von Dollar für die Implementierung eines Systems ausgeben, das nur unwesentlich besser ist als die bestehende Lösung. Der Markt für diese Züge ist derzeit nicht sehr groß. Es ist schwer zu bestreiten, dass diese Züge den Standardzügen überlegen sind. Unabhängig davon muss noch mehr Arbeit geleistet werden, bevor es sich lohnt, sie weltweit umzusetzen.

Elektrotechnik in Maglev

Seit der Dampfmaschine gehören Züge traditionell zum Bereich der Maschinenbauingenieure . Es waren alles Motoren und Achsen, Räder und Motoren. Die Einführung der Magnetschwebetechnologie hat diese Tradition jedoch gebrochen. Die Entwicklung dieser Züge erforderte Beiträge aus verschiedenen Bereichen außer dem Maschinenbau, einschließlich Physik und Chemie. Vor allem aber hat es Elektrotechniker an den Tisch gebracht. Von Anfang an haben Elektrotechniker maßgeblich zur Entwicklung der Magnetschwebetechnologie beigetragen. Eric Laithwaite, ein Elektrotechniker, entwickelte den ersten linearen Induktionsmotor, einen wichtigen und notwendigen Vorläufer für Magnetschwebebahnen. Hermann Kemper, von dem viele glauben, er sei der Vater von Magnetschwebebahn, war auch Elektrotechniker. Deutsche und japanische Elektrotechniker arbeiteten daran, die Magnetschwebebahnprogramme in ihren jeweiligen Ländern zu etablieren.Und heute machen Elektrotechniker die Technologie immer besser, damit sie Länder auf der ganzen Welt anspricht. Magnetschwebebahnen haben überraschend wenige bewegliche Teile. Es geht um elektrische Ströme, Magnete und Drahtschleifen. Einige wichtige Themen auf diesem Gebiet sind elektromagnetische Felder und Wellen, Schaltungstheorie, Rückkopplungsregelungssysteme und Energietechnik. All dies fällt unter das Fachwissen der Elektrotechniker. Daher sind Elektrotechniker erforderlich, um die größten Probleme dieser Technologie zu lösen. Die Züge müssen schneller und energieeffizienter gemacht werden. Währenddessen müssen sie innerhalb der Grenzen der Sicherheit gehalten werden. Die Führungsbahnen müssen billiger, einfacher zu implementieren und möglicherweise besser mit vorhandenen Schienen kompatibel sein. Die Steuerungssysteme müssen fehlerfrei gemacht werden. All diese und weitere Probleme fordern einen Elektrotechniker auf, seine Antworten zu entschlüsseln.

Die Zukunft von Maglev

Die Maglev-Technologie ist vielversprechend für die Zukunft. Es hat das Potenzial, ein billigeres, schnelleres, sichereres und umweltfreundlicheres Transportmittel zu sein als heute. Und mit Hilfe einiger Elektrotechniker wird es all diese Dinge werden. Es gibt mögliche Anwendungen für diese Technologie in allen Bereichen, vom öffentlichen Intercity-Verkehr bis hin zu Überlandfahrten. Es gibt sogar Vorschläge, lange unterirdische Rohre zu bauen, die Luft aus den Rohren zu saugen und Magnetschwebebahnen darin zu platzieren. In dieser Einstellung würde es praktisch keinen Windwiderstand geben, so dass ein Zug leicht Geschwindigkeiten erreichen könnte, die die Schallgeschwindigkeit überschreiten (Thornton, 2007). Obwohl es lange dauern kann, bis sich diese Technologie durchsetzt, ist es schwierig zu leugnen, dass sie irgendwann verbreitet sein wird. Die Vorteile sind zu schwer zu ignorieren. Derzeit ist nur ein kommerzieller Magnetschwebebahn im Einsatz, und er hat bereits alles in den Schatten gestellt, was davor war. Wie wird sich diese Technologie weiterentwickeln und verbessern, wenn wir uns in die Zukunft bewegen? Nur die Zeit kann es verraten. Es ist jedoch sehr plausibel, dass wir jetzt am Abgrund einer Transportrevolution stehen. Zum einen freue ich mich darauf, mit 300 Meilen pro Stunde in einer schwebenden Magnetkiste über die Landschaft zu gleiten.

Bibliographie

Vorgeschlagene Links

Siehe auch

• Autonome Fahrzeuge
• Elektrische Batterien für erneuerbare Energien
• Intelligente Infrastruktur