- 4 - Thema : Magnetschwebebahn Transrapid Theoretische Grundlagen - praktische Realisierung - Wirtschaftlichkeitsprognosen - Auswirkungen auf Mensch und Umwelt Vorwort Ein besonderer Dank gilt der Firma Putzin Maschinenbau GmbH / Pegnitz, die nach meinen Zeichnungen (siehe Anhang Abb. 6) den Fahrweg des Modells der Magnetschwebebahn angefertigt hat. Ganz besonders danke ich Herrn Ralf Putzin, der mir noch einige Tips und Verbesserungsvorschläge für das Modell gegeben hat.
- 3 - Inhaltsverzeichnis Vorwort 2 A. Die Erfindung der Magnetschwebebahn 4 B. Die Magnetschwebebahn Transrapid 4 I. Theoretische Grundlagen 4 1. Das elektromagnetische Trag- und Führsystem des Transrapid 4 2. Der Antrieb des Transrapid 6 II. Praktische Realisierung 7 1. Das Modell der Magnetschwebebahn 8 2. Die Funktion des Modells 8 III. Wirtschaftlichkeitsprognosen 8 IV. Auswirkungen auf Mensch und Umwelt 10 C. Schlechte Zukunftsaussichten für den Transrapid 12 Literaturverzeichnis 13 Anhang 15 Seite A. Die Erfindung der Magnetschwebebahn
- 4 - Im Jahre 1922 begann der Ingenieur Hermann Kemper (s. Anhang, Abb. 1) aus Nortrup bei Osnabrück an einer elektromagnetischen Schwebebahn zu arbeiten. Im August 1934 bekam Kemper dafür ein Reichspatent, siehe Anhang, Abb. 2 (»Schwebebahn mit räderlosen Fahrzeugen, die mittels magnetischer Felder an ei-sernen Fahrschienen schwebend entlang geführt werden«1 ). Mit dem Prinzip der elektroinduktiven Abstossung nach Thomson baute er 1935 ein Versuchsmodell, mit dem er durch wirtschaftlichen Leistungsaufwand eine Last von 210 kg in der Schwebe hielt. 2 B. Die Magnetschwebebahn Transrapid Am 13. Oktober 1994 wurde die Magnetschnellbahn-Planungsgesellschaft mbh mit ihrem Sitz in Schwerin gegründet. Die Gesellschafter sind zur einen Hälfte die Bundesrepublik Deutschland, vertreten durch das Bundesministerium für Verkehr und zur anderen Hälfte aus jeweils gleichen Teilen folgender Unternehmen: Thyssen Industrie AG, Siemens-Aktiengesellschaft, Adtranz (Deutschland) GmbH, Dyckerhoff & Widmann AG, Hochtief Aktiengesellschaft, Philipp Holzmann AG, Deutsche Bahn AG. Aufgabe der Magnetschnellbahn-Planungsgesellschaft mbh ist es, die weltweit erste Transrapid-Strecke bis zur Baureife im Detail zu planen. 3 Ein Bild des Transrapid auf der Teststrecke in Emsland ist im Anhang zu finden (Abb. 3). I. Theoretische Grundlagen 1. Das elektromagnetische Trag- und Führsystem des Transrapid Es beruht auf dem Prinzip des elektromagnetischen Schwebens (EMS), das berührungsfrei arbeitet. Auf die einzeln geregelten Elektromagneten, die am Fahrzeug angebracht sind und auf die ferromagnetischen Reaktionsschienen wirken anzie- 1 Eisenbahnjahr Ausstellungsgesellschaft mbh, Nürnberg (Hrsg.): Zug derzeit - Zeit der Züge. Deutsche Eisenbahn 1835-1985. Band 2. Berlin, Wolf Jobst Siedler Verlag GmbH 1985. S.784. 2 Vgl. Preuß, Erich / Preuß, Reiner: Lexikon - Erfinder und Erfindungen (Eisenbahn). Berlin, Transpress-Verlag 1986. S.199. 3 Vgl. Nishen, Dirk: Info Box - Der Katalog. Berlin, Verlag Dirk Nishen GmbH & Co KG1996. S. 100.
- 3 - hende Kräfte. Somit wird der Transrapid von den Führmagneten in der Spur gehal-ten und die Tragmagnete ziehen ihn von unten an den Fahrweg heran, s. Anhang, Abb. 4. Die wichtigsten Kenngrössen für die Auslegung eines magnetischen Trag- und Führsystems ist der Nennluftspalt zwischen den fahrzeugseitigen Magneten und den fahrwegseitigen Ankerschienen. 4. Das bedeutet, dass der Transrapid ständig mit einem konstanten Luftspalt schweben muss, der beim TR07 10 mm beträgt. Der Nennluftspalt wird durch den Aufbau der Magnetaufhängungen im Fahrzeug und durch die Magnetregelung bestimmt. Der Aufbau der Magnetaufhängung: Damit der Nennluftspalt nicht verringert wird, sind die Magnete einzeln aufgehängt, die Gefahr einer gegenseitigen Beeinflussung ist dadurch behoben. Die Magnetregelung: 100.000 mal in der Sekunde führt die Magnetregelung Messungen von dem Luftspalt durch und vergleicht diese mit dem Sollwert (10 mm). Die Differenz wird dann wieder ausgeglichen, indem die Regelung den Strom für die Elektromagneten ändert. Des weiteren teilt sich die Magnetregelung in zwei verschiedene Regelungen auf, die Lageregelung und die Spaltregelung: Die Lageregelung ist dafür verantwortlich [...], den Magneten auf einer rein trassierungsbedingten Bahnkurve zu führen und alle konstruktionsbedingten Abweichungen des Fahrwegs von dieser Ideallinie im Luftspalt zu kompensieren. 5. D.h., dass die Lageregelung z.b. Bautoleranzen des Fahrwegs oder dessen elastische Verformung so ausgleichen muss, dass der Luftspalt konstant bleibt, indem sie die Lage der einzelnen Magneten regelt. Die Lageregelung wird aktiv, wenn es sich um eine Lageabweichung mit kurzen Wellenlängen bzw. hohen Frequenzen handelt. Die Spaltregelung hingegen sorgt dafür, dass sich die einzelnen Magneten immer mit einem konstanten Luftspalt zum Fahrweg, unabhängig von dessen konstrukti- 4 MVP Versuchs- und Planungsgesellschaft für Magnetsysteme / Transrapid International Gesellschaft für Magnetbahnsysteme (Hrsg.): Magnetbahn Transrapid. Die neue Dimension des Reisens. Darmstadt, HESTRA-VERLAG 1989. S.47. 5 ebda S. 47.
- 4 - onsbedingten Abweichungen, befinden. Die Spaltregelung wird eingesetzt, wenn es sich um langwellige bzw. niederfrequente Lageabweichungen handelt. Die Magnetregelung muss zusätzlich auch noch Störkräfte, wie böiges Wetter, Zugbegegnungen oder Ausfälle einzelner Magnete ausgleichen. Auch das Gewicht der gesamten Fahrzeugsektionen samt Passagiere und/oder Güter muss von der Magnetregelung egalisiert werden, damit die Magnetkraft und das Gewicht ausgeglichen wird. 2. Der Antrieb des Transrapid Der Transrapid wird durch einen eisenbehafteten synchronen Langstator-Linearmotor in Kombination mit dem magnetischen Tragsystem angetrieben. Den Langstator des Transrapids kann man sich als rotierenden Schrittmotor vorstellen, der aufgeschnitten und gestreckt wurde. Hierbei befindet sich der Langstator mit den Wicklungen, die das Wanderfeld erzeugen, am Fahrweg und die Erregerwicklungen am Fahrzeug (Abb.5). Die Kabelkonstruktion des Langstators besteht aus einem weichen Leiter, wie Aluminium oder Kupfer mit einem Querschnitt von 300 mm 2. Das Kabel ist von einem leitfähigen Mantel umgeben, der aus einem syntheti-schen Elastomer besteht. Der Lineargenerator mit seinen Drehstromwicklungen erzeugt die Antriebsenergie, indem die Induktionsschwankungen der Statornutung eine Spannung in dem jeweiligen Abschnitt des Lineargenerators induziert (siehe Richtung des magnetischen Flusses φ). Das Wandermagnetfeld wird erzeugt, indem durch die Wicklungen am Fahrweg drei zeitlich phasenverschobene, sinusförmige Wechselströme I mit der regelbaren Frequenz f (0-215 Hz) fliessen. Dieser Drehstrom hat nun eine mittlere Geschwindigkeit v, dessen Richtung von der Phasenverschiebung und der Amplitude abhängt. f Es gilt : v = l ( ) p 6 Wobei f die Frequenz, p die Polpaarzahl, und l = 2*p*τ p mit der Polteilung τ p Abb. 5 aus MVP Versuchs- und Planungsgesellschaft für Magnetsysteme / Transrapid International Gesellschaft für Magnetbahnsysteme (Hrsg.): Magnetbahn Transrapid. Die neue Dimension des Reisens. Darmstadt, HESTRA-VERLAG 1989. S.47. 6 Dr. Draeger, Jürgen; Dr. Moczala, Helmut: Elektrische Linear-Kleinmotoren. München, Franzis-Verlag GmbH 1987. S. 21.
- 3 - die wirksame Magnetgestelllänge ist. Für f = 50 Hz, p = 2 und τ p = 40 cm ergibt sich eine Geschwindigkeit von : f v = 2 p τ p ( ) = 2 2 0,4 m p 50Hz ( ) = 40 m 2 s Aufgrund der Polteilung am Fahrzeug wird nun der Transrapid von dem Wanderfeld mitgezogen. Die Geschwindigkeit kann man stufenlos, durch Änderung der Frequenz des Drehstromes, einstellen. Es wird nur der Streckenabschnitt des Lang-stators mit Strom versorgt, indem sich der Transrapid befindet, um das System so wirtschaftlich wie nur möglich zu machen (siehe auch III. Wirtschaftlichkeitsprognosen). Bei einer Frequenz von f < 55 Hz wird der Wechselrichter, der die Spannung steuert, auf Pulsbetrieb geschaltet, bei einer Frequenz von f > 55 Hz werden [...] die Phasenlagen der zusammengehörenden Wechselrichterspannungen gegeneinander geschwenkt 7. Dadurch wird die Stromoberschwingung reduziert, die den Motorgrundschwingungsstrom überlagert. 8 Damit der Transrapid wieder abbremst, muss lediglich die Richtung des Wanderfeldes, durch umpolen geändert werden. 7 MVP Versuchs- und Planungsgesellschaft für Magnetsysteme / Transrapid International Gesellschaft für Magnetbahnsysteme (Hrsg.): Magnetbahn Transrapid. Die neue Dimension des Reisens. Darmstadt, HESTRA-VERLAG 1989. S.47. 8 Vgl. MVP Versuchs- und Planungsgesellschaft für Magnetsysteme / Transrapid International Gesellschaft für Magnetbahnsysteme (Hrsg.): Magnetbahn Transrapid. Die neue Dimension des Reisens. Darmstadt, HESTRA-VERLAG 1989. S.52, 53.
- 4 - II. Praktische Realisierung Zum besseren Verständnis habe ich zum Punkt II Lichtbilder angefertigt, die im Anhang auf der letzten Seite zu finden sind. 1. Das Modell der Magnetschwebebahn Eine Technische Zeichnung der Magnetschwebebahn und des Fahrwegs mit den Wanderfeldwicklungen siehe Anhang Abb. 6. Das Wandermagnetfeld wird nach Abb. 7 (Anhang) mit einem isolierten Vollmetalldraht in die Nuten des Langstators gewickelt. Damit die Funktion gewährleistet wird, müssen die Drehstromwicklungen in Stern-Schaltung geschaltet werden, d.h. an einem Ende des Langstators werden alle drei Kabel zusammengeschlossen. 2. Die Funktion des Modells An die Wanderfeldwicklungen wird nun vom Drehstromgenerator der Drehstrom (L1, L2, L3) angeschlossen (siehe Anhang, Abb. 8). Jetzt wird die Amplitude des 3-Phasen-Wechselstroms auf 10 V eingestellt. Mit der regelbaren Frequenz kann man die Geschwindigkeit beeinflussen (siehe auch I. 2. Der Antrieb des Transrapid). Mit dem Kippschalter am Drehstromgenerator ist es möglich, die Richtung des Drehstroms zu ändern. Das bedeutet für die Magnetschwebebahn, dass sich die Fahrtrichtung ändert. Des weiteren möchte ich noch betonen, dass der Drehstromgenerator nicht die nötige Leistung brachte, so dass die Magnetschwebebahn nur um einen Punkt vibrierte, anstatt in eine Richtung zu schweben. Für eine solch kurze Strecke von 400 mm war der Strom einfach zu hoch und die Kabel schmorten an. Daraufhin sprang die Temperatursicherung ϑ heraus und es war keine Spannung mehr vorhanden, die das magnetische Drehfeld erzeugte.
- 3 - III. Wirtschaftlichkeitsprognosen Mit Geschwindigkeiten von bis zu 500 km/h kann der Transrapid dem Flugzeug Konkurrenz machen. Der Transrapid ist sogar noch schneller, wenn man bedenkt, dass die Warte- und Eincheckzeiten beim Flugzeug relativ lang sind. Auf der geplanten Strecke zwischen Hamburg und Berlin z.b. hat der Transrapid in einer knappen Stunde die 300 km zurückgelegt. Mit dem Flugzeug dauert allein die Wartezeit schon eine Stunde. Der Transrapid hat ausserdem einen extrem kurzen Beschleunigungsweg. Nach nur 5 km bzw. 2 Minuten erreicht sie (er) eine Geschwindigkeit von 300 km/h. 9 Seine Beschleunigung beträgt also weniger als 1,0 m/s 2. Moderne Eisenbahnen erreichen eine solche Geschwindigkeit erst nach mindestens 30 km und einem vierfachen der Zeit. Auch für Haltestops benötigt der Transrapid viel weniger Zeit als herkömmliche Schienenfahrzeuge, da die Zeit des Bremsvorgangs und die des Beschleunigungsvorgangs sehr kurz ist. Das Magnetfeld, das der Transrapid erzeugt, ist viel geringer als bei manchen Haushaltsgeräten und es beeinträchtigt daher elektrische Geräte nicht. Magnetfeldstärken Erdmagnetfeld 60 µ Tesla TRANSRAPID 100 µ Tesla Farbfernseher 500 µ Tesla Elektroherd 1000 µ Tesla 10 Man kann also im Transrapid ganz beruhigt mit dem Laptop arbeiten. Dies ist ein grosser Vorteil für Geschäftsleute. Auch Personen mit einem Herzschrittmacher können unbesorgt in den Transrapid einsteigen. Ebenso ist der Energieverbrauch des Transrapids sehr gering, da der Langstator nur teilweise mit Strom versorgt wird und der Lineargenerator durch Induktion elektrische Energie erzeugt. Der Primärverbrauch pro Sitzplatz liegt beim Transrapid bei ca. 50-200 Wh * Entfernungskilometer. Der PKW als Beispiel, braucht 300-700 Wh/Sitzplatz * Entfernungskilometer. Der Energieverbrauch des Transrapid ist also nur ¼ mal so hoch wie der des PKW. 11 Im Vergleich zu 9 Internet: http://transrapid.simplenet.com/tech.htm#antrieb. S. 5. 10 Vgl. Internet: http://transrapid.simplenet.com/tech.htm#antrieb. S. 6. 11 Zahlenwerte aus CD View / Das interaktive Multimedia-Magazin auf CD-ROM. Ausgabe 6. Eine Multimedia Produktion von micro Media electronic publishing GmbH & Co. KG.
- 4 - anderen Schie-nensystemen verbraucht der Transrapid 30% weniger Strom als der ICE. Ein weiterer Vorteil der Magnetschwebebahn ist, dass sie verschleissfrei arbeitet. Bei der Eisenbahn drehen sich die Räder und der Dachstromabnehmer ist in dauernder Berührung mit der Oberleitung. Dadurch entsteht Reibung und die Metallteile nützen sich ab. Dies führt dazu, dass der Zug früher oder später gewartet werden muss und dann schlagen die Kosten wieder zu Buche. Der Transrapid berührt den Fahrweg überhaupt nicht, und somit gibt es keine Reibung. Dies führt zu keinem Verschleiss. Zusammenfassend kann man sagen, dass der Transrapid in folgenden Punkten sehr wirtschaftlich ist: - hohe Geschwindigkeiten von bis zu 500 km/h - extrem schnelle Beschleunigung auf kurzem Weg - niedrige Magnetfeldstärke - geringer Energieverbrauch - kein Verschleiss IV. Auswirkungen auf Mensch und Umwelt Neue Transrapid-Strecken würden zahlreiche Autofahrer und Flugreisende veranlassen auf die Magnetschnellbahn umzusteigen. Dadurch werden die Autobahnen erheblich entlastet, da der Verkehr abnimmt. Der Flugverkehr könnte auf diesen Linien auf das nötigste beschränkt werden. Wenn der Verkehr abnimmt, dann nimmt auch die Umweltverschmutzung nicht mehr in dem Maße zu. Die Fahrgäste hätten auch einen enormen Komfort, da im Transrapid keine Erschütterungen zu spüren sind. Ebenso ist auch die komplette Sicherheit gewährleistet, da der Transrapid nicht entgleisen kann, denn er umfasst den kompletten Fahrweg und ist somit sicherer als jedes Flugzeug. Auf dem Schienenweg könnten mehr Züge für den Güterverkehr eingesetzt werden. Dies hätte zur Folge, dass mehr Güter von der Straße auf die Bahn verlagert werden könnten. Dadurch sind nicht so viele LKWs auf den Straßen und es
- 3 - werden weniger Abgase produziert, die unnötig die Luft verschmutzen und die Ozon-schicht zerstören. Natürlich ist auch das Antriebssystem des Transrapid viel umweltfreundlicher, da kein Kerosin oder Abgase die Luft verschmutzen. Die Landschaftsformen der Natur müssten durch den Bau einer Transrapid- Strecke nicht wesentlich zerstört werden. Es sind z.b. keine Tunnels nötig, da der Transrapid eine Steigung von 10% bewältigen kann, wärenddessen sich die Eisenbahn mit einer minimalen Steigung von 1,2% - 4% zufrieden geben muss. Auch landwirtschaftlich gäbe es keine grösseren Probleme, denn aufgeständert benötigt der Transrapid nur 2 m²/m Fläche und der Grund und Boden zwischen den Pfeilern kann weiterhin genutzt werden. 12 Auch der Geräuschpegel des Transrapid ist sehr leise, da er keine lauten Motorgeräusche von sich gibt; lediglich die Windgeräusche sind zu hören. Im Vergleich zu anderen Zügen schneidet der Transrapid wesentlich besser ab: Maximalgeräuschpegel aus 25 Meter Abstand km/h db(a) ICE 250 87-93 TRANSRAPID 250 82-83 TGV 300 95-105 TRANSRAPID 300 86-87 TRANSRAPID 400 93-95 13 Durch den Bau der Transrapid-Trasse zwischen Berlin und Hamburg könnten mehrere tausend neue Arbeitsplätze geschaffen werden. Bei welchem neuen Bauprojekt ist das heute noch der Fall? Die Arbeitslosenzahlen könnten, vor allem im Raum Berlin, wesentlich zurückgehen. Zumindest für die Zeit des Baus, der etwa 7-8 Jah-re dauern würde. Zwar müssten wir ein Bauvolumen von ca. 5 Millionen DM täglich investieren, um die Transrapid-Strecke möglich zu machen; aber dann ist Deutschland weltmarktführend auf dem Gebiet der Magnetschwebetechnik und richtungsweisend für das nächste Jahrtausend. Wenn erst einmal eine funktionstüchtige Transrapid-Strecke fertiggestellt ist, könnten wir das Patent an andere Länder verkaufen und dadurch unsere Wirtschaft wieder kräftig in 12 Zahlenwerte aus Internet: http://transrapid.simplenet.com/tech.htm#antrieb. S. 4. 13 Vgl. Internet: http://transrapid.simplenet.com/tech.htm#antrieb. S. 7.
- 4 - Schwung bringen. Wir sollten aber nicht so lange zögern, denn die Konkurrenz schläft nicht. Japan begann schon 1975 mit dem Bau einer Versuchsstrecke im Süden Japans. Im Jahre 1979 konnte eine Rekordge-schwindigkeit von 517 km/h erreicht werden. Das Konzept der japanischen EDS-Technik ist aber noch nicht zum Einsatz im Nahverkehr geplant. England, Kanada, Frankreich und die Sowjetunion sind auch schon länger am Entwickeln eines wirtschaftlichen Magnetschwebebahnsystems. 14 C. Schlechte Zukunftsaussichten für den Transrapid Bundesverkehrsminister Wissmann äusserte seine Bedenken, laut den Nürnberger Nachrichten vom 16.01.97, ob sich das gigantische Projekt der 300 km langen Transrapid-Strecke von Hamburg über Schwerin nach Berlin überhaupt rentiert. Auf jeden Fall ist bei diesem Vorhaben eine enorme Kostenexplosion zu erwarten. Falls sich die Wirtschaftlichkeit mit den Kosten nicht in Einklang bringen lässt, werden die Arbeiten sofort eingestellt. Die Untersuchungen, die aktuelle Daten über Kosten und Erlös bringen sollen, werden erst im März oder April dieses Jahres abgeschlossen sein. Dann entscheidet es sich ob der Transrapid im Jahre 2005 erstmals öffentlich in Betrieb geht! 15 14 Vgl. MVP Versuchs- und Planungsgesellschaft für Magnetsysteme / Transrapid International Gesellschaft für Magnetbahnsysteme (Hrsg.): Magnetbahn Transrapid. Die neue Dimension des Reisens. Darmstadt, HESTRA-VERLAG 1989. S. 108. 15 Vgl. Fuehr, Herbert: Abstellgleis. Die Zukunft des Transrapid. Nürnberger Nachrichten, 16.01.97, S. 2.
- 3 - Literaturverzeichnis - CD View / Das interaktive Multimedia-Magazin auf CD-ROM. Ausgabe 6. Eine Multimedia-Produktion von micro Media electronic publishing GmbH & Co. KG. - Dr. Draeger, Jürgen; Dr. Moczala, Helmut: Elektrische Linear-Kleinmotoren. München, Franzis-Verlag GmbH 1987. - Eisenbahnjahr Ausstellungsgesellschaft mbh, Nürnberg (Hrsg.): Zug der Zeit - Zeit der Züge. Deutsche Eisenbahn 1835-1985. Band 2. Berlin, Wolf Jobst Siedler Verlag GmbH 1985. - Internet - MVP Versuchs- und Planungsgesellschaft für Magnetsysteme / Transrapid International Gesellschaft für Magnetbahnsysteme (Hrsg.): Magnetbahn Transrapid. Die neue Dimension des Reisens. Darmstadt, HESTRA-VERLAG 1989. - Nishen, Dirk: Info Box - Der Katalog. Berlin, Verlag Dirk Nishen GmbH & Co KG 1996. - Nürnberger Nachrichten - Preuß, Erich; Preuß, Reiner: Lexikon - Erfinder und Erfindungen (Eisenbahn). Berlin, Transpress-Verlag 1986.
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