Die Technik des Transrapid

 

Das Transrapid-System basiert auf zwei Technologien:
  • die Magnetschwebetechnologie
  • die Wanderfeldtechnologie
Diese beiden Technologien ermöglichen eine berührungsfreie und daher verschleissfreie Fortbewegung des Fahrzeuges gegenüber dem Fahrweg.
Die Magnetschwebetechnologie versetzt das Fahrzeug in den schwebenden Zustand; dabei ziehen Tragmagnete das Fahrzeug von unten an den Fahrweg heran. Führmagnete halten es seitlich in der Spur. Trag- und Führmagnete sind einzeln geregelte Elektromagnete, die entlang der linken und rechten Fahrzeugunterseite angebracht sind. Beide wirken auf ferromagnetische Reaktionsschienen, den sogenannten "Statorpaketen", entlang des Fahrweges. Durch ein Regelsystem wird sichergestellt, dass der Abstand des Fahrzeuges zu den Fahrwegschienen stets 10 Millimeter beträgt.

 

Die Wanderfeldtechnologie versetzt das schwebende Fahrzeug in Bewegung; hier dient dem Transrapid ein synchroner Langstator- Linearmotor als Antrieb. Dieser besteht aus den fahrzeugseitigen Magneten, die gleichzeitig die Tragmagnete sind, und dem fahrwegseitigem Stator mit einer Wanderfeldwicklung.
Vereinfacht kann dieser Motor mit einem rotierenden Elektromotor verglichen werden, dessen Stator ( Spule, Wicklung ) aufgeschnitten, flach ausgerollt und an beiden Seiten unterhalb des Fahrweges längs ausgezogen ist. Die Tragmagnete des Fahrzeuges entsprechen dem Rotor eines Elektromotors. Wird der Fahrweg ( Stator mit Wanderfeldwicklung ) mit Strom versorgt, entsteht ein elektromagnetisches Wanderfeld, von dem das Fahrzeug durch seine Tragmagnete mitgezogen wird.
Die Geschwindigkeit des Fahrzeuges lässt sich stufenlos durch Veränderung von Stärke und Frequenz des Stroms in den Wicklungen des Fahrweges regulieren. Wird die Schubrichtung durch Umpolen des Magnetwanderfeldes umgedreht, wird aus dem Antrieb die ebenfalls berührungsfreie Bremse.
Der Langstator- Linearmotor ( Fahrweg ) wird abschnittsweise zugeschaltet. Die Länge der Abschnitte beträgt zwischen 800 und 3000 Meter. Es wird immer nur der Abschnitt mit Strom versorgt, in dem sich das Fahrzeug gerade befindet. Wegen dieser Antriebsart im Fahrweg ist das Fahrzeug selber erheblich leichter als konventionelle Schienenfahrzeuge, die für jegliche, streckenbezogene Leistungsanforderungen einen Motor mitführen.
Beim Transrapid wird die Motorleistung differenziert im Fahrweg verteilt; das heisst, in kritischen Streckenabschnitten, wie Steigungen oder Beschleunigungsstrecken, wird mehr Leistung installiert als auf ebenen Strecken.
Die Energieversorgung für das Trag- und Führsystem, die Bordeinrichtungen und die Bordbatterien erfolgt über Lineargeneratoren, die in den Tragmagneten integriert sind. Sie werden während der Fahrt durch das Magnetfeld zwischen Fahrzeug und Fahrweg geführt; so wird kinetische in elektrische Energie berührungsfrei umgewandelt. Daher müssen keine Stromabnehmer installiert werden, die bei hohen Geschwindigkeiten starken Reibungen und somit grossem Verschleiss unterliegen. Die Stromversorgung erfolgt an den Haltepunkten über Stromabnehmer oder Nabelschnursteckdosen über einen Netztrafo.
Beim Transrapid ( 07 ) setzt sich eine Zugkonfiguration aus Bug- und Hecksektion sowie bis zu acht Mittelsektionen zusammen. Durch die Anordnung des Stators im Fahrweg und die sich über die gesamte Fahrzeuglänge erstreckende Anordung der Tragmagnete trägt jede Fahrzeugsektion zum Antrieb bei, so dass es kein Pendant zur "Lokomotive" ( bzw. Triebkopf ) bei Rad/ Schiene- System gibt.

Die Transrapid-Fahrwege

Merkmale:
  • Fahrweg mit integriertem Langstatorantrieb
  • Einbalkenfahrweg in Stahl- oder Betonbauweise
  • einspuriger und doppelspuriger Fahrweg
  • aufgeständerte Bauweise
  • ebenerdige Bauweise
  • Stützweite zirka 25 Meter
  • Variation der Stützenhöhe
  • kreuzungsfreier Fahrweg
  • Biegeweiche
  • bivalenter Fahrweg zur Einbindung in die vorhandene Infrastruktur des Rad-/Schiene- Systems

Der Betonfahrweg

Der Betonfahrweg der Transrapid Versuchsanlage Emsland ( TVE ), mit seiner Vielzahl von Varianten, basiert auf grundsätzlich gleichartigen Konstruktionselementen.
Diese sind:
  • der Fahrwegträger aus Spannbeton, hergestellt als Fertigteilträger, aufgelagert als Einfeldträger
  • A-förmige Stützen aus Ortbeton,
  • Pfahlgründung mit Ortbeton-Rammpfählen.

Der Fahrwegträger wird als dreieckförmiger Hohlkastenträger aus Spannbeton hergestellt. Bei einer Regelfeldweite von etwa 25 Meter ( in einigen Fällen wurden Sonderfeldweiten bis 37 Meter realisiert ) beträgt die Bauhöhe des Hohlkastenprofils 1,80 Meter. Die Breite von 3 Meter ist bei allen Fahrwegtypen gegeben.
Die Stützenhöhe des aufgeständerten Fahrwegs bei der TVE ist im allgemeinen 5 Meter; hier kommen die A-förmigen Stützen aus Ortbeton zum Einsatz. Diese Stützenhöhe ist sinnvoll, da sie die Durchgängigkeit für alle Fahrzeuge des öffentlichen Verkehrs und die weitgehend unbehinderte Nutzung des Geländes zum Beispiel für landwirtschaftliche Zwecke erlaubt. Mit üblichen Pfeilerkonstruktionen sind Höhen bis zu 40 Meter möglich. Bei noch grösseren Höhen und vor allem bei Hindernissen, die grössere Pfeilerabstände erfordern, werden Sonderbauwerke, wie Brückentragwerke, notwendig.
Beim sogenannten "ebenerdigen Fahrweg" wird die Tragkonstruktion nicht mehr mit Dreiecksprofilen ausgeführt, sondern mit ca. 0,20 Meter starken Stahlbetonplatten, die alle 2 Meter durch schlanke Scheiben unterstützt sind ( Durchlässigkeit für Kleinlebewesen ). In seiner Höhenlage ist der ebenerdige Fahrweg mit der stählernen Leitplanke einer Autobahn zu vergleichen.
Bis zu 35 Meter kann ein Fahrwegträger mit vertretbarem Aufwand vorgefertigt und mit Montagegeräten versetzt werden. Bei 2 Meter Bauhöhe erfüllt er als frei aufliegender Spannbetonträger alle vorgegebenen Last- und Verformungsanforderungen. 

Der Stahlfahrweg

Neben dem Betonfahrweg gibt es einen Stahlfahrweg; seine Unterbauten, sprich Pfahlgründungen und A-Bockstützen aus Ortbeton, entsprechen prinzipiell den Unterbauten des Betonfahrwegs. Lediglich die Bemessung und Auflagersituation wurden den spezifischen Gegebenheiten dieser Stahlfahrweglösung angepasst.
Im ersten Bauabschnitt der TVE wurden Durchlaufträger über zwei Felder entwickelt. Dadurch erhielt man ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Spannungs- und Steifigkeitsausnutzung des Stahlfahrwegträgers. Gleichzeitig ergaben sich günstige Eigenschaften bezüglich der Verformung und der Steifigkeit durch unterschiedliche Witterungsverhältnisse. Das Konzept dieses Stahlfahrwegs zeichnet sich durch wesentliche Kennzeichen aus:
  • Trennung von Haupttragwerk und Funktionskomponenten ( Führungsschienen, Langstator, also Wanderfeldwicklungen für den Antrieb )
  • gleichzeitiges statisches Zusammenwirken dieser beiden Strukturen
  • gleitfeste Schraubverbindungen der Funktionskomponenten an das Haupttragwerk
  • dreiecksförmiger Querschnitt des Hauptträgers
  • Untergurt aus nahtlosem Rohrprofil, zirka 300 Millimeter Aussendurchmesser

Bei der neuen Generation der Stahlfahrwege ( zweiter Bauabschnitt der TVE ) werden sämtliche Schraubverbindungen durch Schweissen ersetzt. Dadurch können die Herstellungskosten der Stahlfahrwegträger gesenkt werden.
Da auch die Montagekosten zu berücksichtigen sind, gilt es hier Möglichkeiten der Verbesserung zu finden; als Ergebnis kommt die Einfeldträgerbauweise in Frage. Die übrigen Konstruktionsmerkmale des Trägers bleiben erhalten, wie der dreiecksförmige Querschnitt mit Rohruntergurt.

Die Biegeweiche

Wie bei einem Rad-/Schiene-System gibt es auch bei dem Transrapidfahrweg Weichen, um eine Richtungsänderung des Fahrzeuges vorzunehmen. Diese Weichen sind als Stahlbiegeweichen ausgeführt. Dabei wird ein entsprechend gestalteter Stahlträger mit Hilfe der über seine Länge verteilten Stellsysteme elastisch verformt. Dies geschieht entweder mit einem elektromechanischen Antrieb der einzelnen Stellsysteme, die bei einer Weichenlänge von 67 Meter bis 150 Meter ( TVE ) alle 18 Meter zum Einsatz kommen, oder mit einem hydraulischen Antrieb.
Die für die TVE ausgeführten Weichen bauen auf dem Prinzip des Kastenträgers auf. Dieser schlanke Kastenträger wurde entsprechend den unterschiedlichen Anforderungen als mehrfeldriger, geschweisster Durchlaufträger, an den einzelnen Stellorten auf Rädern verfahrbar aufgelagert, ausgeführt.

Der bivalente Fahrweg

Untersuchungen zum Einsatz der Magnetschnellbahn zeigen die Notwendigkeit von kurzen Umsteigezeiten zwischen dem Transrapid und vorhandenen Verkehrsmitteln auf.
Dies setzt die Verknüpfung des neuen Schnellverkehrssystem mit dem vorhandenen Eisenbahnnetz in den Zentren von Ballungsgebieten voraus.
Verkehrsknotenpunkte mit hohem Verkehrsaufkommen sind die Hauptbahnhöfe grosser Städte. Die Anbindung des Transrapid an Hauptbahnhöfe ist in verschiedener Ausführung denkbar:
  • auf eigener, gesonderter Trasse
  • durch eine Tunnellösung mit tieferliegender Bahnhofsebene
  • durch eine Sondertrasse, auf der sowohl die Magnetbahn als auch die konventionelle Eisenbahn verkehren kann
Ein derartiger Fahrweg, der für einen dualen Rad/Schiene- und Magnetbahnschnellverkehr geeignet ist, ist der bivalente Fahrweg.
Auf Stahlbetonträgern sind getrennt die Schienen und der Stahlfahrwegrost für die Komponenten des Magnetbahnfahrwegs befestigt.

Die Betriebsleittechnik

Die Betriebsleittechnik fasst alle Funktionen und Einrichtungen zur Sicherung, Steuerung, Führung des Fahrbetriebs sowie ihre Kommunikation untereinander zusammen. Sie ist also mit Gehirn und Nervensystem vergleichbar und soll den automatischen und reibungslosen Bahnverkehr gewährleisten.
Für den Fahrbetrieb treten die fahrzeugseitige, die fahrwegseitig dezentrale und die fahrwegseitig zentrale Steuerung in Wechselwirkung; sie beinhalten die Informationserfassung, die Informationsübertragung und die Informationsverarbeitung.
Alle Steuerungseinheiten werden per Computer geregelt und sind durch regen Datenaustausch miteinander verbunden. Die Informationsübertragung, also der Datenaustausch, erfolgt in digitaler Form; hierbei bedient man sich z.B. einer Funkübertragung im Millimeterwellenbereich.
Entlang der Magnetbahntrasse werden ortsfeste Funkeinrichtungen an Masten installiert, um die Information von der Leitzentrale zum Magnetschwebefahrzeug und umgekehrt zu senden. Die ortsfesten Funkeinrichtungen sind über Lichtwellenleiter mit der Steuerzentrale verbunden.
Fahrwegseitig ist eine Kodierung in einer Leiste ( Lagereferenzleiste ) angebracht, die mit Hilfe eines fahrzeugseitigen Sensorsystems berührungsfrei abgetastet wird. Diese enthält Grundinformationen für die ortsbezogene Zugsicherung, wie z.B. die zulässige Höchstgeschwindigkeit für den jeweiligen Streckenabschnitt. Es wird also permanent eine sicherungstechnische Überprüfung im Fahrzeug vollzogen. Gleichzeitig wird mit diesem System eine Fahrzeugortung durchgeführt; der Fahrzeugort wird dann über Funk an die Zentralen übermittelt.
Mit diesem Gesamtsystem ist ein automatischer Fahrbetrieb möglich.

Sicherheitsaspekte

Das Entgleisen ist beim Transrapid nicht möglich, weil das Fahrzeug den Fahrweg vollständig umgreift.
Wegen des fahrwegseitigen Antriebs ( das Magnetwanderfeld wirkt immer nur in eine Richtung ) können niemals die Fahrzeuge aufeinandertreffen und kollidieren.
Bei Ausfall des Antriebs durch z.B. einen Stromausfall während der Fahrt erfolgt die Energieversorgung des Trag- und Führsystems durch Bordbatterien, die während der Fahrt berührungsfrei durch Generatoren geladen werden. Das Fahrzeug kann so mit seinem vorhandenen Schwung bis zum nächsten Haltepunkt oder einem der Hilfshaltepunkte, die sich in regelmässigen Abständen entlang des Fahrwegs befinden, schweben. Falls der Strom aus den Bordbatterien nicht mehr zum Schweben reicht wird das Fahrzeug auf Kufen abgesetzt, die bei einem Stromausfall automatisch ausgefahren werden.
Eine streckenseitige Fahrzeugsteuerung überwacht die tatsächliche mit der aktuell zulässigen Geschwindigkeit, so dass das Fahrzeug die Sollgeschwindigkeit nicht Überschreitet und vor einer Gefahrenstelle rechtzeitig anhält.
Ein Überschreiten der zulässigen Geschwindigkeiten für die einzelnen Streckenabschnitte führt zu einer Zwangsbremsung.  

Weitergehendes

 

Quelle: Lehrstuhl für Planungstheorie und Stadtplanung Aachen