50 Jahre elektromagnetische Schwebebahn

Magnetbahn-Entwicklung in Deutschland und die Realisierung in China

Am 6. Mai 1971 wurde von Messerschmitt-Bölkow-Blohm (MBB, heute Airbus) in Ottobrunn bei München das weltweit erste Magnetschwebefahrzeug vorgestellt. Bis zum Jahr 2000 folgten verschiedene Test- und Anwendungs-Magnetschwebefahrzeuge, jedoch keine kommerzielle Nutzung in Deutschland. Seit dem 31. Dezember 2002 ist der Schanghai Transrapid als weltweit erste und einzige kommerziell genutzte Magnetschwebebahn erfolgreich in Betrieb. Neuerdings sind Magnetschwebebahnen in China und Japan wieder hoch aktuell. Ein neues Projekt in China ist das Super-Speed Magnetschwebefahrzeug der CRRC Quingdao Sifang Co.,  Ltd. mit einer Geschwindigkeit von über 600 km/h das 2020 der Öffentlichkeit vorgestellt wurde.

In den vergangenen fünf Jahrzehnten hat sich ein zunehmendes Interesse an neuen Hochgeschwindigkeits-Schnellbahnverkehrssystemen einschließlich Magnetschwebebahnen entwickelt. In Japan ist der Shinkansen seit 1964 in Betrieb und in Frankreich startete 1981 der TGV. In Deutschland wurde das auf Anziehung arbeitende elektromagnetische Schwebesystem (EMS) bevorzugt welches auf dem Patent von Kemper [22] aus dem Jahr 1934 beruht, während in Japan das mit flüssigem Helium gekühlte und auf Abstoßung arbeitende elektrodynamische Schwebesystem (EDS) entwickelt wurde.

Im Gegensatz zum elektrodynamischen System weist das elektromagnetische System eine starke Instabilität auf, so dass jeder Elektromagnet von einem Regelungs- und Beobachtungssystem geregelt werden muss. 1969 wurde im Auftrag des Bundesministeriums für Verkehr eine Studie zum modernen Hochgeschwindigkeitsverkehr erstellt. Dies ist der eigentliche Beginn der Forschung und Entwicklung von Magnetschwebefahrzeugen in Deutschland [16, 28].

In diesem Artikel werden alle in Deutschland entwickelten EMS-Magnetschwebefahrzeuge beginnend mit dem MBB Prinzipfahrzeug von 1971 bis zum Schanghai Transrapid von 2002 vorgestellt.

Ein Artikel von:

Prof. Dr.-Ing. Prof. E.h. Eveline Gottzein
Technische Universität München
Universität Stuttgart

Prof. Dr.-Ing. Reinhold Meisinger
Tongji Universität Schanghai
Technische Hochschule Nürnberg

Vor 50 Jahren, am 6. Mai 1971, wurde das weltweit erste magnetisch schwebende Fahrzeug, das in Bild 1 gezeigte MBB-Prinzipfahrzeug mit einem separaten Trag- und Führsystem bei Messerschmitt-Bölkow-Blohm (MBB, heute Airbus) der Öffentlichkeit in Ottobrunn bei München vorgestellt, vgl. [2,16,28]. Es ist das erste personentragende Magnetschwebefahrzeug das die Machbarkeit der Magnetschwebetechnologie auf einer 660 m langen Strecke nachgewiesen hat. Im Oktober 1971 folgte der Krauss-Maffei Transrapid 02 mit einem kombinierten Trag- und Führsystem und einer Geschwindigkeit von 164 km/h. 1974 bildeten Krauss-Maffei und Messerschmitt-Bölkow-Blohm die Arbeitsgemeinschaft Transrapid E.M.S. in München zur Weiterentwicklung von EMS Magnetschwebefahrzeugen.

Bild 1: MBB Prinzipfahrzeug mit asynchronem Kurzstator-Linearmotor und 90 km/h (1971), Quelle: MBB Archiv

1975 begannen die Tests mit dem Magnetschwebefahrzeug MBB Komet (Komponentenmessträger) mit einem separaten Trag- und Führsystem (Bild 2). Der Komet ist ein unbemanntes, magnetisch getragenes und geführtes Fahrzeug zum Testen von Komponenten wie Elektromagneten, Sensoren und Regelungssystemen. Aufgrund der kurzen Länge der Teststrecke von nur 1,3 km wurde der Komet mit Heißwasserraketen angetrieben [15, 19, 28]. Im selben Jahr wurde der Krauss-Maffei Transrapid 04 mit einem kombinierten Trag- und Führsystem erfolgreich mit einer Geschwindigkeit von mehr als 250 km/h getestet [15, 28].

1976 stellte der MBB Komet auf der geradlinigen und 1,3 km langen Teststrecke in Manching einen Geschwindigkeitsweltrekord von 401,3 km/h für elektromagnetisch schwebende Fahrzeuge auf  [28]. Im selben Jahr wechselte Transrapid E.M.S. von experimentellen Magnetschwebefahrzeugen zu einem anwendungsnahen Transportkonzept und präsentierte das Transrapid-System mit synchronem Langstator-Linearmotor zusammen mit Thyssen Henschel (heute ThyssenKrupp Transrapid).

Bild 2: MBB Komet mit Heißwasser-Raketenantrieb und 401,3 km/h (1975), Quelle: MBB Archiv

Bis Ende 1978 haben die teilnehmenden Unternehmen und das Bundesministerium für Forschung und Technologie mehr als 300 Mio. DM (150 Mio. EUR) in die Entwicklung des neuen bodengebundenen Magnetschwebe-Hochgeschwindigkeits-Transportsystems investiert.1979 hatte die Öffentlichkeit auf der Internationalen Verkehrsausstellung in Hamburg die erste Gelegenheit in einem Magnetschwebefahrzeug auf einer 908 m langen Strecke zu fahren (Transrapid 05, Bild 3). Das separate Trag- und Führsystem wurde von Messerschmitt-Bölkow-Blohm und der Wagenkasten von Krauss-Maffei entwickelt. Der aufgeständerte Stahlfahrweg und der Langstator-Linearmotor dieser Demonstrationsanlage wurden zusammen mit Thyssen Henschel (heute ThyssenKrupp Transrapid) gebaut [1,29].

Bild 3: Transrapid 05 mit synchronem Langstator-Linearmotor und 75 km/h (1979), Quelle: MBB Archiv

1982 wurde die 31,4 km lange Fahrwegschleife der Emsland-Testanlage teilweise in Betrieb genommen. Das verwendete Fahrzeug war der Transrapid 06 (Bild 4) mit einer Geschwindigkeit von 355 km/ h im Dezember 1985 auf der noch nicht fertiggestellten Fahrwegschleife [2,25]. Der Transrapid 06 mit einem separaten Trag- und Führsystem wurde von denselben Unternehmen wie der Transrapid 05 entwickelt. 1988 betrug die vom Transrapid 06 erreichte Geschwindigkeit auf der fertiggestellten Fahrwegschleife der Emsland-Testanlage 412 km/h. Der von ThyssenKrupp Transrapid in den Jahren bis 1992 entwickelte Transrapid 07 und der 1998 entworfene Transrapid 08 (ähnlich dem Schanghai Transrapid) folgten in der Emsland-Testanlage.

Zwischen 1982 und 2000 wurden in Deutschland viele Anwendungsstudien wie Hamburg-Berlin-Verbindung, Ruhrgebiet-Linie und Münchener Flughafenlinie durchgeführt. All diese Projekte wurden jedoch nicht realisiert.

Bild 4: Transrapid 06 mit synchronem Langstator-Linearmotor und 412 km/h (1982), Quelle: MBB Archiv

Seit 2002 ist der Schanghai Transrapid, siehe Bild 5, zwischen dem internationalen Flughafen Schanghai Pudong und der Metro-Station Long Yang Lu mit einer Geschwindigkeit von 430 km/h und einer maximalen Testgeschwindigkeit von über 500 km/h auf der 30 km langen zweigleisigen aufgeständerten Betonfahrbahn erfolgreich in Betrieb. Es ist die weltweit erste und einzige Magnetschwebebahn mit kommerziellem Betrieb [22,23,24,27]. Von 2002 bis 2010 wurde die Magnetschwebebahn von 30 Millionen Passagieren genutzt und die Magnetschwebefahrzeuge haben eine Strecke von 9 Millionen km zurückgelegt [31].

Bild 5: Schanghai Transrapid mit synchronem Langstator-Linearmotor und 505 km/h (2002), Quelle: ThyssenKrupp Transrapid / Shanghai Maglev Transportation

Bereits zehn Jahre vor der Entscheidung der chinesischen Regierung die Magnetschwebebahn in Schanghai zu errichten wurde 1991 an der Tongji-Universität in Schanghai die erste wissenschaftliche Arbeit über die Schweberegelung der Magnetschwebebahn veröffentlicht [21].

Das elektromagnetische Trag- und Führregelsystem

Das Trag- und Führsystem besteht aus Elektromagneten am Fahrzeug und Reaktionsschienen an der aufgeständerten Fahrbahn. Da die Elektromagnete auf Anziehung arbeiten, ist das System extrem instabil und ein Regelsystem ist notwendig um einen konstanten Spalt von etwa 10 mm zwischen der Fahrbahn und den Magneten zu gewährleisten. Sensoren messen kontinuierlich den engen Luftspalt, die Magnetbeschleunigung und den Magnetfluss und übertragen die so erhaltenen Messungen an das Regelungs- und Beobachtungssystem das die magnetische Anziehungskraft auf dem erforderlichen Niveau hält und es dem Fahrzeug somit ermöglicht, zuverlässig zu schweben [3, 5, 12, 21].

Wenn die Magnete ausgeschaltet sind ruht das Magnetschwebefahrzeug auf einem Federgleitsystem.Im MBB-Prinzipfahrzeug und im MBB-Komet sind alle Trag- und Führelektromagnete starr am Fahrzeug befestigt. Daher werden die Freiheitsgrade Heben, Nicken, Rollen, Schieben und Gieren des gesamten Fahrzeugs von fünf separaten Regelungs- und Beobachtungssystemen (zentrales Regelungssystem) geregelt [5, 19].

Beim Transrapid 05 und beim Transrapid 06 sind die Elektromagnete mit Federn mit dem Fahrzeug verbunden. Der translatorische Freiheitsgrad jedes Magneten wird von unabhängigen Regelungs- und Beobachtungssystemen (dezentrales, modulares Regelungssystem) geregelt, während der rotatorische  Freiheitsgrad jedes Magneten mechanisch blockiert wird. Diese Regelstrategie, auch „Magnetisches Rad“ genannt, wurde bereits 1976 mit dem MBB Komet M (Modular) erfolgreich getestet, vgl. [3, 4, 12-14].

Das weltweit erste digitale Regelungs- und Beobachtungssystem für ein Magnetschwebefahrzeug wurde 1973 mit einer Abtastfrequenz von 100 Hz für das MBB-Prinzipfahrzeug erfolgreich entwickelt und getestet, vgl. [20]. Alle Trag- und Führregelsysteme der in Bild 1 bis Bild 4 gezeigten Magnetschwebefahrzeuge wurden von Messerschmitt-Bölkow-Blohm in der Abteilung Regelung und Simulation unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. Eveline Gottzein entwickelt [2-15, 17-20].

Beim Transrapid 07 und beim Transrapid 08 (ähnlich dem Schanghai Transrapid), die von ThyssenKrupp Transrapid entwickelt wurden, wird die Translation und Rotation jedes Trag- und Führelektromagnetpaares durch ein modifiziertes Regelungs- und Beobachtungssystem geregelt.

Der Kurz- und Langstator Linearmotorantrieb

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, einen berührungslosen Antrieb bereitzustellen. Daher muss zuerst eine Systemanalyse durchgeführt werden um herauszufinden welche Methode am kostengünstigsten ist. Während für den Antrieb auch Propeller- oder Düsentriebwerke denkbar sind, haben sich die Entwicklungen in Europa und Asien auf lineare Induktionsmotoren konzentriert.Im Gegensatz zum rotierenden Elektromotor erzeugt der lineare Induktionsmotor eine sogenannte translatorische Bewegung. Seine Funktionsweise kann man sich vorstellen indem man einen aufgeschnittenen rotierenden Elektromotor betrachtet. Das im Stator des Elektromotors erzeugte rotierende Magnetfeld, das den Rotor zum Drehen bringt, wird nun zu einem sich translatorisch bewegenden Magnetfeld das eine Vorwärtsbewegung des Fahrzeugs erzeugt [28].

Bei dem im MBB-Prinzipfahrzeug, dem Transrapid 02 und dem Transrapid 04 verwendeten asynchronen Kurzstator-Linearmotor ist der aktive Teil des Motors, der das Wanderfeld erzeugt, im Fahrzeug untergebracht, während sich die Reaktionsschiene im Fahrweg befindet. Die Antriebsenergie muss daher mit Stromschienen und Stromabnehmer auf das Fahrzeug übertragen werden, wo sie durch Transformatoren für den Motor aufbereitet wird. Aufgrund der stark zunehmenden Antriebsleistung bei hoher Fahrgeschwindigkeit wird die elektrische Ausrüstung im Fahrzeug sehr schwer und dadurch die Nutzlast enorm verringert. Außerdem wird die Energieübertragung mit Stromschienen und Stromabnehmer ab ca. 450 km/h problematisch.

Diese Probleme treten bei dem im Transrapid 05 bis Transrapid 08 (ähnlich dem Schanghai Transrapid) verwendeten synchronen Langstator-Linearmotor (Fahrwegmotor) nicht auf, weil der aktive Teil des Motors, der das Wanderfeld erzeugt, im Fahrweg untergebracht ist. Als Reaktionsteil werden die Tragmagnete im Fahrzeug verwendet. Die Stromversorgung erfolgt durch stationäre Transformatoren und Frequenzumrichter neben dem Fahrweg. Durch den Wegfall des Stromabnehmersystems schwebt das Fahrzeug nun auch völlig frei. Hier ist es der Fahrweg der eine größere Komplexität mit sich bringt. Der Langstator-Linearmotor wurde bereits 1976 im Thyssen-Henschel-HMB2-Fahrzeug erfolgreich getestet [29, 30].

Der aufgeständerte Fahrweg

Wegen des enormen Landverbrauchs und der hohen Grundstückspreise wird für die Magnetschwebebahn ein periodisch aufgeständerter Fahrweg verwendet [32]. Frühe Computersimulationen der Fahrzeug / Fahrwegdynamik mit Ein- und Zweifeldträgern zeigen den Vorteil der Einfeldträger für Fahrgeschwindigkeiten über 400 km/h [17,18]. Testläufe mit dem MBB Komet und mit dem Transrapid 06 auf der Emsland-Testanlage bestätigen das Ergebnis.

Um die Baukosten für den Fahrweg zu senken, wurde 1975 von Messerschmitt-Bölkow-Blohm ein sehr flexibler Leichtbaufahrweg zusammen mit einem periodisch zeitvariablen Regelungs-und Beobachtungssystem für die Schweberegelung des zugehörigen elastischen Fahrzeugs vorgeschlagen [17,18]. Im Schanghai Transrapid wurde jedoch ein steifer und schwerer Betonfahrweg realisiert, um die Anforderungen an das Regelungs- und Beobachtungssystem der Schweberegelung zu reduzieren.

Ausblick

Vor fünf Jahrzehnten wurde das weltweit erste Magnetschwebefahrzeug bei Messerschmitt-Bölkow-Blohm (MBB, heute Airbus) in Ottobrunn bei München der Öffentlichkeit vorgestellt. Bis zum Jahr 2002 folgten mehrere Test- und Anwendungs-Magnetschwebefahrzeuge in Deutschland und der Schanghai Transrapid in China als weltweit erste kommerziell genutzte Magnetbahnlinie. Nach der Magnetschwebebahn-Testanlage im Emsland und der Schanghai Transrapid Flughafenlinie ging die Magnetschwebebahntechnologie in der Flut der Entwicklung von Rad/Schiene Hochgeschwindigkeitszügen mit Geschwindigkeiten bis 350 km/h fast verloren. Neuerdings sind jedoch Magnetschwebebahnen mit Geschwindigkeiten von über 600 km/h in China und Japan wieder hoch aktuell, da die Rad/Schiene Technologie bei Fahrgeschwindigkeiten von über 350 km/h an ihre Grenzen stößt. Da Magnetschwebebahnen elektrisch angetrieben werden sind sie in Zukunft Flugzeugen weit überlegen und insbesondere für den schnellen Langstreckenverkehr geeignet. Ein neues Projekt in China ist das Super-Speed Magnetschwebefahrzeug der CRRC Quingdao Sifang Co., Ltd. mit einer Fahrgeschwindigkeit von über 600 km/h, Bild 6, [33], das bereits 2020 der Öffentlichkeit vorgestellt wurde. Vielleicht wird mit dem chinesischen Projekt „Die neue Seidenstraße“ die zukünftige Europa-China-Verbindung mit einer Super-Speed-Magnetschwebebahnlinie realisiert.

Bild 6: Super-Speed CRRC Magnetschwebefahrzeug mit über 600 km/h (2018), Quelle: [33]
Literatur

 

[1]   Alscher, H., Miller, L.: Demonstrationsanlage für Magnetschwebetechnik zur IVA 1979 in Hamburg. Statusseminar VII, 1978.

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[3]   Gottzein, E.: Das “Magnetische Rad” als autonome Funktionseinheit modularer Trag- und Führsysteme für Magnetbahnen.  Dr.-Ing. Dissertation, TU München, Fortschrittsberichte VDI-Z, Reihe 8, Nr. 68, 1984.

[4]   Gottzein, E.: Über den Zusammenhang von Einzelmagnetregelung und Freiheitsgradregelung in Magnetfahrzeugen. Festschrift zum 70. Geburtstag von Prof. Dr. K. Magnus, TU München, 1982, S. 321-348.

[5]   Gottzein, E., Lange, B.: Magnetic Suspension Control System for the MBB High Speed Train. Automatica, Vol. 11, (1975), pp. 271-284.

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[7]   Gottzein, E., Crämer, W.:Magnetic Suspension Railway Systems. Concise Encyclopedia of Traffic and Transportation Systems, Pergamon, London 1991, pp. 235-239.

[8]   Gottzein, E., Rogg, D.: Status of High Speed MAGLEV Train Development in the F.R. Germany. C407/84 ImechE, London 1984.

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[10] Gottzein, E., Crämer, W., Ossenberg, F., Roche, Chr.: Optimal Control of MAGLEV Vehicles. Proc. of   IUTAM Symposium Delft, 1977, pp. 504-530.

[11] Gottzein, E., Brock, K.H., Schneider, E., Pfefferl, J.: Control Aspects of a Magnetic Levitation High Speed Test Vehicle. Automatica, Vol. 13, (1977), pp. 201-223.

[12] Gottzein, E., Miller, L., Meisinger, R.: Magnetic Suspension Control System for High Speed Ground Transportation Vehicles. Proc. of  World Electrotechnical  Congress, Moscow, 1977.

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[16] MBB aktuell: Das MBB Prinzipfahrzeug. Firmenzeitung, Messerschmitt-Bölkow-Blohm GmbH, Ottobrunn, Jahrgang, Nr. 5, Mai 1971.

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[19] Meisinger, R.: Vehicle-Guideway Dynamics of a High Speed MAGLEV Train. Proc. of International Conference of Cybernetics and Society, Cambridge, Mass., USA, 1980, pp. 1028-1035.

[20] Meisinger, R., Lange, B.: Berücksichtigung der Rechnertotzeit beim Entwurf  eines diskreten Regelungs- und Beobachtungssystems. Regelungstechnik, Heft 7, (1976), S. 232-238.

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[23] Shu, G., Meisinger, R., Shen, G.: Simulation of a MAGLEV Train with Periodic Guideway Deflections. Proc. of 2008 Asia Simulation Conference, Beijing, China, 2008.

[24] Shu, G., Meisinger, R.: Simulation of a Magnetic Suspension Control System Based on Simulink. Journal of System Simulation, Beijing, China, Vol. 20, No. 8, (2008), pp. 2168-2170.

[25] Steinmetz, G.: Transrapid Versuchsanlage Emsland. Statusseminar VIII, Bad Reichenhall, 1980.

[26] ThyssenKrupp Transrapid: The Super-Speed Transrapid MAGLEV Transportation System. Firmenprospekt, 2001.

[27] ThyssenKrupp Transrapid: The Shanghai Transrapid Vehicle. Firmenprospekt, 2003.

[28] Transrapid E.M.S.: Elektromagnetische Schnellverkehrssysteme (EMS), Firmenprospekt, 1979.

[29] Weh, H.: Die Integration der Funktion magnetisches Schweben und elektrischer Vortrieb. ETZ-A 96 (1975), Heft 3, S. 131-135.

[30] Weh, H.: Linear Synchronous Motor Development for Urban and Rapid Transit Systems. IEEE Transactions, Vol. MAG-15, No. 5, (1979), p. 1422

[31] Xu, J.: E-mail Mitteilung, Shanghai MAGLEV Transportation, Juni 2011.

[32] Zurek, R., Mölzer, P.: Trassierungselemente für Schnellbahnen mit elektromagnetischer Schwebetechnik. ETR-4, (1977), S. 197-206.

[33] Zhang, L.: Take you “fly” on Land: China´s Maglev Technology Program of a Speed of 600 Kilometers per Hour passed Expert Review, CRRC Beijing,2018. http://www.crrcgc.cc/en/g7389/s14333/t290565.aspx