mini|hochkant=1.2|Der Transrapid 09 bei einer Testfahrt auf der Transrapid-Versuchsanlage Emsland (TVE) mini|hochkant=1.2|Transrapid SMT in Shanghai (Front) mini|hochkant=1.2|Ausfahrt mit dem versuchsweise aus drei Sektionen bestehenden Transrapid SMT aus der Flughafenstation Pudong während der Erprobungsphase 2003 mini|260px|Der Transrapid 08 auf der TVE (2000) mini|260px|Die Sektion II des Transrapid 07 in München (2005)
Der Transrapid ist eine in Deutschland entwickelte Magnetschwebebahn für den Hochgeschwindigkeitsverkehr. Vermarktet, geplant und entwickelt wurde das Verkehrssystem (bestehend aus Fahrzeugen, Betriebsleittechnik und Nebenanlagen) von Siemens und ThyssenKrupp. Zahlreiche weitere, vorrangig deutsche Unternehmen entwickelten Komponenten wie z. B. Weichen und Fahrwegträger und waren an der Entwicklung der ersten Prototypen beteiligt, die nach dem Beginn der staatlich finanzierten Entwicklung im Jahr 1969 vorgestellt wurden. Von 1983 bis 2011 erfolgte die Erprobung mehrerer Züge auf der Transrapid-Versuchsanlage Emsland. Im Jahr 1991 wurde schließlich die technische Einsatzreife des Systems anerkannt. Mit dem Transrapid Shanghai wurde die einzige Transrapidstrecke im Regelbetrieb Ende 2002 in Shanghai eröffnet. In Deutschland wurden die Transrapid-Projekte Berlin–Hamburg, Metrorapid und ein Flughafenzubringer in München nach langjährigen Planungsphasen abgebrochen sowie zahlreiche weitere im Ausland nicht weiterverfolgt. In China wird die Technologie unter anderem am CRRC CF600 weiterentwickelt.
Das Transrapid-System Kurzbeschreibung mini|hochkant=1.2|Funktionsschema
Das System des Transrapid besteht im Kern aus folgenden Komponenten:
Das Fahrwerk wird von unten an den von ihm umgriffenen Fahrweg herangezogen und kann berührungsfrei bewegt werden. Führmagnete halten es seitlich in der Spur. Für das Schweben auf einem magnetischen Wanderfeld muss kontinuierlich Energie zugeführt werden; das Feld wirkt der Erdanziehung entgegen. Das Fahrzeug wird vom Wanderfeld im Fahrweg vorangezogen, wobei die Geschwindigkeit von der Frequenz des Feldes abhängt. Fahrzeug und Fahrweg bilden zusammen einen Linearmotor, wobei der Fahrweg den Stator darstellt. Anders als bei den meisten Landfahrzeugen entsteht kein Rollwiderstand. Für den Antrieb sind keine Räder, Achsen, Antriebswellen oder Getriebe erforderlich. Reibungsverluste und Verschleiß solcher Bauteile entfallen.
Dies hat im Wesentlichen drei Folgen:
Die Leistung kann weitgehend unabhängig von Platz und Gewicht des Fahrzeuges an die Trassierungsmerkmale der Strecke entsprechend dem Bedarf angepasst werden. Die Umrichter und anderen Komponenten des Antriebs beschreiben die Möglichkeiten des Betriebskonzepts und werden daher im Rahmen der Planung der jeweiligen Einsatzstrecke festgelegt. Zwischen Fahrweg und Fahrzeug muss ein Mindestabstand vorgesehen werden, um die Schwingungen des Fahrzeugs und gekrümmte Verläufe des Fahrwegs ausgleichen zu können. Daher ist hier der Abstand zwischen Ständer und Läufer größer als bei elektrischen Antriebsmaschinen klassischer rotierender Bauart. Weil der Wirkungsgrad elektrischer Maschinen aber unter anderem von der Luftspaltgröße abhängt, ist der Wirkungsgrad des Transrapid-Antriebs erst einmal geringer als derjenige eines konventionellen Elektromotors. Dafür entfällt aber eine weitere Antriebsübertragung zum Fahrweg, wie etwa der Rad-Schiene-Kontakt konventioneller Bahnen, und damit deren Reibung, ohne die der resultierende Wirkungsgrad wieder der günstigere ist. Das Funktionieren dieser Art der Schwebetechnik und der Antriebswirkung setzt baulich voraus, dass das Fahrzeug seinen Fahrweg relativ eng und auch zum Teil von unten umschließt.
Die Wortschöpfung „Transrapid“ ist aus den lateinischen Wörtern ‚hinüber‘ und ‚schnell‘ zusammengesetzt. Die Produktbezeichnung des Herstellers wird im deutschen Sprachraum teilweise wie ein Synonym für Magnetschwebebahn verwendet. International wird der aus der englischen Bezeichnung für Magnetschwebebahn () abgeleitete Begriff benutzt, mit dem aber nicht nur Produkte und die Magnetschwebebahntechnik der Hersteller Siemens AG und ThyssenKrupp AG bezeichnet werden.
Technik Geregeltes Schweben Durch ein elektromagnetisches Regelsystem wird die Größe der magnetischen Kräfte so geregelt, dass ein etwa 10 mm großer Abstand zwischen den Tragmagneten und den Statorpaketen eingehalten wird. Die Magnete sind dabei einzeln aufgehängt, um der Trasse folgen zu können. Zur Abstandskontrolle dienen Spaltsensoren. Die Regelung erlaubt es, das Fahrzeug im Stillstand von der Trasse abzuheben. Zum Absetzen im Stand dienen Kufen. Kufen dienen auch als Reibpartner bei Notfallbremsungen.
Der Abstand des Bodens des Transrapid zur Fahrbahn beträgt ca. 15 cm. Der Zug kann deshalb auch kleinere Hindernisse sowie Schnee- oder Eisschichten überwinden. Wenn Vereisungen oder zusammengebackener Schnee nicht allein durch den Druckstoß des Fahrzeugs oder durch den Wind beseitigt werden können, müssen Räumfahrzeuge eingesetzt werden.
Fahrweg Der Fahrweg des Transrapid besteht in der Trägerausführung aus 6,2 bis 60 Meter langen Trägern,Rainer Schach, Peter Jehle, René Naumann Transrapid und Rad-Schiene-Hochgeschwindigkeitsbahn – Ein gesamtheitlicher Systemvergleich, Springerverlag ISBN 3-540-28334-X, Seite 104. die vorgefertigt werden, anders als herkömmliche Schienen- oder Straßenfahrwege, die in der Regel kontinuierlich und überwiegend vor Ort errichtet werden.
Für die Hybridkonstruktion wird ein stets gerades Spannbetonprofil in Kombination mit daran befestigten 3 m langen Statorpaketen verwendet. Der Bogenverlauf wird durch unterschiedlich lange Kragarme eingestellt, die an dem Spannbetonprofil befestigt werden, sodass jeder Radius eingestellt werden kann.
An dieser Konstruktion wird anschließend der eigentliche Fahrweg befestigt. Er besteht aus in Kunststoff eingegossenen Statorpaketen, die von Statorwicklungen durchzogen sind und an der Unterseite angebracht werden. Oft wird fälschlicherweise teures Kupfer als Leitungsmaterial genannt, doch besteht dieses aus günstigerem Aluminium. Zudem enthält der Fahrwegträger stählerne Führschienen (sogenannte Reaktionsschienen) an jeder Seite, auf die letztendlich die Seitenführmagnete und die zusätzlichen Bremsmagnete wirken. Sowohl das Statorpaket als auch die Seitenführschienen erlauben die freie Einstellung eines Fahrwegradius bis hinunter zum Mindestradius.
Der minimale Kurvenradius von etwa 270 m ergibt sich aus der Fahrzeuggeometrie und der Geometrie der Traktionsmagnete. Die Querneigung des Fahrwegs in Gleisbögen kann bis zu 12° (21,3 %), ausnahmsweise 16° (28,7 %), betragen, während sie bei der Eisenbahn auf etwa 6,5° (11,3 %) begrenzt ist. Hierdurch kann bei gleichem Bogenradius eine ca. 20 % höhere Geschwindigkeit erreicht werden (bei 1,0 m/s² unausgeglichener Querbeschleunigung).
Die mechanische Stellzeit von Weichen für den Transrapidfahrweg beträgt 18 s, die Zeit von Auslösung bis Signalfreigabe 30 s. Der Hersteller unterscheidet Langsamfahrweichen für max. 100 km/h und Schnellfahrweichen für 200 km/h. In Geradeausstellung sollen Weichen immer mit max. 500 km/h befahrbar sein. Herstellerangabe zu Weichen für den Transrapidfahrweg.
Fahrantrieb (Linearmotor) mini|hochkant=1.2|Motorwicklung des Langstatormotors
Das Fahrzeug wird durch ein magnetisches Wanderfeld im Fahrweg angetrieben, welches das Fahrzeug an seinem eigenen, statischen Magnetfeld mitzieht. Dabei fungiert der Fahrweg als Stator eines Drehstrom-Synchronmotors in linearer Ausführung (daher Langstatorprinzip), wobei die Fahrzeugmagnete dem Rotor entsprechen und bei einem Linearmotor als Translator (vgl. translatorische Bewegung) bezeichnet werden. Deren statische Felder „rasten“ dabei magnetisch in die Pole des Linearstators ein, was eine feste magnetische Verknüpfung zwischen Fahrzeugposition und Statorpolen erzwingt. Durch Bewegen dieser Pole wird das Fahrzeug mitgezogen – beschleunigt, abgebremst oder auch einfach an einem Haltepunkt festgehalten. Die wirksame Kraft ist dabei stets gleich und hängt von der Stärke der beteiligten Magnetfelder in Stator und Translator ab. Die Position des Fahrzeugs ist dadurch zu jedem Zeitpunkt polgenau bestimmt, solange die Magnetkraft ausreichend hoch ist und die Pole nicht „auseinandergerissen“ werden. Diese Situation wird als „außer Tritt geraten“ bezeichnet. Sie führte zwar nicht direkt zu Beschädigungen, eine wirksame Kraftübertragung wäre dann, bei enormer Geräuschentwicklung und Rüttelwirkung, aber nicht mehr möglich – ähnlich einer durchrutschenden Zahnstange oder einem durch die Hände gleitenden Seil. Die Auslegung der Regelsysteme und der Energieversorgung verhindert jedoch, dass das Fahrzeug außer Tritt gerät. Um zu erkennen, ob der Zug dem wandernden Magnetfeld beim Beschleunigen oder Bremsen noch folgen kann, ermitteln redundante Wegmesssysteme ständig seine Position. Eine Steuerzentrale übernimmt die Fahrtkontrolle. Diese ist der Linienzugbeeinflussung in Eisenbahnnetzen bei aktiver automatischer Fahr-Bremssteuerung ähnlich. Dies ermöglicht einen führerlosen Betrieb.
Einspeisungen aus dem Streckenkabel versorgen die Wanderfeldleitung. Sie sind an der Strecke in Abständen von 0,3 bis 5 km (so genannte Unterwerks- oder Speiseabschnitte) angebracht. Die Streckenkabel werden von Umrichterstationen versorgt, welche die erforderlichen Spannungen, Ströme und Frequenzen im jeweiligen Abschnitt bereitstellen. In jedem Speiseabschnitt darf sich nur ein Fahrzeug befinden. Die Stromversorgung durch Unterwerke entspricht der anderer elektrifizierter Bahnstrecken. Sie soll jedoch aufwendiger sein, denn durch die starke Beschleunigung und hohe Endgeschwindigkeit treten hohe Stromspitzen auf.
Die Blockstruktur des Antriebs ist einer von mehreren Parametern, die den minimalen Abstand zweier Züge limitieren, da sich zwischen diesen mindestens ein freies Antriebssegment befinden muss. Mit ursprünglich geplanten Segmentlängen von bis zu 50 km im Fernverkehr wären bei Fahrzeuggeschwindigkeiten um 400 km/h Fahrzeugabstände um 20 Minuten realisierbar. Die Segmentlängen des Antriebs sind nachträglich nur mit hohen Umbaukosten änderbar.
Die Möglichkeit, die Leistung des Antriebssegments den spezifischen Erfordernissen im Streckenabschnitt anzupassen, ist ein Vorteil, jedoch bei veränderten Nutzungen unflexibel. Transrapidfahrzeuge nutzen alle denselben in die Fahrbahn integrierten Antrieb. Dieser Antrieb muss also für alle Arten künftig eingesetzter Transrapidfahrzeuge und deren Nutzlast geeignet sein.
Mitwandernde Stromversorgung der Strecke (Statorschaltverfahren) mini|hochkant|Motorwicklung und Tragwerk (hier auf der TVE-Strecke)
Jede Umrichterstation ist mit einer oder mehreren Umrichtergruppen ausgestattet. Über Streckenkabel und Abschnittsschalter können solche Gruppen selektiv auf einzelne Unterabschnitte (sog. „Motorabschnitte“) der Strecke geschaltet werden.
Stromversorgung des Fahrzeugs Für die Energieversorgung im Fahrzeug wird hauptsächlich ein Lineargenerator verwendet. Ähnlich wie der Elektromotor des Fahrantriebs handelt es sich auch beim Lineargenerator um eine „aufgeschnittene“ und in die Länge gestreckte Variante eines gewöhnlichen rotierenden Generators. Dafür befinden sich gesonderte elektromagnetische Wicklungen im Fahrzeug.