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Linear Induktions Motoren - Mit Volldampf auf der Magnetwelle

California Screamin' in Disney's California Adventure ist einer der bekanntesten Achterbahnen mit linearem Magnetantrieb

Anspannung, ein leichtes, hochfrequentes Summen ist zu vernehmen und urplötzlich setzt sich unser Wagen in Bewegung: Von null auf 87 Stundenkilometer in drei Sekunden. Mit rund einem g, der einfachen Erdbeschleunigung, werden die 20 Mitfahrer rückwärts in den Sitz gedrückt, der Zug beschleunigt wie von Geisterhand auf der geradlinigen Startstrecke, dann schraubt sich das Geschoss in die erste Inversion.

Seit 1996 werden die Züge auf der Achterbahn Flight of Fear im amerikanischen King's Island Freizeitpark im Zwei-Minuten-Takt von einem elektromagnetischen Linearantrieb in ein Schienenknäuel aus Stahlrohren gefeuert. Statt durch einen Lifthügel erhält der acht Tonnen schwere Achterbahnzug seine Initialenergie durch 112 auf einer rund 60 Meter langen Katapultstrecke paarweise installierte LIM-Module, sogenannten Linear Induktions Motoren.

Für diesen speziellen Kick benötigt die Loopingbahn der Firma Premier Rides aus dem amerikanischen Maryland während des Abschusses stolze 3,6 Megawatt, rund das 15-fache eines herkömmlichen Liftantriebes. Bis 2008 hat die durch den Deutschen Peter Schnabel gegründete Firma zwölf elektromagnetisch gepowerte Launchcoaster ausgeliefert - weitere Großachterbahnen sind für die USA, China und die Vereinigten Arabischen Emirate in der Entwicklung.

Vorläufer der elektromagnetischen Katapultantriebe

Links: Space Mountain im Disneyland Paris beeindruckt noch heute - Rechts: Die überdimensionale, fast drei Meter Durchmesser große Rutschkupplung des Shuttle Loops von Schwarzkopf

Launchcoaster wie Flight of Fear sind jedoch nicht erst mit dem elektromagnetischen Linearantrieb möglich geworden. Die ersten Katapultbahnen realisierte der süddeutsche Hersteller Schwarzkopf schon Ende der 70er Jahre des letzten Jahrhunderts. Für den Klassiker Shuttle Loop entwickelte der Tüftler Anton Schwarzkopf zwei verschiedene mechanische Antriebssysteme. In der ersten Entwicklungsstufe sorgte ein Kontergewicht im freien Fall für den notwendigen Vorschub. Die im Herunterfallen freigesetzte Energie wurde über ein zwischengeschaltetes Seilzugsystem auf den Zug übertragen. In der Weiterentwicklung treibt ein Motor ein tonnenschweres Schwungrad an, dessen gespeicherte Energie über eine überdimensionale Rutschkupplung auf den Zug übertragen wird und diesen in sekundenschnelle mit 85 km/h in den Looping katapultiert. Beide Antriebe begnügen sich mit einer geringen Anschlussleistung durch die Nutzung der Rotationsenergie, unterliegen aber einem hohen mechanischen Verschleiß. Zwischen 1977 und 1994 lieferte Schwarzkopf 18 Katapultbahnen aus. In Europa findet sich dieser Achterbahntypus heute noch im Walibi Belgien.

Bis Premier Rides der Achterbahnwelt das revolutionäre LIM-Beschleunigungssystem präsentierte, debütierte 1995 mit Space Mountain im Disneyland Park Paris ein Windenkatapultsystem mit elektrischem Direktantrieb. Dabei werden die Züge von einem Mitnehmerschlitten auf eigener Schiene alle 36 Sekunden über eine 32 Grad steile Rampe gen Supernova geschossen, um anschliessend einen 1000 Meter langen Rundkurs zu absolvieren. Die notwendige Energie liefern zwei Elektromotoren mit einer Gesamtleistung von 1,7 Megawatt der italienischen Firma Sicmemotori. Die Bewegung der Motoren wird über ein mechanisches Getriebe direkt auf eine Seilwinde übertragen. Das Zugseil transformiert die Rotation in eine lineare Bewegung des Mitnehmerschlittens, welcher unterhalb des Zuges angreift.

Die Mechanik des bei seinem Debüt revolutionären "Katapult Schrägaufzuges" hat jedoch ihre Nachteile: Seil, Winde und Getriebe sind einem ständigen Verschleiß unterlegen. Das speziell entwickelte Stahlseil einer deutschen Firma muss kontinuierlich nachgespannt werden. Nach einer bestimmten Zykluszahl ist seine Ablegereife erreicht. 24 Stunden benötigt das Team der Disney Mechaniker für die Auswechslung.

Anwendung des LIM in der Prä-Ära der Katapultanlagen

Der elektromagnetische induktive Linearantrieb - kurz LIM - war die konsequente Weiterentwicklung mit dem Ziel, ein mechanisch wartungsfreies Beschleunigungssystem zu etablieren. Die Achterbahn ist dabei nicht das erste Anwendungsgebiet im Vergnügungsparksektor.

Im Magic Kingdom der Walt Disney World in Florida wurde erstmals 1974 ein LIM-Antrieb bei einem Personenbeförderungssytem, dem WEDWAY People Mover, eingesetzt. Die schienengeführten Züge fahren mit bis zu zwölf Stundenkilometern über das Themenland Tomorrowland. In bestimmten Streckenabschnitten installierte LIM Motoren ermöglichen den mehrgliedrigen Zügen die Beschleunigung und Beibehaltung ihrer Geschwindigkeit.

Big Thunder Mountain im Disneyland Paris ist die erste Achterbahn weltweit mit LIM Modulen (rechtes Bild in Kombination mit einer mechanischen Reibbremse zu sehen)

Die Vorteile für Disney liegen klar auf der Hand: Auf herkömmlichen People Movern wie der einige Jahre zuvor eröffneten Schwesteranlage im kalifornischen Disneyland werden die Züge durch an der Schiene befestigte Reibräder mit Gummikarkasse angetrieben. Die Räder verschleißen, müssen kontinuierlich nachgestellt und in periodischen Zyklen ausgetauscht werden. Ein mechanisch kontaktloses Antriebssystem wie der LIM bedarf dieser Wartungszyklen nicht. Die Eigenentwicklung der Ingenieure von Walt Disney Imagineering findet sogar bis heute Anwendung bei zwei weiteren Personenbeförderungssystemen in den USA: 1981 eröffnete der People Mover am Flughafen in Houston, Texas. Die zweite Installation ist eine Untergrundbahn in Washington D.C., welche die US Senatoren von ihren Büros zum Capitol bringt.

Der LIM Antrieb blieb bis in die 90er Jahre ein Nischenprodukt im Vergnügungsparksektor. Vielmehr wurden Systemlösungen für Gepäckbeförderungssysteme auf Flughäfen oder für den mechanisch berührungslosen Antrieb von Türsystemen entwickelt, wie sie in Supermärkten zu finden sind.

Bis die LIM-Antriebe 1996 für den Katapultstart bei Achterbahnen eingesetzt wurden, fanden sie nur einmal einen weiteren Einsatz in einem Freizeitpark. Mit der Eröffnung des Euro Disney bei Paris wurden neue Standards in der europäischen Freizeitparkwelt gesetzt, darunter auch einige verborgene:

Auf zwei Anlagen der niederländischen Firma Vekoma, dem Endlos Fahrsystem der Geisterbahn Phantom Manor und der Minenachterbahn Big Thunder Mountain, werden insgesamt 130 LIM-Module der englischen Firma Force Engineering eingesetzt, um die Züge mechanisch berührungslos auf Schrittgeschwindigkeit anzutreiben. Dies reduziert die mechanischen Wartungsarbeiten an den rund zwölf Stunden am Tag laufenden Attraktionen erheblich. Beim Big Thunder Mountain wird der LIM im Stationsbereich nicht nur als Motor, sondern auch als Reduzierbremse verwendet. Als Feststellbremse kann er jedoch nicht dienen, da seine Kraftwirkung nur bei einer Relativbewegung (hier zwischen Zug und an der Schiene befestigtem LIM-Motormodul) aufrecht erhalten bleibt. Diese Aufgabe übernehmen mechanische Bremsen, deren Bremsbeläge jedoch einem weitaus geringeren Verschleiß unterlegen sind, da der Zug vorher vom LIM praktisch auf Stillstand verzögert wird.

1996 kam die Stunde der Katapultbahnen: Premier Rides verwirklichte in Zusammenarbeit mit dem Briten Alan Foster und seiner Firma Force Engineering aus Leicestershire, eben jener Firma, die 1991 Euro Disney mit LIM-Antrieben belieferte, den ersten elektromagnetisch gepowerten Launchcoaster. Seit 1979 entwickelt und baut das englische Unternehmen LIM-Motoren für Gepäck- und Passagierfördersysteme sowie industrielle Sonderlösungen.

Die neue Antriebstechnik wurde als die Innovation der Achterbahn-Antriebe für die Zukunft gefeiert: Beschleunigungen aus dem Stand heraus, auf waagerechter oder senkrechter Strecke sind möglich. Selbst fliegende Starts oder Zwischenbeschleunigungen erlaubt die LIM Technik, da der Zug berührungslos angetrieben wird und nicht etwa mechanisch formschlüssig an einen Mitnehmer gekoppelt werden muss. Diese Vielfalt wird dabei von einem verschleißfreien und somit äußerst mechanisch wartungsfreundlichen Antriebssystem umgesetzt.

Der LIM und seine Funktionsweise

Das Funktionsprinzip des Linearen Induktions Motors

Der Lineare Induktionsmotor entstammt in seiner Funktionsweise dem Wechselstrommotor. Der einzige und auffälligste Unterschied liegt darin, dass statt einer rotatorischen eine lineare Bewegung erzeugt wird. Die im Wechselstrommotor kreisförmig angeordneten Statorspulen werden dazu auf einer ebenen, linearen Strecke platziert. Der "Läufer", der im Wechselstrommotor rotiert, wird beim Linearmotor über eine geradlinige Strecke bewegt.

Wird durch einen Kupferdraht ein Strom geleitet, so entsteht um diesen ein magnetisches Feld. Dessen Feldstärke ist vom angelegten Strom abhängig. Um das erzeugte Magnetfeld zu maximieren und in seiner Ausbreitungsrichtung geometrisch zu kontrollieren, wird der Kupferdraht um einen länglichen Eisenkern - dem Ferrit - gewickelt. Es entsteht eine Spule, welche bei angelegtem Strom gleiche Eigenschaften wie ein Permanentmagnet besitzt. An den jeweiligen Enden des Ferritkerns entsteht ein Nord- und ein Südpol. Beim Linearmotor sind viele derartige Spulen in einer Reihe hintereinandergeschaltet.

An der Schiene sind dazu über die gesamte Katapultstrecke Motormodule mit dreiphasigen Spulen - den Statoren - montiert, die um einen etwa 20 Millimeter breiten linearen Luftspalt gruppiert sind. Der Motor besitzt dabei eine Länge von etwa einem Meter. Am Zug befindet sich ein Kupfer- oder Aluminiumschwert - der Läufer -, welches vom LIM Motor berührungslos durch den Spalt gezogen wird. Das Funktionsprinzip des Antriebs folgt dabei dem Gesetz der Induktion.

Eine angelegte Wechselspannung erzeugt in den Spulen des Linearmotors ein wanderndes Magnetfeld mit ständigem Wechsel der Polarität zwischen nord und süd. Das Wanderfeld bewegt sich entlang der Katapultsrecke, seine Fortbewegungsgeschwindigkeit wird durch die Frequenz des angelegten Stroms bestimmt. Das im Stator angelegte magnetische Wanderfeld induziert im "Läufermedium" eine elektrische Spannung, die die freien Elektronen im Schwert in Bewegung versetzt. Dieser Elektronenfluss erzeugt wiederum ein Magnetfeld. Beide Magnetfelder interagieren miteinander, ungleiche Pole ziehen sich an, gleiche Pole stoßen sich ab.

Bei Speed von Premier Rides in Las Vegas sind die Aluminiumschwerter links und rechts am Fahrzeug angebracht und interagieren mit LIM-Statoren an den Außenseiten der Strecke - dabei werden die LIM als Initialbeschleuniger im Stationsbereich und auf freier Strecke für eine Zusatzbeschleunigung eingesetzt. Die Anschlussleistung beträgt sechs Megawatt.

Durch die Wechselwirkung der beiden Magnetfelder entsteht eine Kraftkomponente in Richtung des Wanderfeldes, welche den Achterbahnzug in Bewegung setzt. Wie dem Kraftdiagramm entnommen werden kann, ist die Kraft abhängig von der Relativgeschwindigkeit Δv zwischen dem Zug und dem Wandermagnetfeld. Sind beide gleich schnell, wird kein Gegenmagnetfeld erzeugt und die Beschleunigung ist gleich null. Im Maximum der Kurve sind die Verluste am geringsten.

Während der Beschleunigungsphase ist die Geschwindigkeit des Zuges - und damit der Läufer - stets kleiner als die des antreibenden Statorfeldes. Das in den Läufern erzeugte Magnetfeld bewegt sich also über die Schwerter und springt sogar über die Schwerter von Wagen zu Wagen. Würden die Geschwindigkeiten des Statorfeldes und des Zuges gleich sein, so würde im Läufer keine Spannung induziert und die den Zug antreibende Kraft nicht mehr aufrecht erhalten. Würde die Geschwindigkeit des Zuges sogar größer als die des Statorfeldes, so würde die Kraftrichtung drehen und der Zug abgebremst werden. Derartige Zusammenhänge resultieren aus dem physikalischen Induktionsgesetz.

Regelung des LIM

Links: Ein rund ein Meter langes LIM Modul von California Screamin', welches drei am Fahrzeug installierte Kupferschwerter aufnehmen kann - rechts: die Launchstrecke mit LIM Modulen, Anschlussboxen und einem Zug in der Beschleunigungsphase

Das Regelwerk des linearen Induktionsmotors erscheint einfach, seine Umsetzung und Regelung bis zur störungsfreien Serienreife erfordert jedoch einen hohen Entwicklungs- und Justageaufwand nebst aufwändiger Steuerungs- und Leistungstechnik, um den Wirkungsgrad - das Verhältnis zwischen investierter elektrischer Energie und Bewegungsenergie des Zuges - zu maximieren und die Verlustleistung gering zu halten.

Für die Beschleunigung eines Achterbahnzuges sind extrem hohe Leistungen von Nöten, die kurzfristig das Stromnetz der Vergnügungsparks belasten. Dabei ist nicht nur die hohe Aufnahmeleistung von bis zu vier Megawatt und mehr - dies entspricht 5000 Pferdestärken - problematisch, sondern auch das ständige Ein- und Ausschalten des Antriebs, welches Stromspitzen erzeugt. Diese können die Stromversorgung eines Vergnügungsparks beeinträchtigen oder andere sensitive Verbraucher stören. In den ersten Betriebsjahren kämpfte mancher Vergnügungspark mit derartigen Auswirkungen. Eine entsprechende Abschirmung einer LIM-gepowerten Attraktion garantiert heutzutage einen problemlosen Betrieb.

Kraftverlauf F des Linear Induktions Motors aufgetragen über der Relativgeschwindigkeit Δv zwischen Wandermagnetfeld und Zuggeschwindigkeit

Prinzipiell ist es möglich, die Statormodule direkt mit dem Stromnetz zu verbinden. Der vom Netzbetreiber gelieferte Wechselstrom hat üblicherweise eine Frequenz von 50 Hertz, die Spannung wechselt dabei fünzigmal in der Sekunde ihre Polarität. Diese konstante Frequenz liefert abhängig von der Polzahl der Statoren, also von der Wicklungszahl der Kupferspulen, eine konstante Wanderfeldgeschwindigkeit. In diesem Betriebsmodus befindet sich der Antrieb jedoch nicht im optimalen Arbeitspunkt, und ein Großteil der eingesetzten Energie wird in Wärme umgewandelt. Darüber hinaus sind die Statorspulen wegen der Blindleistung höchst unbeliebte Verbraucher: Aufgrund ihrer Induktivität fließt ein hoher Strom, der zwar das Stromnetz und den Geldbeutel der Betreiber belastet, aber nicht zur Beschleunigung des Achterbahnzugs beiträgt.

Beide Probleme werden durch den Einsatz von Frequenzumrichtern gelöst. In ihnen wird die Wechselspannung des Stromnetzes in eine konstante Spannung gleichgerichtet. Die Gleichspannung wird dann pulsweitenmoduliert: Ein Schalter schaltet die Spannung zum gewünschten Zeitpunkt und für die benötigte Dauer wiederholt ein und aus. Es entstehen Rechteckimpulse, die aufgrund der Induktivitäten der Statorspulen einen sinusartigen, wellenförmigen Verlauf erhalten und somit dennoch ein "sauberes" Wandermagnetfeld entsteht. So dient der Umrichter einerseits der Blindleistungskompensation gegenüber dem Stromnetz und erzeugt andererseits das benötigte Ausgangssignal für ein Magnetfeld mit steuerbarer Wandergeschwindigkeit.

Technik im Detail: Der am Fahrzeug installierte Rechen am linken unteren Bildrand wird verwendet, um die genaue Position des Fahrzeugs auf der Launchstrecke zu ermitteln; im linken oberen Bildbereich ist ein Lüfter zur erkennen, der Wärme vom unterhalb der Schiene angebrachten Stator abführt; die dicken Elektrokabel in der Bildmitte zeigen deutlich, welcher Stromfluss für die Ansteuerung der LIM-Module notwendig ist

Die Magnetfeldgeschwindigkeit ist der Schlüssel zur Regelung des LIM-Antriebes. Zur Optimierung des Wirkungsgrades sollte sich der Geschwindigkeitsunterschied zwischen Magnetfeld und Zug - die Relativgeschwindigkeit Δv - in einem bestimmten Wertebereich befinden. Das dargestellte Kraftdiagramm zeigt deutlich, dass nur in einem bestimmten Bereich der Relativgeschwindigkeit die vom Stator erzeugte Kraft F ihr Maximum erreicht.

Die Frequenz des angelegten Stroms wird in Abhängigkeit der gemessenen Zuggeschwindigkeit geregelt. Dabei gehört es zum Know How der Ingenieure, die Frequenz für den jeweiligen Geschwindigkeitsbereich optimal zu wählen. Durch die Programmierung einer Frequenzrampe sind auch schwierige Anlaufbedingungen ohne starke Überstromspitzen zu bewältigen. Viele Frequenzumrichter können dabei selbst überwachen, ob der Motor innerhalb seines zulässigen Schlupfes läuft, und somit ein "Abreißen" des Wanderfeldes zum Läufer verhindern.

Unterstützt wird die Variation der Wanderfeldgeschwindigkeit durch die Wahl des Statortyps. Je nach Ausführung der Statorwicklung bewegt sich das Magnetfeld bei gleicher Stromfrequenz unterschiedlich schnell. Ein für einen Geschwindigkeitsbereich um 50 Stundenkilometer optimal ausgelegter Motor ist zum Beispiel nur schwer in der Lage, einen Zug aus dem Stand heraus anzuschieben. Um einen Zug von 0 auf 90 Stundenkilometer zu beschleunigen, kommen daher üblicherweise etwa drei bis fünf verschieden gewickelte Statortypen zum Einsatz.

Links: Ein Inverted Fahrzeug mit drei Kupferschwertern; das Antriebssystem ist baugleich mit California Screamin' - rechts: Als besonderer Clou sind zwischen den LIM Modulen zuschaltbare Permanentmagnete installiert; das statische Magnetfeld zwischen den Luftspalten generiert bei Durchfahrt des Zuges Wirbelströme im Kupferschwert, welche in der Rückwirkung den Zug abbremsen

Schließlich muss eine Überhitzung der anfälligen Statormodule ausgeschlossen werden. Ein zwölf Meter langer Achterbahnzug überdeckt auf einer 50 Meter langen Launchstrecke weniger als 20 Prozent der linearen Motoren. Ein Leerlauf der Motoren, also ein fehlendes Wirkmedium im Luftspalt, kann schnell zu einer Überhitzung führen. Um dies zu vermeiden, werden die im Leerlauf befindlichen Motoren ausgeschaltet. Sensoren ermöglichen die Ermittlung der Zugposition, und elektrische Schalter, sogenannte Thyristoren, sorgen für die millisekundengenaue Ansteuerung der LIM-Module. Für die bessere Abführung der Abwärme werden lineare elektromagnetische Launchsysteme vielfach mit aktiver Luftkühlung betrieben. Modernste Beschleunigungssysteme verfügen sogar über Fluidkühlungen, welche am effektivsten die Wärme aus den Statormodul abführen.

Katapultsysteme mit LIM-Modulen bilden ein Antriebssystem, das sich prinzipiell auch ohne großen Regelungsaufwand betreiben lässt. Für einen höheren Wirkungsgrad sind jedoch Umrichter und eine gewisse elektronische Infrastruktur notwendig. Dennoch lassen sich je nach Geschwindigkeit nur 30 bis 70 Prozent der aufgenommenen elektrischen Energie in kinetische Energie des Fahrzeugs umsetzen. Im Extremfall werden demnach nur 30 Prozent des vom Statorfeld verbrauchten Stromes tatsächlich verwendet, um den Zug zu beschleunigen. Die verbleibenen 70 Prozent werden hauptsächlich dazu verwendet, um das Magnetfeld im Läufer (der Alu- oder Kupferplatte am Zug) zu erzeugen. Dabei entstehen in der Platte hohe elektrische Wirbelströme, welche unumgänglich in Verlustwärme umgesetzt werden. Im Mittel erreichen LIM Systeme einen Wirkungsgrad von 50 Prozent.

Um den Energieverbrauch und somit die Betriebskosten der Linear Induktions Motoren in Grenzen zu halten ist ein Umrichterbetrieb unumgänglich. Während die Statoren den geringeren Teil der Investitionskosten eines Linearantriebes ausmachen, treiben die leistungsstarken Umrichter die Initialkosten in die Höhe. Der fortscheitende Stand der Technik führte innerhalb der letzten 15 Jahre zu verschiedenen Weiter- und Neuentwicklungen, welche das Karussell der Antriebstechniken unter den Launchcoastern vielfältiger denn je machte.

LSM - die elektromagnetische Alternative zum LIM

Neben Premier Rides gilt die Firma Intamin als der Pionier unter den elektromagnetischen Achterbahn-Antriebssystemen. 1997 durchbrach der Hersteller mit dem Tower of Terror im australischen Dreamworld erstmals die Geschwindigkeitsmarke von 160 km/h. Die Firma mit Hauptsitz in Liechtenstein setzt dabei ihr Know How im Bereich Steuerungs- und Regelungstechnik in Zusammenarbeit mit externen Spezialfirmen zu immer neuen Superlativen der Antriebstechnik ein. Bis heute wurden rund 20 linear-elektromagnetisch gepowerte Achterbahnen ausgeliefert, darunter die spektakuläre California Screamin' Loopingbahn im kalifornischen Disneyland, auf der sogar erstmals ein Liftantrieb mit LIM Motoren verwirklicht wurde.

Das Funktionsprinzip des Linear Synchron Motors: Der Läufer (Zug) gleitet wie ein Surfbrett über das wandernde Statormagnetfeld

Um die Nachteile der LIM-Antriebe, vor allem ihren schlechten Wirkungsgrad, zu minimieren, wurde bei Intamin die hauseigene Entwicklung der LSM-Technik im neuen Jahrtausend intensiviert: Moderne elektromagnetisch gepowerte Intamin Anlagen wie der Loopingcoaster Maverick in Cedar Point, die Wasserachterbahn Atlantis Adventure in der südkoreanischen Lotte World oder Cheetah Hunt im amerikanischen Busch Gardens Tampa Bay verwenden ausschließlich neueste Generationen von LSM Antrieben.

Ein LSM unterscheidet sich vom LIM in einem einzigen Detail: Beim Läufer wird statt einer Kupfer- oder Aluminiumplatte ein Magnetbalken mit alternierender Polarität eingesetzt. Der Stator taucht in einen etwa 40 Millimeter breiten Luftspalt ein, der beidseitig von Permanentmagneten gebildet wird. Die Asynchron- wird dabei zur Synchronmaschine: Statt dass ein Magnetfeld im Läufermedium vom elektromagnetischen Wanderfeld der Statoren induziert wird, interagiert das Magnetfeld der Permanentmagnete direkt mit dem elektrisch erzeugten Wanderfeld im Stator. Das Fahrzeug reitet wie ein Surfbrett auf der elektromagnetischen Welle des Statormagnetfeldes.

Der Wirkungsgrad des LSM ist mit 60 bis 90 Prozent fast doppelt so hoch wie die des LIM, obwohl die Magnete am Fahrzeug die zu beschleunigende Masse vergrößern. Eine höhere Masse erfordert mehr Leistung, um gleiche Beschleunigungswerte zu erhalten. Die etwa 200 Kilogramm schweren Magnetbalken erhöhen das durchschnittliche Fahrzeuggewicht eines beladenen Achtwerbahnwagens von knapp zwei Tonnen um rund zehn Prozent. Somit ist eine zehn Prozent höhere Energiespeisung der Motoren von Nöten, um gleiche Beschleunigungscharakteristika zu erhalten. Der vorteilhaftere Wirkungsgrad des LSM wird somit reduziert, liegt jedoch immer noch deutlich über dem LIM.

Dies ist auf das permanente Magnetfeld im Läufer zurückzuführen. Beim LIM wird das benötigte Reaktionsfeld in der Aluminium- oder Kupferplatte über das Statorfeld erzeugt. Dabei entstehen in der Platte hohe elektrische Wirbelströme, welche in Form von Verlustwärme eine Verringerung des Wirkungsgrades bedeuten. Beim LIM entstehen zirka 40 Prozent der Verluste im Läufer.

Links: Atlantis Adventure im koreanischen Lotte World ist ein LSM Coaster der neuesten Generation - Mitte: Das Wandermagnetfeld der Statoren in der Schienenmitte interagiert mit einem Magnetfeld im Luftspalt unterhalb der Fahrzeuge, welches durch starke Permanentmagnete alternierender Polarirät links und rechts des Luftspalts aufgebaut wird - Rechts: Auf der Bremsstrecke tauchen im gleichen Luftspalt an der Schiene installierte Aluminiumschwerter ein; Das Permanentmagnetfeld des Fahrzeugs induziert in diesen ein Wirbelstromfeld, welches auf das Magnetfeld des Fahrzeugs eine Bremskraft ausübt

Der geringere Anschlusswert, also die Betriebskosten, sind nur ein Vorteil. Auch die Initialkosten sind geringer, da kleinere Umrichter verwendet werden können und nur die Hälfte der Statoren wie bei einem vergleichbar leistungsfähigen LIM benötigt werden. Die Mehrkosten für die Ausrüstung der Züge mit Magnetbalken beim LSM im Vergleich zur Alu- oder Kupferplatte beim LIM fallen bei wenigen Fahrzeugen kaum ins Gewicht. LIMs spielen ihren Vorteil daher nur bei Achterbahnen mit vielen Fahrzeugen oder sehr strengen Anforderungen an das Fahrzeuggewicht aus.

Ganz ohne Nachteile kommt jedoch auch ein LSM-Antrieb nicht daher, denn er erfordert eine weitaus genauere Ansteuerung der linearen Motoren: Die Geschwindigkeit des wandernden Magnetfeldes muss exakt mit der Geschwindigkeit des Zuges synchronisiert sein. Ansonsten "verliert" das Statorfeld den Zug und es findet keine Beschleunigung statt. Die Positionierungsgenauigkeit des Zuges liegt bei wenigen Millimetern, um das Statorfeld zu den Permanentmagneten des Zuges synchron laufen zu lassen. Dazu ist ein im Vergleich zum LIM hochpräzises und meist empfindlicheres Positionsermittlungsystem erforderlich. Die Positionen der Sensoren untereinander und in Bezug auf die Statoren muss millimetergenau stimmen. Kommt es zu Ausfällen einzelner Sensoren, kann der Beschleunigungszyklus zum Erliegen kommen.

Weiterhin unterliegen die an den Fahrzeugen eines jeden Zuges angebrachten Permanentmagnetbalken alternierender Polarität einer hohen Fertigungstoleranz. Die Abstände der Poländerungen von Nord nach Süd müssen millimetergenau toleriert sein, sowohl an jedem Magnetbalken eines jeden Fahrzeugs als auch von Fahrzeug zu Fahrzeug bei aneinander gekoppelten Zugsystemen. Ansonsten befindet sich das Permanentmagnetfeld vom vorderen Wagen nicht mehr synchron zum hinteren Wagen, Beschleunigungsverluste sind die Folge.

Das Karussell der Launchantriebe

Neben Premier Rides und Intamin als Entwicklungsmotoren der elektromagnetischen Launch-Antriebssysteme haben sich in den letzten zehn Jahren weitere Hersteller für Systemlösungen etabliert. Die Firma InTraSys aus München entwickelt neben linearen Wirbelstrombremsen für Achterbahnen auch synchrone und asynchrone Antriebssysteme. So arbeitete zum Beispiel Intamin für ihre ersten LSM-Achterbahnen, unter anderem Tower of Terror oder Superman Escape mit den Münchnern zusammen, Vekoma verwendete 1999 einen LSM Antrieb von InTraSys beim Rock 'n' Roller Coaster in der Walt Disney World und heute liefert das kleine Technologieunternehmen LSM-Komplettlösungen für Unternehmen wie Gerstlauer, Zierer oder Mack, die selber keine Entwicklungshistorie bei Magnetantrieben besitzen.

Mitnehmerschlitten des Rock 'n' Roller Coaster, ein LSM Coaster der zweiten Generation - im Hintergrund sind die weißen LSM Module zu erkennen

2003 revolutionierten die LSM Module auf der Intamin Halfpipe die Möglichkeiten der Achterbahnformen: Innerhalb von 3-4 Schwüngen erreicht der Skateboardzug die freien Schienenenden in 30 Metern Höhe

Für den Rock 'n' Roller Coaster wurde 1999 ein ungewöhnlicher Weg eingeschlagen: Die fahrzeugseitigen Magnete des LSM-Antriebs wurden nicht an jedem der fünf Züge der Anlage angebracht, sondern ausschließlich an einem Mitnehmerschlitten, der die Katapultstrecke auf einer eigenen Schiene unterhalb des Zuges befährt. Ein fliegender Start ist mit diesem System nicht möglich, da der Zug im Ruhezustand in den Mitnehmerschlitten einhakt. Auf der anderen Seite ist kein höheres Zuggewicht von Nöten. Entsprechend mussten die Vekoma-Züge nicht aufwändig neu konstruiert werden, um das höhere Gewicht sicher über die Fahrwerke auf die Schiene zu übertragen. Zusätzlich muss nur ein Fahrzeug - der Schlitten - mit hochwertigen und entsprechend teuren Permanentmagneten ausgestattet werden.

Die neueste Generation von InTraSys linearen Antriebssystemen kommt beim Maurer Söhne X-Car Coaster Formule X im niederländischen Freizeitpark Drievliet zur Anwendung, welche im folgenden Fallbeispiel vorgestellt wird.

In zwei Sekunden beschleunigen 26 paarweise installierte LSM-Module das Fahrzeug auf 70 Stundenkilometer. Zur Erfassung seiner Position befinden sich zwischen den Modulen Sondenblöcke, die das Feld der am Fahrzeug montierten Permanentmagnete detektieren. Eine zweifache, auf Windows NT bzw. Linux ablaufende softwarebasierte Steuerung fragt die Sensoren alle 50 Mikrosekunden - dies entspricht 0,00005 Sekunden - ab und regelt im Containerraum die Frequenzumrichter sowie die Schütze, welche die LSM-Module schalten. Bei den Modulen, in deren Wirkbereich sich das Fahrzeug gerade nicht befindet, werden die Statoren kurzgeschlossen. Sie wirken somit als Magnetbremse, falls das Fahrzeug das erste Fahrelement nicht bewältigt und zurückrollt.

Bei Formule X wird nicht die Frequenz des Magnetfeldes geregelt, sondern die Phasenlage. Das Magnetfeld der Magnete am Fahrzeug wird mittels Sensoren detektiert und daraus in kurzen zeitlichen Abständen errechnet, wie das Statormagnetfeld für eine optimale Beschleunigung ausgebildet sein muss. Die Umrichter werden dann derart angesteuert, dass die Statoren das entsprechende Magnetfeld erzeugen. Durch die in geringen zeitlichen Abständen erfolgende Ansteuerung der Statoren ergibt sich im Ergebnis dennoch ein stetiger Verlauf des Magnetfeldes.

Bei Formule X kommen zwei paarweise installierte LSM Module der neuesten Generation von InTraSys zur Anwendung

Die Beschleunigung von bis zu 1g setzt nahtlos und ohne Vorwarnung ein und wirkt daher besonders bei der Erstfahrt sehr unerwartet. Die LSMs packen überraschend knackig zu und katapultieren das Fahrzeug nach der 22 Meter langen Launchstrecke in die erste Fahr- und Inversionsfigur. Beim Start wird in den Statoren eine elektrische Verlustleistung in Wärme umgesetzt. Um die empfindlichen Antriebseinheiten vor einer zu großen Aufheizung zu schützen, produzieren aktive Luftkühlsysteme in Form von Ventilatoren einen Luftstrom entlang der Statorreihen. Gekühlt werden nur die ersten drei Statoren, da diese aufgrund der geringen Geschwindigkeit des Zuges an dieser Stelle länger aktiviert sind als die folgenden Motoren und die meiste Hitze entwickeln.

Der LSM-Antrieb von Formule X benötigt während des zweisekündigen Launchs eine Spitzenleistung von 450 Kilowatt. Um die Anschlussleistung so gering und konstant wie möglich zu halten, besteht die Energieversorgung aus einem mechanischen Energiespeichersystem mit Schwungrad, Schwungradmotor und elektrischem Generator. Der Motor bringt das vier Tonnen schwere Schwungrad auf die Nenndrehzahl von 1500 Umdrehungen pro Minute. Während des Starts wandelt ein Generator die Rotationsenergie des Schwungrades in elektrische Energie um und liefert einen Spitzenstrom von 750 Ampere. Das Schwungrad minimiert die Anschlussleistung auf etwa ein Viertel der Spitzenlast, wobei die benötigten 125 Kilowatt (davon weniger als 100 Kilowatt fü den Schwungradmotor) auch für einen Kettenliftantrieb mittlerer Größe zu veranschlagen wären. Nach jedem Launch benötigt der Elektromotor cirka elf Sekunden, um das Schwungrad wieder auf Touren zu bringen; bei der morgendlichen Inbetriebnahme der Anlage dauert das Anfahren fünf bis sechs Minuten.

Formule X zeigt, dass moderne LSM Coaster heutzutage keine Anschlussleistungen im Megawatt-Bereich besitzen müssen. Die geringe Spitzenleistung von 450 Kilowatt ist im Vergleich zu den 3600 Kilowatt des Premier Rides LIM System aus dem Jahre 1996 jedoch nicht auf einen schlagartig verbesserten Wirkungsgerad der LSM-Technologie zurückzuführen - in dieser Beziehung ist die Technik ausgereizt. Der Schlüssel ist das geringe Zuggewicht in Kombination mit einer geringeren Endgeschwindigkeit.

Die Grenzen der LIM und LSM Technik

Die Möglichkeiten der Gestaltungsfreiheit der Katapulte bei LIM und LSM Systemen scheinen theoretisch grenzenlos, doch praktisch zeigt das Wirkprinzip schnell seine Grenzen. Zwar ist ein mechanischer Verschleiß der Antriebe nicht vorhanden, doch auf der elektrischen Seite ist der Wartungsaufwand der Schrankreihen aus elektrischen Schaltungen, Thyristoren und Frequenzumrichtern nicht zu unterschätzen. Statt Mechanikern sind hochspezialisierte Elektrotechniker gefragt, wenn das System aus unerfindlichen Gründen seinen Dienst verweigert.

Zudem ist der Energiebedarf und die Initialkosten bei Hochgeschwindigkeitsachterbahnen ein Verkaufskiller. Nur zwei der 30 rund weltweit operierenden LIM und LSM Coaster erreicht Geschwindigkeiten deutlich über 100 Stundenkilometer. Um die Energiereserven zu schonen wurde sogar im kalifornischen Six Flags Magic Mountain über viele Jahre das System nur zu zwei Dritteln ausgefahren: Statt 160 Stundenkilometer Spitzengeschwindigkeit des wurde der Wagen des Superman Escape nur auf etwa 120 beschleunigt. Neue, leichtere Wagen ermöglichen seit 2011 wieder die volle Spitzengeschwindigkeit.

In die Bewegungsenergie geht die zu erreichende Zielgeschwindigkeit quadratisch ein: Eine Verdopplung der Geschwindigkeit von 100 auf 200 km/h bedeutet eine Vervierfachung der benötigten Energie. Die Beschleunigung an sich ist nicht das Problem: Ein Stator von einem Meter Länge kann eine Kraft von etwa zehn Kilonewton erzeugen. Bei einem Zuggewicht von zehn Tonnen entspricht das einer Beschleunigung von 0,1g. Praktischerweise sind bei einem Zug mit diesem Gewicht rund zehn Statoren in Überdeckung mit den Magneten / Aluschwertern am Zug, womit sich eine Beschleunigung von typischerweise 1g ergeben würde. Hohen Endgeschwindigkeiten steht in der Praxis jedoch das Wirkprinzip selber entgegen: Das Magnetfeld im Zug generiert im Stator eine Gegeninduktion. Diese Spannung muss vom Umrichter überwunden werden, um überhaupt erst eine Beschleunigungskraft zu erzeugen. Derart potente Umrichter, die auch bei hohen Geschwindigkeiten und damit hohen induzierten Gegenspannungen noch Reserven aufweisen, sind derzeit nicht erhältlich.

Und es gibt ein weiteres Problem. Selbst wenn sich die Energie und damit die Beschleunigungskraft bereitstellen ließe, so müsste die Kraft für eine bestimmte Zeit auf den Zug einwirken, um ihn zu beschleunigen. Bei einer hohen Ausgangsgeschwindigkeit passiert der Zug die Statoren entsprechend schnell - legt also während der Beschleunigungszeit eine lange Strecke zurück, die vollständig mit Statoren bestückt sein muss. Als Zahlenbeispiel wird ein Zug mit 1g aus dem Stand beschleunigt. 100 km/h erreicht er nach 39,2 Metern, 200 km/h erst nach 156,8 Metern - die Investitionskosten in Statormodule und Ansteuerungstechnik vervierfachen sich bei einer Verdopplung der Endgeschwindigkeit.

Links: Der Hydraulikantrieb von KingdaKa drückt ein Ölvolumen mit 300bar, dem 300-fachen Luftdruck, über armdicke Schläuche durch rund 50 Hydraulikmotoren, welche eine Seilwinde antreiben - Im Vordergrund ist einer von zwei Öltanks zu sehen, links und rechts des Bildes die Stickstofftanks mit nachgeschalteten Öl-Kolbenspeichern - rechts: Die 200 Meter lange Launchstrecke führt auf einen 139 Meter hohen Turm

Dieser Kostennachteil existiert bei Hydrauliksystemen nur in deutlich geringerem Maße. Die benötigte Energie wird in den Ein- und Ausstiegspausen langsam aber stetig in überdimensionalen Stickstofftanks durch einen ansteigenden Druck aufgebaut, der sich schließlich schlagartig über einen Ölkreislauf, das Hydrauliksystem, in eine Rotationsbewegung einer Seilwinde entlädt. Der Zug wird dabei durch einen Mitnehmerschlitten über ein Seilzugsystem in das Streckenlayout katapultiert.

Hydraulische Antriebssysteme sind fast grenzenlos skalierbar, wie das Beispiel KingDa Ka von Intamin im Six Flags Great Adventure bei New York zeigt. Selbst den rund zehn Tonnen schweren Zug vermag das Hydraulikkatapult mit einer mittleren Beschleunigung von 1,5g auf 210 Stundenkilometer zu beschleunigen - und benötigt dabei Anschlussleistungen von unter zwei Megawatt. Ein LSM wäre dabei klar unterlegen. Diese Leistungsbilanz wird nur dadurch ermöglicht, dass das Energiepotential zwischen den Starts langsam im hydraulischen Speichersystem über permanent laufende Hochleistungspumpen aufgebaut wird. Selbst bei langen Beschleunigungsstrecken sind teure Bauteile wie Druckspeicher, Pumpe und Seilwinde nur einmal notwendig - wenn auch entsprechend größer dimensioniert. Damit steigen die Investitionskosten mit wachsender Spitzengeschwindigkeit weniger schnell als bei einem Magnetantrieb. Die Kehrseite der Medaille sind jedoch die höheren mechanischen Wartungsaufwendungen der hydraulischen Katapultsysteme.

Hinzu kommt bei den Magnetantrieben der hohe schlagartige Strombedarf. Er war ein Hauptgrund dafür, dass die LIM und LSM Coaster bislang hauptsächlich nur in den USA und Asien hoffähig waren. Bis 2006 gab es nur drei Linear-Katapulte in Europa. Doch die Coasterindustrie lernt dazu: Um den Energiebedarf zu reduzieren, setzen die Hersteller auf Einzelfahrzeuge. Die Fliegengewichte werden zudem auf Geschwindigkeiten von nur rund 80 km/h beschleunigt. Mit diesen Parametern sind Anschlusswerte von 500 KW, also 0,5 Megwatt, realisierbar. Energiespeichersysteme verringern die Spitzenlast um ein weiteres, bringen jedoch bei den aktuell eingesetzten Schwungrädern wieder die mechanische Verschleißkomponente ins Spiel und sind in der Praxis nur für niedrige Anschlusswerte auf dem Markt verfügbar. Hochleistungsbatterien, sogenannte Supercaps, können Abhilfe schaffen. 2009 installierte Intamin erstmals ein derartiges System auf dem 120 km/h schnellen LSM Coaster iSpeed im italienischen Mirabilandia. Der Antrieb wird durch eine neuartige, wartungsfreie Supercap-Batterie gespeist, welche zwischen den Launch-Zyklen aufgeladen wird. Die Spitzenlast wird dadurch auf ein Drittel des benötigten Bedarfs während der Katapultsequenz gesenkt.

LSM Launchcoaster sind im Trend. Neben den Entwicklungspionieren Intamin und Premier Rides setzen nun auch andere Hersteller auf dieses Zugpferd: Maurer Söhne machte mit Formule X in Drievliet 2007 den Anfang, Gerstlauer folgt 2008 mit Lynet im dänischen Faarup Sommerland und auch Mack Rides debütierte 2009 mit der Loopingbahn Bluefire im Europa Park. Selbst der für gigantische Achterbahnen bekannte Schweizer Hersteller Bolliger&Mabillard bietet seit einigen Jahren das Produkt LSM für eine eigene Katapultcoaster-Generation an, konnte aber bislang keinen Abverkauf platzieren.

Obwohl die elektrischen Linearbeschleuniger heutzutage mit der Hydrauliktechnik konkurrieren müssen, sieht die Antriebstechnik bei kleinen und mittleren Anlagen einer blühenden Zukunft entgegen: Zwischen 2009 und 2011 sind rund ein Dutzend neuer elektromagnetischer Launch Coaster weltweit entstanden, unter anderem auch in kleinen Freizeitparks wie dem deutschen Bayern Park. Dabei beschleunigen die meisten Anlagen ihre Züge oder Einzelwagen auf Endgeschwindigkeiten von 80 bis 100 Stundenkilometern.

Superlative in Sachen Endgeschwindigkeiten werden jedoch den Luft- und Hydraulikantrieben vorbehalten bleiben: Während S&S am deutschen Nürburgring die anvisierten 217km/h mittels Luftdruckpower bislang nicht erreichte, eröffnete Ende 2010 in der Wüste Abu Dhabis mit Formula Rossa die schnellste Achterbahn der Welt: Das wuchtige Hydraulikaggregat von Intamin beschleunigt den 16-sitzigen Formel 1 Zug innerhalb von viereinhalb Sekunden von null auf 240 Stundenkilometer.

Text: Coastersandmore - jp
Bilder / Skizzen: Archiv, Coastersandmore, Disneyland Paris