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Die Erfindung betrifft einen asynchronen Langstator-Linearmotor, insbesondere der koaxialen
Bauart, mit Reihenkondensatoren im Ständerkreis.
Asynchron-Linearmotoren sind seit langer Zeit bekannt, sie werden zum Antrieb von Magnet- schwebebahnen, von Fördergeräten, Türschliessern und bei ähnlichen Aufgaben verwendet. Insbeson- dere bei Magnetschwebebahnen haben sie den Nachteil eines schlechten Leistungsfaktors, eines schlechten Wirkungsgrades und einer geringen Überlastbarkeit.
Die genannten Nachteile resultieren einerseits aus dem notwendigerweise meist grossen Luft- spalt, anderseits aus der grossen Streuinduktivität. Letzteres tritt insbesondere bei kleineren
Geschwindigkeiten des Wanderfeldes in Erscheinung, entsprechend den schlechten Eigenschaften von rotierenden Langsamläufer-Asynchronmotoren.
Der schlechte Wirkungsgrad geht Hand in Hand mit dem schlechten Leistungsfaktor, weil die Wicklungen wegen des hohen Blindanteiles des schubbildenden Stromes hohe Kupferverluste aufweisen. Zu diesen erhöhten Verlusten treten noch erhöhte Verluste zufolge unerwünschter
Wirbelstrombildung in der massiven Reaktionsschiene und eine ungünstige Stromverteilung in derselben hinzu.
Grundsätzlich können asynchrone Linearmotoren als Kurzstator- oder Langstatorbauart ausgeführt werden. Am Beispiel der Magnetschwebebahnantriebe heisst das, dass sich beim Kurzstator- antrieb der drehstromgespeiste Induktor an Bord des Fahrzeuges befindet, während der Kurzschluss- anker in Form der sogenannten Reaktionsschiene entlang der gesamten Trasse verlegt ist.
Bei der Langstatorausführung hingegen ist der drehstromgespeiste Stator entlang der Fahr- trasse verlegt, während sich der Läufer, der in diesem Fall mit einer Drehstromwicklung versehen sein kann, an Bord des Fahrzeuges befindet.
Beide Bauarten weisen Vor- und Nachteile auf, zu denen bei der Langstatorausführung die Notwendigkeit einer abschnittsweisen Zu- und Abschaltung gehört, die positionsgesteuert sein muss. Eine selbständige Herabsetzung der Stromaufnahme jener Wicklungsabschnitte, die sich ausserhalb der Fahrzeuglänge befinden, wäre zwar grundsätzlich durch eine Vielfach-Parallel- schaltung denkbar, wobei nur jene parallelen Wicklungsabschnitte den Laststrom führen, in deren Bereich die Läuferwicklung im Fahrzeug gegenübersteht.
In Wirklichkeit werden aber die leerlaufenden Wicklungsteile nur geringfügig vom Strom entlastet, weil sie wegen des fehlenden magnetischen Rückschlusses ausserhalb des Läuferbereiches einen erhöhten Leerlaufstrom aufnehmen.
Einen unangemessen hohen Aufwand bedingt das getrennte Trag- und Führungsmagnetsystem von Magnetschwebebahnen, was den Gedanken nahelegt, das Antriebssystem einerseits und das Trag- und Führungssystem anderseits in einem Wicklungssystem zu vereinigen, das alle drei Funktionen übernimmt. Ein solches System stellt die erfindungsgemässe Anordnung eines rohrförmigen Langstator-Linearmotors mit Luftspaltwicklung und Reihenkondensator-Beschaltung dar, der überdies einen besseren Leistungsfaktor und Wirkungsgrad sowie ein höheres Beschleunigungsvermögen aufweist.
Auch können die zu- und abgeschalteten Statorwicklungsabschnitte wegen der Vielfach-Parallelschaltung bedeutend länger vorgesehen werden als bei den bekannten Langstator-Magnetschwebebahnen, weil bei entsprechender Wahl der Speisefrequenz und der sonstigen Entwurfsparameter der Leerlaufstrom nur einen Bruchteil des Laststromes aufweist.
Die gleichzeitigen Trag- und Führungseigenschaften des vorgeschlagenen koaxialen Wicklungssystems rühren von der Zentrierkraft her, die dabei von Ständer- und Läuferwicklung gleichzeitig ausgeübt werden (vgl. G. Aichholzer"Die Zentrierkraft koaxialer Magnetspulen", E und M 1971, 88. Jg., Heft 2, Seite 73).
Voraussetzung für die genannte Zentrierkraft ist nicht nur die gegensinnige, beim Asynchronmotor überwiegend gegebene Stromdurchflutung von Ständer- und Läuferwicklung, sondern auch deren Ausführung als Luftspaltwicklung.
Die vorstehend kurz beschriebene Anordnung ist hinsichtlich der Wirksamkeit einzelner Entwurfsmassnahmen grossteils bekannt, z. B. die Mehrfach-Parallelschaltung, die koaxiale Bauart, die Langstatorausführung, die Reihenkondensatoren im Ständerwicklungskreis usw. (vgl. G. Luder "Drehstromasynchron-Linearantriebe", Vogel-Verlag 1981, und F. E. G. Eisselt"Wanderfeld-Induktions- motor für den Antrieb von Webschützen", CH-PS Nr. 198386).
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Das Ziel dieser einzelnen Entwurfs- und Gestaltungsmassnahmen ist offenkundig (in derselben
Reihenfolge) : flexiblere Wicklungsbemessung einfache Spulenform keine Stromzuführung zum bewegten Teil und Blindstromkompensation.
Eine Kombination aller Massnahmen in einem Gerät zwecks Vereinigung aller Vorteile wäre sicher naheliegend.
Nicht naheliegend hingegen ist bei der erfindungsgemässen Anordnung eine Kombination von Einzelmassnahmen, durch die andere, zusätzliche Effekte erzielt werden, die nicht ohne weiteres voraussehbar sind. So ermöglicht die Vielfach-Parallelschaltung mit einem Kondensator in jedem Zweig ein günstigeres Verhältnis Il/Io in den laststromführenden und den leerlaufenden
Wicklungsabschnitten (vgl. Fig. 2 und 3). Dies führt zu einer erheblichen Verringerung der Wicklungserwärmung. 1 1 bedeutet darin den Belastungsstrom und Io den Leerlaufstrom pro Pol und Phase der Ständerwicklung.
Ebenfalls nicht naheliegend nach dem Stand der Technik ist auch die erfindungsgemässe Überkompensation durch die Reihenkondensatoren, weil nur durch diese Massnahme ein cos t = 1 erzielt werden kann (vgl. Fig. 2). Der Grund hiefür ist in dem sonst nirgends beschriebenen
Umklappen des Ortskreises in den motorisch-kapazitiven Quadranten zu sehen, sobald der Resonanzpunkt überschritten ist.
Die erfindungsgemässe Anordnung, durch die die oben beschriebenen Effekte erzielt werden können, ist demnach dadurch gekennzeichnet, dass alle Ständerwicklungsspulen pro Pol und Phase über je einen Reihenkondensator parallelgeschaltet sind und dass diese Reihenkondensatoren so bemessen sind, dass ihr kapazitiver Widerstand grösser als der induktive Streublindwiderstand der Einzelspulen ist, z. B. um 50%.
Die nachstehende Beschreibung des Erfindungsgegenstandes wird an Hand der Zeichnungen vorgenommen ; es zeigen Fig. 1 einen Längsschnitt durch Ständer und Läufer des Linearmotors und die Schaltung der Einzelspulen und Kondensatoren, Fig. 2 eine typische Lage des Ständerstromortskreises eines Asynchron-Linearmotors bei Überkompensation durch Reihenkondensatoren und Fig. 3 eine typische Lage des Ständerstromortskreises eines Asynchron-Linearmotors ohne Kompensation.
In Fig. l bedeuten-l-die Ständerwicklungsspulen, die über je einen Reihenkondensator --2-- zu einer Dreiphasen-Wanderfeldwicklung vielfach parallel in Stern zusammengeschaltet sind. Diese Luftspaltwicklung wird von einem geblechten Mantel aus magnetischem Material --3-umschlossen und aus einer dreiphasigen mittelfrequenten Stromquelle --4-- gespeist, z. B. mit 1 kHz.
--5-- stellt die koaxiale Sekundärwicklung dar, die den Aussenmantel des rohrförmigen Läufers --6-- aus magnetischem Material bildet. Diese Läuferwicklung ist bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ebenfalls eine Drehstrom-Wanderfeldwicklung in Sternschaltung, die über
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An Stelle der dreiphasigen Läuferwicklung kann natürlich auch ein homogener leitfähiger Zylinder treten.
Die erfindungsgemäss angestrebten Eigenschaften der beschriebenen Anordnung ergeben sich aus der Bemessung und dem Zusammenwirken aller Komponenten wie folgt :
Durch die erfindungsgemässe Überkompensation der Einzelspulen durch je einen Reihenkondensator wird erreicht, dass der Ortskreis des Ständerstromes einerseits einen höheren Durchmesser als ohne Kondensatoren aufweist (besserer Leistungsfaktor und Überlastbarkeit), anderseits der Mittelpunkt des Ortskreises entgegen der bei unkompensierten Maschinen gewohnten Lage im kapazitiv-motorischen Quadranten der Zahlenebene (Fig. 2) liegt.
Durch diese Vergrösserung und Lageänderung des Ständerstrom-Ortskreises kann man dreierlei erreichen :
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eine höhere Überlastbarkeit, eine relative Verringerung des Leerlaufstromes bezogen auf den Laststrom.
Diese Effekte werden durch den Ortskreis in Fig. 2 verdeutlicht.
In Fig. 2 bedeuten U den Netzspannungszeiger, zip den Phasenwinkel des Netz- (Ständer-) stro- mes, JL den Netz- (Ständer-) stromzeiger und U den Zeiger des auf die Ständerwicklung reduzierten
Läuferstromes bei der überkompensierten Maschine.
In Fig. 3 (unkompensierte Maschine) haben die Bezeichnungen U, *t'.. In ; j dieselbe Bedeutung wie in Fig. 2.
Für die Auswirkung auf die erfindungsgemässe Anordnung gemäss Fig. 1 bedeuten die Verände- rungen des Ständerstromortskreises neben der höheren Überlastbarkeit dass die Wicklungsverluste und damit die Kupferausnutzung auf einen minimalen Wert redu- ziert werden können, dass bei Vielfach-Parallelschaltung die leerlaufenden Ständerwicklungsabschnitte beim Lang- statortyp selbsttätig einen viel kleineren Strom bezogen auf den Laststrom aufnehmen.
Dadurch ist die streckenabschnittsweise Zu- und Abschaltung in viel grösseren Abschnitten möglich als ohne Reihenkondensatoren, dass die Bauleistung der Speisespannungsquelle nur einen Bruchteil des ohne Kondensatoren erforderlichen Wertes betragen muss.
Fig. 3 stellt zum Vergleich den Ortskreis eines unkompensierten Linearmotors dar, der zur Erzielung des gleichen Drehmomentes die mehrfache Spannung bzw. Blindleistung benötigt.
Voraussetzung für alle diese Effekte ist eine sehr niedrige Luftspaltinduktion und ein sehr hoher Strombelag, weil nur dann das angestrebte kleine Verhältnis vom Leerlauf zum Last- strom erzielt werden kann.
Zum Vorteil der Luftspaltwicklung einer besseren Raumausnutzung (keine Zähne) und der
Zentrierwirkung (kombinierte Trag- und Führungsfunktion) kommt noch die Linearität des Magnet- kreises und die dadurch bedingte Oberwellenarmut, die gerade bei Anwesenheit von Kondensatoren von höchster Wichtigkeit ist, weil Kondensatoren in Verbindung mit gesättigten Induktivitäten zu selbsterregten Kippschwingungen neigen.
Der Nachteil der Luftspaltwicklung eines höheren Magnetisierungsaufwandes (Leerlaufstrom) muss durch eine sehr geringe Luftspaltinduktion kompensiert werden. Bei gleicher Materialausnut- zung bedeutet dies aber einen höheren Strombelag und höhere Wicklungskupferverluste, die ihrer- seits durch andere Massnahmen reduziert werden müssen.
Die erfindungsgemässe Anordnung wurde neben ihrem wesentlichsten Bestandteil, den Reihenkon- densatoren, gezielt so gestaltet, dass sich trotz geringerer Luftspaltinduktion keine wesentlich höheren Kupferverluste ergeben.
Zur Erfüllung dieser Forderung tragen bei :
Die koaxiale Wicklungsausführung, die nicht nur eine geringere Kupfermasse wegen der fehlenden Stirnverbindungen ermöglicht, es entfallen wegen des Fehlens des bei konventionel- len Linearmotoren auftretenden sogenannten Quereffektes auch die dadurch bedingten Zusatz- verluste.
Durch die Wirkung der Reihenkondensatoren wird der Blindstromanteil in der Ständerwicklung auf ein Minimum reduziert.
Durch die fehlenden Zähne steht mehr Wicklungsraum zur Verfügung verbunden mit einer geringeren Stromdichte.
Die Mittelfrequenzspeisung ermöglicht eine bedeutende Reduktion der Eisenmasse, weil - wegen v = 2f. tp - tp klein gewählt werden kann. Überdies ermöglicht sie eine bedeutende Verringerung der Kondensatorbauleistung.
Beispiele, bei denen die Erfindung mit Vorteil anwendbar ist, sind :
Magnetschwebebahnen
Schmiedehämmer
Geschossbeschleuniger
Bewegungselemente von Robotern u. a. m.