DE10055078C1 - Elektrische Linearmaschine - Google Patents

Abstract

Es wird eine elektrische Linearmaschine angegeben, die einen Stator (10) mit einer Mehrzahl von um gleiche Umfangswinkel gegeneinander versetzt angeordneten, jeweils mit einer Spule (21, 22) bewickelten Statorpolen (13, 14) und einen vom Stator (10) umschlossenen, koaxial angeordneten Oszillator (11) aus magnetisch leitfähigem Material aufweist, wobei der Oszillator (11) relativ zum Stator (10) verschiebbar ist und mit den Statorpolen (13, 14) von einem Magnetfluß durchsetzte Luftspalte (27) einschließt. Zur Schaffung einer fertigungstechnisch einfachen und robusten Linearmaschine mit elektrischer Felderregung sind Oszillator (11) und Statorpole (13, 14) jeweils in Achsrichtung gezahnt und die auf in Umfangsrichtung aufeinanderfolgenden Statorpolen (13, 14) angeordneten Spulen (21, 22) wechselweise einer Ankerwicklung (22) und einer den Magnetfluß erzeugenden Felderregerwicklung zugeorndet (Fig. 1).

Description

Die Erfindung geht aus von einer elektrischen Linearmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine elektrische Linearmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der US 3 441 819 bekannt. Bei dieser elektrischen Linearmaschine ist ein Oszillator von Statorpo­ len umschlossen, wobei der Oszillator und die Statorpole in Achsrichtung gezahnt sind und mit ihren Zähnen in Achsrich­ tung voneinander beabstandete Luftspalte definieren. Der Vortrieb der Linearmaschine erfolgt dabei über die in Um­ fangsrichtung versetzt angeordneten Polzähne des Oszilla­ tors.

Bei einer weiterhin bekannten, wahlweise als Motor oder Ge­ nerator betreibbaren, elektrischen Linearmaschine (US 5 654, 596) wird der magnetische Fluss, kurz Magnetfluss, durch Permanentmagnete erzeugt, die auf jedem der Statorpole mit wechselnder Polarisation in Achsrichtung des Stators neben­ einander angeordnet sind und zwischen sich und dem Umfang zweier auf einer Antriebs- oder Schubstange befestigten, voneinander beabstandeten Eisenblechpaketen des Oszillators, dort Mover genannt, die vom Magnetfluss durchsetzten Luftspalte definieren. Bei der oszillierenden Bewegung des angetriebenen Oszillators bewegt sich jeweils ein Eisen­ blechpaket über ein Paar Permanentmagnete mit entgegenge­ setzter Polarisation oder Polarität hinweg. In Umfangsrich­ tung des Stators sind mehrere solcher mit Permanentmagneten besetzter Statorpole um gleiche Umfangswinkel versetzt angeordnet.

Zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrands der Linearmaschine werden Permanentmagnete mit hoher Energiedichte, z. B. Nd-Fe- B-Magnete, verwendet. Bei höheren Temperaturen nimmt der Wirkungsgrad dieser Permanentmagnete schnell ab, und eine über eine höhere als z. B. 140°-150° hinausgehende Temperatur führt zu einer irreversiblen Entmagnetisierung der Permanentmagnete. Außerdem sind Permanentmagnete kostenintensiv und für die Fertigung und Wartung des Linearmotors ein ständiges Problem.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße elektrische Linearmaschine hat demgegenüber den Vorteil, daß durch Verzicht auf eine permanentmagnetische Felderregung eine sehr robuste Konzeption erreicht wird, die ebenso hohe Leistungsdichten wie eine permanentmagneterregte Linearmaschine ermöglicht. Die erfindungsgemäße Linearmaschine stellt eine elektrisch erregte Reluktanzmaschine nach dem Transversalflußprizip dar, bei der also der Magnetfluß quer (transversal) zur Bewegungsrichtung des Oszillator verläuft. Durch die elektrische Felderregung werden alle vorstehend aufgeführten, mit den Permanentmagneten verbundenen Nachteile vermieden. So ist die Linearmaschine temperaturunempfindlich und kann bei entsprechender Wicklungsauslegung im hohen Temperaturbereich betrieben werden.

Bei einer zweipoligen Ausführung der Linearmaschine läßt sich der innere Raum des Stators voll nutzen. Außerdem treten im Betrieb der Linearmaschine auch bei außermittiger oder exzentrischer Lage der Oszillatorachse keine Seitenkräfte am Oszillator auf, so daß der Oszillator in seiner radialen Ausrichtung eine stabile Mittelposition einnimmt.

Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildung und Verbesserungen der im Anspruch 1 angegebenen elektrischen Linearmaschine möglich.

Gemäß alternativen Ausführungsformen der Erfindung wird das magnetische Feld der an einem Wechselspannungsnetz angeschlossenen einphasigen Linearmaschine durch Speisung der Spulen der Felderregerwicklung mit Gleichstrom oder mit Wechselstrom erzeugt. Im Falle der Wechselstromerregung arbeitet die Linearmaschine wie eine Synchronmaschine, wobei der Antrieb, vorzugsweise ein Stirlingmotor, mit doppelter Erregerfrequenz schwingen muß. Für den Antrieb ist die höhere Arbeitsfrequenz vorteilhaft. Durch Kombination der netzgeführten Erregung mit der Hubbewegung des Antriebs kann mit einer der doppelten Netzfrequenz entsprechenden Hubfrequenz eine Spannung mit einer netzfrequenten Grundschwingung erreicht werden. Zudem kann durch die netzgeführte Erregung die Synchronisation des Antriebs mit dem Netz unterstützt bzw. erzwungen werden.

Zeichnung

Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen jeweils in schematischer Darstellung:

Fig. 1 einen Längsschnitt einer Linearmaschine gemäß Schnittlinie I-I in Fig. 2,

Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 und 4 jeweils ein Diagramm der Funktionen: Erregerstrom, Antriebsgeschwindigkeit und Ankerspannung über der Zeit bei Erregung mit konstantem Gleichstrom (Fig. 3) und bei Erregung mit Wechselstrom (Fig. 4).

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Die in Fig. 1 und 2 im Längs- und Querschnitt dargestellte Linearmaschine weist in bekannter Weise einen Stator 10 und einen im Stator 10 koaxial angeordneten, längs der Statorachse 101 hin- und herbeweglichen Oszillator 11 auf, der im Falle der Ausführung der Linearmaschine als Lineargenerator von einer hier nicht dargestellten Antriebsmaschine, vorzugsweise einem Stirlingmotor, angetrieben wird.

Der Stator 10 besitzt einen aus Blechstanzprofilen durch Stanzpressen zusammengefügten, lamellierten Statorkörper 12 mit zwei an der Statorachse 101 diametral gegenüberliegenden, ausgeprägten Statorpolen 13, 14, die einstückig von einem Rückschlußjoch oder Rückschlußring 15 radial nach innen abstreben. Der Rückschlußring 15 ist im Ausführungsbeispiel aus zwei Ringhälften zusammengesetzt, die über zwei Passungen 16 (Fig. 2) gefügt sind. An den freien Enden der beiden identisch ausgebildeten, ausgeprägten Statorpolen 13, 14 ist jeweils ein Polschuh 17 bzw. 18 einstückig angeformt, der eine konkave, zylindermatelabschnittförmige Oberfläche aufweist. Durch Einstechen von gleich breiten Nuten 19 in die Polschuhe 17, 18 sind an den Statorpolen 13, 14 achssymmetrisch zur Statorachse 101 ausgeführte Zähne 20 ausgebildet, die in Richtung der Statorachse 101 äquidistant hintereinanderliegen und eine - in Richtung der Statorachse 101 gesehen - gleiche Zahnbreite aufweisen. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 und 2 sind drei solcher Zähne 20 vorhanden. Auf dem Statorpol 13 ist eine eine einphasige Ankerwicklung bildende Spule 21 und auf dem Statorpol 14 eine eine Felderregerwicklung bildende Spule 22 aufgewickelt.

Der Oszillator 11 wird von einem zylinderförmigen Blechpaket 24 aus paketierten Blechstanzprofilen 25 gebildet, das drehfest auf einer Antriebs- oder Schubstange 23 sitzt. Der Oszillator 11 ist wie der Stator 10 in Richtung der Statorachse 101 gezahnt, wobei eine mit der Anzahl der Zähne 20 an den Statorpolen 13, 14 gleiche Anzahl von Zähnen 26, hier drei, vorgesehen sind. Die Zähne 26 sind rotationssymmetrisch ausgebildet, weisen einen gleichen axialen Abstand und eine gleiche axiale Zahnbreite auf. Die Zähne 26 werden dadurch realisiert, daß bei der Paketierung der Blechstanzprofile 25 Paketabschnitte aus Blechstanzprofilen 25, die einen dem Zahndurchmesser entsprechenden Durchmesser aufweisen, und Paketabschnitte aus Blechstanzprofilen 25, die einen demgegenüber kleineren Durchmesser aufweisen, abwechselnd aneinandergefügt sind. Die Zähne 26 am Oszillator 11 schließen mit den Zähnen 20 an den Statorpolen 13, 14 jeweils einen kreisbogenabschnittförmigen Luftspalt 27 mit der Länge l des Kreisbogenabschnitts ein.

Die bei oszillierend angetriebenem Oszillator 11 in der Spule 21 der Ankerwicklung induzierte Spannung U_i ist abhängig von der Windungszahl w der Spule 21 und der Magnetflußänderung dΦ/dt in den Luftspalten 27 und berechnet sich zu:

wobei B_L die mit dem Erregerstrom in der Spule 22 steuerbare Luftspaltinduktion und l die bereits erwähnte Luftspaltbreite ist. Durch entsprechende Einstellung des der Spule 22 zugeführten Erregerstroms läßt sich die von der Linearmaschine generatorisch erzeugte Spannung stufenlos einstellen.

Die Felderregung der Linearmaschine kann sowohl mit Gleichstrom als auch mit Wechselstrom erfolgen. Im ersten Fall wird an die Spule 22 ein konstanter Gleichstrom gelegt. Ist die Ankerwicklung (Spule 21) an einem Wechselspannungsnetz angeschlossen, so kann auch eine netzgeführte, gleichgerichtete Erregung, eine sog. pulsierende Erregung, erfolgen, wobei der vom Wechselspannungsnetz abgenommene Wechselstrom gleichgerichtete wird. Im Fall der Gleichstromerregung muß die Hubfrequenz des Oszillators 11 mit der Netzfrequenz synchronisiert werden.

Ist die Ankerwicklung (Spule 21) an einem Wechselspannungsnetz angeschlossen und wird die Felderregerwicklung (Spule 22) mit Wechselstrom gespeist, so ergibt sich bei dieser netzgeführten Wechselstromerregung der Vorteil, daß der Oszillator 11 mit doppelter Netzfrequenz schwingen muß, was für einen als Antriebsmaschine für den Oszillator 11 verwendeten Stirlingmotor wünschenswert ist. Durch eine geeignete Tiefpaßfilterung kann die Grundschwingung der induziertem Spannung U_i als Generatorspannung ins Wechselspannungsnetz gespeist werden.

In Fig. 3 ist in drei untereinander angeordneten Diagrammen jeweils über der Zeit der Erregerstrom I_err der Spule 22, die Geschwindigkeit dx/dt des Oszillators 11 und die in der Spule 21 (Ankerwicklung) induzierte Spannung U_i dargestellt. Man sieht deutlich, daß mit konstanter Gleichstromerregung der Oszillator 11 mit Netzfrequenz schwingt und eine Spannung gleicher Frequenz in der Ankerwicklung induziert wird.

In Fig. 4 sind die gleichen Diagramme für eine Wechselstromerregung der Spule 22 dargestellt. Der Oszillator 11 schwingt mit doppelter Netzfrequenz, und durch eine geeignete Tiefpaßfilterung kann die im unteren Diagramm gestrichelt eingezeichnete Grundschwingung der induzierten Spannung U_i als Generatorspannung ins Netz eingespeist werden. Die obere Grenzfrequenz des Filters liegt dabei wenig oberhalb 50 Hz.

Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel der Linearmaschine beschränkt. So kann die Anzahl der Statorpole, die mit jeweils einer Spule 21 der Ankerwicklung und einer Spule 22 der Felderregerwicklung bewickelt sind, erhöht werden. Beispielsweise kann sie vier betragen, wobei die Statorpole dann jeweils um 90° zueinander am Umfang des Rückschlußrings 15 versetzt und aufeinanderfolgend abwechselnd mit einer Spule 21 und einer Spule 22 bewickelt sind. Auch kann die Zahl der Zähne 20 und 26 an Stator 10 und Oszillator 11 beliebig sein, wobei Zahnteilung und Zahnbreite variiert werden können.

Claims (7)

1. Elektrische Linearmaschine mit einem Stator (10), der ei­ ne Mehrzahl von um gleiche Umfangswinkel gegeneinander versetzt angeordnete, jeweils mit einer Spule (21, 22) bewickelte Statorpole (13, 14) aufweist, und mit einem vom Stator (10) umschlossenen, koaxial angeordneten Os­ zillator (11) aus magnetisch leitfähigem Material, der längs der Statorachse (101) relativ zum Stator (10) ver­ schiebbar ist und mit den Statorpolen (13, 14) von einem Magnetfluss durchsetzte Luftspalte (27) einschließt, wo­ bei der Oszillator (11) und die Statorpole (13, 14) in Achsrichtung gezahnt sind und mit ihren Zähnen (26, 20) die in Achsrichtung voneinander beabstandeten Luftspalte (27) definieren, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen (21, 22) auf in Umfangsrichtung aufeinanderfolgenden Sta­ torpolen (13, 14) wechselweise einer einphasigen Anker­ wicklung und einer den Magnetfluss erzeugenden Felderre­ gerwicklung zugehörig sind.

2. Linearmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in Achsrichtung hintereinanderliegenden Zähne (20, 26) an Statorpolen (13, 14) und Oszillator (11) einen gleichen Abstand voneinander aufweisen.

3. Linearmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die in Achsrichtung gesehene Breite der Zähne (20, 26) an Statorpolen (13, 14) und Oszillator (11) gleich groß ist.

4. Linearmaschine nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zähne (26) am Oszillator (11) rotationssymmetrisch und die Zähne (20) an den Statorpolen (13, 14) achssymmetrisch zur Statorachse (101) ausgeführt sind.

5. Linearmaschine nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ankerwicklung (21) an einem Wechselspannungsnetz angeschlossen und die Felderregerwicklung (22) mit konstantem Gleichstrom oder netzgeführten, gleichgerichteten Stromimpulsen gespeist ist und daß der Oszillator (11) mit einer der Netzfrequenz entsprechenden Schwingungsfrequenz angetrieben wird.

6. Linearmaschine nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ankerwicklung (21) an einem Wechselspannungsnetz angeschlossen und die Felderregerwicklung (22) mit Wechselstrom gespeist ist und daß der Oszillator (11) mit einer der doppelten Netzfrequenz entsprechenden Schwingungsfrequenz angetrieben wird.

7. Linearmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Ankerwicklung (21) induzierte Spannung tiefpaßgefiltert wird.