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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Wicklungsteil für einen
mit einer mehrphasigen Stromversorgung verbindbaren Linearmotor
oder Lineargenerator, welches Wicklungsteil sich längs einer
Wicklungsteil-Längsachse
erstreckt, mit einer Mehrzahl von Wicklungen eines um eine Wicklungsachse
herum verlaufenden elektrischen Leiters, wobei jede Wicklung mittelbar
oder unmittelbar an eine der Phasen der Stromversorgung anschließbar ist,
und wobei zumindest eine Mehrzahl von Wicklungen mit im Wesentlichen
parallelen Wicklungsachsen in Richtung der Wicklungsteil-Längsachse
derart hintereinander angeordnet sind, dass sich bei Betrachtung des
Wicklungsteils längs
der Wicklungsachsen in Richtung der Wicklungsteil-Längsachse
aufeinander folgende Wicklungen nicht überlappen. Die vorliegende
Erfindung betrifft weiterhin einen Linearmotor bzw. Lineargenerator
mit einem derartigen Wicklungsteil.
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Ein
derartiges Wicklungsteil ist als Läufer eines Linearmotors aus
der Druckschrift
DE
197 29 974 A1 bekannt. Dieses bekannte Wicklungsteil ist an
eine zweiphasige Stromversorgung anschließbar.
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Das
bekannte Wicklungsteil besteht aus zwei parallelen Teilwicklungsstrecken
im Wesentlichen gleichen Aufbaus, welche in Richtung der Wicklungsteil-Längsachse
geringfügig
gegeneinander versetzt sind. Das bekannte Wicklungsteil umfasst hierzu
eine Trägerplatte,
in welche von entgegengesetzten Seiten aus Ausnehmungen eingebracht
sind, in die die Wicklungen des Wicklungsteils eingelegt sind. Die
Wicklungen einer Seite der Trägerplatte
bilden dabei eine oben bezeichnete Teilwicklungsstrecke.
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Die
Tiefe der Ausnehmungen in der Trägerplatte
entspricht dabei der Dicke der einzulegenden Wicklungen, so dass
die Trägerplatte
des Wicklungsteils die Dicke des Wicklungsteils im Wesentlichen bestimmt.
Auf diese Art und Weise kann vorteilhaft ein Wicklungsteil mit geringer
Dicke erhalten werden.
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Nachteilig
an dem aus der
DE
197 29 974 A1 bekannten Wicklungsteil ist die hohe Stromwelligkeit auf
Grund der Tatsache, dass kein Drehstrom verwendbar ist. Da Drehstromtechnik
bei Linearmotoren oder Lineargeneratoren die Standardtechnik in
der industriellen Anwendung darstellt, erfordert die bekannte Zwei-Phasen-Lösung eine
spezielle Antriebselektronik, welche auf Grund ihrer Abweichung
vom industriellen Standard teuer ist.
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Weiterhin
weist auch die durch einen Linearmotor mit dem bekannten Zwei-Phasen-Wicklungsteil
erzeugbare Vortriebskraft eine deutliche Welligkeit auf, was gerade
beim Antrieb von Personenbeförderungsmitteln
unerwünscht
ist.
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Schließlich treten
an einem Linearmotor oder Lineargenerator mit dem aus der
DE 197 29 974 A1 bekannten
Wicklungsteil unerwünschte
Querkräfte auf,
welche aufwändig
und teuer durch Lager abgestützt
werden müssen.
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Ein
weiteres Teil eines Linearmotors oder Lineargenerators, welches
bezüglich
seiner Erstreckung in Längsrichtung
eine nur sehr gering Breite aufweist, ist aus der
EP 1 507 329 A1 bekannt.
Bei dem aus dieser Druckschrift bekannten Teil handelt es sich jedoch
nicht um ein Wicklungsteil im Sinne der vorliegenden Erfindung.
Bei dem aus dieser Druckschrift bekannten Teil sind Leiterbahnabschnitte
derart auf entgegengesetzte Seiten eines Leiterbahnsubstrats gedruckt
und miteinander verbunden, dass diese Leiterbahnabschnitte eine
zusammenhängende
Leiterbahn ergeben, welche mäanderförmig von
einem Längsende
des Teils zum anderen und wieder zurück verläuft. Bei Betrachtung einer Projektion
orthogonal zur Längsachse
des Teils sowie orthogonal zu der bedruckten Fläche des Substrats entstehen
dadurch aufeinander folgende Leiterbahnschlaufen mit abwechselnder
Stromdurchflussrichtung.
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Nachteilig
an der aus der
EP 1
507 329 A1 bekannten Vorrichtung ist die geringe Vortriebskraft, die
mit dem dort offenbarten Leitungsbahnträger erreichbar ist. Dies kann
auch nicht durch die Schichtung mehrerer je eine Leiterbahn tragender
Substrate überwunden
werden.
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Darüber hinaus
kann an jede Leiterbahn eines einzigen Substrats nur eine einzige
Stromquelle angeschlossen werden, so dass jedes Leiterbahnsubstrat
genau einer elektrischen Phase zugeordnet ist. Zur Realisierung
eines mehrphasigen Teils sind daher zwangsweise mehrere Substrate
vorzusehen, was den Aufbau verkompliziert.
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Ein
weiteres Wicklungsteil eines Linearmotors ist aus der
EP 0 858 965 B1 bekannt.
Bei diesem Wicklungsteil überlappen
sich in Richtung der Wicklungsteil-Längsachse aufeinander folgende
Wicklungen, wobei ein von einer Wicklung umfasster Bereich jeweils
von je einem Ast einer in Richtung der Wicklungsteil-Längsachse
vorhergehenden und einer nachfolgenden Wicklung durchsetzt ist.
Damit wird zwar ein Wicklungsteil mit hoher Kupferfüllungsdichte
erhalten, jedoch entstehen unerwünschte
sogenannte Wicklungsköpfe,
da Abschnitte von in Richtung der Wicklungsteil-Längsachse
aufeinander folgenden Wicklungen nebeneinander vorliegen müssen, damit
die durchsetzende Anordnung realisiert werden kann. Auf Grund dieser
Wicklungsköpfe
ist das bekannte Wicklungsteil zumindest an seinen in Richtung der
Wicklungsteil-Längsachse
verlaufenden Längsrändern sehr
breit ausgeführt.
Zwischen diesen Wicklungsköpfen
kann das Wicklungsteil jedoch eine Breite von nur etwas mehr als
einer Wicklungsbreite aufweisen.
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Auf
Grund der bei dieser Art von Wicklungsteil vorhandenen Wicklungsköpfe wird
die Höhenabmessung
des Abschnitts zwischen den Wicklungsköpfen so groß dimensioniert, dass ein mit
dem Wicklungsteil zusammenwirkender Magnetträger zwischen den Wicklungsköpfen zur
Reduzierung des auftretenden Luftspalts sehr nahe an die orthogonal zur
Wicklungsteil-Längsachse
verlaufenden Wicklungsabschnitte herangeführt werden kann. Dadurch kann
es jedoch passieren, dass die inneren Drähte der Wicklungen nur noch
mit einem kleinen Teil des Gesamtflusses eines Magneten des Magnetträgers zusammenwirken,
was bei Betrachtung über
die gesamte Wicklungsteillänge
zu einer sehr unvollständigen
Ausnutzung des Magnetflusses führt.
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Abgesehen
davon offenbart die Druckschrift
EP 0 858 965 B1 , das Wicklungsteil durch
Streben zu stabilisieren, welche in Richtung der Wicklungsteil-Längsachse
zwischen die orthogonal hierzu verlaufenden Wicklungsabschnitte
eingeschoben werden. Die Streben sind mit einem Träger verbunden. Durch
diese Konstruktion wird versucht, das Wicklungsteil statisch zu
stabilisieren.
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Weiterhin
ist der Kupferbedarf für
das bekannte Wicklungsteil mit durchsetzenden Wicklungen sehr hoch,
was entsprechend die Kosten für
die Herstellung und Montage erhöht.
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Wicklungsteil
für einen
mit einer mehrphasigen Stromversorgung verbindbaren Linearmotor oder
Lineargenerator der eingangs genannten Art anzugeben, welches im
Wesentlichen über
seine gesamte Höhe
orthogonal zur Wicklungsteil-Längsachse
eine sehr geringe Dicke aufweist, einfach und kostengünstig hergestellt
und betrieben werden kann und eine günstige Kraftwirkung im Linearmotor
bzw. Lineargenerator entfaltet.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
gattungsgemäßes Wicklungsteil
gelöst,
welches zur Verbindung mit einer Dreiphasen-Stromversorgung ausgebildet
ist, wobei jeder der drei Phasen wenigstens eine Wicklung zugeordnet
ist.
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Auf
Grund der Verbindbarkeit des Wicklungsteils mit einer Dreiphasen-Stromversorgung kann
zum einen eine handelsübliche
Steuerelektronik verwendet werden, was die Herstellungs- und Betriebskosten
gering hält.
Darüber
hinaus kann das Wicklungsteil bei sorgfältiger Fertigung ohne das Auftreten
nennenswerter Querkräfte
betrieben werden.
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Auf
Grund der nicht überlappenden
Anordnung der Wicklungen kann das Wicklungsteil ohne unerwünschte Wicklungsköpfe im Wesentlichen über seine
gesamte Höhe
mit sehr geringer Dicke hergestellt werden. Dadurch kann auch der
Aufbau eines mit dem Wicklungsteil zusammenwirkenden Magnetteils
des Linearmotors oder Lineargenerators vereinfacht und eine gute
Ausnutzung des äußeren Magnetfelds
durch die Wicklungen des Wicklungsteils sichergestellt werden.
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Die
Längsachse
des Wicklungsteils ist dabei jene Achse, welche sich längs der
längsten
Abmessung des Wicklungsteils erstreckt. Längs dieser Längsachse
sind die Wicklungen aufeinander folgend angeordnet und längs dieser
Achse erfolgt eine Relativbewegung zwischen Wicklungsteil und Magnetteil.
Die Wicklungen sind in der Regel in einer Ebene, der sogenannten
Wicklungsebene, gekrümmt,
wobei die Wicklungsachse orthogonal zu dieser Wicklungsebene orientiert
ist. Der elektrische Leiter einer Wicklung verläuft daher in der Wicklungsebene
um die Wicklungsachse der betreffenden Wicklung herum.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Wicklungsteil erstreckt
sich die Wicklungsebene einer Wicklung im Wesentlichen in Richtung
der Wicklungsteil-Längsachse.
Die zweite hierzu orthogonale Erstreckungsrichtung der Wicklungsebene
ist in der vorliegenden Anmeldung als „Wicklungsteilhöhe" bezeichnet. Die Erstreckungsrichtung
des Wicklungsteils in Richtung der Wicklungsachsen ist als „Wicklungsteildicke" bezeichnet. Wicklungsteil-Längsachse,
Wicklungsteilhöhe
und Wicklungsteildicke sind zueinander orthogonal. Die Wicklungsebene
soll dabei nicht im mathematischen Sinn als unendlich dünn, sondern
als reale Ebene mit einer Dicke, die der Wicklungsteildicke entspricht,
aufgefasst werden.
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Wenn
in der vorliegenden Anmeldung von einer „unmittelbaren Anschließbarkeit
einer Wicklung an eine der Phasen der Stromversorgung" die Rede ist, so
ist damit gemeint, dass der die Wicklung bildende elektrische Leiter von
der Wicklung kommend ohne Zwischenanordnung weiterer Wicklungen
mit der Stromversorgung verbindbar ist. Mit „mittelbarer Anschließbarkeit
einer Wicklung" ist
dagegen im Sinne der vorliegenden Anmeldung gemeint, dass zwischen
der betreffenden Wicklung und dem Anschluss an die Stromversorgung
weitere Wicklungen elektrisch in Reihe geschaltet vorhanden sind.
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Im
Falle eines Linearmotors wird das Wicklungsteil durch die bezeichnete
Stromversorgung mit Energie versorgt. Im Falle eines Lineargenerators wird
Energie vom Wicklungsteil in die Stromversorgung eingespeist.
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Das
oben bezeichnete Wicklungsteil kann sowohl als Stator als auch als
Läufer
des Linearmotors oder Lineargenerators verwendet werden. Bevorzugt
bildet das Wicklungsteil jedoch einen ortsfesten Teil des Linearmotors
bzw. Lineargenerators, da dadurch die Stromversorgung und die Steuerung
des Wicklungsteils unbeschleunigt bleiben können. Dadurch braucht das bewegte
Teil nicht aufwändig
mit Strom zu versorgt werden, bzw. braucht kein massereicher Energiespeicher
bewegt werden.
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Obwohl
das erfindungsgemäße Wicklungsteil
sowohl in einem Linearmotor als auch in einem Lineargenerator anwendbar
ist, werden im Folgenden vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden
Erfindung am Beispiel eines Linearmotors beschrieben werden. Für Fachleute
werden die folgenden Aussagen jedoch ohne weiteres auf den Einsatz
des Wicklungsteils in einem Lineargenerator übertragbar sein.
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Weiterhin
ist es vorteilhaft, wenn das Wicklungsteil wenigstens zwei in Richtung
der Wicklungsteil-Längsachse
verlaufende Teil-Wicklungsteile umfasst, von welchen jedes eine
Mehrzahl von Wicklungen eines um eine Wicklungsachse herum verlaufenden
elektrischen Leiters aufweist, wobei jede Wicklung an eine der Phasen
der Stromversorgung mittelbar oder unmittelbar anschließbar ist,
und wobei in jedem der wenigstens zwei Teil-Wicklungsteile eine Mehrzahl von Wicklungen
mit im Wesentlichen parallelen Wicklungsachsen in Richtung der Wicklungsteil-Längsachse
derart hintereinander angeordnet ist, dass sich bei Betrachtung
des jeweiligen Teil-Wicklungsteils längs der Wicklungsachsen in
Richtung der Wicklungsteil-Längsachse
benachbarte Wicklungen nicht überlappen.
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Zwei
in Richtung der Wicklungsteil-Längsachse
benachbarte Wicklungen ein und desselben Teil-Wicklungsteils gelten
im Sinne der vorliegenden Anmeldung dann als überlappend, wenn sie Wicklungsabschnitte
aufweisen, welche in Dickenrichtung des Wicklungsteils nebeneinander
liegen.
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Die
oben genannte Relativbewegung findet in Richtung der Wicklungsteil-Längsachse statt.
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Mit
einem aus wenigstens zwei Teil-Wicklungsteilen aufgebauten Wicklungsteil
können
die folgenden Vorteile erzielt werden:
Da für die einzelne Wicklung bei
Vorsehen von mehreren Teil-Wicklungsteilen weniger Raum zur Verfügung steht
als dann, wenn an jedem Längsabschnitt des
Wicklungsteils genau eine Wicklung vorhanden ist, nimmt die Windungszahl
pro Spule mit zunehmender Anzahl von Teil-Wicklungsteilen ab. Betrachtet
man die Gesamtinduktivität
des Wicklungsteils, so ist diese umgekehrt proportional zum Quadrat
der Windungszahl der Wicklungen und proportional zur Anzahl der
Wicklungen. Da sich, wie oben beschrieben, die Windungszahl pro
Wicklung umgekehrt proportional zum Anzahl von Teil-Wicklungsteilen verhält, nimmt
die Gesamtinduktivität
des Wicklungsteils mit Zunahme der Anzahl an Teil-Wicklungsteilen
ab.
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Da
mit zunehmender Gesamtinduktivität
die Blindleistung des Wicklungsteils ansteigt, insbesondere dann,
wenn die Relativgeschwindigkeit zwischen Wicklungsteil und dem Magnetteil
des Linearmotors bzw. Lineargenerators hoch ist, kann durch Ausbilden
des Wicklungsteils durch mehrere Teil-Wicklungsteile die dem Wicklungsteil
zugeführte Energie
effizienter genutzt werden.
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Außerdem sinkt
mit zunehmender Gesamtinduktivität
die an dem Wicklungsteil bei Induktionsbremsung erreichbare Bremskraft.
Somit kann durch ein aus wenigstens zwei Teil-Wicklungsteilen gebildetes
Wicklungsteil die maximal verfügbare
Bremskraft bei Induktionsbremsung gegenüber einem Wicklungsteil mit
lediglich einer einzigen Wicklungsanordnung in Richtung der Wicklungsteil-Längsachse
erhöht
werden.
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Diese
Effekte lassen sich dann besonders gleichmäßig, d.h. über eine längere Relativbewegungsstrecke
von Wicklungsteil und Magnetteil hinweg, erzielen, wenn in jedem
der wenigstens zwei Teil-Wicklungsteile jeder elektrischen Phase
wenigstens eine Wicklung zugeordnet ist.
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Zur
Erzielung einer möglichst
gleichmäßigen Wechselwirkung
zwischen dem Wicklungsteil und dem mit diesem zusammenwirkenden
Magnetteil des Linearmotors bzw. Lineargenerators über eine
möglichst
lange Relativbewegungsstrecke ist es vorteilhaft, wenn in dem Wicklungsteil
bzw. in jedem der wenigstens zwei Teil-Wicklungsteile eine Mehrzahl von
Wicklungen, vorzugsweise alle Wicklungen, in Richtung der Wicklungsteil-Längsachse äquidistant angeordnet
sind.
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Auf
Grund des Aufbaus des hier beschriebenen Wicklungsteils ist jede
Wicklung des Wicklungsteils einer elektrischen Phase der Dreiphasen-
bzw. Drehstromversorgung zugeordnet, d.h. an diese Phase anschließbar oder
angeschlossen. Dabei hat es sich für die Gleichmäßigkeit
der Wechselwirkung zwischen Wicklungsteil und dem Magnetteil des
Linearmotors bzw. Lineargenerators bei einer Relativbewegung dieser
Teile als vorteilhaft erwiesen, wenn zumindest in einem Längsabschnitt
des Wicklungsteils bzw. eines Teil-Wicklungsteils in Richtung der Wicklungsteil-Längsachse
benachbarte Spulen paarweise unterschiedlichen elektrischen Phasen
zugeordnet sind.
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Vorzugsweise
ist das gesamte Wicklungsteil bzw. ein gesamtes Teil-Wicklungsteil,
besonders bevorzugt sind alle Teil-Wicklungsteile mit in Richtung der
Wicklungsteil-Längsachse
paarweise unterschiedlichen elektrischen Phasen zugeordneten benachbarten
Spulen versehen.
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Um
die oben bereits angesprochene erwünschte Gleichmäßigkeit
der Wechselwirkung zwischen Wicklungsteil und dem Magnetteil des
Linearmotors bzw. Lineargenerators weiter verbessern zu können, kann
vorgesehen sein, dass Wicklungen unterschiedlicher Teil-Wicklungsteile
in Richtung der Wicklungsteil-Längsachse
zueinander versetzt angeordnet sind. Dann nämlich, wenn die wenigstens
zwei Teil-Wicklungsteile zueinander in Richtung der Wicklungsteil-Längsachse
versetzt angeordnet sind, treten Wicklungsabschnitte in den unterschiedlichen Teil-Wicklungsteilen
bei gleicher Relativgeschwindigkeit zwischen Wicklungsteil und Magnetteil
in schnellerer Abfolge in das Magnetfeld ein und desselben Magneten
des Magnetteils des Linearmotors bzw. Lineargenerators ein und wieder
aus, als dann, wenn das Wicklungsteil lediglich eine einzige Reihe
von in Wicklungsteil-Längsachse
hintereinander angeordneten Wicklungen umfasst.
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Beispielsweise
können
die einzelnen Teil-Wicklungsteile, die zur Bildung eines Wicklungsteils
miteinander verbunden sind, im Wesentlichen mit identisch ausgebildeten
Wicklungen versehen sein, die auch mit im Wesentlichen identischen
Abständen
in Richtung der Wicklungsteil-Längsachse voneinander
angeordnet sind. Dann entspricht der Versatz zweier Wicklungen unterschiedlicher Teil-Wicklungsteile
in Richtung der Wicklungsteil-Längsachse
dem Versatz der Teil-Wicklungsteile in dieser Richtung.
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Es
kann jedoch grundsätzlich
daran gedacht sein, dass die Wicklungen unterschiedlicher Teil-Wicklungsteile
unterschiedlich, insbesondere unterschiedlich groß, ausgebildet
und mit unterschiedlichem Abstand voneinander angeordnet sind. Dies
ist jedoch abgesehen von den Auswirkungen auf den Betrieb des Linearmotors
bzw. Lineargenerators schon aus fertigungstechnischen Gründen nicht
bevorzugt.
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Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung sind die Wicklungen
in den unterschiedlichen Teil-Wicklungsteilen in Richtung der Wicklungsteil-Längsachse
zumindest abschnittsweise, vorzugsweise jedoch über die gesamte Wicklungsteillänge in der
gleichen Abfolge den drei elektrischen Phasen zugeordnet. Dies bedeutet,
dass in allen Teil-Wicklungsteilen
zumindest abschnittsweise auf eine Wicklung, welche ein und derselben
ersten Phase, etwa der u-Phase, zugeordnet ist, eine Wicklung folgt,
welche ein und derselben zweiten Phase, etwa der w- oder der v-Phase,
zugeordnet ist. Da in einer besonders bevorzugten Ausführungsform
in Richtung der Wicklungsteil-Längsachse
benachbarte Wicklungen paarweise unterschiedlichen Phasen zugeordnet
sein sollen, folgt auf die zuletzt genannte Wicklung in allen Teil-Wicklungsteilen
eine Wicklung, welche ein und derselben dritten Phase, etwa der
v- oder der w-Phase, zugeordnet ist. Auf diese folgt wiederum eine
der ersten Phasen zugeordnete Wicklung usw., so dass in jedem Teil-Wicklungsteil
zumindest abschnittsweise, vorzugsweise jedoch vollständig die gleiche,
sich wiederholende Phasenfolge realisiert ist. Unterschiedliche
Teil-Wicklungsteile
desselben Wicklungsteils können
unterschiedliche Phasenfolgen aufweisen.
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Zur
Bildung des gewünschten
flachen Wicklungsteils ist die Verwendung von Flachdraht besonders
geeignet. Mit diesem Draht kann ein hoher Füllgrad an Flachdrahtmaterial
in dem von der jeweiligen Wicklung eingenommenen Raumvolumen erreicht werden.
Weiterhin bevorzugt weist wenigstens ein Teil der Wicklungen eine
Windungszahl von größer als
1 auf. Auch dies dient der verbesserten Ausnutzung des von der jeweiligen
Wicklung beanspruchten Bauraums.
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Gemäß einer
Weiterbildung der Erfindung kann zur Erzielung höherer Effizienz in einen Teil
der Wicklungen oder auch in alle Wicklungen des Wicklungsteils ein
ferromagnetisches Material aufweisender Kern eingesetzt sein.
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Dann
jedoch, wenn ein möglichst
querkraftfrei betreibbarer Linearmotor bzw. Lineargenerator gewünscht ist,
ist es vorteilhaft, wenn wenigstens einige Wicklungen, vorzugsweise
alle Wicklungen, „eisenfrei" sind, d.h. frei
von ferromagnetischem Material sind.
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Alternativ
oder zusätzlich
zu einem ferromagnetischen Kern kann die mechanische Stabilität des Wicklungsteils
dadurch verbessert werden, dass wenigstens einige Wicklungen, vorzugsweise
alle Wicklungen, einen Kern aus nicht-ferromagnetischem Material
aufweisen, vorzugsweise aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK).
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Auf
Grund der Wechselwirkung zwischen dem Wicklungsteil und dem Magnetteil
des Linearmotors bzw. Lineargenerators während einer Relativbewegung
der beiden Teile ist die Ausbildung des Wicklungsteils mit ausreichender
mechanischer Stabilität
von erheblicher Bedeutung. Ein gewünschtes Wicklungsteil mit geringer
Dicke und dennoch hoher mechanischer Stabilität kann dadurch erhalten werden,
dass das Wicklungsteil ein Wicklungsgerüst aufweist, welches wenigstens
eine Wicklung, vorzugsweise eine Mehrzahl von Wicklungen, besonders
bevorzugt alle Wicklungen längs
ihres Außenumfangs zumindest
abschnittsweise umgibt. Die Stabilität des Wicklungsteils ist dabei
umso höher,
je mehr seiner Wicklungen in dem Wicklungsgerüst aufgenommen sind.
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Das
Wicklungsgerüst
kann in seiner Dicke im Wesentlichen der Dicke der aufzunehmenden
Wicklungen entsprechen, so dass das Vorsehen des Wicklungsgerüsts die
Dicke des Wicklungsteils, abgesehen von Isolationsschichten an den
in Wicklungsachsenrichtung weisenden Flächen des Wicklungsteils, die
Gesamtdicke des Wicklungsteils nicht erhöht.
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Dadurch,
dass das Wicklungsgerüst
die Wicklungen längs
ihres Außenumfangs
umgibt, kann es sehr einfach auch einstückig und damit besonders stabil
gefertigt werden, wobei abhängig
vom Umschlingungswinkel, längs
welchem das Wicklungsgerüst
eine oder mehrere Wicklungen umgibt, ein sehr stabiler Gesamtaufbau
erhalten werden kann.
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Grundsätzlich ist
denkbar, dass die wenigstens eine Wicklung lediglich in eine Ausnehmung
des Wicklungsgerüsts
eingelegt oder eingepresst wird. Zur weiteren Erhöhung der
Gesamtstabilität
des Wicklungsteils kann der möglicherweise
vorhandene Spaltraum zwischen Wicklungsgerüst und Wicklung mit einer adhäsiven Masse
ausgegossen oder ausgestrichen werden, die man aushärten lässt.
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Vorzugsweise
ist die wenigstens eine Wicklung längs ihres Außenumfangs
nicht vollständig
von dem Wicklungsgerüst
umgeben, so dass ein Freiraum zur Zu- und Abführung des die Wicklung bildenden
elektrischen Leiters vorhanden ist.
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Dann,
wenn das Wicklungsteil wenigstens zwei Teil-Wicklungsteile umfasst,
ist es zur Erhöhung der
mechanischen Stabilität
des gesamten Wicklungsteils aus den oben genannten Gründen vorteilhaft,
wenn jedes der wenigstens zwei Teil-Wicklungsteile ein Wicklungsgerüst aufweist,
welches wenigstens eine Wicklung, vorzugsweise eine Mehrzahl von Wicklungen,
besonders bevorzugt alle Wicklungen jeweils längs ihres Außenumfangs
zumindest abschnittsweise umgibt.
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Das
Wicklungsgerüst
ist vorzugsweise aus Kunststoff hergestellt, da dieser einerseits
ein sehr geringes Gewicht bei ausreichender Fertigkeit aufweist
und andererseits ohne großen
Aufwand in beliebiger Gestalt ausgebildet werden kann. Aus Gründen eines
besonders vorteilhaften Verhältnisses
von mechanischer Festigkeit und Gewicht ist das Wicklungsgerüst ein Bauteil
aus glasfaserverstärktem Kunststoff
(GFK).
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Da
in der Regel das Wicklungsteil oder Teil-Wicklungsteil eine Mehrzahl
von Wicklungen umfasst, ist das Wicklungsgerüst vorzugsweise mit einer Mehrzahl
von Ausnehmungen ausgebildet, wobei in jeder Ausnehmung jeweils
genau eine Wicklung aufgenommen ist.
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Eine
sehr gute mechanische Festigkeit kann insbesondere dadurch erhalten
werden, dass das Wicklungsgerüst
einen in Richtung der Wicklungsteil-Längsachse
verlaufenden Basisabschnitt und davon abstehende Sprossenabschnitte
aufweist, wobei zwei in Richtung der Wicklungsteil-Längsachse
benachbarte Sprossenabschnitte und ein diese verbindender Basisabschnittsbereich
die Ausnehmung definieren, in der eine Wicklung aufgenommen ist.
Vorteilhafterweise ist die Ausnehmung der Außenkontur der Wicklung folgend
ausgebildet.
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Das
Wicklungsgerüst
kann also vorzugsweise kammartig ausgebildet sein, was seine Handhabbarkeit
bei der Montage des Wicklungsteils erheblich erleichtert.
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Dann,
wenn das Wicklungsgerüst
eine Mehrzahl von Ausnehmungen aufweist, können zur erleichterten Zuführung eines
elektrischen Leiters zur jeweiligen Wicklung hin bzw. zu dessen
erleichterter Abführung
von dieser weg am Wicklungsgerüst
Leiterführungsausnehmungen
vorgesehen sein. Besonders bevorzugt sind diese an dem dem Basisabschnittsbereich
gegenüberliegenden
Bereich vorgesehen, so dass die mechanische Festigkeit des Basisabschnittsbereichs
durch die Leiterführungsausnehmungen
nicht beeinträchtigt
ist. Besonders leicht lassen sich derartige Leiterführungsausnehmungen
an den Sprossenabschnitten, insbesondere dort an dem vom Basisabschnittsbereich
weg weisenden Längsende
eines Sprossenabschnitts vorsehen.
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Grundsätzlich gilt
für ein
Wicklungsteil gemäß der vorliegenden
Erfindung, dass es umso kostengünstiger
herzustellen ist, je weniger Teil-Wicklungsteile vorgesehen sind.
Ein weiterer Punkt ist das Problem der elektrischen Isolierung von
in Dickenrichtung des Wicklungsteils benachbarten Teil-Wicklungsteilen
voneinander. Mit zunehmender Anzahl an Teil-Wicklungsteilen nimmt
auch die Anzahl an zwischen benachbarten Teil-Wicklungsteilen vorzusehenden
Isolationsschichten zu, so dass der sogenannte Kupferfüllungsgrad,
d.h. der Volumenanteil wirksamer Wicklungsäste am Gesamtvolumen des Wicklungsteils,
abnimmt.
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Angesichts
dieser Umstände
und der weiter oben genannten Abhängigkeiten der Gesamtinduktivität von der
Anzahl der Windungen pro Spule und der Spulenanzahl stellt ein Wicklungsteil
mit drei Teil-Wicklungsteilen in vielen Fällen einen optimalen Kompromiss
zwischen den oben genannten vorteilhaften und nachteiligen Faktoren
dar.
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Bei
einem derartigen Wicklungsteil sind daher zwei in Dickenrichtung
des Wicklungsteils äußere und
ein inneres Teil-Wicklungsteil vorhanden. Zur Erleichterung der
elektrischen Verbindung von Spulen gleicher Phasenzuordnung miteinander
ist es bei diesem Wicklungsteil vorteilhaft, wenn der von dem Wicklungsgerüst des inneren
Teil-Wicklungsteils umgebene Außenumfangsabschnitt
von Wicklungen des inneren Teil-Wicklungsteils kleiner ist als der
von dem Wicklungsgerüst
eines äußeren Teil-Wicklungsteils umgebene
Außenumfangsabschnitt
von Wicklungen dieses äußeren Teil-Wicklungsteils.
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Dadurch
entsteht in dem Abschnitt, in welchem die Wicklungen des inneren
Teil-Wicklungsteils nicht von dem Wicklungsgerüst des inneren Teil-Wicklungsteils
umgeben sind, zwischen den beiden äußeren Teil-Wicklungsteilen
ein Freiraum, welcher zur Aufnahme von elektrischen Leitern verwendet
werden kann. Daher werden bevorzugt elektrische Leiter die zu einer
Wicklung, insbesondere eines äußeren Teil-Wicklungsteils
hin bzw. von dieser weg führen
zu diesem Freiraum im Bereich des inneren Teil-Wicklungsteils geführt.
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Dieser
Freiraum kann konstruktiv in einfacher Weise dadurch vorgesehen
sein, dass zumindest ein Teil der Sprossenabschnitte des Wicklungsgerüsts eines
inneren Teil-Wicklungsteils kürzer
ausgebildet sind als die Sprossenabschnitte eines äußeren Teil-Wicklungsteils.
Durch diese Ausgestaltung bleibt der Basisabschnitt des Wicklungsgerüsts des inneren
Teil-Wicklungsteils im Wesentlichen unbeeinträchtigt, so dass der Freiraum
zur Aufnahme von elektrischen Leitern durch die zuletzt genannte
kürzere
Ausbildung der Sprossenabschnitte mit einer nur sehr geringen Stabilitätseinbuße einhergeht.
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Zur
sicheren Übertragung
bzw. Abstützung von
auf das Wicklungsteil einwirkenden Kräften, die aus der Relativbewegung
zwischen Wicklungsteil und dem Magnetteil des Linearmotors bzw.
Lineargenerators resultieren, kann vorgesehen sein, dass das Wicklungsteil
einen Fußabschnitt
aufweist, welcher zur Befestigung des Wicklungsteils an einem Untergrund
ausgebildet ist, wobei der Fußabschnitt
an einem Ende in Höhenrichtung
des Wicklungsteils vorgesehen ist und der Basisabschnitt des Wicklungsgerüsts, bzw.
bei wenigstens zwei Teil-Wicklungsteilen die Basisabschnitte von
deren Wicklungsgerüsten,
an dem in Höhenrichtung
jeweils anderen Ende des Wicklungsteils vorgesehen sind.
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Wie
oben bereits angedeutet wurde, ist zur elektrischen Isolation benachbarter
Teil-Wicklungsteile und insbesondere ihrer Wicklungen voneinander vorteilhafterweise
vorgesehen, dass zwischen orthogonal zur Wicklungsteil-Längsachse benachbarten Teil-Wicklungsteilen
eine Isolationslage angeordnet ist. Um die Gesamtdicke des Wicklungsteils
klein zu halten, handelt es sich dabei bevorzugt um eine Isolationsfolie.
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Die
oben gemachten Aussagen betreffend ein Wicklungsteil mit drei Teil-Wicklungsteilen gelten selbstverständlich auch
für Wicklungsteile
mit mehr als drei Teil-Wicklungsteilen, wobei dann grundsätzlich gilt,
dass bei n (mit n > 3)
Teil-Wicklungsteilen stets zwei äußere Teil-Wicklungsteile
und n – 2
innere Teil-Wicklungsteile vorhanden sind. Die oben für das innere
Teil-Wicklungsteil
eines Wicklungsteils mit drei Teil-Wicklungsteilen gemachten Aussagen
gelten dann für
wenigstens ein inneres Teil-Wicklungsteil.
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Die
Wicklungen in dem Wicklungsteil gemäß der vorliegenden Erfindung
sind mit parallelen Wicklungsachsen angeordnet. Die Wicklungen eines Teil-Wicklungsteils sind
außerdem
in einer gemeinsamen Anordnungsebene an geordnet. Innerhalb eines
Teil-Wicklungsteils tragen nur die orthogonal zur Wicklungsteil-Längsachse
verlaufenden Wicklungsabschnitte zur Entwicklung einer generatorischen bzw.
motorischen Kraft zwischen Wicklungsteil und dem Magnetteil bei.
Dabei werden diese Wicklungsabschnitte einer Wicklung und damit
einer Phase zu ein und demselben Zeitpunkt in entgegengesetzter Richtung
von Strom durchflossen, so dass ein derartiger Wicklungsabschnitt
abhängig
von der elektrischen Phase der Drehstromversorgung, an welcher er
angeschlossen ist, und weiter abhängig von der Stromflussrichtung
in diesem Abschnitt sechs unterschiedliche elektromagnetisch wirksame
Zustände annehmen
kann, nämlich
die Zustände
u, v, w und die der entsprechenden Phase aber der entgegengesetzten
Stromflussrichtung zugeordneten komplementären Zustände u, v und w.
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Dann,
wenn das Wicklungsteil aus mehreren Teil-Wicklungsteilen gebildet
ist, ergibt sich eine vorteilhafte Anordnung der Teil-Wicklungsteile
relativ zueinander dann, wenn die Teil-Wicklungsteile derart gegeneinander
versetzt angeordnet sind, dass für jede
Wicklung gilt, dass ihrem einen wirksamen Wicklungsabschnitt ein
wirksamer Wicklungsabschnitt einer Wicklung des in Dickenrichtung
benachbarten Teil-Wicklungsteils gegenüberliegt und dieser Wicklungsabschnitt
der gleichen elektrischen Phase zugeordnet und zu jedem Zeitpunkt
in gleicher Richtung von Strom durchflossen wird, während ihrem
jeweils anderen Wicklungsabschnitt in demselben benachbarten Teil-Wicklungsteil kein
Wicklungsabschnitt gegenüberliegt.
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Dann,
wenn ein Teil-Wicklungsabschnitt in Dickenrichtung des Wicklungsteils
zentral zwischen zwei benachbarten Teil-Wicklungsteilen angeordnet ist,
kann ein vorteilhaftes Wicklungsteil dann erhalten werden, wenn
für jede
Wicklung des zentralen Teil-Wicklungsteils zusätzlich zu der Vorschrift im
vorhergehenden Absatz gilt, dass jedem wirksamen Wicklungsabschnitt
einer Wicklung in Dickenrichtung genau ein wirksamer Wicklungsabschnitt
eines anderen Teil-Wicklungsteils gegenüberliegt, welcher den gleichen
elektromagnetischen Zustand aufweist, d.h. an die gleiche elektrische
Phase der Drehstromversorgung angeschlossen ist und zu jedem Zeitpunkt
in glei cher Richtung von Strom durchflossen wird. Dies bedeutet,
dass dem einen wirksamen Wicklungsabschnitt der Wicklung im zentralen
Teil-Wicklungsteil ein wirksamer Wicklungsabschnitt in dem einen
in Dickenrichtung benachbarten Teil-Wicklungsteil gegenüberliegt
und dem jeweils anderen wirksamen Wicklungsabschnitt der Wicklung
des zentralen Teil-Wicklungsteils ein wirksamer Wicklungsabschnitt
in dem jeweils anderen, entgegengesetzten benachbarten Teil-Wicklungsteil
gegenüberliegt.
Dies gilt bei Wicklungsteilen mit mehr als drei Teil-Wicklungsteilen
für jedes
innere Teil-Wicklungsteil.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft weiter einen Linearmotor bzw. Lineargenerator
mit einem Wicklungsteil, welches wie oben beschrieben ausgestaltet
ist, sowie mit einer Permanentmagnetanordnung. Die Permanentmagnetanordnung
wirkt mit dem Wicklungsteil zusammen, und zwar im Falle eines Linearmotors
zur Erzeugung einer Schubkraft und im Falle eines Lineargenerators
zur Erzeugung eines elektrischen Stroms bei einer von außen aufgebrachten
Relativbewegung zwischen Wicklungsteil und Permanentmagnetanordnung.
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Zur
Reduzierung des Streuflusses im Linearmotor bzw. Lineargenerator
ist es vorteilhaft, wenn die Permanentmagnetanordnung zumindest
abschnittsweise, vorzugsweise jedoch vollständig, in einer an sich bekannten
Halbach-Anordnung
angeordnete Permanentmagnete umfasst.
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Die
vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand der beiliegenden
Zeichnungen näher
erläutert
werden. Es stellt dar:
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1 eine
schematische Darstellung eines Linearmotors mit einem erfindungsgemäßen Wicklungsteil
und einem Permanentmagnetteil mit einem ein- bis vierschichtig ausgebildeten
Wicklungsteil,
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2 eine
Explosionsansicht einer erfindungsgemäßen Ausführungsform eines Wicklungsteils
mit drei Teil-Wicklungsteilen,
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3 eine
perspektivische Ansicht eines äußeren Teil-Wicklungsteils
von 2,
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4 eine
perspektivische Ansicht des inneren Teil-Wicklungsteils von 2 und
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5 eine
Querschnittsansicht durch den Fußabschnitt des Wicklungsteils
von 2.
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In 1 sind
schematisch vier Ausführungsformen
eines Linearmotors mit einem Wicklungsteil gemäß der vorliegenden Anmeldung
dargestellt. Die Wicklungsteile gleicher Dicke sind mit 10, 110, 210 und 310 bezeichnet.
Die Wicklungsteile 10 bis 310, welche alternativ
zum Einsatz kommen können,
sind in einer Längsschnittansicht
dargestellt, wobei die Schnittebene parallel zur Zeichenebene der 1 derart
gelegen ist, dass sie die Wicklungsteil-Längsachse
L enthält
und zusätzlich
in Richtung der durch den Doppelpfeil D angezeigten zur Wicklungsteil-Längsachse
L orthogonalen Dickenrichtung der Wicklungsteile 10 bis 310 verläuft. Dementsprechend ist
die Höhenrichtung
H orthogonal zur Zeichenebene der 1 und orthogonal
zu der bezeichneten Schnittebene.
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Die
Schnittebene schneidet die in den Wicklungsteilen 10 bis 310 enthaltenen
Wicklungen in ihren wirksamen Wicklungsabschnitten, d.h. in Wicklungsabschnitten,
die orthogonal zur Wicklungsteil-Längsachse L verlaufen. Von den
Wicklungen sind stellvertretend die Wicklungen 12, 14 und 16 mit Bezugszeichen
versehen. In den weiteren Ausführungsformen 110 bis 310 eines
Wicklungsteils sind gleiche Bauteile wie im Wicklungsteil 10 mit
gleichen Bezugszeichen versehen, jedoch erhöht um die Zahl 100, 200 bzw. 300.
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Die
Wicklungsteile 10 bis 310 wirken mit einem Permanentmagnetteil 18 zusammen,
welches wie die Wicklungsteile 10 bis 310 in Richtung
der Wick lungsteil-Längsachse
L verläuft.
An diesem Permanentmagnetteil 18 sind in Richtung der Wicklungsteil-Längsachse
L aufeinander folgend Permanentmagnete 20 und 22 mit
alternierender Polausrichtung angeordnet. Die sich periodisch wiederholenden
Permanentmagnete sind mit gleichen Bezugszeichen jedoch durch Hinzufügung einer
entsprechenden Anzahl von Apostrophen gekennzeichnet. Der Abstand zwischen
den Längsmitten
benachbarter Permanentmagnete entspricht einer Polteilung PT, so
dass Permanentmagnete gleicher Polausrichtung sich jeweils im Abstand
von 2 Polteilungen PT voneinander entfernt befinden.
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Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung kann das Permanentmagnetteil,
wie in 1 strichliniert dargestellt ist, als sogenannte
und an sich bekannte Halbach-Anordnung ausgestaltet sein. Dies bedeutet,
zwischen einem Permanentmagneten 20 und seinem in 1 rechten
Nachbar-Permanentmagneten 22 ist ein Zwischen-Permanentmagnet 21 angeordnet
und zwischen einem Permanentmagneten 22 und seinem in 1 rechten
Nachbar-Permanentmagneten 20 sind Zwischen-Permanentmagnete 23 angeordnet,
wobei die Zwischen-Permanentmagnete 21 und 23 mit
entgegengesetzter Polausrichtung vorgesehen sind. Die Polausrichtung
der Zwischen-Permanentmagnete 21 und 23 ist dabei
derart, dass längs
des Permanentmagnetteils 18 in 1 in Richtung
der Wicklungsteil-Längsachse
L von links nach rechts die Polausrichtung unmittelbar aufeinanderfolgender
Magnete 20, 21, 22, 23 usw.
jeweils um 90° im
Uhrzeigersinn bezüglich
einer zur Zeichenebene der 1 orthogonalen
Drehachse verdreht ist. Alle Polausrichtungen der Magnete 20, 21, 22 und 23 des
Permanentmagnetteils 18 liegen bei dem in 1 dargestellten
Beispiel in der Zeichenebene der 1. Durch
das Vorsehen der Zwischen-Permanentmagnete 21 und 23, vorteilhafterweise
ohne Luftspalt zwischen ihnen und den benachbarten Permanentmagneten,
ist der magnetische Streufluss im Permanentmagnetteil 18 reduziert.
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Ein
in 1 nicht dargestelltes, dem Permanentmagnetteil 18 in
Dickenrichtung D gegenüberliegendes
Permanentmagnetteil ist dabei derart ausgebil det, dass Permanentmagneten 20 des
Permanentmagnetteils 18 in Dickenrichtung D jeweils Permanentmagneten 20 mit
gleicher Polausrichtung gegenüberliegen,
gleiches gilt für
die Permanentmagnete 22. Zwischen einem Permanentmagneten 20 und seinem
rechten Nachbar-Permanentmagneten 22 ist in dem dem Permanentmagnetteil 18 gegenüberliegenden
Permanentmagnetteil jedoch ein Zwischen-Permanentmagnet 23 angeordnet,
während zwischen
einem Permanentmagneten 22 und seinem rechten Nachbar-Permanentmagneten 20 je
ein Zwischen-Permanentmagnet 21 angeordnet ist. Die Magnete
des gegenüberliegenden
Permanentmagnetteils sind daher derart angeordnet, dass längs der Wirkungsteil-Längsachse
L in 1 von links nach rechts die Polausrichtung unmittelbar
aufeinanderfolgender Magnete jeweils um 90° im Gegenuhrzeigersinn bezüglich einer
zur Zeichenebene der 1 orthogonalen Drehachse verdreht
ist.
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Die
im Wesentlichen identisch aufgebauten Wicklungen 12, 14 und 16 sind
in der in 1 gezeigten schematischen Darstellung
derart dimensioniert, dass der Längsmittenabstand
wirksamer Wicklungsabschnitte ein und derselben Wicklung ebenfalls
im Wesentlichen die Polteilung PT ist. Wie weit sich dagegen jeder
wirksame Wicklungsabschnitt in Richtung der Wicklungsteil-Längsachse
L erstreckt, obliegt der konstruktiven Freiheit des jeweiligen Konstrukteurs
und der ihm aufgegebenen Randbedingungen.
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Die
Wicklungen des Wicklungsteils 10, wie auch die Wicklungen
aller anderen in 1 gezeigten Wicklungsteile 110 bis 310,
sind an eine Drehstromversorgung angeschlossen. In dem in 1 gezeigten
Beispiel stellen die Wicklungsteile 10 bis 310 einen
Stator des Linearmotors dar, das Permanentmagnetteil 18 bildet
den Läufer.
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Die
Wicklung 12 ist an die Phase u der Drehstromversorgung
angeschlossen, die Wicklung 14 an die Phase w und die Wicklung 16 an
die Phase v. Das gesamte Wicklungsteil 10 ist aus sich
periodisch wiederholenden Wicklungen 12, 14 und 16 gebildet,
wobei die periodischen Wiederholungen, wie schon beim Permanentmagnetteil 18,
durch eine entsprechende Hinzufü gung
von Apostrophen gekennzeichnet sind. In dem Wicklungsteil 10 sind
alle Wicklungen mit gleichen Bezugszeichen in Reihe geschaltet, so
dass das Wicklungsteil 10 drei parallele Leitungsstränge umfasst,
nämlich
einen für
jede elektrische Phase.
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Da
die wirksamen Wicklungsabschnitte ein und derselben Wicklung in
entgegengesetzten Richtungen von Strom durchflossen werden, sind
die wirksamen Wicklungsabschnitte ein und derselben Wicklung zwar
an die gleiche Phase angeschlossen, hinsichtlich ihrer elektromagnetischen
Wirkung jedoch komplementär.
Gemäß Konvention
sind in der vorliegenden Anmeldung die einen wirksamen Wicklungsabschnitte
mit dem Buchstaben der zugeordneten elektrischen Phase bezeichnet
und sind die hierzu komplementären
wirksamen Wicklungsäste
mit dem die elektrische Phase kennzeichnenden Buchstaben und einem
zusätzlichen
Querstrich gekennzeichnet. Die erstgenannten Wicklungsabschnitte sind
mit dem gleichen Bezugszeichen wie die zugehörige Wicklung und dem Kleinbuchstaben
a gekennzeichnet, die komplementären
Wicklungsabschnitte dagegen mit dem Kleinbuchstaben b.
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In
dem Wicklungsteil 10 von 1 beträgt die Periode
der Wicklungsanordnung, d.h. der Abstand zwischen zwei wirksamen
Wicklungsabschnitten des gleichen elektromagnetischen Zustands etwa vier
Polteilungen PT. Dies addiert sich aus den drei Polteilungsstrecken
zwischen den wirksamen Wicklungsabschnitten ein und derselben Wicklung
und den drei Abständen
zwischen benachbarten wirksamen Wicklungsabschnitten unterschiedlicher
Wicklungen (s. hierzu beispielhaft die Abstandsstrecke Z zwischen
den Wicklungsabschnitten 14b und 16a in 1).
Die Wicklungen ein und desselben Wicklungsteils 10 bzw.
ein und desselben Teil-Wicklungsteils in 1 sind mit
gleichem Abstand Z in Richtung der Wicklungsteil-Längsachse
L benachbart angeordnet, wobei Z ungefähr 1/3 PT ist.
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Damit
große
Schwankungen der in Richtung der Wicklungsteil-Längsachse L wirkenden Vortriebskraft
auf das Permanentmagnetteil 18 vermieden werden können, muss
das Permanentmagnetteil 18 vorteilhafterweise gegenüber dieser
Periode von vier Polteilungen PT lang ausgeführt sein.
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Zur
Verringerung der Länge
des Permanentmagnetteils 18, welche zum Erlangen einer
Vortriebskraft ohne nennenswerte Schwankungen erforderlich ist,
kann das Wicklungsteil 10 aus einer Mehrzahl von Teil-Wicklungsteilen
gebildet sein.
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Als
erstes Beispiel ist in 1 das zweischichtige Wicklungsteil 110 dargestellt.
Dieses umfasst die Teil-Wicklungsteile 130 und 140.
Die beiden Teil-Wicklungsteile 130 und 140 erstrecken
sich beide längs
der Wicklungsteil-Längsachse
L und sind Fläche
an Fläche
durch eine Isolationsfolie 132 voneinander getrennt angeordnet.
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Die
Wicklungen der Spulen der Teil-Wicklungsteile 130 und 140 sind
zueinander parallel angeordnet und verlaufen in der Dickenrichtung
D des Wicklungsteils 110. Die Wicklungsachsen des Teil-Wicklungsteils 130 sind
mit W130 bezeichnet, jene des Teil-Wicklungsteils 140 mit
W140.
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Die
Wicklungsanordnung des Teil-Wicklungsteils 130 entspricht
jener des Wicklungsteils 10. Die Wicklungen sind lediglich
weniger dick ausgeführt.
Das Wicklungsteil 110 hat die gleiche Gesamtdicke wie das
Wicklungsteil 10.
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Die
Wicklungen im Teil-Wicklungsteil 140 entsprechen in ihren
Längenabmessungen
den Wicklungen des Wicklungsteils 10 oder des Teil-Wicklungsteils 130.
Die Wicklungsanordnung des Teil-Wicklungsteils 140 ist
jedoch gegenüber
jener des Teil-Wicklungsteils 130 um die Längenabmessung
eines wirksamen Wicklungsastes in Richtung der Wicklungsteil-Längsachse
L versetzt angeordnet, so dass von jeder Wicklung 112, 114 und 116 usw.
des Teil-Wicklungsteils 130 ein wirksamer Wicklungsabschnitt
einer Wicklung des Teil-Wicklungsteils 140 in Dickenrichtung
D gegenüberliegt,
während
dem jeweils anderen wirksamen Wicklungsabschnitt der gleichen Wicklung kein
Wicklungsabschnitt in dem jeweils anderen Teil-Wicklungsteil 140 in
Dickenrichtung D gegenüberliegt.
In Dickenrichtung D benachbarte wirksame Wicklungsteilabschnitte
unterschiedlicher Teil-Wicklungsteile stimmen hinsichtlich ihrer
elektrischen Phase und ihres elektromagnetischen Zustands überein,
d.h. sie werden zu jedem Zeitpunkt in gleichem Maße und in
gleicher Richtung von Strom durchflossen. In dem in 1 gezeigten
Beispiel sind die Wicklungsanordnungen derart ausgeführt, dass
den komplementären
wirksamen Wicklungsabschnitten 112b, 114b, 116b usw. kein
Wicklungsabschnitt in Dickenrichtung D benachbart gegenüberliegt.
Dies gilt für
beide Teil-Wicklungsteile.
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Eine
weitere Vergleichmäßigung der
erzielbaren Vortriebskraft und damit eine weitere mögliche Verkürzung des
Permanentmagnetteils 18 ohne Komforteinbuße für eventuell
mit dem Linearmotor beförderte
Personen wird durch ein dreischichtiges Wicklungsteil erreicht,
wie es das Wicklungsteil 210 in 1 darstellt.
Dieses Wicklungsteil 210 umfasst die drei Teil-Wicklungsteile 230, 240 und 250.
Gleiche Bauteile in dem Wicklungsteil 210 sind mit gleichen
Bezugszeichen versehen wie im Wicklungsteil 110, jedoch
erhöht
um die Zahl 100. Zur Beschreibung dieser Bauteile wird
ausdrücklich
auf die Beschreibungen der Wicklungsteile 10 und 110 verwiesen.
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Die
Teil-Wicklungsteile 230 und 240 entsprechen bis
auf ihre Abmessung in Dickenrichtung D den Teil-Wicklungsteilen 130 und 140 des
Wicklungsteils 110.
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Dem
Teil-Wicklungsteil 240 ist in Dickenrichtung D in der zum
Teil-Wicklungsteil 230 entgegengesetzten Seite durch eine
elektrisch isolierende Folie 234 getrennt das Teil-Wicklungsteil 250 angeordnet. Die
Gesamtdicke des Wicklungsteils 210 entspricht jener der
Wicklungsteile 10 und 110.
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Die
Wicklungsanordnung von Wicklungen in dem Teil-Wicklungsteil 250 entspricht
jener der Teil-Wicklungsteile 230 und 240, sie
ist lediglich bezüglich
des benachbarten Teil-Wicklungsteils 240 um die Längenabmessung
eines wirksamen Wicklungsabschnitts bezogen auf das Teil-Wicklungsteil 240 längs der
Wicklungsteil-Längsachse
L in die gleiche Richtung versetzt, in der auch das Teil-Wicklungsteil 240 bezogen
auf das Teil-Wicklungsteil 230 versetzt ist. Die Teil-Wicklungsteile 230 und 250 bilden
somit äußere Teil-Wicklungsteile,
das Teil-Wicklungsteil 240 stellt ein inneres Teil-Wicklungsteil
dar.
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Alle
Wicklungen des Wicklungsteils 210 sind mit parallelen Wicklungsachsen
angeordnet. Die Wicklungsachsen verlaufen in Dickenrichtung D und sind
der Übersichtlichkeit
halber nicht eingezeichnet.
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Wie
schon im Verhältnis
der Teil-Wicklungsteile 230 und 240 gilt für jede Wicklung
auch der Teil-Wicklungsteile 240 und 250, dass
genau einem wirksamen Wicklungsabschnitt in Dickenrichtung D ein
wirksamer Wicklungsabschnitt im jeweils anderen Teil-Wicklungsteil
benachbart gegenüberliegt,
während
dem jeweils anderen wirksamen Wicklungsabschnitt derselben Wicklung
kein wirksamer Wicklungsabschnitt in dem jeweils anderen Teil-Wicklungsteil gegenüberliegt.
Die Teil-Wicklungsteile 240 und 250 sind derart
angeordnet, dass jeweils die komplementären wirksamen Wicklungsabschnitte
einer elektrischen Phase einander in Dickenrichtung benachbart angeordnet
sind, während
die jeweils anderen wirksamen Wicklungsabschnitte in Dickenrichtung
keinen Nachbarn im jeweils anderen Teil-Wicklungsteil aufweisen.
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Dies
führt dazu,
dass das Teil-Wicklungsteil 250 dem Teil-Wicklungsteil 230 entspricht,
jedoch längs
der Wicklungsteil-Längsachse
um zwei Polteilungen PT in 1 nach rechts
versetzt ist.
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In
Weiterführung
des durch die Entwicklung der Wicklungsteile 10, 110 und 210 offenbar
werdenden Prinzips lässt
sich die erzielbare Vortriebskraft noch weiter vergleichmäßigen durch
eine weitere Erhöhung
der Schichtanzahl. Als letztes Beispiel ist in 1 das
vierschichtige Wicklungsteil 310 dargestellt. Es umfasst
die Teil-Wicklungsteile 330, 340, 350 und 360.
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Gleiche
Bauteile wie im Wicklungsteil 210 sind im Wicklungsteil 310 mit
gleichen Bezugszeichen versehen, jedoch erhöht um die Zahl 100.
Zu deren Beschreibung wird ausdrücklich
auf die Beschreibungen der Wicklungsteile 210, 110 und 10 verwiesen.
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Die
Teil-Wicklungsteile 330, 340 und 350 entsprechen
bis auf ihre Dickenabmessung den Teil-Wicklungsteilen 230, 240 und 250 des
Wicklungsteils 210. Die Dickenabmessung ist derart verringert,
dass das vierte Teil-Wicklungsteil 360 in
dem Wicklungsteil 310 Platz findet. Es sei ausdrücklich angemerkt,
dass in den dargestellten Beispielen alle Teil-Wicklungsteile ein
und desselben Wicklungsteils mit im Wesentlichen der gleichen Dicke
ausgeführt sind.
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In
dem Wicklungsteil 310 ist dem Teil-Wicklungsteil 350 in
Dickenrichtung D an der vom Teil-Wicklungsteil 340 weg
weisenden Seite das Teil-Wicklungsteil 360 benachbart angeordnet.
Das Teil-Wicklungsteil 360 entspricht dem Teil-Wicklungsteil 340 und
ist lediglich längs
der Wicklungsteil-Längsachse
bezüglich
des Teil-Wicklungsteils 340 um zwei Polteilungen PT in 1 nach
rechts versetzt angeordnet. Die Versatzrichtung ist dabei die gleiche
wie die Versatzrichtung des Teil-Wicklungsteils 350 bezogen
auf das Teil-Wicklungsteil 330.
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Für jede Wicklung
der Teil-Wicklungsteile 350 und 360 gilt wiederum
das Anordnungsprinzip, dass genau einem wirksamen Wicklungsabschnitt
in Dickenrichtung im jeweils anderen Teil-Wicklungsteil ein wirksamer
Wicklungsabschnitt der gleichen elektrischen Phase und des gleichen
elektromagnetischen Zustands gegenüberliegt, während dem jeweils anderen wirksamen
Wicklungsabschnitt kein Wicklungsabschnitt in demselben anderen
Teil-Wicklungsteil
benachbart angeordnet ist. Somit entspricht die Paarung der Teil-Wicklungsteile 350 und 360 hinsichtlich
ihrer Wicklungsanordnung der Paarung der Teil-Wicklungsteile 330 und 340,
wobei die erstgenannte Paarung gegenüber der letztgenannten um zwei
Polteilungen PT längs
der Wicklungsteil-Längsachse
L in 1 nach rechts versetzt angeordnet ist.
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Unter
Befolgung dieses Anordnungsprinzips ist leicht verständlich,
dass auch fünf-,
sechs- oder mehrschichtige Wicklungsteile herstellbar sind.
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Bei
einer ersten überblicksartigen
Betrachtung ist jedes der Wicklungsteile 10, 110, 210 und 310 zu
zirka 50 Vol.-% mit wirksamen Wicklungsabschnitten gefüllt. Jedoch
fällt mit
zunehmender Schichtanzahl das erforderliche Isolationsmaterial, wie
etwa die Isolationsfolien 132, 232, 234, 332, 334 und 336 zunehmend
ins Gewicht, so dass der tatsächliche „Kupferfüllungsgrad" mit steigender Schichtanzahl
abnimmt. Daher ist das dreischichtige Wicklungsteil 210 derzeit
bevorzugt. Es stellt für
viele Anwendungen den bestmöglichen
Kompromiss zwischen einer möglichst
gleichmäßigen Vortriebskraft bei
geringer Wicklungsteildicke und dennoch hohem Kupferfüllungsgrad
bereit.
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In 2 ist
eine perspektivische Explosionsansicht einer realisierten Ausführung des
dreischichtigen Wicklungsteils 210 von 1 gezeigt.
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Das
Wicklungsteil 210 umfasst zwei Schalenelemente 238a und 238b aus
nicht ferromagnetischem Material, welche im fertig montierten Zustand des
Wicklungsteils 210 eine die Teil-Wicklungsteile 230, 240 und 250 des
Wicklungsteils 210 nach fünf Seiten einhüllende Schale
bilden.
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Zwischen
den Teil-Wicklungsteilen 230 und 240 sowie 240 und 250 ist
jeweils eine elektrisch isolierende Folie 232 bzw. 234 angeordnet.
Sicherheitshalber ist auch zwischen den äußeren Teil-Wicklungsteilen 230 und 250 und
den jeweils nächstgelegenen
Schalenelementen 238a und 238b jeweils eine elektrisch
isolierende Folie 242 bzw. 244 vorgesehen.
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An
jedes Schalenelement 238a und 238b ist jeweils
ein Fußwinkel 246 bzw. 248 angebracht,
beispielsweise durch Kleben oder/und Verschrauben oder/und Vernieten.
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An
der Unterseite des Wicklungsteils 210 ist eine Bodenplatte 252 mit
den Fußwinkeln 246 und 248 verbunden.
Diese Bodenplatte 252 schließt den von den Schalenelementen 238a und 238b gebildeten
Aufnahmeraum für
die Teil-Wicklungsteile 230, 240 und 250 nach
unten ab. An diese Bodenplatte ist eine Leitungszuführung 254 und
eine Leitungsabführung 256 angebracht.
Diese sind mit einer Kabelführung 258 bzw. 262 verbunden.
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Zur
Erhöhung
der Befestigungsstabilität
der Fußwinkel 246 und 248 mit
einem Untergrund können
Auflagestücke 264 auf
die Befestigungsschenkel 246a und 248a der Fußwinkel 246 und 248 aufgelegt sein.
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Wie
in 2 zu erkennen ist, kann die Isolationsfolie 233 auch
mehrstückig
ausgebildet sein, beispielsweise mit einem Isolationsfolienhauptteil 232a und
einem Isolationsfolienergänzungsteil 232b. Die
Teil-Wicklungsteile 230, 240 und 250 weisen
jeweils ein Wicklungsgerüst 266, 268 und 270 auf.
In diese sind Wicklungen 272 eingelegt. Von den Wicklungen
sind stellvertretend lediglich drei mit Bezugszeichen versehen.
Die Wicklungen weisen zur elektrischen Verbindung miteinander sowie
mit einer Stromversorgung Anschlussenden 272a und 272b auf.
Alle Wicklungsachsen der Wicklungen 272 des Wicklungsteils 210 sind
parallel und verlaufen in Dickenrichtung D. Der Übersichtlichkeit halber sind
die Wicklungsachsen nicht eingezeichnet. Die Wicklungen 272 weisen
einen Kern 274 auf, welcher je nach den gewünschten
Anforderungen an das Wicklungsteil aus ferromagnetischem, nicht
ferromagnetischem oder sowohl aus ferromagnetischem und nicht ferromagnetischem
Material gebildet sein kann.
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In 3 ist
das äußere Teil-Wicklungsteil 230 ausführlich dargestellt.
Das Wicklungsgerüst 266 umfasst
einen in Richtung der Wicklungsteil-Längsachse L verlaufenden Basisabschnitt 275 und
von diesem orthogonal in Höhenrichtung
H abstehende Sprossenabschnitte 276. Zwischen jeweils zwei
unmittelbar benachbarten Sprossenabschnitten 276 befindet
sich ein Basisabschnittsbereich, etwa der in 3 dargestellte
Basisabschnittsbereich 275a. Zwei in Richtung der Wicklungsteil-Längsachse
L unmittelbar benachbarte Sprossenabschnitte 276 und ein
diese Sprossenabschnitte verbindender Basisabschnittsbereich 275a bilden
eine Ausnehmung 278, in welche die Wicklungen 272 derart
eingelegt werden, dass das Wicklungsgerüst 266, genauer zwei Sprossenabschnitte 276 und
ein Basisabschnittsbereich 275a, die jeweilige Wicklung 272 längs ihres Außenumfangs
zumindest abschnittsweise umfasst.
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In 3 ist
ebenfalls die in Dickenrichtung D für den Betrachter hinter dem
Wicklungsgerüst 266 gelegene
Isolationsfolie 242 erkennbar.
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Einige
der Sprossenabschnitte 276 sind T-förmig ausgestaltet, um eine
möglichst
große
Umfassungsstrecke des Außenumfangs
der zugeordneten Wicklung zu erhalten. Andere Sprossenabschnitte 276 sind
L-förmig
ausgestaltet mit einer Ausnehmung 280, die dazu dient,
die Drahtzuführung
bzw. -abführung
von einer in Dickenrichtung D benachbarten Wicklung im mittleren
Teil-Wicklungsteil 240 verlegen
zu können,
ohne das Wicklungsteil 210 insgesamt verbreitern zu müssen.
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Bei
dem in 3 gezeigten Wicklungsgerüst 266 sind, abgesehen
von dem ersten und dem letzten Sprossenabschnitt des Wicklungsgerüsts 266, genauso
viele L-förmige
wie T-förmige
Sprossenabschnitte 276 vorgesehen, so dass die Sprossenabschnitte
in ihrer Gestalt in Richtung der Wicklungsteil-Längsachse L abwechseln.
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Das
andere äußere Teil-Wicklungsteil 250 ist mit
einem ähnlichen
Wicklungsgerüst 270 aufgebaut, wobei
die beiden äußeren Wicklungsteile 230 und 250 derart
in dem Wicklungsteil 210 montiert sind, dass der einem
T-förmigen Sprossenabschnitt
des Wicklungsgerüsts
des einen Teil-Wicklungsteils in Richtung der Wicklungsteil-Längsachse
L nächstgelegene
Sprossenabschnitt des Wicklungsgerüsts des jeweils anderen Teil-Wicklungsteils
die jeweils andere Gestalt aufweist. Dies bedeutet, ein einem T-förmigen Sprossenabschnitt 276 des
Teil-Wicklungsteils 230 in Richtung der Wicklungsteil-Längsachse
L nächstgelegener
Sprossenabschnitt des Teil- Wicklungsteils 250 ist
L-förmig
und umgekehrt. Dadurch liegen ausreichend Ausnehmungen 280 über die Länge des
Wicklungsteils 210 verteilt vor, um Wicklungsdrähte von
allen Wicklungen 272 des inneren bzw. mittleren Teil-Wicklungsteils 240 zu
verlegen, ohne dass dies Einfluss auf die Gesamtbreite des Wicklungsteils 210 hätte. Darüber hinaus
wird durch die Aufteilung der benötigten Ausnehmungen 280 gleichmäßig auf
beide äußeren Teil-Wicklungsteile 230 und 250 eine
möglichst
symmetrische Gestalt des Wicklungsteils 210 und damit eine
möglichst
hohe, gleichmäßige Stabilität erhalten.
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Die
aus glasfaserverstärktem
Kunststoff hergestellten Wicklungsgerüste 266, 268 und 270 sind
in einfacher Weise form- oder/und stoffschlüssig miteinander und mit den
Fußwinkeln 246 und 248 verbindbar,
so dass eine auf das Wicklungsteil 210 als Stator wirkende
Vortriebs-Reaktionskraft sehr gut in den das Wicklungsteil 210 haltenden
Untergrund abgeleitet werden kann.
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Die
Kerne 274 können
dünne ferromagnetische
Plättchen
sein, falls ein Wicklungsteil 210 mit höherer Effizienz zur Erzielung
einer höheren
Schubkraft bei sonst gleichen Parametern erhalten werden soll. Zur
Einstellung der Gesamtinduktivität
kann entweder kein Kernmaterial vorgesehen sein oder ein Kunststoffkern,
vorzugsweise ebenfalls aus glasfaserverstärktem Kunststoff, was die Gesamtstabilität des Wicklungsteils 210 erhöht, oder
ein Kern 274 kann aus Schichten von ferromagnetischem und nicht
ferromagnetischem Werkstoff laminiert sein, um einen gewünschten
Gehalt an ferromagnetischem Material im Auge der Wicklungen 272 bereitstellen
zu können,
bis hin zu einem reinen ferromagnetischen Kern. Ebenso kann ein
ferromagnetischer Kern durch Einbinden von ferromagnetischem Material
in eine nicht-ferromagnetische
Matrix, etwa eine Kunststoffmatrix, gebildet sein. Denkbar ist ferromagnetisches Material,
welches in Pulverform in eine Kunststoffmatrix eingefüllt ist,
wobei dabei die im Kern enthaltene Menge an ferromagnetischem Material
sehr genau und in sehr feiner Abstufung dosiert werden kann. Ebenso
denkbar sind gesinterte Ferrit-Kerne bzw. gesinterte Kerne mit Ferritanteilen.
Auch hier kann der Anteil an ferromagnetischem Material im Kern sehr
genau dosiert werden.
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In 4 ist
das mittlere bzw. innere Teil-Wicklungsteil 240 und die
zugeordnete Isolationsfolie 232 dargestellt.
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Auch
das Wicklungsgerüst 268 weist
einen Basisabschnitt 275 und davon in Höhenrichtung H orthogonal abstehende
Sprossenabschnitte 276 auf.
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Der
wesentliche Unterschied zwischen den Wicklungsgerüsten 266 und 268 besteht
darin, dass die Sprossenabschnitte 276 des Wicklungsgerüsts 268 in
Höhenrichtung
H kürzer
ausgeführt
sind, so dass ein Freiraum 282 an dem dem Basisabschnitt 275 in
Höhenrichtung
H gegenüberliegenden
Endbereich gebildet ist. Dieser Freiraum 282 kann vorteilhafterweise
zur Verlegung der elektrischen Leiter von den äußeren Teil-Wicklungsteilen 230 und 250 in
einen Leiteraufnahmefreiraum 283 (s. 5)
verwendet werden, welcher wiederum dazu genutzt wird, die Wicklungen 272 der
drei Teil-Wicklungsteile 230, 240 und 250 miteinander
und mit der Drehstromversorgung elektrisch zu verbinden.
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Die
Umfassungsstrecke, längs
welcher das Wicklungsgerüst 268 eine
zugeordnete Wicklung 272 an ihrem Außenumfang umfasst, ist daher
bei dem inneren Teil-Wicklungsteil 240 geringer als bei
den beiden äußeren Teil-Wicklungsteilen 230 und 250. Auch
hier ist das Wicklungsgerüst 268 bevorzugt
aus glasfaserverstärktem
Kunststoff ausgebildet.
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In 5 ist
schließlich
der Fußbereich
des Wicklungsteils 210 im Querschnitt dargestellt. Zu erkennen
ist hier wiederum der sich in den Leiteraufnahmefreiraum 283 erstreckende
Freiraum 282, in welchem elektrische Leiter von Wicklungen
der äußeren Teil-Wicklungsteile 230 und 250 aufgenommen
sein können,
ohne dass dies die Breite des Wicklungsteils 210 beeinträchtigen
würde.
In 5 ist außerdem
zu erkennen, dass die Sprossen 276 des Wicklungsgerüsts 268 des
mittleren Teil-Wicklungsteils 240 kürzer ausgebildet sind als jene
der äußeren Teil-Wicklungsteile 230 und 250.