DE1928047A1 - Elektromotor - Google Patents

Description

Patenlanwäiie

.Dr.-lng. HANS RUSCHKE

Dipl.-lng. HEINZ AGULAR 2". Juni1969

8 München 80, Pienzenauerstr. 2

North American Hockwell Corporation, Bl Segundo, California, U_#S.A#

Elektromotor

Die Erfindung bezieht sioh auf einen Linearelefctromotor, insbesondere auf einen neuen und verbesserten Linearsynchronmotor.

Die vorliegende: Erfindung schafft einen Linearsynchronmotor, bestehend aus einer Statoranordnung, die ein wanderndes Magnetflussfeld erzeugt, einer Feldanordnung, die ein festes Magnetflussfeld erzeugt, einer Linearrotoranordnung in Abstand von der Statoranordnung und der Feldanordnung, um getrennet β. Felderregungspfade für das feste Magnetflussfeld zwischen der Feldanordnung und der Statoranordnung zu schaffen, wobei das feste Magnetflussfeld und das wandernde Magnet-" flussfeld sich gegenseitig beeinflussen und eine magnetomo-•Gorische Kraft oder einen Schub zwischen der Statoranordnung und der Linearrotoranordnung zu erzeugen.

Die vorliegende Erfindung sieht auch einen Linear synchronmotor vor, bestehend aus einer Statoranordnung, die ein wan-

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derndes Magnetflussfeld erzeugt, einer Peldpolanordnung in .fester Beziehung zu der Statoranordnung, um einen magnetischen Plusspfad zu schaffen, einer Feldspulenanordnung auf der genannten Polanordnung, um ein festes Magnetflussfeld zu schaffen, einer Linearrotoranordnung in Abstand von der Statoranordnung und der Feldpolanordnung, wobei die Linearrotoranordnung aus, einer Vielzahl getrennter magnetischer Teile besteht, von denen benachbarte Teile eine entgegengesetzte magnetische Polarität aufweisen, magnetische Verbindungen einschliesst, welche magnetische Teile mit gleicher magnetischer Polarität verbinden, so dass die Linearrotoranordnung wenigstens einen Felderregungspfad für das feilte Magnet fluss feld zwischen der Feldpölanordnung und der Statoranordnung schafft, wobei das feste Magnetflussfeld und das wandernde Magnetflussfeld in Wechselwirkung stehen und eine magnetomotdrische Kaaft oder einen Schub zwischen der Statoranordnung und der Rotoranordnung erzeugen.

"Die vorliegende Erfindung schafft auch einen zahnradfreien Antrieb, bestehend aus einem im wesentlichen zylindrischen Rotor mit einer Vielzahl von im wesentlichen parallelen, voneinander getrennten verlängerten Vorsprüngen, Vorrichtungen zum Halten des Rotors für die Drehung um eine Achse, einer Statoranordnung, die betriebsmässig dem Hotor zugeordnet ist, um durch die genannten Vorspränge aufeinanderfolgend eine wandernde Magnetwelle zu erzeugen, einer Feldpolanordnung, die betriebsmässig dem Rotor zugeordnet ist, um durch die Vorsprünge aufeinanderfolgend eine feste magnetische Welle au erzeugen, und aus einer elektrischen Versorgungsvorriqhtung zum intermittierenden Erregen der Statoranordnung mit einer vorherbestimmten Frequenz.

Die vorliegende Erfindung schafft auch ein Propellerantriebssystem für Boote, im wesentlichen bestehend aus einem im all-

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gemeinen zylindrischen wasserdichten Gehäuse, einer das Gehäuse mit dem Boot verbindenden Vorrichtung, einer Bootsschraube, die axial innerhalb des Gehäuses zentriert ist.und eine Vielzahl τοη Blättern aufweist, einem fingerartigen metallischen Rotor, der an den äusseren Spitzen der Blätter befestigt ist und eine Vielzahl voneinander getrennter, verlängerter ma,-gnetischer Vorsprunge aufweist, einer Statorspulenanordnung, die in dem Gehäuse befestigt ist und eine stationäre Magnetwelle in dem Rotor erzeugt, Lageranordnung, r».ie mit dem Gehäuse verbunden sind, um den Propeller relativ zu dem Gehäuse rotierbar zu halten, wobei sich der Rotor von dem Gehäuse getrennt eng daneben befindet, und aus elektrischen Versorgungsleitungen, um r»ie Statorspulananordnung mit elektrischem Strom einer τοrherbestimmten Frequenz zu speisen.

Die vorliegende Erfindung schafft auoh einen an Rädern befestigten Antrieb für Fanrzeuge, im Wesentlichen bestehend aus einer hohlen Radnabe, die auf der Mittenwelle zur Rotation um eine Achse gelagert ist, einer an der Habe befestigten Felge, einer Reifenanordnung auf der Felge, einer fingerartigen, im wesentlichen zylindrischen Rotoranordnung, nie mit der Felge verbunden ist und eine Vielzahl im wesentlichen parallele und voneinander getrennte verlängerte Vorsprünge einschliesst, einer Halterungsanordnung innerhalb r?er iiolilen Habe, die an dem Fahrzeug befestigt ist, einer in Segmente unterteilten Statoranordnung, die an der Halterung befestigt und betriebsmässig dem Rotor zugeordnet ist, um 3ine waniarnde magnetische Welle in der Rotoranordnung zu erzeugen, und mit einer in Segmente unterteilten Feldpol anordnung, -⁵Ue an der Halterung befestigt und betriebsmässig dem Rotor zugeordnet ist, um eine feste magnetische Welle in dem Rotor zu erzeugen, wobei die wandernde und rlie feste magnetische Welle eine elektromotorische Kraft erzeugen, um eine !Drehung der Rotoranordnung, der Radnabe ear Felge und des Reifens um flle genannte Rotations-

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achse zu bewirken.

Die vorliegende Erfindung schafft für einen Synchronmotor auch einen Linearrotor, bestehend aus wenigstens einem ersten und einem zweiten magnetischen Glied, die entgegengesetzte magnetische' Polariät aufweisen, wobei das erste magnetische Glied benachbart und getrennt Ton dem zweiten magnetischen Glied angeordnet ist, wobei die Magnetpolstücke des ersten magnetischen Gliedes in die Magnetpolstücke des zweiten magnetischen Gliedes eingreifen, so dass die Eotoranordnung getrennte FeIderregungspfade erzeugt.

Linearinduktionsmotore sind bekannt. Wie jeder Induktionsmotor hat auch ein Linearinduk^ionsmotor Uachteile, wie schlechte Drehzahlsteuerung, hohen Anlaufstrom, niedriges Anlauf drehmoment, niedrigen Leistungsfaktor und kleinen Wirkungsgrad bei niedrigen Drehzahlen. Synchronmotor sind ebenfalls bereits als Maschinen mit konstanter Drehzahl bekannt, die kein AnI auf drehmoment haben. Unter den Anlaufbedingungen muss der Synchronmotor als Induktionsmotor arbeiten.

Der Motor nach der vorliegenden Erfindung hat ein hohes Anlaufdrehmoment oder einen grossen Schub und kann mit veränderbaren Drehzahlen und mit hohem Wirkungsgrad, sogar bei weit veränderbaren Luftspalten arbeiten. Dieser Motor ist in der Tat verhältnismässig unempfindlich gegen veränderliche Luftspalte. Der Motor kann mit hohem Wirkungsgrad bei allen Drehzahlen arbeiten und hat insbesondere bei niedrigen Drehzahlen einen erhöhten Wirkungsgrad.

Der Motor nach der Erfindung kann beispielsweise zum Antreiben fön Fahrzeugen, wie Zügen, Automob ilen,, Lastwagen, Schiffen, Unterwasserfanrzeugen und dgl. Verwendung finden. Br kann ebenso verwendet werden, wo immer eine mechanische Kraft

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erforderlich ist, beispielsweise für Förderbänder, Winden, V/erkzeugmaschinen, Antennenantriebe und dgl. Die Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung;

Pig. 1 ist eine schaubildliche Ansicht, teilweise im Schnitt, einer Aus führ ungs form eines neuen und verbesserten Linearsynchronmotors nach der Erfindung;

Fig. 2 ist eine Schnittansicht des Linearsyncnronmotors nach Fig. 1 längs der Linie 2-2;

Fig. 3 ist eine schaubildliche Aneioht, teils weggebrochen, des Linearrotors des Linearsynchronmotors nach Fig. 1; Fig, 4 ist eine Draufsicht, teils weggebrochen, eines anderen Linearrotors für gten Linearsynohronmotor nach der Erfindung; Fig. 5 ist ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines veränderlichen Drehzahlsteuersystems für s.en Linear synchronmotor nach der Erfindung;

Fig. β ist eine schematische Darstellung Ton typischen, durch ^en Linearsynchronmotor nach der Erfindung entwickelten Wellenformen;

Fig, 7 zeigt eine schaubildliohe Ansicht eines isolierten Teils einer anderen Ausführungsform des Motors nach den Prinzipien der Erfindung;

Fig. 8 i3t eine allgemein perspektivische Ansicht im Schnitt, die ein Schiffsantriebssystem mit dem Antriebsmotor nach Fi-g. 7 zeigt;

I'ig. 9 ist eine allgemein schaubildliohe Ansicht des an einem Boot befestigten Aufbaues nach Fig, 8; Fig. 10 ist eine allgemein perspektivische Ansicht, teils weggeschnitten, die einen Motor nach Fig, 7 in einem Fahrzeugrad zeigt;

Fig. 11 zeigt ein Rad nach Fig, IO im Querschnitt; Fig. 12 zeigt einen Motor der in den Figuren 7, 10 und 11 dargestellten Art, Jedoch für ein Schwungrad·

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Nach Fig. 1 hat eine Ausführungsform des ünearsynchronmo- ^N tors 10 nach der Erfindung eine Statoranordnung 12, die mit einer Feldpolanordnung 14 zusammenarbeitet, wobei beide An-Ordnungen von einer Linearrotoranordnung/getrennt sind. Die Statoranordnung 12 hat einen in üblicher Weise geschichteten Statorkern 18 und Statorleitungswicklungen 20, die in geeigneten Statorkernschlitzen darauf gewickelt sind· Die Statoranordnung 12 ist in üblicher Y/eise in Abstand au der Feldpolanordnung 14 angeordnet und nicht magnetisch mit der Feldpolanordnung gekoppelt. Die Statorwicklungen werden durch Wechselstrom erregt und erzeugen eine magnetische Welle, die den Luftspalt mit einer Geschwindigkeit (Y) hinunterwandert, welche proportional dem Abstand zwischen benachbarten Statormagnetpolen (wobei der Polabstand PP ist) und der Frequenz (f) des Wechselstromes ist. Auf diese Weise ist:

7 * ϊ ι f σ ΡΪ,

wobei K eine Proportionalitätskonstante ist. Vergrössern der Frequenz oder des Polabstandes vergrössert die G-eschwindigkeit der wandernden Statormagnetwelle· Ss ist bekannt, auf welche Weise man eine wandernde Statormagnetwelle erhalt. Dies ist in verschiedenen Handbüchern, einschliesslich der Bücher für Elektrische Schaltungen und Maschinen, Band II, Hehre und Harness (John Wiley & Sons, 1942) und Weohselstrommaschinen Ton Bryant und Johnson (Mc &raw-Hill, 1935) beschrieben. Viele einzelne Statorspulen werden verwendet und können entweder in bekannter Weise in Reihe oder parallelgeschaltet werden, werden jedoch Irorzugsweise in Reife· geschaltet, um drei einzelne Phasenwicklungen zu bilden, die von einer D^eiphasenwechselstroxr quelle erregt werden. Im allgemeinen ist die Stator erregung mehrphasig, insbesondere drei- oder zweiphasig, kann jedoch auch einphasig mit einer Hllfsphasenwicklung für den Anlauf sein. Die Feldpolanordnung 14 hat einen Feldrahmenteil 22 mit geeignet ausgebildeten Feldpolen 24 und 26 und einer Felder- ■ regungsspule 28, die im allgemeinen um den Mittenbereioh 30

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des Feldrahmenteils angeordnet ist« Bs ist zu beachten, dass der Feldrahmenteil, wie auch die Feldspule, andere als die dargestellten geometrischen Formen haben können. Weiterhin kann die Felderregungsspule 28 durch einen oder mehrere Permanentmagneten ersetzt werden, die dann einen Felderregungsfluss erzeugen, wie nachstehend beschrieben wird· Solche besondere« wechselnde Ausführungsformen und beispielhafte Anwendungen werden nachstehend mit bezug auf Fig. 5 bis 10 beschrieben·

Gamäss Fig. 2 sind die Feldpole 24 und 26 bei der in dieser Figur dargestellten Ausfuhrungsfοrm im allgemeinen eben. Dies ist bei der Erfindung nioht kritisch, da Stator- und Feldpolanordnung andere geometrische Formen haben können, die , wie ausgeführt, später beschrieben werden. Der Stator 12 und die Feldpolanordnung 14, d.h. die geschichtete Statorspule 16 und die Feldpole 24 und 26, sind in geeigneter Weise von der Linearrotoranordnung 16 getrennt, die im wesentlichen parallel zu der Statoranordnung und zu der Feldpolanordnung angeordnet ist. Wie nachstehend beschrieben wird, kann die Linear ro türanordnung 16 andere als eben und geeignet ausgebildet und in einer gekrümmten Gestalt, etufenartig und dgl« masgebildet sein, am alt der Stator- und der Feldpolanordramg zusammenzuarbeiten· Während die Linearanordnung 16 in dt·=' Fig· 1 und 2 als im allgemeinen in waagreohter Orientierung dargestellt ist, ist zu beachten, dass die Botoranordnung, der damit zusammenwirkend· Btator und die Feldpolanordnung senteöcjht orientiert sein können oder irgendeine gewünschte Stellung tazwisehen haben können, wie durch die Arbeitsparameter bestimmt,

Haoh Fig« 1 und insbesondere nach Fig· 3 hat eine AusfUhrungsform einer Linearrotoranordnung 16 eine erste magnetische Vorrichtung oder ein Glied 32 und eine zweite magnetische Vorrichtung oder ein Glied 94« Das Magnet glied 32 ist in geeigneter

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Weise mit einer Vielzahl gleicher vorteretender Magnetpole 36 ausgebildet, die bei der dargestellten Ausführungsform durch einen ununterbrochenen Streifenabschnitt 38 des magnetischen . Gliedes 32 magnetisch Terbunden sind· Bei der dargestellten Ausführungsform der Llnearrotoranordnung 16 sind die vort»»- tenden Magnetpole 36 um einen begrenzten Abstand getrennt und erstrecken sich im allgemeinen von dem ununterbrochenen Streifenabschnitt 38 nach aussen. Das zweite magnetische Glied 34 hat ähnliohe vortretende Magnetpole 40, die voneinander getrennt und magnetisch und physikalisch mittels eines ununterbrochenen Streifenabschnittee 42 verbunden sind· Bei der zusamme: gebauten Linearrotoranordn ung 16 sind das erste magnetische Glied 32 und das zweite magnetische Glied 34 vorzugsweise in einer gemeinsamen Ebene mit d.an nach aussen vort et enden Magnetpolen 36 und 40 angeordnet, wie Fig. 3 zeigt· Die vortretenden Magnetpole sind voneinander getrennt, so dass ein magnetischer Leckfluss zwischen benachbarten,aufgefingerten vortretenden Magnetpolen 36 und 40 vorzugsweise im wesentlichen verhindert wird· Bei dieser Aus führ ungs form der Linearro to ranordnung sind die vortretenden Magnetpole 36 und 40 vorzugsweise durch einen isolierenden Luftspalt 44 dazwischen getrennt, Bs ist auch zu beachten, dass ein geeignetes nichtmagnetisches Material, wie eine Niokelbasislegierung, s. B« Inconel Alloy 718, Kunststoff, Keramik und dgl·,die vortretenden Magnetpole 36 und 40 zu einer einheitlichen Linearrotoranordnung verbinden kann«

In Fig. 4 ist eine andere Ausführungsform einer Linearrotoranordnung 50 mit einer Vielzahl von gleichen, Torte tend en Magnetpolen 52, 54, 56, 60 und 62 dargestellt, welche in einem begrenzten Abstand mit gleichen isolierenden Bereichen 64 dazwischen getrennt sind, welche entweder ein isolierender Luftspalt oder ein ^eaignetes nichtmagnetisches Material sein können* Wenn '?."> Linearro to ranordnung 50 mit einer Statoran-

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Ordnung und einer Feldspulenanordnung, wie in Mg, 1 dargestellt, zusammenarbeiten, haben benachbarte vortretende Pole entgegengesetzte magnetische Polarität, die von im wesentlichen Toll positir ( magnetischer Hordpol) bis roll negativ (magnetischer Südpol) wechselt, so dass in einem gegebenen Zeitpunkt in dem Magnetpol 56 ein" magnetischer Nordpol entsteht, während die Magnetpole 54 und 58 Südpole sind. Bs ist ssu beachten, dass bei dex Linearrotoranordnung 50 die vortretenden Magnetpole 52, 54, 56, 58, 60 und 62 durch ein verhältnismässig flexibles oder bewegliches nichtmgnetisch.es Glied, wie eine Kette aus Nickelbasislegierung, ein Band Oder dgl· verbunden sein können,

Gemäss Pig, 1 und Pig· 5 wird ein "festes" Magnetfeld durch die Felderregerspule 28 in der Linearrotoranordnung 16 des Linearsynchronmotors 10 induziert, wenn die Feldspule in geeigneter Weise von einer üblichen Gleichstromquelle 70 erregt wird. Der Felderregerkreis des Linearsynchronmotors ist insbesondere in Fig. 1 dargestellt. Der Felderregerkreis kann durch Verfolgen eines typischen Flusspfades 74 verstanden werden, beginnend vom Luftspalt zwischen dem Feldpol 24 und der Linearrotoranordnung 14, Der Flusspfad überquert ä&x^ Feldpolluftspalt »wieefee» in den ununterbrochenen Streifenabschnitt 38 des ersten magnetischen Gliedes 32 und geht durch wenigstens einen der vorstehenden Magnetpole 36, δ.9Τ sich von dem Streifenabsohnitt auswärts erstreckt. Der Flusspfad 74 wandert dann von dem g»8ek&ifcefr»a-Sta;fc»gieegtt-l· vortretenden Pol 36 quer über g.Qn Statorluft spalt zu dem geschichteten Statorkern 18, In dem geschichteten Statorkern 18 wandert der Flusspfad 74 über ß.QH Statorluft spalt zu einem benachbarten vortretenden Magnetpol 40, der entgegengesetzte magnetische Polarität aufweist. Der Flusspfad 74 setzt sich zu dem Streifenabschnitt 42 des zweiten magnetischen Gliedes 34 fort und wandert über den Feldpolluftspalt zu dem Feldpol 26, Der Flusspfad 74 ver-

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läuft dann durch den Feldrahmenteil 22 au dem Feldpöl 24, der den Felderreggungskreis vervollständigt·

Die Wirkungsweise des Linearsynchronmotors nach der Erfindung kann am besten Xn Zusammenhang mit Pig. 5 verstanden . werden. Zur Vereinfachung wird die Wirkungsweise mit bezug auf ß^an Motor nach Fig. 1 beschrieben. Die folgenden Ausfüh-.

rungen gelten auch für alle anderen nachstehend beschriebenen Ausführungsformen. ·

Bin Kommutator 76, z, B. ein elektromagnetischer Kommutator, fühlt die Linearroterrdrehzahl ab und wirkt als Stellungswandler. Der Kommutator 76 speist die Drehzahl und Stellung des Linearrotors in einen Frequenzumsetzer 78, der entweder mit mehrphasiger elektrischer Energie von einer üblichen Quelle, für Wechselstrom, wie dem Generator 80, oder mit elektrischer G-Ieichstromenergie von einer üblichen Gleichstromquelle (nicht dargestellt) versorgt wird. Bei Verwendung von Wechselstrom speist der Generator 80 den Strom in einen Frequenzumsetζer 78 bei einer gegebenen Frequenz f^· Der Frequenzumsetzer 78 nimmt ein Drehzahl- und Stellungseingangssignal von dem Kommutator 76 auf und hält automatisch eine angelegte Statorfrequenz f_m aufrecht, die die Beziehung f_m == KPN erfüllt, wobei-K eine Proportionalitätskonstante, P die Anzahl der Pole und N die Eotordrehzahl oder seine Tangentialgeschwindigkeit ist. Wenn Gleichstrom eingespeist wird, wandelt der Umsetzer 78 (Leo. Gleichstrom in Wechselstrom mit der angelegten Statorfrequenz f_m um. Der Frequenzumsetzer76 legt die variable Frequenz f_m an aie Statoranordn-ung des Linearsynchronmotor 10, so dass^ die Statoranordnung aine wandernde magnetische Welle aufbaut, die im wesentlichen die Lineargeschwindigkeit ±e^ festen Feldmagnetwelle anpasst, die durch die Felderregerspule des Linearsynohronmotors aufgebaut wird. In Übereinstimmung mit bekannten elektromagnetischen Prinzipien sind dann die Statormagnetwelle

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und die Feldmagnetwelle mit bezug aufeinander stationär und durch einen Versetzungs- oder Phasenwinkel Delta ((J ) voneinander getrennt. Der Linearsynohronmotor 10 nach der Erfindung entwickelt ein gewünschtes "Drehmoment" oder einen gewünschten Schub, da die Stator- und die Feldmagnetwellβ sich auszurichten suchen. Wenn die Staormagnetwelle der Feldmagnetwelle Tor eilt, wie üblioh, wird das gewünschte Drehmoment oder der gewünschte Sohub zwischen dem Staor und dem Eotor des Linear synohronmo tors 10 entwickelt. Die Zusammenarbeit zwischen ftem Kommutator 76 und dem Frequenzumsetzer 78 kann auch zum Betrieb des Motors bei einem gewünschten Leistungsfaktor oder einem Voreil- oder Nacheilfaktor verwendet werden.

Das wandernde Flussfeld oder die Statormagnetwelle und das feste Flussfeld oder die Feldmagnetwelle sind in Fig. 6 in vereinfachter Sinusform dargestellt. Das wandernde Flussfeld oder die Statorwelle 84 und das feste Flussfeld oder die Feldwelle 86 kombinieren sich elektrisch zu einer resultierenden Welle 88. Die resultierende magnetomotorische Kraft oder der Sohub T ist proportional dem Produkt der Amplitude der resultierenden Welle 88, die den resultierenden Fluss 0_R darstellt, der magnetomotorischen Kraft P der Feldwelle 86 und dem Sinus des Versetzungswinkels Cl gj.· zwischen deu resultierenden Fluss #r und der magnetonotorisohen Feldkraft F, die im wesentlichen konstant und etwas geringer als 90 Grad is-. Dies führt zu der Beziehung

T β K0_EF

Diese Beziehung ergibt sich, wenn die Statorwelle 84 und die Feldwell· 86 mit bezug aufeinander im wesentlichen stationär gehalten werden.

Di» magnetomotorisohe Feldkraft J und der resultierende Fluss 0L sind direkt auf die Feldspannung Bg und die Statorklemmenspannung T^ bezogen. Auf diese Weise wird der Versetzungswin-

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(vgl. Jig. 12) bei jeder Drehzahl oder Frequenz im wesentlichen konstant gehalten. Dies gilt nicht nur für alle positiven Werte der Drehzahl und der Frequenz, sondern auch . bei der Bedingung Null oder der AnI auf be dingung des Linearsynchronmotore. Bei der Drehzahl Null, d.h. bei Anlaufbadingung, wird die Frequenz auf Null herabgesetzt, d.h.. auf im wesentlichen Gleichst romerregung. Jedoch fühlt der Kommutator 76 bei der Drehzahl Null nach die Drehzahl und Stellung des Linearrotors aud es ist noch eine mehrphasige elektrische Eingangsleistung für den Frequenzumsetzer 78 vorhanden. Die Statorstromverteilung und die Magnetwelle 84 längs des luftspaltes des Stators ist noch annähernd sinusförmig und räumlich von der Feldmagnetwelle 86 um etwa 90 Grad (oder um einen an&ezen. ausgewählten Winkel) versetzt. Auf diese Weis· sind bei der Drehzahl Null die Statorwelle 84 und die Feldwelle 84 mit bezug aufeinander wieder stationär und durch eine begrenzte Versetzung voneinander getrennt. Diese Bedingungen für positiven Schub sind daher erfüllt und es ergibt sich die gewünschte magnetomotorische Anlaufkraft oder der Schub. Eine Umkehr des Linearsynchronmotors nach der Erfindung ist durch einfache Umkehrung des Felderregerstromes von der Feldversorgungsquelle 70 zu der Felderregerspule 28 möglich. Bs ist zu beachten, dass die Statoranordnung und die Feldpolanordnung des Linearsynchronmotors nach der Erfindung stationär oder fest sein können, so dass der Linearrotor bewfjbar ist.

Wie sich aus der vorstehenden Beschreibung ergibt, sind bestimmte Aspekte der Erfindung nicht auf besondere Einzelheiten des dargestellten Aufbaus eingeschränkt. Andere Modifikationen und Anwendungen sind dem Fachmann möglich.

Aus fig. 7 ist ersichtlich, dass die Erfindung in diesem Fall in Form eines Linearsynchronmotors vorliegt, der allgemein mit

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110 bezeichnet ist und eine Statoranordnung 112 aufweist, die mit der Feldpolanordnung 114 zusammenarbeitet, welche in Abstand von der im wesentlichen zylindrischen Eotüranordnung 116 angeordnet ist Die Steueranordnung 112 umfasst einen geschichteten Kern 118 und Statorleitungswieklungen 120 und kann einen Feidflusa durch die Mitte des Kernes 118 erzeugen. Die Statoranordnung 112 ist in Abstand zu dar Feldpolanordnung angeordnet _ψ so dass diese nicht mit der Feldpolanordnung magnetisch gekoppelt ist. Beide Einheiten 112 und 114 sind in Segmente unterteilt, die den Rotor 116 nicht vollständig umgeben. Die Feldpolanordnung 114 hat einen Eahmen 122 mit geeignet ausgebildeten Polen 124 und 126 und eine Erregerspule 128, die um den Mittelabschnitt 130 des Rahmens angeordnet ist. Es ist ersichtlich, dass der Eahmen 122 und die Polelemente und 126 andere, von der dargestellten Form abweichende Gestalt haben können, Dariiberhinaus kann die Felderregerspule 128 in einigen Fällen durch einen oder mehrere Permanentmagnete ersetzt werden, um einen Feldfluss in der unten beschriebenen Weise zu erzeugen. Die vorstehend genannten Elemente arbeiten in derselben Weise wie die entsprechenden in Zusammenhang mit den Pig, 1 bis 4 diskutierten Elemente.

Wie aus Pig, 7 zu ersehen ist, haben die Feldpolelemente 124 und 126 im wesentlichen identische Form und Kontur, Die Statoranordnung 112 und die Feldpol elemente 124 und 126 sind ι von der Eotoranordnung 116 getrennt, die von zylindrischer Form ist und eine im allgemeinen der Krümmung ^eT Feldpole 124 und 126 entsprechende Krümmung hat. Der Eotor 116 umfasst eine Vielzahl verlängerte, im wesentlichen parallele und voneinander getrennt· Vorsprünge 132, die sich von einer gemeinsamen Halterung 134 erstrecken, und eine Vielzahl entsprechender Vorsprung« 36, die sich von einer zweiten gemeinsamen Halterung 138 erstrecken, wobei die Vorsprunge der Elemente 134 und 138, wie in Fig. 7 als Beispiel dargestellt, wie Finger ineinandergreifen. Für dien

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Fachmann ist ersichtlich, dass die Teile 132 und 134 ein erstes magnetisches Glied bilden, während die Teile 136 und 138 zusammen ein zweites magnetisches Glied bilden. Beide Glieder sind dadurch in fester Beziehung gehalten, dass ein steifer Hing 140, wie aus Fig. 8 ersichtlich, ständig damit verbunden ist, wobei die Teile 132, 134, 136, 138 und 140 eine einzige einheitliche Baumasse bilden, die sich um ein Rotationsζentrum drehen kann, wie unten beschrieben wird. Sin Luftspalt 142 zwischen jedem benachbarten vortretenden Magnetvorsprung 132 und 136 ist ausreichend lang, um magnetischen Leckfluss zwischen de^ genannten Vorsprüngen während des Betriebs des Motors IO zu eliminieren. Der Hing 140 ist in geeigneter Weise nichtmagnetisch, wie eine Nickelbasislegierung, Kunststoff, Keramik oder dgl«

Aus Fig. 7 ergibt sich, dass durch Erregung der Felderregerspule 128 über eine geeignete Gleichstromquelle ein magnetisches Feld erzeugt wird. B&ee Bas so durch die Spule 12S innerhalb des Mittelabschnittes 130 des Eahmens 122 erzeugte Flussfeld hat eine im allgemeinen der Form des Rahmens 122 entspsechende Form und ist so nach unten durch den Polabschnitt in aen Eotor 116 in einen begrenzten Bereich der Halterung oder einen der Vorspriinge 136 gerichtet. In jedem Fall verläuft der Fluss durch wenigstens einen Teil der vortretenden Magnetvorsprünge 136 und in den Statorkern 118 infolge der Magnetkraft, die aich aus der Erregung 4e^r Feldspule 128 ergibt. Es ist zu verstehen, dass der Statorkern 118 einen Flusspfad für ein zweites Magnetfeld schafft, das durch die Statorwifclungen 120 erzeugt wird, wobei das erwünschte Flussfeld nach unten in einen der vortretenden magnetischen Vorsprünge I3ß gerichtet ist. Die Vorsprünge 136 haben eine magnetische Polarität, die der des Vorsprungs 132 entgegengesetzt ist. Der Flusspfad setzt sich durch wenigstens einen Teil des Vorsprungs 132 fort fe&e und erreicht das Halteelement 134 und wandert hindurch, erreicht den Feldpolabachnitt 126 und setzt sich zu dem.

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Mittelabschnitt 130 des Rahmens 122 hin fort, so dass der Felderregerkreia Terrollständigt wird.

Aus Pig, 8 ist zu ersehen, dass die oben erläuterte und in Pig. 7 dargestellten Prinzipien und Aufbauten beispielsweise in einem Schiffsantrieb eingefügt sind, wie in Pig. 8 und 9 dargestellt ist· Der erwähnte Schiffsantrieb umfasst ein ringförmiges G-ehäuse 170 mit einer hydrodynamischen Porm mit geringem Widerstand, das eine Führungskante 172 und eine Auslaufkante 174 hat und an einer schwenkbaren Welle 176 befestigt ist. Bin· Bootsschrau.be 178 ist um eine Rotorachse längs einer in der Mitte verlaufenden Propellerwelle 180 drehbar, die mit Lagern 182 an jedem Snde der Welle gehalten ist· Die Lager sind stationär mit dem G-ehäuse 170 m ittels zwei oder mehreren Streben 184 gemäss Pig. 8 gehalten. Jede Blattspitze des Propellers 178 ist ständig an einem im wesentlichen zylindrischen Botorelement 116 an geeigneten Stellen durch einen steifen Befestigungsring 140 angebracht, der wiederum an den fingerartigen Tortretenden KagnetYorsprangen des Rotors befestigt ist. Dl· Statoranordn ung 112 und die Feldanordnung 114 sind nicht zylindrisch, sondern Segmente eines Zylinders. Zwei getrennte Einheiten sind diametral gegenüberliegend um den Rotor 116 gelegen und bei der Ausführungsform nach Pig. 8 daron getrennt. Dl· betriebsmässige Beziehung zwischen den Teilen 112, 114 und 116 nach rig. 8 ist identisch, mit den entsprechenden oben in Zusammenhang mit Pig. 7 erläuterten Teilen, Jedoch können bei der Aueführungsform nach Fig. 8 die Statoranordnung 112 und die Feldanordnung 114 zusammen mit ihren Yerschiedenen Teilen mit irgendeienem geeigneten porösen magnetischen Kunststoff oder einem anderen leichten Material 186 umschlossen sein, das wiederum rollständig in irgendete wasserdichte Schicht 188 nach Pig. 8 eingeschlossen ist. Der Kunststoff 186 kann beispielsweise aus Styroschaumstoff oder zellenförmigem Kunststoff bestehen, während die Schicht 188 aus Kohellak oder ei-

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ner dümnen Schicht Polyäthylen oder dgl· bestehen kann. Der in Pig. 8 dargestellte Aufbau kann so ein einem Boot 190 befestigt werden, wie die Fig· 9 zeigt, wobei die schwenkbare Welle 176 nach Art eines Huders mit der Steuerung verbunden ist. Es ist in diesem Fall keine wasserdichte Propellerwelle, wie bei üblichen Innenbordmotorbooten, für die Welle 180 notwendig, da die Welle die Bofctsumhüllung nicht durchdringt. Darttberhinaus ist ersichtlich, dass eine Richtungssteuerung bei dem Aufbau nach Fig. 8 und 9 durch Drehung aer Welle 176 sogar ohne jede Vorwärtsbewegung des Bootes, wie sie bei d.&o. meisten Buderrorriohtungen notwenig 1st, möglich ist_f Auch können, wenn in irgendeinem Fall höh· Leistung erforderlich ist, zusätzliche Segmentmoduleinheiten für Stator- und FeIdspulenanordn ungen 112 und 114 anstelle von nur zwei Einheiten verwendet werden«'

Der in Fig. 7 dargestellt· und oben erläutert· Motor 110 kann auch für Fahrzeugräder und dgl. verwendet werden, wi· dl· Figuren 10 und 11 zeigen, wo der Rotor 116 in einem Felgenelement 194 angebracht ist, auf dem ein Fahrzeugreifen 196 in üblioher Weise befestigt ist. Sine Halterung für das Bad 198 nach Fig. 10 wird in Fig. 11 geschaffen, wobei das Beaugazeichen 200 einen steifen, nicht drehbaren Fahrzeugaufbau einschileset und eine Befestigungswelle 202 für das E«d 198 gezeigt ist· Das Bad 198 umfasst eine Nabenanordnung 204, dl« drehbar auf ί·τ Well· 202 durch geeignet· Mittel, wie Bollenkager 206 gelagert und durch Haltevorrichtungen in Form einer Badmutter 208 gehalten ist· Sie Nabe 204 hat einen radial verlaufenden Abschnitt 210 an dem der Rotor 116 starr befestigt ist, wobei eine Rotation des Bades 198 um ein Rotationszentrum durch die Welle 202 ein· Rotation de* Reifens 196, der Felge 194, des Botors 116 und der Nabe 204 einsohliesst, wobei die Antriebskraft zur Drehung des Botors 116 sich aus der elektrischen Erregung einer in Segment· unterteilten Statoranordnung 112 und einer an dem

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Aufbau 200 befestigten una dazu stationären Peldanoranung 114 ergibt. Sas Had 198 kamt in Tielen Fahrζsugarten Tarwendet werden, beispielsweise anstelle des Rades W in dem fahrzeug nach Pig· 5 δ.·τ USA-Patentschrift 2 421 35I₁ herausgegeben am 29, Mai 1947·

Di» Anwendung der Erfindung, insbesondere, des Motors 110 nach Pig, 7 in Verbindung mit,einem Schwungrad oder einer Bnergiespeichermass· 200 ist aus Pig· 12 ersichtlich, sie Schwungscheibe 220 kann Terhältnismässig schwer um ihren Umfang sein durch Anbringen einer wesentlichen Materialmass· an dem im wesentlichen zylindrischen Eotor 116 oder durch Herstellung des Rotors aus Terhältnismässig schwerem, magnetischem Metall oder einer Legierung, um eine gross« Trägheit &ex rotierenden Hass· Torzusehen· sas Schwungrad 220 ist an der Welle 222 befestigt und durch Lager 224 an jedem Ende davon in geeigneter Weise gehalten, wie in Pig, 12 dargestellt· sie Betriebsmerkinale des Motors 110, wie oben in Verbindung mit Pig· 7 erläutert^ sind bei allen Ausführungsformen dieselben und das Schwungrad 220 entspricht beispielsweise der Anordnung nach Pig. 8, mit der Ausnahm·, dass der Propeller 178 durch Streben 226 ersetzt ist, G-θ eigne te bekannte. Mittel (nicht dargestellt) können zur Aufnahm· τοη Energie το η dem Schwungrad 220 durch eine betriebsmassige Verbindung mit der Well· 222 Torgesehen werden.

Alle erläuterten Ausführungsformen sind durch ein einheitlich hohes Anlaufdrehmoment und gleichmässige Leistung gekennzeichnet. Bei allen Ausführungsformen können zusätzlich., in Segmente unterteilte Einheiten oder Moduleinheiten der Stator- und Peldwicklungsanordnung 112 und 114 rerwendat werden, anstatt nur einer in den Figuren dargestellten Einheit, Jedes Segment kann etwa 10 - 20 G-raa τοη insgesamt 360 Q-rad eines Kreises umfassen, der durch δ.9Ώ. Rotor 116 in einem Pail gebildet ist und ein einziges derartiges Segment reicht für massige Leistung

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aus. Zusätzlich, zu der Vielseitigkeit hinsichtlich, der Ausgangsleistung ist inebesonder· die Anordnung naoh Tig· 8 und 9 besonders Torteilhaft als Antriebssystem bei Truppentransporten und Kriegsschiffen· Das Wegfallen τοη Zahnradgeräusoh beseitigt den grösaten Teil einer Bntdeokungagefahr duroh feindliche Unterseeboote oder Torpedoeinwirkung und dgl·« die τοη Sonarerjnittlung oder τοη anderer Schallortung abhängt« Bei der Anwendung in tieftauchenden Unterwasserfahrzeugen hat das , Antriebssystem nach fig, 8 beispielsweise keine Betriebseinsohr&nkungen mit bezug auf die Tief*. Bs können extrem hohe

j Differenzdrucke zwischen der Innen- und Aussenselte Torhanden sein, ohne dass bei der getauchten Hülle nach der Erfindung irgendwelche Diohtungsprobleme auftreten, wie bei der Duroh-

j dringung einer Hülle durch die Welle« Darüberhinaus werden

j Geräusch, Schwingungen und Stossbelastungen, die bei grossen Leistungen auftreten, starke Zahnradbelastungen und lange Antriebswellen in modernen F assagier schiff en, besonders bei schwerer See, wenn die Sohiffssohraube periodisch zwischen den Wellen aus dem Wasser gehoben wird, beträchtlich Termindert_f wenn das Antriebssystem nach Fig. θ τ erwendet wird. Andere Torteile einsohliesslioh aatellitenausriohtung durch Ereiaelrorxichtungen, wie in Tig_f IS beispielsweise rorgeschlagen, sind dem !Fachmann möglich« Semgemttss sollen die anliegenden Patentansprüche solche Modifikationen und Anwendungen decken, die nicht rom Brfindungsgedanken und Tom Brf indungsb er eich abweichen«

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   ^ Linearsynchronmotor, gekennzeichnet durch ein« Statoranordnung, die ein wanderndes Magnetflussfeld erzeugt, eine anoranung, die ein festes Magnetflussfeld erzeugt, und durch eine Linearrotoranordnung, die ron der Statoranordnung und der Feldanoranung getrennt ist, um getrennte Felderregerpfade für das fest« Magnetflussfeld zwischen der Feldanordnung und der Itatoranordnung zu schaffen, wobei das feste Hagnetflussfeld und Aas wandernde Magnetflussfeld in Wechselwirkung stehen und •ine magnetomotorieohe Kraft oder einen Sohub zwisohen der S tat or anordnung and der linear rohranordnung entwickeln«

   2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Line»rrotüranordnung wenigstens erst« und zweite magnetische Glieder umfasst, die entgegengesetzte magnetische Polarität aufweisen, von denen jedes in geeigneter Weise ausgebildet ist, um eine Vielzahl voneinander getrennter, magnetisch verbundener vortretender Magnetpolatüoke zu begrenzen^ wobei das erste Magnetglied benachbart and in Abstand von d©sa zweiten magnetischen Glied angeordnet ist und wobei mit den vertretenden Magnetpolatuoken des ersten magnetischen Gliedes die vortretenden Magnetpol stücke des zweiten magnetischen Gliedes fingerartig ineinandergreifen·

   9, Motor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gei^anzeichnet, dass die Peldanordnung aus einem U-förmigen Aufbau besteht, dessen f ohenkelteile senkrecht gegen and von der Idnearrotoranordnung getrennt verlaufen and Feldspulen anordnungen auf dem U-fÖrmigen Aufbau gewickelt sine.

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   4. Mo tor nach. Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass äi® Statoranordnung fest innerhalb der U-förigen Feldanordnung und magnetisch davon isoliert angeordnet ist,

   5· Motor nach einem der Ansprüche 1-4, gekennzeichnet durch eine Feldpolanordnung in fester Beziehung zu der Statoranordnung zum Srzeugen eines magnetischen Fluaspfades, wobei die Linearrotoranordnung το η der Statoranordnung und der Feldpolanordnung getrennt ist, die Linearrotoranordnung aus einer Vielzahl voneinander getrennter Magnetstücke besteht, von denen benachbarte Magnetstücke entgegengesetzte magnetische Polarität aufweisen und magnetische Verbindungsteile die Magnetstücke mit gleicher Polarität verbinden, wobei die Linearrotoranordnung wenigstens einen Felderregungspfad für das feste Magnetflussfeld zwischen der Feldpolanordnung und der Statoranordnung erzeugt, das feste Magnetflussfeld und das wandernde Magnetflussfeld in Wechselwirkung stehen und eine magneto» motorische Kraft oder einen Schub zwischen der Statoranordnung un* der Rotoranordnung entwickeln.

   6· Motor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass di® genannten Magnetpolstiick· aus einer Vielzahl voneinander getrennter vortseten&ar Polstücke bestehen.

   7. Motor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Statoranordnung in geeigneter Weise von einer mehrphasigen Energiequelle und die Faldspulenanoranung von einer G-leioh-?- . stromquelle erregt werden.

   8. ilotor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Hotor für sine sahnradfreie Antriebsanordnung im wesentlichen. zylindrisch ist, eine Vielzahl im wesentlichen parallele, voneinander getrennte verlängert«» Vorsprünge

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   Mittel vorgesehen sind, um &exL Rotor zur Drehung um eine Rotationsachse zu halten, dass die Statoranordnung arbeitsmässig auf den Rotor bezogen ist, um die wandernd· Magnetwelle aufeinanderfolgend durch die Vorsprünge zu erzeugen, dass die Faldanardnung arbeitsmässig auf den Hotor bezogen ist, um die feste 'Magnetwelle aufeinanderfolgend·-durch diö Vorspränge zu erzeugen, und dass der Motor weitere elektrische Spaisecjuallen umfasst, um die Statoranordn ung bei einer vorherbestimmten !Frequenz intermittierend zu erregen»

   9. Motor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass dia genannte Halterung eine mittige verlängerte Welle einschliesst, die mit der Rotationsachse konzentrisch ist, dass Haltalager an federn Bn^.9 der Welle angeordnet sind und Verstrebungen die Walle, mit dem Botor verbinden.

   10. Motor nach einem e.QX Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor für einen zahnradfraien Antrieb zylindrisch und fingerartig ausgebildet ist, dass Haltelager zum drehbaren Halten des Rotors um eine Achse vorhanden' sind, tass die IPeldanordnung arbeitsmässig der Statoranordnung zugeordnet ist, dass der Motor weiterhin Befestigungsmittel hat, um dia Statoranordn ung und die Feldanordnung im Verhältnis zum Rotor stationär zu halten, und dass eine Antriebsanordnung an dam Rotor befestigt und damit drehbar ist, um den Motor längs eines Bewegungspfades anzutreiben. ,

   11. Motor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebsmittel aus einer Schiffsschraube mit einer Vielzahl von Blättarn besteht, die mit dem Rotor an ihren Spitzen verbunden sind, wobei die Schiffsschraube um dieselbe Rotationsachse wie der Rotor drehbar ist.

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   12. Kotor nach Anspruch 10,- dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebsmittel aus einer Felge besteht, die an dem Eotor be*.

   festigt ist und auf die ein Seifen montiert ist, dar auf einer ' Strassenoberfläehe abrollen kann,

   13· Motor nach einem der Anspräche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass fur einen Bootsantrieb ein im allgemeinen zylindrisches wasserdichtes Gehäuse entahalten ist, Mittel das Gehäuse mit dem Boot verbinden, eine Schiffsschraube axial

   j in dem Gehäuse zentriert ist, die eine Vielzahl Blätter auff - "

   weist, dass der Botor ein fingerartiger metallischer Rotor ist, der an δ,βη äusseren Spitzen der Blätter befestigt ist und eine Vielzahl im wesentlichen parallele, voneinander getrennte, verlängerte magnetische Yorsprünge hat, dass die Statoranordnung eine in dem Gehäuse befestigte und dem liotor arbeitsmössig augeordnete Statorspul· umfass, um eine wandernde üagnetwelle in dem Botor'zu erzeugen, und dass die- Feldanordnung aus einer in dem Gehäuse befestigten und arbeitsmässig bezogenen Feldspule besteht, um sin« stationär« magnetische Welle in dem Botor zu erzeugen, dass der Motor ferner Lager einschliesst, die mit dem Gehäuse verbunden sind, um die Antriebsschraube relativ zu dem Gehäuse drehbar und 3.en Rotor davon getrennt und nahe dem Gehäuse zu halten, und dass elektrische Jänergieleitungan vorhanden sind, um die Statorspulenanordnung mit elektrischem Strom mit vorherbestimmter Frequenz zu speisen.

   14. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass für einen in einem Bad mo ti art en Antrieb für ©in Fahrzeug eine hohle Badnabe an einer mittigen Welle zur Rotation um eine Achse enthalten ist, dass eine Felge an ß.&x Hiabe

   befestigt ist, und dass auf der Felge ein Keifen angeordnet ist dass der Hotor fingerartig im wesentlichen zylindrisch und

   mit der Felge verbunden ist und eine Vielzahl im wesentlichen . parallele, getrennte verlängerte Vorsprünge hat, dass der Mo-

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   tor ferner eine Halterung in der hohlen Nabe hat und mit dem Fahrzeug τerbunden ist, dass die Statoranordnung in Segmente unterteilt auf d«r Halterung befestigt und arbeitsmässig dam So tor zugeordnet ist, um die wandernd· Magnetwell· in dem Eotor zu erzeugen, dass die Feldanordnung in Segmente unterteilt und aus Feldpolen besteht, die an der Halterung befestigt und antriebsmässig dem Motor zugeordnet sind* um eine feste Magnet well· in dem Ho tor zu erzeugen, wobei die wandernd· und die fest· Magnetwell· elektromotorische Kraft erzeugen, um Drehung der Botüranordnung, der Radnabe, der Felge und des Reifens um die Eotationsach.se zu bewirken,

   15· Linear ro tor für einen Linearsynchronmotor, gekennzeichnet durch wenigstens erst· und zweite Magnetglieder, die entgegengesetzt· magnetisch« Polarität aufweisen, wobei das erste Magneti·** oenaohbart und getrennt son dem zweiten Magnetglied angeordnet ist, und wobei die Magnetpolstücke des ersten Magnetgliedes fingerartig jsit ä$n Magnetpolstüoken d«a zweiten Magnetgliedes ineinandQS^^if®^ ^so dass die Botüranordnung getrennt· Felderregungspfad®

   16. Irinearrotor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das erst· und das zweite Magnetglied geeignet ausgebildet sind, um eine Yielzahl Yoneiaan&tr getrennter und magnetisch rerbund«n· Torstehende Magnetpolstücke zu bilden.

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