DE2008611B2

DE2008611B2 - Linear-synchronmotor

Info

Publication number: DE2008611B2
Application number: DE19702008611
Authority: DE
Inventors: Junpei Yokohama Inagaki (Japan)
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1969-02-24
Filing date: 1970-02-24
Publication date: 1977-03-17
Also published as: FR2033037A5; JPS5419962B1; GB1299956A; DE2008611C3; US3594622A; DE2008611A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Linear-Synchronmotor mit einer Rückstoßschiene, die aus zwei kammartiger Teilen zusammengesetzt ist, welche jeweils ein Joch und eine Vielzahl von Polen aufweisen, mit mindestens einem gegenüber der Rückstoßschiene bewegbaren eine Mehrphasenwicklung aufweisenden Anker unc mindestens einer Erregereinrichtung zur Magnetisierung der Pole der Rückstoßschiene.

Bei einem derartigen, aus der US-PS 32 65 911 bekannten Linear-Synchronmotor stehen die Pole det kammartigen Teile nicht in direktem magnetischer Kontakt zueinander; sie sind außerdem so angeordnet daß in Fortbewegungsrkhturif; gesehen die Pole dei beiden kammartigen Teile um eine halbe Polteilun^ versetzt sind, also untereinander abwechseln. Die Pole werden über einen Permanentmagneten konstani erregt. Das Erregerfeld schließt sich über das erste Joch dessen Pole, den Anker, die Pole des zweiten Jochs unc das zweite Joch. Der bekannte Motor ist für relativ kurze Hübe gedacht.

Es gibt für den Antrieb elektrischer Fahrzeuge zwe exemplarische Arten von Linear-Motoren, einen linea ren Induktionsmotor einerseits und einen linearer Synchronmotor andererseits. In der Fachwelt ist e; bekannt, daß der Linear-Indukttonsmotor unerwünscht« Anlaufeigenschaften aufweist, außerdem ist es schwie rig, eine größere Luftspaltlänge zwischen der Rückstoß schiene und dem Anker vorzusehen, ohne einen Abfal des Wirkungsgrades im Kauf zu nehmen. Wird daher eir linearer Induktionsmotor als Antriebseinheit für elektri sehe Fahrzeuge vorgesehen, so sind einige Schwierig keiten zu erwarten, die sich aus dem erfordernd schmaleren Längsluftspalt ergeben, wenn der Wager durch ein gebogenes Schienenstück fahren soll, odei wenn der Wagen etwas schaukelt oder schlingen.

Andererseits weist der Linear-Synchronmotor eben falls einige Probleme auf, da entweder Erregerwicklun gen entlang der Schiene oder längs dieser Schient verlegte Permanentmagnete vorgesehen werden müs sen, um abwechselnd verschiendene Polaritäten de Magnetpole zu erhalten, die aufeinanderfolgend it Längsrichtung der Rückstoßschiene angeordnet seit müßten. Es erscheint zu teuer, Erregerwicklunget entlang der Schiene vorzusehen, und auch di< Anbringung von Permanentmagneten entlang de Schiene erscheint für die Herstellung einer solche!

Rückstoßschiene zu kompliziert. Beim Linear-Synchronmotor läßt sich jedoch ein höherer Wirkungsgrad erreichen als beim Linear-Induktionsmotor, obgleich für den Längsspalt größere Breiten zulässig sind als im erstgenannten Fall.

Es ist somit Aufgabe der Erfindung, einen Linear-Synchronmotor mit gutem Wirkungsgrad und niedrigen Herstellungskosten zu schaffen.

Diese Aufgabe wird bei einem ünear-Synchronmotor der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die kammartigen Teile unter Aufrechterhaltung eines magnetischen Luftspaltes derartig ineinandergreifen, daß die Pole in Längsrichtung der Schiene mit abwechselnder Polarität aufeinanderfolgen, und daß die Erregereinrichtung eine Gleichstromerregereinrichtung ist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen in mehreren beispielsweisen Ausführungsformen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt in Seitenansicht eine gemäß der Erfindung ausgebildete Rückstoßschk.ne;

Fig. 2 zeigt einen Schnitt entlang der Linie 2-2 in Fig. 1:

F i g. 3 zeigt relative Zuordnungen einer Rückstoßschiene, eines Ankers, einer zugehörigen Ankerwicklung und einer für die Rückstoßschiene bestimmten Gleichstromerregereinrich tung;

Fig. 4 zeigt eine der Fig. 3 ähnliche Anordnung, jedoch in Vorderansicht in Verbindung mit einem elektrischen Fahrzeug, wobei Teile im Schnitt oder Teilschnitt gezeigt sind;

Y 1 g. 5 zeigt eine weitere Ausführungsiorm der Erfindung, bei der ein Paar Gleiehstromerregcreinrich-Uingen und ein Ankerpaar auf gegenüberliegenden Seiten einer Rückstoßschiene einander zugeordnet sind;

F i g. b zeigt eine Schnutansicht entlang der Linie 6-6 in Fig. 5, wobei teilweise im Schnitt und teilweise weggebrochen ein dem in Fig. 4 gezeigten ähnliches Elektrofahrzeug dargestellt ist;

Fig. 7 zeigt einen Schnitt entlang der Linie 7-7 in Fig. 5;

F i g. 8 zeigt einen Linear-Synchronmotor gemäß der Frfindimg in Seitenansicht;

Fig. 9 veranschaulicht ein vereinfachtes Schaltbild, das den Ankererregerkreis des Linear-Synchronmotors verdeutlicht; und

F i g. 10 zeigt in Seitenansicht eine erfindungsgemäße Ausführungsform einer Rückstoßschiene.

In Fig. 1 ist mit Bezugszeichen 10 eine Rüekstoßschiene bezeichnet, die zwei sich längs erstreckende kammartige Teile U und 12 aus magnetischem Material, beispielsweise aus Gußstahl aufweist.

Die kammartigen Teile 11 und 12 bestehen jeweils aus einem sich längs erstreckenden Joch 13 h/w. 15 und einer Anzahl mit dem |och einstückig verbundener Pole 14 bzw. 16, die längs des Jochs in Abstand voneinander angeordnet sind. Beide Teile Π und 12 sind so miteinander verzahnt, daß die Pole 14 des Teils 11 zwischen den Polen 16 des Teils 12 zu liegen kommen, und zwar so, daß zwischen den Polen und Jochen ein /ickzackförmiger Luftspalt 17 frei bleibt. Der Zickzack förmigc Luftspalt ist mit einem nichtmagnetischen Band 18, beispielsweise glasfaserverstärktem Polyester, Aluminium, synthetischem Kautschuk oder Beton ausgefüllt, um eine Berührung und damit einen magnetischen Kurzschluß zwischen den beiden Teilen 11 und 12 zu verhindern.

Bei Verwendung eines glasfaserverstärkten Polyestermaterials bei der Herstellung der Rückstoßschiene wird das Band 18 in halbhartem Zustand auf das unter Teil 12 aufgebracht. Darauf wird das obere Teil 11 darüber angeordnet und die Anordnung wird bis auf ein vorbestimmten Abmaß zusammengepreßt. Die Anordnung wird dann zur vollständigen Aushärtung des Bandmaterials einer Wärmebehandlung unterworfen. Um die Teile 11 und 12 und das Band 18 besser miteinander zu verbinden, werden vorzugsweise die Flächen der Teile 11 und 12, die am Band 18 haften sollen, mit vielen Ausnehmungen versehen.

Es ist auch vorstellbar, daß die beiden Teile 11 und 12 zunächst in die vorbestimmte Lage zueinander gebracht werden, worauf die gegenseitige Verbindung dann durch Eingießen von z. B. Aluminium in den zickzackförmigen Luftspalt 17 erfolgt. Auch in diesem Fall werden vorzugsweise Ausnehmungen auf den mit dem Aluminium in Berührung kommenden Flächen der Teile

11 und 12 vorgesehen, so daß das geschmolzene Aluminium zur besseren gegenseitigen Verbindung der Teile darin eindringen kann.

Wie aus F i g. 2 ersichtlich, sind die Pole 16 des Teils

12 und ebenso die Pole 14 des Teils 11 etwas breiter als die übrigen Teile. Es brauchen also nur die vorstehenden Flächen der Pole 16 spannabhebend feinbearbeitet, z. B. geschliffen werden, um exakte Polflächen zu erhalten. Hierdurch können die Herstellungskosten für die Rückstoßschiene wesentlich vermindert werden.

Wie die F i g. 3 und 4 zeigen, kann die Rückstoßschiene 10 aufrecht auf der Erdoberfläche 19 auf einem Betonsockel 20 befestigt werden. Wie F i g. 4 zeigt, ist an der Unterseite eines Fahrzeugs 22 eine Gleiehstromerregercinrrhtung 21 über eine Halterung 27 nach unten hängend angeordnet. Die Gleichstromerregereinrichtung 21 weist einen Magnetkern 28 mit zwei Schenkeln 23 und 24 auf, die der Rücksloßschiene zugewandt sind und durch relativ schmale Luftspalte von den Seiten der loche 13, 15 der Rückstoßschiene 10 getrennt sind. Weiterhin ist eine Gleichstromerregerwicklung 25 um einen Jochabschnitt 26 des Magnetkerns 28 gewickelt.

Auf der anderen Seite der Rückstoßschiene 10 ist ein Anker 29 vorgesehen, der über einen Träger 37 an der Unterseite des Fahrzeugs 22 hängt und einen linearen Ankerkern 30 aufweist, dessen eine Seitenfläche den Polflächen der Pole 14 und 16 gegenüberliegt und von diesen Polen durch einen relativ schmalen Luftspalt getrennt ist. Der Ankerkern trägt eine den Polen 14 und 16 zugewandte Mehrphasenankerwicklung 31.

Das Fahrzeug 22 ist in bekannter Weise mit Wellen 32 und Rädern 33 und 34 versehen, die auf Schienen 35 und 36 laufen.

In Fig. 3 erstrecken sich der Ankerkern 30 und die Schenkel 23 und 24 in Längsrichtung der Rückstoßschiene über 4 Pole, also zwei Polpaare, hinweg. Zur Vereinfachung der Darstellung ist nur ein Phasenstrang der Ankerwicklung 31 gezeigt. Ebenfalls aus Gründen der einfacheren Darstellung ist die Wicklung 31 nur mit einer einzigen vollen Windung gezeigt. Es kann jedoch eine beliebige, geeignete Wicklungsform vorgesehen werden, beispielsweise eine Schleifenwicklung, eine Kettcnwickliing oder auch eine geeignete gesehntc Wicklung.

Wird die Gleichstromerregerspule 25 erregt, so schließt sich der von der Spule 25 ausgehende Magnetfluß über den Schenkel 23, den Luftspalt /wischen dem Schenkelende 23 und dem Joch 13 der Riickstoßschiene, das Joch 13, die Pole 14, den zwischen den Polen 14 und dem Ankerkern 30 bestehenden

Luftspalt, den Ankerkern 30, den zwischen dem Ankerkern 30 und den Polen 16 gebildeten Luftspult, die Pole 16, das joch 15 und den zwischen dem Joch 15 und dem Schenkel 24 gebildeten Luftspalt. Auf diese Weise weiden alle Pole 14 zu Nordpolcn, während alle Pole 16 zu Südpolen werden.

Es ist damit ersichtlich, daß bei dem in F i g. 3 durch Pfeile angedeuteten Stromfluß durch die Ankerwicklung 31 diese einer elektromagnetischen Kraft ausgesetzt werden, die den Kern 29 und das mit dem Kern verbundene Fahrzeug ein Stück nach links verschiebt. Durch Umschalten des Stromes auf die nicht dargestellten nächsten Phasenstränge der Ankerwicklung 31 kann eine ständig wirkende elektrodynamische Kraft erzeugt werden, die den bewegten Anker 29 kontinuierlich weiter antreibt.

Um die Ankerwicklung zwangsweise genau in der richtigen Stellung des Ankers umzuschalten, wird vorzugsweise die in F i g. 9 dargestellte Steuereinheit verwendet.

In Fi g. 9 ist das Fahrzeug 22 durch einen Block mit strichpunktierter Linie dargestellt, der einen einphasigen Wcchselstromvollwcggleichrichter 38 aufweist, dessen Wechselstromeingangsklemmen 39 an eine Wechsclstromquclle beispielsweise einen Trag- oder Streckendraht oder eine dritte Schiene und eine Masseoder Erdleitung angeschlossen sind. Der Vollweggleichrichter 38 kann durch Thyristoren gebildet sein und erzeugt Gleichspannung für einen Drehphasenthyristorwechsclrichter 40 mit zwangsweiser Kommutierung, der 6 Thyristoren aufweist, die in einer Dreiphasenvollwegbrüekenschaltung41 verbunden sind; weiterhin isi ein Zwangskommutierungskreis 42 angeschlossen. Dem Fachmann ist bekannt, daß der Zwangskommutierungskreis 42 zur Sperrung der Thyristoren der Brückenschaltung 41 erforderlich ist.

Die Ausgänge des Wechselrichters 40 sind mit der Wicklung 31 des Ankers 29 des Linear-Synchronmotors verbunden; die Eingangsleistung des Linear-Motors kann durch Steuerung des Gleichrichters 38 so verändert werden, daß die Geschwindigkeit des Elektrofahrzeuge stufenlos veränderbar ist.

Die F i g. 9 zeigt ferner die von der Erregereinrichtung 21 magnetisierten Pole 14 und 16 der Rückstoßschiene 10 mit den Polaritäten N und 5.

Die Gleichrichterstromversorgung für die Erregercinrichtung 21 ist in vereinfachter Form als Batterie 43 dargestellt, diese kann jedoch durch eine von den Wechselstromeingangsklemmen 39 gespeiste Gleichrichterbrückenschahung ersetzt gedacht sein oder auch durch eine Motor-Generatoreinheit die im oder am Fahrzeug angebracht ist

Zur Steuerung der Ankerströme ist am Fahrzeug 22 eine Wegmeßeinrichtung 44 vorgesehen, die im allgemeinen eine Sondenspule aufweist die nahe den Polen der Rückstoßschiene 10 angeordnet ist In der Sondenspule tritt entweder ein positiver oder negativer Impuls jedesmal dann auf, wenn die Spule den Bereich zwischen aufeinanderfolgenden Polen 14 und 16 durchläuft Diese Impulse werden einer Steuer-, z.B. Thyristorsteuerschaltung 45 zugeführt um die Thyristoren des Wechselrichters 41 und den Zwangskommutierungskreis 42 zu steuern. Damit läßt sich ein kontinuierlicher, ruhiger Lauf des Fahrzeugs erreichen.

Soll für das Elektrofahrzeug eine Nutzbremseinrichtung vorgesehen werden, so ist dies leicht durch Betriebsumschaltung des Gleichrichters 38 auf Wechselrichterbetrieb und des Wechselrichters 41 auf Gleich- richtcrbetrieb zu erreichen.

In den F i g. 5, b und 7 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht, wobei den F i g. 1 bis 4 entsprechende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind. Wie Fig. 6 zeigt, ist der Linear-Synchronniotor nach dieser Ausführungsform ebenfalls als Antriebseinheit für ein Fahrzeug 22 vorgesehen. Bei dieser Ausführungsform sind zwei einander gegenüber stehende lineare Anker 46 und 47

ίο vorgesehen, die mit dem Unterteil des Fahrzeugs 22 verbunden sind. Die Rückstoßschiene 10 liegt zwischen den Ankern. Weiterhin sind zwei Paare 48 und 49 von Glcichstromerregereinriehtungen am Unterteil des Wagens in Längsrichtung der Rückstoßschiene 10 vor und hinter den Ankern, wie in Fig. 5 gezeigt, angeordnet. F i g. 7 zeigt ein Paar 48 der Gleichstromerregereinrichtungen, das sich aus zwei einander gegenüberstehenden Erregervorrichtungen 50 und 51 zusammensetzt, wobei die Rückstoßschiene 10 durch Luftspalte gelrennt zwischen diesen Erregervorrichtungen liegt. Da bei dieser Ausführungsform die elektromagnetischen Teile symmetrisch rechts und links der Rückstoßschiene liegen, ergeben sich bei Dreh- oder Schlingerbewegungen des Fahrzeugs nur geringe Ungleichmäßigkeiten im Antrieb. Weiterhin ist es bei dieser Anordnung möglich, die auf den Wagen ausgeübten Zugkräfte auf etwa die doppelte Größe gegenüber der in Fig. 4 beschriebenen Ausführungsform zu erhöhen.

F i g. 8 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform der Rückstoßschiene 10, bei der die Anordnung der Anker 50 der in F i g. b gezeigten Ausführungsform entspricht. Die Gleichstromerregervorrichtungen 52 und 53 sind hier an den Enden der Schiene vorgesehen. Diese Erregervorrichtungen wirken so, daß der magnetische Fluß über das obere Joch 11, die damit einstückig verbundenden Pole 14, die Ankerkerne, die einstückig mit dem unteren Joch 12 verbundenen Südpole 16 und über das loch 12 einen geschlossenen Pfad beschreibt. Es ist ersichtlich, daß der Magnetfluß sich im wesentlichen nur im Bereich des Ankers 50 schließt. Diese Ausführungsform eignet sich für kürzere Schienenlängen, z. B. bei Linearmotoren für Werkzeugmaschienen, bei denen die Anker 50 auf einem begrenzten Stück der Rückstoßschiene bewegbar sind.

Fig. 10 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Bei dieser Schiene 10 sind zwischen den Stirnflächen der Pole 14 und 16 und den gegenüberliegenden Flächen der Joche der kammartigen Teile 11 bzw. 12 magnetische Isolierstücke 54 und 55 vorgesehen. Die beiden Teile sind dann miteinander durch Stifte

Bolzen, Schrauben od. dgl. miteinander verbunden, die

durch das magnetische Isolierstück hindurch eingreifen.

Mit Bezug auf Fi g. 1 wird noch angemerkt daß dit Verbindung zweier Rückstoßschienen 10 durch eit

geeignetes magnetisch nicht leitendes Klebemateria mit guter elektrischer Leitfähigkeit erfolgt beispielswei se Polyesterharz mit Metallpulvereinschluß. In Fig.' sind die KJebematerialfugen 56 zwischen den aneinan der grenzenden kammartigen Teilen 11 und 111 und 51 zwischen den Teilen 12 und 112 vorgesehen. Damit kam das durch die im Fahrzeug untergebrachte Gleich Stromerregervorrichtung hervorgerufene Feld im we sentlichen auf eine einzige Rückstoßschiene konzen triert und somit ein verbesserter Wirkungsgrad erziel werden. Das obere Joch 13 läßt sich auch als dritt Schiene, d. h. als Stromsammeischiene verwenden, übe die die Stromversorgung des Fahrzeugs erfolgen kann.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Linear-Synchronmotor mit einer Rückstoßschiene, die aus zwei kammartigen Teilen zusammengesetzt ist, welche jeweils ein Joch und eine Vielzahl von Polen aufweisen, mit mindestens einem gegenüber der Rückstoßschiene bewegbaren, eine Mehrphasenwicklung aufweisenden Anker und mindestens einer Erregereinrichtung zur Magnetisierung der Pole der Rückstoßschiene, dadurch gekennzeichnet, daß die kammartigen Teile (11,12) unter Aufrechterhaltung eines magnetischen Luftspaltes (17) derartig ineinandergreifen, daß die Pole (14, 16) in Längsrichtung der Schiene (10) mit abwechselnder Polarität aufeinanderfolgen, und daß die Erregereinrichtung eine Gleichstromerregereinrichtung (21) ist.

2. Linear-Synchronmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichstromerregereinrichtung (21) in Bewegungsrichtung gesehen neben der Rückstoßschiene (10) angeordnet und gemeinsam mit dem Anker (29) bewegbar ist.

3. Linear-Synchronmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die kammartigen Teile (It, 12) aus Gußstahl hergestellt sind.

4. Linear-Synchronmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die kammartigen Teile (11, 12) durch ein zwischen ihnen angeordnetes, magnetisch nicht leitendes Band (18) voneinander getrennt gehalten sind.

5. Linear-Synchronmotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetisch nicht leitende Band (18) aus Gußaluminium oder/und Kunststoff wie glasfaserverstärkten": Polyester oder synthetischem Kautschuk oder/und Beton besteht.

6. Linear-Synchronmotor nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetisch nichtleitende Band (18) die kammartigen Teile (11, 12) einstückig miteinander verbindet.

7. Linear-Synchronmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichstromerregereinrichlung (21) aus einem die Erregerwicklung (25) tragenden Magnetkern (28) und zwei an dessen Enden ausgebildeten Schenkeln (23,24) besteht, und daß jeweils ein Schenkel (23,24) auf ein joch (13, 15) der Rückstoßschiene (10) zu gerichtet und von diesem durch einen Luftspalt getrennt ist.

8. Linear-Synchronmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Pückstoßschiene (10) so auf einem Fundament (20) befestigt ist, daß die Joche (13, 15) senkrecht übereinander liegen und daß ein Fahrzeug (22), das parallel zur Rückstoßschiene (10) geführt ist. die Gleichstromerregereinrichtung (21) und den Anker (29) derart trägt, daß sich die Gleichstromerregereinrichtung (21) auf der einen Seite der Rückstoßschiene (10) und der Anker (29) auf deren anderen Seite befinden.

9. Linear-Synchronmotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Fahrzeug (22) Einrichtungen (38, 39, 40, 41, 42) für die Gleich- und Wechselstromversorgung des Motors und eine Wegmeßeinrichtung (44) enthält, die die Wechselstromversorgung (38 bis 42) in Abhängigkeit von der Lage zur Rückstoßschiene (K)) steuert.

10. Linear-Synchronmotor nach Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Rückstoßschienen unter Bildung schmaler Fugen (56, 57) aneinandergereiht sind, daß ein magnetisch nichi leitendes Klebemittel mit guter elektrischer Leitfähigkeit in die Fugen (56,57) eingebracht ist und daD die Joche (13,15) der kammartiger. Teile (11,12) zur Stromzu- und -rückfühiung zum Fahrzeug (22] dienen.

11. Linear-Synchronmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Gleichstromerregereinrichtung an einem Ende der Rückstoßschiene (10) vorgesehen und fest mit dieser verbunden ist.

12. Linear-Synchronmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die kammartigen Teile (10, 12) durch zwischen ihnen angeordnete magnetische Isolierstücke (54, 55] getrennt und mittels nicht magnetischer Verbindungsstücke zusammengehalten sind.