DE2128996B2

DE2128996B2 - Elektrischer linearmotor mit relativ zu einer antriebsschiene beweglichen anker

Info

Publication number: DE2128996B2
Application number: DE19712128996
Authority: DE
Inventors: Junpei Tadakuma Susumu Yokohama Kanagawa Inagaki (Japan)
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1970-06-11
Filing date: 1971-06-11
Publication date: 1977-09-15
Also published as: DE2128996C3; DE2128996A1; SE382022B; GB1358761A; US3740628A; JPS4831642B1; CH525584A

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Linearmotor mit langgestreckter Antriebsschiene, an der entlang abwechselnd magnetische Nord- und Südpole ausgebildet sind, mit mindestens einem langgestreckten, relativ zur Antriebsschiene in deren Längsrichtung beweglichen und eine mit der Antriebsschiene magnetisch gekoppelte Mehrphasenwicklung tragenden Anker, sowie mit einem steuerbaren, mit der Mehrphasenwicklung wicklung verbundenen statischen Kommutator, sowie ferner mit einem Positionsdetektor, der aus der relativen Stellung von Mehrphasenwicklung und magnetischen Polen zueinander Steuersignale für den Kommutator erzeugt.

Die Abgabe von Steuersignalen aus dem Positionsdetektor des soweit aus der DT-OS 19 28 047 bekannten, z. B. für den Antrieb von Fahrzeugen, wie Zügen vorgesehenen Linearmotors wird wesentlich von der magnetischen Kopplung mit der Schiene und den während des Fahrbetriebs unvermeidlich auftretenden Veränderungen des Luftspalts beeinflußt Die unregelmäßigen Fahrbewegungen, die insbesondere bei Kurvenfahrt wegen der damit verbundenen Neigung des Fahrzeugs auftreten, können ein solches Ausmaß annehmen, daß wegen Ausfall der Steuersignalabgabe durch den Positionsdetektor eine Stromwendung im Kommutator nicht mehr erfolgt und darüber hinaus eine für den Antrieb ungünstige Wechselwirkung zwischen Ankerwicklung und Schiene eintritt

Bei einem anderen, aus der DT-AS 12 38 998 bekannten Motortyp ist es zwar bekannt, daß zur Erfassung der momentanen Läuferstellung an die Ständerwicklungen in Sperrichtungen zur Speisespannung gepolte Dioden angeschlossen sind, über deren zweiten Anschluß diejenigen Halbwellen der vom Läufer in den Ständerwicklungen induzierten Spannungen, deren Polarität der der speisenden Spannung entgegengesetzt ist, ausgekoppelt werden. Die daraus zu entnehmende Ausnutzung der Gegen-EMK für eine Verbesserung des Betriebsverhaltens des eingangs erwähnten Linearmotors ist jedoch nicht sinnvoll, weil dazu eine wirksame magnetische Kopplung zwischen Schiene und Anker aufrechterhalten werden muß und die Größe der Gegen-EMK sehr empfindlich von Abstandsveränderungen und Lageverschiebungen, Neigungen und dergleichen des Ankers zur Schiene abhängt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den bekannten Linearmotor so zu verbessern, daß im Betrieb auftretende Schwankungen der magnetischen Kopplung zwischen Antriebsschiene und Anker ohne störenden Einfluß auf die von dem Motor abgegebene Leistung bleiben.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung bei einem Linearmotor der eingangs genannten Art vor, daß der Positions-Detektor für jede Phasenwicklung deü Ankers mindestens eine Photolumineszenzdiode aufweist, die von Halbwellen der in der Phasenwicklung durch die magnetischen Pole der Antriebsschiene erzeugten Gegen-EMK gezündet wird, und daß ein dem von den Dioden emittierten Licht ausgesetzter photoelektrischer Wandler zur Abgabe der Steuersignale an den Kommutator angeschlossen ist. Wegen des integrierenden Effektes der Photolumineszenzdioden und/oder des photoelektrischen Wandlers bleiben Schwankungen der Gegen-EMK aufgrund variierender magnetischer Kopplung ohne Einfluß auf die Steuersignale für den Kommutator. Darüber hinaus ermöglicht die Erfindung eine einfache und wirksame elektrische Trennung zwischen Hoch- und Niederspannungsteil des Linearmotors, wobei die verwendeten Mittel relativ preiswert und raumsparend sind.

Weitere Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 ein schematisches Schaltbild eines Linearmotors gemäß dem Ausführungsbeispiel,

F i g. 2 das Schaltbild eines Positionsdetektors, wie er in dem Linearmotor nach F i g. 1 Verwendung finden kann,

F i g. 3a, 3b, 3c und 3d Kurvenformen zur Erläuterung der Arbeitsweise des Positionsdetektors gemäß F i g. 2,

F i g. 4 das Schaltbild einer anderen Ausführungsform des Positionsdetektors für den Linearmotor gemäß Fig. 1.

Von den Figuren, in denen gleiche oder entsprechende Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, zeigt

F i g. 1 einen elektrischen Linearmotor 10 mit einem Anker 11, der drei Phasenwicklungen 12, 13 und 14 in Sternschaltung aufweist. Jede Phasenwicklung 12,13,14 ist auf einen nicht dargestellten Siatorkern aufgewikkelL

Für die Erregung der Ankerwicklung ist ein statischer Kommutator 15 vorgesehen, dessen drei Zweige 16,17 und 18 parallel geschaltet sind, wobei jeder Zweig z*ei in Reihe geschaltete Thyristoren 19,20 bzw. 21,22 bzw. 23, 24 aufweist. Die Verknüpfungspunkte zwischen je zwei in Reihe geschalteten Thyristoren liegen an den entsprechenden Eingängen der Phasenwicklungen 12, 13 und 14.

Eine Gleichspannungsversorgung 25 für pulsierenden Gleichstrom weist zwei Zweige 26, 27 auf, von denen jeder zwei in Reihe geschaltete Thyristoren 28, 29 bzw. 30,31 aufweist, die pulsierende GL-ichspannung auf die Eingangsanschlüsse des statischen Kommutators 15 über ein Glätxungsglied 32 liefern. Die Verknüpfungspunkte zwischen den jeweils in Reihe geschalteten Thyristoren 28, 29 und 30, 31 liegen an einer Wechselspannungsquelle 33.

Die vorbeschriebenen Teile sind auf dem Chassis eines Fahrzeugs montierbar, dessen Umrisse durch das Bezugszeichen 34 angegeben sind.

Eine langgestreckte Antriebsschiene 35 besitzt in ihrer Längsrichtung abwechselnd angeordnete magnetische Nord- und Südpole /V, 5. Zur Vereinfachung der Zeichnung ist die Gleichstrom-Erregereinrichtung für die Antriebsschiene nicht dargestellt. Die Antriebsschie- 3c ne kann an den Polkanten erweiterte Luftspalte aufweisen, so daß dann die Gleichstrom-Erregerwicklung um die Magnetpole gewickelt ist und sich somit die abwechselnden Nord- und Südpole ergeben. Die Antriebsschiene 35 kann ferner Pole von kammartigem Typ haben. In diesem Fall kann die Antriebsschiene aus einem langgestreckten Band magnetisierbaren Materials gefertigt sein, wobei an den gegenüberliegenden Sei.enkanten des Bandes kammartig geformte Pole ausgebildet sind. Das Band wird dann der Länge nach zu einem Rohr mit kreisförmigem oder rechtwinkligem Querschnitt aufgebogen, wobei sich die kammartig geformten Pole wie Finger zwischeneinanderschieben und schmale Luftspalte zwischen sich lassen. Eine Gleichstrom-Erregerleitung erstreckt sich durch die hohle, mit kammartigen Polen versehene Antriebsschiene. Die kammartig geformten Magnetpole erzeugen abwechselnd Nord- und Südpole, wenn ein Gleichstrom durch den Leiter fließt.

Der Anker 11 besitzt eine langgestreckte, lineare Form und liegt mit einer ebenen Fläche den Polflächen der Antriebsschiene 35 gegenüber. Die Phasenwicklungen 12, 13 und 14 des Ankers sind in Schlitze in der ebenen Fläche eingelassen.

Weiterhin ist ein elektrisch betriebene Positionsdetektor 36 vorgesehen, um die Steuersignale für das Schalten der Thyristoren 19—24 des statischen Kommutators 15 in einer vorbestimmten Reihenfolge zu gewinnen. Der Positionsdetektor 36 ist mit den Anschlüssen der Dreiphasen-Ankerwicklung verbunden und wird von der in dieser erzeugten Gegen-EMK aktiviert; der Ausgang des Positionsdetektors führt auf eine Torsteuerung 37, die die Signale zum Steuern der Thyristoren !9—24 erzeugt

Der erfindungsgemäße Positionsdetektor 36 umfaßt gemäß Fig.2 sechs Photolumineszenz-Dioden 38 bis 43, die in einem Dreiphasen-Zweiweg-Brückengleichrichter 44 zusammengeschaltet sind. Die Eingänge 45 der Gleichrichterbrücke sind mit den entsprechenden Eingängen der Phasenwicklungen 12,13 und 14 (F i g. 1) verbunden, während die Ausgänge des Briickengleichrichters an einer Impedanz 46 liegen, die als Amplitudenbegrenzer des gleichgerichteten Stromes dient

Wie bekannt, emittieren die Photolumineszenz-Dioden 38 bis 43 Licht, wenn sie vom Strom durchflossen werden. Das von den Dioden 38 bis 43 emittierte Licht fällt auf einen photoelektrischen Wandler 47, der eine entsprechende Anzahl von photoelektrischen Wandler-Elementen, beispielsweise Phototransistoren 48, aufweist. Die Ausgangssignale der Phototransistoren 48 werden geeignet kombiniert und dann auf die Torsteuerung 37 (F ig. 1) gegeben.

Fig.3a zeigt die Kurven V12, V13 und V14 der Spannungen, die in den Phasenwicklungen 12, 13, 14 induziert werden.

Fig. 3b zeigt die Kurven /12, /13 und /14 des elektrischen Stromes, der durch die Dioden 38 bis 43 auf die Spannungen V12, V13 und V14 hin fließt. Die durch die Dioden 38 bis 43 fließenden Ströme sind mit /38—/43 bezeichnet.

F i g. 3c zeigt die Leitfähigkeitsperioden der Dioden 38 bis 43 durch Schrägschraffur dargestellt.

F i g. 3d schließlich zeigt die Leitfähigkeitsperioden der Thyristoren 19—24, die durch die Torsteuerung 37 leitfähig werden.

Wenn der Linearmotor 10 gestartet werden soll, wird ein Erregerstrom auf die Antriebsschiene 35 gegeben, so daß Induktionsspannungen in den Ankerwicklungen 12, 13 und 14 erzeugt werden und der Positionsdetektor 36 Ausgangssignale erzeugt. Diese Ausgangssignale werden in der Torsteuerung 37 geeignet kombiniert und machen die Thyristoren 19—24 in einer vorbestimmten Reihenfolge leitfähig. DffSTahrzeug kann dann in der gewünschten Richtung in Bewegung gesetzt werden.

Beim Starten des Fahrzeuges 34 kann zusätzlich ein nicht dargestellter Elektromotor eingesetzt werden, um während des Startens ein zusätzliches Drehmoment zur Verfugung zu haben.

Wenn die Geschwindigkeit des Fahrzeugs verändert werden soll, kann dies leicht durch Veränderung der Gleichspannung aus der Gleichstromversorgung 25 erreicht werden, und zwar durch Phasensteuerung der Torsignale, die auf die Thyristoren 28—31 gegeben werden.

Die Nutzbremsung kann durch Verändern der Betriebsweise des statischen Komutators 15 erreicht werden, und zwar vom Umsetzbetrieb zum Gleichrichterbetrieb, sowie durch Ändern der Gleichspannungsversorgung 25 vom Gleichrichterbetrieb zum Umsetzerbetrieb.

Bei diesem Ausführungsbeispitl ist leicht zu erkennen, daß die relative Lage der Ankerwicklung zu den Magnetpolen der Antriebsschiene sehr genau durch die Gegen-EMK festgestellt werden k<<nn, die in den Phasenwicklungen 12, 13 und 14 induziert wird, selbst wenn während der Fahrt unregelmäßige Bewegungen des Zuges, etwas Seitenschwingungen, Nicken oder Rollen oder eine Kombination aus diesen Bewegungen auftreten sollte. Somit sind Fehlleistungen der Thyristoren 19—24 im statischen Kommutator ausgeschlossen.

Da der Positionsdetektor 36 gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispiel keine magnetische beeinflußbaren Teile aufweist, braucht ein Einfluß äußerer Magnetfelder auf den Positionsdetektor nicht berücksichtigt zu werden.

Fig.4 zeigt eine andere Ausführungsform des Positionsdetektors 136 mit sechs Photolumineszenz-Dioden 138—143, von denen jede mit einem Widerstand 49—54 in Reihe geschaltet ist Sechs Kreise, von denen jeder eine Reihenschaltung aus einer Photolumineszenz-Diode und einem Widerstand aufweist, sind zu drei entgegengesetzt gepolten Parallelschaltungen verbunden, und die Parallelschaltungen sind, wie dargestellt, zu einem Dreieck zusammengeschaltet Die Eckpunkte 145 der Dreieckschaltung liegen an den Eingangsanschlüssen der Phasenwicklungen 12,13und 14(Fig. 1).

Das von den Photolumineszenz-Dioden 138—143 emitierte Licht beleuchtet Phototransistoren, die ir einem photoelektrischen Wandler 147 untergebracht sind; die Ausgangssignale des Wandlers 147 gelanger auf eine logische Schaltung 55, in der sie miteinandei verknüpft werden. Die logische Schaltung 55 erzeug Ausgangssignale zur Steuerung der Torsteuerung 3i (Fig.1).

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrischer Linearmotor mit langgestreckter Antriebsschiene, an der entlang abwechselnd magnetische Nord- und Südpole ausgebildet sind, mit mindestens einem langgestreckten, relativ zur Antriebsschiene in deren Längsrichtung beweglichen und eine mit der Antriebsschiene magnetisch gekoppelte Mehrphasenwicklung tragenden Anker, sowie mit einem steuerbaren, mit der Mehrphasenwicklung verbundenen statischen Kommutator, sowie ferner mit einem Positionsdetektor, der aus der relativen Stellung von Mehrphasenwicklung und magnetischen Polen zueinander Steuersignale für den Kommutator erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß der Positionsdetektor (36, 37) für jede Phasenwicklung (12, 13, 14) des Ankers (11) mindestens eine Photolumineszenzdiode (38,39; 40, 41; 42, 43) aufweist, die von Halbwellen der in der Phasenwicklung durch die magnetischen Pole der Antriebsschiene erzeugten Gegen-EMK gezündet wird, und daß ein dem von den Dioden emittierten Licht ausgesetzter photoelektrischer Wandler (47) zur Abgabe der Steuersignale an den Kommutator (15) angeschlossen ist.

2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der photoelektrische Wandler mehrere Phototransistoren aufweist, von denen jeweils einer zu einer Photolumineszenzdiode zugeordnet ist.

3. Motor nach Anspmch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sechs Photolumineszenzdioden (38—43) zu einem Dreiphasen-Zweiweg-Brückengleichrichter (44) zusammengeschaltet sind, dessen Eingänge (45) mit den Phasenwicklungen (12,13,14) verbunden sind und dessen Ausgänge an einer Impedanz (46) zur Amplitudenbegrenzung liegen.

4. Motor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß drei Parallel-Schaltkreise zu einem Dreieck zusammengeschaltet sind, dessen Eckpunkte (145) mit den Phasenwicklungen (12, 13, 14) verbunden sind; und daß jeder Parallel-Schaltkreis aus einer Parallel-Schaltung von zwei Reihen-Schaltungen aus je einer Photolumineszenzdiode (138—143) und einem Widerstand (49—54) besteht.