DE2216170B2 - Lineare induktionsmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine lineare Induktionsmaschine mit Wicklungen in einem genuteten Magnetkern, die zumindest zwei geschlossene Stromkreise aufweisen.

Die Erfindung kann in zylindrischen und Flachlinear-Induktionspumpen, die zum Fördern stromführender Flüssigkeiten bestimmt sind, ferner in Linearasynchronmotoren im Transportwesen und in Triebwerken mit Min- und Herbewegung, sowie in einer Reine anderer Fälle verwendet werden.

Bei einem offenen Magnetkern in linearen Induktionsmaschinen entstehen bekanntlich neben den Wanderfeldern auch pulsierende magnetische und elektrische Zusatzfelder, die durch die endliche Länge des Magnetsystems und den Ein- und Austritt des zu (ordernden stromführenden Mediums in das Magnetfeld des Induktors bedingt sind. Der Komplex dieser schädlichen Erscheinungen wird als longitudinaler Randeffekt bezeichnet. Die genannten Zusatzfelder entstehen im Arbeitsspalt, im Joch und im Kern zylin- 6s drischer Maschinen; sie führen zu einer ungleichmäßigen Belastung (örtliche Überlastung) des Magnetsystems, einer ungleichmäßigen Erwärmung, zur Bildung einer Phasensymmetrie (die eine Rücklaulwanderwelle hervorruft) und zu einem Wirkungsgradverlust der Maschine.

Es gibt eine Reihe von Kompensationsveifahren für den longitudinalen Randeffekt, von denen die wichtigsten eine Verminderung der Strombelastung gegen die Ablaufkanten des induzierenden Teils oder Magnetkerns, die Anordnung zusätzlicher magnetischer Überbrückungen und korrigierender Wicklungen (Spulen) an den Magnetkernkanten und dergleichen darstellen (vgl. B. Birg er, »Überblick über die Verfahren zur Ermittlung des longitudinalen Randeffekts, sowie zu dessen Kompensation«, III. Kongreß über Fragen der elektromagnetischen Hydrodynamik, Donez 1970).

Die Hauptnachteile dieser Verfahren sind: ein beschränkter Wirkungsbereich, eine komplizierte Regelung und in einer Reihe von Fällen ein Wirkungsgradverlust der Anlage. So gleicht z. B. die Anordnung magnetischer Überbrückungen oder Nebenanschlüsse an den Magnetkernkanten die Verteilung des Feldes nur im Joch aus, und die Anwendung zusätzlicher Spulen an den Magnetkernkanten, in eine von den Masciiinenkanten gleich entfernte Phase eingeschaltet, gleicht die Feldverteilung nur im Spalt aus, jedoch nur iüT eine bestimmte Betriebsart.

Bei einer Änderung der Betriebst muß man den Strom in den Korrekturspulen nach Größe und Phase du'ch besondere Mittel regeln. Das kompliziert seinerseits den Betrieb der Maschine, wobei infolge zusätzlicher Verluste der Wirkleistung in den Speisequellen und Korrekturspulen der Wirkungsgrad der gesamten Anlage vermindert wird.

Bekannt ist auch eine Kompensationsart für den longitudinalen Randeffekt mil Hilfe geschlossener Stromkreise (Korrekturspulen), die an den Stirnflächen des Magnetkerns angeordnet werden (vgl. A. I. WoI-dek »Magnetohydrodynamische Maschinen mit Flüssigmetall-Arbeitsmittel«). Dieses Verfahren verbessert zum Teil die Feldverteilung im Spalt bei sämtlichen Betriebsarten der Maschine (Selbstkompensation), ohne jedoch das Feld im Joch und folglich auch im stromführenden Arbeitsmittel zu korrigieren. Die teilweise Verbesserung der Feldverteilung im Spalt läßt sich dadurch erklären, daß die stirnseitigen Korrekturspulen nicht den gesamten stirnseitigen magnetischen Überbrückungsfluß umfassen. Insbesondere wird der aus den Randzähnen austretende Magnetfluß nicht unterdrückt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindungen ist daher die Entwicklung einer linearen Induktionsmaschine mit effektiver Kompensation des longitudinalen Randeffekts in sämtlichen Elementen der Maschine, und zwar im Arbeitsspalt, im Joch und im Kern (bei zylindrischen Maschinen), für beliebige Betriebsarten, insbesondere aufgrund des Prinzips der Selbstkompensation, jedoch ohne Anwendung zusätzlicher Speisequellen.

Diese Aufgabe wird bei einer Induktionsmaschine der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß jeder geschlossene Stromkreis zwei aktive Teile besitzt, die in einem Abstand von einer Polteilunj oder mehrerer Polteilungen angeordnet sind.

Eine zylindrische elektromagnetische Linear-Induktionspumpe mit Mehrphasenwicklung, jedoch ohne geschlossene Stromkreise, deren aktive Teile in einen' Abstand von mindestens einer Polteilung angeordnel sind, wurde bereits beschrieben (vgl. GB-PS 1 230 186);

ebenso ein Linearmotor, bei dem zur Vereinfachung der Spulenform, der Montage und Demontage des Motors jede erste Spule der einen Phase gegenüber der ersten und dritten Phase verschoben ist (vgl. DT-OS 1955136). Eine gegenüber e'er ersten Spule erhöhte Leiterzahl längs des Motors kann dabei zur Kompensation beitragen.

Unter den aktiven Teilen eines Stromkreises sind üblicherweise diejenigen Teile des Stromkreises zu verstehen, die unmittelbar in den Indukrornuten angeordnet ^cind. Diese aktiven Teile können für Ausgleichsströme bei der Verwendung des Stromkreises zur Kompensation des Magnetfeldes im Magnetkern der Maschine zugeschaltet bzw. bei der Verwendung der Stromkreise zur Kompensation des Magnetfeldes im Arbeitsspalt gegengeschaltet werden.

Als Ausgleichsströme werden bekanntlich solche Ströme bezeichnet, die in geschlossenen Stromkreisen unter der Wirkung eines wechselnden Magnetflusses im Bereich des gegebenen Stromkreises entstehen. die Ausgleichsströme erzeugen einen Magnetfluß, der den den Stromkreis durchdringenden Magnetfluß kompensiert.

Zur Kompensation des longitudinalen Randeffekts im Kern einer linearen Induktionsmaschine mit zyiindnschem Luftspalt umfassen die geschlossenen Stromkreise, deren aktive Teile in einem Abstand einer Polteilung angeordnet sind, den inneren Magnetkern.

Zur Kompensation des longitudinalen Randeffekts im Joch einer linearen Induktionsmaschine mit ebenem Luftspalt ist es zweckmäßig, daß uie geschlossenen Stromkreise, deren aktive Teile in einem Abstand einer Polteilung angeordnet sind, das Joch umfassen.

Zur Kompensation des longitudinalen Randeffekts im Spalt einer linearen Induktionsmaschine mit ebenem Luftspalt ist es vorteilhaft, daß die geschlossenen Stromkreise, deren aktive Teile in einem Abstand von geradzahligen Polteilungen angeordnet und gegeneinander geschaltet sind, die Zähne des Magnetkerns umfassen.

In linearen Induktionsmaschinen mit zwei Induktoren sind zweckmäßigerweise die geschlossenen Stromkreise des einen Magnetkerns gegenüber den geschlossenen Stromkreisen des anderen Magnetkerns um eine Polteilung verschoben.

Statt der Zusatzleiter, die die oben beschriebenen geschlossenen Stromkreise bilden, kann man in linearen Induktionsmaschinen mit parallelen Wicklungszweigen die Spulen der Arbeitswicklung bei ent- sprechender Anordnung der parallelen Zweige nach der Länge des Magnetkerns verwenden.

Die erfindungsgemäße lineare Induktionsmaschine ermöglicht eine wesentliche Steigerung deren Wirkungsgrades, eine Vereinfachung der Konstruktion und der Herstellungstechnologie dieser Maschinen, eine Erhöhung der Betriebssicherheit durch Beseitigung der ungleichmäßigen Erwärmung der Teile des Magnetkerns und des Kanals für die stromführende Flüssigkeit.

Nachstehend folgt die Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand der Zeichnung. Es zeigt

Fig. 1 das Magnetsystem einer linearen Induktionspumpe mit zylindrischem Luftspalt und mit geschlos- 6s senem, den Kern umfassendem, elektrischem Stromkreis; dabei sind die aktiven Teile des Kreises für die Ausgleichsströme zugeschaltet,

Fig. 2 das Magnetsystem einer linearen Induktionsmaschine mit zwei Induktoren und geschlossenen Stromkreisen, die das Joch des Magnetkerns umfassen.

Fig. 3 das Magnetsystem einer linearen Induktionsmaschine mit zwei Induktoren und geschlossenen Stromkreisen, wobei jeder Stromkreis die Zähne dej Magnetkerns umfaßt und die Stromkreise des einen Magnetkerns gegenüber den Stromkreisen des anderen Magnetkerns um eine Polteilung verschoben sind,

Fig. 4 das Wickelschema der Wicklungsspulen in einer Phase einer doppelwelligen linearen Induktionsmaschine mit zylindrischem Luftspalt, in der die parallelen Wicklungszweige zur Bildung geschlossener Stromkreise verwendet sind, und

Fig. 5 das Wickelschema der Wicklungsspulen in einer Phase eines der Induktoren einer linearen Induktionsmaschine mit ebenem Luftspalt und mit zwei parallelen Wicklungszweigen.

Die Kompensationsvorrichtung für den longitudinalen Randeffekt in linearen Induktionsmaschinen mit zylindrischem Luftspalt stellt einen geschlossenen Stromkreis 1 in Form einer Acht (Fig. 1) dar, der in Nuten von Teilen 2 eines Magnetkerns angeordnet ist und einen inneren Magnetkern 3 umgibt, der den zweiten Teil des Magnetkerns bildet. Aktive Teile 4 des geschlossenen Stromkreises 1 liegen in den Nuten der Teile 2 des Magnetkerns in einem Abstand einer Polteilung τ und sind für die Ausgleichsströme zugeschaltet.

Dabei wird die Kompensation des longitudinalen Randeffekts folgenderweise durchgeführt. Bei ungleichmäßiger Verteilung des Magnetflusses im inneren Magnetkern 3 der Maschine entsteht im Stromkreis 1 ein Ausgleichsstrom, proportional der Differenz der Magnetflüsse in den Querschnitten des inneren Magnetkerns 3, die vom geschlossenen Stromkreis 1 umfaßt sind. Bei reinem Wanderfluß im Kern entsteht in geschlossenen Stromkreisen kein Ausgleichsstrom. Der durch den Ausgleichsstrom erzeugte Magnetfluß kompensiert die ungleichmäßige Verteilung des Magnetflusses im inneren Magnetkern 3 einer linearen Induktionsmaschine mit zylindrischem Luftspalt und verhindert den Anstieg des Magnetflusses, der in einer nichtkompensierten Maschine stattfindet. Dabei wird ähnlich auch die Verteilung des elektrischen Feldes und Stromes im geförderten stromleitenden Medium ausgeglichen. Das gewährleistet eine Herabsetzung der Wirkleistungsverluste im Sekundärkreis der Maschine (des geförderten stromleitenden Mediums), wodurch die Überhitzung der Kernteile vermindert wird. Alle diese Effekte führen ihrerseits zu einer Erhöhung des Wirkungsgrads der Maschine. Dank der Verminderung des Magnetflusses im Kern werden die Konstruktionsdaten der Maschine verbessert (weniger Elektrostahl im inneren Magnetkern 3, weniger Kupfer Tür die Wicklungsspulen).

Die Kompensation des longitudinalen Randeffekts im Joch einer linearen Induktionsmaschine mit ebenem Luftspalt (Fig. 2) wird folgenderweise durchgeführt: Ein geschlossener elektrischer Stromkreis 5 in Form einer Acht (Fig. 2) wird in Nuten von Magnetkernen <», die das Joch umfassen, eingelegt. Aktive Teile 7 der geschlossenen Stromkreise liegen in den Nuten der Magnetkerne 6 in einem Abstand einer Polteilung 1 und sind für die Ausgleichsströme zugeschaltet.

Dabei erfolgt die Kompensation des longitudinalen

Randeffekts ähnlich wie in einer linearen Induktionsmaschine mit zylindrischem Luftspalt, nur mit dem Unterschied, daß der Ausgleich der Magnetflüsse im Joch jedes Magnetkerns 6 stattfindet.

Zur Kompensation des longitudinalen Randeffekts im Arbeitsspalt einer linearen Induktionsmaschine mit ebenem Luftspalt kann diese geschlossene Stromkreise 8 (Fig. 3) mit aktiven Teilen 9 und 10 enthalten, die in Nuten von Magnetkernen 11 und 12 derart eingelegt sind, daß jeder geschlossene Stromkreis 8 die Zähne des Magnetkerns in einem Abstand von zwei Polteilungen r umfaßt. Die aktiven Teile 9 und 10 jedes geschlossenen Stromkreises 8 sind für die Ausgleichsströme gegeneinander geschaltet.

Dabei erfolgt die Kompensation des longitudinalen Randeffekts im Arbeitsspalt folgenderweise: Bei ungleichmäßiger Verteilung des Magnetflusses im Arbeitsspalt längs der Induktionsmaschine entsteht in den geschlossenen Stromkreisen 8 ein Ausgleichsstrom, der dem Wert des im Arbeitsspalt des zusätzlichen Magnetflusses pulsierenden Stroms proportional ist. Bei einem reinen Wanderfeld im Arbeitsspalt wird in den geschlossenen Stromkreisen 8 kein Ausgleichsstrom hervorgerufen.

Der durch den Ausgleichsstrom erzeugte Magnetfluß kompensiert die Ungleichmäßigkeit des Magnetfeldes im Arbeitsspalt für eine beliebige Betriebsart der Maschine.

Das gleicht die Verteilung der elektromagnetischen Kräfte im Sekundärkrei« aus und setzt in ihm den Verbrauch der Wirkleistung herab, symmetriert die Phasenwiderstände und beseitigt die Rückwärtswanderwelle der Strom belastung in der Maschine bei deren Speisung von einer Quelle, die ein symmetrisches System von der Maschine zugeführten Linearspannungen gewährleistet.

Die genannten geschlossenen Stromkreise gleichen die Feldverteilung im Arbeitsspalt auf einer Strecke von je zwei Polteilungen aus. Um die Magnetfeldstärke auf den von den einzelnen Stromkreisen begrenzten Zwischenstrecken auszugleichen, sind die Stromkreise 8 des Magnetkerns 11 gegenüber den Stromkreisen 8 des Magnetkerns 12 um eine Polteilung r verschoben.

Die genannten geschlossenen Stromkreise können als Zusatzleiter ausgeführt werden. In linearen Induktionsmaschinen mit parallelen Zweigen in jeder Phase können jedoch zur Bildung geschlossener Stromkreise die Spulen der Arbeitswickiung verwendet werden. Dazu sind beispielsweise im Wickelschema einer linearen Doppelwellen-Induktionsmaschine mit zylindrischem Luftspalt (Fig. 4) im Abstand einer Polteilung liegende Spulen I und II einer Phase antiparallel geschaltet. In Reihe mit diesen ist eine Gruppe aus zwei antiparallel geschalteten Spulen III und IV geschaltet. Der Wicklungsanfang der Spulen ist mit Sternen bezeichnet.

Das gleiche Wickelschema kann auch zur Verbindung der Spulen im Induktor einer linearen Induktionsmaschine mit ebenem Luftspalt und mit Trommelwicklung verwendet werden. Die geschlossenen elektrischen Kreise, die in solchen Wicklungen gebildet sind, entsprechen den in Fig. 1 und 2 dargestellten geschlossenen Stromkreisen.

In einer linearen Induktionsmaschine mit ebenem Luftspalt und mit zweilagiger Spulenwicklung (Fig. 5) werden die geschlossenen Stromkreise ebenfalls durch Parallelschaltung der Nachbarspulen gebildet. Die geschlossenen Stromkreise umfassen jedoch dabei die Zähne des Magnetkerns in einem Abstand von zwei Polteilungen, während jede Spule auf einer Strecke von nur einer Polteilung angeordnet ist. Die Spulenseiten, die in der zum Joch des Magnetkerns nächsten Lage liegen, sind mit Strichlinien dargestellt.

Es ist also ersichtlich, daß man maximale Kompensationswirkung des longitudinalen Randeffekts bei kombiniertem Einsatz der oben beschriebenen Kompensationsmöglichkeiten unter Berücksichtigung der Konstruktionsbesonderheiten jeder einzelnen linearen Induktionsmaschine erreichen kann.

Besonders wirksam ist die erfindungsgemäße Kompensation für den longitudinalen Randeffekt bei den Werten 0,1 < (Re)_n, <1 und TS0,2, mit (Re)_n, = magnetische Reynoldsche Zahl und P' = Verhältnis der Verluste im Induktor, darunter auch in geschlossenen elektrischen Kreisen, zu den üesamtverlusten der linearen Induktionsmaschine.

Hierzu 3 Blatt Zcichnunccn

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Lineare Induktionsmaschine mit Wicklungen in einem genuteten Magnetkern, die zumindest zwei geschlossene Stromkreise aulweisen, dadurch gekennzeichnet, daß jeder geschlossene Stromkreis (1,5,8) zwei aktive Teile (4,7,9,10) besitzt, die in einem Abstand von einer Polteilung oder mehrerer Polteilungen (r) angeordnet sind. , ίο

2. Lineare Induktionsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die geschlossenen Stromkreise (1, 5, 8) durch Parallelschaltung von Spulen der Arbeitswicklung gebildet sind.

3. Ljneare Induktionsmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die aktiven Teile (4, 7, 9, 10) jedes geschlossenen Stromkreises (1, 5, 8) in einem Abstand einer ungeraden Zahl der Polteilungen (r) liegen und für Ausgleichströme gleichsinnig zugeschaltet sind. ,

4. Lineare Induktionsmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei zylindrischem Luftspalt die geschlossenen Stromkreise (1) den inneren Magnetkern (3) umfassen (Fig. 1).

5. Lineare Induktionsmaschine nach Anspruch 3, :·5 dadurch gekennzeichnet, daß bei ebenem Luftspalt die geschlossenen Stromkreise (5) das Joch des Magnetkerns (6) umfassen (Fig. 2).

6. Lineare Induktionsmaschine nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei ebenem Luftspalt die aktiven Teile (9,10) der geschlossenen Stromkreise (8) für die Ausgleichsströme gegeneinander geschaltet sind, wobei jedei von ihnen die Zähne des Magnetkerns (11, 12) in einem Abstand einer geraden Zahl der Polteilungen (r) um- ;₅ faßt.

7. Lineare Induktionsmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Induktoren vorgesehen sind und die geschlossenen Stromkreise (8) des einen Magnetkerns (11) gegenüber den geschlossenen Stromkreisen (8) des anderen Magnetkerns (12) um eine Polteilung (r) verschoben sind.