DE2323804C3 - Lineare Asynchronmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine lineare Asynchronmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruches I genannten Gattung.

Sie kann als Lir^armotor für die elektrische Traktion oder als magnetohydrodynamischer Induktionsgenerator Anwendung finden.

Im ersteren Fall kann der in dem Luftspalt befindliche Sekundärteil eine iri der Mitte dei Bahn gelegene dünnwandige Metalllamelle sein, während die Magnetkerne mit den Wicklungen der Lokomotive zugehörig sind.

Im letzteren Fall ist der Leiter ein flüssiges Metall (Lithium, Natrium, eutektische Mischung Natrium —Kalium, usw.), das mit einer größeren Geschwindigkeit als die Synchrongeschwindigkeit in Wanderfeldnchturig durch eine rechteckige Röhre zirkuliert, wobei ein Teil jeiner Energie auf die Wicklungen übertragen wird.

Wie allgemein bekannt ist, besteht in beiden Fällen die Möglichkeit dci umgekehrten Wirkungsweise, wobei einfach das Geschwindigkeitsvorzeichen dt:s Feldes gewechselt wird.

Der Nachteil der linearen Asynchronmaschire besteht darin, daß die Flußverteilung an ihren äußersten Grenzen nicht gleich Null ist, wodurch induzien e Außenströme und Stromwärmeverluste im Maschineiikörper auftreten.

Für eine bekannte Asynchronmaschine der eingangs genannten Gattung fjilt im Stillstand zur Vermeidung von Randeffekten bzw. -Verlusten die Randbedingung, daß an beiden Blcchipaketenden in Längsrichtung der beiden vollständig dreiphasig bewickelten Magnetkerne (Primärteil) die Lufüspaltinduktion unabhängig vom Augenblicks-Sollwerte des Drehstromsystems gleich Null werden muß (ETZ-A Bd. 92 [1971] H, 6, S.342--347). Im bekannten F»ll ist für einen vierpolig bewickelten Sekforenmotor eine Reihenschaltung von vier Spulen vorgesehen, deren Wicklungszahl zu den Maghetkernenden hin »abgetreppt« ist. Dcmentsprtl· chend nehmen »uch die Flußamplituden zu den beiden Enden hin ab- Abgeüehen davon, daß für eine solche Anordnung von eifiiif unterschiedlichen Nutengröße auszugehen ist, wird die Flußverteilung an den Enden nicht einmal nahezu Null, wie die dortige Darstellung Bild 3 zeigt Weiterhin sind die longitudinalen Randeffekte bei sich bewegendem Motor an den auflaufenden und der ablaufenden Kante unterschied'S lieh. Die sich mit ihnen ergebende Feldkurve ist also unsymmetrisch.

In einem weiterhin bekannten Fall werden getrennte Kompensationswicklungen verwendet, die theoretisch auf die Beseitigung dieser Unsymmetrie hin eingerichtet

ίο sein könnten (Revue Generale De L'EIectricite, Bd. 80, Jan. 1971, Seite 13 bis 19). Dieses Kompensationssystem führt jedoch zu zusätzlichen Stromwärmeverlusten im Sekundärteil an den Enden der Maschine. Ein entsprechender MHD-Kanal bei magnethydrodynamischer Ausführung müßte mit isolierenden Zwischenwänden konstruiert werden, um diese Verluste zu vermeiden. Als Folge dieser Maßnahme erhöhen sich die hydraulischen Verluste.

Der Erfindung liegt, ausgehend von der erstgenann-

jii ten bekannten linearen Asynchronmaschine, die Aufga be zugrunde, die Verluste aufgrund der Randeffekte zu vermindern. Die Lösung dieser Aufgabe besteht ausgehend von dem gattungsbildenden Gegenstand erfindungsgemäß in den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Patentanspruches 1.

Die erfindungsgemäJe Asynchronmaschine, bei der die beiden Mehrphasenwicklungen in weiterer Ausgestaltung vorzugsweise unter Zwischenschaltung geeig neter Reaktanzen einander parallel geschaltet sind, hat

jo eine im wesentlichen symmetrische Verteilung der magnetischen Induktion, die bei der Energieumformung zweckmäßiger ist als in den bekannten Fällen, weil der Fluß in der Mitte der Maschine am größten und an den Enden tatsächlich nahezu gleich Null ist Der eingangs

r> erwähnte Unsymmetrie-Rest wegen der unterschiedlichen Randeffekte an der auf- und der ablaufenden Kante bleibt zwar bestehen; aber er erscheint demgegenüber unbeachtlich; d.'nn du; Kompensation durch gegenphasige Wellen an den Rändern ist effektiver als die durch eine komplizierte »abgetreppte« Wicklung. Fntsprechend sind die Verluste durch wechselseitige Induktion den äußeren Grenzen der Maschine praktisch gleich Null, wodurch sich die effektive Leistung der Maschine beachtlich erhöht bzw

4Ί der Wirkungsgrad verbessert ist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigt

F ι g 1 eine schematische Darstellung einer linearen Asynchronmaschine jnd

F " g. 2 ein Diagramm, in welchem die Verteilung der Wicklungen dargestellt wird

Gemäß F i g. 1 besitzt die lineare Asynchronmaschine in bekannter Anwendung (s.o. ETZ-A) zwei parallel zueinander verlaufende Magnetkerne 1. Diese begrenzen einen Luftspalt 2 geringer Breite 2a. In den dem Luftspalt 2 zugekehrten Magneikernsciten sind in Nuten 3 dreiphasige Wicklungen (nicht dargestellt) untergebracht bzw. eingelegt — vollkommen analog wie bei herkömmlichen Rotationsmaschine^ jedoch sind die bereits beschriebenen und in den Ansprüchen 1 und 2 gekennzeichneten beiden Mehrphasiinwicklungen in Kompensationsschaltung vorgesehen.

Zum Verständnis der Wirkungsweise und der Fig.2

werden nachfolgend die wesentlichen Zusammenhinge rechnerisch abgeleitet; dabei werden einige auch in der vorgenannien Literatur verwendete Fofmelzeichen benützt:

Vs = Synchrongeschwindigkeit in Wanderfeldriohtung;

Vs = {· A_ft wobei /"die Speisefrequenz und λ, die jeweilige Wellenlänge ist;

X₁Y₁Z= Koordinaten des rechtwinkeligen Koordinatensystems, wobei die Gesamtlänge 2 L der Magnetkerne sich beidseitig des Koordinatecnallpunktes in Z-Richtung erstreckt

Im vorliegenden Fall werden zwei Wicklungen mit verschiedenen Wicklungsperioden bzw. Wellenlängen verwendet (bekanntlich ist A, = 2 τ_Λ wobei τ_ρ die Polteilung ist):

2L

lh

15

wobei m und η die Anzahl der Wicklungsperioden je Magnetkern angeben; m und η sind um 1 verschiedene, ganze, dimensionsioäc Zahlen.

In F i g. 2 entspricht die durchgezogene Kurv«, m = 3 und die strichlinierte π = 4.

Abgesehen von den harmonischen Komponenten, ist die Anzahl N der Leiter in jeder Phase je Längeneinheit der Wicklungen im allgemeinen für die Wicklung mit der Zahl m:

JO

für die Wicklung mit der Zahl n:

= N_0n cos

tvobei Nom und N_on die Maximalwerte der Anzahl der Leiter je Längeneinheit in der Wicklung, und <x_m und <x„ die elektrischen Phasenwinkel, in denen jeder einzelne von ihnen in bezug auf das Zentrum der Maschine angebracht ist, sind, und die in Klammern gesetzten Indices die Phase bezeichnen.
Dies ergibt das elektrische Feld:

wobei E_n, und E_n die komplexen, jeder Wicklung entsprechenden Wellenamplituden des elektrischen Feldes sind.

Das elektrische Feld und das magnetische Feld, die idurch die Wicklung bzw. den Wicklungsstrom induziert

werden, stehen aufgrund einer Konstanten γ zueinander in Beziehung, wobei w die Krsiisfrequenz des

Stromes und k = -?- ist, mit A = Wellenzahl bzw. λ

Periodenzahl der Wicklung (vergl. Re* ·,: Generale De L'EIcctricitc. Bd. 80, Jan. 197 J, Seite 14,1. Sp oben). Hier braucht daher nur das elektrische Feld betrachtet zu werden.

Die in die erste Phase jeder Wicklung induzierte EMK ist proportional zu N_orn E_n, e-**"¹ bzw. und Non E_n e·**" (in den anderen zwei Phasen sind die Ergebnisse analog).

Unter der Annahme, daß beide Wicklungen parallelgeschaltet und so angeordnet sind, daß

Nom = A/onUnda_m = X_n

ist, sind unter diesen Bedingungen, und mit n—m = 1 die zwei Wellen des elektrischen Feldes, die sich mit den Geschwindigkeiten

V_5n,= Λ A_n,
V_5n = ί-λ_η

fortbewegen, immer in Phase im Zentrum der Maschine (Z= 0) und in Gegenphase an den äußeren Grenzen, d. h. an der auf- und ablaufenden Kante (Z = ± L) in denen zu jec'crn Augenblick dann das elektrische Feld gleich Null ist.

Tatsächlich wird mit der Parallelschaltung der beiden Wicklungen nicht genau die Gleichheit der EMK (und demzufolge auch nicht der Wellenamplitucien E_mui(d E_n des elektrischen Feldes) erreicht, da die Spannungen in den Endbereichen aufgrund der Spannungsabfälle in den Wicklungen von der angestrebten Bedingung abweichen. Der durch Widerstand bedingte Spannungsabfall ist jedoch jeweils gering und durch zwischengeschaltete Reaktanzen, insbesondere angemessene Blindwiderstände, welche keine zusätzliche Energie verbrauchen, sehr !eicht zu kompensieren.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Lineare Asynchronmaschine mit zwei parallel und mit geringem Luftspalt beidseitig zum Sekundärteil angeordneten Magnetkernen als Stator, in deren Nuten sich Mehrphasenwicklungen befinden, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Mehrphasenwicklungen bei gleicher Erstreckung jeweils über die Gresamtlänge (2L) des Magnetkerns eine ganze, aber untereinander um 1 verschiedene Zahl von Wicklungsperioden (X_m A_n) aufweisen, derart, daß die beiden Mehrphasenwicklungen im Zentrum der Maschine in Phase und an den auf- und ablaufenden Kanten derselben in Gegenphaüe wirken.

2. Lineare Asynchronmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Mehrphasenwicklungen unter Zwischenschaltung geeigneter Reaktanzen einander parallel gcsehaiiei sind.