DE2346457A1

DE2346457A1 - Fahrweggebundenes triebfahrzeug mit einem synchronen linearmotor

Info

Publication number: DE2346457A1
Application number: DE19732346457
Authority: DE
Inventors: Adolf Dipl Ing Haboeck; Joachim Dipl Ing Dr Ing Holtz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1973-09-14
Filing date: 1973-09-14
Publication date: 1975-04-24
Also published as: CH570284A5; FR2243837A1; US3919607A; BE819421A; FR2243837B1; SE402428B; JPS5055815A; AT331908B; CA1023020A; DE2346457B2; ATA723674A; NL7410621A; SE7411576L

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Erlangen, J 3. SEP. 1973 Berlin und München Werner-von-Siemens-Str.

Unser Zeichen: VPA 73/3248 Nm/Bz

Fahrweggebundenes Triebfahrzeug mit einem synchronen Linearmotor

Die Erfindung bezieht sich auf ein fahrweggebundenes Triebfahrzeug mit einem synchronen Linearmotor, der eine Erregerwicklung und eine aus einem starren Wechselspannungsnetz gespeiste Wanderfeldwicklung umfaßt.

Als Antriebssysteme für fahrweggebundene Triebfahrzeuge, insbesondere für Nahverkehrs-Kabinenbahnen, für Schnellbahnen und auch für Hochleistungsschnellbahnen im Geschwindigkeitsbereich bis zu 500 km/h, kommen vorzugsweise Linearmotoren in Betracht. Unter den einzelnen Varianten dieses Motortyps zeichnet sich der eingangs ge- ' nannte synchrone Linearmotor durch einen guten Wirkungsgrad und einen hohen Leistungsfaktor aus. Ein solcher synchroner Linearmotor kann eine Wanderfeldwicklung besitzen, die entlang der Trasse als Stator verlegt ist; er wird dann wegen der außergewöhnlichen Länge des aktiven Stators auch als synchroner Langstatormotor bezeichnet. Ein synchroner Linearmotor kann aber auch eine Wanderfeldwicklung von wesentlich geringerer Länge besitzen, die im Triebfahrzeug angeordnet ist. In diesem Fall kann dann entlang des Fahrweges eine Reaktionsschiene mit in Fahrtrichtung periodisch verteilter magnetischer Leitfähigkeit verlegt sein. Die Reaktionsschiene kann dann zusammen mit der im Triebfahrzeug angeordneten Wanderfeldwicklung einen linearen Synchronmotor homopolarer Bauart oder einen linearen Reluktanzmotor bilden.

Beim Betrieb eines synchronen Linearmotors am starren Wechselspannungsnetz treten, wie die Erfahrung lehrt, elektro-

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mechanische Schwingungen oder Pendelungen auf, die sich der Translationsbewegung des Triebfahrzeugs überlagern. Diese Pendelungen beeinträchtigen nicht nur den Fahrkomfort, sie können auch dazu führen, daß der synchrone Linearmotor außer Tritt fällt und stehen bleibt, oder daß er sich überhaupt nicht erst in Gang setzt. Maßnahmen, die zur Pendelungsdämpfung bei rotierenden Synchronmaschinen eingesetzt werden, wie Anwendung einer Dämpferwicklung oder eines Massivläufers, können bei einer bestimmten Gruppe von synchronen Linearmotoren nicht angewendet -werden. Dieser Gruppe ist gemeinsam, daß die Erregerwicklung und die Wanderfeldwicklung zusammen den aktiven Teil des Linearmotors bilden, wie beispielsweise beim homopolaren Linearmotor oder beim Reluktanzmotor. Das Prinzip einer aktiven Pendelungsdämpfung mit Hilfe eines Regelkreises, das aus der deutschen Offenlegungsschrift 2 132 179 für rotierende Synchronmotoren bekanntgeworden ist, läßt sich ebenfalls nicht ohne weiteres auf einen synchronen Linearmotor am starren Wechselspannungsnetz übertragen, da bei diesem Frequenz und Eingangswechselspannung fest vorgegeben sind und ein Stellglied nicht vorhanden ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für das eingangs genannte Triebfahrzeug Maßnahmen anzugeben, die insbesondere zu einer Überwindung von Instabilitäten in jedem Betriebspunkt, insbesondere zu einer Dämpfung oder sogar vollständigen Unterdrückung der elektromechanischen Pendelungen führen.

Die Erfindung beruht auf der Überlegung, daß das bekannte Prinzip einer aktiven Pendelungsdämpfung mit Hilfe eines Regelkreises auf einen synchronen Linearmotor übertragen werden kann, wenn ein geeignetes Stellglied geschaffen wird.

Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur Erzeugung eines Querfeldes im Luftspalt des synchronen Linearmotors eine Querfeldwicklung vorgesehen ist,

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die über ein Stellglied mit einem veränderbaren Strom gespeist ist, dessen Größe mittels eines Steuersignals einstellbar ist, welches von einer Regeleinrichtung geliefert wird, die von einem Meßglied mit einer den Leistungspendelungen proportionalen Größe beaufschlagt ist. Das Meßglied kann dabei so beschaffen sein, daß es neben der den Leistungspendelungen proportionalen Größe eine konstante Größe liefert. In diesem Fall ist es zur Abtrennung der allein interessierenden zeitlich veränderlichen Größe angebracht, wenn ein Abtrennkondensator oder insbesondere ein auf den Pendelfrequenzbereich abgestimmtes Bandpaßfilter vorgesehen ist, dessen Eingang mit dem Meßglied und dessen Ausgang mit dem Eingang der Regeleinrichtung verbunden ist. Dabei ist es möglich, daß ein passives oder aktives Bandpaßfilter verwendet wird. Im ersten Fall kann dann vorgesehen sein, daß das Bandpaßfilter aus der Serienschaltung eines Längskondensators mit zwei Längswiderständen besteht, an deren Verbindungspunkt ein Querkondensator angeschlossen ist. Im zweiten Fall kann vorgesehen sein, daß das Bandpaßfilter aus einem Operationsverstärker großer Leerlaufverstärkung besteht, in dessen Eingangskreis die Reihenschaltung eines Kondensators mit einem Widerstand und in dessen Gegenkopplungskreis die Parallelschaltung eines Widerstands mit einem Kondensator angeordnet ist.

Als Meßglieder, welche eine den Leistungspendelungen proportionale Größe abgeben, können solche verwendet werden, die von einer Messung der elektrischen Leistungspendelung ausgehen oder solche, die auf einer Messung einer mechanischen Größe beruhen, die von Änderungen der elektrischen Leistung abhängig ist. Zu der ersten Gruppe von Meßgliedern zählt z. B. ein elektrisches Leistungsmeßglied, welches in der Verbindung zwischen dem Wechselspannungsnetz und der Wanderfeldwicklung angeordnet ist. Da die Spannung des Wechselspannungsnetzes i. a. konstant ist, kann statt-

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dessen auch ein Stromwandler verwendet werden, welcher in der Verbindung zwischen dem Wechselspannungsnetz und der Wanderfeldwicklung angeordnet ist. Zu der zweiten Gruppe von Meßgliedern zählt z. B. ein mechanisches Beschleunigungsmeßglied, welches auf dem Triebfahrzeug ortsfest angeordnet ist. Stattdessen kann auch ein Pollagegeber eingesetzt werden, der die Stellung des Polschuhs des synchronen Linearmotors bezüglich der Polteilung des auf der Trasse verlegten Stators mißt.

Sind die Erregerwicklung und die Wanderfeldwicklung gemeinsam im unbeweglichen oder beweglichen Teil (Stator oder Translator) des synchronen Linearmotors angeordnet, wie das z. B. bei Reluktanzmotoreri oder bei Linearmotoren der homopolaren Bauart der Fall ist, so wird auch die Querfeldwicklung bevorzugt in diesem besagten Teil angeordnet. Demgemäß zeichnet sich eine grundlegende Weiterbildung der Erfindung bei einem synchronen Linearmotor, dessen Erregerwicklung und dessen Wanderfeldwicklung gemeinsam auf dem beweglichen oder unbeweglichen Teil angeordnet sind, dadurch aus, daß die Querfeldwicklung auf demselben Teil des synchronen Linearmotors angeordnet ist wie die Erregerwicklung und die Wanderfeldwicklung, daß die Querfeldwicklung ebenfalls als Wanderfeldwicklung ausgebildet und gegenüber der besagten Wanderfeldwicklung in Vortriebsrichtung räumlich versetzt angeordnet ist, und daß die Querfeldwicklung über das Stellglied mit einem veränderbaren Wechselstrom gespeist ist. Die Querfeldwicklung wird dabei bevorzugt als dreiphasige Wanderfeldwicklung ausgeführt.

In dieser Weiterbildung ist es zweckmäßig, wenn die Querfeldwicklung über das Stellglied ebenfalls aus dem starren Wechselspannungsnetz gespeist ist. Eine besondere Hilfsenergiequelle wird dadurch eingespart. Als Stellglied sollte insbesondere ein Wechselstromsteller vorgesehen sein. Ein solcher Wechselstromsteller besitzt ei-

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nen einfachen Aufbau; seine Ausgangsfrequenz entspricht der Eingangsfrequenz, so daß er sich insbesondere für den Anschluß am starren Wechselspannungsnetz eignet. Er kann weiterhin für einen .Betrieb in beiden Energierichtungen vorgesehen sein. Um symmetrische Regelverhältnisse zu schaffen, sollte die Anordnung so getroffen sein, daß die Querfeldwicklung gegenüber der Wanderfeldwicklung um eine halbe Polteilung versetzt angeordnet ist. Auch sollte die Richtung des Stromflusses durch die Wanderfeldwicklung wählbar sein. Zu diesem Zweck können bei Einsatz einer dreiphasigen Querfeldwicklung deren Teilwicklun°;en mit Mittelanzapfungen versehen sein, welche im Stern geschaltet sind.

Befindet sich hingegen die Erregerwicklung auf dem einen Teil (Stator oder Translator) und die Wanderfeldwicklung auf dem anderen Teil (Translator bzw. Stator) des synchronen Linearmotors, dann wird die Querfeldwicklung bevorzugt im Erregerteil angeordnet. Demgemäß zeichnet sich eine andere grundlegende Weiterbildung der Erfindung bei einem synchronen Linearmotor, dessen Erregerwicklung auf dem einen Teil und dessen Wanderfeldwicklung auf dem anderen Teil des Linearmotors angeordnet ist, dadurch aus, daß die Querfeldwicklung auf demselben Teil des synchronen Linearmotors angeordnet ist wie die Erregerwicklung, daß die Querfeldwicklung ebenfalls als Erregerwicklung ausgebildet und gegenüber dieser in Vortriebsrichtung räumlich versetzt angeordnet ist, und daß die Querfeldwicklung über das Stellglied mit einem veränderbaren Gleichstrom gespeist ist.

Die Querfeldwicklung kann dabei über das Stellglied aus einem Wechselstromnetz gespeist sein. Um symmetrische Regelverhältnisse zu erreichen, kann die Anordnung so getroffen sein, daß die Querfeldwicklung gegenüber der Erregerwicklung um eine halbe Polteilung versetzt angeordnet ist. Zur Erweiterung des Stellbereiches kann das

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Stellglied so ausgebildet sein, daß es einen Stromfluß durch die Querfeldwicklung in beiden Richtungen ermöglicht (Vier-Quadranten-Betrieb). Bevorzugt ist als Stellglied eine Gleichrichterschaltung mit steuerbaren Ventilen in Brückenschaltung vorgesehen.

In beiden grundlegenden Weiterbildungen erhält man durch die Anordnung der Querfeldwicklung im synchronen Linearmotor die Möglichkeit, die gegenseitige Lage von Erregerfeld und Wanderfeld in jedem .Au/renblick zu verändern. Zu diesem Zweck wird der durch die Querfeldwicklung fließende Strom über das Stellglied mittels des Stellsignals gesteuert. Dieses Stellsignal, das von der Regeleinrichtung geliefert wird, ist bezüglich seines Vorzeichens auf das Steuergerät des Stellgliedes so aufgeschaltet, daß die elektromechanischen Schwingungen des synchronen Linearmotors, die sich durch eine periodische Veränderung der Pollage, der Beschleunigung oder der Wirkleistungsaufnahme bemerkbar machen,' gedämpft oder vollständig unterdrückt v/erden. Startschv/ierigkeiten werden gleichfalls behoben.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von zwei Ausführungsbeispielen und sechs Figuren näher erläutert. Es zeigen
Figur 1 einen synchronen Linearmotor homopolarer Bauart in schematischer Darstellung mit einer Einrichtung zur Pendelungsdämpfung,

Figur 2 den synchronen Linearmotor von Figur 1 in einer seitlichen Schnittdarstellung zur Veranschaulichung der Anordnung der Querfeldwicklung, Fi.piar 3 ein zu Figur 1 und 2 gehöriges Zeigerdiagramm, Figur 4 einen weiteren synchronen Linearmotor in schematischer Darstellung mit einer weiteren Einrichtung zur Pendelungsdämpfung,

Figur 5 den synchronen Linearmotor von Figur *■; in einer seitlichen Schnittdarstellung zur Veranschauli-

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chung der Anordnung der Querfeldwicklung, und Figur 6 ein zu Figur 4 und 5 gehöriges Zeigerdiagramm.

Nach Figur 1 enthält ein Magnetschwebefahrzeug einen synchronen Linearmotor 2, der zum Antrieb in Richtung des Doppelpfeiles 3 dient. Das Magnetschwebefahrzeug kann dabei ein Triebfahrzeug für den Nahverkehrsbetrieb sein, z. B. ein solches, das unter dem Namen H-Bähn bekanntgeworden ist. Der Linearmotor 2 umfaßt im wesentlichen eine Erregerwicklung 4, eine dreiphasige Wänderfeldwicklung 5» die für die Vortriebsleistung bemessen ist, und eine dreiphasige Querfeldwicklung 6, die für die Stabilisierungsleistung bemessen ist. Die Querfeldwicklung 6 ist ebenfalls als Wanderfeldwicklung ausgebildet. Alle drei Wick- . lungen 4, 5 und 6 sind in einem Polschuh 7 aus ferromagnetischem Material untergebracht. Dieser Polschuh 7 wird mitsamt dem Magnetschwebefahrzeug durch eine (nicht gezeigte) Schwebeeinrichtung über einer Reaktionsschiene 8, die insbesondere aus Eiser besteht, in der Schwebe gehalten, so daß zwischen beiden ein Luftspalt 9 klafft. Die Reaktionsschiene 8 besitzt ein rechteckiges Seitenprofil von periodisch mit 2p veränderlichem magnetischen Leitwert. Im vorliegenden Fall haben die Vertiefungen dieselbe Länge wie die Erhöhungen. Die Reaktionsschiene 8 dient dem Magnetschwebefahrzeug als Fahrweg. Der synchrone Linearmotor 2 ist als homopolarer Synchronmotor aufgebaut.

Die Wanderfeldwicklung 5 ist über ein Leistungsmeßglied 10 an die Phasenleiter R , S , T eines dreiphasigen Wechselspannungsnetzes 11 angeschlossen. Es handelt sich dabei um ein starres Netz, dessen Frequenz z. B. 50 oder 60 Hz und dessen Wechselspannung z. B. 380 Volt beträgt. Die Erregerwicklung 4 wird aus einer Gleichspannungsquelle 12 gespeist, deren Gleichspannung konstant oder mittels einer Steuereinrichtung einstellbar sein kann. Die Erregerwicklung 4 kann dabei über einen steuerbaren oder ungesteuerten Gleichrichter ebenfalls an das Wechselspannungsnetζ 11 angeschlossen sein. ₅₀98 17/00 13

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Die Wanderfeldwicklung 5 bezieht also die Vortriebsleistung des I-I.-.gnetschwebefahrzeuges direkt aus dem starren ivechselspannungsnetz 11. Die Erfahrung hat gezeigt, daß dabei Pendelungen des MagnetSchwebefahrzeugs in Vortriebsrichtung, also in Richtung des Doppelpfeiles 3 auftreten. Diese Pendelungen überlagern sich der Vortriebsbewegung und werden im Fahrbetrieb als störend empfunden. Darüber hinaus können sie einen unerwünschten Stillstand des Linearmotors 2 verursachen.

Um diese Pendelungen auszuschalten, ist die Querfeldwicklung 6 vorgesehen. Sie ist Bestandteil einer Einrichtung zur Pendelungsdämpfung, die durch einen Regelkreis gebildet wird.

Die Querfeldwicklung 6 wird über ein Stellglied 12 vorteilhafterweise ebenfalls aus dem starren Wechselspannungsnetz 11 gespeist. Als Stellglied 12 dient ein Drehstromsteller. Mit seiner Hilfe kann der Strom in der Querfeldwicklung 6 verändert werden. Das Querfeld hat somit dieselbe Frequenz wie das Wanderfeld und eine einstellbare Feldstärke. Der Drehstromsteller kann insbesondere in der dargestellten Weise für eine Erweiterung des Stellbereiches durch eine Stromumkehr im Sinne einer Phasenverschiebung um 180° konstruiert sein. Danach ist jeder Phasenleiter R , S , T über erste antiparallel geschaltete, steuerbare Ventile mit dem einen Ende und über weitere antiparallel geschaltete, steuerbare Ventile 14 mit dem anderen Ende einer zugeordneten Teilwicklung r, s, t der dreiphasigen Querfeldwicklung 6 verbunden. Jede Teilwicklung r, s, t ist mit einer Mittelanzapfung versehen, und die drei Mittelanzapfungen sind an einem gemeinsamen Sternpunkt angeschlossen. Für einen Betrieb mit einem dem Wanderfeld der Wanderfeldwicklung 5 voreilenden Querfeld sind die Ventile 13 und für einen Betrieb mit einem dem Wanderfeld nacheilenden Querfeld sind die Ventile 14 vorgesehen. Als antiparallel ge-

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schaltete, steuerbare Ventile 13 und/oder 14 können entweder antiparallele Thyristoren oder vorzugsweise Triacs eingesetzt werden. Das Stellglied 12 braucht nur für die Stabilisierungsleistung, die etwa 2 bis 10 % der Vortriebsleistung beträgt, dimensioniert zu sein.

Das Leistungsmeßglied 10, das unter Umständen bei stets konstanter Wechselspannung auch durch einen Stromwandler ersetzt sein kann, e;ibt ein Signal x1 ab, das neben einem Gleichspannungsanteil eine den Pendelungen proportionale Spannungsgröße enthält. Das Leistungsmeßglied 10 ist somit als Tießglied für die Leistungspendelungen zu betrachten. Das Signal x1 wird einem Bandpaßfilter 15 zugeführt, das auf die Pendelungsfrequenz des linearen Synchronmotors 2 abgestimmt ist. Die Pendelungsfrequenz liegt i. a. unter der Frequenz des speisenden Wechselspannungsnetzes 11. Sie hän.^t ab von der mechanischen Ausführung des Triebfahrzeugs und kann z. B. im Bereich um 1 Hz liegen.

Das Bandpaßfilter 15 kann ein passives Filter sein, das aus zwei Längswiderständen, an deren Verbindungspunkt ein Querkondensator angeschlossen ist, und einem dem ersten Längswiderstand vorgeschalteten Längskondensator besteht. Es kann aber auch ein aktives Filter sein, das im wesentlichen aus einem Operationsverstärker mit einer vorgeschalteten Serienschaltung aus Widerstand und Kondensator und mit einem Gegenkopplungskreis mit einer Parallelschaltung eines Widerstands und eines Kondensators besteht.

Das Bandpaßfilter 15 gibt ein Ausgangssignal x2 ab, das ein Maß ist für denjenigen Teil des Signals x1, der mit der Pendelungsfrequenz schwingt. Die Weiterleitung des Gleichspannungsanteils wird gesperrt. Das Ausgangssignal x2 wird einer Regeleinrichtung zugeführt, die- aus einem Vergleichsglied 16 und einem nachgeschalteten Regler 17 besteht. Im Vergleichsglied 16 wird das Ausgangssignal x2 subtraktiv mit einem Vergleichssignal x£ verglichen, das

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den Wert Null besitzt. Der Regler 17 liefert in Abhängigkeit vom Ausgangssignal x2 ein Stellsignal x, das einen Steuersatz Ig beaufschlagt, der Zündimpulse für die Ventile 13 und/oder 14 abgibt. Mit Hilfe dieser Zündimpulse wird der Phasenanschnitt verändert und damit der Strom in der Querfeldwicklung 6 gesteuert.

In Figur 2 ist der homopolare synchrone Linearmotor 2 von Figur 1 nochmals in einer seitlichen Schnittdarstellung gezeigt, um die räumliche Anordnung der Wicklungen 4, 5 und 6 im Polschuh 7 zu veranschaulichen. Der Polschuh 7 besitzt eine im wesentlichen rechteckige Bodenfläche. In diese sind eine Anzahl von durchgehenden Nuten eingelassen, die sich senkrecht zur Vortriebsvorrichtung, also senkrecht zur Richtung des Doppelpfeiles 3 und senkrecht zur Papierebene in Figur 2 erstrecken. Sechs Nuten haben einen größeren und sechs einen kleineren rechteckigen Querschnitt. Die größeren Nuten haben voneinander den Abstand p/3, und die kleineren Nuten haben ebenfalls voneinander den Abstand p/3, wobei ρ die Polteilung ist. Die rechteckförmigen Teilstücke der Reaktionsschiene 8 haben ebenfalls den Abstand ρ voneinander. Die kleineren Nuten sind um den Abstand p/6 gegenüber den größeren Nuten versetzt angeordnet. Die sechs größeren Nuten sind zur Aufnahme der Wanderfeldwicklung 5 und die sechs kleineren Nuten zur Aufnahme der Querfeldwicklung 6 bestimmt.

In den größeren Nuten sind die rechteckförmigen Teilwicklungen R, S, T der Vanderfeldwicklung 5 untergebracht. Die Achse jeder Teilwicklung R, S, T steht senkrecht auf der Vortriebsrichtung. Von der Teilwicklung R sind die Querschnitte der senkrecht zur Papierebene verlaufenden, im Abstand ρ zueinander angeordneten Abschnitte R⁺, R~ sichtbar und kariert eingezeichnet. Diese Abschnitte R⁺, R~ schließen sich an den beiden Seitenflächen des Polschuhs 7, also oberhalb und unterhalb der Papierebene von Figur Dasselbe gilt für die Abschnitte S" und S⁺ der Teilwick-

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lung S, die gegenüber der Teilwicklung R um p/3 in Vortriebsrichtung versetzt angeordnet ist. Entsprechendes gilt auch für die Abschnitte T⁺ und T~, die wiederum gegenüber der Teilwicklung S um p/3 weiter versetzt angeordnet sind. Die Anschlüsse der drei Teilwicklungen R, S, T sind nicht sichtbar. Die Teilwicklungen R, S, T stellen ein dreiphasiges System dar, das bei Wechselstromeinspeisung ein entgegen der Vortriebsrichtung laufendes magnetisches Wanderfeld erzeugt.

Die Ouerfeldwicklung 6 ist ebenfalls eine Wanderfeldwicklung; sie zeigt daher denselben Aufbau wie die Wanderfeldwicklung 5, ist jedoch gegenüber dieser um p/2 in Vortriebsrichtung versetzt angeordnet und wegen der geringeren Leistung, die sie aufnehmen muß, schwächer dimensioniert. Die Teilwicklungen r, s, t der Querfeldwicklung 6 sind in den kleineren Nuten untergebracht. Die Achse jeder Teilwicklung r, s, t steht somit ebenfalls senkrecht auf dem Doppelpfeil 3. Die Abschnitte r , r~ der Teilwicklung r sind ebenso wie die Abschnitte s , s~ und t⁺, t~ der Teilwicklungen s bzw. t im Querschnitt sichtbar und kariert eingezeichnet. Der Abschnitt r der Teilwicklung r ist vom Abschnitt R⁺ der entsprechenden Teilwicklung R um den Abstand p/2 in Vortriebsrichtung

anversetzt geordnet. Der zugehörige Abschnitt r liegt wiederum im Abstand ρ vom Abschnitt r . Beide Abschnitte r⁺, r~ schließen sich oberhalb und unterhalb der Papierebene. Entsprechendes gilt auch für die Abschnitte S⁺, s~ der Teilwicklung s und die Abschnitte t⁺, t~ der Teilwicklung t. Die Teilwicklung s ist gegenüber der Teilwicklung r um p/3 und die Teilwicklung t ist gegenüber der Teilwicklung s um weitere p/3 in Vortriebsrichtung versetzt angeordnet. Somit bilden auch die Teilwicklungen r, s, t ein dreiphasiges System, das bei Wechselstrorneinspeisung ein Wanderfeld erzeugt. Dieses Wanderfeld verläuft bei einer Einspeisung, die phasengleich zur Einspeisung in die Wanderfeldwicklung 5 ist, gegen-

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über dem Wanderfeld, der Wanderfeldwicklung 5 um p/2 in Vortriebsrichtung versetzt. Dieses zusätzliche Wanderfeld oder Querfeld ist in seiner Stärke am Stellglied (vergl. Fig. 1) einstellbar. Es wird im Takte der Pendelungen und Instabilitäten des synchronen Linearmotors 2 derart verändert, daß diese reduziert oder sogar vollständig unterdrückt werden.

An Figur 2 ist weiterhin ersichtlich, daß in den Stirn- und Rückseiten des Polschuhs 7 noch zwei Quernuten angeordnet sind, die einen vorderen und einen rückwärtigen Abschnitt der Erregerwicklung 4 aufnehmen. Die Erregerwicklung 4 wird durch zwei weitere Abschnitte geschlossen, die unterhalb bzw. oberhalb der Papierebene liegen. Die Achse der Erregerwicklung 4 steht somit ebenfalls senkrecht auf der Vortriebsrichtung und deutet in Richtung auf die Reaktionsschiene 8. Ihr Innendurchmesser beträgt etwa 2p. Der GleichstromfluS ist im vorderen und rückwärtigen Abschnitt durch einen Punkt bzw. ein Kreuz angedeutet.

Im Zeigerdiagramm der Figur 3 ist das Regelverhalten des synchronen Linearmotors 2 dargestellt. Der durch den Stromfluß in der Erregerwicklung 4 hervorgerufene Erregerfluß wird während des synchronen Betriebes bei der Bewegung des Polschuhs 7 gegenüber der Reaktionsschiene 8 durch den örtlich veränderlichen magnetischen Leitwert der Reaktionsschiene 8 mit der Frequenz des starren Wechselspannungsnetzes 11 in seiner Stärke moduliert. Der Wechselanteil des Erregerflusses ist in Figur 3 mit 0p bezeichnet. Zur Strombelagswelle A_{R s T}, die durch den Wechselstrom in der Wanderfeldwicklung 5 hervorgerufen wird, tritt eine betragsmäßig kleinere Strombelagswelle A„ ,, die durch

r, s, χ

den gleichfrequenten Wechselstrom in der Querfeldwicklung 6 erzpU5\t wird. Wegen der gegenseitigen räumlichen Versetzung dieser beiden Wicklungen 5 und 6 um p/2 stehen die Zeiger A_n _{q φ} und A , senkrecht aufeinander. Die geo-

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metrische Addition ergibt eine resultierende Strombelagswelle A, mit der der Erregerfluß 0_E den Winkel <p bildet. Der Winkel <? ist ein Maß für den Vorschub des synchronen Linearmotors 2. Der Vorschub ergibt sich als äußeres Vektorprodukt aus A und 0„. Er wird maximal, wenn der Winkel ? = 90° beträgt.

Die Größe der Strombelagswelle A„ . ist am Stellglied veränderbar. Bei einer Änderung der Strombelagswelle A_ _ ₊ und konstant gehaltener Strombelagswelle Ar, g m bewegt sich der Zeiger der resultierenden Strombelagswelle A auf der Geraden G. Würde im Fahrbetrieb eine Störung, z. B. ein Windstoß auftreten, so würde sich diese in erster Linie als eine Änderung der Strombelagswelle A_{R g} m äußern. Ohne das Vorhandensein des Regelkreises und der Querfeldwicklung 6 würde der synchrone Linearmotor 2 um seinen stationären Arbeitspunkt fortgesetzt pendeln. Diese Pendelschwingungen würden sich auf die Strombelagswelle ^An ο m übertragen. Der Regelkreis ist nun so ausgebildet, daß er die Größe der Strombelagswelle A_ . sehr schnell so lange verändert, bis der Betrag des Vektorproduktes aus A und 0„ keine Anteile der Pendelungsfrequenz des linearen Synchronmotors mehr enthält, sondern wieder einen konstanten Wert angenommen hat. Dann bleibt auch der Vorschub konstant; eine mechanische Pendelung um die Vortriebsbewegung ist also vermieden.

Nach Figur 4 ist ein synchroner Linearmotor 20 vorgesehen, der wiederum zum Antrieb eines Magnetschwebefahrzeuges vorgesehen ist. Dieses Magnetschwebefahrzeug wird in Richtung des Doppelpfeiles 21 bewegt. Der Linearmotor 20 umfaßt eine Erregerwicklung 22, eine dreiphasige Wanderfeldwicklung 23ι die für die Vortriebsleistung bemessen ist, und eine Guerfeldwicklung 24. Die Querfeldwicklung 24 ist ebenfalls als Erregerwicklung ausgebildet. Sie ist zusammen mit der Erregerwicklung 22 in einem Polschuh 25 aus ferromagnetischem Material untergebracht. Dieser Polschuh 25 wird wieder durch

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eine (nicht dargestellte) Schwebeeinrichtung über die Trasse 26 in· der Schwebe gehalten. In der Trasse 26 ist die wanderfeldwicklung 23 .ortsfest verlegt. Sie kann sich dabei über größere Entfernungen in Fahrtrichtung erstrekken. Die Wanderfeldwicklung 23 ist somit als Langstator anzusehen. Zwischen der Trasse 26 und der Bodenfläche des Polschuhs 25 besteht ein Luftspalt 27, der im wesentlichen überall gleiche Breite hat..

Die dreiphasige Wanderfeldwicklung 23 ist über einen (nicht gezeigten) Schalter an die Phasenleiter R , S , T eines starren dreiphasigen WechselSpannungsnetzes 28 angeschlossen, des-sen Frequenz z. B. die übliche Netzfrequenz von 50 Kz besitzt. .Zur Speisung der Erregerwicklung 22 ist eine Gleichstromquelle 29 vorgesehen, deren Gleichstrom steuerbar ist. Die Wanderfeldwicklung 23 erzeugt somit im Luftspalt 27 ein Wanderfeld, das in eine der beiden Richtungen des Doppelpfeiles 21 wandert.

Um StartSchwierigkeiten, Pendelungen in Vortriebsrichtung des MagnetSchwebefahrzeuges sowie ein unbeabsichtigtes Stehenbleiben im Fährbetrieb zu vermeiden, ist wiederum ein Regelkreis Vorgesehen, zu dessen Bestandteilen die Querfeldwicklung 24 zählt.

Die Querfeldwicklung 24 wird über ein Stellglied 30 aus einer Zusatζenergiequelle, die z. B. ein Wechselspannungsnetz 31 mit den Phasen U, V, W ist, mit einem veränderbaren Gleichstrom gespeist. Als Stellglied 30 wird insbesondere ein Gleichrichter mit steuerbaren Ventilen, z. E. mit Transistoren oder Thyristoren, in Brückenschaltung verwendet. Dieser braucht nur für einen Bruchteil der Erregerleistung, z. B. 5 % der Erregerleistung, ausgelegt zu sein. Dem Stellglied 30 ist ein Steuersatz 32 vorgeschaltet, der Zündimpulse mit vorgegebener Zündfolge, aber einstellbarer Phase und Frequenz an die steuerbaren Ventile abgibt.

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Die Einstellung des Stroms erfolgt mittels eines Stellsignals x, das einer Regeleinrichtung als Ausgangssignal entnommen wird, die aus einem Regler 33 und einem vorgeschalteten Vergleichsglied 34 besteht. Im Vergleichsglied 34 wird das Ausgangssignal x2 eines auf den Pendelungsfrequenzbereich abgestimmten Bandpaßfilters 35 subtraktiv mit einem auf Null gesetzten Vergleichssignal X^ = O verglichen. Als Regelgröße x1 wird dem Bandpaßfilter 35 eine Größe zugeführt, die eine den Leistungspendelungen proportionale Größe enthält. Als Regelgröße x1 kann dabei die Pollage, die Beschleunigung oder die Wirkleistung des Linearmotors 20 verwendet werden. Im vorliegenden Fall wird als Meßglied ein mechanisches Meßglied 36 verwendet, das auf dem Magnetschwebefahrzeug ortsfest angeordnet ist und das dessen Beschleunigung registriert. Wegen des zwischengeschalteten Bandpaßfilters 35, dessen Bandmittenfrequenz auf die Pendelungsfrequenz abgestimmt ist, tragen von der Regelgröße x1 nur solche Frequenzanteile zur Schwingungsdämpfung bei, die im Bereich der Eigenfrequenz des elektromagnetischen Systems liegen.

Der dargestellte Regelkreis sorgt also dafür, daß all diejenigen Frequenzanteile der charakteristischen Regelgröße x1 des synchronen Linearmotors 20 auf einen Sollwert x£ = geregelt werden, die im Bereich der elektromechanischen Eigenfrequenz des Linearmotors 20 liegen. Damit werden Pendelungen in diesem Frequenzbereich gedämpft oder sogar vollständig unterdrückt.

In Figur 5 ist der synchrone Linearmotor 20 von Figur 4 nochmals in einer seitlichen Schnittdarstellung gezeigt. Daraus läßt sich die räumliche Anordnung der Wicklungen 22 und 24 im Polschuh 25 und der Wanderfeldwicklung 23 auf der Trasse 26 entnehmen.

Der bewegliche Polschuh 25 besitzt eine glatte Bodenfläche, in die eine Anzahl von durchgehenden Nuten eingelassen sind.

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Diese erstrecken sich senkrecht zum Doppelpfeil 21. In die beiden größeren Nuten, deren Abstand gleich der Polteilung ρ ist, ist eine Erregerwicklung 22 eingelegt, deren /bschnitte im Kc'mitt kariert eingezeichnet sind. Die Achse dieser Erregerwicklung 22, die rechteckig ausgebildet ist, steht senkrecht auf der Trasse 26. In den beiden kleineren Nuten, deren Abstand ebenfalls gleich der Polteilung ρ ist, liegt die Querfeldwicklung 24. Sie ist gegenüber der Erregerwicklung 22 um eine halbe Polteilung p/2 in Vortriebsrichtung versetzt angeordnet. Ihre im Schnitt sichtbaren¹Abschnitte e und e~ sind ebenfalls kariert hervorgehoben. Die Ouerfeldwicklung 24 besitzt dieselbe rechteckige Form wie die Erregerwicklung 22. Ihre Spulenachse steht ebenfalls senkrecht auf der Trasse

Es ist möglich, im Polschuh 25 eine weitere Erregerwicklung unterzubringen. Diese kann dann um den Polabstand ρ gegenüber der Erregerwicklung 22 in Vortriebsrichtung versetzt angeordnet sein. In diesem Fall kann auch eine weitere Querfeldwicklung vorgesehen sein, die in der weiteren Erregerwicklung genauso verschachtelt angeordnet ist wie die Querfeldwicklung 24 in der Erregerwicklung

Die Anordnung der Wanderfeldwicklung 23 mit ihren Teilwicklungen R, S, T in der Trasse 26 ergibt sich aus dem unteren Teil der Figur 5· Die .Achse jeder Teilwicklung R, S, T, die rechteckig ausgebildet sind, steht senkrecht auf der Vortriebsrichtung. Der in Vortriebsrichtung gemessene Durchmesser jeder Teilwicklung R, S, T ist gleich der Polteilung p. Von der Teilwicklung R sind die Querschnitte der senkrecht zur Papierebene verlaufenden, im Abstand ρ zueinander angeordneten Abschnitte R⁺, R~ sichtbar. Sie sind kariert eingezeichnet. Die Teilwicklung S mit den Abschnitten S⁺, S~ ist gegenüber der Teilwicklung R um p/3 in Vortriebsrichtung versetzt angeordnet. Entsprechend ist auch die Teilwicklung T mit den Abschnitten T⁺, ^gegenüber der Teilwicklung S um p/3 weiter versetzt angeordnet.

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Die Teilwicklungen R, S, T erzeugen bei Wechselstromeinspeipung ein in Vortriebsrichtung laufendes magnetisches λ an." er feld.

Im Zeigerdiagramm der Figur 6 wird das Regelverhalten des synchronen Linearmotors 20 von Figur 4 und 5 veranschaulicht. Der durch den Stromfluß in der Erregerwicklung 22 hervorgerufene Srregerfluß ist mit 0g bezeichnet. Hinzu tritt ein zusätzlicher Erregerfluß 0 , der durch die üuerfeldwicklung 24 hervorgerufen wird. Wegen der räumlichen Versetzung um p/2 von Erregerwicklung 22 und Querfeldwicklung 24 stehen die Zeiger 0g und 0 senkrecht aufeinander. Die vektorielle Addition ergibt einen resultierenden Erregerfluß 0, der mit der Strombelagswelle A_{D σ φ(}

K,ö, 1 die von der Wanderfeldwicklung 23 gebildet wird, einen Winkel γ einschließt. Dieser Winkel *f ist wieder ein Maß für den Vorschub des synchronen Linearmotors 20. Der Vorschub ergibt sich als äußeres Vektorprodukt der Größen 0 und A_{D σ} m.

κ,ο, ι

Bei einer Änderung der Einstellung am Stellglied 30 ändert sich der Strom in der Querfeldwicklung 24 und damit der zusätzliche Erregerfluß 0 . Der resultierende Erregerflußzeiger 0 bewegt sich dann auf der Geraden L. Ändert sich die Strombelagswelle A_{D c} m infolge einer Störung, dann ändert

K,ö, 1

sich infolge des Regelkreises entsprechend auch das zusätzliche Erregerfeld 0 , und zwar in dem Sinne, daß Pendelungen gedänroft werden.

19 Patentansprüche

6 Figuren

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Claims

Patentansprüche

1..J Fahrweggebundenes Triebfahrzeug mit einem synchronen
Linearmotor, der eine Erregerwicklung und eine aus einem starren Wechselspannungsnetz gespeiste Wanderfeldwicklung umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung eines Querfeldes im Luftspalt (9; 27) des synchronen Linearmotors (2; -20) eine Querfeldwicklung
(6; 24) vorgesehen ist, die über ein Stellglied (12; 30) mit einem veränderbaren Strom gespeist ist, dessen
Grüße mittels eines Steuersignals (x) einstellbar ist, welches von einer Regeleinrichtung (16, 17; 32, 33) geliefert wird, die von einem Meßglied (10; 36) mit einer den Leistungspendelungen proportionalen Größe (x1) beaufschlagt ist.

2. Triebfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein auf den Pendelfrequenzbereich abgestimmtes
Bandpaßfilter (15; 35)' vorgesehen ist, dessen Eingang
mit dem Meßglied (TO; 36) und dessen Ausgang mit dem
Eingang der Regeleinrichtung (16, 17; 32, 33) verbunden ist.

3· Triebfahrzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Bandpaßfilter (15; 35) aus der Serienschaitung eines Längskondensators mit zwei Längswiderständen besteht, an deren Verbindungspunkt ein Querkondensator
angeschlossen ist.

4. Triebfahrzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Bandpaßfilter (15; 35) aus einem Operationsverstärker großer Leerlauf verstärkung besteht, in dessen Eingangskreis die Reihenschaltung eines Kondensators mit einem Widerstand und in dessen Gegenkopplungskreis die Parallelschaltung eines Widerstands mit einem Kondensator angeordnet ist.

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5. Triebfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch σekennzeichnet, 1^0 das Meßglied (10; 36) ein elektrischer Leistunvsmei'i^lied (10) ist, welches in der Verbindung zwischen dem Wechselspannungsnetz (11; 28) und der Wanderfeldwicklung (5; 23) angeordnet ist.

υ. Triebfahrzeug nach einem der Ansprüche 1-bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßglied (10; 36) ein Stromwandler ist, welcher in der Verbindung zwischen dem Wechselspannungsnetz (11; 28) und der Wanderfeldwicklung (5; 23) angeordnet ist.

7. Triebfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßglied (10; 36) ein mechanisches Reschleunigungsmeßglied (36) ist, welches auf dem Triebfahrzeug ortsfest angeordnet ist.

8. Triebfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßglied (10; 36) ein Pollagegebei" ist, der die Stellung des Polschuhs (7; 25) des synchronen Linearmotors (2; 20) bezüglich der Polteilung (d) des auf der Trasse verlegten Stators (8; 23) mißt.

9. Triebfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit einem synchronen Linearmotor, dessen Erregerwicklung und dessen V/anderfeldwicklung gemeinsam auf dem beweglichen oder unbeweglichen Teil des Linearmotors angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Querfeldwicklung (6) auf demselben Teil des synchronen Linearmotors (2) angeordnet ist wie die Erregerwicklung (4) und die Wanderfeldwicklung (5), daß die Querfeldwicklung (6) ebenfalls als Wanderfeldwicklung ausgebildet und gegenüber der besagten Wanderfeldwicklung (5) in Vortriebsrichtung (3) räumlich versetzt angeordnet ist. und daß die Querfeldwicklung (S) über das Stellglied (12) mit einem veränderbaren Wechselstrom gespeist ist.

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BAD ORJGINAL

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10. Triebfahrzeug nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Querfeldwicklung (6) über das Stellglied (12) aus dem starren Wechselspannungsnetz (11) gespeist j.st.

11. Triebfahrzeug nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Querfeldwicklung (6) gegenüber der Wanderfeldwicklung (5) um eine halbe Polteilung (p/2) versetzt angeordnet ist.

12. Triebfahrzeug nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß als Stellglied (12) ein Wechselstromsteller vorgesehen ist.

1j5· Triebfahrzeug nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselstromsteller sowohl für einen Betrieb mit einem dem Wanderfeld voreilenden Querfeld als auch für einen Betrieb mit einem dem Wanderfeld nacheilenden Querfeld ausgerüstet ist.

14. Triebfahrzeug nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine dreiphasige Querfeldwicklung (6) vorgesehen ist, deren Teilwicklungen (r, s, t) mit Mittelanzapfungen versehen sind, welche im Stern geschaltet sind.

15· Triebfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit einem synchronen Linearmotor, dessen Erregerwicklung auf dem einen Teil und dessen Wanderfeldwicklung auf dem anderen Teil des Linearmotors angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Querfeldwicklung (24) auf demselben Teil des synchronen Linearmotors (20) angeordnet ist wie die Erregerwicklung (22), daß die Querfeldwicklung (24) ebenfalls als Erregerwicklung ausgebildet und gegenüber dieser in Vortriebsrichtung (3) räumlich versetzt angeordnet ist, und daß die Querfeldwicklung (24) über das Stellglied (30) mit einem veränderbaren Gleichstrom gespeist ist.

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23A6A57

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1£. Triebfahrzeug nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, ■aß die Querfeldvicklung (24) über das Stellglied (30) :ius einem Uechse^stromnet?: (31) gespeist ist.

17. Trier:fahrzeug nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Querfeldwicklung (24) gegenüber der lirre^urwicklung (22) um eine halbe Polteilung (p/2) versetzt angeordnet ist.

18. Triebfahrzeug nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß als Stellglied (30) eine Gleichrichterschaltung mit steuerbaren Ventilen in Brückenschaltung vorgesehen ist.

19. Triebfahrzeug nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied (30) für den Vier-Quadranten-Betrieb ausgerüstet ist.

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