DE2647654C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen durchzugsbelüfteten elektrischen Linearmotor mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruches 1.

Es ist ein elektrischer Linearmotor der vorgenannten Art bekannt (FR-PS 20 50 624), bei welchem das zu kühlende Element eine Läuferplatte ist, die durch in ihr erzeugte Wirbelströme erhitzt wird, während die Spulenanordnung einfach in einem von Kühlluft durchströmten Raum angeordnet ist. Die Anwendung der Kühlung der Läuferplatte ist auf die Spulenanordnung nicht ohne weiteres anwendbar. Tatsächlich wird hier die Spulenanordnung wenig wirk­ sam gekühlt, weshalb die Leistung des Linearmotors begrenzt ist.

Es ist ferner ein Linearmotor mit einem den Induktor um­ schließenden U-förmig gestalteten Induktionsteil bekannt ("Revue G´n´rale de l'Electricit´", 1975 Seiten 121- 123). Der den Induktor tragende Träger ist dort ebenfalls U-förmig ausgeführt und an der offenen Seite des Induktions­ teiles angeordnet. Bei diesem vergleichsweise hohe Verluste erzeugenden Linearmotor ist aber eine für eine hohe Motor­ leistung erforderliche besonders intensive Kühlung nicht vorgesehen und auch nicht ohne weiteres zu verwirklichen.

Es ist auch eine elektromagnetische Pumpe zum Pumpen elektrisch leitender Flüssigkeiten bekannt (GB-PS 7 30 943), bei welcher eine Spulenanordnung vorgesehen ist, die kein Eisen zwischen den Spulenwindungen enthält. Das Weglassen von magnetischen Brücken erfordert zwar eine gewisse Vergrößerung der erforder­ lichen Amperewindungen für den Luftspalt, jedoch wird anderer­ seits Platz für die Wicklung gewonnen, so daß die Amperewindungen erhöht werden können. Tatsächlich ist es möglich, eine Steigerung der Amperewindungen überproportional zu den für den zusätzlichen Verbrauch in den Luftspalten benötigten Amperewindungen zu er­ reichen. Dies führt aber bei großer Leistung zu einer erhöhten Erwärmung, die bei der bekannten Pumpe nicht abgeführt werden kann. Eine besondere Kühlung der Spulenanordnung ist hier nicht vorgesehen, so daß die Leistung der Pumpe begrenzt ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektrischen Linearmotor der genannten Art zu schaffen, der eine wirksame Kühlung der Spulenanordnung ermöglicht.

Dies wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 erreicht.

Durch die Verwendung einer Spulenanordnung ohne zwischen sie eingesetzte magnetische Teile wird eine erhöhte Windungszahl und damit eine erhöhte Durchflutung erreicht, während durch die spezielle Ausbildung der Spulenträger und ihren Flanschen sich auch bei einer Spulenanordnung die Möglichkeit einer sehr wirksamen abschnittsweisen direkten Kühlung ergibt. Dies ermöglicht einen Linearmotor mit vergleichsweise großer Leistung.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung an einigen Ausfüh­ rungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Seitenansicht, teils im Längsschnitt, eines Linear­ motors großer Leistung und für hohe Geschwindigkeit ge­ mäß der Erfindung;

Fig. 2 einen Querschnitt durch den Motor nach der Linie II-II in Fig. 1;

Fig. 3 eine teils in Längsrichtung aufgeschnittene Seitenan­ sicht einer abgewandelten Ausführungsform des Linearmo­ tors;

Fig. 4 eine Querschnittsdarstellung einer wiederum anderen Vari­ ante des erfindungsgemäßen Linearmotors.

Der in den Fig. 1 und 2 dargestellte Linearmotor weist einen In­ duktor 1 auf, der an einem Fahrzeug befestigt ist, welches sich auf einer Schiene bewegt und neben der ein Induktionsteil 2 be­ festigt ist von rechtwinkligem, nach oben offenen U-Querschnitt. Diese Anordnung ist allerdings im vorliegenden Fall nur beispiel­ haft, und die Erfindung bezieht sich auch auf eine umgekehrte An­ ordnung, bei der der Induktor 1 fest und das zu induzierende Teil 2 beweglich sind. Der Induktionsteil 2 mit rechteckigem Querschnitt in U-Form kann insgesamt leitend und magnetisch (Ei­ sen) sein, kann aber auch einen äußeren Teil 2 a aus Eisen und ei­ ne innere Auskleidung 2 b aus einem elektrisch leitfähigen Material (z. B. Aluminium) haben.

Der Induktor 1 weist einen Träger 3 auf, der aus einem Längsprofil mit nach oben offenem, U-förmigem Querschnitt gebildet ist. Der Träger besteht aus einem leitfähigen Material, z. B. aus Aluminium. Unterhalb des Trägers 3 ist eine Anordnung aufgehängt, die aus mehreren, hintereinander angeordneten Spulen 4 besteht, die einen gemeinsamen, längs verlaufenden Kern 5 umschließen. Jede Spule 4 ist auf ei­ nen Spulenkasten 6 aus Isoliermaterial gewickelt, der ein Rohr 7 von rechteckigem oder quadratischem Querschnitt umfaßt, das auf den Kern 5 aufgezogen ist, und zwei Flansche 8 erstrecken sich an den Enden des Rohres 7 nach au­ ßen. Jede Spule 4 ist mithin so aufgebaut wie die Wicklung eines Transformators. Außen ist die Spule mit einer Isolierschicht 10 beispielsweise aus Glasfasermaterial umschlossen.

Damit die aus Kern 5 und diesen umgebende Spulen 4 gebildete An­ ordnung aufgehängt werden kann, sind die Flansche 8 der Spulen an ihren oberen Seiten mit Verlängerungen 8 a ausgestattet, welche in horizontal und quer verlaufende Schlitze 9 hineinragen, die in den unterseitigen Steg 3 a des Trägers 3 eingearbeitet sind. Die Verlängerungen 8 a dringen bis ins Innere des Trägers 3 oberhalb des Quersteges 3 a ein und sind dort mit Bolzen 11 festgelegt, wel­ che durch in die Verlängerungen 8 a eingebohrte Löcher gesteckt und mit Querstreben 12 und 13 fest verbunden sind, die am Träger 3 sitzen.

Die Flanschpaare 8 der hintereinander angeordneten Spulen sind ab­ wechselnd auf verschiedene mögliche Arten befestigt. Im linken Teil der Fig. 1 ist die Querstrebe 12 gegenüber dem Schlitz 9 versetzt und befindet sich hinter der Verlängerung 8 a des rechten Flansches 8. Zwischen die beiden Verlängerungen 8 a ist auf den Bol­ zen ein Abstandsrohr 14 aufgesetzt, so daß zwischen den beiden Verlängerungen eine Öffnung zum Durchtritt für kühle Luft ver­ bleibt, was an späterer Stelle noch näher erläutert wird. Demge­ genüber ist die Befestigung der beiden nebeneinander angeordneten Verlängerungen 8 a im rechten Teil der Fig. 1 anders. Die Querstre­ be 13 liegt hier zwischen den beiden Verlängerungen 8 a und spielt die Rolle eines Abstandshalters, verhindert jedoch an dieser Stel­ le jeglichen Luftdurchtritt. Die Querstrebe 13 befindet sich quer über dem Schlitz 9.

In einer abgewandelten Ausführungsform könnten die der Befestigung der hintereinander angeordneten Spulen 4 dienenden Flansche 8 an­ gesetzte Metallplatten sein. In dem Fall müßten sie jedoch voll­ kommen geschlitzt sein, damit sie keine den Kern umgebende Kurz­ schlußwindung darstellen.

Um sehr erhebliche Verluste auszuschließen, die aufgrund des Teils des Magnetflusses entstehen, der sich am Grunde des U schließt, das vom zu induzierenden Teil gebildet wird und der folglich in einer im wesentlichen vertikalen Richtung verläßt, ist der Kern 5 in mehrere schmale Einzelkerne 5 a unterteilt, von denen jeder durch Aufeinanderlegen von Ma­ gnetblechen gebildet ist, wobei die schmalen Einzelkerne 5 a durch eine Umwicklung mit einem isolierenden Bandstreifen gegeneinander isoliert sind. Die Trennebenen zwischen den Einzelkernen liegen vertikal, was in der Fig. 2 zu erkennen ist.

Damit die einzelnen Teilkerne 5 a im Innern des Spulenkastens 7 der Spule 6 zusammengepreßt werden, werden Keile 15 zwischen den Spulenkasten 7 und die Einzelkerne 5 a eingeschlagen.

Wie aus dem Vorangehenden deutlich wird, kann durch das Weglas­ sen der magnetischen Brücken zwischen den aufeinanderfolgenden Spulen 4 der für die Wicklung der Spulen 4 zur Verfügung stehende Platz erheblich vergrößert werden, was eine verstärkte Durchflu­ tung zuläßt. Das Weglassen der Brücken ermöglicht aber auch eine wesentlich freiere Zirkulation der Kühlluft, was ein besonders kri­ tisches Problem darstellt, da eine erhebliche Vermehrung der Kup­ fermenge auch erheblich vermehrte Kupferverluste mit sich bringt.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, sind die aufeinanderfolgenden Spulen 4 und speziell ihre stirnseitigen Flansche 8 voneinander durch schmale Querkanäle 16, 17 getrennt. Der erste Querkanal 16 zwi­ schen den linken Flanschen 8 in Fig. 1 ist an seinen beiden ver­ tikalen Kanten und an seiner Unterkante durch eine Abdeckung 18 mit U-förmigen Querschnitt verschlossen, die sich zwischen den bei­ den Flanschen 8 bis zur Unterfläche des Trägers 3 erstreckt. Im Ge­ gensatz dazu ist der zweite Querkanal 17 zwischen den beiden in Fig. 1 rechts gelegenen Flanschen 8 auf allen Seiten außer am oberen En­ de offen, wo er durch die Querstrebe 13 abgeschlossen ist.

Andererseits ist der U-förmige Träger 3 auf seiner Oberseite durch eine Abdeckung 19 verschlossen, die eine große Öffnung aufweist, an die ein in der Zeichnung nicht dargestelltes Gebläse angeschlos­ sen ist. So wird der Träger 3 in seinem Inneren stets auf Überdruck gehalten. Zum Kühlen der einzelnen Spulen 4 haben diese einen oder mehrere Zwischenräume zwischen den Wicklungslagen, wodurch Längs­ kanäle 21 gebildet sind, die mit Löchern 22 in den Spulenflanschen 8 fluchten. Die Längskanäle 21 können auf allen vier Seiten der Spule oder nur auf einigen vorgesehen sein.

Damit strömt Kühlluft unter Druck, die im Träger 3 enthalten ist, vertikal entlang den Verlängerungen 8 a der linken Spulenflansche 8, die einen dazwischen befindlichen Kanal begrenzen, tritt dann nach rechts und links in die Längskanäle 21, wobei sie zuvor durch die Löcher 22 in den Flanschen 8 hindurch muß. Die Luft kann nicht nach außen entweichen, da der Zwischenraum durch eine Abdeckung 18 verschlossen ist. Hat die Kühlluft dann die Kühlkanäle 21 durch­ strichen, strömt sie nach dem Passieren der Löcher 22 in den Flan­ schen 8 in den zweiten Querkanal 17 und entweicht dann nach außen. Auf diese Weise wird die im Betrieb entstehende Wärme sehr wirksam abgeführt.

Der Linearmotor nach der Erfindung kann mit Einphasen- und Mehr­ phasenwechselstrom betrieben werden. Der die Wicklung eines Pols und einer Phase bildende Teil kann aus einer einzigen Spule beste­ hen oder in zwei oder drei Teilspulen unterteilt sein, damit be­ stimmte Veränderungen in der Zusammenschaltung vorgenommen werden können, besonders um mehrere Synchrongeschwindigkeiten zu erzie­ len.

In einer besonderen Ausführung gemäß Fig. 3 sind die Spulenflan­ sche 8 der Spulenkästen 6 nicht senkrecht zur Motorlängsachse sondern gegen eine Querebene um einen Winkel geneigt, der in der Größen­ ordnung von beispielsweise 10° liegen kann. Dadurch kann zusätz­ lich Raum für eine weitere Steigerung der Gesamtdurchflutung ge­ wonnen werden. Die größte Breite der Zwischenräume zwischen den Flanschen 8 befindet sich für den Kühllufteintritt auf der dem Trä­ ger 3 zugewendeten Seite und auf der gegenüberliegenden Seite zum Induktionsteil 2 hin, um den Kühlluftaustritt zu erleichtern.

In einem in Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiel benötigt der In­ duktionsteil 2 weniger Platz in der Höhe als beim Motor nach den Fig. 1 und 2. Diese Ausführungsform ist besonders von Interes­ se, wo die Induktionsschiene entlang der Fahrstrecke angebracht ist. Dadurch kann die Unfallgefahr durch Verstopfen der Schiene mit Hagel, Schnee und dergleichen beträchtlich verringert werden infolge der Herabminderung der Induktionsschienenhöhe. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Innenschicht 2 b aus Leitermaterial (Aluminium) um eine auf der Außenseite liegende Leiterauflage 2 c erwei­ tert, die sich entlang den Rändern der Induktionsschiene 2 um ei­ ne bestimmte Strecke nach unten erstreckt. Der Träger 23 des In­ duktors, der aus Leitermaterial (Aluminium) hergestellt ist, hat einen Querschnitt in Form eines umgekehrten U, dessen Schenkel 23 a entsprechend den äußeren Leiterauflagen 2 c auf der Induktionsschie­ ne 2 nach unten erstrecken. In Fig. 4 ist angedeutet, daß mit Hil­ fe eines auf die Abdeckung 19 aufgesetzten Gebläses 24 die Küh­ lung des Motors in früher beschriebener Weise sichergestellt wird.

Mit der Erfindung werden bemerkenswerte Ergebnisse erzielt. Der Motor weist einen Induktor mit Gesamtgewicht von 800 daN auf, der aus einem magnetischen Kern mit Querschnitt 100 × 100 mm und 4,5 m Länge aufgebaut ist, auf den vierundzwanzig Spulen von 18 cm Länge und 160 × 160 mm Querschnitt sitzen. Jede Spule hat vierundzwanzig Windungen mit einem Kupferquerschnitt von 100 mm² je Windung. Der Induktor wird mit einem Wechselstrom von 50 Hz bei einer Spannung von 670 V gespeist. Die Induktionsschiene be­ steht aus einem Außenblech von 12 mm, das innen mit einer Alumini­ umbeschichtung von 5 mm Stärke überzogen ist. Die Schiene hat ei­ ne Höhe von 30 cm und eine Breite von 20 cm.

Der Motor entwickelt eine Kraft von 2000 daN bei 166 km/h, während zum Erzielen desselben Ergebnisses ein Motor von bekanntem Aufbau zwischen 3000 und 4000 daN liegen muß. Der erfindungsgemäße Motor hat einen Wirkungsgrad von 71% bei einem Leistungsfaktor von 0,76. Der Stromverbrauch, der umgekehrt proportional dem Pro­ dukt aus diesen beiden Faktoren ist, ist somit beim Motor nach der Erfindung um die Hälfte kleiner als bei bekannten Motoren, deren Wirkungsgrade und Leistungsfaktoren in der Größenordnung von 0,5 liegen.

Claims (3)

1. Durchzugsbelüfteter elektrischer Linearmotor mit einem Spulen (4) und einen langgestreckten Kern (5) enthaltenden In­ duktor (1), der an einem Träger (3; 23) befestigt ist, mit einem langgestreckten Induktionsteil (2) und mit einem an dem Träger (3; 23) vorgesehenen Gebläse (24) zur Kühlung des Motors, wobei der zu kühlende Motorteil abschnittsweise mit parallel zur Motorlängsachse verlaufenden Längskanälen (21) versehen ist, die jeweils an den Abschnittsenden in quer dazu verlaufenden Kanälen enden, die in Längsrichtung abwechselnd mit einer Kühl­ luftzuführung und mit einer Kühlluftabführung verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Linearmotor, bei dem der Induktionsteil (2) U-förmig gestaltet ist und den Induktor (1) umschließt und bei dem der Träger (3; 23) im Bereich der offenen Seite des Induktorteils (2) angeordnet ist, der Träger (3; 23) zusammen mit dem Gebläse einen der Kühlluftzuführung dienenden, abgeschlossenen Hohlraum bildet, die Spulen (4) auf mit Flanschen (8) versehenen Spulenkästen (6) angeordnet sind und ohne zwi­ schen sie eingesetzte magnetisch leitende Kernteile aneinander­ gereiht den gemeinsamen Kern (5) umgeben, wobei die Flansche (8) benachbarter Spulenkästen (6) zur Bildung der Querkanäle (16, 17) voneinander beabstandet sind und jeweils Verlängerungen (8 a) aufweisen, die durch Schlitze (9) des Trägers (3; 23) in den Hohlraum ragen und dort am Träger (3; 23) befestigt sind, daß jeweils erste und zweite Querkanäle (16; 17) in Längsrichtung des Induktors (1) aufeinanderfolgen, wobei die ersten Quer­ kanäle (16) über die Schlitze (9) im Träger (3; 23) mit dem Hohlraum in Verbindung stehen und gegenüber dem von dem In­ duktor (1) und dem Induktionsteil (2) gebildeten, der Kühl­ luftabführung dienenden Zwischenraum abgeschlossen sind und die zweiten Querkanäle (17) gegenüber dem Hohlraum abgeschlos­ sen und gegenüber dem Zwischenraum offen sind, der im Bereich des Trägers (3; 23) mit der Umgebung in Verbindung steht.

2. Durchzugsbelüfteter elektrischer Linearmotor nach An­ spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an den Schlitzen (9), durch die jeweils die Kühlluft in die ersten Querkanäle (16) eintritt, die Verlängerungen (8 a) zweier benachbarter Flansche (8) vonein­ ander durch Abstandhalter (14) auf Abstand gehalten und an einer Querstrebe (12) befestigt sind, die am Träger (3; 23) fest und seitlich vom Schlitz (9) so angebracht ist, daß dieser Schlitz (9) offen bleibt, und daß an den jeweils den zweiten Querkanälen (17) zugeordneten Schlitzen (9) die Verlängerungen (8 a) zweier benachbarter Flansche (8) an einer Querstrebe (13) befestigt sind, die fest mit dem Träger (3; 23) verbunden ist und sich jeweils quer über den Schlitz (9) erstreckt und diesen ver­ schließt.

3. Durchzugsbelüfteter elektrischer Linearmotor nach An­ spruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flansche (8) der Spulenkästen (6) zur Längsachse des Motors schräg geneigt sind, wobei die Schrägneigung von Spule zu Spule wechselt, so daß bei den ersten Querkanälen (16), in die die Kühlluft ein­ tritt, die maximale Breite der Querkanäle jeweils zwischen den Flanschen (8) dem Träger (3; 23) zugewandt ist, während bei den zweiten Querkanälen (17) die maximale Breite der Querkanäle jeweils in Richtung auf den Steg des U-förmigen Induktionsteils (2) weist.