DE2647654C2 - - Google Patents
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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.
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