DE2730621A1

DE2730621A1 - Elektrische induktionseinrichtung fuer lokomotiven oder andere triebfahrzeuge

Info

Publication number: DE2730621A1
Application number: DE19772730621
Authority: DE
Inventors: Jose Pinto Dos Santos
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1973-08-14
Filing date: 1977-07-07
Publication date: 1978-01-12
Also published as: FR2241157A1; JPS5043607A; ES428945A1; FR2241157B1; IT1037077B; DE2438576A1; GB1552523A; BR7406512D0; JPS53101607A; CA1018622A; AU7215074A; SE7409959L; FR2358047B2; ZA745112B; CH605226A5; US4236455A; BE818798A; FR2358047A2; GB1484075A

Description

Jose Pinto dos Santos in Lissabon (Portugal)

Elektrische Induktionseinrichtung für Lokomotiven oder andere Triebfahrzeuge.

In dem Hauptpatent ... (Patentanmeldung P 24 38 576.0) ist dargelegt, daß das System der dortigen Linearmotoren besonders im Zusammenwirken mit Rotationsmotoren brauchbar ist, wenn es darum geht, die benötigte Wirkung unter besonders schwierige Umständen zu erbringen, wie es beim Anfahren oder Bremsen oder dann der Fall sein kann, wenn die Lokomotive schwere Züge kräftige Steigungen hinauf- oder hinunterfahren muß.

Im Folgenden wird ein Weg beschrieben, die Arbeitswelse von bei solchen Gelegenheiten eingesetzten Linearmotoren weiter zu verbessern. Dieser Weg kommt besonders in Betracht, wenn die Linearmotoren allein eingesetzt werden bzw. die Rotationsmotoren weggelassen sind.

Der Weg besteht kurz gesagt darin, den beschriebenen reinen Induktionsmotor durch eine induktionsmaschine zu ersetzen, deren "Primärteil¹¹ dem "Sekundärteil" sowohl ein wanderndes magnetisches Feld als auch ein synchrones wanderndes Feld elektrischer Ströme aufprägt. Diese Ströme (mehrphasig).

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deren Charakteristik in geeigneter Weise vom Fahrzeug aus modifiziert oder gesteuert werden kann, kommen zu den in dem Sekundärteil durch das wandernde Magnetfeld induzierten Strömen hinzu und kompensieren oder korrigieren deren ungünstige Verteilung und Charakteristiken (Phasen, Amplitude). Auf diese Weise kann der lineare Induktionsmotor dazu gebracht werden, beispielsweise die Arbeitscharakteristik eines Reihenschlußmotors anzunehmen.

Die vorliegende Anmeldung bezieht sich daher auf eine neue Ausbildung der schon beschriebenen Maschinen.

Im Hauptpatent ...(Patentanmeldung P 24 yi 576.o) sind die Arbeiten von Zehden (19oj5 bis 19ot>), Laithwaite, Poloujadoff und Seifert (19b7 bis 1969) behandelt, die eine "Explosion des Interesses an linearen elektrischen Motoren für den Antrieb von Schienenfahrzeugen ^M zuwege brachten.

Es wurde in der älteren Anmeldung erwähnt, daß die Erfindung das Resultat eines Versuches 1st, eine Lösung für die TransportProbleme bei einer Eisenbahnlinie zu finden, die einen Verkehrsintensiven Seehafen mit einem hochgelegenen Hinterland verbindet: Es handelte sich um die Linie zwischen Paranagua und Curitiba in Brasilien. Die Lösung wurde durch die Intregration des Konzeptes des linearen Induktionsmotors und des Konzeptes der elektromagnetischen Bremsung mit quer verlaufende Flußlinien aufweisenden Schuhen gefunden, wie sie von H. Parodi und A. Tetrel in "La Traction Electrique et Ie Chemin de Fer Dunod, Paris 19J5i>" beschrieben worden ist. Es kann

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hinzugefügt werden, daß die vorliegende Erfindung Ihre Ursprünge in den Jahren 1954-1955 hat, in denen der Anmelder Angestellter der Metropolitan-Vickers

w
Electrical Company Limited (eine Tochtergesellschaft der A.E.1.)J daß er in Erfüllung eines von ihm vor der Anstellung unterzeichneten Vertrages er pflichtgemäß seine Ideen der Gesellschaft offenbart hat; daß in Anbetracht der durch den Vertrag übertragenen absoluten Rechte die Gesellschaft keine Eile an den Tag zu legen und sich nicht mit der Sache zu befassen brauchte und tatsächlich nie irgendein Interesse an den Gedanken gezeigt hat;daß der Anmelder, nachdem er über einige Weiterentwicklungen auf dem Gebiet der linearen elektrischen Motoren Kenntnis erlangt hatte, am b. Mai I908 an den Präsidenten der Gesellschaft schrieb, an die das Vermögen der Metropolitan-Vickers (nachdem die A.E.I, von G.E.C. gekauft worden war) übergegangen war, der aber wiederum an den Ideen kein Interesse zeigte; daß der Anmelder, nachdem er einige Nachforschungen über die jüngste Zunahme des Interesses an linearen elektrischen Motoren angestellt hatte, das Gefühl hatte, er sei von der Entwicklung überlaufen worden und er deshalb seine Angelegenheit dem "The Institute of Patentees and Inventors" in London am 4. Oktober I968 vorlegte; daß der Anmelder, nachdem er seine Grundgedanken durch einen Brief vom Ib. Mai i960 der französischen Zeitschrift "Sciences & Avenir) mitgeteilt hatte, von dieser einen weiteren Brief mit einem (nie eingehaltenen) Versprechen der Veröffentlichung einiger Teile seines Briefes erhalten hat; daß in der Zeitschrift "Sciences & Avenir" einige

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Monate später (Februar I969) etwas erschien, was fast mit den Grundgedanken übereinstimmte, ohne dies jedoch zu erwähnen; daß der Anmelder den Grund für den Unterschied zwischen seiner Mitteilung und der Veröffentlichung in "Sciences & Avenir" nicht verstand, bis er einen Artikel von Professor Laithwaite in der britischen Zeitschrift "New Scientist" vom 2Ö. Juni 1973 las, worin Professor Laithwaite seine Unkenntnis oder seine mangelnde Bewußtheit (bis Februar I9i>9) im Hinblick auf Maschinen mit Querfluß zugab; daß dieses Eingeständnis und der erwähnte Unterschied klar erkennen lassen, daß die französischen Ingenieure ebenfalls die Maschinen mit Querfluß "vergessen" hatten, (von denen einige Parodi und Tetrel 1935 bekannt waren) und daß daher (im August 1973) für den Anmelder der Zeitpunkt gekommen war, seine Erfindung gänzlich zu offenbaren und eine Patentanmeldung einzureichen.

Es wurde in der voraufgegangenen Anmeldung festgestellt, daß im allgemeinen die für Schienenfahrzeuge ins Auge gefassten Linearmotoren aus einer linearen Primärwicklung (Induktor) für drei Phasen und aus einem feststehenden Sekundärteil bestehen, der von einer Speziaischiene aus einem Metall hoher elektrischer Leitfähigkeit besteht, wobei diese Schiene in ihrer Konstruktion verschieden und separat von den Schienen für die Unterstützung und Führung des Zuges in konventionellen Eisenbahnanlagen ist.

Eine Ausnahme findet sich in dem britischen Patent 1 2oo 2ol (Tassin). Der Sekundärteil des

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Induktionsmotors in diesem Patent besteht wie bei der vorliegenden Erfindung in der Tragschiene der Elsenbahn. Es ist jedoch der Induktionsmotor von Tassin eine Naschine mit Längsfluß: Die Kraftlinien seines Magnetfeldes liegen in einer Ebene, die auch die Bewegungsrichtung des wandernden Feldes enthält. Dies ist das Äquivalent zu einem konventionellen sich drehenden Induktionsmotors, dessen Stator flach ausgebreitet worden ist.

Die Maschine der vorliegenden Erfindung kann nicht, wie noch gezeigt werden wird, durch eine einfache Operation wie die gedankliche Ausbreitung einer Maschine üblicher Konstruktion in den flachen Zustand erhalten werden. Eine Maschine dieser Art existiert noch nicht, mit der Ausnahme eines sehr speziellen Falles, wie noch dargelegt werden wird. Die Kraftlinien des wandernden magnetischen Feldes liegen in Ebenen, die senkrecht zur Bewegungsrichtung des Feldes verlaufen: Es handelt sich um eine Maschine mit Querfluß. Diese Maschine stellt ersichtlich einen neuen Ansatzpunkt, verglichen mit konventionellen Induktionsmotoren_/dar. Sie ist im Konzept und in der Arbeitsweise auch verschieden von dem Motor von Tassin.

Die Maschine der vorliegenden Erfindung unterscheidet sich auch von dem in der US-PS > 585 423 (Bolton) beschriebenen Motor in wenigstens einer Eigenschaft: Sie gehört zu einer anderen Familie von Maschinen mit Querfluß. Dieser Unterschied wird ohne weiteres klar, wenn eine der vorerwähnten Gedankenoperation entgegengesetzte Gedankenoperation

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durchgeführt wird. Die Linearmaschinen werden bei diesem Vergleich in einen Ring zusammengewunden. Ausgehend von dem Motor von Tassin ist ein konventioneller drehender Induktionsmotor (mit Längsfluß) ohne weiteres ableitbar.

Aus den Motoren von Bolton-Laithwaite gehen Maschinen mit Querfluß hervor, deren Eigenschaften "nicht brauchbar oder wirtschaftlich" sind; "ein drehender Motor mit Querfluß ist mühsam zu konstruieren" sagt Professor Laithwaite in der "Electrical Times" (siehe "inverter System is not vital to traction by linear motor" - Electrical Times, I7. Oktober 197^* Seiten b und 7). Die Maschinen der vorliegenden Erfindung ergeben Maschinen mit Querfluß, die überhaupt nicht schwierig oder kompliziert sind. Als reine Induktionsmaschinen müssen diese Maschinen noch hergestellt werden, können aber dann nicht mit denen von Professor Laithwaite verwechselt werden, die "mühsam zu konstruieren" sind. Bei den Ausführungsformen, die ein System von elektrischen Bürsten umfassen, existieren einige Maschinen bereits. Dies ist der Fall bei dem homopolaren Gleichstromgenerator, der ein Abkömmling dieser Maschinen ist. Der hornο-polare Generator ist eine rotierende Maschine mit Querfluß, die der Bremsvorrichtung mit Schuhen mit Querfluß entspricht, die von Parodi und Tetrel 1935 beschrieben worden sind, wenn dieser Vorrichtung ein Luftspalt von einer von Null verschiedenen Breite und ein System von Bürsten hinzugefügt werden, um die im Sekundärteil erzeugten elektromotorischen Kräfte aufzunehmen. Diese Vorrichtung lag der

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Konzeption der Maschinen der vorliegenden Erfindung zugrunde.

In der Zeichnung sind Ausführungsbespiele der Erfindung dargestellt;

Fig. 4a ist eine schematische Darstellung einer Seitenansicht eines Zweiphasenir»du Kt-ors , der einem Schienenkopf gegenübersteht;

Fig. 4b ist eine schematische Darstellung des Induktors in Vorderansicht;

Fig. i?a ist eine schematische Darstellung einer Seitenansicht eines Induktors mit einem Satz von inneren Bürsten;

Fig. 5b ist eine schematische Darstellung des Induktors nach Fig. ^a und der Bürsten in Vorderansicht;

Fig. b ist eine schematische Darstellung in Vorderansicht eines Induktors mit einem Satz von inneren Bürsten una einem Satz von äußeren Bürsten;

Fig. 7 zeigt eine andere Ausführungsform der Polstücke und Bürstensätze;

Fig. ö ist ein Verdrahtungsplan für einen Zweiphasenmotor mit einem Satz von inneren Bürsten;

Fig. 9a ist eine schematische Darstellung einer Seitenansicht eines Teils eines Induktors mit Lfingsfluß, dem zwei Bürstensätze zugeordnet sind;

Fig. 9b ist eine schematische Darstellung einer Vorderansicht des Induktors und der Bürsten nach Fig. 9a.

In den Fig. 4a und 4b ist eine schematische Darstellung in Seiten- und Vorderansicht eines Zweiphaseninduktors wiedergegeben, der dem Schienenkopf

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(Sekundärteil) gegenübersteht. Es ist ein Moment gezeigt, in dem der magnetische Fluß für die Phase U ein Maximum ist. Es sind magnetische Flußlinien 19 und elektrische Stromlinien 2o zu erkennen. Die Darstellungen sind sehr vereinfacht, zeigen aber zwei Arten ungünstiger Stromverteilung, die durch die vorliegende Erfindung verbessert werden können: Eine Phasenverschiebung zwischen den magnetischen Flußlinien I9 und den elektrischen Stromlinien (Fig. 4a) und eine Konzentration von wichtigen Rückströmen, die horizontal in dem Gebiet 23 im Kopf der Schiene verlaufen (Fig. 4b), wobei dieses Gebiet zu eng ist, um Ströme einer solchen Größenordnung aufnehmen zu können.

Die Fig. 5a und 5b entsprechend den Fig. 4a bzw. 4b und sind schematische Darstellungen, die den gleichen Induktor zeigen, wenn er mit einem Bürstensatz 25 versehen ist, die mit geeigneten mehrphasigen Spannungen aus einer geeigneten Quelle 27 über ein Mehrleiterkabel 26 gespeist werden. Die Anordnung erlaubt es, die Phasenverschiebungssituation zu verbessern und liefert für die in dem Bereich 23 verlaufenden Ströme einen Alternativweg.

Der Bürstensatz 25 (innere Bürsten) kann allein oder unterstützt durch einen anderen Bürstensatz 36 (äußere Bürsten) eingesetzt werden, der ebenfalls aus der Quelle 27 gespeist wird. Die Bürsten 36 bieten einen Alternativweg für die in dem Gebiet 24 horizontal fließenden Ströme (Fig. 6).

Fig. 7 zeigt eine andere Ausführungsform der Polstücke S^ und Np« denen ein innerer Bürstensatz 25 und ein äußerer Bürstensatz 36 zugeordnet sind.

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Aus den Fig. 5*>, 6 und 7 geht im Vergleich mit Fig. 4b hervor, daß eine geeignete Verteilung der elektrischen Ströme im Zusammenwirken mit dem magnetischen Fluß erzielt wird, um horizontale (Zug- oder Brems-)Kräfte zu erzeugen.

Fig. 8 zeigt einen Verdrahtungsplan für einen Zweiphasenmotor mit einem Satz von inneren Bürsten. Die Bürsten 25 sind oberhalb des Sekundärteils S des Linearmotors (der Schiene) angeordnet und gleiten über diesen hinweg, in dichter Nachbarschaft mit den Polen U, V, U¹, V' des Induktors Jl. Die Bürsten 25 werden durch das Vierleiterkabel 26 sowie ein Kabel 3o und ein Steuersystem 29 aus einer zweiphasigen Leistungsquelle 28 gespeist. In dem Steuersystem 29 ist ein einfacher Zweiphasentransformator dargestellt, doch kann es auch andere Einrichtungen wie Transformatoren mit veränderlichen Anschlüssen, induktive Spannungsregler, Phasen- und Frequenzwandler oder Jegliche anderen im Handel erhältlichen Mittel zur Steuerung der Charakteristik von Wechselströmen enthalten, die sowohl dem Induktor 21 als auch den Bürsten 25 zugeführt werden. Eine weitere Steuerung der Ströme im den Sekundärteil kann mit Hilfe der _ Bürstenverlagerungseinrichtung 22 erreicht werden, die die Bürsten als Ganzes gegenüber den Polstücken verlagert.

Bei der gezeigten Konfiguration mit nur inneren Bürsten bedeutet eine Verlagerung der Bürsten um + 90 elektrische Grade eine Modifikation der erzielten Wirkungen von einer Horizontalwirkung (zum Antrieb oder Bremsen) in eine Vertikalwirkung (im Sinne einer

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Entlastung oder Belastung). Um demselben Effekt mit zwei Bürstensätzen zu erreichen, müssen die inneren und äußeren Bürsten in einander entgegengesetzten Richtungen verlagert werden.

Es kann auch eine nicht dargestellte Vorrichtung zur Anhebung der Bürsten bei Nichtgebrauch vorgesehen sein.

Die Leistungsquelle 68 kann aus einem rotierenden elektrischen Generator mit einem geeigneten auf der Lokomotive mitgeführten Antrieb oder aus einer elektrischen Anordnung wie einem Transformator bestehen, der über einen Stromabnehmer an einer äußeren Spannungsquelle angeschlossen ist. Die Leistungsquelle kann auch eine Anzahl von Phasen liefern, die von der Phasenanzahl der Linearmotoren unterschiedlich 1st, wenn das Steuersystem 29 ein geeignetes Phasenkonvertersystem umfaßt.

Wenn der Linearmotor die Charakteristik eines Reihenschlußmotors haben soll, so 1st unter anderem die Drehzahl des Motors nicht durch die (synchrone) Geschwindigkeit des wandernden Feldes beschränkt. Eine unabhängige Steuerung der Feldstärke des Induktors und der Größe der dem Sekundärteil aufgeprägten Ströme bedeutet auch eine wirksame Steuerung der Geschwindigkeit des Motors. Wenn die wandernden Felder daher gegenüber dem Induktor eine Geschwindigkeit Null haben (beispielsweise im Falle eines Gleichstrominduktors oder eines einphasigen Wechselstrominduktors)kann die vorliegende Methode immer noch einen praktisch brauchbaren Linearmotor ergeben.

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Wenn weiterhin die Anzahl η der linear aufeinanderfolgenden Pole in Jedem Luftspalt auf eins reduziert wird, bedeutet dies eine Rückkehr zu der ersten Vorrichtung, aus der die Maschine der vorliegenden Erfindung hervorgegangen ist, nämlich das Bremssystem mit einem Schuh mit Querfluß, welches nun natürlich zu jeder Zeit einen Luftspalt beibehalten und dem ein System von Bürsten zugeordnet werden soll, um im Sekundärteil die notwendigen Ströme (Fig. 5a und Fig. 6 oder 7) aufzuprägen oder diese von ihnen zu entnehmen. Die vorliegende Maschine ist das lineare Äquivalent eines rotierenden homopolaren Generators.

In Motoren wie dem vorliegenden, in dem die Geschwindigkeit nicht in erster Linie von der Geschwindigkeit des wandernden Feldes abhängt, können die Induktoren ohne viel Aufwand zu dem longitudinalen Typ zurückkehren. Es reicht, die Abmessungen der Pole zu reduzieren und ihre Anzahl zu vervielfachen, um den notwendigen Fluß in den engen Grenzen des Sekundärteils (der Schiene) unterzubringen. Die Bürsten sind in diesem Fall Seitenbürsten, wie In den Fig. 9a und 9b dargestellt. Es sei an dieser Stelle erneut darauf hingewiesen, daß die Bürsten 33» 35 für Horizontalkräfte (Antrieb und Bremsung) von den Bürsten 34, 37 für Vertikalkräfte (belastende und gewichtsreduzierende Kräfte) zu unterscheiden sind. Eine Steuerung dieser Kräfte kann leicht über eine Steuerung der Ströme und/oder der dem Sekundärteil aufgeprägten Felder erzielt werden oder wiederum wie vorhin durch einen Mechanismus zur Verlagerung der Bürsten.

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Zweierlei sollte im Hinblick auf die vorliegende Methode festgehalten werden. Erstens hängt sie davon ab, daß Ströme großer Stärke und sehr niedriger Spannung wirtschaftlich erhalten und den Bürsten zugeführt werden. Zweitens ist ihre Wirksamkeit durch die beschränkte Strombelastungsfähigkeit der Bürsten begrenzt, vornehmlich wegen übermäßig hoher Kontaktspannungen. Es ist gewiß noch Platz für weitere Entwicklungen auf diesem Gebiet, um die Methode zu ihrer vollen Fruchtbarkeit zu entwickeln. Nichtsdestoweniger sind Bürsten ohne weiteres im Handel erhältlich, die die Methode heute schon zu einem praktischen und nützlichen Vorschlag machen.

Was in der vorigen Anmeldung im Hinblick auf die Fig. 2 und 3 für elektrische Linearmotoren des reinen Induktionstyps gesagt worden ist, kann auch für die neuen Ausbildungen von Linearmotoren wiederholt werden, die in der vorliegenden Anmeldung beschrieben worden sind.

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4$ Leerseite

Claims

Patentansprüche.

1. !Elektrische Induktionseinrichtung für Lokomotiven" oder andere Triebfahrzeuge, die auf mindestens einer elektrisch leitenden Schiene fahren und bei denen wandernde Magnetfelder verwendet werden, die durch ein System von Linearinduktoren über der Schiene erzeugt werden, nach Patent ... (Patentanmeldung P 24 38 576.O), dadurch gekennzeichnet, daß eine Übertragungseinrichtung in einer vorbestimmten relativen Stellung zu den Linearinduktoren vorgesehen ist, die der Schiene elektrische Ströme zuführt, die mit den Magnetfeldern zusammenwirken, um gegenüber der Schiene Langs- und Querkräfte zu erzeugen.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lokomotive oder das Triebfahrzeug einen Antriebsmotor und einen elektrischen Generator für die Zuführung der elektrischen Leistung aufweisen.

5· Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeiclinet, daß eine Kollektoranordnung zur übertragung von Leistung aus einer äußeren Quelle vorgesehen ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuereinrichtung (29) zur Steuerung der Charakteristiken des der Einrichtung zugeführten Stromes vorgesehen ist.

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5· Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie Mittel zur Verlagerung der Übertragungseinrichtung relativ zu den Polen (S₁, N₂; ^No' ^So^ ^der linear-Induktoren aufweist.

6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zum Anheben und Absenken der Übertragungsvorrichtung in Berührung mit der Schiene (S) vorgesehen sind.

7· Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lokomotive oder das andere Triebfahrzeug auf zwei elektrisch leitenden Schienen laufen.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Lokomotive oder das Fahrzeug mindestens einen Drehschemel-Radsatz aufweist und Mittel vorgesehen sind, die die Einrichtung an dem Radsatz befestigen, so daß sie mindestens einer Schiene in Längsrichtung gegenübersteht.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Radsatz Abstand voneinander aufweisende Achsen umfaßt und- der Radabstand nicht starr ist.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Radsätze vorgesehen sind und eine gelenkige Motor-Plattform bilden.

11. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Fahrzeug auf den Drehschemel-Radsätzen gelagert ist.

12. Einrichtung nach Anspruch lo, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Motor-Plattform ein aus vi&en Teilen bestehendes Gehäuse gelagert ist.

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