DE3006354A1 - Zylindrischer linearer asynchronmotor - Google Patents
Zylindrischer linearer asynchronmotorInfo
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Description
Rostovsky-na-Dony Institut Inzhenerov Zheleznodorozhnogo
Transporta, USSR, Rostov-na-Dony, Jubileinaya ploschad,
(UdSSR)
Zylindrischer linearer Asynchronmotor
Die Erfindung betrifft einen zylindrischen linearen Asynchronmotor,
der einen Induktor mit einem geschichteten Eisenkörper, der aus einzelnen Kernen besteht, in deren Nuten eine
Mehrphasenwicklung eingebettet ist, und ein durch den Induktor umfaßtes Sekundärelement enthält.
Der erfindungsgemäß ausgebildete Asynchronmotor kann zum Umpumpen einer oder zweier elektrisch leitender Flüssigkeiten
und insbesondere von flüssigen Metallen unter gleichzeitigem Umrühren benutzt werden. Darüber hinaus kann die Erfindung
für den Antrieb einer Bohranlage oder von Bohrvorrichtungen sowie bei der Herstellung von Metallrohren großen Durchmessers
aus Flachstahl Anwendung finden. Dabei ist die Möglichkeit gegeben, die durch den linearen Asynchronmotor erzeugte
Zugkraft zu regeln.
Es ist ein zylindrischer linearer Asynchronmotor bekannt (GB-PS 1 240 475), der einen Induktor mit einer Mehrphasenwicklung
und ein Sekundärelement aus elektrisch leitendem
Werkstoff aufweist, das durch den Induktor umfaßt wird. Bei diesem Motor erzeugt die Magnetisierungskraft der Mehrphasen-
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wicklung ein in Richtung der Achse des Motors wanderndes Magnetfeld, das mit dem Sekundärelement in Wechselwirkung
steht und Kräfte für eine fortschreitende Bewegung des Sekundärelements in Richtung seiner Achse erzeugt. Jedoch
gibt es keine Drehbewegung des Sekundärelements, weil der Induktor und die Mehrphasenwicklung derart ausgebildet sind,
daß lediglich ein fortschreitend wanderndes Magnetfeld geliefert wird. Daher ist es nicht möglich, die Zugkraft und
damit die Geschwindigkeit der fortschreitenden Bewegung des Sekundärelements zu regeln.
Bekannt ist weiter ein zylindrischer linearer Asynchronmotor (SU-Urheberschein 64-14-1), der einen Induktor mit einem geschichteten
Exsenkorper aus einzelnen Kernen, in deren Nuten eine Mehrphasenwicklung eingebettet ist, und ein Sekundärelement
aus elektrisch leitendem Werkstoff aufweist, das durch den Induktor umfaßt wird. In diesem Motor sind die geschichteten
Kerne des Eisenkörpers des Induktors als einzelne Segmente ausgebildet, die durch ferromagnetische Verbindungsstücke
miteinander verbunden sind. Dxeser Asynchronmotor gewährleistet eine fortschreitende Bewegung des Sekundärelementes
unter dessen gleichzeitiger Drehung. Die Magnetisierungskraft des Induktors erzeugt sowohl ein geradlinig
wanderndes als auch ein drehendes Magnetfeld. Die Wechselwirkung dxeser Felder mit dem Sekundärelement führt dazu,
daß dieses eine schraubenartige Bewegung ausführt. Da die geschichteten Kerne des Eisenkörpers des Induktors als Segmente
ausgebildet sind und ein offenes Magnetsystem darstellen, ist die Fläche der aktiven Wechselwirkung des Induktors
mit dem Sekundärelement gering und folglich sind die vom Motor entwickelten Kräfte ebenfalls nicht groß.
Außerdem ist die Bauart der segmentförmigen Kerne recht kompliziert.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen zylindrischen linearen Asynchronmotor zu schaffen, bei dem die konstruktive
Ausführung des Induktors und des Sekundärelementes es gestattet, die Fläche der aktiven Wechselwirkung derselben
unter gleichzeitiger Regelung der Motorzugkraft zu vergrößern, sowie ein gleichzeitiges Umpumpen und Umrühren von
zwei elektrisch leitenden Flüssigkeiten in entgegengesetzten Richtungen zu erreichen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß Jeder der Kerne in Form eines Ringes ausgebildet ist, daß de Nuten
für die Mehrphasenwicklung gleichmäßig über die Innenfläche
der Ringe verteilt sind und daß ein erster Kern in bezug auf einen anderen derart angeordnet ist, daß die Nuten für
die gleichnamigen Phasen der Mehrphasenwicklung um einen Abstand versetzt sind, der gleich oder größer ist als der Abstand
zwischen den benachbarten Nuten des ersten Kernes.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Der erfindungsgemäß ausgebildete Asynchronmotor weist bei gleichen Abmessungen eine größere Fläche der aktiven Wechselwirkung
des Induktors und des Sekundärelementes auf. Durch Vergrößerung der Wechselwirkung des Induktors mit dem Sekundärelement
wird beim Umpumpen von flüssigen Metallen die Leistung des Motors höher, und das auf eine Zeiteinheit bezogene
Volumen der zu pumpenden Flüssigkeiten vergrößert sowie - was recht wichtig ist - ihr Umrühren ohne Anwendung
besonderer Mittel verbessert. Durch Verwendung eines Induktors und eines Sekundärelementes zum Umpumpen von zwei verschiedenen
elektrisch leitenden Flüssigkeiten unter gleichzeitigem Umrühren jeder davon wird der Aufwand an Werkstoff
vermindert und eine gedrungene Ausbildung des Motors erreicht.
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Bei Bohrvorrichtungen und Bohranlagen ermöglicht die Vergrößerung der Axialkräfte eine Beschleunigung des Bohrvorganges
und der Niederdringung von Bohrungen, während das zur Verfügung stehende System zur Regelung der Zugkraft
die Möglichkeiten des Motors erweitert, weil durch Regelung der Zugkraft Materialien verschiedener Härte und Struktur
"bearbeitet werden können.
Die Bauart des Induktors des Motors ist einfach und fertigungsgerecht,
und die erfindungsgemäß ausgeführte Mehrphasenwicklung bietet die Möglichkeit, den Aufwand an elektrisch
leitendem Werkstoff zu reduzieren.
Im weiteren wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
-ov
Pig. 1 einen zylindrischen linearen Asynchronmotor in
axonomentrischer Darstellung;
Fig. 2 einen Asynchronmotor mit einer Mehrphasenwicklung aus einzelnen Wicklungseinheiten in axonomentrischer
Darstellung;
Fig. 3 einen Asynchronmotor mit einem System zur Regelung
der Motorzugkraft in einer teilweise aufgebrochenen Draufsicht;
Fig. 4 einen linearen Asynchronmotor mit einem Sekundärelement
aus zwei verschiedenen Flüssigkeiten in axonomentrischer Darstellung.
Der in Fig. Λ dargestellte Asynchronmotor enthält einen Induktor
1, der einen geschichteten Eisenkörper aufweist, der aus einzelnen Kernen 2, 3, 4- und 5 besteht, in deren Nuten
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eine Mehrphasenwicklung 7 eingebettet ist. Die Anzahl der
ringförmigen Kerne 2, 5» 4- und 5 des Induktors 1 ist von der
Phasenzahl der Mehrphasenwicklung 7> von der Polanzahl und von anderen Faktoren abhängig und kann bei anderen Ausführungsformen des Motors von der in Fig. 1 dargestellten abweichen.
Wie bei elektrischen Maschinen üblich, sind die Nuten 6 im Körper der Kerne 2, 3» 4- und 5 schematisch angedeutet. Mit
A, B und O sind die Phasen der bei dem dargestellten Beispiel dreiphasig ausgeführten Mehrphasenwicklung 7 bezeichnet.
In Fig. 1 ist die Anordnung der Phase A der Mehrphasenwicklung 7 gestrichelt angedeutet.
Der Asynchronmotor enthält auch ein Sekundärelement 5 aus
elektrisch leitendem Werkstoff, das durch den Induktor 1 umfaßt wird. Bei dem hier zu betrachtenden Ausführungsbeispiel
des Motors stellt das Sekundärelement 8 einen aus Aluminium bestehenden Stab dar, der mit einer Bohrvorrichtung bzw. einer
Bohranlage gekoppelt werden kann.
Die geschichteten Kerne 2, 3» 4- und 5 sind ringförmig ausgebildet.
Die Nuten 6 für die Mehrphasenwicklung 7 sind gleichmäßig über die Innenfläche des zugehörigen Ringes in einem
Abstand "a" voneinander angeordnet. Dabei ist einer der Kerne
2, 3» 4- und 5 in bezug auf einen anderen derart angeordnet,
daß die Nuten 6 für gleichnamige Phasen der Wicklung 7 um
einen Abstand versetzt sind, der gleich oder größer ist als der Abstand "a" zwischen benachbarten Nuten 6.
Die konstruktive Ausführung der Kerne 2, 3» 4- und 5 und die
Anordnung der Mehrphasenwicklung 7 in denselben bilden in axialer Richtung des Motors eine direkte Phasenfolge: A,
-C, B, -A, G-B; -C,B, -A,C, -B,A usw.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel des Motors wird
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die Mehrphasenwicklung 7 durch individuelle Spulen jedes Kerns 2, 3» 4 und 5 gebildet, die parallel an das elektrische
Versorgungsnetz geschaltet sind.
In Fig. 2 besteht eine Mehrphasenwicklung 9 eines Induktors 1 eines zylindrischen linearen Asynchronmotors aus einzelnen
Wicklungseinheiten von abgestufter Form, die geradlinige Abschnitte 10, die sich in den Nuten 6 der ringförmig
ausgebildeten Kerne 2, 3» 4 und 5 befinden, und Verbindungsstücke
11 aufweisen, die diese Abschnitte 10 miteinander verbinden. Die Verbindungsstücke 11 sind aus demselben Werkstoff
wie auch die geradlinigen Abschnitte 10 der Wicklung 9, z. B. aus Kupfer hergestellt. In Fig. 2 sind die Wicklungseinheiten
der Phase A gestrichelt angedeutet. Als Sekundärelement 12 kommt ein flüssiges Metall in Frage, das
in einem Rohr 13 aus Keramik untergebracht ist.
Diese Ausführungsform der Mehrphasenwicklung 9 gestattet es,
den Aufwand an elektrisch leitendem Werkstoff für die Wickelkopfverbindungen herabzusetzen. Die Wicklung 9 wird in an
sich bekannter V/eise an das Mehrphasennetz geschaltet.
Der zylindrische lineare Asynchronmotor nach Fig. 3 ist mit
einem System zur Regelung der Zugkraft versehen, das identische angetriebene Zahnräder 14 (Fig. 3), die auf jeden
der ringförmigen Kerne 3, 4, 5 mit Ausnahme eines der äußeren
Kerne 2, aufgesetzt sind. Die angetriebenen Zahnräder 14 wirken
mit Zwischenzahnrädern 15» 16 und 17 zusammen, die ihrerseits
mit treibenden Zahnrädern 18,19 und 20 in Eingriff kommen. Die treibenden Zahnräder 18, 19 und 20 sitzen auf
einer Welle 21, die von einem Schrittmotor angetrieben wird.
Die Durchmesser der angetriebenen Zahnräder 18, 19 und 20 verhalten sich wie Zahlen der natürlichen Zahlenreihe, be-
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- ίο -
binnend von Eins, während der Durchmesser des treibenden
Zahnrades 18, das mit dem auf den an den äußeren Kern 2 angrenzenden
Kern 3 aufgesetzten angetriebenen Zahnrad 14 in Eingriff kommt, gleich Eins angenommen ist. Im gegebenen Fall
verhalten sich die Durchmesser der treibenden Zahnräder 18,
19 und 20 wie 1:2:3.
Die Durchmesser der Zwischenzahnräder 15, 16 und 17 sind so
bemessen, daß die Achsen der treibenden Zahnräder 18, 19 und
20 und die der Zahnräder 14 fluchten.
In der Zeichnung ist durch gestrichelte Linie eine Anordnung der Phase A der Mehrphasenwicklung 7 schematisch angedeutet.
Bei dem zylindrischen linearen Asynchronmotor nach Fig. 4 ist das Sekundärelement 23 mit zwei verschiedenen, elektrisch
leitenden Flüssigkeiten 24, 25 ausgeführt, die in eine zylindrische Hülle 26 aus unmagnetischem dielektrischem Material,
z. B. aus Keramik, eingeschlossen sind, die mit einer diametral angeordneten Trennwand 27 versehen ist, die Hohlräume
für beide Flüssigkeiten 24 und 25 bildet.
Die Mehrphasenwicklung 28 besteht aus zwei Teilen 29 und 30·
Der eine Wicklungsteil 29, der in den Nuten 6 der geschichteten ringförmigen, an die Außenfläche eines der Hohlräume bei
dem dargestellten Falle des oberen Hohlraums - der zylindrischen Hülle 6 angrenzenden Kerne 2, 3, 4 und 5 des Induktors
1 angeordnet ist, bildet eine direkte Phasenfolge z. B. ABC, ABC usw., in jedem Kern 2, 3, 4 und 5 im Uhrzeigersinn
und CABC in der Bewegungsrichtung des Sekundärelementes 23.
Der andere Teil 30 der Mehrphasenwicklung 28, der in den Muten
6 der ringförmigen, an die Außenfläche des anderen Hohlraums - in der Zeichnung an die Außenfläche des unteren Hohlraums
- des Sekundärelementes 23 angrenzenden Kerne 2, 3, 4
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und 5 angeordnet ist, bildet umgekehrte Phasenfolgen, z. B.
ACBACB usw., in jedem Kern 2, 3» 4- und 5 im Uhrzeigersinn
und CBAC in der Bewegungsrichtung des Sekundärelementes 23. Durch eine gestrichelte Linie ist wie bei den vorhergehenden
Beispielen eine Anordnung der Phase A der Mehrphasenwicklung 28 dargestellt.
Der dargestellte Asynchronmotor funktioniert wie folgt.
Bei Anschluß der Wicklungen 7, 9 (Fig· 1» 2, 3) des Induktors
1 an eine nicht gezeigte Dreiphasenspannungsquelle wird in den Kernen 2 ein drehendes Magnetfeld P^ erzeugt, das in der
Zeichnung durch einen Pfeil angedeutet ist. Unter der Wirkung dieses Feldes werden im Sekundärelement 8, 12 elektromotorische
Kräfte induziert, und es fließen Ströme hindurch. Das Zusammenwirken dieser Ströme mit dem drehenden Magnetfeld P^
ergibt ein Drehmoment, durch das eine Drehung des Sekundärelementes
8, 12 um seine Achse bewirkt wird.
Gleichzeitig wird ein wanderndes Magnetfeld V^ erzeugt, das
sich unter der Wirkung der Magnetisierungskraft der Wicklungen 7>
9 des gesamten Systems der Kerne 2, 3» 4- und 5
des Induktors in Richtung der Achse des Motors ausbreitet und in der Zeichnung durch einen Pfeil angedeutet ist. Beim
Schneiden des Sekundärelementes 8, 12 induziert das wandernde
Magnetfeld P^ in diesem elektromotorische Kräfte, die einen
Durchfluß von Strömen hervorrufen. Die Wechselwirkung der im Sekundärelement 8, 12 fließenden Ströme mit dem wandernden
Magnetfeld erzeugt eine Kraft, die in axialer Richtung wirkt und eine fortschreitende Bewegung des Sekundärelementes 8,
12 hervorruft.
Die Gesamtwirkung des Drehmoments und der'Axialkraft ermöglicht eine schraubenartige fortschreitende Bewegung des Sekundärelementes
8, 12.
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Die Größe der Axialkräfte während der fortschreitenden Bewegung des Sekundärelementes 8 (B1Xg. 3) des zylindrischen
linearen Asynchronmotors ist davon abhängig, wie weit die Nuten 6 der gleichnamigen Phasen der Mehrphasenwicklungen 7
zweier benachbarter Kerne 2 und 3» 3 und 4, 4 und 5 versetzt
sind. Liegt keine solche Versetzung vor, sind also die gleich namigen Phasen in axialer Richtung der Reihe nach angeordnet,
dann ist die Axialkraft in Richtung der fortschreitenden Bewegung des Sekundärelementes 8 gleich Null, so daß das Sekundärelement
8 lediglich eine Drehbewegung ausführt. Wenn die Versetzung der Nuten 6 der gleichnamigen Phasen der Mehrphasenwicklungen
7 zweier benachbarter Kerne 2 und 3S 3 und 4,
4 und 5 in einem Bereich von O0 bis 180° vergrößert wird,
nimmt die axiale Zugkraft in Richtung der fortschreitenden Bewegung des Sekundärelementes 8 zu, erreicht ihren Maximalwert
und nimmt dann wieder ab.
Sind die Kerne 2, 3, 4 und 5 zueinander so angeordnet, daß
die Versetzung zwischen zwei benachbarten Kernen 2 und 35
3 und 4, 4 und 5 180° beträgt, so wird die Zugkraft in Richtung der fortschreitenden Bewegung gleich Null. Eine Änderung
des Drehwinkels zweier benachbarter Kerne 2, 3» 4, 5 in bezug
aufeinander in einem zwischen 180° und 360° liegenden Bereich führt zu axialen Zugkräften von entgegengesetzter
Richtung.
-1O'
Wenn man den Schrittmotor 22 - üblicherweise für eine kurze Zeit - einschaltet, wird dessen Welle 21 um einen bestimmten
Winkel gedreht. Über das Zahnrädersystem wird der Kern 3 um einen gewissen Winkel, der Kern um einen zweimal so großen
Winkel und der Kern 5 um einen dreimal so großen Winkel wie
der Kern 3 gedreht. Der Winkel zwischen zwei Kernen 2 und 3, 3 und 4, 4 und 5 wird gegenüber dem ursprünglichen (vor dem
Einschalten des Schrittmotors 22) verändert, jedoch bleibt
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er zwischen zwei benachbarten Kernen 2 und 3, 3 und 4, 4 und 5 gleich. Eine Änderung des Versetzungswinkels zwischen
zwei benachbarten Kernen 2 und 3» 3 und 4·, 4 und 5 führt zu
einer Änderung der Zugkraft in Richtung der fortschreitenden Bewegung des Sekundärelementes 8.
Bei Anschluß der Dreiphasenwicklung 28 (Fig. 4) des zylindrischen
linearen Asynchronmotors erscheint ein magnetisches Wechselfeld, das innerhalb eines Teils 29 der Mehrphasenwicklung
28 ein entlang des Kreisbogens jedes Kerns 2, 3» 4 und 5 wanderndes Magnetfeld P^ und innerhalb des anderen
Teils 30 derselben Wicklung 28 ein dem Magnetfeld P^ entgegengesetzt
gerichtetes wanderndes Magnetfeld P^ darstellt.
Durch die direkte Phasenfolge in axialer Richtung des Motors bildet der eine Teil 29 der Mehrphasenwicklung 28 ein in der
genannten Richtung wanderndes Magnetfeld P1-. Der andere Teil
30 der Mehrphasenwicklung 28 erzeugt, indem er eine umgekehrte Phasenfolge in axialer Richtung des Motors erzeugt,
ein dem Magnetfeld P1- entgegengesetztes wander-ndes Magnetfeld
P6.
Durch Wechselwirkung dieser Magnetfelder Pr, Pg mit den durch
diese in den elektrisch leitenden Flüssigkeiten 24, 25 des
Sekundärelementes 23 induzierten Strömen entstehen Kräfte,
durch welche die elektrisch leitenden Flüssigkeiten in jedem der Hohlräume der zylindrischen Hülle 26 umgerührt und entsprechend
den Richtungen jedes der in axialer Richtung wandernden Magnetfelder Pr- und Pg umpumpt werden.
Durch die Verwendung der ringförmigen Kerne 2 wird die Fläche der aktiven Wechselwirkung des Induktors 1 mit dem Sekundäreiement
5, 9 vergrößert. Dies führt seinerseits zu einer Zunahme des Drehmomentes und der axialen Zugkraft, was eine
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Erhöhung der Effektivität des erfindungsgemäßen Motors bewirkt.
Angemerkt sei, daß durch die Vergrößerung der fortschreitenden Bewegung des Sekundärelementes, die Kraft der Wechselwirkung
des Induktors mit dem Sekundärelement und die Einführung des Systems zur Regelung der Zugkraft bei einem Einsatz
in Bohrvorrichtungen und Bohranlagen eine Erhöhung der Leistung der genannten Vorrichtungen und Anlagen erreicht
wird. Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Motors zum Umpumpen und gleichzeitigen Umrühren elektrisch leitender
Flüssigkeiten wird deren Qualität ohne die Verwendung zusätzlicher Vorrichtungen verbessert.
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eers eite
Claims (3)
- PatentansprücheZylindrischer linearer Asynchronmotor, der einen Induktor mit einem geschichteten Eisenkörper, der aus einzelnen Kernen besteht, in deren Nuten eine Mehrphasenwicklung eingebettet ist, und ein durch den Induktor umfaßtes Sekundärelement enthält,dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Kerne (2, 3> 4-, 5) in Form eines Ringesausgebildet ist,daß die Nuten (δ) für die Mehrphasenwicklung (7; 9; 28) gleichmäßig über die Innenfläche der Ringe verteilt sindunddaß ein erster Kern (2) in bezug auf einen anderen derart angeordnet ist, daß die Nuten (6) für die gleichnamigen Phasen der Mehrphasenwicklung (7; 9; 28) um einen Abstand versetzt sind, der gleich oder größer ist als der Abstand zwischen den benachbarten Nuten (6) des ersten Kernes (2).
- 2. Motor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,daß die Mehrphasenwicklung (9) aus einzelnen Wicklungseinheiten aufgebaut ist, die geradlinige Abschnitte (10), die in den Nuten (6) der ringförmigen Kerne angeordnet sind, und Verbindungsstücke (11) aufweisen, die diese Abschnitte (7) miteinander verbinden.55o-(P 80608-E-61)-DfWa030036/072 - 3. Motor nach Anspruch. 1,
dadurch gekennzeichnet,daß zusätzlich ein System zur Regelung der Motorzugkraft vorgesehen ist, das identische angetriebene Zahnräder (14·), die auf jeden ringförmigen Kern (3, 4-, 5), außer einem der äußeren Kerne, aufgesetzt sind, Zwischenzahnräder (15j 16» 17)» die mit den angetriebenen Zahnrädern in Eingriff kommen, treibende Zahnräder (18, 19} 20), die auf eine Welle (21) aufgesetzt sind und mit den Zwischenzahnrädern (15? 16, 17) in Eingriff kommen, und einen Schrittmotor (22), aufweist, der die treibenden Zahnräder (18, 19, 20) antreibt,daß sich die Durchmesser der treibenden Zahnräder (18, 19, 20) wie die Zahlen der natürlichen Zahlenreihe beginnend mit Eins verhalten unddaß der Durchmesser des treibenden Zahnrades (18), das in das auf den an den äußeren Kern (2) angrenzenden Kern (3) aufgesetzt getriebene Zahnrad (14-) eingreift, gleich Eins angenommen ist.4-, Motor nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,daß das Sekundärelement (23) mit zwei verschiedenen elektrisch leitenden Flüssigkeiten (24-, 25) ausgebildet ist, die in eine zylindrische Hülle (26) aus unmagnetischem dielektrischem Material eingeschlossen sind, die eine diametral angeordnete Trennwand (27) aufweist, die zwei Hohlräume für jede Flüssigkeit (24-, 25) bildet und daß die Mehrphasenwicklung (28) aus zwei Teilen (29, 30) besteht, von denen der eine, in den Nuten der an die Aussenfläche eines der Hohlräume der zylindrischen Hülle (26) angrenzenden ringförmigen Kerne (2, 3, 4·, 5) angeordnete Teil (29) eine direkte Phasenfolge in jedem Kern (2, 3, 4-, 5) und in axialer Richtung des Motors bildet,030036/0720BAD ORIGINALwährend der andere, in den Nuten (6) der an die Außenfläche des anderen Hohlraums angrenzenden ringförmigen Kerne (2, 3, 4-, 5) angeordnete Teil eine umgekehrte Phasenfolge in jedem Kern (2, 3, 4-, 5) und in axialer Richtung des Motors bildet.03.J03G/07
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