DE3006354C2 - Zylindrischer linearer Asynchronmotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen zylindrischen linearen Asynchronmotor gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Der erfindungsgemäß ausgebildete Asynchronmotor kann zum Umpumpen einer oder zweier elektrisch leitender Flüssigkeiten und insbesondere von flüssigen Metallen unter gleichzeitigen) Umrühren benutzt werden. Dabei ist die Möglichkeit gegeben, die durch den linearen Asynchronmotor erzeugte Zugkraft zu regeln. Es ist ein zylindrischer linearer Asynchronmotor bekannt (GB-PS 12 40 473), der einen Induktor mit einer Mehrphasenwicklung und ein Sekundärelement aus

ίο elektrisch leitendem Werkstoff aufweist, das durch den Induktor umfaßt wird. Bei diesem Motor erzeugt die Magnetisierungskraft der Mehrphasenwicklung 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 SekundärelemeMs zu regeln.

Bekannt ist weiter ein dem Oberbegriff des Anspruches 1 zugrunde gelegter zylindrischer linearer Asynchronmotor (SU-Urheberschein 64 141), der einen Induktor uiit einem geschichteten Eisenkörper 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. Dieser Asynchronmotor gewährleistet eine fortschreitende Bewegung des Sekundärelememes unter dessen gleichzeitiger Drehung. Die Magnetisierungskraft des Induktors erzeugt sowohl ein geradlinig wanderndes als auch ein drehendes Magnetfeld. Die Wechselwirkung dieser FeI-der 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.

Es ist aber auch ein zylindrischer linearer Asynchronmotor bekanntgeworden (Proceedings IEE, Dez. 1972, S. 1709—1718), dessen Primärseile einen geschichteten Eisenkörper aufweist, der aus ringförmigen Einzelelementen besteht. In den Nuten dieser Ringe ist die Wicklung untergebracht. Bei dieser bekannten Einrichtung ist jedoch keine Maßnahme angegeben, die ein Umpumpen von elektrisch leitenden Flüssigkeiten ermöglicht.

Schließlich ist noch eine elektromagnetische Pumpe bekanntgeworden (DE-OS 23 20 522, insbesondere Fig. 4), bei der die Primärwicklungen aus einer Dreifachwendel bestehen, die in die innere Oberfläche des Gehäuses eingearbeitet ist. Im Sekundärkreis befindet sich eine elektrisch leitende Flüssigkeit, die durch ein schraubenförmig ausgebildetes Magnetfeld bewegt wird. Der Primärinduktor ist jedoch nicht aus ringförmigen Kernen aufgebaut.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen zylindrischen linearen Asynchronmotor zu schaffen, mit dem es möglich ist, wahlweise verschiedene elektrisch

leitende Flüssigkeiten sowohl in einer als auch in einander entgegengesetzten Richtungen umzupumpen, wobei die Flüssigkeit nicht nur in der vorgegebenen Richtung transportiert, sondern auch noch zusä tzlich verwirbelt wird. Schließlich soll auch noch die Möglichkeit der Regulierung der Zugkraft in Achsrichtung gegeben sein.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Maßnahmen.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 und 3 angegeben.

Der erfindungsgemäß ausgebildete Asynchronmotor weist bei gleichen Abmessungen eine größere Fläche der aktiven Wechselwirkung des Induktors und des Sekundärelements 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 Sekundärelements 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.

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 ein Weg zur Ausführung der beanspruchten Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen zylindrischen linearen Asynchronmotor in axonometrischer Darstellung;

F i g. 2 einen Asynchronmotor mit einer Mehrphasenwicklung aus einzelnen Wicklungseinheiten in axonometrischer Darstellung;

F i g. 3 einen Asynchronmotor mir einem System zur Regelung der Motorzugkraft in einer teilweise aufgebrochenen Draufsicht;

F i g. 4 einen linearen Asynchronmotor gemäß der Erfindung mit einem Sekundärelement aus zwei verschiedenen Flüssigkeiten in axonometrischer Darstellung.

Der in F i g. 1 dargestellte Asynchronmotor enthält einen Induktor i, der einen geschichteten Eisenkörper aufweist, der aus einzelnen Kernen 2,3,4 und 5 besteht, in deren Nuten 6 eine Mehrphasenwicklung 7 eingebettet ist. Die Anzahl der ringförmigen Kerne 2,3,4 und 5 des Induktors 1 ist von der Phasenzahl der Mehrphasenwicklung 7, von der Polanzah! und von anderen Faktoren abhängig und kann bei anderen Ausführungsformen des Motors von der in F i g. 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 C sind die Phasen der bei dem dargestellten Beispiel dreiphasig ausgeführten Mehrphasenwicklung 7 bezeichnet. In F i g. 1 ist die Anordnung der Phase A der Mehrphasenwicklung 7 gestrichelt angedeutet.

Der Asynchronmotor enthält auch ein Sekundärelement 8 aus elektrisch leitendem Werkstoff, das durch den Induktor 1 umfaßt wird. Bei dem hier zu betrachtenden Motor 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: A₁-QB, -A, C— B; —C, B, -A, Q —B, A usw.

Bei dem dargestellten Motor wird die Mehrphasenwicklung 7 durch individuelle Spulen jedes Kerns 2,3,4 und 5 gebildet die parallel an das elektrische Versorgungsnetz geschaltet sind.

In F i g. 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 F i g. 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 Weise an das Mehrphasenetz geschaltet.

Der zylindrische lineare Asynchronmotor nach F i g. 3 ist mit einem System zur Regelung der Zugkraft versehen, das identische angetriebene Zahnräder 14 (F i g. 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 treibenden Zahnräder 18, 19 und 20 verhalten sich wie Zahlen der natürlichen Zahlenreihe, beginnend 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 F i g. 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 Trenn-

wand 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 26 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 CABCm der Bewegungsrichtung des Sekundärelementes 23.

Der andere Teil 30 der Mehrphasenwicklung 28, der in den Nuten 6 der ringförmigen, an die Außenfläche des

Bereich von 0° 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 3, 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.

Wenn man den Schrittmotor 22 — üblicherweise für eine kurze Zeit — einschaltet, wird dessen WeHe 2! um

anderen Hohlraums - in der Zeichnung an die Außen- is einen bestimmten Winkel gedreht. Über das Zahnräder-

fläche des unteren Hohlraums - des Sekundärelementes 23 angrenzenden Kerne 2,3,4 und 5 angeordnet ist, bildet umgekehrte Phasenfolgen, z. B. ACBACB usw., in jedem Kern 2,3,4 und 5 im Uhrzeigersinn und CBACin 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

system 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 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 (F i g. 4) des zylindrischen linearen Asynchronmotors erscheint ein

Pfeil angedeutet ist. Unter der Wirkung dieses Feldes 30 magnetisches Wechselfeld, das innerhalb eines Teils 29 werden im Sekundärelement 8, 12 elektromotorische der Mehrphasenwicklung 28 ein entlang des Kreisbo-Kräfte induziert, und es fließen Ströme hindurch. Das gens jedes Kerns 2, 3, 4 und 5 wanderndes Magnetfeld Zusammenwirken dieser Ströme mit dem drehenden P₃ und innerhalb des anderen Teils 30 derselben Wick-" Magnetfeld P_x ergibt ein Drehmoment, durch das eine lung 28 ein dem Magnetfeld P₃ entgegengesetzt gerich-Drehung des Sekundärelementes 8, 12 um seine Achse 35 tetes wanderndes Magnetfeld P₄ darstellt, bewirkt wird. Durch die direkte Phasenfolge in axialer Richtung des

Gleichzeitig wird ein wanderndes Magnetfeld P₂ er- Motors bildet der eine Teil 29 der Mehrphasenwicklung zeugt, das sich unter der Wirkung der Magnetisierungs- 28 ein in der genannten Richtung wanderndes Magnetkraft der Wicklungen 7, 9 des gesamten Systems der feld P₅. Der andere Teil 30 der Mehrphasenwicklung 28 Kerne 2,3,4 und 5 des Induktors in Richtung der Achse 40 erzeugt, indem er eine umgekehrte Phasenfolge in axiades Motors ausbreitet und in der Zeichnung durch einen ler Richtung des Motors erzeugt, ein dem Magnetfeld P₅ Pfeil angedeutet ist Beim Schneiden des Sekundärele- entgegengesetztes wanderndes Magnetfeld P₆. mentes 8, 12 induziert das wandernde Magnetfeld P₇ in Durch Wechselwirkung dieser Magnetfelder P₅, P₆

diesem elektromotorische Kräfte, die einen Durchfluß mit den durch diese in den elektrisch leitenden Flüssigvon Strömen hervorrufen. Die Wechselwirkung der im 45 keiten 24, 25 des Sekundärelementes 23 induzierten Sekundärelement 8,12 fließenden Ströme mit dem wan- Strömen entstehen Kräfte, durch weiche die elektrisch dernden Magnetfeld erzeugt eine Kraft die in axialer leitenden Flüssigkeiten in jedem der Hohlräume der zy-Richtung wirkt und eine fortschreitende Bewegung des lindrischen Hülle 26 umgerührt und entsprechend den Sekundärelementes 8,12 hervorruft. Richtungen jedes der in axialer Richtung wandernden

Die Gesamtwirkung des Drehmoments und der A.xi- 50 Magnetfelder Pz und P^ umgepumpt werden, alkraft ermöglicht eine schraubenartige fortschreitende Durch die Verwendung der ringförmigen Kerne 2

Bewegung des Sekundärelementes 8,12. wird die Fläche der aktiven Wechselwirkung des Induk-

Die Größe der Axialkräfte während der fortschrei- tors 1 mit dem Sekundärelement 23 vergrößert Dies tenden Bewegung des Sekundärelementes 8 (F ig. 3) des führt seinerseits zu einer Zunahme des Drehmoments zylindrischen linearen Asynchronmotors ist davon ab- 55 und der axialen Zugkraft, was eine Erhöhung der Effekhängig, wie weit die Nuten 6 der gleichnamigen Phasen tivität des erfindungsgemäßen Motors bewirkt der Mehrphasenwicklungen 7 zweier benachbarter Angemerkt sei, daß durch die Vergrößerung der fort-

Kerne 2 und 3,3 und 4,4 und 5 versetzt sind. Liegt keine schreitenden Bewegung des Sekundärelementes, die solche Versetzung vor, sind also die gleichnamigen Pha- Kraft der Wechselwirkung des Induktors mit dem Sesen in axialer Richtung der Reihe nach angeordnet dann 60 kundärelement und die Einführung des Systems zur Reist die- Axialkraft in Richtung der fortschreitenden Be- gelung der Zugkraft bei einem Einsatz des erfindungswegung des Sekundärelementes 8 gleich Null, so daß gemäßen Motors zum Umpumpen und gleichzeitigen das Sekundärelement 8 lediglich eine Drehbewegung Umrühren elektrisch leitender Flüssigkeiten deren Quaausführt Wenn die Versetzung der Nuten 6 der gleich- Iität ohne die Verwendung zusätzlicher Vorrichtungen namigen Phasen der Mehrphasenwicklungen 7 zweier 65 verbessert wird, benachbarter Kerne 2 und 3,3 und 4,4 und 5 in einem

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Zylindrischer linearer Asynchronmotor mit einem ein Sekundärelement aus einem stromleitenden Werkstoff umfassenden Induktor mit einem geschichteten Eisenkörper, der aus einzelnen Kernen besteht, die in Form von Ringen ausgebildet sind und in deren Nuten eine Mehrphasenwicklung gleichmäßig über die Innenfläche der Ringe verteilt angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kern (2, 3, 4, 5) in bezug auf einen anderen derart angeordnet ist, daß die Nuten (6) für die gleichnamigen Phasen der Mehrphasenwicklung (28) um einen Abstand versetzt sind, der gleich oder größer ist als der Abstand zwischen den benachbarten Nuten eines Kernes, so daß sich ein in Achsrichtung wanderndes Magnetfeld ausbildet, daß das Sekundärelement (23) aus zwei verschiedenen, elektrisch leitenden Flüssigkeiten (24, 25) besteht, die in eine zylindrische Hülle (26) aus unmagnetischem, dielektrischem Material eingeschlossen sind, die eine diametral angeordnete Trennwand (27) aufweist, die zwei Hohlräume für die Flüssigkeiten (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 angeordnete Teil (29) eine Phasenfolge in einer Richtung in jedem Kern (2, 3, 4, 5) und in axialer Richtung des Motors ermöglicht, während der andere, in den Nuten der an die Außenfläche des anderen Hohlraumes angrenzenden ringförmigen Kerne angeordnete Teil eine umgekehrte Phasenfolge in jedem Kern und in axialer Richtung des Motors ermöglicht.

2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich ein System zur Regelung der Motorzugkraft vorgesehen ist, das identisch angetriebene Zahnräder (14), die auf jeden ringförmigen Kern (3, 4, 5), außer einen der äußeren Kerne, aufgesetzt sind, Zwischenzahnräder (15, 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 Zwischenrädern (15,16, 17) in Eingriff kommen, und einen Schrittmotor (22) aufweist, der die treibenden Zahnräder (18, 19, 20) antreibt, wobei sich die Durchmesser der treibenden Zahnräder wie die Zahlen der natürlichen Zahlenreihe, beginnend mit Eins, verhalten, und daß der Durchmesser des treibenden Zahnrades (18), das in das auf den an den äußeren Kern (2) angrenzenden Kern (3) aufgesetzt getriebenen Zahnrad (14) eingreift, gleich Eins angenommen ist (F i g. 3).

3. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrphasenwicklung (28) aus einzelnen Wicklungseinheiten aufgebaut ist, die geradlinige Abschnitte (10 in Fig.2), die in den Nuten (6) der ringförmigen Kerne angeordnet sind, und Verbindungsstücke (11) aufweisen, die diese Abschnitte (7 in F i g. 1) miteinander verbinden.