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Die Problemstellung
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1. Insbesondere bei asynchronen Linearmotoren tritt das Problem der
betriebsabhängigen Normalkräfte in Erscheinung.
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Diese Normalkräfte können eine Größe annehmen, die weit über jener
der tangentialen Schubkraft des Motors liegt.
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Für kleine Schlupfwerte treten anziehende Kräfte auf, die zu besonderen
Maßnahmen in konstruktiver Hinsicht zwingen.
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Da anziehende Kräfte eine instabile Kraft-Abstandskennlinie haben,
lassen sie sich schwerlich zur Unterstützung der Tragwirkung bei kontaktfrei betriebenen
Schwebefahrzeugen nutzen. Die Schwebemagnete müssen im Hinblick auf die instabile
Motorkennlinie verstärkt ausgelegt werden.
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Es muß außerdem der Tatsache Rechnung getragen werden, daß die anziehend
wirkenden Normalkräfte mit zunehmendem Schlupf abnehmen, Ja sie können sogar im
Stillstandsbereich ihre Richtung umkehren; es treten dann abstoßende Normalkräfte
auf.
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Die abstoßend wirkenden Normalkräfte zeigen im Hinblick auf die Kraft-Abstandskennlinie
eine stabile Tendenz.
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Das heißt, sie sind prinzipiell geeignet, ohne regelungstechnische
Maßnahmen ein Gewicht in einer Schwebeposition mit annähernd konstantem Abstand
gegenüber der Unterlage zu halten. Diese Erkenntnis ist auch bezüglich des einseitigen
asynchronen Linearmotors bekannt. Sie wurde in der Literatur beschrieben und hat
Eingang in verschiedene Konzeptvorschläge für Transporttechniken gefunden.
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Um die abstoßenden Kräfte, die durch Zusammenwirken von elektrischen
Strömen und magnetischen Feldern zustande kommen, zu nutzen, und die anziehenden
Kräfte, die die Folge der Feldwirkung zwischen sich gegenüberstehenden ferromagnetischen
Körpern sind, zu schwächen, wurde auch ein eisenloser Sekundärteil empfohlen. Bei
ihm treten
mit Ausnahme des stromlosen Zustandes abstoßend wirkende
Normalkräfte auf, die zur Stützung von Lasten geeignet sind. Der prinzipielle Nachteil
dieser Stützung besteht darin, daß die Normalkräfte auf Kosten einer gravierenden
Verschlechterung der Schubbildung entstehen und damit die Bedingungen der Umwandlung
für die Vortriebsenergie beeinträchtigen.
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Der eisenlose Sekundärteil bedingt durch die Verschlechterung der
magnetischen Leitfähigkeit einen sehr ungünstigen Leistungsfaktor, der (in Verbindung
mit den großen Blindströmen des Primärteils) zu einer beträchtlichen Vergrößerung
der Verluste in der Primärwicklung, einem Rückgang des Wirkungsgrades und zu einer
Vergrößerung der Motorscheinleistung und mit ihr der Wechselrichtertypenleistung
führt. Für praktische Versuche größeren Umfangs hat sich deshalb nur die eisenbehaftete
Motorvariante durchgesetzt. Hierbei stand die Bemühung im Vordergrund, die Konstruktion
des Motors so zu gestalten, daß die vorwiegend anziehend wirkenden Normalkräfte
wenig in Erscheinung traten. Ein Beispiel hierfür ist die doppelseitige Motoranordnung
mit in der Mitte liegender Aluminiumschiene als Sekundärteil. Diese Konstruktion
weist jedoch Nachteile für das Fahrzeug und bezüglich der auf dem Träger anzuordnenden
Aluminiumschiene (Witterungseinflüsse, Dehnungsproblem bei Erwärmung, Standfestigkeit)
auf.
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Aus der Sicht der Fahrzeug-Fahrweg-Gestaltung sowie aus prinzipiellen
Erwägungen im Zusammenhang mit einer Verbesserung der Schwebebedingungen erscheint
ein einseitig wirender Linearmotor mit abstoßenden Normalkräften als eine sehr wünschenswerte
Variante.
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Auch für rotierende Maschinen zylindrischer oder kugelsymmetrischer
Art erweist sich die repulsive Normalkraft als
vorteilhaft. Für
zylinder- oder kugelförmige Körper bedeutet die Entwicklung ausreichend großer stabilwirkender
Normalkräfte die Möglichkeit einer magnetischen Aufhängung des rotierenden Maschinenelmentes.
Zumindest für den Betrieb mit Strom im Sekundärteil tritt eine Normalkraft auf,
die zu einer kontaktfreien Stützung des Körpers führt. Die Anwendung von Lagern
mechanischer Art kann damit entweder ganz umgangen werden, oder sie läßt sich auf
den Notfall (stromloser Zustand) beschränken. Sich selbst stabilisierende Motoren
sowie sich selbst oder darüber hinaus auch das Fahrzeug mittragende Linearmotoren
kommen jedoch der Verwirklichung nur näher, wenn durch die Erzeugung der Normalkräfte
die Energieumsetzung, d.h. die Wirkung der Vortriebskrafterzeugung nicht nachteilig
beeinflußt wird.
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2. Das Konzept eines Motors mit abstoßend wirkenden Normalkräften
Die Forderung nach Erzielung günstiger Bedingungen für die Energieumwandlung (Erzeugung
von Vortriebskräften mit geringen Verlusten und hohem Leistungsfaktor) läßt kaum
einen Verzicht auf ferromagnetisches Material im Sekundärteil zu. Da auch im Primärteil
nicht auf weichmagnetisches Material verzichtet werden darf, bedeutet dies, daß
zwischen beiden Maschinenteilen durch die Normalkomponente des magnetischen Feldes
anziehend wirkende Kräfte zustande kommen. Diese sind an sich unerwünscht. Ihr Vorhandensein
kann jedoch akzeptiert werden, wenn bereits bei verhältnismäßig kleinen Schlupfwerten
die abstoßende Kraftkomponente als Folge des Zusammenwirkens von Strömen und magnetischem
Feld größer wird als die anziehenden Kräfte. Konstruktionsziel ist also die Vergrößerung
der abstoßend wirkenden Kraftkomponente im Vergleich zu bisher bekannten Konstruktionen.
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Um große abstoßende Kräfte zu erzeugen, geht es um eine starke Wechselwirkung
zwischen magnetischem Feld und elektrischen Strömen Genauer gesagt bedeutet dies,
daß die in Bewegungsrichtung verlaufende Komponente des magnetischen Feldes und
der im Bereich dieses Feldes wirkende Strom quer zur Bewegungsrichtung große Werte
annehmen.
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Bei der herkömmlichen Motorkonstruktion werden Normalkraftkomponenten
nur durch die Wechselwirkung zwischen Nutenstreufluß und Strom erzeugt. Der größere
Teil des magnetischen Flusses verläuft im Joch und ist im Hinblick auf die Normalkraftbildung
ungenutzt. Auch die einseitige eisen lose Motorvariante weist ungünstige Bedingungen
füreine optimale Größe der Normalkräfte auf. Bei ihr liegt das Sekundärteil (Aluplatte)
im Bereich des magnetischen Längsfeldes; allerdings ist dieses Feld für Statorströme
gegebener Größe recht klein, da der magnetische Widerstand sehr groß ist. Zur Erzeugung
großer Kraftwirkungen (normal und tangential) sind große Ströme der Primärwicklung
erforderlich, welche die oben erwähnten Nachteile hervorrufen. Da der Sekundärstrom
sich proportional zur Größe des ihn verursachenden magnetischen Flusses erweist,
wird deutlich, daß ein flußarmes Sekundärteil eine sehr ungünstige Voraussetzung
zur Erzeugung großer Kräfte darstellt Bild 1 stellt den Aufbau eines Notor-Sekundärteils
dar, das verbesserte Bedingungen zur Erzeugung großer Normalkräfte bei gleichzeitig
günstigen Betriebseigenschaften für die Energieumwandlung ermöglicht Die Anordnung
ist in ebener Ausführung entsprechend der Anwendung für Linearmotoren gezeichnet,
kann aber sinngemäß bei zylindrischer Krümmung auch für rotierende Maschinen angewendet
werden. Das den magnetischen Fluß erzeugende Primärteil ist oberhalb der gezeichneten
Anordnung zu denken und
kann in bekannter Weise mit einer Drehstromwicklung
ausgeführt sein. Auch die Erzeugung des Feldes mit Hilfe rotierender Magnetanordnungen
entsprechend P 3120328.0 ist möglich.
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In Bild 1 sind einige Feldlinien in ihrem Verlauf durch das Sekundärteil
gezeichnet. Sie treten dabei bevorzugt in die ferromagnetischen Füllstücke annähernd
senkrecht ein, ändern dort ihre Richtung, sammeln sich in Längsrichtung und treten
danach wieder in den Luftspalt aus. Sie bilden so das magnetische Feld einer Polteilung.
Auf ihrem Weg in Längs- bzw. Umfangsrichtung durchsetzen die Feldlinien Leiterlamellen,
die ihrerseits einen Käfig bilden. Durch Längsleiter werden die in der Querrichtung
liegenden Lamellen zu einer Art Leiter bzw. zu einem Käfig zusammengefaßt. An dieser
Anordnung ist, abweichend von der herkömmlichen Konstruktion, bemerkenswert, daß
kein Jochteil vorhanden ist, das für einen Rückschluß der Feldlinien außerhalb des
Käfigbereiches sorgt. Die Anordnung nach Bild 1 stellt für den magnetischen Fluß
dennoch einen widerstandsarmen Pfad dar, da die Leiterlamellen in Flußrichtung dünn
sind und die Gesamthöhe des Sekundärteils so bemessen wird, daß keine große Flußdichte
entsteht.
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Hinsichtlich des magnetischen Widerstandes ist im Vergleich zur herkömmlichen
Lösung mit Joch nur eine graduelle Vergrößerung festzustellen. Im Hinblick auf die
eisenlose Sekundärteilvariante bringt die Anordnung allerdings eine deutliche Verbesserung.
Dies betrifft sowohl die abstoßenden Normalkräfte als auch die tangentialen Schubkräfte,
da sich der magnetische Fluß bei gegebener Primärerregung stark vergrößert.
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Die Tangentialkraft (der Schub) wird durch das Zusammenwirken der
Normalkomponente des magnetischen Feldes und
der mit dieser Feldkomponente
phasengleichen Stromkomponente gebildet. Hingegen wird die Normalkraft durch Zusammenwirken
der Längskomponente des magnetischen Feldes mit der ihrer Verteilung entsprechenden
Stromkomponente hervorgerufen. Nur letztere ist in Bild 2a durch verschieden große
Kreise in ihrer Verteilung angedeutet. Man kann diese Stronikomponente als die das
Magnetfeld dämpfende Komponente betrachten. Bild 2b deutet an, daß der in die Bildebene
hinein fließende Strom der Stromdichte G mit der Längskomponente des magnetischen
Flusses B im Rechtsschraubensinne entsprechend der Vektormultiplikation zur Normalkraft
F n führt. Dies gilt für alle Einzelleiter innerhalb einer Polteilung", Die rechts
und links anschließenden Ströme und Feldkomponenten ändern jeweils beide ihre Richtung,
so daß F die nach unten weisende Richtung beibehält. Die dem n Primärteil übermittelte
Kraft ist gleich groß und entgegengesetzt, wirkt also für dieses Maschinenteil nach
oben, und damit abstoßend.
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Wird für den Käfig nichtmagnetisches Leitermaterial verwendet, so
ergibt sich eine Stromverteilung ähnlich der in Bild 2c gezeichneten. Am unteren
Rand ist die Stromdichte Null, während sie auf der dem Primärteil zugewandten Seite
ihren maximalen Wert annimmt.
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Die Dicke der Lamellen hat Einfluß auf den wirksamen elektrischen
Widerstand und damit auch auf die Größe der Ströme, und über den magnetischen Widerstand
auch auf die Größe des Flusses. Es zeigt sich, daß vergleichsweise dünne Lamellen
(cao ein Zehntel der Teilung) zu günstigen Verhältnissen, d.h. zur Erzielung großer
abstoßender Kräfte bei ausreichend großen Schubkräften führen. Auch unter Berücksichtigung
der durch die Normalkomponente des Feldes verursachten anziehenden Kraft werden
bei Schlupfwerten zwischen 0,1 und 0,2 resultierend abstoßende Kräfte produziert.
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Wirkungsgrad, Leistungsfaktor und Materialausnutzung sind dabei deutlich
höher als beim eisenlosen Asynchronmotor.
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Für große Schlupfwerte vergrößert sich die Dämpfungskomponente des
Sekundärstromes und mit ihr die abstoßende Normalkraft. Das Produkt aus Wirkungsgrad
und Leistungsfaktor nimmt allerdings oberhalb eines bestimmten Optimalschlupfes
wieder ab. Für die ferromagnetischen Füllstücke gilt die Forderung, daß sie nur
in sehr geringem Maße Wirbelstrombildung zulassen sollen. Sie werden demnach z.B.
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durch Blechpakete mit der Blechebene parallel zur Feldebene hergestellt.
Es erscheint aber auch günstig, sie aus gepreßtem-Elsenpulver, das in allen drei
Richtungen gleichartige magnetische Eigenschaften besitzt, herzustellen.
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Beim zylindrischen Rotor bestehen ähnliche Bedingungen wie beim Linearmotor,
wenn die Aufgabe gestellt ist, stabilisierende Normalkräfte ausreichender Größe
zu erzeugen.
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Die mit diesem Verfahren erzielbaren Steifigkeiten der magnetischen
Aufhängung sind abhängig vom Betriebszustand und setzen einen bestimmten Mindestschlupf
gegenüber dem Drehfeld voraus. Im Stillstand ist eine Stabilisierung unter Strom
möglich. Mit gegen Null gehendem Schlupf nimmt die Stützkraft ab. Der Aufbau des
Rotors ist analog jenem des Linearmotors. In axialer Richtung erweist sich die magnetische
Lagerung als stabil.
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Es sei erwähnt, daß durch Verwendung einer Phasenwinkelsteuerung der
Ströme einzelner Stränge der Drehstromwicklung die Möglichkeit zur Beeinflussung
der Vortriebskraft besteht. Dieses Verfahren, das zu Lasten des Wirkungsgrades der
Energieumsetzung geht, läßt sich bei Speisung über Frequenzumrichter anwenden. Es
ist z.B. bei einer zweisträngigen Drehstromwicklung naheliegend, daß der Maximalwert
des Schubes beim Phasenwinkel von 900 auftritt, während der Phasenwinkel Null Grad
(entsprechend einer
einphasigen Wicklung) einen geringeren Schub
erzeugt.
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Verfahren dieser Art können für die hier beschriebenen Motoren zusätzlich
angewendet werden. Durch die besondere Bauform wird sichergestellt; daß im Vergleich
zu bisher bekannten Lösungen alle Eingriffe, die eine Beeinflussung des Wirkungsgrades
nach sich ziehen, nur in geringerem Umfange benötigt werden Kugelsymmetrische Motoren,
die z.B. für die Anwendung als Drallkörper zur Satellitenstabilisierung Interesse
finden, lassen sich mit einem Rotorkörper, der eine symmetrische Gitterstruktur
aufweist, entsprechend Bild 3 gestalten.
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Die elektrisch leitfähigen Gitterelemente bilden jeweils kreisförmige
Ringe und formen ein kugelförmiges Netzwerk.
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In die Zwischenräume werden ferromagnetische Füllstücke mit allseitig
gleichen magnetischen Eigenschaften und geringer elektrischer Leitfähigkeit (Eisenpulver-Preßteile)
eingebracht.
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Als Primärteil kommen in den drei Hauptrichtungen drei Paare von Statoren
mit entsprechenden Dreh feldwick lungen in Betracht (Bild 4) Die Kugel kann damit
magnetisch gelagert, aber auch in den drei Hauptrichtungen angetrieben bzw gebremst
werden.