DE3122695C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine einseitige lineare Asynchronmaschine mit einem ein Wanderfeld erzeugenden Primärteil und einem Sekundärteil.

Eine derartige einseitige Maschine ist beispielsweise aus Bild 1 auf S. 1 der ETZ-A von 1972, Heft 1, bekannt.

Insbesondere bei asysnchronen Linearmotoren tritt das Problem der betriebsabhängigen Normalkräfte in Erscheinung. Diese Normalkräfte können eine Größe annehmen, die weit über jener der tangentialen Schubkraft des Motors liegt. Für kleine Schlupfwerte treten anziehende Kräfte auf, die zu besonderen Maßnahmen in konstruktiver Hinsicht zwingen. 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. 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 (ETZ-A von 1972, Heft 1, S. 1-9).

Die abstoßend wirkenden Normalkräfte zeigen im Hinblick auf die Kraft-Abstandskennlinie eine stabile Tendenz. 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.

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 in Verbindung mit einem speziellen Primärteil auch ein eisenloser Sekundärteil empfohlen (DE-OS 23 26 891). 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.

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 (DE-OS 25 21 505 und DE-OS 25 42 633). 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 (PROC. IEE, Vol. 116, Nr. 5, Mai 1969, S. 713-724). Diese Konstruktion weist jedoch Nachteile für das Fahrzeug und bezüglich der auf dem Träger anzuordnenden Aluminiumschiene (Witterungeinflüsse, Dehnungsproblem bei Erwärmung, Standfestigkeit) auf.

Aus der Sicht der Fharzeug-Fahrweg-Gestaltung sowie aus prinzipiellen Erwägungen im Zusammenhang mit einer Verbesserung der Schwebebedingungen erscheint ein einseitig wirkender Linearmotor mit abstoßenden Normalkräften als eine sehr wünschenswerte Variante.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei einem einseitigen asynchronen Linearmotor das Sekundärteil derart konstruktiv zu verbessern, daß die Normalkräfte zwischen Primärteil und Sekundärteil in einem möglichst weiten Betriebsbereich abstoßend sind.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1.

Ein Sekundärteil gemäß Anspruch 1 in Verbindung mit einem doppelseitigen Primärteil ist aus Fig. 1c der bereits genannten PROC. IEC von Mai 1969, S. 714, bekannt.

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 Maschinenelementes. 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.

Ein Konzept eines Motors mit abstoßend wirkenden Normalkräften wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.

Die Forderung nach Erzielung günstiger Bedingungen für die Energieumwandlung (Erzeugung von Vortriebskräften mit geringen Verlusten und hohem Leistungsfaktor) läßt keinen 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. Erwünscht ist also die Vergrößerung der abstoßend wirkenden Kraftkomponente im Vergleich zu bisher bekannten Konstruktionen.

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.

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 eisenlose Motorvariante weist ungünstige Bedingungen für eine 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 Motor-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 der DE-OS 31 20 328 ist möglich.

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. 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.

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 Stromkomponente als die das Magnetfeld dämpfende Komponente betrachten. Bild 2b deutet an, daß der in die Bildebene hineinfließende 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 _n die nach unten weisende Richtung beibehält. Die dem Primärteil übermittelte Kraft ist gleich groß und entgegengesetzt, wirkt also für dieses Maschinenteil nach oben, und damit abstoßend.

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.

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 (ca. 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.

Wirkungsgrad, Leistungsfaktor und Materialausnutzung sind dabei deutlich höher als beim eisenlosen Asynchronmotor. 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. durch Blechpakete mit der Blechebene parallel zur Feldebene hergestellt. Es erscheint aber auch günstig, sie aus gepreßtem Eisenpulver, das in allen drei Richtungen gleichartige magnetische Eigenschaften besitzt, herzustellen.

Beim zylindrischen Rotor bestehen ähnliche Bedingungen wie beim Linearmotor, wenn die Aufgabe gestellt ist, stabilisierende Normalkräfte ausreichender Größe zu erzeugen. 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.

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 90° auftritt, während der Phasenwinkel Null Grad (entsprechend einer einphasigen Wicklung) einen geringeren Schub erzeugt. 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. Die elektrisch leitfähigen Gitterelemente bilden jeweils kreisförmige Ringe und formen ein kugelförmiges Netzwerk. In die Zwischenräume werden ferromagnetische Füllstücke mit allseitig gleichen magnetischen Eigenschaften und geringer elektrischer Leitfähigkeit (Eisenpulver-Preßteile) eingebracht.

Als Primärteil kommen in den drei Hauptrichtungen drei Paare von Statoren mit entsprechenden Drehfeldwicklungen in Betracht (Bild 4). Die Kugel kann damit magnetisch gelagert, aber auch in den drei Hauptrichtungen angetrieben bzw. gebremst werden.

Claims (3)

1. Einseitige lineare Asynchronmaschine mit einem ein Wanderfeld erzeugenden Primärteil und einem Sekundärteil, dadurch gekennzeichnet, daß das Sekundärteil aus dünnen metallischen, nicht ferromagnetischen Lamellen besteht, die in Längsrichtung durch Seitenleiter verbunden sind, und daß zwischen diesen Leitern ferromagnetische Füllstücke etwa gleicher Höhe und geringer elektrischer Leitfähigkeit angeordnet sind.

2. Einseitige lineare Asynchronmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Sekundärteil zylinderförmig ausgeführt und mit einer Welle verbunden ist.

3. Einseitige lineare Asynchronmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein quadratisches Gitter der Leiterelemente vorliegt und ferromagnetische Füllstücke geringer elektrischer Leitfähigkeit und mit isotropen magnetischen Eigenschaften in der Weise angeordnet werden, daß eine kugelsymmetrische Form entsteht.