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Beschreibung
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Die Erfindung betrifft eine Energiezuführeinheit für einen mehrphasigen
elektromagnetischen Linearantrieb gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Aus der eigenen DE-OS 30 42 497 ist ein dreiphasiger elektromagnetischer
Linearantrieb bekannt, bei dem zur Erzielung eines wirksamen Linearantriebs die
Statorwindungen in drei Gruppen unterteilt sind und jede Gruppe mit einer anderen
Phase betrieben wird. Dabei ist der Stator in eine Vielzahl von Statorabschnitten
unterteilt, die je einzeln ein- und ausschaltbar sind. Es werden immer nur diejenigen
Statorabschnitte mit Energie beaufschlagt, über denen sich gerade ein Fahrzeug oder
Zug befindet. Dies führt zu einer beträchtlichen Energieeinsparung für die gesamte
Magnetbahnanlage. Das Ein- und Ausschalten der einzelnen Statorabschnitte geschieht
mit Hilfe von am Fahrweg angeordneten Sonden, die von Steuerorganen, die am Fahrzeug
angeordnet sind, beeinflußt werden. Auf diese Weise erreicht man eine Eigensteuerung
der Fahrstrecke durch das Fahrzeug.
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Wie in der gleichzeitig mit der vorliegenden Anmedung eingereichten
Patentanmeldung P ,........, (K20137S/6)*)beschrieben ist, kann man den Stator in
einzelne Motorelemente unterteilen, die je eine Mindestanzahl von Statorelementen
und eine individuell ein- und ausschaltbare Energiezuführeinheit mit einer Leistungssteuerungseinheit
aufweisen.
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Bei einer solchen Unterteilung der Fahrstrecke in einzelne Statorabschnitte
bzw. Motorelemente ist eine große Anzahl von Energiezuführeinheiten erforderlich.
Daher ist es wichtig, die Kosten für die für die Energiezuführungseinrichtungen
erforderlichen Bauelemente möglichst niedrig zu hal-*)(Titel: "Elektromagnetischer
Linearantrieb'')
ten. Hierfür trägt wesentlich bei, Schaltungskonzepte
zu verwenden, die z- einer möglichst geringen Spannungs- und Leistungsbelastung
der Bauelemente führen, da die Preise beispielsweise für Halbleiterbauelemente mit
zunehmender Leistungs- und Spannungsverträglichkeit rapide ansteigen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Energiezuführeinheit
für einen mehrphasigen elektromagnetischen Linearantrieb der: einleitend angegebenen
Art verfügbar zu machen, der sich mit möglichst preiswerten Bauelementen verwirklichen
läßt.
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Die Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 angegeben und kann
den Unteransprüchen gemäß vorteilhaft weitergebildet werden.
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Gegenüber der bisher üblichen Lösung, Mehrphasensteller im Zusammenwirken
mit einen Endes galvanisch verknüpften Statorwindungen der mehreren Phasen zu benutzen,
können bei der erfindungsgemäßen Lösung die Induktionsspannungen, die von den Permanentmagneten
am Fahrzeug in den voneinander getrennten Statorwindungen induziert werden, beträchtlich
verringert werden, da keine Additionen der verschiedenen Statorwicklungen von den
Fahrzeugmagneten induzierten Spannungen mehr auftreten. Die für die Leistungsschaltung
verwendeten Halbleiterschalter brauchen daher nur geringere Maximalspannungen auszuhalten.
Daher können Halbleiterbauelemente mit geringerer Spannungsfestigkeit als bei der
bisherigen Lösung benutzt werden. Und solche weniger spannungsfesten Halbleiterbauelemente
sind beträchtlich billiger als solche mit wesentlich höherer Spannungsfestigkeit.
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Dadurch, daß man für die Halbleiterschalter der erfindungsgemäß verwendeten
Einphasensteller Thyristoren verwendet, die über die Steuerelektrode auch wieder
gelöscht werden können, kann man die Einphasensteller aus einer Gleichspannungsquelle
betreiben, ohne daß aufwendige Löschschaltungen
erforderlich wären.
Infolge der Gleichspannungsspeisung der Einphasensteller entsprechen die Nennleistung,
die Nennspannung und der Nennstrom immer der Amplitude von Leistung bzw. Spannung
bzw. Strom. Bei den bisher üblichen wechselspannungsgespeisten Energiezuführeinheiten
dagegen entsprechen die Nennleistung, die Nennspannung und der Nennstrom nur dem
Effektivwert, der niedriger ist als die Leistungs- bzw. Spannungs- bzw. Stromamplitude.
Da die verwendeten Bauelemente, insbesondere Halbleiterbauelemente, hinsichtlich
ihren Belastungsgrenzen nach den Amplitudenwerten ausgelegt sein müssen, müssen
bei gleichen Nennwerten im Fall der Wechselspannungsversorgung Bauelemente mit wesentlich
höheren Belastungsgrenzen verwendet werden, die entsprechend teuer sind.
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Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Konzepts, die Energiezuführeinheiten
je mit mehreren Einphasenstellern aufzubauen, ist darin zu sehen, daß die einzelnen
Einphasensteller unabhängig voneinander sind. Während bei dem bisherigen Konzept
mit einseitig verknüpften Statorwindungen der Ausfall eines einzigen Bauelements
zum Ausfall der Energiezufuhr zu dem entsprechenden Statorabschnitt bzw.
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Motorelement führen kann, resultiert ein solcher Ausfall bei der erfindungsgemäßen
Lösung in dem Ausfall nur eines einzigen Einphasenstellers. Die anderen Einphasensteller
arbeiten unbeeinflußt weiter. Daher kommt es lediglich zu einer Vorschubverringerung,
aber nicht zu einem Vorschubausfall.
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Ein Mehrphasenbetrieb mit den erfindungsgemäßen Einphasenstellern
läßt sich auch besonders vorteilhaft einsetzen bei einem Rotationsmotor mit in Abschnitte
unterteiltem Stator bei dem die Abschnitte mittels Sonden an den Abschnitten vom
Läufer ein- und ausschaltbar sind, wie es in der DE-OS 30 42 497 beschrieben ist.
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Die Erfindung und Weiterbildungen der Erfindung werden nun anhand
von Ausführungsformen näher erläutert. In der Zeichnung zeigen: Fig. 1 eine herkömmliche
Energiezuführeinheit; Fig. 2 eine Ausführungsform eines Einphasenstellers der erfindungsgemäßen
Energiezuführeinheit; Fig. 3 den Aufbau einer erfindungsegmäßen mehrphasigen Energiezuführeinheit
mit mehreren Einphasenstellern; und Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß
ausgerüsteten Motorelements eines mit zwei Statoren aufgebauten Linearantriebs.
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Fig. 1 zeigt einen herkömmlichen Dreiphasensteller für einen dreiphasigen
elektromagnetischen Linearantrieb. Dabei ist der Stator in eine Vielzahl von Statorabschnitten
oder Motorelementen unterteilt, bei dem die zur selben Phase gehörenden Statorwindungen
in Reihe geschaltet sind. Je nach Aufbau des Stators können die einzelnen Statorwindungen
auch durch Statorwicklungen mit je mehreren Windungen ersetzt sein.
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In Fig. 1 sind drei Statorwicklungen WA, WB und WC dargestellt, bei
denen es sich je nach Aufbau des Stators jeweils um eine einzige Windung bzw. Wicklung
oder jeweils um eine Reihenschaltung mehrerer Windungen bzw. Wicklungen handeln
kann. Zur Vereinfachung wird im folgenden der Sammelbegriff Statorwicklung verwendet.
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Die drei Statorwicklungen WA,WB und WC sind je einer Phase PhA bzw.
PhB bzw. PhC zugeordnet. Einen Endes sind die
drei Statorwicklungen
WA, WB und WC galvanisch verknüpft und an den einen Pol einer Wechselspannungsquelle
angeschlossen. Anderen Endes sind die Statorwicklungen WA, WB und WC je über einen
Triac TrA bzw. TrB bzw. TrC an den anderen Pol der Wechselspannungsquelle angeschlossen.
Die Steueranschlüsse der Triacs sind mit einer in Fig. 1 nicht gezeigten Leistungssteuerungseinheit
verbunden.
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Die einzelnen Triacs müssen eine Leistungs-, Spannungs-und Stromfestigkeit
entsprechend den Amplitudenwerten von Leistung bzw. Spannung bzw. Strom aufweisen,
also höhere Belastungsgrenzwerte haben als sie den Nennwerten von Leistung, Spannung
und Strom entspricht.
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Wenn ein mit Magneten, vorzugsweise Permanentmagneten, bestücktes
Fahrzeug über den Stator hinwegfährt, werden in den Statorwicklungen WA, WB und
WC Spannungen induziert.
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Infolge der galvanischen Verknüpfung der Statorwicklungen WA, WB und
WC auf der einen Seite kommt es zu einer Addition der Spannungen, die in je zwei
der einen Endes miteinander verknüpften Statorwicklungen entstehen. Daher müssen
die Triacs für relativ hohe Spannungsbelastungen ausgelegt sein.
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Fig. 2 zeIgt eine Ausführungsform eines Einphasenstellers für die
erfindungsgemäße Energiezuführeinheit. Betrachtet wird beispielsweise-der Einphasensteller
für die Statorwicklung WA. Diese ist einen Endes an einen Verbindungspunkt Vl und
anderen Endes an einen Verbindungspunkt V2 angeschlossen. Jeder der Verbindungspunkte
Vl und V2 ist über zwei über die Steuerelektrode ein- und ausschaltbare Thyristoren
Thl, Th2 bzw. Th3, Th4 mit dem +-Pol bzw.
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--Pol einer Gleichspannungsquelle verbunden. Die Steuerelektroden
der Thyristoren Thl bis Th4 sind mit einer Leistungssteuerungseinheit verbunden.
Stromfluß durch die Statorwicklung
WA kann man in der einen Richtung
durch Leitendschalten der Thyristoren Thl und Th4 und in der anderen Richtung durch
Leitendschalten der Thyristoren Th3 und Th2 erreichen.
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Jedem der Thyristoren Thl bis Th4 ist eine entgegengesetzt gepolte
Diode Dl, D2, D3 bzw. D4 parallelgeschaltet. Zweck dieser Dioden Dl bis D4 ist es,
beim Ausschalten des Einphasenstellers entstehende Blindleistung zu übernehmen und
durch zu hohe Spannungen verursachte Durchbrüche zu verhindern. Für die Thyristoren
Thl bis Th4 werden sogenannte GTO's (Gate Turn Off) verwendet, d.h., Thyristoren,
die über das Gate abschaltbar sind.
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Fig. 3 zeigt das Zusammenwirken dreier Einphasensteller gemäß Fig.
2 zu einer drephasigen Energiezuführeinheit.
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Hierzu werden drei Einphasensteller EA, EB und EC verwendet, die je
in der in Fig. 2 gezeigten Weise aufgebaut, jedoch in vereinfachter Weise dargestellt
sind. Die drei Einphasensteller EA, EB und EC werden von einer gemeinsamen Gleichspannungsquelle
gespeist und versorgen je eine mit gleicher Phase gespeiste Gruppe von drei Statorwicklungen
WAl, WA2, WA3 bzw. WBl, WB2, WB3 bzw. WCl, WC2, WC3.
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Dabei gehören die Statorwicklungen WAl, WBl und WCl zu einem ersten,
die Statorwicklungen WA2, WB2 und WC2 zu einem zweiten und die Statorwicklungen
WA3, WB3 und WC3 zu einem dritten Statorelement.
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Die drei Einphasensteller EA, EB und EC sind je über Steuerleitungen
SLA bzw. SLB bzw. SLC mit einer Leistungssteuerungseinheit LST verbunden. Über diese
Steuerleitungen werden die einzelnen Einphasensteller EA, EB und EC ein-und ausgeschaltet,
und zwar entweder für eine Fahrtrichtung von links nach rechts oder umgekehrt. Befindet
sich über dem Motorelement, zu dem die drei Statorelemente und die drei Einphasensteller
in Fig. 3 gehören, ein Fahrzeug, werden die drei Statorwicklungen eines jeden Statorelementes
phasenversetzt mit den Phasen PhA, PhB bzw. PhC mit Wechselstrom angesteuert.
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Üblicherweise sind Magnetbahnanlagen mit zwei Statoren pro Fahrweg
ausgestattet. Dabei liegt, in Fahrrichtung gesehen, einer der Statoren auf der linken
Seite und der andere der Statoren auf der rechten Seite des Fahrwegs. Fig.
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4 zeigt schematisch den Aufbau eines Motorelements eines solchen Magnetbahnfahrwegs
mit zwei Statoren. Jeder Stator weist innerhalb dieses Motorelements drei Statorelemente
mit drei Statorwindungen bzw. Wicklungen A, B und C auf, die je über einen Einphasensteller
EA, EB bzw. EC
aus einer Stromversorgung SV mit Leistung versorgt
werden.
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Die Einphasensteller EA, EB und EC des linken Stators und die des
rechten Stators sind je mit einer Leistungssteuerungseinheit LST verbunden, die
wiederum je mit einer Sonde S verbunden sind. Über diese Sonden S erhalten die Leistungssteuerungseinheiten
LST Information über das Vorhandensein eines Fahrzeugs in dem Motorelement, über
die relative Lage der Pol abschnitte des Fahrzeugs relativ zu den Statorelementen
des Stators und über die Geschwindigkeit, mit welcher sich das Fahrzeug über das
Motorelement bewegt.
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In Abhängigkeit von diesen Informationen kann die Leistungssteuerungseinheit
die Leistungszufuhr zu den Statorwicklungen steuern.
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Die Spannung, die von den Permanentmagneten des Fahrzeugs in den Statorwicklungen
induziert wird, beschränkt sich immer auf die Statorwicklung einer einzigen Phase.
Eine Addition der induzierten Spannungen zweier zu verschiedenen Phasen gehörender
Stacorwicklungen ist nicht möglich.
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Die hier beschriebene neue Energiezuführeinhei eignet sich besonders
gut für elektromagnetische Linearantriebe, wie sie in den gleichzeitig mit der vorliegenden
Anmeldung eingereichten eigenen Patentanmeldungen P .........
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(K 20137S/6 ), P ........... (K20472S/6 ) und P ...........
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(K205315/6 )*)beschrieben sind. Die Kombination der vorliegenden Leistungszuführungseinheit
mit einem elektromagnetischen Linearantrieb, der Konstantleistungs-Motorelemente
gemäß P ........... (K20 137S/6), eine Fahrprogrammsteuerung gemäß P ...........
(K20 472S/6) und eine Fahrwegumschaltung gemäß P ........... (K20 531S/6) aufweist,
führt zu einem besonders vorteilhaften Magnetbahnsystem mit einem hohen Grad an
Selbststeuerung, Leistungseinsparung und Schaltungsvereinfachung und zu der Möglichkeit,
relativ billige Bauelemente einsetzen zu können. Zum Zweck der (gleichlautender
Titel dieser drei Patentanmeldungen: "Elektromagnetischer Linearantrieb")
Kombination
der vorliegend beschriebenen Leistungszuführungseinheit mit den Merkmalen eines
oder mehrerer der in den genannten parallelen Patentanmeldungen beschriebenen Linearantriebe
wird hiermit ausdrücklich auf die Offenbarung dieser parallelen- Patentanmeldungen
Bezug genommen zu dem Zweck, deren Offenbarungen zu einem Bestandteil der vorliegenden
Patentanmeldung zu machen.