DE3410119C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Erregeranordnung, insbesondere für einen Synchron-Langstatorantrieb für Schnellverkehrssysteme mit kombinierter Erzeugung von Vortriebs- und Tragkräften, mit wenigstens einem Wechselpol- Magneten, der mehrere quer zur Langstatorrichtung verlaufende Nuten aufweist, die an ihrer dem Langstator gegenüberliegenden Polebene offen sind und zugeordnete Magnetspulen aufnehmen, deren Leiter um die zwischen benachbarten Nuten befindlichen Pole gelegt sind.

Bei einer bekannten Erregeranordnung (DE-OS 30 41 940) dieser Art besteht jeder Magnet aus einem durchgehenden Magnetrücken, von dem Polschäfte ausgehen, die an ihren Enden verbreiterte Polschuhe tragen. In den zwischen den Polschäften verbleibenden Nuten sind die vorgefertigten Magnetspulen angeordnet, die auf gesonderte Wickelkörper gewickelt und jeweils als Formspulen in die Magnete eingebaut sind. Weil dadurch der Nutquerschnitt nicht vollständig ausgefüllt ist, ergibt sich ein ungünsti­ ger Füllfaktor. Die Anordnung insgesamt führt zu einem ungünstigen Streuflußverhalten und vergleichsweise großen Magnetgewichten, durch welche die dynamischen Eigenschaften der Schwebebahn ungünstig beeinflußt werden.

Zu der gewünschten Optimierung einer solchen Erregeranordnung können andere bekannte Erregeranordnungen (DE-OS 27 31 818) nichts beitragen. Diese unterscheiden sich vom Prinzip her dadurch von den Anordnungen der eingangs bezeichneten Gattung, daß die Haupttragkraft durch Permanentma­ gnete erzeugt wird. Diesen sind zusätzlich Steuerwicklungen zugeordnet, deren Fluß dem Fluß der Permanentmagnete überlagert wird, so daß die Tragkraft je nach Stromrichtung vergrößert oder verkleinert werden kann. Ein Hauptproblem derartiger Anordnungen besteht in ihrem ungünstigen Ausfallverhalten, da ein zu kleiner Tragspalt unbeabsichtigt zu einem Festkleben der Permanentmagnete an der Langstatorschiene führen kann. Zum Lösen der Permanentmagnete würden dann Ströme benötigt, die größer sind, als die im Rahmen des Nennbetriebs vorgesehenen Steuerströme. Erregeran­ ordnungen dieser Art haben sich daher bisher nicht durchgesetzt.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, bei einer Erregeranordnung der eingangs bezeichneten Gattung das als ungefederte Masse zu betrachtende Magnetgewicht zu reduzieren und Streuflüsse zu vermeiden, um die dyna­ mischen Eigenschaften zu verbessern. Dabei soll die Tragkraft des Magneten nicht verschlechtert werden.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Nuten einen sich bis zur Polebene erstreckenden, rechteckigen Querschnitt besitzen, daß die Leiter der Magnetspulen aus Bändern bestehen, deren Bandbreite der Tiefe der Nuten entspricht und in engem Kontakt untereinander sowie zu den Nutwan­ dungen unmittelbar auf die Pole aufgewickelt sind, und daß der Magnet unterhalb seiner Pole parallel zu den Nuten erstreckte Ausnehmungen aufweist.

Die erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht es, den verfügbaren Nutenquer­ schnitt vollständig mit dem Magnetspulenmaterial auszufüllen. Das kann zwar zu einer etwas größeren Bauhöhe des Magneten führen. Das Magnetge­ wicht insgesamt wird jedoch dadurch reduziert, daß unterhalb der Polebene die parallel zu den Nuten erstreckten Ausnehmungen angeordnet sind. Das hat außerdem den Vorteil, daß die mittlere Eisenweglänge des magnetischen Kreises unterhalb der Polebene verkürzt und dadurch der magnetische Spannungsabfall im Eisenkreis verringert wird.

Die gewichtssparenden Ausnehmungen werden zweckmäßig unter den Polen des Magneten angeordnet, wobei im Einzelfall die Ausnehmungen auch bis in den Polschaft hineinreichen können.

Bedingt durch die Wechselpolanordnung sind die Endpole eines Magneten als Halbpole ausgebildet. Der Raum zwischen benachbarten Enden zweier Magnete entspricht, abhängig von einer gewählten Polverstimmung, etwa einer Statorpolteilung. Zur Vermeidung von Überschneidungen des Spulenraums von Magnetspulen an den Endpolen benachbarter Magnete ist es günstig, wenn die Leiter der Magnetspulen an den Endpolen jedes Magneten um den Magnetrücken gewickelt sind. Zusätzlich ergibt sich bei einem Spulenhöhen-/Spulen­ breitenverhältnis kleiner als 1 durch Verkürzung der mittleren Windungs­ länge eine Gewichtsreduzierung der Magnetspule am Endpol.

Zur berührungslosen Energieauskopplung in Schnellverkehrsmagnetschwebe­ fahrzeugen werden Lineargeneratorwicklungen in zugeordnete Nuten auf der die Polebene bildenden Seite der Polschuhe eingelegt (DE-OS 30 41 940). Im Luftspalt zwischen Polschuh und genutetem Langstator erfolgt bei Relativ­ bewegungen eine Modulation der Flußverteilung. Dadurch wird in den Lineargeneratorwicklungen eine Spannung induziert, die über geeignete Gleichrichterschaltungen zur teilweisen oder vollständigen Deckung des Fahrzeugenergiebedarfs herangezogen wird. Diese Lineargeneratorwicklungs­ stränge können nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wenigstens teilweise in an den polseitigen Nutwandungen angeordneten Nuten verlegt sein.

Bei bekannten Erregeranordnungen ist die Magnetpolteilung gegenüber der Langstatorteilung verkleinert, um durch Versatz der Magnetpole Tragkraft­ schwankungen des gesamten Magneten infolge der Schwankungen des magne­ tischen Leitwerts zwischen dem Polschuh und der genuteten Reaktionsschiene zu minimieren. Diese Abweichung führt aber zu einer Abweichung des Polwinkels zwischen Antrieb und Magnet und somit zu einer Einbuße an Schubkraft.

Dagegen ist die Magnetpolteilung nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung gegenüber der Statorpolteilung vergrößert. Eine Vergrößerung der Magnetpolteilung hat bei gleichen Abweichungen des Polwinkels zwischen Antrieb und Magnet den Vorteil, daß die Pollücke verlängert wird und somit bei gegebenem Nutquerschnitt die Nuthöhe niedriger gewählt werden kann. Die Folge davon ist eine niedrigere Magnethöhe bei insgesamt verlängerten Einzelmagneten. Weiterhin nimmt auch die Polstirnstreuung ab. Damit kann aufgrund der geringeren magnetischen Belastung des Eisenkreises die Polschaftfläche kleiner gewählt werden. Auch das führt zu einer Verrin­ gerung des Magneteisengewichts.

Durch den direkten, nur elektrisch isolierten Kontakt der Magnetspule mit dem Polschaft ist bei der erfindungsgemäßen Anordnung der thermische Übergangswiderstand zwischen Magnetspule und Polschaft verringert, so daß ein wesentlicher Anteil der in der Magnetspule entstehenden Verlust­ leistung über das Magneteisen abgeführt werden kann. Da die maximal zulässige Magnetspulentemperatur auch ein Auslegungskriterium für die zulässige Stromdichte ist, kann aufgrund der verbesserten Wärmeableitung die Stromdichte erhöht werden. Eine weitere Verbesserung der Wärmeab­ leitung kann in Weiterbildung der Erfindung dadurch erfolgen, daß metal­ lische Platten zwischen den Magnetpolen und den Magnetspulen angeordnet werden, und zwar vorzugsweise derart, daß sie im Sinne einer guten thermischen Kopplung elektrisch leitend mit den Magnetspulen verbunden sind und die elektrische Isolation zwischen der metallischen Platte und dem Magnetpol angeordnet ist.

Im folgenden wird ein in der Zeichnung dargestelltes Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert; es zeigt

Fig. 1 in schematischer Darstellung und teilweise geschnitten einen Wechselpol-Magneten für eine Erregeranordnung eines Synchron- Langstatorantriebs,

Fig. 2 teilweise eine andere Ausführung des Gegenstandes nach Fig. 1,

Fig. 3 teilweise eine weitere Ausführung des Gegenstandes nach Fig. 1.

Der in der Zeichnung dargestellte Magnet 1 besitzt einen mäanderförmigen Querschnitt mit mehreren im Abstand voneinander angeordneten Polen 2, die sich in Längsrichtung eines nicht dargestellten, genuteten Langstators erstrecken. Die Pole 2 sind untereinander jeweils über einen Abschnitt eines Magnetrückens 3 vereinigt. Über den Abschnitten des Magnetrückens 3 befinden sich quer zum Magneten 1 verlaufende Nu­ ten 4 mit rechteckigem Querschnitt, die sich jeweils bis zu der von der Oberseite des Magneten 1 gebildeten Polebene 5 erstrecken. Unter den Polen 2 befinden sich Ausnehmungen 6, die sich ebenfalls über die gesamte Breite des Magneten 1 erstrecken. In Längsrichtung wird der Magnet 1 von Endpolen mit Polschäften 7 und aufgesetzten, verlängerten Polschuhen 8 begrenzt. Die Polschuhe 8 erstrecken sich über einen Teil der benachbarten Nut 4.

In die Nuten 4 sind jeweils Magnetspulen 9 eingelegt, die aus Bändern 10 bestehen, deren Bandbreite etwa der Tiefe der Nut 4 entspricht. Die Bänder sind elektrisch isoliert direkt um die Pole 2 gewickelt, - und zwar in engem Kontakt untereinander sowie zu den polseitigen Nut­ wandungen 11. Wie dargestellt, sind die Nuten 4 vollständig von den Magnetspulen 9 ausgefüllt.

Im Bereich der den Endpolen benachbarten Nuten 4 sind Magnetspulen 12 ebenfalls aus Bändern um den zugeordneten Abschnitt des Magnetrückens 3 gewickelt.

Auf der die Polebene 5 bildenden Oberseite der Pole 2 befinden sich kleinere Nuten 13 zur Aufnahme von Lineargeneratorwicklungssträngen 14. Weitere Lineargeneratorwicklungsstränge 14 sind in Nuten 15 unterge­ bracht, die in die nutseitigen Polwandungen eingelassen sind.

In den Fig. 2 und 3 ist zusätzlich die Anordnung von Permanentma­ gneten 16 dargestellt, die bei der Ausführung nach Fig. 2 unter den Polen 2 und bei der Ausführung nach Fig. 3 unter den Nuten 4 angeord­ net sind. Die Permanentmagnete werden von den Magnetspulen 9 erregt.

Nicht dargestellt ist, daß die bei gegenüber dem Langstator zur Unter­ drückung des Nutungseinflusses erforderliche Verstimmung der Magnet­ polteilung durch eine Vergrößerung der Teilung der Pole 2 des Magne­ ten 1 erreicht ist.

Mit der dargestellten Erregeranordnung läßt sich das Magnetgewicht wesentlich reduzieren, weil durch Vergrößerung der Magnetpolteilung die Pollücke verlängert wird und bei gegebenem Nutquerschnitt die Nut­ tiefe kleiner gewählt werden kann. Dadurch nimmt auch die Polstirn­ streuung ab, so daß wegen der geringeren magnetischen Belastung des Eisenkreises der Eisenquerschnitt verkleinert werden kann. Da der Nut­ querschnitt vollständig vom Spulenmaterial ausgefüllt ist, kann die Bauhöhe des Magneten 1 insgesamt verringert werden. Eine zusätzliche Reduzierung des Gewichtes ergibt sich aus den Ausnehmungen 6 unter den Polen 2 mit dem Vorteil, daß die mittlere Eisenweglänge des magne­ tischen Kreises unterhalb der Polebene 5 verkürzt und der magnetische Spannungsabfall verringert wird. Der thermische Übergangswiderstand zwischen den Magnetspulen und den Polen ist durch den engen Kontakt zwischen Magnetspule und Polwandung ebenfalls verringert, so daß die Verlustleistung vermehrt über das Magneteisen abgeführt werden kann. Das ermöglicht eine Erhöhung der Stromdichte bei gleichbleibendem oder verringertem Magnetgewicht.

Claims (7)

1. Erregeranordnung, insbeson­ dere für einen Synchron-Langstatorantrieb für Schnellverkehrssysteme mit kombinierter Erzeugung von Vortriebs- und Tragkräften, mit wenigstens einem Wechselpol-Magneten, der mehrere quer zur Langstatorrichtung verlaufende Nuten aufweist, die an ihrer dem Langstator gegenüberliegenden Polebene offen sind und zugeordnete Magnetspulen aufnehmen, deren Leiter um die zwischen benachbarten Nuten befindlichen Pole gelegt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (4) einen sich bis zur Polebene (5) erstreckenden rechteckigen Querschnitt besit­ zen, daß die Leiter (10) der Magnetspulen (9) aus Bändern bestehen, deren Bandbreite der Tiefe der Nuten (4) entspricht und in engem Kon­ takt untereinander sowie zu den Nutwandungen (11) unmittel­ bar auf die Pole (2) aufgewickelt sind, und daß der Magnet (1) unterhalb seiner Pole (2) parallel zu den Nuten (4) er­ streckte Ausnehmungen (6) aufweist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter (10) der Magnetspulen (9) an den Endpolen (7, 8) jedes Magneten (1) um den Magnetrücken (3) gewickelt sind.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2 mit in zuge­ ordneten Nuten der Pole eingelegten Lineargeneratorwicklungs­ strängen, dadurch gekennzeichnet, daß die Lineargenerator­ wicklungsstränge (14) wenigstens teilweise in an den Nutwan­ dungen (11) angeordneten Nuten (15) verlegt sind.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß Permanentmagnete (16) im Magnetrücken (3) unterhalb der Magnetspulen (9) oder in den Polen (2) neben den Magnetspulen (9) angeordnet sind.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zur Unterdrückung des Einflusses der Nu­ tung des Langstators die Magnetpolteilung gegenüber der Sta­ torpolteilung vergrößert ist.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß metallische Platten (17) zwischen den Ma­ gnetpolen (2) und den Magnetspulen (9) angeordnet sind.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die metallischen Platten (17) elektrisch leitend mit den Ma­ gnetspulen (9) verbunden sind und die elektrische Isolation zwischen der metallischen Platte (17) und dem Magnetpol (2) angeordnet ist.