EP1480230B1 - Linearmotor mit einer Wicklung - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf einen Linearmotor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ( DE 196 38 603 A1 ).
• Linearmotoren sind für elektrische Antriebe unterschiedlicher Art seit langem bekannt. Es gibt dabei sowohl Gleichstrom- als auch Wechselstrom-Synchron- und Asynchronmotoren. Beim Linearmotor sind sowohl ein feststehender Stator als auch ein bewegbarer Läuferteil im Gegensatz zum konventionellen Motor nicht kreisförmig, sondern geradlinig angeordnet. Die elektrische Energie wird bei einem Linearmotor so in mechanische Energie umgesetzt, daß sie unmittelbar für eine Translationsbewegung nutzbar wird. Einsatzgebiete für einen Linearmotor sind beispielsweise der Personenverkehr, das Förder- und Transportwesen, Fließbänder, Gepäcktransport, Bergbau, Kräne, Schleppanlagen, Schlitten von Werkzeugmaschinen und die Betätigung von Schiebern. Der Linearmotor kann prinzipiell eine in Nuten eines Induktors angeordnete Erregerwicklung haben, die bei Wechselstrom dreiphasig ausgebildet ist. Der Läuferteil besteht dann entweder aus einer Schiene aus elektrisch gut leitendem Material, wie Kupfer oder Aluminium (Asynchronmotor), oder aus permanentnagnetischem Material (Synchronmotor).
• Wenn ein derartiger Linearmotor beispielsweise zum Antrieb einer Magnetschwebebahn für den Fernschnellverkehr eingesetzt wird, dann ergibt sich für den Induktor und damit auch für die in seinen Nuten angebrachten Kabel eine sehr große Länge. Da ein solcher Linearmotor aus diesem Grund mit einer relativ hohen elektrischen Spannung betrieben wird, müssen die Kabel mit einer inneren und einer äußeren Leitschicht sowie einem Schirm ausgerüstet sein. Der Schirm derartiger, als Mittelspannungskabel ausgeführter Kabel ist für eine sichere Führung kapazitiver Ladeströme, eine Erdschlußerkennung, eine Möglichkeit zur Fehlerortung und als Schutz gegen mechanische Beschädigungen der den Leiter umgebenden Schichten erforderlich. Ferner soll er Lebewesen vor Gefährdung durch hohe elektrische Spannungen schützen.
• Beim Einsatz von Mittelspannungskabeln mit dem beschriebenen Aufbau im sehr langen, aus Induktor und Kabeln bestehenden Stator eines Linearmotors wird auf den Schirmen der Kabel eine hohe Längespannung induziert, die beispielsweise bei einer Länge des Stators von 100 m weit mehr als 1 kV betragen kann. Damit derart hohe Spannungen nicht entstehen können, könnten die Schirme in sehr kurze Abschnitte aufgeteilt und jeder Abschnitt einseitig geerdet werden. Das ist umständlich und teuer und erhöht das Risiko von Kabelfehlern. Mit bekannten geschirmten Mittelspannungskabeln könnten kleine Schirmspannungen auch durch die Erdung der Schirme an beiden Enden eines Abschnitts fast beliebiger Länge oder durch Verbindung der Schirme der drei für die Wicklung verwendeten Kabel in fast beliebigen Abständen erzielt werden. Dann würden aber große Schirmströme fließen, die große Energieverluste verursachen und als Wirbelstrombremse wirken würden.
• Aus der DE 30 06 382 A1 ist eine dreiphasige Wechselstrom-Wicklung für einen Linearmotor bekannt, die aus elektrischen Mittelspannungskabeln entsprechend dem geschilderten Aufbau besteht. Die hier eingesetzten Kabel weisen einen äußeren, aus elektrisch leitfähig gemachtem Isolierstoff bestehenden Mantel auf. Mindestens auf einer Seite des Stators ist im Bereich der aus den Nuten herausragenden Wickelköpfe der Kabel ein sich über die gesamte Länge des Stators erstreckender, mit den leitfähigen Mänteln der Kabel in gutem Kontakt stehender und an Erdpotential anschließbarer Strang aus elektrisch gut leitendem Material angeordnet. Die elektrisch leitfähig gemachten Mäntel der Kabel stellen gleichzeitig deren Schirm dar, der eine relativ geringe elektrische Leitfähigkeit aufweist. Durch die Kombination der Mäntel mit dem an Erdpotential angeschlossenen Strang ergibt sich insgesamt ein Schirm, der eine gute Ableitung kapazitiver Ströme gewährleistet und außerdem sicherstellt, daß durch induzierte Spannungen entstehende Ströme klein bleiben. Die Wicklung weist somit insgesamt eine niedrige Verlustleistung auf und die Feldbeeinflussung wird vernachlässigbar. Da außerdem keine hohen elektrischen Spannungen entstehen können, ist eine Gefährdung von Lebewesen vermieden.
• Bei dem bekannten Kabel nach der eingangs erwähnten DE 196 38 603 A1 ist zwischen der äußeren Leitschicht und dem äußeren elektrisch leitfähig gemachten Mantel eine sich über die ganze Länge des Kabels erstreckende, rundum geschlossene Metalleinlage als Zwischenschicht vorhanden, durch welche die elektrische Leitfähigkeit des Schirms des Kabels erhöht wird. Es soll dadurch erreicht werden, daß im Schirm induzierte elektrische Spannungen und Ströme, durch welche die Antriebsleistung des Linearmotors vermindert werden könnte, möglichst niedrig gehalten werden. Außerdem sollen durch die Metalleinlage der Längswiderstand längs der Kabelachse homogen sein und die Erfassung eines Erdschlusses sowie die Ableitung von Fehlerströmen mit reduziertem Aufwand in ausreichendem Maße sichergestellt werden. Das wird mit diesem bekannten Kabel in vielen Einsatzfällen auch erreicht. Trotzdem kann es geschehen, daß das Kabel insbesondere bei erhöhter Betriebsspannung beschädigt wird.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den eingangs geschilderten Lineormotor so zu gestalten, daßer auf einfache Weise an unterschiedliche Betriebsspannungen anpaßbar ist, so daß eine Beschädigung seiner Wicklung durch zu hohe Betriebsspannungen ausgeschlossen werden kann.
• Diese Aufgabe wird gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
• Bei dieser Wicklung sind als Wicklungsstränge elektrische Kabel eingesetzt, bei denen der elektrische Widerstand des Schirms an die jeweiligen Anforderungen auf einfache Weise anpaßbar. Der Aufbau der Kabel, das Herstellungsverfahren und die dafür verwendeten Einrichtungen können dazu unverändert bleiben. Durch das für die Zwischenschicht eingesetzte Band wird die Leitfähigkeit des Schirms der Kabel so weit erhöht, daß derselbe ausreichend hohe Ströme tragen kann, um eine einfache und schnelle Erkennung eines Erdschlusses sicherzustellen. Das Band kann beispielsweise als Hybridband mit Kunststoffäden und metallischen Drähten ausgeführt sein oder aus zu einer Einheit zusammengefaßten Karbonfasern bestehen. Der Widerstandswert des Schirms bleibt aber so hoch, daß keine zu hohen Verlusten führenden, niederohmigen Sekundärkreise entstehen. Verluste durch Spannungen und Ströme, die im Schirm der Kabel induziert werden, sind gegenüber anderen Leitungsverlusten vernachlässigbar. Der Widerstandswert des Bandes wird jeweils so eingestellt, daß er für den jeweiligen Einsatzfall der Kabel bzw. der aus denselben hergestellten Wicklung ausreichend hoch ist. Er wird auf jeden Fall höher als der Widerstandswert des mit den leitfähigen Mänteln aller drei Kabel in gutem Kontakt stehenden Erdleiters eingestellt. Unabhängig von der für den Linearmotor verwendeten Betriebsspannung werden dann Fehler- und Ausgleichsstöme sicher über den Erdleiter abgeleitet. Die Kabel und insbesondere ihre äußeren Mäntel sind auf diese Weise wirksam gegen Beschädigungen durch zu hohe Ströme geschützt. Das gilt auch bei großen Temperaturunterschieden, denen die Kabel im Betrieb bei Tag und Nacht und in unterschiedlichen Jahreszeiten ausgesetzt sind. Das Band der Zwischenschicht behält seinen bei der Fertigung eingestellten Widerstandswert auch dann mit großer Genauigkeit bei.
• Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes sind in den Zeichnungen dargestellt.
• Es zeigen:
• Fig. 1 ein zu einem mäanderförmigen Wicklungsstrang gebogenes Kabel für die Wicklung nach der Erfindung.
• Fig. 2 das Kabel selbst mit abschnittsweise sichtbaren Schichten seines Aufbaues.
• Fig. 3 bis 8 unterschiedliche Anordnungen eines im Kabelaufbau vorhandenen Hybridbandes.
• Mit 1 ist der Induktor eines Linearmotors bezeichnet, der zusammen mit einer dreiphasigen Wicklung den Stator desselben bildet. Der Induktor 1 besteht aus Blechpaketen, in denen Nuten 2 zur Aufnahme von Wicklungssträngen der Wicklung angebracht sind. Der Stator ist langgestreckt. Er kann viele Kilometer lang sein. Die Wicklungsstränge bestehen im vorliegenden Fall aus elektrischen Kabeln, deren genauerer Aufbau beispielsweise aus Fig. 2 hervorgeht.
• In Fig. 1 ist ein Kabel 3 eingezeichnet, das mit mäanderförmigem Verlauf in den Nuten 2 des Induktors 1 befestigt ist. Die nicht belegten Nuten 2 des Induktors 1 sind zur Aufnahme von zwei weiteren Kabeln mit dem gleichen Aufbau wie das Kabel 3 vorgesehen. Sie sind der Einfachheit halber nicht mit eingezeichnet. Die drei Kabel bilden zusammen die dreiphasige Wicklung des Linearmotors. Das Kabel 3 ist so aufgebaut, daß es einfach zu dem mäanderförmigen Verlauf zu verformen ist und ohne zusätzlichen Aufwand seine Form auch in den außerhalb des Induktors 1 liegenden Bereichen - den Wickelköpfen 4 - beibehält. Auf mindestens einer Seite des Induktors 1 verläuft über dessen ganze Länge ein als Erdleiter dienender metallischer Strang 5 aus elektrisch gut leitendem Material, der in gutem elektrischem Kontakt mit den Kabeln steht und an Erdpotentiel angeschlossen werden kann.
• Das für die Wicklung nach der Erfindung verwendete Kabel 3 hat ebenso wie die beiden anderen Kabel beispielsweise folgenden Aufbau:
• Der Leiter des Kabels 3 ist als Leiterseil 6 ausgebildet, das aus einer Vielzahl von Einzeldrähten gebildet ist. Es sind mindestens zwei Lagen von Einzeldrähten vorhanden.
• Die Schlagrichtung der Verseilung in diesen beiden Lagen soll entgegengesetzt sein. Für den Fall, daß mehr als zwei Lagen vorhanden sind, sollen sie abwechselnd entgegengesetzte Schlagrichtung aufweisen. Das Leiterseil 6 kann aus Aluminiumdrähten bestehen. Es könnten aber auch Kupferdrähte oder Drähte aus einem Aluminium-Kupfer-Verbund verwendet werden.
• Das Leiterseil 6 ist von einer inneren Leitschicht 7 umgeben, die auf dasselbe aufextrudiert sein kann. Der Extrusionsvorgang ist dabei so abgestimmt, daß das Material der Leitschicht 7 auch in die Zwickel eindringt, welche zwischen den Einzeldrähten der äußeren Lage des Leiterseils 6 vorhanden sind. Die Leitschicht 7 wird dadurch fest mit dem Leiterseil 6 verbunden, da sie sich an demselben verankert. Der Festsitz ist so gut, daß die Leitschicht 7 weder durch Biegung noch durch axiale Beanspruchung vom Leiterseil 6 gelöst wird. Für die innere Leitschicht 7 kann vorzugsweise ein auf der Basis von EPDM (Ethylen-Propylen-Dien-Monomer) aufgebautes Material verwendet werden. Das ist ein Material auf der Basis eines Copolymers von Ethylen und Propylen. Dem Basismaterial werden hochaktive Leitruße hinzugegeben. Das kann ein Leitruß allein sein. Es können auch mehrere Leitruße im Verschnitt eingesetzt werden.
• Über der inneren Leitschicht 7 ist eine Isolierung 8 angeordnet, die im gleichen Arbeitsgang ebenfalls durch Extrusion aufgebracht werden kann. Die Isolierung 8 besteht beispielsweise aus einer Mischung auf der Basis von EPR (Ethylen-Propylen-Rubber). Ebenfalls im gleichen Arbeitsgang kann eine äußere Leitschicht 9 auf die Isolierung 8 aufextrudiert werden, für die das gleiche Material wie für die innere Leitschicht 7 verwendet werden kann. Durch die Verankerung der inneren Leitschicht 7 am Leiterseil 6 ergibt sich für die drei fest miteinander verbundenen Schichten 7, 8 und 9 insgesamt ein so guter Festsitz auf dem Leiterseil 6, daß diese Schichten auch bei der Montage von Garnituren an den Kabeln unverrückbar sind.
• Das Kabel 3 hat einen äußeren Mantel 10, der aus einem leitfähig gemachten Kunststoff besteht. Er wird ebenfalls durch Extrusion aufgebracht. Als Materialien für den Mantel 10 eignen sich beispielsweise Polymere auf der Basis von Acetatcopolymeren des Ethylens, die beispielsweise einen Acetatgehalt von 30 % bis 70 % haben. Diesen Polymeren werden hochleitfähige Ruße zugegeben, vorzugsweise in Kombination
• Zwischen der äußeren Leitschicht 9 und dem leitfähigen Mantel 10 ist eine elektrisch leitfähige Zwischenschicht 11 angeordnet, deren elektrischer Widerstand zwischen 1 Ω/m und 30 Ω/m liegt. Die Zwischenschicht 11 besteht aus einem Band H (Fig. 3 bis 8). Es kann beispielsweise ein Hybridband sein, in dem Kunststofffäden und metallische Drähte in variabler Zusammensetzung zu einer Einheit verbunden sind. Der elektrische Widerstand pro Längeneinheit eines solchen Hybridbandes ist dadurch veränderbar. Er kann innerhalb der angegebenen Grenzen bei der Herstellung des Hybridbandes, beispielsweise unter Einsatz der sogenannten Rascheltechnik, eingestellt und so den jeweiligen Forderungen auf einfache Weise angepaßt werden. Als Materialien für die Kunststofffäden sind beispielsweise Polyamid, Polyaramid oder auch Glas geeignet. Die metallischen Drähte bestehen vorzugsweise aus Kupfer. Das Hybridband kann in beliebiger Breite und Länge hergestellt werden. Die Breite kann für den Einsatz in Kabeln beispielsweise zwischen 10 mm und 150 mm liegen. Die gleichen Vorteile gelten für ein Band H, das aus zu einer Einheit zusammengefaßten Karbonfasern besteht.
• Der gewünschte Wert für den elektrischen Widerstand des Bandes H wird dem Hersteller desselben vom Hersteller des Kabels vorgegeben. Das vom Hersteller gelieferte Band H hat dann den für seinen Einsatzzweck erforderlichen Wert zwischen 1 Ω/m und 30 Ω/m. Um das zu erreichen, hat der Hersteller des Bandes H unterschiedliche Möglichkeiten. So kann zur Anpassung des elektrischen Widerstandes des Bandes H an die vorgegebenen Werte die Anzahl der metallischen Drähte gegenüber der Anzahl der Kunststofffäden variabel sein. Variiert werden kann auch und zusätzlich der Durchmesser der metallischen Drähte. Die metallischen Drähte können auf einer vorgegebenen Länge des Bandes H außerdem elektrisch entweder in Reihe oder parallel zueinander liegen. Sie können auch wechselweise sowohl in Reihe als auch parallel zueinander angeordnet sein.
• Das Band H kann zur Bildung der Zwischenschicht 11 entweder um die äußere Leitschicht 9 herumgewickelt oder in Längsrichtung herumgeformt werden, so wie es in den Fig. 3 bis 8 wiedergegeben ist:
• Gemäß Fig. 6 ist das Band H so um die äußere Leitschicht 9 des Kabels 3 herumgewickelt, daß seine Kanten einander überlappen. Die Überlappung Ü kann beispielsweise zwischen 2 mm und 8 mm betragen. Das Band H selbst kann als Wickelband 10 mm bis 80 mm breit sein.
• Das Band H kann gemäß Fig. 4 auch so um die äußere Leitschicht 9 herumgewickelt sein, daß seine Kanten aneinander stoßen. Es ergibt sich dann eine absatzfreie, rundum und in Längsrichtung des Kabels geschlossene Zwischenschicht 11.
• Eine ununterbrochene Zwischenschicht 11 ist auch dann gegeben, wenn das Band H gemäß Fig. 5 mit Lücke L zwischen seinen Kanten um die äußere Leitschicht 9 herumgewickelt ist.
• Der gleiche Sachverhalt ergibt sich dann, wenn das Band H längseinlaufend um die äußere Leitschicht 9 des Kabels 3 herumgeformt ist, und zwar gemäß Fig. 6 mit überlappenden, in Längsrichtung verlaufenden Kanten (Überlappung Ü) oder gemäß Fig. 7 mit aneinander stoßenden Kanten oder gemäß Fig. 8 mit Lücke L zwischen den Kanten. Für diese Längsformung kann ein breiteres Band H mit einer Breite von 80 mm bis 150 mm eingesetzt werden. Maßgebend ist hier der Durchmesser des jeweiligen Kabels über der äußeren Leitschicht 9.

Claims (3)

1. Wicklung für einen Linearmotor, bestehend aus drei in Nuten eines langgestreckten Induktors angeordneten, elektrischen Kabeln, die einen elektrisch leitfähigen Mantel und eine zwischen dem Mantel und einer äußeren Leitschicht angeordnete, Metall enthaltende Zwischenschicht aufweisen, bei welcher über die ganze Länge des aus dem Induktor und den drei zu einer dreiphasigen Wicklung geschalteten Kabeln bestehenden Stators mindestens ein als Erdleiter dienender metallischer Strang aus elektrisch gut leitendem Material vorhanden ist, der elektrisch gut leitenden Kontakt zu den leitfähigen Mänteln der Kabel hat, dadurch gekennzeichnet,

   - daß die Zwischenschicht (11) aus einem Band (H) aufgebaut ist, dessen elektrischer Widerstand pro Längeneinheit zwischen 1 Ω/m und 30 Ω/m beträgt, und

   - daß der Wert des elektrischen Widerstandes der Zwischenschicht (11) pro Längeneinheit größer als der entsprechende Widerstandswert des für den Erdleiter verwendeten Stranges (5) ist.
2. Wicklung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Band (H) als Hybridband ausgeführt ist, das aus zu einer Einheit verbundenen Kunststofffäden und metallischen Drähten besteht.
3. Wicklung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Band (H) aus zu einer Einheit zusammengefaßten Karbonfasern besteht.

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