NL1019318C2 - Elektrische lineairmachine. - Google Patents

Description

Titel: Elektrische Lineairmachine

Stand van de techniek

De uitvinding is gebaseerd op een elektrische lineaire machine 5 volgens de aanhef van conclusie 1.

Bij een bekende, naar keuze als motor of generator te gebruiken, elektrische lineaire machine van deze soort (US 5.654.596) wordt de magnetische flux, kortweg magneetflux, door permanente magneten opgewekt, die op elk van de statorpolen met wisselende polarisatie in 10 asrichting van de stator naast elkaar opgesteld zijn en tussen hen en de omtrek van twee op een aandrijf- of schuifstang bevestigde, op afstand van elkaar geplaatste plaatijzerpakketten van de oscillator, daar 'mover' genoemd, de door de magneetflux overbrugde luchtspleet definiëren. Bij de oscillerende beweging van de aangedreven oscillator beweegt telkens een 15 plaatijzerpakket over een paar permanente magneten met tegenovergestelde polarisatie of polariteit mee. In de omtrekrichting van de stator zijn meerdere van dergelijke met permanente magneten bezette statorpolen over gelijke omtrekshoeken versprongen opgesteld.

Om een hoog rendement van de lineaire machine te bereiken 20 worden permanente magneten met een hoge energiedichtheid, bijvoorbeeld Nd-Fe-B-magneten, gebruikt. Bij hogere temperaturen neemt het rendement van deze permanente magneten snel af, en een temperatuur die boven bijvoorbeeld 140 °C - 150 °C ligt, leidt tot een irreversibele demagnetisering van de permanente magneten. Bovendien zijn permanente 25 magneten duur en voor de productie en onderhoud van de lineaire motor een voortdurend probleem.

1019318 2

Voordelen van de uitvinding

De elektrische lineaire machine volgens de uitvinding heeft daartegenover het voordeel, dat door af te zien van een permanent 5 magnetische veldopwekking een zeer robuust concept tot stand gebracht wordt, dat net zulke hoge prestaties mogelijk maakt als een met permanente magneten werkende lineaire machine. De lineaire machine volgens de uitvinding vormt een elektrisch tot stand gebrachte reluctantie machine volgens het transversaalstromingsprincipe, waarbij dus de 10 magneetflux dwars (transversaal) op de bewegingsrichting van de oscillator verloopt. Door de elektrische veldopwekking worden alle hiervoor vermelde, met de permanente magneten verbonden nadelen, vermeden. Op deze manier is de lineaire machine temperatuurongevoelig en kan bij een corresponderende wikkelingconfiguratie in het hoge temperatuurgebied 15 toegepast worden.

Bij een tweepolige uitvoering van de lineaire machine is de binnenste ruimte van de stator volledig te benutten. Bovendien doen zich tijdens de werking van de lineaire machine ook bij decentrale of excentrische stand van de oscillatoras geen zijkrachten op de oscillator voor, 20 zodat de oscillator in zijn radiale uitlijning een stabiele middenpositie inneemt.

Door de in de volgconclusies neergelegde maatregelen zijn voordeelbiedende verdere ontwikkelingen en verbeteringen van de in conclusie 1 aangegeven elektrische lineaire machine mogelijk.

25 Volgens alternatieve uitvoeringsvormen van de uitvinding wordt het magnetische veld van de op een wisselspanningsnet aangesloten éénfasige lineaire machine door voeding van de spoelen van de veldopwekkingswikkeling met gelijkstroom of met wisselstroom opgewekt. In het geval van de wisselstroombekrachtiging werkt de lineaire machine 30 als een synchrone machine, waarbij de aandrijving, bij voorkeur een 1019318 3 stirlingmotor, met dubbele opwekkingsfrequentie moet draaien. Voor de aandrijving is de hogere bedrijfsfrequentie voordeelbiedend. Door combinatie van de netaangedreven opwekking met de slagbeweging van de aandrijving kan met een met de dubbele netfrequentie corresponderende 5 slagfrequentie een spanning bereikt worden waarvan de basistrilling dezelfde is als de netfrequentie. Daarenboven kan door de netaangedreven opwekking de synchronisatie van de aandrijving met het net ondersteund respectievelijk afgedwongen worden.

10 Tekening

De uitvinding wordt aan de hand van een in de tekening weergegeven uitvoeringsvoorbeeld in de navolgende beschrijving verder toegelicht. Daarbij toont in telkens schematische weergave: 15

Fig. 1 een langsdoorsnede van een lineaire machine volgens de lijn I -1 in Fig. 2;

Fig. 2 een doorsnede volgens de lijn II - II in Fig. 1;

Fig. 3 telkens een diagram van de grootheden: opwekstroom, 20 en 4 aandrijfsnelheid en een ankerspanning als functie van de tijd bij opwekking met constante gelijkstroom (Fig. 3) en bij opwekking met wisselstroom (Fig. 4).

Beschrijving van het uitvoeringsvoorbeeld 25

De in Fig. 1 en 2 in langs- en dwarsdoorsnede getoonde lineaire machine is op bekende wijze voorzien van een stator 10 en een in de stator 10 coaxiaal opgestelde, langs de statoras 101 heen- en weerbeweegbare oscillator 11, die in het geval van de uitvoering van de lineaire machine als 1019318 4 lineaire generator van een hier niet getoonde aandrijfmachine, bij voorkeur een stirlingmotor, aangedreven wordt,

De stator 10 heeft een uit plaatponsprofiel door ponsdrukkers samengevoegd, gelamelleerd statorlichaam 12, met twee, ten opzichte van 5 de statoras 101 diametraal tegenover elkaar liggende, uitstekende statorpolen 13, 14, die uit één stuk vanaf een juk of jukring 15 radiaal naar binnen reiken. De jukring 15 is in het uitvoeringsvoorbeeld uit twee ringhelften samengesteld, die via twee passingen 16, Fig. 2 zijn samengevoegd. Aan het vrije uiteinde van beide identiek uitgevoerde, 10 uitstekende statorpolen 13, 14 is telkens een poolschoen 17 respectievelijk 18 eendelig aangebracht, die een concaaf, cilindermantelsegmentvormig oppervlak heeft. Door even brede groeven 19 in de poolschoenen aan te brengen zijn op de statorpolen 13, 14, assymmetrisch ten opzichte van de statoras 101 opgestelde tanden 20 gevormd, die in de richting van de 15 statoras 101 op gelijke afstanden achter elkaar liggen en een - in de richting van de statoras 101 gezien - even grote tandbreedte hebben. In het uitvoeringsvoorbeeld van Fig. 1 en 2 zijn drie van zulke tanden 20 aanwezig. Op de statorpool 13 is een éénfasige ankerwikkeling vormende spoel 21 en op de statorpool 14 een veldbekrachtigingswikkeling vormende spoel 22 20 gewikkeld.

De oscillator 11 wordt door een cilindervormig plaatpakket 24 uit tot een pakket samengevoegde plaatponsprofielen gevormd, dat draaivast op een aandrijf- of schuifstang 23 zit. De oscillator 11 is net als de stator 10 in de richting van de statoras 101 vertand, waarbij een aantal tanden 26, 25 hier drie, gelijk aan het aantal tanden 20 bij de statorpolen 13,14 aanwezig is. De tanden 26 zijn rotatiesymmetrisch uitgevoerd, hebben een gelijke axiale afstand en een gelijke axiale tandbreedte. De tanden 26 worden gerealiseerd, doordat bij de pakketvorming van de plaatponsprofielen 25 pakketsegmenten uit de plaatponsprofielen 25, die een met de tanddiameter 30 corresponderende diameter hebben, en pakketsegmenten uit 1019318 5 plaatponsprofielen 25, die een ten opzichte daarvan kleinere diameter hebben, afwisselend zijn samengevoegd. De tanden 26 op de oscillator 11 sluiten met de tanden 20 aan de statorpolen 13,14 telkens een cirkelboogsegmentvormige luchtspleet 27 met de lengte 1 van het 5 cirkelboogsegment in.

De bij oscillerend aangedreven oscillator 11 in de spoel 21 van de ankerwikkeling geïnduceerde spanning Ui is afhankelijk van het windingsgetal w van de spoel 21 en van de magneetfluxverandering d<D/dt in de luchtspleet 27 en kan als volgt berekend worden: 10

Ui = w d<D/dt = w Bl 1 dx/dt waarbij Bl de met de opwekkingsstroom in de spoel 22 regelbare luchtspleetinductie en 1 de reeds genoemde luchtspleetbreedte voorstelt.

15 Door een corresponderende instelling van de aan de spoel 22 toegevoerde opwekkingsstroom is de door de lineaire machine als generator opgewekte spanning traploos in te stellen.

De veldopwekking van de lineaire machine kan zowel door gelijkstroom als door wisselstroom plaatshebben. In het eerste geval wordt 20 aan de spoel 22 een constante gelijkstroom aangelegd. Is de ankerwikkeling (spoel 21) op een wisselspanningsnet aangesloten, dan is het ook mogelijk dat een netgeleide, gelijkgerichte opwekking, een zogenaamde pulserende opwekking, plaatsvindt, waarbij de van het wisselspanningsnet afgenomen wisselstroom wordt gelijkgericht. In het geval van de 25 gelijkstroomopwekking moet de slagfrequentie van de oscillator 11 gesynchroniseerd worden met de netfrequentie.

Is de ankerwikkeling (spoel 21) op een wisselspanningsnet aangesloten en wordt de veldopwekkingswikkeling (spoel 22) met wisselstroom gevoed, dan levert dit bij deze netgeleide 30 wisselstroomopwekking het voordeel op, dat de oscillator 11 met dubbele 1019318 6 netfrequentie moet draaien, hetgeen voor een als aandrijfmachine voor de oscillator 11 gebruikte stirlingmotor aanbevelingswaardig is. Door een geschikt laagdoorlaatfïlter kan de grondharmonische van de geïnduceerde spanning Ui als generatorspanning in het wisselspanningsnet gevoed 5 worden.

In Fig. 3 is in drie onder elkaar opgestelde diagrammen telkens als functie van de tijd de bekrachtigingsstroom Ierr van de spoel 22, de snelheid dx/dt van de oscillator 11 en de in de spoel 21 (ankerwikkeling) geïnduceerde spanning Ui weergegeven. Het is duidelijk te zien, dat met 10 constante gelijkstroomopwekking de oscillator 11 met de netfrequentie draait en dat een spanning met dezelfde frequentie in de ankerwikkeling geïnduceerd wordt.

In Fig. 4 zijn dezelfde diagrammen voor een wisselstroomvoeding van de spoel 22 afgebeeld. De oscillator 11 draait met dubbele netfrequentie 15 en met een geschikt laagdoorlaatfïlter kan het in het onderste diagram met een streeplijn weergegeven grondharmonische van de geïnduceerde spanning Ui als generatorspanning aan het net worden toegevoerd. De bovenste grensfrequentie van het filter ligt daarbij iets boven 50 Hz.

De uitvinding is niet beperkt tot het bovenstaand beschreven 20 uitvoeringsvoorbeeld van de lineaire machine. Zo kan het aantal statorpolen, die met telkens één spoel 21 van de ankerwikkeling en één spoel 22 van de veldopwekkingswikkeling omwikkeld zijn, verhoogd worden. Als voorbeeld kan dat aantal vier zijn, waarbij de statorpolen dan telkens over 90° ten opzichte van elkaar langs de omtrek van de jukring 15 naast 25 elkaar versprongen zijn opgesteld en elkaar opvolgend afwisselend met een spoel 21 en een spoel 22 zijn omwikkeld. Ook kan het aantal tanden 20 en 26 aan stator 10 en oscillator 11 willekeurig zijn, waarbij tandverdeling en tandbreedte gevarieerd kunnen worden.

1019318

Claims (7)

1. Elektrische lineaire machine met een stator (10) die een veelvoud van over gelijke omtrekshoeken ten opzichte van elkaar versprongen opgestelde, telkens met één spoel (21, 22) omwikkelde statorpolen (13, 14) omvat, met een coaxiaal opgestelde oscillator (11) die door de stator (10) 5 omsloten wordt, uit magnetisch geleidend materiaal bestaat, langs de statoras (101) verschuifbaar is ten opzichte van de stator (10) en met de statorpolen (13, 14) door een magneetflux overbrugde luchtspleten (27) insluit, met het kenmerk, dat de oscillator (11) en de statorpolen (13, 14) in asrichting van tanden zijn voorzien en met hun tanden (26, 20) de in 10 asrichting ten opzichte van elkaar op afstand gelegen luchtspleten definiëren en dat de spoelen (21, 22) op in omtreksrichting elkaar opvolgende statorpolen (13, 14) afwisselend bij een éénfasige ankerwikkeling en een de magneetflux producerende veldopwekkingswikkeling horen. 15

2. Lineaire machine volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de in asrichting achter elkaar liggende tanden (20, 26) bij statorpolen (13, 14) en oscillator (11) een even grote afstand ten opzichte van elkaar hebben.

3. Lineaire machine volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de breedte van de tanden (20, 26) in asrichting gezien bij de statorpolen (13, 14) en de oscillator (11) even groot is.

4. Lineaire machine volgens een van de conclusies 1 - 3, met het 25 kenmerk, dat de tanden (26) bij de oscillator (11) rotatiesymmetrisch en de tanden (20) bij de statorpolen (13, 14) assymmetrisch ten opzichte van de statoras (101) uitgevoerd zijn. 1019318

5. Lineaire machine volgens een van de conclusies 1-4, met het kenmerk, dat de ankerwikkeling (21) aangesloten is op een wisselspanningsnet en de veldopwekkingswikkeling (22) met constante gelijkstroom of met gelijkgerichte stroompulsen van het net gevoed wordt en 5 dat de oscillator (11) aangedreven wordt met een frequentie die correspondeert met de netfrequentie.

6. Lineaire machine volgens een van de conclusies 1-4, met het kenmerk, dat de ankerwikkeling (21) aangesloten is op een 10 wisselspanningsnet en de veldopwekkingswikkeling (22) met wisselstroom wordt gevoed en dat de oscillator (11) aangedreven wordt met een frequentie die correspondeert met de dubbele netfrequentie,

7. Lineaire machine volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat de in 15 de ankerwikkeling (21) geïnduceerde spanning door een laagdoorlaatfilter wordt geleid. 1019318