DE2438201A1

DE2438201A1 - Elektrischer asynchron-linearmotor

Info

Publication number: DE2438201A1
Application number: DE2438201A
Authority: DE
Inventors: Alain Mailfert
Original assignee: Agence National de Valorisation de la Recherche ANVAR
Current assignee: Bpifrance Financement SA
Priority date: 1973-08-10
Filing date: 1974-08-08
Publication date: 1975-02-20
Also published as: JPS5082512A; FR2240563A1; US3904899A; FR2240563B1

Description

Dipl Ing. F. Weickmann, :'·.
.B.H.WBicfcinann.Pip

ne.F.A-Weickinann.

8 Munch»» 2T, MbU'str

AGENCE NATIONALE DE VALORISATION DE LA RECHERCHE (AIiVAR)

13, rue Madeleine Michelis

F-92522 - NEUILLY-sur-SEINE

Elektrischer Asynchron-Linearraotor

Die Erfindung betrifft elektrische Asvnchroη-Linearmotoren, in welchen im Betrieb eine lineare Translationsverschiebunq zwischen einer Ausrüstung und einer linearen Schiene in Richtung der Schiene auftritt. Die Erfindung betrifft insbesondere solche Motoren, die asynchron sind und eine passive Schiene aufweisen, wobei dieser Ausdruck bedeuten soll, daß das Ingangsetzen des Motors von keiner äußeren elektrischen Versorgung der Schiene und von keiner Energieentnahme in elektrischer Form auf dieser begleitet ist.

Ein solcher Linearmotor formt die elektrische Leistung, die er in Form von Wechselspannungen und Wechselströmen empfängt.

509808/0892

in mechanische Leistung zur Verschiebung der Ausrüstung im Verhältnis zu der von einer festen Schiene gebildeten Ader um.

Man hat bereits elektrische Asvnchron-Linearmotoren zum Antrieb von Wagen vorgeschlagen; leider weisen diese Motoren den Nachteil auf, einen kleinen Luftspalt zu fordern, was eine Aufhängung des Wagens mit einem großen Durchfederungsweg verhindert. Wenn die Schiene passiv ist, muß man zwischen einer einfachen Schiene, welche kein ferromagnetisches Material aufweist, aber die Einschränkungen hinsichtlich des Luftspaltes noch vergrößert, wobei allein eine geringe Länge der Kraftlinien in Luft mit einer annehmbaren Reduzierung verträglich ist, oder einer zusammengesetzten, ferromagnetisches Material enthaltenden Schiene wählen. Eine solche Schiene 1st allerdings sehr kostspielig, vorn lamelliert und enthält eine Wicklung. Schließlich ist der cos Y* im allgemeinen gering. Ähnliche Probleme tauchen im Falle von elektromagnetischen Pumpen und MHD-Generatoren auf, deren cos ^P aufgrund der notwendigen Blindleistung besonders niedrig ist.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen elektrischen Asvnchronmotor zu schaffen mit einer passiven Schiene, welcher besser als die bisher vorgeschlagenen Motoren den Anforderungen der Praxis entspricht und insbesondere einen elektrischen Asynchronmotor zu schaffen, welcher den Vorteil einer sehr großen Volumenleistung und eines sehr großen cos ψ als Folge der Verwendung einer supraleitenden Wicklung aufweist, welche im Dauerbetrieb nur einem im wesentlichen konstanten magnetischen Feld und besonders keinerlei wesentlichem mechanischen Moment unterworfen ist.

"■· 2 —

509808/0892

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen elektrischen Asynchron-Linearmotor mit elektrisch leitender passiver Schiene gelöst, welcher eine Erregerwicklung oder einen Induktor enthält, welcher von einem Gleichstrom durchflossen ist, aus supraleitendem Material besteht, in einem Kryostaten angeordnet und gemeinsam mit dem Kryostaten um eine parallel zur Ebene der Schiene und senkrecht zur relativen Verschiebungsrichtung zwischen Schiene und Induktor verlaufenden Achse drehbar ist, und eine vielphasige Hilfswicklung enthält, die parallel zur der Schiene verläuft und derart gewickelt ist, daß sie ein Wanderfeld, welches synchron mit dem Induktorfeld ist, erzeugt, wenn sie von einem vielphasigen Strom mit angemessener Frequenz durchflossen wird, wobei die Wicklung während der Translationsbewegung längs der Schiene mit dem Induktor solidarisch ist.

Ein solcher Motor, welcher einen großen Luftspalt rechtfertigt, zeigt in der Tat ein reduziertes Induktorvolumen bei gegebener Induktion, eine gegenüber den bekannten Motoren erheblich größere Volumenleistung und einen sehr erhöhten cos ^p -Faktor, wobei die notwendige Blindleistung in seinem Betriebe vemachlässiqbar ist.

Die Erfindunq wird durch die nachfolgende Beschreibung von beispielhaften, nicht beschränkenden Ausführungsformen noch deutlicher. Die Beschreibung bezieht sich hierbei auf die beiliegenden Figuren.

Es zeigt:

Fig.l ein Schema in Ansicht, welches eine mögliche Anordnung der Schiene, des Induktors und der Hilfswicklung eines Linearmotors gemäß einer

509808/0892

Ausführungsform zeigt;

Fig.2 eine schematische Schnittansicht längs einer Ebene, welche durch die Achse eines dipolaren dreifasigen Asynchronmotors entsprechend dem Schema der Fig.l verlauf t_; und

Fig.3 eine schematische Schnittansicht längs der Linie III-III der Fig.2.

Der in den Fig.l, 2 und 3 dargestellte Motor weist eine drehbare Ausrüstung 9 von im allgemeinen zylindrischer Form auf, welche koaxial von der Achse aus angeordnet, einen Induktor 10, der in einem Kryostaten 11 enthalten ist, und eine aus elektrisch gut leitendem Material bestehende Abschirmung 12 umfaßt, die formschlüssig mit der Außenwand 13 des Kryostaten verbunden ist. Der drehende Teil, hier mit vertikaler Achse dargestellt, könnte auch eine horizontale Achse aufweisen; die Antriebsschiene - die hier in einer vertikalen Ebene verläuft - müßte dann horizontal angeordnet sein.

Der Induktor weist bspw. ein Polpaar auf, aber er könnte auch mehrere Pole haben.

Die drehbare Ausrüstung ist mit einer unteren Welle versehen, die bei der dargestellten Ausführungsform zum Antrieb des Induktors IO dient, wie später noch erläutert. Die drehbare Ausrüstung wird von einem unteren Drucklager 15 und von einem oberen Lager 14 großen Durchmessers getragen und geführt. Beide sind genügend weit von dem Induktor 10 entfernt, damit der magnetische Fluß, der sie durchquert, gering bleibt. Diese Lager sind an dem Fahrgestell 21 des anzutreibenden Wagens befestigt, wobei ein Teil des Fahrgestelles in Fig.2 erscheint.

509808/0892

Der von dem Waqen getragene Teil des Motors weist außerdem eine vielphasige Wicklung auf, die vorgesehen ist, um die gesamte vom Motor ausgeübte Zugkraft auf das Fahrgestell zu übertragen. Diese Wicklung 20 muß daher sehr fest an dem Fahrgestell befestigt sein, was keine Schwierigkeiten macht, vorausgesetzt, daß sie nicht aus supraleitendem Material besteht und daß es folglich nicht notwendig ist, sie auf sehr tiefer Temperatur zu halten. Die Wicklung 20 ist zwischen dem Induktur 10 und der festen Schiene angeordnet. Bei der in den Fig.1 bis 3 dargestellten Ausführungsform ist die Wicklung eben, aber sie könnte auch eine Krümmung aufweisen, um eine zwischen der Form der Schiene, und der Form.des Induktors 10 liegende Form aufzuweisen. Wie in Fig.3 gezeigt, ist diese Wicklung in den Nuten eines Körpers 2 2 angeordnet, der vorzugsweise aus verstärktem Isolationsmaterial, oder aus magnetischem oder nicht-magnetischem Stahl besteht. Falls er aus Stahl besteht, muß er lamelliert sein, um Wirbelstromverluste zu vermeiden. Die Wicklung 20 besteht aus elektrisch gut leitendem f-?aterial (Kupfer oder Aluminium) und ist angemessen durch Zirkulation von Luft oder eines Kühlmittels (Wasser oder öl) gekühlt.

Die Wickluncr 20 muß ein magnetisches Wanderfeld erzeugen, welches synchron mit dem dipolaren magnetischen Drehfeld des Induktors 10 ist. Wenn die Wicklung 20 eben ist, wird sie von dem magnetischen Drehfeld des Induktors 10 mit einer Geschwindiafeeit überstrichen, welche aufgrund der geometrischen Anordnung nicht an jeden Punkte die gleiche ist; die verschiedenen Einzelwicklungen der ebenen Wicklung 20 v/erden daher so angeordnet, daß· die Gleitgeschwindigke\it des Feldes, welches die Wicklung erzeugt, an jedem Punkt mit der Laufgeschwindigkeit des vom Induktor erzeugten Drehfeldes über-

509808/0892

einstimmt. Das erfordert, daß die Einzelwicklungen im zentralen Bereich der ebenen vielphasigen Wicklung mehr "zusammengedrängt" sind, wie man aus Fig.3 sieht. Die Verteilung der
Leiter zur Sicherstellung dieser Bedingung ergibt sich aus
einer erkennbaren Rechnung. Die Wicklung 20 ist z.B. dreiphasig, wobei ebenfalls eine unterschiedliche Anzahl von Phasen verwendet werden kann.

Der von dem Wagen getragene Teil des Motors weist darüberhinaus eine feste, ungefähr halbkreisförmige elektromagnetische Abschirmung 32 auf, die das durch die Rotation des supraleitenden Induktors 10 erzeugte magnetische Drehfeld abschirmen soll. Die Abschirmung 32 kann aus einem ferromagnetischen,
lamellierten Material bestehen. Um das Auftreten von Kräften zu vermeiden, die auf ein Anlehnen des Induktors gegen die
Abschirmung abzielen, wird vorzugsweise eine massive, aus
elektrisch gut leitendem, aber nicht ferromagnetischem Material bestehende Abschirmung verwendet. Die Wirbelströme, die hier durch die Rotation des Induktors erzeugt werden, zielen darauf ab, die durch das Drehfeld im Äußeren des Systems erzeugten magnetischen Störungen zu beseitigen.

Die Induktorwicklung 10 und der Spulenkörper 29 sind in einem Kryostaten 11 eingeschlossen und der Spulenkörper 29 ist an der Außenwand 13 des Kryostaten durch Zentrierstücke, mit
erhöhtem Wärmewiderstand befestigt. Bei der in Fig.2 gezeigten Ausführungsform bestehen diese Stücke aus einer Ummantelung 18, die sich über den Kryostaten erhebt, gleitende
Schleifringe 16 und 17 trägt, und sich in dem Leiter 1.4 dreht, sowie dünne Schalen 31.

Bei der in Fig.2. und 3 dargestellten Ausführungsform trägt
die Außenwand 13 die Abschirmung 12. Aber diese Außenwand 13

509808/0892

kann auch aus einem aus elektrisch gut leitendem Material (z.B. eine Aluminiumlegierung) gebildeten Zylinder mit einer ausreichenden Dicke zur gleichzeitigen Ausbildung der magnetischen Abschirmung 12 hergestellt sein. Diese Abschirmung ist notwendig, da, wie oben bereits erwähnt, die beobachtete Hysterese im magnetischen Verhalten der Supraleiter dazu zwingt, diese im Abstand von schnellen Veränderungen des magnetischen Feldes zu halten. Aus diesem Gründe weisen alle bis zum heutigen Tage entwickelten supraleitenden Wechselstromgeneratoren übrigens eine solche elektromagnetische Abschirmung auf, welche die Aufgabe hat, die Wirkungen der durch den Rotor erzeugten magnetischen Störfelder abzuschwächen.

Wie auch immer die Lösung zur Versorgung der Induktorwicklung 10 beim Anstieg des Betriebes sein mag, weist diese Wicklung vorteilhafterweise einen supraleitenden Unterbrecher (nicht gezeigt) auf, der beim Ansteigen des Betriebes geschlossen ist und der sich im Dauerbetrieb derart schließt, daß die Induktorwicklung auf ihm kurzgeschlossen wird und der zum Betriebe notwendige Fluß eingefangen wird. Zur gleichen Zeit kann die Versorgung unterbrochen werden.

Zwischen der Innenwand und der Außenwand des Kryostaten ist eine Wärmeisolierung vorgesehen, die in herkömmlicher Weise durch eine doppelwandige evakuierte Ummantelung gebildet werden kann, welche ein lameUiertes Material gemäß der Superisolationstechnik enthält. Die Welle des Induktors und die Verbindungsteile zwischen der Wicklung 10 und der Außenwand 13 des Kryostaten müssen einen schwachen Querschnitt aufweisen, und z.B. aus rostfreiem Stahl mit geringer Wärmeleitfähigkeit bestehen. Im symmetrischen Dauerbetrieb wird keinerlei Moment auf den Induktor ausgeübt, was Verbindungen von geringer me-

509808/089 2

chanischer Festigkeit rechtfertigt.

Der Kryostat ist mit Versorgungsmitteln eines Fluidums zur Aufrechterhaltung von Tiefsttemperaturen versehen. Bei der in Ziff.2 schematisch dargestellten Ausführungsform weisen diese Mittel ein zentrales Rohr 23 auf, das in der Achse der Ummantelung 18 angeordnet ist und in das Innere des Spulenkörpers 29, welcher die Induktorwicklung 10 trägt, einmündet. Durch dieses Rohr können mit Hilfe von nicht gezeigten Mitteln kryogene Mittel (flüssiges Helium oder noch besser superflüssiges Helium) eingespritzt werden. Das verdampfte Helium kehrt in den zwischen dem Rohr 2 3 und der Ummantelung 18 vorgesehenen Raum zurück, welcher vorteilhafterweise mit einer isolierenden Auskleidung versehen ist. Das gasförmige Helium wird über eine Leitung 24, die sich in einem festen Sammelbehälter 25, der mit der Endseite der Ummantelung 18 über eine umlaufende Dichtung 26 zusammenwirkt, öffnet, evakuiert.

Die passive Schiene 40 kann in verschiedenen Arten ausgebildet sein. Sie kann von einem massiven Metallband aus elektrisch gut leitendem Material (Kupfer oder Aluminium im allgemeinen) bestehen. Sie kann auch aus ebenen kurzgeschlossenen Wicklungen bestehen, welche von einer isolierenden oder ferromagnetischen Unterstützung getragen werden, obwohl diese letztere Konstruktion die Schiene erheblich kompliziert.

Anstelle der in den Fig.l bis 3 gezeigten Anordnung, in welcher der Induktor und die Hilfswicklung auf der gleichen Seite der Schiene 40 angeordnet sind, könnte man auch die drehbare Ausrüstung 9 und die Hilfswicklung 20 jeweils auf einer Seite der Schiene 40 anordnen, obwohl diese Lösung weniger vorteilhaft erscheint.

- 8 509808/0892

Die Hilfswicklung 20 muß von vielphasigem elektrischem Strom von einer von dem anzutreibenden Wagen getragenen Quelle 41 versorgt werden. Eine elektrische Analyse der Funktionsweise des Motors, der soeben beschrieben worden ist, zeigt, daß für jeden Schlupfdraht und 'für jeden Wert des von dem Induktor IO erzeugten magnetischen Flusses ein optimaler Wert der Spannungsversorgung für die Hilfswicklung 20 existiert, für welchen die Wärmeabfuhr in der Wicklung minimal ist. Der Versorgungskreis für die Wicklung 20 weist vorteilhafterweise, wie in Fig.1 gezeigt, ein Steuersystem 42 auf, welches durch einen Auto-Transformator gebildet werden kann, dessen Ausgangsspannung durch eine Rückkopplungsschleife dieser Spannung entsprechend dem Schlupfdraht und dem magnetischen Fluß, die mit Hilfe von nicht dargestellten, herkömmlichen Meßfühlern gemessen werden, geregelt wird.

Die Funktionsweise des im Vorhergehenden beschriebenen Motors wird nur kurz angedeutet. Es scheint besser, wenn man sich erinnert, daß der Motor, obwohl asynchron, einen sich drehenden Induktor 10 aufweist, der sich in jedem Moment mit einer Geschwindigkeit dreht, die synchron mit dem Wanderfeld der Hilfswicklung 20 ist, was impliziert, daß er vor dem Start des Wagens auf eine Geschwindigkeit gebracht wird, deren lineare Umfangsgeschwindigkeit gleich derjenigen des Wanderfeldes ist.

Hierfür kann man, wenn der Wagen im Ruhezustand ist, die drehbare Ausrüstung anlassen und sie mit Hilfe des Hilfsmotors 27 (Fig.2), welcher von einer an Bord des Wagens befindlichen Quelle versorgt wird, auf die Synchrongeschwindigkeit bringen. Dieses Anlassen wird bewirkt, wobei die Wicklung 20 und der Induktor 10 nicht versorgt werden; der Synchronismus

509808/0892

wird durch Vergleich zwischen der von dem Versorgungsgenerator 41 gelieferten Frequenz (fest bei dieser Startform) und der Rotationsfrequenz des Induktors festgestellt. Wenn in diesem Falle einmal der Induktor 10 auf die Synchrongeschwindigkeit gebracht ist, genügt es, gleichzeitig den Induktor mit Strom und die Wicklung 20 mit Spannung (geregelt wie vorher entsprechend dem Strom in dem Induktor 10) zu versorgen, um den Start und das Ansteigen der Geschwindigkeit des Wagens mit einem Schlupf zu verursachen, der sich von einem Wert von 100% progressiv bis zu dem Wert des Normalbetriebes verändert. Im Verlaufe dieses Geschwindigkeitsanstieges schreitet das System 42 ein, offensichtlich um in jedem Moment die Versorgungsspannung der richtigen Geschwindigkeit entsprechend zu regeln.

Im Verlaufe der Anfangsphase des Geschwindigkeitsanstieges muß der Induktor von einer nicht gezeigten Stromquelle versorgt werden^ unter Zwischenschaltung der Gleitkontakte 16, 17, wobei diese später durch den nicht gezeigten supraleitenden Unterbrecher kurzgeschaltet wird.

Man kann den Wagen auch starten, ohne einen Hilfsstartmotor 2 7 zu benutzen, unter der Voraussetzung, daß eine Versorgungsquelle für die Wicklung 20 mit veränderlicher Frequenz zur Verfügung steht. Dieser Fall ist z.B. bei einem Wagen gegeben, welcher mit Gleichstrom durch Reibungselemente auf den längs der Schiene vorgesehenen Bahnen (Kontaktschleifer oder Pantograph) versorgt wird, wobei der Wagen eine Wechselrichterschaltung aufweist. In diesem Falle genügt es, die Wicklung 20 mit einer von einem sehr geringen Wert ansteigenden Frequenz zu versorgen, um auf einmal den Start des Wagens und den Synchronantrieb des vorher mit einem Strom versorgten Induktors hervorzurufen, der dem Anstieg der Geschwindigkeit des Wanderfeldes folgt.

- 10 50 9 808/0892

Eine andere Lösung besteht auch darin, den Induktor bis zu einer Geschwindigkeit nahe dem Synchronismus anzutreiben, wobei die leitende Abschirmung 12 als kurzgeschlossener Rotor eines Asynchronmotors benutzt wird.

- 11 -

5 0 9 8 0 8/0892

Claims

Patentansprüche

Elektrischer Asvnchron-Linearmotor mit leitender passiver Schiene, der eine von einem Gleichstrom durchflossene Induktorwicklung aufweist, die aus supraleitendem Material besteht, in einem Kryostaten angeordnet und geraeinsam mit dem Kryostaten um eine parallel zur Ebene der Schiene und senkrecht zur relativen Verschiebungsrichtung zwischen Ader und Induktor verlaufende Achse drehbar ist, gekennzeichnet durch eine parallel zur Ader angeordnete vielphasige Hilfswicklung (20) , welche zur Erzeugung eines synchron mit dem Induktorfeld verlaufenden Wanderfeldes gewickelt ist und mit der Achse des Induktors in der Translationsbewegung längs der Schiene solidarisch ist.
2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vielphasiqe Hilfswicklung (20) eben ist und Wicklungen aufweist, deren Abstand von ihrer rechtwinklig zur Induktorachse verlaufenden mittleren Ebene aus zunimmt.
3. Motor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß der drehbare Induktor (10) und die Hilfswicklung (20) auf der gleichen Seite der Schiene (40) angeordnet sind.

- 12 -

509808/0892
4. Motor nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekennzeichnet durch Mittel. (41) zur elektrischen Versorgung der Hilfswicklung (20) mit vielphasigem Wechselstrom zur Erzeugung eines mit dem Induktorfeld synchronen Wanderfeldes.
5. Motor nach Anspruch 4, dadurch gekenn ζ e lehn et, daß die Mittel zur Versorgung der Hilfswicklung eine Schaltung (42) zur Regelung der Versorgungsspannung der Wicklung entsprechend dem Schlupf und der Intensität des durch den Induktor geschaffenen magnetischen Flusses aufweisen.
6. Motor nach Anspruch 4 oder 5, gekennzeichnet durch Mittel, welche den Induktor auf die mit dem Wanderfeld der Hilfswicklung synchrone Frequenz bringen.

-13 -

50 9808/0 89 2