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Dokumentenidentifikation DE19800410B4 29.04.2004
Titel Linearmotor
Anmelder Canders, Wolf-R., Prof. Dr.-Ing., 37520 Osterode, DE
Erfinder Canders, Wolf-Rüdiger, Prof. Dr.-Ing., 37520 Osterode, DE;
Mosebach, Helmut, 38116 Braunschweig, DE
Vertreter GRAMM, LINS & PARTNER GbR, 38122 Braunschweig
DE-Anmeldedatum 08.01.1998
DE-Aktenzeichen 19800410
Offenlegungstag 22.07.1999
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 29.04.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 29.04.2004
IPC-Hauptklasse H02K 41/02
IPC-Nebenklasse B60L 13/03   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen einseitigen Linearmotor asynchroner oder synchroner Bauart für Fahrzeugantriebe, mit einem den Translator bildenden, an einem Fahrzeug befestigten Erreger- bzw. Reaktionsteil, das mit einem oder mehreren auf einer Fahrbahn angeordneten Statoren einen Luftspalt einschließt.

Ein derartiger Linearmotor asynchroner Bauart für Fahrzeugantriebe ist aus der DE 25 06 388 A1 bekannt. Das Reaktionsteil ist hier vorzugsweise nicht über Federelemente sondern beispielsweise über eine Schubstangenführung am Boden des Fahrzeugs angeordnet und ist dabei in Richtung der Normalen sowohl durch zwischen beiden Motorteilen wirkende magnetische Kräfte als auch durch zusätzliche fahrzeugseitig erzeugte pneumatische und/oder magnetische Kräfte in definierter Weise bewegbar. Hierdurch soll die Spaltweite des genannten Luftspaltes gegenüber vorbekannten Lösungsvorschlägen verringert werden.

Die EP 0 469 511 A2 zeigt in 3 eine ähnliche Anordnung, aber mit geregeltem Luftspalt, wobei das am Fahrzeug befestigte Teil durch Aktuatoren gegenüber dem Fahrzeugchassis lotrecht verstellbar ist. In dem für diese Verstellung vorgesehenen Regelkreis werden z.B. die Geschwindigkeit und das Gewicht des Fahrzeugs berücksichtigt.

In der ETZ-A, 1972, Heft 1, Seiten 1 bis 7 werden bei einem asynchronen Linearmotor die Kraftwirkungen orthogonal zur Bewegungsrichtung untersucht. Danach treten die auf die magnetische Induktion zurückzuführenden Kräfte nur bei einseitigen Linearmotoren auf und sind dem Quadrat der Normalkomponente der Induktion proportional und wirken anziehend. Auch im Falle des Betriebes mit konstanter Spannung vergrößern sich die Kräfte mit kleiner werdendem Abstand und umgekehrt. Zur Größenabschätzung der im Innenbereich erzeugten Stromkräfte dient in diesem vorveröffentlichten Aufsatz eine Grenzwertbetrachtung.

In der DE 197 34 357 A1 ist ein Linearantrieb mit geregeltem Luftspalt beschrieben, bei der eine Luftspaltregeleinrichtung den Luftspalt-Istwert mit dem Luftspalt-Sollwert vergleicht und ein Korrektursignal erzeugt, welches parallel zum Regler für die Fahrzeuggeschwindigkeit direkt auf die feldorientierte Stromvektorregelung für die Linearmotoren einwirkt und den Statorstromvektor nach Betrag und Phase verstellen kann. Die Pollage der elektronisch kommutierten Synchronmotoren wird durch Hallsensoren erfasst und der Motor wird so kommutiert, dass der Lastwinkel sich immer nah bei 90 Grad bewegt. Eine kleine Änderung des Kommutierungswinkels um die 90 Grad herum hat nur eine sehr kleine Änderung der Vorschubkraft, aber eine relativ große Änderung der Anziehungskraft zur Folge.

Linearmotore werden heute für viele Anwendungen als Stell-, Positionier- und Fahrantriebe eingesetzt. Da normalerweise kein Getriebe verwendet wird, fallen sie unter die Kategorie der Direktantriebe, wobei neben dem elektromagnetischen Wirkprinzip (Asynchron, Synchron) auch nach konstruktiven Varianten, wie einseitig oder zweiseitiger Ausführung, zu unterscheiden ist.

Besonders bei Fahrzeugantrieben ist die einseitige Ausführung sehr kostengünstig, nachteilig sind jedoch die Maxwellschen Normalkräfte, die zwischen Translator und Stator auftreten und beispielsweise über das Tragsystem des Fahrzeugs (Räder, Rahmen) abgestützt werden müssen. Bei Anwendungen in der Magnetschwebetechnik können diese Normalkräfte genutzt werden, um die Gewichtskraft des Fahrzeuges zu kompensieren.

Ein weiteres Problem ergibt sich aus den mechanisch realisierbaren Luftspalten zwischen Stator und Translator. Aus magnetischen Gründen möchte man diesen Spalt möglichst klein ausführen, um zu einer kostengünstigen Bemessung des Erregersystems zu kommen. Dem stehen bei einseitigen Maschinen die Verformungen von Translator und Stator (Fahrbahn) infolge der Normalkräfte und der Gewichtskräfte des Fahrzeuges entgegen. Zusätzliche toleranzmaßerhöhende Effekte sind Setzungen und bleibende Verformungen der Fahrbahn infolge des Eigengewichts des Fahrzeugs und Bewegungen des Untergrundes. Insbesondere bei schweren Fahrzeugen, wie sie beispielsweise im Bahnbereich und beim Güterumschlag benutzt werden, dominieren letztere Effekte, was entsprechend große magnetische Spalte zwischen Stator und Translator (&dgr; > 1 cm) erfordert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, insbesondere für spurgeführte Radfahrzeuge einen Linearmotorantrieb zu schaffen, der kleinere Luftspalte zwischen Stator und Translator zulässt.

Ausgehend von dem eingangs beschriebenen Linearmotor wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Translator am Fahrzeug über ein Feder/Dämpfer-System befestigt ist, das so ausgelegt ist, dass bei Nennbetrieb die Normalkräfte des Linearmotors den Translator gegenüber dem Stator so weit auslenken, dass sich der gewünschte mittlere Nennluftspalt einstellt, und dass das nunmehr instabile mechanische System durch eine Regelung stabilisiert wird, die in Abhängigkeit von dem jeweils gemessenen Luftspalt einen speisenden Umrichter bezüglich Spannungsamplitude und Phasenlage des Stromes derart regelt, dass über die Sträme des Stators die Luftspaltinduktion derart verändert wird, dass die Normalkräfte den Translator in dem gewünschten konstanten Abstand vom Stator halten, wobei durch die Regelung über die Blindstromkomponente des Stators nur die Luftspaltinduktionskomponente in der d-Achse des Linearmotors beeinflusst wird.

Die vortriebskraftbildende Komponente der Induktion Bq in der q-Achse wird dabei auf einen konstanten Betrag geregelt, so dass die Vortriebskraft durch die Regelung des Luftspaltes nicht beeinträchtigt wird.

Erfindungsgemäß folgt eine automatische Anpassung an die Verformungen von Fahrzeug und Fahrbahn, so dass sich kleinere Luftspalte zwischen Stator und Translator ausführen lassen.

Die erfindungsgemäße Ausbildung führt zu folgenden weiteren Vorteilen:

  • – Die erforderlichen Regelströme sind klein wegen des quadratischen Zusammenhanges zwischen Induktion und Normalkraft.
  • – Im zeitlichen Mittel sind die Regelströme Null.
  • – Da nur die Blindkomponente des Stators beeinflusst wird, bleibt die Vortriebskraft unverändert.
  • – Der Erregeraufwand reduziert sich deutlich, was bei Dauermagneterregung zu erheblichen Investitionskosteneinsparungen und bei elektrischer Erregung zu erheblichen Energiekosteneinsparungen führt.
  • – Der kleinere Luftspalt gestattet die Wahl von elektromagnetischen Maschinenkonzepten mit kleineren Polteilungen und deutlich erhöhter Kraftdichte, was wiederum den Bau kleiner und kostengünstiger Statoren ermöglicht. So können nun vorteilhaft Maschinen mit kleinen Polteilungen und höheren Speisefrequenzen eingesetzt werden, die infolge ihrer höheren Kraftdichte mit weniger Aufwand an Material herstellbar wären. Dies könnte beispielsweise eine polyphasige permanentmagneterregte Maschine sein.
  • – Die Auslegung des Feder-Dämpfersystems kann so bemessen werden, daß bei Ausfall der Regelung der Translator in eine sichere Position (maximaler Luftspalt) gezogen wird (fail safe – Verhalten).

In der Zeichnung ist eine als Beispiel dienende Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Es zeigen:

1 In schematischer Darstellung ein mit einem Linearmotor ausgerüstetes Fahrzeug und

2 ein Zeigerdiagramm zur Darstellung der Regelung eines Umrichters.

1 zeigt ein Fahrzeug 1, das sich auf einer Fahrbahn 2 abstützt, auf der ein oder mehrere Statoren 3 angeordnet sind. An dem Fahrzeug 1 ist ein den Translator 4 bildendes Erreger- bzw. Reaktionsteil befestigt, und zwar erfindungsgemäß über ein Feder/Dämpfer-System 5, das eine Auslenkung des Translators 4 gegenüber dem Stator 3 ermöglicht, die zwischen sich einen Luftspalt 6 einschließen.

2 zeigt beispielsweise einen Regelvorgang, durch den das in 1 dargestellte instabile mechanische System stabilisiert wird. Hierzu wird der Luftspalt 6 gemessen und der speisende Umrichter bezüglich Spannungsamplitude und Phasenlage des Stromes derart geregelt, daß über die Blindstromkomponente Id des Stators 3 die Luftspaltinduktion Bd in der d-Achse der Maschine so verändert wird, daß die Normalkräfte den Translator 4 in dem gewünschten Abstand vom Stator 3 halten.

Im Normalfall möge Id = 0 sein; der Strom besitzt nur die kraftbildende Komponente Iq. Die Luftspaltinduktion B&dgr;1 setzt sich aus den Komponenten Bd und Bq zusammen. Die Ständerspannung wird aus der Polradspannung Up und dem induktiven Spannungsabfall an der Hauptreaktanz j·Xd·Iq auf gebaut.

Vergrößert sich nun der Luftspalt, wird der Maschinenstrom mit Hilfe des Wechselrichters nach Betrag und Phasenlage auf Is2 verändert. Die jetzt zusätzlich auftretende Komponente Id hat ein Feld &Dgr;Bd zur Folge, was zu einer Erhöhung des Gesamtfeldes auf den Wert B&dgr;2 und damit zu einer höheren Normalkraft führt, welche die Auslenkung des Translators kompensiert. Hierzu gehört dann das Spannungszeigerdreieck Us2, j·Xd·Is2, Up.


Anspruch[de]
  1. Einseitiger Linearmotor asynchroner oder synchroner Bauart für Fahrzeugantriebe, mit einem den Translator (4) bildenden, an einem Fahrzeug (1) befestigten Erreger- bzw. Reaktionsteil, das mit einem oder mehreren auf einer Fahrbahn (2) angeordneten Statoren (3) einen Luftspalt (6) einschließt, dadurch gekennzeichnet, dass der Translator (4) am Fahrzeug (1) über ein Feder/Dämpfer-System (5) befestigt ist, das so ausgelegt ist, dass bei Nennbetrieb die Normalkräfte des Linearmotors den Translator (4) gegenüber dem Stator (3) so weit auslenken, dass sich der gewünschte mittlere Nennluftspalt (6) einstellt, und dass das nunmehr instabile mechanische System durch eine Regelung stabilisiert wird, die in Abhängigkeit von dem jeweils gemessenen Luftspalt (6) einen speisenden Umrichter bezüglich Spannungsamplitude und Phasenlage des Stromes derart regelt, dass über die Ströme des Stators (3) die Luftspaltinduktion derart verändert wird, dass die Normalkräfte den Translator (4) in dem gewünschten konstanten Abstand vom Stator (3) halten, wobei durch die Regelung über die Blindstromkomponente des Stators (3) nur die Luftspaltinduktionskomponente in der d-Achse des Linearmotors beeinflusst wird.
  2. Einseitiger Linearmotor asynchroner oder synchroner Bauart für Fahrzeugantriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als elektromagnetisches Maschinenkonzept eine polyphasige permanenterregte Synchronmaschine zum Einsatz kommt.
  3. Einseitiger Linearmotor asynchroner oder synchroner Bauart für Fahrzeugantriebe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Feder/Dämpfer-System (5) so bemessen ist, dass bei Ausfall der Regelung der Translator (4) in eine sichere Position (maximaler Luftspalt) gezogen wird.
Es folgt ein Blatt Zeichnungen






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