DE19800410A1 - Linearmotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen einseitigen Linearmotor asynchroner oder synchroner Bauart, insbesondere für Fahrzeugantriebe, mit einem den Translator bildenden, z. B. an einem Fahrzeug befestig­ ten Erreger- bzw. Reaktionsteil, das mit einem oder mehreren auf z. B. einer Fahrbahn angeordneten Statoren einen Luftspalt ein­ schließt.

Linearmotore werden heute für viele Anwendungen als Stell-, Po­ sitionier- und Fahrantriebe eingesetzt. Da normalerweise kein Getriebe verwendet wird, fallen sie unter die Kategorie der Di­ rektantriebe, 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 Nor­ malkräfte, die zwischen Translator und Stator auftreten und bei­ spielsweise über das Tragsystem des Fahrzeugs (Räder, Rahmen) abgestützt werden müssen. Bei Anwendungen in der Magnetschwebe­ technik können diese Normalkräfte genutzt werden, um die Ge­ wichtskraft des Fahrzeuges zu kompensieren.

Ein weiteres Problem ergibt sich aus den mechanisch realisier­ baren Luftspalten zwischen Stator und Translator. Aus magneti­ schen Gründen möchte man diesen Spalt möglichst klein ausführen, um zu einer kostengünstigen Bemessung des Erregersystems zu kom­ men. Dem stehen bei einseitigen Maschinen die Verformungen von Translator und Stator (Fahrbahn) infolge der Normalkräfte und der Gewichtskräfte des Fahrzeuges entgegen. Zusätzliche tole­ ranzmaßerhöhende Effekte sind Setzungen und bleibende Verformun­ gen der Fahrbahn infolge des Eigengewichts des Fahrzeugs und Bewegungen des Untergrundes. Insbesondere bei schweren Fahrzeu­ gen, wie sie beispielsweise im Bahnbereich und beim Güterum­ schlag benutzt werden, dominieren letztere Effekte, was entspre­ chend große magnetische Spalte zwischen Stator und Translator (δ < 1 cm) erfordert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, insbesondere für spur­ geführte 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 Linear­ motors 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 gemesse­ nen Luftspalt einen speisenden Umrichter bezüglich Spannungs­ amplitude und Phasenlage des Stromes derart regelt, daß über die Ströme des Stators die Luftspaltinduktion derart verändert wird, daß die Normalkräfte den Translator in dem gewünschten konstan­ ten Abstand vom Stator halten.

Dabei ist es zweckmäßig, wenn durch die Regelung über die Blind­ stromkomponente des Stators nur die Luftspaltinduktionskomponen­ te in der d-Achse der Maschine beeinflußt wird. Die vortriebs­ kraftbildende Komponente der Induktion B_q in der q-Achse wird dabei auf einen konstanten Betrag geregelt, so daß die Vor­ triebskraft durch die Regelung des Luftspaltes nicht beeinträch­ tigt wird.

Erfindungsgemäß folgt eine automatische Anpassung an die Verfor­ mungen von Fahrzeug und Fahrbahn, so daß sich kleinere Luftspal­ te zwischen Stator und Translator ausführen lassen.

Die erfindungsgemäße Ausbildung führt zu folgenden weiteren Vor­ teilen:

• - Die erforderlichen Regelströme sind klein wegen des quadra­ tischen 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 Dauer­ magneterregung zu erheblichen Investitionskosteneinsparun­ gen und bei elektrischer Erregung zu erheblichen Energieko­ steneinsparungen führt.
• - Der kleinere Luftspalt gestattet die Wahl von elektromagne­ tischen Maschinenkonzepten mit kleineren Polteilungen und deutlich erhöhter Kraftdichte, was wiederum den Bau kleiner und kostengünstiger Statoren ermöglicht. So können nun vor­ teilhaft Maschinen mit kleinen Polteilungen und höheren Speisefrequenzen eingesetzt werden, die infolge ihrer höhe­ ren Kraftdichte mit weniger Aufwand an Material herstellbar wären. Dies könnte beispielsweise eine polyphasige perma­ nentmagneterregte 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:

Fig. 1 in schematischer Darstellung ein mit einem Line­ armotor ausgerüstetes Fahrzeug und

Fig. 2 ein Zeigerdiagramm zur Darstellung der Regelung eines Umrichters.

Fig. 1 zeigt ein Fahrzeug 1, das sich auf einer Fahrbahn 2 ab­ stützt, 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 Fe­ der/Dämpfer-System 5, das eine Auslenkung des Translators 4 ge­ genüber dem Stator 3 ermöglicht, die zwischen sich einen Luft­ spalt δ einschließen.

Fig. 2 zeigt beispielsweise einen Regelvorgang, durch den das in Fig. 1 dargestellte instabile mechanische System stabili­ siert wird. Hierzu wird der Luftspalt δ gemessen und der spei­ sende Umrichter bezüglich Spannungsamplitude und Phasenlage des Stromes derart geregelt, daß über die Blindstromkomponente I_d des Stators 3 die Luftspaltinduktion B_d 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 I_d = 0 sein; der Strom besitzt nur die kraft­ bildende Komponente I_q. Die Luftspaltinduktion B_δ1 setzt sich aus den Komponenten B_d und B_q zusammen. Die Ständerspannung wird aus der Polradspannung U_p und dem induktiven Spannungsabfall an der Hauptreaktanz j.X_d.I_q aufgebaut.

Vergrößert sich nun der Luftspalt, wird der Maschinenstrom mit Hilfe des Wechselrichters nach Betrag und Phasenlage auf I_s2 ver­ ändert. Die jetzt zusätzlich auftretende Komponente I_d hat ein Feld ΔB_d zur Folge, was zu einer Erhöhung des Gesamtfeldes auf den Wert B_δ2 und damit zu einer höheren Normalkraft führt, welche die Auslenkung des Translators kompensiert. Hierzu gehört dann das Span­ nungszeigerdreieck U_s2, j.X_d.I_s2, U_p.

Claims (4)

1. Einseitiger Linearmotor asynchroner oder synchroner Bauart, insbesondere für Fahrzeugantriebe, mit einem den Translator (4) bildenden, z. B. an einem Fahrzeug (1) befestigten Erre­ ger- bzw. Reaktionsteil, das mit einem oder mehreren auf z. B. einer Fahrbahn (2) angeordneten Statoren (3) einen Luftspalt (δ) einschließt, dadurch gekennzeichnet, daß der Translator (4) am Fahrzeug (1) über ein Feder/Dämpfer-Sy­ stem (5) befestigt ist, das so ausgelegt ist, daß bei Nenn­ betrieb 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 Normal­ kräfte den Translator (4) in dem gewünschten konstanten Abstand vom Stator (3) halten.

2. Linearmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Regelung über die Blindstromkomponente des Sta­ tors (3) nur die Luftspaltinduktionskomponente in der d-Achse der Maschine beeinflußt wird.

3. Linearmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als elektromagnetisches Maschinenkonzept eine polypha­ sige permanenterregte Synchronmaschine zum Einsatz kommt.

4. Linearmotor nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekennzeichnet durch eine solche Bemessung des Feder/Dämpfer-Systems (5), daß bei Ausfall der Regelung der Translator (4) in eine sichere Position (maximaler Luftspalt) gezogen wird.