DE3909706C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Speiseschaltung für einen Linearmotor mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruches.

Es ist eine Anordnung bekannt, bei der ein Linearmotor einen am Boden vorgesehenen Stator und ein an einem Fahrzeug vorgesehenes bewegliches Element aufweist, und zwar genauso wie bei einem Drehmotor mit einem Stator und einem Rotor, wobei zwischen dem Stator und dem sich bewegenden Element eine Antriebskraft oder eine Nutzbremskraft erzeugt wird, die zum Betrieb eines Zuges Verwendung findet. Jedoch besteht zwischen einem Linearmotor und einem Drehmotor ein wesentlicher Unterschied, der darin besteht, daß bei einem Drehmotor stets der ganze Stator dem Rotor gegenüberliegt, während beim Linearmotor stets nur ein Teil des Stators dem sich bewegenden Element gegenüberliegt.

Aus diesem Grund erzeugt die bei einem Synchron-Linearmotor (LSM) den Boden-Stator darstellende Ankerspule nur in dem Teil der Spule eine Antriebskraft, der dem LSM-Magnetfeld auf dem Fahrzeug gegenüberliegt. Selbst, wenn ein Strom kontinuierlich durch den anderen am Boden vorgesehenen Ankerspulenteil geschickt wird, erhöht dies lediglich den Leistungsverlust und führt zu einem Temperaturanstieg bei der Boden-Ankerspule sowie zu einem übermäßig hohen Kostenaufwand. Um einen solchen kostspieligen Leistungsverlust zu verhindern, wird ein Speiseabschnitt-Umschaltsystem verwendet.

Die Zeitschrift "ZEV-Glasers Annalen" von 1981 zeigt auf den Seiten 311 bis 319 zwei bekannte Linearmotor-Speiseschaltungen der eingangs genannten Art. Die eine davon, die sogenannte Bocksprungschaltung, ist aus den Fig. 1(a) bis 1(c) ersichtlich.

Danach ist eine Boden-Ankerspule in festgelegtem Abstand elektrisch unterteilt, wobei ein Strom nur durch den Abschnitt der Boden- Ankerspule fließt, an dem sich der Zug gerade befindet. Wie aus Fig. 1(a) im einzelnen ersichtlich, führt ein Frequenzumformer FCA über eine Stromzuführung LA einem Abschnitt A der Boden-Ankerspule Elektrizität zu, falls sich ein Fahrzeug im Abschnitt A der Boden-Ankerspule befindet. Bewegt sich dann, wie aus Fig. 1(b) ersichtlich, das Fahrzeug VH vom Abschnitt A zum Abschnitt B der Boden-Ankerspule, so führt ein Frequenzumformer FCB über eine Stromzuführung LB dem Abschnitt B der Boden-Ankerspule Elektrizität zu, so daß der Abschnitt B zusätzlich zum Abschnitt A der Boden-Ankerspule gespeist wird. Befindet sich das Fahrzeug dann ganz im Abschnitt B der Boden-Ankerspule, wie dies in Fig. 1(c) dargestellt ist, so wird die Zufuhr von Elektrizität zum Abschnitt A der Boden-Ankerspule unterbrochen, so daß allein dem Abschnitt B der Boden-Ankerspule Elektrizität zugeführt wird.

Um Schwankungen bezüglich der Fahrzeugantriebskraft zu verhindern, falls Abschnitte der Boden-Ankerspule auf diese Weise umgeschaltet werden, ist es erforderlich, die Abschnitte A und B der Boden-Ankerspule nacheinander mit den Stromzuführungen LA und LB zu verbinden, zwei Frequenzumformer FCA, FCB vorzusehen und die Zuführung von Elektrizität sukzessive in Übereinstimmung mit der Bewegung des Fahrzeugs VH umzuschalten.

Da bei dieser Speiseschaltung zwei Frequenzumformer FCA und FCB erforderlich sind, ergibt sich demzufolge ein komplizierter Aufbau sowie höhere Installations- und Wartungskosten.

Die zweite aus der genannten Zeitschrift ersichtliche Linearmotor-Speiseschaltung wird als Kurzschlußschaltung bezeichnet. Dort sind die Boden-Ankerspulen in Serie geschaltet und nicht benutzte Ankerspulen werden kurzgeschlossen. Die gezeichnete und beschriebene Schaltung benötigt jedoch ebenfalls zwei Frequenzumformer.

Es ist somit Aufgabe der Erfindung, eine Speiseschaltung für einen Linearmotor vorzuschlagen, mit der die Zuführung von Antriebsleistung zum Linearmotor unter Verwendung eines einzigen Frequenzumformers möglich ist, wodurch sich ein einfacher, kostengünstiger Aufbau erzielen läßt.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich anhand der Merkmale des Patentanspruches.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Fig. 2 bis 13 näher erläutert. Dabei zeigen

Fig. 2 den Aufbau eines Ausführungsbeispiels einer für einen Linearmotor vorgesehenen Speiseschaltung,

Fig. 3 ein Zeitdiagramm zur Verdeutlichung der Funktionsweise der Speiseschaltung gemäß Fig. 2,

Fig. 4 bis 11 die Art der Umschaltung der Elektrizitätszufuhr zu einem Linearmotor gemäß einem Ausführungsbeispiel,

Fig. 12 den Aufbau eines anderen Ausführungsbeispiels einer Linearmotor-Speiseschaltung und

Fig. 13 den Aufbau eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Linearmotor-Speiseschaltung.

Fig. 2 verdeutlicht ein Ausführungsbeispiel einer Linearmotor- Speiseschaltung, die hier aus einphasigen Speiseschaltungen besteht. Ein Fahrzeug VH ist mit Feldmagnetpolen F, D ausgestattet, die zu Nord- und Südpolen erregt sind. Boden-Ankerspulen AM_n, AM_{n +1}, AM_{n +2}, AM_{n +3} sind elektrisch so geteilt, daß deren Längen größer als die des Fahrzeuges VH sind, Jeweils zwei Ankerspulen sind seriell miteinander verbunden. Die Ankerspulen AM_n, AM_{n +2} stehen mit einem Ende über entsprechende Schalter SW_n und SW_{n +2} mit einer Stromzuführung LP und die Ankerspulen AM_{n +1}, AM_{n +3} mit einem Ende über entsprechende Schalter SW_{n +1}, SW_{n +3} mit einer Stromzuführung LN in Verbindung. Die Verbindungsstelle von jeweils zwei seriell miteinander verbundenen, einen Satz bildenden Ankerspulen ist direkt mit einer Stromzuführung LM verbunden. Zwischen die Stromzuführungen LP und LM ist ein Kurzschlußschalter SWPM und zwischen die Stromzuführungen LN und LM ein Kurzschlußschalter SWNM geschaltet. Die Enden eines Frequenzumformers FC stehen entsprechend mit den Stromzuführungen LP und LN in Verbindung. Dieser Frequenzumformer versorgt die Ankerspulen mit der für den Antrieb des Fahrzeugs nötigen Leistung. Bei einem Dreiphasen- Linearmotor werden drei Sätze einer einphasigen Speiseschaltung verwendet, wobei jeder Satz eine Ankerspule, einen Schalter, eine Stromzuführung und den Frequenzumformer aufweist. Jeder Satz ist elektrisch unabhängig und bildet eine Speiseschaltung.

Fig. 3 verdeutlicht die Beziehung zwischen der Fahrzeugposition und der Schalterbetätigung bei der Speiseschaltung in Fig. 2. Es wird hier angenommen, daß sich das Fahrzeug VH in der Figur von links nach rechts bewegt.

Befindet sich das Fahrzeug VH auf der Ankerspule AM_n, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist, so sind die Schalter SW_n und SW_{n +1} geschlossen (d. h. im Ein-Zustand), während alle anderen Schalter geöffnet (d. h. im Aus-Zustand) sind. Unter diesen Bedingungen liefert der Frequenzumformer FC Elektrizität über den folgenden Weg: Stromzuführung LP → Schalter SW_n → Ankerspule AM_n → Ankerspule AM_{n +1} → Schalter SW_{n +1} → Stromzuführung LN.

An der Stelle P_{n +1} (siehe Fig. 3), bei der sich das Fahrzeug VH ganz an der Stelle der Ankerspule AM_{n +1} befindet, wie dies in Fig. 5 dargestellt ist, wird als nächstes der Schalter SWPM geschlossen (d. h. in den Ein-Zustand gebracht), um die Stromzuführungen LP und LM kurzzuschließen. Unter diesen Umständen liefert der Frequenzumformer FC Elektrizität über den folgenden Weg: Schalter SWPM → Stromzuführung LM → Ankerspule AM_{n +1} → Schalter SW_{n +1} → Stromzuführung LN.

Als nächstes wird, wie aus Fig. 6 ersichtlich, der Schalter SW_{n +2} geschlossen (d. h. in den Ein-Zustand gebracht) und der Schalter SW_n geöffnet (d. h. in die Ausstellung gebracht), während die Stromzuführungen LP und LM mit Hilfe des Schalters SWPM kurzgeschlossen werden. Da in diesem Zustand Elektrizität zugeführt wird und der Schalter SW_n keinen Strom führt, kann dieser deshalb geöffnet werden (Aus-Zustand).

Hat sich das Fahrzeug dann der nächsten Ankerspule AM_{n +2} angenähert, wie dies aus Fig. 7 ersichtlich ist, so wird der Schalter SWPM geöffnet (Aus-Zustand). Unter diesen Umständen liefert der Frequenzumformer FC Elektrizität über den folgenden Weg: Stromzuführung LP → Schalter SW_{n +2} → Ankerspule AM_{n +2} → Stromzuführung LM → Ankerspule AM_{n +1} → Schalter SW_{n +1} → Stromzuführung LN.

In ähnlicher Weise wird beim Punkt P_{n +2} (vergleiche Fig. 3), bei dem sich das Fahrzeug VH ganz zur Stelle der Ankerspule AM_{n +2} fortbewegt hat, wie dies aus Fig. 8 ersichtlich ist, der Schalter SWNM geschlossen (Ein-Zustand), um die Stromzuführungen LN und LM kurzzuschließen. Unter diesen Umständen liefert der Frequenzumformer FC Elektrizität über den folgenden Weg: Schalter SWNM → Stromzuführung LM → Ankerspule AM_{n +2} → Schalter SW_{n +2} → Stromzuführung LP.

Wie aus Fig. 9 ersichtlich, wird der Schalter SW_{n +3} geschlossen (Ein-Zustand) und der Schalter SW_{n +1} geöffnet (Aus-Zustand). Zu diesem Zeitpunkt werden die Stromzuführungen LN und LM durch den Schalter SWNM kurzgeschlossen. Da in diesem Zustand Elektrizität zugeführt wird und der Schalter SW_{n +1} keinen Strom führt, kann dieser demzufolge geöffnet werden.

Hat sich das Fahrzeug VH dann der nächsten Ankerspule AM_{n +3} angenähert, wie dies aus Fig. 10 ersichtlich ist, so wird der Schalter SWNM geöffnet (Aus-Zustand). Unter diesen Umständen liefert der Frequenzumformer FC Elektrizität über den folgenden Weg: Stromzuführung LP → Schalter SW_{n +2} → Ankerspule AM_{n +2} → Ankerspule AM_{n +3} → Schalter SW_{n +3} → Stromzuführung LN.

Das Fahrzeug VH wird dann zur Ankerspule AM_{n +3} befördert. Die Schalter werden anschließend in der oben beschriebenen Art und Weise umgeschaltet.

Somit werden zuerst die Stromzuführungen mit Hilfe der Schalter SWPM, SWNM kurzgeschlossen und dann die längs des Fahrweges vorgesehenen Schalter SW_n, SW_{n +1}, SW_{n +2}, SW_{n +3} betätigt, so daß diese Schalter in einem stromfreien Zustand geöffnet werden können, wodurch ein Verschleiß der Schaltkontakte verhindert werden kann.

Falls die Anordnung ferner so getroffen ist, daß die Schalter SWPM, SWNM unmittelbar dann geschlossen bzw. eingeschaltet werden, wenn sich das gesamte Fahrzeug ganz auf einer Ankerspule bewegt hat, und diese Schalter unmittelbar vor dem Eintreten des Fahrzeugs VH in den Bereich der nächsten Ankerspule geöffnet bzw. ausgeschaltet werden, so wird die Elektrizität jederzeit der minimal erforderlichen Anzahl an Ankerspulen zugeführt.

Wenn jeder Verbindungspunkt zwischen zwei seriell verbundenen Ankerspulen direkt mit der Stromzuführung LM verbunden wird, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist, so können alle Ankerspulen durch Verbinden der Stromzuführung LM mit Erde geerdet werden. Ist die Stromzuführung LM nicht geerdet, erhalten andererseits alle Ankerspulen ein Potential, das dem der Stromzuführung LM entspricht. Demzufolge kann jeder Verbindungspunkt zweier Ankerspulen über einen Schalter mit der Stromzuführung LM verbunden und jene Ankerspulen von der Stromzuführung LM elektrisch isoliert werden, bei denen sich das Fahrzeug VH nicht befindet.

Fig. 12 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel, bei dem zusätzlich zu der in Fig. 2 gezeigten Speiseschaltung ein Transformator TR zwischen dem Frequenzumformer FC und den Stromzuführungen LP und LN eingesetzt ist. Bei dieser Speiseschaltung kann die Nennspannung des Linearmotors und die Nennspannung des Frequenzumformers FC auf unterschiedliche Werte eingestellt werden, indem das Spannungsverhältnis des Transformators TR geeignet gewählt wird. Zum Beispiel kann ein mit hoher Spannung und niedrigem Strom arbeitender Motor mit einem mit niedriger Spannung und hohem Strom arbeitenden Frequenzumformer kombiniert werden. Ferner können in diesem Fall die Stromzuführung LM und der Frequenzumformer FC separat geerdet werden.

Bei einem Dreiphasen-Linearmotor bilden einzelphasige Ankerspulen, längs der Fahrbahn angeordnete Schalter, Stromzuführungen, ein Frequenzumformer, Kurzschlußschalter und, abhängig vom jeweiligen Anwendungsfall, ein Transformator drei Sätze von elektrisch unabhängigen Speiseschaltungen aus. In diesem Fall können jedoch die drei Stromzuführungen von irgendeinem Typ unter den drei Stromzuführungen LP, den drei Stromzuführungen LM und den drei Stromzuführungen LN zu einer einzigen gemacht werden, um die Gesamtanzahl an Stromzuführungen zu reduzieren. Ein derartiges Ausführungsbeispiel ist in Fig. 13 dargestellt, bei der eine Speiseschaltung gezeigt ist, in der die Stromzuführungen LM zu einer einzigen Leitung zusammengefaßt sind.

Die drei Phasen der Ankerspulen AM_n, AM_{n +1}, AM_{n +2}, AM_{n +3} sind sternförmig geschaltet, wobei ihre Verbindungspunkte direkt mit der einzelnen Stromzuführung LM verbunden sind. Die anderen Endanschlüsse der Ankerspulen stehen mit den drei dreiphasigen Stromzuführungen LP und LM über dreiphasige Schalter SW_n, SW_{n +1}, SW_{n +2}, SW_{n +3} in Verbindung. Der Frequenzumformer FC ist mit den Stromzuführungen LP und LM in jeder der Phasen verbunden. Bei einem Dreiphasenmotor können somit die Stromzuführungen eines Typs unter irgendeinem der drei Stromzuführungen, die jeweils aus drei Leitungen bestehen, in Form einer einzigen Leitung ausgeführt werden, um die Gesamtanzahl an erforderlichen Stromzuführungen zu reduzieren.

Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Linearmotor-Speiseschaltung kann ein Linearmotor mit einem einzigen Frequenzumformer betrieben werden, so daß diese Speiseschaltung im Vergleich zum Stand der Technik wirtschaftlicher ist. Da ferner die längs der Fahrbahn angeordneten Schalter in einem stromlosen Zustand geöffnet werden, unterliegen die Kontakte dieser Schalter keinem Verschleiß. Außerdem kann der Speisewirkungsgrad durch geeignete Steuerung der Schalter verbessert werden.

Claims (1)

1. Speiseschaltung für einen Linearmotor, der auf einem Fahrzeug (VH) angeordnete Feldmagnetpole (F, D) und am Boden angeordnete Ankerspulen (AM) aufweist, dadurch gekennzeichnet,
   daß jeweils zwei elektrisch unterteilte Ankerspulen (AM) seriell unter Ausbildung eines Satzes von Ankerspulen verbunden sind,
   daß die beiden Enden jedes aus zwei Ankerspulen bestehenden Satzes über entsprechende Schalter (SW) in jeder Phase mit einer ersten und einer zweiten Stromzuführung (LP, LN) verbunden sind,
   daß der Verbindungspunkt zwischen zwei Ankerspulen (AM) in jedem Satz mit einer dritten Stromzuführung (LM) verbunden ist und
   daß ein Kurzschlußschalter (SWPM, SWNM) zwischen die erste und dritte Stromzuführung (LP, LN) und zwischen die zweite und dritte Stromzuführung (LN, LM) geschaltet ist, wobei den Ankerspulen seitens eines Frequenzumformers (FC) Elektrizität zugeführt wird, der an der ersten und zweiten Stromzuführung (LP, LN) angeschlossen ist.