DE2008611C3

DE2008611C3 - Linear-Synchronmotor für Schienenfahrzeuge

Info

Publication number: DE2008611C3
Application number: DE2008611A
Authority: DE
Inventors: Junpei Yokohama Inagaki
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1969-02-24
Filing date: 1970-02-24
Publication date: 1983-03-24
Also published as: FR2033037A5; DE2008611A1; DE2008611B2; US3594622A; GB1299956A; JPS5419962B1

Description

Die Erfindung betrifft einen Linear-Synchronmotor für Schienenfahrzeuge gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein solcher ist durch die »ETZ-A« Jahrgang 1953, Seite 11 bis 14 bekanntgeworden. Bei diesem bekannten Linear-Synchronmotor ist die Rückstoßschiene in einem Stück aus einem Joch mit den daran ausgebildeten Polen nach Art eines Kammes ausgebildet, wobei die kammartigen Teile so angeordnet sind, daß unter Aufrechterhaltung eines Luftspaltes die Pole in der Längsrichtung der Schiene mit abwechselnder Polarität aufeinanderfolgen.

Die Erregereinrichtung ist eine Gleichstromerregereinrichtung, wobei das Schienenfahrzeug, das parallel zur Rückstoßschiene geführt ist, die Gieichstromerregung und den Anker trägt '*--

Aus den »AEG-Mitteilungen 46« (1956) 11/12, Seite 355 bis 357 und der US-PS 32 23 866 sind Wechselpolsynchronmaschinen ohne Läuferwicklung bekannt, deren Läufer kammartig ineinandergreifende Nord- und Südpole aufweisen. Die Erregung erfolgt durch Gleichstrom und die Anker sind mit Einphasenwechselstrom beschickt. Derartige Maschinen zeigen nur bei Kleinstmaschinen einen hohen Wirkungsgrad und lassen keinen Schluß auf Hochleistungmotoren zu, vor allem regen sie nicht dazu an, den rotierenden Läufer durch eine praktisch endlose Rückstoßschiene zu ersetzen.

Es gibt für den Antrieb elektrischer Fahrzeuge zwei exemplarische Arten von Linearmotoren, einen linearen Induktionsmotor einerseits und einen linearen Synchronmotor andererseits. In der Fachwelt ist es bekannt, daß der Linear-Induktionsmotor unerwünschte Anlaufeigenschaften aufweist, außerdem ist es schwierig, eine größere Luftspaltlänge zwischen der Rückstoßschiene und dem Anker vorzusehen, ohne einen Abfall des Wirkungsgrades in Kauf zu nehmen. Wird daher ein linearer Induktionsmotor als Antriebseinheit für elektrische Fahrzeuge vorgesehen, so sind einige Schwierigkeiten zu erwarten, die sich aus dem erforderlich schmaleren Längsluftspalt ergeben, wenn der Wagen durch ein gebogenes Schienenstück fahren soll, oder wenn der Wagen etwas schaukelt oder schlingert.

Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, einen Linear-Synchronmotor für Schienenfahrzeuge zu schaffen, der durch einen möglichst einfachen Aufbau, insbesondere der Rückstoßschiene, eine Herabsetzung der Herstellungskosten erlaubt und dennoch einen guten Wirkungsgrad zeigt.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung bei einem Linear-Synchronmotor der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen in mehreren beispielsweisen Ausführungsformen näher erläutert.

F i g. 1 zeigt in Seitenansicht eine gemäß der Erfindung ausgebildete Rückstoßschiene;

F i g. 2 zeigt einen Schnitt entlang der Linie 2-2 in Fig.l;

F i g. 3 zeigt relative Zuordnungen einer Rückstoßschiene, eines Ankers, einer zugehörigen Ankerwicklung und einer für die Rückstoßschiene bestimmten Gleichstromerregereinrichtung;

F i g. 4 zeigt eine der F i g. 3 ähnliche Anordnung, jedoch in Vorderansicht in Verbindung mit einem elektrischen Fahrzeug, wobei Teile im Schnitt oder Teilschnitt gezeigt sind;

F i g. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der ein Paar Gleichstromerregereinrichtungen und ein Ankerpaar auf gegenüberliegenden Seiten einer Rückstoßschiene einander zugeordnet sind;

F i g. 6 zeigt eine Schnittansicht entlang der Linie 6-6 in Fig. 5, wobei teilweise im Schnitt und teilweise

weggebrochen ein dem in Fig.4 gezeigten ähnliches Elektrofahrzeug dargestellt ist;

Fig.7 zeigt einen Schnitt entlang der Linie 7-7 in Fig. 5;

Fig.8 veranschaulicht ein vereinfachter--Schaltbild, das den Ankererregerkreis des Linear-Synchronmotors verdeutlicht.

In Fig. 1 ist mit Bezugszeichen 10 eine Rückstoßschiene bezeichnet, die zwei sich längs erstreckende kammartige Teile 11 und 12 aus magnetischem Material, beispielsweise aus Gußstahl aufweist.

Die kammartigen Teile 11 und 12 bestehen jeweils aus einem sich längs erstreckenden Joch 13 bzw. 15 und einer Anzahl mit dem Joch einstückig verbundener Pole 14 bzw. 16, die längs des Jochs in Abstand voneinander angeordnet sind. 3eide Teile 11 und 12 sind so miteinander verzahnt, daß die Pole 14 des Teils 11 zwischen den Polen 16 des Teils 12 zu liegen kommen, und zwar so, daß zwischen den Polen und Jochen ein zickzackförmiger Luftspalt 17 frei bleibt. DfYzickzackförmige Luftspalt ist mit einem nicht magnetisierbaren Band 18, beispielsweise glasfaserverstärktem Polyester, Aluminium, synthetischem Kautschuk oder Beton ausgefüllt, um eine Berührung und damit einen magnetischen Kurzschluß zwischen den beiden Teilen 11 und 12 zu verhindern.

Bei Verwendung eines glasfaserverstärkten Polyestermaterials bei der Herstellung der Rückstoßschiene wird das Band 18 in halbhartem Zustand auf das untere Teil 12 aufgebracht. Darauf wird das obere Teil 11 darüber angeordnet und die Anordnung wird bis auf ein vorbestimmtes Abmaß zusammengepreßt. Die Anordnung wird dann zur vollständigen Aushärtung des Bandmaterials einer Wärmebehandlung unterworfen. Um die Teile H und 12 und das Band'18 besser miteinander zu verbinden, werden vorzugsweise die Flächen der Teile 11 und 12, die am Band 18 haften sollen, mit vielen Ausnehmungen versehen.

Es ist auch vorstellbar, daß die beiden Teile 11 und 12 zunächst in die vorbestimmte Lage zueinander gebracht werden, worauf die gegenseitige Verbindung dann durch Eingießen von z. B. Aluminium in den zickzackförmigen Luftspalt 17 erfolgt. Auch in diesem Fall werden vorzugsweise Ausnehmungen auf den mit dem Aluminium in Berührung kommenden Flächen der Teile

11 und 12 vorgesehen, so daß das geschmolzene Aluminium zur besseren gegenseitigen Verbindung der Teile darin eindringen kann.

Wie aus F i g. 2 ersichtlich, sind die Pole 16 des Teils

12 und ebenso die Pole 14 des Teils etwas breiter als die übrigen Teile. Es brauchen also nur die vorstehenden Flächen der Pole 16 spanabhebend feinbearbeitet, z. B. geschliffen werden, um exakte Polflächen zu erhalten. Hierdurch können die Herstellungskosten für die Rückstoßschiene wesentlich vermindert werden.

Wie die F i g. 3 und 4 zeigen, kann die Rückstoßschiene 10 aufrecht auf der Erdoberfläche 19 auf einem Betonsockel 20 befestigt werden. Wie F i g. 4 zeigt, ist an der Unterseite eines Fahrzeugs 22 eine Gleichstromerregereinrichtung 21 über eine Halterung 27 nach unten hängend angeordnet. Die Gleichstromerregereinrichtung 21 weist einen Magnetkern 28 mit zwei Schenkeln 23 und 24 auf, die der Rückstoßschiene zugewandt sind und durch relativ schmale Luftspalte von den Seiten der Joche 13, 15 der Rückstoßschiene 10 getrennt sind. Weiterhin ist eine Gleichstromerregerwicklung 25 um einen Jochabschnitt 26 des Magnetkerns 28 gewickelt.

Auf der anderen Seite der Rückstoßschiene 10 ist ein Anker 29 vorgesehen, der über einen Träger 37 an der Unterseite des Fahrzeugs 22 hängt und einen linearen Ankerkern 30 aufweist, dessen eine Seitenfläche den Polflächen def Pole 14 und 16 gegenüberliegt und von diesen Polen durch einen relativ schmalen Luftspalt getrennt ist. Der Ankerkern trägt eine den Polen 14 und 16 zugewandte Mehrphasenankerwicklung 31.

Das Fahrzeug 22 ist in bekannter Weise mit Wellen 32 und Rädern 33 und 34 versehen, die auf Schienen 35 und ίο 36 laufen.

In F i g. 3 erstrecken sich der Ankerkern 30 und die Schenkel 23 und 24 in Längsrichtung der Rückstoßschiene über 4 Pole, also zwei Polpaare, hinweg. Zur Vereinfachung der Darstellung ist nur ein Phasenstrang der Ankerwicklung 31 gezeigt. Ebenfalls aus Gründen der einfacheren Darstellung ist die Wicklung 31 nur mit eine,¹ einzigen vollen Windung gezeigt. Es kann jedoch eine beliebige, geeignete Wicklungsform vorgesehen werden, beispielsweise eine Schleifenwicklung, eine Wellenwicklung oder auch eine geeignete gesehnte Wicklung.

Wird die Gleichstromerregerspule 25 erregt, so schließt sich der von der Spule 25 ausgehende Magnetfluß über den Schenkel 23, den Luftspalt zwischen dem Schenkelende 23 und dem Joch 13 der Rückstoßschiene, das Joch 13, die Pole 14, den zwischen den Polen 14 und dem Ankerkern 30 bestehenden Luftspalt, den Ankerkern 30, den zwischen dem Ankerkern 30 und den Polen 16 gebildeten Luftspalt, die Pole 16, das Joch 15 und den zwischen dem Joch 15 und dem Schenkel 24 gebildeten Luftspalt. Auf diese Weise werden alle Pole 14 zu Nordpolen, während alle Pole 16 zu Südpolen werden.

Es ist damit ersichtlich, daß be' dem in Fi g. 3 durch Pfeile angedeuteten Stromfluß durch die Ankerwicklung 31 diese einer elektromagnetischen Kraft ausgesetzt werden, die den Kern 29 und das mit dem Kern verbundene Fahrzeug ein Stück nach links verschiebt. Durch Umschalten des Stromes auf die nicht dargestellten nächsten Phasenstränge der Ankerwicklung 31 kann eine ständig wirkende elektrodynamische Kraft erzeugt werden, die den bewegten Anker 29 kontinuierlich weiter antreibt.

Um die Ankerwicklung zwangsweise genau in der richtigen Stellung des Ankers umzuschalten, wird vorzugsweise die in Fig.8 dargestellte Steuereinheit verwendet.

In F i g. 8 ist das Fahrzeug 22 durch einen Block mit strichpunktierter Linie dargestellt, der einen einphasigen Wechselstromvollweggleichrichter 38 aufweist, dessen Wechselstromeingangsklemmen 39 an eine Wechselstromquelle beispielsweise einen Trag- oder Streckendraht oder eine dritte Schiene und eine Masseoder Erdleitung angeschlossen sind. Der Vollweggleichrichter 38 kann durch Thyristoren gebildet sein und erzeugt G'leichspannung für einen Drehphasenthyristorwechsclrichter 40 mit zwangsweiser Kommutierung, der 6 Thyristoren aufweist, die in einer Dreiphaseinvollwegbrückenschaltung 41 verbunden sind; weiterhin ist ein Zwangskommutierungskreis 42 angeschlossen. Dem Fachmann ist bekannt, daß der Zwangskommutierungskreis 42 zur Sperrung der Thyristoren der Brückenschaltung 41 erforderlich ist.

Die Ausgänge des Wechselrichters 40 sind mit der Wicklung 31 des Ankers 29 des Linear-Synchronmotors verbunden; die Eingangsleistung des Linear-Motors kann durch Steuerung des Gleichrichters 38 so verändert werden, daß die Geschwindigkeit des

Elektrofahrzeugs stufenlos veränderbar ist.

Die Fig.8 zeigt ferner die von der Erregereinrichtung 21 magnetisierten Pole 14 und 16 der Rückstoßschienc 10 mit den Polaritäten N und S.

Die Gleichrichterstromversorgung für die Erregereinrichtung 21 ist in vereinfachter Form als Batterie 43 dargestellt, diese kann jedoch durch eine von den Wechselstromeingangsklemmen 39 gespeiste Gleichrichterbrückenschaltung ersetzt gedacht sein oder auch durch eine Motor-Generatoreinheit, die im oder am Fahrzeug angebracht ist.

Zur Steuerung der Ankerströme ist am Fahrzeug 22 eine Wegmeßeinrichtung 44 vorgesehen, die im allgemeinen eine Sondenspule aufweist, die nahe den Polen der Rückstoßschiene 10 angeordnet ist. In der Sondenspule tritt entweder ein positiver oder negativer impuis jedesmal dann auf, wenn die Spule den Bereich zwischen aufeinanderfolgenden Polen 14 und 16 durchläuft. Diese Impulse werden einer Steuer-, z. B. Thyristorsteuerschaltung 45 zugeführt, um die Thyristoren des Wechselrichters 41 und den Zwangskommutierungskreis 42 zu steuern. Damit läßt sich ein kontinuierlicher, ruhiger Lauf des Fahrzeugs erreichen.

Soll für das Elektrofahrzeug eine Nutzbremseinrichtung vorgesehen werden, so ist dies leicht durch Betriebsumschaltung des Gleichrichters 38 auf Wechselrichterbetrieb und des Wechselrichters 41 auf Gleichrichterbetrieb zu erreichen.

In den Fig.5, 6 und 7 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht, wobei den F i g. 1 bis 4 entsprechende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind. Wie F i g. 6 zeigt, ist der Linear-Synchronmotor nach dieser Ausführungsform ebenfalls als Antriebseinheit für ein Fahrzeug 22 vorgesehen. Bei dieser Ausführungsform sind zwei einander gegenüberstehende lineare Anker 46 und 47 vorgesehen, die mit dem Unterteil des Fahrzeugs 22 verbunden sind. Die Rückstoßschiene 10 liegt zwischen den Ankern. Weiterhin sind zwei Paare 48 und 49 von GleichstFomerregereinrichtungen am Unterteil des Wagens in Längsrichtung der Rückstoßschiene 10 vor und hinter den Ankern, wie in F i g. 5 gezeigt, angeordnet. F i g. 7 zeigt ein Paar 48 der Gleichstromerregereinrichtungen, das sich aus zwei einander gegenüberstehenden Erregervorrichtungen 50 und 51 zusammensetzt, wobei die Rückstoßschiene 10 durch Luftspalte getrennt zwischen diesen Erregervorrichtungen liegt. Da bei dieser Ausführungsform die elektromagnetischen Teile symmetrisch rechts und links der Rückstoßschiene liegen, ergeben sich bei Dreh- oder Schlingerbewegungen des Fahrzeugs nur geringe Ungleichmäßigkeiten irn Antrieb. Weiterhin ist es bei dieser Anordnung möglich, die auf den Wagen ausgeübten Zugkräfte auf etwa die doppelte Größe gegenüber der in Fig.4 beschriebenen Ausführungsformen zu erhöhen.

Mit Bezug auf Fig. 1 wird noch angemerkt, daß die Verbindung zweier Rückstoßschienen 10 durch ein geeignetes magnetisch nicht leitendes Klebematerial mit guter elektrischer Leitfähigkeit erfolgt, beispielsweise Polyesterharz mit Metallpulvereinschluß. In Fig. 1 sind die Klebematerialfugen 56 zwischen den aneinander grenzenden kammartigen Teilen 11 und 111 und 57 zwischen den Teilen 12 und 112 vorgesehen. Damit kann das durch die im Fahrzeug untergebrachte Gleichstromerregervorrichtung hervorgerufene Feld im wesentlichen auf eine einzige Rückstoßschiene konzentriert und somit ein verbesserter Wirkungsgrad erzielt werden. Das obere Joch 13 läßt sich auch als dritte Schiene, d. h. als Stromsammeischiene verwenden, über die die Stromversorgung des Fahrzeugs erfolgen kann.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Unear-Synchronmotor für Schienenfahrzeuge mit einer auf einem Fundament befestigten Rückstoßschiene, welche eine Vielzahl von Polen trägt, wobei die Pole in Längsrichtung der Rückstoßschiene mit abwechselnder Polarität magnetisiert werden und mit einem parallel zur Rückstoßschiene bewegbar geführten Schienenfahrzeug, welches mindestens eine Gleichstromerregereinrichtung zur Magnetisierung der Pole der Rückstoßschiene mindestens einen eine Mehrphasenwicklung aufweisenden Anker trägt, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückstoßschiene (10) aus zwei kammartigen Teilen (11, IiJ) aus magnetisierbarer« Material zusammengesetzt ist, die durch ein zwischen ihnen angeordnetes nicht magnetisierbares Band (18) unter Au^frechterhaltung eines magnetischen Luftspaites (17) fest miteinander verbunden sind und jeweils aus einem Joch (13, 15) und einer Anzahl mit dem Joch verbundener Pole (14,16) bestehen, wobei die Joche (13,15) senkrecht übereinander liegen und die Pole (14,16) ineinandergreifen, und daß sich die Gleichstromerregereinrichtung (21) auf der einen Seite der Rückstoßschiene (10) und der Anker (29) auf der anderen Seite befinden.

2. Linear-Synchronmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kammartigen Teile (11, 12) aus Gußstahl hergestellt sind.

3. Linear-Synchronmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das nicht magnetisierbare Band (18) aus Gußaluminium und/oder Kunststoff, wie glasfaserverstärktem Polyester oder synthetischem Kautschuk und/oder Beton besteht.

4. Linear-Synchronmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Fahrzeug (22) Einrichtungen (38, 39, 40, 41, 42) für die Gleich- und Wechselstromversorgung des Motors und eine Wegmeßeinrichturg (44) enthält, die die Wechselstromversorgung (38—42) in Abhängigkeit von der Lage zur Rückstoßschiene (10) steuert.

5. Linear-Synchronmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Rückstoßschienen unter Bildung schmaler Fugen (56,57) aneinander gereiht sind, daß ein nicht magnetisierbares elektrisch leitendes Klebemittel mit guter elektrischer Leitfähigkeit in die Fugen (56, 57) eingebracht ist und daß die Joche (13, 15) der kammartigen Teile (11, 12) zur Stromzu- und -rückführung zum Fahrzeug (22) dienen.

6. Abwandlung des Linear-Synchronmotors nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein Paar Gleichstromerregereinrichtungen (50, 51) und ein Ankerpaar (46, 47) auf gegenüberliegenden Seiten der Rückstoßschiene (10) einander zugeordnet sind.

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