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Die
Erfindung betrifft eine Anlage und ein Verfahren zum Betreiben einer
Anlage.
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Es
ist bekannt, Rotoren von Synchronmotoren an ihrem Umfang mit Dauermagneten
zu bestücken.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Anlage mit mindestens
einem Antriebssystem weiter zu verbessern, wobei Verluste klein
zu halten sind.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe bei der Anlage nach den in Anspruch 1 und bei dem Verfahren
zum Betreiben einer Anlage nach den in Anspruch 15 angegebenen Merkmalen
gelöst.
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Wichtige
Merkmale der Erfindung bei der Anlage, dass sie einen ersten und
einen zum ersten relativ bewegbar angeordneten zweiten Teil umfasst, umfassend
einen ersten und einen zum ersten relativ bewegbar angeordneten,
zweiten Teil,
wobei der erste Teil ein in Bewegungsrichtung
sich erstreckendes, insbesondere langgestreckt ausgeführtes Schwertteil
aufweist,
wobei der zweite Teil zumindest eine drehbar gelagerte,
antreibbare Scheibe umfasst,
wobei die Drehachse senkrecht
zur Bewegungsrichtung ausgerichtet ist,
wobei die Scheibe an
ihrem Umfang jeweils Dauermagnete aufweist, deren Magnetisierungsrichtung
jeweils zum in Umfangsrichtung nächstbenachbarten Dauermagneten
entgegengesetzte axiale Richtung aufweist,
wobei das Schwertteil
entlang der Bewegungsrichtung eine derartige Polstruktur aufweist,
dass beim Vorbeidrehen der Dauermagnete an der Polstruktur die Vortriebskraft
erzeugbar ist.
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Von
Vorteil ist dabei, dass die Vortriebskraft nach dem Reluktanzprinzip
erzeugt wird, wobei Pole der Polstruktur von dem jeweils nächstbenachbarten Dauermagneten
angezogen werden beim Vorbeidrehen der Dauermagnete an der Polstruktur
des Schwertteils. Somit ist die Scheibe in einfacher Weise mit einem
Elektromotor antreibbar und das Antriebssystem weist eine Schlupffreie
Betriebsweise auf. Dabei ist im Gegensatz zum Abrollen eines Antriebsrades
ein berührungsloses
Antreiben ausführbar.
Somit ist ein weicherer Antrieb realisierbar im Vergleich zu einem
abrollenden Gummirad oder dergleichen. Ein Vereisen der Schiene
oder anderweitige Ändern
der Reibwerte der Oberfläche
des Schienenteils führt
nicht zu einer veränderten
Bewegung, da die Antriebskraft erzeugt wird mittels Magnetfeldern.
Solange keine Überlastung
des Antriebssystems auftritt ist das Auftreten von wesentlichem Schlupf
verhindert, wobei wesentlicher Schlupf dann vorhanden ist, wenn
der Schlupfwert der Scheibe größer als
der halbe Winkelabstand zwischen nächstbenachbarten Dauermagneten
der Scheiben ist.
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Selbst
wenn ein Fall von Überlastung
kurzfristig aufgetreten ist, würde
die Scheibe zwar einen Winkelversatz bekommen, aber nur um einen
oder mehrere Abstände
zwischen den Dauermagneten, so dass nach Beendigung der Überlastung
wiederum jeder Dauermagnet jeweiligen Polen der Polstruktur eineindeutig
zugeordnet ist bei der Bewegung entlang der Polstruktur.
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Weiter
ist ein wichtiger Vorteil der Erfindung, dass mittels des Antriebssystems
eine hohe Vortriebskraft erzeugbar ist, indem die Drehzahl der Scheibe
sehr hoch gewählt
wird. Dies ist beispielsweise zum Überwinden des Anfahrmoments
sinnvoll einsetzbar. Für
den Dauerbetrieb, also das bloße Weiterbewegen
des Fahrzeuges und im Wesentlichen Überwinden der Gleitreibung,
ist der synchrone Betrieb sinnvoll, also die viel geringere und
somit energiesparendere Drehzahl für die Scheibe. Außerdem ist
bei der synchronen Betriebsweise eine sehr genaue Winkelsteuerung
ermöglicht.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung wird die Vortriebskraft bis zu
einer ersten Drehzahl der Scheibe im Wesentlichen erzeugt nach dem
Reluktanzmotorprinzip und bei einer Drehzahl, die die erste Drehzahl übersteigt,
ist die Vortriebskraft im Wesentlichen nach dem Wirbelstromprinzip
erzeugt. Von Vorteil ist dabei, dass zum Anfahren und somit Überwinden
der Haftreibung eine hohe Drehzahl und somit ein hohes nach dem
Wirbelstromprinzip erzeugtes Anfahrmoment erzeugbar ist und zum Überwinden
der Gleitreibung, also dem bloßen
Bewegen des Fahrzeugs, eine energiesparende kleine Drehzahl anwendbar
ist.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Schwertteil zwischen den
Scheiben angeordnet. Von Vorteil ist dabei, dass zwei Scheiben verwendbar sind
uns somit eine größere Vortriebskraft
erzeugbar ist.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die ferromagnetischen Bereiche
zur Drehachse der Scheibe hin verbreitert ausgeführt. Von Vorteil ist dabei,
dass eine verbesserte also stärkere
Reluktanzkraft erzeugbar ist. Außerdem ist ein weniger variierender
Kraftverlauf beim Bewegen erzielbar und die Feldführung ist
verbesserbar.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Polstruktur in Bewegungsrichtung
gleichmäßig voneinander
beabstandete ferromagnetische Bereiche auf, insbesondere Stahlbereiche
oder Bereiche aus Ferrit-haltigem Material. Von Vorteil ist dabei, dass
die Herstellung sehr einfach und kostengünstig ist.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung weisen die Dauermagnete in Umfangsrichtung
einen Abstand zu ihrem nächstbenachbarten
Dauermagnet auf, der dem Abstand von Polen der Polstruktur im Wesentlichen
gleicht, insbesondere genau gleicht. Von Vorteil ist dabei, dass
ein Antreiben ohne Schlupf ermöglicht
ist.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das Schwertteil elektrisch
leitfähiges
Material, insbesondere nicht-magnetisches, nicht ferrimagnetisches,
nicht-antiferromagnetisches, nicht-antiferrimagnetisches und/oder
nicht-ferromagnetisches Material, insbesondere Kupfer, Edelmetall
oder Aluminium, und die ferromagnetischen Bereiche sind in Vertiefungen,
Aussparungen oder Ausnehmungen des Schwertteils angeordnet. Von
Vorteil ist dabei, dass in den elektrisch leitfähigen Bereichen Wirbelströme erzeugbar
sind und somit ein Antreiben nach dem Wirbelstromprinzip ermöglicht ist
und dass andererseits die eingelassenen ferromagnetischen Bereiche ein
Antreiben nach dem Reluktanzprinzip ermöglichen, wobei entlang der
Bewegungsrichtung zwischen den ferromagnetischen Bereichen die leitfähigen nicht
magnetischen Bereiche angeordnet sind.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Schwertteil Teilbereich
eines Schienensystems oder einer Schiene, wobei das Schienensystem
oder die Schiene auch Führungsbereiche
für Rollen
des als Fahrzeug ausgebildeten zweiten Teils aufweist, insbesondere
wobei das Schienensystem oder die Schiene einstückig ausgebildet ist. Von Vorteil
ist dabei, dass am Schienensystem einerseits das Stützen und
Führen
des Fahrzeuges ausführbar
ist und andererseits auch das Antreiben, indem das Schwertteil als
Reaktivteil am Schienensystem vorgesehen ist.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist jeder Dauermagnet aus zwei
oder mehr einzelnen Dauermagneten ausgeführt, die senkrecht zur Oberfläche des
jeweiligen Abschnittes übereinander
angeordnet sind. Von Vorteil ist dabei, dass eine kostengünstige und
wenig aufwendige Verstärkung
des Magnetfeldes erreichbar ist.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist jeder Dauermagnet aus zwei
oder mehr einzelnen Dauermagneten ausgeführt, die in Umfangsrichtung nebeneinander
angeordnet sind. Von Vorteil ist dabei, dass ebenfalls eine kostengünstige und
wenig aufwendige Verstärkung
des Magnetfeldes erreichbar ist.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Schwertteil als gestanztes
Stahlblech gefertigt. Von Vorteil ist dabei, dass eine kostengünstige Herstellung
ausführbar
ist.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Scheibe von einem Elektromotor,
insbesondere Synchronmotor, angetrieben. Von Vorteil ist dabei,
dass ein einfach zu regelnder Antrieb einsetzbar ist.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Antriebskraft mittels
Reluktanzkraft erzeugbar, insbesondere bei Vorbeidrehen der Scheiben
am Schwertteil entlang, insbesondere der Scheiben mit ihren Dauermagneten,
wobei ein jeweiliger Dauermagnet den jeweils nächstbenachbarten Pol der Polstruktur am
meisten anzieht. Von Vorteil ist dabei, dass die Vortriebskraft
in sehr kostengünstiger
Weise erzeugbar ist.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist jeweils auf einem mit der
jeweiligen Scheibe drehfest verbundenen Teil eine Stützrolle
gelagert vorgesehen, insbesondere mittels Kugellager gelagert, wobei die
Stützrolle
am Schienensystem oder an der Schiene abrollbar und/oder führbar ist.
Von Vorteil ist dabei, dass ein Abstützen am Schienensystem ausführbar ist
und die Stützrolle
an der Drehachse der Scheibe lagerbar ist, wobei somit das Lager
einer geringeren Differenz der Drehzahlen am Innenring und Außenring
des Lagers ausgesetzt ist.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist am Schienensystem oder an
der Schiene der Abrollbereich oder Führungsbereich für die Stützrolle und/oder
an der Stützrolle
die Außenfläche derart konkav,
insbesondere auf beiden zu den jeweiligen Scheiben zugewandten Seiten
des Schienensystems, dass bei Auslenkung des Fahrzeuges von seiner
Soll-Orientierung Rückstellkräfte zur
Stabilisierung der Soll-Orientierung wirksam sind. Von Vorteil ist
dabei, dass eine Selbstzentrierung in einfacher Weise ermöglicht ist.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung sind Mittel zur Erfassung des
Motorstroms des Elektromotors mit einer derartigen Steuerelektronik
verbunden, dass ein Wert für
Vortriebskraft aus den erfassten Stromwerten bestimmbar ist. Von
Vorteil ist dabei, dass die Vortriebskraft ähnlich zum Drehmoment des Motors
erfassbar ist, also mit einer einfach ausgeführten Struktur in einfacher
Weise.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung wirken Mittel zur Erfassung der
Position in Bewegungsrichtung zusammen mit der Polstruktur, insbesondere wobei
eine mit der Polstruktur zusammenwirkende Lichtschranke vorgesehen
ist zur Erfassung der Position. Von Vorteil ist dabei, dass die
Polstruktur nicht nur für
das Erzeugen von Vortriebskraft sondern auch zur Positionsbestimmung
verwendbar ist.
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Wichtige
Merkmale bei dem Verfahren zum Betreiben einer Anlage sind, dass
- – in
einem zweiten Verfahrensschritt auf eine erste Drehzahl hin geregelt
wird, bei der die Scheibe synchron zur Polstruktur bewegt wird,
insbesondere also ein schlupffreies Bewegen der Scheibe ausführbar ist,
insbesondere im Wesentlichen einer Abrollbewegung einer gleich großen Scheibe am
Schienensystem entlang entsprechend, und
- – in
einem ersten Verfahrensschritt auf eine höhere Drehzahl hin geregelt
wird als die erste Drehzahl, insbesondere beim Anfahren,
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insbesondere
so dass die Vortriebskraft bis zur ersten Drehzahl der Scheibe im
Wesentlichen erzeugt wird nach dem Reluktanzmotorprinzip und bei einer
Drehzahl, die die erste Drehzahl übersteigt, die Vortriebskraft
im Wesentlichen nach dem Wirbelstromprinzip erzeugt wird.
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Von
Vorteil ist dabei, dass beim Anfahren eine hohe Vortriebskraft erzeugbar
ist und bei bloßem Überwinden
der Gleitreibung eine energiesparende Betriebsweise nach einem völlig anderen
zugrunde liegenden motorischen Prinzip ermöglicht ist, nämlich dem
Reluktanzmotorprinzip.
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Weitere
Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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- 1
- ferromagnetische
Trägerscheibe
- 2
- Schwertteil,
insbesondere Schienenteil, mit Zähnen
- 20
- Dauermagnete,
nach außen
gerichtete Nordpole
- 21
- Dauermagnete,
nach außen
gerichtete Südpole
- 40
- ferromagnetische
Bereiche
- 41
- elektrisch
gut leitfähige
Bereiche
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Die
Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:
In der 1 ist
ein Antriebssystem einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in Seitenansicht
schematisch skizziert, wobei ein Fahrzeug eine drehbar gelagerte Scheibe 1 umfasst
und entlang eines Schwertteils 2 einer Schiene bewegbar
ist, die auch nicht gezeigte Schienenteile zur Führung von Stützrollen
aufweist, mit denen das Fahrzeug an der Schiene entlang bewegbar
ist.
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In 2 ist
eine zugehörige
Schrägansicht gezeigt.
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In 3 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt,
das eine weitere Scheibe umfasst, die der ersten Scheibe parallel
gegenüber
angeordnet ist, wobei das Schwerteil 2 zwischen den Scheiben
vorgesehen ist.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel
nach 1 und 2 ist die Scheibe 1 von einem
nicht gezeigten Elektromotor in Drehbewegung versetzbar. Die Scheibe
besteht aus ferromagnetischem Trägermaterial,
an das Dauermagnete verbunden sind. Die Drehachse ist senkrecht
zur Bewegungsrichtung des Fahrzeuges orientiert, so dass entlang
des Umfangs der Scheibe angeordnete Dauermagnete am Schwertteil
vorbeidrehbar sind.
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Am
Außenumfang
der Scheiben sind Dauermagnete 20 mit nach außen gerichtetem
Nordpol oder Dauermagnete 21 mit nach außen gerichtetem Südpol vorgesehen.
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Die
Magnetisierungsrichtung in Umfangsrichtung direkt benachbarter Dauermagnete
ist entgegengesetzt orientiert. Auf einen nach außen gerichtete
Südpol
folgt in Umfangsrichtung also ein nach außen gerichteter Nordpol.
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Das
Schwertteil 2 weist eine kammartige Struktur auf, die aus
einzelnen Zähnen
zusammengesetzt ist. Jeder Zahn weist an seinem zum Fahrzeug hin
gerichteten Endbereich einen verbreiterten Zahnkopf auf.
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Der
Abstand zwischen den einzelnen Zähnen
der kammartigen Struktur des Schwertteils 2 in Bewegungsrichtung
entspricht im Wesentlichen dem Abstand zwischen den Dauermagneten
in Umfangsrichtung.
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Wenn
die Drehzahl der Scheibe im Wesentlichen der Drehzahl eines gedachten,
gleich großen, am
Schwertteil ohne Schlupf abrollenden Rades gleicht, ist eine Erzeugung
von Vortriebskraft in Bewegungsrichtung aufgrund des Reluktanzprinzips
ermöglicht,
da zwischen Zahnkopf und Dauermagnet eine anziehende Wirkung verursacht
wird. Auf diese Weise synchronisiert sich das Fahrzeug auf die Abfolge
der entlang der Bewegungsrichtung vorgesehenen Zähne. Es ist also ein im Wesentliches
schlupffreies Bewegen der Scheibe ermöglicht ohne berührendes
Abrollen an der Schiene.
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Das
Antriebssystem ist für
ein Schienenfahrzeug geeignet, das ein Fahrzeuggestänge aufweist, das
mittels Rollen, insbesondere Stützrollen,
an der Schiene, umfassend Schwertteil und weitere nicht gezeigte
Schienenteile, positionierbar und entlang dieser Schiene verfahrbar
angeordnet ist. An dem Schienenfahrzeug sind sogar zwei Antriebssysteme, nämlich ein
vorderes und ein hinteres, anbringbar.
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Die
Lagerung der Scheibe, insbesondere als Kugellager, ist an dem ebenfalls
in der Figur nicht gezeigten Fahrzeuggestänge vorgesehen.
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Mittels
der weiteren am Fahrzeuggestänge gelagerten
Rollen, wie Stützrollen
und/oder Führungsräder, ist
dann das Fahrzeug auf den weiteren Schienenteilen relativ bewegbar
in Bewegungsrichtung, also entlang dem Schwertteil 2.
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Die
Drehachse der Scheibe 2 ist senkrecht zur Bewegungsrichtung
orientiert. Das Schwertteil ist entlang der Bewegungsrichtung langgestreckt
ausgeführt
und ist vorzugsweise als Stranggussteil fertigbar. Am Schwertteil 2 sind
auch die weiteren Schienenteile einstückig oder mehrstückig ausgeführt vorgesehen,
die zur Führung
der Rollen dienen und zusammen mit dem Schwertteil die Schiene beziehungsweise
das Schienensystem bilden. Vorzugsweise ist das Schwertteil 2 aus
ferromagnetischem Material, wie Stahl oder Stahlblech gefertigt.
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Die
Schiene umfasst also auch Führungsbereiche
für Rollen
und die Schienenteile zur Führung der
Stützrollen.
Dabei ist jede Stützrolle
auf der die Scheibe antreibenden Rotorwelle gelagert vorgesehen.
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In
den Figuren sind die Dauermagnete 20 mit zum Schwerteil
hin ausgerichteten Nordpolen und die Dauermagnete 21 mit
zum Schwerteil hin ausgerichtete Südpolen gezeigt.
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Vorzugsweise
weist das Fahrzeug eine Steuereinheit auf, die den Motor eines vorderen
und eines analog ausgebildeten hinteren Antriebssystems ansteuert,
wobei das Antriebssystem jeweils dem in 1 dargestellten
Ausführungsbeispiel
entspricht.
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Das
Schwertteil ist bei einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel als Stahlblechpaket
ausgeführt,
wobei die Zähne
jeweils ausgestanzt sind. Die Zähne
sind also in einer Ebene angeordnet, deren Normalenrichtung parallel
zur Drehachse angeordnet ist.
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Beim
Ausführungsbeispiel
nach 3 sind zwei Scheiben 1 auf der Drehachse
vorgesehen und werden vom Motor angetrieben. Auf beiden Scheiben sind
wiederum Dauermagnete 20 und 21 vorgesehen, die
voneinander beabstandet sind mittels der kammförmigen Struktur des Schwertteils,
also mittels Zähnen.
Dabei steht jedem Dauermagnet 20 der ersten Scheibe 1 ein
Dauermagnet 21 der zweiten Scheibe 1 direkt gegenüber und
jedem Dauermagnet 21 der ersten Scheibe 1 ein
Dauermagnet 20 der zweiten Scheibe 1.
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Bei
einem erfindungsgemäßen alternativen Ausführungsbeispiel
sind der Motor und die Scheibe 1 stationär angeordnet
und der verfahrbare Anlagenteil umfasst dann das Schwertteil 2 samt
Schienenteilen.
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In 4 ist
das Schwertteil 2 für
ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel
gezeigt. Hierbei besteht das Schwertteil aus einem elektrisch gut
leitfähigen
Material, wie beispielsweise Kupfer, Edelmetall oder Aluminium.
Es ist aber auch das schon erwähnte
Stahlblech, ein Stahlblechpaket oder ein einstückig ausgeführter Stahlkörper verwendbar.
Am Schwertteil sind entlang der Bewegungsrichtung als Polstruktur
ferromagnetische Bereiche 40 vorgesehen, die voneinander
beabstandet sind und sich somit mit elektrisch gut leitfähigen Bereichen 41 abwechseln.
Somit ist es nicht notwendig Zähne
an dem Schwertteil 2 auszubilden sondern die Polstruktur
wird mittels Unterschieden in Materialeigenschaften erzeugt.
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Die
ferromagnetischen Bereiche 40 sind entweder aufgeklebt
auf das Schwertteil 2 oder eingelassen in eine jeweilige
Vertiefung des Schwertteils 2.
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Der
Abstand zwischen den jeweils nächstbenachbarten
Bereichen 41 entspricht wiederum dem Abstand der Dauermagnete
in Umfangsrichtung an der Scheibe 1.
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In 4 sind
die ferromagnetischen Bereiche 40 quaderförmig dargestellt.
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In
weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen
wird statt der quaderförmigen
Ausführung
eine andere Form gewählt.
Vorzugsweise werden die ferromagnetischen Bereiche zur Drehachse
der Scheibe hin verbreitert ausgeführt.
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Auf
diese Weise ist einerseits eine synchrone Betriebsweise ermöglicht,
bei der die Drehzahl der Scheibe im Wesentlichen der Drehzahl einer
entsprechend gleichgroßen
Scheibe entspricht, die eine schlupffreie Abrollbewegung an der
Schiene oder am Schwertteil ausführt.
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Andererseits
ist auch eine asynchrone Betriebsweise ermöglicht, bei der eine sehr viel
höhere Drehzahl
vorsehbar ist. Dabei werden dann derart starke Wirbelströme im Schwertteil
erzeugt, dass eine daraus resultierende Vortriebskraft, die also nach
dem Wirbelstromprinzip erzeugt ist, erzeugt wird, die abhängig von
der Drehzahl größer ist
als die in der synchronen Betriebsweise nach dem Reluktanzprinzip
erzeugbare Vortriebskraft.
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Vorzugsweise
wird also das Schwertteil aus Aluminium oder einer Aluminium-Legierung
als Strangguss hergestellt und es werden ferromagnetische Stahlteile
oder Ferrit-haltiges Material als Polstruktur in Vertiefungen oder
Ausnehmungen eingelassen oder eingeklebt.
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Eine
verschlechterte, aber dennoch erfindungsgemäß funktionstüchtige Ausführung ist
herstellbar, indem man als Schwertteil ein Stahlteil, insbesondere
ein gestanztes Stahlblechteil verwendet, welches in den Aussparungen
oder Ausnehmungen die ferromagnetischen Bereiche oder das Ferrithaltige
Material aufnimmt.
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Anstatt
des Stahlblechteils ist stets auch ein Stahlblechpaket, insbesondere
ein stanzpaketiertes, verwendbar, dessen Stapelrichtung senkrecht
zur Bewegungsrichtung und parallel oder senkrecht zur Drehachsenrichtung
ausgerichtet ist.