DE2326871A1

DE2326871A1 - Elektrische maschine

Info

Publication number: DE2326871A1
Application number: DE2326871A
Authority: DE
Inventors: John Frederick Eastham; Eric Roberts Laithwaite
Original assignee: Tracked Hovercraft Ltd
Current assignee: Tracked Hovercraft Ltd
Priority date: 1972-05-25
Filing date: 1973-05-25
Publication date: 1973-12-06
Also published as: FR2185887A1; US3836799A; DE2326871C2; JPS4950413A; GB1373054A; CA979086A; JPS5632854B2; FR2185887B1

Description

Die Erfindung betrifft elektrische Maschinen der Bauart» bei welcher ein Körper auf elektromagnetischem Wege in einem freischwehenden Zustand gehalten wird.

Wenn ein Flachmaterialstück aus einem unmagnetischen, elektrisch, leitenden Material so angeordnet wird* daß eine Seite des Flachmaterialstücks einem Elektromagneten zugewandt ist, der mit Hilfe eines Wechselstroms erregt wird, ist bekanntlich zu beobachten, daß sich der Elektromagnet und das Flachmaterialstück gegenseitig abstoßen. Ferner ist bekannt, daß es bei bestimmten Gestaltungen der Elektromagnete möglich ist, das elektrisch leitende Flachmaterialstück mit Hilfe dieser Abstoßungskraft stabil zu unterstützen. Eine Ausführungsform für solche Elektromagnete bzw. einen Primärteil, die bereits zu diesem Zweck benutzt wurde, ist von E.R. Laithwaite in einer Arbeit mit dem Titel "Propulsion Without Wheels", English Universities Press, 1966, S. 190 bis 196, beschrieben worden; zu diesem Primärteil gehören zwei langgestreckte Kerne aus magnetischem Werkstoff-, die jeweils einen E-förmigen Querschnitt haben; bei federn dieser Kerne sind Wicklungen um den mittleren "Zahn" der Ε-Form herumgelegt, und die Kerne sind durch einen solchen Abstand getrennt,

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ORiGJMAl. INSPECTBÜ

daß der Abstand zwischen den mittleren "Zähnen" der beiden Kerne annähernd gleich der Breite des elektrisch leitenden Flachmaterial Stücks ist.

P. Hochhausler hat in einem Artikel mit dem Titel "Die magnetische Schwebebahn" in der Elektrotechnischen Zeitschrift, Teil B, Band 23 (1971), S. 311 bis 313, eine elektromagnetische Vorrichtung zum -herbeiführen eines freischwebenden Zustandes beschrieben, bei der der Primärteil eine Reihe von paarweise angeordneten Elektromagneten aufweist, die E-förmige Kerne haben, und die so orientiert sind, daß sich ihre Lamellen in der Längsrichtung erstrecken; in diesem Fall sind Wicklungen auf allen drei Schenkeln der E-förmigen Kerne angeordnet. Der Sekundärteil ist in Form eines Flachmaterialstücks aus Aluminium ausgebildet, und wenn die Wicklungen durch einen einphasigen Wechselstrom erregt werden, wird das Flachmaterialstück aus Aluminium oberhalb dem Primärteil stabil unterstützt. Wird dagegen jede der drei Wicklungen Jedes Kerns mit einer bestimmten Phase eines dreiphasigen Wechselstroms erregt, wird der Sekundärteil nicht nur über dem Primärteil in der Schwebe gehalten, sondern er wird so angetrieben, daß er sich in der Längsrichtung bewegt.

Durch die Erfindung ist nunmehr eine elektrische Maschine geschaffen worden, zu der ein Sekundärteil mit einem elektrisch leitenden Material sowie ein Primärteil gehören; der Primärteil weist einen Kern aus magnetischem Werkstoff auf, der mindestens zwei Reihen von Polflächen besitzt, die dem Sekundärteil gegenüberliegen und so angeordnet sind, daß sie Leitungswege für einen Arbeitsfluß bilden, welche sich zwischen den Beinen von Polflächen in zu diesen Reihen im wesentlichen rechtwinkligen Ebenen erstrecken; der Sekundärteil ist so ausgebildet, daß er sich in der Längsrichtung erstreckende Leitungswege für Jeden Strom auf Jeder Seite Jeder Reihe von Polflächen sowie sich in der Querrichtung erstreckende Leitungswege bildet, welch letztere die in der Längsrichtung verlau—

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fenden Leitungswege miteinander verbinden; der Primärteil ist so ausgebildet, daß er dann, wenn er mit Hilfe eines mehrphasigen Wechselstroms erregt wird, ein Magnetfeld erzeugt, durch das zwischen dem Primärteil und dem Seliundärteil eine Kraft hervorgerufen wird, die erste Komponenten aufweist, welche bestrebt sind, den Primärteil und den Sekundär.teil in einem Abstand voneinander zu halten, ferner zweite Komponenten, die bestrebt sind, den Primärteil und den Sekundärteil in JTluchtung miteinander zu halten, und zwar im rechten Winkel zu den Reihen von Polflächen sowie dritte Komponenten, die bestrebt sind, eine Relativbewegung zwischen dem Primärteil und dem Sekundär— teil parallel zu den Reihen von Polflächen herbeizuführen·

Bei der elektrischen Maschine nach der Erfindung handelt es sich somit gleichzeitig um einen Linearmotor und um eine Yorrichtung zum Herbeiführen eines Schwebezustandes.

Der Sekundärteil weist vorzugsweise ein Flachmaterialstück aus einem elektrisch leitenden Werkstoff auf.

Wenn ein stabiler Schwebezustand aufrechterhalten werden soll, muß die Breite des Sekundärteils bei jedem 'während des Betriebs vorkommenden Abstand zwischen dem Sekundärteil und dem Primärteil so gewählt sein, daß dann, wenn der Sekundärteil eine Kippbewegung gegenüber dem Primärteil ausführt, oder wenn eine Annäherung zwischen dem Primärteil und dem Sekundärteil stattfindet, eine erhebliche Änderung des den Sekundärteil durchsetzenden Magnetflusses herbeigeführt wird. Ist der Sekundärteil zu schmal, durchsetzt der Magnetfluß den Raum zwischen dem Sekundärteil und dem Primärteil, ohne den Sekundärteil zu schneiden. Ist der plattenförmige Sekundärteil dagegen zu breit, durchschneidet im wesentlichen der gesamte Magnetfluß die Platte bei jeder beliebigen Neigung und bei jedem beliebigen Abstand zwischen dem Primärteil und dem Sekundärteil. Ist die Breite des Sekundärteils auf einen

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kleinen Betrag größer als die ideale Breite, zeigt es sieh, daß er seine größte Stabilität bei einem Abstand vom Primärteil aufweist, der etwas größer ist als der Abstand_s bei dem ein etwas schmalerer Sekundärteil die größte Stabilität aufweisen würde» Es sei bemerkt, daß die Torstehenden Ausführungen natürlich in gleicher Weise für den Fall gelten, daß der Primärteil bewegbar und der Sekundärteil ortsfest angeordnet ist.

Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an Aüsführungsbeispielen näher erläutert« Es zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Teildarstellung einer Ausführungsform einer elektrischen Maschine;

Fig. 2 einen verkleinerten Querschnitt längs der Linie H-II in Fig. 1;

Fig. $ einen Fig. 2 ähnelnden, verkleinerten Querschnitt einer zweiten Ausführungsform einer elektrischen Maschine;

Fig. 4- und 5 Beanspruchungsdiagramme, aus denen die Kräfte ersichtlich sind, die auf einen Sekundärteil durch einen Primärteil nach Fig. J aufgebracht werden|

Fig. 6 den Grundriß einer abgeänderten Wicklungsanordnung zur Verwendung bei der Ausführungsform nach Fig.' und 2;

Fig. 7 einen Teil einer Seitenansicht der Wicklungsanordnung nach Fig. 5;

Fig. 8 einen Querschnitt durch eine dritte Ausfüfa.-rungsform einer elektrischen Maschine 5

Fig, 9 einen Querschnitt durch eine vierte Ausfüh— rungsform einer elektrischen Maschine ;. und

Fig. 10 einen Querschnitt durch eine fünfte Ausführungsform einer elektrischen Maschine®

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Bei der in Fig. 1 und 2 dargestellten elektrischen Maschine nach der Erfindung zum Erzeugen eines Schwebezustandes weist der ^rimärteil einen Satz von U-förmigen Kernen 10, 11 und 12 auf, die sich aus Lamellen aus einem magnetischen Werkstoff zusammensetze^ und auf deren mittleren Abschnitten jeweils eine Wicklung eines Satzes ■von Wicklungen 14, 15 und 16 angeordnet ist. Die Kerne 10, 11 und 12 sind durch seitliche Bauglieder 18 und 20 fest miteinander ■ verbunden,,

Der Sekundärteil besteht aus einem Flachmaterial-■ stück 22j das aus einem unmagnetischen, elektrisch leitenden Werkstoff wie Aluminium hergestellt ist- Die Gesamtlänge des Flachmaterialstücks 22 bezogen auf die Erstrekkungsrichtung der parallelen seitlichen Bauglieder 18 und 20 ist erheblich größer als die Länge άβψ Primärteils.

Y/erden die Wicklungen 14, 15 und 16 des Primär teils mit einem einphasigen Wechselstrom erregt, wird eine reine Levitationswirkung hervorgerufen, d.h. der*Primärteil wird über dem Sekundärteil 22 unterstützt und in seitlicher Richtung so stabilisiert, daß er in Fluchtung mit dem Sekundärteil gehalten wird. Zwar tritt zwischen dem Primärteil und dem Sekundärteil keine in der Längsrichtung wirkende Kraft auf, doch läßt sich der Primärteil in der Längsrichtung ungehindert gegenüber dem Sekundärteil bewegen.

Werden dagegen die aufeinander folgenden Wicklungen 14, 15 und 16 des Primärteils mit den ihnen zugeordneten, aufeinander folgenden Phasen eines mehrphasigen Wechselstroms erregt, wird zusätzlich zu der bei der einphasigen Erregung hervorgerufenen Levitationswirkung ein wanderndes Magnetfeld erzeugt, das sich in der Längsrichtung bewegt, so daß der Primärteil jetzt bestrebt ist, sich gegenüber dem Sekundärteil in der Längsrichtung zu bewegen. Wie zuvor wird der Primärteil über dem Sekundärteil in der ' Schwebe gehalten und gegenüber dem Sekundärteil in seitlicher Richtung stabilisiert.

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Gemäß Fig. 3> "die Fig. 2 ähnelt, kann' man jede der ' Wicklungen 14, 15 und 16 in zwei Abschnitte 23 und 24 unterteilen und jeden dieser Abschnutte jeweils auf einem der Schenkel des betreffenden Kerns anordnen,,

Durch Messungen wurde festgestellt, daß dann, wenn die Anordnung nach Fig. 3 mit einem einphasigen Wechselstrom so erregt wird, daß die Ströme in allen Wicklungen in der gleichen Richtung fließen, die in dem den Sekundärteil bildenden Flachmaterialstück 22 induzierten Ströme praktsieh Bilder der durch die Primärwicklungen 23 und 24 fließenden Ströme bilden. Mit anderen Worten, längs des ■ mittleren Teils des FlachmaterialStücks unter den Längsschlitzen der Kerne fließt der Strom in der Längsrichtung, und Eückleitungswege für den Strom erstrecken sich längs der Bänder der Platte 22.

Fig. 4 und 5 veranschaulichen die Kräfte, die auf den Sekundärteil durch eine Anordnung aufgebracht werdeB, die derjenigen nach Fig. 3 ähnelt₉ be.i ^r"-sr- jedoch als Sekundärteil ein z.B. aus Aluminium bestehendes Flachmaterialstück 26 vorhanden ist, das etwas breiter ist als der Primärteilkern 28, und das über dem Primärteil angeordnet ist, um in der Schwebe gehalten zu werden» Die Spannungswerte wurden nach dem Verfahren von Maxwell auf der Basis von Messungen der Flußverteilüng in unmittelbarer Nähe der Platte 26 berechnet. Die Spannungswerte sind an den verschiedenen Punkten längs der Mittelebene der Platte als Pfeile in Form von Vektoren dargestellt. Aus Fig, 4- ist ersichtlich, daß dann, wenn die Platte 26 symmetrisch zu dem Kern 28 angeordnet -ist, nach oben gerichtete Kräfte erzeugt werden, die auf den mittleren Teil der Platte wirken, ferner nach innen gerichtete Kräfte, die nahe den Längskanten der Platte entstehen_s sowie nach außen gerichtete Kräfte," die zwischen der Mittelebene und der Längskante zur Wirkung kommen» Ist die Platte 26 jedoch gemäß Fig. 5 gegenüber dem Kern 28 seitlich versetzt^ nehmen die nach innen gerichteten Stabilisierungskräfte

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auf der Seite, zu welcher die Platte versetzt ist, zu_s wahrend die nach außen gerichteten JKräfte an dem mittleren Teil der Platte näher benachbarten Punkten keine große Änderung erfahrene

Bei der Anordnung nach S¹Ig₀ 1 und 2 sowie bei derjenigen nach J¹Ig₀ 3* "bei denen der Primärteil über dem Sekundärteil in der Schwebe gehalten wird, ist der Sekundärteil gewöhnlich erheblich länger als der Primärteil. Bei einem Transportsystem für hohe Geschwindigkeiten würde der Primärteil z_oB. einen Bestandteil des Fahrzeugs bilden_s während der Sekundärteil die Aufgabe eines Gleises übernehmen würde« Gemäß der Erfindung ist jedoch auch daran gedacht, daß der Primärteil unter dem Sekundärteil angeordnet sein könnte, um den Sekundärteil zu unterstützen. In diesem Pail würde üblicherweise der ^rimärteil eine erheblich größere Länge haben als der Sekundärteil. Z¥/ar kann in jedem Fall entweder der Primärteil oder der Sekundärteil das längere Element bilden, doch muß das kürzere Element ständig innerhalb der Begrenzungen des längeren Elements verbleiben, wenn ein stabiler Schwebezustand aufrechterhalten werden soll.

Fig. 6 und 7 zeigen eine abgeönderte Ausführungsform von. Y/icklungen für den Primärteil der Anordnung nach Fig. 1 und 2, bei der mit einem dreiphasigen Wechselstrom gearbeitet wird«, Eine ähnliche Anordnung kann in Verbindung mit der Ausführungsform nach. Fig. 3 vorgesehen werden. Wie zuvor setzt sich die Kernkonstruktion aus einem Satz gleichartiger U-förmiger Kernabschnitte zusammen, von denen in Fig. 6 neun Abschnitte 36 bis 44 dargestellt sind. Jede Wicklung-umschließt drei Kernabschnitte, und jeder Kernabschnitt ist von drei Wicklungen umschlossen, von denen für jede Phase je eine vorhanden ist; die Wicklungen für einander benachbarte Phasen sind jeweils um einen Kernabschnitt gegeneinander versetzt. Beispielsweise umschließt die rote Phasenwicklung 46 die Kernabschnitte 36, -37 38, die blaue Phasenwicklung 47 umschließt die Kernab-

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schnitte 37) 38 ^und 39, die gelbe Phas entwicklung 48 umschließt die Kernabschnitte 38, 39 und 4O₅ die nächste rote Phasenwicklung 49 umschließt die Kernabschnitte 39» 40 und 41 usw. Gemäß Fig. 6, wo die Buchstaben E, Y und B die Phasen der Ströme in den senkrechten Teilen der Wicklungen bezeichnen, die sich durch die so bezeichneten Spalte zwischen benachbarten Kernabschnitten erstrecken, fließen die Ströme in benachbarten- Wicklungen der gleichen Phase, z.B. den Wicklungen 36 und 39» in entgegengesetzten Richtungen. Gemäß Fig. 7» wo nur die roten Phasenwicklungen dargestellt sind, verläuft der Rückleitungsweg der Wicklungen über die Rückseiten der Kernabschnitte.

Fig. 8 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der sich der Primärteil aus zwei Einheiten 50 und 51 zusammensetzt, von denen jede im wesentlichen ebenso ausgebildet ist wie der Primärteil der Ausführungsform nach Fig. 1 und 2 oder der Primärteil der Ausführungsform nach Fig. 4 und 5. Die beiden Einheiten 50 und 51 des Primärteils sind nebeneinander angeordnet, und ihre Wicklungen sind so an die Wechselstromquelle angeschlossen, daß die Ströme in benachbarten Windungen in der gleichen Richtung fließen und bei der Speisung mit einem mehrphasigen Wechselstrom jeweils die gleiche Phase haben. Der Sekundärteil 52 besteht aus einer Aluminiumplatte, deren Breite annähernd gleich der Gesamtbreite des Primärteils ist.

Fig. 9 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der sich der Primärteil aus zwei parallelen Reihen 54 und 56 von Kernabschnitten zusammensetzt, die einen allgemein E-förmigen Querschnitt haben. Der Sekundärteil besteht aus einer Platte 58 aus einem elektrisch leitenden, unmagnetischen Werkstoff, z.B. Aluminium. Die Breite der Platte 58 entspricht annähernd dem Abstand zwischen den mittleren Zähnen der beiden Reihen von Kernabschnitten des Primärteils. Bei den Wicklungen handelt es sich um an der Oberfläche angeordnete Wicklungen, welche die mittleren Zähne der E-förmigen Kernabschnitte

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umschließen, und sie können in Form gesonderter Wicklungen für jeden Kernabschnitt ausgebildet sein, wie es bezüglich -der Ausführungsform nach Fig. 1 und 2 beschrieben wurde. Alternativ können die verschiedenen Wicklungen jeweils mehrere Kerne umschließen, z.B. auf eine Weise, die der Anordnung nach Fig. 6 gleichwertig ist. Die Wicklungen sind so geschaltet, daß die Sichtung des Stroms in dem inneren Schlitz jedes Kernabschnitts die gleiche ist wie in dem inneren Schlitz des benachbarten Kernabschnitts der anderen Reihe.

I¹Xg. 10 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, die derjenigen nach Fig. 9 ähnelt, abgesehen davon, daß die Ströme in den Wicklungen der Kernabschnitte der Reihe 56 in der entgegengesetzten Richtung fließen, so daß die Richtung des Stroms im inneren Schlitz jedes Kernabschnitts die gleiche ist wie die Flußrichtung im äußeren Kernschlitz des benachbarten Kernabschnitts der anderen Reihe. ⁱ

Bei allen Ausführungsformen nach Fig. 8 bis 10 kann der Primärteil über dem Sekundärteil.angeordnet sein, so daß nicht der Sekundärteil, sondern der Primärteil auf elektromagnetischem Wege im Schwebezustand gehalten wird.

Patentansprüche; 309849/1026

Claims

PATENTA NS P E Ü C H E

1.) Elektrische Maschine mit einem Sekundärteil, der elektrisch leitendes Material aufweist, sowie mit einem Primärteil, der einen Kern aus magnetischem Material besitzt, welcher mit mindestens zwei Reihen von dem Sekundärteil gegenüberliegenden Polflächen versehen ist und Mehrphasenwicklungen trägt, und bei der der Sekundärteil so ausgebildet und angeordnet ist, daß er in der Längsrichtung verlaufende Leitungswege für elektrische Ströme auf dieser Seite jeder Reihe von Polflächen sowie quer dazu verlaufende Leitungswege für elektrische Ströme bildet, welch letztere die in der Längsrichtung verlaufenden -^e i— tungswege miteinander verbinden, dadurch g e k e η η ζ e ic h η e^t , daß der Kern (10, 11, 12; 28; 36 bis 44-) des Primärteils so ausgebildet und angeordnet ist, daß er Leitungswege für einen Arbeitsfluß zwischen den Polflächen in Ebenen bildet, die im wesentliciien im rechten Winkel zn den Reihen van Polflächen verlaufen, und daß der Primärteil so ausgebildet und angeordnet ist, daß er bei seiner Erregung mit einem mehrphasigen Wechselstrom ein Magnetfeld hervorruft, das zwischen dem Primärteil und dem Sekundärteil eine Kraft erzeugt, die erste Komponenten aufweist, welche bestrebt sind, den Primärteil und den Sekundärteil (22; 26) in einem Abstand voneinander zu halten, ferner zweite Komponenten, die bestrebt sind, den Primärteil und den Sekundärteil in einer Richtung im rechten Winkel zu den Reihen von Polflächen in Fluchtung miteinander zu halten, sowie dritte Komponenten, die bestrebt sind, eine Relativbewegung des Primärteils und Sekundärteils parallel zu den Reihen von Polflächen herbeizuführen.

2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Sekundärteil ein 5¹I achmaterial stück (22; 26) aus einem elektrisch leitenden^ unmagnetischen Werkstoff aufweist.

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3. Elektrische Maschine nach" Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Kern des Primärteils eine Reihe von Baugliedern (10, 11, 12) von U-förmigem Querschnitt aufweist.

4. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß sich der Primärteil aus zwei nebeneinander angeordneten Abschnitten (50, 511 54-» 56) zusammensetzt, und daß zu jedem Abschnitt mindestens zwei Reihen von dem Sekundärteil (52; 58) gegenüberliegenden Polflächen und ein ihm zugeordneter Satz von Mehrphasenwicklungen gehören.

5. Elektrische Maschine, dadurch gekennzeichnet, daß zu jedem Abschnitt (50, 515 54, 56) des Primärteils eine Reihe von Baugliedern von U-förmigem Querschnitt gehört.

6. Elektrische Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß zu jedem Abschnitt (50, 51» 54, 56) des Primärteils Bauglieder von E-förmigem Querschnitt gehören.

7. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 3j oder 6, dadurch gekennzeichnet , daß zu den Mehrphasenwicklungen ein Satz von !wicklungen (46, 47, 48) gehört, und daß jede dieser Wicklungen mindestens zwei einander benachbarte Bauglieder (36 bis 44) des Kerns des Primärteils umschließt.

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