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Meßeinrichtung zur Erfassung des Schlupfes eines
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synchronen Linearmotors Die Erfindung betrifft eine Meßeinrichtung
zur Erfassung des Schlupfes eines synchronen Linearmotors, insbesondere eines Langstatormotors,
dessen Erreger als Translator ausgebildet ist und dessen langgestreckter Stator
mit einer Wanderfeldwicklung belegt ist, die von einem ortsfesten steuerbaren Umrichter
nach Maßgabe einer Steuer- und Regeleinrichtung mit veränderbarer Spannung und Frequenz
gespeist wird.
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Als Antriebssysteme für fahrweggebundene Triebfahrzeuge, insbesondere
für Hochleistungsschnellbahnen, kommen vorzugsweise Linearmotoren in Betracht. Unter
den verschiedenen Ausführungsformen von Linearmotoren zeichnet sich der synchrone
Linearmotor durch einen guten Wirkungsgrad und durch eine einfache Energieübertragung
aus.
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Ein synchroner Linearmotor-besteht aus einer Wanderfeldwicklung und
einem Erreger. Der Erreger ist als Translator ausgebildet und auf dem Triebfahrzeug
angeordnet.
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Als Erreger wird entweder ein Permanentmagnet oder eine von Gleichstrom
durchflossene Erregerwicklung verwendet, die sich über die gesamt Fahrzeuglänge
erstrecken kann.
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Als Stator ist eine Wanderfeldwicklung entlang der Trasse verlegt.
Die Wanderfeldwicklung, die im allgemeinen als Dreiphasenwicklung ausgebildet ist,
erzeugt nach Maßgabe der eingespeisten Spannung und Frequenz ein in Längsrichtung
der Trasse laufendes Wanderfeld, welches das Triebfahrzeug mitnimmt. Wegen der außergewöhnlichen
Länge des Stators wird ein derartiger synchroner Linear-
motor auch
als synchroner Langstatormotor bezeichnet.
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Die gesamte Fahrstrecke ist in eine Anzahl von Streckenabschnitte
unterteilt, wobei jedem Streckenabschnitt eine Wanderfeldwicklung zugeordnet ist
und~die einzelnen Wanderfeldwicklungen des so gebildeten vielteiligen synchronen'Li-nearmotors
von einer Anzahl von steuerbaren statischen Umrichtern gespeist-sind, die entlang
der Trasse verteilt angeordnet sind. Die Umrichter sind hinsichtlich der a gegebenen
Spannung und der abgegebenen Frequenz steuerbar und-werden in Abhängigkeit von der
Po,lstellung des Erregers getaktet. Die Polstellung des Erregers kann mit einer
Meßanordnung erfaßt werden-, wie sie beispielsweise in der deutschen Offenlegungsschrift
26 10 752 beschrieben ist.
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Aufgrund der Taktung der Umrichter:in--Abhängigkeit von der meßtechnisch
erfaßten Polstellung des Erregers bewegt sich im normalen Betrieb der Erreger-mit-der
Geschwindigkeit des Wanderfelds. Die Polstellung kann sich zwischen plus 90° el
beim Beschleunigen und minus 90° el beim Bremsen verändern. Durch einen Fehler -oder
einen Defekt in der Polstellungserfassung, der Übertragungseinrichtung oder der
Steuer- und Regeleinrichtung oder durch -andere, nicht vorhersehbare Einflüsse5
kann es zu einem Schlupf zwischen Erreger und Stator kommen. Bei einem Schlupf stimmt
die Geschwindigkeit des Erregers nicht mehr mit der Geschwindigkeit des Wanderfeldes
überein. Die betriebsmäßig zulässigen Grenzen von + 900 el bei der Veränderung der
Polstellung werden überschritten und es kommt zu einer Relativbewegung zwischen
dem Wanderfeld und dem Erreger. Beim Schlüpfen eines synchronen Linearmotors treten
periodische Kräfte in Fortbewegungsrichtung und in Richtung senkrecht zur rasse
auf, die
däs Triebfahrzeug und die Fahrbahn unzulässig stark beanspruchen.
Insbesondere'bei einer aufgeständerten Bauweise der Trasse stellen schon kleine
Schwingungsamplituden im Bereich der Eigenfrequenz der Träger eine Gefahr für das
Bauwerk dar. Diese Gefahr ist bei einer aus Betonteilen errichteten Trasse besonders
groß. Ein Schlüpfen des synchronen Ljnearmotors muß daher zuverlässig verhindert
werden.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßeinrichtung
zu schaffen, die rasch und zuverlässig ein Schlüpfen des synchronen Linearmotors
erfaßt.
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Erfindungsgemäß wird hierzu eine Meßeinrichtung mit folgenden Merkmalen
vorgeschlagen: a) Das Meßwerk der Meßeinrichtung ist im Streufeld zwischen dem Stator
und dem Erreger des Linearmotors angeordnet, b) das Meßwerk der Meßeinrichtung ist
nach dem Prinzip eines Hysteresemotors aufgebaut und enthält einen Hystereseläufer
und eine Anordnung zur Erfassung von Drehbewegungen des Hystereseläufers, sowie
eine Anordnung zur Streuflußführung, c) die Anordnung zur Streulußführung ist mit
einer Anzahl von Polschuhen verbunden, die in einer Reihe in Längsrichtung des Linearmotors
in einer Ebene angeordnet und- dem Stator des Linearmotors zugewandt sind, d) die
Meßeinrichtung enthält ferner eine der Anordnung zur Erfassung von Drehbewegungen
des Hystereseläufers nachgeordnete Auswerteeinrichtung.
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Die erfindungsgemäße Meßeinrichtung geht davon aus, daß beim Synchronlauf
eine feste Zuordnung zwischen der Stellung des Erregers und dem Statorstrombelag
gegeben ist. Der Streufluß zwischen Erreger und Stator ist ein Maß für die Lage
des Statorstrombelages. Bei einem Schlüpfen des synchronen Linearmotors bewegt sich
das vom Statorstrombelag erregte magnetische Streufeld relativ zum Erreger und damit
auch relativ zum Meßwerk der Meßeinrichtung. Es entstehen periodische Veränderungen
des Streufeldes, die den Hystereseläufer des Meßwerkes in Drehung ' versetzen. Die
Drehung des Hystereseläufers wird abgetastet und ausgewertet. übersteigt die Änderungsgeschwindigkei,t
der Polstellung einen vorgegebenen Grenzwert, so wird der anspeisende Umrichter
gesperrt.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann die Anordnung
zur Erfassung der Drehbewegung des Hystereseläufers eine auf der Läuferachse befestigte,
mit Markierungen versehene Scheibe oder einem Zeiger und eine berührungslose Abtasteinrichtung
umfassen,insbesondere eine Gabellichtschranke oder eine Reflexionslichtschranke.
Durch die berührungslose Abtasteinrichtung werden Rückwirkungen auf das Meßwerk
ausgeschlossen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt
und wird im folgenden näher beschrieben.
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Es zeigen: FIG 1 eine schematis-che Darstellung eines Triebfahrzeuges
mit einem synchronen Linearmotor, FIG 2 einen Schnitt durch das Meßwerk einer erfindungsgemäßen
Meßeinrichtung.
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FIG 3 einen Querschnitt durch das Meßwerk einer erfindungsgemäßen
Meßeinrichtung.
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FIG 1 zeigt ein Triebfahrzeug, das mit einem synchronen Linearmotor
ausgestattet ist. Im Triebfahrzeug ist der Erreger 1 angeordnet. Der langestreckte
Stator 2 enthält ein Ständerblechpaket mit Nuten, in die eine dreiphasige -Wanderfeldwicklung
3 eingelegt ist. Zur einfacheren Darstellung ist nur eine Phase der Wanderfeldwicklung
3 schematisch dajrgestellt. Die Wanderfeldwicklung 3 wird von einem Umrichter 4
mit veränderbarel Spannung und Frequenz gespeist. Der Umrichter 4 kann in bekannter
Weise aus einem von einem Drehstromnetz gespeisten Gleichrichter, einem Gleichstrom-
oder Gleichspannungszwischenkreis und einem dreiphasigen Wechselrichter bestehen.
Der Umrichter 4 wird von einer Steuer- und Regeleinrichtung 5 getaktet. Im Streufeld
zwischen dem Stator 2 und dem Erreger 1 ist das Meßwerk 14 einer erfindungsgemäßen
Meßeinrichtung angeordnet.
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Die Signale des Meßwerkes werden in einer Auswerteeinrichtung 10 ausgewertet.
Sobald ein Schlüpfen des synchronen Linearmotors festgestellt wird, wird ein Schlupfsignal
über eine im Trieb fahrzeug angeordnete Sendeeinrichtung 12 an eine Empfangseinrichtung
13 gesendet, die in die Steuer- und Regeleinrichtung 5 eingreift und den Umrichter
4 sperrt.
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Die erfindungsgemäße Meßeinrichtung ist sowohl zur Erfassung des Schlupfes
bei einem eisenlosen synchronen Linearmotor, als auch bei einem eisenbehafteten
synchronen Linearmotor geeignet, wie er in FIG 1 dargestellt ist.
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FIG 2 zeigt das Meßwerk der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung über
dem Stator 2 im Detail. In den Nuten des Statorblechpakets sind die Leiter der dreiphasigen
Wanderfeldwicklung mit den Buchstaben RST bezeichnet, wobei die Stromrichtung durch
ein Vorzeichen erläutert
wird. Es wird angenommen, daß sich augenblicklich
an den mit (N)'bezeichneten Stellen magnetische Nordpole und an den mit (S) bezeichneten
Stellen magnetische Südpol befinden.
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Das Meßwerk der Meßeinrichtung ist nach dem Prinzip eines Hysteresemotors
aufgebaut, wie es beispielsweise beschrieben ist in Göddeke zur Hysteresemotor,
Technische Mitteilungen Krupp - Werkstoffe (20), 1962, Seite 83 bis 87. Der Hystereseläufer
6 ist vorzugsweise reibungsarm gelagert. Dargestellt ist ein Mantelläufer mit einem
Mantel aus einem Werkstoff mit deutlich ausgeprägten Hysterese-Eigenschaften und
einem Kern aus magnetischem oder nichtmagnetischem Material. Der Hystereseläufer
6 kann jedoch auch als Volläufer oder als Rohrläufer ausgebildet sein. Als Hysteresewerkstoff
wird ein Werkstoff mit niedriger Koerzitiv-Feldstärke und hohen Ummagnetisierungsverlusten
verwendet. Die Koerzitiv-Feldstärke darf nicht wesentlich über der Aussteuerungsfeldstärke
liegen, damit der Hysteresewerkstoff vom Drehfeld auch ummagnetisiert werden kann.
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Der Hystereseläufer 6 ist mit einer Anordnung 7 zur Streuflußführung
umgeben, die aus lamellierten Blechpaketen besteht, an denen Polschuhe 8 befestigt
sind.
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Die Polschuhe 8 sind in einer Reihe in Längsrichtung des Linearmotors
in einer Ebene angeordnet und dem Stator 2 des Linearmotors zugewandt. Der Abstand
a zweier Polschuhe entspricht jeweils einer halben Polteilung tp oder einem ganzzahligen
Vielfachen einer halben Polteilung, wenn - wie dargestellt - eine Streuflußführung
7 mit vier Polschuhen gewählt ist. Bei einer Streuflußführung mit drei Polschuhen
würde der Abstand zwischen den Polschuhen 2tp betragen.
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3 p
Auf der Achse des Hystereseläufers 6 ist als
Anordnung zur Erfassung seiner Drehbewegung eine Scheibe 9 be--festigt, die mit
einer berührungslosen Abt'asteinrichtung 11 zusammenwirkt. Der Abtasteinrichtung
11 ist eine Auswerteeinrichtung 10 nachgeordnet.
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Bei der angenommenen magnetischen Polarisierung des Stators 2 bilden
sich in der Anordnung 7 zur Streuflußführung magnetische Nordpole (N) und Südpole
(S) aus.
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Im normalen Betrieb ohne Schlupf wandert'der Statorstrombelag und
damit der Streufluß mit der gleichen Geschwindigkeit wie das Meßwerk der Meßeinrichtung.
Der Hystereseläufer 6 steht still. Bei einem Schlupf des synchronen Linearmotors
wandert das vom Statorstrombelag erregte mägnetische Streufeld. relativ zum Meßwerk.
Durch die Streuflußführung über die Polschuhe 8 und das lamellierte Blechpaket 7
zur Streuflußführung entsteht im Bereich des Hystereseläufers 6 ein umlåufendes
magnetisches Drehfeld, das den Hystereseläufer 6 in eine Drehbewegung versetzt.
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Bei einem plötzlich auftretenden Schlupf überläu-ft das magnetische
Drehfeld zunächst den Hystereseläufer 6.
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Die Feldstärke des Drehfeldes erzeugt im Hysteresewerkstoff einen
verzerrten Induktionsverlauf, dessen Nulldurchgänge aufgrund des Hystereseeffekts
um eine Phasenverschiebung gegenüber der Feldstärke nacheilen. Die Phasenverschiebung
ist unabhängig von der Schlupfgeschwindigkeit und wird lediglich von der Feldstärke
des Drehfeldes und vom verwendeten Hysteresewerkstoff bestimmt. Als Folge des Nacheilens
der Induktion im Hystereseläufer 6 gegenüber dem Drehfeld in der Anordnung 7 zur
StreufluRführung wird auf den Hystereseläufer 6 ein Drehmoment ausgeübt und der
Hystereseläufer 6
wird beschleunigt. Das Drehmoment ist konstant
und der Fläche der Hystereseschleife proportional. Der Hystereseläufer 6 läuft bis
zum Erreichen eines Synchronlaufes hoch. Beim Übergang vom asynchronen Hochlauf
zum synchronen Lauf bilden sich im Hysteresewerkstoff ortsfeste Magnetpole aus,
die dem Drehfeld in der Anordnung 7 zur Streuflußführung folgen. Im Synchronlauf
ähnelt das Verhalten des Meßwerkes einen Synchronmotor mit permanentmagnetischem
Läufer.
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FIG 3 zeigt schematisch einen Querschnitt durch das Meßwerk. Die Scheibe
9 ist mit einem oder mehreren Löchern versehen, die mit einer Gabellichtschranke
15 zusammenwirken. Die Gabellichtschranke 15 enthält im einen Gabelarm eine Lumineszenzdiode
16 und im anderen Gabelarm einen Fototransistor 17. Die Signale des Fototransistors
17 werden der Auswerteeinrichtung 10 zugeführt. Die Auswerteeinrichtung 10 enthält
insbesondere eine Grenzwertschaltung, mit der Signale unterdrückt werden, die durch
die betriebsbedingte Polstellungsänderung von + 900 el zwischen Beschleunigen und
Bremsen hervorgerufen werden.
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3 Figuren 2 Patentansprüche
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