Titel: Linearmaschine mit einem Primärteil und einem Sekundärteil

Die Erfindung betrifft eine Linearmaschine mit einem Primärteil, der mehrere, ringförmige, vorzugsweise konzentrisch zu einer Achse angeordnete, durch Zwischenelemente voneinander beabstandete Primärspulen aufweist, und mit einem Sekundärteil, der mehrere, mit Gleichstrom beaufschlagbare, axial nebeneinander mit wechselnder Polarität angeordnete Sekundärspulen mit Supraleiterwicklungen aufweist, wobei der eine Teil relativ zum anderen Teil parallel zur Achse hin- und herbewegbar ist.

Aus der DE 195 42 551 Al ist ein Linearmotor mit einem hohlzylindrischen Primärteil bekannt, der ringförmige, konzentrisch zu einer Bewegungsachse eines Sekundärteils angeordnete Primärspulen aufweist, die mit Mehrphasenstrom betreibbar sind. Zwischen den Primärspulen sind aus weichmagnetischem Material bestehende Ringbleche angeordnet, die als Zwischenelemente zum Beabstanden benachbarter Primärspulen dienen und magnetisierbare Zähne bilden, um den magnetischen Fluß zu verstärken und zur Aufnahme, in der der Sekundärteil angeordnet ist, hinzuleiten. Die Primärspulen und die Ringbleche sind in einem hohlzylindrischen Joch aus magnetisierbarem Material aufgenommen, das einen magnetischen Rückschluß bildet. Der Sekundärteil ist axial verschieblich innerhalb der von dem Primärteil gebildeten Aufnahme angeordnet. Der Sekundärteil weist mehrere Feldmagnete aus Supraleiterwicklungen auf, die in Axialrichtung hintereinander mit abwechselnder Polarität angeordnet sind. Bei der DE 195 42 551 sollen die Magnetfelder der Sekundärwicklungen senkrecht zur Achse des Sekundärteils stehen. Um diese Feldrichtung mit gewickelten Spulen zu erzeugen, muss die Achse jeder einzelnen stromdurchflossenen Spule senkrecht zur Bewegungsachse des Linearmotors liegen. Nur bei Verwendung von Dauermagneten oder supraleitenden Festkörpermagneten

BESTäTIGUNGSKOPSE

können diese Magnete mit ihrer inneren Umfangsfläche an einem zylindrischen Joch aus magnetisierbarem Material anliegen. Diese sind dann zwar ringförmig ausgeführt, aber radial magnetisiert . Bei gewickelten Sekundärspulen hingegen muss eine Anordnung gewählt werden, bei der die gewickelten Spulen auf der Mantelfläche des Tragkörpers in Umfangsrichtung und in Axialrichtung nebeneinander versetzt liegen. Die bei Strombeauschlagung der Primär- und Sekundarspulen erzeugten magnetischen Kräfte erzeugen eine Relativbewegung zwischen Primär- und Sekundärteil.

Aus der EP 1 465 328 Al ist ein Linearmotor bekannt, bei der Primär- und Sekundärteil umgekehrt angeordnet sind, so daß der Sekundärteil außen liegt und den Primärteil umgibt.

Die Magnetisierbarkeit der weichmagnetischen Zähne ist wegen der auftretenden magnetischen Sättigung des weichmagnetischen Materials begrenzt. Um bei hohen Stromdichten in den Spulen des Primärteils höhere Kraftdichten zwischen Primär- und Sekundärteil zu erreichen, ist vorgeschlagen worden, die Windungszahl der Primärspulen zu erhöhen oder die Menge an magnetisierbarem Material zu vergrößern. Für runde bzw. polysolenoide Linearmotoren sind mit diesen Maßnahmen im Versuchsstadium Kraftdichten bis etwa 8 N/cm ² erreicht worden. Allerdings müssen die Baugröße und das Gewicht der Linearmotoren hierzu signifikant vergrößert werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Linearmaschine zu schaffen, bei der mit konstruktiven Maßnahmen am Primärteil und/oder Sekundärteil auch bei kleiner Baugröße der Linearmaschinen deutlich höhere Kraft - dichten ermöglicht werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Anordnung der Primärspulen im Primärteil als Luftspaltwicklung mit Zwischenelementen aus nicht magnetisierbarem Material ausgeführt ist und die Sekundärspulen aus Wicklungen eines Hochtemperatursupraleiters bestehen, wodurch Kraftdichten von mehr als 18 N/cm ² erreichbar sind. Die Linearmaschine ist vorzugsweise als Linearmotor ausgeführt, bei welcher durch Strombeaufschlagung der Primär- und Sekundärspulen

über die hierdurch erzeugten Magnetfelder eine Relativbewegung zwischen Primär- und Sekundärteil parallel zur Achse bewirkt wird und die Erfindung wird nachfolgend vorrangig mit Bezug hierzu beschrieben. Die Linearmaschine kann jedoch auch als Generator ausgeführt sein, bei der ein durch die Relativbewegung zwischen Primär- und Sekundärteil in den Primärspulen induzierter Strom zur Energiegewinnung umgewandelt wird. Die hohen Kraftdichten können bei Ausgestaltung der Linearmaschine als Linearmotor durch Strombeaufschlagung der Primärspulen mit Wechselstrom und der Sekundärspulen mit Gleichstrom erreicht werden. Da die Anordnung der Primärspulen und vorzugsweise auch die Anordnung der Sekundärspulen als Luftspaltwicklung ausgeführt ist, d.h. weder zwischen den Primärspulen noch zwischen den Sekundärspulen magnetisierbares Material zur Flußführung angeordnet ist, wird bei der erfindungsgemäßen Linearmaschine die Kraftdichte nicht durch eine Sättigungsmagnetisierung begrenzt.

Der Strombelag des Primärteils, d.h. der Strom in Umfangsrichtung je axialer Länge des Primärteils, kann gegenüber den bekannten Linearmotoren ohne Vergrößerung der Baugröße des Linearmotors erhöht werden, wodurch die zum Strombelag proportionale Kraftdichte ohne Sättigungseffekte steigt. Zwischen den Primärspulen ist vorzugsweise keinerlei Eisen oder magnetisierbares Material zur Bündelung des magnetischen Flusses angeordnet. Durch die Verwendung von Sekundärspulen aus hochtemperatursupraleitfähigem Material, das eine Sprungtemperatur aufweist, die höher als 77K liegt, im Sekundärteil, können die Sekundärspulen mit hohen Gleichströmen beaufschlagt werden, um extrem starke Magnetfelder in der Aufnahme erzeugen können. Ein weiterer Vorteil beim erfindungsgemäßen Linearmotor besteht darin, daß ein in Axialrichtung nahezu glatter Kraftverlauf erreicht wird, da durch die Luftspaltwicklung Reluktanzkräfte praktisch weitgehend entfallen und damit kaum Rastkräfte auftreten. Außerdem kann der Linearmotor, da auf Permanentmagneten und magnetisierbares Material im Primär- und Sekundärteil verzichtet wird und somit bei Abschalten der Strombeaufschlagung keine magnetischen Kräfte auftreten, relativ einfach gewartet oder gereinigt werden.

Ein hoher Strombelag des Primärteils kann insbesondere dadurch erreicht werden, daß der Füllfaktor des Primärteils hoch gewählt ist. Der Füllfaktor ist definiert als das Volumenverhältnis vom Volumen der stromdurchflossenen Primärspulen zum Volumen der Zwischenelemente sowie von ggf. vorhandenen Zwischenräumen zwischen den Primärspulen. Der Füllfaktor des Primärteils ist vorzugsweise größer als 70% und insbesondere größer als 85%. In Axialrichtung benachbarte Primärspulen sind vorzugsweise mit einem um 120° phasenverschobenen Wechselstrom beaufschlagt, wodurch der Linearmotor einen Drei- Phasenmotor (Drehstrommotor) bildet. Bei einem Zwei -Phasenmotor oder einem Mehrphasenmotor mit mehr als drei Phasen kann die Phasenverschiebung anders angepaßt oder gewählt werden.

Die Primärspulen können bei der bevorzugten Ausgestaltung Wicklungen aus einem Normalleiter wie insbesondere einem Leiter aus Aluminium oder Kupfer aufweisen, wodurch die Primärspulen gegebenenfalls in kostengünstiger Weise z.B. flüssig- oder gasgekühlt werden können. Insbesondere vorteilhaft ist eine Kühlung mit z.B. Wasser oder öl. Der Normalleiter kann insbesondere auch aus einem Hohlleiter bestehen, dessen Innenröhre für die Kühlung genutzt wird. Alternativ könnten die Wicklungen der Primärspulen aus einem supraleitfähigen, insbesondere einem hochtemperatursupraleitfähigen Leiter bestehen bzw. gefertigt sein. Die Strombeaufschlagung sollte dann mit Wechselstrom mit einer Frequenz von weniger als 100 Hz, insbesondere von weniger als 50 Hz erfolgen, um Wechselstromverluste in den supraleitenden Primärspulen gering zu halten, die ansonsten durch zusätzliche Kühlung ausgeglichen werden müßten. Beim erfindungsgemäßen Linearmotor lassen sich Kraftdichten von mehr als 18 N/cm ² , bei Verwendung von Supraleitern sowohl in den Sekundär- als auch in den Primärspulen sogar Kraftdichten von mehr als 25 N/cm ² erzielen. Zur Kühlung der Primärspulen können auch zwischen den Spulen von einem Kühlmittel durchströmbare Kühlleitungen ausgebildet sein oder Spalte zwischen den Primärspulen und ggf. den Zwischenelementen offengelassen werden. Die Zwischenelemente können ringsegmentförmig ausgebildet sein, wodurch ein Kühlmittel an die von den Ringsegmenten nicht bedeckten Stirnseiten der Primärspulen gelangen kann. Die Zwischenelemente können sich vollflächig, partiell oder mit Zwischenräumen

über die radiale Höhe der Primärspulen erstrecken. Die Zwischenelemente können auch aus Gitterstrukturen, Hohlkörpern oder Gitterkörpern bestehen, die ausreichende mechanische Stabilität aufweisen und gleichzeitig einen Kühlmitteldurchfluß erlauben.

Weiter vorzugsweise sind die Primärspulen und die Zwischenelemente von einem Joch ummantelt, das vorzugsweise aus nicht magnetisierba- rem Material, insbesondere einem eisenlosen Leichtbaumaterial besteht. Alternativ kann das Joch zur Magnetfeldabschirmung aus eisenhaltigem und/oder magnetisierbarem Material bestehen. Das Joch und die Zwischenelemente können insbesondere ein mechanisches Haltegerüst für die Primärspulen bilden. Um die Zwischenelemente auch in Axialrichtung zu verankern, kann das Joch an seinem Innenumfang Nuten aufweisen, in die die Zwischenelemente formschlüssig eingreifen. Durch die Verankerung der Zwischenelemente an dem Joch können sich die Primärspulen in Axialrichtung an den Zwischenelementen abstützen, wodurch das Joch die auf die Primärspulen wirkenden Magnetfeld- Kräfte in Axialrichtung aufnehmen kann. Besonders vorteilhaft ist, wenn der Primärteil eisenlos ausgebildet ist, um bei Vermeidung von Sättigungseffekten zugleich eine besonders leichte Bauweise des Primärteils und damit der Linearmaschine zu erzielen. Alternativ kann das Joch ein magnetisierbares Material zur Rückführung des magnetischen Flusses aufweisen.

Die Primärspulen können in Kunststoff, vorzugsweise in Kunstharz, insbesondere in Epoxydharz eingegossen sein. Die Zwischenelemente sind in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ebenfalls aus Kunststoff, vorzugsweise Kunstharz, insbesondere Epoxydharz gefertigt und können mit einer Faserverstärkung beispielsweise durch Einlage von Glasfasermaterial verstärkt sein.

Die supraleitenden Sekundärspulen können hohe Stromdichten tragen, vorzugsweise Stromdichten von mehr als 50 A/mm ² , weiter vorzugsweise von mehr -als 70 A/mm ² und insbesondere von mehr als 100 A/mm ² , wodurch ein äußerst starkes Magnetfeld mit den Sekundärspulen erzeugt werden kann. Die von dem Sekundärteil erzeugbaren Flußdichten können im Luftspalt mehr als 0,5 Tesla, vorzugsweise mehr als 1 Tesla und

ggf. bis zu 2 Tesla erreichen. Der Sekundärteil weist vorzugsweise einen zylindrischen Tragkörper auf, an oder auf dessen Mantelfläche die Sekundärspulen angeordnet sind. Der Tragkörper des Sekundärteils ist vorzugsweise aus einem nicht magnetischen Material hergestellt, bspw. aus faserverstärktem Kunststoff. Der Tragkörper könnte auch aus einem magnetischen Material, beispielsweise Eisen, hergestellt sein oder bestehen. Bei einer Ausgestaltung sind die Sekundärspulen ringförmig ausgebildet und konzentrisch zueinander zur Achse auf dem zugehörigen Tragkörper des Sekundärteils befestigt angeordnet. In Axialrichtung benachbarte Sekundärspulen werden im Betrieb durch gegenpolige Verschaltung gegenphasig mit Gleichstrom beaufschlagt. Zwischen den Sekundärspulen können wiederum, um die Luftspaltwicklung zu verwirklichen, nicht magnetisierbare, ringförmige Abstandselemente angeordnet, an denen sich die Sekundärspulen in Axialrichtung abstützen. Benachbarte Sekundärspulen weisen bei dieser Ausgestaltung vorzugsweise einen Abstand voneinander auf, der wenigstens doppelt so groß und vorzugsweise größer ist als die in Axialrichtung bestehende Breite der jeweiligen Sekundärspulen. Auch können mehrere Spulen zu einem Paket zusammengefaßt werden, die alle die gleiche Stromflußrichtung aufweisen (in Serie oder parallel geschaltet). Erst benachbarte Spulenpakete werden dann jeweils mit umgekehrter Stromrichtung beaufschlagt.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden unter Bezugnahme auf in der Zeichnung schematisch dargestellte Ausführungsbeispiele eines Linearmotors als Linearmaschine beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Linearmotor mit einem Primärteil und einem Sekundärteil gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel im Längsschnitt; und

Fig. 2 den Sekundärteil aus Fig. 1 in perspektivischer Ansicht .

In Fig. 1 ist ein in seiner Gesamtheit mit 10 bezeichneter Linearmotor mit einem Primärteil 20 und einem Sekundärteil 30 dargestellt. Der Primärteil 20 begrenzt eine zylindrische Aufnahme 11, in der der Sekundärteil 30 entlang einer zentralen Achse A hin und her bewegbar ist. Der Primärteil 20 weist im gezeigten Ausführungsbeispiel fünf konzentrisch zur Achse A angeordnete Primärspulen 21 auf. Die Zeichnung stellt nur einen Motorausschnitt dar aus einem Gesamtmotor, da z.B. im Dreiphasenbetrieb die Anzahl der Spulen oder Spulenpakete durch 3 teilbar sein muß. Die Primärspulen 21 bestehen aus Ringscheibenspulen, die über nicht dargestellte Kontakte an ihrem Außenumfang mit z.B. um 120° phasenverschobenem Wechselstrom bzw. Drehstrom (Dreiphasenstrom) beaufschlagt werden können, um mit den Primärspulen 21 in der Aufnahme 11 ein magnetisches Wanderfeld zu erzeugen. Die aus einem Kupferleiter bestehenden Wicklungen der Primärspulen 21 sind zur mechanischen Stabilisierung in Epoxydharz eingegossen. Zwischen den Primärspulen 21 sind ebenfalls ringförmige Zwischenelemente 22 angeordnet, an denen sich die Primärspulen 21 mit ihren Stirnseiten in Axialrichtung abstützen. Die Zwischenelemente 22 erstrecken sich in Radialrichtung vom Innenumfang der Primärspulen 21 bis zum Außenumfang der Primärspulen 21. Am Außenumfang der Zwischenelemente 22 und der Primärspulen 21 liegt ein hohlzy- lindrisches Joch 23 an, an dem die Zwischenelemente 22 verankert sind (nicht dargestellt) . Das Joch 23 und die Zwischenelemente 22 bilden hierdurch ein mechanisches Haltegerüst für die darin aufgenommenen Primärspulen 21.

Das Joch 23 um das Primärteil 20 kann aus nichtmagnetisierbarem Material oder zur Abschirmung auch aus magnetisierbarem Material bestehen. In letzterem Fall kann sogar eine Kraftdichteerhöhung auftreten. Wenn das Joch 23 aus el . leitendem Material besteht, so kann es vorzugsweise zur Verminderung von Wechselstromverlusten mittels geblechten und geschlitzten Materialien gebildet werden.

Die Zwischenelemente 22 können z.B. aus glasfaserverstärktem Kunststoff bestehen und sind somit erfindungsgemäß nicht magnetisierbar, wodurch das in der Aufnahme 11 bei Strombeaufschlagung der Primärspulen 21 erzeugte Magnetfeld nicht durch eine Sättigungsmagnetisie-

rung der Zwischenelemente 22 begrenzt wird. Zwischen den Primärspulen 21 befindet sich im wesentlichen kein magnetisierbares Material zur Flußführung. Die Anordnung der in Axialrichtung nebeneinanderliegenden Primärspulen 21 ist daher mit einer sogenannten Luftspaltwicklung ausgeführt. Diese „Luftspalte" zwischen den Primärspulen 21 sind mit den ggf. partiell hohlen und/oder ausschließlich zur Isolierung dienenden Zwischenelementen 22 gefüllt. Im Primärteil 20 könne daher sehr breite Primärspulen 21 mit einer hohen Windungszahl pro axialer Länge eingesetzt werden. Da das Volumen der Zwischenelemente 22 nur ein Bruchteil des Volumens der Primärspulen 21 einnimmt, beträgt der Füllfaktor des Primärteils mit stromtragenden und mithin ein Magnetfeld (Wanderfeld) erzeugenden Windungen deutlich mehr als 50 %. Somit kann ein höherer Strom in die Primärspulen 21 des Primärteils 20 eingebracht werden.

Der in den Fig. 1 und Fig. 2 dargestellte Sekundärteil 30 weist ringförmige, konzentrisch zur Achse A angeordnete Sekundärspulen 31 aus einem Hochtemperatursupraleiter auf. Diese bei kryogenen Temperaturen von mehr als 20 K supraleitfähigen Sekundärspulen 31 werden mit Gleichstrom beaufschlagt, wobei in Axialrichtung benachbarte Sekundärspulen 31 gegenphasig beschaltet sind. Die Hochtemperatursupraleiterwicklungen bzw. Sekundärspulen 31 im Sekundärteil 30 können als Pancake-Spulen, Doppelpancake-Spulen, als Pakete aus diesen Pan- cake-Spulen oder als kurze Solenoidspulen ausgeführt sein. Zwischen den Sekundärspulen 31 sind ebenfalls ringförmige Abstandselemente 32 angeordnet, die konzentrisch zur Achse A angeordnet sind. Die Abstandselemente 32 bestehen aus glasfaserverstärktem Epoxydharz und sind zusammen mit den Sekundärspulen 31 auf einem hohlzylindrischen Tragrohr 33 angeordnet. Das hohlzylindrische Tragrohr 33 kann aus weichmagnetischem, magnetisierbarem Material wie z.B. weichmagnetischem Eisen gefertigt sein oder ebenfalls aus z.B. glasfaserverstärktem Kunststoff bestehen. Um die Sekundärspulen 31 z.B. mit flüssigem Stickstoff kühlen zu können, ist der Kryostat 34 mit einem doppelwandigen Rohr 36 versehen. Der nicht dargestellte Zwischenraum zwischen der „warmen", äußeren Rohrwand und der „kälteren", inneren Rohrwand des Rohrs 36 ist evakuiert, um einen Wärmeeintrag von Außen in den Kryostaten 34 zu verhindern bzw. zu dämmen. Ggf. kann noch

eine Isolationsschicht aus kommerziell erhältlicher Superisolationsfolie um die kalte Rohrwandung angebracht sein. Die Kraftübertragung von dem Sekundärteil 30 auf den Kryostaten 34 erfolgt mittels schematisch angedeuteter übertragungselemente 35a und 35b. Die übertragungselemente 35a, 35b bestehen aus einem Material mit einer geringen Wärmeleitfähigkeit und hoher mechanischer Festigkeit, z.B. aus glasfaserverstärkten Kunststoffen. Die Sekundärspulen 31 können mit Stromdichten von bis zu 100 A/mm ² betrieben werden. Mit dem Linearmotor 10 mit erfindungsgemäß ausgeführten Primärteil 20 mit Luft- spaltwicklung der Primärspulen und erfindungsgemäß aufgebautem Sekundärteil 30 können zwischen Primär- und Sekundärteil Kraftdichten von mehr als 18 N/cm ² in der Aufnahme 11 erreicht werden, um den Sekundärteil 30 parallel zur Achse A zu verschieben.

Für den Fachmann ergeben sich aus der vorhergehenden Beschreibung und den Unteransprüchen zahlreiche Modifikationen. Die Anzahl der Primär- und Sekundärspulen in Axialrichtung ist nur beispielhaft und kann insbesondere mit der Breite der Spulen und der Gesamtlänge des Linearmotors variieren. Die Sekundärspulen können auch spiralförmig angeordnet sein. Das Joch und das Trägerrohr des Sekundärteils können auch aus eisenhaltigem Material bestehen. Das Trägerrohr für den Sekundärteil kann auch entfallen, wenn die Sekundärspulen zusammen mit den Abstandhaltern z.B. durch eine Vakuumimprägnierung fest miteinander verbunden worden sind. Alternativ kann das Trägerrohr für den Sekundärteil aus geblechtem und geschlitztem magnetisierbarem Material oder ebenfalls aus z.B. glasfaserverstärktem Kunststoff bestehen. Auch hartmagnetische Materialien können in dem gleichstrom- durchflossenen Sekundärteil als Trägerrohr zum Einsatz kommen. Insbesondere bei der Verwendung von normalleitenden Primärspulen kann deren Kühlung mit z.B. Wasser, öl, Gas oder Stickstoff (N ₂ ) indirekt oder vorzugsweise direkt erfolgen. Alternativ kann auch eine geeignete Gas- oder Trockenkühlung eingesetzt werden, die eine Betriebstemperatur unter 77K erlaubt, z.B. 2OK oder 3OK. Um Wirbelstromverluste im Primärteil weiter zu verringern, können die Primärspulen mit Litzwire-Wicklungen versehen sein. Ggf. könnte auch ein zweites Primärteil innerhalb des Sekundärteils angeordnet werden, um die Kraftdichte weiter zu erhöhen. Anstelle des Sekundärteils könnte

auch der Primärteil mit dem bei Strombeaufschlagung erzeugten Magnetfeld parallel zur Achse bewegt werden. Der Primärteil könnte innen und der Sekundärteil könnte außen angeordnet sein. Bei einer Ausgestaltung der Linearmaschine als Generator könnte der mit Gleichstrom beaufschlagte Sekundärteil mechanisch bewegt werden, z.B. durch eine auf- und absinkende Boje eines Wellenkraftwerkes. Der mittels dieser Bewegung des Sekundärteils in den Primärwicklungen des Primärteils induzierte Strom könnte zur Energiegewinnung genutzt werden und die Linearmaschine funktioniert dann generatorisch. Anstelle des Sekundarteils könnte auch der Primärteil bei ortsfestem Sekundärteil die Hin- und Herbewegung parallel zur Achse ausführen, ohne den Schutzbereich der anhängenden Ansprüche zu verlassen.