Linear-Motor oder -Generator sowie Stator hierfür

Die Erfindung betrifft einen Linear-Motor oder -Generator mit einem mit wenigstens einer Antriebswicklung versehenen Wanderfeld-Stator und einem relativ zum Stator bewegbaren Läufer, der den Stator umgreift und an dem zwei einander gegenüberliegende Reaktionsschienen oder Gruppen von Magneten angebracht sind, zwischen denen der Stator angeordnet ist, wobei die Antriebswicklung wenigstens eine Wickelspule umfaßt.

Eine Anordnung dieser Art ist bekannt (z.B. DE-23 39 060 C3 oder DE-24 55 911 C2 - Bild 4). Aufgrund der Anordnung der beiden Gruppen von Magneten des Läufers auf einander gegenüberliegenden Seiten des Stators heben sich die zwischen den beiden Magnetgruppen und dem Läufer jeweils wirkenden Anziehungskräfte gegenseitig zumindest teilweise auf. Ohne diese Maßnahme müßten die Anziehungskräfte, die zumeist um den Faktor 10 größer sind als die Vortriebs- kräfte, durch eine entsprechend mechanisch stabile Bewe¬ gungsführung des jeweils bewegten Teil abgefangen werden. Bei diesen bekannten Anordnungen besteht der hier orts¬ feste Stator aus einer Zahnleiste mit auf die Zähne gewickelter Antriebswicklung, wobei die Zähne z.B. zu einer der beiden Magnetgruppen des Läufers weisen (DE-23

39 060 C3) . Dies ergibt zum einen zwangsläufig eine in den meisten Fällen unerwünschte asymmetrische Anordnung mit ungleichen Anziehungskräften auf beiden Seiten des Läu¬ fers. Zum anderen ist der Herstellungs- und Montageaufwand für den Läufer ziemlich hoch. Im allgemeinen wird der

Stator mit einer mehrphasig betriebenen Antriebswicklung versehen, wobei jeder Phase ein Spulensatz aus mehreren Wickelspulen zugeordnet ist mit ineinander verschachtelter Anordnung der Wickelspulen der z.B. drei Phasen. Um den Wicklungsdraht in die ihm jeweils zugeordneten Nuten zwischen den Zähnen einlegen zu können (Wickelachse senkrecht zur Stator-Längsrichtung) , muß eine zumeist

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mehrere Zähne einschließende Wicklungsschlaufe gebildet werden, die seitlich ziemlich weit über den Stator hin¬ aussteht. Nur so ist es möglich, einen flachen Stator mit einer mehrphasigen Wicklung zu versehen, ohne daß sich die Wicklungsdrähte am Statorrand gegenseitig behindern. Die so entstehenden Wicklungsschlaufen werden Wickelköpfe genannt. Die Wicklungsköpfe bedingen zum einen einen großen Herstellungsaufwand, zum anderen erfordern sie eine zusätzliche Kupfermenge, die sich nachteilig auf die Leistungsdaten des Stators auswirkt. Es gibt Stator-Aus¬ führungsformen, bei denen Drahtlänge, die für die Wickel¬ köpfe benötigt wird, größer ist als die in den Nuten untergebrachte Drahtlänge. Die Wickelköpfe treiben damit den ohmschen Widerstand sowie die Induktivität der Ge- sa twicklung in die Höhe. Hieraus erfolgt ein erhöhter Energiebedarf mit vergrößerter Verlustwärmeentwicklung.

Ein zu lösendes Problem besteht also darin, den Herstel¬ lungsaufwand zu reduzieren ohne Einbußen in den elek- trischen und mechanischen Eigenschaften des Linear-Motors oder -Generators.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Stator einen zur Längsrichtung des Linearmotors parallel verlaufenden länglichen Kern aufweist, auf den die Wickelspulen der Reihe nach aufgeschoben sind.

Die Bestückung des Stators mit der Antriebswicklung ist denkbar einfach, da hierzu lediglich die Wickelspulen der Reihe nach aufzuschieben sind, die bereits vorher in der geeigneten Weise verdrahtet sein können. Die Wickelspu- len-Achsen fallen mit der Stator-Längsrichtung zusammen. Die Effektivität des Linearmotors ist aufgrund der voll¬ ständigen Umschließung des durch den Kern geführten Magnetflusses durch die Wickelspulen sowie aufgrund der zumindest zweiseitigen Gegenüberstellung von Magnet bzw. Reaktionsschiene und Spulendraht weiterhin hoch. Es müssen

keine besonderen Maßnahmen zur hoch belastbaren mecha¬ nischen Befestigung der Wickelspulen am Kern getroffen werden, da der Kern die Wickelspulen zentral durchsetzt.

Diese vorteilhafte Stator-Bauweise, insbesondere in

Verbindung mit der wenigstens zweiseitigen Wicklungs- ausnützung durch die entsprechenden Gruppenmagneten ist sowohl in der zumeist üblichen Lang-Statoranordnung mit ortsfestem und daher problemlos mit elektrischer Energie versorgbaren Stator einsetzbar, wie auch in der Kurz-

Statoranordnung mit bewegtem Stator und ortsfestem Läufer. Darüber hinaus ist der Stator auch in einem Asynchron- Linearmotor einsetzbar, bei welchem anstatt der Gruppen von Magneten elektrisch gut leitfähige Reaktionsschienen (z.B. aus Kupfer) vorgesehen sind.

Um Wirbelstromverluste im Kern klein zu halten, wird vorgeschlagen, daß der Kern von einem Metallblechpaket aus sich in Längsrichtung des Linear-Motors erstreckenden Blechstreifen gebildet ist.

Aufgrund dieser Bauweise ergibt sich die Möglichkeit, daß zur Bereitstellung eines Linear-Motors mit wenigstens abschnittsweise gebogenem Fahrweg der Stator dement- sprechend gebogen ausgebildet ist mit Abbiegung um eine zur Metallblechebene des Metallblechpakets parallelen Biegeachse. Auf diese Weise lassen sich ohne weiteres beliebig gekrümmte, in einer Ebene liegende Fahrwege erzielen bei ruhigem Lauf dank glatter Übergänge.

Eine weitere Verbesserung der Ausnutzung der Antriebs- Wicklung des Stators kann dadurch erreicht werden, daß am Läufer eine dritte Reaktionsschiene oder Gruppe von Magneten angebracht ist, die einer weiteren Seite des Stators gegenüberliegt. Im Gegensatz zu den sich wechsel¬ seitig aufhebenden magnetischen Anziehungskräften der beiden einander gegenüberliegenden Reaktionsschienen bzw.

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Gruppen von Magneten bleibt die zwischen der dritten

Reaktionsschiene bzw. Gruppe von Magneten und dem Läufer wirkende Anziehungskraft bestehen. Diese kann bei unter dem Stator angeordneter dritter Reaktionsschiene bzw. Gruppen von Magneten zur Entlastung der Gewichtskraft genutzt werden oder, bei umgekehrter Anordnung, zur Vergrößerung der Sicherheit gegen Verlassen der Spur bei spurgeführten Fahrzeugen.

Eine besonders kompakte Bauweise bei besonders hoher

Ausnutzung der Antriebswicklung des Stators ergibt sich in einer Weiterbildung der Erfindung dadurch, daß der Läufer den Stator wenigstens angenähert kreisförmig teilweise oder vollständig umschließt. Bei der vollständig um- schlossenen Anordnung muß der Stator an seinen beiden

Enden gehaltert werden, so daß keine allzu langen Stator¬ längen infrage kommen.

Zur Erhöhung des durch die Läufermagnete geführten, von de Antriebswicklungen hervorgerufenen magnetischen

Flusses wird vorgeschlagen, daß die Magnete sämtlicher Gruppen jeweils über eine magnetische Rückschluß-Leiste miteinander verbunden sind.

Dementsprechend wird für den Fall eines Asynchron-Motors vorgeschlagen, daß auf der vom Läufer abgewandten Seite der Reaktionsschiene ein statorfestes oder läuferfestes magnetisches Rückschlußblech vorgesehen ist.

Auch eine Mischung von synchronem und asynchronem Betrieb kann von Vorteil sein, insbesondere beim Start des Line¬ ar-Motors aus einer beliebigen Ausgangsposition. Fährt man den Motor im asynchronen Betrieb an, so ist keinerlei Kenntnis über die momentane Lage des Läufers relativ zu den Magneten des Stators erforderlich. Während des anfah¬ renden Motors kann dann über entsprechende Sensoren die erforderliche Lage-Information erhalten werden, so daß

dann problemlos auf Synchronbetrieb übergegangen werden kann. Schließlich kann ein Asynchronbetrieb auch zum Bremsen vorteilhaft eingesetzt werden, insbesondere durch Kurzschließen der Antriebswicklung. Schließlich besteht bei Asynchronbetrieb auch die Möglichkeit, mehrere bewegte Einheiten des Linear-Motors unabhängig voneinander und ggf. auch ohne Abstand voneinander anzutreiben.

Um beide Betriebsarten in einem einzigen Linear-Motor oder -Generator zu ermöglichen, wird vorgeschlagen, daß sowohl wenigstens eine Reaktionsschiene als auch wenigstens eine Gruppe von Magneten am Läufer vorgesehen sind.

Der vorstehend beschriebene Linear-Motor oder -Generator zeichnet sich durch kostengünstige, materialsparende

Herstellbarkeit des Stators aus, insbesondere auch durch Serienfertigung, bei guter Ausnutzung der Antriebswicklung durch die Umgreifung des Stators durch den Läufer. Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß der von den Magneten des Läufers im Kern erzeugte Magnetfluß sich mit dem von der Antriebswicklung erzeugten Fluß aufgrund einer konstruktionsbedingten Phasenverschiebung günstig überla¬ gert, so daß der Eisenkern des Stators nur auf den grö¬ ßeren der Maximalwerte des einen und des anderen Flusses ausgelegt werden muß und nicht, wie bei anderen Anord¬ nungen, auf die Summe der beiden Maximalwerte. Bei vorge¬ gebenen Maximalwerten kann daher ein für niedrigeren Höchstfluß ausgelegter und damit kostengünstigerer Kern mit reduziertem Querschnitt eingesetzt werden.

Wenn in diesem Zusammenhang von Linear-Generator gespro¬ chen wird, so soll darunter allgemein eine Anordnung zur Strom- bzw. Spannungserzeugung verstanden werden, also auch beispielsweise der Einsatz als Linear-Tachometer. Im folgenden wird hauptsächlich der motorische Anwendungsfall besprochen. Für den Generatorbetrieb können die Ausfüh¬ rungen sinngemäß übernommen werden.

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Die Erfindung betrifft auch einen Stator, insbesondere für einen Linearmotor oder Linear-Generator der vorstehend beschriebenen Art. Dieser umfaßt erfindungsgemäß einen länglichen Kern, auf den Kern aufgeschobene Wickelspulen sowie auf den Kern aufgeschobene, zwischen aufeinander¬ folgenden Wickelspulen angeordnete Polzahnscheiben. Der Stator ist sehr kostengünstig zu fertigen, da lediglich die Wickelspulen und Polzahnscheiben auf den Kern aufzu¬ schieben sind. Die Wickelspulen können vorgefertigt sein, insbesondere unter Verwendung eines die Wicklung aufneh¬ menden Wickelträgers. Aufgrund der Polzahnscheiben ergibt sich ein vorteilhaft großer Magnetfluß. Aufgrund der Phasenverschiebung der Ortskurven des von den Läuferma¬ gneten im Kern erzeugten Magnetflusses sowie des von den Wickelspulen im Kern erzeugten Magnetflusses entsprechend dem Schubwinkel muß der Kern nicht für die Summe der Maximalwerte beider Magnetflüsse ausgelegt werden, sondern lediglich auf den größeren der beiden Maximalwerte. Es kann demzufolge ein kostengünstigerer Kern mit reduziertem Querschnitt eingesetzt werden.

Um Wirbelstromverluste im Kern gering zu halten, wird vorgeschlagen, daß der Kern von einem Kern-Metallblechpa¬ ket aus in Längsrichtung des Kerns sich erstreckenden Blechstreifen gebildet ist. Um auch in den Polzahnschεiben Wirbelstromverluste klein zu halten, wird vorgeschlagen, daß die Polzahnscheiben jeweils von einem Polzahn- Metallblechpaket gebildet sind aus senkrecht zur Längs¬ richtung des Kerns angeordneten Blechscheiben. Diese Blechscheiben lassen sich einfach auch in großer Stück¬ zahl, z.B. durch Stanzen, herstellen.

Um in den Blechscheiben den Kern umgreifende elektrische Kreisströme zuverlässig auszuschließen, wird ferner vorgeschlagen, daß die Polzahn-Blechpakete jeweils mit einem in Längsrichtung durchgehenden und in eine Kern- Aufnahmeöffnung des Blechpakets einmündenden Schlitz

versehen sind. Hierbei ist es zur optimalen Ausnutzung des Magnetflusses von Vorteil, wenn der Schlitz auf einer vom Läufer abgewandten Statorseite angeordnet ist.

Der Schlitz kann auch übergangslos in die Kern-Aufnah e- öffung übergehen, so daß sich im Umriß U-förmige Blech¬ scheiben ergeben.

Um die Blechscheiben zuverlässig mechanisch zusammenzu- halten, wird vorgeschlagen, daß auf der dem Schlitz gegenüberliegenden Seite des Polzahn-Blechpakets eine Schweißnaht zur Verbindung der Blechscheiben vorgesehen ist. Auf diese Weise lassen sich auch vormontierte Polzahn-Blechpakete vorbereiten, die dann lediglich zusammen mit den Spulen auf den Kern aufzuschieben sind.

Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Stator- Ausgestaltung mit Schlitz in den Blechpaketen liegt darin, daß die Zuführleitungen der Wickelspulen in die Schlitze eingelegt werden können. Die seitlich vorstehenden Wik- kelköpfe der eingangs beschriebenen bekannten Statoren werden also durch auf dem kürzesten Wege verlaufende Zuführleitungen ersetzt. Dies spart Leitungsmaterial ein und reduziert die störende Selbstinduktion sowie die Verlustwärme.

Verwendet man für die Wickelspulen Wickelträger, die. die Spulenwindungen zum Kern hin sowie nach beiden Seiten hin abdecken, so wird bei herkömmlicher Bauart die zum innen- liegenden Wickelanfang führende Zuleitung entlang der

Innenseite einer der beiden Seitenwände des Wickelträgers radial nach innen geführt. Diese Zuführleitung verhindert, daß der Wickelträger zwischen den beiden Seitenwänden vollständig mit Windungen ausgefüllt wird. Um erfindungsgemäß den Innenraum des Wickelträgers praktisch vollständig ausnutzen zu können (Erhöhung des Kupferfüll¬ faktors), wird vorgeschlagen, daß eine zu einem

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innenliegenden Wickelanfang einer Wickelspule führende Zuleitung durch eine dementsprechend weit innenliegende Durchgangsδffnung einer Seitenwand eines Wickelträgers geführt ist.

In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß der Scheibenumfriß der Polschuhscheiben angenähert trapezförmig ist mit dem Läufer zugewandter Trapezbasis und vorzugsweise mit Schlitz auf der gegenüberliegenden Seite.

Diese Formgebung der Polzähne verringert den Streufluß sowie die Induktivität des Stators. Außerdem ergibt sich eine beträchtliche Gewichtsreduktion. Ein Vorteil der beschriebenen Statorbauweise mit

Kernlaminierung und ggf. Polzahnlaminierung liegt darin, daß der Stator auch ohne weiteres um eine zur Ebene der Bleche des Stators parallele Krümmungsachse gebogen werden kann, so daß auch eine dementsprechend.gewundene Motor- laufbahn erhältlich ist. Da der Kern sowohl die Spulen¬ körper als auch die Polzahnscheiben zentral durchsetzt, sind keine besonderen Maßnahmen zur Fixierung dieser Teile am Kern erforderlich.

Die beschriebene Stator-Bauweise mit Vermeidung von seitlich vorstehenden Wicklungsköpfen erlaubt auch den Einschluß des Stators in ein ggf. vollständig geschlos¬ senes Stator-Gehäuse aus unmagnetischem Gehäusematerial. Dieses Stator-Gehäuse kann äußerst kompakt ausgeführt sein, da zwischen den Polzähnen und dem Stator-Gehäuse bei elektrisch nicht leitendem Gehäusematerial überhaupt kein Spalt und bei elektrisch leitfähigem Material lediglich ein gering zu dimensionierender Isolierspalt vorzusehen ist. Die Zuführleitungen für die Windungen können, wie bereits ausgeführt, durch die Schlitze verlaufen.

Es hat sich nun herausgestellt, daß bei der Verwendung eines elektrisch leitfähigen Gehäusematerials, insbeson¬ dere Stahl, die Statorinduktivität (Selbstinduktion) stark reduziert wird, ohne daß gleichzeitig das Eindringen des Magnetflusses der Läufermagneten in das Gehäuse störend behindert wird. Dies reduziert wiederum die erforderliche Schaltleistung (= Produkt von Versorgungsspannung und Laststrom) der elektronisch gesteuerten Energieversorgung der Antriebswicklung. Schließlich ist eine niedrige Selbstinduktion der Antriebswicklung auch für ein Not- bremssyεtem für Störfälle von Vorteil. Bei diesem System wird die Antriebswicklung kurzgeschlosen, um ein Abbremsen aufgrund der Erzeugung von Induktionsströmen in der Antriebswicklung durch die Läufermagneten zu erreichen. Eine geringe Induktivität führt zu sehr hohem Induktions¬ strom und damit zu großer Bremswirkung.

Als besonders vorteilhaftes Gehäusematerial hat sich V2A-Stahl herausgestellt, da dieser zu den günstigen magnetischen und eletrischen Eigenschaften auch noch hohe Korrosionsbeständigkeit aufweist. Auch läßt sich V2A-Stahl relativ gut verarbeiten.

In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß im Statorgehäuse elektronische Schaltelemente zur gesteuerten Spannungsversorgung der Wickelspulen angeordnet sind. Auf diese Weise werden auch die elektronischen Schaltelemente zuverlässig gegen Umwelteinflüsse geschützt. Als Schalt¬ elemente kommen bevorzugt Direktumrichter infrage, insbesonere Triacs oder Thyristoren, wie diese zur Line¬ ar-Motorsteuerung an sich bereits bekannt sind (EP-0 315 727-A1).

Um die in das Gehäuse eingesetzten Bauteile dort echa- nisch zuverlässig sowie gegeneinander gut elektrisch isolierend zu halten, wird vorgeschlagen, daß das

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Stator-Gehäuse mit Kunstharz oder dergleichen ausgegossen ist.

Auf diese Weise kann die Antriebselektronik problemlos im Stator-Gehäuse untergebracht werden, ggf. einschließlich eines Sensors zur Pollagenfeststellung durch Messung der von den Läufermagneten in einer Wicklungsspule erzeugten Induktionsspannung.

Die Erfindung betrifft schließlich auch ein Verfahren zur Pollagenmessung bei einem Linear-Motor oder -Generator, insbesondere der vorstehend beschriebenen Art, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß man während einer Strom¬ pause einer Antriebswicklung des Stators die in dieser Antriebswicklung von den Läufermagneten erzeugte Indukti¬ onsspannung mißt und der Pollageermittlung zugrunde legt. In der genannten Strompause kann störungsfrei die von den Läufermagneten in der Antriebswicklung induzierte Spannung und damit die Pollage des Motors gemessen werden.

Die Erfindung wird im folgenden an bevorzugten Ausfüh- rungsbeispielen anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Teilansicht eines Linear-Motors;

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht einer bevorzugten Stator-Ausführungsform samt VerdrahtungsSchema;

Fig. 3 einen Längsschnitt des Stators gemäß Fig. 2, eingesetzt in ein Stator-Gehäuse;

Fig. 4 einen Querschnitt des Stators gemäß Fig. 3 nach Linie IV-IV samt schematisch angedeutetem Läufer;

Fig. 5 eine DirektumrichterSchaltung zur Energie-

Versorgung der Phasen der Antriebswicklung des erfindungsgemäßen Stators;

Fig. 5A ein zugehöriges Spannungs-Zeitdiagramm;

die Fig. 6 bis 11 verschiedene Stator-Läuferanordnungen für einen Linear-Motor mit Synchron- Betriebsweise, nämlich

Fig. 6 einen Stator mit einseitigem Läufer;

Fig. 7 einen Stator mit einseitigem Läufer mit trapezförmigem Umriß der Polzahnscheiben;

Fig. 8 einen Stator mit zweiseitigem Läufer;

Fig. 9 einen Stator mit dreiseitigem Läufer;

Fig. 10 einen Läufer mit zweiseitigem Stator;

Fig. 11 einen von einem Läufer kreisförmig umringten Stator?

die Fig 12 bis 15 einen Linearmotor mit Asynchron- Betriebsweise, nämlich

Fig. 12 einen Läufer mit zweiseitigem Stator;

Fig. 13 einen Läufer mit einseitigem Stator und am Läufer angebrachten Rückschlußblech;

Fig. 14 einen Stator mit einseitigem Läufer und statorfestem Rückschlußblech;

Fig. 15 einen Stator mit dreiseitigem Läufer; und

Fig. 16 ein Schemadiagramm über den Ortsverlauf des

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Flusses im Kern.

Im folgenden werden Linear-Motoren der Langstator-Bauweise beschrieben. Die erfindungsgemäßen Merkmale lassen sich jedoch in gleicher Weise bei einem Linear-Motor der

Kurzstator-Bauweise realisieren oder bei einem Linear-Ge¬ nerator der Kurzstator-Bauweise oder der Langstator-Bau¬ weise. Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen sind die Erregermagneten des Läufers Permanentmagnete; diese können im Bedarfsfall jedoch auch durch Elektromagnete ersetzt werden.

Die Statorwicklung kann im einfachsten Falle einphasig sein. Besonders vorteilhaft ist die auch in den Ausfüh- rungsbeispielen dargestellte dreiphasige Wicklung. In diesem Falle wird die Wicklung von wenigstens einem Spulensatz gebildet, der aus drei hintereinander angeord¬ neten Wickelspulen besteht, die jeweils einer der drei Phasen zugeordnet sind.

Dies wird anhand der Fig. 2 verdeutlicht. Der hier darge¬ stellte, allgemein mit 12 bezeichnete Stator als Teil des in Fig. 1 grob schematisch angedeuteten Linear-Motors 10 weist zwei Spulensätze 14 auf aus jeweils drei Wickelspu- len 16. Diese sind jeweils einer der Phasen A, B oder C zugeordnet und daher mit 16A,16B bzw. 16C bezeichnet.

Der bei dieser Bauart bewegte Läufer 18 ist in Fig. 1 angedeutet. Er trägt Permanentmagnete 20, die über eine magnetische Rückschlußleiste 21 miteinander verbunden sind. Gemäß den Fig. 4 und 6 bis 11 kommen eine Reihe von Läuferkonfigurationen infrage, die anschließend noch erläutert werden.

Im folgenden wird der spezielle Stator-Aufbau beschrieben.

Der Stator 12 besteht aus einem die Längsrichtung (Dop¬ pelpfeil A in Fig. 1) des Linear-Motors 10 definierenden Kern 22, auf den abwechselnd die Wickelspulen 16 sowie Polzahnscheiben 24 aufgeschoben sind. Der Kern 22 ist zur Reduzierung von Wirbelstromverlusten als Metall-Blechpaket ausgebildet aus einzelnen, sich in Längsrichtung A er¬ streckenden Transformator-Blechstreifen 26 mit gleichem rechteckigem Umriß. Die in den Fig. 3 und 4 geschnitten angedeuteten Blechstreifen 26 liegen fluchtend übereinan- der, so daß sich der in Fig. 4 ersichtliche rechteckige Kernguerschnitt ergibt. Aufgrund dieser Laminierung kann der Kern und somit der gesamte Stator ohne weiteres um eine zur Ebene der Metallbleche 26 parallele und zur Längsrichtung A senkrechte Krümmungsachse gekrümmt werden.

Die Polzahnscheiben 24 sind ebenfalls als Metall-Blechpa¬ kete ausgebildet, wobei die Blechebene quer zur Längs¬ richtung A liegt. Da die axiale Länge (parallel zur Richtung A) der jeweiligen Polzahnscheibe 24 kleiner ist als jede der beiden anderen Dimensionen der Polzahnscheibe, ergibt sich aufgrund dieser Blechungsrichtung ein Minimum an Einzelblechen 28. Jedes Einzelblech 28 hat rechtförmigen, insbesondere quadra¬ tischen Umriß mit einer dem rechteckigen Kernquerschnitt angepaßten Zentralöffnung 30.

Um den Kern 22 umkreisende Wirbelströme in den Einzel¬ blechen 28 von vorneherein auszuschließen, sind sämtliche Einzelbleche 28 an der gleichen Stelle aufgeschnitten zur Bildung eines in Längsrichtung A durchgehenden Schlitzes 32 der jeweiligen Polzahnscheibe 24. Diese Schlitz mündet in die durch die Zentralöffnungen 30 der Einzelbleche 28 definierte Kern-Aufnahmeöffnung 34 der Polzahnscheibe 24.

Dieser Schlitz 32 ist an einer Stelle angebracht, die nicht dem Arbeitsluftspalt zwischen dem Stator und den magnetisch aktiven Teilen des Läufers zugewandt ist. Diese

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magnetisch aktiven Teile sind im Falle des Synchron-Motors die Magneten 20 und im Falle eines Asynchron-Motors die entsprechende elektrisch leitfähige Reaktionsschiene.

Die Polzahnscheiben 24 lassen sich in einfacher Weise vorfertigen. Hierzu müssen lediglich die Einzelbleche 28 insbesondere durch Stanzen geformt und in entsprechender Anzahl aufeinandergelegt werden. Zur gegenseitigen Fixie¬ rung kann dann, dem Schitz 32 gegenüber, eine in Längs- richtung A verlaufende Verbindungsschweißnaht 36 (Fig. 2) gelegt werden.

Ein weiterer entscheidender Vorteil der Schlitze 32 liegt darin, daß diese zur Aufnahme von Zuleitungen der Wickel- spulen geeignet sind. Dies ist in den Fig. 3 und 4 ange¬ deutet. Zudem kann der Raum zwischen aufeinanderfolgenden Zahnscheiben 24 vollständig für die jeweilige Teilwicklung genutzt werden, da die Zuleitung zum innenliegenden Wickelanfang durch den Schlitz hindurch unmittelbar an die Wicklung herangeführt werden kann. Wird, wie in den Fig. 3 und 4 dargestellt, ein die Vormontage der einzelnen Wickelspulen 16 εrleichtender Wickelträger 40 eingesetzt, der eine an den Kernσuerschnitt angepaßte Durchgangsöff¬ nung 42 aufweist und eine nach außen offene Wickelnut 44 bildet, so kann die besagte Zuleitung 46 durch eine dementsprechend weit radial innenliegende Durchgangsöff¬ nung 50 einer entsprechenden Seitenwand 48 des Wickelträ¬ gers zum innenliegenden Wickelanfang geführt werden. Die Nut 44 kann daher voll bewickelt werden. Die übrigen in den Schlitz 32 eingelegten Zuleitungen sind in den Fig. 3 und 4 generell mit 52 bezeichnet.

Die beschriebene Anordnung der Wicklung als hintereinander auf den Kern geschobene verdrahtete Wickelspulen mit Verbindung phasengleicher Wickelspulen lediglich über die beiden Zuleitungen vermeidet die bei bekannten Statoren üblichen Wickelköpfe. Der Herstellungs- und

Materialaufwand ist dementsprechend reduziert mit dem weiteren Vorteil, daß auch eine kleine Polteilung (Anzahl der Wickelspulen pro Stator-Längeneinheit) ohne großen Aufwand erreicht werden kann. Auch ist der Stator sehr kompakt und kann somit ohne weiteres auch in Blech einge¬ kapselt und damit hermetisch abgedichtet und gegen Um¬ welteinflüsse geschützt werden. Hierzu ist gemäß den Fig. 3 und 4 ein Stator-Gehäuse 54 vorgesehen aus einem Vier¬ kantrohr 56 mit Deckel 58 an beiden Enden. In dieses Rohr 56 wird die komplette verdrahtete Einheit aus Kern 22, Wickelspulen 16 und Polzahnscheiben 24 eingeschoben und ausgegossen. Das hierzu eingesetzte Kunstharzmaterial 60 ist in den Fig. 3 und 4 durch Punkte angedeutet. Das Gehäuse wird durch Anlöten oder Anschweißen der Deckel 58 hermetisch geschlossen.

^' Als Material für das Gehäuse kommt unmagnetisches Material infrage, um den Magnetfluß nicht zu behindern. Es hat sich darüber hinaus in Messungen herausgestellt, daß ein elektrisch leitfähiges Material, wie z.B. Stahl, am besten V2A-Stahl, die Selbstinduktivität der Antriebswicklung des Stators stark reduziert. Im Falle der Verwendung eines V2A-Gehäuses mit einer Wandstärke von 1 mm wurde eine Reduktion der Selbstinduktion von 5,1 H auf 1,7 mH (Milli-Henry) gemessen. Die Messung erfolgte auf folgende Weise:

Eine Einzelspule eines kompletten Stators wurde an ein Induktivitätsmeßgerät (Volt-craft 4090) angeschlossen; die übrigen Einzelspulen waren offen. Die Induktivität des Stators außerhalb des V2A-Gehäuses wurde mit der des in das Gehäuse eingeschobenen Stators verglichen.

Diese Reduzierung der Selbstinduktion vermindert die notwendige Schaltleistung der Antriebselektronik und erhöht den Induktionsstrom bei kurzgeschlossener Stator-

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Antriebswicklung und somit die Bremswirkung bei entspre¬ chenden Asynchron-Bremsbetrie .

In das Stator-Gehäuse 54 kann zusätzlich die zur Energie- Versorgung der Phasen erforderlich Leistungselektronik eingebaut werden. Ein entsprechendes Schaltschema ist in Fig. 4 angedeutet. Man erkennt die den einzelnen Phasen zugeordnete Phasenwicklung 64A bzw. 64B oder C, die sich gemäß Fig. 2 wiederum auf die Wicklungen der Einzelspulen 16A bzw. 16B bzw. 16C aufteilt. Alle Phasenwicklungen 64A, B, C sind in Parallelschaltung an zwei Spannungsversor¬ gungsleitungen 66,68 geschaltet, an denen die Antriebs- Wechselspannung U^ anliegt. In jede Verbindungsleitung 70 zwischen Phasenwicklung 64 und Leitung 68 ist jeweils ein gesteuerter elektronischer Schalter in Form eines Triacs 72 eingesetzt, der jeweils über eine Steuerleitung 74 mit einer elektronischen Steuereinheit 76 verbunden sind. Die Steuerung 76 veranlaßt nun, daß entsprechend der Phasen¬ lage des Linear-Motors zum gewünschten Zeitpunkt die betreffende Phasenwicklung mit Spannung versorgt wird. Wie bereits erwähnt, kann die von den Triacs 72 gebildete Leistungsschaltelektronik mit eingekapselt werden - das Stator-Gehäuse 54 ist mit strichlierter Umrißlinie ange¬ deutet. Die Leitungen 66,68 und 74 müssen nur mehr abge- dichtet aus dem Stator-Gehäuse 54 herausgeführt werden.

Um in besonders einfacher und dabei zuverlässiger Weise die Phasenlage des Linearmotors feststellen zu können, wird in einer Strompause einer Phasenwicklung die von den Läufermagneten in dieser Phasenwicklung induzierte Span¬ nung gemessen. Diese Vorgehensweise ist besonders vor¬ teilhaft bei Halbwellenbetrieb, da dann stets die erfor¬ derliche Meßzeit zur Verfügung steht.

Dies wird nun anhand von Fig. 5A kurz erläutert. Man erkennt den mit strichlierter Linie angedeuteten Span¬ nungsverlauf der an den Leitungen 66,68 anliegenden

Wechselspannung. Durch entsprechende Ansteuerung, bei¬ spielsweise des Triacs 72C, wird der Phasenwicklung 64C zwischen den Zeitpunkten Tl und T2 sowie zwischen den Zeitpunkten T3 und T4 die momentane Spannung U _^ zugeführt, ansonsten jedoch nicht. Die Zuschaltung erfolgt jeweils während einer positiven Halbwelle. Die Zeitpunkte Tl, T2, T3 und T4 werden entsprechend der momentanen Phasenlage durch die Steuerung 76 festgelegt. Während der negativen Halbwelle zwischen den Zeitpunkten des jeweiligen Null- Durchgangs T5 und T6 erfolgt in keinem Falle eine Span¬ nungsbeaufschlagung der Phasenwicklung 64C. Dieser Zeit¬ raum steht daher voll zur Messung der von den Läuferma¬ gneten in der Phasenwicklung 64C induzierten Spannung zur Verfügung. In Fig. 4 sind Spannungsabgriffsleitungen 78,80 angedeutet, die in die Steuerung 76 zur dortigen Span¬ nungsmessung geführt sind.

Die Strompause zwischen den Zeitpunkten 1 _* - und T _ß wird auch deshalb zuverlässig von der Leistungselektronik eingehalten, weil die eingesetzten Triacs oder auch

Thyrestoren bei Null-Durchgang des Stroms selbsttätig löschen.

Der erfindungsgemäße Stator kann in einer Vielzahl von Stator-Läuferanordnungen mit Vorteil eingesetzt werden, so z.B. in die in Fig. 8 und 4 schematisch dargestellte Anordnung mit den Stator 12 zweiseitig umfassendem Läufer. In Fig. 8, links ist ein erstes Läuferteil 18A mit einer ersten Gruppe von Permanentmagneten 20 angedeutet und rechts neben dem Stator 12 ein zweites Läuferteil 18B mit Magneten 22 entgegengesetzter Polorientierung. Rückseitig sind die Permanentmagnete 20 jeder Gruppe jeweils durch ein magnetisches Rückschlußblech 83 miteinander verbunden. Beide Läuferteile sind in Fig. 8 in nicht dargestellter Weise mechanisch starr miteinander verbunden, beispiels¬ weise durch eine in Fig. 4 angedeutete Brücke 84. Die im Querschnitt gemäß Fig. 4 U-förmige Brücke 84 des Läufers

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18 stützt sich auf einem Untergrund 86 ab, beispielsweise mit Hilfe spurgeführter Laufräder 88. Der Schlitz 32 verläuft in Fig. 8 und Fig. 4 nach oben, so daß die den Läuferteilen 18A,18B zugewandten Statorseiten ungeschwächt sind. Während des Betriebes treten zwischen jedem Läufer¬ teil 18A,18B und dem Stator 22 Anziehungskräfte auf, die ein Vielfaches der Vortriebskraft sind. Aufgrund der zweiseitigen Umgreifung des Stators 12 heben sich zumin¬ dest in der exakten Neutrallage des Laufes 18 (= symme- trisch zum Stator 22) diese Anziehungskräfte gegenseitig auf. Die Läuferführung (hier als Spurführung symbolisiert) muß daher nur Differenzkräfte bei Abweichungen von der Neutrallage aufnehmen, wie sie z.B. durch Fertigungstoleranzen entstehen. Ferner ergibt sich auf- grund der zweiseitigen Überdeckung von Läufer und Stator eine hohe Ausnutzung der erzeugten Magnetflüsse mit dementsprechend hoher Vortriebseffektivität.

In Fig. 6 ist eine vereinfachte Läufer-Statoranordnung - dargestellt mit lediglich einseitigem Läufer 18. Die

Fahrtrichtung ist senkrecht zur Zeichenebene. In Fahrt¬ richtung gesehen wechselt die Polrichtung der Dauermagnete 20 in regelmäßigen Abständen entsprechend der Polteilung. Auf der vom Stator abgelegenen Seite ist wiederum ein magnetisches Rückschlußblech 83 vorgesehen.

Die Polzahnform der Anordnung gemäß Fig. 6 läßt sich dadurch verbessern, daß anstelle des rechteckigen Polzahnscheibenumrisses ein trapezförmiger Umriß gewählt wird, wobei die größere der beiden Parallel-Linien, die Trapezbasiε 92, dem Läufer 18 zugewandt ist und der Schlitz 32 auf der gegenüberliegenden kurzen Seite ange¬ ordnet ist. Diese Formgebung verringert den Streufluß sowie die Induktivität des Stators 12. Außerdem ergibt sich eine beträchtliche Reduzierung des Gewichts.

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Die Ausführungsform gemäß Fig. 9 unterscheidet sich von der bereits beschriebenen gemäß Fig. 8 dadurch, daß der Läufer 18 den Stator 22 nunmehr derart umgreift, daß drei StatorSeiten mit entsprechenden Gruppen von Magneten 18A, 18B und 18C zusammenwirken. Diese Magnetgruppen sind wiederum durch eine in Fig. 9 nicht dargestellte Brücke miteinander starr verbunden. Diese Anordnung zeichnet sich durch verbesserte Ausnutzung der magnetischen Flüsse aus, wenn auch die zwischen der mittleren Gruppe von Magneten 18C und dem Stator 22 wirkenden Anziehungskräfte in anderer Weise kompensiert werden müssen. So können diese zur Vergrößerung der Ausεpursicherheit bei spurkranzgeführten Fahrzeugen dienen oder zur Entlastung der Gewichtskraft.

Für den Bau von besonders leichten Fahrzeugen kann das magnetische Rückschlußblech entfallen. Der magnetische Rückschluß wird dann durch einen zweiten Stator erreicht, der dem ersten gegenüberliegt mit dazwischenliegendem Läufer. Eine derartige Anordnung ist in Fig. 10 darge¬ stellt mit linkem Stator 12A, rechtem Stator 12B und dazwischenliegendem Läufer 22. Werden beide Statoren als aktive Statoren mit dementsprechender Energieversorgung ausgeführt, dann verdoppelt sich die Schubkraft. Mit Vorteil können hier die Statoren die anhand von Fig. 7 beschriebene trapezartige Umrißform der Polzahnscheiben aufweisen. Die Anziehungskräfte werden aufgrund der symmetrischen Anordnung sehr gut gegenseitig kompensiert, so daß sich die Belastung für die Fuhrungselemente auf ein Minimum reduziert.

Eine besonders kompakte Bauform ergibt die in Fig. 11 angedeutete konzentrische Anordnung mit zentralem, im Umriß angenähert kreisförmigem Stator 22 mit in Fig. 11 nach oben weisendem Schlitz 32 zur Unterdrückung von

Kurzschlußströmen. Auf diesen Kern werden entsprechend den vorstehenden Ausführungsformen abwechselnd Polzahnpakete

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und Antriebsspulen aufgeschoben. Der Kern kann aus Trans¬ formatorblechen gebildet sein oder, wie dargestellt, einer Vielzahl von sich in Längsrichtung des Motors (senkrecht zur Zeichenebene der Fig. 1) erstreckenden Eisenstäben 94. Der angenähert kreisringförmige Läufer 18 umringt den

Stator 22 mit gewissem Arbeitsabstand. An dem äußeren, ein magnetisches Rückschlußblech bildenden Eisenrücken 96 sind die nach innen ragenden Dauermagnete 20 angebracht. Diese wechseln, in Fahrtrichtung gesehen, abwechselnd ihre Polung radial nach innen oder radial nach außen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ergeben die Magnete 20 jeweils einen Magnetring aus planflächigen Segmenten. Diese Bauweise verursacht die geringsten Kosten. Der Läufer 18 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel oben geschlitzt, um den Durchtritt für nicht dargestellte, radial nach außen führende Stator-Halterungen zu ermögli¬ chen. Bei relativ kurzem Stator kann dieser auch aus¬ schließlich an seinen beiden Enden gehaltert werden, so daß der Läufer 18 den Stator vollständig umringend ausge- bildet sein kann.

Die erfindungsgemäß ausgebildeten Statoren lassen sich mit Vorteil auch bei Asynchron-Motoren oder -Generatoren einsetzen. Einige Anwendungsbeispiele sind in den Fig. 12 bis 15 angegeben.

In der Ausführungsform gemäß Fig. 12 sind ähnlich der Ausführungεform gemäß Fig. 10 wiederum zwei aktive Sta¬ toren 12A und 12B vorgesehen, zwischen denen jedoch anstelle eines Permanentmagnete tragenden Läufers 18 ein Läufer 18' in Form einer Reaktionsschiene (= elektrisch gut leitfähiges Blech, insbesondere Kupferblech) vor¬ gesehen. Diese Anordnung entspricht einer Doppelkamm- Aεynchron-Anordnung.

Die Auεführungsform gemäß Fig. 13 entspricht einer Ein¬ zelkamm-Anordnung, die sich durch Vereinfachung des

Aufbaus auszeichnet. Eε ist also lediglich ein einziger Stator 12 vorgesehen, der hier die bevorzugte Trapez-Um¬ rißform aufweist. Der Trapezbasis 92 gegenüber liegt wiederum der Läufer 18' in Form einer Reaktionsschiene. Zur Verbesserung der magnetischen Flußführung befindet sich am Rücken der Reaktionsschiene ein sogenannteε Rückschlußblech 98 aus ferromagnetischem Material.

Ist ein besonders leichter Läufer 22' gewünscht, so kann mit Vorteil die Anordnung gemäß Fig. 14 eingesetzt werden. Diese unterscheidet εich von der gemäß Fig. 13 dadurch, daß daε Rückεchlußblech 98 nunmehr ebenso wie der Stator 12 ortsfeεt iεt. Lediglich der dazwiεchen angeordnete Läufer 18' iεt beweglich.

Die Auεführungsfor gemäß Fig. 15 entspricht der gemäß Fig. 9. Auch hier werden drei Seiten des Stators 12 zum magnetischen Vortrieb ausgenutzt. Der Läufer 18' hat dementsprechend U-Form mit dem Stator 12 gegenüberliegen- der, U-förmiger Reaktionsεchiene und U-förmigem Rück¬ schlußblech 98 auf der Außenseite.

Eine weitergehende Umschließung des Stators, beispiels¬ weise gemäß Fig. 11, ist ebenfalls denkbar. Auf die Ausführungen zu Fig. 11 wird verwiesen.

Ein wichtiger Vorteil der erfindungεgemäßen Stator-Aus¬ bildung liegt darin, daß der Stator-Kern 22 nur für relativ geringen maximalen magnetischen Fluß auszulegen ist. Die Abszisse der Darstellung gemäß Fig. 16 beschreibt den Ort in Fahrtrichtung und die Ordinate den magnetischen Fluß im Kernbereich. Die Kurve Kl beschreibt den Verlauf des magnetischen Flusεeε, den die Magnete des Läufers am Kernort erzeugen. Die Kurve K2 beschreibt dementsprechend den Verlauf des von den Wicklungen des Stators selbst am Kernort erzeugten magnetischen Flusεes. Man stellt fest, daß εowohl der vom Läufer als auch der von den Wicklungen

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erregte Fluß eine oszillierende Kurve beschreibt. Die

Null-Stellen, in denen der magnetische Fluß das Vorzeichen wechselt, sind jeweils eine Polteilung voneinander ent¬ fernt. Die Lage der beiden Flußkurven zueinander ändert sich je nach Relativstellung zwischen Läuferposition und Spulenbestromung. Der als Schubwinkel bezeichnete Phasen¬ winkel zwischen beiden Kurven beträgt +90°, wenn die höchste Vortriebskraft erzielt werden soll und -90°, wenn die größte Bremskraft erzeugt werden soll. An dieser Stelle trifft ein Maximum der einen Kurve gerade mit einem Null-Durchgang der anderen Kurve zusammen, wie dies in Fig. 16 dargestellt ist. Der Statorkern muß demnach lediglich so dimensioniert werden, daß das absolute

Maximum der beiden magnetischen Flüsse (in Fig. 6 mit Φ a„,x bezeichnet) ohne Überlastung des Kernmaterials durch den Kern geführt werden kann. Eine Auslegung auf die Summe Φl + Φ2 der beiden Maxima Φl und Φ2 iεt nicht erforderlich. Der Kernquerschnitt kann dementsprechend klein dimensio¬ niert werden.