[0001] Die Erfindung bezieht sich auf einen Linearmotor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1 (
DE 196 38 603 A1).
[0002] Linearmotoren sind für elektrische Antriebe unterschiedlicher Art seit langem bekannt.
Es gibt dabei sowohl Gleichstrom- als auch Wechselstrom-Synchron- und Asynchronmotoren.
Beim Linearmotor sind sowohl ein feststehender Stator als auch ein bewegbarer Läuferteil
im Gegensatz zum konventionellen Motor nicht kreisförmig, sondern geradlinig angeordnet.
Die elektrische Energie wird bei einem Linearmotor so in mechanische Energie umgesetzt,
daß sie unmittelbar für eine Translationsbewegung nutzbar wird. Einsatzgebiete für
einen Linearmotor sind beispielsweise der Personenverkehr, das Förder- und Transportwesen,
Fließbänder, Gepäcktransport, Bergbau, Kräne, Schleppanlagen, Schlitten von Werkzeugmaschinen
und die Betätigung von Schiebern. Der Linearmotor kann prinzipiell eine in Nuten eines
Induktors angeordnete Erregerwicklung haben, die bei Wechselstrom dreiphasig ausgebildet
ist. Der Läuferteil besteht dann entweder aus einer Schiene aus elektrisch gut leitendem
Material, wie Kupfer oder Aluminium (Asynchronmotor), oder aus permanentnagnetischem
Material (Synchronmotor).
[0003] Wenn ein derartiger Linearmotor beispielsweise zum Antrieb einer Magnetschwebebahn
für den Fernschnellverkehr eingesetzt wird, dann ergibt sich für den Induktor und
damit auch für die in seinen Nuten angebrachten Kabel eine sehr große Länge. Da ein
solcher Linearmotor aus diesem Grund mit einer relativ hohen elektrischen Spannung
betrieben wird, müssen die Kabel mit einer inneren und einer äußeren Leitschicht sowie
einem Schirm ausgerüstet sein. Der Schirm derartiger, als Mittelspannungskabel ausgeführter
Kabel ist für eine sichere Führung kapazitiver Ladeströme, eine Erdschlußerkennung,
eine Möglichkeit zur Fehlerortung und als Schutz gegen mechanische Beschädigungen
der den Leiter umgebenden Schichten erforderlich. Ferner soll er Lebewesen vor Gefährdung
durch hohe elektrische Spannungen schützen.
[0004] Beim Einsatz von Mittelspannungskabeln mit dem beschriebenen Aufbau im sehr langen,
aus Induktor und Kabeln bestehenden Stator eines Linearmotors wird auf den Schirmen
der Kabel eine hohe Längespannung induziert, die beispielsweise bei einer Länge des
Stators von 100 m weit mehr als 1 kV betragen kann. Damit derart hohe Spannungen nicht
entstehen können, könnten die Schirme in sehr kurze Abschnitte aufgeteilt und jeder
Abschnitt einseitig geerdet werden. Das ist umständlich und teuer und erhöht das Risiko
von Kabelfehlern. Mit bekannten geschirmten Mittelspannungskabeln könnten kleine Schirmspannungen
auch durch die Erdung der Schirme an beiden Enden eines Abschnitts fast beliebiger
Länge oder durch Verbindung der Schirme der drei für die Wicklung verwendeten Kabel
in fast beliebigen Abständen erzielt werden. Dann würden aber große Schirmströme fließen,
die große Energieverluste verursachen und als Wirbelstrombremse wirken würden.
[0005] Aus der
DE 30 06 382 A1 ist eine dreiphasige Wechselstrom-Wicklung für einen Linearmotor bekannt, die aus
elektrischen Mittelspannungskabeln entsprechend dem geschilderten Aufbau besteht.
Die hier eingesetzten Kabel weisen einen äußeren, aus elektrisch leitfähig gemachtem
Isolierstoff bestehenden Mantel auf. Mindestens auf einer Seite des Stators ist im
Bereich der aus den Nuten herausragenden Wickelköpfe der Kabel ein sich über die gesamte
Länge des Stators erstreckender, mit den leitfähigen Mänteln der Kabel in gutem Kontakt
stehender und an Erdpotential anschließbarer Strang aus elektrisch gut leitendem Material
angeordnet. Die elektrisch leitfähig gemachten Mäntel der Kabel stellen gleichzeitig
deren Schirm dar, der eine relativ geringe elektrische Leitfähigkeit aufweist. Durch
die Kombination der Mäntel mit dem an Erdpotential angeschlossenen Strang ergibt sich
insgesamt ein Schirm, der eine gute Ableitung kapazitiver Ströme gewährleistet und
außerdem sicherstellt, daß durch induzierte Spannungen entstehende Ströme klein bleiben.
Die Wicklung weist somit insgesamt eine niedrige Verlustleistung auf und die Feldbeeinflussung
wird vernachlässigbar. Da außerdem keine hohen elektrischen Spannungen entstehen können,
ist eine Gefährdung von Lebewesen vermieden.
[0006] Bei dem bekannten Kabel nach der eingangs erwähnten
DE 196 38 603 A1 ist zwischen der äußeren Leitschicht und dem äußeren elektrisch leitfähig gemachten
Mantel eine sich über die ganze Länge des Kabels erstreckende, rundum geschlossene
Metalleinlage als Zwischenschicht vorhanden, durch welche die elektrische Leitfähigkeit
des Schirms des Kabels erhöht wird. Es soll dadurch erreicht werden, daß im Schirm
induzierte elektrische Spannungen und Ströme, durch welche die Antriebsleistung des
Linearmotors vermindert werden könnte, möglichst niedrig gehalten werden. Außerdem
sollen durch die Metalleinlage der Längswiderstand längs der Kabelachse homogen sein
und die Erfassung eines Erdschlusses sowie die Ableitung von Fehlerströmen mit reduziertem
Aufwand in ausreichendem Maße sichergestellt werden. Das wird mit diesem bekannten
Kabel in vielen Einsatzfällen auch erreicht. Trotzdem kann es geschehen, daß das Kabel
insbesondere bei erhöhter Betriebsspannung beschädigt wird.
[0007] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den eingangs geschilderten Lineormotor
so zu gestalten, daßer auf einfache Weise an unterschiedliche Betriebsspannungen anpaßbar
ist, so daß eine Beschädigung seiner Wicklung durch zu hohe Betriebsspannungen ausgeschlossen
werden kann.
[0008] Diese Aufgabe wird gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
[0009] Bei dieser Wicklung sind als Wicklungsstränge elektrische Kabel eingesetzt, bei denen
der elektrische Widerstand des Schirms an die jeweiligen Anforderungen auf einfache
Weise anpaßbar. Der Aufbau der Kabel, das Herstellungsverfahren und die dafür verwendeten
Einrichtungen können dazu unverändert bleiben. Durch das für die Zwischenschicht eingesetzte
Band wird die Leitfähigkeit des Schirms der Kabel so weit erhöht, daß derselbe ausreichend
hohe Ströme tragen kann, um eine einfache und schnelle Erkennung eines Erdschlusses
sicherzustellen. Das Band kann beispielsweise als Hybridband mit Kunststoffäden und
metallischen Drähten ausgeführt sein oder aus zu einer Einheit zusammengefaßten Karbonfasern
bestehen. Der Widerstandswert des Schirms bleibt aber so hoch, daß keine zu hohen
Verlusten führenden, niederohmigen Sekundärkreise entstehen. Verluste durch Spannungen
und Ströme, die im Schirm der Kabel induziert werden, sind gegenüber anderen Leitungsverlusten
vernachlässigbar. Der Widerstandswert des Bandes wird jeweils so eingestellt, daß
er für den jeweiligen Einsatzfall der Kabel bzw. der aus denselben hergestellten Wicklung
ausreichend hoch ist. Er wird auf jeden Fall höher als der Widerstandswert des mit
den leitfähigen Mänteln aller drei Kabel in gutem Kontakt stehenden Erdleiters eingestellt.
Unabhängig von der für den Linearmotor verwendeten Betriebsspannung werden dann Fehler-
und Ausgleichsstöme sicher über den Erdleiter abgeleitet. Die Kabel und insbesondere
ihre äußeren Mäntel sind auf diese Weise wirksam gegen Beschädigungen durch zu hohe
Ströme geschützt. Das gilt auch bei großen Temperaturunterschieden, denen die Kabel
im Betrieb bei Tag und Nacht und in unterschiedlichen Jahreszeiten ausgesetzt sind.
Das Band der Zwischenschicht behält seinen bei der Fertigung eingestellten Widerstandswert
auch dann mit großer Genauigkeit bei.
[0010] Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes sind in den Zeichnungen dargestellt.
[0011] Es zeigen:
Fig. 1 ein zu einem mäanderförmigen Wicklungsstrang gebogenes Kabel für die Wicklung
nach der Erfindung.
Fig. 2 das Kabel selbst mit abschnittsweise sichtbaren Schichten seines Aufbaues.
Fig. 3 bis 8 unterschiedliche Anordnungen eines im Kabelaufbau vorhandenen Hybridbandes.
[0012] Mit 1 ist der Induktor eines Linearmotors bezeichnet, der zusammen mit einer dreiphasigen
Wicklung den Stator desselben bildet. Der Induktor 1 besteht aus Blechpaketen, in
denen Nuten 2 zur Aufnahme von Wicklungssträngen der Wicklung angebracht sind. Der
Stator ist langgestreckt. Er kann viele Kilometer lang sein. Die Wicklungsstränge
bestehen im vorliegenden Fall aus elektrischen Kabeln, deren genauerer Aufbau beispielsweise
aus Fig. 2 hervorgeht.
[0013] In Fig. 1 ist ein Kabel 3 eingezeichnet, das mit mäanderförmigem Verlauf in den Nuten
2 des Induktors 1 befestigt ist. Die nicht belegten Nuten 2 des Induktors 1 sind zur
Aufnahme von zwei weiteren Kabeln mit dem gleichen Aufbau wie das Kabel 3 vorgesehen.
Sie sind der Einfachheit halber nicht mit eingezeichnet. Die drei Kabel bilden zusammen
die dreiphasige Wicklung des Linearmotors. Das Kabel 3 ist so aufgebaut, daß es einfach
zu dem mäanderförmigen Verlauf zu verformen ist und ohne zusätzlichen Aufwand seine
Form auch in den außerhalb des Induktors 1 liegenden Bereichen - den Wickelköpfen
4 - beibehält. Auf mindestens einer Seite des Induktors 1 verläuft über dessen ganze
Länge ein als Erdleiter dienender metallischer Strang 5 aus elektrisch gut leitendem
Material, der in gutem elektrischem Kontakt mit den Kabeln steht und an Erdpotentiel
angeschlossen werden kann.
[0014] Das für die Wicklung nach der Erfindung verwendete Kabel 3 hat ebenso wie die beiden
anderen Kabel beispielsweise folgenden Aufbau:
Der Leiter des Kabels 3 ist als Leiterseil 6 ausgebildet, das aus einer Vielzahl von
Einzeldrähten gebildet ist. Es sind mindestens zwei Lagen von Einzeldrähten vorhanden.
Die Schlagrichtung der Verseilung in diesen beiden Lagen soll entgegengesetzt sein.
Für den Fall, daß mehr als zwei Lagen vorhanden sind, sollen sie abwechselnd entgegengesetzte
Schlagrichtung aufweisen. Das Leiterseil 6 kann aus Aluminiumdrähten bestehen. Es
könnten aber auch Kupferdrähte oder Drähte aus einem Aluminium-Kupfer-Verbund verwendet
werden.
[0015] Das Leiterseil 6 ist von einer inneren Leitschicht 7 umgeben, die auf dasselbe aufextrudiert
sein kann. Der Extrusionsvorgang ist dabei so abgestimmt, daß das Material der Leitschicht
7 auch in die Zwickel eindringt, welche zwischen den Einzeldrähten der äußeren Lage
des Leiterseils 6 vorhanden sind. Die Leitschicht 7 wird dadurch fest mit dem Leiterseil
6 verbunden, da sie sich an demselben verankert. Der Festsitz ist so gut, daß die
Leitschicht 7 weder durch Biegung noch durch axiale Beanspruchung vom Leiterseil 6
gelöst wird. Für die innere Leitschicht 7 kann vorzugsweise ein auf der Basis von
EPDM (Ethylen-Propylen-Dien-Monomer) aufgebautes Material verwendet werden. Das ist
ein Material auf der Basis eines Copolymers von Ethylen und Propylen. Dem Basismaterial
werden hochaktive Leitruße hinzugegeben. Das kann ein Leitruß allein sein. Es können
auch mehrere Leitruße im Verschnitt eingesetzt werden.
[0016] Über der inneren Leitschicht 7 ist eine Isolierung 8 angeordnet, die im gleichen
Arbeitsgang ebenfalls durch Extrusion aufgebracht werden kann. Die Isolierung 8 besteht
beispielsweise aus einer Mischung auf der Basis von EPR (Ethylen-Propylen-Rubber).
Ebenfalls im gleichen Arbeitsgang kann eine äußere Leitschicht 9 auf die Isolierung
8 aufextrudiert werden, für die das gleiche Material wie für die innere Leitschicht
7 verwendet werden kann. Durch die Verankerung der inneren Leitschicht 7 am Leiterseil
6 ergibt sich für die drei fest miteinander verbundenen Schichten 7, 8 und 9 insgesamt
ein so guter Festsitz auf dem Leiterseil 6, daß diese Schichten auch bei der Montage
von Garnituren an den Kabeln unverrückbar sind.
[0017] Das Kabel 3 hat einen äußeren Mantel 10, der aus einem leitfähig gemachten Kunststoff
besteht. Er wird ebenfalls durch Extrusion aufgebracht. Als Materialien für den Mantel
10 eignen sich beispielsweise Polymere auf der Basis von Acetatcopolymeren des Ethylens,
die beispielsweise einen Acetatgehalt von 30 % bis 70 % haben. Diesen Polymeren werden
hochleitfähige Ruße zugegeben, vorzugsweise in Kombination
[0018] Zwischen der äußeren Leitschicht 9 und dem leitfähigen Mantel 10 ist eine elektrisch
leitfähige Zwischenschicht 11 angeordnet, deren elektrischer Widerstand zwischen 1
Ω/m und 30 Ω/m liegt. Die Zwischenschicht 11 besteht aus einem Band H (Fig. 3 bis
8). Es kann beispielsweise ein Hybridband sein, in dem Kunststofffäden und metallische
Drähte in variabler Zusammensetzung zu einer Einheit verbunden sind. Der elektrische
Widerstand pro Längeneinheit eines solchen Hybridbandes ist dadurch veränderbar. Er
kann innerhalb der angegebenen Grenzen bei der Herstellung des Hybridbandes, beispielsweise
unter Einsatz der sogenannten Rascheltechnik, eingestellt und so den jeweiligen Forderungen
auf einfache Weise angepaßt werden. Als Materialien für die Kunststofffäden sind beispielsweise
Polyamid, Polyaramid oder auch Glas geeignet. Die metallischen Drähte bestehen vorzugsweise
aus Kupfer. Das Hybridband kann in beliebiger Breite und Länge hergestellt werden.
Die Breite kann für den Einsatz in Kabeln beispielsweise zwischen 10 mm und 150 mm
liegen. Die gleichen Vorteile gelten für ein Band H, das aus zu einer Einheit zusammengefaßten
Karbonfasern besteht.
[0019] Der gewünschte Wert für den elektrischen Widerstand des Bandes H wird dem Hersteller
desselben vom Hersteller des Kabels vorgegeben. Das vom Hersteller gelieferte Band
H hat dann den für seinen Einsatzzweck erforderlichen Wert zwischen 1 Ω/m und 30 Ω/m.
Um das zu erreichen, hat der Hersteller des Bandes H unterschiedliche Möglichkeiten.
So kann zur Anpassung des elektrischen Widerstandes des Bandes H an die vorgegebenen
Werte die Anzahl der metallischen Drähte gegenüber der Anzahl der Kunststofffäden
variabel sein. Variiert werden kann auch und zusätzlich der Durchmesser der metallischen
Drähte. Die metallischen Drähte können auf einer vorgegebenen Länge des Bandes H außerdem
elektrisch entweder in Reihe oder parallel zueinander liegen. Sie können auch wechselweise
sowohl in Reihe als auch parallel zueinander angeordnet sein.
[0020] Das Band H kann zur Bildung der Zwischenschicht 11 entweder um die äußere Leitschicht
9 herumgewickelt oder in Längsrichtung herumgeformt werden, so wie es in den Fig.
3 bis 8 wiedergegeben ist:
Gemäß Fig. 6 ist das Band H so um die äußere Leitschicht 9 des Kabels 3 herumgewickelt,
daß seine Kanten einander überlappen. Die Überlappung Ü kann beispielsweise zwischen
2 mm und 8 mm betragen. Das Band H selbst kann als Wickelband 10 mm bis 80 mm breit
sein.
[0021] Das Band H kann gemäß Fig. 4 auch so um die äußere Leitschicht 9 herumgewickelt sein,
daß seine Kanten aneinander stoßen. Es ergibt sich dann eine absatzfreie, rundum und
in Längsrichtung des Kabels geschlossene Zwischenschicht 11.
[0022] Eine ununterbrochene Zwischenschicht 11 ist auch dann gegeben, wenn das Band H gemäß
Fig. 5 mit Lücke L zwischen seinen Kanten um die äußere Leitschicht 9 herumgewickelt
ist.
[0023] Der gleiche Sachverhalt ergibt sich dann, wenn das Band H längseinlaufend um die
äußere Leitschicht 9 des Kabels 3 herumgeformt ist, und zwar gemäß Fig. 6 mit überlappenden,
in Längsrichtung verlaufenden Kanten (Überlappung Ü) oder gemäß Fig. 7 mit aneinander
stoßenden Kanten oder gemäß Fig. 8 mit Lücke L zwischen den Kanten. Für diese Längsformung
kann ein breiteres Band H mit einer Breite von 80 mm bis 150 mm eingesetzt werden.
Maßgebend ist hier der Durchmesser des jeweiligen Kabels über der äußeren Leitschicht
9.
1. Wicklung für einen Linearmotor, bestehend aus drei in Nuten eines langgestreckten
Induktors angeordneten, elektrischen Kabeln, die einen elektrisch leitfähigen Mantel
und eine zwischen dem Mantel und einer äußeren Leitschicht angeordnete, Metall enthaltende
Zwischenschicht aufweisen, bei welcher über die ganze Länge des aus dem Induktor und
den drei zu einer dreiphasigen Wicklung geschalteten Kabeln bestehenden Stators mindestens
ein als Erdleiter dienender metallischer Strang aus elektrisch gut leitendem Material
vorhanden ist, der elektrisch gut leitenden Kontakt zu den leitfähigen Mänteln der
Kabel hat,
dadurch gekennzeichnet,
- daß die Zwischenschicht (11) aus einem Band (H) aufgebaut ist, dessen elektrischer Widerstand
pro Längeneinheit zwischen 1 Ω/m und 30 Ω/m beträgt, und
- daß der Wert des elektrischen Widerstandes der Zwischenschicht (11) pro Längeneinheit
größer als der entsprechende Widerstandswert des für den Erdleiter verwendeten Stranges
(5) ist.
2. Wicklung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Band (H) als Hybridband ausgeführt ist, das aus zu einer Einheit verbundenen
Kunststofffäden und metallischen Drähten besteht.
3. Wicklung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Band (H) aus zu einer Einheit zusammengefaßten Karbonfasern besteht.
1. Winding for a linear motor, comprising three electrical cables (3) arranged in grooves
(2) of an elongated inductor (1), wherein the three electrical cables have an electrically
conductive sheath (10) and a metal comprising intermediate layer (11) arranged between
the sheath and an outer conductive layer (9), and wherein at least one metal strand
(5) of an electrically highly conductive material that has electrically highly conductive
contact with the conductive sheaths of the cable and serves as a grounding conductor
is present over the whole length of the stator, said stator including the inductor
(1) and the three cables (3),
characterized in
- that the intermediate layer (11) comprises a ribbon (H), the value of resistance per unit
of length of the ribbon being between 1 Ωm and 30 Ω/m, and
- that the value of electrical resistance of the intermediate layer (11) is greater than
the corresponding resistance value of the strand (5) used as the grounding conductor.
2. Winding according to claim 1, characterized in that the ribbon (H) is a hybrid ribbon which comprises plastic fibers and metallic wires
that are connected to a unit.
3. Winding according to claim 1, characterized in that the ribbon (H) comprises carbon filaments which are combined to a unit.
1. Enroulement pour un moteur linéaire, composé de trois câbles électriques disposés
dans des rainures d'un inducteur allongé, lesquels présentent une gaine électriquement
conductrice et une couche intermédiaire contenant du métal disposée entre la gaine
et une couche conductrice externe, avec lequel il existe, sur toute la longueur du
stator composé de l'inducteur et des trois câbles connectés en un enroulement triphasé,
au moins une barre métallique faisant office de conducteur de terre en un matériau
bon conducteur d'électricité, laquelle possède un contact bon conducteur d'électricité
avec les gaines conductrices,
caractérisé en ce
- que la couche intermédiaire (11) est constituée d'une bande (H) dont la résistance électrique
par unité de longueur est comprise entre 1 Ω/m et 30 Ω/m et
- que la valeur de la résistance électrique de la couche intermédiaire (11) par unité de
longueur est supérieure à la valeur de résistance correspondante de la barre (5) utilisée
pour le conducteur de terre.
2. Enroulement selon la revendication 1, caractérisé en ce que la bande (H) est réalisée sous la forme d'une bande hybride qui se compose de fils
en matière plastique et de fils métalliques reliés en une unité.
3. Enroulement selon la revendication 1, caractérisé en ce que la bande (H) se compose de fibres de carbone regroupées en une unité.