Fachhochschule Augsburg University of Applied Sciences

Augsburg, den 14.12.07 Der Linearmotor - Theoretische Grundlagen des Linearmotors - praktisches Beispiel am Transrapid und am Modell Patrick Rosyk

Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung: Entwicklung des Linearmotors Augsburg, den 14.12.07 Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung: Entwicklung des Linearmotors   2. Hauptteil: 2.1 Theoretische Grundlagen des Linearmotors 2.1.1 Der Drehstrom 2.1.1.1 Erzeugung von Drehstrom 2.1.1.2 Verkettung der drei Phasen 2.1.2 Aufbau und Wirkungsweise von Drehstrommaschinen 2.1.3 Aufbau und Funktionsweise von Linearmotoren 2.2. Einsatz von Linearmotoren 2.2.1 Allgemeiner Einsatz von Linearmotoren 2.2.2 Einsatz des Linearmotors am Beispiel des Transrapids 2.2.2.1 Technik des Transrapids 2.2.2.2 Transrapid Versuchsanlage Emsland (TVE) 2.3. Bau eines Linearmotors 3. Schluss: Der Linearmotor

Augsburg, den 14.12.07 Entwicklung des Linearmotors 1851 Amerikaner G. Page wendet das Grundprinzips der geradlinigen Bewegung einer elektrischen Maschine an lineare elektrische Motorvarianten genau so alt wie die rotierenden Maschinen Aber: sehr geringe Weiterentwicklung durch offenes elektromagnetisches Systems da Sonderanfertigung für alle linearen Antriebe 1922 Ingenieur Hermann Kemper entwickelt eine elektromagnetische Schwebebahn nach dem Prinzip der elektroinduktiven Abstoßung nach Thomson Interesse an der Schwebebahn und am Linearmotor steigt sehr stark an. Zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts: einfache Schwebebahn entwickelte sich zu einem leistungsfähigen Beförderungsmittel, dem Transrapid. Viele Vorteile gegenüber anderen Fortbewegungsmitteln: - hohe Fahrtgeschwindigkeit (500 km/h) - sehr geringer Verschleiß - sichere und komfortable Fortbewegung - große Zuverlässigkeit

Augsburg, den 14.12.07 Anfang 2004 in China: Entstehung einer 30 km lange Transrapid Strecke von Shanghai bis zum Flughafen Pudong-International Schwebebahn wird zum weltweit schnellsten kommerziell betriebenen Bahnsystem großen Erfolg in China Interesse an der neuen Technologie - München 2009: Transrapid verbindet voraussichtlich den Hauptbahnhof und den Flughafen „Franz Josef Strauß“

Augsburg, den 14.12.07 2.1.1.1 Erzeugung von Drehstrom spezielle Stromart für Linearmotoren wird benötigt Drehstrom Bestandteile eines Drehstromgenerators: Ständer (Stator): 3 um 120° versetzte Anker mit spezieller Drahtwicklung (U1, U2; V1, V2; W1, W2) Läufer (Rotor): erzeugt starkes Magnetfeld durch Dauermagnete oder durch einen mit Gleichstrom betriebenen Elektromagneten. Bewegung des Rotor magnetische Flussdichteänderung an den Ankerwicklungen Spannung wird in die Spulen induziert Wechselstrom fließt in jeder der 3 Spulen

Augsburg, den 14.12.07 räumlichen Verschiebung der 3 Anker Wechselspannung wird nacheinander in die Spulen induziert. Bildung von drei gleich große Stromimpulse um 120° bzw. 2/3 verschoben! - Beispiel: Polrad erzeugt bei 90° in der Spule U1 - U2 (L1) den Höchstwert von Spannung und Strom 1/3 Drehung später Höchstwert in Spule V1 - V2 (L2), dann bei L3 Stromhöchstwerte entstehen nacheinander relativ vom Stator ausgesehen bilden sich Drehströme, die sich mit einer bestimmten Frequenz drehen - Strangströme sind mit ihren dazugehörigen Spannungen phasengleich

Augsburg, den 14.12.07  2.1.1.2 Verkettung der drei Phasen Anschließen des Drehstrom an bis zu 3 Verbraucher, da Drehstromgenerator 3 Stränge besitzt 3 Einphasensysteme / Wechselstromverbraucher möglich 6 Leitungen notwendig in der Praxis keine Anwendung Verringerung der Leiterzahl durch zusammenschließen von 3 Induktionsspulen des Generators Möglich, da Summe der Spannungen in jedem Augenblick Null ist kein Kurzschluss! zwei Grundschaltungen für Verkettung: Dreiecks- oder Sternschaltung Dreiecksschaltung: Verbindung eines Spulenanfang mit dem Spulenende einer anderen Spule Anschließung der 3 Anschlusspunkte mit den drei Außenleiter L1, L2, L3 Außenleiterspannungen = Strangspannungen Außenleiterströme x Wurzel 3 = Strangströme

Augsburg, den 14.12.07   Sternschaltung: - von jeder Spule jeweils wird ein Spulenanschluss mit dem Anschluss einer anderen Spule verbunden (Anschluss: U2+V2+W2) Knotenpunkt / Sternpunkt entsteht Anschluss des Neutralleiter N im Knotenpunkt An die 3 anderen Spulenanschlüsse U1, V1, W1 werden die Außenleiter L1, L2 und L3 angeschlossen gleichmäßige Belastung der 3 Stromkreise in der Praxis nicht erfüllt Deshalb Nullleiter (geerdet): Ausgleichstrom bei ungleichmäßiger Belastung der drei Stromkreise Außenleiterströme = Strangströme Außenleiterspannungen x Wurzel 3 = Strangspannungen

Augsburg, den 14.12.07 2.1.2 Aufbau und Wirkungsweise von Drehstrommaschinen Drehstrommotoren synchron und asynchron Asynchroner Motor: Ständer (Stator): Ständerblechpaket (gegeneinander isolierte Dynamobleche ) im gegossenen Ständergehäuse Stator zweipolige Einschichtwicklung in Nuten eingelegt Aufgabe: Erzeugung eines mit der Frequenz der Speisespannung umlaufendes Drehfelds im Luftspalt Läufer (Rotor / Käfigläufer): Nuten = Profilstäben (Kupferlegierung) an Stirnseite über Kurzschlussringe miteinander verbunden Drehstrom an Ständerwicklung – Drehfeld – Induktion von Spannungen in den Rotor - Ströme in dem kurzgeschlossenen Käfigläufer - Magnetfeld mit abstoßende Kraft - Bewegung des Rotors asynchronen Wirkungsweise positive oder negative Drehzahldifferenz: Ständerfeld <=> Läuferfeld Drehzahl Motor ist nicht an die Frequenz der Ständerspannung gebunden!

Augsburg, den 14.12.07 - Synchroner Motor: Stator identisch! Rotor (Polrad): Nuten mit Gleichstromwicklung oder Dauermagnet - Gleichfeld wird vom Magnetfeld des Stators in Drehung versetzt Bewegung des Läuferpolrad stellt sich für Ständer als Drehfeld dar Drehfeld der Synchronmaschine Aufbau vom Ständer und zum Teil vom Läufer! Drehfeldzahl der Synchronmaschine an die Frequenz der Statorspanunng gebunden

Augsburg, den 14.12.07 2.1.3 Aufbau und Funktionsweise von Linearmotoren geometrischen Ähnlichkeit: Drehstrommotor  Linearmotor Auftrennen der Drehstromasynchronmaschine Stator und Rotor in eine Ebene abwickeln linearen Rotor und einen linearen Stator Stator an Drehstromquelle: statt Drehfeld: Wanderfeld! Bewegung des „Rotors“ nach links/rechts Bewegung wenn Stator min. etwas länger als Rotor

Augsburg, den 14.12.07 zwei Ausführungsmöglichkeiten: - Ständer längs der Strecke verlegt Langstator- Linearmotor (keine bewegte Kontakte zum Läufer, da Stator mit Drehstrom verbunden) - Rotor längs der Strecke verlegt Kurzstator- Linearmaschine (3 Schleifringe, die den bewegten Ständer mit elektrischer Energie versorgen)

Augsburg, den 14.12.07 2.2.1 Allgemeiner Einsatz von Linearmotoren   In der Praxis: umständliche Weg über die Umwandlung der Rotationsenergie in lineare Energie (Kupplungs-Getriebe-Achse-Rad-Boden Anordnung) Nachteil: hoher Energieverlust, relativ hoher Verschleiß Bei Linearmotor: Umwandlung der Energie direkt in geradlinige Bewegungen Vorteile: - Wirkungsgrade bis 80 % - Kompaktheit - Robustheit / Verschleißfreiheit Asynchrone Motoren: häufiger Einsatz durch einfachen Aufbau des Läufers betriebsinterne Transport- und Positionierungssysteme schnelle und verschleißfreie Schließen von Rolltoren Positionierung von Eisenblöcken und Eisenrohren im Stahlwerk (Elektrische / magnetisch leitende Produktionsmittel als Läufer ! ) Synchrone Motoren: Anwendungsbereich sehr gering spurgebundene Bahnsystemen (Magnetschwebebahn)

Augsburg, den 14.12.07 2.2.2.1 Technik des Transrapids Antrieb: Kombination aus berührungsfreiem elektromagnetischen Antriebs-, Trag- und Führungssystem Aufbau: T-förmige Schiene mit Statorpakete unter Querträgern des T Fahrzeug umklammert gesamte Schiene Haken der Fahrzeugumklammerung = elektronisch geregelte Tragmagnete Elektronische Regelung der Magnet- gruppen des Linearstators / Linearrotors - Abstand: ca. 10mm - 100.000 Berechnungen/s!

Augsburg, den 14.12.07 - Antrieb + Schweben (EMS): synchronen Langstator-Linearmotor Stator im Fahrweg und Rotor im Fahrzeug Stator an Drehstrom angeschlossen Rotor: Elektromagnete => Gleichstrom aus Bordbatterien Geschwindigkeit: 400- 500km/h ! Regelung mit Stärke und Frequenz des Stroms umpolen zweier Phasen Änderung der Kraftwirkung Lineargenerator berührungsfreies Bremsen Bremsenergie für Aufladen der Bordbatterien VertikaleSicherung: Führungsmagnet am Fahrzeuge Führungsschiene am T-Träger

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Augsburg, den 14.12.07 Stromversorgung: Energieversorgung für Fahrzeug: Bordbatterien (Aufladung durch integrierte Linear-Generatoren) Stilstand: - Bordenergie für 1 Stunde schweben - Stromversorgung an Haltepunkten Nabelschnursteckdosen Energieversorgung für Fahrweg: nur abschnittsweise! Unterteilung des Fahrwegs in viele Motorabschnitte (300m - 2000m) Strom nur in dem Motorabschnitt wo sich auch das Fahrzeug befindet

Augsburg, den 14.12.07 Magnetschwebetrassen: ebenerdig: Seitensicherungen (starke Druckwelle/Sog bei Vorbeifahrt) aufgeständert: optisch zurücktreten Bruchteil der Fläche einer Straßen- oder Bahnlinie - Betriebsleittechnik: steuert den Betrieb der Transrapid-Fahrzeuge (Stellung der Weiche, Stromstärke..) Ortung der Fahrzeuge durch fahrzeugseitiges Ortungssystem (Ortsmarken) Kommunikation: Fahrweg  Leitstand  Betriebszentrale: Richtfunkdatenübertragung

Augsburg, den 14.12.07 2.2.2.2 Transrapid Versuchsanlage Emsland (TVE) 1980: Bau der 31,5 Kilometer langen Transrapid Versuchsanlage (TVE) in Emsland Bremen geschlossener Kurs: 1 gerade Strecke (12km), 2 Schleifen (R1=1700m, R2=1000m) Ermittlung von Parameter: Fahrverhalten maximale Fahrwegsteigung (10%!) die Druckverhältnisse bei Tunneleinfahrten Geräuschpegel (sehr gering)

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Augsburg, den 14.12.07 2.3 Bau eines Linearmotors   asynchroner Kurzstator-Linearmotor Kein linearer Rotor einfacherer Aufbau / höherer Wirkungsgrad Rotor (3 Spulen) umschließt Stator (leitfähige Stativstange) Rotor: 3 Spulen die auf einem Plastikrohr ( 1cm) Dreiecksschaltung Stator: 1m lange Eisenschraube ( 0.6cm)

Augsburg, den 14.12.07 Stromversorgung: - 3 Schleifkontakte am Fahrzeug - 3 Leitungen am Fahrweg (mittlere Leitung dient zugleich als Führungsschiene für das Fahrzeug)

Augsburg, den 14.12.07 Steuerung: 3 Schalter für 3 die Phasen 1 Schalter umpolen zweier Phasen (Änderung der Fahrtrichtung) - Leistung 100W 3 km/h

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Augsburg, den 14.12.07 3 Der Linearmotor   - Baugleich mit normalen elektrischen Motoren Unterschied nur im geometrischen Aufbau immer häufiger Einsatz von Linearmotoren, da immense Vorteile gegenüber „normalen“ elektrischen Motoren Vorteile: geringerer Verschleiß direkte bzw. berührungslos Kraftübertragung Robustheit viel höherer Wirkungsgrad Kein umständlicher Weg zum über Kupplungs-Getriebe-Achse-Rad-Boden Anordnung Nachteile: - Relativ teuer durch offenes elektromagnetisches Systems Sonderanfertigung für alle linearen Antriebe

Augsburg, den 14.12.07 Quellenangaben Bücher: - Götzke Horst, Transrapid. Technik und Einsatz von Magnetschwebebahnen, Stuttgart 2002 - Hofer Klaus, Drehstrom-Linearantriebe für Fahrzeuge, Berlin 1993  Internet:  - WWW: http://www.hennis-home.de/Studium/Transrapid/transrapid.html (Stand: 30.01.2004) - WWW: http://www.transrapid.de/de/index.html (Stand: 30.01.2004) - WWW: http://elektrotechnik-fachwissen.de/wechselstrom/drehstrom.php (Stand: 30.01.2004) - WWW: http://members.magnet.at/alpha-channel/electro/lauf/agen6.htm (Stand: 30.01.2004) - WWW: http://fips-server.physik.uni-kl.de/fips/teilnehmer/newsticker/history/01- 02-06.html (Stand: 30.01.2004) -WWW: http://strombasiswissen.bei.t-online.de/SB123-05.htm (Stand: 30.01.2004) - WWW: http://www.von-grambusch.de/Meister/M47.htm (Stand:30.01.2004) - WWW: http://vorsam-server.physik.uni-ulm.de/Versuche/EM/html/EM113V00. htm (Stand: 30.01.2004)

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