Untersuchung stationärer Betriebsgrößen des
Drehstromasynchron-Linearmotors für
Synchrongeschwindigkeiten unter 3 m/s
Von der Fakultät IV Elektrotechnik und Informatik
der Technischen Universität Berlin
zur Verleihung des akademischen Grades eines
Doktor-Ingenieur
(Dr.- Ing.)
genehmigte Dissertation
vorgelegt von
Dipl.-Ing. Dietmar Kleemann
aus Berlin
Promotionsausschuss:
Vorsitzender: Prof. Dr.- Ing. S. Bernet
1. Berichterstatter: Prof. Dr.- Ing. R. Hanitsch
2. Berichterstatter: Prof. Dr.- Ing. J. Krüger
Tag der wissenschaftlichen Aussprache: 19. Januar 2005
D83
Abstract
Dietmar Kleemann
Untersuchung stationärer Betriebsgrößen des Drehstromasynchron-Linear-
motors für Synchrongeschwindigkeiten unter 3m/s
Drehstromasynchron-Linearmotor, Synchrongeschwindigkeit = 1,85m/s, stationäre
Betriebsgrößen
Drehstromasynchron-Linearmotoren (DLM) werden kommerziell mit der kleinsten
Synchrongeschwindigkeit von 3,0 m/s angeboten. Die Stillstandskraft des DLM mit
der kleinsten Baugröße liegt bei ca. 30 N, so dass damit eine Glasschiebetür mit
einer Masse bis 20 kg angetrieben werden kann. Bei der üblichen Beharrungsge-
schwindigkeit der Glasschiebetür von 0,5 m/s sinkt der Wirkungsgrad unter 3,5 %.
Bei der Geschwindigkeit von 1,5 m/s beträgt er 8.5 %. In der vorliegenden Arbeit wird
untersucht, ob ein DLM mit einer Synchrongeschwindigkeit von 1,845 m/s zu
besseren Betriebseigenschaften bei der Anpassung an einen Schiebetürantrieb
führt. Dafür ist bei Betrieb an einem 50 Hz-Drehstromnetz eine Polteilung von
18,45 mm mit Zahnbreiten von 3 mm oder darunter erforderlich. Die Lösung besteht
in einer neuen Bauweise, bei der die Zähne als Blechpakete in um 90° zum
Jochblechpaket angeordnete 3 mm tiefe Nuten gepresst werden. Für den Funktions-
nachweis wurde ein neunpoliger Linearmotor mit dem dafür entwickelten Programm
DLMCALC berechnet, als Prototyp gebaut und dessen stationäre Kennlinien
gemessen. Folgende Ergebnisse wurden erzielt: Die berechneten stationären
Kennlinien der Schubkraft, des Stroms, des Wirkungsgrades und des Leistungs-
faktors über der Geschwindigkeit wichen an einzelnen Punkten maximal um 4 % von
den Messwerten ab. Der zusätzliche Bedarf an magnetischer Durchflutung ist
marginal. Der optimierte DLM erreicht bei einer Strangspannung von 22 V laut
Rechnung bei einem Schlupfwert von 0,5 einen Wirkungsgrad von 6,0 %, bei der
von 39 mm auf 49 mm erhöhten Statorbreite 7,0 %. Eine Antriebsberechnung für
eine Glasschiebetür zeigt, dass die Verluste des optimierten Prototyps um 10 %
kleiner sind als die des DLM mit der Synchrongeschwindigkeit von 3,0 m/s. Die
Arbeit enthält Hinweise für die Dimensionierung von DLM mit einer Synchronge-
schwindigkeit von unter 2 m/s.
Abstract
Dietmar Kleemann
Investigation of stationary operating parameters of an three phase
asynchronous linear motor for synchronous speed less than 3 m/s
Three-phase asynchronous linear motor, synchronous speed = 1,85m/s, quantities
Three phase asynchronous linear motors (TLM) are commercially offered with the
smallest synchronous speed of v
S
= 3.0 m/s. TLM that are shorter than 200 mm
generate a force of 30 N at standstill. That will be enough to drive a sliding glass
door less than 20 kg. The maximum efficiency of 8.5 can be achieved at half
synchronous speed of 1.5 m/s. Sliding doors are operated with a maximum speed of
0.5 m/s. Under this condition the efficiency of conventional TLM decreases to a
number less than 3.5 %. Therefore the aim of this research work is to find a better
adaptation of force and speed of the TLM to the operating conditions of sliding
doors. It is investigated, if a TLM with a synchronous speed less than 2 m/s will show
better operating qualities. Therefore the pole pitch will be less than 20 mm with a
tooth width of 3 mm or less. Instead of punching the lamination at tooth widths of
less than 3.5 mm a novel approach is realized. Teeth and yoke are produced
separately. Two soft magnetic and isolated sheets are glued together and form the
teeth. The sheets are inserted and pressed into slots, which are perpendicular to the
stator-yoke lamination. To prove the functionality and the parameters of this novel
design a nine pole prototype was calculated with the specially developed program
DLMCALC. Afterwards the prototype was built and measured. The calculated graphs
of force, current, efficiency and power factor versus speed correspond to the
measured graphs with an deviation of 4 % in maximum of the efficiency. The leakage
flux caused by the parasitic air gap at the bottom of teeth is minimized. Calculations
of different variants with the aim of improving the efficiency of the TLM with a
synchronous speed of 1.85 m/s operated at a phase voltage of 22 V result an
efficiency of 6.0 %. Increasing the stator width from 39 mm to 49 mm results an
efficiency of nearly 7.0 %. A comparing calculation of one moving cycle of a sliding
door shows, that the consumption of the TLM with the synchronous speed of
1.85 m/s is 10 % smaller than this of the TLM with the synchronous speed of 3.0 m/s
with the same size. The work contains hints for dimensioning TLM with synchronous
speed of less than 2 m/s.
I
Inhalt:
1 Einleitung 1
2 Stand der technischen Entwicklung von Drehstromlinearmotoren 4
2.1 Übersicht zur Entwicklung des Linearmotors 4
2.2 Standardwerke zum Drehstromasynchron-Linearmotor (DLM) 5
2.3 Stand der Technik von Tür- und Torantrieben – Eignung von DLM 6
2.3.1 DLM mit kleinen Geschwindigkeiten 8
2.3.2 Anwendung des DLM als Antrieb für Schiebetüren 9
2.3.3 Möglichkeiten der Anpassung an kleine Geschwindigkeiten 11
2.4 Begründung zur unteren Grenze der Synchrongeschwindigkeit 11
3 Wissenschaftlich-technische Fragen und Aufgabenstellung 14
4 Lösungen zur Reduzierung der Synchrongeschwindigkeit 16
4.1 Vorgehensweise und angewandte Methoden 16
4.2 Anforderungen an einen DLM als Schiebetürantrieb 17
4.2.1 Geschwindigkeit 17
4.2.2 Zug- und Bremskraft 18
4.2.3 Mechanische Leistung und Betriebsart 21
4.2.4 Wirkungsgrad und Leistungsfaktor 23
4.3 Neuartige Bauweise des DLM als Lösungsansatz 24
4.4 Funktionsweise und Besonderheiten von DLM 26
4.4.1 Funktionsprinzip der Induktionsmaschinen 26
4.4.2 Unterschiede zwischen linearer und rotierender Asynchronmaschine 26
4.4.3 Magnetische Felder 27
4.4.4 Entstehung und Auswirkungen des Längsrandeffektes 29
4.4.5 Auswirkungen des Querrandeffektes 34
4.4.6 Hinweise für die Auslegung des DLM mit kleinen Geschwindigkeiten 36
4.5 Auslegung der Hauptabmessungen 37
4.5.1 Besondere Bedingungen bei der Dimensionierung 37
4.5.2 Wahl der Betriebsspannung 38
4.5.3 Länge des Stators 39
4.5.4 Statorbreite 40
4.5.5 Ergebnisse der Dimensionierung 44
4.5.6 Material und Dicke der Reaktionsplatte 45
4.5.7 Wicklungsdaten und Nuthöhe 45
4.5.8 Zusammenstellung der Dimensionierungsdaten 46
4.6 Berechnung der Betriebsgrößen 48
4.6.1 Hinweise zum Rechenprogramm 48
4.6.2 Vom Luftspalt und vom Schlupf unabhängige Größen 50
4.6.3 Vom magnetischen Luftspalt δ abhängige Größen 52
4.6.4 Schlupfabhängige Größen 59
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