Was ist ein linearer Induktionsmotor?
Funktionsprinzip
Ein linearer Induktionsmotor (LIM) ist ein dreiphasiger Asynchronmotor, der entlang seiner Achse aufgeschnitten und flach abgerollt wurde. Die Statorwicklung erzeugt kein Drehfeld mehr, sondern ein Wanderfeld, das mit der synchronen Geschwindigkeit v_s = 2·τ·f an der Maschine entlangläuft; τ ist die Polteilung und f die Speisefrequenz. Gegenüber liegt über einen kleinen Luftspalt eine leitende Platte, meist Aluminium oder Kupfer auf einer Rückschlusseisenplatte. Das Wanderfeld induziert Ströme in der Platte, und diese ziehen die Platte mit dem Feld mit.
Schlupf, Schub und Gütefaktor
Die Platte läuft dem Feld immer hinterher: Der Schlupf ist s = (v_s − v)/v_s. Der Schub ist die Luftspaltleistung geteilt durch die Feldgeschwindigkeit, F = P_Luftspalt / v_s; er ist bei Synchrongeschwindigkeit null und im Stillstand groß. Wie gut die Platte das Feld in Schub umsetzt, misst der Gütefaktor G = μ0·ω·τ²·σ·d/(π²·g). Ein guter Leiter, hohe Frequenz, große Polteilung und kleiner Luftspalt erhöhen G, und ein hohes G bedeutet weniger Magnetisierungsstrom, besseren Leistungsfaktor und besseren Wirkungsgrad.
Großer Luftspalt und Endeffekt
Anders als eine rotierende Maschine hat ein LIM einen Luftspalt von Zentimetern, weil Platte und Spiel zwischen Stator und Rückschlusseisen liegen. Die Magnetisierungsreaktanz sinkt mit 1/g, daher sind der Magnetisierungsstrom hoch und Leistungsfaktor und Wirkungsgrad niedrig, oft unter 0,5. Ein kurzer Stator hat zudem eine Eintritts- und eine Austrittskante: Die Wirbelströme in der Platte klingen beim Durchlaufen des Stators nicht ab, was bei hoher Geschwindigkeit Fluss und Schub kostet. Das ist der Endeffekt; er wächst mit der Geschwindigkeit.
Normalkraft und Anwendungen
Der Stator zieht das Rückschlusseisen außerdem mit einer Normalkraft an, die ein Mehrfaches des Schubs betragen kann; Räder oder Führungen müssen sie aufnehmen. Ein LIM braucht kein Getriebe, keine Radhaftung und keine rotierenden Teile und treibt deshalb Magnetschwebebahnen und U-Bahnen, Förderbänder, Schiebetüren, Achterbahn-Starts und Flugzeugkatapulte an. Ein Frequenzumrichter legt v_s und damit die Geschwindigkeit fest; eine vertauschte Phasenfolge kehrt die Bewegung um und bremst das Fahrzeug.
Häufig gestellte Fragen
- Warum ist der Leistungsfaktor eines linearen Induktionsmotors so niedrig?
- Der Luftspalt ist groß, weil Platte und Spiel zwischen Stator und Rückschlusseisen liegen. Die Magnetisierungsreaktanz ist daher klein, und fast der ganze Strom baut nur das Feld auf. Verkleinern Sie im Simulator den Luftspalt: Der Strom sinkt, Leistungsfaktor und Wirkungsgrad steigen. Der Endeffekt bringt zusätzliche Verluste.
- Was ist der Endeffekt beim linearen Induktionsmotor?
- Der Stator hat eine endliche Länge, die Platte tritt also in das Feld ein und wieder aus. Die an der Eintrittskante induzierten Wirbelströme klingen langsam ab und fließen noch, wenn die Platte austritt; sie schwächen den Luftspaltfluss und kosten Leistung. Schalten Sie im Simulator zwischen ideal und mit Endeffekt um und vergleichen Sie die Schubkurven: Der Verlust wächst mit der Geschwindigkeit.
- Wie ändert man Geschwindigkeit oder Richtung eines LIM?
- Die Synchrongeschwindigkeit ist v_s = 2·τ·f; ein Frequenzumrichter ändert also die Feldgeschwindigkeit, und das Fahrzeug folgt mit Schlupf. Das Vertauschen zweier Phasen kehrt Wanderfeld und Schub um, was ein fahrendes Fahrzeug auch bremst. Erhöhen Sie im Simulator die Frequenz und beobachten Sie, wie sich die Synchrongeschwindigkeit und die Schubkurve verschieben.