DE3821660C1 - Reluctance machine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Reluktanzmaschine, insbesondere einen Reluktanzmotor, der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Gattung.

Bei einem bekannten Reluktanzmotor der genannten Art (EP 00 96 390 A1) sind der Innen- und Außenstator mit ausgeprägten Polen versehen, auf welchen abwechselnd jeweils ein Wicklungsstrang der mehrsträngigen Statorwicklungen aufgewickelt ist. Die Anzahl der Pole ist ein ganzzahliges Vielfaches der Strangzahl der Statorwicklungen. Am Statorumfang aufeinanderfolgende Pole tragen jeweils die Strangwicklung des nächstfolgenden Strangs, so daß die am Umfang um die Strangzahl zueinander versetzten Pole die Wicklungen des gleichen Strangs der Statorwicklungen tragen. Die einander gegenüberliegenden Pole von Innen- und Außenstator haben entgegengesetzte Polarität. Die Statorzähne sind an den Polschuhen angeordnet. Die Anzahl der Statorzähne am Innen- und Außenstator ist ebenso wie die Anzahl der Rotorzähne am Innen- und Außenumfang des Rotors gleich. Statorzahnzahl und Rotorzahnzahl differieren jedoch. Ein solcher Relektanzmotor wird häufig als Schrittmotor verwendet, wobei die einzelnen Phasenstränge der Statorwicklungen aufeinanderfolgend mit Stromimpulsen angesteuert werden.

Es sind auch bereits Reluktanzmotoren bekannt (Pustola/Sliwinski "Kleine Einphasenmotoren", VEB Verlag Technik Berlin, 1961, S. 244 ff.), bei welchen die ein- oder mehrphasige Erregerwicklung des Stators in Form einer Wellen- oder Schleifenwicklung in Längsnuten des Stators einliegt. Die Längsnuten sind zwischen den einzelnen Statorzähnen angeordnet. Als Rotor wird meist das Blechpaket eines normalen Induktionsmotors verwendet, wobei ein Teil der Zähne am Umfang des Rotors entfernt wird, um im Rotor die entsprechende Polzahl zu erhalten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Maschine mit wicklungslosem Rotor und hoher Ausnutzung zu schaffen, die vorteilhaft als Hochmoment-Servo-Motor für Drehantriebe in der Handhabungstechnik oder als langsam laufender Hilfs- und Hauptantrieb in Fahrzeugen aller Art eingesetzt werden kann.

Die Lösung gelingt bei einer Maschine der gattungsgemäßen Art mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 genannten Merkmalen.

Die erfindungsgemäße Reluktanzmaschine mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, daß sich durch die Ringspulen bei gleichem Kupferaufwand eine gegenüber konventionellen Wellen- oder Schleifenwicklungen höhere Durchflutung und damit ein größerer Magnetfluß erzielen läßt. Dies ist bedingt durch die geringere mittlere Leiterlänge einer Ringspule gegenüber einer Wellen- oder Schleifenwicklung. Die Erregerwicklung läßt sich extrem leicht und einfach wickeln.

Der erfindungsgemäße Aufbau von Stator und Rotor ermöglicht die Laminierung beider in magnetisch vorteilhafter Richtung. Während der Rotor in bekannter Weise in Achsrichtung laminiert ist, so daß der Rotorblechschnitt dem Querschnitt des Rotors entspricht, werden die Statorzähne in Umfangsrichtung laminiert, so daß die Trennebenen zwischen den Statorzahnblechen in Achsrichtung von Stator und Rotor verlaufen. Der damit erzielte Vorteil zeigt sich in geringen Eisenverlusten.

Für die Herstellung der Reluktanzmaschine sind nur zwei verschiedene Stanzwerkzeuge erforderlich, was sich kostengünstig auf die Herstellung auswirkt. Gegenüber Reluktanzmotoren mit ausgeprägten Polen zeichnet sich die erfindungsgemäße Reluktanzmaschine durch einfache Wickeltechnik und die Tatsache aus, daß alle Wicklungsstränge den gleichen Aufbau aufweisen können, was erhebliche fertigungstechnische Vorteile bringt.

Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt jeweils schematisch dargestellt

Fig. 1 einen Längsschnitt eines dreiphasigen Reluktanz­ motors,

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung eines Ausschnitts in gestreckter Form des Motors in Fig. 1,

Fig. 3 ausschnittweise eine Draufsicht in gestreckter Form von Stator und Rotor des Motors in Fig. 1.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Der in Fig. 1 im Längsschnitt schematisch dargestellte Reluktanzmotor als Beispiel einer Reluktanzmaschine hat einen hohlzylindrischen Rotor 10, der über eine an seiner einen Stirnseite befestigte Scheibe 11 drehfest mit einer Welle 12 verbunden ist, welche die Abtriebswelle des Reluktanzmotors darstellt. Die Welle 12 ist in zwei Wälzlagern 13 eines Gehäuses 14 gelagert. Das Gehäuse 14 nimmt in bekannter Weise den Ständer oder Stator auf, der hier aus einem Außenstator 15 und aus einem Innenstator 16 besteht. Außen- und Innenstator 15, 16 sind koaxial angeordnet und liegen unter Belassung eines äußeren Luftspaltes 17 und eines inneren Luftspaltes 18 jeweils der äußeren bzw. der inneren Zylindermantelfläche des Rotors 10 gegenüber. Der Rotor 10, der als in Achsrichtung sich erstreckendes Rotorblechpaket ausgebildet ist, trägt sowohl an seiner äußeren als auch an seiner inneren Zylindermantelfläche in Achsrichtung sich erstreckende ebenfalls geblechte Rotorzähne 19 bzw. 20, die gleichmäßig über den Umfang verteilt angeordnet sind, d. h. in Umfangsrichtung gesehen gleiche Zahnbreite bei konstanter Zahnteilung τ _N aufweisen. Den Rotorzähnen 19 stehen am äußeren Luftspalt 17 Statorzähne 21 und am inneren Luftspalt 18 Statorzähne 22 gegenüber. Die Anzahl der Statorzähne 21, 22 ist gleich groß und entspricht der Anzahl der Rotorzähne 19 bzw. 20.

Der Außenstator 15 und der Innenstator 16 sind identisch aufgebaut und jeweils mit einer mehrphasigen, hier dreiphasigen, Stator- oder Erregerwicklung 23 bzw. 24 versehen. Die beiden Statorwicklungen 23, 24 sind so geschaltet, daß sich die von ihnen erzeugten Durchflutungen addieren. Jeder Stator 15, 16 ist in Achsrichtung in eine der Phasen- oder Strangzahl der Statorwicklung 23 bzw. 24 entsprechende Anzahl von Statorabschnitten, hier in die drei Statorabschnitte 151-153 bzw. 161-163, unterteilt. Dadurch werden auch die Statorzähne 21 bzw. 22 des Außen- bzw. Innenstators 15, 16 in drei Zahnabschnitte 211-213 bzw. 221-223 unterteilt (Fig. 1 und 3). Wie aus der in Fig. 3 ausschnittsweise in gestreckter Form dargestellten Draufsicht des Außenstators 15 und des Rotors 10 ersichtlich ist, sind die Zahnabschnitte 211-213 in Umfangsrichtung jeweils gegeneinander versetzt angeordnet. Der Versatz s entspricht gleich der durch die Phasen- bzw. Strangzahl der Statorwicklungen 23, 24 dividierten Nutteilung τ _N der Rotorzähne 19 bzw. 20, im vorliegenden Ausführungsbeispiel einer dreiphasigen Statorwicklung 23 bzw. 24 als ¹/₃ · τ _N . Auch die Zahnabschnitte 221-223 des Innenstators 16 sind in gleicher Weise versetzt zueinander angeordnet.

Jeder Zahnabschnitt 211-213 bzw. 221-223 in den Statorabschnitten 151-153 bzw. 161-163 ist als Blechpaketsegment ausgebildet, wobei die Trennebenen zwischen den einzelnen Blechen in Achsrichtung des Rotors 10 verlaufen. Die Dicke der Blechpaketsegmente in Umfangsrichtung entspricht der Zahnbreite der Statorzähne 21 bzw. 22. Die Blechpaketsegmente sind in der perspektivischen Darstellung in Fig. 2 besonders deutlich zu sehen. Sie werden einzeln hergestellt und in dem Außenstator 15 bzw. Innenstator 16 befestigt, z. B. durch Einschieben in Taschen, die im Gehäuse 14 vorgesehen sind, oder durch Eingießen oder Einkleben in geeigneter Weise. Jedes Blechpaketsegment weist einen mittigen, zu der dem Rotor 10 zugekehrten Seite hin offenen Ausschnitt 25 auf. Die endseitige Öffnung 26 des Ausschnittes 25 ist im Endbereich verjüngt, so daß die den Rotorzähnen 19, 20 gegenüberliegende Statorzahnlänge - in Achsrichtung gesehen - eines jeden Statorzahnabschnittes möglichst groß ist.

Die Blechpaketsegmente der einzelnen Statorabschnitte 151- 153 bzw. 161-163 werden jeweils auf einen Wicklungsstrang 231-233 bzw. 241-243 der Statorwicklung 23 bzw. 24 aufgesteckt, so daß der Wicklungsstrang jeweils im Ausschnitt 25 der Statorblechpakete einliegt. Dies ist besonders einprägsam in Fig. 2 für den Wicklungsstrang 231 bzw. 241 zu sehen. Jeder Wicklungsstrang 231-233 bzw. 241-243 (Fig. 1) ist als Ringspule mit einer Vielzahl von Leitern gewickelt. Die einzelnen Ringspulen werden durch eine hier nicht dargestellte Ansteuer- und Leistungselektronik in Abhängigkeit von der zu sensierenden Lage des Rotors 10 mit Stromimpulsen beaufschlagt. Immer wenn die Rotorzähne 19, 20 exakt zu einem Zahnabschnitt 211 bzw. 221 ausgerichtet sind (Fig. 3) werden die Ringspulen des nächstfolgenden Zahnabschnitts 212 bzw. 222 mit Stromimpulsen belegt. Zwischen den zunächst zueinander verschobenen Zahnabschnitten 212 bzw. 222 und den Rotorzähnen 19 bzw. 20 bilden sich Anziehungskräfte aus, die den Rotor in die gewünschte Richtung bewegen. Sobald die Rotorzähne 19, 20 mit den Zahnabschnitten 212 bzw. 222 fluchten, werden die Ringspulen in den Statorabschnitten 153 und 163 mit Stromimpulsen beaufschlagt. Durch die wiederum zwischen den zunächst zueinander verschobenen Zähnen von Rotor und Stator sich ausbildenden Anziehungskräfte bewegt sich der Rotor 10 wiederum um ein Drittel der Nutteilung τ _N in die gewünschte Richtung. Dieser Vorgang wiederholt sich zyklisch, so daß der Rotor 10 rotiert. Zu erwähnen bleibt, daß die Stromrichtungen in den Ringspulen bzw. Wicklungssträngen 231-233 des Außenstators 15 und in den Phasensträngen 241-243 des Innenstators 16 gleichsinnig sind, so daß die Statorwicklungen 23, 24 gemeinsam den Fluß durch die Rotor- und Statorzähne erzeugen, dessen Flußlinien ausgehend von dem Außenstator 15 bzw. Innenstator 16 den Rotor 10 radial durchsetzen und sich über den gegenüberliegenden Innenstator 16 bzw. den Außenstator 15 schließen. Die der gleichen Phase der Statorwicklungen 23, 24 zugehörige Wicklungsstränge 231-233, 241-243 tragenden Statorabschnitte 151-153, 161-163 sind dabei mit ihren Zahnabschnitten 221-223, 231-233 radial fluchtend zueinander ausgerichtet. Ihre Wicklungsstränge 231-233, 241-243 bzw. Ringspulen werden paarweise und gleichsinnig stromdurchflossen, d. h. Wicklungsstrang 231 zusammen mit Wicklungsstrang 241, Wicklungsstrang 232 mit Wicklungsstrang 242 usw., was durch Reihen- oder Parallelschaltung der beiden Statorwicklungen 23, 24 erreicht wird.

Claims (6)

1. Reluktanzmaschine, insbesondere Reluktanzmotor, mit einem mit einer Welle umlaufenden, in Achsrichtung laminierten hohlzylindrischen Rotor, der auf seiner äußeren und inneren Zylindermantelfläche über den Umfang gleichmäßig verteilt angeordnete, sich axial erstreckende Rotorzähne trägt, und mit einem Außenstator und einem Innenstator, die koaxial zum Rotor unter Belassung eines äußeren und inneren Luftspaltes mit äquidistanten Statorzähnen den äußeren und inneren Rotorzähnen gegenüberliegen und jeweils eine mehrsträngige Statorwicklung tragen, wobei die Strangzahl der Statorwicklung auf dem Außen- und Innenstator gleich ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl der Rotor- und Statorzähne (19-22) gleich groß ist, daß der Außenstator (15) und der Innenstator (16) jeweils in Achsrichtung in eine der Strangzahl entsprechende Anzahl von Statorabschnitten (151-153, 161-163) unterteilt sind, deren Statorzahnabschnitte (211-213, 221-223) am Luftspalt (17, 18) in Umfangsrichtung gegeneinander jeweils um die durch die Strangzahl der Statorwicklungen (23, 24) dividierte Zahnteilung (τ _N) der Rotorzähne (19, 20) verschoben sind, daß jeder Statorabschnitt (151-153, 161-163) des Außen- und Innenstators (15, 16) einen Wicklungsstrang (231-233, 241-243) der dem Außen- bzw. Innenstator zugeordneten mehrsträngigen Statorwicklung (23, 24) aufnimmt, der ihn in Form einer Ringspule in Umfangsrichtung durchzieht, und daß die Ringspulen in den Statorabschnitten (151-153, 161-163) von Außen- und Innenstator (15, 16) paarweise und gleichsinnig abwechselnd stromdurchflossen sind.

2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diejenigen Statorabschnitte (151-153, 161-163) von Außen- und Innenstator (15, 16), die paarweise stromdurchflossene Ringspulen tragen, jeweils radial fluchtend zueinander ausgerichtet sind.

3. Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorzahnabschnitte (211-213, 221-223) als einzelne, sich über die Rotorzahnlänge erstreckende Blechpaketsegmente mit in Achsrichtung des Rotors (10) verlaufenden Trennebenen zwischen den Blechen ausgebildet sind, die an einem Statorgehäuse (14) befestigt sind, und daß die Blechpaketsegmente einen mittigen, zu der dem Rotor (10) zugekehrten Seite hin offenen Ausschnitt (25) für den Durchtritt der Ringspulen aufweisen.

4. Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausschnitt (25) sich im Endbereich zu seiner Öffnung (26) hin in Längsrichtung des Blechpaketsegments verjüngt.

5. Maschine nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die paarweise stromdurchflossenen Ringspulen der Wicklungsstränge (231-233, 241-243) im Außen- und Innenstator (15, 16) in Reihe oder parallel geschaltet sind.

6. Maschine nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (10) über eine an seiner einen Stirnseite befestigten Scheibe (11) drehfest mit der Welle (12) verbunden ist.