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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische
Reluktanzmaschine mit einem Rotor, der Elemente aus ferromagnetischem
Material enthält, eingesetzt in einen Stator, der mit elektrischen
Wicklungen versehen und durch einen Luftspalt von ihm getrennt
ist.
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Die elektrischen Reluktanzmaschinen sind Synchronmaschinen, die
einen Stator mit verteilten Wicklungen umfassen, mit zwei oder
mehreren Polen, üblicherweise mehrphasig, substantiell dem einer
Induktionsmaschine ähnlich, und einen Rotor ohne Wicklungen und
Permanentmagnete, mit einer Polzahl, die der des Stators
entspricht und konstruktiv anisotropisch. Die Anisotropie des
Rotors wird so realisiert, daß er für jedes Polpaar der Maschine
eine Minimalreluktanzrichtung aufweist, Direktachse (axe direct)
genannt, und eine Maximalreluktanzrichtung, um 90 elektrische Grad
verschoben bezüglich der Direktachse, Quadraturachse (axe de
quadrature) genannt. Wenn eine magnetomotorische Kraft erzeugt
wird in den Wicklungen des entsprechend gespeisten Stators, hat
der Rotor die Neigung, seine eigene Minimalreluktanz-Direktachse
in Ausrichtung zu bringen mit der durch den Stator erzeugten
magnetomotorischen Kraft, was ein mechanisches Moment verursacht,
das genutzt werden kann. Insbesondere, wenn der Stator ein
Drehfeld erzeugt, kann dieses Moment die Rotordrehung synchron
halten bezüglich des Feldes, mit einem Phasenverschiebungswinkel,
der enthalten ist zwischen der Direktachse und der Achse, die das
Statorfeld aufweist, das bezüglich Größe und Vorzeichen vom Moment
selbst abhängt. Das Nutzmoment, das so erzeugt werden kann, hängt
ab vom Anisotropiegrad des Rotors, und folglich ist man daran
interessiert, das Verhältnis aus der Permeanz des Rotors in den
Direktachsen und der Permeanz in den Quadraturachsen so groß wie
möglich zu gestalten. Dies kann auf verschiedene Weisen erreicht
werden und insbesondere, indem man den Rotor in massiver Form
herstellt mit Schenkelpolen, oder auch durch Paketierungen von
ferromagnetischen Formblechen, aufeinandergeschichtet in Richtung
der Rotationsachse (Querlamellierung: s. zum Beispiel das Patent
US-2,769,108), oder auch noch, indem man in den Rotor
ferromagnetische Bleche einfügt, richtig angeordnet, mit einer
Richtung parallel zur Rotataionsachse (Axiallamellierung: s. zum
Beispiel GB-1,114,562).
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Bisher wurden die elektrischen Reluktanzmaschinen betrieben,
indem die Versorgungsspannung des Stators gesteuert wurde, und ihr
Anlaufen wurde erreicht, indem man in den Rotor Elemente eingefügt
hat, die wie eine Käfigwicklung funktionieren (s. zum Beispiel US-
2,769,108). Auf diese Weise läuft die Maschine an wie ein
Asynchronmotor unter der Wirkung der Käfigwicklungselemente und,
wenn der Rotor eine Drehgeschwindigkeit nahe der des durch den
Stator erzeugten Drehfelds erreicht, erzeugt die Anisotropie des
Rotors eine Abhängigkeit bzw. Sperre, auf Grund der der Betrieb
sich fortsetzt mit einem synchronen Charakter.
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Dieser Anwendungsart entsprechend hat man bisher bei der
Entwicklung dieser Maschinen versucht, das genannte
Permeanzverhältnis zu erhöhen, vor allem indem man die Reluktanz
des Motors in den Quadraturachsen erhöht durch Anordnung von
Ausschnitten oder Einfügungen aus nichtferromagnetischem Material,
um Flußlinien zu unterbrechen, die sich den Quadraturachsen
entsprechend entwickeln, dabei Sorge tragend, den Nutzquerschnitt
des ferromagnetischen Materials für die sich den Direktachsen
entsprechend entwickelnden Flußlinien möglichst wenig zu
reduzieren, damit während des Betriebs keine Sättigung des
ferromagnetischen Materials des Rotors eintritt. Eine solche
Forderung resultiert aus der Tatsache , daß eine Sättigung des
ferromagnetischen Materials des Rotors nachteilig wäre in der
Anlaufphase im Asynchronbetrieb, wohingegen sie nicht nützlich
wäre während des Synchronbetriebs. Aus diesen Prämissen entstehen
Schwierigkeiten und erhöhte Herstellungskosten, ein relativ
geringer Leistungsfaktor und ein äußerst niedriges Verhältnis
zwischen dem gelieferten Moment und den Dimensionen der Maschine.
Diese Nachteile schränken die Verbreitung der Reluktanzmaschinen
ein.
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Die vorliegende Erfindung stellt sich dem Problem, den
elektrischen Reluktanzmaschinen neue Anwendungsgebiete zu öffnen
sowie die Möglichkeit zu schaffen, Maschinen zu verwirklichen, die
verbesserte Eigenschaften haben und einfach und wirtschaftlich
herzustellen sind, ausgehend von dem Prinzip, diese Maschinen zu
betreiben mit einer elektronischen Vektor-Steuerung des
Speisestroms. Diese Art der gesteuerten Speisung ist an sich
bekannt für andere Typen von elektrischen Maschinen, wurde aber
bisher nicht eingesetzt im Zusammenhang mit Reluktanzmaschinen,
speziell projektiert für diese Art der Versorgung. Eine
wesentliche Auswirkung der Anwendung dieses Prinzips ist, daß das
Problem einer Anlaufphase im Asynchronbetrieb beseitigt ist und
folglich die Forderungen entfallen, einerseits
Wicklungskäfigelemente anzuordnen und andererseits die Sättigung
des ferromagnetischen Materials des Rotors zu vermeiden.
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Die Dokumente GB-A-1 183 630 und DE-A-2 937 351 beschreiben
elektrische Reluktanzmaschinen mit einem Rotor, der Elemente aus
ferromagnetischem Material enthält, wobei besagter Rotor
eingesetzt wird in einen Stator, der mit elektrischen Wicklungen
versehen und durch einen Luftspalt von ihm getrennt ist, wobei der
Querschnitt der Elemente aus ferromagnetischem Material
partialisiert (partialisee) wird durch die Einfügung von Elementen
aus nicht ferromagnetischem Material.
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Ausgehend von diesen Voraussetzungen ist das künftige Prinzip,
auf dem die Erfindung beruht, das ferromagnetische Material des
Rotors bei Vollastbetrieb, wenigstens in den Luftspalt-
Grenzbereichen, systematisch in Zustände der magnetischen
Sättigung zu versetzen, jedoch ohne daß erhebliche lokalisierte
magnetische Sättigungen entstehen in dem den Stator bildenden
ferromagnetischen Material, was zu großen Energieverlusten, zu
einer gewissen Welligkeit bzw. Schwingung (ondulation) des
erzeugten Moments und zu unerwünschten mechanischen Belastungen
führen würde.
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Diese Ziele werden bei einer elektrischen Reluktanzmaschine
erfindungsgemäß erreicht durch einen Rotor, der Elemente aus
ferromagnetischem Material enthält und eingesetzt ist in einen
Stator, der versehen ist mit elektrischen Wicklungen und getrennt
von ihm durch einen Luftspalt, und bei der der Querschnitt der
Elemente des Rotors aus ferromagnetischem Material, wenigstens in
der Nähe des Luftspalts, partialisiert wird durch Einfügung von
Elementen aus nichtferromagnetischem Material und durch die
Tatsache, das besagte Elemente so angeordnet sind, daß das
Verhältnis aus dem Querschnitt aus ferromagnetischem Material und
dem Gesamtquerschnitt nicht größer ist als 0,6, wobei das
Verhältnis zwischen wenigstens einer innerhalb einer zum Luftspalt
tangential verlaufenden Ebene liegenden Längenabmessung der
Elemente aus nichtferromagnetischem Material und der Breite des
Luftspaltes der Maschine nicht mehr als 5 beträgt.
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Da bei dieser charakteristischen Anordnung der Querschnitt des
für den Induktionsfluß verfügbaren ferromagnetischen Materials in
Richtung der Direktachsen nicht 6/10 des Querschnitts des
vorhandenen Materials überschreitet, wenn man in dem
ferromagnetischen Material des Stators einen normalen
Induktionswert erzeugt (ohne daß Sättigung stattfindet), erhält
man eine Sättigung des ferromagnetischen Materials des Rotors, der
sich für die weiteren Erhöhungen des Flusses wie ein Rotor mit
Permanentmagneten verhält. Andererseits, aufgrund der Tatsache,
daß die Abmessung der im Rotor vorhandenen Elemente aus
nichtferromagnetischem Material in der Nähe des Luftspalts und in
wenigstens einer Richtung, die in einer zum Luftspalt tangential
verlaufenden Ebene liegt, nicht mehr als fünfmal die Dicke dieses
letzteren beträgt, erzeugt man in den Polen des Stators keine
erheblichen lokalisierten Induktionen, und folglich erreicht das
Material des Stators keine lokalen Sättigungszustände.
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Man muß feststellen, daß eine Maschine mit den angegebenen
erfindungskonformen Charakteristika kein günstiges Verhalten
aufweisen würde bei einer spannungsgesteuerten Speisung, um so
schlechter bei Asynchronbetriebsbedingungen, und aus diesem Grund
ist es angebracht, für diese Maschine einen Betrieb mit
vektorieller Steuerung der Versorgung mit Speisestrom vorzusehen,
und folglich einen stets synchronen Betrieb.
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Konstruktiv können die erfindungsgemäßen Charakteristika bei
einem Rotor auf verschiedene Weisen verwirklicht werden. Eine
erste Weise, geeignet für einen Rotor mit Schenkelpolen,
hergestellt aus einem massiven ferromagnetischen Material, besteht
darin, auf den Oberflächen des Rotors, die dem Luftspalt
gegenüberstehen, viele kleine Aussparungen herzustellen, wie z. B.
kleine Fräsungen, die zu der gewünschten Partialisierung
(partialisation) des Querschnitts des ferromagnetischen Materials
führen. Eine andere Weise, geeignet für einen Rotor mit
Axiallamellierung, besteht darin, die Lamellenpakete des Rotors
herzustellen aus - abwechselnd - Blechen aus ferromagnetischem
Material und Schichten aus nichtferromagnetischem Material, mit
einer Dicke der nichtferromagnetischen Schichten von nicht kleiner
als 2/3 der Dicke der Bleche aus ferromagnetischem Material.
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Wie schon erwähnt ist die Sättigung von wenigstens einem Teil
des ferromagnetischen Materials des Rotors erwünscht als eine
Charakteristik der Erfindung bei Vollast-Betriebsbedingungen, soll
aber selbstverständlich nicht auftreten bei Betriebzuständen mit
reduzierter Last. Jedoch, selbst bei Verwendung der
erfindungsgemäßen Maschinen für Anwendungen, die auch oder
hauptsächlich Arbeitsbedingungen mit reduziertem Magnetfluß
enthalten und keine Sättigungserscheinungen erzeugen, ist bei
einer Axiallamellierungsgeometrie die starke Partialisierung ein
bedeutender Qualitätsfaktor bei der Kopplung zwischen der Maschine
und der Schaltung, die die Speisung gewährleistet. Diese
Charakteristik einer sehr partialisierten Axiallamellierung ist
zurückzuführen auf die hohe Reluktanz, die man in Richtung
Quadraturachse erhält, die ungefähr dem Partialisierungsfaktor
proportional ist und nicht sehr empfindlich für die Sättigung ist.
Im Gegenteil, mit einer massiven Struktur ist die Reluktanz in
Richtung Quadraturachse nur ausreichend groß, für kleine
Feldveränderungen, wenn das ferromagnetische Material des Rotors
gesättigt ist, und sie wird sehr viel kleiner, wenn der
Maschinenfluß reduziert wird.
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Diese Charakteristika und andere des Gegenstands der Erfindung
gehen klarer aus der nachfolgenden Beschreibung von bestimmten
Ausführungsformen hervor, beispielhaft und nicht einschränkend
beschrieben und dargestellt in den beigefügten Zeichnungen:
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Fig. 1 zeigt schematisch den Querschnitt eines massiven, am
Luftspalt partialisierten Rotors;
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Fig. 2 zeigt das Detail II der Fig. 1 in einem größeren
Maßstab;
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Fig. 3 zeigt schematisch den Querschnitt eines Rotors mit
partialisierter Axiallamellierung:
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Fig. 4 zeigt das Detail IV der Fig. 3 in größerem Maßstab;
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Fig. 5 und 6 zeigen schematisch zwei Modifikationen der
Ausführungsform der Fig. 3;
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Fig. 7 zeigt schematisch eine kombinierte Ausführungsform, bei
der die Partialisierung teilweise auf massiven Teilen hergestellt
ist und teilweise mittels axialer Lamellierung oder Unterteilung.;
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Fig. 8 zeigt im Querschnitt ein Strukturbeispiel eines Stators,
den man verwenden kann mit jedem beliebigen Rotor aus den
vorhergehenden Figuren; und
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Fig. 9 zeigt das Blockschaltbild einer elektronischen
Schaltung, die man verwenden kann für die vektorielle Steuerung
des Speisestroms der Maschine.
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In den Fig. 1 bis 7 der Zeichnungen ist ist die Struktur des
Stators S nicht spezifiziert, da man jeden Statortyp verwenden
kann, der bekannt ist für die in Betracht gezogene Art von
Maschinen oder für jede andere Art von elektrischen Synchron- oder
Asynchronmaschinen. In den meisten Fällen, aber nicht
notwendigerweise, handelt es sich um eine Struktur mit
mehrphasiger verteilter Wicklung. Festzustellen ist, daß die
Statorstruktur an sich keinen Bezug hat zur Anwendung der
Erfindung.
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Jedoch wird, zur vollständigeren Information, in Fig. 8 ein
Beispiel der Struktur eines Stators S gegeben, den man verwenden
kann für die erfindungsgemäße Maschine. Der Stator S umfaßt eine
Paketierung ferromagnetischer Bleche M, die einen Magnetkreis
bilden, zusammengehalten durch Schrauben O. Jedes ferromagnetische
Blech M bildet viele Zähne N und, zwischen jedem Paar benachbarter
Zähne, eine Nut, in die Leiter eingefügt sind, die eine verteilte
mehrphasige elektrische Wicklung W bilden.
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In den Fig. 1 und 3 wurde schematisch angedeutet, daß der
Stator S angeschlossen ist an eine Speiseschaltung C,
eingeschaltet zwischen den Stator S und ein Versorgungsnetz R. Die
Speiseschaltung C muß verstanden werden als eine elektronische
Steuerschaltung mit Vektorfunktion (Modul und Phasensteuerung) des
Speisestroms des Stators S. Der Aufbau der Schaltung C ist nicht
spezifiziert in den genannten Figuren, da diese Steuerschaltungen
an sich bekannt sind für Anwendungen bei anderen Arten von
elektrischen Maschinen und generell jede Schaltung dieses Typs dem
Prinzip der Erfindung entsprechend verwendet werden kann, das
unter diesem Gesichtspunkt nur gekennzeichnet ist durch die
spezielle Anwendung, entsprechend der eine Steuerschaltung mit
Vektorfunktion C des Speisestroms, an sich bekannt, verwendet wird
für die Steuerung des Speisestroms des Stators S, seinerseits an
sich bekannt, einer speziell für diese Art der Versorgung
geplanten elektrischen Reluktanzmaschine.
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Jedoch wird zur vollständigeren Information ein Beispiel der
elektronischen Schaltung C, geeignet zur Speisung der
erfindungsgemäßen Maschine, gezeigt durch das Blockschaltbild der
Fig. 9. Die Schaltung C umfaßt einen Gleichrichter RC, gespeist
durch das Wechselstromnetz, der einen Wender bzw. Umschalter IC
versorgt , der seinerseits den Stator S der Maschine elektrisch
versorgt. Der Gleichrichter RC kann einen spannungserhöhenden
Chopper umfassen, zur Rückgewinnung von Energie in Richtung Netz R
oder Ableitung über einen Bremswiderstand. Der Umschalter IC kann
Transistoren umfassen und über alle vier Quadranten funktionieren.
Der Rotor U der Maschine ist mechanisch verbunden mit einem
Winkelwandler ET, einem Resolver zum Beispiel, und das durch den
Wandler ET erzeugte Signal wird an einen Demodulator DM gesandt,
dessen Ausgangssignal, das die Stellung des Rotors darstellt,
adressiert wird an Transformationsschaltungen T1 und T2 und an
eine die Drehgeschwindigkeit des Rotors berechnende Schaltung AS.
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Die Transformationsschaltung T1 erhält auch, durch
Stromtransduktoren C1, C2, zwei Signale, die die Ströme
darstellen, die den Stator S speisen, und folglich die
Statorkoordinaten, und sie transformiert die Statorkoordinaten-
Stromwerte in Rotationskoordinaten, die an PI-Regler I1, I2
geleitet werden. Der PI-Regler 11 erhält auch das Ausgangssignal
eines Funktionsgenerators FG, gesteuert durch den Ausgang der
Geschwindigkeitsrechenschaltung AS und ein Signal erzeugend in
Abhängigkeit von der Geschwindigkeit der Maschine. Der PI-Regler
I2 erhält auch das Ausgangssignal eines weiteren PI-Reglers I3,
der seinerseits gesteuert wird durch das von der Rechenschaltung
AS kommende Geschwindigkeitssignal und durch das Signal einer
Schaltung SE für die Eingabe des gewünschten
Geschwindigkeitswerts.
Schließlich werden die Ausgangssignale der beiden PI-Regler
I1 und I2 mit dem Ausgang des Demodulators DM an die
Transformationsschaltung T2 geliefert, die die
Rotationskoordinatenspannungen transformiert in Statorkoordinaten,
durch die sie den Umschalter IC steuert, der den Stator der
Maschine versorgt.
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In den Figuren der Zeichnung ist der Luftspalt zwischen der
Innenfläche des Stators S und der Mantelfläche des Rotors U mit T
bezeichnet; die Dicke dieses Luftspalts T ist mit t bezeichnet in
den Fig. 2 und 4.
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Mit Bezug auf die Fig. 1 und 2 wird der Rotor U in einer
Form mit zwei Schenkelpolen P1 und P2 gezeigt, schmetterlingsartig
diametral entgegengesetzt bezüglich einer Welle A, die den Rotor
trägt. Die Eigenschaft, die die Erfindung diesem Rotor verleiht
beruht darin, daß die Pole P1 und P2 auf ihren dem Luftspalt T
gegenüberstehenden Oberflächen viele kleine Vertiefungen aufweisen
wie etwa Fräsungen oder Löcher F, besser dargestellt in der Fig.
2, die Elemente aus nichtferromagnetischem Material bilden und
folglich den Querschnitt der Pole P1 und P2 des Rotors
partialisieren, der verfügbar ist für den Durchgang des
Magnetflusses. Die Vertiefungen F nehmen in ihrer Gesamtheit
wenigstens 40% des Querschnitts der Pole ein, in denen sie
angebracht sind. Ein Maß d der Vertiefungen F, das sich erstreckt
in einer den Luftspalt T tangierenden Ebene (genauer ihre Breite,
wenn es sich um Fräsungen handelt, oder der Durchmesser, wenn es
sich um kreisförmige Löcher handelt), überschreitet nicht fünfmal
die Dicke t des Luftspalts T.
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Das Vorhandensein der Vertiefungen F hat zwei Auswirkungen.
Zunächst wird der Querschnitt des ferromagnetischen Materials
reduziert, den Vertiefungen entsprechend, bezüglich des
entsprechenden Querschnitts des Stators S, der ihm gegenübersteht,
und folglich ist die Dichte der Flußlinien der magnetischen
Induktion, die das ferromagnetische Material des Rotors in dem
betreffenden Bereich durchläuft, sehr viel größer als die Dichte
der Flußlinien der magnetischen Induktion die den
gegenüberliegenden Stator durchläuft. Hinsichtlich eines guten
Wirkungsgrads und einer geringen Erwärmung muß man im Stator eine
derartige magnetische Induktion erzeugen, daß keine Sättigung
stattfindet, z. B. eine Induktion gleich 0,7 mal dem Sättigungswert
des den Stator bildenden Materials. Unter den angebenen
Bedingungen wird, im Gegenteil, das ferromagnetische Material des
Rotors, das dem Stator gegenüberliegt, zur Sättigung gebracht, so
daß der Rotor sich bezüglich der Flußveränderungen so verhält, als
wären seine Pole gebildet durch Permanentmagnete. Die Sättigung
des ferromagnetischen Materials des Rotors bringt andererseits
keinen Nachteil mit sich, da eine vektorielle Steuerung (Modul und
Phase) des Versorgungsstroms des Stators S vorhanden ist und
folglich der Rotor immer synchron belastet wird. Dieser Sättigung
des ferromagnetischen Materials des Rotors entspricht andererseits
keine Sättigung, selbst lokalisiert (was abträglich wäre), des
ferromagnetischen Materials des Stators, aufgrund der Tatsache,
daß das Maß d der Vertiefungen F nicht fünfmal die Dicke t des
Luftspalt T überschreitet,so daß die Flußlinien, die mit praktisch
konstanter Dichte aus dem Stator S austreten, die Möglichkeit
haben, sich zu entfernen beim Durchqueren des Luftspalts T, um
sich auf die ferromagnetischen Teile des Rotors auszurichten, die
dem Punkt des Stators am nächsten liegen, aus dem die Flußlinien
austreten.
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Unter Sättigungsbedingungen besteht die zweite nützliche
Auswirkung des Vorhandenseins der Vertiefungen F darin, daß sie
den parasitären Magnetkreisen, wie etwa dem durch die gestrichelte
Linie a angedeuteten, die entstehen können auf Grund der
Verteilung der Wicklung des Stators S, eine große Reluktanz
entgegensetzen. Dies ermöglicht eine bessere Nutzung des erzeugten
Magnetflusses und verbessert den Leistungsfaktor der Maschine.
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Die Ausführungsform nach den Fig. 1 und 2 ist besonders
wirtschaftlich, läßt jedoch nicht die Herstellung von Maschinen
zu, die ein hohes Nutzmoment-Maschinendimensionenverhältnis haben.
Die Ausführungsform nach den Fig. 3 und 4 ist teurer,
ermöglicht jedoch die Herstellung von Maschinen mit hohen
Leistungen.
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In diesem Fall hat der Rotor vier Pole und weist eine Welle A
auf, die sich ausdehnt, einen kreuzförmigen Träger mit vier Armen
A' bildend, zwischen denen eine Axiallamellierung angeordnet ist.
Die Welle A mit dem Armkreuz A' kann aus normalem Stahl sein, da
(im Gegensatz zu anderen elektrischen Maschinen dieser Art) keine
Forderung besteht, daß sie nicht ferromagnetisch sein soll; im
Gegenteil, ihr ferromagnetischer Charakter ist vorteilhaft, da die
Arme A' des Armkreuzes angeordnet sind in Richtung der beiden
Direktachsen des Rotors und, wenn sie ferromagnetisch sind,
beitragen zu der Permeanz in diesen Richtungen. In die vier durch
das Armkreuz A' definierten Teilkreise sind vier gekrümmte
Axiallamellenpakete eingefügt, deren generelle Struktur bestens
bekannt ist für diesen Maschinentyp und die viele ferromagnetische
Bleche L umfassen, abwechselnd mit nichtferromagnetischen
Zwischenschichten I. Die erfindungsgemäße Charakteristik besteht
in diesem Fall darin, daß die nichtferromagnetischen
Zwischenschichten I, anstatt begrenzt zu sein auf eine geringe
Dicke wie bei den bekannten Strukturen, eine substantielle Dicke
aufweisen, zumindest nicht kleiner als 2/3 der Dicke der
ferromagnetischen Bleche L, und zugleich übersteigt die Dicke von
jeder nichtferromagnetischen Zwischenschicht I nicht fünfmal die
Dicke t des Luftspalts T der Maschine.
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Die Zwischenschichten I können auf verschiedene Weisen
hergestellt werden. Eine Herstellungsart besteht darin,
ferromagnetische Bleche L zu stapeln, abwechselnd mit
nichtferromagnetischen Zwischenblechen I, z. B. aus Aluminium, oder auch
nichtmetallische Zwischenfolien I, gebildet z. B. aus einem
geeigneten synthetischen Material. Eine weitere Herstellungsart
der Zwischenschichten I besteht darin, die ferromagnetischen
Bleche L in festgelegten Positionen anzuordnen, und anschließend
die Zwischenräume mit einem nichtferromagnetischen Material zu
füllen, das z. B. Aluminium sein kann oder ein geeignetes
synthetisches Material.
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Die nichtferromagnetischen Zwischenschichten I führen zu einer
substantiellen Partialisation des Querschnitts des
ferromagnetischen Materials des Rotors, ganz im Sinne der
Erfindung. Folglich, bei dieser Ausführungsart wie auch bei der
vorhergehenden, entspricht einer im Stator S erzeugten Induktion,
die zu keiner Sättigung führt, eine Induktion im Rotor, die die
ferromagnetischen Bleche L sättigt. Außerdem, wegen der
substantiellen Dicke der nichtferromagnetischen Zwischenschichten
I, ist die Permeanz in Richtung der Quadraturachsen viel geringer
als bei den bekannten Ausführungsformen, was die Erzeugung eines
größeren Nutzmoments gewährleistet bei Gleichheit der übrigen
Bedingungen. Auch in diesem Fall ermöglicht die Tatsache, daß die
Dicke jeder nichtferromagnetischen Zwischenschicht I kleiner ist
als fünfmal die Dicke t des Luftspalts T der Maschine, den
Induktionsflußlinien, die praktisch mit einer gleichmäßigen Dichte
austreten aus dem Stator S, sich beim Durchqueren des Luftspalts T
auszubreiten, um sich auszurichten auf die nahesten Bereiche der
ferromagnetischen Bleche L, ohne zu einer wesentlichen lokalen
Induktionskonzentration im Stator S zu führen. Im Unterschied zur
vorhergehenden Ausführungsform setzt das Vorhandensein von
nichtferromagnetischen Zwischenschichten I in den Bereichen des
Rotors, die dem Luftspalt T gegenüberliegen, den parasitären
Magnetkreisen, die sich den Quadraturachsen entsprechend
entwickeln, eine hohe Reluktanz entgegen, sogar bei Fehlen einer
Sättigung, d. h. auch unter Bedingungen, bei denen die Maschine mit
einem geringen Magnetfluß arbeitet.
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Die Elemente B, die sich in dem zentralen Teil der gekrümmten
Lamellenpakete L, I befinden, definieren die Pollücken des Rotors
und müssen durch ein nichtferromagnetisches Material gebildet
werden; bezüglich der Erfindung ist unwichtig, ob dieses Material
leitend oder isolierend ist. Die Elemente B können aktiv am
Zusammenbau des Rotor teilhaben durch Befestigung der
Lamellenpakete L, I am Armkreuz A'. Dies kann auf an sich bekannte
Weise erfolgen (s. zum Beispiel GB 1,114,562), durch Verwendung
von Schrauben, die sich von den Elementen B bis zur Rotorachse
erstrecken, und/oder mittels Endverschlußflanschen oder -ringen,
angeordnet um die Elemente B zu halten. Es ist vorteilhaft wenn,
wie aus Fig. 3 hervorgeht, die Arme A' des Armkreuzes und,
übereinstimmend, die Lamellenpakete L, I in ihrem zentralen Teil
einem Viertelkreis entsprechend gekrümmt sind, und in ihren
seitlichen Teilen im wesentlichen geradlinig und annähernd
senkrecht zueinander sind, da eine solche Formgestaltung den
nichtferromagnetischen Elementen B eine größere Dicke verleiht und
ermöglicht, ein größeres Verhältnis zu erhalten zwischen der
Permeanz entsprechend der Direktachse und der Permeanz
entsprechend der Quadraturachse, bei Gleichheit der Ausdehnung des
Polbogens. Daraus resultiert auch eine größere Robustheit der
Elemente B, die nützlich ist, da diese Elemente beitragen zum
Zusammenhalt der Rotorstruktur.
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Infolge des hohen Partialisierungsfaktors stellt man fest, daß
es bei einem Axiallamellenrotor vorteilhaft ist, bezogen auf alle
Charakteristika der Maschine, eine große Winkelausdehnung der
Rotorpole herzustellen. Demnach wird die Winkelausdehnung jedes
Pols, ausgedrückt im Sinne eines elektrischen Winkels,
vorzugsweise nicht kleiner gewählt als 2 Radianten.
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Eine Struktur, die im Prinzip der beschriebenen entspricht,
kann für Maschinen mit mehr als 4 Polen, d. h. 2.n Pole, wo n
größer ist als 2, hergestellt werden, indem man die Trägerarme A'
der Welle A mit einer Anzahl 2.n vorsieht, und indem man die
Lamellenpakete mit einer Krümmung versieht, die sich für l/n um
einen Flächenwinkel erstreckt und auf beiden Seiten fortsetzt
durch geradlinige Abschnitte, im wesentlichen parallel zu den
benachbarten Direktachsen.
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Es ist jedoch nicht erforderlich, daß die Lamellenpakete
versehen sind mit Krümmungen. Im Gegenteil, es kann aus
Konstruktionsgründen günstiger sein, den Lamellenpaketen eine
vieleckige Form zu geben, wie z. B. die Fig. 5 zeigt; die
Struktur, die dort gezeigt wird, ist im Einsatz der der Fig. 3
gleichwertig.
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Eine konstruktive Vereinfachung kann erzielt werden, indem man
den Lamellenpaketen eine V-Winkelform verleiht, wie dargestellt in
Fig. 6. In diesem Fall bilden die Trägerarme A' der Welle A eine
sternförmige Figur. Selbstverständlich, auch nach den Strukturen
der Fig. 5 und 6, kann man entsprechende Rotorstrukturen mit
mehr als 4 Polen ableiten; insbesondere die Struktur der Fig. 6
ist speziell geeignet für Maschinen mit einer großen Anzahl von
Polen.
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Schließlich zeigt die Fig. 7, wie die Charakterisika für einen
massiven Rotor, dargestellt in Fig. 1, kombiniert werden können
mit den Charakteristika eines durch die Fig. 3 bis 6 gezeigten
Rotors mit Axiallamellierung. Der Rotor U der Fig. 7 ist
zweipolig mit zwei massiven Schenkelpolen P1 und P2, Vertiefungen
F aufweisend, die dem Luftspalt T gegenüberliegen, ähnlich wie in
Fig. 1. Zwei Axiallamellenpakete L, I, in diesem Fall flach, sind
beidseitig der Schenkelpole P1 und P2 angebracht und werden
gehalten durch nichtferromagnetische Elemente B, die die Pollücken
definieren. Es versteht sich, daß man aus den in den Fig. 1 bis
7 dargestellten Strukturen eines Rotors mit zwei Polen
entsprechende Strukturen für Maschinen mit mehr als zwei Polen
ableiten kann.
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Wie aus vorhergehendem ersichtlich ist, gibt die Vereinigung
der der Erfindung zugrunde liegenden beiden Prinzipien - die
Verwendung einer Steuerschaltung mit Vektorfunktion für den
Speisestrom einer Reluktanzmaschine und die substantielle
Partialisierung des Querschnitts des im Rotor enthaltenen
Materials - die Möglichkeit, Maschinen einfacher und
wirtschaftlicher Konstruktion herzustellen, die robust sind und
sich für Anwendungen eignen, für die sich Reluktanzmaschinen
bisher nicht geeignet haben. Insbesondere kann man für diese
Maschinen Einsätze als Regelmotoren vorsehen, als Motoren für
Werkzeugmaschinen, als Antriebsmotoren für Elektrofahrzeuge, usw.,
anstatt Gleichstrommotoren, Motoren ohne Bürsten und andere
elektrische Maschinen, mit dem besonderen Vorteil eines
nichtgewickelten Rotors ohne Permanentmagnete, der sich nicht
erwärmt.
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Die Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Maschinen sind im
wesentlichen variabel bei Beachtung der dargelegten Bedingungen,
was die Herstellung von Maschinen ermöglicht, die besonders
geeignet sind für die verschiedenen Anwendungen.