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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Reluktanzmaschine mit einem Ständer und einem drehbar in dem Ständer gelagerten Rotor sowie ein Verfahren diese zu betreiben.
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Geschaltete Reluktanzmaschinen besitzen eine unterschiedliche Anzahl von Polen an dem Rotor und an dem Stator. Die Pole sind mit bestromten Wicklungen versehen, die im bestromten Zustand ein Magnetfeld erzeugen. Das beispielweise von den Wicklungen an den Statorpolen erzeugte Magnetfeld zieht die Rotorpole in einen Zustand mit minimalem magnetischem Widerstand (Reluktanz), so dass der Rotor sich in dem Stator ausrichtet. In einem nachfolgenden Schaltzyklus werden angrenzende Statorpole durch die sie umgebenden Wicklungen bestromt, so dass der Rotor sich in dem geänderten Magnetfeld ausrichtet. Indem die Magnetisierung der Statorpole sich erneut entsprechend den bestromten Statorpolen ausrichtet, wird ein positives Drehmoment auf den Rotor erzeugt. Geschaltete Reluktanzmaschinen können auch generatorisch verwendet werden. In diesem Betrieb greift ein mechanisches Drehmoment an dem Rotor an und dreht die Rotorpole gegen ihre Ausrichtung, so dass eine entsprechende Spannung in den Wicklungen induziert wird.
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Das Prinzip der Reluktanzmaschine mit vier Phasen bei acht Polen im Stator und sechs Polen im Rotor wird nachfolgend zum besseren Verständnis der Erfindung beschrieben:
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1a zeigt einen schematisch dargestellten Rotor 10 mit sechs symmetrisch angeordneten Rotorpolen 12, der um eine Rotorachse 14 drehbar gelagert ist. Der Rotor 10 ist innerhalb eines Stators 16 angeordnet, der nach innen vorstehend Statorpole 18 besitzt. In dem dargestellten Beispiel sind acht Statorpole 18 nach innen vorstehend symmetrisch über den Umfang des Stators 16 verteilt. Jeder Statorpol 18 besitzt eine Wicklung 20, die um den Statorpol 18 gewickelt ist und diesem zugeordnet ist. Die Wicklung 20 bildet eine Spule mit dem Statorpol 18 als Spulenkern.
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1a zeigt ein Beispiel, in dem der bei 12 Uhr und bei 6 Uhr liegende Statorpol jeweils durch seine zugeordnete Wicklung (dunkel dargestellt) magnetisiert ist. Hierdurch entsteht ein magnetisches Feld, in dem sich der Rotor 10 mit seinen Zähnen derart ausrichtet, dass der magnetische Widerstand minimal ist und die magnetischen Feldlinien einen Verlauf besitzen, bei dem sie in den bei 12 Uhr liegenden Rotorpol 10 eintreten, aus dem bei 6 Uhr liegenden Rotorzahn austreten und über den Stator 16 entlang dem Umfang des Stators geschlossen sind. Zwei magnetische Feldlinien 22 sind in 1a beispielweise zum besseren Verständnis dargestellt.
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1a zeigt den erzeugten magnetischen Fluss im ausgerichteten Zustand von Phase 1, wobei jeweils 50 % des magnetischen Flusses über die beiden Statorhälften verteilt sind. Die magnetische Ausrichtung verläuft in Nord-Süd-Richtung über den Rotor und erzeugt bis zum einem Punkt eine Maxwellkraft auf den Rotor 10, mit dem sich dieser innerhalb des Stators ausrichtet.
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1b zeigt den Zustand des Rotors nach Umschaltung in die Phase 2. In 1b sind nunmehr die mit 2 gekennzeichneten Statorpole magnetisiert, so dass der magnetische Fluss um 45° entgegen dem Uhrzeigersinn gedreht ist. Der Rotor hat sich, um sich in dem gedrehten magnetischen Fluss erneut auszurichten, um 45°/3 = 15° im Uhrzeigersinn gedreht. Der erzeugte magnetische Fluss ist ausgerichtet in Zustand von Phase 2 ebenfalls zu je 50 % über beide Statorhälften verteilt. Die magnetische Ausrichtung verläuft in Nord-Süd-Richtung auf die Statorpole 2 über den Rotor und erzeugt bis zu dem in 1b dargestellten Zustand eine Maxwellkraft auf den Rotor.
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Wenn der Rotor in Phase 2 gemäß 1b ausgerichtet ist, erfolgt ein Umschalten in die Phase 3, bei der die mit 3 gekennzeichneten Statorpole bei 3 Uhr und 9 Uhr bestromt werden. Der Rotor dreht sich erneut um 15° im Uhrzeigersinn, bis er die in 1c dargestellte Position minimaler Reluktanz erreicht hat.
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1d zeigt die Phase 4 der Magnetisierung, bei der die auf 1.30 Uhr und 7.30 Uhr liegenden Statorzähne 4 magnetisiert werden. Der Rotor dreht um weitere 15°, um sich entsprechend dem gedrehten Magnetfeld auszurichten.
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Nachfolgend zu der Phase 4 aus 1d erfolgt wieder ein Umschalten auf Phase 1, wobei der Rotor sich in den vier Phasen um 60° gedreht hat.
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WO 2011/126836 A1 beschreibt eine geschaltete Reluktanzmaschine, ähnlich der vorstehend erläuterten, wobei ein Schaltkreis zur Leistungsfaktorkorrektur vorgesehen ist.
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Aus
JP 2001 037 133 (A) ist ein Reluktanzmotor bekannt, der eine gleichmäßige Verteilung des Flusses zur Vermeidung von Fluktuationen aufweist. Hierzu sind Toroidspulen in einer Sternschaltung vorgesehen.
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Aus
WO 2004/00657 ist ein Reluktanzmotor mit Toroidspulen bekannt, die auf den zwischen den Statorpolen vorhandenen Ringabschnitten des Rückschlussringes gewickelt sind. Jeder Wicklungsstrang weist zwei Toroidspulen auf, wobei zwei von drei Wicklungssträngen gleichzeitig erregt werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Reluktanzmaschine bereitzustellen, die einen deutlich verbesserten Wirkungsgrad bei möglichst geringen Maschinenkosten besitzt.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Reluktanzmaschine mit den Merkmalen aus Anspruch 1 gelöst.
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Die erfindungsgemäße Reluktanzmaschine besitzt einen Ständer und einen drehbar in dem Ständer gelagerten Rotor. Der Rotor besitzt eine erste Anzahl von in radialer Richtung nach außen vorstehenden Rotorpolen, während der Ständer eine zweite Anzahl von in radialer Richtung nach innen vorstehenden Statorpolen besitzt. Die Richtungsangabe in radialer Richtung nach innen oder nach außen, bezieht sich auf die Drehachse des Rotors innerhalb des Ständers. Der Ständer der Reluktanzmaschine ist mit einer der Anzahl der Statorpole entsprechenden Anzahl von Wicklungen versehen, die jeweils zur Erzeugung eines Magnetfelds bestromt werden können. Jede der Wicklungen kann einzeln bestromt werden, wobei durch die Richtung des Stromflusses durch die Wicklung die Nord-Süd-Richtung des erzeugten Magnetfelds an der Wicklung festgelegt wird. Jede der Wicklungen ist zwischen zwei benachbarten Rotorpolen derart angeordnet, dass die Feldlinien eines von der Wicklung erzeugten Magnetfelds zwischen den angrenzenden Statorpolen in Umfangsrichtung des Ständers verlaufen. Diese Wicklungsart wird auch als Toroid-Wicklung oder als Toroidalwicklung bezeichnet. Die Wicklungen erzeugen also, anders als im Stand der Technik, jeweils ein Magnetfeld, das mit seiner Nord-Süd-Richtung nicht in radialer Richtung auf die Drehachse des Rotors ausgerichtet ist, sondern ein Magnetfeld, dessen Nord-Süd-Richtung in Umfangsrichtung des Ständers verläuft. Hierbei bedeutet Umfangsrichtung des Ständers, dass das von einer Wicklung erzeugte Magnetfeld mit seiner Nord-Süd-Richtung auf zwei benachbart zu der Wicklung angeordnete Statorzähne ausgerichtet ist.
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Der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen Wicklung liegt darin, dass sich hierdurch ein deutlich verbesserter Wirkungsgrad für die Reluktanzmaschine erzielen lässt. Insbesondere, da das von der Wicklung erzeugte Magnetfeld in Umfangsrichtung des Stators verläuft, können die zwei Wicklungen gleichzeitig bestromt werden, wobei sich die so erzeugten Magnetfelder gegenseitig verstärken. Hierbei ist zu beachten, dass zwei Wicklungen mit entgegengesetzter Stromrichtung bestromt werden, damit das resultierende Magnetfeld über den Rotor geschlossen werden kann. Über die bestromten Wicklungen tritt eine Verkettung der Magnetfelder auf, die zu einem größeren Magnetfluss führt. Dies erlaubt eine Reduzierung der in der Maschine auftretenden Stromwärmeverluste. Ein weiterer Vorteil liegt in der dauerhaften, aber dafür geringeren Strombelastung der Vollbrücken durch die dauerhafte, aber dafür geringere Bestromung der Wicklungen aller Phasen. Daraus resultiert ein erheblich geringerer Bedarf an Kupfer für die Wicklungen, die in diesem Fall mit mehreren Wicklungspaaren den magnetischen Fluss erzeugen, den sonst ein Wicklungspaar erzeugen müsste, während die anderen abgeschaltet wären.
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Erfindungsgemäß werden alle Wicklungen bestromt. Dabei werden einander diametral gegenüberliegende Wicklungen in einer Phase zusammengefasst und gemeinsam über eine Vollbrücke bestromt. Eine Phase kann zwei, vier oder mehr Wicklungen umfassen. Die Vollbrücke erlaubt es für zwei einander gegenüberliegende Wicklungen die Polarität zu ändern und so das Magnetfeld zu drehen.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung erstreckt sich jede Wicklung, die zwischen zwei benachbarten Statorpolen angeordnet ist, in axialer Richtung mit einer sich in Umfangsrichtung des Stators erstreckenden Wicklungsachse. In dieser Ausgestaltung besitzt die Wicklung zwei sich in Längsrichtung der Rotordrehachse erstreckende Abschnitte, die durch zwei weitere, in radialer Richtung verlaufende Abschnitte miteinander verbunden sind. Die so von dieser Wicklung erzeugte Wicklungsachse definiert die Nord-Süd-Richtung des von der Wicklung erzeugten Magnetfeldes, abhängig von der Richtung des Stromflusses. Die Wicklungsachse ist in dieser Ausgestaltung in Umfangsrichtung des Stators angeordnet und erzeugt somit im bestromten Zustand ein Magnetfeld, dessen Nord-Süd-Richtung in Umfangsrichtung des Stators verläuft.
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In einer bevorzugten Weiterbildung verläuft jede der Wicklungen zwischen zwei Statorpolen in axialer Richtung um den Ständer. Dies bedeutet, dass von den beiden in Längsrichtung verlaufenden Wicklungsabschnitten ein Wicklungsabschnitt im Statorinnenraum angeordnet ist und zur Rotorachse weist, während der andere in Längsrichtung des Stators verlaufende Abschnitt der Wicklung auf der Außenseite des Stators verläuft. Die Wicklung besitzt somit einen Teil des Stators als Kern, wodurch das erzeugte Magnetfeld verstärkt wird.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung sind zwei Gruppen von Wicklungen vorgesehen, wobei jede Gruppe eine Hälfte der Wicklungen aufweist. In der Ausgestaltung werden die Wicklungen der beiden Gruppen entgegengesetzt zueinander bestromt. Für die Wicklungen einer Gruppe verstärken sich die magnetischen Felder der Gruppe. Die sich verstärkenden Felder führen einerseits zu einer größeren Leistung der Reluktanzmaschine, andererseits gestatten diese bei gleichbleibender Leistung eine Reduzierung der Wicklungszahl und des eingesetzten Materials. Mit der Zuordnung von einander gegenüberliegenden Wicklungen zu Phasen, die jeweils über eine eigene Vollbrücke angesteuert werden, kann die Bestromung mit entgegengesetzter Polarität ohne großen technischen Aufwand erreicht werden. Eine Phase besitzt stets zwei, vier oder mehr Wicklungen.
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Besonders deutlich wird dieser Vorteil, da sämtliche Wicklungen in zwei Gruppen aufgeteilt sind, wobei aus Symmetriegründen die Wicklungen in jeder Gruppe jeweils den halben Umfang des Ständers bedecken und diametral paarweise entgegengesetzte Polaritäten besitzen.
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Erfindungsgemäß ist die Reluktanzmaschine mit einer Schaltvorrichtung ausgestattet, die bei einem Umschaltvorgang für jede Hälfte mindestens eine nicht zu einer ersten Hälfte gehörende Wicklung entsprechend den übrigen Wicklungen in der ersten Hälfte bestromt. Bei der neu zu bestromenden mindestens einen Wicklung handelt es sich um eine Wicklung der anderen Hälfte. Bei dieser Ausgestaltung wird besonders deutlich, dass das durch die Wicklungen erzeugte magnetische Feld zunächst in Umfangsrichtung in den Ständer verläuft und an den Statorpolen unter Ausrichtung des Rotors geschlossen wird. Durch den Wechsel einzelner Wicklungen von der ersten Hälfte zu der zweiten Hälfte wird das Magnetfeld und damit der Rotor gedreht. Mit Hilfe der Schaltvorrichtung wechseln die Wicklungen einer Phase ihre Polarität, so dass ein umlaufendes Magnetfeld entsteht.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist für die Umschaltvorrichtung eine Drehrichtung definiert, so dass eine in Drehrichtung angrenzende Wicklung entsprechend den übrigen Wicklungen in der Hälfte bestromt wird. Dementsprechend wird eine entgegen der Drehrichtung an die Hälfte angrenzende Wicklung zunächst entmagnetisiert. Da bei dieser Wicklung die Bestromungsrichtung umgekehrt wird, ist es erforderlich, dass diese zunächst entmagnetisiert und der Entmagnetisierungsstrom aus der Wicklung abgeführt wird, bevor die Wicklung erneut bestromt werden kann.
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Die Erfindung umfasst ebenfalls ein Verfahren zum Betrieb der erfindungsgemäßen Reluktanzmaschine. Das Verfahren sieht als Verfahrensschritt vor, eine Drehrichtung für das in Umfangsrichtung des Ständers verlaufende Magnetfeld zu definieren. Die Drehrichtung des Magnetfeldes, also die Richtung, mit der das Magnetfeld sich im Ständer dreht, muss nicht mit der Drehrichtung des Rotors zusammenfallen. Ferner werden sämtliche Wicklungen in Phasen eingeteilt, wobei einander diametral gegenüberliegende Wicklungen einer gemeinsamen Phase zugeordnet sind. Jede Phase umfasst zwei, vier oder mehr Wicklungen, wobei die Anzahl der Wicklungen stets geradzahlig ist. Weiterhin sieht das erfindungsgemäße Verfahren ein Magnetisieren sämtlicher Phasen vor, wobei eine Hälfte von Wicklungen entgegengesetzter Polarität zu der anderen Hälfte magnetisiert wird, so dass geschlossene Feldlinien in Umfangsrichtung des Ständers entstehen. Als Verfahrensschritt zur Erzeugung eines Drehmoments auf dem Rotor wird mindestens eine erste Wicklung aus einer ersten Hälfte entsprechend der Magnetisierung der zweiten Hälfte magnetisiert und mindestens eine zweite Wicklung entsprechend der Magnetisierung der zweiten Hälfte, wobei die erste Wicklung in der definierten Drehrichtung an die erste Hälfte angrenzt und die zweite Wicklung in Drehrichtung an die zweite Hälfte angrenzt. Bevorzugt gehören erste und zweite Wicklung zu einer gemeinsamen Phase, so dass mit einer Vollbrücke die Magnetisierung und der Wechsel erfolgt.
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Wenn eine Wicklung vor einem Umschalten zu einer Hälfte gehört und nach dem Umschalten zu der anderen Hälfte gehört, wird diese Wicklung vor einem Wechsel ihrer Magnetisierung entmagnetisiert. Hierzu ist jede Phase mit einer Vollbrücke verbunden, über die die Bestromung der Wicklungen in einer Phase erfolgt.
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Eine bevorzugte Ausführung der Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt:
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1a–d eine Reluktanzmaschine aus dem Stand der Technik in einer Schnittdarstellung in den vier Phasen,
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2 eine perspektivische Ansicht auf die Wicklungen einer der erfindungsgemäßen Reluktanzmaschine,
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3a–d eine Schnittdarstellung durch die erfindungsgemäß Reluktanzmaschine in den vier Phasen ihrer Ansteuerung, und
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4 Schaltbild zur Ansteuerung einer Reluktanzmaschine mit vier Phasen.
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2 zeigt eine perspektivische Ansicht auf die erfindungsgemäße Reluktanzmaschine, deren Rotor 24 vier Pole 26 und deren Stator 30 sechs Pole 32 besitzt. Die nachfolgend beschriebene Maschine ist als ein Innenläufer ausgebildet. Grundsätzlich kann die Reluktanzmaschine auch als Außenläufer ausgebildet sein. Ebenfalls ist es möglich, einen kombinierten Innen- und Außenläufer vorzusehen. Der Rotor 24 ist mit vier gleichmäßig über den Umfang verteilten Rotorpolen 26 ausgestattet. Der Rotor 24 ist drehbar um die Achse 28 im Inneren des Stators 30 angeordnet. Der Stator 30 besitzt sechs nach innen vorstehende Statorpole 32, die gleichmäßig über den Umfang verteilt sind. Zwischen den Statorpolen 32 ist ein Statorgehäuse 34 vorgesehen, aus dem die Statorpole 32 vorstehen. Zwischen den Statorpolen 36a und 36b ist eine Wicklung 38b schematisch eingezeichnet. Die Wicklung 38b besteht aus Draht, der sich im Innenraum des Stators parallel zur Drehachse 28 des Rotors erstreckt. Die Wicklung 38b ist, wie in 2 dargestellt, im vorderen Ende aus dem Stator herausgeführt und wird auf der Statoraußenseite zurückgeführt, so dass die Statorwand 34 zwischen den Statorpolen 36a und 36b den Kern der Wicklung 38 bildet. Zur besseren Übersicht ist in 2 auch die gegenüberliegende Wicklung 38a eingezeichnet. Bei dem nachfolgend zu diskutierenden Ausführungsbeispiel ist zwischen jedem Paar von Statorpolen eine Wicklung vorgesehen. Die Wicklungen 38a und 38b sind über eine Leitung 51 miteinander verbunden und bilden eine Phase, die über eine Vollbrücke bestromt wird.
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3a zeigt die erfindungsgemäße Reluktanzmaschine mit acht Statorpolen und sechs Rotorpolen, die in einem 4-Phasen-Betrieb angesteuert werden. 3a zeigt in einer schematischen Ansicht die Phase 1, in der der Rotorpol 1 auf den Statorpol 1 ausgerichtet ist. Das magnetische Feld 40 verläuft, wie bei der in 1a gezeigten herkömmlichen Reluktanzmaschine, von 12 Uhr nach 6 Uhr durch den Rotor 24 und wird über die Außenwand des Stators geschlossen. Erzeugt wird das magnetische Feld 40 jedoch, anders als im Stand der Technik, durch eine Wicklung 42, die bei 11 Uhr zwischen dem Statorpol 1 und 2 vorgesehen ist, sowie durch eine Wicklung 44, die bei 5 Uhr zwischen dem Statorpol 1 und dem Statorpol 2 vorgesehen ist. Die Wicklungen 42 und 44 sind entgegengesetzt zueinander bestromt, was durch das Plus-/Minus-Zeichen an den Wicklungen kenntlich gemacht wird. Beide Wicklungen gehören zu einer Phase Ph1.
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Wie in 3a ersichtlich, treten in den Statorpol 1 beispielsweise bei 12 Uhr sowohl die von der Wicklung 42 erzeugten Feldlinien als auch die von der Wicklung 44 erzeugten Feldlinien ein. Für die konkrete Umsetzung ist es dabei unerheblich, ob, wie in 3a gezeigt, die Feldlinien über den Statorpol 1 verlaufen, wenn die Wicklungen 42 und 44 bestromt sind. Alternativ ist es auch denkbar, dass je nach Symmetrie und verwendetem Material die Feldlinien beispielsweise über den Statorpol 4 verlaufen. 3a zeigt nur das Prinzip der Bestromung anhand der Wicklungen 42 und 44.
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3b zeigt weiterhin die Phase 1 aus 3a, wobei jedoch im Unterschied zu 3a nunmehr sämtliche Wicklungen bestromt sind. Die mit Ph1 bis Ph4 gekennzeichneten Wicklungen besitzen als einander gegenüber liegende Wicklungen einer Phase stets entgegengesetzte Orientierungen. In dem in 3b gezeigten Zustand tritt eine magnetische Flussverkettung auf, bei der das Magnetfeld der Wicklungen zwischen 12 Uhr und 6 Uhr sich in dem entsprechenden Bereich des Stators verstärkt, ebenso wie das Magnetfeld der Wicklung Ph4 bis Ph1 im Bereich von 6 Uhr bis 12 Uhr. 3b macht deutlich, dass an Statorpol 1 eine vierfache Flussverkettung erreicht werden kann, wenn sämtliche der vier Wicklungen bestromt werden. 3c zeigt das Umschalten der Wicklungen. Die Wicklung Ph1 bei 11 Uhr hat gegenüber der 3b ihre Magnetisierung gewechselt, ebenso wie die Wicklung Ph1 bei 5 Uhr. Auf diese Weise wird der Rotorpol 2 auf den Statorpol 2 ausgerichtet, da die Feldlinien im Statorpol 2 bei 10 Uhr austreten und in den Statorpol 2 bei 4 Uhr eintreten. Dies führt dazu, dass der Rotor sich um 15° entsprechend ausrichten muss. 3d zeigt den Rotor im ausgerichteten Zustand, bei dem Rotorpol 2 zum Statorpol 2 weist.
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Das vorstehende Beispiel bezog sich auf den motorischen Betrieb der Reluktanzmaschine. Im Generatorbetrieb kann, wie bei einer herkömmlichen Reluktanzmaschine, mit dem sich drehenden Rotor in den Wicklungen eine Spannung induziert werden.
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4 zeigt eine Ansteuerung einer Reluktanzmaschine 50 mit Hilfe einer Batterie 52. Es folgt ein IV-Quadrantenbetrieb in vier Phasen. Jeweils zwei Wicklungen 54, 56 sind an eine Vollbrücke 58 angeschlossen. Die Vollbrücke 58 besitzt vier Äste mit Dioden M12, M22, M26, M27. Über die Vollbrücke 58 werden die Spulen 54 und 56, die räumlich einander diagonal angeordnet sind, mit entgegengesetzter Polarität angesteuert. Durch die Verwendung einer Vollbrücke ist es möglich, die Wicklungen 54 und 56 einander entgegengesetzt zu polarisieren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2011/126836 A1 [0011]
- JP 2001037133 A [0012]
- WO 2004/00657 [0013]
