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Die Erfindung beschreibt eine synchrone Reluktanzmaschine, mit einem Stator mit konzentrierten Statorwicklungen.
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Synchron-Reluktanzmotoren sind im Stand der Technik hinlänglich bekannt, da sie für Antriebe mit nicht besonders hohem Anfangsdrehmoment einige Vorteile aufweisen. Sie sind wartungsarm zu betreiben, da sie keinen Kommutator mit Schleifkontakten zum Rotor benötigen. Weiterhin sind sie kostengünstig herstellbar, da sie keine Magnete benötigen. Dennoch besitzen Reluktanzmaschinen auch Nachteile, weshalb sie nicht für jede Anwendung gleich gut geeignet sind. Reluktanzmotoren mit einem Stator mit verteilten Statorwicklungen sind weit verbreitet, obwohl durch die verteilten Statorwicklungen die Bewicklung des Stators kompliziert und aufwändig ist.
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Wesentlich einfacher lässt sich der Stator mit konzentrierten Statorwicklungen bewickeln.
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Durch diese Wicklungsanordnung ergibt sich aber eine stark erhöhte Drehmomentwelligkeit, was bislang durch keine geeignetes Rotordesign reduziert werden konnte und wodurch dieses Wickelschema für viele Anwendungen nicht einsetzbar ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher eine synchrone Reluktanzmaschine mit konzentrierten Statorwicklungen zu schaffen, bei der die Drehmomentwelligkeit wesentlich reduziert ist. Durch die konzentrierten Statorwicklungen ist die Reluktanzmaschine kostengünstig herstellbar.
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Diese Aufgabe wird durch eine Reluktanzmaschine mit den Merkmalen des Hauptanspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und den Figurenbeschreibungen genannt.
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Synchrone Reluktanzmaschine mit einem Stator, der N Statorpole aufweist, die jeweils einen Polzahn mit einem Polschuh aufweisen. Weiter beinhaltet die synchrone Reluktanzmaschine eine Welle und einen Rotor. Der Rotor umfasst M Rotorpole, die am Umfang des Rotors regelmäßig verteilt angeordnet sind, einen Rotorkörper, der mit der Welle drehfest verbunden ist sowie M ferromagnetische Flussleitelemente, die umfänglich angeordnet und jeweils etwa ringsegmentförmig ausgebildet sind. Jedes Flussleitelement umfasst dabei einen Segmentwinkel von kleiner 360°/M und ist dabei so am Rotorkörper angeordnet, dass die Enden jeweils am Außenumfang des Rotors liegen und die beiden benachbarten Enden von zwei benachbarten Flussleitelementen einen Abstand b_barrier größer als null zueinander aufweisen.
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Erfindungsgemäß ist der Stator der Reluktanzmaschine mit konzentrierten Statorwicklungen versehen, die um die Polzähne gewickelt sind.
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Dabei bilden jeweils zwei benachbarte Enden von zwei benachbarten Flussleitelementen einen Rotorpol. Demnach verbindet ein Flussleitelement jeweils zwei benachbarte Rotorpole und sorgt für eine magnetische Verbindung zwischen diesen Rotorpolen. Die im Wesentlichen ringsegmentförmige Ausbildung der Flussleitelemente gewährleistet eine minimale Strecke für diese magnetische Verbindung.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst jedes Flussleitelement einen Segmentwinkel von mindestens 360°/(M + 1), so dass der Segmentwinkel der Flussleitelemente in einem Intervall von größer 360°/(M + 1) bis kleiner 360°/M liegt.
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Vorzugsweise sind die Flussleitelemente in einem nicht magnetischen Material, wie beispielsweise Kunststoff, Luft oder Aluminium eingebettet. Somit ist sichergestellt, dass der Großteil des magnetischen Flusses innerhalb der Flussleitelemente geführt ist und die Streuverluste minimiert werden.
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Die Flussleitelemente sind bevorzugt als Einzelteile ausgeführt und mit geeigneten Mitteln am Rotorkörper fixiert.
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Um eine insgesamt verbesserte Stabilität des Rotors zu erzielen, sind in einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung die benachbarten Enden zweier benachbarter Flussleitelemente durch einen Umfangssteg miteinander verbunden. Dabei können die Flussleitelemente und die Umfangsstege einteilig ausgebildet sein.
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Die Umfangsstege ermöglichen einen magnetischen Fluss zwischen zwei benachbarten Flussleitelementen, was unerwünscht ist. Aus diesem Grund sind die Umfangsstege vorzugsweise so schmal ausgebildet, dass sie bereits bei geringen Feldstärken magnetisch gesättigt sind.
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In besonders vorteilhafter Weise sind die Flussleitelemente aus einzelnen Blechen ausgeformt, die in axialer Richtung gestapelt sind. Dadurch werden Wirbelstromverluste innerhalb des Rotors verhindert.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung sind die Flussleitelemente jeweils durch Stege mit dem Rotorkörper verbunden, wodurch die Stabilität des Rotors erhöht wird.
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Die Stege zwischen Rotorkörper und Flussleitelementen sind vorzugsweise in radialer Richtung ausgebildet. Diese radialen Stege können alternativ oder zusätzlich zu den Umfangsstegen vorhanden sein. Sind am Rotor sowohl Umfangsstege und radiale Stege vorhanden, ist der Rotor in sich ausreichend stabil, so dass die Flussleitelemente in Luft eingebettet sein können. Luft ist ein sehr guter magnetischer Isolator, so dass bei dieser Ausführung die Verluste sehr gering und der Wirkungsgrad dementsprechend hoch ist. Besonders bevorzugt sind hierbei der Rotorkörper und die Flussleitelemente einteilig ausgebildet.
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Alternativ kann der Zwischenraum zwischen Flussleitelementen und dem Rotorkörper auch mit nicht magnetischem Material gefüllt sein, beispielsweise mit Kunststoff oder Aluminium, so dass dadurch ein stabiler Rotor entsteht.
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In einer alternativen Ausführung der Erfindung sind die Flussleitelemente jeweils durch eine Klemmverbindung mit Stiften oder Nieten mit dem Rotorkörper verbunden. Die Stifte verlaufen dabei in axialer Richtung und umfassen die gesamte Rotorhöhe.
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Die Anzahl der Statorpole und Rotorpole ist prinzipiell anhand von Entwurfsregeln wählbar. Es ist jedoch für die Erfindung vorteilhaft, wenn die Anzahl der Statorpole zur Anzahl der Rotorpole im Verhältnis von 3:2 steht.
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Die Erfindung ist nachfolgend anhand von einigen vorteilhaften Ausgestaltungen mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigt:
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1: einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Motor, bei dem die Flussleitelemente einteilig mit dem Rotorkörper ausgebildet sind,
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2: eine Detailansicht der Flussleitelemente der 1 zur Veranschaulichung der Abmessungen,
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3: einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Rotor mit einer Hülse am Außenumfang, bei dem die Flussleitelemente einteilig mit dem Rotorkörper verbunden sind,
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4: einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Rotor, bei dem die Flussleitelemente einzeln ausgebildet und durch eine Klemmverbindung mit Stiften mit dem Rotor verbunden sind,
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5: einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Rotor, bei dem die Flussleitelemente durch Umfangsstege verbunden sind,
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6 einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Rotor, bei dem die Flussleitelemente gegenüber den Flussleitelementen aus 5 etwas abgewandelt ausgestaltet sind und die Einzelbleche miteinander vernietet sind,
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7: einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Motor, bei dem die Flussleitelemente die gleiche Form aufweisen wie die Flussleitelemente aus 5, jedoch einzeln ausgebildet sind und Magnetflusslinien eingezeichnet sind,
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8: einen Querschnitt durch einen Rotor, bei dem die Flussleitelemente einteilig mit dem Rotorkörper ausgebildet sind,
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9: eine Schräg- Explosionsansicht des Rotors der 4 mit einer angehobenen Stirnplatte.
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In 1 ist ein Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen synchronen Reluktanzmotor 1 gezeigt. Ein Stator 3 weist im Beispiel N = 9 Statorpole 4 auf. Jeder Statorpol 4 wird aus einem Polzahn 10 und einem symmetrisch ausgebildeten Polschuh 11 gebildet. Die Polzähne 10 sind mit konzentrierten Statorwicklungen 12 bewickelt.
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Ein Rotor 6 weist einen ringförmigen Rotorkörper 13 auf, der drehfest mit einer Welle 9 verbunden ist. Der Rotor 6 weist weiter sechs Flussleitelemente 14 auf, die jeweils ringsegmentförmig ausgebildet sind. Jedes Flussleitelement 14 umfasst einen Segmentwinkel von etwas kleiner als 60°. Die Flussleitelemente 14 sind so am Rotorkörper 13 angeordnet, dass ihre Enden 15 jeweils am Außenumfang des Rotors 6 liegen. Die jeweils beiden benachbarten Enden 15 von zwei benachbarten Flussleitelementen 14 bilden einen Rotorpol 7. Der im Beispiel gezeigte Rotor 6 hat somit M = 6 Rotorpole.
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Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Flussleitelemente 14 durch Stege 16 mit dem Rotorkörper 13 verbunden, wodurch sie am Rotorkörper 13 drehfest fixiert sind. Für zusätzliche Stabilität sind auch die Enden 15 der Flussleitelemente 14 jeweils durch Umfangsstege 17 am Außenumfang des Rotors 6 miteinander verbunden. Dadurch entsteht ein insgesamt stabiler Rotor 6.
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Der Rotor 6 im Beispiel ist aus einzelnen Rotorblechen 18 gestapelt, wobei die Flussleitelemente 14 mit dem Rotorkörper 13 jeweils einteilig ausgebildet sind. Dadurch kann ein Rotorblech 18 kostengünstig und einfach durch Stanzen hergestellt werden.
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Die Flussleitelemente 14 bestehen aus einem weichmagnetischen Material, so dass der Magnetfluss möglichst ungehindert zwischen den Rotorpolen 7 geleitet wird. Durch die einteilige Ausführung besteht im Beispiel auch der Rotorkörper 13 aus weichmagnetischem Material. Damit am Rotorkörper 13 kein magnetischer Kurzschluss entsteht, ist es zweckmäßig, wenn die Stege 16 möglichst schmal sind, so dass diese sehr schnell magnetisch gesättigt werden und möglichst wenig magnetischen Fluss ermöglichen.
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Die Zwischenräume 19 zwischen dem Rotorkörper 13 und den Flussleitelementen 14 sind im Beispiel mit Luft ausgefüllt. Sie können jedoch auch mit einem anderen nicht magnetischen Material, beispielsweise einem Kunststoff, gefüllt sein.
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Die Polzähne 10 ds erfindungsgemäßen Stators 3 sind mit konzentrierten Statorwicklungen 12 bewickelt, wodurch der Stator 3 kostengünstig und einfach herstellbar ist.
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Um einen günstigen Drehmomentverlauf und eine geringe Drehmomentwelligkeit zu erhalten, ist es vorteilhaft für alle gezeigten Ausführungsbeispiele, die nachfolgend angegebenen Abmessungen, die in 2 eingezeichnet sind, einzuhalten.
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Ein Statorpolzahn 10 weist eine Breite von btooth auf. Die Breite bsegm eines Flussleitelements 14 beträgt in Abhängigkeit dieser Statorzahnbreite btooth: 0,5 btooth < bsegm < btooth.
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Für die Breite bbr rad eines radialen Steges 16 zwischen Flussleitelement 14 und Rotorkörper 13 gilt in Abhängigkeit zur Statorzahnbreite btooth: 0,075 btooth < bbr rad < 0,5 btooth.
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Dies ist notwendig, damit der Steg 16 möglichst schnell magnetisch gesättigt ist und wenig magnetischen Fluss zum Rotorkörper 13 leitet, an dem ein magnetischer Kurzschluss erfolgt.
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Für die radiale Dicke bbr tan eines Umfangsstegs 17 in Abhängigkeit der Statorzahnbreite btooth gilt: 0 < bbr tan < 0,25 btooth.
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Auch hier ist eine möglichst schnelle magnetische Sättigung der Umfangstege 17 erstrebenswert, die durch diese Bedingung gegeben ist.
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Während für die Breite bbarrier eines Umfangsstegs 17 in Abhängigkeit des Abstands bsh zwischen zwei benachbarten Polschuhen 11 gilt: 0,35 bsh < bbarrier < 0,75 bsh.
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Ein Polschuh 11 besitzt eine Breite von bpn. Für die Breite bpn rot eines Rotorpols 7 gilt: 0,75 bpn < bpn rot < 1,25 bpn.
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Dadurch wird sichergestellt, dass der Magnetfluss möglichst ungehindert zwischen Statorpol 4 und Rotorpol 7 fließen kann.
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Wie aus der oben genannten Bedingung erkennbar ist, können die Umfangsstege 17, die die Flussleitelemente 14 am Außenumfang miteinander verbinden, auch entfallen (bbr tan = 0). Das hat den Vorteil, dass der geringe magnetische Fluss zwischen den Flussleitelementen 14 entfällt und damit der Wirkungsgrad noch weiter steigt. Andererseits fehlt dadurch aber die mechanische Stabilität, des Rotors. 3 zeigt einen Rotor 6 ohne diese Umfangsstege 17. Um die Flussleitelemente 14 in ihrer Position zu halten besitzt der Rotor 6 dieser Ausführung eine Hülse 23, die am Außenumfang des Rotors 6 angeordnet ist. Diese Hülse 23 besteht aus einem nicht magnetischen Material, beispielsweise Aluminium oder einem Kunststoff, so dass der magnetische Fluss ungehindert durch die Hülse 23 hindurch fließen kann.
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In 4 ist eine alternative Ausführung der Erfindung mit einzelnen Flussleitelementen 14 gezeigt. Bei dieser Ausführung ist der Rotorkörper 13 im Wesentlichen sternförmig ausgebildet und aus einem nicht magnetischem Material, wie beispielsweise Aluminium oder Kunststoff geformt. In jedem Sternbogen ist in mittig eine im Wesentlichen trapezförmige Ausnehmung 35 mit einem Hinterschnitt angeordnet. Die Flussleitelemente 14 besitzen an ihrer Innenfläche 24 einen ebenfalls im Wesentlichen trapezförmigen Vorsprung 36, der in die trapezförmige Ausnehmung 35 eingreift. Wichtig dabei ist, dass jeweils zwischen Rotorkörper 13 und Flussleitelement 14 jeweils ein kleiner Luftspalt 37 vorhanden ist, damit die Flussleitelemente 14 am Rotorkörper 13 montiert werden können. Zwischen der Stirnfläche des trapezförmigen Vorsprungs 36 und der Bodenfläche der trapezförmigen Ausnehmung 35 ist ein weiterer Luftspalt 40 vorgesehen, der notwendig ist um Befestigungsmittel 32 montieren zu können.
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Im trapezförmigen Vorsprung 36 des Flussleitelements 14 ist eine kreisförmige Ausnehmung 33 zur Aufnahme eines axialen Befestigungsmittels 32 in Form eines Stiftes angeordnet. Der Stift 32 liegt zum Teil in dieser kreisförmigen Ausnehmung 33 und zum Teil im Luftspalt 40 zwischen Rotorkörper 13 und trapezförmigem Vorsprung 36, wobei der Stift 32 sowohl die Stirnfläche des Flussleitelements 14 als auch die Bodenfläche des Rotorkörpers 13 berührt. Der Stift 32 bewirkt nun, dass das Flussleitelement 14 etwas in radialer Richtung nach außen verschoben wird und sich dabei im trapezförmigen Hinterschnitt 35 des Rotorkörpers 13 verkeilt, wodurch eine stabile mechanische Verbindung entsteht.
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Eine weitere erfindungsgemäße Ausführung des Rotors 6 ist in der 5 gezeigt. Bei dieser Ausgestaltung sind die Flussleitelemente 14 über Umfangsstege 17 miteinander verbunden. Es ist kein Rotorkörper vorgesehen, sondern der Zwischenraum 19 zwischen Welle 9 und Flussleitelementen 14 ist mit einem nicht magnetischem Material Füllmaterial 27 ausgefüllt, sodass ein möglichst vollflächiger Kontakt zwischen Füllmaterial 27 und den Flussleitelementen 14 entsteht. Die Flussleitelemente 14, sind auch bei dieser Ausführung im Wesentlichen ringsegmentförmig ausgebildet, wobei die Innenflächen 24 der Flussleitelemente 14 Ausnehmungen 25 aufweisen, die in gleichem Abstand zueinander und zu den entsprechenden Enden 15 der Flussleitelemente 14 angeordnet sind.
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Zusätzlich weisen die Flussleitelemente 14 an ihren Außenflächen 31 mittig jeweils eine teilkreisförmige Ausnehmung 33 auf, die zur Aufnahme eines Befestigungsmittels (nicht zeichnerisch dargestellt), wie beispielsweise einer Niete oder Schraube, dienen. Das Befestigungsmittel ist in axialer Richtung angeordnet, wodurch eine sehr gute mechanische Lagerung der Flussleitelemente 14 gewährleistet ist. Im gezeigten Beispiel sind die Ausnehmungen 33 zusätzlich in einem Vorsprung 34 angeordnet, so dass der wirksame magnetische Querschnitt der Flussleitelemente 14 nicht durch die Ausnehmungen 33 reduziert wird.
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Die 6 zeigt eine weitere Ausgestaltung der Erfindung, die bis auf die fehlenden Ausnehmungen auf den Innenflächen der Flussleitelemente der Ausgestaltung des Rotors 6 aus 5 gleicht. Die Flussleitelemente 14 sind aus einzelnen Blechen 18 ausgebildet und in axialer Richtung gestapelt. Zur radialen Fixierung der Flussleitelemente 14 ist an jedem Flussleitelement 14 in der Ausnehmung 33 an seiner Außenfläche 31 ein Befestigungsmittel 32, beispielsweise eine Niete oder Schraube, in axialer Richtung angeordnet.
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7 zeigt den in 5 dargestellten Rotor 6 mit eingezeichneten magnetischen Flusslinien 20. Wie zu sehen ist, bewirken die erfindungsgemäßen geometrischen Vorgaben, dass nahezu der gesamte magnetische Fluss 20 innerhalb der Flussleitelemente 14 geleitet wird und nur sehr wenige Streuverluste zwischen den Enden 24 der Flussleitelemente 14 und zum Rotorkörper 13 hin vorhanden sind. Dadurch wird ein hoher Wirkungsgrad gewährleitet. Weiterhin wird dadurch bewirkt, dass der Drehmomentverlauf nur eine geringe Welligkeit aufweist. Trotz der konzentrierten Statorwicklungen 12 sind die Schwankungen im Drehmomentverlauf nur gering und das mittlere Drehmoment relativ hoch. Aufgrund dieser geringen Drehmomentwelligkeit ist es durch die Erfindung erst sinnvoll möglich, eine synchrone Reluktanzmaschine mit konzentrierten Statorwicklungen 12 zu realisieren. Durch das wesentlich einfachere Wickelschema der konzentrierten Statorwicklungen 12, ist es aufgrund der Erfindung nun auch möglich, synchrone Reluktanzmaschinen mit kleineren Abmessungen und stärkeren Leistungen zu realisieren, was im Stand der Technik bislang nicht möglich war.
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In 8 ist eine weitere Ausführung der Erfindung gezeigt, die sich im Wesentlichen durch die Form der Flussleitelemente 14 und der radialen Stege 16 zum Rotorkörper 13 unterscheidet. Die Flussleitelemente 14 sind über Umfangsstege 17 miteinander sowie über radiale Stege 16 mit dem Rotorkörper 13 verbunden und besitzen bei dieser erfindungsgemäßen Ausführung an ihrer Innenfläche 24 zwei Ausnehmungen 25, die jeweils etwa mittig zwischen dem Steg 16 und dem entsprechenden Ende 15 des Flussleitelements 14 angeordnet sind.
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Weiterhin weist der radiale Steg 16 eine tangentiale Verbreiterung 26 auf. Bei dieser Ausführung sind die Freiräume 19 mit einem nicht magnetischem Füllmaterial 27, beispielsweise Kunststoff oder Aluminium, gefüllt. Das Füllmaterial 27 gewährleistet eine zusätzliche Stabilität für den Rotor 6, da es in die Ausnehmungen 25 an den Flussleitelementen 14 und hinter die Verbreiterungen 26 der Stege 16 eingreift. Darüber hinaus bietet das Füllmaterial 27 eine gute magnetische Isolierung, so dass der magnetische Fluss innerhalb der Flussleitelemente 14 konzentriert geführt wird.
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9 zeigt eine dreidimensionale Ansicht des Rotors 6 aus 4. An den beiden axialen Enden des Rotors 6 ist jeweils eine Abdeckung 30 angeordnet, die die Flussleitelemente 14 in axialer Richtung fixiert. Zur radialen Fixierung der Flussleitelemente 14 ist an jedem Flussleitelement 14 an seiner Außenfläche 31 eine Niete 32 in axialer Richtung angeordnet, die jeweils beidseitig an den Abdeckungen 30 fixiert ist. Aufgrund des Hinterschnitts 35 des Rotorkörpers 13 können die Flussleitelemente 14 nur in axialer Richtung in den Rotorkörper 13 eingeschoben werden. Auch bei dieser Ausführung sind die Flussleitelemente 14 aus einzelnen Blechen 18 gestapelt
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Neben den hier gezeigten Ausführungsbeispielen können die erfindungsgemäßen Flussleitelemente auch andere Formen, innerhalb der geometrischen Bedingungen, annehmen und auch auf andere Weise am Rotorkörper befestigt sein. Die Erfindung soll daher in keiner Weise auf die gezeigten Beispiele beschränkt sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Reluktanzmotor
- 3
- Stator
- 4
- Statorpol
- 6
- Rotor
- 7
- Rotorpol
- 9
- Welle
- 10
- Polzahn
- 11
- Polschuh
- 12
- Statorwicklung
- 13
- Rotorkörper
- 14
- Flussleitelement
- 15
- Flussleitelement-Enden
- 16
- Stege (radial)
- 17
- Umfangssteg
- 18
- Rotorblech
- 19
- Zwischenraum
- 20
- Flusslinien
- 23
- Hülse
- 24
- Innenfläche Flussleitelement
- 25, 33, 35
- Ausnehmung
- 26
- Verbreiterung
- 27
- Füllmaterial
- 30
- Abdeckung
- 31
- Außenfläche Flussleitelement
- 32
- Befestigungsmittel
- 34, 36
- Vorsprung
- 37, 40
- Luftspalt
