DE102016216655A1 - reluctance motor - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Reluktanzmotor (1) mit einer ersten Baugruppe (2) und einer relativ zur ersten Baugruppe in einer Arbeitsbewegungsrichtung (x) verschiebbaren zweiten Baugruppe (3), wobei eine der beiden Baugruppen (2) als Stator und die andere der beiden Baugruppen (3) als Läufer oder Rotor ausgebildet ist, die erste Baugruppe (2) wenigstens eine Magnetspule (8) sowie eine die Magnetspule umgreifende Flussleiteinrichtung (9) aufweist und die zweite Baugruppe (3) über einen gezahnten Oberflächenbereich (5) verfügt, der der Flussleiteinrichtung (9) zugewandt ist, so dass die zweite Baugruppe (4) durch Bestromung der Magnetspule (8) und einem daraus resultierenden Magnetfluss in der Flussleiteinrichtung (9) mit einer Kraft beaufschlagt werden kann, um eine Verschiebung der zweiten Baugruppe (3) relativ zur ersten Baugruppe (2) zu bewirken. Erfindungsgemäß ist die Magnetspule (8) aus einem Material mit supraleitenden Eigenschaften hergestellt.The invention relates to a reluctance motor (1) having a first assembly (2) and a second assembly (3) displaceable relative to the first assembly in a working movement direction (x), one of the two assemblies (2) acting as a stator and the other of the two assemblies (3) is designed as a rotor or rotor, the first assembly (2) at least one magnetic coil (8) and a magnetic coil embracing flux guide (9) and the second assembly (3) has a toothed surface region (5), the Fluxing device (9) faces, so that the second assembly (4) by energizing the magnetic coil (8) and a resulting magnetic flux in the flux guide (9) can be acted upon by a force relative to a displacement of the second assembly (3) to effect the first assembly (2). According to the invention, the magnetic coil (8) is made of a material having superconducting properties.
Description
Die Erfindung betrifft einen Reluktanzmotor mit einer ersten Baugruppe und einer zweiten Baugruppe, wobei die erste Baugruppe relativ zur zweiten Baugruppe in einer Arbeitsbewegungsrichtung verschiebbar gelagert ist, eine der beiden Baugruppen als Stator und die andere der beiden Baugruppen als Läufer oder Rotor ausgebildet ist, die zweite Baugruppe wenigstens eine Magnetspule sowie eine die Magnetspule umgreifende Flussleiteinrichtung aufweist und die erste Baugruppe über einen gezahnten Oberflächenbereich verfügt, der der Flussleiteinrichtung zugewandt ist, so dass die erste Baugruppe durch Bestromung der Magnetspule und einem daraus resultierenden Magnetfluss in der Flussleiteinrichtung mit einer Kraft beaufschlagt werden kann, um eine Verschiebung der ersten Baugruppe relativ zur zweiten Baugruppe zu bewirken.The invention relates to a reluctance motor having a first assembly and a second assembly, wherein the first assembly is slidably mounted relative to the second assembly in a Arbeitsbewegungsrichtung, one of the two modules as a stator and the other of the two assemblies is designed as a rotor or rotor, the second Assembly has at least one magnetic coil and a magnetic coil encompassing Flußleiteinrichtung and the first module has a toothed surface region facing the Flußleiteinrichtung, so that the first assembly can be acted upon by energizing the solenoid and a resulting magnetic flux in the flux guide with a force to effect a displacement of the first assembly relative to the second assembly.
Ein derartiger Reluktanzmotor ist aus dem Stand der Technik, beispielsweise der
Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Reluktanzmotor mit einem verbesserten elektromechanischen Wirkungsgrad bereitzustellen.An object of the invention is to provide a reluctance motor with improved electromechanical efficiency.
Diese Aufgabe wird für einen Reluktanzmotor der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Hierbei ist vorgesehen, dass die Magnetspule aus einem Material mit supraleitenden Eigenschaften hergestellt ist. Hierdurch wird ein Betrieb der Magnetspule zur Bereitstellung des Magnetflusses ohne einen elektrischen Widerstand ermöglicht. Bei bislang bekannten supraleitenden Materialien stellen sich supraleitende Eigenschaften ein, wenn das Material auf oder unter seine materialspezifische Sprungtemperatur abgekühlt wird. Beispielsweise sind nach derzeitigem Kenntnisstand supraleitende Materialien für eine Verwendung in einem derartigen Elektromotor einsetzbar, die als Typ-II Supraleiter bezeichnet werden und supraleitende Eigenschaften bereits bei Temperaturen im Bereich von ca. –180 Grad Celsius oder 90 Kelvin aufweisen. Ein typischer Vertreter solcher supraleitender Materialien ist Yttriumbariumkupferoxid, das auch kurz als YBCO bezeichnet wird und das als Halbzeug in den unterschiedlichsten Formen, insbesondere als Drahtmaterial und Bandmaterial, zur Verfügung steht, um daraus Magnetspulen herstellen zu können. Es können auch andere vergleichbare Verbindungen verwendet werden wie z.B. BISCO oder „Pniktide“, Eisenverbindungen. Durch die Gestaltung der Magnetspule aus einem derartigen elektrisch leitenden Material mit supraleitenden Eigenschaften kann bei Einhaltung oder Unterschreitung der Sprungtemperatur des Materials für die Magnetspule eine zumindest im Hinblick auf die Magnetspule verlustarme, vorzugsweise bis auf Ummagnetisierungsverluste, insbesondere zumindest nahezu verlustfreie Bereitstellung eines Magnetfelds erfolgen. This object is achieved for a reluctance motor of the type mentioned with the features of claim 1. It is provided that the magnetic coil is made of a material having superconducting properties. As a result, an operation of the magnetic coil for providing the magnetic flux is made possible without an electrical resistance. In previously known superconducting materials, superconducting properties occur when the material is cooled to or below its material-specific critical temperature. For example, according to the current state of knowledge superconducting materials for use in such an electric motor can be used, which are referred to as type II superconductor and superconducting properties already at temperatures in the range of about -180 degrees Celsius or 90 Kelvin. A typical representative of such superconducting materials is yttrium barium copper oxide, which is also referred to as YBCO for short, and is available as a semi-finished product in a wide variety of forms, in particular as wire material and strip material, in order to be able to produce magnetic coils therefrom. Other comparable compounds can also be used, e.g. BISCO or "Pniktide", iron compounds. Due to the design of the magnetic coil of such an electrically conductive material with superconducting properties can be carried out at least with loss of the material for the magnetic coil at least with respect to the magnetic low-loss, preferably up to Ummagnetisierungsverluste, in particular at least almost lossless provision of a magnetic field.
Der elektromechanische Wirkungsgrad eines derartigen Reluktanzmotors wird sowohl durch die Effizienz der Umsetzung der bereitgestellten elektrischen Energie in die am Läufer oder Rotor bereitgestellte Abtriebsleistung als auch durch den Energiebedarf für die Kühlung der Magnetspule bestimmt und kann bei geeigneter Auslegung der Magnetspule und des Kühlsystems für die Magnetspule gegenüber einem konventionellen Reluktanzmotor verbessert werden. Insbesondere bei langsamen Dreh-/Linearbewegung oder im „Halte-Modus“ hat der beschriebene Reluktanzmotor deutliche Vorteile gegenüber konventionellen bzw. „normal-leitenden“ Motoren.The electromechanical efficiency of such a reluctance motor is determined both by the efficiency of the implementation of the electrical energy provided in the output power provided on the rotor or rotor and by the energy requirement for the cooling of the solenoid and can with a suitable design of the solenoid and the cooling system for the solenoid opposite a conventional reluctance motor can be improved. In particular, in slow rotational / linear movement or in the "hold mode" of the reluctance motor described has significant advantages over conventional or "normal-conducting" motors.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous developments of the invention are the subject of the dependent claims.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst die zweite Baugruppe eine Isolierung, die die Magnetspule umgibt und die die Magnetspule gegenüber der Flussleiteinrichtung thermisch isoliert. Bei der Isolierung kann es sich beispielsweise um eine Außenhülle eines Kryostaten handeln. Der Kryostat bzw. die Isolierung dient zweckmäßigerweise dazu, die Temperatur der Magnetspule auf oder unterhalb der Sprungtemperatur zu halten. Die Flussleiteinrichtung befindet sich vorzugsweise außerhalb der Isolierung bzw. des Kryostaten. Bei AC-Bestromung der Magnetspule kann es zu einer starken Erwärmung der typischerweise aus Eisen gefertigten Flussleiteinrichtung kommen. Da sich die Flussleiteinrichtung außerhalb der Isolierung bzw. des Kryostaten befindet, ist weniger Kühlleistung erforderlich, um die Magnetspule auf oder unterhalb der Sprungtemperatur zu halten. According to a preferred embodiment, the second subassembly comprises an insulation which surrounds the magnetic coil and which thermally insulates the magnetic coil from the flux conducting device. The insulation may be, for example, an outer shell of a cryostat. The cryostat or the insulation is expediently used to keep the temperature of the magnetic coil at or below the critical temperature. The flux conducting device is preferably located outside the insulation or the cryostat. With AC energization of the magnetic coil, there may be a strong heating of the typically made of iron flux guide. Since the flux-conducting device is located outside the insulation or the cryostat, less cooling power is required to keep the magnetic coil at or below the critical temperature.
Zweckmäßig ist es, wenn die Magnetspule in einer Ausnehmung eines als ringförmiger Hohlkörper ausgebildeten Magnetspulenkastens angeordnet ist. Vorzugsweise ist der Magnetspulenkasten innerhalb der Isolierung angeordnet. Die Aufgabe des Magnetspulenkastens besteht insbesondere darin, einen Wärmestrom von der Magnetspule mit einem geringen Wärmewiderstand an eine Wärmesenke, beispielsweise einen Kühlfinger eines Kryostatkühlers, abzuführen, um eine vorteilhafte Temperierung der Magnetspule auf oder unterhalb der Sprungtemperatur des supraleitend ausgebildeten Magnetspulenmaterials zu gewährleisten. Eine thermische Abschirmung der im Magnetspulenkasten aufgenommenen Magnetspule gegenüber Umgebungseinflüssen, insbesondere Umgebungsluft, erfolgt vorzugsweise durch eine Außenhülle bzw. durch die Isolierung, die den Magnetspulenkasten umgibt. Diese Maßnahme ist erforderlich, sofern der Reluktanzmotor in einer Umgebung betrieben werden soll, in der nicht von vornherein Temperaturen im Bereich oder unterhalb der materialspezifischen Sprungtemperatur vorliegen. Sofern dies nicht der Fall ist, würden sich ansonsten aufgrund der starken Temperaturdifferenz der Magnetspule gegenüber der umgebenden (Luft-)Atmosphäre Eiskristalle aus kondensierter Feuchtigkeit auf der Magnetspule oder auf dem Magnetspulenkasten absetzen, die die Funktionsweise des Reluktanzmotors in Frage stellen könnten. Besonders bevorzugt ist die Außenhülle bzw. die Isolierung für den Magnetspulenkasten gasdicht ausgeführt, so dass gegebenenfalls im Inneren ein Vakuum aufrecht erhalten werden kann, um die gewünschte thermische Isolationswirkung für die Magnetspule zu unterstützen bzw. zu gewährleisten. Die Isolation ermöglicht eine geringe notwendige Kühlleistung des Kryokühlers.It is expedient if the magnetic coil is arranged in a recess of a magnetic coil box designed as an annular hollow body. Preferably, the magnetic coil box is disposed within the insulation. The task of the magnet coil box is, in particular, to dissipate a heat flow from the magnet coil with a low thermal resistance to a heat sink, for example a cooling finger of a cryostat cooler, in order to achieve an advantageous temperature control of the magnet coil on or below the magnet coil Ensuring transition temperature of the superconducting magnet coil material. A thermal shielding of the magnetic coil accommodated in the magnetic coil box against environmental influences, in particular ambient air, preferably takes place through an outer shell or through the insulation surrounding the magnetic coil box. This measure is necessary if the reluctance motor is to be operated in an environment in which temperatures from the outset are not in the range or below the material-specific transition temperature. If this is not the case, otherwise due to the strong temperature difference of the magnetic coil relative to the surrounding (air) atmosphere, ice crystals of condensed moisture would settle on the magnetic coil or on the magnetic coil box, which could jeopardize the operation of the reluctance motor. Particularly preferably, the outer shell or the insulation for the magnetic coil box is made gas-tight, so that optionally a vacuum can be maintained in the interior in order to support or ensure the desired thermal insulation effect for the magnetic coil. The insulation allows a low necessary cooling capacity of the cryocooler.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Magnetspulenkasten aus einem Material mit einer hohen thermischen Leitfähigkeit und/oder elektrischen Isolierungseigenschaften, ausgebildet ist. Eine hohe thermische Leitfähigkeit des Magnetspulenkastens ist von Vorteil, wenn eine externe Kühlung der Magnetspule vorgesehen ist, beispielsweise durch Ankopplung einer Wärmepumpe, insbesondere eines Stirlingmotors, eines PulseTube-Kühlers oder ähnlicher Kühlkonzepte. Hierbei kommt dem Magnetspulenkasten die Aufgabe zu, einen möglichst homogenen Wärmefluss von der Magnetspule hin zu der als Wärmesenke dienenden Kühleinrichtung zu gewährleisten und damit eine möglichst gleichmäßige Kühlung der Magnetspule zu unterstützen. Vorzugsweise weist der Magnetspulenkasten ergänzend oder alternativ auch vorteilhafte elektrische Isolierungseigenschaften auf, so dass in einfacher Weise eine elektrische Isolierung der Magnetspule gewährleistet werden kann. Als besonders vorteilhaft für die Herstellung des Magnetspulenkastens hat sich Saphirmaterial herausgestellt, das eine besonders günstige Kombination einer hohen thermischen Leitfähigkeit/Wärmeleitfähigkeit und vorteilhaften elektrischen Isolierungseigenschaften aufweist.In a further embodiment of the invention, it is provided that the magnetic coil box is formed from a material with a high thermal conductivity and / or electrical insulation properties. A high thermal conductivity of the magnetic coil box is advantageous if an external cooling of the magnetic coil is provided, for example by coupling a heat pump, in particular a Stirling engine, a PulseTube cooler or similar cooling concepts. In this case, the magnetic coil box has the task of ensuring the most homogeneous possible heat flow from the magnetic coil to the cooling device serving as a heat sink and thus to support the most uniform possible cooling of the magnetic coil. Preferably, the magnetic coil box additionally or alternatively also advantageous electrical insulation properties, so that in a simple manner electrical insulation of the magnetic coil can be ensured. As a particularly advantageous for the production of the magnetic coil box sapphire material has been found, which has a particularly favorable combination of high thermal conductivity / thermal conductivity and advantageous electrical insulation properties.
Vorzugsweise ist dem Magnetspulenkasten eine Kühleinrichtung, insbesondere ein Kühlfinger eines Kryokühlers bzw. eines Stirlingmotors, zugeordnet, die mit dem Magnetspulenkasten und/oder direkt mit der Magnetspule thermisch leitend gekoppelt ist. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Kühleinrichtung in thermischer Kopplung mit dem Magnetspulenkasten steht. Ergänzend oder alternativ steht die Kühleinrichtung in direkter thermisch leitender Kopplung mit der im Magnetspulenkasten aufgenommenen Magnetspule.Preferably, the magnetic coil box, a cooling device, in particular a cold finger of a cryocooler or a Stirling engine, assigned, which is thermally conductively coupled to the magnetic coil box and / or directly to the magnetic coil. It is preferably provided that the cooling device is in thermal coupling with the magnetic coil box. Additionally or alternatively, the cooling device is in direct thermally conductive coupling with the magnet coil accommodated in the magnetic coil box.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Kühleinrichtung eine elektrische Leitung zur Kopplung der Magnetspule mit einer Stromquelle umfasst. Durch eine derartige Kombination einer Wärmeabfuhr von der Magnetspule und einer Zufuhr von elektrischer Energie an die Magnetspule werden eine besonders kompakte Bauweise und ein möglichst geringer Wärmeeintrag aus der Umgebung an die Magnetspule über die elektrische Leitung sichergestellt.It is preferably provided that the cooling device comprises an electrical line for coupling the magnetic coil with a current source. Such a combination of a heat dissipation from the magnetic coil and a supply of electrical energy to the magnetic coil ensures a particularly compact design and the lowest possible heat input from the environment to the magnetic coil via the electrical line.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass zwischen der Kühleinrichtung und dem Magnetspulenkasten ein thermisch leitendes Koppelmittel mit hoher thermischer Leitfähigkeit angeordnet ist, das von der elektrischen Leitung durchsetzt ist. Exemplarisch weist das Koppelmittel elektrische Isolierungseigenschaften auf, so dass die elektrische Leitung ohne weitere Maßnahmen elektrisch isoliert von der Kühleinrichtung bis in den Magnetspulenkasten zur elektrischen Kontaktierung der Magnetspule geführt werden kann. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass das Koppelmittel als Stab aus Saphirmaterial hergestellt ist und somit eine vorteilhafte Kombination von thermischer Leitfähigkeit und elektrische Isolierung aufweist. Ähnliche Materialien, deren Eigenschaften vergleichbar sind, können ebenfalls verwendet werden.In an advantageous development of the invention, it is provided that a thermally conductive coupling means with high thermal conductivity is arranged between the cooling device and the magnetic coil box, which is penetrated by the electrical line. By way of example, the coupling means has electrical insulation properties, so that the electrical line can be conducted in an electrically isolated manner from the cooling device into the magnet coil box for electrical contacting of the magnetic coil without any further measures. Particularly preferably, it is provided that the coupling means is made as a rod of sapphire material and thus has an advantageous combination of thermal conductivity and electrical insulation. Similar materials whose properties are comparable can also be used.
Zweckmäßigerweise umfasst die zweite Baugruppe eine Vielzahl von Flussleiteinrichtungen, die die Magnetspule jeweils umgreifen und die um die erste Baugruppe herum verteilt angeordnet sind. Durch die Verteilung der Flussleiteinrichtungen um die erste Baugruppe herum kann eine gleichmäßige Kraftbeaufschlagung auf die erste Baugruppe erzielt werden. Vorzugsweise sind die Flussleiteinrichtungen beabstandet zueinander angeordnet. Auf diese Weise bleibt die Magnetspule bzw. die die Magnetspule umgebende Isolierung gut zugänglich.Conveniently, the second assembly comprises a plurality of flux guides, which respectively surround the magnetic coil and which are arranged distributed around the first assembly around. By distributing the flux guides around the first assembly, a uniform application of force to the first assembly can be achieved. Preferably, the Flußleiteinrichtungen are spaced from each other. In this way, the magnet coil or the insulation surrounding the magnet coil remains easily accessible.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die zweite Baugruppe über ein thermisch leitendes Kopplungsmittel verfügt, das mit dem Magnetspulenkasten und/oder der Magnetspule thermisch leitend gekoppelt ist und das zwischen zwei benachbarten Flussleiteinrichtungen hin zu dem Magnetspulenkasten und/oder der Magnetspule verläuft. Bei dem thermisch leitenden Kopplungsmittel kann es sich um das bereits vorstehend erwähnte Kopplungsmittel handeln. Dadurch, dass das Kopplungsmittel zwischen zwei benachbarten Flussleiteinrichtungen an die Magnetspule heran geführt wird, ist es möglich, eine für die Kühlung der Magnetspule benötigte Kühleinrichtung außerhalb des von den Flussleiteinrichtungen umgebenen Raumes vorzusehen und die Kühleinrichtung dort thermisch leitend an das Kopplungsmittel anzukoppeln. Dies ist von Vorteil, da der von den Flussleiteinrichtungen umgebene Raum begrenzt ist und zur Erzielung einer hohen Antriebskraft zu einem möglichst hohen Anteil von der Magnetspule ausgefüllt werden sollte.According to a preferred embodiment it is provided that the second module has a thermally conductive coupling means which is thermally conductively coupled to the magnetic coil box and / or the magnetic coil and which extends between two adjacent Flußleiteinrichtungen towards the magnetic coil box and / or the magnetic coil. The thermally conductive coupling agent may be the coupling agent already mentioned above. The fact that the coupling means between two adjacent Flussleiteinrichtungen is guided to the solenoid, it is possible to need a cooling device for cooling the solenoid outside the space surrounded by the Flussleiteinrichtungen space provide and couple the cooling device there thermally conductive to the coupling agent. This is advantageous because the space surrounded by the flux guides is limited and should be filled to the highest possible proportion of the magnetic coil to achieve a high driving force.
Vorzugsweise verfügt die Flussleiteinrichtung über einen gezahnten Oberflächenbereich, der dem gezahnten Oberflächenbereich der zweiten Baugruppe zugewandt ist. Durch die einander zugewandten gezahnten Oberflächenbereiche kann der Hub des Läufers pro elektrischer Umdrehung (pro Periode der Statorfrequenz) verkleinert und die Kraft vergrößert werden.Preferably, the flux guide has a toothed surface area facing the toothed surface area of the second assembly. By the facing toothed surface areas of the stroke of the rotor per electrical revolution (per period of the stator frequency) can be reduced and the power can be increased.
Eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Dabei zeigt:An exemplary embodiment of the invention is shown in the drawing. Showing:
Die
Der Linear-Reluktanzmotor
Die erste Baugruppe
Die erste Baugruppe
Die zweite Baugruppe
Jede der Magnetspule
In bevorzugter Ausgestaltung sind an den Magnetspulenseiten, beispielsweise den Stirnseiten, seitliche Magnetflussscheiben angebracht (nicht eingezeichnet), welche den Strom der Magnetspule reduzierende Störmagnetfelder auf die Magnetspule abschirmen.In a preferred embodiment, lateral magnetic flux disks are attached to the magnetic coil sides, for example the end faces (not shown), which shield the current of the magnetic coil reducing disturbance magnetic fields on the magnetic coil.
Wie insbesondere aus der
Auf der dem Stabelement
Die Flussleiteinrichtungen
Die Magnetspulen
Beispielhaft ist vorgesehen, dass jede Magnetspule
Um supraleitende Eigenschaften bereitstellen zu können, ist jede Magnetspule
Jede Magnetspule
Wie der
Für eine Wärmeabfuhr von den Magnetspulen
Das Kopplungsmittel
Weiterhin ist vorgesehen, dass das Kopplungsmittel
Bei der Kühleinrichtung
Sofern der Linear-Reluktanzmotor
Bei einer ebenfalls nicht dargestellten Variante des Elektromotors ist ein Kühlfinger, der insbesondere die kalte Seite eines Kryo-Kühlers, insbesondere eines Stirlingmotors darstellt, unmittelbar bis an den Magnetspulenkasten geführt, so dass auf das Kopplungsmittel verzichtet werden kann. Hierdurch ergibt sich ebenfalls eine vereinfachte Ausführung des Linear-Reluktanzmotors.In a variant of the electric motor also not shown, a cold finger, which in particular represents the cold side of a cryocooler, in particular a Stirling engine, is guided directly to the magnetic coil box, so that the coupling means can be dispensed with. This also results in a simplified embodiment of the linear reluctance motor.
Die vorstehend beschriebenen Komponenten der zweiten Baugruppe
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