DE2030789C3

DE2030789C3 - Reluktanzmaschine

Info

Publication number: DE2030789C3
Application number: DE19702030789
Authority: DE
Inventors: John Byrne; James Lacy
Original assignee: Allmanna Svenska Elektriska AB
Current assignee: ABB Norden Holding AB
Priority date: 1969-06-25
Filing date: 1970-06-23
Publication date: 1975-12-11
Also published as: SE363708B; IE33473L; DE2030789B2; DE2030789A1; FR2051323A5; IE33473B1; GB1321110A

Description

gnetisches Material entstehen. Die Pollücke zwischen zwei Rotorpolen ist mindestens 20% größer als der Polbogen eines Statorpols. Der Rotorpolbogen ist größer als der Statorpolbogen. Di-; Maschine nach der Erfindung ist weiter dadurch gekennzeichnet, daß die Dichte des ferromagnetischen Materials der luftspaltseitigen Grenzschicht der Rotorpole sich in tangentialer Richtung ändert. Wettere Erfindungsmerkmale gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Bei der Maschine nach der Erfindung ist die gespeicherte magnetische Energie gering, und dementsprechend findet eine vollständigere Umwandlung der augenblicklich aufgenommenen elektrischen Leistung in abgegebene mechanische Leistung bzw. umgekehrt beim Generatorbetrieb über einen steuerbaren Bereich statt als bei den bekannten Reluktanzmaschinen. Durch die Erfindung wird die Reluktanzmaschine in einer wirtschaftlich vertretbaren Weise die Anwendung als Antrieb für ein Fahrzeug oder ganz allgemein für industrielle Zwecke eröffnet. Die Erfindung gestattet es, den Motor in einfacher Weise zu steuern und mit einem weniger komplizierten und geringerem Aufwand an Schaltmkteln auszukommen als dies bei den konventionellen elektrischen Maschinen möglich ist. Ein besonders hoher Wirkungsgrad, d. h. das Verhältnis von abgegebener Leistung zur aufgenommenen Leistung, wird beim generatorischen Betrieb der f tnschine erreicht.

Würde man die aus der DT-AS 124079 bekannte Maschine in der Weise betreiben, wie dies für die Maschine nach der Erfindung vorgesehen ist, so wäre der Anteil der aufgenommenen elektrischen Energie, der in mechanische Arbeit umgesetzt werden kann, erheblich kleiner. Die Nutzung der Rotoroberfläche bedeutet, daß dem Fluß zusätzlich ein Pfad zur Verfügung gestellt wird, der eine lineare Charakteristik hat. Dies führt dazu, daß die resultierende Gesamtcharakteristik des magnetischen Kreises einen steileren Verlauf zeigt als bei der Maschine nach der Erfindung. Wie aus Fig. 13 und der nachfolgenden Erläuterung ersichtlich sein wird, wird hierdurch der in mechanische Arbeit umsetzbare Teil der aufgenommenen elektrischen Energie verkleinert.

Die magnetische Sättigung wurde bisher als eine Erscheinung angesehen, die die Leistung einer elektrischen Maschine begrenzt. Bei der Reluktanzmaschine nach der Erfindung werden jedoch bestimmte Maßnahmen getroffen, um eine magnetische Sättigung sicherzustellen, die auf die luftspaltseitigen Grenzschichten der Ständer- und Rotorpole beschränkt ist, die einander überlappen, mit der Folge, daß die tangentiale Kraft, die zwischen den sich überlappenden Polflächen wirkt, fast doppelt so groß wird wie bei den bisher bekannten Konstruktionen.

An Hand der in den Figuren gezeigten Diagramme und Ausführungsbeispiele soll die Erfindung und die zu ihrem Verständnis notwendige Theorie näher erläutert werden.

Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Ansicht des Rotors und Stators einer zweiphasigen Ausführungsform der Erfindung,

F i g. 2 Lamellen zum Aufbau einer anderen Ausführungsform des Rotors, der in der Maschine nach F i g. 1 verwendbar ist,

Fig. 3 eine Betriebsschaltung zur Steuerung des Motors gemäß Fig. 1,

F i g. 4 und 5 die Polübcrlappungszone für den magnetisch ungesättigten (linearen) und den magnetisch gesättigten Fall,

F i g. 6 den Zusammenhang zwischen dem Erregerstrom und dem mit der Erregerwicklung verketteten Fluß für zwei verschiedene Stellungen der Polüberlappung mit teilweiser Sättigung,

F i g. 7 diagrammartig die Zunahme des Flusses bei einer Änderung der Polüberlappung um ein Inkrement .!A",

ίο F i g. 8 die magnetische Charakteristik für die Flußzunahme gemäß F i g. 7,

F i g. 9 und 10 vergleichsweise die abgegebene mechanische Energie für den magnetisch linearen und den magnetisch ideal gesättigten Fall für eine begrenzte Änderung der Überlappung,

Fig. 11 und 12 vergleichsweise die totale abgebbare mechanische Energie,

Fig. 13 den Zusammenhang zwischen dem Erregerstrom und dem mit der Erregerwicklung verketteten Fluß als Ergebnis von Messungen an einer Maschine gemäß Fig. 1,

Fig. 14a und 14b Diagramme für den Verlauf des Erregerstromes bei geringer Motordrehzahl,

Fig. 15a und 15b den Verlauf des Erregerstromes bei hoher Motordrehzahl.

Es ist bekannt, daß für ein nur in einer Richtung erregtes, nicht gesättigtes Polsystem (magnetischer Kreis) maximal nur die Hälfte der zugeführten elektrischen Energie bei konstantem Erregerstrom in mechanische Energie übergeführt werden kann. Der Rest der aufgenommenen elektrischen Energie wird als magnetische Energie gespeichert. Es wird gezeigt werden, daß für den Fall vollständiger Sättigung die Unmöglichkeit der Speicherung magnetischer Energie zu einer Verdoppelung der in mechanische Form umgewandelten Energie führt. Diese Erkenntnis ist wesentlich für die Erfindung, wenn sie auf die Cberlappungszone der Pole angewendet wird, wo die Kräfte wirken. Der magnetische Fluß durch diese Zone wird durch eine magnetische Spannung (matomotorische Kraft) / getrieben, die im ungesättigten Fall praktisch ausschließlich am Luftspalt abfällt (Fig. 4) und im gesättigten Fall praktisch ausschließlich am gesättigten ferromagnetischen Material (Fi g. 5). Es wird gezeigt werden, daß die tangentiale Kraft zwischen sich überlappenden Polflächen sich folgenden idealen Werten nähert:

/ (newton) = 0,5 / · B · L für den linearen
(ungesättigten) Fall (1) / (newton) = / · B · L für den gesättigten Fall (2),

wobei

ß die Flußdichte (Induktion) senkrecht zu den sich überlappenden Polflächen ist und

L die Querlänge der sich überlappenden Oberflächen.

Die Gleichung (1) ist allgemein bekannt, die Gleichung (2) ist jedoch neu und überraschend.

^fio F i g. 6 zeigt zwei Kurven einer Kurvenschar, die die Magnetisierungscharakteristik der Polanordnung als Funktion einer örtlichen Verschiebung χ darstellen. Die örtliche Verschiebung .v stellt also den Parameter der einzelnen Kurven der Schar dar. Die abgegebene mechanische Energie bei konstantem Strom ist gegeben durch die Zunahme der Ko-Energie . 1 WH₁I, die durch die kurvenbegrenzte schraffierte Fläche gegeben ist, während die aufgenommene elek-

trische Energie durch die rechteckige schraffierte Fläche/ (ψ₂ — ι/·ί) gegeben ist. Die mittlere Kraft bzw. das mittlere Moment ergibt sich aus der durch die Kurven begrenzten schraffierten Fläche, dividiert durch die örtliche Verschiebung X₂-X₁.

/ = — für Linearmaschinen,

dx

lld

άθ

für urnlaufende Maschinen.

Es wird vorausgesetzt, daß die Überlappung der Pole so groß ist, daß die Streueffekte an den seitlichen Enden der Pole nur von der Größe der magnetischen Spannung und nicht mehr von der Größe der Überlappung abhängen, so daß eine Verschiebung A χ bei konstantem Strom nur noch die mittlere Zone erweitert, in der die räumliche Verteilung des Flusses und der gespeicherten Energie gleichmäßig ist. Die magnetische Charakteristik der Überlappungszone kann als a · B als Funktion von / dargestellt werden, wie in F i g. 8 gezeigt. Ferner wird vorausgesetzt, daß die magnetische Leitfähigkeit des Eisens außerhalb der Überlappungszone (gestrichelte Grenzen in F i g. 4) unendlich groß sei. Für eine Verschiebung Ax, die den magnetischen Fluß um einen Betrag A Φ = B · L- Ax vergrößert, wobei L die Querlänge ist, erhält man für Gleichung 3

1(BLAx) = fAx + LAxJldB,

wobei auf der linken Seite dieser Gleichung die aufgenommene elektrische Energie steht, der erste Ausdruck auf der rechten Seite die abgegebene mechanische Energie darstellt und der zweite Ausdruck auf der rechten Seite die zusätzliche gespeicherte Energie //d0 darstellt. Dividiert man diese Gleichung durch L-Ax und schreibt sie um, so erhält man:

spalt, gleiche Abmessungen usw. zugrunde gelegt sind.

Da die Flußverkettung von y>_A bis y>_B bei konstantem Strom zunimmt, ist die aufgenommene elektrische Energie für beide Fälle dieselbe und entspricht den rechteckigen Flächen AB CD und A' BCD' — I Ay>. Im linearen (ungesättigten) Fall entspricht die abgegebene mechanische Energie der dreieckigen schraffierten Fläche OAB = 0,5 lAy>. Die Zunahme der

ίο gespeicherten magnetischen Energie ist daher gleich der Differenz, also ebenfalls gleich 0,5IAy>. Dies ist das bekannte Ergebnis, das für nur in einer Richtung erregte ungesättigte Reluktanzmaschinen gilt, daß nämlich bei konstantem Strom maximal die Hälfte der zugeführten elektrischen Energie in mechanische Energie umwandelbar ist.

Für den ideal gesättigten Fall ist die abgegebene mechanische Energie gleich der schraffierten Fläche A' B' C D' = / Ay. Es wird keine magnetische Energie gespeichert. Die aufgenommene elektrische Energie wird vollständig in abgegebene mechanische Energie umgeformt.

Bei den obigen Erläuterungen ist nur eine begrenzte Verschiebung betrachtet worden. In den F i g. 11 und 12 werden Sättigungskurven gezeigt, die den Positionen für maximalen und minimalen Fluß entsprechen. Im Idealfall ist der minimale Fluß ein vernachlässigbar kleiner Bruchteil des maximalen Flusses.

Da die Flußverkettung von y>_min bis y>_max bei konstantem Strom anwächst, ist die gesamte aufgenommene Energie in beiden Fällen gleich / Wm_0x-Ψπιώ-Die abgegebene mechanische Energie entspricht den doppelt schraffierten Flächen in Fig. 6. Wenn man den Minimalfluß gegenüber dem Maximalfluß als vernachlässigbar betrachtet, so erhält man für die Fig. 11 und 12 zugeführte elektrische Energie

40

I-B-fl-dB
0

(5)

= ¹WmQX =

abgegebenem echanische Energie
bei idealer Sättigung

= Ιψπ,αχ = ^I(I>max

oder, unter Bezugnahme auf Fig. 14, eine Querkraft 45 abgegebene mechanische Energie je Pollängeneinheit von ^bei vollständig linearen Verhältnissen

= 2 I V'max = h

= / B-d/newton/meter

(6)

5°

In der Tat enthält die Gleichung 6 eine Abwandlung der allgemeinen Aussage der Gleichung 4, daß die mechanische Kraft bestimmt wird durch die Größe der Änderung der Ko-Energie in Abhängigkeit einer örtlichen Verschiebung. Es ist zu beachten, daß die treibende magnetische Spannung / nicht auf eine einzige Quelle beschränkt ist, sondern die resultierende eine Anzahl von magnetischen Spannungen sein kann.

In einer ungesättigten Maschine liegt die magnetische Spannung praktisch vollständig am Luftspalt, wie in Fig. 4 dargestellt. Im ideal gesättigten Fall (F i g. 5) lallt die magnetische Spannung fast vollständig über dem gesättigten Material ab, das eine rechteckige Hysterisisschleife hat, deren Breite gleich Null ist.

Fig. 6, 9 und 10 zeigen die Charakteristiken für die beiden Fälle, wobei gleiche Flußdichte im Luft-Kehrt man zu dem speziellen Fall gemäß F i g. 1 zurück, so nehmen die Gleichungen 5 und 6 für die mechanische Kraft folgende einfache Form an: Füi den Fall linearer magnetischer Verhältnisse

j IdB = /ßd/ = \IB
0 0

j IL = ϊ/Bnewton/meter
Für den FaI! idealer Sättigung

(10)

JldB = 0

1IL = IB newton/meter

(11)

Aus den oben entwickelten Zusammenhängen gehl

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lervor, daß man, wenn man eine möglichst große Umwandlung elektrischer in mechanische Energie erreichen will, Maßnahmen treffen muß, um die die mechanische Arbeit repräsentierende doppeltschraffierte Fläche in F i g. 6 möglichst groß zu machen (s. Fig. 11 und 12).

Fig. 13 zeigt Charakteristiken, die an einer Versuchsmaschine gemäß der Erfindung gemessen wurden. Die oberen sechs Magnetisierungskurven entsprechen verschiedenen Polüberlappungsgraden. Die untere Kurve entspricht der Rotorstellung, in der die Reluktanz ein Maximum hat.

Das Verhältnis der Fläche 0-I-II-III-0, die die umgewandelte Energie beschreibt, zu der Fläche 0-III-Il-IV-O, die die maximal gespeicherte Energie beschreibt, beträgt etwa 9 : 1. Es ist dabei zu beachten, daß die Inkremente Ayi im wesentlichen, von der räumlichen Lage abhängen und nicht von dem Strom.

Der zyklische Vorgang für die elektromechanische Energieumwandlung (Motorbetrieb) umfaßt vier Schritte, die in Fig. 13 durch Pfeile gekennzeichnet sind, und beginnt, wenn sich der Rotor in der Lage der maximalen Reluktanz befindet. Der Schritt NuIl-I zeigt den Anstieg des Stroms bis zum Nennwert, wobei der Anstieg des magnetischen Flusses gering ist. Der Schritt I-II zeigt das Anwachsen des Flusses bei konstantem Strom, wenn sich die Überlappung zwischen Rotor und Ständerpol vom kleinsten bis zum größten Wert ändert. Der Schritt II-III zeigt, wie der Strom im wesentlichen verschwindet, die Flußverkettung jedoch nur geringfügig abnimmt. Der Schritt III-Null zeigt, wie die Flußverkettung auf Null zurückgeht, wenn der Strom praktisch zu Null wird, während der Rotor sich in einem Bereich bewegt, in dem die maximale Überlappung der Pole bereits überschritten ist und sich der nächsten Lage höchster Reluktanz nähert.

Bei einer Reluktanzmaschine gemäß der Erfindung bestehen also die stationären und die beweglichen Teile des magnetischen Kreises aus hochpermeablem ferromagnetischem Material. Diese Teile des magnetischen Kreises werden durch einen in mechanischer Hinsicht so klein wie möglich bemessenen Luftspalt getrennt und besitzen eine große magnetische Leitfähigkeit mit Ausnahme von hochgesättigten Einschnürungszonen, die von der Überlappung zwischen den Polen bestimmt werden, so daß der magnetische Fluß in erster Linie von der Stellung des Rotors bestimmt wird und so wenig wie möglich von der Stärke des Erregerstromes. Jede oder nur eine der überlappenden Poloberflächen kann eine Einschnürzone haben, und der Polquerschnitt kann ganz oder teilweise aus ferromagnetischem Material bestehen. Die nichtmagnetischen Teile, die entweder aus Schlitzen, Nuten oder aus Füllmaterial bestehen, haben eine ausreichende Tiefe, so daß in den Ekischnürungszonen nur die ferromagnetischen Teile als Pfade für den magnetischen Fluß in Betracht kommen. Es können PoI-oberflächen verwendet werden, die zwei oder mehr Zonen mit unterschiedlicher effektiver Dichte des ferromagnetischen Materials haben, um eine Vergrößerung des Uberlappungsbereiches zu bekommen, bei dessen Durchlaufen der magnetische Fluß gleichmäßig zunimmt;

Während der Phasen zunehmender Polüberlappung werden (im Falle des Motorbetriebes) gleichgerichtete Ströme den Ständerwicklungen zugeführt, die mit den entsorechenden Flußpfaden verkettet sind, und erzeugen eine in einer Richtung wirkende magnetische Spannung. Die Mittelwerte der Statorwicklungsströme können durch periodisches An- und Abschalten der Wicklung gesteuert werden. Während der Phasen, in denen sich die Polüberlappung verkleinert, wird im Falle des Motorbetriebes der Strom unterdrückt oder auf einen kleinen Wert reduziert, um das Auftreten bremsender Drehmomente zu verhindern. Die Unterdrückung oder Reduzierung des Stromes auf einen

ίο kleinen Wert wird dadurch erreicht, daß man die gespeicherte magnetische Energie der Wicklung entzieht und zu der Energiequelle zurückführt oder in kapazitiver Weise speichert. Bei einem Generatorbetrieb fallen die Phasen, in denen der Strom eingeschaltet ist, mit den Phasen der Abnahme der Polüberlappung zusammen.

Die Verwendung von magnetischem Material mit einer schmalen, steilen Hysteresisschleife mit ausgeprägtem Sättigungsknjck ergibt in einer Konstruktion mit kleinem Luftspalt eine geringe Speicherung magnetischer Energie mit einer entsprechend vergrößerten Umwandlung der momentan zugeführten elektrischen Energie in mechanische Energie.

Es ist typisch für die hier beschriebene Maschine, daß die magnetische Spannung, die durch den genannten Strom bei Nennstromwert der Maschine erzeugt wird, während der Perioden mit hohem Strom und sich ändernder Überlappung hauptsächlich im Bereich der gesättigten Polzonen in der Nähe der sich überlappenden Polflächen abfällt.

Bei der Ausführungsform der Erfindung, die nachfolgend beschrieben wird, wird eine gleichmäßige Rotation durch die Verbindung zweier unabhängig voneinander arbeitender Maschinen erreicht, von denen jede ein positives Drehmoment über zwei Winkelbereiche von 90° erzeugt, die zusammen einen Bereich von 360° bilden. Die Maschinen sind so ausgeführt, daß sie einander in einer traditionellen »Zweiphasene-Arbeitsweise beeinflussen. Deshalb kann nur in einer Richtung fließender Strom verwendet werden. Der brückenartige magnetische Kreis ergibt eine vernachlässigbare Kupplung zwischen den »Phasen«, trotz der gemeinsamen magnetischen Pfade. Die Erstreckung des »Arbeitstaktes« jeder »Phase« auf über 90° wird dadurch erreicht, daß die Läuferpole in Umfangsrichtung eine abgestufte effektive Eisendichte aufweisen.

Wie F i g. 1 zeigt, hat der Motor einen Stator 1 aus Stahllamellen hoher Permeabilität, der ausgeprägte Pole 2, 3, 8 und 9 hat, auf denen Wicklungen M1 und Ml sitzen. Die Wicklungen Ml bilden eine erste Phasenwicklung, und die Wicklungen Ml bilden eine zweite Phasenwicklung. Abmessung und Gestalt der Statorpole 2, 3, 8 und 9 sind so gewählt, daß die füi den Fluß zur Verfügung stehende Querschnittsfläche im Stator einen Minimalwert im Bereich der bogenförmigen luftspaltseitigen Oberfläche des Statorpols annimmt. Der Luftspalt zwischen den Polbögen hai eine minimale Stärke. Der Rotor S besteht aus hoch· permeablen Stahllamellen und hat die halbe Anzah von Polen wie der Stator. Die pheriphere Ausdeh nung der Rotorpoloberfläche ist etwa doppelt so grol wie die der Statorpole. Etwa die Hälfte der Rotor fläche ist mit tiefen trapezförmigen Nuten oder Schiit zen 6 versehen, so daß die verbleibenden rechteck! gen Eisenteile (Zähne) infolge der Sättigung nur ein Luftspaltdichte aufnehmen können, die halb so groi ist wie die, die der ungenutete Teil 7 der Polobei

fläche aufzunehmen vermag. Vorteilhafterweise können die Schlitze in der einen Hälfte aller Lamellen um eine halbe Schlitzteilung versetzt sein.

Wenn die genutete Zone gegen den Uhrzeigersinn laufend den Pol 2 zu überlappen beginnt und die Wicklung M1 erregt ist, wächst der Fluß linear mit dem Drehwinkel des Rotors. Dieser Anstieg des magnetischen Flusses ist im wesentlichen unabhängig von der Stromstärke in der Wicklung M1 infolge der eintretenden magnetischen Sättigung in den Rotorzähnen 6', die gleichen Querschnitt haben und von den trapezförmigen Nuten 6 gebildet werden. Die Amperewindungszahl der Wicklung Ml, also die von dieser Wicklung erzeugte magnetische Spannung, wird fast vollständig an den Rotorzähnen 6' verbraucht, wenn man einen radialen Luftspalt wählt, der nicht größer ist als 10% der Strecke in Metern, die sich aus dem Ausdruck 4 π-10~⁷, multipliziert mit der Amperewindungszahl pro Pol, dividiert durch die Sättigungsflußdichte (in tesla) des ferromagnetischen Materials des Rotors. Wenn die genutete Zone sich vollständig unter dem Statorpol 2 befindet, hat der Fluß die Hälfte seines maximalen Wertes erreicht. Bei einer werteren Rotordrehung gelangt der ungenutete Teil 7 der Poloberfläche unter den Statorpol 2, wodurch eine gesättigte Zone geschaffen wird, deren Sättigungsflußdichte annähernd doppelt so groß wie in der genuteten Zone ist. Der Anstieg des Flusses erfolgt linear mit der Drehung, da die genutete Oberfläche des Rotors, die jetzt unter dem Statorpol herausläuft, nur etwa einen halb so großen magnetischen Fluß führen kann wie die ungenutete Oberfläche, die jetzt unter den Statorpol läuft. Um einen linearen Zusammenhang zwischen der Flußzunahme und dem Drehwinkel bis zu der Lage zu erreichen, in der der ungenutete Teil 7 der Rotorpoloberfiäche vollständig unter dem Statorpol 2 liegt, muß die magnetische Sättigung auf die Teile des Stator- und Rotorpols beschränkt werden, die dem sich mechanisch verändernden Zwischenraum (Luftspalt) benachbart liegen. Dies wird dadurch erreicht, daß die maximale Querschnittsfläche der genannten veränderlichen Grenzschicht, welche der iuftspaltseitigen Oberfläche des Statorpols entspricht, kleiner ist als der Querschnitt, der dem magnetischen Fluß an jeder anderen Stelle des magnetischen Kreises zur Verfügung steht. Auf diese Weise wird die größte Einschnürung des Flusses auf den Raum nahe der Grenzfläche beschränkt. Aus diesem Grunde ist die Breite O₁ des Statorpols am Luftspalt etwa 20% kleiner als die Breite d₂ des Pols an seinen anderen Stellen. Dies wird durch eine nach innen gerichtete Abschrägung 2' der Polkanten am Luftspalt erreicht (s. Zeichnung). Die Jochstärke d₃ beträgt etwa 60% der Polbreite d„. Durch diese Maße wird Streuflüssen in einer dem Fachmann bekannten Weise Rechnung getragen.

Um einen 90° betragenden Arbeitstakt pro Phase zu erhalten, so daß ein kontinuierliches Moment durch fortlaufende Erregung der Phasen erreicht werden kann, beträgt der Bogen des Rotorpoles 100° und der Bogen des Statorpols 50°. Im Idealfalle, unter der Voraussetzung, daß ein Fluß an den Randzonen der Pole nicht vorhanden ist, wäre ein Rotorpolbogen von 90° und ein Statorpolbogen von 45° angebracht. Diese Forderung kann für Maschinen mit einer größeren Polzahl verallgemeinert werden:

Der Rotorpolbogen (hier 100°) soll etwas größer sein als die Polteilung (hier 90°); der Rotor kann jede gerade Anzahl von Polen haben, für den Ständer ist die doppelte Anzahl dieser Pole erforderlich; die Summe der Rotorpolbögen und die Summe der Statorpolbogen sollten beide um etwa lO^fl/o die Hälfte der totalen vorhandenen Bogenlänge überschreiten.

Der Bogen des Rotorpolzwischenraumes (etwa 80°) ist beträchtlich größer als der Ständerpolbogen (hier 50°), so daß ein großer Luftspalt im magnetischen Kreis der Phase 1 vorhanden ist, wenn der Rotor sich

ίο in der Stellung der größten Reluktanz für die Phase 1 befindet. Dadurch wird der Polfluß in dieser Stellung in erwünschter Weise klein. Daher beträgt die abgegebene mechanische Leistung bei konstantem Strom etwa 8O°/o des theoretisch maximal möglichen Wertes. Im Gegensatz dazu beträgt die abgegebene me-

' chanische Leistung bei den bekannten Schrittmotoren pro Schritt gut weniger als die Hälfte des theoretisch maximal möglichen Wertes.
Um die obige vorteilhafte Magnetisierungscharak-

ao teristik auch bei anderen Ausführungsformen zu erhalten, sollte der Zwischenpolbogen mindestens 20% größer sein als der Bogen der Statoroberfläche.

Die Winkellage des Rotors, bei der die Unterdrückung des Stromes in der Phasenwicklung Ml und die Freigabe des Stromes in der Phasenwicklung M 2 stattfinden, wird durch eine wellengetriebene Phasenüberwachungseinheit angezeigt, die elektromagnetisch, optisch oder nach dem Magnet-Dioden-Typ arbeiten kann und mit einer automatischen Voreilung des Umschaltbeginns bei zunehmender Geschwindigkeit versehen sein kann.

Eine alternative Ausführung der Läuferkonstruktion verwendet Lamellen in der Form gemäß F i g. 2. Lamellen 5" mit kurzem Polbogen, der denen des Ständerpols entspricht, sind mit Lamellen 5' zusammengeschichtet, die ungefähr einen doppelt so großen Polbogen haben wie die Lamellen 5". Die Kombination ergibt eine Poloberfläche mit zwei verschiedenen Dichten ferromagnetischen Material im gewünschten Verhältnis 2:1.

Vorzugsweise kann den Rotoren in F i g. 1 und 2 zur Vermeidung von Luftreibungsverlusten dadurch eine zylindrische Form gegeben werden, daß man die Polzwischenräume mit einem geeigneten unmagnetisehen Material ausfüllt.

In F i g. 3 bezeichnen M1 und 01 die fest gekoppelte Haupt- und Hilfswicklung, die zu einer Phase des Motors in Fig. 1 gehören. M2 und Ol bilden ein gleiches Paar von Wicklungen und bilden die zweite Phase. Ml und M 2 sind die Hauptphasenwicklungen und nehmen den größten Teil des Wickeiraumes in Anspruch. Die Hilfswicklungen Ol und 02, als »Überwicklung« bezeichnet, haben die Aufgabe, gespeicherte magnetische Energie in die Bat-

terie 10 Zurückzuspeisen. Der Hauptthyristor 28 verbindet die Wicklung Ml mit der Batterie 10. Der Freilaufthyristor 39 bildet einen Kurzschlußkreis für die Wicklung Ml. Während der Phase zunehmender Rotorüberlappung wird der Strom M1 innerhalb bestimmter Grenzen durch fortgesetztes Schalten der Thyristoren 28 und 29 gehalten, wobei der Thyristor 39 automatisch durch den Thyristor 28 kommutiert wird. Der Kommutierungsthyristor 29, der Kondensator 25, die Induktivität 26 und der Hilfsthyristor

27 bilden einen Kommutierungskreis, durch den der Thyristor 28 kommutiert (abgeschaltet) wird. Die Diode 33, welche leitend gemacht wird durch die gleichzeitige Blockierung der Thyristoren 39 und 28,

verursacht einen schnellen Zusammenbruch des Stromes in der Hauptwicklung, da über sie die gespeicherte magnetische Energie in die Batterie zurückkehrt. Die Thyristoren 31, 30 und 40 sowie die Diode 32 haben entsprechende Funktionen bezüglich der Wicklungen Ml und Ol der zweiten Phase. Diese Arbeitsweise ist dem Fachmann auf dem Gebiete der Gleichstrom-Zerhacker-Steuerung vertraut.

In Fig. 14a, in der die Kurvenformen für geringe Geschwindigkeit dargestellt sind, zeigen die Abschnitte 51 den Stromanstieg in der Hauptwicklung Ml (Fig. 3), wenn der Hauptthyristor 28 stromleitend ist. Die Abschnitte 52 zeigen das Absinken des Stromes in der Hauptwicklung, wenn der Freilaufthyristor 39 stromführend ist. Die obere Strombegrenzung 53 und die untere Strombegrenzung 54 sind wirksam während der Periode eines positiven Drehmomentes, wenn die Polüberlappung zunimmt. Die Abschnitte 55 entsprechen dem schnelleren Stromabfall in der Überwicklung OX (Fig. 3), wenn die Diode 33 Strom führt. Dieser Schaltvorgang wird

ausgelöst durch ein Signal von der wellengetriebenen Phasenüberwachungseinheit. Fig. 14b zeigt die entsprechenden Kurvenformen für die Phasenwicklungen Ml und Ol (Fi g. 3). In einer weniger wirkungsvollen Betriebsforrr wird auf die Freilaufthyristoren 39 und 40 verzichtet.

In Fig. 15a entsprechen die Abschnitte 51' dem Anstieg des Stromes in der Hauptwicklung Ml in Fig. 3. Die von der Geschwindigkeit abhängige Spannung ist so groß, daß die obere Stromgrenze 3 nicht erreicht wird. Der Abschnitt 52' entspricht dem Zusammenbruch des Stromes in der Überwicklung Oi. Fig. 15b zeigt die entsprechenden Vorgänge in der Wicklung der anderen Phase. Die Freilaufthyristoren 39 und 40 sind unwirksam, und alle Schaltvorgänge werden von der wellengetriebenen Phasenüberwachungseinheit eingeleitet.

Der in dieser Beschreibung gebrauchte Ausdruck »elektrische Leistungsquelle« soll jede in diesem Zusammenhang verwendbare Quelle oder jeden Umwandler elektrischer Energie erfassen.

Hierzu 7 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Reluktanzmaschine, bei der Stator und Läufer ausgeprägte Pole haben und aus hochpermeablem ferromagnetischem Material bestehen, Wicklungen nur auf den Statorpolen vorhanden sind, der Luftspalt zwischen den gegenüberliegenden Polbögen möglichst klein ist und der Querschnitt des magnetischen Eisenpfades am Luftspalt ein Minimum hat, dadurch gekennzeichnet, daß Ständer- und/oder Rotorpole (2, 3, 8, 5) in ihren dem Luftspalt benachbarten Grenzschichten eine derart bemessene Verengung (2') aufweisen, daß bei Erregung der Maschine mit einem gegebenen Magnetisierungsnennstrom und bei maximal möglicher gegenseitiger Überlappung der Polbögen die Eisensättigung auf die verengten Grenzschichten beschränkt bleibt, und daß die Verengungen derart getroffen sind, daß durch sie keine nennenswerten Parallelwege für den Fluß durch nicht ferromagnetisches Material entstehen.

2. Reluktanzmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die PoHücke zwischen zwei Rotorpolen mindestens 20% größer als der Polbogen eines Statorpols (2, 3, 8, 9) ist.

3. Reluktanzmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotorpolbogen größer als der Statorpolbogen ist.

4. Reluktanzmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichte des ferromagnetischen Materials der iuftspaltseitigen Grenzschicht der Rotorpole sich in tangentialer Richtung ändert.

5. Reluktanzmotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die luftspaltseitige Grenzschicht der Rotorpole (5) an einer Seite etwa über den halben Polbogen mit Nuten (€) versehen ist.

6. Reluktanzmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorpole aus Blechen (5', S") geschichtet sind, die unterschiedlich breite Polbogenbereiche haben.

7. Reluktanzmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche mit einer zweiphasigen Anordnung, bei der der Rotor (5) eine gerade Anzahl von Polen hat und der Stator (1) die doppelte Anfcahl von Polen hat und jeder zweite Statorpol zu derselben Phase gehört und sowohl die Summe der Statorpolbögen wie auch die Summe der Rotorpolbogen größer als die Hälfte des Gesamtumfanges am Luftspalt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichte des ferromagnetischen Materials der !uftspaltseitigen Grenzschicht der Rotorpole sich in Umfangsrichtung von einem Maximalwert auf etwa den halben Maximalwert ändert, wobei in einer bevorzugten ürehrichtung die Größe des magnetischen Flusses, der von dem an dem Luft- »palt grenzenden ferromagnetischen Material von Stator- und Rotorpol aufgenommen werden kann, kontinuierlich über einen Drehwinkel von der Größe des Winkelabstandes zweier benachbarter Statorpolachsen wächst.

8. Reluktanzmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß neben der Hauptwicklung (M I, Ml) auf jedem Statorpol eine kleinere Hilfswicklung (01, Öl) vorhanden ist, die mit der Hauptwicklung magnetisch gekuppelt ist.

Die Anmeldung bezieht sich auf eine Reluktanz maschine, bei der Stator und Läufer ausgeprägte PoIi haben und aus hochpermeablem ferromagnetischen Material bestehen, Wicklungen nur auf den Stator polen vorhanden sind, der Luftspalt zwischen den ge genüberliegenden Polbögen möglichst klein ist unc der Querschnitt des magnetischen Eisenpfades arr Luftspalt ein Minimum hat.

Eine solche Maschine isi aus der DT-AS 12 40 97S bekannt. Die bekannte Maschine wird aus einerr Wechselspannungsnetz gespeist, so daß sich der Strorr in der Ständerpolerregerwicklung entsprechend derr sich mit der Umdrehung des Läufers verändernden magnetischen Widerstand frei einstellen kann. Das Minimum des Eisenquerschnittes am Luftspak wird bei der bekannten Maschine dadurch erreicht, daß der Läufer mit tangentialen Nuten versehen ist, die etwa die Hälfte des Läuferquerschnittes bedecken. Die bekannte Maschine ist so ausgelegt, daß bei maximaler Überlappung zwischen dem Ständer und dem Läuferpol die Luftspaltinduktion etwa 23 000 Gauß beträgt.

Bei diesen Induktionen sind die gesamten Ständerpole wie das gesamte Läufereisen gesättigt. Durch die Nutung der Rotoroberfläche wird erreicht, daß die Sättigung in den Rotorzähnen bereits eintritt, wenn der Erregerwechse'.strom etwa ein Viertel seines vollen Wertes erreicht hat. Auf diese Weise wird eine bessere Ausnutzung der Maschine erzielt.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine andere Betriebsform einer Reluktanzmaschine. Bei dieser Betriebsform wird den Ständerpolen periodisch ein Gleichstrom bestimmter Größe aufgezwungen. Der Erregerstrom in den Wicklungen fließt stets nur in einer Richtung. Die Zeitintervalle, in denen die im Idealfall rechteckförmigen Stromimpulse fließen, hängen von der Stellung des Läufers ab und werden durch die Läuferstellung gesteuert. Die Zeitabschnitte liegen im Synchronismus mit dem Grad der Überlappung zwischen den Stator- und Rotorpolen. Bei dieser Betriebsart ist also die magnetische Spannung zwischen den beiden Polbogenflächen entweder in im wesentlichen konstanter Größe vorhanden oder nicht vorhanden.

Die hier behandelte Reluktanzmaschine, egal ob sie als Motor oder als Generator arbeitet, kann man zu den sogenannten »Schrittmotoren« rechnen. Solche Motoren kommen bisher nur für Anwendungszwecke in Betracht, die eine geringe Leistung erfordern, wie z. B. der schrittweise Betrieb von Werkzeugmaschinen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Reluktanzmaschine der eingangs genannten Art derart zu entwickeln, daß sie bei der oben beschriebenen Betriebsform einen möglichst großen Anteil der aufgenommenen elektrischen Energie in mechanische Arbeit umsetzt.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Reluktanzmaschine der eingangs genannten Art vorgeschlagen, die dadurch gekennzeichnet ist, daß Ständcrund/odcr Rotorpole in ihren dem Luftspalt benachbarten Grenzschichten eine derart bemessene Verengung aufweisen, daß bei Erregung der Maschine mit einem gegebenen Magnetisieiungsnennstrom und bei maximal möglicher gegenseitiger Überlappung der Polbögcn die Eisensättigung auf die verengten Grcnzschichien beschränkt bleibt, und daß die Verengungen derart getroffen sind, daß durch sie keine nennenswerten Parallelwege für den Fluß durch nicht ferroma-