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Reluktanzmotor Die Erfindung betrifft einen Reluktanzmotor mit einem
wicklungsfreien, wenigstens zwei ausgeprägte Läuferpole bzw.
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Zähne aufweisenden Läufer, einem Ständer, der pro Läufer zahn einen
ersten und einen zweiten Ständerpol aufweist, die
alternierend um
den Ständerumfang angeordnet sind und von denen alle ersten Pole eine Gruppe und
alle zweiten ile eine Gruppe bilden, wobei alle Pole einer Gruppe mittels eines
gemeinsamen, die Polwicklungen zusammenfassenden Wicklungastranges magnetisierbar
sind, und einer elektronischen gommutierungaschaltung zur Umschaltung des von einer
Gleichstromquelle gelieferten Stromes zwischen den zwei Strängen.
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Ein Reluktanzmotor dieser Art weist den Nachteil auf, dass er nicht
aus allen Stellungen, die die Läuferzähne relativ zu den Ständerpolen einnehmen
können, sicher anläuft. Diese Schwierigkeit lässt sich in Verbindung mit einer relativ
einfachen Kouutierungsschaltung dadurch beheben, dass der Ständer mit vier Polen
pro Läuferzahn ausgebildet und Jeder der vier pro Läuferzahn vorgesehenen Pole in
einer eigenen Gruppe angeordnet wird, die Pole einer Polgruppe mittels eines gemeinsamen,
die Polwicklungen zusammenfassenden Wicklungsotranges magnetisiert werden und als
Breite in Umfangsrichtung eines Läuferzahnes etwa die von zwei Polen gemeinsam vorgesehen
wird. Als Kommutierungsschaltung kann dann eine H-Schaltung mit einem Leistungsthyristor
pro Wicklungen strang dienen, bei der in Je einem von zwei parallel geschalteten
Zweigen ein Thyristor, zwei Stränge und ein Thyristor zwischen den klemmen der Gleichstromquelle
in Reihe geschaltet, die Zweige an den Verbindungsstellen Zu er zwei 8tränge miteinander
verbunden und die Thri;toi in der gleichen Leitungsrichtung zwischen den Klammern
angeordnet sind.
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Dabei kann jeder Thyristor gegen Überspannungen durch ein Preilaufdiode
gesichert werden.
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Bei einer solchen Ausbildung der Somaitisrungsschaltung sind immer
zwei aufeinanderfolgende der vier pro Läuferzahn vorgesehenen Pole erregt.
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Ein solcher Reluktanzmotor weist mehrere Nachteile auf. Denn zwei
pro Zahn erregte aufeinanderfolgende Pole können prinzipiell keine größere Zugkraft
erzeugen als ein einziger Pol bei einer angepassten Form der Zähne. Nur einer von
vier pro Zahn vorgesehenen Polen übt nämlich eine positive Zugkraft auf einen Zahn
aus, während zwei der vier Tole erregt sind und in deren Wicklungen somit tupterverluste
auftreten.
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Das Drehmoment eines solchen Reluktzesmotors ist infolgedessen unter
sonst gleichen Bedingungen nur halb so gross wie bei einem Motor der eingangs genannten
Gattung. Schliesslich kann bei Verwendung der in ihrem Aufbau wenig aufwendigen
H-Kommutierungsschaltung bei einem Motor mit vier Polen pro Zahn in den Wicklungen
auch nach deren Abschalten noch für eine bestimmte, von Kommutierungsteitpunkt abhingige
Zeit ein Strom fliessen, der durch den als Rotationsapannung bezeichnete Anteil
der induzierten spannung hervorgerufen wird.
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Dieser Strom ruft eine entgegen der Drehrichtung des Läufers wirkende
negative Zugkraft hervor, die den Läufer bremst und dadurch die Leistung und den
Wirkungsgrad des Motors verschlechtert.
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Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Reluktansmotors der
eingangs genannten Gattung, bei dem ein stabiles Anlaufen aus allen Läuferstellungen
in beiden Richtungen unter Gewährleistung eines optimalen Drehmomentes in Verbindung
mit minimalen Kupferverlustön unter sonst gleichen Bedingungen wie gleicher Drehsahl
und gleichen Strangströmen
bei Verwendung einer einfachen elektronischen
H-Kommutierungsschaltung auf einfach Weise sichergestellt ist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäss vorgesehen, dass mit
dem Läufer ein zweiter gleicher Läufer. dem ein gleicher Ständer zugeordnet ist
starr pkoppelt ist und dass bei parallel zur.Rotationsachse fluchtenden Polen der
Ständer die beiden Läufer mit ihren Zähnen um 90 elektrische Grad gegeneinander
versetzt angeordnet sind.
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Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin. dass Jeder aus
einem Läufer und einem Ständer gebildete Teil des Motors im Vergleich su einem Motor
mit vier Polen pro Zahn und sonst gleichen Merkmalen etwa das doppelte Drehmoment
leistet und dabei aur den halben Anteil einer etwa gleich aufwendigen Kommutierungsschaltung
benötigt. Du heisst mit anderen Worten die Leistung eines erfindungsgemäßen B.luktanzmotors
mit zwei Läufers ist bei etwa doppeltem Motorgewicht und doppelten Kupferverlusten
nahezu viermal so hoch wie die Leistung eines Motors mit vier Polen pro Zahn, der
sonst die gleichen Merkmale wie ein von einem Läufer und einei Ständer gebildeter
Teil des erfindungsgemässen Reluktanzmotors aufweist.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist jeder Läufer mit seinem
zugeordneten Ständer als eine Motoreinheit ausgebildet und sind die Einheiten miteinander
starr gekoppelt.
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Vorteilhafterweise ist Jeder Ständerpol in zwei Polhälften aufgeteilt,
die seitlich des zugeordneten Läufers auf der radialen Höhe von dessen Zähnen angeordnet
sind, während als Läufer Scheibenläufer dienen.
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Eine andere vorteilhafte Weerbildung des erfindungsgemässen Reluktanzmotors
zeichnet sich dadurch aus, dass die beiden Ständer einen gemeinsamen zentralen Ständerteil
und auf Jeder Seite von diesem einen seitlichen 8tänderteil umfassen, wobei die
seitlichen Ständerteile identisch aufgebaut sind und etwa die halbe axiale Breite
wie der zentrale Ständerteil aufweisen.
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Bevorzugt sind die Läufer auf einer gemeinsamen Welle angeordnet und
um 90 elektrisdie Grad gegeneinander versetzt.
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Die Breite in Umfangsrichtung der Zähne ist bei der vorteilhaften
Ausführungsform etwa gleich der Breite der Pole zuzüglich der Breite einer Pollücke.
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Vorteilhafterweise wird der Strom von dem einen auf den anderen Strang
umgeschaltet, wenn die Zähne des Läufers im wesentlichen mit ihrer gesamten Breite
den durch den ersteren Strang magnetisierbaren Polen gegenüber angeord net sind.
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Als Kommutierungsachalt g it bevorzugt für die in vier Gruppen aufgeteilten
Pole der Ständer gemeinsam eine H-Schaltung mit vier Leistungsthyristoren vorgesehen,
bei der in Je einem von zwei parallel geschalteten Zangen ein Schalter, zwei Stränge
und ein Thyristor zwischen den Klemmen der Gleichstromquelle in Reihe geschaltet,
die Zweige an den Verbindungsstellen ihrer zwei Stränge miteinander verbunden und
die Thyristoren in der gleichen Leitungsrichtung zwischen den Klemmen angeordnet
sind und jeder Thyristor gegen Überspannungen durch eine eilaufdiode gesichert ist
In
Jedem Strang sind die aufeinanderfolgenden Polspulen vorteilhafterweise alternierend
im und entgegen dem Uhrzeigersinn gespeist. Dabei weist bevorzugt Jeder Läufer eine
gerade Zahl von Zähnen auf.
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Vorteilhafterweise ist Jeder Läuferzahn bei einem wesentlich geringeren
Wert der mittleren magnetischen Luftspaltinduktion gesättigt als der diesem Zahn
zugeordnete magnetische Pfad in dem Ständerjoch.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung beispielsweise
beschrieben; in dieser zeigt: Pig. 1 in rein schematischer Weise einen Reluktanzmotor
-gemäss einer Ausfilhrungsform der Erfindung, der entlang seinem Umfang aufgeschnitten
und in eine Ebene abgewickelt ist, Pig. 2 ein Blockschaltbild einer als H-Schaltung
ausgeführten Kommutierungsschaltung für einen erfindungsgemässen Reluktanzmotor
und Fig. 3 in rein schematischer Weise eine weitere Ausführungsform eines Reluktanzmotors,
der entlang seinem Umfang aufgesnhnitten und in eine Ebene abgewickelt ist, wobei
in vier verschiedenen Teilbildern vier verschiedene Stellungen der Läuferzähne in
bezug auf die Ständerpole gezeigt sind.
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Nach Fig. 1 umfasst ein erfindungsgemässer Reluktansmotor 10 zwei
Motoreinheiten 39 und 40, von denen jede Motoreinheit einen eigenen Läufer L 1 bzw.
t 2 und eigenen Ständer 37 bzw. 38 umfasst. Jeder Pol 15, 16, 17 bzw.
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18 ist in zwei Polhälften aufgeteilt, die seitlich des diesen zugeordneten
Läufers L 1 bzw. L 2 auf der radialen Höhe von dessen Zähnen 11, 12, 13 bzw. 14
angeordnet sind.
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Von den Läufer L 1 und L 2 sind nur die Zähne 11, 12, 13 und 14 in
der Zeichnung dargestellt.
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Jeder der Läufer L 1 und L 2 ist mit zwei Zähnen 11 12 bzw. i3, 14
ausgebildet.
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Jeder 8tänder 37 bzw. 38 weist pro Zahn 11, 12 bzw. 13, 14 einen ersten
Pol 15 bzw. 17 und einen zweiten Pol 16 bzw.
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18 auf. Die ersten und zweiten pro Zahn vorges.henen Pole sind dabei
alternierend um den Ständerumfang angeordnet.
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Das heisst mit anderen Worten, dass immer auf einen ersten pro Zahn
vorgesehenen Pol ein zweiter pro Zahn vorgesehener Pol und auf diesen wieder ein
erster pro Zahn vorgesehener Pol folgt. Alle ersten Pole 15 bzw. 17 bilden je eine
erste Gruppe und alle zweiten Pole 16 bzw. 18 je eine zweite Gruppe, wobei alle
Pole liner Gruppe mittels eines gemeinsamen, dieser Gruppe zugeordneten Wicklungßstranges
20, 21, 22 bzw. 23, der die Polspulen der Pole 15, 16, 17 bzw. 18 dieser Gruppe
1, 2, 3 bzw. 4 zusammenfasst, magnetisierbar sind. Der Wicklungastrang 20 umfasst
alle Polspulen der Pole 15, der Wicklungsstrang 21 alle Polapulen der Pole 16, der
Wicklungsstrang 22 alle Polspulen der Pole 17 und der Wicklungsstrang 23 alle Polspulen
der Pole 18.
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Die Läufer L 1 und L 2 der Motoreinheiten 39, 40 sind auf einer gemeinsamen
Welle befestigt und die Zähne 11, 12 bzw. 13, 14 der Läufer L 1 und L 2 sind in
Umfangsrichtung um 90 elektrische Grad gegeneinadner versetzt, während die Mittelsenkrechten
der Pole 15, 16 bzw. 17, 18 der beiden Ständer 37 und 38 Jeweils auf einer Linie
fluchten, die parallel zur Rotationsachse des Motors liegt.
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Der in Fig. 1 gezeigte Reluktanzmotor 10 weist als Kommutierungsschaltung
die in Fig. 2 dargesbilte H-Schaltung 43 auf. Nach Fig. 2 umfasst die H-Bchaltung
zwei Zweige 41, 42 auf, die zwischen die Klemmen 19 einer Gleichstromquelle geschaltet
sind und zueinander parallel liegen.
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In dem Zweig 41 sind ein Thyristor 24, der Wicklungsatrang 20, der
Wicklungsstrang 22 und ein Thyristor 26 von der positiven Klemme iur negativen Klemme
in Reihe hintereinander verbunden, während in dem Zweig 42 ein Thyristor 25, der
Wicklungsstrang 21, der Wicklungsstrang 23 und ein Thyristor 27 von der positiven
zur negativen Klemme, d.h.
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in der gleichen Richtung wie im Zweig 41 in Reihe hintereinander verbunden
sind. Zu jedem in Thyristoren 24, 25, 26 bzw. 27 ist eine als Freilaufdiode dienende
Diode 28, 29, 30 bzw. 31 vorgesehen, die den zugekordneten Thyristor bei dem Abschalten
des zugeordneten Wiglungsstrznges vor Uberspannungen schützen soll. Während die
Thyristoren im aufgetasteten Zustand von der positiven Klemme zur negativen Klemme
leiten, leiten die Dioden in der Richtung von der negativen Klemme zur positiven
Klemme, d.h. entgegen der Leitungsrichtung der Thyristoren.
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Die beiden Zweige 41 und 42 sind an ihren Verbindungsstellen zwischen
den Wicklungasträngen 20 und 22 bzw. 21 und 23 duroh eine Verbindungsleitung 32
verbunden.
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Die Funktionsweise der in Fig. 2 dargestellten Kommutierungsschaltung
wird in Verbindung mit der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform nachfolgend beschrieben.
In Fig. 3 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt, bei der die
beiden Ständer einen gemeinsamen zentralen Ständerteil 33 und auf jeder Seite von
diesem einen seitlichen Ständerteil 34 bzw. 35 umfassen. Die beiden seitlichen Ständerteile
sind identisch aufgebaut und waisen etwa die halbe axiale Breite wie der zentrale
Stänterteil auf.
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Jeder Ständer 33, 34 bzw. 33, 35 weist mindestens ein Paar Pole 15
und ein Paar Pole.16 bzw. mindestens ein Paar Pole 17 und ein Paar Pole 18 auf9
deren Polhälften beiderseits der Läuferzähane 11, 12 12 bzw. 13, 14 liesn.
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In den Teilen A, B, a und D der Fig0 3 sind die Zähne 11, 12 bzw.
13, 14 der Läufer L 1 und L 2 in verschiedenen Stellungen in bezug auf die Pole
15, 16 bzwo 179 18 dargestellt, wobei in Abhängigkeit von diesen Zahnstellungen
entweder die ersten oder zweiten Pole jedes Läufers erregt sind. Die verschiedenen
Stellungen der Läuferzähne und Erregungszustände der Pole werden nachfolgend in
Verbindung mit der Funktionsweise der in Fig. 2 gezeigten Schaltung beschrieben.
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Es wird Jetzt die Funktionsweise eines erfindungsgsmässen
Reluktanzmotors
in Verbindung mit der in Fig. 2 gezeigten Kommutierungsschaltung erläutert. Nach
dem Teil A der Fig. 3 sind die Zähne 11 und 12 des Läufers L 1 mit ihrer gesamten
Breite gegenüber den Polen 16 des Ständers 33, 34 angeordnet, während die Zähne
13, 14 des Läufers L 2 zur Hälite gegenüber den Polen 18 und zur anderen Hälfte
gegenüber den Polen 17 des Ständers 33, 35 angeordnet sind. In diesen Stellungen
sind die Pole 15 des Ständers 33, 35 die Pole, zwischen die sich die Zähne 11, 12
des Läufers L 1 hineinzudrehen beginnen, und die Pole 17 des Ständers 33, 35 zwischen
die sich die Zähne 13, 14 des Läufers L 2 schon zur Hälfte hineingedreht haben,
erregt.
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Hiersu ist es erforderlich, dass bei der Schaltung in Fig. 2 die Uhyristoren
24 und 26 leiten, während die Thyristoren 25 und 27 gesperrt sind, so dass Strom
durch den die Wicklungen der Pole 15 umfassenden Wicklungsstrang 20 und den die
Wicklungen der Pole 17 umfassenden Wicklungsstrang 22 fliessen kann und sowohl der
die Wicklungen der Pole 16 umfassende Wicklungsstrang 21 als auch der die Wicklungen
der Pole 18 umfassende Wicklungsstrang 23 stromlos sind.
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Nach dem Teil B der Fig. 3 haben sich die Zähne um eine halbe Polbreite
weiter gedreht und die Zähne 11, 12 des Läufers L 1 befinden sich zur Hälfte zwischen
den Polen 16, die nicht erregt sind, und zur anderen Hälfte zwischen den erregten
Polen 15, während sich die Zähne 13, 14 des Läufers L 2 vollständig zwischen den
Polen 17 befinden. Die Pole 17 des Ständers 33, 35 sind jetzt entregt, während die
Pole 18 erregt sind, zwischen die sich Zähne 13, 14 hineinzudrehen beginnen.
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Bei den im Teil B der Fig. 3 dargestellten Stellungen der Zähne sind
in der in Fig. 2 gezeigten tommutierungsschaltung die Thyristoren 24 und 27 gezündet,
während die Thyristoren 25 und 26 sperren. Es fliesst also ein Strom durch den Thyristor
24, den Wicklungastrang 20, die Verbindungsleitung 32, den Wicklungsstrang 23 und
den Thyristor 27, während die Wicklungastränge 21, 22 stromlos sind.
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In dem Teil C der Fig. 3 haben sich die Zähne wiederum um eine halbe
Polbreite weiter gedreht. Jetzt befinden sich die Zähne 11, 12 des Läufers L 1 vollständig
zwischen den Polen 15 des Ständers 33, 34, während die Zähne 13, 14 des Läufers
L 2 zur Hälfte zwischen den Polen 17 und zur anderen Hälfte zwischen den Polen 18
des 8tänders 33, 35 befinden. In dem ersten Ständer 33, 34 sind Jetzt die Pole 15
entregt, während die Pole 16 erregt sind und in dem anderen Ständer 33, 35 sind
wie im Teil B der Fig. 3 die Pole 18 erregt, während die Pole 17 entregt sind.
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Wenn sich die Zähne in den im Teil C der Fig. 3 gezeigten Stellungen
befinden, sind in der Kommutierungsschaltung in Fig. 2 die Thyristoren 25 und 27
gezündet, während die Thyristoren 24 und 26 gesperrt sind. Es sliesst also Jetzt
ein Strom durch den Thyristor 25, den Wicklungsstrang 21, den Wicklungsstrang 23
und den Thyristor 27, während die Wicklungsstränge 20 und 22 stromlos sind.
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Nach dem Teil D der Fig. 3 haben sich die Zähne wiederum um eine halbe
Polbreite weitergedreht und befinden sich jetzt eine halbe Polbreite vor der in
Teil A der Fig. 3
gezeigten Ausgangsstellung. Das heisst die Zähne
11, 12 des Läufers L 1 beiden sich zur Hälfte gegenüber den Polen 15 und zur anderen
Hälfte gegenüber den Polen 16 des Ständers 33, 34 während sich die Zähne 13, 14
des zweiten Läufers L 2 vollständig gegenüber den Polen 18 des zweiten Ständers
33, 35 befinden. Im ersten Ständer sind iie bei den im Teil C gezeigten Stellungen
die Pole 16 erregt, während die Pole 15 entregt sind. Im zweiten Ständer 33, 35
sind dagegen jetzt wieder wie bei den im Teil A der Fig. 3 gezeigten Stellungen
der Zähne die Pole 15 erregt, während die Pole 16 entregt sind.
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Bei den im Teil D der Fig. 3 gezeigten Stellungen der Zähne sind in
der in Fig. 2 gezeigten Kommutierunsschaltung die Thyristoren 25 und 26 gezündet,
während die Thyristoren 24 und 27 gesperrt sind. Es fliesst also ein Strom durch
den Thyristor 25, den Wicklungsstrang 21, die Verbindungsleitung 32, den Wicklungsstrang
22 und den Thyristor 26, während die Wicklungastränge 20 und 23 stromlos sind.
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Nach einer weiteren Drehung um eine halbe Polbreite befinden sich
die Zähne wieder in den im Teil A der Fig. 3 gezeigten Stellungen.
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Wenn Jeder Zahn eines Läufers mit aeiner gesamten Breite einem Pol
gegenüber angeordnet ist, wird also dieser Pol entregt und der in Drehrichtung auf
diesen Zahn nächst folgende Pol erregt, so dass die durch die Erregung dieses Poles
hervorgerufenen Magnetkräfte den Zahn anziehen
und versuchen diesen
mit seiner gesamten Breite gegenüber den erregten Pol ansuordnen, während in dem
Bereich, in dem sich der Zahn befindet kein Strom fliesst und somit auf diesen keine
magnetischen Kräfte einwirken.
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Da die Zähne 11, 12 bzw. 13, 14 der beiden Läufer L 1 und L 2 erfindungsgemäss
um 90 elektrische Grad gegen einander versetzt angeordnet sind, kann der erfindungsgemässe
Reluktanzmotor aus allen Läuferstellungen in beiden Drehrichtungen sicher anlaufen.
Denn wenn die Zähne eines Läufers den von einem Wicklungsstrang versorgten Polen
vollständig gegenüber angeordnet sind, sind die Zähne des anderen Läufers zur Hälfte
den von einem Wicklungsstrang und zur anderen Hälfte den von dem zweiten Wicklungsstrang
versorgten Polen gegenüber angeordnet, so dass in Abhängigkeit von der gewunsShten
Anlaufdrehrichtung die dem ersten Wicklungsstrang oder die dem zweiten Wicklungsstrang
zugeordneten Pole erregt werden können. Dann werden die Zähne, die zur Hälfte einer
Polgruppe und zur anderen Hälfte der anderen Polgruppe gegenüber angeordnet sind,
in die Richtung der erregten Pole gezogen und der Motor läuft in dieser Drehrichtung
an.
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-Patentansprnche-