DE2744160A1

DE2744160A1 - Wechselstromsynchronisierter reluktanzmotor

Info

Publication number: DE2744160A1
Application number: DE19772744160
Authority: DE
Inventors: S Chandrasekhara Rao
Original assignee: BOGUE ELEC Manufacturing CO; BOGUE ELECTRIC Manufacturing Co
Current assignee: BOGUE ELEC Manufacturing CO; BOGUE ELECTRIC Manufacturing Co
Priority date: 1976-10-05
Filing date: 1977-09-30
Publication date: 1978-04-06
Also published as: CA1101478A; US4110646A; JPS5359810A; GB1595704A

Description

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Bogue Electric Manufacturing
Company, Paterson
New Jersey O7O59/USA

Wechselstromsynchronisierter Reluktanzmotor

Die Erfindung betrifft einen wechselstromsynchronisierten Reluktanzmotor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und insbesondere mit einem Rotor, der eine zentrale Achswelle längs seiner Rotationsachse und eine Vielzahl von geradzahligen Rotorpolen aufweist und wobei jeder Rotorpol ein Polzentrum aufweist.

Es sind viele verschieden konstruierte wechselstromsynchronisierte Reluktanzmotoren bekannt und diese Motoren sind mit verschieden aufgebauten Rotoren zur Begünstigung oder Verbesserung verschiedener Charakteristiken des Motors, vie ζ. Β. Drehmoment, Wirkungsgrad und Leistungsfaktor versehen.

Darüber hinaus gibt es wechselstromsynchronisierte Reluktanzmotoren, bei welchen Rotoren verwendet werden, die aus einer Vielzahl von radialen, axial zusammengesteckten Lamellen zusammengesetzt sind, wobei ein Beispiel dafür in der US-PS 3 310 584 beschrieben ist. In der CH-PS 470 794 und in der kanadischen Patentschrift 629 152 sind wechselstromsynchronisierte Reluktanzmotoren beschrieben, welche Rotoren aufweisen, die aus magnetischen Segmenten zusammengesetzt sind

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zwischen welche elektrische Leiter eingesetzt sind.

Während viele bekannte wechselstromsynchronisierte Reluktanzmotoren in gleicher Weise für verschiedene bekannte Zwecke eingesetzt werden, ist es für den Fachmann selbstverständlich, daß eine Verbesserung in den verschiedenen Charakteristiken, wie z. B. dem Drehmoment, dem Wirkungsgrad und dem Leistungsfaktor zu einem verbesserten wechselstromsynchronisierten Reluktanzmotor führen, welcher eine größere und vielseitigere Verwendbarkeit für viele Zwecke aufweist.

Demgemäß ist es Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten wechselstromsynchronisierten Reluktanzmotor zu schaffen, der ein verbessertes Startdrehmoment, Intrittfallmoment, Außertrittfallmoment, sowie einen verbesserten Wirkungsgrad und bessere Leistungsfaktorcharakteristiken aufweist.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 und der nebengeordneten Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Der verbesserte wechselstromsynchronisierte Reluktanzmotor führt zu einem verbesserten Startdrehmoment, Intrittfallmoment, Außertrittfallmoment, sowie zu einem erhöhten Wirkungsgrad und zu verbesserten Leistungsfaktorcharakteristiken. Dem Fachmann ist bekannt, daß das durch einen wechselstromsynchronisierten Reluktanzmotor entwickelte Drehmoment mittelbar oder unmittelbar von dem Verhältnis der Längsfeldreaktanz zu der Querreaktanz abhängt. Demgemäß wird bei dem verbesserten wechselstromsynchronisierten Reluktanzmotor ein erhöhtes Intrittfallmoment und Außertrittfallmoment durch einen Rotor geschaffen, welcher magnetische Teile oder Segmente aufweist, die aus weichmagnetischem Material bestehen und mit nichtmagnetischem Material unterteilt sind. Die schicht-

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förmig aufgebauten magnetischen Teile oder Segmente liefern eine verbesserte Querreluktanz, die die Querreaktanz vermindert, wodurch das Verhältnis der Längsreaktanz zu der Querreaktanz vergrößert wird und das durch den Motor entwickelte Intrittfallmoment und Außertrittfallmoment wird dadurch vergrößert. Ebenso wird der Wirkungsgrad und der Leistungsfaktor des Motors vergrößert.

Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben.

Darin zeigt:

Fig. 1 eine schematische Schnittansicht des Rotors des verbesserten wechselstromsynchronisierten Reluktanzmotors; und

Fig. 2 und 3 schematische Schnittansichten, welche unter anderem die Querreluktanz- bzw. Längsreluktanzpfade bei dem Rotor des verbesserten wechselstromsynchronisierten Reluktanzmotors zeigen.

Gemäß Fig. 1 ist schematisch eine Ausführungsform des verbesserten wechselstromsynchronisierten Reluktanzmotors dargestellt, der einen Rotor 10 aufweist. Wie dem Fachmann bekannt, kann der Rotor 10 eine zentrale Achswelle 2 längs seiner Rotationsachse aufweisen und kann eine Vielzahl von geradzahligen Rotorpolen besitzen, wobei die Rotorpole schematisch durch umgebende Klammerteile P-1, P-2, P-3 und P-4 angegeben sind. Jeder Rotorpol hat ein schematisch dargestelltes Polzentrum C-1, C-2, C-3 und C-4.

Der verbesserte Rotor 10 kann eine Vielzahl von schematisch dargestellten Rotorsegmenten S-1, S-2, S-3 und S-4 aufweisen, wobei sich die Vielzahl der Rotorsegmente axial und parallel zu der Rotationsachse erstreckt und wobei jedes der Rotorseg-

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mente sich winkelmäßig von einem Polzentrum zu einem benachbarten Polzentrum erstreckt und wobei jedes Rotorsegment die Hälfte eines benachbarten Rotorpols umfaßt. Genauer gesagt erstreckt sich beispielsweise das Rotorsegment S-1 winkelmäßig von dem Polzentrum P-1 zu dem Polzentrum P-2 und die benachbarten Teile der benachbarten Rotorsegmente S-1 und S-2 umfassen eine Hälfte des Rotorpols P-2 wie in Fig. 1 dargestellt.

Jedes der Rotorsegmente ist aus einer Vielzahl von magnetischen Teilsegmenten 12 und einer Vielzahl elektrisch leitender Teilsegmente 14 zusammengesetzt, wobei letztere zwischen die magnetischen Teilsegmente 12 zwischengeordnet sind. Wie besonders im Bezug auf die schematisch dargestellten, magnetischen Teilsegmente 12 verständlich und im Detail unter Bezug auf das Rotorsegment S-1, besteht jedes magnetische Teilsegment 12 aus einer Vielzahl von Schichten aus weichmagnetischem Material 16 und nichtmagnetischem Material 18, welches zwischen die Schichten des weichmagnetischen Materials 16 zwischengelagert ist. Die magnetischen Teilsegmente 12 und die elektrisch leitenden Teilsegmente 14 und die Vielzahl der Schichten aus weichmagnetischem Material 16 und nichmagnetischem Material 18 sind komplementär zu den Rotorsegmenten S-1, S-2, S-3 und S-4 ausgebildet.

Gemäß der Darstellung in den Fig. 2 und 3 ergibt sich die Art und Weise, in welcher die magnetischen Teilsegmente 12 eine Vergrößerung der Querreluktanz bilden, wodurch die Querreaktanz vermindert wird, und wodurch das Verhältnis der Längsreaktanz zu der Querreaktanz vergrößert wird und das Intrittfallmoment und das Außertrittfallmoment ebenso wie der Leistungsfaktor und der Wirkungsgrad des wechselstromsynchronisierten Motors verbessert werden, wie nachfolgend im Detail noch beschrieben.

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In Fig. 2 ist ein wechselstromsynchronisierter Reluktanzmotor mit dem Rotor 10 durch eine rotororientierte Darstellung der Flußpfade entsprechend der Querreluktanz dargestellt. Es soll dabei angemerkt werden, daß die Struktur der magnetischen Teilsegmente 12 nicht im Detail in Fig. 2 aus Gründen der Klarheit dargestellt worden ist, wobei jedoch verständlich ist, daß primär mit Fig. 2 die Darstellung des Rotors 10 von Fig. beabsichtigt ist, bei welchem die magnetischen Teilsegmente 12 mit den Schichten aus weichmagnetischem Material 16 und nichtmagnetischem Material 18 aufgebaut sind, wobei zwischen die Schichten aus weichmagnetischem Material 16 die nichtmagnetischen Materialschichten 18 zwischengelagert sind, wie im Detail in Fig. 1 dargestellt.

Aus Fig. 2 ergeben sich die Linien des magnetischen Flusses 24, welcher mit der Querreluktanz verbunden ist und welcher über und durch die magnetischen Teilsegmente 12 hindurchtritt und dabei müssen die magnetischen Flußlinien 24 über den Rotor 10 die nichtmagnetischen Materialschichten 18 kreuzen, welche zwischen die Schichten aus weichmagnetischem Material 16 zwischengelagert sind. Aus diesem Grunde wird die Querreluktanz wesentlich über diejenige vergrößert, welche von dem Rotor nach dem Stand der Technik kommt, entsprechend dem Vorhandensein des nichtmagnetischen Materials 18 in dem Pfad des magnetischen Flusses 24.

Gemäß Fig. 3 ist der Rotor 10 so orientiert, daß die magnetischen Pfade entsprechend der Längsfeldreluktanz dargestellt werden. Wie bei Fig. 2 wird aus Gründen der Klarheit der Schichtaufbau der magnetischen Teilsegmente 12 nicht im Detail dargestellt, wobei jedoch auch verständlich ist, daß Fig. 3 den Rotor 10 gemäß Fig. 1 darstellt, welcher die magnetischen Schichten der Teilsegmente 12 aufweist und die weichmagnetischen Schichten 16 besitzt, welche mit den nicht-

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magnetischen Materialschichten 18 zwischengelagert sind. Aus Fig. 3 ist verständlich, daß die Linien des magnetischen Flusses 26 der Längsreluktanz zugeordnet sind, bzw. dieser entsprechen, wenn sie durch den Rotor 10 hindurchtreten und damit durch die individuellen Schichten des weichmagnetischen Materials 16 der magnetischen Teüsegmente 12, ohne daß dabei irgendeine der nichtmagnetischen Materialschichten 18 gekreuzt werden muß. Beispielsweise wird die Flußlinie 26 in eine bestimmte weichmagnetische Schicht 16 bei einem der Pole eintreten und dieselbe Schicht aus weichmagnetischem Material bei dem Pol entgegengesetzter Rlarität verlassen.

Demgemäß ist es verständlich, daß während die Schichtstruktur des magnetischen Teilsegments 12 leicht die Längsreluktanz durch die Wirkung der verminderten Querschnittsflache der Schichten aus weichmagnetischem Material 16 vergrößerbar ist, welche dem magnetischen Pfad verfügbar ist und welche die Längsreluktanz bestimmt, die Wirkung der laminierten magnetischen Teilsegmente 12 bei weitem auf die Längsreaktanz nicht so groß ist, wie dessen Wirkung auf die Querreluktanz und in der Tat ist die Wirkung der magnetischen Teilsegmente 12 auf die Längsreluktanz unwesentlich. Ferner ist verständlich, daß die Längsreluktanz weiter vermindert verden kann, in dem kornorientierter Stahl als magnetisches Material verwendet wird. Dieser Vorteil kann jedoch bei einer Rotorkonstruktion verwendet werden, welche axiale Schichten aufweist als bei bekannten Radialkonstruktionen.

In kurzer Zusammenfassung ist gemäß den Fig. 2 und 3 bei deren Vergleich verständlich, daß die Abhängigkeit sowohl der Längsreluktanz als auch der Querreluktanz durch die Schichtstruktur der magnetischen Teilsegmente 12 bedingt ist und darüberhinaus zeigt das Verhältnis der Querreluktanz zu der Längsreluktanz welche ihrerseits für das Verhältnis der Längsreaktanz zu der Querreaktanz bestimmend ist ein Anwachsen durch die Wirkung der laminierten, magnetischen Teilsegmen-

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Aus Fig. 1 ist ferner verständlich, daß der Rotor gemäß Fig. natürlichtein Vierpolrotor sein muß, sondern andere geradzahlige Polzahlen aufweisen kann. Auch die elektrisch leitenden Teilsegmente 14 und das nichtmagnetische Material 18 der magnetischen Teilsegmente 12 können beispielsweise aus Kupfer oder Aluminium bestehen und die Schichten des weichmagnetischen Materials der magnetischen Teilsegmente 12 können beispielsweise aus Eisen oder Eisenlegierungen oder Stahl bestehen.

Bei der Konstruktion des Rotors 10 können die Schichten aus weichmagnetischem Material 16 aus Blechen|entsprechenden Materials bestehen, welche in gebogenem Zustand im wesentlichen einen U-förmigen Querschnitt, wie dargestellt, aufweisen. Das nichtmagnetische Material 18 kann in ähnlicher Weise aus Schichten des genannten Materials bestehen, welche ebenfalls gebogen einen im wesentlichen U-förmigen Querschnitt gemäß der Darstellung aufweisen und das weichmagnetische Material 16 und das nichtmagnetische Material 18 können dann in abwechselnder Reihenfolge wie die Darstellung zeigt zusammengesetzt werden und in passender Weise an einer Lagerbüchse 17 befestigt werden, welche ihrerseits an der Achswelle 2 beispielsweise durch Bolzen gemäß der Darstellung befestigt wird. Die Anordnung kann dann mit entsprechendem leitendem Material eingegossen oder versehen werden, wie z. B. mit Aluminium oder Kupfer, um die Zwischenräume zwischen den laminierten magnetischen Teilsegmenten 12 zu füllen und dadurch die elektrisch leitenden Teilsegmente 14 und die End-Ringe (nicht dargestellt) zu schaffen, welche die elektrisch leitenden Teilsegmente 14 verbinden.

Des weiteren können verschiedene Charakteristiken des Rotors 10 weiter verbessert werden, wie dies für ein asynchron erzeugtes Moment nützlich ist, d. h. für ein Startdrehmoment

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und ein Intrittfallmoment. Genauer gesagt kann ein Wechselstromsynchronmotor und Rotor, der die Merkmale der vorliegenden Erfindung gemäß der Darstellung von Fig. 1 aufweist in Bezug auf das Rotorsegment S-4 eine Länge des axial erstrekkenden, nicht magnetischen Materials 30 umfassen, welches die elektrisch leitenden Teilsegmente 14 von Pol zu Pol unterbricht und dadurch bewirkt, daß der in den elektrisch leitenden Teilsegmenten 14 induzierte Strom axial parallel zu der Rotationsachse des Rotors 10 fließt und dadurch ein nützliches asynchrones Moment, wie z. B. ein Startmoment und ein Intrittfallmoment erzeugt.

Natürlich kann auch die Geometrie der elektrisch leitenden Teilsegmente 14 optimiert werden, um gewünschte Startmomente und Überlaststromcharakteristiken zu erhalten. Durch Bestimmung oder Veränderung des Verhältnisses der Radialtiefe zu der Umfangsbreite der elektrisch leitenden Teilsegmente 14 können diese elektrisch leitenden Teilsegmente 14 veranlaßt werden, daß sie eine höher wirksame Beständigkeit für die Verbesserung des Startmomentes aufweisen und daß sie eine geringer wirksame Beständigkeit aufweisen, wenn der Motor den Synchronismus erreicht, um so das Intrittfallmoment entsprechend einer tieferen Flußdurchdringung in den Rotor hinein zu verbessern, welches durch das vorbestimmte Verhältnis geschaffen wird.

Zusammenfassend kann somit festgesto.lt werden, daß bei einem verbesserten wechselstromsynchronisierten Reluktanzmotor des Typs, bei welchem das durch den Motor entwickelte Drehmoment auf das Verhältnis der Längsfeldreaktanz zu der Querreaktanz bezogen ist, der verbesserte Motor einen Rotor umfaßt, welcher magnetische Teile zur Entwicklung eines synchronen Drehmoments in Reaktion auf ein extern erzeugtes, rotierendes Magnetfeld aufweist, wobei die Bedingungen vorherrschen, daß die Rotorrotationsgeschwindigkeit gleich der Rotationsge-

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schwindigkeit des extern erzeugten Magnetfeldes ist lind wobei die magnetischen Teile Schichten aus weichmagnetischem Material und nichtmagnetischem Material aufweisen, welche zwischen die Schichten aus weichmagnetischem Material zwischengelagert sind und wobei solche magnetische Teile zur Vergrößerung der Querreluktanz vorgesehen sind, um dadurch der Querreaktanz zu vermindern, wobei das Verhältnis der Längsreaktanz zu der Querreaktanz vergrößert wird und das z. B. durch den Motor entwickelte Drehmoment vergrößert wird,

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Claims

Patentanwälte

Dr. rer. Tut. DItTFR LOUIS
Dipl.-Phys. CLAUi PCrILAlV
Dipl.-Ing.FRANZ LOMkENTZ

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Company, Paterson
New Jersey 07059/USA

Patent-(Schutz-)Ansprüche:

: 1. Wechselstromsynchronisierter Reluktanzmotor mit einem Rotor, der eine zentrale Achswelle längs seiner Rotationsachse und eine Vielzahl von geradzahligen Rotorpolen aufweist und wobei jeder Rotorpol ein Polzentrum aufweist, dadurch gekennzeichnet,

a) daß eine Vielzahl von Rotorsegmenten vorgesehen ist, wobei jedes Rotorsegment sich axial und parallel zu der Rotationsachse erstreckt und sich winkelmäßig von einem Polzentrum zu einem benachbarten Polzentrum erstreckt und benachbarte Teile des benachbarten Rotorsegments eine Hälfte eines Rotorpols umfassen;

b) daß jedes der Rotorsegmente aus (i) einer Vielzahl von magnetischen Teilsegmenten und (ii) einer Vielzahl von elektrisch leitenden Teilsegmenten besteht, welche den magnetischen Teüsegmenten zwischengelagert sind;

c) daß jedes dieser magnetischen Teilsegmente aus (i) einer Vielzahl von Schichten aus weichmagnetischem Material und (ii) nichtmagnetischem Material besteht, welches zwischen die Schichten des weichmagnetischen Materials zwischengelagert ist;

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ORIGINAL INSPECTED

d) daß diese magnetischen Teilsegmente, diese elektrisch leitenden Teilsegmente, diese Vielzahl von Schichten aus weichmagnetischem Material und diese nichtmagnetischen Materialschichten einen im wesentlichen im Querschnitt U-förmigen Querschnitt aufweisen; und

e) daß die magnetischen Teilsegmente eine verbesserte Querreluktanz liefern, wodurch die Querreaktanz vermindert wird und wobei das Verhältnis der Längsfeldreaktanz zu der Querreaktanz vergrößert wird und das Intrittfallmoment, das Außertrittfallmoment, der Leistungsfaktor und die Wirksamkeit des wechselstromsynchronisierten Reluktanzmotors verbessert wird.

2. Wechselstromsynchronisierter Reluktanzmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Paar von End-Ringen jeweils an einem axialen Ende des Rotors positioniert ist und daß diese End-Ringe aus dem gleichen Material wie die elektrisch leitenden Teilsegmente sind und elektrisch damit verbunden sind.

3. Wechselstromsynchronisierter Reluktanzmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß axial erstreckende, nichtmagnetische Teile die elektrisch leitenden Teilsegmente von Pol zu Pol unterbrechen, wodurch der in den elektrisch leitenden Teilsegmenten induzierte Strom zu einem axialen und parallelen Fluß zu der Rotationsachse veranlaßt wird, um ein Startmoment und ein Intrittfallmoment zu erzeugen.

4. Wechselstromsynchronisierter Reluktanzmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der radialen Tiefe zu der Umfangsveite der elektrisch leitenden Teilsegmente durch die Geometrie der elektrisch leitenden Teilsegmente so bestimmt

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wird, daß eine hochwirksame Beständigkeit für die Verbesserung des Startmomentes und eine geringer wirksame Beständigkeit gegen die Annäherung des Motors an den Synchronismus erreicht wird, um ein Intrittfallmoment entsprechend einer tieferen Flußdurchdringung in den Rotor durch das vorbestimmte Verhältnis zu erzeugen.

5. Wechselstromsynchronisierter Reluktanzmotor mit einem Rotor, der eine zentrale Achswelle aufweist, wobei das Intrittfallmoment, das Außertrittfallmoment, der Leistungsfaktor und die Wirksamkeit des Motors auf das Verhältnis der Längsfeldreaktanz zu der Querreaktanz des Motors gezogen sind, gekennzeichnet durch:

a) Magnetische Teile zur Entwicklung eines synchronen Momentes in Reaktion auf ein extern erzeugtes, rotierendes Magnetfeld bei welchem die Bedingungen bestehen, daß die Rotorrotationsgeschwindigkeit gleich der Rotationsgeschwindigkeit des äußerlich erzeugten Magnetfeldes ist; und wobei die magnetischen Teile

b) vorbestimmte Schichten aus weichmagnetischem Material aufweisen, welche mit nichtmagnetischem Material zwischengelagert sind und wobei sich diese Schichten axial parallel zu der zentralen Achswelle erstrecken und zur Vergrößerung der Querreluktanz dienen, um dadurch die Querreaktanz zu verringern, wobei das Verhältnis der Längsfeldreaktanz zu der Querreaktanz vergrößert wird und das Intrittfallmoment, das Außertrittfallmoment, der Leistungsfaktor und der Wirkungsgrad des Motors verbessert werden.

6. Wechselstromsynchronisierter Reluktanzmotor mit einem Rotor, gekennzeichnet durch:

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a) Eine zentrale Achswelle längs seiner Rotationsachse;

b) magnetische Teile zur Entwicklung eines synchronen Drehmoments in Reaktion zu einem äußerlich unter den Bedingungen rotierenden Magnetfeld, daß die Rotorrotationsgeschwindigkeit gleich der Rotationsgeschvindigkeit des extern erzeugten Magnetfeldes ist; und

c) elektrisch leitende Teile zur Entwicklung eines Startmomentes unter den Bedingungen, daß die Rotorrotationsgeschwindigkeit verschieden von der Rotationsgeschvindigkeit des extern erzeugten Magnetfeldes ist; und vobei die magnetischen Teile aufweisen:

d) eine Vielzahl von Schichten aus weichmagnetischem Material, welche sich axial und parallel zu der Rotationswelle der zentralen Achswelle erstrecken;

e) nichtmagnetisches Material sich axial parallel zu der Achse der zentralen Achswelle erstreckt und dieses nichtmagnetische Material zwischen die Schichten des weichmagnetischen Materials positioniert und zwischengelagert ist;

f) wobei die Schichten des weichmagnetischen Materials und des nichtmagnetischen Materials aneinander und an der Achswelle zur Bildung der magnetischen Teile befestigt sind; und

g) wobei die Schichten aus weichmagnetischem Material die Querreluktanz vergrößern und dadurch die Querreaktanz verringern, wobei das Verhältnis der Längsreaktanz zu der Querreaktanz vergrößert wird und das Intrittfallmoment, das Außertrittfallmoment, der Leistungsfaktor und die Wirksamkeit des Motors verbessert verden; und wobei die elektrisch leitenden Teile umfassen:

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h) elektrisch leitende Teile, welche sich axial und parallel zu der Achse der zentralen Achswelle erstrecken und mit den magnetischen Teilen zwischengelagert sind.

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