DE3931484A1 - Reluctance motor with magnetic pole rotor - has alternating layers of magnetisable and non-magnetisable material - Google Patents
Reluctance motor with magnetic pole rotor - has alternating layers of magnetisable and non-magnetisable materialInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen als Reluktanzmotor ausge bildeten Elektromotor mit zumindest ein Polpaar aufwei sendem Rotor mit richtungsabhängigem magnetischen Leitwert, dessen Größe jeweils in Richtung eines über die Pole eines Polpaares führenden Weges ein Maximum besitzt, sowie mit einem Stator zur Erzeugung eines den Rotor durchdringenden, veränderbaren Magnetfeldes.The invention relates to a reluctance motor formed electric motor with at least one pole pair sending rotor with directional magnetic Conductivity, the size of which is in the direction of a the poles of a pair of poles leading a maximum owns, as well as with a stator to generate a the changeable magnetic field penetrating the rotor.
Bei einem Reluktanzmotor wird die Tatsache ausgenutzt, daß ein Körper mit richtungsabhängigem magnetischen Leitwert, z.B. ein Körper aus weichmagnetischem Material mit unrundem Querschnitt, innerhalb eines Magnetfeldes eine Vorzugslage einzunehmen sucht, in der die Richtung, in der der Körper seinen maximalen magnetischen Leitwert besitzt, mit der Richtung des magnetischen Feldes überein stimmt. Dabei sind bei weichmagnetischen Körpern jeweils zwei zueinander um 180° verdrehte Lagen in gleicher Weise möglich, weil die Polung des Magnetfeldes relativ zum weichmagnetischen Körper ohne Belang ist.With a reluctance motor, the fact is used that that a body with directional magnetic Conductance, e.g. a body made of soft magnetic material with a non-circular cross-section, within a magnetic field seeks a preferred position in which the direction, in which the body has its maximum magnetic conductance has, with the direction of the magnetic field Right. Here are soft magnetic bodies two layers rotated by 180 ° to each other in the same way possible because the polarity of the magnetic field relative to soft magnetic body is irrelevant.
Weicht die Lage des weichmagnetischen Körpers relativ zum Magnetfeld von den beiden möglichen Vorzugslagen ab, so wird auf den Körper ein Drehmoment ausgeübt, welches von der Orientierung des Körpers relativ zum Magnetfeld abhängt und in einer labilen Mittellage des Körpers zwischen den genannten Vorzugslagen eine verschwindende Größe annimmt.Deviates the position of the soft magnetic body relative to Magnetic field from the two possible preferred positions, so exerted a torque on the body, which from the Orientation of the body depends on the magnetic field and in an unstable middle position of the body between the mentioned preferred positions assumes a vanishing size.
Bei einem Reluktanzmotor bildet nun ein in der Regel weichmag netischer Körper mit richtungsabhängigem magnetischen Leitwert den Rotor, auf den dann bei Bestromung der Wicklungen des Stators ein Magnetfeld einwirkt und - je nach Orientierung des Magnetfeldes relativ zum Rotor - ein entsprechendes Dreh moment ausgeübt wird.In the case of a reluctance motor, a generally soft magma now forms netic body with directional magnetic conductance the rotor, which is then energized when the windings of the A magnetic field and - depending on the orientation of the magnetic field relative to the rotor - a corresponding rotation moment is exercised.
Je nach Stellung des Rotors ändert sich die Reaktanz (Blind widerstand) der zur Erzeugung des Magnetfeldes bestromten Wicklung. Dabei tritt die sogenannte Längsreaktanz (Maximalwert der Reaktanz) auf, wenn die Richtung des maximalen magnetischen Leitwertes des weichmagnetischen Rotors mit der Richtung des von der Wicklung erzeugten Magnetfeldes im bzw. am Rotor über einstimmt. Die sogenannte Querreaktanz (Minimalwert der Reak tanz) liegt vor, wenn die Richtung des maximalen magnetischen Leitwertes des Rotors quer zum Magnetfeld der Wicklung liegt. Depending on the position of the rotor, the reactance changes (blind resistance) which is energized to generate the magnetic field Winding. The so-called longitudinal reactance (maximum value the reactance) when the direction of the maximum magnetic Conductivity of the soft magnetic rotor with the direction of the magnetic field generated by the winding in or on the rotor agrees. The so-called cross-reactance (minimum value of the dance) is when the direction of the maximum magnetic Conductivity of the rotor is transverse to the magnetic field of the winding.
Das maximal erzeugbare Drehmoment eines Reluktanzmotors hängt unter anderem von dem Verhältnis zwischen Längs reaktanz und Querreaktanz ab und ist vor allem von der Struktur des Rotors und insbesondere des magnetisier baren Teiles bzw. der magnetisierbaren Teile desselben abhängig.The maximum torque that can be generated by a reluctance motor depends among other things on the relationship between longitudinal reactance and cross-reactance and is mainly from the Structure of the rotor and in particular the magnetized cash part or the magnetizable parts of the same dependent.
Ein prinzipieller Vorzug von Reluktanzmotoren liegt u.a. darin, daß bei vorgegebener elektrischer Leistungsaufnahme des Motors vergleichsweise hohe Drehmomente erzeugt werden können. Aus diesem Grunde sind Reluktanzmotoren grundsätz lich gut als Servo- bzw. Stellaggregate geeignet.A principal advantage of reluctance motors is in that for a given electrical power consumption comparatively high torques are generated by the motor can. For this reason, reluctance motors are fundamental well suited as a servo or actuator.
Aus dem Abdruck des Vortrages von P.J. Lawrenson "Design and Performance of Switched Reluctance Drives with High Performance DC Drive Characteristics" in PCIM 1989, München, ist ein Reluktanzmotor bekannt, dessen Rotor zwei Polpaare besitzt, die als radiale Fortsätze am Außenumfang eines weichmagnetischen Ringteiles angeordnet sind. Dieser Rotor wirkt mit einem dreiphasigen Stator zusammen, welcher ins gesamt drei Polpaare mit jeweils einander diametral gegen überliegenden, nach Art von Polschuhen ausgebildeten Polen besitzt. Wird eine Phase des Stators mit elektrischem Strom beaufschlagt, so wird zwischen den Polen des zugeordneten Polpaares ein magnetisches Feld erzeugt, mit der Folge, daß sich die Pole des nächstliegenden Polpaares des Rotors den genannten Statorpolen anzunähern suchen.From the imprint of P.J. Lawrenson "design and Performance of Switched Reluctance Drives with High Performance DC Drive Characteristics "in PCIM 1989, Munich, a reluctance motor is known, the rotor of which has two pairs of poles owns that as radial extensions on the outer circumference of a soft magnetic ring part are arranged. That rotor interacts with a three-phase stator, which ins a total of three pole pairs, each diametrically opposed to each other overlying poles designed in the manner of pole shoes owns. Becomes a phase of the stator with electrical current is applied between the poles of the Pole pair generates a magnetic field, with the result that the poles of the closest pole pair of the rotor try to approximate the stator poles mentioned.
Der Rotor dieses Reluktanzmotors wirkt mit Sensoren zusammen, die die jeweilige Rotorstellung wiedergeben. Damit können die Phasen des Stators mittels einer entsprechenden Speise schaltung in Abhängigkeit von der Rotorstellung angesteuert werden, so daß jeweils ein Magnetfeld mit gewünschter Orientierung erzeugt werden kann, um in der jeweiligen Stellung des Rotors ein Drehmoment in der einen oder anderen Richtung zu bewirken.The rotor of this reluctance motor interacts with sensors, which represent the respective rotor position. So that can the phases of the stator using an appropriate food circuit controlled depending on the rotor position be so that a magnetic field with the desired Orientation can be generated to in the respective Position of the rotor a torque in one or to effect another direction.
Da der Stator dieses bekannten Reluktanzmotors ausgeprägte Pole besitzt und die Phasen des Stators nacheinander bestromt werden, ergeben sich starke Schwankungen des Drehmomentverlaufes über dem Drehwinkel. Infolgedessen kann, insbesondere bei geringen Drehzahlen, keine befrie digende Laufruhe erreicht werden.Because the stator of this well-known reluctance motor is pronounced Pole and the phases of the stator in succession are energized, there are strong fluctuations in the Torque curve over the angle of rotation. Consequently can not freeze, especially at low speeds running smoothness can be achieved.
In der Druckschrift "Elektrische Antriebstechnik" von Fritz Kümmel, VDE-Verlag GmbH, Berlin und Offenbach, 1986, wird auf Seite 304 ein Rotor mit zwei Polpaaren für einen Reluktanzmotor im Querschnitt dargestellt. Dieser Rotor besteht aus einer Vielzahl in radialen Ebenen des Rotors angeordneter Bleche, wobei durch spezielle Blechschnitte mit Aussparungen und Schlitzen, die als Sperren für den magnetischen Fluß wirken, erreicht wird, daß das Verhältnis zwischen Längs- und Querreaktanz einen Wert von annähernd 3 hat. Damit lassen sich jedoch keine zufriedenstellenden Drehmomente, bezogen auf die elektrische Leistungsaufnahme des Motors, erreichen.In the publication "Electrical Drive Technology" by Fritz Kümmel, VDE-Verlag GmbH, Berlin and Offenbach, 1986 , a cross section of a rotor with two pole pairs for a reluctance motor is shown on page 304 . This rotor consists of a large number of sheets arranged in radial planes of the rotor, with special sheet metal cuts with cutouts and slots which act as barriers to the magnetic flux ensure that the ratio between the longitudinal and transverse reactance has a value of approximately 3. However, this does not achieve satisfactory torques in relation to the electrical power consumption of the motor.
Aufgabe der Erfindung ist es nun, einen Reluktanzmotor zu schaffen, der sich durch ein stark erhöhtes Reaktanz verhältnis auszeichnet bzw. bei vorgegebener Leistungs aufnahme besonders hohe Drehmomente zu erzeugen gestattet. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß jedes Polpaar des Rotors einen geschichteten Aufbau mit jeweils von Pol zu Pol erstreckten und quer zu einer Radialebene des Rotors verlaufenden Schichten aus abwechselnd magnetisierbarem und nichtmagnetisierbarem Material besitzt.The object of the invention is now a reluctance motor to create one that is characterized by a greatly increased reactance ratio or with given performance recording particularly high torques allowed to generate. This object is achieved in that each pole pair of the rotor has a layered structure each extending from pole to pole and transverse to one Radial plane of the rotor extending layers alternately magnetizable and non-magnetizable Owns material.
Das magnetisch leitfähige - in der Regel weichmagnetische - Material ist also erfindungsgemäß in Achsansicht des Rotors zumindest näherungsweise so angeordnet, wie es dem Verlauf der Feldlinien eines von Pol zu Pol eines Polpaares des Rotors erstreckten Magnetfeldes entspricht.The magnetically conductive - usually soft magnetic - According to the invention, material is therefore in an axial view of the rotor at least approximately arranged as the course the field lines of a pole to pole of a pair of poles Corresponds to the rotor's extended magnetic field.
Aufgrund dieser Struktur des Rotors wird erreicht, daß dem magnetischen Fluß in Richtung von Pol zu Pol eines Polpaares des Rotors durchlaufende Wege aus magnetisier barem Material geboten werden, d.h. in dieser Richtung wird ein sehr hoher magnetischer Leitwert (bzw. ein sehr geringer magnetischer Widerstand) ermöglicht. Dagegen muß der magnetische Fluß auf einem quer zu den Schichten verlaufenden Weg eine große Vielzahl von Schichten aus nichtmagnetisierbarem Material durchsetzen. Dies hat einen extrem geringen magnetischen Leitwert (bzw. einen sehr hohen magnetischen Widerstand) zur Folge. Dement sprechend zeichnet sich der erfindungsgemäße Reluktanz motor durch einen großen Wert des Verhältnisses zwischen Längs- und Querreaktanz und im Vergleich zur elektrischen Leistungsaufnahme hohe Drehmomente aus.Because of this structure of the rotor it is achieved that the magnetic flux in the direction from pole to pole one Pole pair of the rotor through paths from magnetized available material, i.e. in this direction becomes a very high magnetic conductance (or a very low magnetic resistance). Against that the magnetic flux on one across the layers trending path from a large variety of layers Push through non-magnetizable material. this has an extremely low magnetic conductance (or one very high magnetic resistance). Dement speaking, the reluctance according to the invention is distinguished motor by a large value of the ratio between Longitudinal and transverse reactance and compared to the electrical Power consumption high torques.
Zur Erzielung hoher Drehmomente ist es vorteilhaft, wenn die Schichten des Rotors Radialebenen des Rotors senkrecht durchsetzend angeordnet sind.To achieve high torques, it is advantageous if the layers of the rotor radial planes of the rotor are arranged vertically penetrating.
Des weiteren sind für hohe Drehmomente sowie gute Wirkungs grade des Motors Rotoren mit nichtmagnetisierbaren Schichten aus elektrisch isolierendem Material vorteilhaft. Furthermore are for high torques as well as good effects just the motor rotors with non-magnetizable layers made of electrically insulating material advantageous.
Falls es dagegen entscheidend auf eine gute Dämpfung und damit eine hohe Laufruhe des Motors ankommt, ist es vorteilhaft, die nichtmagnetisierbaren Schichten aus elektrisch leitendem Material, beispielsweise Aluminium, herzustellen.In contrast, if it is crucial to good damping and So that the engine runs smoothly, it is advantageous, the non-magnetizable layers electrically conductive material, for example aluminum, to manufacture.
Im übrigen kann die Laufruhe - unabhängig vom Material der nichtmagnetisierbaren Schichten - auch dadurch erhöht werden, daß die Schichten schräg zu Radialebenen des Rotors angeordnet werden.Otherwise, the smoothness - regardless of the material of the non-magnetizable layers - this also increases be that the layers obliquely to radial planes of the Rotor are arranged.
Falls ein Rotor mit mehreren Polpaaren gewünscht wird, sind die Schichten jedes Polpaares bezüglich der Achse des Rotors gekrümmt angeordnet, wobei die konkave Seite der Krümmung von der Rotorachse abgewandt ist.If a rotor with several pole pairs is required, are the layers of each pole pair with respect to the axis of the rotor arranged curved, the concave side the curvature faces away from the rotor axis.
Die magnetisierbaren Schichten bestehen in der Regel aus Folien bzw. Blechen. Jedoch ist es auch möglich, insbeson dere die magnetisierbaren Schichten aus in der jeweiligen Schichtebene nebeneinander angeordneten, von Pol zu Pol des jeweiligen Polpaares verlaufenden Drahtstücken aufzubauen.The magnetizable layers usually consist of Foils or sheets. However, it is also possible, in particular the magnetizable layers in each Layer level arranged side by side, from pole to pole of the each pair of poles running wire pieces.
Zur Herstellung eines Läufers mit mehreren Polpaaren mit in oben angegebener Weise gekrümmten Schichten kann ein Wickel mit einer zur Wickelachse spiraligen Doppelschicht aus magnetisierbarem und nichtmagnetisierbarem Material herge stellt und danach in Sektoren bzw. Sektorausschnitte zerlegt werden, welche die Polpaare bilden.To manufacture a rotor with several pole pairs with in Above-mentioned curved layers can form a wrap with a double layer spiraling to the winding axis magnetisable and non-magnetisable material and then broken down into sectors or sector sections which form the pole pairs.
Des weiteren ist es möglich, die Polpaare jeweils mit Sektoren bzw. Sektorausschnitten einer mehrlagigen Spule mit mehreren rohrförmigen, konzentrisch zueinander angeord neten Schichten aus nichtmagnetisierbarem Material und auf den Außenumfängen der rohrförmigen Schichten schrauben förmig gewickelten Drähten aus magnetisierbarem Material herzustellen.It is also possible to use the pole pairs Sectors or sector sections of a multi-layer coil with several tubular, concentric to each other layers of non-magnetizable material and screw on the outer circumferences of the tubular layers shaped wires made of magnetizable material to manufacture.
Die magnetisierbaren Schichten bestehen in der Regel aus weichmagnetischem Material, wie oben erwähnt wurde.The magnetizable layers usually consist of soft magnetic material as mentioned above.
Jedoch ist es prinzipiell auch möglich, permanent magneti sierte Schichten anzuordnen.However, in principle it is also possible to use permanent magneti arranged layers.
Im übrigen wird hinsichtlich bevorzugter Merkmale der Erfindung auf die Ansprüche sowie die nachfolgende Erläu terung besonders zweckmäßiger Ausführungsformen anhand der Zeichnung verwiesen.Otherwise, the preferred features of Invention on the claims and the following explanations tion of particularly useful embodiments based on the Drawing referenced.
Dabei zeigtIt shows
Fig. 1 einen Radialschnitt eines erfindungsgemäßen Rotors mit einem Polpaar in drei charakeristi schen Lagen innerhalb eines Magnetfeldes, Fig. 1 is a radial section of a rotor according to the invention having a pole pair in three charakeristi rule layers within a magnetic field,
Fig. 2 ein schematisiertes Schnittbild eines erfindungs gemäßen Reluktanzmotors mit dem Rotor gemäß Fig. 1, Fig. 2 is a schematic sectional view of a modern fiction, with the reluctance motor rotor according to Fig. 1,
Fig. 3 eine schematisierte Darstellung einer Statorwicklung dieses Motors, Fig. 3 is a schematic representation of a stator winding of this motor,
Fig. 4 eine perspektivische Ansicht eines Läufers mit vier Polpaaren, wobei die magnetisierbaren Schichten durch Bleche gebildet sind, Fig. 4 is a perspective view of a rotor with four pole pairs, wherein the magnetizable layers are formed by metal plates,
Fig. 5 eine perspektivische Ansicht eines Rotors mit vier Polpaaren, wobei die magnetisierbaren Schichten durch Drähte bzw. Drahtstücke gebildet sind, Fig. 5 is a perspective view of a rotor with four pole pairs, wherein the magnetizable layers are formed by wires or pieces of wire,
Fig. 6 ein der Fig. 2 entsprechendes Schnittbild eines Reluktanzmotors, dessen Rotor zwei Polpaare besitzt, und Fig. 6 a of Fig. 2 corresponding sectional view of a reluctance motor, the rotor has two pole pairs, and
Fig. 7 ein Blockschaltbild zur Drehmomentsteuerung des erfindungsgemäßen Reluktanzmotors. Fig. 7 is a block diagram for torque control of the reluctance motor according to the invention.
Der in Fig. 1 dargestellte Rotor 1, welcher um eine zur Ebene der Zeichnung senkrechte zentrische Achse 2 drehbar gelagert ist, besitzt innerhalb seines für die Erzeugung der Antriebsleistung eines Reluktanzmotors wirksamen Bereiches eine Schichtstruktur, welche aus miteinander abwechselnden Schichten 3 bzw. 4 aus magnetisierbarem bzw. nichtmagnetisierbarem Material besteht. Diese Schichten 3 bzw. 4 sind im dargestellten Beispiel in zur Achse 2 parallelen ungekrümmten Ebenen angeordnet, so daß ein rotorseitiges Polpaar P, P′ gebildet wird. Dementsprechend besitzt der Rotor 1 längs eines vom einen Pol zum anderen Pol des Polpaares P, P′ führenden Weges einen sehr hohen magnetischen Leitwert und längs eines die Schichten 3 und 4 quer durchsetzenden Weges einen äußerst geringen magnetischen Leitwert.The rotor shown in FIG. 1 1, which is mounted rotatably about an axis perpendicular to the plane of the drawing central axis 2, has a layer structure consisting of alternating with each other layers 3, 4 of magnetizable within its effective for generating the driving power of a reluctance motor range or non-magnetizable material. These layers 3 and 4 are arranged in the illustrated example in parallel to the axis 2 uncurved planes, so that a rotor-side pole pair P, P 'is formed. Accordingly, the rotor 1 along a pole from one pole to the other of the pole pair P, P 'leading path has a very high magnetic conductance and along a layer 3 and 4 traversing path an extremely low magnetic conductance.
Der Rotor 1 möge sich nun innerhalb eines Magnetfeldes befinden, dessen Feldlinien H quer zur Rotorachse 2 ausge richtet sind. Im übrigen wird von magnetisierbaren Schichten 3 aus weichmagnetischem Material ausgegangen. Dementsprechend besitzen die magnetisierbaren Schichten 3 keine bzw. allen falls nur eine vernachlässigbare permanente Magnetisierung, so daß für die weitere Betrachtung die Polung des Magnet feldes unbeachtlich ist. Deshalb werden die Feldlinien H des Magnetfeldes in Fig. 1 durch einen Doppelpfeil symboli siert. The rotor 1 may now be located within a magnetic field, the field lines H of which are oriented transversely to the rotor axis 2 . Otherwise, magnetizable layers 3 made of soft magnetic material are assumed. Accordingly, the magnetizable layers 3 have no or all if only a negligible permanent magnetization, so that the polarity of the magnetic field is irrelevant for further consideration. Therefore, the field lines H of the magnetic field in Fig. 1 are symbolized by a double arrow.
Aufgrund der stark unterschiedlichen Werte des magnetischen Leitwertes in Richtung der Schichten 3, 4 bzw. in einer Richtung quer dazu besitzt der Rotor 1 eine ausgeprägt stabile Lage, welche links in Fig. 1 dargestellt ist.Because of the very different values of the magnetic conductance in the direction of the layers 3 , 4 or in a direction transverse thereto, the rotor 1 has a distinctly stable position, which is shown on the left in FIG. 1.
In dieser stabilen Lage liegen die Schichten 3 und 4 des Rotors 1 parallel zur Richtung der Feldlinien H des Magnet feldes. Wird der Rotor 1 aus der stabilen Lage ausgelenkt, so sucht er in die dargestellte stabile Lage zurückzukehren.In this stable position, the layers 3 and 4 of the rotor 1 are parallel to the direction of the field lines H of the magnetic field. If the rotor 1 is deflected from the stable position, it seeks to return to the stable position shown.
Nimmt der Rotor 1, wie es in Fig. 1 in der Mitte dargestellt ist, eine Lage ein, bei der die Schichten 3 und 4 quer zur Richtung der Feldlinien H des Magnetfeldes liegen, so befin det sich der Rotor in einer labilen Lage, in der kein Dreh moment wirksam ist. Wird jedoch der Rotor 1 aus dieser labilen Stellung etwas in der einen oder anderen Drehrichtung ausge lenkt, so sucht er sich in der jeweiligen Drehrichtung weiter zu drehen, um die zuvor beschriebene stabile Lage einzunehmen.If the rotor 1 , as shown in FIG. 1 in the middle, is in a position in which the layers 3 and 4 lie transversely to the direction of the field lines H of the magnetic field, the rotor is in an unstable position, in that no torque is effective. However, if the rotor 1 is deflected somewhat in one direction or the other from this unstable position, it will continue to rotate in the respective direction of rotation in order to assume the stable position described above.
Im rechten Teil der Fig. 1 nimmt der Rotor 1 eine Lage zwischen seiner stabilen Lage und der labilen Stellung ein, derart, daß die Richtung der Feldlinien H des Magnetfeldes die Ebenen der Schichten 3 und 4 unter einem Winkel von etwa 45° durchsetzt. In dieser Position des Rotors 1 wird auf denselben ein maximales Drehmoment in Richtung des Pfeiles M ausgeübt. Falls der Rotor 1 zu der in Fig. 1 rechts darge stellten Position um etwa 90° verdreht wird, wird ein ent sprechend maximales Drehmoment in entgegengesetzter Richtung wirksam.In the right part of Fig. 1, the rotor 1 takes a position between its stable position and the unstable position, such that the direction of the field lines H of the magnetic field passes through the planes of the layers 3 and 4 at an angle of approximately 45 °. In this position of the rotor 1 , a maximum torque in the direction of the arrow M is exerted thereon. If the rotor 1 is rotated by about 90 ° to the position shown on the right in FIG. 1, a corresponding maximum torque becomes effective in the opposite direction.
In Fig. 2 ist nun ein Reluktanzmotor schematisiert im Schnitt dargestellt, wobei der Rotor 1 den gleichen Aufbau wie in Fig. 1 hat. A reluctance motor is now shown schematically in section in FIG. 2, the rotor 1 having the same structure as in FIG. 1.
Der Rotor 1 dieses Motors wird in üblicher Weise von einem Stator 5 ringförmig umschlossen, welcher wie bei herkömmlichen Drehstrommotoren ausgebildet ist und drei Wicklungen Wa, Wb sowie Wc besitzt.The rotor 1 of this motor is surrounded in the usual manner by a stator 5 , which is designed as in conventional three-phase motors and has three windings W a , W b and W c .
Die Wicklungen Wa, Wb und Wc sind in Nuten auf der Innenseite des Stators 5 angeordnet, wobei jede der genannten Wicklungen über mehrere Nuten verteilt ist. Zu einer Wicklung Wa, Wb bzw. Wc gehören also jeweils einander bezüglich der Rotorachse diametral gegenüberliegende Drähte, welche in einem nicht dargestellten Wickelkopf zusammengeschaltet sind.The windings W a , W b and W c are arranged in slots on the inside of the stator 5 , each of the windings mentioned being distributed over a plurality of slots. A winding W a , W b or W c therefore includes wires diametrically opposite each other with respect to the rotor axis, which are interconnected in a winding head, not shown.
In Fig. 3 ist nun eine der Wicklungen, Wa, beispielhaft in schematisierter Form unter Weglassung des Stators 5 darge stellt. Wird diese Wicklung mit einem elektrischen Strom ia in der dargestellten Richtung bestromt, so wird ein Magnet feld erzeugt, dessen Feldlinien H innerhalb der Wicklung die dargestellte Richtung aufweisen.Wird die Wicklung in entge gengesetzter Richtung bestromt, so ist das Magnetfeld in entsprechender Weise entgegengesetzt orientiert.In Fig. 3 is now one of the windings, W a , exemplified in schematic form with the stator 5 omitted Darge. If this winding is energized with an electric current i a in the direction shown, a magnetic field is generated whose field lines H have the direction shown within the winding. If the winding is energized in the opposite direction, the magnetic field is correspondingly opposite oriented.
Die Enden der Wicklungen Wa, Wb und Wc können, wie es in Fig. 3 schematisch dargestellt ist, jeweils separat heraus geführt sein, um jede der Wicklungen separat von den anderen Wicklungen erregen zu können.The ends of the windings W a , W b and W c can, as is shown schematically in FIG. 3, each be led out separately in order to be able to excite each of the windings separately from the other windings.
Da jedoch in der Regel eine separate Erregung einzelner Wicklungen nicht notwendig ist, können die drei Wicklungen Wa, Wb und Wc auch in Stern geschaltet sein. However, since separate excitation of individual windings is generally not necessary, the three windings W a , W b and W c can also be connected in a star.
Ein den Rotor durchsetzendes, sich gleichförmig drehendes Magnetfeld kann am besten dadurch erreicht werden, daß die Wicklungen Wa, Wb und Wc mit sinusförmigen Strömen bestromt werden, die relativ zueinander eine Phasenverschiebung von 120° aufweisen. Ein derartiges, sich drehendes Magnetfeld sucht dann den Rotor 1 "mitzuziehen", d.h. der Rotor 1 läßt sich in der einen oder anderen Richtung drehend antreiben.A uniformly rotating magnetic field passing through the rotor can best be achieved by energizing the windings W a , W b and W c with sinusoidal currents which have a phase shift of 120 ° relative to one another. One such rotating magnetic field then searches the rotor 1 "entrain", ie the rotor 1 can be driven in rotation in one direction or the other.
Im übrigen kann bei stillstehendem Rotor 1 durch entsprechen de Erregung der Wicklungen Wa, Wb bzw. Wc mit dem in Fig. 2 dargestellten Motor ein in der einen oder anderen Richtung wirksames Drehmoment erzeugt werden.Incidentally, when the rotor 1 is at a standstill, by de-energizing the windings W a , W b or W c with the motor shown in FIG. 2, an effective torque can be generated in one direction or the other.
Die Schichtstruktur des in den Fig. 1 und 2 dargestellten Rotors 1 kann in praktisch beliebiger Weise hergestellt werden. Beispielsweise können die magnetisierbaren Schichten 3 durch entsprechend große Bleche oder Folien aus in der Regel weichmagnetischem Material, beispielsweise Eisen, bestehen, während die Schichten 4 durch Bleche bzw. Folien aus nichtmagnetisierbarem Material, z.B. Aluminium oder Kunststoff, gebildet werden. Dabei können die Folien bzw. Bleche miteinander in grundsätzlich beliebiger Weise verbun den sein, beispielsweise durch Klebung oder Nietung, wobei jedoch die Nieten aus nichtmagnetisierbarem Material bestehen sollen, um den Wert der magnetischen Leitfähigkeit in die Schichten quer durchsetzenden Richtungen möglichst gering zu halten.The layer structure of the rotor 1 shown in FIGS. 1 and 2 can be produced in virtually any manner. For example, the magnetizable layers 3 can consist of appropriately large sheets or foils of generally soft magnetic material, for example iron, while the layers 4 are formed of sheets or foils of non-magnetizable material, for example aluminum or plastic. The foils or sheets can be connected to one another in any way, for example by gluing or riveting, but the rivets should consist of non-magnetizable material in order to keep the value of the magnetic conductivity in the layers transversely penetrating directions as low as possible.
Die die Umfangsfläche des Rotors 1 bildenden Ränder der Schichten 3 und 4 können durch Materialabtrag so bearbeitet sein, daß die Umfangsfläche die Form einer Kreiszylinder fläche hat. The edges of the layers 3 and 4 forming the peripheral surface of the rotor 1 can be machined by material removal so that the peripheral surface has the shape of a circular cylinder surface.
Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, daß die Schichten 3 und 4 am Umfang des Rotors 1 Stufen bilden, die von einer kreiszylindrischen Hüllfläche umschlossen werden. Die letztere Ausführungsform ermöglicht zwar nur die Erzeugung etwas verminderter Drehmomente, da der Luftspalt zwischen dem Außenumfang des Rotors 1 und dem Innenumfang des Stators 5 im Mittel etwas größer ist als bei der Ausführungsform, bei der die Umfangsfläche des Rotors 1 weitestgehend exakt einem Kreiszylinder entspricht. Jedoch steht dem etwas verminderten Drehmoment eine kostengünstigere Herstellung gegenüber.In principle, however, it is also possible for the layers 3 and 4 to form steps on the circumference of the rotor 1 , which are enclosed by a circular cylindrical envelope surface. The latter embodiment only allows the generation of somewhat reduced torques, since the air gap between the outer circumference of the rotor 1 and the inner circumference of the stator 5 is somewhat larger on average than in the embodiment in which the circumferential surface of the rotor 1 largely corresponds exactly to a circular cylinder. However, the somewhat reduced torque is offset by less expensive production.
Des weiteren ist es möglich, den Rotor 1 so auszubilden, daß eine ihn umschließende Hüllfläche unrunden Querschnitt aufweist. Beispielsweise kann jeweils die in einer Umlauf richtung liegende Hälfte eines Poles einen größeren und die jeweils andere Hälfte einen kleineren Durchmesser bezüglich der Rotorachse 2 haben. Damit ergibt sich zwischen Rotor 1 und Stator 5 ein entsprechend ungleichförmiger Luftspalt, mit der Folge, daß eine Momentenrichtung des Rotors gegen über der anderen ausgezeichnet wird. In dieser ausgezeich neten Richtung lassen sich dann bei entsprechender Bestromung der Statorwicklungen noch größere, in der Gegenrichtung dafür kleinere Drehmomente als bei einer Ausführungsform mit gleichbleibend breitem Luftspalt erzielen.Furthermore, it is possible to design the rotor 1 such that an enveloping surface surrounding it has a non-circular cross section. For example, each half of a pole lying in a direction of rotation can have a larger and the other half a smaller diameter with respect to the rotor axis 2 . This results in a correspondingly non-uniform air gap between rotor 1 and stator 5 , with the result that a torque direction of the rotor is distinguished from the other. In this distinguished direction, even greater torques in the opposite direction can be achieved with a corresponding current supply to the stator windings than in an embodiment with a constant wide air gap.
Die gleiche Wirkung läßt sich auch dadurch erreichen, daß der Innenumfang des Stators 5 einen unrunden Querschnitt hat, wobei der Innendurchmesser des Stators 5 innerhalb einer Wicklung Wa, Wb bzw. Wc jeweils bei Drehung in einer Richtung etwas zunimmt. The same effect can also be achieved in that the inner circumference of the stator 5 has a non-circular cross-section, the inner diameter of the stator 5 inside a winding W a , W b or W c increasing somewhat when rotating in one direction.
Reluktanzmotoren mit derart asymmetrischen Luftspalten sind besonders zweckmäßig für Antriebe mit einer bevorzugten Momentenrichtung, z. B. Antrieben für Hebezeuge, Kräne, Aufzüge u. dgl.Reluctance motors with such asymmetrical air gaps are particularly useful for drives with a preferred Torque direction, e.g. B. drives for hoists, cranes, Elevators and the like
Falls die nichtmagnetisierbaren Schichten 4 aus elektrisch isolierendem Material bestehen, beispielsweise aus Kunst stoff, sind besonders hohe Wirkungsgrade erreichbar. Wenn dagegen für die nichtmagnetisierbaren Schichten elektrisch leitfähige Materialien, beispielsweise Aluminium, eingesetzt werden, so ergibt sich zwar ein verminderter Wirkungsgrad, jedoch zeichnet sich der Motor dann durch eine besondere Laufruhe aus.If the non-magnetizable layers 4 consist of electrically insulating material, for example plastic, particularly high efficiencies can be achieved. If, on the other hand, electrically conductive materials, for example aluminum, are used for the non-magnetizable layers, the efficiency is reduced, but the motor is particularly quiet.
Im übrigen kann die Laufruhe auch dadurch erhöht werden, daß die Schichten 3 und 4 nicht exakt senkrecht zu Radial ebenen des Rotors 1 ausgerichtet sind, sondern die Radial ebenen mehr oder weniger schräg durchsetzen.In addition, the smoothness can also be increased in that the layers 3 and 4 are not aligned exactly perpendicular to the radial planes of the rotor 1 , but penetrate the radial planes more or less obliquely.
Da die Schichtstruktur des Rotors 1 als praktisch monoliti scher Block ausgeführt werden kann, bereitet die Lagerung des Rotors 1 keinerlei konstruktive Schwierigkeiten. An den axialen Stirnenden der Schichtstruktur lassen sich kreis förmige Flansche befestigen, beispielsweise mit Schrauben, Stiften u. dgl. Dabei muß lediglich beachtet werden, daß die an die Schichten 3 bzw. 4 angrenzenden Flansche sowie die in die Schichtstruktur hineinragenden Schrauben, Stifte u. dgl. aus nichtmagnetisierbarem Material bestehen sollen, um einen hohen magnetischen Widerstand des Rotors 1 in einer Richtung senkrecht zu den Schichten zu gewährleisten. Since the layer structure of the rotor 1 can be designed as a practically monolithic block, the mounting of the rotor 1 does not pose any structural difficulties. At the axial ends of the layer structure, circular flanges can be attached, for example with screws, pins and the like. It must only be noted that the flanges adjacent to layers 3 and 4 and the screws, pins and the like protruding into the layer structure. Like. Should consist of non-magnetizable material to ensure a high magnetic resistance of the rotor 1 in a direction perpendicular to the layers.
Gegebenenfalls können die genannten Flansche auch "glockenähnlich" ausgebildet sein, derart, daß ein zylindrischer Ringsteg am Flansch angeordnet ist und den Außenumfang der Schichtstruktur etwas übergreift.If necessary, the flanges mentioned can also be "bell-like", such that a cylindrical ring web is arranged on the flange and somewhat overlaps the outer circumference of the layer structure.
An den Flanschen sind dann zentrische Lagerzapfen zur Drehlagerung des Rotors 1 in statorfesten Lagerteilen angeordnet.Centric bearing journals for the rotary mounting of the rotor 1 are then arranged on the flanges in bearing parts fixed to the stator.
Fig. 4 zeigt nun ein Beispiel eines Rotors 1 mit vier Polen P1, P′1, P2 und P′2, d. h. mit zwei Polpaaren. Hier bilden die magnetisierbaren und nichtmagnetisier baren Schichten 3 und 4 in Richtung der Rotorachse 2 erstreckte gekrümmte Ebenen, wobei die konvexe Seite dieser Ebenen der Rotorachse 2 zugewandt ist. Fig. 4 shows an example of a rotor 1 with four poles P 1 , P ' 1 , P 2 and P' 2 , ie with two pole pairs. Here, the magnetizable and non-magnetizable layers 3 and 4 extend in the direction of the rotor axis 2 , curved planes, the convex side of these planes facing the rotor axis 2 .
Wie aus dem in Fig. 6 dargestellten Schnittbild des entsprechenden Reluktanzmotors ersichtlich ist, ist der zugehörige Stator 5 prinzipiell in gleicher Weise auf, gebaut, wie es anhand der Fig. 2 und 3 für einen Rotor 1 mit einem Polpaar erläutert wurde. Lediglich die Zahl der Wicklungen ist verdoppelt, d. h. neben den Wicklungen Wa, Wb und Wc besitzt der Stator 5 die Wicklungen W′a, W′b und W′c. Dabei sind die Wicklungen Wa und W′a, Wb und W′b sowie Wc und W′c jeweils miteinander derart elektrisch verbunden, daß sie jeweils gemeinsam und gleichphasig bestromt werden, jedoch bezüglich der Wicklungsachse mit entgegengesetztem Drehsinn. As can be seen from the sectional view of the corresponding reluctance motor shown in FIG. 6, the associated stator 5 is in principle constructed in the same way as was explained with reference to FIGS . 2 and 3 for a rotor 1 with a pair of poles. Only the number of windings is doubled, ie in addition to the windings W a , W b and W c , the stator 5 has the windings W ' a , W' b and W ' c . The windings W a and W ' a , W b and W' b and W c and W ' c are each electrically connected to each other in such a way that they are energized together and in phase, but with opposite directions of rotation with respect to the winding axis.
Die gewölbten Schichten 3 und 4 des in Fig. 4 dargestellten Rotors können beispielsweise hergestellt werden, indem eine aus einem Blech aus magnetisierbarem Material sowie einer Folie aus nichtmagnetisierbarem Material bestehende Doppel schicht spiralig aufgewickelt wird. Aus dem so gebildeten Wickel können dann Segmente bzw. Sektoren herausgeschnitten werden, die jeweils einen Abschnitt des in Fig. 4 gezeigten Rotors 1 darstellen und dementsprechend nur in der aus Fig. 4 ersichtlichen Orientierung relativ zueinander - in prinzi piell beliebiger Weise - zusammengefügt werden müssen. Dabei kann der Mittelbereich 6 des Rotors 1 mit Kunststoff ausge gossen oder durch ein entsprechend geformtes Kunststoffteil gebildet sein. Gegebenenfalls kann innerhalb des Mittel bereiches 6 auch eine Welle angeordnet sein, welche die Drehlagerung des Rotors 1 übernimmt. Innerhalb des Rotors 1 kann die Welle einen unrunden Querschnitt haben, um durch Formschluß eine drehfeste Verbindung zwischen Welle und Rotor 1 zu gewährleisten.The curved layers 3 and 4 of the rotor shown in FIG. 4 can be produced, for example, by spirally winding a double layer consisting of a sheet made of magnetizable material and a film made of non-magnetizable material. From the winding thus formed, segments or sectors can then be cut out, each of which represents a portion of the rotor 1 shown in FIG. 4 and accordingly only in the orientation shown in FIG. 4 relative to one another - in principle in any way - must be joined together . The central region 6 of the rotor 1 can be cast with plastic or be formed by a correspondingly shaped plastic part. If necessary, a shaft can also be arranged within the central region 6 , which takes over the rotary mounting of the rotor 1 . Within the rotor 1 , the shaft can have a non-circular cross-section in order to ensure a rotationally fixed connection between the shaft and the rotor 1 by positive locking.
Der in Fig. 5 dargestellte Rotor 1 ähnelt demjenigen der Fig. 4. Jedoch sind die magnetisierbaren Schichten 4 jeweils durch in einer Ebene nebeneinanderliegende Drahtstücke gebildet.The rotor 1 shown in FIG. 5 is similar to that of FIG. 4. However, the magnetizable layers 4 are each formed by wire pieces lying side by side in one plane.
Zur Herstellung eines derartigen Rotors 1 kann zunächst eine mehrlagige Spule hergestellt werden, indem auf ein Zylinderteil aus nichtmagnetisierbarem Material ein Draht aus magnetisierbarem Material schraubenförmig unter Bildung einer Lage aufgewickelt wird. Sodann wird diese Lage aus magnetisierbarem Draht mit einer Schicht aus nichtmagneti sierbarem Material umhüllt. Danach wird diese zylindrische Umhüllung aus nichtmagnetisierbarem Material mit magneti sierbarem Draht umwickelt, um die nächste magnetisierbare Schicht zu erzeugen, usw. To manufacture such a rotor 1 , a multi-layer coil can first be produced by helically winding a wire made of magnetizable material onto a cylinder part made of non-magnetizable material to form a layer. This layer of magnetizable wire is then coated with a layer of non-magnetizable material. Then this cylindrical sheath of non-magnetizable material is wrapped with magnetizable wire to produce the next magnetizable layer, etc.
Auf diese Weise wird eine mehrlagige Spule mit mehreren konzentrischen Lagen aus magnetisierbarem Draht sowie mehreren dazwischenliegenden Schichten aus nichtmagneti sierbarem Material gebildet.In this way, a multi-layer coil with several concentric layers of magnetizable wire as well several intermediate layers of non-magnetic Formable material.
Diese Spule kann nunmehr in Sektoren bzw. Sektorausschnitte zerlegt werden, die wiederum Ausschnitte des in Fig. 5 dargestellten Rotors 1 bilden und dementsprechend nur mit ihren konvexen Seiten einander zugewandt montiert werden müssen.This coil can now be broken down into sectors or sector sections, which in turn form sections of the rotor 1 shown in FIG. 5 and accordingly only have to be mounted with their convex sides facing one another.
Fig. 7 zeigt nun, wie ein Reluktanzmotor 7 zweckmäßigerweise gesteuert wird. Fig. 7 now shows how a reluctance motor 7 is appropriately controlled.
Der Rotor dieses Motors 7 wirkt mit einem Drehlagengeber 8 zusammen, dessen Signale die jeweilige Drehstellung des Rotors relativ zum Stator oder sonstigen stationären Teilen des Motors 7 wiedergeben.The rotor of this motor 7 interacts with a rotary position sensor 8 , the signals of which represent the respective rotational position of the rotor relative to the stator or other stationary parts of the motor 7 .
Diese Signale werden an dem Eingang eines Mikroprozessors 9 weitergeleitet.These signals are passed on to the input of a microprocessor 9 .
Dieser Mikroprozessor 9 erhält über einen zweiten Eingang 11 weitere Signale, welche den gewünschten Drehsinn des Motors sowie den Wert des jeweils gewünschten Drehmomentes wieder geben. Diese Signale hängen beispielsweise davon ab, welche Position bzw. welchen Zustand ein vom Motor 7 angetriebenes Maschinenelement einnimmt.This microprocessor 9 receives, via a second input 11, further signals which indicate the desired direction of rotation of the motor and the value of the respectively desired torque. These signals depend, for example, on what position or what state a machine element driven by motor 7 is in.
Der Mikroprozessor 9 erzeugt dann in Abhängigkeit von den die Stellung des Rotors wiedergebenden Signalen des Dreh lagengebers 8 sowie in Abhängigkeit von den am Eingang 11 vorliegenden Signalen, welche die jeweils gewünschte Drehrichtung sowie das jeweils gewünschte Drehmoment darstellen, Sollwertsignale i1soll, i2soll und i3soll, welche die jeweils gewünschte Bestromung der Statorwick lungen eines dreiphasigen Stators wiedergeben, wie er beispielsweise in den Fig. 3 und 6 dargestellt ist. Diese Signale i1soll, i2soll und i3soll steuern eine Speiseschaltung 10, welche die Wicklungen des Stators des Motors 7 in Abhängigkeit von den genannten Signalen speist. Dabei werden die den Statorwicklungen tatsächlich zugeführten Speiseströme i1ist, i2ist und i3ist bezüglich der Stromstärke und/oder sonstiger Parameter in Abhängigkeit von den Sollwertsignalen i1soll, i2soll und i3soll geregelt, d. h. die Speiseschaltung 10 besitzt eine eigene Regelung mit Meßumformern 12 zur Durchführung eines Soll-Istwert- Vergleiches.The microprocessor 9 then generates, depending on the position of the rotor signals from the rotary encoder 8 and depending on the signals present at the input 11 , which represent the desired direction of rotation and the desired torque, setpoint signals i 1soll , i 2soll and i 3soll , which represent the desired energization of the stator windings of a three-phase stator, as shown for example in FIGS . 3 and 6. These signals i 1soll , i 2soll and i 3soll control a feed circuit 10 which feeds the windings of the stator of the motor 7 as a function of the signals mentioned. The supply currents i 1ist , i 2ist and i 3ist actually supplied to the stator windings are regulated with respect to the current intensity and / or other parameters as a function of the setpoint signals i 1set , i 2set and i 3set , that is to say the feed circuit 10 has its own control with transducers 12 to carry out a target-actual value comparison.
Auf diese Weise kann innerhalb des Stators des Motors 7 immer ein derart orientiertes Magnetfeld mit derart bemessener Feldstärke erzeugt werden, daß sich der Rotor mit dem gewünschten Drehmoment in die jeweils gewünschte Richtung zu drehen sucht.In this way, a magnetic field oriented in such a way can be generated within the stator of the motor 7 that the field strength is such that the rotor tries to turn in the desired direction with the desired torque.
Diese rotorpositionsabhängige Bestromung der Stator wicklungen ist insbesondere dann zweckmäßig, wenn der Motor 7 als Zustell- oder Positionierantrieb verwendet wird.This rotor position-dependent energization of the stator windings is particularly expedient when the motor 7 is used as a feed or positioning drive.
Das jeweils gewünschte Drehmoment kann durch Veränderung der Stromformen und/oder durch Veränderung der Scheitelwerte der Ströme sowie durch Zu- bzw. Abschaltung einzelner Wicklungen des Stators verändert werden, wobei gleichzeitig zu berücksichtigen ist, daß die Größe des Drehmomentes auch durch die Größe des Winkels zwischen der jeweiligen Position des Rotors und der jeweiligen Lage bzw. Richtung des statorseitig erzeugten Magnetfeldes, d.h. durch die Lage und Richtung des Stator-Stromvektors, beeinflußt wird.The desired torque can be changed the current forms and / or by changing the peak values of the currents as well as by switching individual on or off Windings of the stator can be changed, at the same time to take into account that the size of the torque also by the size of the angle between each Position of the rotor and the respective position or direction of the magnetic field generated on the stator side, i.e. through the Location and direction of the stator current vector is influenced.
Im Prinzip bewirkt also der Mikroprozessor 9, daß innerhalb des Stators des Motors 7 Magnetfelder mit steuerbarer Feldstärke sowie steuerbarer Orientierung erzeugt werden, und zwar in Abhängigkeit von der jeweiligen Position des Rotors, so daß auf den Rotor ein Drehmoment gewünschter Stärke und gewünschter Richtung ausgeübt wird, und zwar in Abhängigkeit von entsprechenden, dem Mikroprozessor 9 zugeführten Signalen.In principle, the microprocessor 9 causes magnetic fields with controllable field strength and controllable orientation to be generated within the stator of the motor 7 , depending on the respective position of the rotor, so that a torque of the desired strength and direction is exerted on the rotor , in fact in dependence on corresponding signals fed to the microprocessor 9 .
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