DE69103150T2

DE69103150T2 - Dynamoelektrische maschine mit quer in abschnitten verlaufendem fluss.

Info

Publication number: DE69103150T2
Application number: DE69103150T
Authority: DE
Inventors: Gerard Noel Koehler
Original assignee: RADIO ENERGIE SA
Current assignee: RADIO ENERGIE SA
Priority date: 1990-07-02
Filing date: 1991-06-28
Publication date: 1995-01-05
Anticipated expiration: 2011-06-29
Also published as: DE540550T1; ES2047467T1; EP0540550B1; WO1992000628A1; EP0540550A1; FR2664105A1; FR2664105B1; US5543674A; DE69103150D1; ES2047467T3

Description

Die Erfindung betrifft eine dynamoelektrische Maschine wie einen Motor mit variabler Reluktanz, mit einem mit Wicklungen versehenen Statormagnetkreis und einem Rotormagnetkreis.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Herstellen von für eine solche Maschine geeigneten magnetischen Sektoren.
Der Statormagnetkreis kann entweder innerhalb des Rotormagnetkreises vorgesehen sein, wie bei der FR-A-2329097, die einen Radmotor beschreibt, bei dem die elektrischen Phasen winkelmäßig um die Rotationsachse Z verteilt sind, oder außerhalb vorgesehen sein, wie bei der FR-A-2203212, gemäß der die einphasigen Strukturen entlang der Rotationsachse Z nebeneinander angeordnet sind.
Da die Magnetkreise durch Stapel dünner Bleche entlang der Achse Z gebildet sind, erfordert das Ausschneiden dieser Bleche in den beiden Fällen umfangreiche Werkzeugausrüstungen, und es bringt Materialverluste mit sich. Überdies muß in dem Fall der FR-A-2203212 der Fluß von einem Blech zum anderen übergehen, wobei er durch parasitäre Reluktanzen hindurchgeht.
Auch die DE-A-2302323 beschreibt nebeneinander angeordnete Strukturen. Der Statormagnetkreis und der Rotormagnetkreis sind jeweils durch eine Zusammenfügung von 8 unabhängigen Winkelsektoren verwirklicht, die jeweils durch Bleche gebildet sind, deren Ebene im wesentlichen durch die Achse des Motors verläuft. Die Statorsektoren sind U-förmig wobei sie eine Phasenwicklung übergreifen, und die Rotorsektoren sind rechteckig. Der Materialverlust ist gering es liegt keine Verbindungsreluktanz mehr vor, und der Verlauf des Flusses ist der kürzestmögliche.
Um hinreichende Eisenabschnitte zu erhalten, muß man indessen ein Blechpaket pro Sektor vorsehen. Vorzugsweise soll auch eine Luftspaltfläche geringer Ausdehnung vorgesehen sein, um ihren Umfang zu verringern, entlang dem sich Randflüsse geringen Wirkungsgrades bilden. Das Schließen eines Luftspaltes durch Abdecken erfolgt Blech für Blech, und zwar schlagartig für jedes Blech, anstatt gleichzeitig für alle Bleche, und zunehmend für jedes von ihnen. Daraus ergeben sich erhebliche Eisenverluste, wobei der Fluß für jedes Blech schlagartig aufgebaut und von einem Blech auf ein in dessen Nachbarschaft vorgesehenes übergehen muß, um sich auszubreiten.
Die DE-A-2727450 beschreibt einen Synchron- oder Schrittmotor, der aus mehreren einphasigen Strukturen zusammengesetzt ist, die koaxial zu einer Rotationsachse nebeneinandergesetzt sind. Jede Struktur enthält gemäß den Figuren 6 und 7:
- einen Statormagnetkreis, der durch eine Zusammenfügung von Statorwinkelsektoren gebildet ist, die kranzartig um die Rotationsachse angeordnet sind, wobei jeder Sektor in einer Richtung tangential zur Rotationsachse betrachtet ein U- förmiges Profil mit zwei Schenkeln besitzt, und wobei der Satz von Schenkeln der Sektoren an den freien Enden eines jeden Schenkelsatzes eine Statorzahnreihe zum Vorschein bringt;
- eine Statorwicklung, die zu der Rotationsachse koaxial und innerhalb der U-förmigen Profile des Statormagnetkreises angeordnet ist;
- einen Rotormagnetkreis, der zwei Rotorzahnreihen aufweist, die jeweils einer Statorzahnreihe gegenüberliegen, derart, daß zwei ringförmige Luftspaltreihen gebildet werden.
Würde man die Permanentmagnete 19 und 20 entfernen, so erhielte man eine Funktion einer variablen Reluktanz.
Gemäß diesem Dokument sind die Magnetkreise aus weichmagnetischem Material, und sie liegen in gesinterter oder massiver Form mit Verbindungsstellen vor. In den beiden Fällen ergeben sich erhebliche Eisenverluste. Überdies bringen die gesinterten Teile Werkzeugausstattungskosten und eine Begrenzung der Größe der Motoren mit sich.
Für einen Betrieb bei Geschwindigkeiten bei höheren Stromwendefrequenzen ist es daher wünschenswert, Bleche geringer Dicke und mit gerichteten Körnern verwenden zu können. Nun ist es schwierig, Bleche von beispielsweise 0,1 mm Dicke, denen es an Steifigkeit fehlt, in Paketform zu bringen. Montagenieten, die isoliert sein müssen, bedeuten einen Verlust an Eisenquerschnitt, und sie gestatten es nicht, einen gepressten Stapel der Bleche über ihre gesamte Oberfläche hinweg zu erhalten. Überdies kann die bevorzugte Orientierung der Körner nicht überall dem Durchtritt des Flusses entsprechen, der seine Richtung ändert. Schließlich ist das Zusaminenfügen dieser Bleche kostspielig, und es bringt die Gefahr mit sich, ihren Isolierüberzug zu beschädigen.
In diesem Zusammenhang ist aus der US-A-4223255 ein C-förmiger Magnetkreiskern bekannt, der durch eine Zusammenfügung von doppelt gewölbten Blechstreifen hoher Permeabilität gebildet ist. Diese Kerne werden in dem Stator eines Schrittmotors mit Permanentmagnet verwendet, der nicht durch eine Reluktanzvariation arbeitet. Überdies sind die Enden dieser Kerne in einer gleichen, zur Rotationsachse senkrechten Ebene angeordnet, und sie liegen Permanentmagneten gegenüber.
Dieses Dokument ist somit insoweit nicht auf die Verwendung bei einem Motor mit variabler Reluktanz ausgelegt, als diese Motoren Zähne in zylindrischen Luftspalten zwischen einem Stator und einem Rotor erfordern. Überdies liefert dieses Dokument keine Hinweise bezüglich des Verfahrens zum Zusammenfügen dieser Blechstreifen.
Ziel der Erfindung ist es, die obengenannten Nachteile zu beseitigen.
Die Erfindung betrifft eine dynamoelektrische Maschine mit variabler Reluktanz, mit mehreren Strukturen,die nebeneinander und koaxial zu einer Rotationsachse Z angeordnet sind, wobei jede Struktur einen Statormagnetkreis und einen Rotormagnetkreis enthält, die zueinander konzentrisch sind, wobei der Statormagnetkreis durch eine Zusammenfügung von Statorwinkelsektoren gebildet ist, die kranzförmig um die Rotationsachse Z herum angeordnet sind und in einer Richtung tangential zur Rotationsachse Z gesehen ein U-förmiges Profil mit zwei Schenkeln besitzen, wobei die Baugruppe der Schenkel der Statorsektoren an den freien Enden jeder Baugruppe der Schenkel eine Reihe Statorzähne aufweist, die einer weiteren Reihe von Zähnen, die zum Rotormagnetkreis gehören, in einer Weise gegenüberliegt, daß zwei Reihen ringförmiger Luftspalte gebildet werden, wobei eine torische, zur Rotationsachse Z konzentrische Statorwicklung im Inneren des U-förmigen Profils angeordnet ist. Der Rotormagnetkreis kann auch durch eine Zusammenfügung einer Mehrzahl von Rotorwinkelsektoren gebildet sein, die kranzartig um die Rotationsachse angeordnet sind.
Ein elementarer Magnetkreis einer Struktur ist durch zwei Luftspalte unterschiedlicher Reihen mit im wesentlichen gleicher Winkelpositionierung gebildet, die durch die Stator- und Rotorsektoren vereinigt sind, wobei dieser Kreis von der Statorwicklung durchdrungen ist.
Die Winkelpositionen eines Schließens der Luftspalte einer jeweiligen Struktur sind winkelmäßig gegenüber denen der anderen Strukturen versetzt.
Im Fall eines Motors mit variabler Reluktanz werden die Statorwicklungen der verschiedenen Strukturen sequentiell unter der Steuerung des Stromwendemittels in Abhängigkeit von der Position des Rotors eingeschaltet.
Die Amperewindungen in den Wicklungen bewirken einen Fluß in einer Richtung quer zu der lokalen Richtung der Bewegung.
Erfindungsgemäß sind die Statorwinkelsektoren und vorzugsweise auch die Rotorsektoren Bögen, die jeweils durch einen Stapel von Streifen aus Magnetblech gebildet sind, die mit verschiedenen Radien um Krümmungsachsen gekrümmt sind, deren Richtung quer zur Rotationsachse ist. Überdies sind die Statorzähne und vorzugsweise auch die Rotorzähne mit zylindrischen Luftspaltflächen durch einen Abschnitt der Bleche gebildet. Schließlich erstrecken sich die Bleche in den Zähnen in zur Rotorachse im wesentlichen senkrechten Ebenen.
Vorzugsweise sind die Blechstreifen aus einem dünnen Magnetblech mit gerichteten Körnern erhalten, deren Ausrichtung quer zur Richtung der Krümmungsachsen ist, derart, daß die Orientierung der Körner in allen Punkten der Durchtrittsrichtung des Flusses entspricht. Überdies sind die kleinsten Krümmungsradien größer als das 6-fache der Dicke des Bleches.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist das Verfahren zum Herstellen von Bögen eines Magnetkreises, insbesondere für eine Maschine nach dem ersten Aspekt, dadurch gekennzeichnet, daß man durch Wickeln und Kleben eines Streifens mit konstanter Breite aus einem Magnetblech einen Ring bildet und dann den Ring in zwei voneinander in Umfangsrichtung beabstandeten Bereichen so zerschneidet, daß zwei Bögen erhalten werden.
Ein Zurückgreifen auf Nieten ist nicht erforderlich, und das unter Spannung durchgeführte Wickeln erfolgt auf einer Wickelhülse, was zu einem kompakten Stapel der Bleche führt.
Das Zerschneiden kann auf einfache Weise durch ein einen ebenen Schnitt bewirkendes Werkzeug erfolgen, wobei nach der Montage eine solche Bearbeitung wie ein Rundschleifen vorgesehen ist.
Es kann auch mittels einer Elektroerosionsvorrichtung mit Draht und programmierter Bahn ausgeführt werden, wobei der Draht zur Richtung der Krümmungsachse des Ringes senkrecht bleibt.
In diesem Fall können mehrere Ringe gleichzeitig zerschnitten werden.
Schließlich sieht die Erfindung den Fall vor, bei dem der Rotormagnetkreis der Sitz einer Quelle einer magnetomotorischen Rotorkraft ist, die entweder durch eine torische, in einer Rille aufgenommene Rotorwicklung oder durch Permanentmagnete gebildet ist, die jeweils in einen Einschnitt eines Rotorbogens eingesetzt sind.
Weitere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung.
In der nicht im einschränkenden Sinne zu verstehenden Zeichnung zeigen:
Figur 1 einen Teilschnitt eines Motors mit drei Strukturen A, B und C, die in verschiedenen axialen Ebenen geschnitten sind;
Figur 2 einen radialen Teilschnitt der Struktur B der Figur 1;
Figur 3 ein Diagramm der Winkelpositionierung von Bögen;
Figur 4 eine perspektivische Ansicht eines ausgehend von einem Blechstreifen gewickelten und geklebten Ringes;
Figur 5 eine Figur 4 vergleichbare Ansicht nach einem Zerschneiden, wodurch sich ein Bogenpaar ergibt;
Figur 6 eine Figur 5 vergleichbare Ansicht mit zwei Luftspaltpaaren und einem individuellen Formteil;
Figur 7 eine perspektivische Ansicht eines Mittels zum Zerschneiden der Ringe;
Figur 8 eine perspektivische Teilschnittansicht eines Mittels zum Zusammenfügen der Bögen;
Figur 9 eine Axialschnittansicht einer Ausführungsform mit Rotorwicklung;
Figur 10 eine Axialschnittansicht einer Ausführungsform mit Rotorbögen, die jeweils mit einem Permanentmagneten versehen sind;
Figur 11 eine perspektivische Ansicht einer Polplatte; und
Figur 12 eine schematische Darstellung der Strukturgruppen.
Die in Figur 1 im Teilschnitt dargestellte Maschine ist durch das zur Rotationsachse Z koaxiale nebeneinanderliegende Anordnen dreier Strukturen A, B und C gebildet, die jeweils folgendes enthalten:
- einen Statormagnetkreis 1 mit einem U-förmigen Abschnitt, dessen Krümmungsachse in einer zur Achse Z senkrechten Richtung X verläuft, und mit zwei über den Steg 4 des U verbundenen Schenkeln 2, 3. Die Schenkel enden in Zähnen 5, 6 im Abstand Re von der Achse Z (siehe die auf dem Niveau der Zähne geschnittene zentrale Struktur B);
- eine Statorwicklung mit Leitungen 8, die im Inneren des U in einer Nut 7 gelagert sind (siehe die außerhalb der Zähne geschnittene Struktur C, wobei die Leiter 8 nicht dargestellt sind);
- und einen Rotormagnetkreis 21, der hier innerhalb des Statormagnetkreises 1 vorgesehen und um die Achse Z drehbar ist. Dieser Kreis, der ebenfalls U-förmig, jedoch weniger tief ist, endet in Zähnen 27, 28, deren Anzahl gleich der Anzahl der Statorzähne 5, 6 ist und die diesen gegenüberliegen (in Figur 1 mit b gekennzeichnet).
Rotationsmittel 20 wie Walzen sind vorgesehen, um eine Welle 50 abzustützen.
In Figur 2 ist zu sehen, daß die aktiven Leiter 8 eine torische Statorwicklung 15 bilden, von der nur ein Teil dargestellt ist.
Es ist auch zu sehen, daß der Statormagnetkreis 1 und der Rotormagnetkreis 21 jeweils durch eine Zusammenfügung von Stator- bzw. Rotorwinkelsektoren gebildet sind.
Erfindungsgemäß sind die Statorsektoren Statorbögen 9, die jeweils durch einen Stapel von Magnetblechstreifen T gebildet sind, die mit unterschiedlichen Radien gekrümmt und ineinandergeschachtelt sind, wobei die Krümmungen gemäß Krümmungsachsen vorliegen, deren Richtung X senkrecht zu der Rotationsachse Z ist.
Das gleiche trifft für die Rotorsektoren zu, die Rotorbögen 22 sind.
Für eine gegebene Winkelposition bildet man somit wenigstens zwei Luftspalte 5-27 und 6-28, die nahtlos und über die kürzestmögliche Strecke unmittelbar über zwei gewölbte Blechbündel miteinander verbunden sind, wobei die beiden Luftspalte vorzugsweise die gleiche Winkelpositionierung aufweisen. Überdies ist jedes Blech zunehmend angeschnitten, so daß sein Fluß sich in der Breite des Bleches ausdehnen kann, ohne in ein benachbartes Blech eintreten zu müssen.
Die die Zähne 5, 6, 27 und 28 bildenden Abschnitte der Bleche T liegen in Ebenen, die vorzugsweise zur Rotationsachse Z senkrecht sind. Anders ausgedrückt, übergreifen die Zahnungshohlräume nicht den Steg des U. Dies minimiert die Permeanz eines offenen Luftspaltes.
Die Luftspalte sind in zwei Reihen 5a-27a, 5b-27b, 5c-27c .. und 6a-28a, 6b-28b, 6c-28c .. mit vorzugsweise dem gleichen Radius Re aufgeteilt.
Hier sind nur die Statorbögen 9/1 und 9/2 und Rotorbögen 22/1 und 22/2 dargestellt, bei einer Gesamtheit von 24 Bögen pro Magnetkreis, wobei zwischen den Bögen ein Winkel α von 15º vorliegt. Die Anzahl Na von Bögen pro Magnetkreis ist hinreichend groß, damit die unterbrochene Linie der Böden der Nuten 7 einem Kreis angenähert ist.
Die Anzahl Nd von Zähnen einer gleichen Reihe eines Bogens ist hier gleich 3, mit den Bezeichnungen a, b und c, wobei Zahnungshohlräume 51 auftreten. Die zwei Luftspaltreihen von einer gleichen Struktur schließen sich gleichzeitig.
Die durch die Seitenränder der Bleche definierten Seitenflächen der Bögen sind parallel. Der Hohlraum zwischen zwei benachbarten Bogenzähnen ist durch den zwischen den Bögen liegenden Raum gebildet, so daß die Zahnteilung im wesentlichen konstant ist. Damit die Seitenflächen der Bögen auch auf dem Niveau der Zahnung parallel sind, muß die folgende Bedingung erfüllt sein:
La = 2.κ.Re.(Nd+RK-1)/Nd.Na
in der
- La die Länge eines Bogens parallel zu der Richtung der Krümmungsachse ist
- Nd die Anzahl von Zahnpaaren pro Bogen ist
- Na die Anzahl von Bögen eines gleichen Magnetkreises ist
- Re der Luftspaltradius ist
- Rk das Zahnungszyklusverhältnis (Verhältnis eines Zahnbogens zur Zahnungsteilung) ist.
Vorzugsweise liegt Rk zwischen 0,34 und 0,46, um die Flußänderungen zu optimieren.
Um zu vermeiden, daß die Winkel der Bögen nahe der Achse Z abgefaßt werden müssen, ist die folgende Bedingung zu erfüllen:
Ha < Re-La.Na/2.κ
in der
- Ha die Höhe dieser Bögen ist.
Die Bearbeitung der Zähne erfolgt hier in einer Richtung parallel zu den Seitenflächen des Bogens, indem dafür gesorgt wird, daß für jeden Zahn eine in Figur 5 sichtbare Vorderkante auftritt. Diese Bearbeitung kann für einen Magnetkreis mit einem geringen Winkel auch so erfolgen, daß für jedes Paar von benachbarten Statorzähnen 5-27 und Rotorzähnen 6-28 zwischen den Vorderkanten 52 ein kleiner Winkel gebildet wird, der durch einen sogenannten "skewing"-Effekt eingeführt wird.
Dieser Effekt kann auch dadurch erhalten werden, daß die Richtung X der Krümmungsachse eines jeweiligen Rotorbogens 22 bezüglich einer zur Rotationsachse Z senkrechten Ebene leicht geneigt wird.
Schließlich kann man das synchrone Schließen der Luftspalte einer gleichen Struktur aufgrund eines Momentstoßes oder einer Resonanzgefahr verhindern. Der winkelmäßige Zusammenbau der Bögen ermöglicht es nämlich, leicht variierende Winkel αs zwischen Statorbögen oder αr zwischen Rotorbögen zu erhalten. Um nicht gleichzeitig einen sich schließenden Luftspalt und einen sich öffnenden Luftspalt zu erhalten, ist es indessen erforderlich, daß die Zahnbögen eines Magnetkreises größer sind als die Bögen des anderen Kreises, das heißt daß das Zahnungszyklusverhältnis RKs des Stators sich von dem RKr des Rotors unterscheiden muß. Vorzugsweise ist RKs > RKr, um Streuflüssen Rechnung zu tragen. Die Differenz RKs - RKr bringt Grenzen für die Änderungen von αr mit sich, damit man nicht gleichzeitig einen geschlossenen, sich gerade öffnenden und einen weiteren Luftspalt erhält, der gerade geschlossen wurde. Mit dem Beispiel der Figur 2, mit RKs = 0,45 und RKr = 0,35 können die Änderungen von αr 6,6 %. erreichen. Die Änderungen eines Bogens gegenüber seinem Nachbarn sind vorzugsweise zufällig, wobei die Gesamtheit der Abweichungen über einen Umlauf selbstverständlich null sind. Das Diagramm der Figur 3 liefert ein Beispiel für Änderungen von αr Es ist zu sehen, daß ein Luftspalt wie b des Bogens 9/1 mit c des Bogens 22/1 geschlossen wurde, bevor der Luftspalt c von 9/1 mit d von 22/2 beginnt, sich zu öffnen.
Bei diesem Beispiel ist festzustellen, daß die Länge eines Zahnes parallel zur Rotationsachse Z nur dreimal größer als der Bogen seiner Breite ist, wodurch die Kanteneffekte minimiert werden, während die Gesamtlänge der Vorderkanten 52 der Zähne eines Magnetkreises, der das Anlaufmoment bedingt, 40 mal größer als die axiale Länge des Stators 1 ist.
Die Statorbögen 9 wurden vorzugsweise durch ein Zerschneiden eines in Figur 4 dargestellten Ringes 29 erhalten, wobei dieses Zerschneiden in gleicher Weise auch einen Rotorbogen 22 liefert. Dieser Ring 29 wurde durch ein Wickeln und Kleben sowie ein Vakuumtränken eines Streifens konstanter Breite des dünnen Magnetbleches T mit orientierten Körnern und isolierten Seiten erhalten. In Figur 4 ist dieser Ring am Ende des Aufwickelns dargestellt. Die aus der Walzung resultierende Orientierung der Körner liegt in der Richtung der Länge des Streifens und damit senkrecht zu der Richtung X der Krümmungs- und Wicklungsachse des Bleches. Die Innenöffnung des Ringes besitzt vorzugsweise eine rechteckige Form mit gerundeten Ecken, um ohne Vergrößerung der Höhe den Wicklungsquerschnitt zu erhalten. Jedoch ist der kleinste, aus der Wicklung resultierende Krümmungsradius Rc vorzugsweise größer als das 6-fache der Dicke ET des Bleches T, so daß die Permeabilität des Bleches nicht herabgesetzt wird.
Allgemein erfolgt das Zerschneiden in zwei in Umfangsrichtung beabstandeten Bereichen. Geht man von entlang einer Ebene zerschnittenen Bögen aus, so kann diese Oberfläche durch eine nach dem Zusammenfügen der Bögen erfolgende Schleifoperation leicht zylindrisch werden.
Das Bilden der Zähne kann durch Abtragen von Material durch Fräsen oder Schleifen erfolgen, wobei der Materialverlust gering ist.
Die Zerschneideoperation kann auch durch eine Bearbeitung mittels einer Elektroerosionsvorrichtung 53 mit Draht erfolgen, wobei der Draht zu der Richtung X der Achse des Ringes 29 senkrecht bleibt und eine solche Programmierung vorliegt, daß dieser ein zylindrisches Zahnprofil beschreibt, wie dies in Figur 5 dargestellt ist, wo nur ein Paar von Luftspalten 5-27, 6-28 auftritt. Einschnitte 30 ermöglichen es, den Fluß in den Luftspalten zu konzentrieren. Diese Art von Zerschneiden besitzt den Vorteil, die Bleche nicht kurzzuschließen und genau zu sein.
Vorzugsweise bringt das Zerschneideprogramm wenigstens zwei Paare von Luftspalten 5a-27a/6a-28a und 5b-27b/6b-28b hervor, wie dies in Figur 6 dargestellt ist, derart, daß zwei Zahnhohlräume 51 auftreten.
Wie in Figur 7 dargestellt, können mehrere Ringe 29 gleichzeitig zerschnitten werden. Bei jedem Ring werden die Enden einer durch den Rand des Bleches definierten Seitenfläche gegen eine parallel zu dem Draht 53 angeordnete Elektrode 54 gedrückt, die einen Einschnitt 55 aufweist, um den Draht an einem Ende seines Schnittverlaufs aufzunehmen, ohne daß dieser die Elektrode berührt. Es ist zu sehen, daß das Zerschneiden der Bögen 9/1, 9/2 abgeschlossen ist und daß noch die Zahnhohlräume der Bögen 22/1, 22/2 auszunehmen sind.
Bei diesen Bögen ist festzustellen, daß die bevorzugte Orientierung der Körner in jedem Punkt der Richtung des Durchtritts des Flusses entspricht. Zudem sind die Eisenverluste dadurch verringert, daß der Fluß in dem Rotor sich nicht umkehrt, wodurch die Fläche der Hystereseschleife verringert wird.
In Figur 8 ist ein Mittel zum Zusammenfügen der Bögen dargestellt, das für den Stator 1 aus einem zum Luftspalt und auf einer Seite offenen Kranz 32 L-förmigen Querschnitts und aus einem Deckel 33 besteht, der axial auf den Kranz aufsetzbar ist, in den die Bögen 9 eingepaßt werden. Hierzu findet sich die Außenkrümmung des Bogens 9 im wesentlichen an einem inneren geraden Abschnitt der ineinandergepaßten Einheit zwischen zwei Materialschalen 56 wieder. Vorsprünge 34 treten in die Zahnhohlräume 51 ein (siehe Figur 1, geschnittene Struktur C zwischen zwei Zähnen).
Jeder Bogen kann in dem Steg 4 des U ein Loch 57 aufweisen, durch das ein Befestigungsmittel wie eine Schraube mit Zentrierschulter hindurchtritt.
Zwischen den Bögen durchdringen Löcher 58 die zusammengefügten Kränze auf dem Niveau der Schalen 56 (siehe Figur 2), derart, daß durch Spannstangen 59 die Kränze der zusammengefügten unterschiedlichen Strukturen A, B, C zwischen Flanschen 60 bezüglich eines Joches 10 gehalten werden können (siehe Figur 1, geschnittene Struktur A zwischen Bögen).
Andere Löcher 61 ermöglichen es, daß die Anschlüsse der Wicklung 15 bis zu den Flanschen 60 hindurchtreten können.
Ein weiterer Kranz 62 und ein Deckel 63 gestatten es, auch die Rotorbögen 22 einzupassen. Der Rotorkranz 62 ist zur Achse Z hin durch eine Scheibe 64 verlängert, die fest auf die Welle 50 aufgesteckt ist.
Diese letzere enthält Rillen 65, die das Moment übertragen und es gestatten, die Winkelpositionierung zwischen den Strukturen zu berücksichtigen. Weitere Spannstangen 66 stellen einen Rotormagnetkreis 21 zusammen (siehe Figur 1, Struktur A).
Diese Zusammenfügungen können durch eine Vakuumtränkung in eine Blockkonstruktion gebracht werden.
Ein weiteres Mittel zum Zusammenfügen der Bögen eines Magnetkreises besteht darin, diese Bögen vor dem Schleifen mit einer Überform zu versehen.
Man kann auch nur für eine individuelle Überform 67 des Rückens eines Bogens sorgen, wie dies im Teilschnitt bei dem Bogen 22 der Figur 6 zu sehen ist. Diese Überform ist in den Zahnungshohlräumen 30, 51 verankert, und ihre Außenform eignet sich für einen kranzartigen Zusammenbau in einem Joch oder an einem Radkranz.
Die Strukturen sind so magnetisch gut gegeneinander isoliert.
In dem Fall, daß die Maschine ein Motor mit variabler Reluktanz ist, sind Stromwendemittel 38 vorgesehen, um die Statorwicklungen 15 mit Gleichstromimpulsen zu versorgen, um so eine Statorquelle einer magnetomotorischen Kraft zu bilden (siehe Figur 9). Diese Impulse werden während der Schließperioden durch Abdecken der Luftspalte der betrachteten Struktur geliefert, um das Motormoment zu erzeugen. Diese Perioden sind durch ein Positionssignal des Rotors markiert, das von einem Fühler 39 geliefert wird. Während des Öffnens der Luftspalte liefern die anderen Strukturen des Motors das Motormoment mit einer gewissen Überlappung.
Anhand von Figur 9 ist zu erkennen, daß es ohne weiteres möglich ist, Rotorbögen 22 zu erhalten, die ebenfalls mit einer Nut 16 versehen sind, die mit einer Rotorwicklung 35 ausgestattet ist. Diese torische Wicklung kann durch Ringe 36 und Schleifkontakte 37, die den Strukturen gemeinsam sind, mit Gleichstrom versorgt werden, wodurch eine Rotorquelle 68 einer magnetomotorischen Kraft gebildet wird.
Wie in Figur 10 dargestellt, kann diese Quelle 68 auch aus einem Permanentmagneten 69 erhalten werden, der in einen Einschnitt eines jeden Rotorbogens 22 eingeschoben ist, wobei sich zwei Halbbögen 22N und 225 ergeben, die jeweils mit Zähnen einer einzigen Reihe 27a, 27b .. oder 28a, 28b .. versehen sind.
Zur Berücksichtigung des Verhältnisses der Induktion der Zähne eines Halbbogens zu der remanenten Induktion des Permanentmagneten muß die Flächenausdehnung dieses letzteren wenigstens dreimal und vorzugsweise vier- oder fünfmal größer als die der Zähne sein. Hierzu sind die Halbbögen 22N und 225 über eine Polplatte 70N, 70S jeweils mit einer Polfläche N, S des Permanentmagneten verbunden.
Diese Einheit wird durch individuelle Spannstangen 66 für eine Struktur zwischen den Teilen 62 und 63 gehalten, die dafür entsprechend angepaßt sind.
Ein Abstandsstück 71 ist zwischen die Polplatten 70 auf der gegenüberliegenden Seite der Rotationsachse Z eingesetzt, um die Wirkung der Zentrifugalkraft auf den Permanentmagneten 69 aufzunehmen.
Der Einschnitt kann in einer zu der Achse Z senkrechten Ebene vorliegen, wie in Figur 10. Die Abmessungen des Permanentmagneten sind so gewählt, daß die Reluktanz dieses letzteren vorzugsweise kleiner als die Reluktanz der Luftspalte ist, die in dem Verlauf seines Flusses angeordnet sind, und die Art des Permanentmagneten ist so gewählt, daß das Produkt seines Koerzitivfeldes mit seiner Dicke eine magnetomotorische Kraft liefert, die größer als die Hälfte der der Wicklung 15 ist.
Hierfür ist es von Vorteil, ein Material auf der Basis von seltenen Erden auszuwählen, dessen Pulver in ein plastisches Bindemittel eingebracht wird, um die Ausführung zu erleichtern.
Besitzen die Permanentmagnete einer gleichen Struktur eine gleiche axiale Polarität und liegen die Einschnitte in einer gleichen radialen Ebene, so können die Polplatten 70N, 70S einer gleichen Polarität und einer gleichen Struktur nur ein gleiches Teil 72 in Form eines flachen Ringes bilden, wie dies in Figur 11 dargestellt ist.
Im Fall eines mit dieser Quelle 68 ausgestatteten Motors sind die Stromwendemittel 38 und die Mittel 39 zum Festlegen der Winkelposition des Rotormagnetkreises 21 dafür vorgesehen, jede Statorwicklung mit Impulsen zu versorgen, die eine magnetomotorische Kraft von der gleichen Richtung wie die der magnetomotorischen Rotorkraft während der Motorperioden eines Schließens durch Abdecken der Luftspalte liefern. Die magnetomotorischen Kräfte sind nun beiderseits der Luftspalte gut verteilt, wodurch die Streuverluste minimiert und die Kupferverluste im Fall von Permanentmagneten reduziert werden.
Überdies besitzt die magnetomotorische Statorkraft während der Öffnungsperioden der Luftspalte vorzugsweise eine umgekehrte Richtung, und sie ist verringert, anstatt unterdrückt zu werden. Die einander nunmehr teilweise gegenüberliegenden Zähne neigen dazu, die Stellung einzunehmen, bei der entgegengesetzten Flüsse möglichst ungehindert abfließen können, das heißt beim offenen Luftspalt. Daraus ergibt sich folglich eine geringe Zusatzkraft sowie eine raschere Abnahme des Flusses.
Da die Stromwendemittel 38 eine Umkehrung der Richtung der magnetomotorischen Statorkräfte bezüglich eines normalen Motorlaufs bewirken, ergibt sich schließlich ein Abbremsen. Infolge der magnetomotorischen Rotorquelle 68 ist es möglich, die Bremsenergie wirksam wiederzugewinnen, was insbesondere im Fall eines Fahrzeuges von Vorteil ist, das von Akkumulatoren versorgt wird.
Die beschriebene Maschine kann auch als ein Wechselstromgenerator betrachtet werden:
Mit der Quelle 68 einer magnetomotorischen Kraft mit Rotorwicklung 35 ermöglicht es eine Anordnung der Stromwendemittel 38 und der Mittel 39 zum Festlegen der Winkelposition des Rotormagnetkreises 21, die Rotorwicklung 35 mit Strömen von synchron mit dem Vorbeilaufen der Zähne wechselnden Richtungen zu versorgen, um gleichzeitig an den Zähnen 5, 6 der Statorbögen 9 einen Fluß einer Richtung aufzunehmen, die sich bei jedem Vorlauf um einen Zahnungsschritt umkehrt. Somit wird eine alternative elektromotorische Kraft in die Statorwicklung 15 eingeführt. Für einen mehrphasigen Betrieb ist es indessen erforderlich, eine größere Anzahl von Ringen und Schleifkontakten vorzusehen.
Es stellt sich somit heraus, daß die gleiche Maschine nach Bedarf als Motor oder als Wechselstromgenerator betreibbar ist, um zum Beispiel einen Akkumulator eines mittels eines Verbrennungsmotors bewegten Fahrzeugs zu laden und dann den elektrischen Antrieb für eine Stadtfahrt zu nutzen.
Dank der beschriebenen Vorrichtungen kann eine Reihe von Maschinen mit verringertem Bedarf an zusätzlichen Werkzeugausrüstungen hergestellt werden, indem die Anzahl von Strukturen A, B, C .. pro Maschine, die Anzahl von Bögen Na pro Struktur und die Anzahl von Zähnen Nd pro Bogen unter Beibehaltung des gleichen Ringtyps 29 variiert werden.
Man kann auch Gruppen von Strukturen wie A, B, C, für eine Gruppe 73 und D, E für eine andere Gruppe 74 nebeneinandersetzen. Siehe Figur 12. Jede Gruppe besitzt eine Anzahl NaxNd von Zähnen, die für die unterschiedlichen Strukturen der Gruppe gleich ist und sich von der der anderen Gruppen unterscheidet. Zum Beispiel ist Nd = 3 für die erste Gruppe 71 und Nd = 1 für die zweite Gruppe bei einer gleichen Anzahl von Bögen Na. So kann die Maschine mit einem dreimal größeren Geschwindigkeitsbereich betrieben werden, und man kann eventuell die erste Gruppe ab einer bestimmten Geschwindigkeit abschalten. Mit dieser Anordnung können auch die Resonanzeffekte verringert werden.
Es ist festzustellen, daß die Lagen der Statorbögen 9 und Rotorbögen 22 der Figuren 1 und 2 so vertauscht werden können, daß ein Radmotor mit Außenrotor erhalten wird, wie dies an sich aus den Figuren 1 und 2 der FR-A-2.329.097 bekannt ist.
Ohne die Erfindung zu verlassen, kann ein Bogen Zähne vereinigen, die untereinander um die Achse Z leicht versetzt sind, um ein zunehmendes Auftreten des Flusses zu bewirken, oder entsprechend einem Zahnungsschritt versetzt sind, derart, daß beispielsweise die Statorzähne 5a und 6b und die Rotorzähne 28b und 27a oder sogar 28b und 27c verbunden werden.
Schließlich können die Luftspaltradien Re zweier Luftspaltreihen einer gleichen Struktur nicht gleich sein, und eine Luftspaltreihe kann durch eine Reluktanz einer Drehverbindung ersetzt werden.

Claims

1. Dynamoelektrische Maschine mit variabler Reluktanz, mit mehreren Strukturen (A, B, C ...), die nebeneinander und koaxial zu einer Rotationsachse (Z) angeordnet sind, wobei jede Struktur einen Statormagnetkreis (1) und einen Rotormagnetkreis (21) enthält, die zueinander konzentrisch sind, wobei der Statormagnetkreis (1) durch eine Zusammenfügung von Statorwinkelsektoren gebildet ist, die kranzförmig um die Rotationsachse (Z) herum angeordnet sind und in einer Richtung tangential zur Rotationsachse (Z) gesehen ein U- förmiges Profil mit zwei Schenkeln (2, 3) besitzen, wobei die Baugruppe der Schenkel der Statorsektoren an den freien Enden jeder Baugruppe der Schenkel (2, 3) eine Reihe Statorzähne (5a, 5b, 5c ... / 6a, 6b, 6c ...) aufweist, die einer weiteren Reihe von Zähnen (27a, 27b, 27c ... / 28a, 28b, 28c), die zum Rotormagnetkreis (21) gehören, in der Weise gegenüberliegt, daß zwei Reihen ringförmiger Luftspalte (5a- 27a, 5b-27b ... / 6a-28a, 6b-28b ...) gebildet werden, wobei eine torische, zur Rotationsachse (Z) konzentrische Statorwicklung (15) im Inneren des U-förmigen Profils angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorwinkelsektoren Bögen (9) sind, die jeweils durch einen Stapel von Streifen aus Magnetblech (T) gebildet sind, die mit verschiedenen Radien um Krümmungsachsen (X) gekrümmt sind, deren Richtung quer zur Rotationsachse (Z) ist, daß die Statorzähne (5, 6) mit zylindrischen Luftspaltflächen durch einen Abschnitt der Bleche (T) gebildet sind und daß die Bleche (T) sich in den Zähnen (5, 6) in zur Rotationsachse (Z) im wesentlichen senkrechten Ebenen erstrecken.

2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotormagnetkreis (21) durch eine kranzförmige Zusammenfügung von Winkelsektoren gebildet ist, die Bögen (22) sind, die jeweils durch einen Stapel von Streifen aus Magnetblech (T) gebildet sind, die mit verschiedenen Radien um Krümmungsachsen gekrümmt sind, deren Richtung (X) quer zur Rotationsachse (Z) ist, daß die Rotorzähne (27, 28) mit zylindrischen Luftspaltflächen durch einen Abschnitt der Bleche (T) gebildet sind und daß die Bleche (T) sich in den Enden der Zähne (27, 28) in zur Rotationsachse (Z) im wesentlichen senkrechten Ebenen erstrecken.

3. Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Rotormagnetkreis (21) eine Rotorquelle (68) einer magnetomotorischen Kraft angeordnet ist.

4. Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorquelle (68) einer magnetomotorischen Kraft durch eine torische Rotorwicklung (35) gebildet ist, die in einer Nut (16) der Rotorbögen (22) angeordnet ist.

5. Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorquelle (68) einer magnetomotorischen Kraft durch Permanentmagnete (69) gebildet ist, die jeweils in einen Ausschnitt in einem der Rotorbögen (22) eingesetzt sind, was zwei jeweils mit Zähnen (27/28) einer einzigen Reihe versehene Halbbögen (22N, 22S) ergibt.

6. Maschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Polflächen (N, S) des Permanentmagneten (69) ein Flächenausdehnung haben, die wenigstens drei mal größer als die Gesamtflächenausdehnung der Zähne eines Halbbogens (22N, 22S) ist, und daß die beiden Halbbögen (22N, 22S) jeweils über eine Polplatte (70N, 70S) mit einer Polfläche (N, S) des Permanentmagneten (69) verbunden sind.

7. Maschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweils mit dem gleichen Pol (N, S) verbundenen Polplatten (70N, 70S) ein einziges Teil in Form eines ebenen Ringes (72) bilden.

8. Maschine nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in jeder Struktur die Länge (La) eines Bogens entlang der Richtung (X) der Krümmungsachse dieses Bogens konstant ist und daß die Höhe Ha der am nächsten zur Rotationsachse (Z) liegenden Bögen des Magnetkreises, die Anzahl (Na) der den genannten Magnetkreis bildenden Bögen und der Radius (Re) des Luftspaltes im wesentlichen die folgende Bedingung erfüllen:

Ha < Re-La Na/2 π

9. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Blechstreifen aus einem dünnen Magnetblech (T) mit gerichteten Körnern erhalten sind, deren Ausrichtung quer zur Richtung (X) der Krümmungsachsen ist.

10. Maschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die kleinsten Krümmungsradien (Rc) größer als das Sechsfache der Dicke (Et) des Magnetbleches (T) sind.

11. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Schenkel der Bögen (9; 22) wenigstens zwei Zähne (5a, 5b - 6a, 6b/27a, 27b - 28a, 28b) enthält, die in Umfangsrichtung aufeinanderfolgend angeordnet und durch einen Zahnhohlraum (51) getrennt sind.

12. Maschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge (La) eines Bogens entlang der Richtung (X) der Krümmungsachse dieses Bogens konstant ist und daß die Anzahl (Nd) der Zahnpaare pro Bogen, die Anzahl (Na) der einen Magnetkreis bildenden Bögen, die Länge (La) eines Bogens, der Luftspaltradius (Re) und das Zahnzyklusverhältnis (Rk) im wesentlichen die folgenden Bedingungen erfüllen:

La = 2 π Re (Nd+Rk-1)/Nd Na 0,34 < Rk < 0,46

13. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnzyklusverhältnisse (Rks, Rkr) des Statormagnetkreises (1) und des Rotormagnetkreises (21) unterschiedlich sind (Rks> Rkr) und daß die Winkel (αr) zwischen benachbarten Bögen des das kleinste Zahnzyklusverhältnis (Rkr) besitzenden Magnetkreises (21) sich zwischen solchen Grenzen verändern, daß es gleichzeitig nicht vorkommt, daß es einen geschlossenen Luftspalt gibt, der sich gerade öffnet, und einen anderen Luftspalt, der sich gerade schließt.

14. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jeder Zahn eine Vorderkante (52) besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorderkanten (52) jedes Paares von benachbarten Stator- und Rotorzähnen (5-27, 6-28) zwischen sich einen kleinen Winkel einschließen.

15. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Rotorbogen (22) eine Richtung der Krümmungsachse (X) besitzt, die bezüglich einer zur Rotationsachse (Z) senkrechten Ebene leicht geneigt ist.

16. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie Gruppen (73, 74) nebeneinander angeordneter Strukturen (A, B, C ...) enthält, wobei jede Gruppe eine gleiche Anzahl von Zähnen (Nd.Na) pro Struktur besitzt und wobei eine Gruppe eine Anzahl von Zähnen (Nd.Na) besitzt, die von der Anzahl der Zähne der anderen Gruppen verschieden ist.

17. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Bogen im Steg (4) des U ein Loch (57) enthält, durch das ein Befestigungsmittel führt.

18. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der den Zähnen (5, 6; 27, 28) entgegengesetzte Abschnitt eines Bogens einen Bogenrücken bildet, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bogen (9, 22) auf seinem Rücken mit einem individuellen Formteil (67) versehen ist, das im Zahnhohlraum (30, 51) verankert ist und dessen äußere Form sich für eine kranzförmige Zusammenfügung eignet.

19. Verfahren zum Herstellen von Bögen (9, 22) eines Magnetkreises, insbesondere für eine Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man durch Wickeln und Kleben eines Streifens mit konstanter Breite aus einem Magnetblech (T) einen Ring (29) bildet und dann den Ring in zwei voneinander in Umfangsrichtung beabstandeten Bereichen so zerschneidet, daß zwei Bögen (9; 9, 22) erhalten werden.

20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Zerschneiden des Ringes (29) mittels einer Elektroerosionsvorrichtung (53) mit einem Draht ausgeführt wird, die man so programmiert, daß sie einem Zahnprofil folgt, während sie im wesentlichen zur Richtung (X) der Krümmungsachse des Ringes (29) senkrecht bleibt.

21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Zerschneiden gleichzeitig an mehreren Ringen (29) ausgeführt wird, von denen eine Seite, die von einer Kante des Magnetblechs definiert ist, gegen eine parallel zum Draht (52) angeordnete Elektrode (54) gedrückt wird, die einen Einschnitt (55) besitzt, in dem sich der Draht an einem der Schnittenden befindet.