WO2006106087A1 - Reluktanzmotor - Google Patents

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Matthias Braun
Erich Bott
Rolf Vollmer
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    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K21/00—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets
    • H02K21/38—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with rotating flux distributors, and armatures and magnets both stationary
    • H02K21/44—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with rotating flux distributors, and armatures and magnets both stationary with armature windings wound upon the magnets

Definitions

  • the present invention relates to a reluctance motor with a stator and a rotor
  • the stator is made of a ferromagnetic, but not permanent magnetic material and radially directed to the rotor stator teeth,
  • stator permanent magnets emanating from de ⁇ nen permanent magnetic fields.
  • Another way to build a three-phase motor, be ⁇ is to use a conventional three-phase winding in the stator, in addition to introduce permanent magnets in the air gap between the stator and rotor and form the rotor as a reluctance.
  • a motor is described for example in DE 197 43 380 Cl.
  • the magnets must be relatively thick to a strong force or mediating power step-permanent magnet ⁇ to generate field.
  • the requirement of the large thickness runs counter to the desire to choose the effective magnetic air gap between the stator and rotor as small as possible.
  • the object of the present invention is to modify the known reluctance motor in such a way that, in spite of maintaining the permanent magnets, a small effective magnetic air gap can be realized.
  • the object is achieved in a reluctance motor of the above type mentioned ge ⁇ achieved in - that the permanent magnets are arranged tangentially ⁇ dernuten in the STAs
  • the stator teeth have the rotor in the radial direction of a tooth spacing, the permanent magnets a magnetic distance. Characterized in that the magnetic distance at least as large as the tooth pitch, the effective magnetic air gap mi ⁇ can be nimiert.
  • FIG. 1 shows a section through a reluctance motor and FIG. 2 shows an inventive detail of FIG. 1.
  • a reluctance motor has a housing 1 in which a stator 2 is arranged.
  • the housing 1 consists in ⁇ example of steel.
  • the stator 2 consists of a ferromagnetic but not permanent magnetic material. For example, it can be constructed of iron sheets.
  • the reluctance motor has a rotor 3, on which a rotor 4 is arranged.
  • the rotor 3 is mounted in the housing 1 such that the rotor 3 and with it the rotor 4 is rotatable about a rotation axis 5.
  • the stand 2 on the stator teeth 6, the radi ⁇ al, are directed so towards the axis of rotation 5 and from the axis of rotation 5 off on the rotor. 4
  • Each two tangentially adjacent stator teeth 6 form between each a St Sut 7.
  • In the stator slots 7 each have a part of a stator winding 8 is arranged.
  • the stator teeth 6 have a tooth spacing a in the radial direction from the rotor 4. This tooth spacing a corresponds to the mechanically present and - in contrast to the known reluctance motor - at the same time also the effective magnetic air gap 9 of the reluctance motor.
  • stator winding 8 in the radial direction of the rotor 4 to a winding distance b which is greater than the tooth spacing a.
  • the stator winding 8 thus does not fill the stator slots 7. Therefore, it is possible to dernuten 7 permanent magnets 10 use, of which - trivially - go out permanent magnetic fields. Due to the insertion of the permanent magnets 10 in the stator grooves 7 thus the permanent magnets 10 are arranged on the stator 2. Due to this fact, they are furthermore arranged tangentially, ie in the circumferential direction around the axis of rotation 5, in the region of the stator slots 7.
  • the permanent magnets 10 are magnetized in the same direction in the radial direction. This is indicated in FIG. 2 by arrows 11, which, viewed in the radial direction, are all the same direction, e.g. all radially outward.
  • flux guide elements 12 are associated with the permanent magnets 10.
  • the permanent magnetic fields are deflected into the stator teeth 6.
  • the deflection is the art ⁇ that the permanent magnetic fields in the stator teeth 6 are directed in the opposite direction to the permanent fields in the region of the stator slots. 7 This is illustrated in FIG. 2 for one of the permanent magnets 10 by drawing in corresponding magnetic field lines 13.
  • the flux guide elements 12 are made of a ferromagnetic, non-permanent magnetic material.
  • the material may be the same as that of the stand 2.
  • the permanent magnets 10 have in the radial direction of the rotor 4 on a magnet distance c.
  • the magnet spacing c is preferably ⁇ at least as large as the tooth spacing a.
  • the effective magnetic air gap By means of the reluctance motor according to the invention, it is thus possible for the effective magnetic air gap to be as small as the air gap 9 actually existing mechanically. This reduction in distance compensates or overcompensates for the reduction in the magnetic flux resulting from the fact that the permanent magnets 10 are in the tangential direction. see are spaced from each other. Furthermore, compared to the reluctance motor of the prior art, only half of the magnetic material is needed. In addition, the mounting of the permanent magnets 10 on the stator 2 and the entire Ferti ⁇ supply of the stand 2 simplified. In particular, the air gap can ⁇ 9 characterized in that the magnetic distance c is at least as large as the distance a tooth is to be made more accurately.

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  • Power Engineering (AREA)
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  • Permanent Field Magnets Of Synchronous Machinery (AREA)
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Abstract

Ein Reluktanzmotor weist einen Ständer (2) und einen Läufer (4) auf. Der Ständer (2) besteht aus einem ferromagnetischen, aber nicht permanentmagnetischen Material und weist radial auf den Läufer (4) gerichtete Ständerzähne (6) auf. Je zwei tangential benachbarte Ständerzähne (6) bilden zwischen sich je eine Ständernut (7), in der jeweils ein Teil einer Ständerwicklung (8) angeordnet ist. Am Ständer (2) sind Permanentmagnete (10) angeordnet, von denen Permanentmagnetfelder ausgehen. Die Permanentmagnete (10) sind tangential im Bereich der Ständernuten (7) angeordnet und in Radialrichtung gleichsinnig magnetisiert. Ihnen sind Flussführungselemente (12) zugeordnet, mittels derer die von den Permanentmagneten (10) ausgehenden Permanentmagnetfelder derart in die Ständerzähne (6) umgelenkt werden, dass die Permanentmagnetfelder, bezogen auf die Tangentialposition, im Bereich der Ständerzähne (6) einerseits und im Bereich der Ständernuten (7) andererseits gegensinnig zueinander gerichtet sind.

Description

Reluktanzmotor
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Reluktanzmotor mit einem Ständer und einem Läufer,
- wobei der Ständer aus einem ferromagnetischen, aber nicht permanentmagnetischen Material besteht und radial auf den Läufer gerichtete Ständerzähne aufweist,
- wobei je zwei tangential benachbarte Ständerzähne zwischen sich je eine Ständernut bilden, in der jeweils ein Teil ei¬ ner Ständerwicklung angeordnet ist, und
- wobei am Ständer Permanentmagnete angeordnet sind, von de¬ nen Permanentmagnetfelder ausgehen.
Konventionelle Drehstrom-Synchronservomotoren arbeiten nach dem Prinzip, die Wicklung in den Ständer einzubringen, die Erregermagnete oder Erreger-Wicklungen in den Läufer. Die vom Ständer und Läufer erzeugten Magnetfelder wechselwirken miteinander und erzeugen so ein Drehmoment.
Eine weitere Möglichkeit, einen Drehstrommotor zu bauen, be¬ steht darin, eine konventionelle Drehstromwicklung im Ständer zu verwenden, zusätzlich in den Luftspalt zwischen Ständer und Läufer Permanentmagnete einzubringen und den Läufer als Reluktanzprofil auszubilden. Ein derartiger Motor ist beispielsweise in der DE 197 43 380 Cl beschrieben.
Der aus dem Stand der Technik bekannte Motor bietet gegenüber dem konventionellen Motor auch bei geringen Drehzahlen ein hohes Drehmoment und auch einen guten kτ-Wert .
Das Einbringen der Permanentmagnete in den Luftspalt hat aber bauartbedingte Nachteile. Zum Einen ist der wirksame magneti¬ sche Luftspalt - im Gegensatz zum mechanisch vorhandenen Luftspalt - auf Grund der eingebrachten Permanentmagnete re¬ lativ groß. Dies bewirkt ein schwächeres auf den Läufer wir¬ kendes Ständerfeld und somit eine schwächere Kopplung zwi- sehen antreibender Komponente (Ständer) und angetriebener Komponente (Läufer) . Es ergibt sich also eine schlechtere Drehmomentausbeute im Vergleich zu einer ansonsten unverändert gebliebenen Maschine mit einem kleineren magnetischen Luftspalt.
Ein weiterer Nachteil ist die große erforderliche Menge an Permanentmagnetmaterial, da Permanentmagnetmaterial relativ kostenintensiv ist.
Die Magnete müssen auch relativ dick sein, um ein starkes kraftvermittelndes oder kraftübersetzendes Permanentmagnet¬ feld zu generieren. Die Erfordernis der großen Dicke läuft aber dem Bestreben entgegen, den wirksamen magnetischen Luft- spalt zwischen Ständer und Läufer so klein wie möglich zu wählen .
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, den bekannten Reluktanzmotor derart zu modifizieren, dass trotz Beibehaltung der Permanentmagnete ein kleiner wirksamer magnetischer Luftspalt realisierbar ist.
Die Aufgabe wird bei einem Reluktanzmotor der eingangs ge¬ nannten Art dadurch gelöst, - dass die Permanentmagnete tangential im Bereich der Stän¬ dernuten angeordnet sind,
- dass die Permanentmagnete in Radialrichtung gleichsinnig magnetisiert sind und
- dass den Permanentmagneten Flussführungselemente zugeordnet sind, mittels derer die von den Permanentmagneten ausgehenden Permanentmagnetfelder derart in die Ständerzähne umge¬ lenkt werden, dass die Permanentmagnetfelder, bezogen auf die Tangentialposition, im Bereich der Ständerzähne einerseits und im Bereich der Ständernuten andererseits gegen- sinnig zueinander gerichtet sind.
Die Ständerzähne weisen vom Läufer in Radialrichtung einen Zahnabstand auf, die Permanentmagnete einen Magnetabstand. Dadurch, dass der Magnetabstand mindestens so groß wie der Zahnabstand ist, kann der wirksame magnetische Luftspalt mi¬ nimiert werden.
Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen. Dabei zeigen in Prinzipdarstellung:
FIG 1 einen Schnitt durch einen Reluktanzmotor und FIG 2 ein erfindungsgemäßes Detail von FIG 1.
Gemäß FIG 1 weist ein Reluktanzmotor ein Gehäuse 1 auf, in dem ein Stator 2 angeordnet ist. Das Gehäuse 1 besteht bei¬ spielsweise aus Stahl. Der Ständer 2 besteht aus einem ferro- magnetischen, aber nicht permanentmagnetischen Material. Beispielsweise kann er aus Eisenblechen aufgebaut sein. Weiterhin weist der Reluktanzmotor einen Rotor 3 auf, an dem ein Läufer 4 angeordnet ist. Der Rotor 3 ist im Gehäuse 1 derart gelagert, dass der Rotor 3 und mit ihm der Läufer 4 um eine Drehachse 5 drehbar ist.
Gemäß FIG 2 weist der Ständer 2 Ständerzähne 6 auf, die radi¬ al, also in Richtung auf die Drehachse 5 zu bzw. von der Drehachse 5 weg, auf den Läufer 4 gerichtet sind. Je zwei tangential benachbarte Ständerzähne 6 bilden zwischen sich je eine Ständernut 7. In den Ständernuten 7 ist jeweils ein Teil einer Ständerwicklung 8 angeordnet.
Die Ständerzähne 6 weisen in Radialrichtung vom Läufer 4 ei- nen Zahnabstand a auf. Dieser Zahnabstand a entspricht dem mechanisch vorhandenen und - im Gegensatz zu dem bekannten Reluktanzmotor - zugleich auch dem wirksamen magnetischen Luftspalt 9 des Reluktanzmotors.
Gemäß FIG 2 weist die Ständerwicklung 8 in Radialrichtung vom Läufer 4 einen Wicklungsabstand b auf, der größer als der Zahnabstand a ist. Die Ständerwicklung 8 füllt somit die Ständernuten 7 nicht aus. Daher ist es möglich in die Stän- dernuten 7 Permanentmagnete 10 einzusetzen, von denen - trivialerweise - Permanentmagnetfelder ausgehen. Auf Grund des Einsetzens der Permanentmagnete 10 in die Ständernuten 7 sind somit die Permanentmagnete 10 am Ständer 2 angeordnet. Auf Grund dieses Umstands sind sie ferner tangential, also in Um- fangsrichtung um die Drehachse 5 herum gesehen, im Bereich der Ständernuten 7 angeordnet.
Die Permanentmagnete 10 sind in Radialrichtung gleichsinnig magnetisiert . Dies ist in FIG 2 durch Pfeile 11 angedeutet, die in Radialrichtung gesehen alle gleich gerichtet sind, z.B. alle nach radial außen.
Um dennoch Permanentmagnetfelder zu erzeugen, die in Tangen- tialrichtung gesehen vom Ort abhängig sind, sind den Permanentmagneten 10 Flussführungselemente 12 zugeordnet. Mittels der Flussführungselemente 12 werden die Permanentmagnetfelder in die Ständerzähne 6 umgelenkt. Die Umlenkung ist dabei der¬ art, dass die Permanentmagnetfelder im Bereich der Ständer- zahne 6 gegensinnig zu den Permanentfeldern im Bereich der Ständernuten 7 gerichtet sind. Dies ist in FIG 2 für einen der Permanentmagnete 10 durch Einzeichnen entsprechender magnetischer Feldlinien 13 dargestellt.
Die Flussführungselemente 12 bestehen aus einem ferromagneti- schen, nicht permanentmagnetischen Material. Das Material kann das gleiche sein, aus dem auch der Ständer 2 besteht.
Die Permanentmagnete 10 weisen in Radialrichtung vom Läufer 4 einen Magnetabstand c auf. Der Magnetabstand c ist vorzugs¬ weise mindestens so groß wie der Zahnabstand a.
Mittels des erfindungsgemäßen Reluktanzmotors ist es somit möglich, dass der wirksame magnetische Luftspalt ebenso klein wie der mechanisch tatsächlich vorhandene Luftspalt 9 ist. Diese Abstandsverringerung kompensiert bzw. überkompensiert die Verringerung des magnetischen Flusses, die dadurch herrührt, dass die Permanentmagnete 10 in Tangentialrichtung ge- sehen voneinander beabstandet sind. Weiterhin wird gegenüber dem Reluktanzmotor des Standes der Technik nur die Hälfte an Magnetmaterial benötigt. Darüber hinaus ist die Montage der Permanentmagnete 10 am Ständer 2 und auch die gesamte Ferti¬ gung des Ständers 2 vereinfacht. Insbesondere kann der Luft¬ spalt 9 dadurch, dass der Magnetabstand c mindestens so groß wie der Zahnabstand a ist, exakter gefertigt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Reluktanzmotor mit einem Ständer (2) und einem Läufer (4),
- wobei der Ständer (2) aus einem ferromagnetischen, aber nicht permanentmagnetischen Material besteht und radial auf den Läufer (4) gerichtete Ständerzähne (6) aufweist,
- wobei je zwei tangential benachbarte Ständerzähne (6) zwi¬ schen sich je eine Ständernut (7) bilden, in der jeweils ein Teil einer Ständerwicklung (8) angeordnet ist, und - wobei am Ständer (2) Permanentmagnete (10) angeordnet sind, von denen Permanentmagnetfelder ausgehen, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
- dass die Permanentmagnete (10) tangential im Bereich der Ständernuten (7) angeordnet sind, - dass die Permanentmagnete (10) in Radialrichtung gleichsin¬ nig magnetisiert sind und
- dass den Permanentmagneten (10) Flussführungselemente (12) zugeordnet sind, mittels derer die von den Permanentmagne¬ ten (10) ausgehenden Permanentmagnetfelder derart in die Ständerzähne (6) umgelenkt werden, dass die Permanentmag¬ netfelder, bezogen auf die Tangentialposition, im Bereich der Ständerzähne (6) einerseits und im Bereich der Ständer¬ nuten (7) andererseits gegensinnig zueinander gerichtet sind.
2. Reluktanzmotor nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass in Radialrichtung die Ständerzähne (6) vom Läufer (4) einen Zahnabstand (a) aufweisen, dass die Permanentmagnete (10) in Radialrichtung vom Läufer (4) einen Magnetabstand (c) aufweisen und dass der Magnetab¬ stand (c) mindestens so groß wie der Zahnabstand (a) ist.
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