WO2023241798A1 - Switched reluctance machine and method for operating a switched reluctance machine - Google Patents

Switched reluctance machine and method for operating a switched reluctance machine Download PDF

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WO2023241798A1
WO2023241798A1 PCT/EP2022/066417 EP2022066417W WO2023241798A1 WO 2023241798 A1 WO2023241798 A1 WO 2023241798A1 EP 2022066417 W EP2022066417 W EP 2022066417W WO 2023241798 A1 WO2023241798 A1 WO 2023241798A1
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tooth
teeth
rotor
stator
reluctance machine
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PCT/EP2022/066417
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Sebastian Heinz Pohr
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Sebastian Heinz Pohr
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    • H02K2213/03Machines characterised by numerical values, ranges, mathematical expressions or similar information

Definitions

  • the invention relates to a switched reluctance machine with a stator and a rotor, which are spaced apart from one another by an air gap, the stator and the rotor each having a plurality of teeth, the teeth of the rotor being on the teeth of the stator when the reluctance machine is operated in a direction of movement are guided past, with at least one of the two side walls that delimit the respective tooth in the direction of movement having a kink through which the cross section of the respective tooth widens on the side of the kink facing the air gap in order to form a tooth tip of the respective tooth.
  • the invention relates to a method for operating a switched reluctance machine.
  • Reluctance machines are based on the physical principle that systems strive for a state of minimal magnetic resistance.
  • a rotatable or displaceable yoke will always be arranged with respect to a pair of coils such that the magnetic circuit has a minimum magnetic resistance.
  • this is used to exert a torque or force on a rotor by specifying the direction of a magnetic field or by switching magnetic fields sequentially.
  • a rotating magnetic field is used, while in switched reluctance machines, highly pronounced tooth structures on the rotors and stator are used, with a magnetic field of a respective stator pole pair being switched on at a certain point in time at which a relatively small coverage area between the stator teeth of the stator pole pair and the rotor teeth of a pair of rotor teeth is present.
  • Switched reluctance machines are robust, can be set up with little effort and can typically achieve higher torques than synchronous reluctance machines at low speeds with the same size. Nevertheless, in many applications it would be advantageous to achieve forces or
  • the invention is therefore based on the object of further increasing the performance of a switched reluctance machine.
  • a reluctance machine of the type mentioned with a height of the respective tooth head being less than a fifth or smaller than a sixth of a width of the respective tooth, the height of the respective tooth head being equal to the distance of the bend point from one of the respective ones Tooth is the end surface closing towards the air gap and the width of the respective tooth is equal to the minimum distance between the two side walls delimiting the respective tooth in the direction of movement outside the tooth head, the tooth head being at least 135% or at least 150% of the height of the respective tooth head in the direction of movement extends beyond the respective kink point.
  • tooth heads on the teeth of the stator and/or the rotor of a reluctance machine in order to shape the force or torque curve, for example in order to reduce torque gaps.
  • Corresponding tooth heads have a relatively large height in the extension direction of the respective tooth, for example at least a third or at least half of the width of the tooth neck, in order to achieve a relatively low reluctance or a relatively high flux density even when the tooth heads are exclusively overlapped without an overlap of the tooth necks achieve, as this initially appears to be advantageous for achieving high forces or torques.
  • this saturation zone acts as a type of additional air gap.
  • the saturation zone runs obliquely to the air gap and to the direction of movement, this means that the field lines crossing the air gap in the area of the saturation zone are no longer perpendicular to the direction of movement of the rotor teeth and thus an additional force in the direction of movement or an additional torque due to the attractive force between Rotor and stator can exert on the rotor.
  • the length of the saturation zone increases, which corresponds to an increase in the area of a usual air gap, which means that if an approximately constant thickness of the saturation zone is assumed when the overlap changes, this is similar to an extension of the overlap of the tooth end surfaces An additional reluctance force results in the area of the air gap.
  • the described design of the tooth heads results in a saturation zone crossing the air gap when the reluctance machine is operated with sufficient field strengths, through which additional forces or torques can be provided to drive the rotor.
  • Flux density in the air gap by using the saturation zone crossing the air gap over a wide range of crossing angles of the saturation zone and thus over a large working stroke, significantly higher torques or driving forces can be achieved than would be achieved without the presence of such a saturation zone.
  • the two side walls of a tooth in the direction of movement are a front and a back side surface in the direction of movement.
  • the angle between the respective side surface and the direction of movement changes.
  • the angle is reduced at this point, so that the respective side wall on the air gap side of the bend point is guided away from the center of the tooth and thus expands the tooth cross section.
  • the side surface can also run parallel to the direction of movement beyond the bend point, for example to form a rectangular tooth head or something similar. It is even possible for the angle between the side surface and the direction of movement to change its sign, so that the side surface can, for example, run away from the air gap again after reaching the kink, so that a section of the side wall above and below the kink can lie opposite one another.
  • the direction of extension of the teeth can be essentially perpendicular to the
  • the direction of movement is for rotary machines the circumferential direction and can also be location-dependent in linear machines, for example if the rotor is guided along a curved stator.
  • the reluctance machine can be an internal or external rotor or a disk rotor, in which case an approximately cylindrical stator body can be used.
  • the reluctance machine may be a linear machine with a stator that extends along a movement path of the rotor in the direction of movement.
  • the height of the tooth head is measured in particular in the extension direction of the tooth and can therefore be the distance between the bend point and the point of the end surface at which a straight line in the extension direction that intersects the bend point intersects the end surface. Since the kink of a sidewall or surface is an extended structure, the distance along the kink can vary, but remains below the specified limit for the height of the stator tooth.
  • the side surface and the end surface of the respective tooth can extend essentially parallel to an axial or depth direction of the reluctance machine.
  • the side surfaces are in particular essentially perpendicular to the direction of movement.
  • orientations are described as essentially vertical, essentially parallel or similar, deviations of less than 20°, less than 10° or less than 5° may be permissible, with in particular only tolerance-related deviations being permissible.
  • the reluctance machine can include a field application device for applying a magnetic field to the teeth, the maximum field strength of the magnetic field and the material of the teeth being selected such that the saturation flux density in at least one area of the respective tooth outside the tooth tip is between 1.15- times and 1.4 times the maximum magnetic flux density achieved in this area during operation of the reluctance machine.
  • the minimum length of the saturation zone is typically achieved with minimal overlap of the tooth necks in the direction of movement and with increasing overlap of the end surfaces of the teeth in the direction of movement, the saturation zone extends until saturation can no longer be maintained due to the limitation of the magnetic flux density outside the tooth head .
  • the maximum length of the saturation zone and thus the maximum magnetic flux density outside the tooth head thus limit the working stroke of the reluctance machine, via which the additional forces or torques mentioned can be provided. It would therefore initially be advisable to allow the highest possible magnetic flux density outside the tooth tip. At the same time, however, this would mean that in order to achieve the same flux density in the air gap, a significantly higher magnetization power would be required due to the nonlinearity of the magnetization near the saturation limit.
  • the flux density in the air gap determines the usable forces or torques that can be achieved, which means that the use of very high magnetic flux densities outside the tooth tip would lead to a reduction in the usable forces or torques for a given magnetization power.
  • the corresponding design of the field application device can be carried out, for example, by appropriate parameterization or design of a control for coils or other field application means or a corresponding programming of a corresponding control device.
  • the optimal maximum achieved magnetic flux density and the geometry of the tooth heads, in particular their height h, are mutually dependent if an optimal design of the reluctance machine is to be achieved.
  • the optimal height h of the tooth heads can be given approximately as follows for a given width b, a given ratio of saturation flux density and the maximum magnetic flux density x achieved in the area outside the tooth head and thickness of the air gap d:
  • the tooth head extends beyond the respective kink point by at least 135% or at least 150% of the height of the respective tooth head in the direction of movement. While, for example, in reluctance machines with a relatively large number of teeth it can be advantageous to use relatively short tooth heads, according to the invention a certain minimum length should be maintained in the reluctance machine explained, which uses a saturation zone crossing the air gap.
  • the saturation zone penetrates into the tooth tip up to a certain height, which typically depends on the height.
  • all of the advantages mentioned of extending over an air gap are typically no longer achieved extending saturation zone is reached, since at least in one of the teeth in the area of the end surface on one side of the saturation zone no unsaturated tooth material remains.
  • an approximately linear magnetization i.e. a magnetic flux density below the saturation flux density of the tooth material, is achieved in areas of the tooth heads, particularly in the region of their lateral edges.
  • the height of the respective tooth head is preferably greater than one twelfth or greater than one tenth of the width of the respective tooth.
  • the magnetic flux guided through the saturation zone must be dissipated either directly via the air gap into the other tooth or indirectly via the lateral region of the tooth tip. If the sum of the area of the interface towards the lateral extension of the tooth tip and the area of the interface towards the air gap is not sufficiently larger than the area of half the length of the saturation zone, then the area of the tooth material lying on the air gap side of the saturation zone would also necessarily be completely saturated and that The same would also apply to the area of the end surface of the opposing tooth.
  • the additional forces due to the saturation zone crossing the air gap should be achieved over the largest possible working stroke, i.e. over the largest possible movement length in the direction of movement of the rotor tooth with respect to the stator tooth.
  • a positive force contribution typically results from exceeding the point at which the saturation zone crosses the air gap vertically, which can be the case, for example, if a kink in the front side wall of the rotor tooth in the direction of movement passes the kink in the rear side wall of the stator tooth in the direction of movement.
  • the additional force contribution is present as long as the tooth material of the stator or rotor tooth is completely saturated can be maintained at the kinks mentioned. The movement distance or the rotation angle between the two points mentioned can therefore be viewed as the working stroke.
  • the width of the respective tooth represents the maximum constriction of the field guide with sufficient overlap of the end faces of a stator and rotor tooth
  • the highest magnetic flux density outside of the tooth neck typically results in the area of width measurement, i.e. in the area of the narrowest point of the tooth neck Tooth tip or outside the saturation range.
  • the ratio of the saturation flux density to the maximum magnetic flux density achieved in this area during operation of the reluctance machine is denoted by x, it follows that the width b of the tooth should be at least x times the length I of the saturation zone .
  • At least one of the two side walls of at least one of the teeth can have a further kink that is further away from the air gap than the kink, the cross section of the respective tooth widening in an intermediate region between the further kink and the kink.
  • the saturation zone is in this case, as will be referenced later in an example will be explained on Fig. 17, is not fixedly arranged at the kink, but can, depending on the position of the rotor tooth within the working stroke, slide between the kink and the further kink in order to set a minimum length of the saturation zone.
  • the angle between the direction of movement and the side wall in the intermediate region can be larger than in the tooth head or on the side of the kink facing the air gap, but smaller than on the side of the further kink facing away from the air gap. This results in a multi-stage widening of the tooth towards the air gap.
  • the teeth of the stator or the rotor can have a maximum of one kink per side wall.
  • teeth with several kinks in a respective side wall are used only on the rotor side or only on the stator side.
  • the use of only one kink means that the narrow section of the river flow that creates the saturation zone is short, as it only extends directly around the kink, which avoids the problem discussed above.
  • the teeth of the stator and the rotor each have the and the further kink in at least one of their side walls, whereby the cross section of the respective tooth widens in an intermediate region between the kink and the further kink, whereby the Intermediate area of the teeth of the rotor has a shape that differs from the shape of the intermediate area of the teeth of the stator in such a way that the shapes cannot be converted into one another by rotating or mirroring.
  • the different shape of the intermediate areas prevents the constriction of the flow guide cross section, which causes the saturation zone, from being limited by parallel side walls, which means that the problem discussed above can also be avoided.
  • all of the teeth of the rotor and the stator either have at least one kink on exactly one of the side walls to form the tooth head or have at least one kink on both of the side walls to form the tooth head.
  • kinks on teeth of the rotor and the stator in particular in such a way that the kinks are provided on the front side wall of the rotor's tooth in the direction of movement and in the rear side wall of the stator's tooth in the direction of movement, a robust formation of the saturation zone can be achieved sufficient working stroke can be achieved. If, on the other hand, kinks are only provided on one of the opposing teeth, this can result in the saturation zone reaching the air gap, but not completely crossing it, which means that the advantages explained above can only be achieved to a limited extent.
  • the teeth have a kink on one of the side walls.
  • the result is a highly asymmetrical tooth head, which in particular only extends in one direction beyond the tooth neck, which can be advantageous for reasons of installation space, especially if a reluctance machine with a relatively large number of stator or rotor teeth is to be used.
  • both running directions are to be used, it is advantageous to provide kinks on both side walls of the respective tooth so that the tooth head extends in both directions beyond the tooth neck to achieve the advantages explained for both directions of rotation and movement of the runner.
  • the reluctance machine can include the or a field application device, which is set up to apply a magnetic field to the teeth in such a way that in each tooth head, as part of the movement of the rotor with respect to the stator, at least temporarily the magnetic flux density in a section of the tooth head, which is in particular from the Ends of the tooth head are spaced apart in the direction of movement, the saturation flux density of the material of the respective tooth is reached or exceeded.
  • This property of the switched reluctance machine can be checked, for example, by a simulation or, for example, the surface magnetization in the area of the end surfaces facing the air gap can be checked if the saturation zone extends to the end surface.
  • magnetic saturation of the tooth material can be achieved for any tooth shape with sufficiently large fields, so that, for example, suitable dimensioning and current supply to coils of the reluctance machine is sufficient to implement this feature.
  • the reluctance machine can comprise the or a field application device which is set up to apply a magnetic field to the teeth in such a way that at least during a partial interval of the time interval during which the end surfaces of a respective tooth of the stator and the rotor facing the air gap are at least partially in the direction of movement overlap, resulting in saturation zones overlapping in the direction of movement in these end surfaces, in which the magnetic flux density reaches or exceeds the saturation flux density of the material of the respective tooth.
  • the reluctance machine can operate be set up in such a way that a saturation zone crossing the air gap results for at least parts of the working stroke of a pair of teeth.
  • the invention relates to a method for operating a switched reluctance machine with a stator and a rotor, which are spaced apart from one another by an air gap, the stator and the rotor each having a plurality of teeth, the teeth of the rotor during operation of the Reluctance machine can be guided past the teeth of the stator in a direction of movement, with at least one of the two side walls of at least one of the teeth, which limit the respective tooth in the direction of movement, having a kink through which the cross section of the respective tooth is on the side facing the air gap
  • the kink widens to form a tooth tip of the respective tooth, the teeth being subjected to a magnetic field by a field application device in order to drive the reluctance machine, the
  • Field application device is operated in such a way that in each tooth head, as part of the movement of the rotor with respect to the stator, the magnetic flux density in a section of the tooth head, which is in particular spaced from the ends of the tooth head in the direction of movement, at least temporarily reaches the saturation flux density of the material of the respective tooth or exceeds.
  • the method according to the invention can in particular use the reluctance machine according to the invention or the reluctance machine according to the invention can implement the method according to the invention. Regardless of this, the method according to the invention can be further developed with the features explained for the reluctance machine according to the invention with the advantages mentioned there and vice versa.
  • the tooth material can be saturated by applying sufficiently strong fields to it, for example using suitably dimensioned coils and suitable current supply to the coils during operation the reluctance machine can be used. If the field strength is chosen appropriately, the use of kinks and tooth heads adjoining these leads to the fact that not the entire tooth is saturated, but only a saturation zone, which extends in particular at an angle to the air gap of the reluctance machine, which, as already explained above, creates additional useful forces or .Useful torques of the reluctance machine can be provided.
  • the field application device can therefore in particular be operated in such a way that the saturation flux density in at least one area of the respective tooth outside the tooth tip is between 1.15 times and 1.4 times the maximum magnetic flux density achieved in this area during operation of the reluctance machine .
  • the field application device can preferably be operated in such a way that at least during a partial interval of the time interval during which the end surfaces of a respective tooth of the stator and the rotor facing the air gap at least partially overlap in the direction of movement, saturation zones that overlap in the direction of movement result in these end surfaces, in which the magnetic flux density reaches or exceeds the saturation flux density of the material of the respective tooth.
  • Fig. 1 shows an embodiment of an inventive
  • Reluctance machine which is operated according to an exemplary embodiment of the method according to the invention
  • 2 shows a detailed view of an exemplary embodiment of a reluctance machine according to the invention
  • FIG. 3 shows an exemplary magnetization curve for the material of the teeth of a reluctance machine
  • FIG. 7 shows an exemplary embodiment of a reluctance machine according to the invention with several stator teeth subjected to a field by a common coil
  • Fig. 1 shows a switched reluctance machine 1 with a stator 3 and a rotor 2.
  • the teeth 4, 5 of the rotor 2 and the stator 3 extend to an air gap 18 which separates the end surfaces 55, 56 of the teeth 4, 5.
  • the reluctance machine 1 includes a field application device 47, which is formed by coils 54 arranged on the teeth 4 of the stator 3.
  • the coils 54 on the opposite teeth 4 of a tooth pair 6 are energized, whereby, due to the reluctance force, a torque is exerted on the rotor 2 in the direction that leads to an increase in the overlap of the end surfaces 56 of the field-actuated tooth pair 6 and the at the time of switching typically already leads with these overlapping end surfaces 55 of a corresponding pair of teeth 5 of the rotor.
  • the teeth 4, 5 have a respective kink 12 on both side walls 50, 51 and 52, 53, which limit the respective tooth 4, 5 in the direction of movement 57, i.e. in the circumferential direction in the case of a rotary machine. 13 on.
  • This increases the width 9 of the tooth 4 in the area of the tooth neck and results in an increased width 7 in the area of the tooth head 14, 15, which means that the cross section 8, 10 of the respective tooth, assuming a constant depth of the teeth 4, 5, increases in the direction perpendicular to the image plane, at the respective bend point 12, 13 widens, i.e. lateral expansion areas 58 result.
  • tooth heads 14, 15 are known per se and can be used, for example, to achieve a uniform torque curve or to avoid torque gaps.
  • the tooth heads 14, 15 also serve to specifically form a saturation zone that crosses the air gap 18, as will be explained in more detail later.
  • the respective energized coil pair is energized sufficiently strongly by the field application device 47 so that the magnetic flux density in a section of the respective tooth head 14, 15 reaches or exceeds the saturation flux density of the material of the respective tooth 4, 5.
  • the geometry of the tooth heads can ensure that the saturation zone crosses the air gap 18, whereby, as will be explained in more detail later, the available torque of the switched reluctance machine 1 can be increased.
  • the minimum distance between the two side walls 50, 51 and 52, 53 delimiting the respective tooth 4, 5 in the direction of movement 57 outside the tooth head 14, 15 is considered the width.
  • the described geometry of the teeth 4, 5 can ensure that the saturation zone is designed to be robust, even if the maximum magnetic flux density in a large part of the tooth 4, 5 outside the tooth head 14, 15 is increased by a factor of 1.15 to 1.4 is smaller than the saturation flux density of the material of the teeth 4, 5.
  • the magnetization of the tooth 4, 5 can take place outside the saturation zone essentially in the linear region of magnetization, whereby desired flux densities in the air gap 18 can be achieved with acceptable magnetization power.
  • the rotor 2 and thus the only tooth 5 of the rotor shown can be moved in the direction of movement 57, i.e. horizontally in the figure, with respect to the stator 3, of which only one tooth 4 is also shown.
  • a coil (not shown) on the tooth 4 is energized, so that the tooth 5 and thus the stator 2 would be pulled to the right by the reluctance force even without the formation of the saturation zone 17 in order to increase the overlap of the end surfaces 55, 56.
  • the bend 13 on the front side wall 52 of the tooth 5 and the bend 12 on the rear side wall 51 of the tooth 4 result in a constriction of the field guide through the material, for example sheet metal, of the teeth 4, 5, so that the field guide cross section there is smaller than the cross section 10 in the area of the tooth neck and smaller than the overlap in the area of the tooth end surfaces.
  • FIG. 3 shows the magnetization characteristic of the material of the teeth 4, 5, for example electrical sheet metal.
  • the magnetic field strength H is plotted on the x-axis 25 and the magnetic flux density B is plotted on the y-axis 26.
  • Line 27 shows the connection between these variables for the Material of the teeth 4, 5 and the line 28 the corresponding connection for vacuum.
  • the field strength 29 can be adjusted in such a way that a magnetic flux density 30 results outside the tooth head 15 of the tooth 4, in which the magnetization curve 27 increases approximately linearly with the field strength.
  • the narrowing of the field guide cross section through the kinks 12, 13 results in magnetization between the kinks 12, 13 at or beyond point 31 and thus beyond the saturation flux density 32. From this point onwards, the flux density varies parallel to the flux density in the vacuum, which is through the line 28 is shown, so that the saturation zone 17 acts approximately as an additional air gap.
  • Fig. 2 shows schematically the course of the magnetic field lines 19, 20, 21 resulting from the presence of the saturation zone. While the course of the field lines 20, 21 in the area of the air gap 18 essentially corresponds to the course of the corresponding field lines 20, 21 without the presence of the saturation zone 17 corresponds, since the saturation zone there is clearly spaced from the air gap 18, the presence of the saturation zone 17 significantly changes the course of the magnetic field line 19, which crosses the air gap 18 in the area of the saturation zone 17. If the saturation zone 17 were not present, this field line 19 would be essentially perpendicular to the end surfaces 55, 56, so that the magnetic pulling force 22 would run perpendicular to the direction of movement 57 and could therefore not contribute to driving the reluctance machine.
  • a saturation zone 17 results in particular when there is a noticeable restriction of the flow guide cross section through the kinks 12, 13. This results in advantageous dimensions of the tooth heads 15, which will be explained below with additional reference to Figures 4 and 5.
  • 4 already shows a relative position of the teeth 4, 5, which leads to a substantial overlap of the end surfaces 55, 56.
  • 5 shows different positions 41, 42, 43 of the tooth 5 or rotor 2 with respect to the tooth 4 or stator 3, with only the front side wall 51 being shown in dotted or dashed lines for the positions 41, 42.
  • the length 40 of the saturation zone 17 corresponds to the length of the hypotenuse of a triangle, the other side lengths of which are, on the one hand, the distance 39 of the relevant kinks 12, 13 in the direction of movement 57 and, on the other hand, the sum of the heights 11, 16 the tooth heads 14, 15 and the width 33 of the air gap 18.
  • the ratio of the width 9 of the tooth neck of the tooth 4 to the length 40 of the saturation zone 17 corresponds approximately to the ratio of the saturation flux density of the material of the tooth 4 to the magnetic flux density outside the saturation zone 17, in particular in the tooth necks of the teeth 4, 5.
  • this ratio should be advantageous between 1.15 and 1.4.
  • it is advantageous to have the height 11, 16 of the tooth heads should be kept relatively small, for example smaller than a fifth or smaller than a sixth of the width 9 of the respective tooth 4, 5.
  • this ratio also corresponds to the ratio between the width 9 and the length 40 of the saturation zone 17, whereby the position 42 is specified from which the saturation zone 17 can no longer be maintained without it to exceed the maximum magnetic flux density in the neck of the tooth. Additional magnetic forces can therefore only be provided via the working stroke 44 due to the saturation zone 17 used.
  • the magnetic flux that is passed through half the length 35 of the saturation zone 17 must either, as shown by the arrow 36, indirectly via the extension region 58 of the tooth 4 or, as shown by the arrow 37 is shown, are dissipated directly via the air gap 18.
  • the areas shown schematically in FIG. 4, which are crossed by the arrows 36, 37 must be larger in total than half the area of the saturation zone 17.
  • the teeth 4, 5 are formed essentially perpendicular to the image plane over their entire depth, as shown in Fig. 4, the sum of the lengths of the side surfaces crossed by the arrows 36, 37 in the image plane must be greater than the length 35 of the half saturation zone 17.
  • the tooth heads 14, 15 have a certain minimum height, which means that the height 11, 16 should in particular be greater than a twelfth or a tenth of the width 9.
  • Fig. 7 shows a further example of a reluctance machine 1, with a significantly larger number of teeth 4, 5 of the rotor 2 and the stator 3 being used compared to the embodiment according to Fig. 1.
  • a significantly larger number of teeth 4, 5 of the rotor 2 and the stator 3 being used compared to the embodiment according to Fig. 1.
  • the embodiment shown in FIG 48 are subjected to field.
  • torque gaps can be avoided as well as in configurations in which separate magnetic poles of the same number as the number of teeth 4 used in FIG. 7 would be used, without the need for correspondingly complex wiring and control.
  • tooth heads 14, 15 are used which only extend in one direction away from the respective tooth neck in the circumferential direction beyond it.
  • the formation of the saturation zone 17 can therefore only provide additional forces when the rotor 2 rotates clockwise.
  • the machine shown is therefore optimized for operation with only one specified direction of rotation, which is, however, sufficient for many applications.
  • a design with tooth heads in both circumferential directions is possible.
  • FIG. 7 Another special feature of the reluctance machine 1 shown in FIG. 7 is that different teeth 4 of the stator 3 have different widths 9, 9 '.
  • the dimensions of the tooth heads are preferably tailored to the respective width 9, 9 'of the respective tooth 4.
  • shapes of the tooth heads 14, 15 can be used that lie within the intervals discussed for all widths 9, 9 'used.
  • the extension region 58 of the respective tooth head 14, 15 that widens the tooth neck is essentially rectangular or that the respective side wall 50 to 53 bends at right angles at the respective bend point 12, 13.
  • the kinks 12, 13 clearly define a narrow point for the magnetic flux, so that the specific angle at which the respective side wall 50 to 53 bends at the respective kink 12, 13 and the shape of the extension area 58 beyond the kink 12, 13 only has an indirect influence on this and can thus be varied, for example, to optimize other properties.
  • Figures 8 to 13 show various possible shapes of the extension area 58, which differ on the one hand with regard to the bend angle at the bend point 12, on the other hand with regard to the further course of the side wall after the bend point 12 and thirdly with regard to the curvature of the side wall 51 differ beyond the bend point 12, so that, for example, there is a concave, a convex or no curvature.
  • the side wall can, for example, be straight, convex or concave, as shown in FIGS. 14 to 16.

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Abstract

The invention relates to a switched reluctance machine. The stator (3) and the rotor (2) have a respective plurality of teeth (4, 5), wherein the teeth (5) of the rotor (2) are moved past the teeth (4) of the stator (3) in a movement direction (57) during an operation of the reluctance machine (1), and at least one of the two lateral walls (50-53) of at least one of the teeth (4, 5) which delimits the respective tooth (4, 5) in the movement direction (57) has a bending point (12, 13), by means of which the cross-section (8, 10) of the respective tooth (4, 5) expands on the bending point (12, 13) side facing the air gap (18) in order to form a tooth head (14, 15) of the respective tooth (4, 5). The height (11, 16) of each tooth head (14, 15) is less than a fifth or a sixth of the width (9) of the respective tooth (4, 5), and the height (11, 16) of each tooth head (14, 15) equals the distance from the bending point (12, 13) to the end face (55, 56) which terminates the respective tooth (4, 5) with respect to the air gap (18). The width (9) of each tooth (4, 5) equals the minimum spacing between the two lateral walls (50- 53) outside the tooth head (14, 15), said lateral walls delimiting the respective tooth (4, 5) in the movement direction (57), and the tooth head (14, 15) extends beyond the respective bending point (12, 13) by at least 135% or at least 150% of the height (11, 16) of the respective tooth head (14, 15) in the movement direction (57).

Description

Geschaltete Reluktanzmaschine und Verfahren zum Betrieb einer geschaltetenSwitched reluctance machine and method for operating a switched one
Reluktanzmaschine Reluctance machine
Die Erfindung betrifft eine geschaltete Reluktanzmaschine mit einem Stator und einem Läufer, die durch einen Luftspalt voneinander beabstandet sind, wobei der Stator und der Läufer jeweils mehrere Zähne aufweisen, wobei die Zähne des Läufers bei einem Betrieb der Reluktanzmaschine in eine Bewegungsrichtung an den Zähnen des Stators vorbeigeführt werden, wobei wenigstens eine der beiden Seitenwände, die den jeweiligen Zahn in Bewegungsrichtung begrenzen, eine Knickstelle aufweist, durch die sich der Querschnitt des jeweiligen Zahns an der dem Luftspalt zugewandten Seite der Knickstelle weitet, um einen Zahnkopf des jeweiligen Zahns auszubilden. Daneben betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer geschalteten Reluktanzmaschine. The invention relates to a switched reluctance machine with a stator and a rotor, which are spaced apart from one another by an air gap, the stator and the rotor each having a plurality of teeth, the teeth of the rotor being on the teeth of the stator when the reluctance machine is operated in a direction of movement are guided past, with at least one of the two side walls that delimit the respective tooth in the direction of movement having a kink through which the cross section of the respective tooth widens on the side of the kink facing the air gap in order to form a tooth tip of the respective tooth. In addition, the invention relates to a method for operating a switched reluctance machine.
Reluktanzmaschinen basieren auf dem physikalischen Prinzip, dass Systeme nach einem Zustand minimalen magnetischen Widerstands streben. Reluctance machines are based on the physical principle that systems strive for a state of minimal magnetic resistance.
Beispielsweise wird sich ein drehbares oder verschiebbares Joch stets so bezüglich eines Spulenpaars anordnen, dass der magnetische Kreis einen minimalen magnetischen Widerstand aufweist. In Reluktanzmaschinen wird dies dazu genutzt, durch eine entsprechende Richtungsvorgabe für ein Magnetfeld oder das sequentielle Schalten von Magnetfeldern ein Drehmoment oder eine Kraft auf einen Läufer auszuüben. Bei synchronen Reluktanzmaschinen wird ein rotierendes Magnetfeld genutzt, während bei geschalteten Reluktanzmaschinen stark ausgeprägte Zahnstrukturen an Läufern und Stator genutzt werden, wobei ein Magnetfeld eines jeweiligen Statorpolpaars zu einem bestimmten Zeitpunkt eingeschaltet wird, zu dem eine relativ geringe Überdeckungsfläche zwischen den Statorzähnen des Statorpolpaars und den Läuferzähnen eines Läuferzahnpaars vorhanden ist. Da bei einem Ansteigen dieser Überdeckungsfläche der magnetische Widerstand für das Statorpolpaar sinkt, resultiert hieraus ein Drehmoment bei einer Rotationsmaschine bzw. eine Antriebskraft bei einem Linearantrieb. Geschaltete Reluktanzmaschinen sind robust, mit geringem Aufwand aufbaubar und können bei niedrigen Drehzahlen bei gleicher Baugröße typischerweise höhere Momente erreichen als synchrone Reluktanzmaschinen. Dennoch wäre es in vielen Anwendungsfällen vorteilhaft, bei gleichem Gewicht bzw. Bauraumverbrauch einer Reluktanzmaschine erreichbare Kräfte bzw. For example, a rotatable or displaceable yoke will always be arranged with respect to a pair of coils such that the magnetic circuit has a minimum magnetic resistance. In reluctance machines, this is used to exert a torque or force on a rotor by specifying the direction of a magnetic field or by switching magnetic fields sequentially. In synchronous reluctance machines, a rotating magnetic field is used, while in switched reluctance machines, highly pronounced tooth structures on the rotors and stator are used, with a magnetic field of a respective stator pole pair being switched on at a certain point in time at which a relatively small coverage area between the stator teeth of the stator pole pair and the rotor teeth of a pair of rotor teeth is present. Since the magnetic resistance for the stator pole pair decreases when this coverage area increases, this results in a torque in a rotary machine or a driving force in a linear drive. Switched reluctance machines are robust, can be set up with little effort and can typically achieve higher torques than synchronous reluctance machines at low speeds with the same size. Nevertheless, in many applications it would be advantageous to achieve forces or
Drehmomente bei ansonsten im Wesentlichen gleichen Randbedingungen weiter zu erhöhen. To further increase torques under otherwise essentially the same boundary conditions.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, die Leistungsfähigkeit einer geschalteten Reluktanzmaschine weiter zu erhöhen. The invention is therefore based on the object of further increasing the performance of a switched reluctance machine.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Reluktanzmaschine der eingangs genannten Art gelöst, wobei eine Höhe des jeweiligen Zahnkopfes kleiner als ein Fünftel oder kleiner als ein Sechstel einer Breite des jeweiligen Zahns ist, wobei die Höhe des jeweiligen Zahnkopfes gleich dem Abstand der Knickstelle von einer den jeweiligen Zahn zum Luftspalt hin abschließenden Endfläche ist und die Breite des jeweiligen Zahns gleich dem minimalen Abstand der beiden den jeweiligen Zahn in Bewegungsrichtung begrenzenden Seitenwände außerhalb des Zahnkopfes ist, wobei sich der Zahnkopf um wenigstens 135% oder wenigstens 150% der Höhe des jeweiligen Zahnkopfes in Bewegungsrichtung über die jeweilige Knickstelle hinaus erstreckt. The object is achieved according to the invention by a reluctance machine of the type mentioned, with a height of the respective tooth head being less than a fifth or smaller than a sixth of a width of the respective tooth, the height of the respective tooth head being equal to the distance of the bend point from one of the respective ones Tooth is the end surface closing towards the air gap and the width of the respective tooth is equal to the minimum distance between the two side walls delimiting the respective tooth in the direction of movement outside the tooth head, the tooth head being at least 135% or at least 150% of the height of the respective tooth head in the direction of movement extends beyond the respective kink point.
Es ist an sich bereits bekannt, an den Zähnen des Stators und/oder des Rotors einer Reluktanzmaschine Zahnköpfe zu nutzen, um durch diese den Kraft- bzw. Drehmomentverlauf zu formen, beispielsweise um Momentlücken zu reduzieren. Entsprechende Zahnköpfe weisen eine relativ große Höhe in Erstreckungsrichtung des jeweiligen Zahns auf, beispielsweise zumindest ein Drittel oder zumindest die Hälfte der Breite des Zahnhalses, um bereits bei ausschließlichem Überlappen der Zahnköpfe ohne einen Überlapp der Zahnhälse eine relativ geringe Reluktanz bzw. eine relativ hohe Flussdichte zu erreichen, da dies zum Erreichen hoher Kräfte bzw. Drehmomente zunächst vorteilhaft erscheint. Im Rahmen der Erfindung wurde jedoch erkannt, dass durch die Verwendung von Zahnköpfen mit geringer Höhe bzw. Ausdehnung senkrecht zum Luftspalt eine Sättigung des Zahnmaterials in einer Sättigungszone, die den Luftspalt quert, erreicht werden kann, während im Zahnhals außerhalb des Zahnkopfes beispielsweise maximal 70 % - 85 % der Sättigungsmagnetisierung des Zahnmaterials erreicht werden. Durch Wahl einer hinreichenden Breite des Zahnkopfes derart, dass er sieh in Bewegungsrichtung um wenigstens 135% oder wenigstens 150% über die jeweilige Knickstelle hinaus erstreckt, wird hierbei erreicht, dass der Feldführungsquerschnitt im Bereich der Sättigungszone im Wesentlichen während der gesamten Überlappung eines Zahnpaars kleiner als die Überlappungsfläche und somit der Feldführungsquerschnitt im Bereich der Zahnendflächen ist. Hierdurch kann eine Sättigung im Bereich der Zahnendflächen außerhalb der Sättigungszone vermieden werden. It is already known to use tooth heads on the teeth of the stator and/or the rotor of a reluctance machine in order to shape the force or torque curve, for example in order to reduce torque gaps. Corresponding tooth heads have a relatively large height in the extension direction of the respective tooth, for example at least a third or at least half of the width of the tooth neck, in order to achieve a relatively low reluctance or a relatively high flux density even when the tooth heads are exclusively overlapped without an overlap of the tooth necks achieve, as this initially appears to be advantageous for achieving high forces or torques. In the context of the invention, however, it was recognized that by using tooth heads with a small height or extension perpendicular to the air gap, saturation of the tooth material in a saturation zone that crosses the air gap can be achieved, while in the tooth neck outside the tooth head, for example, a maximum of 70% - 85% of the saturation magnetization of the tooth material can be achieved. By choosing a sufficient width of the tooth head in such a way that it extends in the direction of movement by at least 135% or at least 150% beyond the respective kink point, it is achieved that the field guide cross section in the area of the saturation zone is essentially smaller than during the entire overlap of a pair of teeth is the overlap area and thus the field guide cross section in the area of the tooth end surfaces. This makes it possible to avoid saturation in the area of the tooth end surfaces outside the saturation zone.
Für jenen Anteil der Flussdichte, die die Sättigungsflussdichte übersteigt, wirkt diese Sättigungszone als eine Art zusätzlicher Luftspalt. Da die Sättigungszone jedoch schräg zum Luftspalt und zur Bewegungsrichtung verläuft, führt dies dazu, dass die den Luftspalt querenden Feldlinien im Bereich der Sättigungszone nicht mehr senkrecht zur Bewegungsrichtung der Läuferzähne stehen und somit eine zusätzliche Kraft in Bewegungsrichtung bzw. ein zusätzliches Drehmoment aufgrund der Anziehungskraft zwischen Läufer und Stator auf den Läufer ausüben können. Zudem verlängert sich bei zunehmendem Überlapp der Zähne die Länge der Sättigungszone, was einer Vergrößerung der Fläche eines üblichen Luftspalts entspricht, womit dann, wenn näherungsweise eine konstante Dicke der Sättigungszone bei der Überlappänderung angenommen wird, hierdurch ähnlich wie bei einer Verlängerung des Überlapp der Zahnendflächen im Bereich des Luftspalts eine zusätzliche Reluktanzkraft resultiert. For that portion of the flux density that exceeds the saturation flux density, this saturation zone acts as a type of additional air gap. However, since the saturation zone runs obliquely to the air gap and to the direction of movement, this means that the field lines crossing the air gap in the area of the saturation zone are no longer perpendicular to the direction of movement of the rotor teeth and thus an additional force in the direction of movement or an additional torque due to the attractive force between Rotor and stator can exert on the rotor. In addition, as the overlap of the teeth increases, the length of the saturation zone increases, which corresponds to an increase in the area of a usual air gap, which means that if an approximately constant thickness of the saturation zone is assumed when the overlap changes, this is similar to an extension of the overlap of the tooth end surfaces An additional reluctance force results in the area of the air gap.
Durch die beschriebene Ausgestaltung der Zahnköpfe resultiert somit bei Betrieb der Reluktanzmaschine mit hinreichenden Feldstärken eine den Luftspalt querende Sättigungszone, durch die zusätzliche Kräfte bzw. Drehmomente zum Antrieb des Läufers bereitgestellt werden können. Durch geometrische Betrachtungen kann abgeschätzt werden, dass bei Erreichen der gleichen Flussdichte im Luftspalt durch die Nutzung der den Luftspalt querenden Sättigungszone über einen weiten Bereich von Querungswinkeln der Sättigungszone und somit über einen großen Arbeitshub signifikant höhere Drehmomente bzw. Antriebskräfte erreicht werden können, als sie ohne das Vorhandensein einer solchen Sättigungszone erreicht würden. Hierbei ist jedoch zu beachten, dass bei Nutzung einer solchen Sättigungszone zum Erreichen der gleichen Flussdichte im Luftspalt aufgrund der notwendigen Sättigung des Zahnmaterials und den relativ hohen resultierenden Flussdichten im Bereich anderer Engstellen typischerweise eine insgesamt höhere Magnetisierungsleistung als bei üblichen Reluktanzmaschinen, bei denen eine solche Sättigung vermieden wird, erforderlich ist. Daher sind bei Auslegung der erfindungsgemäßen geschalteten Reluktanzmaschine auf gleiche Magnetisierungsleistung wie eine übliche geschaltete Reluktanzmaschine zwar weiterhin höhere Nutzkräfte bzw. Drehmomente erreichbar als bei dieser, die Steigerung wird jedoch geringer ausfallen als bei einem Erreichen gleicher Flussdichte im Luftspalt. The described design of the tooth heads results in a saturation zone crossing the air gap when the reluctance machine is operated with sufficient field strengths, through which additional forces or torques can be provided to drive the rotor. Through geometric considerations it can be estimated that when the same is achieved Flux density in the air gap by using the saturation zone crossing the air gap over a wide range of crossing angles of the saturation zone and thus over a large working stroke, significantly higher torques or driving forces can be achieved than would be achieved without the presence of such a saturation zone. However, it should be noted that when using such a saturation zone to achieve the same flux density in the air gap, due to the necessary saturation of the tooth material and the relatively high resulting flux densities in the area of other bottlenecks, a generally higher magnetization power is typically achieved than in conventional reluctance machines in which such saturation is required avoided is necessary. Therefore, if the switched reluctance machine according to the invention is designed to have the same magnetization power as a conventional switched reluctance machine, higher useful forces or torques can still be achieved than with this, but the increase will be smaller than if the same flux density in the air gap was achieved.
Bei den beiden Seitenwänden eines Zahns in Bewegungsrichtung handelt es sich um eine vordere und eine rückseitige Seitenfläche in Bewegungsrichtung. An der Knickstelle ändert sich der Winkel zwischen der jeweiligen Seitenfläche und der Bewegungsrichtung. Insbesondere wird der Winkel an dieser Stelle reduziert, so dass die jeweilige Seitenwand an der luftspaltseitigen Seite der Knickstelle von der Mitte des Zahns weggeführt wird und somit den Zahnquerschnitt erweitert. Die Seitenfläche kann jenseits der Knickstelle auch parallel zur Bewegungsrichtung verlaufen, beispielsweise um einen rechteckigen Zahnkopf auszubilden oder Ähnliches. Es ist sogar möglich, dass der Winkel zwischen Seitenfläche und Bewegungsrichtung sein Vorzeichen ändert, so dass die Seitenfläche beispielsweise nach dem Erreichen der Knickstelle wieder vom Luftspalt wegverlaufen kann, womit ein Abschnitt der Seitenwand oberhalb und unterhalb der Knickstelle einander gegenüberliegen können. The two side walls of a tooth in the direction of movement are a front and a back side surface in the direction of movement. At the bend point, the angle between the respective side surface and the direction of movement changes. In particular, the angle is reduced at this point, so that the respective side wall on the air gap side of the bend point is guided away from the center of the tooth and thus expands the tooth cross section. The side surface can also run parallel to the direction of movement beyond the bend point, for example to form a rectangular tooth head or something similar. It is even possible for the angle between the side surface and the direction of movement to change its sign, so that the side surface can, for example, run away from the air gap again after reaching the kink, so that a section of the side wall above and below the kink can lie opposite one another.
Die Erstreckungsrichtung der Zähne kann im Wesentlichen senkrecht zurThe direction of extension of the teeth can be essentially perpendicular to the
Bewegungsrichtung verlaufen. Die Bewegungsrichtung ist bei Rotationsmaschinen die Umfangsrichtung und kann bei Linearmaschinen auch ortsabhängig sein, beispielsweise wenn der Läufer entlang einem gekrümmten Stator geführt wird. direction of movement. The direction of movement is for rotary machines the circumferential direction and can also be location-dependent in linear machines, for example if the rotor is guided along a curved stator.
Die Reluktanzmaschine kann ein Innen- oder Außenläufer oder ein Scheibenläufer sein, wobei in diesen Fällen ein näherungsweise zylinderförmiger Statorkörper verwendet werden kann. Alternativ kann die Reluktanzmaschine eine Linearmaschine mit einem Stator, der sich entlang einem Bewegungspfad des Läufers in Bewegungsrichtung erstreckt, sein. Die Höhe des Zahnkopfes wird insbesondere in Erstreckungsrichtung des Zahns gemessen und kann somit dem Abstand zwischen der Knickstelle und dem Punkt der Endfläche, an dem eine Gerade in Erstreckungsrichtung, die die Knickstelle schneidet, die Endfläche schneidet, sein. Da es sich bei der Knickstelle einer Seitenwand bzw. einer Fläche um eine ausgedehnte Struktur handelt, kann der Abstand entlang der Knickstelle variieren, wobei er jedoch unterhalb der angegebenen Grenze für die Höhe des Statorzahns bleibt. The reluctance machine can be an internal or external rotor or a disk rotor, in which case an approximately cylindrical stator body can be used. Alternatively, the reluctance machine may be a linear machine with a stator that extends along a movement path of the rotor in the direction of movement. The height of the tooth head is measured in particular in the extension direction of the tooth and can therefore be the distance between the bend point and the point of the end surface at which a straight line in the extension direction that intersects the bend point intersects the end surface. Since the kink of a sidewall or surface is an extended structure, the distance along the kink can vary, but remains below the specified limit for the height of the stator tooth.
Die Seitenfläche und die Endfläche des jeweiligen Zahns kann sich im Wesentlichen parallel zu einer Axial- bzw. Tiefenrichtung der Reluktanzmaschine erstrecken. Die Seitenflächen stehen insbesondere im Wesentlichen senkrecht auf der Bewegungsrichtung. The side surface and the end surface of the respective tooth can extend essentially parallel to an axial or depth direction of the reluctance machine. The side surfaces are in particular essentially perpendicular to the direction of movement.
Soweit Orientierungen als im Wesentlichen senkrecht, im Wesentlichen parallel oder Ähnliches bezeichnet werden, können hierbei Abweichungen von weniger als 20°, weniger als 10° oder weniger als 5° zulässig sein, wobei insbesondere nur toleranzbedingte Abweichungen zulässig sind. To the extent that orientations are described as essentially vertical, essentially parallel or similar, deviations of less than 20°, less than 10° or less than 5° may be permissible, with in particular only tolerance-related deviations being permissible.
Die Reluktanzmaschine kann eine Feldbeaufschlagungseinrichtung zur Beaufschlagung der Zähne mit einem magnetischen Feld umfassen, wobei die maximale Feldstärke des magnetischen Feldes und das Material der Zähne so gewählt sind, dass die Sättigungsflussdichte in wenigstens einem Bereich des jeweiligen Zahns außerhalb des Zahnkopfes zwischen dem 1 ,15-fachen und dem 1 ,4-fachen der maximalen in diesem Bereich während des Betriebs der Reluktanzmaschine erreichten magnetischen Flussdichte ist. Je höhere magnetische Flussdichten außerhalb des Zahnkopfes zugelassen werden, über desto größere Längen der Sättigungszone kann bei ansonsten gleicher Auslegung der Reluktanzmaschine die Sättigungsflussdichte erreicht werden. Dies ist relevant, da die Sättigungszone einseitig typischerweise an die Knickstelle einer Seitenwand eines der überlappenden Zähne angreift und an der anderen Seite an das gegenüberliegende Ende bzw. eine Knickstelle der gegenüberliegenden Seitenwand des anderen der überlappenden Zähne. Somit wird die minimale Länge der Sättigungszone typischerweise bei minimalem Überlapp der Zahnhälse in Bewegungsrichtung erreicht und mit zunehmendem Überlapp der Endflächen der Zähne in Bewegungsrichtung verlängert sich die Sättigungszone so lange, bis eine Sättigung aufgrund der Begrenzung der magnetischen Flussdichte außerhalb des Zahnkopfes nicht mehr aufrechterhalten werden kann. The reluctance machine can include a field application device for applying a magnetic field to the teeth, the maximum field strength of the magnetic field and the material of the teeth being selected such that the saturation flux density in at least one area of the respective tooth outside the tooth tip is between 1.15- times and 1.4 times the maximum magnetic flux density achieved in this area during operation of the reluctance machine. The higher the magnetic flux densities permitted outside the tooth tip, the greater the length of the saturation zone that the saturation flux density can be achieved with an otherwise identical design of the reluctance machine. This is relevant because the saturation zone typically engages the kink of a side wall of one of the overlapping teeth on one side and the opposite end or a kink of the opposite side wall of the other of the overlapping teeth on the other side. Thus, the minimum length of the saturation zone is typically achieved with minimal overlap of the tooth necks in the direction of movement and with increasing overlap of the end surfaces of the teeth in the direction of movement, the saturation zone extends until saturation can no longer be maintained due to the limitation of the magnetic flux density outside the tooth head .
Die maximale Länge der Sättigungszone und somit die maximale magnetische Flussdichte außerhalb des Zahnkopfes begrenzen somit den Arbeitshub der Reluktanzmaschine, über den die genannten Zusatzkräfte bzw. Drehmomente bereitgestellt werden können. Somit wäre es zunächst zweckmäßig, eine möglichst hohe magnetische Flussdichte außerhalb des Zahnkopfes zuzulassen. Zugleich würde dies jedoch dazu führen, dass zum Erreichen der gleichen Flussdichte im Luftspalt aufgrund der Nichtlinearität der Magnetisierung nahe der Sättigungsgrenze eine deutlich höhere Magnetisierungsleistung erforderlich wäre. Die Flussdichte im Luftspalt bestimmt jedoch die erreichbaren Nutzkräfte bzw. Drehmomente, womit die Nutzung von sehr hohen magnetischen Flussdichten außerhalb des Zahnkopfes bei gegebener Magnetisierungsleistung zu einer Reduzierung der Nutzkräfte bzw. Drehmomente führen würde. The maximum length of the saturation zone and thus the maximum magnetic flux density outside the tooth head thus limit the working stroke of the reluctance machine, via which the additional forces or torques mentioned can be provided. It would therefore initially be advisable to allow the highest possible magnetic flux density outside the tooth tip. At the same time, however, this would mean that in order to achieve the same flux density in the air gap, a significantly higher magnetization power would be required due to the nonlinearity of the magnetization near the saturation limit. However, the flux density in the air gap determines the usable forces or torques that can be achieved, which means that the use of very high magnetic flux densities outside the tooth tip would lead to a reduction in the usable forces or torques for a given magnetization power.
Die beiden obig genannten Effekte führen somit zu widersprüchlichen Anforderungen bezüglich der außerhalb des Zahnkopfes zu nutzenden magnetischen Flussdichte und somit der Feldstärke mit der die Zähne beaufschlagt werden. Im Rahmen der Entwicklung der Erfindung wurde erkannt, dass die Wahl der maximal in dem Bereich außerhalb des Zahnkopfes erreichten magnetischen Flussdichte gemäß obiger Vorgabe hierbei einen guten Kompromiss zwischen den Anforderungen darstellt, der zumindest näherungsweise optimale Drehmomente bzw. Nutzkräfte bei gegebener Magnetisierungsleistung ermöglicht. The two effects mentioned above therefore lead to contradictory requirements regarding the magnetic flux density to be used outside the tooth head and thus the field strength with which the teeth are exposed. As part of the development of the invention, it was recognized that the choice of maximum achieved in the area outside the tooth tip magnetic flux density according to the above specification represents a good compromise between the requirements, which at least approximately enables optimal torques or useful forces for a given magnetization power.
Die entsprechende Ausgestaltung der Feldbeaufschlagungseinrichtung kann beispielsweise durch entsprechende Parametrisierung bzw. Auslegung einer Steuerung für Spulen oder von anderen Feldbeaufschlagungsmitteln bzw. eine entsprechende Programmierung einer entsprechenden Steuereinrichtung erfolgen. The corresponding design of the field application device can be carried out, for example, by appropriate parameterization or design of a control for coils or other field application means or a corresponding programming of a corresponding control device.
Die zweckmäßige maximal erreichte magnetische Flussdichte und die Geometrie der Zahnköpfe, insbesondere deren Höhe h, stehen in einem gegenseitigen Abhängigkeitsverhältnis, wenn eine optimale Auslegung der Reluktanzmaschine erreicht werden soll. Die optimale Höhe h der Zahnköpfe kann hierbei bei gegebener Breite b, gegebenem Verhältnis von Sättigungsflussdichte und maximaler in dem Bereich außerhalb des Zahnkopfes erreichten magnetischen Flussdichte x und Dicke des Luftspalts d näherungsweise wie folgt angegeben werden:
Figure imgf000009_0001
The appropriate maximum achieved magnetic flux density and the geometry of the tooth heads, in particular their height h, are mutually dependent if an optimal design of the reluctance machine is to be achieved. The optimal height h of the tooth heads can be given approximately as follows for a given width b, a given ratio of saturation flux density and the maximum magnetic flux density x achieved in the area outside the tooth head and thickness of the air gap d:
Figure imgf000009_0001
Der Zahnkopf erstreckt sich um wenigstens 135 % oder wenigstens 150 % der Höhe des jeweiligen Zahnkopfes in Bewegungsrichtung über die jeweilige Knickstelle hinaus. Während es beispielsweise bei Reluktanzmaschinen mit relativ vielen Zähnen an sich vorteilhaft sein kann, relativ kurze Zahnköpfe zu nutzen, soll erfindungsgemäß bei der erläuterten Reluktanzmaschine, die eine den Luftspalt querende Sättigungszone nutzt, eine gewisse Mindestlänge eingehalten werden. The tooth head extends beyond the respective kink point by at least 135% or at least 150% of the height of the respective tooth head in the direction of movement. While, for example, in reluctance machines with a relatively large number of teeth it can be advantageous to use relatively short tooth heads, according to the invention a certain minimum length should be maintained in the reluctance machine explained, which uses a saturation zone crossing the air gap.
Dies ist relevant, da die Sättigungszone bis zu einem gewissen, typischerweise von der Höhe des Zahnkopfes abhängigen Höhe in diesen eindringt. Falls sich die Sättigungszone jedoch bis zum Ende des Zahnkopfes erstreckt, werden typischerweise nicht mehr alle genannten Vorteile der sich über einen Luftspalt erstreckenden Sättigungszone erreicht, da zumindest in einem der Zähne im Bereich der Endfläche auf einer Seite der Sättigungszone kein nicht gesättigtes Zahnmaterial mehr verbleibt. Im Idealfall wird in den Zahnköpfen bereichsweise, insbesondere im Bereich ihrer seitlichen Ränder, eine näherungsweise lineare Magnetisierung, also eine magnetische Flussdichte unterhalb der Sättigungsflussdichte des Zahnmaterials, erreicht. This is relevant because the saturation zone penetrates into the tooth tip up to a certain height, which typically depends on the height. However, if the saturation zone extends to the end of the tooth tip, all of the advantages mentioned of extending over an air gap are typically no longer achieved extending saturation zone is reached, since at least in one of the teeth in the area of the end surface on one side of the saturation zone no unsaturated tooth material remains. Ideally, an approximately linear magnetization, i.e. a magnetic flux density below the saturation flux density of the tooth material, is achieved in areas of the tooth heads, particularly in the region of their lateral edges.
Die Höhe des jeweiligen Zahnkopfes ist vorzugsweise größer als ein Zwölftel oder größer als ein Zehntel der Breite des jeweiligen Zahns. Wie später noch mit Bezug auf Fig. 4 an einem Beispiel erläutert werden wird, muss der durch die Sättigungszone geführte magnetische Fluss entweder direkt über den Luftspalt in den anderen Zahn oder indirekt über den seitlichen Bereich des Zahnkopfes abgeführt werden. Ist die Summe aus der Fläche der Grenzfläche zur seitlichen Erweiterung des Zahnkopfes hin und der Fläche der Grenzfläche zum Luftspalt hin nicht hinreichend größer als die Fläche der halben Länge der Sättigungszone, so würde der luftspaltseitig der Sättigungszone liegende Bereich des Zahnmaterials notwendig ebenfalls vollständig gesättigt und das gleiche würde auch für den Bereich der Endfläche des gegenüberliegenden Zahns gelten. Eine Bereitstellung der zusätzlichen Kraft bzw. des zusätzlichen Drehmoments wären bei Zahnköpfen mit sehr geringer Höhe daher nur über einen geringen Arbeitshub möglich. Um einen großen Arbeitshub für die zusätzlichen Kräfte zu erreichen ist es somit zweckmäßig, die obig angegebenen Mindesthöhen des Zahnkopfes einzuhalten. The height of the respective tooth head is preferably greater than one twelfth or greater than one tenth of the width of the respective tooth. As will be explained later with reference to FIG. 4 using an example, the magnetic flux guided through the saturation zone must be dissipated either directly via the air gap into the other tooth or indirectly via the lateral region of the tooth tip. If the sum of the area of the interface towards the lateral extension of the tooth tip and the area of the interface towards the air gap is not sufficiently larger than the area of half the length of the saturation zone, then the area of the tooth material lying on the air gap side of the saturation zone would also necessarily be completely saturated and that The same would also apply to the area of the end surface of the opposing tooth. In the case of tooth heads with a very low height, provision of the additional force or additional torque would therefore only be possible via a small working stroke. In order to achieve a large working stroke for the additional forces, it is advisable to adhere to the minimum heights of the tooth head specified above.
Wie obig bereits erläutert wurde, sollen die zusätzlichen Kräfte aufgrund der den Luftspalt querenden Sättigungszone über einen möglichst großen Arbeitshub, also über eine möglichst große Bewegungslänge in Bewegungsrichtung des Läuferzahns bezüglich des Statorzahns, erreicht werden. Ein positiver Kraftbeitrag resultiert hierbei typischerweise ab Überschreiten jenes Punktes, an dem die Sättigungszone den Luftspalt senkrecht durchquert, was beispielsweise der Fall sein kann, wenn eine Knickstelle der in Bewegungsrichtung vorderen Seitenwand des Läuferzahns die Knickstelle der in Bewegungsrichtung hinteren Seitenwand des Statorzahns passiert. Der zusätzliche Kraftbeitrag ist vorhanden, solange die vollständige Sättigung des Zahnmaterials des Stator- bzw. Läuferzahns zwischen den genannten Knickstellen aufrechterhalten werden kann. Als Arbeitshub kann somit die Bewegungsstrecke bzw. der Rotationswinkel zwischen den beiden genannten Punkten betrachtet werden. As already explained above, the additional forces due to the saturation zone crossing the air gap should be achieved over the largest possible working stroke, i.e. over the largest possible movement length in the direction of movement of the rotor tooth with respect to the stator tooth. A positive force contribution typically results from exceeding the point at which the saturation zone crosses the air gap vertically, which can be the case, for example, if a kink in the front side wall of the rotor tooth in the direction of movement passes the kink in the rear side wall of the stator tooth in the direction of movement. The additional force contribution is present as long as the tooth material of the stator or rotor tooth is completely saturated can be maintained at the kinks mentioned. The movement distance or the rotation angle between the two points mentioned can therefore be viewed as the working stroke.
Wird davon ausgegangen, dass die Breite des jeweiligen Zahns bei hinreichendem Überlapp der Endflächen eines Stator- und Läuferzahns die maximale Einschnürung der Feldführung darstellt, so resultiert im Bereich der Breitenmessung, also im Bereich der engsten Stelle des Zahnhalses, typischerweise die höchste magnetische Flussdichte außerhalb des Zahnkopfes bzw. außerhalb des Sättigungsbereichs. Wird, wie obig erläutert, das Verhältnis der Sättigungsflussdichte zu der in diesem Bereich während des Betriebs der Reluktanzmaschine maximal erreichten magnetischen Flussdichte mit x bezeichnet, ergibt sich hieraus, dass die Breite b des Zahns minimal das x-fache der Länge I der Sättigungszone sein sollte. If it is assumed that the width of the respective tooth represents the maximum constriction of the field guide with sufficient overlap of the end faces of a stator and rotor tooth, then the highest magnetic flux density outside of the tooth neck typically results in the area of width measurement, i.e. in the area of the narrowest point of the tooth neck Tooth tip or outside the saturation range. If, as explained above, the ratio of the saturation flux density to the maximum magnetic flux density achieved in this area during operation of the reluctance machine is denoted by x, it follows that the width b of the tooth should be at least x times the length I of the saturation zone .
Wird nun an den Seitenwänden, zwischen denen sich die Sättigungszone erstreckt, genau eine jeweilige Knickstelle genutzt und resultiert somit beispielsweise an der luftspaltabgewandten Seite dieser Knickstelle eine im Wesentlichen konstante Breite des jeweiligen Zahns, so ist anhand von geometrischen Betrachtungen, die später noch mit Bezug zu Fig. 5 genauer erläutert werden, unmittelbar erkennbar, dass der Arbeitshub notwendig geringer sein muss als die Breite des jeweiligen Zahns, die in diesem Fall insbesondere dem Abstand der Knickstellen an den gegenüberliegenden Seitenwänden des jeweiligen Zahns bzw. dem Abstand der Knickstelle einer Seitenwand von der gegenüberliegenden Seitenwand entsprechen kann. Es kann daher zweckmäßig sein, die Geometrie des Zahns oberhalb des Zahnkopfes zu modifizieren, was im Folgenden näher diskutiert wird. If exactly one respective kink point is used on the side walls between which the saturation zone extends and this results in a substantially constant width of the respective tooth, for example on the side of this kink point facing away from the air gap, this can be determined on the basis of geometric considerations which will be referred to later 5 are explained in more detail, it can immediately be seen that the working stroke must necessarily be smaller than the width of the respective tooth, which in this case in particular corresponds to the distance of the kinks on the opposite side walls of the respective tooth or the distance of the kink of a side wall from the opposite side wall can correspond. It may therefore be expedient to modify the geometry of the tooth above the tooth head, which is discussed in more detail below.
Wenigstens eine der beiden Seitenwände wenigstens eines der Zähne kann eine weitere Knickstelle aufweisen, die weiter von dem Luftspalt beabstandet ist als die Knickstelle, wobei sich der Querschnitt des jeweiligen Zahns in einem Zwischenbereich zwischen der weiteren Knickstelle und der Knickstelle weitet. Die Sättigungszone ist in diesem Fall, wie später noch an einem Beispiel mit Bezug auf Fig. 17 erläutert werden wird, nicht fest an der Knickstelle angeordnet, sondern kann, je nach Position des Läuferzahns innerhalb des Arbeitshubs, zwischen der Knickstelle und der weiteren Knickstelle gleiten, um eine minimale Länge der Sättigungszone einzustellen. Um dies zu ermöglichen, kann insbesondere der Winkel zwischen der Bewegungsrichtung und der Seitenwand in dem Zwischenbereich größer als im Zahnkopf bzw. an der luftspaltzugewandten Seite der Knickstelle, jedoch kleiner als an der luftspaltabgewandten Seite der weiteren Knickstelle sein. Somit erfolgt eine mehrstufige Weitung des Zahns zum Luftspalt hin. At least one of the two side walls of at least one of the teeth can have a further kink that is further away from the air gap than the kink, the cross section of the respective tooth widening in an intermediate region between the further kink and the kink. The saturation zone is in this case, as will be referenced later in an example will be explained on Fig. 17, is not fixedly arranged at the kink, but can, depending on the position of the rotor tooth within the working stroke, slide between the kink and the further kink in order to set a minimum length of the saturation zone. To make this possible, in particular the angle between the direction of movement and the side wall in the intermediate region can be larger than in the tooth head or on the side of the kink facing the air gap, but smaller than on the side of the further kink facing away from the air gap. This results in a multi-stage widening of the tooth towards the air gap.
Bei im Wesentlichen gleicher Form bzw. Spiegelsymmetrie der Zwischenbereiche von gegenüberliegenden Zähnen von Rotor und Stator kann potentiell eine sehr breite Sättigungszone resultieren, da die Verengung des Flussführungsquerschnitts, die zur Sättigungszone führt, durch im Wesentlichen parallele Seitenwände der Zwischenbereiche begrenzt werden kann und sich somit entlang der gesamten Seitenwand im Zwischenbereich erstrecken kann. Hieraus resultiert eine hohe Reluktanz und somit typischerweise eine Reduzierung der Flussdichte im Luftspalt und somit der bereitgestellten Nutzkraft bzw. des bereitgestellten Nutzdrehmoments. Ansätze, um dies zu vermeiden, werden im Folgenden diskutiert. With essentially the same shape or mirror symmetry of the intermediate regions of opposing teeth of the rotor and stator, a very wide saturation zone can potentially result, since the narrowing of the flux guide cross section, which leads to the saturation zone, can be limited by essentially parallel side walls of the intermediate regions and thus extends along the entire side wall can extend in the intermediate area. This results in a high reluctance and thus typically a reduction in the flux density in the air gap and thus in the useful power or torque provided. Approaches to avoid this are discussed below.
Die Zähne des Stators oder des Läufers können pro Seitenwand maximal eine Knickstelle aufweisen. Anders ausgedrückt werden in diesem Fall nur läuferseitig oder nur statorseitig Zähne mit mehreren Knickstellen in einer jeweiligen Seitenwand genutzt. Die Nutzung nur einer Knickstelle führt dazu, dass die die Sättigungszone begründende Engstelle der Flussführung kurz ist, da sie sich nur unmittelbar um die Knickstelle erstreckt, womit das obig diskutierte Problem vermieden wird. The teeth of the stator or the rotor can have a maximum of one kink per side wall. In other words, in this case, teeth with several kinks in a respective side wall are used only on the rotor side or only on the stator side. The use of only one kink means that the narrow section of the river flow that creates the saturation zone is short, as it only extends directly around the kink, which avoids the problem discussed above.
Alternativ ist es möglich, dass die Zähne des Stators und des Läufers jeweils in wenigstens einer ihrer Seitenwände die und die weitere Knickstelle aufweisen, womit sich der Querschnitt des jeweiligen Zahns in einem Zwischenbereich zwischen der Knickstelle und der weiteren Knickstelle weitet, wobei der Zwischenbereich der Zähne des Läufers eine Form aufweist, die sich von der Form des Zwischenbereichs der Zähne des Stators derart unterscheidet, dass die Formen nicht durch Drehen oder Spiegeln ineinander überführt werden können. Durch die unterschiedliche Formgebung der Zwischenbereiche wird vermieden, dass die Engstelle des Flussführungsquerschnitts, die die Sättigungszone verursacht, durch parallele Seitenwände begrenzt wird, wodurch die obig diskutierte Problematik ebenfalls vermieden werden kann. Alternatively, it is possible that the teeth of the stator and the rotor each have the and the further kink in at least one of their side walls, whereby the cross section of the respective tooth widens in an intermediate region between the kink and the further kink, whereby the Intermediate area of the teeth of the rotor has a shape that differs from the shape of the intermediate area of the teeth of the stator in such a way that the shapes cannot be converted into one another by rotating or mirroring. The different shape of the intermediate areas prevents the constriction of the flow guide cross section, which causes the saturation zone, from being limited by parallel side walls, which means that the problem discussed above can also be avoided.
Vorzugsweise weisen alle Zähne des Läufers und des Stators entweder an jeweils genau einer der Seitenwände wenigstens eine Knickstelle zur Ausbildung des Zahnkopfes auf oder an beiden der Seitenwände wenigstens eine Knickstelle zur Ausbildung des Zahnkopfes auf. Durch Nutzung von Knickstellen an Zähnen des Rotors und des Stators, insbesondere derart, dass die Knickstellen an der in Bewegungsrichtung vorderen Seitenwand des Zahns des Läufers und in der in Bewegungsrichtung hinteren Seitenwand des Zahns des Stators vorgesehen sind, kann eine robuste Ausbildung der Sättigungszone über einen hinreichenden Arbeitshub erreicht werden. Werden hingegen nur an einen der gegenüberliegenden Zähne Knickstellen vorgesehen, kann dies dazu führen, dass die Sättigungszone zwar an den Luftspalt heranreicht, diesen jedoch nicht vollständig quert, womit die obig erläuterten Vorteile nur eingeschränkt erreicht werden können. Preferably, all of the teeth of the rotor and the stator either have at least one kink on exactly one of the side walls to form the tooth head or have at least one kink on both of the side walls to form the tooth head. By using kinks on teeth of the rotor and the stator, in particular in such a way that the kinks are provided on the front side wall of the rotor's tooth in the direction of movement and in the rear side wall of the stator's tooth in the direction of movement, a robust formation of the saturation zone can be achieved sufficient working stroke can be achieved. If, on the other hand, kinks are only provided on one of the opposing teeth, this can result in the saturation zone reaching the air gap, but not completely crossing it, which means that the advantages explained above can only be achieved to a limited extent.
Wird nur eine Laufrichtung der Reluktanzmaschine benötigt, ist es ausreichend, wenn die Zähne an jeweils einer der Seitenwände eine Knickstelle aufweisen. In diesem Fall resultiert ein stark asymmetrischer Zahnkopf, der sich insbesondere nur in eine Richtung über den Zahnhals hinaus erstreckt, was aus Bauraumgründen vorteilhaft sein kann, insbesondere wenn eine Reluktanzmaschine mit relativ vielen Stator- bzw. Läuferzähnen verwendet werden soll. If only one running direction of the reluctance machine is required, it is sufficient if the teeth have a kink on one of the side walls. In this case, the result is a highly asymmetrical tooth head, which in particular only extends in one direction beyond the tooth neck, which can be advantageous for reasons of installation space, especially if a reluctance machine with a relatively large number of stator or rotor teeth is to be used.
Sollen hingegen beide Laufrichtungen genutzt werden, ist es vorteilhaft, am jeweiligen Zahn Knickstellen an beiden Seitenwänden vorzusehen, so dass sich der Zahnkopf in beide Richtungen über den Zahnhals hinaus erstreckt, um die erläuterten Vorteile für beide Dreh- bzw. Bewegungsrichtungen des Läufers zu erreichen. If, on the other hand, both running directions are to be used, it is advantageous to provide kinks on both side walls of the respective tooth so that the tooth head extends in both directions beyond the tooth neck to achieve the advantages explained for both directions of rotation and movement of the runner.
Die Reluktanzmaschine kann die oder eine Feldbeaufschlagungseinrichtung umfassen, die zur Beaufschlagung der Zähne mit einem magnetischen Feld derart eingerichtet ist, dass in jedem Zahnkopf im Rahmen der Bewegung des Läufers bezüglich des Stators zumindest zeitweise die magnetische Flussdichte in einem Abschnitt des Zahnkopfes, der insbesondere von den Enden des Zahnkopfes in Bewegungsrichtung beabstandet ist, die Sättigungsflussdichte des Materials des jeweiligen Zahns erreicht oder überschreitet. Diese Eigenschaft der geschalteten Reluktanzmaschine kann beispielsweise durch eine Simulation geprüft werden bzw. es kann beispielsweise die Oberflächenmagnetisierung im Bereich der dem Luftspalt zugewandten Endflächen geprüft werden, wenn sich die Sättigungszone bis zur Endfläche erstreckt. Eine magnetische Sättigung des Zahnmaterials kann prinzipiell für jede Zahnform mit hinreichend großen Feldern erreicht werden, so dass zur Umsetzung dieses Merkmals beispielsweise eine geeignete Dimensionierung und Bestromung von Spulen der Reluktanzmaschine ausreicht. Durch die obig erläuterte geometrische Ausgestaltung der Zähne, insbesondere durch die Begrenzung der Zahnkopfhöhe, kann erreicht werden, dass gesättigte Abschnitte gegenüberliegender Zahnköpfe die den Luftspalt querende Sättigungszone bilden und somit die obig erläuterten zusätzlichen Kraft- bzw. Drehmomentbeiträge realisiert werden können. The reluctance machine can include the or a field application device, which is set up to apply a magnetic field to the teeth in such a way that in each tooth head, as part of the movement of the rotor with respect to the stator, at least temporarily the magnetic flux density in a section of the tooth head, which is in particular from the Ends of the tooth head are spaced apart in the direction of movement, the saturation flux density of the material of the respective tooth is reached or exceeded. This property of the switched reluctance machine can be checked, for example, by a simulation or, for example, the surface magnetization in the area of the end surfaces facing the air gap can be checked if the saturation zone extends to the end surface. In principle, magnetic saturation of the tooth material can be achieved for any tooth shape with sufficiently large fields, so that, for example, suitable dimensioning and current supply to coils of the reluctance machine is sufficient to implement this feature. Through the geometric design of the teeth explained above, in particular through the limitation of the tooth tip height, it can be achieved that saturated sections of opposing tooth tips form the saturation zone crossing the air gap and thus the additional force or torque contributions explained above can be realized.
Die Reluktanzmaschine kann die oder eine Feldbeaufschlagungseinrichtung umfassen, die zur Beaufschlagung der Zähne mit einem magnetischen Feld derart eingerichtet ist, dass zumindest während eines Teilintervalls jenes Zeitintervalls, während dem die dem Luftspalt zugewandten Endflächen eines jeweiligen Zahns des Stators und des Läufers zumindest teilweise in die Bewegungsrichtung überlappen, in diesen Endflächen in Bewegungsrichtung überlappende Sättigungszonen resultieren, in denen die magnetische Flussdichte die Sättigungsflussdichte des Materials des jeweiligen Zahns erreicht oder überschreitet. Anders ausgedrückt kann die Reluktanzmaschine zu einem Betrieb derart eingerichtet sein, dass eine den Luftspalt querende Sättigungszone für zumindest Teile des Arbeitshubs eines Zahnpaars resultiert. The reluctance machine can comprise the or a field application device which is set up to apply a magnetic field to the teeth in such a way that at least during a partial interval of the time interval during which the end surfaces of a respective tooth of the stator and the rotor facing the air gap are at least partially in the direction of movement overlap, resulting in saturation zones overlapping in the direction of movement in these end surfaces, in which the magnetic flux density reaches or exceeds the saturation flux density of the material of the respective tooth. In other words, the reluctance machine can operate be set up in such a way that a saturation zone crossing the air gap results for at least parts of the working stroke of a pair of teeth.
Neben der erfindungsgemäßen geschalteten Reluktanzmaschine betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer geschalteten Reluktanzmaschine mit einem Stator und einem Läufer, die durch einen Luftspalt voneinander beabstandet sind, wobei der Stator und der Läufer jeweils mehrere Zähne aufweisen, wobei die Zähne des Läufers bei einem Betrieb der Reluktanzmaschine in eine Bewegungsrichtung an den Zähnen des Stators vorbeigeführt werden, wobei wenigstens eine der beiden Seitenwände wenigstens eines der Zähne, die den jeweiligen Zahn in Bewegungsrichtung begrenzen, eine Knickstelle aufweist, durch die sich der Querschnitt des jeweiligen Zahnes an der dem Luftspalt zugewandten Seite der Knickstelle weitet, um einen Zahnkopf des jeweiligen Zahns auszubilden, wobei die Zähne durch eine Feldbeaufschlagungseinrichtung mit einem magnetischen Feld beaufschlagt werden, um die Reluktanzmaschine anzutreiben, wobei dieIn addition to the switched reluctance machine according to the invention, the invention relates to a method for operating a switched reluctance machine with a stator and a rotor, which are spaced apart from one another by an air gap, the stator and the rotor each having a plurality of teeth, the teeth of the rotor during operation of the Reluctance machine can be guided past the teeth of the stator in a direction of movement, with at least one of the two side walls of at least one of the teeth, which limit the respective tooth in the direction of movement, having a kink through which the cross section of the respective tooth is on the side facing the air gap The kink widens to form a tooth tip of the respective tooth, the teeth being subjected to a magnetic field by a field application device in order to drive the reluctance machine, the
Feldbeaufschlagungseinrichtung derart betrieben wird, dass in jedem Zahnkopf im Rahmen der Bewegung des Läufers bezüglich des Stators zumindest zeitweise die magnetische Flussdichte in einem Abschnitt des Zahnkopfes, der insbesondere von den Enden des Zahnkopfes in Bewegungsrichtung beabstandet ist, die Sättigungsflussdichte des Materials des jeweiligen Zahns erreicht oder überschreitet. Field application device is operated in such a way that in each tooth head, as part of the movement of the rotor with respect to the stator, the magnetic flux density in a section of the tooth head, which is in particular spaced from the ends of the tooth head in the direction of movement, at least temporarily reaches the saturation flux density of the material of the respective tooth or exceeds.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere die erfindungsgemäße Reluktanzmaschine verwenden bzw. die erfindungsgemäße Reluktanzmaschine kann das erfindungsgemäße Verfahren implementieren. Unabhängig davon kann das erfindungsgemäße Verfahren mit den zur erfindungsgemäßen Reluktanzmaschine erläuterten Merkmalen mit den dort genannten Vorteilen weitergebildet werden und umgekehrt. The method according to the invention can in particular use the reluctance machine according to the invention or the reluctance machine according to the invention can implement the method according to the invention. Regardless of this, the method according to the invention can be further developed with the features explained for the reluctance machine according to the invention with the advantages mentioned there and vice versa.
Die Sättigung des Zahnmaterials kann durch eine Feldbeaufschlagung mit hinreichend starken Feldern erfolgen, wozu beispielsweise geeignet dimensionierte Spulen und eine geeignete Bestromung der Spulen beim Betrieb der Reluktanzmaschine genutzt werden können. Die Nutzung von Knickstellen und an diesen anschließenden Zahnköpfen führt bei geeigneter Wahl der Feldstärke dazu, dass nicht der gesamte Zahn gesättigt wird, sondern nur eine Sättigungszone, die sich insbesondere gewinkelt zum Luftspalt der Reluktanzmaschine erstreckt, wodurch, wie obig bereits erläutert, zusätzliche Nutzkräfte bzw. Nutzdrehmomente der Reluktanzmaschine bereitgestellt werden können. The tooth material can be saturated by applying sufficiently strong fields to it, for example using suitably dimensioned coils and suitable current supply to the coils during operation the reluctance machine can be used. If the field strength is chosen appropriately, the use of kinks and tooth heads adjoining these leads to the fact that not the entire tooth is saturated, but only a saturation zone, which extends in particular at an angle to the air gap of the reluctance machine, which, as already explained above, creates additional useful forces or .Useful torques of the reluctance machine can be provided.
Wie obig erläutert ist es vorteilhaft, wenn außerhalb der Sättigungszone eine Magnetisierung merklich unterhalb der Sättigungsgrenze erfolgt. Die Feldbeaufschlagungseinrichtung kann daher insbesondere derart betrieben werden, dass die Sättigungsflussdichte in wenigstens einem Bereich des jeweiligen Zahns außerhalb des Zahnkopfes zwischen dem 1 ,15-fachen und dem 1 ,4-fachen der maximalen in diesem Bereich während des Betriebs der Reluktanzmaschine erreichten magnetischen Flussdichte ist. As explained above, it is advantageous if magnetization occurs outside the saturation zone noticeably below the saturation limit. The field application device can therefore in particular be operated in such a way that the saturation flux density in at least one area of the respective tooth outside the tooth tip is between 1.15 times and 1.4 times the maximum magnetic flux density achieved in this area during operation of the reluctance machine .
Ergänzend oder alternativ kann die Feldbeaufschlagungseinrichtung vorzugsweise so betrieben werden, dass zumindest während eines Teilintervalls jenes Zeitintervalls, während dem die dem Luftspalt zugewandten Endflächen eines jeweiligen Zahns des Stators und des Läufers zumindest teilweise in die Bewegungsrichtung überlappen, in diesen Endflächen in Bewegungsrichtung überlappende Sättigungszonen resultieren, in denen die magnetische Flussdichte die Sättigungsflussdichte des Materials des jeweiligen Zahns erreicht oder überschreitet. Additionally or alternatively, the field application device can preferably be operated in such a way that at least during a partial interval of the time interval during which the end surfaces of a respective tooth of the stator and the rotor facing the air gap at least partially overlap in the direction of movement, saturation zones that overlap in the direction of movement result in these end surfaces, in which the magnetic flux density reaches or exceeds the saturation flux density of the material of the respective tooth.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den folgenden Ausführungsbeispielen sowie den zugehörigen Zeichnungen. Hierbei zeigen schematisch: Further advantages and details of the invention result from the following exemplary embodiments and the associated drawings. Show schematically:
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßenFig. 1 shows an embodiment of an inventive
Reluktanzmaschine, die gemäß einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens betrieben wird, Fig. 2 eine Detailansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Reluktanzmaschine, Reluctance machine, which is operated according to an exemplary embodiment of the method according to the invention, 2 shows a detailed view of an exemplary embodiment of a reluctance machine according to the invention,
Fig. 3 eine beispielhafte Magnetisierungskurve für das Material der Zähne einer Reluktanzmaschine, 3 shows an exemplary magnetization curve for the material of the teeth of a reluctance machine,
Fig. 4 - 6 Detailansichten von Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Reluktanzmaschine, 4 - 6 detailed views of exemplary embodiments of the reluctance machine according to the invention,
Fig. 7 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Reluktanzmaschine mit mehreren durch eine gemeinsame Spule mit Feld beaufschlagten Statorzähnen, und 7 shows an exemplary embodiment of a reluctance machine according to the invention with several stator teeth subjected to a field by a common coil, and
Fig. 8 - 17 Detailansichten weiterer Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Reluktanzmaschine. 8 - 17 Detailed views of further exemplary embodiments of the reluctance machine according to the invention.
Fig. 1 zeigt eine geschaltete Reluktanzmaschine 1 mit einem Stator 3 und einem Läufer 2. Die Zähne 4, 5 des Läufers 2 und des Stators 3 erstrecken sich bis zu einem Luftspalt 18, der die Endflächen 55, 56 der Zähne 4, 5 separiert. Die Reluktanzmaschine 1 umfasst eine Feldbeaufschlagungseinrichtung 47, die durch an den Zähnen 4 des Stators 3 angeordnete Spulen 54 gebildet wird. Fig. 1 shows a switched reluctance machine 1 with a stator 3 and a rotor 2. The teeth 4, 5 of the rotor 2 and the stator 3 extend to an air gap 18 which separates the end surfaces 55, 56 of the teeth 4, 5. The reluctance machine 1 includes a field application device 47, which is formed by coils 54 arranged on the teeth 4 of the stator 3.
Bei der geschalteten Reluktanzmaschine werden jeweils die Spulen 54 an den gegenüberliegenden Zähnen 4 eines Zahnpaars 6 bestromt, wodurch aufgrund der Reluktanzkraft ein Drehmoment auf den Läufer 2 in jene Richtung ausgeübt wird, die zu einer Erhöhung des Überlapp der Endflächen 56 des feldbeaufschlagten Zahnpaars 6 und der zum Schaltzeitpunkt typischerweise bereits mit diesen überlappenden Endflächen 55 eines entsprechenden Paars der Zähne 5 des Läufers führt. In the switched reluctance machine, the coils 54 on the opposite teeth 4 of a tooth pair 6 are energized, whereby, due to the reluctance force, a torque is exerted on the rotor 2 in the direction that leads to an increase in the overlap of the end surfaces 56 of the field-actuated tooth pair 6 and the at the time of switching typically already leads with these overlapping end surfaces 55 of a corresponding pair of teeth 5 of the rotor.
Die Zähne 4, 5 weisen im Beispiel an beiden Seitenwänden 50, 51 bzw. 52, 53, die den jeweiligen Zahn 4, 5 in Bewegungsrichtung 57, also bei einer Rotationsmaschine in Umfangsrichtung, begrenzen, eine jeweilige Knickstelle 12, 13 auf. Hierdurch wird die Breite 9 des Zahns 4 im Bereich des Zahnhalses erhöht und es resultiert eine erhöhte Breite 7 im Bereich des Zahnkopfes 14, 15, womit sich der Querschnitt 8, 10 des jeweiligen Zahnes, bei angenommener konstanter Tiefe der Zähne 4, 5 in Richtung senkrecht zur Bildebene, an der jeweiligen Knickstelle 12, 13 weitet, also seitliche Erweiterungsbereiche 58 resultieren. In the example, the teeth 4, 5 have a respective kink 12 on both side walls 50, 51 and 52, 53, which limit the respective tooth 4, 5 in the direction of movement 57, i.e. in the circumferential direction in the case of a rotary machine. 13 on. This increases the width 9 of the tooth 4 in the area of the tooth neck and results in an increased width 7 in the area of the tooth head 14, 15, which means that the cross section 8, 10 of the respective tooth, assuming a constant depth of the teeth 4, 5, increases in the direction perpendicular to the image plane, at the respective bend point 12, 13 widens, i.e. lateral expansion areas 58 result.
Die Nutzung solcher Zahnköpfe 14, 15 ist an sich bekannt und kann beispielsweise dazu genutzt werden, einen gleichmäßigen Drehmomentverlauf zu erreichen bzw. Drehmomentlücken zu vermeiden. In der geschalteten Reluktanzmaschine 1 dienen die Zahnköpfe 14, 15 jedoch zusätzlich dazu, gezielt eine Sättigungszone auszubilden, die den Luftspalt 18 quert, wie später noch genauer erläutert werden wird. Hierzu wird durch die Feldbeaufschlagungseinrichtung 47 das jeweils bestromte Spulenpaar hinreichend stark bestromt, dass die magnetische Flussdichte in einem Abschnitt des jeweiligen Zahnkopfes 14, 15 die Sättigungsflussdichte des Materials des jeweiligen Zahns 4, 5 erreicht oder überschreitet. Durch die Geometrie der Zahnköpfe kann erreicht werden, dass die Sättigungszone den Luftspalt 18 quert, wodurch, wie später noch genauer erläutert werden wird, das verfügbare Drehmoment der geschalteten Reluktanzmaschine 1 erhöht werden kann. The use of such tooth heads 14, 15 is known per se and can be used, for example, to achieve a uniform torque curve or to avoid torque gaps. In the switched reluctance machine 1, however, the tooth heads 14, 15 also serve to specifically form a saturation zone that crosses the air gap 18, as will be explained in more detail later. For this purpose, the respective energized coil pair is energized sufficiently strongly by the field application device 47 so that the magnetic flux density in a section of the respective tooth head 14, 15 reaches or exceeds the saturation flux density of the material of the respective tooth 4, 5. The geometry of the tooth heads can ensure that the saturation zone crosses the air gap 18, whereby, as will be explained in more detail later, the available torque of the switched reluctance machine 1 can be increased.
Um eine Sättigung im Zahnkopfbereich mit nicht allzu hoher Magnetisierungsleistung und gleichzeitig eine hohe Flussdichte im Luftspalt 18 zu erreichen, sollte die Höhe 11 des jeweiligen Zahnkopfes 14, 15, die in Fig. 1 nur für die Zähne 4 des Stators 3 eingezeichnet ist, kleiner als ein Fünftel oder vorzugsweise kleiner als ein Sechstel der Breite 9 des jeweiligen Zahns 4, 5 sein. Als Breite wird hierbei der minimale Abstand der beiden den jeweiligen Zahn 4, 5 in Bewegungsrichtung 57 begrenzenden Seitenwände 50, 51 bzw. 52, 53 außerhalb des Zahnkopfes 14, 15 betrachtet. In order to achieve saturation in the tooth head area with not too high magnetization power and at the same time a high flux density in the air gap 18, the height 11 of the respective tooth head 14, 15, which is shown in FIG. 1 only for the teeth 4 of the stator 3, should be smaller than be a fifth or preferably smaller than a sixth of the width 9 of the respective tooth 4, 5. The minimum distance between the two side walls 50, 51 and 52, 53 delimiting the respective tooth 4, 5 in the direction of movement 57 outside the tooth head 14, 15 is considered the width.
Durch die beschriebene Geometrie der Zähne 4, 5 kann erreicht werden, dass die Sättigungszone robust ausgebildet wird, auch wenn die maximale magnetische Flussdichte in einem Großteil des Zahns 4, 5 außerhalb des Zahnkopfes 14, 15 um den Faktor 1 ,15 bis 1 ,4 kleiner ist als die Sättigungsflussdichte des Materials der Zähne 4, 5. Hierdurch kann die Magnetisierung des Zahns 4, 5 außerhalb der Sättigungszone im Wesentlichen im linearen Bereich der Magnetisierung erfolgen, wodurch gewünschte Flussdichten im Luftspalt 18 mit vertretbarer Magnetisierungsleistung erreicht werden können. The described geometry of the teeth 4, 5 can ensure that the saturation zone is designed to be robust, even if the maximum magnetic flux density in a large part of the tooth 4, 5 outside the tooth head 14, 15 is increased by a factor of 1.15 to 1.4 is smaller than the saturation flux density of the material of the teeth 4, 5. As a result, the magnetization of the tooth 4, 5 can take place outside the saturation zone essentially in the linear region of magnetization, whereby desired flux densities in the air gap 18 can be achieved with acceptable magnetization power.
Die Ausbildung der den Luftspalt 18 querenden Sättigungszone 17 wird im Folgenden mit Bezug auf die Figuren 2 bis 5 zunächst am Beispiel einer Linearmaschine erläutert, da hierbei aufgrund der geradlinig aneinander vorbeigeführten Endflächen 55, 56 der Zähne 4, 5 die geometrischen Zusammenhänge leichter nachvollziehbar sind. The formation of the saturation zone 17 crossing the air gap 18 will be explained below with reference to Figures 2 to 5 using the example of a linear machine, since the geometric relationships are easier to understand due to the end faces 55, 56 of the teeth 4, 5 passing one another in a straight line.
Im Beispiel ist der Läufer 2 und somit der einzige gezeigte Zahn 5 des Läufers in die Bewegungsrichtung 57, also in der Figur horizontal, bezüglich des Stators 3, von dem ebenfalls nur ein Zahn 4 gezeigt ist, bewegbar. Hierbei wird im gezeigten Zustand eine nicht gezeigte Spule am Zahn 4 bestromt, so dass der Zahn 5 und somit der Stator 2 bereits ohne Ausbildung der Sättigungszone 17 durch die Reluktanzkraft nach rechts gezogen würde, um den Überlapp der Endflächen 55, 56 zu erhöhen. In the example, the rotor 2 and thus the only tooth 5 of the rotor shown can be moved in the direction of movement 57, i.e. horizontally in the figure, with respect to the stator 3, of which only one tooth 4 is also shown. Here, in the state shown, a coil (not shown) on the tooth 4 is energized, so that the tooth 5 and thus the stator 2 would be pulled to the right by the reluctance force even without the formation of the saturation zone 17 in order to increase the overlap of the end surfaces 55, 56.
Durch die Knickstelle 13 an der vorderen Seitenwand 52 des Zahns 5 und die Knickstelle 12 an der hinteren Seitenwand 51 des Zahns 4 resultiert eine Einschnürung der Feldführung durch das Material, beispielsweise Blech, der Zähne 4, 5, so dass der Feldführungsquerschnitt dort kleiner ist als der Querschnitt 10 im Bereich des Zahnhalses und kleiner als der Überlapp im Bereich der Zahnendflächen. The bend 13 on the front side wall 52 of the tooth 5 and the bend 12 on the rear side wall 51 of the tooth 4 result in a constriction of the field guide through the material, for example sheet metal, of the teeth 4, 5, so that the field guide cross section there is smaller than the cross section 10 in the area of the tooth neck and smaller than the overlap in the area of the tooth end surfaces.
Die Ausbildung der Sättigungszone 17 bzw. die hierfür genutzte Feldbeaufschlagung wird im Folgenden mit zusätzlichem Bezug auf Fig. 3 erläutert, die die Magnetisierungskennlinie des Materials der Zähne 4, 5, also beispielsweise von Elektroblech, zeigt. Hierbei ist auf der x-Achse 25 die magnetische Feldstärke H und auf der y-Achse 26 die magnetische Flussdichte B aufgetragen. Die Linie 27 zeigt den Zusammenhang dieser Größen für das Material der Zähne 4, 5 und die Linie 28 den entsprechenden Zusammenhang für Vakuum. The formation of the saturation zone 17 or the field application used for this is explained below with additional reference to FIG. 3, which shows the magnetization characteristic of the material of the teeth 4, 5, for example electrical sheet metal. Here, the magnetic field strength H is plotted on the x-axis 25 and the magnetic flux density B is plotted on the y-axis 26. Line 27 shows the connection between these variables for the Material of the teeth 4, 5 and the line 28 the corresponding connection for vacuum.
Erfolgt die Feldbeaufschlagung nun beispielsweise durch eine den Zahn 4 umlaufende Spule, so kann durch diese die Feldstärke 29 derart eingestellt werden, dass eine magnetische Flussdichte 30 außerhalb des Zahnkopfes 15 des Zahns 4 resultiert, bei der die Magnetisierungskurve 27 näherungsweise linear mit der Feldstärke steigt. Durch die Verengung des Feldführungsquerschnitts durch die Knickstellen 12, 13 resultiert zwischen den Knickstellen 12, 13 jedoch eine Magnetisierung an oder jenseits des Punkts 31 und somit jenseits der Sättigungsflussdichte 32. Die Flussdichte variiert ab diesem Punkt parallel zur Flussdichte im Vakuum, die durch die Linie 28 dargestellt ist, so dass die Sättigungszone 17 näherungsweise als zusätzlicher Luftspalt wirkt. If the field is applied, for example, by a coil running around the tooth 4, the field strength 29 can be adjusted in such a way that a magnetic flux density 30 results outside the tooth head 15 of the tooth 4, in which the magnetization curve 27 increases approximately linearly with the field strength. However, the narrowing of the field guide cross section through the kinks 12, 13 results in magnetization between the kinks 12, 13 at or beyond point 31 and thus beyond the saturation flux density 32. From this point onwards, the flux density varies parallel to the flux density in the vacuum, which is through the line 28 is shown, so that the saturation zone 17 acts approximately as an additional air gap.
Fig. 2 zeigt schematisch den aus dem Vorhandensein der Sättigungszone resultierenden Verlauf der magnetischen Feldlinien 19, 20, 21. Während der Verlauf der Feldlinien 20, 21 im Bereich des Luftspaltes 18 im Wesentlichen dem Verlauf der entsprechenden Feldlinien 20, 21 ohne das Vorhandensein der Sättigungszone 17 entspricht, da die Sättigungszone dort deutlich vom Luftspalt 18 beabstandet ist, ändert das Vorhandensein der Sättigungszone 17 den Verlauf der magnetischen Feldlinie 19, die den Luftspalt 18 im Bereich der Sättigungszone 17 quert, dort deutlich. Wäre die Sättigungszone 17 nicht vorhanden, würde diese Feldlinie 19 im Wesentlichen senkrecht auf den Endflächen 55, 56 stehen, womit die magnetische Zugkraft 22 senkrecht zur Bewegungsrichtung 57 verlaufen würde und somit nicht zum Antrieb der Reluktanzmaschine beitragen könnte. Das Vorhandensein der Sättigungszone 17 führt hingegen dazu, dass die Feldlinie 19 gewinkelt zu den Endflächen 55, 56 verläuft, womit die Zugkraft 22 anteilig, nämlich im Beispiel gemäß einer Sinusfunktion des Winkels 46, zur Gesamtkraft 24, die den Zahn 5 und somit den Läufer 2 in der Figur 2 nach rechts zieht, beiträgt. Fig. 2 shows schematically the course of the magnetic field lines 19, 20, 21 resulting from the presence of the saturation zone. While the course of the field lines 20, 21 in the area of the air gap 18 essentially corresponds to the course of the corresponding field lines 20, 21 without the presence of the saturation zone 17 corresponds, since the saturation zone there is clearly spaced from the air gap 18, the presence of the saturation zone 17 significantly changes the course of the magnetic field line 19, which crosses the air gap 18 in the area of the saturation zone 17. If the saturation zone 17 were not present, this field line 19 would be essentially perpendicular to the end surfaces 55, 56, so that the magnetic pulling force 22 would run perpendicular to the direction of movement 57 and could therefore not contribute to driving the reluctance machine. The presence of the saturation zone 17, on the other hand, leads to the field line 19 running at an angle to the end surfaces 55, 56, whereby the tensile force 22 is proportional, namely in the example according to a sine function of the angle 46, to the total force 24, which affects the tooth 5 and thus the rotor 2 in Figure 2 pulls to the right, contributes.
Ein weiterer Kraftbeitrag resultiert daraus, dass sich die Sättigungszone 17, wie erläutert, ähnlich wie ein Luftspalt verhält, und somit eine Art Reluktanzkraft 23 resultiert, die bestrebt ist, die Grenzfläche der Sättigungszone 17 zu vergrößern.A further force contribution results from the fact that the saturation zone 17, as explained, behaves similarly to an air gap, and thus a kind of reluctance force 23 results, which strives to enlarge the interface of the saturation zone 17.
Diese steht zwar ebenfalls gewinkelt zur Bewegungsrichtung 57, dennoch geht sie mit einer Cosinusfunktion des Winkels 46 in die Gesamtkraft 24 ein. Although this is also angled to the direction of movement 57, it is still included in the total force 24 with a cosine function of the angle 46.
Die beiden genannten zusätzlichen Kraftbeiträge führen dazu, dass bei gleicher magnetischer Flussdichte im Bereich des Luftspalts 18 bei einem Vorhandensein der Sättigungszone 17 typischerweise eine deutlich erhöhte Gesamtkraft 24 bzw. im Fall einer Rotationsmaschine ein deutlich erhöhtes Drehmoment resultiert, als sie bzw. es ohne Nutzung der Sättigungszone 17 bereitgestellt würde. Da die Sättigungszone 17 jedoch die Gesamtreluktanz des Systems erhöht, ist bei gleicher Magnetisierungsleistung nur ein etwas geringerer, aber signifikanter Kraft- bzw. Drehmomentgewinn gegenüber üblichen Reluktanzmaschinen zu erwarten. The two additional force contributions mentioned lead to the fact that with the same magnetic flux density in the area of the air gap 18 and the presence of the saturation zone 17, a significantly increased total force 24 or, in the case of a rotary machine, a significantly increased torque typically results than without using the Saturation zone 17 would be provided. However, since the saturation zone 17 increases the overall reluctance of the system, only a slightly smaller but significant gain in force or torque compared to conventional reluctance machines can be expected for the same magnetization power.
Wie bereits obig erläutert wurde, resultiert eine Sättigungszone 17 insbesondere dann, wenn eine merkliche Einschränkung des Flussführungsquerschnitts durch die Knickstellen 12, 13 erfolgt. Hieraus ergeben sich vorteilhafte Abmessungen der Zahnköpfe 15, die im Folgenden mit zusätzlichem Bezug auf die Figuren 4 und 5 erläutert werden sollen. Hierbei zeigt Fig. 4 bereits eine relative Stellung der Zähne 4, 5, die zu einem weitgehenden Überlapp der Endflächen 55, 56 führt. Fig. 5 zeigt verschiedene Positionen 41 , 42, 43 des Zahns 5 bzw. Läufers 2 bezüglich des Zahns 4 bzw. Stators 3, wobei für die Positionen 41 , 42 ausschließlich die vordere Seitenwand 51 gepunktet bzw. gestrichelt dargestellt ist. As already explained above, a saturation zone 17 results in particular when there is a noticeable restriction of the flow guide cross section through the kinks 12, 13. This results in advantageous dimensions of the tooth heads 15, which will be explained below with additional reference to Figures 4 and 5. 4 already shows a relative position of the teeth 4, 5, which leads to a substantial overlap of the end surfaces 55, 56. 5 shows different positions 41, 42, 43 of the tooth 5 or rotor 2 with respect to the tooth 4 or stator 3, with only the front side wall 51 being shown in dotted or dashed lines for the positions 41, 42.
Wie in Fig. 4 gut zu erkennen ist, entspricht die Länge 40 der Sättigungszone 17 der Länge der Hypotenuse eines Dreiecks, dessen weitere Seitenlängen einerseits der Abstand 39 der relevanten Knickstellen 12, 13 in Bewegungsrichtung 57 und andererseits die Summe aus den Höhen 11 , 16 der Zahnköpfe 14, 15 und der Breite 33 des Luftspalts 18 ist. 4, the length 40 of the saturation zone 17 corresponds to the length of the hypotenuse of a triangle, the other side lengths of which are, on the one hand, the distance 39 of the relevant kinks 12, 13 in the direction of movement 57 and, on the other hand, the sum of the heights 11, 16 the tooth heads 14, 15 and the width 33 of the air gap 18.
Das Verhältnis der Breite 9 des Zahnhalses des Zahns 4 zur Länge 40 der Sättigungszone 17 entspricht hierbei näherungsweise dem Verhältnis der Sättigungsflussdichte des Materials des Zahns 4 zur magnetischen Flussdichte außerhalb der Sättigungszone 17, insbesondere in den Zahnhälsen der Zähne 4, 5. Wie im allgemeinen Teil bereits erläutert wurde, soll dieses Verhältnis vorteilhaft zwischen 1 ,15 und 1 ,4 sein. Um dieses Verhältnis über einen möglichst großen Verschiebeweg bzw. Arbeitshub des Zahns 5 bezüglich des Zahns 4 einhalten zu können, so dass über diesen Arbeitshub die Sättigungszone 17 aufrechterhalten werden kann und somit die genannten zusätzlichen Kräfte resultieren können, ist es vorteilhaft, die Höhe 11 , 16 der Zahnköpfe relativ klein zu halten, beispielsweise kleiner als ein Fünftel oder kleiner als ein Sechstel der Breite 9 des jeweiligen Zahns 4, 5. Der resultierende Arbeitshub wird im Folgenden mit Bezug auf Fig. 5 weiter erläutert: The ratio of the width 9 of the tooth neck of the tooth 4 to the length 40 of the saturation zone 17 corresponds approximately to the ratio of the saturation flux density of the material of the tooth 4 to the magnetic flux density outside the saturation zone 17, in particular in the tooth necks of the teeth 4, 5. As already explained in the general part, this ratio should be advantageous between 1.15 and 1.4. In order to be able to maintain this ratio over the largest possible displacement path or working stroke of the tooth 5 with respect to the tooth 4, so that the saturation zone 17 can be maintained over this working stroke and thus the additional forces mentioned can result, it is advantageous to have the height 11, 16 of the tooth heads should be kept relatively small, for example smaller than a fifth or smaller than a sixth of the width 9 of the respective tooth 4, 5. The resulting working stroke is further explained below with reference to FIG. 5:
Befindet sich der Zahn 5 in der Position 41 , so liegen die Knickstellen 12, 13 vertikal übereinander, so dass sich die Sättigungszone senkrecht durch den Luftspalt 18 erstreckt. Da bei einem Überschreiten dieser Position 41 positive zusätzliche Kräfte durch die Sättigungszone resultieren, kann die Position 41 als Beginn des Arbeitshubs 44 betrachtet werden. If the tooth 5 is in position 41, the kinks 12, 13 lie vertically one above the other, so that the saturation zone extends vertically through the air gap 18. Since when this position 41 is exceeded, positive additional forces result from the saturation zone, position 41 can be viewed as the beginning of the working stroke 44.
Wird der Zahn 5 ausgehend von der Position 41 weiter nach rechts verschoben, reduziert sich der Winkel 46 zwischen Sättigungszone 17 und Luftspalt 18 und die Länge 40, 40' der Sättigungszone 17 steigt an. Unabhängig davon, welche magnetischen Flussdichten außerhalb der Zahnköpfe 14, 15 zugelassen werden, wird eine theoretische Obergrenze 45 des Arbeitshubs 44 dann erreicht, wenn sich der Zahn 5 in der Position 43 befindet, da dort die Länge 40' der Sättigungszone 17 gleich der Breite 9 der Zähne 4, 5 wäre, womit zum Erreichen der Sättigungsflussdichte in der Sättigungszone 17 diese im Wesentlichen über die gesamten Zähne 4, 5 erreicht werden müsste, womit sich die Sättigungszone 17 nicht mehr vom weiteren Material der Zähne 4, 5 unterscheiden würde und somit die erläuterten Zusatzkräfte nicht mehr erreicht würden. If the tooth 5 is moved further to the right starting from the position 41, the angle 46 between the saturation zone 17 and the air gap 18 is reduced and the length 40, 40 'of the saturation zone 17 increases. Regardless of which magnetic flux densities are permitted outside the tooth heads 14, 15, a theoretical upper limit 45 of the working stroke 44 is reached when the tooth 5 is in position 43, since there the length 40 'of the saturation zone 17 is equal to the width 9 of the teeth 4, 5, which means that in order to achieve the saturation flux density in the saturation zone 17, this would have to be achieved essentially over the entire teeth 4, 5, so that the saturation zone 17 would no longer differ from the other material of the teeth 4, 5 and thus the The additional staff explained would no longer be available.
Wird ein Verhältnis zwischen der Sättigungsflussdichte und der maximal zu nutzenden magnetischen Flussdichte im Bereich des Zahnhalses vorgegeben, so entspricht dieses Verhältnis auch dem Verhältnis zwischen der Breite 9 und der Länge 40 der Sättigungszone 17, wodurch die Position 42 vorgegeben ist, ab der die Sättigungszone 17 nicht mehr aufrechterhalten werden kann, ohne die maximale magnetische Flussdichte im Zahnhals zu überschreiten. Somit können zusätzliche magnetische Kräfte aufgrund der genutzten Sättigungszone 17 nur über den Arbeitshub 44 bereitgestellt werden. If a ratio between the saturation flux density and the maximum magnetic flux density to be used in the area of the tooth neck is specified, this ratio also corresponds to the ratio between the width 9 and the length 40 of the saturation zone 17, whereby the position 42 is specified from which the saturation zone 17 can no longer be maintained without it to exceed the maximum magnetic flux density in the neck of the tooth. Additional magnetic forces can therefore only be provided via the working stroke 44 due to the saturation zone 17 used.
Zur Erhöhung des Arbeitshubs 44 bzw. der theoretischen Obergrenze 45 dieses Arbeitshubs 44 ist es vorteilhaft, die Höhe 11 , 16 der Zahnköpfe 14, 15 zu reduzieren, insbesondere auf weniger als ein Fünftel oder weniger als ein Sechstel der Breite 9. Hierbei ist es jedoch zweckmäßig, eine allzu starke Reduzierung der Höhen 11 , 16 zu vermeiden. Wie in Fig. 4 schematisch dargestellt ist, muss der magnetische Fluss, der durch die halbe Länge 35 der Sättigungszone 17 geführt wird, entweder, wie durch den Pfeil 36 dargestellt ist, indirekt über den Erweiterungsbereich 58 des Zahns 4 oder, wie durch den Pfeil 37 dargestellt ist, unmittelbar über den Luftspalt 18 abgeführt werden. Um eine Sättigung im Bereich der gegenüberliegenden Endfläche 56 des Zahns 5 bzw. des Erweiterungsbereichs 58 des Zahnkopfs 15 zu vermeiden, müssen daher die in Fig. 4 schematisch dargestellten Flächen, die von den Pfeilen 36, 37 gekreuzt werden, in der Summe größer sein als die halbe Fläche der Sättigungszone 17. To increase the working stroke 44 or the theoretical upper limit 45 of this working stroke 44, it is advantageous to reduce the height 11, 16 of the tooth heads 14, 15, in particular to less than a fifth or less than a sixth of the width 9. However, here it is expedient to avoid an excessive reduction in the heights 11, 16. As shown schematically in Fig. 4, the magnetic flux that is passed through half the length 35 of the saturation zone 17 must either, as shown by the arrow 36, indirectly via the extension region 58 of the tooth 4 or, as shown by the arrow 37 is shown, are dissipated directly via the air gap 18. In order to avoid saturation in the area of the opposite end surface 56 of the tooth 5 or the extension area 58 of the tooth head 15, the areas shown schematically in FIG. 4, which are crossed by the arrows 36, 37, must be larger in total than half the area of the saturation zone 17.
Sind die Zähne 4, 5 im Wesentlichen über ihre gesamte Tiefe senkrecht zur Bildebene geformt, wie in Fig. 4 dargestellt ist, muss somit die Summe der Längen der durch die Pfeile 36, 37 gekreuzten Seitenflächen in der Bildebene größer sein als die Länge 35 der halben Sättigungszone 17. Um dies auch im Bereich des maximalen Arbeitshubs 44 sicherzustellen, ist es zweckmäßig, wenn die Zahnköpfe 14, 15 eine gewisse Mindesthöhe aufweisen, womit die Höhe 11 , 16 insbesondere größer als ein Zwölftel oder ein Zehntel der Breite 9 sein sollte. If the teeth 4, 5 are formed essentially perpendicular to the image plane over their entire depth, as shown in Fig. 4, the sum of the lengths of the side surfaces crossed by the arrows 36, 37 in the image plane must be greater than the length 35 of the half saturation zone 17. In order to ensure this also in the area of the maximum working stroke 44, it is expedient if the tooth heads 14, 15 have a certain minimum height, which means that the height 11, 16 should in particular be greater than a twelfth or a tenth of the width 9.
Die Sättigungszone 17 erstreckt sich, obwohl sie in den Figuren 4, 5 nur als Linie dargestellt ist, über eine gewisse Breite, so dass sie ein Stück weit in den Erweiterungsbereich 58 des Zahnkopfes, der sich über die Breite 9 hinaus erstreckt, eintritt. Hierbei sollte vermieden werden, dass sich die Sättigungszone 17 bis zum Ende des Zahnkopfes 15 erstreckt, da hierdurch die Vorteile der den Luftspalt querenden Sättigungszone 17 teilweise verlorengehen würden. Es ist daher zweckmäßig, wenn sich der Zahnkopf 15 über eine Länge 34 über die jeweilige Knickstelle 12, 13 in Bewegungsrichtung hinaus erstreckt, die wenigstens 135 % oder wenigstens 150 % der Höhe 11 , 16 des entsprechenden Zahnkopfes 14, 15 ist. The saturation zone 17, although it is only shown as a line in Figures 4, 5, extends over a certain width, so that it enters a certain extent into the expansion area 58 of the tooth head, which extends beyond the width 9. It should be avoided that the saturation zone 17 extends to the end of the tooth tip 15, as this would result in the advantages of the saturation zone 17 crossing the air gap being partially lost. It is therefore expedient if the tooth head 15 extends over a length 34 respective kink point 12, 13 extends in the direction of movement, which is at least 135% or at least 150% of the height 11, 16 of the corresponding tooth head 14, 15.
Die obigen Erläuterungen lassen sich im Wesentlichen unverändert auf die in Fig. 1 gezeigte Innenläufermaschine, andere Innen- und Außenläufer bzw. Scheibenläufer übertragen. Zur Verdeutlichung ist in Fig. 6 der Verlauf der Feldlinien 19 bis 21 , wie er in Fig. 2 für eine Linearmaschine dargestellt war, für eine Rotationsmaschine dargestellt. Im Bereich des Luftspalts 18 resultiert hierbei ein ähnlicher Verlauf, wie er bereits mit Bezug auf Fig. 2 diskutiert wurde und somit ebenfalls die zusätzlichen Kräfte. Zum besseren Verständnis sind in Fig. 6 zudem nochmals diverse geometrische Abmessungen eingezeichnet, insbesondere die Höhe 11 , 16 der Zahnköpfe 14, 15 und die Länge 34, um die sich diese über den jeweiligen Zahnhals hinaus erstrecken. Die entsprechenden Größen und ihr Einfluss auf die Ausbildung der Sättigungszone 17 bzw. die Bereitstellung des zusätzlichen Drehmoments bzw. der zusätzlichen Kraft wurden bereits mit Bezug auf Fig. 4 und 5 erläutert. The above explanations can be transferred essentially unchanged to the internal rotor machine shown in FIG. 1, other internal and external rotors or disc rotors. For clarification, the course of the field lines 19 to 21, as shown in FIG. 2 for a linear machine, is shown for a rotary machine in FIG. In the area of the air gap 18, a similar course results as already discussed with reference to FIG. 2 and thus also the additional forces. For better understanding, various geometric dimensions are also shown again in FIG. 6, in particular the height 11, 16 of the tooth heads 14, 15 and the length 34 by which they extend beyond the respective tooth neck. The corresponding variables and their influence on the formation of the saturation zone 17 or the provision of the additional torque or the additional force have already been explained with reference to FIGS. 4 and 5.
Fig. 7 zeigt ein weiteres Beispiel einer Reluktanzmaschine 1 , wobei gegenüber der Ausgestaltung gemäß Fig. 1 eine erheblich größere Anzahl von Zähnen 4, 5 des Rotors 2 bzw. des Stators 3 genutzt wird. Zur Reduzierung der Anzahl der erforderlichen Spulen 57 und somit des Gewichts und der Kosten der Reluktanzmaschine 1 werden in der in Fig. 7 gezeigten Ausgestaltung statorseitig mehrere Zähne 4 pro magnetischem Pol 48 genutzt, die durch eine an einem gemeinsamen Joch 57 angeordnete Spule 54 der Feldbeaufschlagungseinrichtung 48 mit Feld beaufschlagt werden. Durch diese Ausgestaltung können Drehmomentlücken ähnlich gut vermieden werden, wie in Ausgestaltungen, bei denen separate magnetische Pole gleicher Zahl wie die Zahl der in Fig. 7 genutzten Zähne 4 verwendet würden, ohne dass eine entsprechend aufwändige Verdrahtung und Steuerung erforderlich sind. Fig. 7 shows a further example of a reluctance machine 1, with a significantly larger number of teeth 4, 5 of the rotor 2 and the stator 3 being used compared to the embodiment according to Fig. 1. In order to reduce the number of coils 57 required and thus the weight and costs of the reluctance machine 1, in the embodiment shown in FIG 48 are subjected to field. Through this configuration, torque gaps can be avoided as well as in configurations in which separate magnetic poles of the same number as the number of teeth 4 used in FIG. 7 would be used, without the need for correspondingly complex wiring and control.
Bei einer derartigen Ausgestaltung sollte jedoch ein gleichzeitiger Überlapp eines der Zähne 5 des Läufers 2 mit mehreren Zähnen 4 des gleichen bestromten magnetischen Pols 48 vermieden werden, so dass hierdurch die zulässige Ausdehnung der Zähne 4, 5 in Umfangsrichtung begrenzt ist. Daher werden in dem gezeigten Ausführungsbeispiel Zahnköpfe 14, 15 genutzt, die sich nur in eine Richtung von dem jeweiligen Zahnhals weg in Umfangsrichtung über diesen hinaus erstrecken. Die Ausbildung der Sättigungszone 17 kann somit nur bei einer Drehrichtung des Läufers 2 im Uhrzeigersinn zusätzliche Kräfte bereitstellen. Die gezeigte Maschine ist somit zum Betrieb mit nur einem vorgegebenen Drehsinn optimiert, was jedoch für viele Anwendungsfälle ausreichend ist. Eine Ausführung mit Zahnköpfen in beide Umfangsrichtungen ist aber möglich. In such a configuration, however, one of the teeth 5 of the rotor 2 should simultaneously overlap with several teeth 4 of the same energized magnetic pole 48 can be avoided, so that the permissible expansion of the teeth 4, 5 in the circumferential direction is limited. Therefore, in the exemplary embodiment shown, tooth heads 14, 15 are used which only extend in one direction away from the respective tooth neck in the circumferential direction beyond it. The formation of the saturation zone 17 can therefore only provide additional forces when the rotor 2 rotates clockwise. The machine shown is therefore optimized for operation with only one specified direction of rotation, which is, however, sufficient for many applications. However, a design with tooth heads in both circumferential directions is possible.
Eine weitere Besonderheit der in Fig. 7 gezeigten Reluktanzmaschine 1 ist, dass verschiedene Zähne 4 des Stators 3 unterschiedliche Breiten 9, 9‘ aufweisen. Die Abmessungen der Zahnköpfe sind hierbei vorzugsweise auf die jeweilige Breite 9, 9‘ des jeweiligen Zahns 4 abgestimmt. Alternativ können Formen der Zahnköpfe 14, 15 genutzt werden, die für alle verwendeten Breiten 9, 9‘ innerhalb der diskutierten Intervalle liegen. Another special feature of the reluctance machine 1 shown in FIG. 7 is that different teeth 4 of the stator 3 have different widths 9, 9 '. The dimensions of the tooth heads are preferably tailored to the respective width 9, 9 'of the respective tooth 4. Alternatively, shapes of the tooth heads 14, 15 can be used that lie within the intervals discussed for all widths 9, 9 'used.
In den bisherigen Ausführungsbeispielen wurde davon ausgegangen, dass der den Zahnhals erweiternde Erweiterungsbereich 58 des jeweiligen Zahnkopfes 14, 15 im Wesentlichen rechteckförmig ist bzw. dass die jeweilige Seitenwand 50 bis 53 an der jeweiligen Knickstelle 12, 13 rechtwinklig abknickt. Für die Ausbildung der Sättigungszone 17 ist es jedoch hinreichend, wenn durch die Knickstellen 12, 13 eindeutig eine Engstelle für den magnetischen Fluss begrenzt wird, so dass der konkrete Winkel, in dem die jeweilige Seitenwand 50 bis 53 an der jeweiligen Knickstelle 12, 13 abknickt und die Form des Erweiterungsbereichs 58 jenseits der Knickstelle 12, 13 hierauf nur mittelbaren Einfluss hat und so beispielsweise zur Optimierung anderer Eigenschaften variiert werden kann. In the previous exemplary embodiments, it was assumed that the extension region 58 of the respective tooth head 14, 15 that widens the tooth neck is essentially rectangular or that the respective side wall 50 to 53 bends at right angles at the respective bend point 12, 13. For the formation of the saturation zone 17, however, it is sufficient if the kinks 12, 13 clearly define a narrow point for the magnetic flux, so that the specific angle at which the respective side wall 50 to 53 bends at the respective kink 12, 13 and the shape of the extension area 58 beyond the kink 12, 13 only has an indirect influence on this and can thus be varied, for example, to optimize other properties.
Rein beispielhaft zeigen die Figuren 8 bis 13 diverse mögliche Formen des Erweiterungsbereichs 58, die sich zum einen bezüglich des Knickwinkels an der Knickstelle 12, zum anderen bezüglich des weiteren Verlaufes der Seitenwand nach der Knickstelle 12 und zum dritten bezüglich der Krümmung der Seitenwand 51 jenseits der Knickstelle 12 unterscheiden, so dass beispielsweise eine konkave, eine konvexe oder keine Krümmung erfolgt. Purely by way of example, Figures 8 to 13 show various possible shapes of the extension area 58, which differ on the one hand with regard to the bend angle at the bend point 12, on the other hand with regard to the further course of the side wall after the bend point 12 and thirdly with regard to the curvature of the side wall 51 differ beyond the bend point 12, so that, for example, there is a concave, a convex or no curvature.
Die Figuren 14 bis 17 zeigen hingegen Ausgestaltungen, bei denen an der von dem Luftspalt abgewandten Seite der Knickstelle 12 die Seitenwand 51 eine weitere Knickstelle 49 aufweist, an der sich der Zahn 4 bereits vor dem Zahnkopf weitet. Dies kann vorteilhaft sein, da sich hierdurch die Sättigungszone 17, 17' bei einer Verschiebung des Zahns 4, wie beispielhaft für die Positionen 42, 43 in Fig. 17 dargestellt ist, abhängig vom aktuellen Hub 59 gegenüber der Position 41 zwischen den Knickstellen 12, 49 verschieben kann, wodurch die theoretische Obergrenze 45 des Arbeitshubs größer sein kann als die Breite 9 der Zähne 4, 5. 14 to 17, on the other hand, show configurations in which on the side of the kink 12 facing away from the air gap, the side wall 51 has a further kink 49, at which the tooth 4 already widens in front of the tooth head. This can be advantageous because this causes the saturation zone 17, 17 'to move between the kink points 12 when the tooth 4 is displaced, as is shown by way of example for the positions 42, 43 in FIG. 17, depending on the current stroke 59 relative to the position 41. 49 can move, whereby the theoretical upper limit 45 of the working stroke can be greater than the width 9 of the teeth 4, 5.
Im Zwischenbereich 60 kann die Seitenwand z.B. geradlinig, konvex oder konkav verlaufen, wie in den Figuren 14 bis 16 dargestellt ist. In the intermediate region 60, the side wall can, for example, be straight, convex or concave, as shown in FIGS. 14 to 16.
In dem in Fig. 17 gezeigten Beispiel weisen nur die Zähne 4 des Stators 3 Seitenwände 50, 51 mit mehreren Knickstellen 12, 49 auf, während rotorseitig pro Seitenwand 52, 53 nur genau eine Knickstelle 13 vorhanden ist. Alternativ wäre es beispielsweise auch möglich, ausschließlich läuferseitig Seitenwände 52, 53 mit mehreren Knickstellen zu nutzen. In the example shown in Fig. 17, only the teeth 4 of the stator 3 have side walls 50, 51 with several kinks 12, 49, while on the rotor side there is only exactly one kink 13 per side wall 52, 53. Alternatively, it would also be possible, for example, to use side walls 52, 53 with several kinks exclusively on the rotor side.
Prinzipiell ist es auch möglich, sowohl läufer- als auch statorseitig für die Zähne 4, 5 Seitenwände 50 bis 53 mit mehreren Knickstellen 12, 13, 49 zu nutzen. Hierbei sollte der Zwischenbereich 60 zwischen den Knickstellen 12, 49 bzw. 13, 49 jedoch für läuferseitige Zähne 5 und für statorseitige Zähne 4 unterschiedlich geformt sein, so dass vermieden werden kann, dass aufgrund von parallelen, die Sättigungszone 17 begrenzenden Seitenwandabschnitten diese sehr breit ist. In principle, it is also possible to use side walls 50 to 53 with several kinks 12, 13, 49 on both the rotor and stator sides for the teeth 4, 5. However, the intermediate region 60 between the kinks 12, 49 and 13, 49 should be shaped differently for the rotor-side teeth 5 and for the stator-side teeth 4, so that it can be avoided that the latter is very wide due to parallel side wall sections delimiting the saturation zone 17 .

Claims

Patentansprüche Patent claims
1 . Geschaltete Reluktanzmaschine mit einem Stator (3) und einem Läufer (2), die durch einen Luftspalt (18) voneinander beabstandet sind, wobei der Stator (3) und der Läufer (2) jeweils mehrere Zähne (4, 5) aufweisen, wobei die Zähne (5) des Läufers (2) bei einem Betrieb der Reluktanzmaschine (1 ) in eine Bewegungsrichtung (57) an den Zähnen (4) des Stators (3) vorbeigeführt werden, wobei wenigstens eine der beiden Seitenwände (50- 53) wenigstens eines der Zähne (4, 5), die den jeweiligen Zahn (4, 5) in Bewegungsrichtung (57) begrenzen, eine Knickstelle (12, 13) aufweist, durch die sich der Querschnitt (8, 10) des jeweiligen Zahns (4, 5) an der dem Luftspalt (18) zugewandten Seite der Knickstelle (12, 13) weitet, um einen Zahnkopf (14, 15) des jeweiligen Zahns (4, 5) auszubilden, dadurch gekennzeichnet, dass eine Höhe (11 , 16) des jeweiligen Zahnkopfes (14, 15) kleiner als ein Fünftel oder kleiner als ein Sechstel einer Breite (9) des jeweiligen Zahns (4, 5) ist, wobei die Höhe (11 , 16) des jeweiligen Zahnkopfes (14, 15) gleich dem Abstand der Knickstelle (12, 13) von einer den jeweiligen Zahn (4, 5) zum Luftspalt (18) hin abschließenden Endfläche (55, 56) ist und die Breite (9) des jeweiligen Zahns (4, 5) gleich dem minimalen Abstand der beiden den jeweiligen Zahn (4, 5) in Bewegungsrichtung (57) begrenzenden Seitenwände (50-53) außerhalb des Zahnkopfes (14, 15) ist, wobei sich der Zahnkopf (14, 15) um wenigstens 135% oder wenigstens 150% der Höhe (11 , 16) des jeweiligen Zahnkopfes (14, 15) in Bewegungsrichtung (57) über die jeweilige Knickstelle (12, 13) hinaus erstreckt. 1 . Switched reluctance machine with a stator (3) and a rotor (2), which are spaced apart from one another by an air gap (18), the stator (3) and the rotor (2) each having a plurality of teeth (4, 5), the Teeth (5) of the rotor (2) are guided past the teeth (4) of the stator (3) in a direction of movement (57) during operation of the reluctance machine (1), with at least one of the two side walls (50-53) being at least one of the teeth (4, 5), which limit the respective tooth (4, 5) in the direction of movement (57), has a bend (12, 13) through which the cross section (8, 10) of the respective tooth (4, 5 ) on the side of the kink (12, 13) facing the air gap (18) in order to form a tooth head (14, 15) of the respective tooth (4, 5), characterized in that a height (11, 16) of the respective Tooth head (14, 15) is smaller than a fifth or smaller than a sixth of a width (9) of the respective tooth (4, 5), the height (11, 16) of the respective tooth head (14, 15) being equal to the distance between the The bend point (12, 13) is from an end surface (55, 56) that closes the respective tooth (4, 5) towards the air gap (18) and the width (9) of the respective tooth (4, 5) is equal to the minimum distance between the two the side walls (50-53) delimiting the respective tooth (4, 5) in the direction of movement (57) are outside the tooth head (14, 15), the tooth head (14, 15) being at least 135% or at least 150% of the height ( 11, 16) of the respective tooth head (14, 15) extends in the direction of movement (57) beyond the respective kink point (12, 13).
2. Geschaltete Reluktanzmaschine nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Feldbeaufschlagungseinrichtung (47) zur Beaufschlagung der Zähne (4, 5) mit einem magnetischen Feld umfasst, wobei die maximale Feldstärke (29) des magnetischen Feldes und das Material der Zähne (4, 5) so gewählt sind, dass die Sättigungsflussdichte (32) in wenigstens einem Bereich des jeweiligen Zahnes (4, 5) außerhalb des Zahnkopfes (14, 15) zwischen dem 1 ,15-fachen und dem 1 ,4-fachen der maximalen in diesem Bereich während des Betriebs der Reluktanzmaschine (1 ) erreichten magnetischen Flussdichte (30) ist. Geschaltete Reluktanzmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe (11 , 16) des jeweiligen Zahnkopfes (14, 15) größer als ein Zwölftel oder größer als ein Zehntel der Breite (9) des jeweiligen Zahns (4, 5) ist. Geschaltete Reluktanzmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der beiden Seitenwände (50- 53) wenigstens eines der Zähne (4, 5) eine weitere Knickstelle (49) aufweist, die weiter von dem Luftspalt (18) beabstandet ist als die Knickstelle (12, 13), wobei sich der Querschnitt (8, 10) des jeweiligen Zahns (4, 5) in einem Zwischenbereich (60) zwischen der weiteren Knickstelle (12, 13) und der Knickstelle (49) weitet. Geschaltete Reluktanzmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zähne (4, 5) des Stators (3) oder des Läufers (2) pro Seitenwand (50-53) maximal eine Knickstelle (12, 13) aufweisen. Geschaltete Reluktanzmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zähne (4, 5) des Stators (3) und des Läufers (2) jeweils in wenigstens einer ihrer Seitenwände (50-53) die und die weitere Knickstelle (12, 13, 49) aufweisen, womit sich der Querschnitt (8, 10) des jeweiligen Zahns (4, 5) in einem Zwischenbereich (60) zwischen der Knickstelle (12, 13) und der weiteren Knickstelle (49) weitet, wobei der Zwischenbereich (60) der Zähne (4, 5) des Läufers (2) eine Form aufweist, die sich von der Form des Zwischenbereichs (60) der Zähne (4, 5) des Stators (3) derart unterscheidet, dass die Formen nicht durch drehen oder spiegeln ineinander überführt werden können. Geschaltete Reluktanzmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle Zähne (4, 5) des Läufers (2) und des Stators (3) entweder an jeweils genau einer der Seitenwände (50-53) wenigstens eine Knickstelle (12, 13, 49) zur Ausbildung des Zahnkopfs (14, 15) aufweisen oder an beiden der Seitenwände (50-53) wenigstens eine Knickstelle (12, 13, 49) zur Ausbildung des Zahnkopfs (14, 15) aufweisen. Geschaltete Reluktanzmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie die oder eine Feldbeaufschlagungseinrichtung (47) umfasst, die zur Beaufschlagung der Zähne (4, 5) mit einem magnetischen Feld derart eingerichtet ist, dass in jedem Zahnkopf (14, 15) im Rahmen der Bewegung des Läufers (2) bezüglich des Stators (3) zumindest zeitweise die magnetische Flussdichte (30) in einem Abschnitt des Zahnkopfes (14, 15), der insbesondere von den Enden des Zahnkopfes (14, 15) in Bewegungsrichtung (57) beabstandet ist, die Sättigungsflussdichte (32) des Materials des jeweiligen Zahns (4, 5) erreicht oder überschreitet. Geschaltete Reluktanzmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie die oder eine Feldbeaufschlagungseinrichtung (47) umfasst, die zur Beaufschlagung der Zähne (4, 5) mit einem magnetischen Feld derart eingerichtet ist, dass zumindest während eines Teilintervalls jenes Zeitintervalls, während dem die dem Luftspalt (18) zugewandten Endflächen (55, 56) eines jeweiligen Zahns (4, 5) des Stators (3) und des Läufers (2) zumindest teilweise in die Bewegungsrichtung (57) überlappen, in diesen Endflächen (55, 56) in Bewegungsrichtung (57) überlappende Sättigungszonen (17) resultieren, in denen die magnetische Flussdichte (30) die Sättigungsflussdichte (32) des Materials des jeweiligen Zahns (4, 5) erreicht oder überschreitet. Verfahren zum Betrieb einer geschalteten Reluktanzmaschine mit einem Stator (3) und einem Läufer (2), die durch einen Luftspalt (18) voneinander beabstandet sind, wobei der Stator (3) und der Läufer (2) jeweils mehrere Zähne (4, 5) aufweisen, wobei die Zähne (5) des Läufers (2) bei einem Betrieb der Reluktanzmaschine (1 ) in eine Bewegungsrichtung (57) an den Zähnen (4) des Stators (3) vorbeigeführt werden, wobei wenigstens eine der beiden Seitenwände (50-53) wenigstens eines der Zähne (4, 5), die den jeweiligen Zahn (4, 5) in Bewegungsrichtung (57) begrenzen, eine Knickstelle (12, 13) aufweist, durch die sich der Querschnitt (8, 10) des jeweiligen Zahns (4, 5) an der dem Luftspalt (18) zugewandten Seite der Knickstelle (12, 13) weitet, um einen Zahnkopf (14, 15) des jeweiligen Zahns (4, 5) auszubilden, wobei die Zähne (4, 5) durch eine Feldbeaufschlagungseinrichtung (47) mit einem magnetischen Feld beaufschlagt werden, um die Reluktanzmaschine (1 ) anzutreiben, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldbeaufschlagungseinrichtung (47) derart betrieben wird, dass in jedem Zahnkopf (4, 5) im Rahmen der Bewegung des Läufers (2) bezüglich des Stators (3) zumindest zeitweise die magnetische Flussdicht (30) in einem Abschnitt des Zahnkopfes (14, 15), der insbesondere von den Enden des Zahnkopfes in Bewegungsrichtung beabstandet ist, die Sättigungsflussdichte (32) des Materials des jeweiligen Zahns (4, 5) erreicht oder überschreitet. 2. Switched reluctance machine according to claim 1, characterized in that it comprises a field application device (47) for applying a magnetic field to the teeth (4, 5), the maximum field strength (29) of the magnetic field and the material of the teeth (4 , 5) are selected so that the saturation flux density (32) in at least one area of the respective tooth (4, 5) outside the tooth head (14, 15) is between 1.15 times and 1.4 times the maximum in this one Area reached during operation of the reluctance machine (1) magnetic flux density (30). Switched reluctance machine according to claim 1 or 2, characterized in that the height (11, 16) of the respective tooth head (14, 15) is greater than a twelfth or greater than a tenth of the width (9) of the respective tooth (4, 5). . Switched reluctance machine according to one of the preceding claims, characterized in that at least one of the two side walls (50-53) of at least one of the teeth (4, 5) has a further kink (49) which is further away from the air gap (18) than the kink (12, 13), the cross section (8, 10) of the respective tooth (4, 5) widening in an intermediate region (60) between the further kink (12, 13) and the kink (49). Switched reluctance machine according to claim 4, characterized in that the teeth (4, 5) of the stator (3) or the rotor (2) have a maximum of one kink (12, 13) per side wall (50-53). Switched reluctance machine according to claim 4, characterized in that the teeth (4, 5) of the stator (3) and the rotor (2) each have the and the further kink point (12, 13, 49) in at least one of their side walls (50-53). ), whereby the cross section (8, 10) of the respective tooth (4, 5) widens in an intermediate region (60) between the kink point (12, 13) and the further kink point (49), the intermediate region (60) being the Teeth (4, 5) of the rotor (2) have a shape that differs from the shape of the intermediate region (60) of the teeth (4, 5) of the stator (3) in such a way that the shapes are not converted into one another by rotating or mirroring can be. Switched reluctance machine according to one of the preceding claims, characterized in that all teeth (4, 5) of the rotor (2) and the Stator (3) either has at least one kink (12, 13, 49) on exactly one of the side walls (50-53) to form the tooth head (14, 15) or at least one kink (12, 13, 49) on both of the side walls (50-53). 12, 13, 49) to form the tooth head (14, 15). Switched reluctance machine according to one of the preceding claims, characterized in that it comprises the or a field application device (47) which is set up to apply a magnetic field to the teeth (4, 5) in such a way that in each tooth head (14, 15). As part of the movement of the rotor (2) with respect to the stator (3), at least temporarily the magnetic flux density (30) in a section of the tooth head (14, 15), in particular from the ends of the tooth head (14, 15) in the direction of movement (57). is spaced apart, the saturation flux density (32) of the material of the respective tooth (4, 5) is reached or exceeded. Switched reluctance machine according to one of the preceding claims, characterized in that it comprises the or a field application device (47) which is set up to apply a magnetic field to the teeth (4, 5) in such a way that at least during a sub-interval of that time interval during which the end surfaces (55, 56) of a respective tooth (4, 5) of the stator (3) and the rotor (2) facing the air gap (18) at least partially overlap in the direction of movement (57), in these end surfaces (55, 56) This results in saturation zones (17) overlapping in the direction of movement (57), in which the magnetic flux density (30) reaches or exceeds the saturation flux density (32) of the material of the respective tooth (4, 5). Method for operating a switched reluctance machine with a stator (3) and a rotor (2), which are spaced apart from one another by an air gap (18), the stator (3) and the rotor (2) each having several teeth (4, 5) have, wherein the teeth (5) of the rotor (2) during operation of the reluctance machine (1) in a direction of movement (57) on the Teeth (4) of the stator (3) are guided past, with at least one of the two side walls (50-53) at least one of the teeth (4, 5) which delimit the respective tooth (4, 5) in the direction of movement (57). Has a kink (12, 13), through which the cross section (8, 10) of the respective tooth (4, 5) on the side of the kink (12, 13) facing the air gap (18) widens to form a tooth head (14, 15) of the respective tooth (4, 5), the teeth (4, 5) being subjected to a magnetic field by a field application device (47) in order to drive the reluctance machine (1), characterized in that the field application device (47) is operated in such a way that in each tooth head (4, 5) as part of the movement of the rotor (2) with respect to the stator (3), the magnetic flux density (30) is at least temporarily in a section of the tooth head (14, 15), which is in particular from the ends of the tooth head are spaced apart in the direction of movement, the saturation flux density (32) of the material of the respective tooth (4, 5) is reached or exceeded.
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