DE19956367C2 - Heteropolar excited reluctance machine - Google Patents
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Abstract
Die erfindungsgemäße heteropolar erregte Reluktanzmaschine enthält einen Stator und einen Rotor. Dabei besteht der Rotor aus magnetisch nicht leitendem Werkstoff, in dem luftspaltseitig in konstanter Teilung beabstandet voneinander magnetisch leitende, sich im wesentlichen axial erstreckende zweite Magnetkreisteile angeordnet sind. Der Stator weist E-förmig gestaltete erste Magnetkreisteile, deren Schenkelenden zum Luftspalt hin geöffnet sind und in deren Nuten Erreger- und Phasenwicklungen eingelegt sind, auf. Die Erregerwicklung definiert Erregerpole des Stators, welche in Umfangsrichtung in jeweils einen aus mehreren ersten Magnetkreisteilen bestehenden ersten und einen zweiten Teilpol mit dazwischen liegender Pollücke untergliedert sind. Die Teilung der ersten Magnetkreisteile entspricht innerhalb eines Teilpoles der Teilung des Rotors und die beiden Teilpole sind in Bezug auf die Teilung des Rotors um einen ersten bestimmten Betrag entsprechend der Pollücke gegeneinander versetzt. Die Erregerpole sind in Umfangsrichtung in Bezug auf die Teilung des Rotors um einen zweiten bestimmten Betrag entsprechend einer Teilpollücke gegeneinander versetzt und die Phasenwicklungen sind in die Nuten der ersten Magnetkreisteile von benachbarten Teilpolen aufeinanderfolgender Erregerpole eingelegt. DOLLAR A Das Anwendungsgebiet der Erfindung betrifft höhere Leistungen übertragende relativ langsam laufende elektrische Maschinen, d. h. Motoren und Generatoren, bei denen auf das ...The reluctance machine excited in a heteropolar manner according to the invention contains a stator and a rotor. The rotor consists of magnetically non-conductive material, in which air gap-side, at constant spacing from one another, magnetically conductive, essentially axially extending second magnetic circuit parts are arranged. The stator has E-shaped first magnetic circuit parts, the leg ends of which are open towards the air gap and in the slots of which excitation and phase windings are inserted. The excitation winding defines excitation poles of the stator, which are subdivided in the circumferential direction into a first and a second partial pole consisting of several first magnetic circuit parts with a pole gap in between. The division of the first magnetic circuit parts corresponds to the division of the rotor within one sub-pole and the two sub-poles are offset with respect to the division of the rotor by a first specific amount in accordance with the pole gap. The excitation poles are offset from one another in the circumferential direction with respect to the division of the rotor by a second specific amount corresponding to a partial pole gap, and the phase windings are inserted into the slots of the first magnetic circuit parts of adjacent partial poles of successive excitation poles. DOLLAR A The field of application of the invention relates to relatively slow-running electrical machines transmitting higher power, i. H. Motors and generators where the ...
Description
Die Erfindung betrifft eine heteropolar erregte Reluktanzmaschine mit transversaler Flußführung, bestehend aus einem Stator und einem Rotor.The invention relates to a heteropolar excited reluctance machine with a transverse one Flow guide consisting of a stator and a rotor.
Das Anwendungsgebiet der Erfindung bezieht sich insbesondere auf höhere Lei stungen übertragende, relativ langsam laufende elektrische Maschinen, d. h. Motoren und Generatoren, bei denen auf das Zwischenschalten eines Getriebes aus unter schiedlichen Gründen verzichtet werden soll. Beispiele sind durch Wasserkraft oder Windenergie angetriebene Generatoren oder Winden- und Fahrzeugantriebe.The field of application of the invention relates in particular to higher lei relatively slow-running electrical machines, d. H. Engines and generators, in which on the interposition of a transmission from under for various reasons. Examples are by hydropower or Generators driven by wind energy or winch and vehicle drives.
Beim Einsatz konventioneller Synchronmaschinen in niedrigen Drehzahlbereichen ist entweder die Anordnung eines Getriebes (mit allen damit verbundenen Nachteilen) erforderlich, oder es ist wegen der Abhängigkeit der Drehzahl von der Frequenz und der Polpaaranzahl die Anzahl der Polpaare entsprechend zu erhöhen. Dieses führt jedoch wegen der am Maschinenumfang vorgesehenen Nebeneinanderanordnung von Eisen (Pole) und Kupfer (Wicklungen) zu großen Maschinendurchmessern, wo bei größere Leistungen diesen Trend wegen der erforderlichen wirksamen Quer schnitte weiter negativ beeinflussen.When using conventional synchronous machines in low speed ranges either the arrangement of a gear (with all associated disadvantages) required or it is because of the dependence of the speed on the frequency and the number of pole pairs to increase the number of pole pairs accordingly. This leads however, because of the side by side arrangement provided on the machine scope from iron (poles) and copper (windings) to large machine diameters where for larger performances this trend because of the required effective cross further influence cuts.
Es sind weiterhin Reluktanzmaschinen unterschiedlicher Bauart bekannt (vergl. DE 197 43 380 C1), die allerdings für niedrige Drehzahlen nur bedingt und mit unter schiedlichen Zusatzaufwendungen geeignet sind.Reluctance machines of various types are also known (see DE 197 43 380 C1), which, however, only conditionally for low speeds and with under various additional expenses are suitable.
In Gottschalk, H., Lemberg, M. u. a. (Herausg.): "Elektrotechnik Elektronik", Berlin 1983, 4. Aufl., S. 120 und 182-185, ist u. a. ein Mittelfrequenzgenerator vom Guy- Typ beschrieben, wobei ein unbewickelter Rotor in einem eine Mittelfrequenzwick lung (als zu induzierende Spule) tragenden Stator drehbar gelagert ist. Durch die Formgebung von Rotor und Stator am luftspaltseitigen Umfang werden bei Relativbewegung große Schwankungen des magnetischen Flusses in der zu induzierenden Spule hervorgerufen, was zur Spannungsinduktion führt.In Gottschalk, H., Lemberg, M. et al. (Ed.): "Elektrotechnik Elektronik", Berlin 1983 , 4 . Ed., Pp. 120 and 182-185, a medium frequency generator of the Guy type is described, wherein an unwound rotor is rotatably mounted in a medium frequency winding (as a coil to be induced) stator. The shape of the rotor and stator on the circumference of the air gap causes large fluctuations in the magnetic flux in the coil to be induced during relative movement, which leads to voltage induction.
Dazu besitzt der Stator luftspaltseitig sich axial erstreckende Zähne. Eine in Stator nuten eingebrachte Erregerwicklung bestimmt Erregerpole, die durch eine Pollücke in erste und zweite Teilpole aufgeteilt sind. Die Pollücke nimmt die Mittelfrequenzwick lung auf. Ihre Breite ist so gewählt, daß die Zähne des jeweils ersten Teilpols zu den Zähnen des jeweils zweiten Teilpols in Umfangsrichtung um eine Zahnbreite versetzt sind.For this purpose, the stator has axially extending teeth on the air gap side. One in stator The excitation winding introduced into the slots determines excitation poles, which are first and second sub-poles are divided. The pole gap takes the medium frequency wick lung on. Their width is chosen so that the teeth of the first partial pole to the Teeth of the respective second partial pole offset by a tooth width in the circumferential direction are.
Der Rotor ist wicklungslos ausgeführt. Er trägt gleichmäßig geteilt auf seinem Um fang sich axial erstreckende Zähne, wobei die Zahnteilung der Statorzahnung inner halb der Teilpole der der Rotorzahnung entspricht.The rotor has no windings. It carries evenly on its perimeter catch axially extending teeth, the tooth pitch of the stator teeth inside half of the partial poles which corresponds to the rotor toothing.
Bei Drehung des Rotors stehen sich abwechselnd die luftspaltseitigen Stirnflächen der Zähne von Rotor und jeweils erstem oder zweitem Teilpol gegenüber, so daß zwischen beiden Teilpolen jeweils das Maximum des magnetischen Flusses wech selt. Die entsprechenden Richtungsänderungen bewirken eine Spannungsinduktion in der Mittelfrequenzwicklung.When the rotor rotates, the end faces on the air gap stand alternately the teeth of the rotor and the first or second partial pole opposite each other, so that the maximum of the magnetic flux changes between the two partial poles puzzled. The corresponding changes in direction cause a voltage induction in the medium frequency winding.
Vorstehend beschriebene bekannte Maschinen führen allerdings bei der Konzipie rung für größere Leistungen zwangsläufig zu großen Maschinendurchmessern, da größere umzusetzende Leistungen entsprechende Querschnitte von Eisen und Kupfer bedingen, die vornehmlich am Maschinenumfang nebeneinander angeordnet sind.Known machines described above, however, lead in design for larger outputs inevitably lead to large machine diameters, because larger outputs to be implemented corresponding cross sections of iron and Copper conditionally arranged side by side primarily on the machine circumference are.
Aus Weh, H.: "Permanentmagneterregte Synchronmaschinen hoher Kraftdichte nach dem Transversalflußkonzept", etzArchiv 10(1988)5, S. 143-149, ist es weiterhin bekannt, permanentmagneterregte Synchronmaschinen derartig zu gestalten, daß der Nutzfluß in der Ebene quer zur Bewegungsrichtung (d. h. transversal) verläuft, so daß die wirksamen Eisen- und Kupferquerschnitte nicht mehr am Maschinenumfang nebeneinander angeordnet werden müssen. Durch das dargestellte Konzept sind hohe Kraftdichten und geringe Wicklungsverluste, damit geringe Leistungsmassen und kompakte Bauweisen realisierbar. From Weh, H .: "Permanent magnet excited synchronous machines of high force density according to the transverse flux concept", etzArchiv 10 ( 1988 ) 5, pp. 143-149, it is also known to design permanent magnet excited synchronous machines in such a way that the useful flow in the plane is transverse to the direction of movement ( ie transversal), so that the effective iron and copper cross-sections no longer have to be arranged next to one another on the circumference of the machine. The concept shown makes it possible to achieve high power densities and low winding losses, which means low power ratings and compact designs.
Aus DE 44 00 443 C1 ist weiterhin eine Transversalflußmaschine mit Zylinderrotor bekannt, die für hohe Drehzahlen konzipiert ist.From DE 44 00 443 C1 is also a transverse flux machine with a cylindrical rotor known, which is designed for high speeds.
Diese bekannten Maschinenausführungen sind jedoch als Langsamläufer nicht ge eignet. Die permanentmagneterregte Bauweise verhindert darüber hinaus eine einfa che Steuerbarkeit in der Leistungsabgabe bei Generatorbetrieb und begrenzt insge samt das Leistungsvermögen der Maschinen. Eine dreiphasige Ausführung bedingt eine Dreifachanordnung entsprechender Teilmaschinen auf einer Welle.However, these known machine designs are not ge as slow-moving suitable. The permanent magnet excited design also prevents simple che controllability in the power output during generator operation and limited in total including the performance of the machines. A three-phase version requires a triple arrangement of corresponding sub-machines on a shaft.
Gemäß DE 29 38 379 A1 ist eine Synchronmaschine mit zweifacher Erregung und Wechselmagnetisierung für lineare und rotatorische Anordnung bekannt, bei der ebenfalls eine transversale Flußführung realisiert ist. Demgemäß besteht der Eisen körper des aktiven Motorteils aus einer Mehrzahl von (gegenseitig magnetisch iso lierten) Teilpaketen mit E-Form, in deren Nuten eine Phasenwicklung eingelegt ist. Die Teilpakete weisen weiterhin zwei homopolar ausgerichtete Permanentmagnet anordnungen zur Erzeugung des Erregerflusses auf, wobei auch wahlweise Spulen anordnungen vorgesehen sein können. Dem aktiven Motorteil ist eine ferromagneti sche Schiene (im Sinne eines Läufers) zugeordnet, die entsprechend der durch die Phasenwicklungen bestimmten Polteilung rechts- und linksseitige Schienenansätze aufweist.According to DE 29 38 379 A1 is a synchronous machine with double excitation and Alternating magnetization for linear and rotary arrangement known in the a transverse flow is also realized. Accordingly, the iron is made body of the active motor part from a plurality of (mutually magnetic iso gated) partial packages with E-shape, in the slots of which a phase winding is inserted. The subpackages also have two homopolar permanent magnets arrangements for generating the excitation flow, with optional coils arrangements can be provided. The active motor part is a ferromagneti cal rail (in the sense of a runner), which corresponds to the by the Phase windings determine the pole pitch on the right and left-hand side of the rail having.
Bei Betrieb dieser Maschine als Motor wird durch die Phasenwicklung ein magneti sches Wanderfeld erzeugt, wobei entsprechend der konkreten Gestaltung der Schie ne ein alternierender magnetischer Schluß jeweils bezüglich nur einer Polhälfte er reicht wird. Zur Fortleitung des magnetischen Flusses kann zu jedem Zeitpunkt nur eine Polhälfte genutzt werden, d. h. es wird immer nur die Hälfte des vorhandenen Eisenquerschnittes ausgenutzt.When this machine is operated as a motor, the phase winding creates a magnet sches Wanderfeld generated, according to the specific design of the shooting ne an alternating magnetic circuit with respect to only one pole half is enough. To transmit the magnetic flux at any time only one pole half are used, d. H. it only becomes half of the existing one Iron cross section exploited.
Nachteilig ist weiterhin, daß auch diese Maschine nicht als Langsamläufer geeignet ist.Another disadvantage is that this machine is also not suitable as a slow runner is.
In Anbetracht der Nachteile dieses bekannten Standes der Technik liegt der Erfin dung die Aufgabe zugrunde, eine heteropolar erregte Reluktanzmaschine der ein gangs genannten Art zu schaffen, die den Einsatz in relativ niederen Drehzahlbereichen bei insbesondere größeren Leistungen und bei vertretbaren Maschinendurch messern gewährleistet.In view of the disadvantages of this known prior art, the inventor based on the task of creating a heteropolar excited reluctance machine gangs mentioned type to create the use in relatively low speed ranges for larger capacities in particular and for justifiable machines knives guaranteed.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Vereinigung folgender Merk
male:
This object is achieved by combining the following features:
- - Der Rotor besteht aus magnetisch nicht leitendem Werkstoff, in dem luftspaltseitig in konstanter Teilung beabstandet voneinander magne tisch leitende, sich im wesentlichen axial erstreckende zweite Magnet kreisteile angeordnet sind,- The rotor consists of magnetically non-conductive material in which air gap on the air gap in constant division spaced apart from each other table conductive, substantially axially extending second magnet circular parts are arranged,
- - der Stator weist E-förmig gestaltete erste Magnetkreisteile auf, deren Schenkelenden zum Luftspalt hin geöffnet sind und in deren Nuten Er reger- und Phasenwicklungen eingelegt sind, und- The stator has E-shaped first magnetic circuit parts, the Leg ends are open to the air gap and in the grooves Er excitation and phase windings are inserted, and
- - die Erregerwicklung definiert Erregerpole des Stators, welche in Um fangsrichtung in jeweils einen aus mehreren ersten Magnetkreisteilen bestehenden ersten und einen zweiten Teilpol mit dazwischen liegender Pollücke untergliedert sind, wobei die Teilung der ersten Magnetkreis teile innerhalb eines Teilpoles der Teilung des Rotors entspricht und die beiden Teilpole in Bezug auf die Teilung des Rotors um einen er sten bestimmten Betrag entsprechend der Pollücke gegeneinander versetzt sind,- The excitation winding defines excitation poles of the stator, which in Um direction in one of several first magnetic circuit parts existing first and a second partial pole with intermediate Pole gap are subdivided, the division of the first magnetic circuit parts within a partial pole corresponds to the pitch of the rotor and the two sub-poles with respect to the division of the rotor by one Most specific amount according to the pole gap against each other are offset
- - die Erregerpole sind in Umfangsrichtung in Bezug auf die Teilung des Rotors um einen zweiten bestimmten Betrag entsprechend einer Teil pollücke gegeneinander versetzt und die Phasenwicklungen sind in die Nuten der ersten Magnetkreisteile von benachbarten Teilpolen aufein anderfolgender Erregerpole eingelegt.- The excitation poles are circumferential with respect to the division of the Rotors by a second certain amount corresponding to a part pole offset and the phase windings are in the Grooves of the first magnetic circuit parts from adjacent partial poles other excitation poles inserted.
Durch diese erfindungsgemäße Übertragung des Transversalflußprinzips auf Reluk tanzmaschinen der eingangs genannten Art besteht die Möglichkeit der Konzeption und Ausführung von relativ langsam laufenden Maschinen für größere Leistungen bei vertretbaren Maschinendurchmessern. Insbesondere kann nun auch bei Reluktanz maschinen eine auf dem Maschinenumfang vorgesehene Nebeneinanderanordnung von wirksamen Eisen- und Kupferquerschnitten (abgesehen von den Wickelköpfen) vermieden werden, so daß günstige und kompakte Bauweisen realisierbar sind. Leistungsbedingte Einflüsse auf den Maschinendurchmesser können erheblich vermin dert werden.Through this transfer of the transverse flow principle to Reluk dance machines of the type mentioned at the beginning there is the possibility of conception and execution of relatively slow running machines for greater performances reasonable machine diameters. In particular, reluctance can now also machines a side by side arrangement provided on the machine scope effective iron and copper cross-sections (apart from the winding heads) are avoided, so that inexpensive and compact designs can be realized. performance-related Influences on the machine diameter can be significantly reduced be changed.
Die Transversalanordnung einer Mehrzahl von am Maschinenumfang angeordneten Magnetkreisen führt dazu, daß der magnetische Nutzfluß in der Ebene quer zur Be wegungsrichtung des Rotors verläuft, d. h. die wirksamen Eisen- und Kupferquer schnitte können vorteilhafterweise bei Reluktanzmaschinen entgegen der üblichen Bauweise parallelwirksam zur Maschinenachse angeordnet werden. Damit sind auf vorteil- und zweckmäßige Weise die an sich vorhandenen Vorzüge von Reluktanz maschinen mit denen von Transversalflußmaschinen kombinierbar, wobei deren Nachteile (insbesondere hinsichtlich niederer Drehzahl, Nutzung vorhandener Eisen querschnitte, einfacher Steuerbarkeit, Leistung, mehrphasigem Aufbau) vermeidbar sind.The transverse arrangement of a plurality of arranged on the machine circumference Magnetic circuits leads to the fact that the useful magnetic flux in the plane transverse to the loading direction of movement of the rotor, d. H. the effective iron and copper cross cuts can advantageously be used in reluctance machines contrary to the usual Design to be arranged parallel to the machine axis. With that are on advantageous and expedient way the inherent advantages of reluctance machines can be combined with those of transverse flux machines, their Disadvantages (especially with regard to low speed, use of existing irons cross sections, easy controllability, performance, multi-phase structure) avoidable are.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung besteht der Stator aus magnetisch nicht leitendem Werkstoff, in dem die magnetisch leitenden, sich im wesentlichen axial und quer zur Umfangsrichtung erstreckenden ersten Magnetkreisteile befestigt sind, durch deren luftspaltseitige Stirnflächen die Zähne der Statorzahnung gebildet sind.In an advantageous embodiment of the invention, the stator does not consist of magnetically conductive material in which the magnetically conductive, essentially axially and first magnetic circuit parts extending transversely to the circumferential direction are fastened, the teeth of the stator toothing are formed by their end faces on the air gap side.
Zwecks Reduzierung von Wirbelstromverlusten bestehen die ersten Magnetkreisteile aus einzelnen, gegeneinander isolierten Eisenblechlagen, wobei die Berührungsebe nen der Eisenbleche in Ebenen liegen, die vom Radiusvektor und der Rotorachse aufgespannt sind.The first magnetic circuit parts exist to reduce eddy current losses from individual, mutually insulated sheet iron layers, the contact plane NEN of the iron sheets lie in planes that of the radius vector and the rotor axis are spanned.
Zweckmäßig bilden weiterhin eine definierte Anzahl von in Umfangsrichtung in defi nierter Teilung am Stator angeordneter erster Magnetkreisteile einen ersten Teilpol eines Erregerpoles und eine gleiche Anzahl von in Umfangsrichtung in gleicher Tei lung am Stator angeordneter Magnetkreisteile einen zweiten Teilpol des gleichen Erregerpoles, die durch die Pollücke unterbrochen sind, und denen sich die Teilpole weiterer Erregerpole mit entsprechender Anzahl erster Magnetkreisteile und entspre chender Zahnteilung anschließen. Expediently continue to form a defined number in the circumferential direction in defi First division of the first magnetic circuit parts arranged on the stator has a first partial pole of an excitation pole and an equal number of circumferentially in the same part the magnetic circuit parts arranged on the stator have a second partial pole of the same Excitation poles, which are interrupted by the pole gap, and which are the sub-poles additional excitation poles with a corresponding number of first magnetic circuit parts and correspond Connect the appropriate tooth pitch.
Dabei sind die beiden Teilpole eines Erregerpoles von einer Erregerwicklung derart umfaßt, daß die den entsprechenden Teilpolen zugeordneten ersten Magnetkreisteile von einer Erregerwicklung durchsetzt sind.The two sub-poles of an excitation pole are of an excitation winding comprises that the first magnetic circuit parts assigned to the corresponding partial poles are penetrated by an excitation winding.
Zwecks mehrphasigen Aufbaues in einer Einheit führen die Phasenwicklungen Dreh strom und demgemäß ist pro Phase mindestens eine Phasenspule vorgesehen. Da bei enthält in besonders vorteilhafter Ausgestaltung jede Phasenspule mindestens zwei Polwicklungen, wobei jede Polwicklung zwei Teilpole unterschiedlicher benach barter Erregerpole umfaßt. In Umfangsrichtung des Stators sind die einzelnen Pol wicklungen pro Phase alternierend angeordnet, wobei die Polwicklungen jeder Pha senspule in Reihe oder parallel schaltbar sind.For the purpose of multi-phase construction in one unit, the phase windings rotate current and accordingly at least one phase coil is provided per phase. because in a particularly advantageous embodiment, each phase coil contains at least two pole windings, each pole winding two subpoles different neighbors bear excitation poles. The individual poles are in the circumferential direction of the stator windings arranged alternately per phase, the pole windings of each phase sensor coil can be connected in series or in parallel.
Zur zweckmäßigen Aufnahme der Wickelköpfe der Erreger- und der Phasenwicklun gen bei Sicherung des Funktionsprinzips der Maschine beträgt die Pollücke ein ganzzahliges Vielfaches zuzüglich eines durch die Phasenanzahl bestimmten Bruchteils der Teilung der Statorzahnung und die Teilpollücke ein ganzzahliges Vielfaches der Teilung der Statorzahnung.For the purpose of accommodating the winding heads of the excitation and phase windings If the functional principle of the machine is safeguarded, the pole gap is one integer multiple plus one determined by the number of phases Fraction of the division of the stator toothing and the partial pole gap an integer Multiple of the division of the stator toothing.
In weiterer zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung sind die zweiten Magnetkrei steile jochförmig gestaltet und deren luftspaltseitigen Stirnflächen bilden die Zähne der Rotorzahnung.In a further expedient embodiment of the invention, the second magnetic circuit steep yoke-shaped and the air gap-side end faces form the teeth the rotor toothing.
Zur Reduzierung von Wirbelstromverlusten bestehen auch die zweiten Magnetkreis teile aus einzelnen, gegeneinander isolierten Eisenblechlagen, wobei die Berüh rungsebenen der Eisenbleche in Ebenen liegen, die vom Radiusvektor und der Ro torachse aufgespannt sind.The second magnetic circuit also exists to reduce eddy current losses parts from individual, mutually insulated sheet iron layers, the touch planes of the iron sheets lie in levels that are defined by the radius vector and the Ro door axis are clamped.
Diese zweckmäßige Ausgestaltung des Rotors gestattet eine einfache und kosten günstige Herstellbarkeit, wobei der ständerseitig transversal geführte magnetische Kreis in Realisierung des Reluktanzprinzips schließbar ist. Elektrische Leistung braucht nicht auf den Rotor übertragen zu werden; entsprechende störanfällige Bauteile, wie Schleifringübertrager, Kommutatoren usw. sind vermieden. Trotzdem ist die Maschine direkt (über den Erregerstrom) steuerbar. This expedient design of the rotor allows it to be simple and cost-effective favorable producibility, the stator being guided transversely on the magnetic side Circle can be closed in the implementation of the reluctance principle. Electrical power need not be transferred to the rotor; corresponding failure-prone Components such as slip ring transformers, commutators etc. are avoided. Still is the machine can be controlled directly (via the excitation current).
Zwecks Verbesserung des zeitlichen Verlaufs der vom Generator erzeugten Span nungen sowie zur Verminderung der Rastmomente sind die Konturen der luftspalt seitigen Stirnflächen der Zähne der Rotor- und der Statorzahnung so gestaltet, daß die in den zugeordneten Phasenwicklungen induzierten Phasenspannungen eine Sinusform erhalten.To improve the time course of the chip generated by the generator The contours of the air gap are the key to reducing the cogging torque end faces of the teeth of the rotor and stator teeth so designed that the induced phase voltages in the associated phase windings Preserve sinusoid.
In einer günstig konzipier- und herstellbaren Näherungslösung weisen die luftspalt seitigen Stirnflächen der Zähne der Statorzahnung eine plane Oberfläche auf, wäh rend die luftspaltseitigen Stirnflächen der Zähne der Rotorzahnung der Mantelfläche des Rotors folgen.The air gap has a conveniently designed and manufacturable approximation solution end faces of the teeth of the stator toothing on a flat surface, weh rend the air gap-side end faces of the teeth of the rotor teeth of the outer surface follow the rotor.
Vorteilhafterweise ist die erfindungsgemäße Reluktanzmaschine als Generator oder als Motor betreibbar.The reluctance machine according to the invention is advantageously a generator or can be operated as a motor.
An die Erregerwicklung ist je nach speziellem Anwendungsfall Gleichstrom, gepulster Gleichstrom oder Wechselstrom anlegbar.Depending on the specific application, direct current is pulsed to the excitation winding Direct current or alternating current can be applied.
Die erfindungsgemäße Maschine ist als Innen- oder als Außenläufertyp ausführ bar. Auch ist sie mit rotatorischem oder translatorischem An-/Abtrieb (z. B. als Linear motor) realisierbar.The machine according to the invention is designed as an internal or external rotor type bar. It is also available with a rotary or translatory input / output (e.g. as a linear motor) realizable.
Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:The invention is explained in more detail below using an exemplary embodiment. In the associated drawings show:
Fig. 1 die teilweise schematisierte und abgebrochene Darstellung des Axialschnittes längs der Linie I-I in Fig. 2 durch eine erfindungsgemäße Reluktanzmaschi ne, Fig. 1 is a partially schematic and fragmentary view of the axial section along the line II in Fig. 2 ne by an inventive Reluktanzmaschi,
Fig. 2 eine Ausschnittdarstellung des Schnitts längs der Linie II-II in Fig. 1, Fig. 2 is a cut-away view of the section along the line II-II in Fig. 1,
Fig. 3 eine vereinfachte und ausschnittsweise Darstellung des Blicks auf das Innere des Stators vom Luftspalt (in abweichendem Maßstab und in die Zeichen ebene abgerollt). Fig. 3 is a simplified and partial representation of the view of the inside of the stator from the air gap (rolled out on a different scale and in the plane).
Gemäß Ausführungsbeispiel wird ein gleichstromerregter dreiphasiger Generator in Innenläuferausführung beschrieben und dargestellt. According to the exemplary embodiment, a DC-excited three-phase generator is used in Inner rotor design described and shown.
Die Maschine besteht aus einem im wesentlichen hohlzylinderförmigen Stator 1 aus magnetisch und elektrisch nicht leitendem Werkstoff, in dem ein auf einer Welle 2 befestigter walzenförmiger Rotor 3 drehbar gelagert ist (Fig. 1 und 2). Im Inneren des Stators 1 sind umfangsseitig eine Mehrzahl von ersten Magnetkreisteilen 4 befestigt. Diese bestehen aus magnetisch gut leitendem Werkstoff. Im Beispiel handelt es sich um einzelne, gegeneinander isolierte Eisenblechlagen, deren Berührungsebenen in Ebenen liegen, die (näherungsweise) vom Radiusvektor und der Achse des Rotors 3 aufgespannt sind.The machine consists of an essentially hollow cylindrical stator 1 made of magnetically and electrically non-conductive material, in which a roller-shaped rotor 3 fastened to a shaft 2 is rotatably mounted ( FIGS. 1 and 2). A plurality of first magnetic circuit parts 4 are fastened on the circumference inside the stator 1 . These consist of magnetically good conductive material. In the example, it is a question of individual, mutually insulated sheet iron layers, the contact planes of which lie in planes (approximately) spanned by the radius vector and the axis of the rotor 3 .
Zweckmäßigerweise besitzen die ersten Magnetkreisteile 4 in der Axialschnittebene (Fig. 1) die Form eines E, dessen drei Schenkelenden dem Luftspalt 5 der Maschine zugewandt sind. D. h. die Längserstreckung der ersten Magnetkreisteile 4 verläuft parallel zur Achse des Rotors 3. In den die E-Form der ersten Magnetkreisteile 4 bil denden Nuten 6 (bzw. entsprechenden Durchbrüchen) sind die Erregerwicklungen 7 und die Phasenwicklungen 8 untergebracht, wie weiter unten genauer erläutert wird.The first magnetic circuit parts 4 expediently have the shape of an E in the axial section plane ( FIG. 1), the three leg ends of which face the air gap 5 of the machine. That is, the longitudinal extent of the first magnetic circuit parts 4 runs parallel to the axis of the rotor 3 . In the E-shape of the first magnetic circuit parts 4 bil denden grooves 6 (or corresponding openings), the excitation windings 7 and the phase windings 8 are housed, as will be explained in more detail below.
Der Rotor 3 ist gleichfalls aus magnetisch und elektrisch nicht leitendem Werkstoff hergestellt. An seinem Außenumfang sind magnetisch gut leitende zweite Magnet kreisteile 9 derart befestigt, daß sie in Nuten des Rotors 3 eingelassen sind. Diese zweiten Magnetkreisteile 9 sind jochförmig gestaltet; sie dienen dem Rückschluß (über den Luftspalt 5) der in den ersten Magnetkreisteilen 4 erregten magnetischen Erregerkreise. Aus Gründen der Senkung von Wirbelstromverlusten bestehen sie gleichfalls aus gegeneinander isolierten Eisenblechlagen, deren Berührungsebenen in Ebenen liegen, die (näherungsweise) vom Radiusvektor und der Achse des Rotors 3 aufgespannt werden.The rotor 3 is also made of magnetically and electrically non-conductive material. On its outer circumference, magnetically highly conductive second magnetic circular parts 9 are fastened in such a way that they are embedded in grooves in the rotor 3 . These second magnetic circuit parts 9 are yoke-shaped; they serve to draw conclusions (via the air gap 5 ) of the magnetic excitation circuits excited in the first magnetic circuit parts 4 . For the sake of reducing eddy current losses, they also consist of mutually insulated sheet iron layers, the contact planes of which lie in planes that are (approximately) spanned by the radius vector and the axis of the rotor 3 .
Die zweiten Magnetkreisteile 9 und deren Anordnung auf dem Umfang des Rotors 3 bilden eine (magnetisch aktive) Rotorzahnung 3.1 mit einer über den Rotorumfang konstanten Teilung. D. h. die luftspaltseitigen Stirnflächen der jochförmigen zweiten Magnetkreisteile 9 sollen Zähne darstellen, während die jeweiligen Zahnlücken durch die Zwischenräume aus magnetisch nicht leitendem Werkstoff zwischen zwei Zähnen (s. Fig. 2) gebildet sind. Dabei ist die Dicke der zweiten Magnetkreisteile 9 vorzugs weise gleich oder kleiner der Zahnbreite im Stator 1 und die Anordnung ist so ge troffen, daß die Größe der Zahnbreite höchstens der Größe der Zahnlücke entspricht. The second magnetic circuit parts 9 and their arrangement on the circumference of the rotor 3 form a (magnetically active) rotor toothing 3.1 with a pitch that is constant over the rotor circumference. That is, the end faces of the yoke-shaped second magnetic circuit parts 9 on the air gap side are intended to represent teeth, while the respective tooth gaps are formed by the spaces between magnetically non-conductive material between two teeth (see FIG. 2). The thickness of the second magnetic circuit parts 9 is preferred to be equal to or smaller than the tooth width in the stator 1 and the arrangement is such that the size of the tooth width corresponds at most to the size of the tooth gap.
Dementsprechend beträgt die Größe der Zahnteilung die zweifache statorseitige Zahnbreite.Accordingly, the size of the tooth pitch is twice the stator Tooth width.
Dieser Rotorzahnung 3.1 ist eine Statorzahnung 1.1 wie folgt zugeordnet:
Die Zähne der (magnetisch aktiven) Statorzahnung 1.1 werden durch die umfangs
seitige Anordnung der ersten Magnetkreisteile 4 im Inneren des Stators 1 gebildet,
wobei die luftspaltseitigen Stirnflächen der ersten Magnetkreisteile 4 die Zähne dar
stellen sollen. Deren Zahnbreite entspricht der Dicke der ersten Magnetkreisteile 4,
die gleich der Dicke der zweiten Magnetkreisteile 9 ist. Die Größe der jeweiligen
Zahnlücken ist wie folgt definiert:
Durch die Erregerwicklungen 7 werden am Innenumfang des Stators 1 jeweils ab
wechselnd nord- und südmagnetische Erregerpole bestimmt (vergl. auch Fig. 3). Je
der dieser Erregerpole (nicht dargestellt) wird in einen ersten und einen zweiten Teil
pol untergliedert, wobei jeweils eine Pollücke 10 dazwischen sitzt. Gemäß dem Aus
führungsbeispiel wird ein erster Teilpol durch die drei ersten Magnetkreisteile 4.1 und
ein zweiter Teilpol durch die drei ersten Magnetkreisteile 4.2 gebildet. Innerhalb der
jeweiligen Teilpole entspricht die Größe der Zahnlücken der (konstanten) Zahnbreite,
d. h. die Zähne besitzen konstante Zahnteilung. Die Größe der Pollücke 10 beträgt
ein ganzzahliges Vielfaches der Teilung der Rotorzahnung 3.1 bzw. der Statorzah
nung 1.1 zuzüglich eines durch die Phasenanzahl bestimmten Bruchteils der Zahn
teilung. Im Beispiel ist die als Abstand zwischen letztem Zahn des ersten Teilpols
und erstem Zahn des zweiten Teilpols definierte Pollücke 10 gleich 2 2/3 der Zahn
teilung, um bei Sicherung der Funktion u. a. den erforderlichen Raum für die Wickel
köpfe der Phasenwicklung 8 zu schaffen.This rotor toothing 3.1 is assigned a stator toothing 1.1 as follows:
The teeth of (magnetically active) 1.1 Statorzahnung are formed by the periphery-side arrangement of the first magnetic circuit parts 4 inside the stator 1, wherein the air-gap-side end faces of the first magnetic circuit part 4 to make the teeth are. Their tooth width corresponds to the thickness of the first magnetic circuit parts 4 , which is equal to the thickness of the second magnetic circuit parts 9 . The size of the respective tooth gaps is defined as follows:
The excitation windings 7 determine on the inner circumference of the stator 1 from alternating north and south magnetic excitation poles (see also FIG. 3). Each of these excitation poles (not shown) is subdivided into a first and a second part pole, each with a pole gap 10 in between. According to the exemplary embodiment, a first partial pole is formed by the three first magnetic circuit parts 4.1 and a second partial pole by the three first magnetic circuit parts 4.2 . The size of the tooth gaps within the respective partial poles corresponds to the (constant) tooth width, ie the teeth have constant tooth pitch. The size of the pole gap 10 is an integral multiple of the pitch of the rotor toothing 3.1 or the stator toothing 1.1 plus a fraction of the tooth pitch determined by the number of phases. In the example, the pole gap 10 defined as the distance between the last tooth of the first partial pole and the first tooth of the second partial pole is equal to 2 2/3 of the tooth pitch, in order to ensure the necessary space for the winding heads of the phase winding 8 while ensuring the function.
Die Phasenwicklungen 8 sind am Innenumfang des Stators 1 so angeordnet, daß sie jeweils zwei Teilpole benachbarter unterschiedlicher Erregerpole umfassen (vergl. Fig. 3). Zwischen diesen Teilpolen und demgemäß zwischen den unterschiedlichen Erregerpolen sind Teilpollücken 11 angeordnet, die wegen des geringeren Raumbe darfs der Wickelköpfe der Erregerwicklungen 7 kleiner ausgeführt werden können. Die Größe der Teilpollücke 11 (Abstand zwischen letztem Zahn des jeweils zweiten Teilpols und erstem Zahn des folgenden Teilpols des nächsten Erregerpols) beträgt ein ganzzahliges Vielfaches der Zahnteilung, im Beispiel eine Zahnteilung, so daß bei einer Stellung Zahnkopf des Stators 1 zu Zahnkopf des Rotors 3 eines zweiten Teilpols die Zähne des folgenden (dem nächsten Erregerpol zugeordneten) Teilpols den Zahnlücken des Rotors 3 gegenüberstehen.The phase windings 8 are arranged on the inner circumference of the stator 1 such that they each comprise two sub-poles of adjacent different excitation poles (see FIG. 3). Between these partial poles and accordingly between the different excitation poles, partial pole gaps 11 are arranged, which may be made smaller due to the lower space requirement of the winding heads of the excitation windings 7 . The size of the partial pole gap 11 (distance between the last tooth of the second partial pole and the first tooth of the following partial pole of the next excitation pole) is an integer multiple of the tooth pitch, in the example a tooth pitch, so that the tooth tip of the stator 1 to the tooth tip of the rotor 3 in one position of a second partial pole, the teeth of the following partial pole (assigned to the next excitation pole) face the tooth gaps of the rotor 3 .
Die Phasenwicklungen 8 bestehen aus drei jeweils den Phasen zugeordneten Pha senspulen, wobei jede Phasenspule zweckmäßigerweise zwei Polwicklungen 8.1 enthält, welche jeweils zwei Teilpole unterschiedlicher benachbarter Erregerpole umfaßt. Dabei sind die einzelnen Polwicklungen 8.1 pro Phase in Umfangsrichtung des Stators 1 abwechselnd angeordnet. Sie sind nach Bedarf in Reihe oder parallel schaltbar.The phase windings 8 consist of three phase coils each assigned to the phases, each phase coil expediently containing two pole windings 8.1 , each of which comprises two sub-poles of different adjacent excitation poles. The individual pole windings 8.1 are arranged alternately per phase in the circumferential direction of the stator 1 . They can be connected in series or in parallel as required.
Die Dimensionierung der beispielsgemäßen Maschine, insbesondere die Anzahl der Pole, die Größe der Pollücken 10 und der Teilpollücken 11, die Anzahl der Zähne von Rotorzahnung 3.1 und Statorzahnung 1.1, richtet sich nach den gewünschten Eigenschaften der Maschine, wie z. B. der Anzahl der Phasen und der Frequenz des erzeugten Wechselstroms bei vorgegebener Drehzahl.The dimensioning of the machine according to the example, in particular the number of poles, the size of the pole gaps 10 and the partial pole gaps 11 , the number of teeth of the rotor toothing 3.1 and the stator toothing 1.1 , depends on the desired properties of the machine, such as, for. B. the number of phases and the frequency of the alternating current generated at a given speed.
Aus bereits erläuterten Gründen sind die Konturen der luftspaltseitigen Stirnflächen der Zähne der Rotorzahnung 3.1 und der Statorzahnung 1.1 so zu gestalten, daß die in den zugeordneten Phasenwicklungen 8 induzierten Phasenspannungen einen möglichst genauen sinusförmigen Verlauf erhalten. Entsprechend der beispielsge mäßen Näherungslösung besitzen die luftspaltseitigen Stirnflächen der Zähne der Statorzahnung 1.1 eine plane Oberfläche (vergl. Fig. 2). Die luftspaltseitigen Stirnflä chen der Zähne der Rotorzahnung 3.1 sind dagegen der zylindrischen Außenmantel fläche des Rotors 3 angepaßt.For reasons already explained, the contours of the end faces of the teeth of the rotor teeth 3.1 and the stator teeth 1.1 on the air gap side are to be designed in such a way that the phase voltages induced in the assigned phase windings 8 receive a sinusoidal curve that is as accurate as possible. In accordance with the approximate solution, for example, the end faces of the teeth of the stator toothing 1.1 on the air gap side have a flat surface (see FIG. 2). The air-gap end faces of the teeth of the rotor teeth 3.1 , on the other hand, are adapted to the cylindrical outer surface of the rotor 3 .
Die Wirkungsweise ist wie folgt:
Bei Beaufschlagung der Erregerwicklungen 7 mit Gleichstrom wird ein (vorerst) ho
mogenes magnetisches Feld in den durch die ersten Magnetkreisteile 4 und die
zweiten Magnetkreisteile 9 gebildeten Erregerkreise mindestens eines Teilpols er
zeugt, bei dem sich die Zahnköpfe von Rotorzahnung 3.1 und Statorzahnung 1.1 -
getrennt durch den Luftspalt 5 - gegenüberstehen. In dieser Position ist der je Mag
netkreis wirksame magnetische Widerstand am geringsten, d. h. der magnetische
Fluß nimmt sein Maximum an. Dagegen befinden sich in benachbarten Teilpolen die
Zahnköpfe der Statorzahnung 1.1 nur teilweise oder nicht den Zahnköpfen der Ro
torzahnung 3.1 gegenüber, d. h. der magnetische Widerstand ist erheblich größer.The mode of action is as follows:
When the excitation windings 7 are charged with direct current, a (for the time being) ho mogenic magnetic field in the excitation circuits formed by the first magnetic circuit parts 4 and the second magnetic circuit parts 9 , at least one partial pole, in which the tooth heads of the rotor toothing 3.1 and stator toothing 1.1 - are separated by the air gap 5 - face. In this position, the magnetic resistance effective per magnetic circuit is the lowest, ie the magnetic flux reaches its maximum. In contrast, the tooth heads of the stator toothing 1.1 are located only partially or not in the neighboring partial poles of the tooth heads of the rotor toothing 3.1 , ie the magnetic resistance is considerably greater.
Bei Drehung des Rotors 2 erfolgt eine periodische Verschiebung der sich je Teilpol gegenüberstehenden Zahnköpfe von Statorzahnung 1.1 und Rotorzahnung 3.1, d. h. es erfolgt eine entsprechende periodische Änderung des magnetischen Flusses, die zur Induktion einer Spannung in den Phasenwicklungen 8 führt.When the rotor 2 rotates, the tooth heads of the stator toothing 1.1 and the rotor toothing 3.1 , which are opposite each other, take place periodically, ie there is a corresponding periodic change in the magnetic flux, which leads to the induction of a voltage in the phase windings 8 .
Durch die erfindungsgemäße Anordnung und Gestaltung der ersten Magnetkreisteile 4 und der zweiten Magnetkreisteile 9 in ausgesprochen axialwirksamer Richtung verläuft der Nutzfluß transversal, d. h. quer zur Bewegungsrichtung mit allen erläu terten Vorteilen.Due to the inventive arrangement and design of the first magnetic circuit parts 4 and the second magnetic circuit parts 9 in a particularly axially effective direction, the useful flow is transversal, that is, transverse to the direction of movement with all the advantages explained.
Die Erfindung ist nicht durch Einzelheiten des vorstehenden Ausführungsbeispiels beschränkt. Insbesondere kann die Maschine als Generator oder als Motor ausge führt werden. Die Erregerwicklung kann je nach Anwendungsfall auch durch gepul sten Gleichstrom oder durch Wechselstrom gespeist werden. Neben der erläuterten Innenläufer- ist analog die Außenläuferausführung realisierbar. Gleichfalls ist die Ma schine als Linearmaschine gestaltbar.The invention is not by the details of the above embodiment limited. In particular, the machine can be a generator or a motor leads. Depending on the application, the field winding can also be pulsed most direct current or alternating current. In addition to the explained Internal rotor - the external rotor design can be implemented in the same way. Likewise, the Ma can be designed as a linear machine.
Claims (18)
der Rotor (3) aus magnetisch nicht leitendem Werkstoff besteht, in dem luftspaltseitig in konstanter Teilung beabstandet voneinander magne tisch leitende, sich im wesentlichen axial erstreckende zweite Magnet kreisteile (9) angeordnet sind,
der Stator (1) E-förmig gestaltete erste Magnetkreisteile (4), deren Schenkelenden zum Luftspalt hin geöffnet sind und in deren Nuten (6) Erreger- (7) und Phasenwicklungen (8) eingelegt sind, aufweist und
die Erregerwicklung (7) Erregerpole des Stators (1) definiert, welche in Umfangsrichtung in jeweils einen aus mehreren ersten Magnetkreistei len (4) bestehenden ersten (4.1) und einen zweiten Teilpol (4.2) mit da zwischen liegender Pollücke (10) untergliedert sind, die Teilung der er sten Magnetkreisteile (4) innerhalb eines Teilpoles der Teilung des Ro tors (3) entspricht und die beiden Teilpole (4.1; 4.2) in Bezug auf die Teilung des Rotors (3) um einen ersten bestimmten Betrag entspre chend der Pollücke (10) gegeneinander versetzt sind,
die Erregerpole in Umfangsrichtung in Bezug auf die Teilung des Rotors (3) um einen zweiten bestimmten Betrag entsprechend einer Teilpollüc ke (11) gegeneinander versetzt sind und die Phasenwicklungen (8) in die Nuten (6) der ersten Magnetkreisteile (4) von benachbarten Teilpo len (4.1; 4.2) aufeinanderfolgender Erregerpole eingelegt sind.1. Heteropolar excited reluctance machine with transverse flow guidance, consisting of a stator ( 1 ) and a rotor ( 3 ), wherein
the rotor ( 3 ) consists of magnetically non-conductive material, in the air gap side at constant spacing from one another magnetically conductive, essentially axially extending second magnetic circular parts ( 9 ) are arranged,
the stator ( 1 ) has an E-shaped first magnetic circuit parts ( 4 ), the leg ends of which are open towards the air gap and in the slots ( 6 ) of which excitation windings ( 7 ) and phase windings ( 8 ) are inserted, and
the excitation winding ( 7 ) defines excitation poles of the stator ( 1 ), which are subdivided in the circumferential direction into a first ( 4.1 ) and a second partial pole ( 4.2 ) consisting of several first magnetic circuit parts ( 4 ) with a pole gap ( 10 ) between them, of the ro gate corresponds to the pitch of he most magnetic circuit parts (4) within a part of the pole of the partition (3) and the two partial poles (4.1; 4.2) with respect to the pitch of the rotor (3) by a first predetermined amount accordingly the pole gap ( 10 ) are offset from each other,
the excitation poles in the circumferential direction with respect to the division of the rotor ( 3 ) by a second certain amount corresponding to a Teilpollüc ke ( 11 ) are offset from each other and the phase windings ( 8 ) in the grooves ( 6 ) of the first magnetic circuit parts ( 4 ) of neighboring Teilpo len ( 4.1 ; 4.2 ) of successive excitation poles are inserted.
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- 1999-11-24 DE DE1999156367 patent/DE19956367C2/en not_active Expired - Fee Related
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Also Published As
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|---|---|
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