DE68910181T2 - Elektrische Maschinen. - Google Patents

Description

• Diese Erfindung bezieht sich aufelektrische Reluktanzmaschinen mit einem Primärteil, der einen Primärkern aufweist, welcher Primärpole mit Polschuhflächen definiert, und einem Sekundärteil mit Sekundärpolen mit Polschuhflächen, und einer Spule oder einem Satz von Spulen.
• US-A-3047755 offenbart einen Synchron-Reluktanzmotor mit einem laminierten Rotor, der Rotorpole definiert, die mit entsprechenden im Stator definierten Polschuhflächen zusammenwirken. Es wird beschrieben, daß der Stator Wicklungen in den Spalten zwischen den Statorpolen aufweist. Es wird angegeben, daß diese dem herkömmlichen Muster der Magnetisierung der Pole in abwechselnd entgegengesetzte Polaritäten folgen.
• Figur 1 der Zeichnungen zeigt eine bekannte Konstruktion einer geschalteten einphasigen Reluktanz-Maschine mit vorspringenden Polen, die entweder als elektrischer Motor oder Generator betrieben werden kann. Es wird jedoch in dieser Beschreibung der Einfachheit halber der Begriff Motor verwendet, obwohl es so zu verstehen ist, daß die Erfindung ebenso aufelektrische Generatoren anwendbar ist.
• Der geschaltete Reluktanz-Motor der Figur 1 weist einen Stator-Kern 1 und einen Rotor 2 auf, die beide mit vier vorspringenden Polen 3 bzw. 4 ausgebildet sind. Der Stator- Kern besteht aus mehreren seitlichen Metall-Lamellen in einem Stapel. Jeder vorspringende Statorpol 3 tragt eine Erregerspule 5. Die Spulen 5 sind so gewickelt, daß Nord-(N) und Süd-(S) Pole abwechselnd um den Sator herum geschaffen werden. Wie durch die gestrichelten Linien 6 dargestellt, führt jeder Sektor der aneinandergefügten Lamellen des Kerns 1 die Hälfte des in einem der angeschlossenen angrenzenden Statorpole erzeugten Magnetflusses.
• Bei dieser Art Motor sind die Lamellen gewöhnlich aus einem Bandmetall-Rohling gestanzt. Da die allgemeine äußere Form jeder Lamelle kreisförmig ist, ist zwischen den Lamellen- Stanzungen eine beträchtliche Menge Material übrig, die nur als Metall-Abfall weggeworfen werden kann. Obwohl dieser Abfall natürlich wiederverwertet werden kann, ist es selbstverständlich wünschenswert, das Band mit möglichst wenig Abfall zu verwenden.
• Außerdem trägt jeder Pol seine eigene Kupferwicklung. Diese Konstruktion erfordert eine beträchtliche Menge Kupfer, was sowohl das Gewicht als auch die Kosten des Motors erhöht.
• Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine elektrische Maschine anzugeben, die die Verwendung des Kernmaterials und die Kupferwicklungen optimiert, um die Herstellungkosten zu reduzieren.
• Die vorliegende Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Spule oder jede Spule mit den Primärpolen verbunden und/oder bezüglich diesen so angeordnet ist/sind, daß Gruppen nebeneinanderliegender Primärpole definiert werden, wobei die magnetische Polarität der Polschuhflächen in jeder Gruppe von Primärpolen bezüglich der Spule(n) dieselbe ist und die magnetische Polarität der Polschuhflächen von Primärpolgruppen in nebeneinanderliegenden Gruppen entgegengesetzt ist, und daß ein Bereich des Primärkerns zwischen nebeneinanderliegenden Primärpolen in einer Gruppe relativ radial dünner ist als der zwischen nebeneinanderliegenden Gruppen von Primärpolen.
• Die Begriffe Primärteil und Sekundärteil werden zur Bezeichnung der sich relativ bewegenden Teile der Maschine verwendet. Die mit der Spule oder den Spulen verbundenen Pole könnten der Rotor oder Stator der Maschine sein.
• Auf diese Weise wird der Magnetfluß durch den Kern zwischen den Gruppen von Statorpolen um einen Betrag erhöht, der zu der Anzahl von Statorpolen in einer Gruppe in Bezug steht.
• Auch wird der Magnetfluß in dem Statorkern zwischen Polen innerhalb einer Gruppe zum Zentrum der Gruppe hin wesentlich reduziert. Daher ist dieser Bereich des Statorkerns zwischen den Statorpolen in einer Gruppe jetzt weniger von Betrachtungen der darin befindlichen Magnetflußmenge abhängig, da er nicht länger als Weg für den ganzen Magnetfluß zwischen verschiedenen Polgruppen dienen muß. So kann die Dicke des Statorkerns in diesem Bereich reduziert und sogar unter geringerer Berücksichtigung des darin befindlichen Magnetflusses gestaltet und geformt werden. Das bleibende Hauptkriterium liegt darin, eine ausreichende mechanische Festigkeit des Statorkerns zu gewährleisten. Jedoch wird eine leichte Erhöhung der Materialdicke des Statorkerns zwischen den verschiedenen Gruppen aufgrund des erhöhten Magnetflusses in diesem Bereich wahrscheinlich erforderlich sein.
• Vorzugsweise ist jede Gruppe von nebeneinanderliegenden Statorpolen von einer Einfachspule umfaßt. So wird die für die Wicklungen in einer gegebenen Maschine erforderliche Menge an Material, beispielsweise Kupfer, reduziert.
• Vorzugsweise definiert der dünnere Bereich des Statorkerns eine flache Außenfläche des Kerns.
• Vorzugsweise besteht der Kern aus einer Anzahl sich seitlich erstreckender Lamellen. In diesem Fall, wenn die flachen Außenseiten von den dünneren Bereichen des Kerns gebildet werden, können die Lamellen aus einem Band gestanzt werden, so daß beim Formen der Lamellen weniger Material verwendet wird und weniger Abfallmaterial von den Stanzungen übrigbleibt. In dieser letzten Hinsicht, wenn die dünneren oder flachen Bereiche nebeneinanderliegend in einer Reihe aus einem Band gestanzt werden, ist es möglich, die Gesamtlänge des verwendeten Bandes zu reduzieren und auch weniger Abfall zu hinterlassen.
• Die Erfindung erstreckt sich auch aufeine wie oben beschriebene Maschine, die so geschaltet ist, daß sie als Motor funktioniert und dieselbe Maschine, die so geschaltet ist, daß sie als Generator funktioniert.
• Die vorliegende Erfindung kann auf verschiedene Weise ausgeführt werden, von denen einige im folgenden beispielhaft in bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden, dabei zeigt:
• Fig.2 einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäß auf gebauten elektrischen Reluktanzmotor und
• Fig.3 einen Querschnitt durch einen weiteren erfindungsgemäßen elektrischen Reluktanzmotor.
• Fig.2 zeigt einen geschalteten einphasigen Reluktanzinotor mit vorspringendem Pol, der einen Stator 10 aufweist, in dem ein Rotor 12 angebracht ist. Ein Kern 13 des Stators besteht aus einem Stapel von seitlichen Metall-Lamellen, die auch vier winklig abstandsgleiche Statorpole 14 definieren. Eine Kupferspule 16 ist um jeden der Statorpole 14 gewickelt. Die Spulen werden gleichzeitig erregt.
• Der Rotor 12 umfaßt ein ferromagnetisches Stahl-Teil, das vier winklig abstandsgleiche Rotorpole 18 definiert.
• Es ist offensichtlich, daß dieser Aufbau eines geschalteten Reluktanzmotors in vielerlei Hinsicht ähnlich dem in Fig.1 ist. Jedoch ist in dem elektrischen Motor der Fig.2 jede der Spulen 16 so angeschlossen, daß die Statorpol-Folge um den Kern 13 Nord/Nord/Süd/Süd (NNSS) ist. Durch Wiederanschließen der Spulen 16 auf diese Art wird der Weg des Magnetflusses auf den im hinteren Bereich des Kerns 13 beschränkt, der nebeneinanderliegende verschiedene Gruppen von Polpaaren (NN und SS) verbindet, wie durch die gestrichelten Linien 20 angegeben. So wird bei einem gegebenen Erregungsstrom in den Wicklungen der Betrag des Magnetflusses in diesem reduzierten Weg verdoppelt. Deshalb haben die im wesentlichen retundanten Verbindungsbereiche zwischen den ähnlichen Polen eine sehr reduzierte seitliche Dicke. Es folgt, daß vier der Längen der sich axial im Stator 10 erstreckenden Spule 16 retundant sind, da sie keine Rolle spielen beim Erzeugen des Magnetflusses in dem Weg zwischen den verschiedenen Polpaaren (NN und SS), der verwendet wird, um den Rotor 12 zu wenden.
• Fig. 3 zeigt einen abgewandelten geschalteten Reluktanzmotor mit doppelt ausgeprägten Polen mit einer Einphasen-Wicklung für einen Stapel von Lamellen, die die obengenannte Folge der Ausrichtungen der Statorpole ausnützt. In dieser Ausführungsart definiert ein Statorkern 22, der wieder eine Reihe von seitlichen Metall-Lamellen in einem Stapel umfaßt, vier gleichwinklig beabstandete Statorpole 24. Paare von Statorpolen 24 sind jeweils durch einen relativ dicken Bereich 26 des Kerns 22 verbunden. Nebeneinanderliegende Statorpole 24 in jedem ähnlichen Paar sind durch einen flachen relativ dünneren Bereich 28 des Kerns 22 verbunden. Kupferspulen 30 im Kern 22 sind jeweils in einer Schleife gewickelt, um eines der Paare von nebeneinanderliegenen ähnlichen Statorpolen 24 zu umfassen, die durch den entsprechenden dicken Bereich 26 verbunden sind.
• Wie oben angegeben, ist durch Änderung der Wicklungen zur Erregung der Statorpole 24 in einer NNSS-Folge kein Magnetfluß mehr in den Sektoren des Kerns 22 zwischen ähnlichen Polen 24. So wird die Dicke der Bereiche 28 nicht länger durch den Magnetfluß diktiert. Daher wird deren Form und Größe auf die reduziert, die für die Erhaltung der mechanischen Gesamtfestigkeit des Kerns 22 erforderlich ist. Dies ermöglicht es, die dünneren Bereiche mit flachen Außenrändern zu formen. Unter anderen Bedingungen könnte der Bereich 28 so geformt werden, daß er einen benachbarten Bestandteil in einem besonders beschränkten Raum aufnimmt. In diesem Fall wäre die Form speziell für den speziellen Zweck gestaltet.
• Weil jedoch die Menge des Magnetflusses in den Bereichen 26 faktisch verdoppelt wird, ist es erforderlich, deren Dicke über die zu erhöhen, die in einem gleichwertigen konventionell gewickelten Motor erforderlich ist. Jedoch führt insgesamt die Abwesenheit von vier Spulenseiten und der Notwendigkeit, Magnetfluß zwischen Polen gleicher Polarität zu führen, zu einer beträchtlichen Reduzierung in den Abmessungen jeder Lamelle.
• Wie oben erwähnt, werden die Lamellen für einen elektrischen Motor aus einem Metallband gestanzt. Wenn diese Ausführungsart der vorliegenden Erfindung mit durch die Abwesenheit von Magnetfluß in etwa der Hälfte des Kerns bedingten flachen Seiten geformt wird, kann jede Lamelle mit beträchtlich weniger Abfall zwischen ihr und einer benachbarten Stanzung gestanzt werden, als es bei konventionellem kreisförmigem Stanzen der Fall wäre. So wird die Menge und damit der Preis des für eine gegebene Anzahl von Lamellen erforderlichen Stahlbandes erheblich reduziert.
• Daß jede Spule so konstruiert wird, daß sie ein Paar nebeneinanderliegender Pole umfaßt, bewirkt, daß vier Spulenlängen entlang der Länge eines konventionellen elektrischen Motors mit ausgeprägtem Pol wegfallen, und zwar mit wenig oder keiner Leistungsminderung. Dies führt zu einer konsequenten Reduzierung der für die Wicklungen als Ganzes erforderlichen Kupfermenge aufetwa die Hälfte dessen, was entlang der Länge des Motors führt, zusätzlich zu einer leicht erhöhten Menge am Ende jeder Wicklung. Eine derartige Gesamtreduzierung der Menge des in den Wicklungen verwendeten Kupfers führt sowohl zu einem Sinken des Wicklungswiderstandes als auch zu einem billigeren und leichteren Kern.
• Die Leistung des Motors kann weiter verbessert werden, indem man die Proportionen der Kupfer- und Eisenkernabschnitte zur Berücksichtigung der neuen Wicklungsstrategie anpaßt. Wenn beispielsweise die beiden nun verwendeten Spulen jeweils die selbe Anzahl von Windungen haben wie jede der ursprünglichen vier in Reihe geschalteten Spulen in einem gleichwertigen bekannten Reluktanzmotor, wird die EMK pro Spule in der vorliegenden Ausführung verdoppelt werden, da jede Spule nun zwei Statorpole umfaßt. Wenn man momentan die Endwicklungen vernachläßigt, wird die Entfernung der vier überzähligen Spulenseiten den Widerstand der Wicklung und damit den Kupferverlust und das Gewicht des verwendeten Kupfers halbieren. Jedoch muß die für die Endwicklungen erforderliche Kupfermenge etwas größer sein als in dem vorbekannten gleichwertigen Motor, um beide Pole zu umfassen. Der Nutzen aus der Reduzierung der Kupfermenge und die verbesserte Wirkung nehmen mit Zunahme des Längen-/Breitenverhältnisses des Motors zu.
• Für den Fachmann ist es offensichtlich, daß Fig. 1 und 2 nur zwei Anwendungen der vorliegenden Erfindung darstellen, die dazu dienen, die Vorteile der neuen Motor-Konstruktion zu verdeutlichen. Es gibt viele mögliche Varianten in der detaillierten Gestaltung der Motorlamellen entsprechend den in Fig.3 ausgeführten Grundprinzipien. Beispielsweise können Polbogen, der Luftspaltdurchmesser bezügl. den Gesamtabmessungen, Spulenanordnungen und die relative Dicke verschiedener Teile der Lamellen in speziellen Gestaltungen geändert werden. Jedoch ziehen alle Nutzen aus einem reduzierten Kupfergehalt und einer Reduzierung der Menge des erforderlichen Lamellen-Materials.
• Weiterhin könnte die Erfindung auch für Motoren mit einer erhöhten Anzahl von Polen verwendet werden. Beispielsweise könnte die Erfindung in einem 8/8-Pol-Motor verwendet werden, in dem 2 Spulen 4 Pole umfassen oder in dem alternativ 4 Spulen jeweils 2 Pole umfassen.
• Obwohl es üblicher ist, daß das erregte Bauteil der Stator ist, ist es natürlich möglich, daß der Rotor statt dessen das erregte Bauteil ist.
• Die Erfindung kann sowohl für geschaltete Reluktanzmotoren als auch für einige Formen von Schrittmotoren und Synchron- Reluktanzmotoren verwendet werden, die vorstehende Pole sowohl am Stator als auch am Rotor aufweisen. Während die Erfindung in bezug aufeinen Einphasen-Motor beschrieben wurde, bei dem die Anzahl von Rotor- und Statorpolen gewöhnlich gleich ist, ist die Erfindung ebenso für Kombinationen von Rotor- und Statorpolen in ein- und mehrphasigen Anwendungen verwendbar, die beispielsweise in einem Einfachmotor wie einem Schrittmotor eingebaute Mehrfachstapel von Lamellen einschließen. In diesem Fall sind viele Kombinationen von Rotorund Statorpolen möglich.
• In einer alternativen Ausführungsart werden die dünneren Bereiche völlig weggelassen. Die verbleibenden Bereiche des Kerns, die den Magnetflußweg aufrechterhalten, sind in einem Tragrahmen oder -gehäuse angebracht, das ein Bestandteil des Motors sein kann oder auch nicht.
• Die beschriebene Einphasen-Maschine kann sowohl als Einzelteil als auch als ein Stapel einer Mehrphasen-Maschine verwendet werden.

Claims (9)

1. Elektrische Rotations-Reluktanzmaschine mit einem Primärteil (10), der einen Primärkern (13) aufweist, welcher Primärpole (14) mit Polschuhflächen definiert,

einem Sekundärteil (12) mit Sekundärpolen (18) mit Polschuhflächen,

und einer Spule (16) oder einem Satz von Spulen,

dadurch gekennzeichnet, daß die Spule oder jede Spule mit den Primärpolen verbunden und/oder bezüglich dieser so angeordnet ist/sind, daß Gruppen nebeneinander-liegender Primärpole definiert werden, wobei die magnetische Polarität der Polschuhflächen in jeder Gruppe von Primärpolen bezüglich der Spule(n) dieselbe ist und die magnetische Polarität der polschuhflächen von Primärpolgruppen in nebeneinanderliegenden Gruppen entgegengesetzt ist, und daß ein Bereich des Primärkerns zwischen nebeneinanderliegenden Primärpolen in einer Gruppe relativ radial dünner ist als der zwischen nebeneinanderliegenden Gruppen von Primär-polen.

2. Maschine nach Anspruch 1, wobei jede der Gruppen nebeneinanderliegender Primärpole von einer Spule umfaßt ist.

3. Maschine nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Primärkern winklig fortlaufend ist in bezug auf die Rotationsachse des Sekundärteils bezüglich des Primärteils.

4. Maschine nach Anspruch 1 oder 2, wobei der dünnere Bereich des Primärkerns zumindest teilweise eine im wesentlichen flache Außenseite des Kerns definiert.

5. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Primärteil ein Stator (10) und der Sekundärteil ein Rotor (12) ist.

6. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kern aus einer Anzahl von Lamellen besteht, die sich seitlich in bezug auf die Rotationsachse des Sekundärteils bezüglich des Primärteils erstrecken.

7. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der den Spulen zugeführte Strom geschaltet wird.

8. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, als Motor geschaltet.

9. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, als Generator geschaltet.