DE19733726A1 - Reluktanzmotor, insbesondere Linear-Reluktanzmotor - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Reluktanzmotor, insbesondere einen Linear-Reluktanzmotor.

Probleme mit bekannten Reluktanzmotoren bestehen darin, daß es ihre Leistungsdichte gering ist im Vergleich zu anderen Motortypen, daß der Eisen-Rückschluß Gewicht und Volumen erfordert, und daß die bewegten Massen des Läufers relativ hoch sind.

Der vorliegenden Erfindung liegt angesichts dieser Probleme die Aufgabe zugrunde, einen Reluktanzmotor, insbesondere einen Linear-Reluktanzmotor zu schaffen, bei dem die Lei­ stungsdichte hoch ist, der einen minimierten Eisen-Rück­ schluß aufweist, und dessen bewegte Masse des Läufers ge­ ring ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe hat der erfindungsgemäße Reluk­ tanzmotor einen ringförmigen Stator, der wenigstens einen Luftspalt aufweist, einen Läufersteg, der in dem Luftspalt parallel zur Mittelachse des Stators verschiebbar angeord­ net ist, wobei die Breite des Luftspaltes in dessen axialer Richtung (bezogen auf den ringförmigen Stator) variiert, und eine derart um den Stator geführten Statorwicklung, daß bei konstantem elektrischem Strom durch die Statorwicklung ein in dem Luftspalt induziertes magnetisches Feld eine von der axialen Stellung des Läufersteges abhängige magnetische Induktionsverteilung aufweist.

Diese Anordnung hat den Vorteil, daß überhaupt kein Eisen-Rückschluß erforderlich ist, da die Ringform des Stators ein vollständiges Umgeben des Stators mit der Statorwick­ lung erlaubt. Außerdem kann durch die Dimensionierung des Luftspaltes der maximale Strom durch die Statorwicklung festgelegt werden. Da die in den relativ schmalen Luftspalt eingreifenden Läuferstege in diesem Luftspalt Platz haben müssen, ist auch deren Volumen und Masse sehr begrenzt. Dies führt zu einer geringen Trägheit des Läufers, so daß hohe Läufer-Geschwindigkeiten und Läufer-Beschleunigungen erreichbar sind.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hat der ringförmige Stator eine im wesentlichen kreisringzylindri­ sche oder hohlkegelförmige oder polygonringförmige Gestalt. Grundsätzlich ist auch eine Torusform, oder eine andere Ge­ stalt möglich, bei der ein Ringkörper gebildet wird, um den die Statorwicklung (ring-)schraubenförmig gewickelt werden kann.

Vorzugsweise weist der ringförmige Stator mehrere Luftspal­ te auf, die in Umfangsrichtung des Stators symmetrisch an­ geordnet sind. Damit wird eine gleichmäßige Krafteinleitung in den Stator bewirkt.

Jeder der Luftspalte durchsetzt den ringförmigen Stator in radialer und axialer Richtung zumindest teilweise. Damit wird die Möglichkeit eröffnet, den Ringkörper des Stators als ein einstückiges Bauteil zu handhaben, wenn zum Bei­ spiel der Luftspalt nicht ganz bis an die äußere Mantelflä­ che des Ringkörpers heranreicht, so daß eine geschlossene äußere Mantelfläche des Ringkörper verbleibt. In entspre­ chender Weise kann auch der Grund des Luftspaltes nicht ganz bis zur Stirnfläche des Ringkörpers heranreichen. Dies begrenzt auch den axialen Hub des Läufersteges in dem Luftspalt.

Die variierende Breite der Luftspalte wird vorzugsweise dadurch realisiert, daß jeder der Luftspalte seitliche, in radialer Richtung parallel angeordnete nutförmige Ausneh­ mungen aufweist. Dabei ist zu beachten, daß die Rasterbrei­ te der Nuten bzw. der dazwischenliegenden Stege die maxima­ le Stromdichte in der Statorwicklung beeinflußt. Je feiner die Rasterung ist, desto geringer ist der maximal einstell­ bare Luftspalt, und damit die maximale Stromdichte in der Statorwicklung. Dabei wird auch durch die (aufsummierte) Länge der Nuten bzw. deren Kanten die auf den Läufer durch das magnetische Feld in dem Luftspalt ausgeübte Kraft be­ einflußt. Je größer die Länge der Kanten ist, desto höher ist die auf den Läufer ausgeübte Kraft. Dabei können die Nuten eine drei- oder mehreckige Querschnittsgestalt auf­ weisen. Vorzugsweise ist die Querschnittsgestalt der Nuten viereckig (rechteckig).

Jeder der Läuferstege weist Ausnehmungen auf, die in einem im wesentlichen gleichen Raster wie die Breitenvariierung der Luftspalte in den Läuferstegen angeordnet sind. Die Länge des Rasters bestimmt die minimale axiale Auflösung der Bewegung des Läufers. Zum Betrieb des Reluktanzmotors werden in der Ruhestellung die Läuferstege in dem Luftspalt in axialer Richtung so positioniert, daß die Ausnehmungen auf halbe Rasterlänge versetzt zu den Nuten in dem Luft­ spalt stehen. Außerdem nehmen die ohmschen Verluste in der Statorwicklung mit dem Quadrat der kleiner werdenden Ra­ sterlänge ab.

Vorzugsweise sind die Ausnehmungen in den Läuferstegen par­ allel zu den Nuten in dem Luftspalt in dem ringförmigen Stator angeordnet.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Reluktanzmotors sind alle Läuferstege mit einem im Innern des kreisringför­ migen Stators angeordneten, koaxial zur Mittelachse des Stators verschiebbaren Schaft angeordnet. Dieser Schaft bildet dann zusammen mit den Läuferstegen des Läufer. Es ist jedoch auch möglich, die Läuferstege ohne einen zentra­ len Schaft in der Mitte miteinander zu verbinden. Dies hat zur Folge, daß die Masse des Läufers noch weiter reduziert ist. Außerdem kann dann die Mittel-Ausnehmung in dem ring­ förmigen Stator sehr klein gehalten werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Reluktanzmotors (mit Läufer-Schaft) sind alle Läuferstege durch mäanderför­ mig geschichtete Blechstreifen gebildet, die mit dem Schaft verbunden sind.

Vorzugsweise ist der ringförmige Stator durch geschichtete Blechstreifen, gepreßte Eisenpulver-Lagen, oder durch einen massiven Eisenkörper oder dergl. gebildet. In erster Linie hängt die Wahl der Materials von der maximalen Geschwindig­ keit ab, mit der sich der Läufer bewegen soll. Bei hohen Geschwindigkeiten nehmen die Verluste in einem massiven Ei­ senkern zu.

Die freie Weglänge zwischen der Wandung jedes Luftspaltes und dem in dem jeweiligen Luftspalt angeordneten Läufersteg ist möglichst klein gegenüber dem Raster der Nuten in der Wandung des Luftspaltes. Damit wird der magnetische Fluß in der freien Weglänge möglichst homogen, was die Verluste ge­ ring hält.

In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Reluktanzmotors weist die Statorwicklung des ringförmigen Stators zwei Leiterplatten auf, die jeweils an einer Stirn­ fläche des Stators angeordnet sind, und mit Leiterstreifen versehen sind, die zusammen mit neben der inneren bzw. äu­ ßeren Mantelfläche des ringförmigen Stators angeordneten Leiterabschnitten die Statorwicklung bilden. Dies erlaubt eine sehr einfache Montage. Wenn die Leiterplatten im Mehr­ lagentechnik gestaltet sind, können auch mehrlagige Stator­ wicklungen realisiert werden.

Wenn die Leiterstreifen jeweils eine sich radial verbrei­ ternde Form aufweisen, kann die Stromdichte zu der äußeren Mantelfläche des ringförmigen Statorkörpers hin geringer werden und die Stromdichte zu der inneren Mantelfläche des ringförmigen Statorkörpers hin zunehmen. Da auf diese Weise die Wicklung an der inneren Mantelfläche des Statorkörpers ein geringeres Volumen hat, kann der Querschnitt der Öff­ nung gering gehalten werden.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfin­ dungsgemäßen Linear-Reluktanzmotors sind mehrere ringförmi­ ge Statoren koaxial übereinander angeordnet und sind alle in die Luftspalte der einzelnen Statoren eingreifenden Läu­ ferstege an einem gemeinsamen Schaft angeordnet. Bei dieser Ausführungsform sind die einzelnen Statoren oder die jewei­ ligen Läuferstege in ihrer axialen Anordnung entsprechend der Phasenlage des Betriebsstromes versetzt. Außerdem wer­ den jeweiligen Statorwicklungen der einzelnen Statoren pha­ senversetzt mit Wechselstrom beschickt.

Damit ist die Bewegung der Läuferstege in axialer Richtung nur durch die axiale Länge der Gesamtanordnung aus den ringförmigen Statoren bzw. die Länge der Läuferstege be­ grenzt.

Weitere Einzelheiten, Merkmale, Vorteile oder mögliche Ab­ wandlungen werden anhand der Beschreibung einer derzeit be­ vorzugten Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert.

Fig. 1 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Reluktanz-Linearmotors ohne Stator­ wicklung.

Fig. 2 zeigt eine schematische Draufsicht auf den Stator­ körper des Reluktanz-Linearmotors gemäß Fig. 1, mit einer teilweise dargestellten Statorwicklung.

Fig. 3 zeigt eine schematische perspektivische Detaildar­ stellung auf den Luftspalt in dem Statorkörper des Reluk­ tanz-Linearmotors gemäß Fig. 1 mit einem in dem Luftspalt angeordneten Läufersteg.

Fig. 4 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Leiter­ platte zur Bildung der Statorwicklung.

Der in Fig. 1 gezeigte Linear-Reluktanzmotor 10 einen im wesentlichen kreisring-zylinderförmigen Stator 12, der vier in Umfangsrichtung symmetrisch verteilt angeordnete Luft­ spalte 14a, 14b, 14c, und 14d aufweist. Jeder der vier Luftspalte 14a-14d durchsetzt den ringförmigen Stator 12 in radialer und axialer Richtung vollständig. Damit ist der kreisring-zylinderförmige Stator 12 durch die vier Luft­ spalte in vier Viertel-kreisringförmige Segmente geteilt. Abgesehen von der kreisring-zylindrischen oder einer hohl­ kegeligen Form kann der Stator 12 auch eine regelmäßige Po­ lygon-Gestalt (drei-, vier-, oder mehreckiger Ring) aufwei­ sen. Der Stator ist durch geschichtete Blechstreifen aus Trafoblech gebildet.

Koaxial zur Mittellängsachse des Stators 12 ist ein Schaft 16 längsverschiebbar angeordnet, an dem vier radial abste­ hende Läuferstege 18a, 18b, 18c, und 18d angeordnet sind. Die vier Läuferstege 18a-18d sind so ausgerichtet und be­ messen, daß sie in jeweils einem der Luftspalte 14a-14d parallel zur Mittelachse des Stators 12 verschiebbar ange­ ordnet sind. Jeder der Läuferstege 18a-18d hat zum radial außenliegenden Ende hin offene Ausnehmungen 22, die in ei­ nem im wesentlichen gleichen Raster wie die Breitenvariie­ rung der Luftspalte in den Läuferstegen angeordnet sind. Aus Stabilitätsgründen können die Ausnehmungen 22 zum radi­ al außenliegenden Ende hin auch geschlossen sein. Die Läu­ ferstege sind durch mäanderförmig geschichtete Blechstrei­ fen gebildet, die mit dem Schaft verbunden sind.

Jeder der Luftspalte 14a-14d hat auf beiden Seiten in radialer Richtung parallel angeordnete nutförmige Ausneh­ mungen 20, so daß die Breite des Luftspaltes in dessen axialer Erstreckung (bezogen auf die Mittellängsachse des Stators) variiert.

Die Nuten 20 in den Luftspalten 14a-14d sind parallel zu den Ausnehmungen 22 in den Läuferstegen 18a-18d in dem ringförmigen Stator 12 angeordnet (siehe auch Fig. 3). Da­ bei ist die freie Weglänge zwischen der Wandung jedes Luftspaltes und dem in dem jeweiligen Luftspalt angeordne­ ten Läufersteg klein (etwa 5-25%) gegenüber der Raster­ länge R (siehe Fig. 3) der Nuten in der Wandung des Luftspaltes.

Die Statorwicklung 30 ist derart um den Stator 12 geführt, daß bei konstantem elektrischem Strom durch die Statorwick­ lung ein in jedem Luftspalt 14a-14d induziertes magneti­ sches Feld eine von der axialen Stellung des Läufersteges abhängige magnetische Induktionsverteilung aufweist.

In der konkreten Ausgestaltung ist die Statorwicklung ent­ lang des gesamten Umfangs des ringförmigen Stators 12 schraubenförmig um den Statorkörper gelegt, so daß dieser vollständig (sowohl innere und äußere Mantelflächen 32, 34 als auch obere und untere Stirnflächen 36, 38) von der Sta­ torwicklung 30 umgeben ist (siehe Fig. 2). Dabei ist es je­ doch nicht notwendig, daß die Statorwicklung den Stator entlang dessen gesamten Umfanges umgibt.

In der technischen Realisation weist die Statorwicklung 30 zwei Leiterplatten 40 auf (von denen eine in Fig. 4 veran­ schaulicht ist), die jeweils an einer Stirnfläche 36, 38 des Stators 12 angeordnet sind, und mit Leiterstreifen 42 versehen sind, die zusammen mit neben der inneren bzw. äu­ ßeren Mantelfläche 32, 34 des ringförmigen Stators 12 ange­ ordneten Leiterabschnitten 46, 48 die Statorwicklung 30 bilden. Dazu reichen die aus den beiden Leiterplatten 40 stehenden inneren bzw. äußeren Leiterabschnitte 46, 48 nicht genau senkrecht aus dem jeweiligen Leiterstreifen 42 heraus. Vielmehr sind sie schräg eingesetzt, so ein Leiter­ abschnitt jeweils einen Leiterstreifen an der unteren Lei­ terplatte mit einem in Umfangsrichtung um eins versetzten Leiterstreifen an der oberen Leiterplatte verbindet. Wie in Fig. 4 gezeigt, haben die Leiterstreifen 42 jeweils eine sich in radialer Richtung verbreiternde Form.

In der in Fig. 1 veranschaulichten Form ist der Linear-Reluktanzmotor einphasig. Dies hat zur Folge, daß im Be­ trieb der Hub des Läufers auf eine Rasterlänge R (siehe Fig. 3) begrenzt ist. Ein größerer Hub als das Rastermaß R ist zwar prinzipiell möglich, hat jedoch einen schwankenden Kraftverlauf zur Folge, da der Läufer einen aus dem toten Bereich herausbewegt werden muß. Um einen größeren Hub zu erreichen, werden mehrere ringförmige Statoren koaxial übereinander angeordnet, wobei alle in die Luftspalte der einzelnen Statoren eingreifende Läuferstege an einem ge­ meinsamen Schaft angeordnet sind. Die jeweiligen Stator­ wicklungen der einzelnen Statoren werden phasenversetzt mit Wechselstrom beschickt. Die einzelnen Statoren oder die diesen jeweils zugeordneten einzelnen Läufer sind in axia­ ler Richtung entsprechend der Phasenlage des Betriebs­ stromes versetzt. Zum Beispiel können drei Ein-Phasen-Statoren aufeinander angeordnet werden, deren Wicklungen mit Drei-Phasen-Strom beaufschlagt werden. Dabei wandert dann der Läufer in Abhängigkeit von der Drehrichtung der Phasen entlang der Mittelachse auf oder ab.

Claims (15)

1. Reluktanzmotor gekennzeichnet durch

• - einen ringförmigen Stator (12), der wenigstens einen Luftspalt (14a-14d) aufweist,
• - einen Läufersteg (18a-18d), der in dem Luftspalt (14a-14d) parallel zur Mittelachse des Stators (12) verschiebbar angeordnet ist, wobei die Breite des Luftspaltes (14a-14d) in dessen axialer Richtung variiert, und
• - eine derart um den Stator (12) geführte Statorwicklung (30), daß bei konstantem elektrischem Strom durch die Sta­ torwicklung (30) ein in dem Luftspalt (14a-14d) induzier­ tes magnetisches Feld eine von der axialen Stellung des Läufersteges (18a-18d) abhängige magnetische Induktions­ verteilung aufweist.

2. Reluktanzmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß

• - der ringförmige Stator (12) eine im wesentlichen kreis­ ringzylindrische, hohlkegelförmige oder polygonringförmige Gestalt aufweist.

3. Reluktanzmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß

• - der ringförmige Stator (12) mehrere Luftspalte (14a-14d) aufweist, die in Umfangsrichtung des Stators (12) sym­ metrisch angeordnet sind.

4. Reluktanzmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß

• - jeder der Luftspalte (14a-14d) den ringförmigen Stator (12) in radialer und axialer Richtung zumindest teilweise durchsetzt.

5. Reluktanzmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß

• - jeder der Luftspalte (14a-14d) in radialer Richtung parallel angeordnete nutförmige Ausnehmungen (20) aufweist.

6. Reluktanzmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß

• - jeder der Läuferstege (18a-18d) Ausnehmungen (22) auf­ weist, die in einem im wesentlichen gleichen axialen Ra­ stermaß wie die Breitenvariierung der Luftspalte (14a-14d) in den Läuferstegen (18a-18d) angeordnet sind.

7. Reluktanzmotor nach dem vorhergehenden Anspruch, so­ weit dieser auf Anspruch 5 zurückbezogen ist, dadurch ge­ kennzeichnet, daß

• - die Nuten (20) parallel zu den Ausnehmungen (22) in dem Luftspalt (14a-14d) in dem ringförmigen Stator (12) ange­ ordnet sind.

8. Reluktanzmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß

• - alle Läuferstege (18a-18d) mit einem im Innern des kreisringförmigen Stators (12) angeordneten, koaxial zur Mittelachse des Stators verschiebbaren Schaft (16) verbun­ den sind.

9. Reluktanzmotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich­ net, daß

• - alle Läuferstege (18a-18d) durch mäanderförmig ge­ schichtete Blechstreifen gebildet sind, die mit dem Schaft (16) verbunden sind.

10. Reluktanzmotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich­ net, daß

• - der ringförmige Stator (12) durch geschichtete Blech­ streifen, gepreßte Eisenpulver-Lagen, oder durch einen mas­ siven Eisenkörper oder dergl. gebildet ist.

11. Reluktanzmotor einem der Ansprüche 1-10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß

• - die freie Weglänge (L) zwischen der Wandung jedes Luftspaltes (14a-14d) und dem in dem jeweiligen Luftspalt (14a-14d) angeordneten Läufersteg (18a-18d) klein ge­ genüber dem Raster (R) der Nuten (20) in der Wandung des Luftspaltes (14a-14d) ist.

12. Reluktanzmotor einem der Ansprüche 1-11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß

• - die Statorwicklung (30) entlang wenigstens eines Ab­ schnittes des Umfangs des ringförmigen Stators 12 schrau­ benförmig um den Statorkörper 12 gelegt ist, so daß dieser vollständig von der Statorwicklung 30 umgeben ist (siehe Fig. 2).

13. Reluktanzmotor einem der Ansprüche 1-12, dadurch ge­ kennzeichnet, daß

• - die Statorwicklung (30) des ringförmigen Stators (12) zwei Leiterplatten (40) aufweist, die jeweils an einer Stirnfläche (36, 38) des Stators (12) angeordnet sind, und mit Leiterstreifen (42) versehen sind, die zusammen mit ne­ ben der inneren bzw. äußeren Mantelfläche (32, 34) des ringförmigen Stators (12) angeordneten Leiterabschnitten (46, 48) die Statorwicklung (30) bilden.

14. Reluktanzmotor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeich­ net, daß

• - die Leiterstreifen (42) jeweils eine sich in radialer Richtung verbreiternde Form aufweisen.

15. Reluktanzmotor einem der Ansprüche 1-14, dadurch ge­ kennzeichnet, daß

• - mehrere ringförmige Statoren koaxial übereinander ange­ ordnet sind,
• - alle in die Luftspalte der einzelnen Statoren eingreifen­ de Läuferstege an einem gemeinsamen Schaft angeordnet sind, -die einzelnen Statoren oder die einzelnen, den jeweiligen Statoren zugeordneten Läuferstege in axialer Richtung ent­ sprechend der Phasenlage des Betriebsstroms versetzt sind, und
• - die jeweiligen Statorwicklungen der einzelnen Statoren phasenversetzt mit Wechselstrom beschickbar sind.