DE19956367C2 - Heteropolar erregte Reluktanzmaschine - Google Patents

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 ...

Description

Die Erfindung betrifft eine heteropolar erregte Reluktanzmaschine mit transversaler Flußführung, bestehend aus einem Stator und einem 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Aus DE 44 00 443 C1 ist weiterhin eine Transversalflußmaschine mit Zylinderrotor bekannt, die für hohe Drehzahlen konzipiert ist.

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.

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.

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.

Nachteilig ist weiterhin, daß auch diese Maschine nicht als Langsamläufer geeignet ist.

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.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Vereinigung folgender Merk­ male:

• - 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,
• - 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
• - 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,
• - 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

In weiterer zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung sind die zweiten Magnetkrei­ steile jochförmig gestaltet und deren luftspaltseitigen Stirnflächen bilden die Zähne der Rotorzahnung.

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.

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.

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.

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.

Vorteilhafterweise ist die erfindungsgemäße Reluktanzmaschine als Generator oder als Motor betreibbar.

An die Erregerwicklung ist je nach speziellem Anwendungsfall Gleichstrom, gepulster Gleichstrom oder Wechselstrom anlegbar.

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.

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 die teilweise schematisierte und abgebrochene Darstellung des Axialschnittes längs der Linie I-I in Fig. 2 durch eine erfindungsgemäße Reluktanzmaschi­ ne,

Fig. 2 eine Ausschnittdarstellung des Schnitts längs der Linie 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).

Gemäß Ausführungsbeispiel wird ein gleichstromerregter dreiphasiger Generator in Innenläuferausführung beschrieben und dargestellt.

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.

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.

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.

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.

Dementsprechend beträgt die Größe der Zahnteilung die zweifache statorseitige Zahnbreite.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Claims (18)

1. Heteropolar erregte Reluktanzmaschine mit transversaler Flußführung, beste­ hend aus einem Stator (1) und einem Rotor (3), wobei
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.

2. Heteropolar erregte Reluktanzmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Stator (1) aus magnetisch nicht leitendem Werkstoff besteht, in dem die magnetisch leitenden, sich im wesentlichen axial und quer zur Umfangsrichtung erstreckenden ersten Magnetkreisteile (4) befestigt sind, durch deren luftspaltseitige Stirnflächen die Zähne der Statorzahnung (1.1) gebildet sind.

3. Heteropolar erregte Reluktanzmaschine nach Anspruch 1 und 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die ersten Magnetkreisteile (4) aus einzelnen, gegeneinan­ der isolierten Eisenblechlagen bestehen, wobei die Berührungsebenen der Ei­ senbleche in Ebenen liegen, die vom Radiusvektor und der Rotorachse auf­ gespannt sind.

4. Heteropolar erregte Reluktanzmaschine nach Anspruch 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine definierte Anzahl von in Umfangsrichtung in definierter Teilung am Stator (1) angeordneter erster Magnetkreisteile (4) einen ersten Teilpol eines Erregerpoles und eine gleiche Anzahl von in Umfangsrichtung in gleicher Teilung am Stator (1) angeordneter erster Magnetkreisteile (4) einen zweiten Teilpol des gleichen Erregerpoles bilden, die durch die Pollücke (10) unterbrochen sind, und denen sich die Teilpole weiterer Erregerpole mit ent­ sprechender Anzahl erster Magnetkreisteile (4) und entsprechender Teilung anschließen.

5. Heteropolar erregte Reluktanzmaschine nach Anspruch 1 und 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die beiden Teilpole eines Erregerpoles von einer Erreger­ wicklung (7) derart umfaßt sind, daß die den entsprechenden Teilpolen zuge­ ordneten ersten Magnetkreisteile (4) von einer Erregerwicklung (7) durchsetzt sind.

6. Heteropolar erregte Reluktanzmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Phasenwicklungen (8) Drehstrom führen und demgemäß pro Phase mindestens eine Phasenspule vorgesehen ist.

7. Heteropolar erregte Reluktanzmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß jede Phasenspule mindestens zwei Polwicklungen (8.1) enthält, wobei jede Polwicklung (8.1) zwei Teilpole unterschiedlicher benachbarter Er­ regerpole umfaßt.

8. Heteropolar erregte Reluktanzmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in Umfangsrichtung des Stators (1) die einzelnen Polwicklungen (8.1) pro Phase alternierend angeordnet sind.

9. Heteropolar erregte Reluktanzmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Polwicklungen (8.1) jeder Phasenspule in Reihe oder paral­ lel schaltbar sind.

10. Heteropolar erregte Reluktanzmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Pollücke (10) ein ganzzahliges Vielfaches zuzüglich eines durch die Phasenanzahl bestimmten Bruchteils der Teilung der Statorzahnung (1.1) und die Teilpollücke (11) ein ganzzahliges Vielfaches der Teilung der Statorzahnung (1.1) beträgt.

11. Heteropolar erregte Reluktanzmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die zweiten Magnetkreisteile (9) jochförmig gestaltet sind und deren luftspaltseitigen Stirnflächen die Zähne der Rotorzahnung (3.1) bilden.

12. Heteropolar erregte Reluktanzmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die zweiten Magnetkreisteile (9) aus einzelnen, gegeneinander isolierten Eisenblechlagen bestehen, wobei die Berührungsebenen der Eisen­ bleche in Ebenen liegen, die vom Radiusvektor und der Rotorachse aufge­ spannt sind.

13. Heteropolar erregte Reluktanzmaschine nach Anspruch 1, 2 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Konturen der luftspaltseitigen Stirnflächen der Zähne der Rotor- (3.1) und der Statorzahnung (1.1) so gestaltet sind, daß die in den zugeordneten Phasenwicklungen (8) induzierten Phasenspannungen eine Si­ nusform erhalten.

14. Heteropolar erregte Reluktanzmaschine nach Anspruch 13, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Näherungslösung die luftspaltseitigen Stirnflächen der Zähne der Statorzahnung (1.1) eine plane Oberfläche aufweisen, während die luftspaltseitigen Stirnflächen der Zähne der Rotorzahnung (3.1) der Mantelflä­ che des Rotors (3) folgen.

15. Heteropolar erregte Reluktanzmaschine nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß sie als Generator oder als Motor betreibbar ist.

16. Heteropolar erregte Reluktanzmaschine nach Anspruch 1 und einem oder mehreren der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an die Er­ regerwicklung (7) Gleichstrom, gepulster Gleichstrom oder Wechselstrom an­ legbar ist.

17. Heteropolar erregte Reluktanzmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Maschine als Innen- oder als Außenläufertyp ausführbar ist.

18. Heteropolar erregte Reluktanzmaschine nach Anspruch 1 und einem oder mehreren der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Rotor (3) relativ zum Stator (1) eine rotatorische oder eine translatorische Be­ wegung durchführbar ist.