DE3723979A1

DE3723979A1 - Reluctance motor

Info

Publication number: DE3723979A1
Application number: DE19873723979
Authority: DE
Inventors: Otto Dr Stemme
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1986-08-13
Filing date: 1987-07-20
Publication date: 1988-02-25

Abstract

In a reluctance motor having a stator which has a plurality of pole surface pairs and having a rotor which moves through the air gap spaces of said stator and comprises a number of magnetically conductive elements, the magnetically conductive elements have a thickness which corresponds approximately to half the thickness of the air gap spaces. The magnetically conductive elements may consist of laminated cores having a relatively low iron filling factor.

Description

Die Erfindung betrifft einen Reluktanzmotor mit einer mindestens eine Wicklung aufweisenden Statoranordnung, die mehrere Polflächenpaare aufweist, die jeweils einen Luftraum zwischen sich begrenzen, und mit einem Läufer, der eine Anzahl Magnetleitstücke aufweist, deren Bewegungs bahn sich durch die aufeinanderfolgenden Luftspalt räume erstreckt.The invention relates to a reluctance motor one with at least one winding Stator arrangement, the several pole face pairs each having an air space between limit yourself, and with a runner, the one Number of magnetic guide pieces, their movement find its way through the successive air gap spans spaces.

Derartige Motoren entwickeln hohe Drehmomente und eignen sich daher insbesondere für Schrittmotoren.Such motors develop high torques and are therefore particularly suitable for stepper motors.

Es ist bereits ein derartiger Motor bekannt, bei dem der Läufer einen glockenförmigen Rotor bildet, von dessen Stirnscheibe achsparallel sich erstrec kende magnetleitfähige Zungen abstehen. Diese bewegen sich in einem ringspaltförmigen Luftraum einer Statoranordnung (US-PS 38 64 588).Such an engine is already known at which the rotor forms a bell-shaped rotor, from its front disc axially parallel protruding magnetically conductive tongues protrude. These move in an annular space a stator arrangement (US-PS 38 64 588).

Bei einem weiteren bekannten Motor dieser Art ist der Läufer als scheibenförmiger Rotor ausgebildet, der radial sich erstreckende magnetleitfähige Zungen aufweist.In another known motor of this type the rotor is designed as a disk-shaped rotor, the radially extending magnetically conductive Has tongues.

Man hat bereits versucht, das Beschleunigungsver mögen der Läufer derartiger Motoren, also das Verhältnis von Kraft zu Masse bei Linearmotoren bzw. von Drehmoment zu Trägheitsmoment bei Motoren mit rotierendem Läufer durch eine Verringerung der Masse desselben zu erhöhen. Zu dem Zwecke wurden u.a. die Magnetleitstücke des Läufers durch Streben miteinander verbunden oder durch Kunststoff ausfüllungen.Attempts have already been made to accelerate like the runner of such engines, that is Ratio of force to mass in linear motors or from torque to moment of inertia in motors with rotating rotor by reducing the Increase mass of the same. For the purpose were i.a. through the magnetic conductors of the rotor Struts connected together or by plastic fillings.

Bei derartigen Motoren ist man zwar zur Steigerung der Leistung und des Wirkungsgrads bestrebt, den Luftspalt, also die Differenz aus der Stärke des Luftspaltes und der Dicke des Läufers möglichst klein zu halten, jedoch ist dieser Maßnahme aus fertigungstechnischen und konstruktiven Gründen eine Grenze gesetzt.With such engines one is to be increased strive for performance and efficiency Air gap, i.e. the difference between the strength of the Air gap and the thickness of the rotor as possible to keep small, but this measure is over manufacturing and design reasons set a limit.

Es wurde nun gefunden, daß außer der Minimierung des Luftspaltes noch eine weitere Möglichkeit be steht, um die Motordaten und insbesondere das Beschleunigungsvermögen des Läufers zu verbessern.It has now been found that besides minimization the air gap yet another possibility stands for the engine data and in particular that To improve the acceleration ability of the runner.

Dies läßt sich erfindungsgemäß dadurch erreichen, daß die Dicke der Magnetleitstücke gleich der Luftspaltstärke multipliziert mit einem Faktor zwischen 0,35 bis 0,65 und vorzugsweise gleich der halben Höhe des Luftspaltraumes ist. Es hat sich gezeigt, daß die auf die Magnetleitstücke in Bewegungsrichtung ausgeübte Kraft nicht nur abhängig ist von der Dicke der Magnetleitstücke, sondern auch von der Spaltstärke der Luftspalt räume. An sich sollte man erwarten, daß ein maximales Beschleunigungsvermögen des Läufers erreicht wird mit einem möglichst dicken Magnet leitstück und möglichst kleinen Luftspaltraum. Versuche haben jedoch ergeben, daß es ein ausge prägtes Maximum der auf die Magnetleitstücke in Bewegungsrichtung ausgeübten Kraft gibt, welches dann erreicht ist, wenn die Spaltstärke des Luftspaltraumes doppelt so groß ist wie die Dicke der Magnetleitstücke. Unter Stärke des Luftspalt raumes ist dabei der Abstand zwischen den Pol flächen jedes Polflächenpaares zu verstehen.According to the invention, this can be achieved by that the thickness of the magnetic guide pieces is equal to that Air gap thickness multiplied by a factor between 0.35 to 0.65 and preferably equal is half the height of the air gap space. It has It has been shown that the magnetic conductors in Force not only applied in the direction of movement depends on the thickness of the magnetic guide pieces, but also on the gap thickness of the air gap rooms. As such, one should expect a maximum acceleration ability of the runner is achieved with a magnet that is as thick as possible guide piece and the smallest possible air gap. However, tests have shown that it is an out embossed maximum on the magnetic conductors in Exerted direction of movement gives which is reached when the gap thickness of the Air gap is twice as large as the thickness of the magnetic guide pieces. Under the strength of the air gap space is the distance between the poles to understand surfaces of each pair of pole faces.

Eine weitere ganz erhebliche Verringerung der Masse des Läufers ohne merkliche Beeinträchtigung der von dem Stator auf diesen ausgeübten Kraft läßt sich dadurch erreichen, daß die Magnetleit stücke aus geschichteten magnetleitfähigen Blechen bestehen, deren Flächen in Ebenen liegen, die sich parallel zu den Feldlinien in den Luftspalt räumen erstrecken und die durch unmagnetische Zwischenräume getrennt sind. Dabei können die Zwischenräume eine Dicke bis zum Zehnfachen der Dicke der magnetleitfähigen Bleche haben, ohne daß die erzeugbare Kraft um mehr als 10 Prozent abnimmt.Another very significant reduction in Mass of the runner without noticeable impairment the force exerted by the stator on it can be achieved in that the Magnetleit Pieces made of layered magnetic conductive sheets exist, the areas of which lie in levels that parallel to the field lines in the air gap spaces and extend through non-magnetic Spaces are separated. The Gaps a thickness up to ten times that Have thickness of the magnetically conductive sheets without that the power that can be generated by more than 10 percent decreases.

Eine Ausführungsform derartiger geschichteter Magnetleitstücke besteht darin, daß die Magnetleit stücke aus einem bandförmigen magnetleitfähigen Material unter Freilassung von Abstandsräumen gewickelt oder gefaltet sind. Alternativ können die Magnetleitstücke aus gebundenem magnetleit fähigen Pulver bestehen.An embodiment of such a layered Magnetleitteile consists in that the Magnetleit pieces from a tape-shaped magnetic conductive Material leaving spaces free are wrapped or folded. Alternatively, you can the magnetic guide made of bonded magnetic guide capable powder exist.

Die Erfindung ist im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher be schrieben.The invention is schematic below Drawings on exemplary embodiments be closer wrote.

Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht des Läufers eines Linearmotors mit einem Polpaar; Fig. 1 is a perspective view of the rotor of a linear motor with a pair of poles;

Fig. 2 zeigt in perspektivischer Darstellung die wesentlichen Teile eines Linear motors; Fig. 2 shows a perspective view of the essential parts of a linear motor;

Fig. 3 ist ein Schnitt durch den Linearmotor nach Fig. 2 durch die Luftspalträume einer Statorhälfte in einer Ebene parallel zu den Feldlinien der Luft spalträume und zur Bewegungsrichtung des Läufers, und Fig. 3 is a section through the linear motor of FIG. 2 through the air gap spaces of a stator half in a plane parallel to the field lines of the air gap spaces and the direction of movement of the rotor, and

Fig. 4 zeigt eine abgeänderte Ausführungsform eines Läufers. Fig. 4 shows a modified embodiment of a runner.

Fig. 1 zeigt die wesentlichen Merkmale eines Linear motors zur Erläuterung der erfindungsgemäßen Zusammenhänge. Der Läufer umfaßt ein schienenför miges nicht magnetisches Stützteil 1, in das im Abstand voneinander liegende plattenförmige Magnetleitstücke 2, im folgenden auch ferromag netische Zonen genannt, eingebettet sind. Die Magnetleitstücke können bei der Bewegung des Läufers durch den Luftspaltraum 3 der Pole 4 und 5 eines Stators gelangen, dessen Wicklung nicht dargestellt ist. Falls sich ein Magnetleitstück 2 außerhalb des Luftspaltraumes 3 befindet, sind die bei Erregung der Pole 4 und 5 in dem Luft spaltraum 3 vorhandenen Feldlinien bestrebt, das Magnetleitstück in den Luftspaltraum bis in die in Fig. 1 dargestellte Lage hineinzuziehen. Bei gegebener Feldstärke ist die auf ein Magnetleit stück in Bewegungsrichtung des Läufers maximal wirkende Kraft proportional zum Volumen des Magnetleitstückes und abhängig von einem Entmag netisierungsfaktor, derjedoch für flache Scheiben einen praktisch konstanten Wert aufweist. Fig. 1 shows the essential features of a linear motor to explain the relationships according to the invention. The rotor comprises a schienenför shaped non-magnetic support part 1 , in the spaced-apart plate-shaped magnetic guide pieces 2 , hereinafter also called ferromagnetic zones, are embedded. The magnetic guide pieces can pass through the air gap 3 of the poles 4 and 5 of a stator during the movement of the rotor, the winding of which is not shown. If there is a magnetic guide 2 outside the air gap 3 , the field lines present when the poles 4 and 5 are excited in the air gap 3 tend to pull the magnetic guide into the air gap into the position shown in FIG. 1. For a given field strength, the maximum force acting on a magnetic guide piece in the direction of movement of the rotor is proportional to the volume of the magnetic guide piece and depends on a demagnetization factor, which, however, has a practically constant value for flat disks.

Bisher war man der Meinung, daß es genügte, bei gegebenem Stator die Stärke des Luftspalts, also die Summe der beiden zwischen Läufer und benach barten Polflächen freigebliebenen Strecken des Luftspaltes, möglichst klein zu halten, um eine maximale Vortriebskraft an dem Läufer zu erzeugen. Überraschenderweise hat sich jedoch herausgestellt, daß die größtmögliche Kraft erzielt wird, wenn die Stärke des Luftspaltes, also der Abstand zwischen den Polflächen der beiden Pole 4 und 5, etwa doppelt so groß ist wie die Dicke h der Magnet leitstücke 2. Die Dimensionierung weiterer Größen, etwa der Breite b eines Magnetleitstückes im Ver hältnis zum Abstand b′ aufeinanderfolgender Magnetleitstücke kann in bei Reluktanzmotoren üblicher Weise erfolgen. So far it was believed that it was sufficient to keep the thickness of the air gap, ie the sum of the two distances of the air gap left between the rotor and the adjacent pole faces, as small as possible in order to generate a maximum propulsive force on the rotor. Surprisingly, however, it has been found that the greatest possible force is achieved when the thickness of the air gap, that is, the distance between the pole faces of the two poles 4 and 5 , is approximately twice as large as the thickness h of the magnetic guide pieces 2 . The dimensioning of other sizes, such as the width b of a magnetic guide in relation to the distance b 'successive magnetic guide can be done in a conventional manner in reluctance motors.

Fig. 2 zeigt die wesentlichen Teile eines Linear motors, dessen Läufer zwei Platten 6 und 7 umfaßt, die an ihren einander gegenüberliegenden Längskan ten mit einer Anzahl von magnetleitfähigen Zähnen 8 versehen sind. Benachbarte Zähne jeder Platte haben einen gleichen Abstand b′ voneinander. Fig. 2 shows the essential parts of a linear motor, the rotor of which comprises two plates 6 and 7 , which are provided with a number of magnetically conductive teeth 8 on their opposite Längskan th. Adjacent teeth of each plate have the same distance b 'from each other.

Die Statoranordnung besteht aus zwölf Statorblöcken, die jeweils in zwei parallelen und im Abstand von einander angeordneten Reihen von Statorblöcken 11, 12 ... 16 und 21, 22 ... 26 angeordnet sind, wie aus Fig. 2 zu erkennen ist. Der Einfachheit halber sind nur jeweils drei Statorblöcke einer Reihe gezeichnet, und die Platten sind außerhalb der Statoranordnung dargestellt.The stator arrangement consists of twelve stator blocks, each of which is arranged in two parallel rows of stator blocks 11 , 12 ... 16 and 21 , 22 ... 26 arranged at a distance from one another, as can be seen from FIG. 2. For the sake of simplicity, only three stator blocks in a row are shown, and the plates are shown outside the stator arrangement.

Jeder der Statorblöcke hat in einer Ebene normal zur Bewegungsrichtung des Läufers gesehen die Kontur von zwei übereinandergesetzten C. Es sind also zwei Ebenen vorhanden, in denen die Luftspalt räume angeordnet sind. In jeder Luftspaltebene weist jeder Statorblock drei Polpaare 10 auf. Der Mittelschenkel jedes Statorblockes ist mit einer Wicklung versehen, von denen in Fig. 2 nur jeweils eine bei den beiden Reihen von Statorblöcken eingezeichnet ist.Each of the stator blocks, seen in a plane normal to the direction of movement of the rotor, has the contour of two superimposed C. There are therefore two planes in which the air gap spaces are arranged. Each stator block has three pole pairs 10 in each air gap plane. The middle leg of each stator block is provided with a winding, of which only one is shown in FIG. 2 for each of the two rows of stator blocks.

Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch den Linearmotor in einer die Luftspalträume der ersten Reihe von Statorblöcken 11 bis 16 durchquerenden Ebene. Man erkennt, daß benachbarte Zähne 8 der Platten 6 und 7 den gleichen Abstand voneinander haben wie benachbarte Pole der einzelnen Statorblöcke 11 bis 16. Benachbarte Statorblöcke sind jedoch in einem solchen Abstand voneinander angeordnet, daß bei fluchtender Anordnung der Zähne 8 mit den Polen eines Statorblockes die Pole des folgenden Statorblockes nicht mit Zähnen 8 fluchten. Ein derartiger Linearmotor läßt sich als Schrittmotor verwenden. Wenn zum Beispiel die Wicklung 31 des ersten Statorblockes 11 erregt wird, werden die den Polpaaren 10 am nächsten liegenden Zähne 8 in die Luftspalträume hineingezogen, bis sie die in Fig. 3 dargestellte fluchtende Lage einnehmen. Sodann wird der Strom durch die Wicklung 31 abgeschaltet und Strom durch die Wicklung 32 des folgenden Statorblocks 12 geschickt. Da sich die Zähne 8 bei diesem Statorblock noch außerhalb der Luftspalträume desselben befinden, werden sie in diesen hineingezogen, wodurch die Platten 6 und 7 des Läufers also etwas nach rechts bewegt werden. Diese schrittweise Bewegung setzt sich fort bei aufeinanderfolgender Erregung jeweils der Wicklung des nächsten Statorblockes. Fig. 3 shows a section through the linear motor in the air gaps of the first row of stator blocks 11 to 16 traversing plane. It can be seen that adjacent teeth 8 of plates 6 and 7 are at the same distance from one another as adjacent poles of the individual stator blocks 11 to 16 . Adjacent stator blocks are, however, arranged at such a distance from one another that when the teeth 8 are aligned with the poles of a stator block, the poles of the following stator block do not align with teeth 8 . Such a linear motor can be used as a stepper motor. If, for example, the winding 31 of the first stator block 11 is excited, the teeth 8 closest to the pole pairs 10 are drawn into the air gap spaces until they assume the aligned position shown in FIG. 3. Then the current through the winding 31 is switched off and current is sent through the winding 32 of the following stator block 12 . Since the teeth 8 in this stator block are still outside of the air gap spaces thereof, they are drawn into the latter, so that the plates 6 and 7 of the rotor are moved somewhat to the right. This step-by-step movement continues with successive excitation of the winding of the next stator block.

Fig. 4 zeigt eine abgeänderte Ausführungsform einer Läuferplatte, bei der anstelle der einzelnen Zähne jeweils Stapel von magnetleitfähigen Blechen 17 vorgesehen sind, die in einem lichten Abstand voneinander angeordnet sind. Bei Fig. 4 ist jeder Blechstapel 18 aus vier Einzelblechen gebildet. Es hat sich gezeigt, daß die Kraftwirkung auf die Blechstapel 18 bei einem Eisenfüllfaktor von 10 Prozent, wenn also die lichten Abstände das Neunfache der Blechstärke der Einzelbleche betragen, nur etwa 10 bis 15 Prozent niedriger ist als bei Verwendung massiver magnetleitfähiger Zähne wie bei der Ausführungsform nach den Fig. 2 und 3. FIG. 4 shows a modified embodiment of a rotor plate, in which, instead of the individual teeth, stacks of magnetically conductive sheets 17 are provided, which are arranged at a clear distance from one another. In FIG. 4, each lamination stack 18 is formed of four individual plates. It has been shown that the force acting on the sheet metal stack 18 at an iron fill factor of 10 percent, i.e. when the clearances are nine times the sheet thickness of the individual sheets, is only about 10 to 15 percent lower than when using solid magnetically conductive teeth as in the embodiment according to FIGS. 2 and 3.

Wie in Fig. 4 rechts außen dargestellt ist, kann anstelle der Einzelbleche auch ein hin- und hergehend gefaltetes Blech 19 verwendet werden, was herstellungsmäßig günstiger ist. Es können natürlich auch andere Arten von Faltungen oder Wicklungen eines Blechbandes verwendet werden, um Zahnstrukturen mit einem geringen Eisenfüllfaktor zu erzielen.As shown on the right in FIG. 4, instead of the individual sheets, a sheet 19 folded back and forth can also be used, which is cheaper in terms of production. Of course, other types of folds or windings of a sheet metal strip can also be used in order to achieve tooth structures with a low iron filling factor.

Die Erfindung läßt sich bei allen Arten von Reluktanzmotoren der gattungsgemäßen Art anwenden, also auch bei Motoren mit scheibenförmigen Rotoren oder glockenförmigen Rotoren. Zur Erhöhung des Drehmoments kann auch die Zahl der jeweils aktiven Polpaare erhöht werden.The invention can be applied to all types of Use reluctance motors of the generic type, also for motors with disc-shaped rotors or bell-shaped rotors. To increase the Torque can also be the number of active ones Pole pairs are increased.

Die Ansteuerung der Wicklungen kann auf übliche Weise erfolgen und hängt davon ab, ob der Motor als Schrittmotor oder als stetig laufender Motor verwendet werden soll. Im letzteren Fall kann ein Sensor vorgesehen sein, der die Winkelstellung des Rotors an die Ansteuerschaltung meldet und diese entsprechend betätigt.The control of the windings can be based on usual Way and depends on whether the engine as a stepper motor or as a continuously running motor should be used. In the latter case, a Sensor should be provided, the angular position of the rotor reports to the control circuit and this operated accordingly.

Claims

1. Reluctance motor with a stator arrangement having at least one winding, which has a plurality of pairs of pole faces, each delimiting an air gap between them, and with a rotor which has a number of magnetic guide pieces, the path of which extends through the successive air gap spaces, characterized in that the thickness ( h ) of the magnetic guide pieces ( 8 , 18 ) is equal to the air gap thickness multiplied by a factor between 0.4 and 0.65.

2. Motor according to claim 1, characterized in that the thickness of the magnetic guide pieces ( 8 , 18 ) is equal to half the thickness of the air gap.

3. Motor according to claim 1 or 2, characterized in that the magnetic guide pieces ( 18 ) consist of layered magnetically conductive sheets, the surfaces of which lie in planes which extend parallel to the field lines in the air gap spaces and which are separated by non-magnetic gaps.

4. Motor according to claim 3, characterized, that the gaps a thickness up to twenty times the thickness of the magnetically conductive sheets to have.

5. Motor according to claim 3 or 4, characterized in that the magnetic guide pieces ( 19 ) are wound or folded from a bandför-shaped magnetic conductive material leaving vacant spaces.

6. Motor according to claim 1 or 2, characterized, that the magnetic guide made of bonded magnet conductive powder exist.