Reluktanzmotor

Professur für Elektrische Maschinen und Antriebe
Reluktanzmotoren
I.
Grundprinzip
II.
Motoraufbau zur Erzeugung einer Drehbewegung
III. Wirkungsweise
IV. Stellungsabhängiger Stromfluss
V.
Magnetfelddarstellung
VI. Dreisträngige Ausführung
Reluktanzmotoren - I. Grundprinzip
Reluktanzmotoren nutzen die Kräfte, die im Magnetfeld auf
Eisenkörper ausgeübt werden. Gebraucht werden also nur eine
stromdurchflossene Spule und ein (Weich-) Eisenkörper, auf den
die beabsichtigte Kraft wirkt.
F
i
i
F
i
F
Die Wirkung wird verstärkt, wenn die Spule ein Magnetfeld
erzeugt, das weitgehend in magnetisch sehr gut leitfähigem Eisen
geführt wird. Die (Reluktanz-)Kraft wirkt nun so, dass der
bewegliche Teil diejenige Position einnimmt, in der (bei konstant
gehaltenem Strom) das Magnetfeld am größten ist. Anders
gewendet: der magnetische Widerstand (= Reluktanz) wird dann
am kleinsten; der magnetische Widerstand ist ja das Verhältnis
von (felderzeugendem) Strom zu Magnetfeld.
Reluktanzmotoren - II. Motoraufbau zur Erzeugung einer Drehbewegung
Werden die beiden Spulen Eins und Zwei von einem elektrischen
Strom durchflossen, so erzeugen sie ein Magnetfeld. Dessen
Stärke hängt bei konstantem Strom nur ab von der Stellung des
drehbaren Eisenteils, dem Rotor. In der gezeichneten
(senkrechten) Stellung ist das Magnetfeld am größten, in der
waagerechten Stellung am kleinsten. Man kann auch sagen, dass
sich der magnetische Widerstand (siehe oben) mit der
Rotorposition ändert - daher der Name Reluktanzmotor.
Spule 1
Für die weitere Betrachtung wird eine Linksdrehung, das heißt eine Drehung
entgegen dem Uhrzeigersinn angenommen. Rotorstellung und auf den Rotor
wirkende Kraft F sind positiv, wenn sie auf eine Linksdrehung wirken
Spule 2
i
Reluktanzmotoren - III. Wirkungsweise
Magnetisches Feld bei konstantem Strom
Y
Rotorstellung
Senkrechter Rotor
Linksdrehung
0°
F
90°
i
180°
Kräfte bei konstantem Strom
90°
180°
In Übereinstimmung mit der Anschauung werden die
eingezeichneten Kräfte wirksam, wenn der Strom konstant
gehalten wird. Wenn das Magnetfeld kleiner wird, ist die Kraft
negativ; d.h. sie wirkt entgegen der (beabsichtigten)
Drehrichtung. Will man nur eine Kraftwirkung in Drehrichtung
(positive Kraft) haben, so darf bei kleiner werdendem Magnetfeld
kein Strom fließen.
Man muss für eine ausschließlich positive Kraftwirkung also für
den eingezeichneten stellungsabhängigen Stromfluss
(Angestrebter Stromverlauf) sorgen. Wie kann dieser nun erreicht
werden, wenn die elektrische Energie einer (Gleichspannungs-)
Batterie entnommen wird?
Angestrebter Stromverlauf
90°
Die Skizze zeigt das Magnetfeld (genauer: die Summe der von
den einzelnen Windungen umfassten magnetischen Flüsse, dass
ist ja der Bündelfluss Y
) in Abhängigkeit von der Rotorstellung.
Steht der Rotor senkrecht, ist das Feld am größten. Solange die
Rotoroberfläche die Statoroberfläche vollständig überlappt,
ändert sich das Magnetfeld nicht. Dann ändert es sich linear mit
der Stellung bis keine Überlappung mehr vorliegt … usw.
180°
Reluktanzmotoren - IV. Stellungsabhängiger Stromfluss
Schalterstellung
Mit einem Schalter werden die Spulen mit der Spannungsquelle
verbunden, um den angestrebten Stromverlauf zu erreichen.
Ein
Aus
180°
90°
Schalter
i
Spule 1
Spule 2
Diode
Transitor
Diode
Die Motorfunktion wird deutlich verbessert, wenn die Schaltung
um eine zusätzliche Transistor/Diode-Kombination ergänzt wird.
So kann das Abklingen des Stromes beeinflusst werden; auch
kann die Energie des Magnetfeldes teilweise in die Quelle
zurückgespeist werden.
i
Spule 1
Die Skizze zeigt eine Schaltung, mit der der gewünschte Strom
aus einer Batterie entnommen werden kann. Die Diode ist nötig,
damit der Strom in den Spulen beim Öffnen des Schalters
allmählich auf Null abklingen kann.
Das Ein- und Ausschalten des Stromes kann automatisiert
werden, wenn der mechanische Schalter durch einen
elektronischen Schalter (Transistor) ersetzt wird.
Spule 2
Reluktanzmotoren - V. Magnetfelddarstellung
Das Magnetfeld kann durch Linien (sogenannte Feldlinien)
veranschaulicht werden / sichtbar gemacht werden. Die
Feldlinien zeigen die Richtung des Magnetfeldes an. Je kleiner
der Linienabstand, je stärker das Feld. Das nebenstehende Bild
ist mit einem Rechenprogramm ermittelt. Dabei wurde das
Magnetfeld bei einem konstanten Strom in unterschiedlichen
Stellungen berechnet und in einer Bildfolge dargestellt. Der von
benachbarten Feldlinien begrenzte Fluss ist in jedem Bild gleich;
hier 1,27mVs/m; folglich ist der gesamte magnetische Fluss der
Anzahl der Flussröhren proportional.
Reluktanzmotoren - VI. Dreisträngige Ausführung
Die Motorfunktion wird weiter verbessert, wenn man den zwei
Spulen, die ja ein Magnetfeld in Richtung der Spulenachsen
erzeugen, weitere Spulenkombinationen hinzufügt. Im
nebenstehenden Bild sind zwei mal zwei Spulen hinzugefügt.
Werden die Spulenkombinationen nun (wie dargestellt)
nacheinander vom Strom durchflossen, so erreicht man damit
eine i.w. gleichmäßige (d.h. von der Rotorstellung unabhängige)
Krafterzeugung.
Innovationspotential. Der Reluktanzmotor zeichnet sich aus
durch einen einfachen Aufbau. Er kann daher kostengünstig
gefertigt und robust betrieben werden. Aktuelle Arbeiten zielen auf
Ausführungen mit sehr guten Verhältnissen von Kraft zu Gewicht
und Kraft zu Verlusten. Auch ein Betrieb ohne Rotorlagegeber
wird angestrebt.