Leseprobe

Rotierende Elektrische Maschinen
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Geschaltete Reluktanzmaschine
Prof. Dr.-Ing. Andreas Baral
Einleitung
Die geschaltete Reluktanzmaschine wird auch als Switched-Reluctance-Machine (SRM) bezeichnet. Der Motor zeichnet sich durch
einen sehr einfachen Aufbau aus. Er ist robust und wartungsarm. Es
können sehr hohe Drehzahlen erreicht werden, da der Rotor keine
Wicklungen enthält.
Die geschaltete Reluktanzmaschine gewinnt aufgrund der rasanten Entwicklung in der Leistungselektronik zunehmend an Bedeutung. Die ersten Motoren wurden 1839 von Taylor patentiert und
wurden später in Lokomotiven eingesetzt. Allerdings konnte die genaue Bestimmung der Position des Rotors sowie die zeitlich richtige
Bestromung der Spulen zu dieser Zeit nicht gewährleistet werden.
Aus diesem Grund geriet die geschaltete Reluktanzmaschine fast in
Vergessenheit. Erst mit der Entwicklung der Leistungshalbleiter Anfang der 1970er Jahre wurde die Maschine wieder interessant.
Als Nachteil der Reluktanzmaschine sind die relativ komplexe Ansteuerung und die Notwendigkeit eines Lagegebers zu bezeichnen.
Grundlagen der Reluktanzmaschine
Grundprinzip der Reluktanzmaschine
Vereinfacht kann das Prinzip der Reluktanzmaschine an einem Eisenstab im Magnetfeld erläutert werden. In Bild 1 ist eine einfache Prinzipanordnung dargestellt. Der an einem Hebel befestigte Eisenstab
erfährt in einem Magnetfeld eine Kraft F. Diese Kraft lässt sich in eine
Radialkraft (FR) und eine Tangentialkraft (FT) zerlegen (Bild 1a).Die
Tangentialkraft bewegt den Eisenstab in die sogenannte ausgerichtete
Position (Bild 1b). In dieser Position ist der magnetische Widerstand
(Reluktanz) am geringsten und die Tangentialkraft ist null. Befindet
sich der Stab in seiner ausgerichteten Position, wird das bestromte
Spulenpaar aus- und das nächste Spulenpaar eingeschaltet. Der Rotorzahn richtet sich nun neu aus. Der Rotor dreht sich.
Um ein kontinuierliches Drehmoment zu erzeugen, muss die aktive Spule gezielt aus- und die nächste eingeschaltet werden. Der Rotor
dreht sich im Uhrzeigersinn, wenn die Spulen gegen den Uhrzeigersinn eingeschaltet werden.
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–
+
–
+
F
Ft
Ft = 0
Fg
F = Fg
M
M=0
a)
O
b)
O
Bild 1: Reluktanzprinzip
Aufbau
Wie bereits in der Einleitung erwähnt, ist der Aufbau des geschalteten Reluktanzmotors sehr einfach, was die Maschine sehr robust und
kostengünstig macht. Der feststehende Teil der Reluktanzmaschine
wird als Stator und der rotierende Teil als Rotor bezeichnet. Der Rotor
und der Stator besitzen ausgeprägte Zähne oder Pole (Bild 2). Die
Statorwicklung ist als Zahnspulenwicklung ausgeführt. Die gegenüberliegenden Spulen werden in Reihe geschaltet und bilden einen
Strang. Stator und Rotor werden geblecht ausgeführt, um die Wirbelstromverluste gering zu halten. Die Anzahl der Statorzähne ist meistens höher als die Anzahl der Rotorzähne. Der Rotor besitzt weder
Permanentmagnete noch Wicklungen, weshalb die Konstruktion sehr
einfach und robust ist. Dieser einfache Aufbau führt dazu, dass die Reluktanzmaschine vorwiegend im hohen Drehzahlbereich eingesetzt
wird. Hohe Drehzahlen (120.000 U/min) werden beispielsweise in
der Textilindustrie gefordert.
Die Herstellung dieses Motors wird dadurch stark vereinfacht,
dass die Wicklungen eingepresst werden können. Aus der Anzahl der
Stator- und Rotorpole ergeben sich die Phasen- und die Polpaarzahl.
Im Bild 3 sind einige mögliche Konfigurationen von Rotor- und Statorpolen dargestellt.
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