Die Erfindung betrifft eine Reluktanz-Scheibenläufermaschine, die in den

Ausführungsbeispielen 1 und 2 die Merkmale der Ansprüche 1-10, nachfolgend als RSM genannt ausweist, die aus einem einteiligen Gehäuse mit einer Abdeckung räumlich umgrenzt geschlossen ist, aber auch mehrteilig ausgebildet sein kann und mit einer Welle, die axial mit ihrer Drehachse exakt mittig in den Gehäuseinnenraum hineinragt. Innerhalb des Gehäuses wird ein Scheibenläufer drehfest und formschlüssig von der Welle in Drehrichtung um die Drehachse rotierend getragen, was bewirkt, dass der geometrisch um den Versatz e verschobene Scheibenläufer mit seinen seitlichen Käfigumfangflächen eine permanent variable sichelförmige Radialbewegung in die axial wirkenden planseitigen Statormagnetfelder hinein ausführt. Die Bestromung der axial wirkenden E-Magnete in der planseitigen Statorinnenseite folgt dem umlaufenden Drehfeld, bildet ein verstärktes Reluktanzmoment und bewirkt, dass es den Käfigläufer in Drehrichtung hinterherzieht.

Die mindestens sechs oder in grösserer Anzahl im Stator axial wirkenden E-Magnete sind auf ihrem Teilkreisumfang ringförmig verteilt, planseitig eben in der

Statorgehäuseinnenwand versenkt und stationär feststehend positioniert.

Die RSM baut auf eine bereits genannte Kombinations-Drehstrommaschine

(DE 102012014808.9) auf, die einen modifizierten Käfigläufer als Asynchron,- und Synchronkäfigläufer in einer Maschine darstellt und ihre Aufgabe dadurch löst, dass die bausatzartigen Käfigläufer dieser Drehstrommaschine asynchron hochfahren, im

Verschiebemodus sich schleichend in einen Synchronlauf verschieben und

drehfeldsynchron verstärkt wirkend mit dem Drehfeld energieeffizient umlaufen. Die beschriebene Drehstrommaschine weist erfindungsgemäß die Merkmale aus, dass sie sowohl Drehstrom in mechanische Energie oder mechanische Energie in Drehstrom umwandeln kann und bei Betriebszustandswechsel wie einer Rekuperation ohne Veränderungen an der Maschine direkt im Wechsel als Drehstrommotor oder Generator zum Einsatz kommt, bei der beim Einschalten das Drehfeld sofort mit der

Synchrondrehzahl rotiert, der Läufer jedoch auf Grund seines Trägheitsmoments etwas Zeit zur Beschleunigung braucht, weshalb er zunächst als Asynchronmaschine annähernd bis zur Synchrondrehzahl hochfährt, durch die besondere Geometrie des teilkreisförmig verschobenen Käfigläufers bedingt ein permanent variables Eindringen mit den seitlichen Käfigsflächen in die anstehenden Magnetfelder der Polschuh-Inkreise ausführt, im Läuferkäfig läufereigenen Strom und verstärkt wirkende Magnetfelder bildet und dann den Käfigläufer aber synchron ohne Schlupf in Rotation hält, aber bei übersynchroner Antriebsdrehzahl zum Generator wird und elektrische Leistung dann vorzugsweise über den Stator an das Netz abgibt, sich bei Direktbetrieb mit dem für Synchronmaschinen generell höheren Wirkungsgrad und ohne zusätzlich

zwischengeschaltete Übersetzungen sich diese kombinierte Drehstrommaschine im Betrieb mit Sanftanlauf oder Frequenzumrichter mit nur dem tatsächlich erforderlichen Nennstrom äußerst energieeffizient fahren lässt.

Die RSM wird nachfolgend in den Ausführungsbeispielen 1 und 2 noch näher erläutert und anhand von Zeichnungen dargestellt.

Es zeigen

Fig.l eine erfindungsgemäß schematisch vereinfacht dargestellte RSM im Querschnitt mit Innenansicht entlang der Schnittlinie A-A und Darstellung des

Käfigscheibenläufers als umlaufende geometrische Figur im Statorgehäuse.

Fig.2 eine erfindungsgemäß schematisch vereinfacht dargestellte RSM im Querschnitt mit Innenansicht entlang der Schnittlinie A-A und Darstellung des mit dem Drehfeld umlaufenden Weicheisenscheibenläufers als umlaufende geometrische Figur im Statorgehäuse mit aktiven und deaktiven Magnetfeldern.

Fig.3 eine erfindungsgemäß schematisch vereinfacht dargestellte RSM im Querschnitt mit Sicht auf die planseitige Innenwand des Statorgehäuses mit den auf einem Teilkreis gleichmäßig verteilten und axial versenkten E-Magneten und die im Schnitt dargestellte um die Drehachse drehbar gelagerte Welle.

Fig.4 eine erfindungsgemäß schematisch vereinfacht dargestellte RSM im Teilschnitt mit Abdeckung und Darstellung des Weicheisenscheibenläufers als umlaufende geometrische Figur im Statorgehäuse mit aktiven und deaktiven Magnetfeldern.

Fig.5 eine erfindungsgemäß schematisch vereinfacht dargestellte RSM-Seitenansicht im Teilschnitt als einfachwirkende Ausführung, mit nur einer Statorscheibe als Magnetträger, mit Abdeckung und Darstellung eines Käfigscheibenläufers im Seitenprofil.

Fig.5a ein erfindungsgemäß schematisch vereinfacht dargestelltes RSM-Detail als

vergrößerte Ansicht der minimalen Luftspaltdistanz zwischen der planseitigen Innenwand des Statorgehäuses und dem Käfigscheibenläufer.

Fig.6 eine erfindungsgemäß schematisch vereinfacht dargestellte RSM-Seitenansicht im Vollschnitt entlang der Linie B-B als doppeltwirkende Ausführung mit zwei als Magnetträger gestaltete Statorscheiben und Sicht auf die axial gegenüberstehenden Elektromagnete mit gleichnamig aktivierten Magnetfeldern.

Fig.7 eine erfindungsgemäß als Schema vereinfacht dargestellte RSM im Querschnitt mit Innenansicht entlang der Schnittlinie A-A mit Darstellung der Figur einer geometrischen zweifach Variante eines mit Versatz e verschoben dargestellten Käfigscheibenläufers.

Fig.8 eine erfindungsgemäß als Schema vereinfacht dargestellte RSM im Querschnitt mit Innenansicht entlang der Schnittlinie A-A mit Darstellung der Figur einer geometrischen mehrfach Variante eines mit Versatz e verschoben dargestellten Weicheisenscheibenläufers.

Fig.9 eine erfindungsgemäß als Schema vereinfacht dargestellte RSM im Querschnitt mit Innenansicht entlang der Schnittlinie A-A mit Darstellung der zunehmenden Radien und ihren permanent sichelförmig veränderlichen Radialabständen 124.

Fig.10 ein erfindungsgemäß schematisch vereinfacht dargestellte geometrische Figur des Käfigscheibenläufers mit detaillierter Darstellung des integrierten Kurzschlusskäfigs.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels 1

In den Fig.l, Fig.5, Fig.5a, Fig.6, Fig.7 und Fig.10 ist die RSM mit integriertem Kurzschlusskäfig als Synchron- und Asynchronmaschine kombiniert und hat erfindungsgemäß die Vorteile, dass sie fertigungstechnisch einfach, kompakt und relativ kurz baut, eine erheblich reduzierte Beschleunigungsmasse des Läufers aufweist, selbstanlaufend im Asynchronmodus auch bei direktem Netzbetrieb anfährt, energieeffizient dann im Synchronmodus weiterläuft. Bei übersynchroner mechanischer Antriebsdrehzahl wird die RSM ohne Änderung an der Maschine zum Generator und gibt elektrische Leistung über den Ständer ans Netz ab. Der aufsteckbare Käfigscheibenläufer mit nicht erregten Polen sorgt für ein ausreichendes asynchrones Drehmoment, um in der Anlaufphase auch bei direktem Drehstromnetzanschluss sicher hochzulaufen. Die im planseitigen Ständer bestromten E-Magnete entwickeln ein synchron umlaufendes Reluktanzmoment, in das der Käfigscheibenläufer bei erreichen des Synchronlaufs einrastet und dann im Tritt synchron weiterläuft. Bei Überlastung im Synchron betrieb fällt der Läufer außer Tritt und läuft asynchron weiter, bis er bei Entlastung sich wieder synchronisiert und synchron weiter umläuft. Die Läuferscheibe ist mit geringen Luftspaltdistanzen planseitig auf Abstand gehalten, umfangsmäßig um den Versatz e versetzt, aber mit der drehbar gelagerten Welle zentrisch drehfest und formschlüssig positioniert. Die verschobene halbkreisförmige Umfangsfläche des Käfigscheibenläufers bewegt sich lückenlos radial ohne die sonst entstehenden Eisenverluste permanent stufenlos glatt schließend mit sichelförmig veränderlichem Abstand und den minimalen Reluktanzen ohne Drehmomentwellen zu den jeweiligen Polzentren hin.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels 2

In den Fig.2, Fig.4, Fig.8 und Fig.9 ist die RSM mit einem Weicheisenscheibenläufer 131 gestaltet, der die RSM als geschaltete Reluktanzmaschine darstellt. Das Drehmoment wird über die gegeneinander um den Versatz e versetzt zunehmenden Außenradien des Scheibenläufers zu den planseitig axial wirkenden Magnetfeldern der E-Magnete hin lückenlos erreicht, wenn die E-Magnete, die jeweils im günstigsten Drehwinkel stehen wirksam ein,- oder abgeschaltet werden. Die bestromten Magnete ziehen permanent umlaufend die lückenlosen Minimalreluktanzen der Weicheisenläuferscheibe an, während jeweils die E-Magnete, die kurz vor der vollständigen Reluktanzsättigung seitlich am Scheibenläufer stehen, umlaufend abgeschaltet werden und den Scheibenläufer in diesen Bereichen magnetisch loslassen. Diese Art Anwendung wird in der Regel mit Rotorlagegebern oder entsprechend geeigneten Frequenzumrichtern geschaltet. Auf die genannten Angaben in den Ausführungsbeispielen 1 und 2 durch die Merkmale der Ansprüche 1-7 weist diese Reluktanz-Scheibenläufermaschine, ein einteiliges Statorgehäuse 100 aus, das mit einer Abdeckung 110 räumlich umgrenzt geschlossen ist, aber auch mehrteilig ausgebildet sein kann und mit einer Welle 111, die axial mit ihrer Drehachse 114 exakt mittig in den Gehäuseinnenraum hineinragt. Innerhalb des Statorgehäuses 100 wird ein Scheibenläufer 115 oder 131 drehfest und formschlüssig 116 von der Welle 111 in Drehrichtung 128 um die Drehachse 114 rotierend getragen, was bewirkt, daß der geometrisch um den Versatz e verschobene Scheibenläufer 115 oder 131 mit seinen verschobenen Außenradien 118,119 eine permanent variable sichelförmige Radialbewegung 124 in die axial wirkenden planseitigen Statormagnetfelder 108 hinein ausführt. Die Scheibenläufer 115,131 sind geometrisch so geformt, dass sie bei Bestromung der axialwirkenden E-Magnete 112 in der planseitigen Statorinnenseite 100 umlaufend ein verstärktes Reluktanzmoment bilden und die Scheibenläufer 115,131 in Drehrichtung 128 zur Rotation bewegen.

Die mindestens sechs oder in grösserer Anzahl im Stator 100 axial wirkenden Elektromagnete 112 sind auf ihrem Teilkreisumfang 121 ringförmig verteilt, planseitig eben in der Innenwand 117 versenkt und stationär feststehend positioniert, als Synchron- und Asynchronmaschine kombiniert. Der aufsteckbare Käfigscheibenläufer 115 sorgt für ein ausreichend asynchrones Drehmoment in der Hochlaufphase um auch bei direktem Drehstromnetzanschluss sicher hochzulaufen. Die in der planseitigen Innenwand 117 kreisförmig platzierten und bestromten E-Magnete 112 entwickeln ein synchron umlaufendes Reluktanzmoment, in das der Käfigscheibenläufer 115 bei erreichen des Synchronlaufs einrastet und im Tritt weiterläuft, bei Überlastung jedoch außer Tritt fällt, aber asynchron weiterläuft, bis er bei Entlastung wieder Tritt fasst und synchron weiterläuft.

Die Läuferscheiben 115,131 sind mit geringen Luftspaltdistanzen 122 planseitig auf Abstand gehalten, umfangsmäßig um den Versatz e versetzt, aber mit der drehbar gelagerten Welle 111 um die Drehachse 114 formschlüssig 116 positioniert. Die um den Versatz e verschobenen halbkreisförmigen Umfangsflächen 118,119 des Weicheisenscheibenläufers 131 bewegen sich lückenlos radial, mit permanent schließendem sichelförmigen Radialabstand 124 mit minimalen Reluktanzen stufenlos glatt, ohne nennenswerte Drehmomentwellen zu den jeweiligen Polzentren 103 hin, wodurch sich die Anwendungsmöglichkeiten als geschaltete Reluktanzmaschine ergeben. Das Drehmoment wird über die gegeneinander um den Versatz e versetzt zunehmenden Außenradien 118,119 des Weicheisenscheibenläufers 131 zu den planseitig geschalteten Magnetfeldern 108,109 der E-Magnete 112 erreicht, wenn die E- Magnete 112, die jeweils im günstigsten Drehwinkel stehen wirksam eingeschaltet 108 oder abgeschaltet 109 werden. Die bestromten Magnete 108 ziehen permanent umlaufend die lückenlosen Minimalreluktanzen der Weicheisenläuferscheibe 131 an, während jeweils die E-Magnete 109, die kurz vor oder in der vollständigen Läufersättigung stehen umlaufend abgeschaltet und somit den Weicheisenscheibenläufer 131 in diesen Bereichen magnetisch loslassen. Diese Art Anwendung wird in der Regel mit Rotorlagegebern oder entsprechend geeigneten Frequenzumrichtern geschaltet. Je nach Bedarf kann die RSM als einfach wirkende Maschine mit nur einer planseitigen Innenwand 117 als Statorspulenträger 100, oder mit beidseitig wirkenden Statorspulenträger 130 mit gleichnamig axial gegenüberliegenden Magnetpolen bestückt werden.

Bezugszeichenliste

100 Statorgehäuse

103 Polzentrum

107 Kurzschlußkäfig

108 aktiviertes Magnetfeld

109 deaktiviertes Magnetfeld

110 Abdeckung

111 Welle

112 Elektromagnet

113 umlaufendes Drehfeld

114 Drehachse

115 Käfigscheibenläufer

116 formschlüssige Verbindung

117 planseitige Innenwand

118 geometrischer Außenradius

119 geometrischer Außenradius

120 Mehrfachvariante

121 Teilkreis

122 minimale Luftspaltdistanz

124 sichelförmiger Radialabstand e Versatz

128 Drehrichtung

129 seitliche Umfangsfläche

130 beidseitig wirkende Statorscheiben

131 Weicheisenscheibenläufer