Elektrische Maschinen mit weichmagnetischen Zähnen an der Luftspaltoberfläche, sind unter den Bezeichnungen Schrittmotor oder geschaltete Reluktanzmaschine in vielfälltigen Bauformen bekannt. Durch die Zahnung ändert sich beim Bewegen des Läufers der magnetischen Wider- stand für den über den Luftspalt geführten magnetischen Fluß. Die nutzbaren Kräfte sind von der Zahngeometrie, der Magnetisierbarkeit des weichmagnetischen Materials und der Flußdichte im Luftspalt abhängig.

Eine Bauart die sich insbesonder durch eine einfache Wickeltechnik auszeichnet ist die TransversalfluBmaschine. Der weichmagnetische Körper weist in Umfangsrichtung Lücken auf die in etwa der halben Polbreite entsprechen. In den Lücken kann der im Leiterring fleiBende Strom nur ein schwaches Magnetfeld ausbilden, sodaß diese Umfangsabschnitte mehr zur Verlustleistung als zur Nutzleistung beitragen.

Aus der DE 43 25 740 C1 ist eine TransversalfluBmaschine bekannt in der um den Leiterring U-formige weichmagnetische Kerne angeordnet sind deren tangentiale Breite mit dem Radius überproportional zunimmt. Hierdurch entstehen zwischen den radial inneren Enden der Kerne in Umfangsrichtung Lücken die breiter als die Kernbreite sind.

In der DE-OS 28 05 333 und der DE 4040116 C2 werden segmentierte weichmagnetische Körper beschrieben, in denen die Schichtung der Zahnkerne senkrecht zur Schichtung der Jochbleche erfolgt.

Aus der DE 34 14312 AI ist eine permanenterregte Maschine mit Elektromagnet- gruppen bekannt, die in Bewegungsrichtung an beiden Enden unbewickelte Halbpole aufweisen.

Durch eine Lücke zwischen den Elektropoleinheiten wird der Phasenversatz gebildet. Die Pole und Halbpole weisen Polschuhe auf, die mit einer ebenen Luftspaltoberfläche nur enge Nut- schlitze zum Einlegen der Drahtwicklung offen lassen. Der elektromagnetische Eisenkreis der Elektromagnetgruppen ist einstückig ausgeführt.

Weiterin ist aus der DE 4241085 AI bekannt, Polschuhe mit einer Schwalbenschwanz- verbindung auf Polkernen zu befestigen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine nach dem Reluktanzprinzip funktionierende Maschine derart weiterzuentwickeln, daB bei vertretbaren Herstellungskosten der auf die Luftspaltfläche bezogene Drehschub vergröBert und die ohmschen und magnetischen Verluste vermindert werden.

Diese Aufgabe wird durch die in den Merkmalen der Ansprüche 1,4,6,8 oder 9 wieder- gegebene Erfindung gelöst.

ErfindungsgemäB bestehen die in die Luftspaltöberfläche angrenzenden weichmagnetischen Zähne aus einem Material, das gegenüber dem übrigen weichmagnetischen Körper eine höher FluBdichte bei gleicher magnetischer Feldstärke und/oder eine höhere magnetische Sättigungs- flußdichte aufweist. Vorzugsweise wird in den Zähnen kornorientiertes Elektroblech oder eine Kobalteisen-Legierung eingesetzt.

Damit der leistungssteigernde Effekt nicht beeinträchtigt wird, weist der übrige weichmagneti- sche Körper in Richtung des magnetischen Flusses insgesamt einen gröBeren Querschnitt auf, als die Summe der an den Luftspalt grenzenden Zahnoberflächen.

Beispiel : Durch den Einsatz einer Kobalteisenlegierung kann die Flußdichte in den Zähnen bei gleicher Bestromung der Maschine um bis zu 20 % gesteigert werden (2,3 T anstatt 1,9 T). Bei gleicher Luftspaltoberfläche bzw. in etwa gleicher Maschinen- größe steigt die Leistungsfähigkeit der Maschine um 44 %.

Alternativ oder ergänzend besteht der weichmagnetische Körper, in dem die Leiterspulen angeordnet sind, aus einzeln vorgefertigten Polsegmente, die vorzugsweise aus kornorientiertem Elektroblech hergestellt werden. Jeder jeder zweite Pol ist unbewickelt und besteht aus zwei Polhälften, die durch ein unmagnetisches Halterungselement verbunden sind. Die Anzahl der Zähne auf der Luftspaltoberfläche des bewickelten Poles entspricht der doppelten Anzahl der Zähne eines Halbpols. Das vorzugsweise T-förmige Halteelement besteht aus einem Material mit niedriger magnetischer und elektrischer Leitfähigkeit und verhindert die Bewegung der Halbpole in Richtung des magnetischen Flusses im Luftspalt. Die Halbpole fixieren wiederum das bewickelte Polelement in seiner Position.

Dieser modulare Aufbau entspricht dem zweiten Grundgedanken der Erfindung und erlaubt ebenfalls den vorteilhaften Einsatz komorientierten Materials, wobei im Luftspaltbereich und in dem Maschinenbereich, in dem der Raum zwischen Leiter-und Eisenmaterial aufgeteilt werden muB, die gute Magnetisierbarkeit optimal genutzt werden kann. Ein die Leistungsfähigkeit der Maschine beeinträchtigende Erhöhung des magnetischen Widerstandes tritt in den kornorientier- ten Polsegmenten erst bei ca. 1,9 T auf. Dagegen tritt die gleiche Erhöhung des magnetischen Widerstandes in nichtkornorientiertem Elektroblech bereits bei 1,6 T auf. Erst die gegenüber dem Stand der Technik neuartige Segmentierung des bewickelten Körpers ermöglicht die optimale Nutzung der Kornorientierung in denm Nutbereich der Pole.

Die höher Flußdichte im Pol ermöglicht bei gleichem Luftspaltdurchmesser und gleicher Durchflutung eine VergröBerung der Nutbreite und der zusätzliche Nutraum ermöglicht eine Senkung der Wicklungsverluste. Zusätzlich muß die Polwicklung nicht durch einen engen Nutschlitz eingefädelt werden.

Beispiel : Ausgehend von einer konventionellen Maschine mit Polbreite = Nutbreite in der Mitte des Nutbereichs kann durch die Herstellung der Polsegmente aus korn- orientiertem Elektroblech bei gleicher Flußdichte im Luftspalt die Polbreite um 15 % vermindert werden. Zusätzlich ist die Polspule-dank der günstigeren Wickeltechnik-mit 65 % anstatt 50 % Füllfaktor herstellbar. Zusammen ergibt sich eine 50 % größerer Kupferquerschnittsfläche pro Nut bzw. eine Abnahme der Wicklungsverluste um 33 %.

Wesentlich für diese Verbesserung ist die Segmentierung des bewickelten weichmagnetischen Körpers in bewickelte Pole und unbewickelte Halbpole, wobei der Halbpol mindestens einen Zahn am Luftspalt ausbildet. Der bewickelte Pol und die beiden mit ihm im Jochbereich ver- bundenen Halbpole bilden eine magnetische Einheit, die durch die unmagnetischen Halterungs- elemente von benachbarten baugleichen magnetischen Einheiten getrennt ist. Die Zähne der durch das Halterungselement getrennten Halbpole weisen einen größeren Abstand in Bewe- gungsrichtung auf als die Zähne innerhalb der magnetischen Einheit und erzeugen hierdurch einen Phasenversatz zwischen benachbarten elektomagnetischen Einheiten.

Die unmagnetischen Halterungselemente vermeiden Rückstellkräfte durch unerwünschte Streuflüsse und steigern damit ebenfalls die Kraftdichte der Maschine. Der negative Einfluß des sekundären Luftspaltes wird durch ein Anpreßen der Polsegmente gegeneinander und eine deutliche Erhöhung der Übergangsfläche durch einen schrägen Schnitt weitgehend vermieden.

Zusätzlich wird eine Erhöhung des magnetischen Widerstandes im Jochbereich vermieden, indem die Jochdicke in Richtung der Nuttiefe ca. 75 % der Breite des bewickelten Pols ent- spricht. Die Kombination der Effekte -günstigere Magnetisierung durch kornorientierte Polsegmente -kompakte Wickeltechnik der Polspulen -kurze Flußwege und Entkoppelung der Phasen durch magnetisch getrennte Einheiten führt zu einer deutlichen Steigerung der Leistungsdichte.

Neben der Verbesserung der Leistungsfähigkeit und geringerer Wicklungsverluste vermindert die erfindungsgemäße Segmentierung auch die Komplexität des Stanzwerkzeuges und den Stanz- verschnitt. Das Wickeln der Polspulen wird vereinfacht und der zusätzlich Montageaufwand durch die Vielzahl der vorgefertigten Polteile ist beim Einsatz flexibler Montageautomaten vertretbar. Die erfindungsgemäße Segmentierung der Doppelschenkelpolmaschine eignet sich für rotierende Bauformen mit radialem und axialem Luftspaltfeld und auch für Linearantriebe.

Ebenfalls zu einer besseren Raum-und Materialausnutzung in rotierenden Maschinen, besonders bei transversaler Flußführung, trägt die Verwendung von schräg gewalzten Blechen bei. Bisher werden im Elektromaschinenbau ausschließlich Elektroblech mit konstanter Dicke eingesetzt.

Entsprechend dem dritten Grundgedanken der Erfindung werden die Bleche vor, beim oder nach dem Stanzen in Richtung der Blechdicke verformt. Vorzugsweise erfolgt dies in einem Walzvor- gang vor dem Stanzen, wobei das Elektroband einen trapezförmigen Querschnitt erhält.

Das trapezförmige Band kann vorteilhaft in Transversalflußmaschinen eingesetzt werden, wobei mit zwei unterschiedlichen Blechschnitten ein kompletter Eisenring um die Leiterringe ange- ordnet werden kann. Der Fluß wird lediglich in der Nähe des magnetisch aktiven Luftspalts in den Zähnen konzentriert, die vorzugsweise aus einer Kobalteisen-Legierung bestehen. Der Einsatz von Elektroblechlamellen mit trapezförmigem Querschnitt ist aber auch in Radialfluß- und Axialflußmaschinen, besonders in Zwischenstatoren oder-rotoren, vorteilhaft.

In den Zeichnungen sind vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung dargestellt.

Fig. I zeigt einen Umfangsausschnitt aus dem Querschnitt einen Schrittmotors mit AuBenläufer mit Polschuhkappen und zusammengesetztem Rotorring, Fig. 2 zeigt den halben Querschnitt einer TransversalfluBmaschine, mit Zahneinsätzen aus einer Kobalteisen-Legierung, Fig. 3 zeigt einen Ausschnitt aus der axiale Seitenansicht des weichmagnetischen Körpers der Transversalflußmaschine aus Fig. 2.

Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt aus dem Querschnitt einer erfindungsgemäßen Reluktanzmaschine 1, die aus sechs baugleichen elektromagnetischen Einheiten 2 mit jeweils vier Zähnen 3 besteht.

Im Ausschnitt ist nur eine elektromagnetische Einheit dargestellt, die aus einem bewickelten Polsegment 4 und zwei baugleichen, unbewickelten Halbpolsegmenten 5 besteht. Pol-und Halbpolsegmente bestehen aus axial hintereinandergeschichteten kornorientiertenElektroblechen, wobei die Vorzugsrichtung radial ausgerichtet ist. Die Halbpole weisen an der zum Luftspalt 6 weisenden Oberfläche einen Zahn 3 auf. 24 Statorzähnen 3 liegen 26 Zahnsegmente 7 des Rotors 8 gegenüber. Der Abstand zwischen den Zähnen 3 benachbarter Halbpole 5 ist um 2/3 der Zahnbreite größer als der Abstand der Zähne innerhalb einer elektromagnetischen Einheit.

Die Zähnezahl pro elektromagnetischer Einheit kann auf 4,8,12,16 [bzw. 4. k mit k = ganz- zahlig] und die Anzahl der elektromagnetischen Einheiten kann eine beliebiges Vielfaches der Phasenanzahl betragen.

Damit die Rotorzähne 7 nicht bereits vor den Statorzähnen 3 einen erhöhten magnetischen Widerstand erzeugen, bestehen sie ebenfalls aus kornorientiertem Elektroblech. Dagegen besteht der Rotorring 9 aus nichtkornorientierten Elektroblech. Die tangential geblechten Rotorzähne 7 weisen einen leicht trapezförmigen Querschnitt auf. Dieser entsteht durch den Einsatz trapezförmig gewalzter Elektrobänder. Diese werden als paketierte Stäbe in einen erwärmten Rotorjochring gepreßt. Beim Abkühlen erhöht sich der Druck des Rotorrings 9 auf die Rotor- zähne 7, so daß ein stabiler Sitz gewährleistet ist. Zusätzlich wird der tangentiale Raum zwischen den Rotorzähnen mit einem mechanisch stabilen Isolierstoff 10 ausgefüllt, der ebenfalls zur Stabilisierung beiträgt.

Im Stator ist der Raum zwischen benachbarten Zähnen 3 unterschiedlicher elektromagnetischer Einheiten durch das breite Ende des T-förmigen Halterungselements 11 ausgefüllt. Die Halte- rungselemente bestehen ebenfalls aus einem unmagnetischen Werkstoff mit niedriger elektrischer Leitfähigkeit und hoher mechanischer Festigkeit.

Die Polspule 12 wird in einen vorgelagerten Fertigungsschritt auf das Polsegment 4 gewickelt.

Hierbei ist durch ein exaktes Legen des unter Zugspannung stehenden Drahtes ein erheblich höherer Füllfaktor realisierbar, als beim Einlegen der Wicklung durch den Nutspalt 13.

Anschließend werden die beiden angrenzenden Halbpole 5 tangential aufgepreßt und dabei vorzugsweise durch Kleben angefügt. Die fertig montierte elektromagnetische Einheit 2 wird nun in den vorgewärmten Halterungskörper 14 axial eingeschoben. Beim Abkühlen verkürzen sich die T-förmigen Halterungselemente 11 und es entsteht eine Vorspannung, die den drei- teiligen weichmagnetischen Körper der elektromagnetischen Einheit auch bei den hohen Schwankungen der magnetischen Normalkräfte im Luftspalt stabilisiert. Zusätzlich wird der Aufbau nach der Montage vergoßen. Ergänzend kann in die Nuten der Polsegmente ein klauenförmiger Körper (nicht dargestellt) eingreifen und so zur Stabilisierung beitragen.

In Fig. 2 ist ein Schnitt durch den halben Querschnitt einer zweiphasigem Transversalflußma- schine 15 dargestellt. In dem Blechschnitt 16 aus nichtkornorientierten Elektroblechen sind kleiner Zahneinsätze 17 aus einer Kobalteisen-Legierung eingefügt. In Bewegungsrichtung liegen den ebenfalls aus einer Kobalteisen-Legierung bestehenden Rotorsegmenten 18 immer nur Zahneinsätze oder Vertiefungen 19 gegenüber. Dagegen umschließen die Blechschnitte 16 den Leiterring 20 über den gesamten Umfang und die Flußdichte ist auch bei maximaler FluBdichte (2,3 T) in den Zahneinsätzen 17 im übrigen weichmagnetischen Körper 21 auf für die magneti- sche Verlustleistung günstige Werte zwischen 1,2 und 1,4T begrenzt. Da der weichmagnetische Körper 21 den Leiterring 20 an drei Seiten in tangentiale Richtung lückenlos einbettet, kann der elektrische Strom auf der gesamten Leiterlänge gleichmäBig zur Magnetfelderzeugung beitragen.

Nur an den kritischen Verengungen des magnetischen Flusses wird das wesentlich teurere hochpermeable Material eingesetzt.

Der Anteil der Rotorsegmente und Zahneinsätze am Gewicht des weichmagnetischen Körpers kann durch die erfmdungsgembe Bauform auf 10 bis 20 % reduziert werden. Hierdurch entstehen bei in etwa gleicher Leistungsfähigkeit erhebliche Einsparungen bei den Material- kosten gegenüber einer vollständig aus einer Kobalteisen-Legierung bestehenden Maschine konventioneller Bauart Die Verbesserung der Wandlung von elektrischer Energie in magnetische Energie wird hierbei durch den Einsatz von Elektroblechen mit varialer Dicke bewirkt. In Fig. 3 ist erkennbar, wie ein lückenloser weichmagnetischer Ring 21 durch tangentiale Schichtung von Elektroblechen 22 mit trapezförmigem Querschnitt hergestellt wird.

Elektrobleche mit trapezförmigen Querschnitt sind-wie die Rotorzähne in Fig. 1 zeigen-auch vorteilhaft in Radialflußmaschinen einsetzbar. Weiterhin sind derartig umgeformte Elektrobleche zur besseren Ausnutzung des Raumes und damit zur Steigerung der Leistungsfähigkeit von segmentierten AxialfluBmaschinen einsetzbar.

Im Raum zwischen den weichmagnetischen Zähnen können auch Permanentmagnete als mag- netische Blenden eingesetzt werden. Die Erfindung beschänkt sich nicht auf reine Reluktanz- maschinen, sondern schlieBt auch Hybridmotoren und-generatoren ein, die zusätzlich zur weichmagnetischen Zahnung am Luftspalt Permanentmagneten, KurzschluB-oder Erregerwick- lungen aufweisen.