DE10004175B4

DE10004175B4 - Synchroner Reluktanzmotor mit Magnetflussbarriere

Info

Publication number: DE10004175B4
Application number: DE10004175A
Authority: DE
Inventors: Jae Yoon Oh; Dal Ho Jung
Original assignee: LG Electronics Inc
Current assignee: LG Electronics Inc
Priority date: 1999-09-22
Filing date: 2000-02-01
Publication date: 2006-05-04
Anticipated expiration: 2020-02-02
Also published as: CN1158741C; US6239526B1; JP2001103719A; KR20010028749A; DE10004175A1; CN1289166A; KR100371159B1

Abstract

Synchroner Reluktanzmotor, der einen Stator mit einer Vielzahl von regelmäßig beabstandeten Nuten und Zähnen sowie einen Rotor mit einer Vielzahl von Magnetflußbarrieren aufweist, von denen jede eine erste Rippe und eine zweite Rippe an ihren gegenüberliegenden Enden aufweist und die erste Rippe der Mitte einer Nut des Stators gegenüberliegt, wenn die zweite Rippe der Mitte eines entsprechenden Zahns des Stators gegenüberliegt,
wobei die Positionen der Rippen der Magnetflußbarrieren symmetrisch zu der Mittelachse eines Pols des Rotors sind und durch die folgende Gleichung definiert sind:

wobei:
– α_m den Winkel zwischen den Rippen und der Mittelachse eines Pols des Rotors repräsentiert,
– θ die Polteilung einer Nut des Stators bezeichnet,
– m die Ordnung der Rippen, die von der Mittelachse jedes Pols des Rotors beabstandet sind bezeichnet,
– P die Anzahl der Pole des Rotors bezeichnet, und
– Ns die Anzahl der Nuten des Stators...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen synchronen Reluktanzmotor mit einer Vielzahl an Magnetflußbarrieren, und insbesondere einen synchronen Reluktanzmotor mit Magnetflußbarrieren, der eine verbesserte Magnetflußbarriere aufweist, welche in der Lage ist, eine Drehmomentwelligkeit zu verringern.
Im allgemeinen werden für die Steuerung eines Motors zwei Achsen verwendet: eine davon ist eine D-Achse, das heißt, eine Begrenzung eines Magnetpols, und die andere ist eine Q-Achse, das heißt, eine Mitte des Magnetpols. Die D-Achse besitzt eine größere magnetische Permeabilität, und die Q-Achse besitzt eine geringere magnetische Permeabilität. Aufgrund eines Induktanzunterschiedes zwischen der D-Achse und der Q-Achse wird ein Drehmoment erzeugt.
1 ist eine Ebenenansicht eines synchronen Reluktanzmotors mit Magnetflußbarrieren gemäß dem Stand der Technik.
Zur besseren Erklärung wird ein Beispiel herangezogen, bei dem vier Pole und 24 Statornuten vorhanden sind.
Wie in 1 dargestellt, umfaßt ein Stator 10 ein Gehäuse 11, eine Vielzahl an Nuten 13 und Zähnen 14, die an der umfänglichen Innenfläche 12 ausgebildet sind. Ein Rotor 20 umfaßt ein Gehäuse 21, eine Vielzahl an Magnetflußbarrieren 22 und eine Vielzahl an Rippen.
Hinsichtlich der Rippen sind echte Rippen 23 (dargestellt durch einen Kreis) vorhanden, das heißt, der Endabschnitt der Magnetflußbarriere, und virtuelle Rippen 24 (dargestellt durch 'x'), und der Abstand dazwischen (einschließlich der echten Rippe 23 und der virtuellen Rippe 24) ist gleich wie die Polteilung an der Rotatornut.
Das Gehäuse 21 des Rotors 20 ist aus einer magnetischen Substanz hergestellt, und die Vielzahl der Magnetflußbarrieren 22 ist aus einer nichtmagnetischen Substanz hergestellt, die radial so angeordnet sind, daß sie die Q-Achse als Mittelpunkt und die D-Achse als Grenze haben.
Der Betrieb des synchronen Reluktanzmotors mit den Magnetflußbarrieren gemäß dem Stand der Technik wird nun beschrieben.
Zuerst wird eine Induktanz durch einen Strom erzeugt, der an die Wicklungsspule des Stators 10 angelegt wird, und aufgrund des Induktanzunterschiedes zwischen der D-Achse und der Q-Achse aufgrund der Magnetflußbarrieren 22 wird ein Drehmoment erzeugt, und der Motor wird von diesem Drehmoment gedreht.
Aufgrund der relativen Position der Magnetflußbarrieren und der Nutöffnung 13a des Stators 10 wird eine Drehmomentwelligkeit erzeugt. In anderen Worten wird die Drehmomentwelligkeit aufgrund einer Veränderung der relativen Position der Nutöffnung 13a des Stators 20 zur Rotorrippe 23 erzeugt.
2 und 3 sind Ebenenansichten des synchronen Reluktanzmotors jenes Falles, bei dem der Rotor 20 an einer spezifischen Position angeordnet wird, wenn der Motor von 1 betrieben wird, wobei 2 einen Fall zeigt, bei dem die Rippen 23 und 24 des Rotors 20 der Nutöffnung 13a des Stators 10 gegenüberliegen, und 3 zeigt den gegenteiligen Fall von 2, das heißt, einen Fall, bei dem die Rippe 23 des Rotors 20 den Zähnen 14 des Stators 10 gegenüberliegt.
Die magnetischen Widerstände des ersten und des zweiten Falles unterscheiden sich stark voneinander, und aufgrund des magnetischen Widerstandes wird eine hohe Drehmomentwelligkeit erzeugt, wenn der Rotor 20 gedreht wird.
Aus diesem Grund wird eine hohe Drehmomentwelligkeit erzeugt, wenn die Anzahl der Rotorrippen (die echte Rippe 23 und die virtuelle Rippe 24) gleich ist wie jene der Statornuten, und wenn der Abstand zwischen den Rippen gleich ist wie jener der Nuten.
Da die Drehmomentwelligkeit abhängig von der Anordnungsstruktur der Magnetflußbarrieren bestimmt wird, wurden, um die Drehmomentwelligkeit zu verringern, verschiedene Techniken für die Struktur der Magnetflußbarrieren entwickelt und offenbart, welche nun beschrieben werden.

4 zeigt einen synchronen Reluktanzmotor mit Magnetflußbarriere mit einer Vielzahl an Magnetflußbarrieren gemäß dem Stand der Technik, bei dem die Anzahl der echten Rippen der Magnetflußbarriere 22 größer ist als jene der Nuten 13. Das selbe Prinzip liegt der US 5,818,140 zugrunde, bei der, wie auch bei der in 4 dargestellten Variante, der Abstand zwischen den Rippen kleiner als der Abstand zwischen den Zähnen ist.

Wenngleich manche Rippen von den gesamten Rippen den Nuten 13 gegenüberliegen, da die restlichen anderen Rippen den Zähnen 14 gegenüberliegen, wird in diesem Fall der durchschnittliche Wert des magnetischen Gesamtwiderstands verringert, obwohl der magnetische Widerstand in bestimmten Abschnitten groß ist.

Da bei dieser Rotorart, welche die Vielzahl an Magnetflußbarrieren besitzt, jedoch die Struktur des Rotors kompliziert ist, wird dessen mechanische Festigkeit im Vergleich zu einem Rotor mit einigen wenigen Magnetflußbarrieren geschwächt, und auch seine Herstellung ist kompliziert. Dieses Problem wird umso größer, je mehr die Größe des Rotors verringert wird.

5 ist eine Ebenenansicht eines synchronen Reluktanzmotors mit Magnetflußbarrieren, wobei die D- und Q-Achsen gemäß dem Stand der Technik mechanisch unausgeglichen sind.

Im Gegensatz zur D-Achse eines allgemeinen Motors ist die D-Achse um einen vorherbestimmten Winkel θ nach einer Seite hin geneigt, so daß die D- und die Q-Achse mechanisch unausgeglichen sind.

Da die Abstände der Rippen der Magnetflußbarrieren 22 und die Abstände der Nuten 13 nicht gleich sind, wird bei dieser Struktur die Drehmomentwelligkeit verringert.

Da jedoch die D-Achse und die Q-Achse unausgeglichen sind, ist es schwierig, die elektrische D-Achse und die Q-Achse während der Steuerung des Motors zu bestimmen, und die Induktanzwerte Ld und Lq gemäß der D- und der Q-Achse werden beeinflußt, was zu einer Verringerung der gesamten Drehmomentausgabe führt.

Die US 5,903,080 offenbart einen Aufbau für einen synchronen Reluktanzmotor, der darauf abzielt, die Welligkeit des Drehmomentes des Motors auf ähnliche weise zu verringern. Dazu wird ein Basis-Mittenwinkel θ, ein Verschiebewinkel und ein Mittenwinkel für die einzelnen Magnetpole berechnet und entsprechend bei dem Motor eingestellt. Durch eine derartige Einstellung der Winkel wird insbesondere die durch die Zähne des Stators verursachte Komponente der Welligkeit verringert; außerdem werden die Rippen an den gegenüberliegenden Enden der Magnetflussbarrieren aufgrund der eingestellten bzw. verschobenen Winkel asymmetrisch, das heißt der Winkel zwischen der D- und der Q-Achse wird verschoben.

Aus der DE 16 38 449 A ist ebenfalls ein synchroner Reluktanzmotor mit Magnetflussbarrieren bekannt. Dabei sind die beiden Rippen der einzelnen Magnetflussbarrieren so angeordnet, dass jeweils die eine Rippe der Mitte eines Zahnes des Stators gegenüberliegt, während die andere Rippe der Mitte einer Nut des Stators gegenüberliegt.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen synchronen Reluktanzmotor mit Magnetflußbarrieren zu schaffen, mit dem die Drehmomentwelligkeit weiter verringert wird.

Die Aufgabe wird gelöst durch einen synchronen Reluktanzmotor, der einen Stator mit einer Vielzahl von regelmäßig beabstandeten Nuten und Zähnen sowie einen Rotor mit einer Vielzahl von Magnetflußbarrieren aufweist, von denen jede eine erste Rippe und eine zweite Rippe an ihren gegenüberliegenden Enden aufweist und die erste Rippe der Mitte einer Nut des Stators gegenüberliegt, wenn die zweite Rippe der Mitte eines entsprechenden Zahns des Stators gegenüberliegt, wobei die Positionen der Rippen der Magnetflußbarrieren symmetrisch zu der Mittelachse eines Pols des Rotors sind und durch die folgende Gleichung definiert sind:

wobei α_m den Winkel zwischen den Rippen und der Mittelachse eines Pols des Rotors repräsentiert, θ die Polteilung einer Nut des Stators bezeichnet, m die Ordnung der Rippen, die von der Mittelachse jedes Pols des Rotors beabstandet sind pro Pol, bezeichnet, P die Anzahl der Pole des Rotors bezeichnet, und Ns die Anzahl der Nuten des Stators bezeichnet.

Die begleitenden Zeichnungen, welche enthalten sind, um ein besseres Verständnis der Erfindung zu ermöglichen und welche einen Bestandteil dieser Beschreibung bilden, zeigen Ausführungsformen der Erfindung und dienen gemeinsam mit der Beschreibung dazu, die Prinzipien der Erfindung zu erklären.

In den Zeichnungen ist:
1 ist eine Ebenenansicht eines synchronen Reluktanzmotors mit Magnetflußbarrieren gemäß dem Stand der Technik;
2 und 3 jeweils eine Ebenenansicht des Falles, bei dem ein Rotor an einer bestimmten Position angeordnet wird, wenn ein Motor von 1 gemäß dem Stand der Technik gedreht wird;
4 eine Ebenenansicht eines synchronen Reluktanzmotors mit Magnetflußbarrieren mit einer Vielzahl an Magnetflußbarrieren gemäß dem Stand der Technik;
5 eine Ebenenansicht eines synchronen Reluktanzmotors mit Magnetflußbarriere und einer Struktur, bei der die D- und Q-Achse gemäß dem Stand der Technik mechanisch unausgeglichen sind;
6 eine Ebenenansicht eines synchronen Reluktanzmotors mit Magnetflußbarrieren gemäß der vorliegenden Erfindung;
7 eine Darstellung der Anordnungen der Magnetflußbarrieren von 6 gemäß der vorliegenden Erfindung;
8 und 9 jeweils eine Darstellung einer Momentposition eines Rotors, wenn der Motor gemäß der vorliegenden Erfindung gedreht wird; und
10 eine Darstellung eines Magnetflußmusters gemäß einer numerischen Analyse für die Struktur von 9 gemäß der vorliegenden Erfindung.
Nun wird im Detail auf die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Bezug genommen, wovon Beispiele in den begleitenden Zeichnungen dargestellt sind.
Wie oben erwähnt ist der Abstand zwischen den Rippen (einschließlich aller echten Rippen 23 und aller virtuellen Rippen 24) gleich wie die Polteilung der Statornuten im Stand der Technik.
Doch in der vorliegenden Erfindung sind die Abstände zwischen den Rippen nicht gleich groß wie die Polteilung der Statornuten, und die Abstände der Rippen sind nicht einheitlich.
Wenn man davon ausgeht, daß es sich bei beiden Enden der Magnetflußbarriere um eine erste Rippe und eine zweite Rippe handelt, heißt das, daß die zweite Rippe den Zähnen des Stators gegenüberliegt, wenn die erste Rippe der Statornut gegenüberliegt.
6 ist eine Ebenenansicht eines synchronen Reluktanzmotors mit Magnetflußbarrieren gemäß der vorliegenden Erfindung.
Zur besseren Erklärung wird ein Beispiel herangezogen, bei dem vier Pole und 24 Statornuten vorhanden sind.
Wie in 6 gezeigt, umfaßt der Stator 30 eine Vielzahl an Nuten 33 und Zähnen 34, die in einem Gehäuse 31 und dessen umfänglicher Innenfläche 32 ausgebildet sind.
Der Rotor 40 umfaßt einen Körper 41, eine Vielzahl an Magnetflußbarrieren 42, von denen jede eine vorherbestimmte Breite und Länge besitzt, und eine Vielzahl an Rippen 43 und 44. Die Rippen umfassen die echte Rippe 43 (dargestellt durch einen Kreis), welche das Ende der Magnetflußbarriere darstellt, und eine virtuelle Rippe (dargestellt durch ein 'x').
Die Anzahl der Magnetflußbarrieren 42 pro Pol des Rotors 40 kann durch die folgenden zwei Methoden bestimmt werden.
Eine Methode besteht darin, daß die Anzahl Nb der Magnetflußbarrieren pro Pol des Rotors durch die folgende, untenstehende Gleichung ausgedrückt wird:
Wobei P die Anzahl der Pole des Rotors und Ns die Anzahl der Nuten des Stators angibt.
Wenn die Gleichung (1) für die in 6 dargestellte Ausführungsform angewandt wird, ist Ns gleich 24 und P gleich 4, so daß Nb gleich 2 wird.
Das heißt, die Anzahl der Magnetflußbarrieren 42 pro Pol des Rotors 40, die rund um die Q-Achse zentriert sind, das heißt, der Mittelpunkt der Magnetpole, beträgt 2.
Wenn in diesem Hinblick die Anzahl der Nuten pro Pol 6 beträgt, beträgt die Anzahl der Magnetflußbarrieren 2, so daß die Anzahl der echten Rippen 43, das heißt, die beiden Enden der Magnetflußbarrieren, 4 beträgt.
Gemäß dem anderen Verfahren wird die Anzahl Nb der Magnetflußbarrieren pro Pol des Rotors in der folgenden Gleichung ausgedrückt:
Die von der Gleichung (2) berechnete Anzahl Nb der Magnetflußbarrieren beträgt 3, das ist um eins mehr als die Anzahl Nb der von der Gleichung (1) berechneten Magnetflußbarrieren, die in der Zeichnung nicht dargestellt ist.
Wenn in diesem Fall die Anzahl der Nuten pro Pol 6 beträgt, beträgt die Anzahl der Magnetflußbarrieren 3, so daß die Anzahl der echten Rippen 43, welche beide Enden der Magnetflußbarrieren bilden, 6 beträgt.
Die Magnetflußbarrieren können gemäß den zwei obigen Verfahren auf selektive Weise verwendet werden.
Ein anderer wichtiger Punkt ist die relative Position im Hinblick auf die Rippen 43 und 44 der Magnetflußbarrieren und der Statornuten (oder Zähne).
Die Rippen der in 6 dargestellten Magnetflußbarrieren sind etwas nach innen zu jener Position hin geneigt, welche der Nut des Stators an der Q-Achse gegenüberliegt, welche die zentrale Achse des Magnetpols ist.
In anderen Worten: im Vergleich zum Stand der Technik sind die Rippen 43 und 44 der Magnetflußbarrieren etwas zur Q-Achse hin geneigt, welche die zentrale Achse des Magnetpols ist.
Diese Position der Magnetflußbarrieren wird nun im Detail unter Bezugnahme auf 7 beschrieben.
7 zeigt die Anordnung der Magnetflußbarriere von 6, wobei die Referenznummern R1-R6 Positionen des Rotors gemäß den zentralen Positionen der Statornuten 33 zeigen, welche auch die selben Positionen der Rippen (einschließlich der echten Rippe und der virtuellen Rippe) der Magnetflußbarrieren gemäß dem Stand der Technik sind.
Die Referenznummern r1-r6 sind die Positionen der Rippen der Magnetflußbarrieren gemäß der vorliegenden Erfindung, die, wie leicht zu erkennen ist, im Vergleich zu den Positionen R1-R6 etwas zur Q-Achse hin geneigt sind.
In dieser Hinsicht entsprechen die Positionen r3 und r4 den Positionen, welche den virtuellen Rippen gemäß der Gleichung (1) entsprechen, und sie entsprechen den Positionen, welche den echten Rippen gemäß der Gleichung (2) entsprechen.
Der Abstand θ entspricht einer Teilung (Polteilung) der Statornuten. Die geänderten Positionen r1-r6 sind um θ/4 der Polteilung von den vorigen Positionen R1-R6 zur Q-Achse hin verschoben.
Die erste und die sechste Position r1 und r6, die zweite und die fünfte Position r2 und r5, die dritte und die vierte Position r3 und r4 stellen paarweise die beiden Enden der Magnetflußbarrieren dar, und da die dritte und die vierte Position r3 und r4 virtuelle Rippen gemäß der Gleichung (1) sind, gibt es keine Magnetflußbarrieren, die ihnen entsprechen.
Die Beschreibung, daß beide Rippen um 1/4(θ/4) der Polteilung zur Mitte hin verschoben sind, kann auch so ausgedrückt werden, daß eine Rippe um die Hälfte (θ/2) der Polteilung verschoben ist.
Wenn davon ausgegangen wird, daß der Winkel zwischen der Q-Achse und der Position der Rippe gleich α_m ist, kann der Raumwinkel α_m durch die folgende Gleichung (3) ausgedrückt werden:
Wobei θ eine Polteilung angibt, m die Ordnung der von der Q-Achse beabstandeten Rippen als Ganzzahl angibt, wobei der Wert m fur die Positionen r3 und r4 gleich 1 ist, der Wert m für die Positionen r2 und r5 gleich 2 ist, und der Wert m für die Positionen r1 und r6 gleich 3 ist.
Wenn die Gleichung (3) für den Fall mit 4 Polen und 24 Nuten angewandt wird, ist der Raumwinkel α1 zwischen der der Q-Achse nächstgelegenen Rippe und der Q-Achse gleich 7,5°, der Raumwinkel α2 ist gleich 37,5°, und der Raumwinkel α3 ist gleich 67,5°.
8 und 9 zeigen Momentpositionen des Rotors, wenn der Motor gedreht wird, wobei 8 einen Zustand zeigt, bei dem die Positionen der Magnetflußbarriere an der Q-Achse ausgeglichen ist, und 9 zeigt einen Zustand, bei dem die Rippen r1 und r2 an einer Seite der Magnetflußbarriere der Mitte der Nut gegenüberliegen, und die Rippen r5 und r6 an der anderen Seite der Magnetflußbarriere der Mitte der Zähne gegenüberliegen.
Bei einer solchen Konstruktion liegt, wenn der Motor gedreht wird, eine von zwei Rippen, welche die beiden Enden der Magnetflußbarriere bilden, der Mitte der Statornut gegenüber, während die andere Rippe der Mitte der Zähne des Stators gegenüber liegt.
10 zeigt ein Magnetflußmuster gemäß der numerischen Analyse für die Struktur von 9. Wie in der Zeichnung dargestellt, ist der durchschnittliche Gesamtwert der magnetischen Reluktanz gering.
Wie oben beschrieben, wird gemäß dem synchronen Reluktanzmotor nach der vorliegenden Erfindung, während der Rotor gedreht wird, der Durchschnitt der magnetischen Reluktanz unabhängig von den Positionen des Rotors konstant, so daß die Drehmomentwelligkeit verringert wird, was dazu führt, daß der Motor auf stabile Weise angetrieben wird, und da die Struktur des Rotors einfach ist, kann er auf einfache Weise hergestellt werden, wodurch die Produktionskosten verringert werden können.
Da die vorliegende Erfindung in mehreren Formen ausgeführt werden kann, ohne von ihrem Geist oder wesentlichen Merkmalen abzuweichen, sollte auch anerkannt werden, daß die oben beschriebenen Ausführungsformen nicht durch Einzelheiten der obigen Beschreibung beschränkt werden, sofern nichts Gegenteiliges gesagt wird, sondern sie sollte innerhalb ihres Geistes und Umfangs gemäß der Definition in den angehängten Ansprüchen breit verstanden werden, und daher sollen alle Änderungen und Modifizierungen, die innerhalb der Entsprechungen und Grenzen der Ansprüche liegen, oder Äquivalente solcher Entsprechungen und Grenzen, von den angehängten Ansprüchen eingeschlossen sein.

Claims

Synchroner Reluktanzmotor, der einen Stator mit einer Vielzahl von regelmäßig beabstandeten Nuten und Zähnen sowie einen Rotor mit einer Vielzahl von Magnetflußbarrieren aufweist, von denen jede eine erste Rippe und eine zweite Rippe an ihren gegenüberliegenden Enden aufweist und die erste Rippe der Mitte einer Nut des Stators gegenüberliegt, wenn die zweite Rippe der Mitte eines entsprechenden Zahns des Stators gegenüberliegt, wobei die Positionen der Rippen der Magnetflußbarrieren symmetrisch zu der Mittelachse eines Pols des Rotors sind und durch die folgende Gleichung definiert sind:
wobei: – α_m den Winkel zwischen den Rippen und der Mittelachse eines Pols des Rotors repräsentiert, – θ die Polteilung einer Nut des Stators bezeichnet, – m die Ordnung der Rippen, die von der Mittelachse jedes Pols des Rotors beabstandet sind bezeichnet, – P die Anzahl der Pole des Rotors bezeichnet, und – Ns die Anzahl der Nuten des Stators bezeichnet.
Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl Nb der Magnetflußbarrieren für einen einzelnen Pol des Rotors bestimmt wird durch die Gleichung:
Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl Nb der Magnetflußbarrieren für einen einzelnen Pol des Rotors bestimmt wird durch die Gleichung: