DE10008239A1 - Reluktanzmotor - Google Patents

Abstract

Bei einem q-phasigen Reluktanzmotor, der einen Rotor (2) mit 2n Rotorzähnen (2a) mit einem Bogenwinkel X, einen Stator mit 2m Statorzähnen (1a) mit einem Bogenwinkel Y und m Paare von Erregungsspulen (C1-C6) enthält, ist jedes Paar von Erregungsspulen (C1-C6) um Statorzähne (1a) herumgewickelt, die um einen mechanischen Winkel von 180 DEG beabstandet sind, und die folgenden Bedingungen werden eingehalten: DOLLAR A q >= 5; X, Y > 360 DEG /(n x q); X + Y = 180 DEG /n - alpha· DEG ·; wobei alpha DEG ein Gegendrehmomentgrenzwinkel ist, der größer als 0 DEG ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen mehrphasigen Halbwellen-Reluktanz- Elektromotor und ein Ansteuerverfahren dafür.

Ein Reluktanzmotor weist im allgemeinen einen einfachen Aufbau auf und sieht ein hohes Ausgangsdrehmoment vor. Jedoch war sein Einsatzbereich auf Grund seiner hohen Drehmomentwelligkeit begrenzt.

Die Japanische Patentanmeldung JP-A-1-318579 schlägt ein Verfahren zum Ver­ ringern der Drehmomentwelligkeit durch eine Erhöhung der Anzahl der Pole vor. Bei einem derartigen Verfahren wird ein Phasenstrom in einer elektrischen "Tandem"- Schaltungsweise ein- und ausgeschaltet. Jedoch fließt der magnetische Fluß zum Erzeu­ gen eines Ausgangsdrehmoments bei dem Reluktanzmotor, der in der Veröffentlichung offenbart wird, durch Abschnitte des Stators, die ein Gegendrehmoment erzeugen. Somit wird eine Drehmomentwelligkeit nicht ausreichend verringert.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Reluk­ tanzmotor zu schaffen, welcher bei einem einfachen Aufbau ein derartiges Gegen­ drehmoment verringern kann.

Gemäß einem Hauptmerkmal der Erfindung enthält ein mehrphasiger Reluktanz­ motor einen Rotor mit 2n Rotorzähnen mit einem Bogenwinkel X, einem Stator mit 2m Statorzähnen mit einem Bogenwinkel Y und m Paaren von Erregungsspulen bzw. -wicklungen. Jedes Paar der Erregungsspulen ist um einen der Statorzähne herum ange­ ordnet, die voneinander in einem mechanischen Winkel von 180° beabstandet sind, und folgende Bedingungen sind notwendigerweise einzuhalten: q 5, X, Y < 360°/(n × q), X + Y = 180°/n - α°, wobei α° ein Gegendrehmomentgrenzwinkel ist, welcher größer als 0° ist.

Gemäß eines anderen Merkmals der Erfindung weisen die Rotorzähne und/oder die Statorzähne des obigen Reluktanzmotors eine Vielzahl von Schlitzen auf. Wenn sich die miteinander überlappenden Abschnitte des Rotorzahns und des Statorzahns zuneh­ men, erhöht sich der magnetische Fluß, der durch sie hindurch fließt, so daß eine flache bzw. geglättete Drehmoentkennlinie vorgesehen werden kann.

Gemäß eines anderen Merkmals der Erfindung, weist jeder der Statorzähne einen Basisabschnitt auf, der größer als die anderen Abschnitte ist, um eine Trapezform anzu­ nehmen. Folglich kann die magnetische Sättigung des Statorzahns aufgrund eines Streuflusses zu den Seiten der Statorzähne verringert werden, wodurch eine Ver­ ringerung des Ausgangsdrehmoments beim letzten Abschnitt des Erregungszeitraumes der Erregungsspulen verhindert wird.

Gemäß eines anderen Merkmals der Erfindung werden bei einem Verfahren zum Ansteuern des Reluktanzmotors, der vorstehend erwähnt ist, die Erregungsspulen bei jedem mechanischen Winkel 360°/(2n × q) des Rotors mit einem mechanischen Winkel im voraus bzw. vorauseilend erregt, der nicht größer als α° ist. Folglich können die Erregungsspulen in einer kürzeren Zeit erregt werden, die Drehmomentwelligkeit kann reduziert werden und das Ausgangsdrehmoment kann erhöht werden.

Andere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen anhand der Zeich­ nung. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Vorderansicht eines Reluktanzmotors gemäß der ersten Aus­ führungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2A einen Graph, der die Induktivität der jeweiligen Phasenspule bzw. Phasen­ wicklung zeigt, Fig. 2B einen Graph, der die zeitliche Abstimmung für die Er­ regung der Spulen zeigt, und Fig. 2C einen Graphen, der den Zeitraum der je­ weiligen Phasenwicklung zeigt, für die erregt werden soll;

Fig. 3 ein schematisches Diagramm, das eine relative Position zwischen dem Stator­ zahn und dem Rotorzahn zeigt;

Fig. 4A eine schematische Ansicht, die eine relative Position zwischen dem Statorzahn und dem Rotorzahn zeigt, und Fig. 4B ein schematisches Diagramm, das eine Ausgangsdrehmomentkennlinie relativ zu der Motorposition zeigt;

Fig. 5A einen Stromlaufplan einer Einzelarmansteuerung, und Fig. 5B einen Strom­ laufplan für eine Ansteuerung, die mehrere Arme gemeinsam ansteuert;

Fig. 6A ein schematisches Diagramm, das Statorzähne und Rotorzähne zeigt, welche eine Vielzahl von Schlitzen darin aufweisen, Fig. 6B ein schematisches Dia­ gramm, das eine Verteilung des magnetischen Flusses in den Statorzähnen und den Rotorzähnen zeigt, und Fig. 6C einen Graphen, der das Ausgangsdrehmo­ ment relativ zu der Position des Rotors zeigt;

Fig. 7 ein Kurvenblatt, das eine Induktivität einer Erregungsspule, einen Schaltvor­ gang und einen Erregungsstrom relativ zur Rotorposition zeigt;

Fig. 8A einen Graph, der eine Induktivitätsänderung der jeweiligen Phasenwicklung relativ zu der Rotorposition zeigt, Fig. 8B einen Graph, der zeitliche Ab­ stimmungen der Erregungen der Spulen zeigt, und Fig. 8C einen Graph, der die Erregungszeiträume der jeweiligen Phasenwicklungen zeigt; und

Fig. 9 eine schematische Vorderansicht eines Reluktanzmotors gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Ein Reluktanzmotor gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfin­ dung wird unter Bezugnahme auf die Fig. 1-5A und 5B beschrieben. Wie es in Fig. 1 gezeigt ist, weist der Reluktanzmotor einen Stator 1 mit zwölf Statorzähnen 1a und einen Rotor 2 mit zehn Rotorzähnen 2a auf. Der Stator 1 weist ebenso sechs Paar von Erregungsspulen C1-C6 auf. Die jeweiligen Erregungspulen jedes Paares sind um ein Paar von Zähnen 1a, die in einen mechanischen Winkel von 180° voneinander beab­ standet sind, gewickelt. Statorzähne 1a und Rotorzähne 2a weisen die gleiche Bogen­ länge auf, welche mit dem Rotorzahnbogenwinkel X und dem Statorzahnbogenwinkel Y übereinstimmt und ungefähr 16° beträgt.

Wenn der Rotor 2 sich innerhalb des inneren Umfangs des Stators 1 dreht, verän­ dert sich die Selbstinduktivität jeder Spule C1-C6 von ihrem Minimum zu ihrem Ma­ ximum und von ihrem Maximum zu ihrem Minimum innerhalb eines mechanischen Winkels von 16°, wie es in Fig. 2A gezeigt ist.

Es ist festgestellt worden, daß es notwendig ist, daß der Statorzahn und der Rotor­ zahn einander in einem Verhältnis von mehr als 50% überlappen, wenn sie einen ma­ gnetischen Fluß schließen bzw. aufbauen, und die Anzahl q der elektrischen Phasen des Reluktanzmotors gemäß dieser Ausführungsform sollte wie folgt berechnet werden:

q ≧ q 2m/(der größte gemeinsame Teiler zwischen 2n und 2m) = 5,

wobei 2m die Anzahl der Statorzähne ist, das heißt 12, 2n die Anzahl der Rotor­ zähne ist, das heißt, 10, und der größte gemeinsame Teiler 2 ist.

Um den Erregungsstrom von einer Erregungsspule zur anderen weiter zu schalten, sollte der kleinere der Zahnbogenwinkel X und Y das Zweifache des Schaltungs­ intervalls oder mehr sein. Das heißt: X, Y ≧ 360°/(n × q).

Die Erregungsspulen C1-C6 werden nacheinander in einer Tandem-Ansteuerung bei folgenden Intervallen erregt:

360°/(2n × q) = 6° (mechanischer Winkel).

Das Ausgangsdrehmoment des Motors kann ununterbrochen erzeugt werden, wenn jede der Erregungsspulen C1-C6 durch einen Treiber bzw. eine Ansteuer­ schaltung erregt wird, während der Rotor 2 sich um einen mechanischen Winkel von 12° weiter dreht, was zweimal so lang wie das obige Erregungsintervall ist, wie es in Fig. 2B gezeigt ist. Eine derartige Ansteuerschaltung D1 oder D2 wird in den Fig. 5A und 5B gezeigt. Die Ansteuerschaltung D1 ist eine Steuerschaltung, bei der die Arme mit den Spulen einzeln geschaltet werden (separate arm type driver) und die Ansteuer­ schaltung D2 ist eine Steuerschaltung, die mehrere Arme bzw. Spulen gemeinsam an­ steuert (common arm type driver).

Der Abstand zwischen benachbarten Rotorzähnen 2a ist wie folgt berechnet:

360°/2n-X = 36°-16° = 20° (mechanischer Winkel).

Fig. 3 zeigt einen Stator 1 und einen Rotor 2, wenn die Spulen C6 ausgeschaltet sind und die Spule C2 eingeschaltet wird, während die Spule C1 erregt ist, wie es in Fig. 2B gezeigt ist. In diesem Fall ist der Rotorzahn 2a dem gleichen Statorzahn 1a in der Drehrichtung im voraus bzw. vorauseilend angeordnet. Das heißt, die hintere Kante des Rotorzahn 2b ist der vorderen Kante des Statorzahns 1a an einem mechanischen Winkel α° vorauseilend angeordnet, während die hintere Kante des gleichen Statorzahns 1a und die vordere Kante des nächsten Rotorzahns übereinstimmen.

Das heißt, α = (der Bogenwinkel zwischen benachbarten Rotorzähnen 2a: 360°/2n - X)- (dem Bogenwinkel des Statorzahns 1a: Y), oder

X+Y = 180°/n-α°.

Bei dieser Ausführungsform beträgt der Winkel α° = 20°-16° = 4°. Dieser Winkel wird als ein Gegendrehmomentgrenzwinkel vorgesehen, um einen magnetischen Streufluß Φl, welcher ein Teil des magnetischen Flusses Φm ist, der durch die Spule C1 erzeugt wird, von einem Streuen von der Spule C2 durch den Rotorzahn 2a zu ver­ hindern, so daß ein Gegendrehmoment unterdrückt werden kann, wie es in Fig. 4B ge­ zeigt ist.

Wenn der Grenzwinkel α° Null ist, wie in Fig. 4A gezeigt, verursacht der magne­ tische Streufluß Φl, daß ein Gegendrehmoment das das Ausgangsdrehmoment ver­ ringert.

Ein Reluktanzmotor gemäß einer zweiten Ausführungsform wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Fig. 6A, 6B und 6C beschrieben.

Eine Vielzahl von sich radial erstreckenden Nuten oder Schlitzen 3 sind in jeder der Stator- und Rotorzähnen 1a, 2a ausgebildet, wie in Fig. 6A gezeigt. Die Nuten oder Schlitze 3 (im folgenden als Schlitze bezeichnet) dienen dazu, um den magnetischen Fluß Φm wirksam in der radialen Richtung zu orientieren bzw. führen, so daß der Motor eine flachere bzw. geglättete Ausgangsdrehmomentkennlinie vorsieht, wie es durch eine gestrichelte Linie in Fig. 6C gezeigt ist, als ein Motor ohne Schlitze, wie es durch eine gepunktete Linie in Fig. 6C gezeigt ist. Die Schlitze 3 können ebenso lediglich an ent­ weder den Statorzähnen 1a oder den Rotorzähnen 2a ausgebildet sein.

Jeder Statorzahn 1a kann einen Basisabschnitt aufweisen, der breiter als die innere Kante (das radial innere Ende) ist. Mit anderen Worten, jeder der Statorzähne 1a weist eine trapezartige Form auf, wie es in der Fig. 6B gezeigt ist. Diese Form erlaubt einen Teil des magnetischen Flusses, von ihrer Seitenfläche zu fließen, wodurch die magne­ tische Sättigung gedämpft bzw. gesenkt wird. Demgemäß wird verhindert, daß das Aus­ gangsdrehmoment der Spulen C1-C6 während des letzten Teils des Zeitraumes, in welchem sie erregt sind, erniedrigt wird. Folglich kann der Motor mit Schlitzen eine glattere Ausgangsdrehmomentkennlinie als andere vorsehen, wie es durch eine ununter­ brochene Linie in Fig. 6C gezeigt ist.

Im Folgenden wird ein Reluktanzmotor gemäß einer dritten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Fig. 7, 8A, 8B, 8C beschrieben.

Der Erregungsstrom kann nicht in seiner vollen Höhe in jeder Erregungsspule C1-C6 zugeführt werden, bevor eine bestimmte Verzögerungszeit verstrichen ist, wie es durch eine dünne gestrichelte Linie in Fig. 7 angedeutet ist. Dies bewirkt eine Drehmomentwelligkeit und verringert das Ausgangsdrehmoment.

Diese Verzögerung bzw. der Einfluß der Verzögerung kann verringert werden, wenn die zeitliche Abstimmung der Erregung um einen bestimmten Winkel, wie bei­ spielsweise dem Grenzwinkel α (z. B. 4°) vorgehalten wird bzw. vorauseilend ist, da der Vorhaltewinkel die Erregungsspule in die Position bringt, um ihre Induktivität zu ver­ ringern, wenn sie erregt wird. Das Ergebnis wird in den Fig. 8A, 8B und 8C gezeigt.

Da ein optimaler Vorhaltewinkel sich mit der Drehzahl verändert, sollte der Vor­ haltewinkel gemäß der Drehzahl gesteuert werden.

Ein Reluktanzmotor gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Fig. 9 beschrieben. Der Stator 1 weist zwölf Zähne 1a und der Rotor 2 weist vierzehn Zähne 2a auf. Der Zahnbogenwinkel der Sta­ tor- und Rotorzähne ist ein mechanischer Winkel von 10,3°. Der Motor gemäß der vierten Ausführungsform wird im wesentlichen in der gleichen Art und Weise wie bei dem zuvor beschriebenen Ausführungsformen betrieben.

Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung offenbart die Erfin­ dung in Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsformen davon. Es ist offensichtlich, daß zahlreiche Modifikationen und Veränderungen bei den bestimmten Ausführungs­ formen der vorliegenden Erfindung gemacht werden können, ohne dabei den Inhalt und Umfang der Erfindung, wie er in den beiliegenden Ansprüchen angegeben ist, zu verlas­ sen. Demgemäß ist die Beschreibung der vorliegenden Erfindung in einem verdeutli­ chenden und nicht beschränkenden Sinn zu verstehen.

Claims (4)

1. Q-phasiger Reluktanzmotor, der einen Rotor (2) mit 2n Rotorzähnen (2a) mit einem Bogenwinkel X, einem Stator (1) mit 2m Statorzähnen (1a) mit einem Bo­ genwinkel Y und m Paaren von Erregungsspulen (C1-C6) enthält, wobei
jedes der Paare von Erregungsspulen (C1-C6) um einen der Statorzähne (1a) herum angeordnet sind, die um einem mechanischen Winkel von 180° vonein­ ander beabstandet sind, und
q ≧ 5,
X, Y < 360°/(n × q),
X+Y = 180°/n-α°,
wobei α° der Gegendrehmomentgrenzwinkel ist, welcher größer als 0 ist.

2. Reluktanzmotor nach Anspruch 1, wobei mindestens einer der Rotorzähne (2a) und Statorzähne (1a) eine Vielzahl von Schlitzen aufweist.

3. Reluktanzmotor nach Anspruch 1, wobei jeder der Statorzähne (1a) einen Basisabschnitt aufweist, der breiter als die ande­ ren Abschnitte ist.

4. Verfahren zum Ansteuern des Reluktanzmotors nach Anspruch 1, wobei die Erregungsspulen (C1-C6) um einem Winkel, der nicht größer als ein me­ chanischer Winkel α° ist, bei jedem mechanischen Rotorwinkel 360°/(2n × q) vorauseilend erregt werden.