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Die vorliegende Erfindung betrifft einen mehrphasigen Halbwellen-Reluktanz-Elektromotor und ein Ansteuerverfahren dafür.
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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.
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Die Japanische Patentanmeldung
JP 01-318579 A schlägt ein Verfahren zum Verringern 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 Erzeugen 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.
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Die
DE 42 22 370 C2 als nächstliegender Stadt zeigt einen Reluktanzmotor, bei dem eine Steuervorrichtung vorgesehen ist, die die einzelnen Phasen zyklich über jeweils einem Leitwinkel einschaltet.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Reluktanzmotor zu schaffen, welcher bei einem einfachen Aufbau ein derartiges Gegendrehmoment verringern kann.
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Gelöst wird die Aufgabe mit dem Merkmalen der Ansprüche 1 und 4.
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Gemäß einem Hauptmerkmal der Erfindung enthält ein mehrphasiger Reluktanzmotor 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 angeordnet, 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.
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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 zunehmen, erhöht sich der magnetische Fluß, der durch sie hindurch fließt, so daß eine flache bzw. geglättete Drehmomentkennlinie vorgesehen werden kann.
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Gemäß eines anderen Merkmals der Erfindung, weist jeder der Statorzähne einen Basisabschnitt auf, der größer als die anderen Abschnitte ist, um eine Trapezform anzunehmen. Folglich kann die magnetische Sättigung des Statorzahns aufgrund eines Streuflusses zu den Seiten der Statorzähne verringert werden, wodurch eine Verringerung des Ausgangsdrehmoments beim letzten Abschnitt des Erregungszeitraumes der Erregungsspulen verhindert wird.
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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.
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Andere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen anhand der Zeichnung. Es zeigt:
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1 eine schematische Vorderansicht eines Reluktanzmotors gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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2A einen Graph, der die Induktivität der jeweiligen Phasenspule bzw. Phasenwicklung zeigt, 2B einen Graph, der die zeitliche Abstimmung für die Erregung der Spulen zeigt, und 2C einen Graphen, der den Zeitraum der jeweiligen Phasenwicklung zeigt, für die erregt werden soll;
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3 ein schematisches Diagramm, das eine relative Position zwischen dem Statorzahn und dem Rotorzahn zeigt;
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4A eine schematische Ansicht, die eine relative Position zwischen dem Statorzahn und dem Rotorzahn zeigt, und 4B ein schematisches Diagramm, das eine Ausgangsdrehmomentkennlinie relativ zu der Motorposition zeigt;
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5A einen Stromlaufplan einer Einzelarmansteuerung, und 5B einen Stromlaufplan für eine Ansteuerung, die mehrere Arme gemeinsam ansteuert;
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6A ein schematisches Diagramm, das Statorzähne und Rotorzähne zeigt, welche eine Vielzahl von Schlitzen darin aufweisen, 6B ein schematisches Diagramm, das eine Verteilung des magnetischen Flusses in den Statorzähnen und den Rotorzähnen zeigt, und 6C einen Graphen, der das Ausgangsdrehmoment relativ zu der Position des Rotors zeigt;
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7 ein Kurvenblatt, das eine Induktivität einer Erregungsspule, einen Schaltvorgang und einen Erregungsstrom relativ zur Rotorposition zeigt;
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8A einen Graph, der eine Induktivitätsänderung der jeweiligen Phasenwicklung relativ zu der Rotorposition zeigt, 8B einen Graph, der zeitliche Abstimmungen der Erregungen der Spulen zeigt, und 8C einen Graph, der die Erregungszeiträume der jeweiligen Phasenwicklungen zeigt; und
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9 eine schematische Vorderansicht eines Reluktanzmotors gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Ein Reluktanzmotor gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf die 1 – 5A und 5B beschrieben. Wie es in 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 Erregungseulen jedes Paares sind um ein Paar von Zähnen 1a, die in einen mechanischen Winkel von 180° voneinander beabstandet sind, gewickelt. Statorzähne 1a und Rotorzähne 2a weisen die gleiche Bogenlänge auf, welche mit dem Rotorzahnbogenwinkel X und dem Statorzahnbogenwinkel Y übereinstimmt und ungefähr 16° beträgt.
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Wenn der Rotor 2 sich innerhalb des inneren Umfangs des Stators 1 dreht, verändert sich die Selbstinduktivität jeder Spule C1–C6 von ihrem Minimum zu ihrem Maximum und von ihrem Maximum zu ihrem Minimum innerhalb eines mechanischen Winkels von 16° wie es in 2A gezeigt ist.
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Es ist festgestellt worden, daß es notwendig ist, daß der Statorzahn und der Rotorzahn einander in einem Verhältnis von mehr als 50% überlappen, wenn sie einen magnetischen Fluß schließen bzw. aufbauen, und die Anzahl q der elektrischen Phasen des Reluktanzmotors gemäß dieser Ausführungsform sollte wie folgt berechnet werden:
q ≧ 2m/(der größte gemeinsame Teiler zwischen 2n und 2m) = 6,
wobei 2m die Anzahl der Statorzähne ist, das heißt 12, 2n die Anzahl der Rotorzähne ist, das heißt, 10, und der größte gemeinsame Teiler 2 ist.
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Um den Erregungsstrom von einer Erregungsspule zur anderen weiter zu schalten, sollte der kleinere der Zahnbogenwinkel X und Y das Zweifache des Schaltungsintervalls oder mehr sein. Das heißt: X, Y ≧ 360°/(n × q).
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Die Erregungsspulen C1–C6 werden nacheinander in einer Tandem-Ansteuerung bei folgenden Intervallen erregt: 360°/(2n × q) = 6° (mechanischer Winkel).
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Das Ausgangsdrehmoment des Motors kann ununterbrochen erzeugt werden, wenn jede der Erregungsspulen C1–C6 durch einen Treiber bzw. eine Ansteuerschaltung 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 2B gezeigt ist. Eine derartige Ansteuerschaltung D1 oder D2 wird in den 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 Ansteuerschaltung D2 ist eine Steuerschaltung, die mehrere Arme bzw. Spulen gemeinsam ansteuert (common arm type driver).
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Der Abstand zwischen benachbarten Rotorzähnen 2a ist wie folgt berechnet: 360°/2n – X = 36° – 16° = 20° (mechanischer Winkel).
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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 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 2a 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.
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Das heißt, α = (der Bogenwinkel zwischen benachbarten Rotorzähnen 2a: 360°/2n – X) – (dem Bogenwinkel des Statorzahns 1a: Y), oder X + Y = 180°/n – α°
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Bei dieser Ausführungsform beträgt der Winkel α° = 20° – 16° = 4°. Dieser Winkel wird als ein Gegendrehmomentgrenzwinkel vorgesehen, um einen magnetischen Streufluß Φ1, 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 verhindern, so daß ein Gegendrehmoment unterdrückt werden kann, wie es in 4B gezeigt ist.
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Wenn der Grenzwinkel α° Null ist, wie in 4A gezeigt, verursacht der magnetische Streufluß Φ1, daß ein Gegendrehmoment das Ausgangsdrehmoment verringert.
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Ein Reluktanzmotor gemäß einer zweiten Ausführungsform wird im folgenden unter Bezugnahme auf die 6A, 6B und 6C beschrieben.
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Eine Vielzahl von sich radial erstreckenden Nuten oder Schlitzen 3 sind in jeder der Stator- und Rotorzähnen 1a, 2a ausgebildet, wie in 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 6C gezeigt ist, als ein Motor ohne Schlitze, wie es durch eine gepunktete Linie in 6C gezeigt ist. Die Schlitze 3 können ebenso lediglich an entweder den Statorzähnen 1a oder den Rotorzähnen 2a ausgebildet sein.
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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 6B gezeigt ist. Diese Form erlaubt einen Teil des magnetischen Flusses, von ihrer Seitenfläche zu fließen, wodurch die magnetische Sättigung gedämpft bzw. gesenkt wird. Demgemäß wird verhindert, daß das Ausgangsdrehmoment 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 ununterbrochene Linie in 6C gezeigt ist.
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Im Folgenden wird ein Reluktanzmotor gemäß einer dritten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die 7, 8A, 8B, 8C beschrieben.
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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 7 angedeutet ist. Dies bewirkt eine Drehmomentwelligkeit und verringert das Ausgangsdrehmoment.
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Diese Verzögerung bzw. der Einfluß der Verzögerung kann verringert werden, wenn die zeitliche Abstimmung der Erregung um einen bestimmten Winkel, wie beispielsweise dem Grenzwinkel α (z. B. 4°) vorgehalten wird bzw. vorauseilend ist, da der Vorhaltewinkel die Erregungsspule in die Position bringt, um ihre Induktivität zu verringern, wenn sie erregt wird. Das Ergebnis wird in den 8A, 8B und 8C gezeigt.
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Da ein optimaler Vorhaltewinkel sich mit der Drehzahl verändert, sollte der Vorhaltewinkel gemäß der Drehzahl gesteuert werden.
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Ein Reluktanzmotor gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die 9 beschrieben. Der Stator 1 weist zwölf Zähne 1a und der Rotor 2 weist vierzehn Zähne 2a auf. Der Zahnbogenwinkel der Stator- 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 den zuvor beschriebenen Ausführungsformen betrieben.
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Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung offenbart die Erfindung in Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsformen davon. Es ist offensichtlich, daß zahlreiche Modifikationen und Veränderungen bei den bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gemacht werden können, ohne dabei den Inhalt und Umfang der Erfindung, wie er in den beiliegenden Ansprüchen angegeben ist, zu verlassen. Demgemäß ist die Beschreibung der vorliegenden Erfindung in einem verdeutlichenden und nicht beschränkenden Sinn zu verstehen.
