DE10126413A1

DE10126413A1 - Zweiphasiger, geschalteter Reluktanzmotor

Info

Publication number: DE10126413A1
Application number: DE2001126413
Authority: DE
Inventors: Thomas Heese; Mircea Crivii
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-05-31
Filing date: 2001-05-31
Publication date: 2002-12-05
Also published as: WO2002097954A1

Abstract

Bei einem zweiphasigen, geschalteten Reluktanzmotor, der einen Stator (11) mit einer geraden Zahl von Statorpolen (14), auf die eine zweiphasige Statorwicklung (16) aufgewickelt ist, und einen zum Stator (11) koaxialen Rotor (12) mit einer von der Statorpolzahl abweichenden, geraden Zahl von Rotorpolen (15) mit asymmetrischer Polgeometrie aufweist, ist zur Erzeugung eines im Mittel größeren Drehmoments mit kleineren Drehmomentrippeln und dadurch reduziertem Laufgeräusch der Rotor (12) mit einer gegenüber dem Stator (11) größeren Polzahl versehen (Fig. 1).

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem zweiphasigen, geschalteten Reluktanzmotor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei einem bekannten Reluktanzmotor dieser Art (Miller TJE, 1993, "Switched Reluctance Motors and their Control", Magna Physics Publishing and Clarendon Press, Oxford, Seite 25 ff.) hat der außen liegende Stator vier um gleiche Umfangswinkel zueinander versetzte, ausgeprägte Statorpole und der vom Stator konzentrisch umschlossene Rotor zwei um gleiche Umfangswinkel versetzt angeordnete Rotorpole. Die dem Stator zugekehrten gewölbten Stirnseiten der Rotorpole sind in ihrer in Umfangsrichtung gesehenen Breite in zwei Abschnitte unterteilt, von denen der eine Abschnitt gegenüber dem anderen Abschnitt zurückversetzt ist, seine bogenförmige Wölbung also einen kleineren Wölbungsradius aufweist. Durch diese asymmetrische Polgeometrie der Rotorpole bildet sich zwischen den Stator- und Rotorpole ein gestufter Luftspalt, wodurch beim Drehen des Rotors die Reluktanz des Magnetkreises variiert. Von der Zweiphasenwicklung des Stators ist jeweils ein Wicklungsstrang auf am Rotor sich diametral gegenüberliegenden Statorpolen aufgewickelt, und die Wicklungsstränge werden mit Stromimpulsen beaufschlagt.

Die Wirkungsweise eines solchen Reluktanzmotors beruht auf der Erzeugung eines am Stator umlaufenden Reluktanzmoments. Wird der eine Wicklungsstrang mit einem Schaltimpuls beaufschlagt, so werden die Rotorpole durch die entsprechenden Statorpole in stabile Positionen gezogen, in welchen die Reluktanz des Magnetkreises minimal ist. Wird anschließend der andere Wicklungsstrang mit einem Stromimpuls beaufschlagt, so findet das gleiche bei den anderen Statorpolen statt, so daß der Rotor insgesamt weitergedreht wird. Die Drehgeschwindigkeit des Rotors hängt von der Schaltgeschwindigkeit des Auf- und Abschaltens der Stromimpulse auf die beiden Wicklungsstränge der Statorwicklung ab. Durch die asymmetrische Ausbildung der Rotorpole kann das in eine bestimmten Drehrichtung des Rotors wirkende Reluktanzmoment (positives Reluktanzmoment) größer gemacht werden als das entgegengerichtete Reluktanzmoment (negatives Reluktanzmoment) so daß der Motor in einer vorgegebenen Drehrichtung anläuft.

Weitere Varianten des bekannten Reluktanzmotors ergeben sich bei Verdopplung der Polzahlen im Stator und Rotor, z. B. acht Statorpole und vier Rotorpole. Mit zunehmender Polzahl wird der Schrittwinkel des Rotors kleiner und damit bei konstanter Schaltfrequenz der Stromimpulse in der Statorwicklung die Drehgeschwindigkeit des Rotors kleiner.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße zweiphasige, geschaltete Reluktanzmotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, daß bei einer gleichen Statdrausführung wie bei den bekannten Reluktanzmotoren, die eine gleiche Magnetkraft für den Antrieb des Rotors zur Verfügung stellt, durch die im Vergleich zur Statorpolzahl größere Rotorpolzahl ein im Mittel größeres Drehmoment erzeugt wird, das zudem noch infolge des kleineren Schrittwinkels des Rotors eine geringere Welligkeit aufweist. Mit Reduzierung der sog. Drehmomentrippel geht eine Reduzierung des Laufgeräusches des Reluktanzmotors einher. Die größere Rotorpolzahl führt zu einer besseren Verteilung der am Rotor angreifenden Magnetkräfte, so daß am Rotor eine wesentlich geringere Verwindung oder "Ovalisierung" auftritt und der Rotor eine verbesserte Steifigkeit besitzt.

Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Reluktanzmotors möglich.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist der Stator vier Statorpole und sechs Rotorpole auf. Varianten des Motors ergeben sich durch eine jeweilige Verdopplung der Polzahl im Rotor und Stator, so daß allgemein ausgedrückt der erfindungsgemäße Reluktanzmotor immer 2.2ⁿ Statorpole und 3.2ⁿ Rotorpole besitzt, wobei n eine ganze Zahl größer Null ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die asymmetrische Polgeometrie der Rotorpole so ausgeführt, daß Rotor und Stator über einen Teil der in Umfangsrichtung gesehenen Polbreite eines jeden Rotorpols eine Luftspaltzone mit konstanter radialer Luftspaltbreite und über den verbleibenden Teil der Polbreite eines jeden Rotorpols eine Luftspaltzone mit in Drehrichtung kontinuierlich zunehmender Luftspaltbreite begrenzen. Diese Rotorgeometrie erlaubt in wesentlich einfacherer Weise die Amplitude und die Form des statischen Drehmomentverlaufs zu beeinflussen und sicherzustellen, daß der Motor in jeder Drehstellung sicher in die vorgegebene Drehrichtung anläuft.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weisen die Rotorpole eine in Umfangsrichtung gesehene Polbreite

auf und die Polbreite der Statorpole ist wenig größer gemacht als der die Luftspaltzone mit konstanter Luftspaltbreite begrenzende Teil der Polbreite der Rotorpole. Dieser Teil der Rotorpolbreite ist zudem kleiner bemessen als der verbleibende Teil der Rotorpolbreite.

Zeichnung

Die Erfindung ist anhand zweier in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 und 2 jeweils einen Querschnitt eines zweiphasigen, geschalteten Reluktanzmotors in Ausführung als Innenläufermotor (Fig. 1) und in Ausführung als Außenläufermotor (Fig. 2), schematisch dargestellt,

Fig. 3 ein Diagramm des Verlaufs des auf den Rotor wirkenden statischen Drehmoments in Abhängigkeit von der Drehposition des Rotors.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Der in Fig. 1 im Querschnitt schematisch dargestellte zweiphasige, geschaltete Reluktanzmotor in seiner Ausführung als Innenläufermotor weist einen Stator 11 und einen dazu koaxialen Rotor 12 auf, der unter Belassung eines Luftspalts 13 vom Stator 11 konzentrisch umschlossen ist. Der Stator 11 weist 2.2ⁿ Statorpole 14 und der Rotor 12 3.2ⁿ Rotorpole 15 auf, wobei n eine ganze Zahl größer Null ist. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 ist n = 1 gewählt, so daß vier Statorpole 14 und sechs Rotorpole 15 vorhanden sind. Die Statorpole 14 sind als ausgeprägte Pole ausgeführt und um gleiche Umfangswinkel am Stator 11 zueinander versetzt angeordnet. In Fig. 1 ist der Versatz der Statorpole 14 durch die Polteilung τ_s angegeben, wobei τ_s bei der Ausführung in Fig. 1 90° beträgt. Die Polbreite der Statorpole 14 ist in Fig. 1 mit b_s gekennzeichnet. Auf den Statorpolen 14 ist eine zweiphasige Statorwicklung 16 mit ihren beiden Wicklungssträngen 161 und 162 aufgebracht. Dabei ist jeder Wicklungsstrang 161 und 162 auf zwei am Rotor 12 sich diametral gegenüberliegenden Statorpolen 14 aufgewickelt.

Der auf einer zum Stator 11 koaxialen Rotorwelle 17 drehfest sitzende Rotor 12 weist eine Polteilung von

auf, die im Ausführungsbeispiel des sechspoligen Rotors 60° beträgt. Die Polbreite b_r der Rotorpole 15 ist gleich der Polteilung gewählt. Die Polgeometrie der Rotorpole 15 ist asymmetrisch so ausgeführt, daß der Rotor 12 und der Stator 11 über einen Teil b_r' der in Umfangsrichtung gesehenen Polbreite b_r eines jeden Rotorpols 15 eine Luftspaltzone 13' mit konstanter radialer Luftspaltbreite und über den verbleibenden Teil b_r" der Polbreite b_r eines jeden Rotorpols 15 eine Luftspaltzone 13" mit in Drehrichtung kontinuierlich zunehmender Luftspaltbreite begrenzen. Die Drehrichtung des Rotors 12 ist in Fig. 1 durch Pfeil 17 gekennzeichnet. Der die Luftspaltzone 13' mit konstanter Luftspaltbreite begrenzende Teil b_r' der Polbreite b_r der Rotorpole 15 ist kleiner bemessen als der verbleibende Teil b_r" der Polbreite b_r und außerdem wenig kleiner bemessen als die Polbreite b_s der Statorpole 14.

Der in Fig. 2 als Außenläufermotor konzipierte Reluktanzmotor weist eine gleiche Zahl von Statorpolen 14 und Rotorpolen 15 auf. Der innenliegende, feststehende Stator 11 und der den Stator 11 unter Belassung des Luftspalts 13 konzentrisch umschließende Rotor 12 sind wie in Fig. 1 beschrieben aufgebaut. Gleiche Bauteile sind daher mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Polgeometrie der Rotorpole 15 ist in gleicher Weise wie zu Fig. 1 beschrieben ausgeführt, so daß wiederum Luftspaltzonen 13' mit konstanter radialer Luftspaltbreite und Luftspaltzonen 13" mit in Drehrichtung 17 des Rotors 12 kontinuierlich zunehmender radialer Luftspaltbreite zwischen Stator 11 und Rotor 12 vorhanden sind.

In Fig. 3 ist für den in Fig. 2 dargestellten Reluktanzmotor das auf den Rotor 12 wirkende statische Drehmoment M in Abhängigkeit von der Rotorposition α über eine Polteilung des Rotors 12, die bei der sechspoligen Ausführung 60° beträgt, dargestellt. Kurve a zeigt dabei das von dem Wicklungsstrang 161 erzeugte statische Drehmoment und Kurve b das von dem Wicklungsstrang 162 erzeugte statische Drehmoment. Wie zu erkennen ist, sind die beiden Kurven um 60° gegeneinander verschoben, wobei in jeder Rotorposition mindestens einer der Wicklungsstränge 161, 162 ein positives Drehmoment erzeugt, so daß der Rotor 15 aus jeder Ruhestellung in Drehrichtung 17 anläuft. Die Amplitude und die Form der Kurve des statischen Drehmoments kann durch Veränderung der Form der Luftspaltzonen 13' und 13", also durch die Veränderung der Polgeometrie der Rotorpole 15, beeinflußt werden.

Weitere Versionen des beschriebenen Reluktanzmotors ergeben sich jeweils durch Verdoppelung der Anzahl der Stator- und Rotorpole. Mit z. B. n = 2 besitzt der Stator acht Statorpole und der Rotor zwölf Rotorpole mit gleicher Polgeometrie.

Claims

1. Zweiphasiger, geschalteter Reluktanzmotor mit einem Stator (11), der eine gerade Zahl von um gleiche Umfangswinkel zueinander versetzt angeordnete Statorpole (14) aufweist, auf die eine zweiphasigen Statorwicklung (16) aufgewickelt ist, und mit einem zum Stator (11) koaxialen, mit dem Stator (11) einen Luftspalt (13) einschließenden Rotor (12), der eine von der Zahl der Statorpole (14) abweichende, gerade Zahl von um gleiche Umfangswinkel zueinander versetzt angeordnete Rotorpole (15) mit asymmetrischer Polgeometrie aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (12) eine gegenüber dem Stator (11) größere Polzahl aufweist.

2. Reluktanzmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (11) 2.2ⁿ Statorpole (14) und der Rotor (12) 3.2ⁿ Rotorpole (15) aufweist, wobei n eine ganze Zahl größer Null ist.

3. Reluktanzmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorpole (15) eine im Umfangsrichtung gesehene Polbreite (b_r) von
aufweisen.

4. Reluktanzmotor nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die asymmetrische Polgeometrie der Rotorpole (15) so ausgeführt ist, daß Rotor (12) und Stator (11) über einen Teil (b_r') der in Umfangsrichtung gesehenen Polbreite (b_r) eines jeden Rotorpols (15) eine Luftspaltzone (13') mit konstanter radialer Luftspaltbreite und über den verbleibenden Teil (b_r") der Polbreite (b_r) eines jeden Rotorpols (15) eine Luftspaltzone (13") mit in Drehrichtung kontinuierlich zunehmender Luftspaltbreite begrenzen.

5. Reluktanzmotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der die Luftspaltzone (13') mit konstanter Luftspaltbreite begrenzende Teil (b_r') der Polbreite (b_r) der Rotorpole (15) kleiner bemessen ist als der verbleibende Teil (b_r") der Polbreite (b_r).

6. Reluktanzmotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die in Umfangsrichtung gesehenen Polbreite (b_s) der Statorpole (14) größer bemessen ist als der die Luftspaltzone (13') mit konstanter Luftspaltbreite begrenzende Teil (b_r') der Polbreite (b_r) der Rotorpole (15).

7. Reluktanzmotor nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (11) den Rotor (12) konzentrische umschließt.

8. Reluktanzmotor nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (12) den Stator (11) konzentrisch umschließt.