-
GEBIET DER ERFINDUNG
-
Die Erfindung betrifft einen Stator für einen Reluktanzmotor sowie einen Reluktanzmotor mit einem Rotor und einem Stator. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Steuerung eines Reluktanzmotors sowie eine Ansteuerelektronik für einen Reluktanzmotor.
-
TECHNISCHER HINTERGRUND
-
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Ausführungen von geschalteten Reluktanzmotoren bekannt, die jeweils einen Rotor und einen Stator aufweisen. Der Stator weist mehrere Statorzähne auf, auf denen Erregerspulen oder Wicklungen angeordnet sind, die in Abhängigkeit des Positionswinkels des Rotors mit einem bestimmten Gleichstrom betrieben werden. Hierbei bilden sich Statorpole aus, die üblicherweise umfangsmäßig symmetrisch angeordnet sind. Typischerweise besteht der Stator aus einem festen Rahmenteil, von dem die mehreren Statorzähne abstehen, um mit den Rotorzähnen des Rotors zusammenzuwirken.
-
Es ist ferner bekannt, mehrere Stränge, also Phasen oder gleichgeschaltete Statorzähne, nacheinander zu bestromen, um einerseits die Kraftwirkung auf den Rotor zu erhöhen und andererseits die Welligkeit des Drehmoments zu verringern.
-
In 1 ist ein aus dem Stand der Technik bekannter Reluktanzmotor dargestellt, wobei zusätzlich die magnetischen Feldlinien gezeigt sind. Der Reluktanzmotor weist vier Stromphasen auf, wobei gleichzeitig vier Statorzähne aktiv sind, um einen Drehimpuls auf den Rotor zu induzieren. Das im Stator über die bestromten Wicklungen erzeugte Magnetfeld tritt hierzu aus einem der Statorzähne in den ihm gegenüberliegenden Rotorzahn ein und verläuft über einen breiten Querschnitt des Rotors zu einem um 90° versetzten Zahnpaar, bei dem es vom entsprechenden Rotorzahn in den Statorzahn übergeht. Von diesem Statorzahn verläuft das Magnetfeld in einem etwa 90°-Bogen durch den Rahmen des Stators zu dem ersten Statorzahn, um das Magnetfeld zu schließen. Die Statorzähne sind demnach zumindest paarweise miteinander elektromagnetisch gekoppelt, um einen Magnetfluss zu ermöglichen, der zwingend erforderlich ist.
-
Es hat sich jedoch als nachteilig herausgestellt, dass aufgrund der langen Wege im Rotor und Stator hohe Verluste auftreten, was zu einer geringeren Effizienz des Reluktanzmotors führt.
-
US 2013 / 0 221 889 A1 zeigt einen Reluktanzmotor mit paarweise π-förmig ausgestalteten Statorpolen. Die Statorpole sind dabei in einen Kunstharzring eingegossen, wodurch der Materialbedarf an magnetischen und magnetisierbaren Materialien gesenkt werden soll. Auch
US 5 982 070 A zeigt einen Motor mit jochförmigen Polstücken, welche in einem dielektrischen Gehäuse gehalten werden. US 2014 / 0 084 715 A1 offenbart einen Reluktanzmotor mit c-förmigen Statorpolen und eine Ausführungsform als Linearmotor.
-
US 5 223 775 A beschreibt ein Verfahren zur Reduzierung der Drehmomentwelligkeit von konventionellen Motoren mit Permanentmagneten.
-
BESCHREIBUNG
-
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Stator sowie einen Reluktanzmotor bereitzustellen, mit dem die Verluste minimiert werden können, sodass der Reluktanzmotor eine hohe Effizienz aufweist. Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Steuerung eines Reluktanzmotors sowie eine Ansteuerelektronik bereitzustellen, mit denen es möglich ist, die Drehmomentwelligkeit des Reluktanzmotors zu minimieren.
-
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß unter anderem gelöst durch einen Stator gemäß Anspruch 1.
-
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Stator für einen Reluktanzmotor bereitgestellt, der mehrere, voneinander beabstandete Statorelemente aufweist. Auf den Statorelementen befindet sich jeweils wenigstens eine Wicklung eines elektrischen Leiters, durch die ein Strom fließen kann. Die Statorelemente sind ferner ausgebildet, um einen Magnetfluss zu leiten. Zwischen zwei direkt benachbarten Statorelementen ist eine Magnetflussentkopplung vorgesehen, sodass die direkt benachbarten Statorelemente elektromagnetisch entkoppelt sind. Hierdurch ist es möglich, die Wege des Magnetfelds im Stator zu reduzieren, da die einzelnen Statorelemente nicht miteinander elektromagnetisch gekoppelt sind. Die Verluste werden dementsprechend minimiert, da der Magnetfluss im Gegensatz zum Stand der Technik nicht über einen Rahmen des Stators von Zahn zu Zahn weitergeleitet wird. Ein Magnetfluss durch den Rahmen des Stators findet demnach nicht statt. Der Stator weist ferner wenigstens ein Segment auf, das mehrere Statorelemente umfasst, die insbesondere über ein nichtmagnetisches oder magnetisch nicht aktives Material miteinander mechanisch gekoppelt sind. Hierdurch ergibt sich ein vereinfachter Aufbau des Stators, da mehrere Statorelemente gleichzeitig angeordnet werden können. Das Segment kann insbesondere aus dem Material ausgebildet sein, das für die Magnetflussentkopplung verwendet wird.
-
Die Magnetflussentkopplung, die zwischen direkt benachbarten Statorelementen vorgesehen ist, kann durch ein nichtmagnetisches bzw. magnetisch inaktives Material bereitgestellt werden, das zwischen den einzelnen Statorelementen vorgesehen ist. Dies stellt sicher, dass die direkt benachbarten Statorelemente elektromagnetisch voneinander entkoppelt sind. Die Magnetflussentkopplung kann auch als mechanische Verbindung zwischen den einzelnen Statorelementen vorgesehen sein.
-
Jedes Statorelement kann durch Bestromung einen eigenständigen Statorpol ausbilden, sodass der Stator mehrere, voneinander magnetisch getrennte Statorpole aufweist. Ein Statorpol ist dann gebildet, wenn die wenigstens eine Wicklung des Statorelements mit zugeordneten Rotorzähnen des Rotors wechselwirkt. Da jedes einzelne Statorelement bei Bestromung einen magnetisch eigenständigen Statorpol ausbildet, ist die Gestaltungsfreiheit des Stators erhöht. Die Statorelemente bzw. die Statorpole können am Stator umfangsmäßig frei verteilt angeordnet werden, da deren Anordnung lediglich von der geometrischen Ausbildung der Rotorzähne abhängig ist, bei der geometrischen Ausbildung kann es sich insbesondere um den Abstand der Rotorzähne zueinander handeln. Eine symmetrische Anordnung, wie sie im Stand der Technik zwingend erforderlich ist, ist erfindungsgemäß aufgrund der eigenständigen Statorelemente bzw. Statorpole nicht zwingend erforderlich.
-
Vorteilhaft können die Statorelemente jeweils im Wesentlichen U-förmig ausgebildet sein und zwei im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtete Schenkel und ein die Schenkel verbindendes Joch aufweisen. Die Schenkel können auch als Statorzähne bezeichnet werden. Die Statorelemente sind demnach im Wesentlichen U-förmig ausgebildet und weisen zwei Schenkel auf, die sich zum Rotor erstrecken. Jedes Statorelement wirkt demnach über seine zwei Schenkel mit dem Rotor zusammen, wobei der Magnetkreis über ein einziges Statorelement geschlossen wird, insbesondere über die beiden Schenkel. Das Magnetfeld tritt somit über einen der beiden Schenkel des Statorelements in den Rotor ein und geht vom Rotor in den anderen Schenkel desselben Statorelements wieder über. Die Magnetflusswege sind dadurch im Stator und im Rotor minimiert. Hieraus ergibt sich auch, dass das Statorelement bei Bestromung ein Statorpol ist. Die beiden Schenkel eines Statorelements können auch als Statorzahnpaar bezeichnet werden, sodass jedes Statorelement ein Statorzahnpaar bzw. zwei Einzelzähne aufweist.
-
Gemäß einer Ausführungsform kann jeweils eine Wicklung an beiden Schenkeln vorgesehen sein. Vorzugsweise sind die beiden Wicklungen elektrisch in Reihe geschaltet. Hierdurch kann in einfacher Weise ein magnetisch eigenständiger Statorpol realisiert werden, da die Wicklungen ein Magnetfeld im Statorelement induzieren, sofern die Wicklungen stromdurchflossen sind. Die Wicklungen sind dabei derart an den Schenkeln angeordnet bzw. werden derart vom Strom durchflossen, dass sich ihre Wirkungen addieren. Hierbei kommt es unter anderem auf den Wicklungsquerschnitt und die Anzahl der Windungen an. Die Wicklungen können in einfacher Weise auf die Schenkel aufgeschoben werden.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Wicklung am Joch vorgesehen sein. Auch bei dieser Ausführungsform wird ein magnetisch eigenständiges Statorelement realisiert. Es wird jedoch nur eine einzige Wicklung oder Erregerspule verwendet, um ein Magnetfeld in das Statorelement zu induzieren. Die Herstellung kann dadurch in unkonventioneller Weise vereinfacht sein, da nur eine einzige Wicklung am Statorelement angeordnet werden muss. Des Weiteren können die einzelnen Statorelemente hierdurch näher zueinander positioniert werden, was zu einem kompakteren Aufbau des Stators führt.
-
Die Statorelemente können innerhalb eines Segments jeweils einer unterschiedlichen Stromphase des Reluktanzmotors zugeordnet sein, insbesondere die Wicklung der Statorelemente. Hierdurch kann die Drehmomentwelligkeit des Reluktanzmotors verringert werden, da die Kraftübertragung homogener erfolgt. Beispielsweise können drei Statorelemente zu einem Segment zusammengefasst sein, sofern drei Stromphasen vorgesehen sein sollten. Um die Drehmomentwelligkeit zu verringern können auch mehrere Statorelemente, beispielsweise vier, fünf oder sieben, zu einem Segment zusammengefasst werden, sodass der Reluktanzmotor entsprechend vier, fünf oder sieben Stromphasen aufweist. Vorteilhafterweise wird eine ungerade Phasenzahl verwendet, beispielsweise drei, fünf oder sieben usw., da hierdurch eine ideale direkte Flussverteilung zwischen dem Stator und dem Rotor vorliegt, insbesondere deren Zähnen.
-
Ferner können mehrere Segmente vorhanden sein, zwischen denen jeweils eine Magnetflussentkopplung vorgesehen ist, wobei die Segmente insbesondere über ein nichtmagnetisches oder magnetisch nicht aktives Material miteinander mechanisch gekoppelt sind. Durch die mehreren Segmente ergibt sich ein vereinfachter Aufbau und Zusammenbau, da beispielsweise vier Segmente vorgesehen sein können, die jeweils einen 90 °-Abschnitt abdecken. Demnach bildet jedes Segment beispielhaft einen 90 °-Bogen. Die Segmente decken jeweils die mehreren Stromphasen ab, wodurch es möglich ist, die Leistung des Reluktanzmotors stufenweise einzustellen. Beispielsweise können zu Beginn alle Segmente über eine Ansteuerung bzw. eine Ansteuerungselektronik eingeschaltet sein, sodass ein hoher Drehimpuls auf den Rotor übertragen wird, wohingegen im Betrieb des Reluktanzmotors nur noch ein Teil der Segmente angesteuert wird. Die Statorsegmente können typischerweise symmetrisch am Umfang verteilt angeordnet sein, um axiale Kräfte zu kompensieren. Grundsätzlich ist es aufgrund der Segmentierung der Statorelemente auch möglich, eine asymmetrische Anordnung der Statorsegmente zu erreichen. Generell steht somit eine hohe Gestaltungsfreiheit zur Verfügung, um einen Stator für einen Reluktanzmotor auszubilden. Aufgrund der mehreren Segmente werden auch Redundanzen geschaffen, die im Fehlerfall einen Notbetrieb des Reluktanzmotors ermöglichen. Hierzu würden vorzugsweise die jeweiligen Statorsegmente aus einer eigenen Ansteuerung gespeist. Die Segmentierung erlaubt eine freie Gestaltung des Stators hinsichtlich seines konstruktiven Aufbaus. Dies liegt unter anderem daran, dass die einzelnen Segmente als vorgefertigte Teile vorliegen können. Im Vergleich hierzu sind die aus dem Stand der Technik bekannten Statoren einstückig ausgebildet, sodass der Stator ein Gesamtkörper ist. Aufgrund der Segmentierung ist jedes Segment von den übrigen Segmenten mechanisch unabhängig. Die Segmente können jeweils einzeln bestromt werden, vorzugsweise paarweise, wobei die beiden Segmente diametral gegenüberliegend angeordnet sind.
-
Ferner kann jedes Segment eine eigene Leistungselektronik aufweisen, wodurch ein hoher Grad an Gestaltungsspielraum beim Motordesign vorliegt.
-
Die Erfindung stellt ferner einen Reluktanzmotor mit einem Rotor und einem Stator der zuvor genannten Art bereit, der den Rotor derart antreibt, dass sich der Rotor um eine Drehachse dreht. Die zuvor genannten Vorteile des Stators sind auf den Reluktanzmotor übertragbar, da unter anderem die Effizienz des Reluktanzmotors ebenfalls verbessert ist, wenn ein entsprechender Stator verwendet wird, der die zuvor genannten Vorteile hat.
-
Ferner kann vorgesehen sein, dass der Reluktanzmotor mehrere Pole in einer Stromphase aufweist, das heißt, dass mehrere Statorelemente gleichzeitig bestromt werden, um eine höhere Kraft auf den Rotor auszuüben.
-
Insbesondere hat der Rotor mehrere Rotorzähne und Rotorzahnteilungen, wobei die Rotorzähne mit den Statorelementen zusammenwirken, um einen Magnetfluss zu schließen. Die mehreren Rotorzähne und Rotorzahnteilungen können so angeordnet sein, dass beispielsweise zwei Rotorzähne mit einem Statorelement zusammenwirken, um den Magnetfluss über die Statorzähne bzw. Schenkel und das Joch zu schließen. Sofern ein Strang, das heißt mehrere gleichzeitig betriebene Statorelemente bzw. Statorpole, verwendet wird, können mehrere Rotorzähne mit den entsprechend zugeordneten Statorzähnen gleichzeitig zusammenwirken, um den Drehimpuls auf den Rotor zu erzeugen.
-
Die Schenkel eines Statorelements können einen Abstand zueinander haben, der einer Rotorzahnteilung entspricht oder einem Vielfachen davon. Je nachdem wie groß der Abstand der Schenkel zueinander ist, weist das Statorelement eine entsprechende Größe auf. Je größer der Abstand der Schenkel ist, desto größer sind die Flusswege durch das Statorelement, insbesondere dessen Joch. Hierdurch lässt sich jedoch der zur Verfügung stehende Wicklungsraum erhöhen.
-
Ferner können die Schenkel und/oder die Rotorzähne parallel zur Drehachse des Rotors ausgerichtet sein. Hierdurch ergibt sich eine vertikale Anordnung des Reluktanzmotors, bei dem zusätzlich axiale Kräfte entstehen können. Diese Axialkräfte können genutzt werden, um die benötigten Lagerkräfte zu reduzieren. Die Statorelemente, insbesondere die Schenkel bzw. Statorzähne, und/oder die Rotorzähne können hierbei insbesondere aus einem gesinterten Material bestehen, beispielsweise gesintertem Eisenpulver. Des Weiteren ist durch die vertikale Anordnung bzw. die parallele Ausrichtung zur Drehachse des Rotors ein kompakterer Aufbau des Reluktanzmotors möglich. Ferner ergibt sich hierbei eine höhere Biegesteifigkeit sowohl des Rotors als auch des Stators.
-
Sofern die auftretenden Axialkräfte nicht erwünscht sind, können die einzelnen Statorelemente bzw. die Statorpole derart angeordnet werden, dass eine symmetrische Kraft in Axialrichtung ausgeübt wird, wodurch sich die Axialkräfte entsprechend reduzieren bzw. gegenseitig aufheben. Beispielsweise können die Statorelemente eines Strangs sowohl ober- als auch unterhalb des Rotors angeordnet sein, sodass sich die hieraus ergebenen Axialkräfte gegeneinander aufheben. Um hierbei zu verhindern, dass der Rotor eine Kippbewegung erfährt, können mehrere Statorelemente pro Strang vorgesehen sein, die umfangsmäßig verteilt angeordnet sind, wodurch eine homogene Kraft auf den Rotor ausgeübt wird. Hierbei müsste der Rotor beidseitig mit Rotorzähnen ausgebildet sein.
-
Alternativ können die Joche und/oder die Rotorzähne parallel zur Drehachse des Rotors ausgerichtet sein. Die Statorelemente, die U-förmig ausgebildet sind, sind dann in radialer Richtung angeordnet, wobei sie um 90 ° gedreht sind, sodass die jeweiligen Schenkel jeweils zwei imaginäre Ringe um die Drehachse ausbilden, wenn man sie miteinander verbinden würde. Es bilden sich zwei Gruppen von im Wesentlichen ringförmig angeordneten Schenkeln, wobei die erste Gruppe einen axial oberen Ring um die Drehachse und die zweite Gruppe einen axial unteren Ring um die Drehachse bilden. Zwischen den beiden Gruppen der Schenkel ist ein freier ringförmiger Bereich vorgesehen, der unter anderem durch die Luftspalte zwischen den jeweiligen Schenkel der Statorelemente gebildet ist. In diesem Bereich kann der Rotor mit seinen Rotorzähnen angeordnet sein, sodass er sich mit seinen Rotorzähnen jeweils durch die Luftspalte zwischen den Schenkeln bewegt. Hierdurch sind die auf den Rotor wirkenden Axialkräfte symmetrisch und heben sich zudem im Wesentlichen auf. Bei dieser Ausführungsvariante sind die Wicklungen vorzugsweise auf dem Joch der jeweiligen Statorelemente angeordnet.
-
Die Rotorzähne können voneinander ebenfalls magnetisch entkoppelt sein, sodass zwischen benachbarten Rotorzähnen eine Magnetflussentkopplung vorgesehen ist. Beispielsweise können die Rotorzähne auf einem Aluminium-Träger angeordnet sein. Hierdurch kann der Rotor segmentiert und mit weniger magnetischem Material ausgebildet werden. Über die beiden ringförmig angeordneten Schenkel der Statorelemente kann der Magnetkreis entsprechend geschlossen werden.
-
Die Rotorzähne können insbesondere geblecht ausgeführt sein.
-
Der Reluktanzmotor kann insbesondere als ein Linearmotor ausgebildet sein. Dies ist möglich, da der Stator magnetisch eigenständige Statorpole aufweist, die so angesteuert werden können, dass sie eine translatorische Bewegung des Rotors induzieren. Die Statorelemente können hierzu ebenfalls um 90 ° gedreht angeordnet sein. Der Rotor kann dann auch als Verstellelement bezeichnet werden, da er an sich keine Drehbewegung mehr ausführt. Alternativ kann der Reluktanzmotor auch so angetrieben werden, dass eine Mischbewegung aus einer Dreh- und Linearbewegung erfolgt. Dies ist wiederum möglich, da der Stator magnetisch eigenständige Statorelemente aufweist, die unabhängig und separat voneinander bestromt werden können.
-
Eine weitere Ausführungsvariante betrifft einen Reluktanzmotor, bei dem die eigenständigen Statorsegmente eine asymmetrische Anordnung auf dem Umfang aufweisen, insbesondere eine geringe asymmetrische Anordnung. Sofern jedes Statorsegment über eine eigene Ansteuerung bzw. Ansteuerungselektronik verfügt, können so Momentenoberwellen des vom Reluktanzmotor erzeugten Drehmoments reduziert werden. Hierzu reicht es aus, wenn die jeweiligen Statorsegmente und ihre Ansteuerung 3-phasig ausgebildet sind. Diese Ausführungsvariante ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn ohnehin ein ausfalltoleranter Betrieb des Reluktanzmotors erforderlich ist.
-
Ferner kann der Reluktanzmotor einen Speicher aufweisen, in dem eine Wertetabelle mit Stromfaktoren hinterlegt ist, die zur Korrektur des den Wicklungen zugeführten Stroms dient. Der Speicher kann insbesondere in einer Ansteuerung des Reluktanzmotors vorgesehen sein, die Teil des Reluktanzmotors ist. Hierdurch kann die Drehmomentwelligkeit reduziert werden, da der den Wicklungen zugeführte Strom, auch Erregungsstrom genannt, aufgrund der Stromfaktoren entsprechend der Rotorposition optimierte Stromwerte liefert. Die Stromfaktoren stellen dabei eine Korrektur des Basisstroms in Abhängigkeit der Winkelposition des Rotors dar. Der Basisstrom entspricht dabei dem typischerweise den Wicklungen zugeführten Stroms.
-
Alternativ kann der Speicher, in dem die Wertetabelle mit Stromfaktoren hinterlegt ist, auch in einer separaten Ansteuerelektronik für den Reluktanzmotor vorgesehen sein, die mit dem Reluktanzmotor zu koppeln ist.
-
Die in der Wertetabelle hinterlegten Stromfaktoren können nur einer einzigen Stromphase bzw. Stromperiode zugeordnet sein. Die weiteren Stromperioden bzw. Stromphasen können aus den hinterlegten Stromfaktoren ermittelt werden, indem die Stromfaktoren entsprechend für die übrigen Stromphasen winkelversetzt übernommen werden. Hierdurch ist es möglich, den benötigen Speicherplatz für die Daten zu reduzieren, da lediglich eine einzige Stromperiode bzw. Stromphase als Datensatz hinterlegt ist.
-
Die Stromfaktoren können zuvor über eine Simulation oder über eine Messung ermittelt worden sein. Beispielsweise kann ein baugleicher Reluktanzmotor wie ein Prototyp verwendet werden, bei dem die entsprechenden Stromwerte ermittelt und entsprechende Stromfaktoren abgeleitet worden sind. Alternativ kann eine FEM-Simulationssoftware genutzt werden, die die entsprechenden Stromwerte ermittelt.
-
Die Erfindung betrifft weiter einen Reluktanzmotor mit einem Verstellelement und einem Stator der zuvor beschriebenen Art, der das Verstellelement linear antreibt, sodass der Reluktanzmotor ein Linearmotor ist. Aufgrund der Ausbildung von separaten Statorpolen ist es möglich, dass diese derart angesteuert werden, dass sie eine translatorische Bewegung in ein Verstellelement des Reluktanzmotors induzieren. Das Verstellelement kann insbesondere wie der Rotor ausgebildet sein.
-
Ferner stellt die Erfindung ein Verfahren zur Steuerung eines Reluktanzmotors bereit. Der Reluktanzmotor kann vorteilhaft gemäß einem der in dieser Beschreibung genannten Aspekte und/oder Ausführungsbeispiele ausgeführt sein. Es kann ein Speicher vorgesehen sein, in dem eine Wertetabelle mit Stromfaktoren hinterlegt ist, wobei insbesondere die Stromfaktoren für nur eine Stromphase hinterlegt sind. Der Speicher kann im Reluktanzmotor oder in einer Ansteuerungselektronik vorgesehen sein. Das Verfahren kann dann die Schritte umfassen:
- a) Erkennen eines Rotorpositionswinkels des Rotors in einer ersten Stromphase,
- b) Auswählen eines dem Rotorpositionswinkel des Rotors zugeordneten Stromfaktors aus der Wertetabelle,
- c) Multiplizieren eines Basisstroms mit dem ausgewählten Stromfaktor, um einen Erregungsstromwert zu erhalten,
- d) Bestromen wenigstens einer Wicklung mit dem zuvor berechneten Erregungsstromwert.
-
Es ist somit möglich, den Reluktanzmotor möglichst wellenfrei, also frei von Drehmomentschwankungen, zu betreiben, da die einzelnen Wicklungen stromoptimiert mit einem Erregungsstromwert bestromt werden, der ein homogenes Gesamtdrehmoment sicherstellt. Insgesamt kann die Drehmomentwelligkeit so auf 0,5 % bis maximal 3 % reduziert werden. Die Multiplikation des Basisstroms mit dem ausgewählten Stromfaktor erfolgt über einen gewünschten Drehzahl- und Drehmomentbereich. Die Wicklung wird für verschiedene Arbeitspunkte mit verschiedenen Erregungsstromwerten bestromt, wobei die Bestromung entsprechend abhängig vom gegenwärtigen Arbeitspunkt ist.
-
Die Schritte a) bis d) können für verschiedene Rotorpositionswinkel in der ersten Stromphase durchgeführt werden, wobei beispielsweise eine Schrittweite 0,25° beträgt. Demnach werden alle 0,25° für eine gewünschte Drehzahl und ein gewünschtes Drehmoment ein entsprechender Stromfaktor aus der Wertetabelle ausgelesen und mit einem Basisstrom multipliziert, um den dem Rotorpositionswinkel entsprechenden Erregungsstromwert zu ermitteln. Hierdurch kann die geringe Drehmomentwelligkeit erreicht werden.
-
Ferner können die in der Wertetabelle hinterlegten Stromfaktoren bei den weiteren Stromphasen ebenfalls verwendet werden, wobei die hinterlegten Stromfaktoren der Stromphase entsprechend winkelversetzt für die weiteren Stromphasen angewandt werden. Wie bereits erläutert, sind in der Wertetabelle lediglich die Stromfaktoren für eine einzige Stromphase bzw. eine einzige Stromperiode hinterlegt, wobei die weiteren Stromperioden bzw. Stromphasen aus den entsprechenden Stromfaktoren ermittelt werden können. Es ist somit möglich, bei geringem Speicherplatzbedarf eine vollständige Abbildung der Stromfaktoren für sämtliche Stromphasen zu erhalten.
-
Es kann ebenfalls die Winkelposition des Rotors festgestellt und ein entsprechender, der Position des Rotors zugeordneter Stromfaktor aus der Wertetabelle genommen werden. Die Stromfaktoren werden bei generatorischen Betriebspunkten vorteilhaft spiegelsymmetrisch zur halben Stromperiode gewählt. Die motorisch gewählten Stromfaktoren können also auch im Bremsbetrieb eingesetzt werden.
-
Ferner schafft die Erfindung eine Ansteuerelektronik für einen Reluktanzmotor, die eingerichtet ist, um ein Verfahren der zuvor genannten Art auszuführen. Die Ansteuerelektronik erkennt demnach den Rotorpositionswinkel und greift auf den Speicher zu, um die entsprechenden Stromfaktoren aus der Wertetabelle auszulesen und mit dem Basisstrom zu multiplizieren. Nachdem die Ansteuerelektronik den Erregungsstromwert ermittelt hat, steuert sie die entsprechenden Wicklungen derart an, dass der Reluktanzmotor möglichst drehmomentwellenfrei betrieben werden kann. Die Ansteuerelektronik kann als ein separates Bauteil zum Reluktanzmotor oder als ein Modul des Reluktanzmotors ausgebildet sein, sodass der Reluktanzmotor eine Ansteuerung aufweist.
-
Die Ansteuerelektronik kann derart eingerichtet sein, dass sie ausgehend von den in der Wertetabelle hinterlegten Stromfaktoren für eine Stromphase die Stromfaktoren für die weiteren Stromphasen berechnet. Die Ansteuerelektronik kann demnach die winkelversetzte Berechnung selbst durchführen, um die übrigen Stromphasen bzw. Stromperioden abbilden zu können.
-
Generell kann jedes Statorelement mit einer eigenen Leistungsendstufe ausgeführt sein, wodurch ein modularer, kompakter Aufbau des Stators und des Reluktanzmotors möglich ist.
-
Weitere Aspekte des Verfahrens und der Ansteuerelektronik ergeben sich aus der vorstehenden Beschreibung des Stators und des Reluktanzmotors gemäß den Aspekten der Erfindung.
-
Figurenliste
-
Im Folgenden werden die Merkmale und Aspekte der Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert, dabei zeigt:
- - 1 eine Querschnittsansicht eines Reluktanzmotors aus dem Stand der Technik,
- - 2 eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Reluktanzmotor, bei dem lediglich der Rotor und die einzelnen Statorelemente gezeigt sind,
- - 3 der Reluktanzmotor aus der 2, wobei auf den Schenkeln der Statorelemente Wicklungen angeordnet sind,
- - 4 eine Querschnittsansicht des Reluktanzmotors aus 3 im Bereich eines Statorelements,
- - 5 eine Darstellung eines Statorelements gemäß einer ersten Ausführungsvariante,
- - 6 eine Darstellung eines Statorelements gemäß einer zweiten Ausführungsvariante,
- - 7 eine Darstellung eines Statorelements gemäß einer dritten Ausführungsvariante,
- - 8 eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Reluktanzmotor, der als Außenläufer ausgebildet ist,
- - 9 eine perspektivische Detailansicht der 8,
- - 10 eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Reluktanzmotors, bei dem die Statorelemente und Rotorzähne vertikal angeordnet sind,
- - 11 eine Detailansicht der 10,
- - 12 eine Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Reluktanzmotors im Bereich eines Statorelements, bei dem die Statorelemente um 90 ° gedreht angeordnet sind,
- - 13 eine Draufsicht auf den erfindungsgemäßen Reluktanzmotor aus 12,
- - 14 eine Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Reluktanzmotors im Bereich eines Statorelements gemäß einer weiteren Ausführungsvariante, bei dem die Statorelemente um 90 ° gedreht angeordnet sind,
- - 15 eine Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Reluktanzmotors im Bereich eines Statorelements gemäß einer weiteren Ausführungsvariante, bei dem die Statorelemente um 90 ° gedreht angeordnet sind,
- - 16 eine Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Reluktanzmotors im Bereich eines Statorelements gemäß einer weiteren Ausführungsvariante, bei dem die Statorelemente um 90 ° gedreht angeordnet sind,
- - 17 eine Perspektivansicht eines erfindungsgemäßen Reluktanzmotors, der als Linearmotor ausgebildet ist,
- - 18 eine Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Reluktanzmotors, bei dem die Statorelemente segmentiert angeordnet sind,
- - 19 eine Detailansicht eines Statorsegments aus der 18,
- - 20 eine Detailansicht entsprechend der 19, wobei die Statorelemente im Segment eine andere Anordnung aufweisen,
- - 21 eine Detailansicht eines segmentierten Stators gemäß der 19 und 20, wobei die Statorelemente im Segment eine andere Anordnung aufweisen,
- - 22 eine schematische Übersicht einer einen Reluktanzmotor und eine Ansteuerelektronik umfassenden Baugruppe,
- - 23 ein Verlauf der optimierten Stromfaktoren für eine Stromphase bei einem bestimmten Basisstrom,
- - 24 ein Verlauf der optimierten Stromfaktoren für alle Stromphasen bei einem bestimmten Basisstrom,
- - 25 ein Diagramm des Gesamtdrehmoments des Rotors bei einem bestimmten Basisstrom,
- - 26 ein Verlauf der optimierten Stromfaktoren für eine Stromphase bei einem anderen Basisstrom,
- - 27 ein Verlauf der optimierten Stromfaktoren für eine Stromphase bei einem weiteren Basisstrom, und
- - 28 ein Übersichtsdiagramm zur Erfassung der optimierten Stromfaktoren für eine Stromphase.
-
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
-
In 1 ist ein Reluktanzmotor 10 gezeigt, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist. Der Reluktanzmotor 10 weist einen Stator 12 auf, der einen Rahmen 14 sowie davon abstehende Zähne 16 aufweist. Der Rahmen 14 und die Zähne 16 sind miteinander verbunden und bestehen aus einem Material, das eine elektromagnetische Kopplung zulässt, beispielsweise einem Metall, insbesondere Eisen.
-
Ferner weist der Reluktanzmotor 10 aus dem Stand der Technik einen Rotor 18 auf, der Rotorzähne 20 umfasst, die mit den Statorzähnen 16 zusammenwirken.
-
Den Statorzähnen 16 sind jeweils Wicklungen 22 zugeordnet, die bestromt werden können, wodurch ein entsprechendes Magnetfeld 24 erzeugt wird, das zum Antreiben des Rotors 18 benötigt wird. Die Magnetfelder 24 der jeweils bestromten Statorzähne 16 bzw. deren Wicklungen 22 sind durch entsprechende Feldlinien im Übergang vom Statorzahn 16 zum Rotorzahn 20 dargestellt.
-
Im Stand der Technik wird der Rotor 18 dadurch angetrieben, dass sich ein Magnetfeld zwischen zwei um 90° versetzten Statorzähnen 16 schließt. Hierzu verläuft das Magnetfeld beispielsweise vom Statorzahn 16, der in 1 mit A3 bezeichnet ist, über den ihm zugeordneten Rotorzahn 20 in den Rotor 18. Vom entsprechenden Rotorzahn 20 verläuft das Magnetfeld 24 weiter durch den gesamten Rotor 18 in einem etwa 90°-Bogen zu dem Rotorzahn 20, der dem Statorzahn 16 zugeordnet ist, der in 1 mit A2 bezeichnet ist. Dort tritt das Magnetfeld 24 wieder in den Stator 12 ein, um wiederum in einem 90°-Bogen zu dem Statorzahn 16 zu gelangen, der in 1 mit A3 bezeichnet ist.
-
Hierbei ergeben sich lange Flusswege des Magnetfelds 24 durch den Rotor 18 sowie den Stator 12, was zu Verlusten führt. Diese Verluste senken die Effizienz des Reluktanzmotors 10.
-
In 2 ist eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Reluktanzmotor 30 gezeigt, wobei der Reluktanzmotor 30 reduziert dargestellt ist, da er auf wesentliche Komponenten reduziert ist, wie nachfolgend erläutert wird.
-
Der Reluktanzmotor 30 weist einen Stator 32 auf, der mehrere, voneinander beabstandete Statorelemente 34 umfasst. Die Statorelemente 34 sind in der gezeigten Ausführungsform im Wesentlichen U-förmig ausgebildet und weisen zwei im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtete Schenkel 36 sowie ein die beiden Schenkel 36 verbindendes Joch 38 auf. Die beiden Schenkel 36 können auch als Statorzahnpaar bezeichnet werden. Ein Statorelement 34 weist somit zwei, über das Joch 38 miteinander verbundene Einzelzähne auf, die durch die Schenkel 36 gebildet sind. Ein Schenkel 36 kann auch als Statorzahn bezeichnet werden.
-
Zwischen direkt benachbarten Statorelementen 34 ist jeweils eine Magnetflussentkopplung vorgesehen, sodass ein Magnetfluss zwischen direkt benachbarten Statorelementen 34 nicht möglich ist, insbesondere ein Magnetfluss zwischen irgendwelchen Statorelementen 34. Die Magnetflussentkopplung kann durch einen Leerraum, also Luft, oder ein nichtmagnetisches oder magnetisch inaktives Material ausgebildet sein. Als nichtmagnetisches Material kommt unter anderem Aluminium in Frage.
-
Ferner weist der Reluktanzmotor 30 einen Rotor 40 auf, der mehrere Rotorzähne 42 sowie dazwischenliegende Rotorzahnteilungen 43 aufweist. Die Rotorzähne 42 wirken mit den Statorelementen 34 zusammen, sodass ein Drehimpuls im Rotor 40 induziert werden kann, um diesen anzutreiben. Der Rotor 40 dreht sich daraufhin um seine Drehachse D.
-
Die Rotorzahnteilung 43 kann auch als Rotorzahnlücke oder Vertiefung bezeichnet werden.
-
Der Reluktanzmotor 30 ist in der gezeigten Ausführungsform als Innenläufermotor ausgebildet, sodass der Stator 32 den sich drehenden Rotor 40 umgibt. Dementsprechend sind die Statorelemente 34 radial außen angeordnet und die Rotorzähne 42 zeigen radial nach außen.
-
In der gezeigten Ausführung des Reluktanzmotors 30 sind die insgesamt 20 Statorelemente 34 mit einem Winkelversatz von 18° zueinander angeordnet und weisen einen Luftspalt zum Rotor 40 auf.
-
Der Rotor 40 weist insgesamt 64 Rotorzähne 42 auf und hat einen Außenradius r von ca. 660 mm, also der Abstand vom radialen Rand der Rotorzähne 42 zur Drehachse D des Rotors 40. Die Zahnbreite der Rotorzähne 42 beträgt 40 mm. Hieraus ergibt sich, dass es sich bei dem Reluktanzmotor 30 um einen Reluktanzmotor für große bis sehr große Antriebe handelt, da Reluktanzmotoren üblicherweise einen Radius zwischen 50 mm bis 150 mm aufweisen.
-
In 3 ist der Reluktanzmotor 30 aus 2 gezeigt, wobei die Statorelemente 34 jeweils zwei Wicklungen 44 aufweisen, die auf den beiden Schenkeln 36 des Statorelements 34 angeordnet sind. Durch die Wicklungen 44 kann ein Strom fließen, sofern eine hier nicht dargestellte Ansteuerelektronik die Wicklungen 44 entsprechend ansteuert. Das entsprechende Statorelement 34 mit seinen zwei Schenkeln 36 wird bei Bestromung der Wicklungen 44 zu einem magnetisch eigenständigen Statorpol, über den eine magnetische Kraft in den Rotor 40 induziert wird, was zu einem entsprechenden Kraftimpuls bzw. Drehimpuls führt. Der Rotor 40 wird hierdurch angetrieben und dreht sich um seine Drehachse D. Diese magnetische Kraft wird auch als Reluktanzkraft bezeichnet.
-
Sofern Stränge mit mehreren Statorelementen 34 vorgesehen sind, also mehrere gleichzeitig bestromte Statorelemente 34, ergeben sich ein höherer Kraftimpuls auf den Rotor 40 und ein höherer Beitrag zum Gesamtdrehmoment.
-
Die mehreren, voneinander beabstandeten Statorelemente 34 bilden generell mehrere, eigenständige magnetische Statorpole aus, sodass die magnetischen Flusswege minimiert sind, wie aus 4 hervorgeht, in der eine Detailansicht eines Statorelements 34 der 3 gezeigt ist.
-
Die Wicklungen 44 des Statorelements 34 sind jeweils bestromt, sodass das Statorelement 34 als Statorpol ausgebildet ist. Die beiden Schenkel 36 weisen in der gezeigten Ausführungsform einen Abstand zueinander auf, der der Zahnteilung 43 des Rotors 40 entspricht, also dem Abstand zwischen zwei Rotorzähnen 42.
-
Das durch die Bestromung der Wicklungen 44 erzeugte Magnetfeld geht von einem der beiden Schenkel 36 in einen ihm gegenüberliegenden Rotorzahn 42 über und verläuft zu dem direkt benachbarten Rotorzahn 42, der dem anderen Schenkel 36 des Statorelements 34 gegenüberliegt. Das Magnetfeld schließt sich demnach über zwei direkt benachbarte Rotorzähne 42 und das eine einzige Statorelement 34, insbesondere den beiden Schenkel 36 und das die beiden Schenkel verbindende Joch 38. Hierdurch ist der Magnetflussweg durch den Rotor 40 und den Stator 32 bzw. den Statorpol minimiert, was die Effizienz des Reluktanzmotors 30 entsprechend erhöht.
-
Die beiden Wicklungen 44 können insbesondere elektrisch in Reihe geschaltet sein, sodass sich ihre Wirkung addiert.
-
Der Abstand der beiden Schenkel 36 zueinander kann auch ein Vielfaches der Rotorzahnteilung 43 betragen, sofern dies gewünscht ist. Hierdurch entstehen jedoch längere Magnetflusswege, was die Effizienz des Reluktanzmotors 30 verringert. Der zur Verfügung stehende Wickelraum vergrößert sich hierdurch jedoch.
-
In den 5 bis 7 sind verschiedene Ausführungsvarianten der Statorelemente 34 dargestellt, bei denen die in 5 dargestellte Ausführungsvariante dem Statorelement 34 entspricht, welches in den vorherigen 2 bis 4 verwendet worden ist.
-
Dieses Statorelement 34 zeichnet sich dadurch aus, dass jeweils eine Wicklung 44 an den beiden Schenkeln 36 vorgesehen ist. Die Schenkel 36 sind daher etwas länger ausgebildet als die Schenkel 36 bei den anderen Statorelementen 34, die in den 6 und 7 gezeigt sind. Die Ausführungsvariante gemäß 5 wird auch als Schenkelwicklung bezeichnet.
-
Das Statorelement 34 weist eine Tiefe T von 50 mm und eine Gesamtbreite B von 120 mm auf. Die Breite b der einzelnen Schenkel 36 beträgt 35,4 mm, wobei der Abstand a zwischen den beiden Schenkeln 36 49,2 mm beträgt.
-
Die beiden in den 6 und 7 gezeigten Statorelemente 34 zeichnen sich dadurch aus, dass anstatt der beiden Wicklungen 44, die an den Schenkeln 36 angeordnet sind, eine einzige Wicklung 44 (nicht dargestellt) vorgesehen ist, die am Joch 38 des Statorelements 34 angeordnet ist. Hierdurch können die Statorelemente 34 sehr nah zueinander angeordnet werden (siehe 21). Diese Ausführungsvariante wird auch als Jochwicklung bezeichnet.
-
Das in 6 gezeigte Statorelement 34 weist ebenfalls eine Tiefe T von 50 mm und eine Gesamtbreite B von 120 mm auf. Die Breite b der einzelnen Schenkel 36 beträgt 35,4 mm, wobei der Abstand a zwischen den beiden Schenkeln 36 49,2 mm ist. Zudem beträgt die Höhe h des Jochs 38 in dieser Ausführungsvariante 30 mm.
-
In 7 ist ein Statorelement 34 gezeigt, bei dem die beiden Schenkel 36 einen größeren Abstand zueinander haben, der demnach ein Vielfaches der Rotorzahnteilung entspricht. Die beiden Schenkel 36 sind dennoch verhältnismäßig kurz ausgebildet, da das Statorelement 34 gemäß 7 ebenfalls eine Jochwicklung aufweist, also eine am Joch 38 vorgesehene Wicklung 44.
-
Das Statorelement 34 gemäß dieser Ausführungsvariante weist ebenfalls eine Tiefe T von 50 mm auf. Seine Gesamtbreite B beträgt allerdings ca. 204,8 mm, wobei der Abstand a zwischen den beiden Schenkel 36 ungefähr 133,1 mm ist. Das Statorelement 34 weist eine Gesamthöhe H von 89,1 mm auf, wobei die Höhe h des Jochs 38 ca. 44 mm ist.
-
In den 8 und 9 ist eine weitere Ausführungsform des Reluktanzmotors 30 gezeigt, der als Außenläufermotor ausgebildet ist.
-
Demnach umgibt der Rotor 40 den Stator 32. Die Statorelemente 34 sind in der gezeigten Ausführungsform derart ausgerichtet, dass die jeweiligen Schenkel 36 der Statorelemente 34 radial nach außen zeigen, wohingegen die Rotorzähne 42 des Rotors 40 radial nach innen zeigen, um mit den Schenkeln 36 der Statorelemente 34 zusammenzuwirken. Ansonsten sind die Statorelemente 34 entsprechend den vorherigen 2 bis 5 ausgebildet und weisen jeweils eine Wicklung 44 auf, die an beiden Schenkeln 36 angeordnet sind.
-
Ferner zeichnet sich diese Ausführungsform dadurch aus, dass die einzelnen Statorelemente 34 miteinander mechanisch gekoppelt sind, da sie in einem gemeinsamen Statorrahmen 46 angeordnet sind, der aus einem nichtmagnetischen bzw. magnetisch nicht aktiven Material hergestellt ist. Dieser Statorrahmen 46 kann auch als einheitliches Segment 48 angesehen werden. Aufgrund des nichtmagnetischen bzw. magnetisch nicht aktiven Materials ist sichergestellt, dass die einzelnen Statorelemente 34 voneinander elektromagnetisch entkoppelt sind. Die Magnetflussentkopplung zwischen direkt benachbarten Statorelementen 34 findet demnach über das nichtmagnetische Material des Rahmens 46 statt. Als Material für den Statorrahmen 46 bzw. das einheitliche Segment 48 des Stators 32 kommt insbesondere Aluminium in Betracht.
-
Die Statorelemente 34 sind in der gezeigten Ausführungsform ferner gleichmäßig über den Umfang des Stators 32 verteilt angeordnet, wobei insgesamt 20 Statorelemente 34 und 64 Rotorzähne 42 vorgesehen sind.
-
In den 10 und 11 ist eine weitere Ausführungsform des Reluktanzmotors 30 gezeigt, bei dem die Statorelemente 34 sowie die Rotorzähne 42 parallel zur Drehachse D des Rotors 40 ausgerichtet sind. Diese Ausführungsform des Reluktanzmotors 30 wird auch als Vertikalanordnung bezeichnet.
-
Die einzelnen Statorelemente 34 sind auch in dieser Ausführungsform voneinander elektromagnetisch entkoppelt, wodurch sich ein geschlossener Magnetkreis über zwei direkt benachbarte Rotorzähne 42 und ein einziges Statorelement 34 ergibt.
-
Zudem sind die Statorelemente 34 wiederum entsprechend den vorherigen Statorelementen 34 ausgebildet, also jeweils als Statorelemente mit Schenkelwicklung.
-
Bei dieser Ausführungsform treten insbesondere axiale Kräfte zusätzlich zu den die Drehbewegung erzeugenden Kräften auf, die dazu ausgenutzt werden können, die benötigten Lagerkräfte des Reluktanzmotors 30 zu reduzieren. Die Statorelemente 34 und/oder die Rotorzähne 42 sind bei dieser Ausführungsform insbesondere aus einem gesinterten Material hergestellt, beispielsweise einem gesinterten Eisenpulver.
-
Auch in dieser Ausführungsform weist der Rotor 40 insgesamt 64 Rotorzähne 42 auf, die mit insgesamt 20 Statorelementen 34 zusammenwirken.
-
In einer alternativen Ausführungsform, die in den 12 und 13 gezeigt ist, können die Statorelemente 34, die U-förmig ausgebildet sind, in radialer Richtung angeordnet sein, also senkrecht zur Drehachse D. Die Statorelemente 34 sind jedoch im Vergleich zu 2 um 90 ° gedreht, sodass die jeweiligen Schenkel 36 jeweils zwei imaginäre Ringe um die Drehachse D ausbilden, wenn man sie miteinander verbinden würde. Dies geht insbesondere aus 12 hervor, in der ein Statorelement 34 im Querschnitt gezeigt ist.
-
Dabei bilden sich zwei Gruppen von im Wesentlichen ringförmig angeordneten Schenkeln 36, wobei die erste Gruppe einen axial oberen Ring um die Drehachse D und die zweite Gruppe einen axial unteren Ring um die Drehachse D bilden. Zwischen den beiden Gruppen der Schenkel 36 ist ein freier ringförmiger Bereich vorgesehen, der unter anderem durch die Luftspalte zwischen den jeweiligen Schenkel 36 der Statorelemente 34 gebildet ist. In diesem Bereich kann der Rotor 40 mit seinen Rotorzähnen 42 angeordnet sein, sodass er sich mit seinen Rotorzähnen 42 jeweils durch die Luftspalte zwischen den Schenkeln 36 bewegt.
-
Der Rotor 40 ist dabei symmetrisch zwischen den beiden Schenkeln 36 angeordnet, wobei dessen Abstand zu den Schenkeln 36 jeweils wenige Millimeter beträgt.
-
Hierdurch sind die auf den Rotor 40 wirkenden Axialkräfte symmetrisch und heben sich zudem im Wesentlichen auf. Bei dieser Ausführungsvariante sind die Wicklungen 44 auf den Schenkeln 36 der jeweiligen Statorelemente 34 angeordnet.
-
Die Rotorzähne 42 können voneinander ebenfalls magnetisch entkoppelt sein, sodass zwischen benachbarten Rotorzähnen 42 eine Magnetflussentkopplung vorgesehen ist. Beispielsweise können die Rotorzähne 42 auf einem Aluminium-Träger 49 angeordnet sein. Hierdurch kann der Rotor 40 segmentiert und mit weniger magnetischem Material ausgebildet werden. Über die beiden ringförmig angeordneten Schenkel 36 der Statorelemente 34 kann der Magnetkreis entsprechend geschlossen werden.
-
Die Rotorzähne 42 können insbesondere geblecht ausgeführt sein.
-
In den 14 bis 16 sind weitere Ausführungsformen gezeigt, bei denen die die Statorelemente 34 gedreht in radialer Richtung angeordnet sind. Die Statorelemente 34 weisen in den gezeigten Ausführungsformen jeweils drei Schenkel 36 sowie ein die Schenkel 36 verbindendes Joch 38 auf. Die Statorelemente 34 können demnach als E-förmig bezeichnet werden.
-
Ferner sind die Rotorzähne 42 jeweils im Wesentlichen C-förmig ausgebildet, sodass sie zwei Rotorschenkel aufweisen, über die die Rotorzähne 42 jeweils in die Luftspalte zwischen zwei benachbarten Schenkeln 36 eingreifen. Die Rotorschenkel sind dabei jeweils symmetrisch im entsprechenden Luftspalt angeordnet, sodass sich eine homogene Krafteinleitung in den Rotor 40 ergibt.
-
Die Rotorzähne 42 können auch in dieser Ausführungsform voneinander magnetisch entkoppelt sein, sodass eine Magnetflussentkopplung zwischen benachbarten Rotorzähnen 42 vorgesehen ist. Die Rotorzähne 42 können demnach auf dem Aluminium-Träger 49 angeordnet sein, der mit den Rotorzähnen 42 den Rotor 40 ausbildet.
-
Aus den 14 bis 16 geht hervor, dass die wenigstens eine Wicklung 44 an unterschiedlichen Stellen angeordnet sein kann. Dies können die beiden äußeren Schenkel 36 (14), der mittlere Schenkel 36 (15) oder das Joch 38 (16) sein. Alternativ können auch alle drei Schenkel 36 mit einer Wicklung 44 versehen sein, wobei hier die Wicklungszahl entsprechend aufeinander abzustimmen ist.
-
Darüber hinaus ist in den 14 bis 16 gezeigt, dass der Aluminium-Träger 49 eine unterschiedliche Höhe aufweisen kann. Die Höhe des Aluminium-Trägers 49 kann an die Höhe der Rotorzähne 42 angepasst sein (14). Alternativ kann die Höhe des Aluminium-Trägers 49 auch von der Höhe der Rotorzähne 42 abweichen, wie dies in den 15 und 16 gezeigt ist.
-
Generell können die einzlenen Statorelemente 34 und der Rotor 40, insbesondere die Rotorzähne 42, modular aufgebaut sein. Das bedeutet, dass jeder Rotorzahn 42 generell „x“ Rotorschenkel aufweisen kann, wobei jedes Statorelement 34 entsprechend „x+1“ Schenkel 36 hat, sodass jeder Rotorschenkel in einen Luftspalt zwischen zwei benachbarten Schenkeln 36 eingreifen kann.In 17 ist der Reluktanzmotor 30 als ein Linearmotor gezeigt, wodurch der Rotor 40 lediglich translatorisch verstellt wird. Der Rotor 40 kann dann als Verstellelement angesehen werden. Über die höhere Anzahl der Schenkel 36 und der Rotorschenkel kann die Kraft entsprechend vergrößert werden.
-
Die Ausbildung des Reluktanzmotors 30 als Linearmotor ist möglich, da der Stator 32 magnetisch eigenständige Statorelemente 32 aufweist, die so angesteuert werden können, dass sie eine translatorische Bewegung des Rotors 40 bzw. des Verstellelements induzieren. Von den mehreren Statorelementen 32 des Stators 30 ist in der gezeigten Ausführungsform lediglich ein Statorelement 32 gezeigt.
-
Die Statorelemente 32 sind in der gezeigten Ausführungsform ebenfalls um 90 ° gedreht angeordnet sein, wie dies aus der 17 hervorgeht. Demnach kann der Magnetfluss über ein Statorelement 32 und einen Rotorzahn 42 geschlossen werden, wie bereits oben erläutert.
-
Die Rotorzähne 42 können daher, wie in den zuvor beschriebenen Ausführungsformen, jeweils voneinander magnetisch entkoppelt und auf einem Aluminium-Träger 49 angeordnet sein.
-
In der gezeigten Ausführungsform sind die Rotorzähne 42 jeweils geblecht ausgeführt. Alternativ oder ergänzend können auch die Statorelemente 32 geblecht ausgebildet sein, insbesondere deren Schenkel 36.
-
Alternativ kann der Reluktanzmotor 30 auch derart angesteuert werden, dass der Rotor 40 eine Mischbewegung aus einer Linear- und Drehbewegung ausführen kann. Die induzierte Bewegung des Rotors 40 hängt dabei von der Ansteuerung der magnetisch eigenständigen Statorelemente des Stators 32 ab.
-
In den 18 und 19 ist eine weitere Ausführungsform des Reluktanzmotors 30 gezeigt, bei dem der Stator 32 vier Segmente 48 aufweist, die jeweils fünf Statorelemente 34 umfassen.
-
Die fünf Statorelemente 34 pro Segment 48 entsprechen jeweils einer Stromphase, sodass in den 18 und 19 ein 5-Phasen-Motor gezeigt ist.
-
Aufgrund der vier Segmente 48 mit den jeweils fünf Statorelementen 34, die jeweils einer Stromphase zugeordnet sind, ergeben sich fünf Stränge, bei denen vier Statorpole, also bestromte Statorelemente 34, gleichzeitig betrieben werden können.
-
Die einzelnen Statorelemente 34 eines Segments 48 sind mechanisch miteinander gekoppelt, indem sie in einem entsprechenden Füllmaterial des Segments 48 angeordnet sind, insbesondere eingebettet bzw. eingesetzt sind. Als Füllmaterial des Segments 48 kann ein entsprechendes Material wie für den Statorrahmen 46 bzw. das einheitliche Segment 48 verwendet werden, der bzw. das in 8 gezeigt ist.
-
Aufgrund der vier Segmente 48 ist es möglich, dass der Reluktanzmotor 30 vier unterschiedliche Leistungsstufen aufweist, da der Reluktanzmotor 30 nur bereits durch ein einziges Segment 48 betrieben werden kann oder durch alle Segmente 48 gleichzeitig. Je mehr Segmente 48 zugeschaltet werden, desto mehr Statorpole weisen die Stränge auf, was einen entsprechend höheren Kraftimpuls zur Folge hat.
-
Die Anordnung der Statorelemente 34 zu verschiedenen Segmente 48 ist generell erst dadurch möglich, dass die einzelnen Statorelemente 34 jeweils magnetisch entkoppelt sind. Hierdurch ist eine freie Anordnung der Statorelemente 34 möglich, was beispielsweise im Stand der Technik nicht der Fall ist. In der gezeigten Ausführungsform sind die Statorelemente 34 in jedem Segment 48 jeweils auf kleinstem Abstand zueinander angeordnet, wobei zwischen den Statorelementen 34 zwei einander angrenzenden Segmente 48 ein großer Abstand besteht. Hierdurch ergibt sich im Allgemeinen eine asymmetrische Anordnung der Statorelemente 34 über den Umfang des Stators 32.
-
Die Statorelemente 34 sind in der gezeigten Ausführungsform wie in den vorherigen Ausführungsformen als Statorelemente mit Schenkelwicklung ausgebildet, sodass sie jeweils eine Wicklung 44 auf den Schenkeln 36 aufweisen.
-
Insgesamt sind in der 18 vier Segmente 48 mit jeweils fünf Statorelementen 34 bzw. Strängen bei kleinstem Zahnabstand der Statorelemente 34 innerhalb eines Segments 48 gezeigt, sodass 20 Statorelemente 34 vorgesehen sind, die mit 64 Rotorzähnen 42 zusammenwirken.
-
In 20 ist eine alternative Ausführungsform gezeigt, wobei lediglich ein Segment 48 detailliert dargestellt ist.
-
In der gezeigten Ausführungsform sind die jeweiligen Statorelemente 34, die den Segmenten 48 zugeordnet sind, als Statorelemente 34 mit Jochwicklung ausgebildet. Dies entspricht im Wesentlichen der in 6 gezeigten Darstellung des Statorelements 34.
-
Die fünf Statorelemente 34, die dem Segment 48 zugeordnet sind, stellen jeweils wieder eine Stromphase des Reluktanzmotors 30 dar, sodass der Reluktanzmotor 30 ein 5-Phasen-Motor ist.
-
Der Abstand der Statorelemente 34 zueinander ist in der gezeigten Ausführungsform über sämtliche Segmente 48 gleich, sodass eine symmetrische Anordnung der Statorelemente 34 über den gesamten Umfang des Stators 32 vorliegt.
-
Der Stator 32 weist insgesamt 20 Statorelemente 34 auf, die mit 64 Rotorzähnen 42 zusammenwirken.
-
In 21 ist eine alternative Ausführungsform gezeigt, bei der ein Segment 48 zehn Statorelemente 34 umfasst, wobei dennoch nur fünf Stromphasen vorgesehen sind. Demnach weist ein Segment 48 jeweils zwei Statorelemente 34 auf, die dieselbe Stromphase haben.
-
Die dichte Anordnung der Statorelemente 34, die in 21 gezeigt ist, ist durch die Anordnung der Wicklungen 44 auf dem jeweiligen Joch 38 der Statorelemente 34 möglich.
-
Der Stator 32 gemäß dieser Ausführungsform weist insgesamt 40 Statorelemente 34 auf, die mit 64 Rotorzähnen 42 des Rotors 40 zusammenwirken.
-
Über die Ausbildung des Stators 32 mit mehreren Segmenten 48 ist in Verbindung mit den mehreren Leistungsendstufen eine Redundanz geschaffen, die bei einem Fehlerfall einen Notbetrieb des Reluktanzmotors 30 ermöglicht, da für die Funktion des Reluktanzmotors 30 nicht zwingend alle Segmente 48 benötigt werden.
-
In 22 ist schematisch eine Baugruppe 49 gezeigt, die einen Reluktanzmotor 30 sowie eine separat ausgebildete Ansteuerelektronik 50 umfasst, die mit dem Reluktanzmotor 30 gekoppelt ist. Über die Ansteuerelektronik 50 werden die Wicklungen 44 des Reluktanzmotors 30 mit einem entsprechenden Strom angesteuert, insbesondere strangweise.
-
In der gezeigten Ausführungsform weist der Reluktanzmotor 30 einen Speicher 52 auf, in dem eine Wertetabelle mit Stromfaktoren hinterlegt ist, die zur Korrektur des Stroms dient, der den Wicklungen 44 des Reluktanzmotors 30 zugeführt wird. Dieser Strom wird auch als Erregungsstrom bezeichnet, da er die Wicklung 44 anregt.
-
Alternativ kann die Ansteuerelektronik 50 den Speicher 52 aufweisen, wie dies in der Figur gestrichelt dargestellt ist.
-
Generell kann die Ansteuerelektronik 50 als separates Bauteil zum Reluktanzmotor 30 oder als ein Modul des Reluktanzmotors 30 ausgebildet sein, sodass die Ansteuerelektronik Teil des Reluktanzmotors ist und eine Ansteuerung des Reluktanzmotors bildet.
-
Die gezeigte Baugruppe 49 kann demnach als Reluktanzmotorbaugruppe oder kurz Reluktanzmotor bezeichnet werden, sofern die Ansteuerelektronik 50 ein Modul des Reluktanzmotors ist. Der Reluktanzmotor selbst kann also eine Ansteuerung bzw. Ansteuerelektronik aufweisen.
-
Typischerweise werden die Wicklungen 44 mit einem bestimmten Basisstrom versorgt. Dieser Basisstrom wird aufgrund der in der Wertetabelle hinterlegten Daten korrigiert bzw. optimiert.
-
Über die Wertetabelle und die darin hinterlegten Stromfaktoren wird der vom Stator 32 induzierte Drehimpuls auf den Rotor 18 und das daraus resultierende Drehmoment des Reluktanzmotors 30 optimiert, da über eine entsprechende Ansteuerung der Wicklung 44 Sättigungseinflüssen, beispielsweise des Rotors 40, entgegengewirkt werden kann. Ferner wird hierdurch einem nicht gleichförmigen Verlauf der Induktivität über den entsprechenden Rotorpositionswinkel entgegengewirkt. Diese beiden Effekte, also die Sättigungseinflüsse und der nicht gleichförmige Verlauf der Induktivität, sorgen für eine nicht lineare Abhängigkeit des Stroms vom Rotorwinkel bei festem Drehmoment.
-
Um den Speicherplatz des Speichers 52 so gering wie möglich zu halten, sind in der Wertetabelle lediglich die Stromfaktoren für eine einzige Stromphase hinterlegt. Die Stromfaktoren für die weiteren Stromphasen können hieraus hergeleitet werden, indem entsprechend der Phasenzahl eine winkelversetzte Zuordnung der Stromfaktoren für die jeweilige Stromphase vorgenommen wird.
-
Die Stromfaktoren, die in dem Speicher 52 in der Wertetabelle hinterlegt sind, können zuvor mittels einer Simulation oder einer Messung an einem baugleichen Prototypen des Reluktanzmotors 30 ermittelt werden. Da lediglich die Werte für eine Stromphase benötigt werden, kann die Messung bzw. die Simulation ebenfalls zeitlich optimiert durchgeführt werden.
-
In 23 ist der Verlauf eines entsprechenden Stromfaktors für eine Stromphase bei einem Basisstrom von 3 A dargestellt. Der Basisstrom ist dabei typischerweise ein trapezförmiges Stromprofil, das eine Anstiegs- und Abstiegsflanke aufweist, wobei der Wert des Basisstroms dem Maximalwert entspricht. Der Stromfaktor ist jeweils in Abhängigkeit des Rotorpositionswinkels des Rotors 40 aufgetragen. Der entsprechende Basisstrom wird mit dem Stromfaktor multipliziert, um einen Erregungsstromwert zu erhalten, mit dem die Wicklungen 44 der zu bestromenden Statorelemente 34 bestromt werden.
-
Aus 23 wird deutlich, dass der optimierte Stromfaktor oft von 1 abweicht, was die Welligkeit des erzeugten Gesamtdrehmoments verdeutlicht, wenn keine Stromkorrektur vorgenommen werden würde.
-
In 24 sind die Verläufe der optimierten Stromfaktoren für alle Phasen bei einem Basisstrom von 3 A dargestellt. Es sind insgesamt fünf Stromphasen bei dem Reluktanzmotor 30 vorgesehen, wobei die entsprechenden Stromphasen aus dem in 23 gezeigten Verlauf der optimierten Stromfaktoren für eine einzige Phase hergeleitet werden können. Hierzu werden die entsprechenden Stromphasen unter Beachtung einer Rotorwinkelverschiebung von 4,5° übernommen. Dies entspricht beispielsweise einem Stator 32 mit vier Segmenten 48, wobei jedes Segment 48 fünf gleichmäßig verteilt angeordnete Statorelemente 34 aufweist (siehe 20). Das heißt die einzelnen Stränge bzw. Statorelemente 34 einer Stromphase sind um 4,5 ° zueinander versetzt angeordnet.
-
Das sich hieraus ergebende Gesamtdrehmoment ist in 25 gezeigt, wobei die Drehmomentwelligkeit zwischen 0,5 % und maximal 3 % beträgt.
-
In den 26 und 27 sind zwei andere Verläufe von optimierten Stromfaktoren für unterschiedliche Basisströme dargestellt. In 26 entspricht der Verlauf der optimierten Stromfaktoren einem Basisstrom von 5 A, wohingegen der Verlauf der optimierten Stromfaktoren in 27 einem Basisstrom von 7 A entspricht.
-
Ein Vergleich der Verläufe der 23, 26 und 27 verdeutlicht, dass die Stromfaktoren abhängig vom Basisstrom sind. Daher sind im Speicher 52 für verschiedene Basisströme jeweils unterschiedliche Wertetabellen hinterlegt.
-
In 28 ist ein Ablaufschema dargestellt, aus dem hervorgeht, wie die einzelnen Daten für eine Wertetabelle ermittelt werden, die in dem Speicher 52 hinterlegt sind.
-
Hierbei werden zunächst der Rotorwinkel auf 0 ° und ein konstanter Phasenstrom eingestellt. Anschließend wird das hierdurch erzeugte Drehmoment erfasst. Anschließend wird der Phasenstrom um einen gewissen Betrag erhöht und wiederum das erzeugte Drehmoment erfasst. Dies wird so oft wiederholt, bis ein maximaler Phasenstrom erreicht ist.
-
Anschließend wird der Rotorwinkel um einen vorbestimmten Wert erhöht, beispielsweise 0,25 °, und die Drehmomente für verschiedene Stromwerte erfasst. Dies wird für so viele verschiedene Rotorwinkel gemacht, bis eine vollständige Stromphase abgedeckt ist.
-
Hieraus ergibt sich eine Drehmomentkennlinie für den Phasenstrom, aus der die Stromfaktoren für ein Soll-Drehmoment ermittelt werden können, die zur Korrektur des Basisstroms bei einem bestimmten Soll-Drehmoment dienen.
-
Die Stromfaktoren für die weiteren Stromphasen können entsprechend der Anzahl der Stromphasen über eine winkelversetzte Auswertung der Stromfaktoren für die eine Stromphase abgeleitet werden.
-
Die Ansteuerelektronik 50 kann insbesondere die Umrechnung der Stromfaktoren für die weiteren Stromphasen durchführen.
-
Ferner erkennt die Ansteuerelektronik 50 die Rotorwinkelposition des Rotors 40 und wählt einen dem Rotorpositionswinkel zugeordneten Stromfaktor aus der im Speicher 52 hinterlegten Wertetabelle aus, mit dem der Basisstrom multipliziert wird, um einen Erregungsstromwert zu erhalten, der den Wicklungen 44 der zu bestromenden Statorelemente 34 zugeführt wird. Hierdurch ergibt sich eine Bestromung der Wicklungen 44, mit der ein möglichst gleichmäßiges Drehmoment des Rotors 40 erreicht wird.
-
Die Wahl der Stromfaktoren erfolgt insbesondere in Abhängigkeit des gewünschten Soll-Drehmoments des Reluktanzmotors 30. Wobei die Werte für mehrere Soll-Drehmoment in einer Matrix hinterlegt sein können oder für jedes Soll-Drehmoment bei einem bestimmten Basisstrom eine entsprechende Wertetabelle erstellt wird, die dann zweispaltig ausgebildet ist.
-
Die gewählte Zuordnung von Basisstrom und Drehmoment ermöglicht die in der Praxis wichtige Betriebsart Drehmomentregelung bzw. Drehmomentvorgabe.
-
Die Ansteuerelektronik 50 weist vorzugsweise einen Stromregler auf, über den der an die Wicklungen 44 angelegte Erregungsstrom auf den zuvor berechneten Erregungsstromwert geregelt wird.
