DE102020104647A1 - Reluctance motor with three-phase current and system - Google Patents
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Abstract
Es wird ein geschalteter Reluktanzmotor bereitgestellt. Der Reluktanzmotor umfasst einen Rotor, wobei der Rotor eine Mehrzahl von bezüglich eines Umfangs des Rotors regelmäßig angeordneten hervorstehenden Rotorzähnen umfasst. Zudem umfasst der Reluktanzmotor einen Stator, der zumindest zwei Statorsegmente umfasst, wobei jedes Statorsegment zumindest ein Statorelement umfasst. Die Statorelemente sind voneinander magnetisch entkoppelt. Jedes Statorelement umfasst zumindest zwei hervorstehende Statorzähne, wobei jeder Statorzahn mit zumindest einer dem jeweiligen Statorelement zugeordneten Wicklung zusammenwirkt. Die Wicklungen sind mit einem elektrischen Strom derart beaufschlagbar, dass von den jeweiligen Statorzähnen eines jeweiligen Statorelements ausgehende magnetische Felder erzeugbar sind und ein auf den Rotor einwirkendes und eine Rotation des Rotors bewirkendes Drehmoment hervorrufbar ist. Die Wicklungen der Statorelemente werden zum Antrieb des Reluktanzmotors mit einem Drehstrom beaufschlagt. Die Statorsegmente sind derart bezüglich eines Umfangs des Stators angeordnet, dass im Normalbetrieb des Reluktanzmotors zumindest ein erstes Statorsegment mit einer Halbwelle einer ersten Polarität des Drehstroms und zumindest ein zweites Statorsegment mit einer Halbwelle einer zweiten der ersten Polarität entgegengesetzten Polarität des Drehstroms beaufschlagt werden.A switched reluctance motor is provided. The reluctance motor comprises a rotor, the rotor comprising a plurality of protruding rotor teeth arranged regularly with respect to a circumference of the rotor. In addition, the reluctance motor comprises a stator which comprises at least two stator segments, wherein each stator segment comprises at least one stator element. The stator elements are magnetically decoupled from one another. Each stator element comprises at least two protruding stator teeth, each stator tooth cooperating with at least one winding assigned to the respective stator element. An electric current can be applied to the windings in such a way that magnetic fields emanating from the respective stator teeth of a respective stator element can be generated and a torque acting on the rotor and causing a rotation of the rotor can be produced. A three-phase current is applied to the windings of the stator elements to drive the reluctance motor. The stator segments are arranged with respect to a circumference of the stator in such a way that, during normal operation of the reluctance motor, at least one first stator segment is acted upon with a half-wave of a first polarity of the three-phase current and at least one second stator segment with a half-wave of a second polarity of the three-phase current opposite to the first polarity.
Description
GEBIET DER ERFINDUNGFIELD OF THE INVENTION
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Reluktanzmotor mit Drehstrom und ein System.The present invention relates to a three-phase reluctance motor and system.
TECHNISCHER HINTERGRUNDTECHNICAL BACKGROUND
Ein geschalteter Reluktanzmotor des Stands der Technik umfasst einen Stator und einen Rotor. Der Stator umfasst Statorzähne, denen zumindest eine Wicklung zugeordnet ist und die mit einem elektrischen Strom beaufschlagt werden können, wodurch ein magnetisches Feld erzeugt wird. Die Statorzähne wirken mittels der magnetischen Felder mit korrespondierenden Rotorzähnen zusammen, wodurch ein resultierendes Drehmoment bewirkt wird, das zur Rotation des Rotors und damit dem Antrieb des Motors führt. Das durch die magnetische Wechselwirkung erzeugte Drehmoment weist verglichen mit bekannten Drehfeldmotoren mit kontinuierlich umlaufendem Drehfeld konstruktionsbedingt eine höhere Drehmomentwelligkeit auf. Die Drehmomentwelligkeit ist von der relativen Position der Statorzähne und Rotorzähne abhängig. Das bedeutet, dass die vom Reluktanzmotor erzielte Leistung gewissen Schwankungen unterliegt.A prior art switched reluctance motor includes a stator and a rotor. The stator comprises stator teeth, which are assigned at least one winding and which can be subjected to an electric current, whereby a magnetic field is generated. The stator teeth interact with corresponding rotor teeth by means of the magnetic fields, whereby a resultant torque is brought about, which leads to the rotation of the rotor and thus the drive of the motor. The torque generated by the magnetic interaction has a higher torque ripple due to the design compared to known rotating field motors with a continuously rotating rotating field. The torque ripple depends on the relative position of the stator teeth and rotor teeth. This means that the power achieved by the reluctance motor is subject to certain fluctuations.
Es ist bekannt, einen Winkelversatz von zumindest einigen Statorzähnen derart vorzusehen, dass die Bestromung unterschiedlicher Statorzähne und die Überdeckung der Statorzähne mit korrespondierenden Rotorzähnen zu unterschiedlichen Zeitpunkten stattfindet. Dadurch kann die Drehmomentwelligkeit reduziert werden. Allerdings ist für eine Bestromung der Wicklungen der Statorzähne zu unterschiedlichen Zeitpunkten jeweils eine unabhängige Leistungsendstufe erforderlich, um die unterschiedlichen Einschaltzeitpunkte realisieren zu können. Die entsprechenden zusätzlichen Leistungsendstufen verursachen jedoch hohe Kosten für das Gesamtsystem bestehend aus Reluktanzmotor und Leistungselektronik.It is known to provide an angular offset of at least some stator teeth in such a way that the energization of different stator teeth and the overlap of the stator teeth with corresponding rotor teeth take place at different times. This can reduce the torque ripple. However, an independent power output stage is required for energizing the windings of the stator teeth at different times in order to be able to implement the different switch-on times. However, the corresponding additional power output stages cause high costs for the overall system consisting of reluctance motor and power electronics.
ZUSAMMENFASSUNGSUMMARY
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, die Nachteile von bekannten geschalteten Reluktanzmotoren auszuräumen oder zumindest zu verringern.It is an object of the invention to eliminate or at least reduce the disadvantages of known switched reluctance motors.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst.The object is achieved according to the invention by the subjects of the independent claims.
Es wird unter anderem ein Reluktanzmotor bereitgestellt. Das kann ein geschalteter Reluktanzmotor sein. Der Reluktanzmotor kann einen Rotor umfassen. Der Rotor kann eine Mehrzahl von bezüglich eines Umfangs des Rotors regelmäßig angeordneten hervorstehenden Rotorzähnen umfassen. Der Reluktanzmotor kann auch einen Stator umfassen. Der Stator kann zumindest zwei Statorsegmente umfassen. Jedes Statorsegment kann zumindest ein Statorelement umfassen. Die Statorelemente können voneinander magnetisch entkoppelt sind. Jedes Statorelement kann zumindest zwei hervorstehende Statorzähne (Schenkel) umfassen. Jeder Statorzahn kann mit zumindest einer dem jeweiligen Statorelement zugeordneten Wicklung zusammenwirken. Die Wicklungen können mit einem elektrischen Strom derart beaufschlagbar sein, dass von den jeweiligen Statorzähnen eines jeweiligen Statorelements ausgehende magnetische Felder erzeugbar sind und ein auf den Rotor einwirkendes und eine Rotation des Rotors bewirkendes Drehmoment hervorrufbar ist. Die Wicklungen der Statorelemente können zum Antrieb des Reluktanzmotors mit einem Drehstrom beaufschlagt werden. Die Statorsegmente können derart bezüglich eines Umfangs des Stators angeordnet sein, dass im Normalbetrieb des Reluktanzmotors zumindest ein erstes Statorsegment mit einer Halbwelle einer ersten Polarität des Drehstroms und zumindest ein zweites Statorsegment mit einer Halbwelle einer zweiten der ersten Polarität entgegengesetzten Polarität des Drehstroms beaufschlagt werden. Der so eingerichtete Reluktanzmotor ermöglicht es, lediglich eine einzige Leistungsendstufe zu nutzen und gleichzeitig dennoch eine vorteilhafte Reduzierung der Drehmomentwelligkeit zu bewirken.Among other things, a reluctance motor is provided. This can be a switched reluctance motor. The reluctance motor can include a rotor. The rotor can comprise a plurality of protruding rotor teeth which are regularly arranged with respect to a circumference of the rotor. The reluctance motor can also include a stator. The stator can comprise at least two stator segments. Each stator segment can comprise at least one stator element. The stator elements can be magnetically decoupled from one another. Each stator element can comprise at least two protruding stator teeth (legs). Each stator tooth can interact with at least one winding assigned to the respective stator element. An electric current can be applied to the windings in such a way that magnetic fields emanating from the respective stator teeth of a respective stator element can be generated and a torque acting on the rotor and causing a rotation of the rotor can be produced. A three-phase current can be applied to the windings of the stator elements to drive the reluctance motor. The stator segments can be arranged with respect to a circumference of the stator in such a way that, during normal operation of the reluctance motor, at least one first stator segment is acted upon with a half-wave of a first polarity of the three-phase current and at least one second stator segment with a half-wave of a second polarity of the three-phase current opposite to the first polarity. The reluctance motor set up in this way makes it possible to use only a single power output stage and at the same time to bring about an advantageous reduction in the torque ripple.
Im Sinne der vorliegenden Patentanmeldung ist dabei unter einer Leistungsendstufe eine elektronische Komponente zu verstehen, mittels der eine Leistungsversorgung einer Wicklung oder eines elektrisch verbundenen Wicklungsstrangs bereitgestellt werden kann. Insofern kann eine Leistungsendstufe als Sammelbegriff der elektronischen Stromversorgung der Wicklungen des Motors angesehen werden. Die Leistungsendstufe kann intern mehrere äquidistant aufgebaute Kanäle entsprechend der gewünschten Phasenanzahl des Systems umfassen. Die n-phasige Leistungsendstufe kann ein Teil eines Wechselrichters sein, um die Wicklungen von n unterschiedlichen Phasen mit elektrischer Energie zu versorgen. Der Wechselrichter kann leistungselektronische Schalter umfassen, z.B. Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGBTs).In the context of the present patent application, a power output stage is to be understood as an electronic component by means of which a power supply for a winding or an electrically connected winding strand can be provided. In this respect, a power output stage can be viewed as a collective term for the electronic power supply of the motor windings. The power output stage can internally comprise several equidistant channels according to the desired number of phases of the system. The n-phase power output stage can be part of an inverter in order to supply the windings of n different phases with electrical energy. The inverter can comprise power electronic switches, e.g. bipolar transistors with insulated gate electrodes (IGBTs).
Der Reluktanzmotor kann ein Außenläufermotor mit einem Rotor sein, der umfänglich um den Stator angeordnet ist. Der Reluktanzmotor kann auch ein Innenläufermotor sein.The reluctance motor can be an external rotor motor with a rotor which is arranged circumferentially around the stator. The reluctance motor can also be an internal rotor motor.
Durch ein Statorsegment kann ein Statorpol ausgebildet sein. Die Statorpole können umfangsmäßig zumindest paarweise symmetrisch, insbesondere diametral angeordnet sein. Je nach Betrachtungsweise kann ein Statorpol auch durch ein Statorelement ausgebildet sein.A stator pole can be formed by a stator segment. The stator poles can be arranged circumferentially at least in pairs symmetrically, in particular diametrically. Depending on the point of view, a stator pole can also be formed by a stator element.
Der Reluktanzmotor kann zumindest ein drittes Statorsegment und ein viertes Statorsegment umfassen. Das dritte Statorsegment kann mit dem ersten Statorsegment elektrisch parallel geschaltet sein. Das vierte Statorsegment kann mit dem zweiten Statorsegment elektrisch parallel geschaltet sein. Dadurch kann vorteilhaft das erzielbare Drehmoment erhöht werden, ohne das die Komplexität des elektrischen Versorgungskreises zunimmt.The reluctance motor can comprise at least a third stator segment and a fourth stator segment. The third stator segment can be connected electrically in parallel with the first stator segment. The fourth stator segment can be connected electrically in parallel with the second stator segment. As a result, the achievable torque can advantageously be increased without increasing the complexity of the electrical supply circuit.
Jedes Statorsegment kann eine erste Anzahl voneinander beabstandeter Statorelemente umfassen. Der Drehstrom kann eine zweite Anzahl an Phasen umfassen. Die erste Anzahl kann ein Vielfaches der zweiten Anzahl sein. Insbesondere kann die erste Anzahl auch gleich der zweiten Anzahl sein. Weiter kann die erste Anzahl und die zweite Anzahl drei sein. Für einen n-phasigen Drehstrom können zur elektrischen Versorgung n Leistungsendstufen benötigt werden. Ein Statorsegment mit drei Statorelementen, die entsprechend dreiphasig bestromt werden, kann die Festlegung einer eindeutigen Drehrichtungszuordnung entsprechend der Bestromung ermöglichen. Die Mehrphasigkeit des Drehstroms ermöglicht einerseits das erzielbare Drehmoment weiter zu erhöhen, aber dabei die Drehmomentwelligkeit gegenüber einer entsprechenden Blockbestromungskonfiguration vorteilhaft zu reduzieren. Auch kann die Anzahl der Statorelemente an die Phasenanzahl angepasst sein, falls letztere nicht drei sein sollte. Dies führt wiederum zu einer Reduktion der Drehmomentwelligkeit.Each stator segment can include a first number of spaced apart stator elements. The three-phase current can comprise a second number of phases. The first number can be a multiple of the second number. In particular, the first number can also be equal to the second number. Furthermore, the first number and the second number can be three. For an n-phase three-phase current, n power output stages can be required for the electrical supply. A stator segment with three stator elements, which are accordingly supplied with three-phase current, can enable a clear assignment of the direction of rotation to be established in accordance with the current supply. The multiphase nature of the three-phase current makes it possible, on the one hand, to increase the achievable torque further, but to advantageously reduce the torque ripple compared to a corresponding block energization configuration. The number of stator elements can also be adapted to the number of phases if the latter should not be three. This in turn leads to a reduction in torque ripple.
Für jede Phase des Drehstroms kann zumindest eine Wicklung eines Statorelements für jedes Statorsegment mit dieser Phase des Drehstroms beaufschlagt werden. Der Drehstrom kann insbesondere drei Phasen umfassen. Die Phasen des Drehstroms können untereinander eine Phasenverschiebung von ±120° aufweisen. Im Falle von einer größeren Phasenanzahl ergibt sich die Phasenverschiebung entsprechend. Dadurch wird die Gleichförmigkeit des bewirkten Drehmoments erhöht bzw. die Drehmomentwelligkeit reduziert.For each phase of the three-phase current, this phase of the three-phase current can be applied to at least one winding of a stator element for each stator segment. The three-phase current can in particular comprise three phases. The phases of the three-phase current can have a phase shift of ± 120 °. In the case of a larger number of phases, the phase shift results accordingly. This increases the uniformity of the torque produced or reduces the torque ripple.
Die beabstandeten Statorelemente können einen Winkelversatz entlang eines Umfangs des Stators zueinander derart aufweisen, dass durch die unterschiedlichen Statorelemente bewirkte richtungsbehaftete Induktivitätsänderungen bezüglich des auf den Rotor einwirkenden Drehmoments gleich sind. Insbesondere können benachbarte Statorelemente einen derartigen Winkelversatz aufweisen. Das bedeutet, dass der Winkelversatz der Statorelemente bezüglich der korrespondierenden Rotorzähne derart sein kann, dass alle Statorzähne im Falle der Bestromung der jeweils zugeordneten Wicklung vorteilhaft eine gleiche Wirkung auf den Rotor ausüben. In anderen Worten kann der Winkelversatz zwischen den Statorelementen derart sein, dass gleiche Drehmomente durch die Statorelemente bewirkt werden, obwohl die zugeordneten Wicklungen mit unterschiedlichen Phasen des Drehstroms beaufschlagt werden. Der Winkelversatz der Statorelemente kann also an die Phasenverschiebung zwischen den Phasen des Drehstroms im Normalbetrieb angepasst sein. Der Winkelversatz bewirkt, dass die Statorzähne der jeweiligen Statorelemente nicht gleichzeitig mit korrespondierenden Rotorzähnen fluchten. Dadurch wird die Drehmomentwelligkeit weiter reduziert.The spaced-apart stator elements can have an angular offset to one another along a circumference of the stator such that directional changes in inductance caused by the different stator elements are the same with regard to the torque acting on the rotor. In particular, adjacent stator elements can have such an angular offset. This means that the angular offset of the stator elements with respect to the corresponding rotor teeth can be such that all stator teeth advantageously exert the same effect on the rotor in the event that the respectively assigned winding is energized. In other words, the angular offset between the stator elements can be such that the same torques are brought about by the stator elements, although the associated windings are subjected to different phases of the three-phase current. The angular offset of the stator elements can therefore be adapted to the phase shift between the phases of the three-phase current in normal operation. The angular offset has the effect that the stator teeth of the respective stator elements are not aligned with the corresponding rotor teeth at the same time. This further reduces the torque ripple.
Generell werden im Betrieb des Reluktanzmotors durch die verschiedenen Wechselwirkungen der Rotorzähne mit Statorzähnen Oberwellen des Drehmoments angeregt. Diesbezüglich kann der Winkelversatz der Statorelemente auch derart angepasst sein, dass bestimmte Oberwellen des generierten Drehmoments ausgelöscht werden können. Vorteilhafterweise kann der Reluktanzmotor also eingerichtet sein, bestimmte Oberwellen auszulöschen.In general, when the reluctance motor is in operation, the various interactions between the rotor teeth and the stator teeth excite torque harmonics. In this regard, the angular offset of the stator elements can also be adapted in such a way that certain harmonics of the generated torque can be canceled out. The reluctance motor can therefore advantageously be set up to cancel certain harmonics.
Zwischen Spannung und Strom kann für jede Phase des Drehstroms eine Phasenverschiebung vorhanden sein. Die Spannung kann jeweils voreilend im Spannungsmaximum für die entsprechende Phase des Drehstroms derart eingeprägt werden, dass ein Stromfluss bei nicht-überdeckender (unausgerichteter) Zahnstellung zwischen den Rotorzähnen und den Statorzähnen beginnt und bei vollständig-überdeckender (ausgerichteter) Zahnstellung endet. Ein Verzögerungswinkel zwischen Spannung und Strom kann insbesondere mehr als 85° und weniger als 90°, jeweils bezogen auf den Nulldurchgang, betragen. Die Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung kann aus ohmschen und induktiven Komponenten der Wicklungen der Statorelemente resultieren. Nachteilige Auswirkungen dieser Komponenten können durch die voreilende Spannungseinprägung vermieden werden. Der annähernd dreieckförmige Verlauf des resultierenden Induktivitätsverlaufs führt zu einer sehr geringen Drehmomentwelligkeit. Dadurch wird auch die Geräuscherzeugung verringert.There can be a phase shift between voltage and current for each phase of the three-phase current. The voltage can be applied leading in the voltage maximum for the corresponding phase of the three-phase current in such a way that a current flow begins with a non-overlapping (misaligned) tooth position between the rotor teeth and the stator teeth and ends with a completely overlapping (aligned) tooth position. A delay angle between voltage and current can in particular be more than 85 ° and less than 90 °, in each case based on the zero crossing. The phase shift between current and voltage can result from ohmic and inductive components of the windings of the stator elements. Detrimental effects of these components can be avoided by the leading voltage impression. The approximately triangular shape of the resulting inductance curve leads to a very low torque ripple. This also reduces the generation of noise.
Die Beaufschlagung einer einem Statorelement zugeordneten Wicklung mit dem Drehstrom kann dann aktiviert werden, wenn die Statorzähne des Statorelements nicht fluchtend (unausgerichtet bzw. nicht-überdeckend) mit korrespondierenden Rotorzähnen angeordnet sind. Dadurch wird die Zeitspanne, in der die Bestromung der Wicklung mit dem Drehstrom aufrechterhalten werden kann, maximiert, wodurch die Leistungsausbeute des Reluktanzmotors verbessert wird.The application of the three-phase current to a winding assigned to a stator element can be activated if the stator teeth of the stator element are not aligned (misaligned or non-overlapping) with corresponding rotor teeth. As a result, the time span in which the current can be supplied to the winding with the three-phase current is maximized, as a result of which the power output of the reluctance motor is improved.
Eine Breite aller Rotorzähne und aller zwischen den Rotorzähnen angeordneten Rotorzahnlücken kann gleich sein. Die Statorelemente können bezüglich des Rotors einen Winkelversatz entlang des Umfangs des Stators zueinander derart aufweisen, dass der Winkelversatz ±1/3 einer Periodendauer des Rotors im Normalbetrieb des Rotors entspricht. Die Periodendauer des Rotors kann eine Zeitspanne sein, in der der Rotor entsprechend einem Winkel einer Breite eines Rotorzahns und einer Breite einer benachbarten Rotorzahnlücke rotiert. Für einen Drehstrom mit drei Stromphasen, die jeweils 120° phasenversetzt sind, wird dadurch die Gleichförmigkeit des bewirkten Drehmoments verbessert.A width of all rotor teeth and all rotor tooth gaps arranged between the rotor teeth can be the same. With respect to the rotor, the stator elements can be offset angularly with respect to one another along the circumference of the stator in this way have that the angular offset corresponds to ± 1/3 of a period duration of the rotor in normal operation of the rotor. The period duration of the rotor can be a time span in which the rotor rotates in accordance with an angle of a width of a rotor tooth and a width of an adjacent rotor tooth gap. For a three-phase current with three current phases, which are each 120 ° out of phase, this improves the uniformity of the torque produced.
Der Reluktanzmotor kann eine Vielzahl von Statorsegmenten umfassen. Die Anzahl an Statorsegmenten kann ein Vielfaches von zwei sein. Dadurch kann das erzielbare Drehmoment weiter erhöht werden.The reluctance motor can include a plurality of stator segments. The number of stator segments can be a multiple of two. As a result, the achievable torque can be increased further.
Für eine Anzahl an Statorsegmenten größer oder gleich vier können die Statorsegmente paarweise bezüglich des Umfangs des Stators diametral zueinander angeordnet sein. Paare von Statorsegmenten können einen Winkelversatz entlang des Umfangs des Stators bezüglich der jeweils übrigen Paare von Statorsegmenten derart aufweisen, dass durch die Statorelemente der unterschiedlichen Statorsegmente bewirkte richtungsbehaftete Induktivitätsänderungen bezüglich des auf den Rotor einwirkenden Drehmoments gleich sind. In anderen Worten kann ein erstes Paar von Statorsegmenten einen Winkelversatz entlang des Umfangs des Stators bezüglich eines zweiten Paars von Statorsegmenten derart aufweisen, dass der Winkelversatz ±1/2 der Periodendauer des Rotors im Normalbetrieb des Rotors entspricht. Dadurch können diametral angeordnete Statorsegmente und/oder Statorelemente mit den entsprechenden Anteilen einer einzigen Drehstromquelle bestromt werden, so dass vorteilhafterweise eine zusätzliche Leistungsendstufe eingespart werden kann. Dementsprechend können die Statorsegmente, die diametral angeordnet sind, in einer Reihen- und/oder Parallelschaltung eingerichtet sein. Zudem können vorteilhafterweise Radialkräfte auf den Rotor vermieden werden.For a number of stator segments greater than or equal to four, the stator segments can be arranged in pairs diametrically to one another with respect to the circumference of the stator. Pairs of stator segments can have an angular offset along the circumference of the stator with respect to the remaining pairs of stator segments in such a way that directional changes in inductance caused by the stator elements of the different stator segments are the same with regard to the torque acting on the rotor. In other words, a first pair of stator segments can have an angular offset along the circumference of the stator with respect to a second pair of stator segments such that the angular offset corresponds to ± 1/2 of the period of the rotor during normal operation of the rotor. As a result, diametrically arranged stator segments and / or stator elements can be energized with the corresponding proportions of a single three-phase current source, so that advantageously an additional power output stage can be saved. Accordingly, the stator segments, which are arranged diametrically, can be set up in a series and / or parallel connection. In addition, radial forces on the rotor can advantageously be avoided.
Eine Beaufschlagung der Wicklungen einzelner Statorsegmente mit dem Drehstrom kann in Abhängigkeit von Betriebsmodi des Reluktanzmotors unterbrochen werden. Dadurch kann die Leistungsausgabe des Reluktanzmotors an die jeweiligen Bedürfnisse angepasst werden, falls beispielsweise die Homogenität und/oder der Absolutwert der ausgegebenen Leistung für den jeweiligen Betriebsmodus von untergeordneter Rolle ist. Die Leistungsausgabe kann insbesondere in Abhängigkeit einer der folgenden Betriebskonfigurationen erfolgen: eines Motorbetriebsmodus, eines Generatorbetriebsmodus, eines Bremsbetriebsmodus, eines Notbetriebsmodus, eines Überlastbetriebsmodus, einer Optimierung oder einem gewünschten Wirkungsgrad, einer Überlast im Überlastfall, sowie für den Anlauf und/oder das Abbremsen des Reluktanzmotors. Zudem kann dadurch eine Redundanz bereitgestellt werden und ein Notbetrieb im Fehlerfall ermöglicht werden.Applying the three-phase current to the windings of individual stator segments can be interrupted depending on the operating modes of the reluctance motor. As a result, the power output of the reluctance motor can be adapted to the respective requirements if, for example, the homogeneity and / or the absolute value of the output power is of secondary importance for the respective operating mode. The power output can in particular take place as a function of one of the following operating configurations: a motor operating mode, a generator operating mode, a braking operating mode, an emergency operating mode, an overload operating mode, an optimization or a desired efficiency, an overload in the event of an overload, as well as for starting and / or braking the reluctance motor . In addition, this can provide redundancy and enable emergency operation in the event of a fault.
Der Drehstrom kann einen im Wesentlichen sinusförmigen Verlauf aufweisen. Dadurch wird die Drehmomentwelligkeit weiter reduziert.The three-phase current can have an essentially sinusoidal profile. This further reduces the torque ripple.
Der Stator kann mehrere separate Statorkomponenten umfassen. Jede Statorkomponente kann zumindest ein Statorsegment umfassen. Der Stator kann um zusätzliche Statorkomponenten modular erweiterbar sein. Dadurch kann der Reluktanzmotor nach den jeweiligen Bedürfnissen in Bezug auf das erzielbare Drehmoment angepasst werden.The stator can comprise several separate stator components. Each stator component can comprise at least one stator segment. The stator can be modularly expandable with additional stator components. As a result, the reluctance motor can be adapted according to the respective needs with regard to the achievable torque.
Um Platz zu sparen, können zu einem Statorsegment zugehörende Statorelemente auch über den Umfang des Stators verteilt werden. Das bedeutet, dass die Statorelemente derart verteilt werden können, dass sie nicht mehr benachbart angeordnet sind. Dadurch kann zwar im Allgemeinen ein erhöhter Arbeitsaufwand bei der Installation anfallen, die über den Umfang verteilten Statorelemente können aber durch eine geschickte Positionierung enger zusammengesetzt werden (geringe Abstände untereinander aufweisen), als wenn sie segmentweise zusammengefasst sind. Auch in dieser Konfiguration können die Schaltfolgen und die Vorteile der Modularität und Ausfallsicherheit beibehalten werden. Falls der zur Verfügung stehende Platz aber begrenzt ist, kann die Effizienz der Raumnutzung aber dadurch verbessert werden.In order to save space, stator elements belonging to a stator segment can also be distributed over the circumference of the stator. This means that the stator elements can be distributed in such a way that they are no longer arranged adjacently. Although this can generally result in increased workload during installation, the stator elements distributed over the circumference can be put together more closely (have small distances between them) than if they are grouped together in segments through clever positioning. The switching sequences and the advantages of modularity and reliability can also be retained in this configuration. However, if the available space is limited, this can improve the efficiency of the use of space.
Eine Frequenz f des Drehstroms kann basierend auf einer Rotorzahnanzahl Az und einer Drehzahl n des Rotors bestimmbar sein. Die Frequenz f des Drehstroms kann insbesondere bestimmbar sein als f = Az . n. Dadurch wird die Leistungsausbeute vorteilhaft je nach Betriebsmodus verbessert. Die Frequenz des Drehstroms kann insbesondere an die Drehzahl des Rotors angepasst sein.A frequency f of the three-phase current can be determined based on a number of rotor teeth Az and a speed n of the rotor. The frequency f of the three-phase current can in particular be determined as f = Az. As a result, the power output is advantageously improved depending on the operating mode. The frequency of the three-phase current can in particular be adapted to the speed of the rotor.
Der Reluktanzmotor kann einen Rotorlagegeber oder einen anderen Sensor umfassen, um die Position des Rotors und/oder die Drehzahl des Rotors bestimmen zu können. Dazu kann eine Datenverarbeitungseinheit vorgesehen sein. Durch den Rotorlagegeber kann auch bestimmbar sein, wann die Bestromung eines Statorelements aktiviert und/oder deaktiviert wird.The reluctance motor can comprise a rotor position encoder or another sensor in order to be able to determine the position of the rotor and / or the speed of the rotor. A data processing unit can be provided for this purpose. The rotor position encoder can also determine when the energization of a stator element is activated and / or deactivated.
Ein Statorsegment umfassend drei Statorelemente kann auf Basis von 7 oder mehr Rotorzähnen ausgebildet sein, vorzugsweise auf Basis von 8, weiter vorzugsweise auf Basis von 9 Rotorzähnen. In jedem Fall kann die Auslegung aber auch auf mehr Rotorzähnen stattfinden, beispielsweise 12, 15, 20 oder bis zu 30. A stator segment comprising three stator elements can be formed on the basis of 7 or more rotor teeth, preferably on the basis of 8, more preferably on the basis of 9 rotor teeth. In any case, the design can also take place on more rotor teeth, for example 12, 15, 20 or up to 30.
Die Statorelemente können U-förmig ausgebildet sein, mit zwei parallelen Schenkeln und einem dazwischenliegenden Joch. Das Statorelement kann auch mehr als zwei Schenkel umfassen, beispielsweise drei. Dann kann das Statorelement E-förmig ausgebildet sein mit zwei Jochen.The stator elements can be U-shaped, with two parallel legs and a yoke in between. The stator element can also comprise more than two legs, for example three. Then the stator element can be E-shaped with two yokes.
Die zumindest eine dem Stator zugeordnete Wicklung kann als Jochwicklung ausgebildet sein. Dadurch wird für die Wicklung mehr Raum zur Verfügung gestellt. 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. Anstelle des Jochs, kann das Statorelement aber auch Wicklungen an mehreren Schenkeln umfassen. Die Wicklungen eines Statorelements können im Falle der Schenkelwicklungen als Reihenschaltung oder Parallelschaltung, vorzugsweise Reihenschaltung, ausgebildet sein.The at least one winding assigned to the stator can be designed as a yoke winding. This makes more space available for the winding. Production can thereby be simplified in an unconventional way, since only a single winding has to be arranged on the stator element. Furthermore, the individual stator elements can thereby be positioned closer to one another, which leads to a more compact structure of the stator. Instead of the yoke, however, the stator element can also comprise windings on several legs. In the case of leg windings, the windings of a stator element can be configured as a series connection or a parallel connection, preferably a series connection.
Die Wicklung kann in einfacher Weise bezüglich des verwendeten Materials und der Wicklungsanzahl an die Erfordernisse des Reluktanzmotors angepasst werden. Die Wicklungen können in einfacher Weise auf die Schenkel bzw. das Joch aufgeschoben werden. Bei Bestromung der Wicklung wird dann ein Magnetfeld im Material des Jochs und der Schenkel des Statorelements induziert. Das Magnetfeld tritt durch die Stirnflächen der Statorzähne, die generell korrespondierenden Rotorzähnen zugerichtet sind, heraus.The winding can be easily adapted to the requirements of the reluctance motor with regard to the material used and the number of windings. The windings can be pushed onto the legs or the yoke in a simple manner. When the winding is energized, a magnetic field is then induced in the material of the yoke and the legs of the stator element. The magnetic field emerges through the end faces of the stator teeth, which are generally aligned with corresponding rotor teeth.
Die Schenkel eines Statorelements können einen Abstand zueinander haben, der einem Rotorzahnabstand 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 der Statorelemente ist, desto größer sind die Flusswege durch das Statorelement, insbesondere dessen Joch. Hierdurch lässt sich jedoch der zur Verfügung stehende Wicklungsraum erhöhen.The legs of a stator element can have a spacing from one another which corresponds to a rotor tooth spacing or a multiple thereof. Depending on how large the distance between the legs is, the stator element has a corresponding size. The greater the distance between the legs of the stator elements, the greater the flux paths through the stator element, in particular its yoke. However, this allows the available winding space to be increased.
Die Schenkel eines Statorelements können auch in Richtung des Rotors aufeinander zulaufen. Die Schenkel eines Statorelements können also in radialer Richtung angeordnet sein, wobei ihre Längserstreckungsachse einen vordefinierten Winkel einschließt. Dadurch kann die Raumausnutzung verbessert werden.The legs of a stator element can also converge towards one another in the direction of the rotor. The legs of a stator element can thus be arranged in the radial direction, with their longitudinal axis enclosing a predefined angle. This can improve the space utilization.
Ferner können die Statorzähne und/oder die Rotorzähne parallel zur Drehachse des Rotors ausgerichtet sein. Hierdurch ergibt sich eine vertikale Anordnung des Reluktanzmotors, bei der 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.Furthermore, the stator teeth and / or the rotor teeth can be aligned parallel to the axis of rotation of the rotor. This results in a vertical arrangement of the reluctance motor, in which additional axial forces can arise. These axial forces can be used to reduce the required bearing forces. The stator elements, in particular the legs or stator teeth, and / or the rotor teeth can in particular consist of a sintered material, for example sintered iron powder. Furthermore, a more compact design of the reluctance motor is possible due to the vertical arrangement or the parallel alignment to the axis of rotation of the rotor. Furthermore, this results in a higher flexural rigidity of both the rotor and the stator.
Die Statorzähne und/oder Rotorzähne können geblecht ausgeführt sein.The stator teeth and / or rotor teeth can be laminated.
Die magnetische Entkopplung zwischen den Statorelementen kann dadurch realisiert werden, dass nicht-magnetisches Material zwischen den Statorelementen angeordnet ist, zum Beispiel ein Kunststoff oder Aluminium. Die Statorelemente und/oder Statorsegmente können auch an einer Basiskomponente des Stators montiert sein, die aus nicht-magnetischen Material ausgebildet ist. Die Magnetflussentkopplung zwischen den Statorelementen ermöglicht vorteilhaft, die unabhängige Aktivierung der Wicklungen der unterschiedlichen Statorelemente, wobei vorteilhafterweise magnetische Streuströme (Verluste) zwischen den Statorelementen vermieden werden können. Eine Magnetflussentkopplung kann auch zwischen den Statorsegmenten vorgesehen sein.The magnetic decoupling between the stator elements can be realized in that non-magnetic material is arranged between the stator elements, for example a plastic or aluminum. The stator elements and / or stator segments can also be mounted on a basic component of the stator, which is formed from non-magnetic material. The magnetic flux decoupling between the stator elements advantageously enables the windings of the different stator elements to be activated independently, advantageously being able to avoid stray magnetic currents (losses) between the stator elements. A magnetic flux decoupling can also be provided between the stator segments.
Es wird auch ein System bereitgestellt. Das System kann zumindest einen geschalteten Reluktanzmotor der hierin beschriebenen Art und eine Leistungsendstufe, die einen Drehstrom zum Betrieb des geschalteten Reluktanzmotors bereitstellt, umfassen. Das derart eingerichtete System erfordert vorteilhafterweise zum Betrieb des Reluktanzmotors nur eine einzige Leistungsendstufe.A system is also provided. The system can comprise at least one switched reluctance motor of the type described herein and a power output stage which provides a three-phase current for operating the switched reluctance motor. The system set up in this way advantageously requires only a single power output stage to operate the reluctance motor.
Der Stator kann auch ein Doppelstator sein. Der Doppelstator kann einen Innenstator und einen Außenstator umfassen, zwischen denen der Rotor angeordnet ist. Bei dieser radialen Anordnung der Statoren, kann die Drehmomentwelligkeit weiter reduziert werden.The stator can also be a double stator. The double stator can comprise an inner stator and an outer stator, between which the rotor is arranged. With this radial arrangement of the stators, the torque ripple can be further reduced.
Der Rotor kann dann Innenrotorzähne und Außenrotorzähne umfassen, die jeweils Statorsegmenten des Innenstators bzw. des Außenstators zugeordnet sein können. Der Doppelstator kann aber auch in axialer Richtung angeordnet sein. In diesem Fall ist ein erster Stator oberhalb und ein zweiter Stator unterhalb des Rotors angeordnet, so dass vorteilhafterweise eine Platzersparnis in radialer Richtung erzielbar ist. In beiden Fällen können sich Innenrotorzähne und Außenrotorzähne gegenüberliegen oder einen Winkelversatz bezüglich des Umfangs des Rotors zueinander aufweisen.The rotor can then comprise inner rotor teeth and outer rotor teeth, which can each be assigned to stator segments of the inner stator or of the outer stator. The double stator can, however, also be arranged in the axial direction. In this case, a first stator is arranged above and a second stator below the rotor, so that advantageously space can be saved in the radial direction. In both cases, inner rotor teeth and outer rotor teeth can be opposite one another or have an angular offset with respect to the circumference of the rotor.
Der Doppelstator kann auch durch einzelne Klammer-artige Statorelemente ausgebildet sein, deren Schenkel dem Rotor von zwei gegenüberliegenden Seiten aus zugerichtet sind.The double stator can also be formed by individual clamp-like stator elements, the legs of which are aligned with the rotor from two opposite sides.
Innenstatorsegmente bzw. Innenstatorelemente können einen Winkelversatz gegenüber Außenstatorsegmenten bzw. Außenstatorelementen aufweisen. Dadurch kann die Drehmomentwelligkeit weiter reduziert werden. Es wird durch den Doppelstator ein zusätzlicher Freiheitsgrad in Bezug auf den Winkelversatz bereitgestellt. Der Doppelstator kann auch derart ausgebildet sein, falls nämlich Innenstatorzähne und Außenstatorzähne korrespondierende Positionen unterhalb bzw. oberhalb des Rotors aufweisen, dass dennoch lediglich eine einzelne Leistungsendstufe benötigt wird. In diesem Fall können die Innenstatorsegmente und die Außenstatorsegmente symmetrisch zueinander angeordnet sein.Inner stator segments or inner stator elements can have an angular offset with respect to outer stator segments or outer stator elements. As a result, the torque ripple can be further reduced. The double stator provides an additional degree of freedom with regard to the angular offset. The double stator can also be designed in such a way if, namely, inner stator teeth and outer stator teeth have corresponding positions below or above the rotor, that nevertheless only a single power output stage is required. In this case, the inner stator segments and the outer stator segments can be arranged symmetrically to one another.
Ist der Doppelstator als Innenstator und Außenstator ausgebildet, kann eine zusätzliche Reduzierung der Drehmomentwelligkeit dadurch erzielt werden, dass die Innenstatorzähne mit den korrespondierenden Innenrotorzähnen zu einem anderen Zeitpunkt überdecken als die Außenstatorzähne mit den korrespondierenden Außenrotorzähnen. Die unterschiedlichen Zeitpunkte der Überdeckung können in den unterschiedlichen radien-abhängigen Winkelgeschwindigkeiten der jeweiligen Stirnflächen der Rotorzähne begründet sein. Diese zusätzliche Reduktion der Drehmomentwelligkeit kann bei gleichen Zahnbreiten der Innenstatorzähne und Außenstatorzähne erzielt werden. Insbesondere ist hierbei keine Erhöhung der Anzahl der Leistungsendstufen erforderlich.If the double stator is designed as an inner stator and an outer stator, an additional reduction in torque ripple can be achieved in that the inner stator teeth overlap with the corresponding inner rotor teeth at a different point in time than the outer stator teeth with the corresponding outer rotor teeth. The different times of overlap can be due to the different radius-dependent angular speeds of the respective end faces of the rotor teeth. This additional reduction in torque ripple can be achieved with the same tooth widths of the inner stator teeth and outer stator teeth. In particular, no increase in the number of power output stages is required here.
Die Innenstatorzähne und die Außenstatorzähne können aber auch unterschiedliche Breiten aufweisen, die an die jeweiligen Effektivbreiten der Rotorinnenzähne und Rotoraußenzähne angepasst sein können. In diesem Fall kann der Abstand zwischen Schenkeln eines Außenstatorelements vom Abstand zwischen Schenkeln eines Innenstatorelements verschieden sein.The inner stator teeth and the outer stator teeth can, however, also have different widths, which can be adapted to the respective effective widths of the rotor inner teeth and rotor outer teeth. In this case, the distance between legs of an outer stator element can be different from the distance between legs of an inner stator element.
FigurenlisteFigure list
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1 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung eines Reluktanzmotors,-1 shows a simplified schematic representation of a reluctance motor, -
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2 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung beispielhafter Verläufe des Drehstroms und der bewirkten Induktivität,-2 shows a simplified schematic representation of exemplary curves of the three-phase current and the induced inductance, -
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3 zeigt eine weitere vereinfachte schematische Darstellung eines Reluktanzmotors,-3 shows another simplified schematic representation of a reluctance motor, -
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4a zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung eines Statorelements in nicht-überdeckender Position,-4a shows a simplified schematic representation of a stator element in a non-overlapping position, -
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4b zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung eines Statorelements in ausgerichteter Position,-4b shows a simplified schematic representation of a stator element in an aligned position, -
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5 zeigt eine weitere vereinfachte schematische Darstellung der bewirkten Induktivität,-5 shows a further simplified schematic representation of the induced inductance, -
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6a zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung eines Außenstatorelements und eines Innenstatorelements mit unterschiedlichen Überdeckungen,-6a shows a simplified schematic representation of an outer stator element and an inner stator element with different overlaps, -
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6b zeigt eine weitere vereinfachte schematische Darstellung eines Außenstatorelements und eines Innenstatorelements mit gleichen Überdeckungen.-6b shows a further simplified schematic representation of an outer stator element and an inner stator element with the same overlaps.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELEDETAILED DESCRIPTION OF THE EMBODIMENTS
Der Reluktanzmotor
Der Stator
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform umfasst ein Statorelement
Zwischen den Stirnflächen der Schenkel
Die Statorelemente
Zwischen benachbarten Statorsegmenten liegt ebenfalls ein Winkelversatz vor. Betrachtet man die jeweils mittleren Statorelemente
Die nicht gezeigten restlichen Statorsegmente sind paarweise mit den gezeigten Statorsegmenten
Im Allgemeinen kann die Anzahl an Statorsegmenten auch ungerade sein. Dann kann aber nur die Halbwelle des Drehstroms einer einzelnen Polarität zur Beaufschlagung genutzt werden.In general, the number of stator segments can also be odd. But then only the half-wave of the three-phase current of a single polarity can be used for application.
Generell werden die Wicklungen
Der Winkelversatz zwischen den Statorelementen
Der Winkelversatz Vs zwischen benachbarten Statorsegmenten
Die Wicklungen von diametral angeordneten Statorsegmenten werden hingegen gleichzeitig mit den entsprechenden Phasen
Die spezifische Anordnung ermöglicht es, dass dennoch für jegliche Statorelemente trotz der Nutzbarmachung positiver und negativer Halbwellen immer die gleiche Induktivitätsänderung erzielt wird (im Rahmen der üblichen Fertigungstoleranzen und systembedingten Abweichungen). Dies ist beispielhaft im unteren Diagramm
In einer beispielhaften Ausführung wird das mittlere Statorelement
Es ergeben sich gleiche Induktivitätsverläufe
Um die Drehmomentwelligkeit weiter zu reduzieren, kann der Winkelversatz zwischen benachbarten Statorsegmenten
Wiederum würden bei beiden Lösungen die Statorelemente
Entsprechend kann das Konzept auch auf Reluktanzmotoren
Zur Feststellung der Rotationsgeschwindigkeit umfasst der Reluktanzmotor geeignete Sensoren, beispielsweise einen Rotorlagegeber. To determine the speed of rotation, the reluctance motor includes suitable sensors, for example a rotor position encoder.
Der Reluktanzmotor
Der Rotor
Durch die Ausführung als Doppelstator wird durch den Reluktanzmotor
Die Ausführung als Doppelstator führt aber zu einem weiteren Effekt, der eine Reduzierung der Drehmomentwelligkeit bewirkt. Die beiden Luftspalte
Claims (15)
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DE102020104647.2A DE102020104647A1 (en) | 2020-02-21 | 2020-02-21 | Reluctance motor with three-phase current and system |
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