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Stand
der Technik
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Die
Erfindung geht aus von einer geschalteten Reluktanzmaschine, insbesondere
SR-Motor, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Geschaltete
Reluktanzmaschinen werden vorzugsweise als Antriebsmotoren, sog.
SR- (Switched Reluctance-) Motoren eingesetzt. Eine bekannte geschaltete
Reluktanzmaschine (
DE
40 08 606 A1 ,
1)
hat mehrere, sowohl auf dem Stator als auch auf dem Rotor angeordnete
Zähne oder
Pole. Während
der Rotor wicklungslos ist, ist die mehrphasige Statorwicklung in
konzentrierten Spulen auf jedem Statorpol aufgewickelt. Die einzelnen
Polwicklungen auf diametral gegenüberliegenden Statorpolen sind in
Reihe oder parallel geschaltet. Die Anzahl der Statorpolpaare entspricht
der Phasenzahl der Statorwicklung. Ein Motordrehmoment wird erzeugt,
indem der Strom in jeder Wicklungsphasen in einer fortlaufenden
Sequenz geschaltet wird, so dass sich eine magnetische Anziehungskraft
zwischen denjenigen Rotorpolen und Läuferpolen ergibt, die sich
beim Lauf des Rotors einander nähern.
Der Strom in jeder Wicklungsphase wird abgeschaltet, bevor die Rotorpole,
die den Statorpolen dieser Wicklungsphase am nächsten sind, sich an der ausgerichteten
Position vorbeidrehen. Das erzeugte Drehmoment ist von der Richtung
des Stromflusses unabhängig.
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Aus
Sicherheitsgründen
müssen
Antriebsmotoren fehlertolerant sein, d.h. sie müssen die Fähigkeit haben, bei Auftreten
eines elektrischen Fehlers mit einem Minimum an Leistungsverschlechterung
weiterzuarbeiten.
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Bei
einer bekannten, fehlertoleranten, geschalteten Reluktanzmaschine
(
DE 40 08 606 A1 ,
4) sind die Ständerpolwicklungen auf diametral gegenüberliegenden
Ständerpolen
durch separate Schaltvorrichtungen sequentiell erregt. Bei einem SR-Motor
mit n Phasen und k Ständerpolwicklungen pro
Phase (wobei k ≥ 2
ist) werden dabei k unabhängige
Schaltvorrichtungen mit n Phasenzweigen in jeder Schaltvorrichtung
benutzt. Diese Schaltvorrichtungen werden durch dieselbe Gleichstromquelle
gespeist oder, was bevorzugt wird, durch separate Gleichstromquellen,
um einen noch höheren
Grad an Fehlertoleranz zu erreichen. Bei Ausfall einer Ständerpolwicklung
sinkt in diesem Fall die mittlere Drehmomenterzeugung durch den
Motor nur auf ungefähr (n·k) – 1 / (n·k) des
normalen Wertes vor dem Auftreten der Störung in einer Ständerpolwicklung.
Bei der Auslegung der Maschine mit n=3 und k=2 beträgt also
das verbleibende Drehmoment noch 5/6 des ursprünglichen Drehmoments. Bei Ausfall
einer der separaten Gleichstromquellen wird noch die Hälfte des mittleren
Drehmoments erzeugt.
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Im
asymmetrischen Betrieb dieses SR-Motors, wenn also die Statorwicklung
nur von einer Gleichstromquelle aus bestromt wird, ergeben sich jedoch
unerwünschte,
asymmetrische Magnetflüsse, die
je nach Rotorstellung ein Anlaufen des Motors verhindern.
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Es
ist bereits ein SR-Motor mit einer Statorwicklung bekannt (Ki-Bong
Kim, "Toroidal Switched Reluctance
Motor", Proceedings
of the 3rd Small Motors and Servo Motors
International Conference (SMIC' 99),
Tokio, Japan, Oktober 1999, Seiten 57–60), die als sog. Toroidwicklung
ausgebildet ist. Die Statorpole sind hier ebenso wie die Rotorpole
unbewickelt. Die Statorwicklung setzt sich aus einzelnen Toroidspulen
zusammen, die auf den zwischen den Statorpolen vorhandenen Ringabschnitten
des Rückschlussrings
aufgewickelt sind. Jeder Wicklungsstrang weist zwei Toroidspulen
auf. von den drei Wicklungssträngen
werden jeweils zwei gleichzeitig erregt. Ein solcher SR-Motor ist
nicht fehlertolerant.
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Vorteile der
Erfindung
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Die
erfindungsgemäße, geschaltete
Reluktanzmaschine, insbesondere SR-Motor, mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass im Falle eines Fehlers in der
einen Statorwicklung der ordnungsgemäße Betrieb des Motors allein
mit der anderen Statorwicklung möglich
ist. Dabei ergeben sich keine Veränderungen in dem Verlauf des
magnetischen Flusses gegenüber
dem Normalbetrieb, in dem die Reluktanzmaschine mit beiden Statorwicklungen
betrieben wird, so dass auch im Betrieb mit nur einer Statorwicklung
ein sicherer Anlauf des SR-Motors gewährleistet ist.
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Durch
die in den weiteren Ansprüchen
aufgeführten
Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch
1 angegebenen Reluktanzmaschine möglich.
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Zeichnung
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Die
Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels
in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 einen Querschnitt eines
SR-Motors, schematisch dargestellt,
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2 ein Schaltbild einer Steuervorrichtung für den SR-Motor
in 1.
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Beschreibung
des Ausführungsbeispiels
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Der
in 1 schematisch im
Querschnitt dargestellte SR-Motor
(Switched Reluctance-Motor) als Ausführungsbeispiel für eine allgemeine
geschaltete Reluktanzmaschine, die auch ein Generator sein kann,
weist einen Stator 10 mit einer mehrphasigen oder mehrsträngigen Statorwicklung 12 sowie
einen wicklungslosen Rotor 11 auf. Der Stator 10 weist
ein den Rotor 11 konzentrisch umschließendes, ringförmig geschlossenes
Rückschlussjoch 13 auf,
an dem um gleiche Umfangswinkel zueinander versetzt angeordnete
Statorpole 14 radial nach innen abstehen. Die Statorwicklung 12 ist
auf die Statorpole 14 in Form von einzelnen konzentrierten
Ringspulen aufgewickelt. Im Ausführungsbeispiel
der 1 hat der SR-Motor n=3 Wicklungsphasen
oder Wicklungsstränge
und k=2 Ringspulen pro Phase, die auf einem Polpaar aufgewickelt sind,
das von zwei um 180° gegeneinander
versetzten, also diametral gegenüberliegenden
Statorpolen 14 gebildet ist. So sind in 1 auf den Statorpolen 141–146 die
Ringspulen 151–156 aufgesetzt,
wobei die Ringspulen 151, 154 und die Ringspulen 152, 155 und
die Ringspulen 153, 156 jeweils einem Wicklungsstrang
zugehörig
und parallel oder in Reihe geschaltet sind. Der Rotor 11 weist
ebenfalls um gleiche Umfangswinkel zueinander versetzt am Umfang
angeordnete Zähne oder
Rotorpole 16 auf, deren Zahl gegenüber der Anzahl der Statorpole 14 verschieden
ist. Im Beispiel der 1 besitzt
der Rotor 11 vier Rotorpole 16, während der
Stator 10 sechs Statorpole 14 trägt. Zwischen
den einander zugekehrten Stirnflächen
von Statorpolen 14 und Rotorpolen 16 sind Arbeitsluftspalte
vorhanden.
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Die
Statorwicklung 12 mit den auf den Statorpolen 141–146 aufgenommenen
Ringspulen 151–156,
die im Ausführungsbeispiel
jeweils paarweise in Reihe geschaltet sind, ist an einer Schaltvorrichtung 21 angeschlossen,
wie sie im Schaltbild der 2 oben
dargestellt ist. Die Schaltvorrichtung 21 wird von einer
Motorsteuereinheit 20 so angesteuert, dass die einzelnen
Wicklungsstränge
der Statorwicklung 12 nacheinander folgerichtig an eine
Gleichspannung U1 einer Gleichstromquelle 24 gelegt
sind. Die Schaltvorrichtung 21 weist insgesamt sechs elektronische
Halbleiterschalter, im Ausführungsbeispiel Feldeffekttransistoren
(FET) 22, sowie sechs Freilaufdioden 23 auf. Jeder
Wicklungsstrang mit zwei Ringspulen 15 ist in Reihe mit
zwei FET's 22 angeordnet,
und die Reihenschaltungen sind zueinander parallel geschaltet. Die
Freilaufdioden 22 verbinden jeweils die Enden der Wicklungsstränge in geeigneter
Weise mit dem Gleichspannungspotential bzw. dem Nullpotential.
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Um
ein fehlertolerantes Verhalten des SR-Motors zu erreichen, d.h.
sicherzustellen, dass bei Auftreten eines elektrischen Fehlers in
der Statorwicklung 12 oder in der Schalteinrichtung 21 der SR-Motor
mit einem Minimum an Leistungsverschlechterung weiterarbeitet, ist
eine zweite Statorwicklung 17 mit einzelnen Toroidspulen 18,
auch Toroidwicklung genannt, vorgesehen. Jeweils eine Toroidspule 18 ist
auf einem der zwischen den Statorpolen 14 vorhandenen Jochabschnitten
des Rückschlussjoches 13 aufgewickelt.
So ist die Toroidspule 181 auf dem Jochabschnitt 131,
die Toroidspule 182 auf dem Jochabschnitt 132,
die Toroidspule 183 auf dem Jochabschnitt 133,
die Toroidspule 184 auf dem Jochabschnitt 134,
die Toroidspule 185 auf dem Jochabschnitt 135 und
die Toroidspule 186 auf dem Jochabschnitt 136 aufgewickelt.
Die zweite Stator- oder Toroidwicklung 17 weist die gleiche
Phasenzahl wie die erste Statorwicklung 12 auf, wobei wiederum zwei
auf um 180° gegeneinander
versetzten, also einander diametral gegenüberliegenden Jochabschnitten
aufgewickelte Toroidspulen 18 einer Wicklungsphase oder
einem Wicklungsstrang zugehörig sind,
so die Toroidspulen 181, 184, die Toroidspulen 182, 185 und
die Toroidspulen 183, 186. Die Toroidspulen 18 eines
Wicklungsstrangs sind in Reihe oder parallel geschaltet. Im Ausführungsbeispiel
liegen die Toroidspulen 18 einer Wicklungsphase in Reihe.
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Die
zweite Stator- oder Toroidwicklung 17 ist an einer ebenfalls
von der Motorsteuereinrichtung 20 gesteuerten zweiten Schaltvorrichtung 25 angeschlossen,
die die einzelnen Wicklungsstränge
der Toroidwicklung 17 nacheinander folgerichtig an die Gleichspannung
U2 einer Gleichstromquelle 26 legt. Die
zweite Schaltvorrichtung 25 ist identisch zur ersten Schaltvorrichtung 21 mit
sechs FET's 22 und sechs
Freilaufdioden 23 ausgeführt, wobei jeweils die beiden
Toroidspulen 18 eines Wicklungsstrangs in Reihe mit zwei
FET's 22 geschaltet
sind, und die Reihenschaltungen parallel geschaltet sind. Die an die
beiden Schaltvorrichtungen 21, 25 anliegenden Gleichspannungen
U1 bzw. U2 können gleich
oder verschieden voneinander sein. Auch können die beiden Gleichstromquellen 24, 26 zu
einer einzigen Gleichstromquelle zusammengefasst werden. Die Trennung
der Gleichstromquellen führt
jedoch zu einem höheren
Grad an Fehlertoleranz.
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Im
normalen, ungestörten
Betrieb wird der SR-Motor mit beiden Statorwicklungen 12, 17 gemeinsam
betrieben. Im Fehlerfall ist ein Betrieb des SR-Motors allein mit
einer der beiden Statorwicklungen 12 oder 17 möglich. Da
sich bei beiden Betriebsarten die Flussverteilung in Stator und
Rotor nicht ändert,
ist auch im Falle eines elektrischen Fehlers in einer der Statorwicklungen 12 oder 17 oder
bei Ausfall einer der separaten Gleichstromquellen 24, 26 ein
sicheres Anlaufen des Rotors 11 gewährleistet.
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Die
Erfindung ist nicht auf das beschriebene dreiphasige Ausführungsbeispiel
eines SR-Motors beschränkt.
So kann der SR-Motor eine beliebige Phasenzahl aufweisen. Auch kann
die Ständerpolzahl
und die Läuferpolzahl
anders ausgeführt
werden als vorstehend beschrieben. Z.B. kann der SR-Motor vierphasig
mit acht Ständerpolen
und sechs Läuferpolen
sein. Allgemein besitzt der SR-Motor n Wicklungsphasen und k Ständerpole
pro Wicklungsphase, wobei k≥2
ist. Die zweite Stator- oder Toroidwicklung 17 ist ebenfalls
n-phasig mit jeweils k Toroidspulen 18 pro Wicklungsphase,
wobei k≥2
ist. Die einem Wicklungsstrang oder einer Wicklungsphase zugehörigen Ringspulen 15 der
ersten Statorwicklung 12 sind ebenso wie die einem Wicklungsstrang
zugehörigen
Toroidspulen 18 der zweiten Statorwicklung 17 um
jeweils 360°/k
räumlich
versetzt auf den Statorpolen 14 bzw. auf den Jochabschnitten
des Rückschlussjochs 13 angeordnet.
Entsprechend weisen die beiden Schaltvorrichtungen 21, 25n parallele Schaltzweige
mit jeweils k in Reihe oder parallelgeschalteten Spulen 15 bzw. 18 und
zwei FET's 22 auf.
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Bei
einem SR-Motor mit einer Statorwicklung 12 mit z.B. n=3
Wicklungssträngen
und k=3 Statorpolen pro Wicklungsphase bzw. Wicklungsstrang sind insgesamt
n·k =
9 Statorpole 14 vorhanden, die um 40° gegeneinander versetzt und
mit je einer Ringspule 15 belegt sind. Die drei Ringspulen 15 eines
Wicklungsstrangs sind auf Statorpolen 14 angeordnet, die um
gleiche Umfangswinkel am Stator 10 versetzt sind, im Beispiel
also um 360°/3
= 120°.
Die zweite, ebenfalls dreiphasige Statorwicklung oder Toroidwicklung 17 hat
dann neun Toroidspulen 18, die wiederum auf neun Jochabschnitten
des Rückschlussjochs 13 aufgewickelt
sind. Alle Toroidspulen 18 sind um 40° gegeneinander auf dem Rückschlussjoch 13 versetzt,
wobei die drei einem Wicklungsstrang zugehörigen Toroidspulen 18 jeweils
einem Versatzwinkel von 360°/3
= 120° gegeneinander
aufweisen.