DE19534727A1

DE19534727A1 - Switched reluctance motor e.g. for motor vehicle fans, washing machine and lawn mower drives

Info

Publication number: DE19534727A1
Application number: DE19534727A
Authority: DE
Original assignee: AEG Kleinmotoren GmbH
Current assignee: FHP Motors GmbH
Priority date: 1995-09-20
Filing date: 1995-09-20
Publication date: 1997-03-27

Abstract

A switched reluctance motor for electric vehicles is connected to a battery and has a magnetic circuit with one or more excitation windings on the stator poles and a ferromagnetic rotor, a control unit with a switching circuit for each phase and a trigger circuit for the switching transistors acting according to the rotor position. Between the battery (23) and the control unit (53) is a step-up voltage converter (55) where the voltage can be doubled in the higher speed regions. A switching transistor, a diode and a coil is provided in a T-network between the positive and negative rails, the coil and diode being on the input and output sides respectively. A condenser lies across the converter output terminals.

Description

Die Erfindung betrifft einen geschalteten Reluktanz motor, insbesondere als Antriebsmotor in elektrisch angetriebenen Kraft, Waschmaschinen, Rasen mähern und in ähnlich elektrisch anzutreibenden Maschinen der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.The invention relates to a switched reluctance motor, especially as a drive motor in electrical powered, washing machines, lawn mow and in similarly electrically powered Machines in the preamble of claim 1 specified type.

Es werden auch bereits geschaltete Reluktanzmotoren für Positionierungsantriebe in Kraftfahrzeugen, insbeson dere in Gebläsen von Kraftfahrzeugen, eingesetzt, da diese sich ebenfalls durch einen einfachen und robusten Aufbau auszeichnen und außerdem preiswert und wartungs frei sind. Diese geschalteten Reluktanzmotoren haben üblicherweise mehrere Pole sowohl auf dem Ständer als auch auf dem Läufer, d. h. es handelt sich um Doppelschenkelpolmaschinen. Hierbei ist eine konzen trierte Wicklung auf jeden Ständerpol vorgesehen, aber es gibt keine Magnete oder Wicklungen auf dem Läufer. Jedes Paar mit diametral entgegengesetzten Ständer polwicklungen ist in Reihe oder parallel geschaltet, um eine unabhängige Maschinenphasenwicklung der mehrpha sigen SR-Maschine zu bilden. Ein Motordrehmoment wird gebildet, indem der Strom in jeder Motorphasenwicklung in einer bestimmten Sequenz geschaltet wird, die mit der Winkelposition des Läufers synchronisiert ist, so daß sich eine magnetische Anziehungskraft zwischen den Läuferpolen und den Ständerpolen ergibt, die sich einander nähern. Der Strom wird in jeder Motorphase ab geschaltet, bevor die Läuferpole, die den Ständerpolen dieser Phase am nächsten sind, sich an der ausge richteten Position vorbeidrehen. Das erzeugte Drehmo ment ist von der Richtung des Stromes unabhängig, so daß Stromimpulse in einer Richtung, die mit der Rotorbewegung synchronisiert sind, an die Ständer polwicklungen durch einen Wechselrichter angelegt werden können, in welchem den Strom in einer Richtung schaltende Elemente wie Transistoren und Thyristoren benutzt werden.There are also already switched reluctance motors for Positioning drives in motor vehicles, in particular used in blowers of motor vehicles, because these are also characterized by a simple and robust Stand out and also inexpensive and maintenance are free. These have switched reluctance motors usually several poles both on the stand and also on the runner, d. H. it is a matter of Double salient pole machines. Here is a conc trated winding provided on each stator pole, however there are no magnets or windings on the runner. Each pair with diametrically opposite stands pole windings is connected in series or in parallel an independent machine phase winding of the multiphase to form our SR machine. An engine torque becomes formed by the current in each motor phase winding in a certain sequence, which is switched with the angular position of the rotor is synchronized, so that there is a magnetic attraction between the Rotor poles and the stator poles results in approach each other. The current will decrease in every motor phase switched before the rotor poles, the stator poles are closest to this phase turn in the correct position. The torque generated ment is independent of the direction of the current, so that current pulses in one direction that with the Rotor movement are synchronized to the stand pole windings created by an inverter can be in which the current in one direction switching elements such as transistors and thyristors to be used.

Geschaltete Reluktanzmotoren werden in elektrischen Antrieben mit einem großen Drehzahlbereich eingesetzt, wobei in Kraftfahrzeugantrieben Drehzahlen von 0 bis 9000 U/min und in Waschmaschinen Drehzahlen von 0 bis 15000 U/min benötigt werden. Für diese Verwendungs zwecke ergeben feste Zündwinkel nicht immer ein ausreichendes Maschinendrehmoment über den verlangten großen Drehzahlbereich. Außerdem sind hohe Ströme im unteren Drehzahlbereich vorhanden, welche zu hohen Verlusten im Motor und im Konverter und damit zu schlechten Wirkungsgeraden führen. Auch erfordern die hohen Ströme entsprechende Leistungsschalter im Kon verter.Switched reluctance motors are used in electrical Drives with a wide speed range, in motor vehicle drives, speeds from 0 to 9000 rpm and washing machine speeds from 0 to 15000 rpm are required. For this use purposes do not always result in fixed firing angles sufficient machine torque over the required large speed range. In addition, high currents are in the lower speed range available, which too high Losses in the motor and in the converter and thus too lead bad lines of effectiveness. Also require that high currents corresponding circuit breakers in the con change.

Die obigen Nachteile werden durch den in der DE 43 30 386 beschriebenen Reduktanzmotor dadurch vermieden, daß jede Phasenwicklung eine angenähert in ihrer Mitte liegende Anzapfung aufweist, die einerseits über einen Freilauf-Halbleiterschalter mit dem einen Pol der Gleichspannungsquelle und andererseits über einen Schalttransistor mit dem anderen Pol der Gleichspan nungsquelle verbunden und in Abhängigkeit von einer bestimmten Drehzahl schaltbar ist. Hierdurch kann der hinter der Anzapfung liegende Wicklungsteil von der Gleichspannungsquelle getrennt werden. Hierdurch werden die Leistungsreserven bei niedriger Batteriespannung genutzt, wobei die Induktivität der Spule halbiert wird. Damit kann die Spule einen höheren Strom führen. Diese Anzapfung bedeutet aber einen zusätzlichen Aufwand in dem Motor und in der Elektronik.The above disadvantages are caused by the in DE 43 30 386 described reductance motor avoided in that each phase winding approximately in the middle has horizontal tapping, on the one hand via a Free-wheeling semiconductor switch with one pole of the DC voltage source and on the other hand via a Switching transistor with the other pole of the direct voltage connected and dependent on one certain speed is switchable. This allows the behind the tap part of the winding DC voltage source to be separated. This will the power reserves at low battery voltage used, with the inductance of the coil halved becomes. This allows the coil to carry a higher current. This tapping means an additional one Effort in the engine and in the electronics.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen geschal teten Reluktanzmotor zu schaffen, der ausreichende Drehmomente in einem großen Drehzahlbereich bei einem guten Wirkungsgrad erzeugt und die Leistungsreserven bei niedriger Batteriespannung nutzt. Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.The invention has for its object a scarf t reluctance motor to create the sufficient Torques in a wide speed range at one good efficiency and the power reserves uses at low battery voltage. This task is characterized by those in claim 1 Features resolved.

Der erfindungsgemäße Reluktanzmotor nutzt die Leis tungsreserven im oberen Drehzahlbereich des Motors einfach durch Verdopplung der Spannung. Hierdurch wird die gleiche Wirkung erzielt wie bei einer Halbierung der Induktivität.The reluctance motor according to the invention uses the Leis reserves in the upper speed range of the engine simply by doubling the voltage. This will has the same effect as halving of inductance.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungs gegenstandes sind den weiteren Unteransprüchen zu entnehmen. Die Erfindung wird anhand von Ausführungs beispielen im folgenden näher beschrieben.Further advantageous refinements of the invention subject are the further subclaims remove. The invention is based on execution examples described in more detail below.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1 einen vereinfachten Querschnitt durch einen geschalteten Reluktanzmotor, Fig. 1 is a simplified cross section of a switched reluctance motor,

Fig. 2 eine Schaltungsanordnung eines Wechselrich ters, Fig. 2 shows a circuit arrangement of an AC Rich ters,

Fig. 3 den Drehmomentenverlauf in Abhängigkeit von der Drehzahl beim Stand der Technik, Fig. 3 shows the torque curve as a function of the speed in the prior art,

Fig. 4 den Spannungs- und Stromverlauf mit und ohne Spannungshochsatzsteller, Fig. 4 shows the current and voltage waveforms with and without voltage boost set plate,

Fig. 5 den Drehmomentenverlauf mit Spannungshoch satzsteller und Fig. 5 shows the torque curve with high voltage set and

Fig. 6 die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung für den SR-Motor. Fig. 6 shows the circuit arrangement according to the invention for the SR motor.

Die Fig. 1 betrifft eine Schnittgestaltung eines üblichen Reluktanzmotors, insbesondere eines geschal teten Reluktanzmotors 1 als Antriebsmotor in elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen, Waschmaschinen, Rasen mähern und in ahnlich elektrisch anzutreibenden Maschinen, wobei das aus lamellierten Blechteilen bestehende Statorjoch 3 eines Stators 4 ringförmig ausgebildet ist. Dieses Statorjoch 3 weist z. B. sechs ausgeprägte Statorpole 5/6, 7/8, 9/10 auf, von denen je zwei diametral entgegengesetzt angeordnet sind. In dem Statorjoch 3 ist in bekannter Weise ein aus lamel lierten Blechen bestehender Rotor 11 mit ausgeprägten lamellierten Rotorpolen 13, 14, 15, 16 drehbar gelagert. Fig. 1 relates to a sectional design of a conventional reluctance motor, in particular a switched reluctance motor 1 as a drive motor in electrically driven motor vehicles, washing machines, lawn mowers and in similarly electrically driven machines, the stator yoke 3 consisting of laminated sheet metal parts of a stator 4 being annular. This stator yoke 3 has z. B. six salient stator poles 5/6 , 7/8 , 9/10 , two of which are diametrically opposed. In the stator yoke 3 , a rotor 11 consisting of laminated metal sheets with pronounced laminated rotor poles 13 , 14 , 15 , 16 is rotatably mounted in a known manner.

Weiterhin sind Magnetfeld erregende Spulen bzw. Erre gerwicklungen 17, 18, 19, 20, 21, 22 auf den Statorpolen 5, 6, 7, 8, 9, 10 aufgewickelt, wobei je zwei sich gegenüberliegende Wicklungen 17/18, 19/20, 21/22 jeweils mit einer Gleichspannungsquelle 23 verbunden sind. Hierbei werden die einzelnen Wicklungs paare 17/18, 19/20, 21/22 zur Erzeugung von den Rotor 11 durchdringenden, veränderbaren Magnetfeldern in Syn chronisierung mit den Rotorpositionen über eine Ansteuerschaltung sequentiell ein- und ausgeschaltet.Furthermore, magnetic field-exciting coils or excitation coils 17 , 18 , 19 , 20 , 21 , 22 are wound on the stator poles 5 , 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , two opposing windings 17/18 , 19/20 , 21/22 are each connected to a DC voltage source 23 . Here, the individual winding pairs 17/18 , 19/20 , 21/22 for the generation of changeable magnetic fields penetrating the rotor 11 in synchronization with the rotor positions are sequentially switched on and off via a control circuit.

In der Fig. 2 ist eine aus dem Stand der Technik bekannte Schaltungsanordnung eines Wechselrichters 25 mit den drei Phasenzweigen für den SR-Motor 1 dargestellt. Jeder Wechselrichterphasenzweig entspricht einer gesonderten Motorphase und umfaßt zwei Halbleiterschalter 27/29, 31/33 und 35/37 und zwei Freilaufdioden 39/41, 43/45 und 47/49. Diese an die entsprechenden Statorwicklungen 17/18, 19/20, 21/22 angeschlossenen Freilaufdioden 39/41, 43/45, 47/49 lassen die induktiven Wicklungsströme im Kreis fließen. FIG. 2 shows a circuit arrangement of an inverter 25 with the three phase branches for the SR motor 1 which is known from the prior art. Each inverter phase branch corresponds to a separate motor phase and comprises two semiconductor switches 27/29 , 31/33 and 35/37 and two freewheeling diodes 39/41 , 43/45 and 47/49 . These free-wheeling diodes 39/41 , 43/45 , 47/49 connected to the corresponding stator windings 17/18 , 19/20 , 21/22 let the inductive winding currents flow in a circuit.

Die drei Wechselrichterphasenzweige sind parallel geschaltet und werden durch die Gleichstromquelle 23, welche aus einer Batterie besteht, gespeist, die an den parallelen Wechselrichterphasenzweigen eine Gleich spannung einprägt. Eine Kapazität ist als Filterkondensator 51 ausgebildet.The three inverter phase branches are connected in parallel and are fed by the direct current source 23 , which consists of a battery, which impresses a direct voltage on the parallel inverter phase branches. A capacitance is designed as a filter capacitor 51 .

Die Figur zeigt eine Drehmomenten-Kennlinie eines SR- Motors mit einem Schaltkreis nach Fig. 2, wobei im unteren Drehzahlbereich der Strom und somit der maximale Drehmoment begrenzt wird, um den Motor und die Leistungsstufe nicht zu überlasten. Diese Kennlinie entspricht der einer klassischen Reihenschlußmaschine. Im oberen Drehzahlbereich fällt das Drehmoment entsprechend einer umgekehrten e-Funktion ab. Der Grund hierfür liegt in der Induktivität des Motors, die den maximalen Strom in den Spulen begrenzt. Da der Motor thermisch in erster Linie für den unteren Drehzahlbereich dimensioniert ist, liegen im oberen Drehzahlbereich noch Leistungsreserven. Hier setzt nun die Erfindung ein. Zu diesem Zweck wird die Schaltungsanordnung nach Fig. 2 dadurch verbessert, daß zwischen der Gleichspannungsquelle 23 und der den Wechselrichter 25 aufweisenden Leistungseinheit 53 zur Steuerung des SR-Motors 1 ein Spannungshochsatzsteller 55 angeordnet ist, durch welchen die Spannung bei Bedarf im oberen Drehzahlbereich vergrößerbar, z. B. verdoppelbar, ist. Zusätzlich kann dieser Spannungs hochsatzsteller 55 auch zum schnellen Stromaufbau im unteren Drehzahlbereich dienen. Die Leistungskennlinie des SR-Motors 1 mit einer Elektronik mit dem Span nungshochsatzsteller 55 ist in der Fig. 5 gezeigt. Die Fig. 4 stellt die Stromverläufe mit und ohne den Einsatz des Spannungshochsetzstellers 55 dar.The figure shows a torque characteristic of an SR motor with a circuit according to FIG. 2, the current and thus the maximum torque being limited in the lower speed range in order not to overload the motor and the power stage. This characteristic corresponds to that of a classic series closing machine. In the upper speed range, the torque drops in accordance with a reverse e-function. The reason for this is the inductance of the motor, which limits the maximum current in the coils. Since the engine is primarily dimensioned thermally for the lower speed range, there are still power reserves in the upper speed range. This is where the invention begins. For this purpose, the circuit arrangement according to FIG. 2 is improved in that a voltage boost converter 55 is arranged between the DC voltage source 23 and the power unit 53 having the inverter 25 for controlling the SR motor 1 , by means of which the voltage can be increased in the upper speed range if required, e.g. B. can be doubled. In addition, this voltage converter 55 can also be used for rapid current build-up in the lower speed range. The performance characteristic of the SR motor 1 with electronics with the voltage high-voltage controller 55 is shown in FIG. 5. Fig. 4 illustrates the current waveforms are with and without the use of the voltage step-up converter 55th

Der Spannungshochsetzsteller 55 besteht aus einem Schalttransistor 57, einem Kondensator 59, einer Induktionsspule 61 und einer Sperrdiode 63. Hierbei sind der Schalttransistor 57 und der Kondensator 53 parallel zueinander geschaltet und über Anschlußpunkte 65, 67 mit der Leitung 73 zu der positiven Klemme 75 und über Anschlußpunkte 69, 71 mit der Leitung 77 zu der negativen Klemme 79 der Gleichspannungsquelle 23 verbunden. Die Sperdiode 63 ist zwischen den Anschluß punkten 65, 67 angeordnet, während die Induktionsspule 61 den in Parallelschaltung angeordneten Schalt transistor 57 und Kondensator 59 in Reihe vorgeschaltet ist.The voltage step-up converter 55 consists of a switching transistor 57 , a capacitor 59 , an induction coil 61 and a blocking diode 63 . Here, the switching transistor 57 and the capacitor 53 are connected in parallel to one another and are connected via connection points 65 , 67 to the line 73 to the positive terminal 75 and via connection points 69 , 71 to the line 77 to the negative terminal 79 of the DC voltage source 23 . The blocking diode 63 is arranged between the connection points 65 , 67 , while the induction coil 61 is connected in parallel with the switching transistor 57 and capacitor 59 arranged in series.

Claims

1.Switched reluctance motor, in particular as a drive motor in electrically powered vehicles, which is connected to a DC voltage source of a battery and a magnetic circuit with one or more excitation windings on the stator poles, and a ferromagnetic rotor, a power unit with a circuit for each phase winding and has a control circuit arrangement which controls the switching transistors as a function of the position of the rotor, characterized in that a voltage step-up converter ( 55 ) is arranged between the DC voltage source ( 23 ) and the power unit ( 53 ) for controlling the SR motor ( 1 ), through which the voltage can be increased if necessary in the upper rotation range, e.g. B. can be doubled.

2. Switched reluctance motor according to claim 1, characterized in that a voltage step-up converter ( 55 ) has a switching transistor ( 57 ), a capacitor ( 59 ), an induction coil ( 61 ) and a blocking diode ( 63 ).

3. Switched reluctance motor according to claim 2, characterized in that the switching transistor ( 57 ) and the capacitor ( 59 ) connected in parallel to one another and via connection points ( 65 , 67 , 69 , 71 ) on the one hand with the line ( 73 ) on the positive terminal ( 75 ) and on the other hand connected to the line ( 77 ) on the negative terminal ( 79 ), that the blocking diode ( 63 ) is arranged between the connection points ( 65 , 67 ) of the switching transistor ( 57 ) and the capacitor ( 59 ) and that the Induction coil ( 61 ) is connected in series with the switching transistor ( 57 ) and capacitor ( 59 ) arranged in parallel.

4. Switched reluctance motor according to one of the preceding claims, characterized in that a filter capacitor ( 51 ) is connected in parallel to the battery.