DE2024327A1 - Synchron-Reluktanzmotor - Google Patents

Description

DR. MÖLLER-BORG DtPL-PHYS-OItMANITZ DiPL-CHEM. DR. DEUFEL

DIPL-ING. FINSTERWALD -DIPL-ING. GRÄMKOW 7Q2A327 PATENTANWÄLTE

Jl-MAl ill El/th - A 2091

ALL-IS-CHAIHSRS MANUFACTURING COMPAHI 1126 South 70th Street, Vest AlIiB 14, Wisconsin, USA

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf einen Reluktanzmotor und betrifft insbesondere einen Hoto? einem relativ hohen Außertrittfailmomesat, -bei tiger Unterdrüeining von Läuferschröngunge»·

Synchron-Reluktanamotopen warden e&tvLdcelt &xt Sdmff einer einfachen virkungsvollsaa .Hasdiiae mit koasta»t«e Drehzahl, die ©in Mi/nimma an Steueier^i erfordert,, las» Stator ähnelt dem einee Induktion«»· "b»%p#

Die Lauf erwicklungea .Bind g©i^jtolieÄ npifitiigeeoiEsaBi· 33 gibt keine Bürsten und Schleifringe et©· mad der WaSo benötigt keine Qleidtetzomerregnng wie la «See fall konventionellen Qyndaxosmotor». DÜ9 Llafβτ

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z-jI'3 der Hotoz⁴ !astabil außer Tdsi sehr niedrigen ^ e^ χ/? qü,®'£ stabil wird.

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w©aa das siitt©ls dieser

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Vermeidung von Schwingungen wird gelegentlich der Motor» betrieb auf Frequenzen größer als f beschränkt oder ©s werden aufwendige Korrekturmaßnahmen ergriffen, um fv auf Werte außerhalb des Betriebsbereiches zu drücken«, Ee ist keineswegs unüblicii, daß ReluktanEaotoraa bei ragelegten Frequenzen in der Höhe von 40 und 50 Hs schwingen« Ebenso sind Anwendungsfälle nicht unüblich, bei denen Motoren» die bei 10 oder 20 Ha stabil arbeiten, erforderlich, sind. Eb ist in vielen fällen schwierig au gewährleisten, daß die Heluktansmotoren in ihrem vorgesehenen Setriebe·« frequenzbereich nicht schwingen.

Die Ursache der Schwingungen wird unter Verwendung von Induktivitäten analysiert· Die aus dea durch einen Pol fließenden Fluß berechnete Induktivität wird Längefeldbzw· Längeinduktivität L^ genannt, während die aus dem zwischen Polen (durch eine Aussparung) fließenden Fluß berechnete Induktivität Querfeld- biw· Querinduktivität L genannt vird.

Bas Außertrittfallmoment von 3-P^«e»»t!ötor©n WßA dl® kritische Leer lauf frequen», bei der der Motor luerst instabil wird, sind durch die folgenden. Gleichung«! gegeben*

Ρ*

Wobei bedeutet T^ · AufiertrlttfftUaOMttt,

f_Q « kritieche freqoeni, Hi T · en den Botor angelegt· Bgemumg pro f * Frequemji der Bpaoaung

■r-5-

009ΘΛ8/1308 . ORIGINAL

L = Querinduktivität

- Längsinduktivitat

P * Versorgungs- tossw« Metsfrequens-lorrekturfaktor r_fl - Statorwiderstand pro Phase

r_o - Lä'ufer-Quor( feld) widerstand pro Phase

K s= ein Faktor, der die zugeordnete Trägheit und Größen mit einem sekundäre» Effekt foerücksichtigt.

Um ein hohes Außertrittfailmoment zu erreichen, sollte L klein sein, während die Größe (1 - L_Q/L^) groß sein sollte_t da diese T in dessen Gleichung größer macht» Dies steht jedoch in Gegensatz zu der Bedingung für das Herandrücken von f_c,/ee erforderlich ist, um f zu niedrig ssu machen, daß L groß und die Größe (1 - \/\) klein ist - das läuft dem Erfordernis für ein hohes Außertrittfallmoment genau entgegen.

Son-it besteht das Grundübel darin, daß, wenn man einen Motor mit einer Momenobemeseung planen will, bei der das Material wirtschaftlich verwendet wird und die Motorgröße für den Benutzer annehmbar ist, man im allgemeinen eine kritische Frequenz erhält, die für den Benutzer zu hoch liegt. Da bei dem bekannten Reluktanzmotor die Größen von L^ und L näherungsweise bei allen Belftetuagesi und Frequen zen konstant sind, scheint es keinen Weg zu g#beft_«ur £3«ΐ9β defl Grundübels, daß hohe Äußertrittfelleomente nur werden können auf Kosten unbefriedigender Frequenzen.

Jedoch ist erfindungsgem&ß eine Lösung die··· GxttadQbele vorgesehen. Ee wurde beobachtet, daß durch Belastung de·

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BAD ORIGINAL

Ho tors die kritische Frequenz gedrückt wird} die höchste kritische Frequenz (im Verhältnis zur Belastung) tritt praktisch im Leerlauf auf* Be sei angenommen, daß ia Gegensatz zu bekannten Reluktanzmotoren L in bezug auf die Belastung variiert wird, während L_d genügend konstant

bleibt* Sei Leerlaufbtdinguagen werden und L_Q Bedingungen mit ^p₀

Gleichungen für das Außertrittfallaoment und die kritische Leerlauf f requeue können dann in der folgenden Weise neu

geschrieben werden:

po

und L mit

bezeichnet, während sie bei Außertrittfall und L bezeichnet werden. Die

qpo

ajal

Als nächstes sei angenommen, daß die Werte von L, und L geplant werden können, so daß sie mit der Belastung gemäß der ^folgenden grafischen Darstellung variieren, in der L^ naherungsweise konstant zwischen dem Leerlauf und dem Außertrit^fallen ist, während L^ im Leerlauf viel größer

als beim^Außerijrittffallen .ist

,Leerlauf

.ußertritt-— fallen

itnderung von L, und L

^der Belastung (PS)

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Se selea Jetst die 1ο»βθφΐβΐαΒββι betrachtet, wosua L- und L »It d®r Belaetwag tBriiewa wie in tea Hagrem dargestellt«

Ci) Ia Leerlauf liegen die Is?lteri«a für eia kleines f_ß vor₉ d· iu«^ sjsofi «snA di· te$A· (1 - ^aj/^enl^ ³^*¹¹¹ ^ ^4er GleiSEuBG fts? f_e aliid· iaAereraeitβ ist 4i© «ileictaxig für da« AuBertr£ttfallB©SLe@t_v die Leerlaufwerte für k und L

verwendet» oletafe' anwendbar» da die Jkierlanafwert© von L» und

TV ^

L_Q siA nictii auf dea 4oSertrittfallsustend ©aweoäea laseaa-e Mit aaderea Worte» ist« da aa dem Motor kein© Beleetutag anliegt 9 da« Homeat Tbei» AuBertrittfallea aieht nur unwichtig, litt Üeoea Rsakfe^ soaäera <äi© b@iffi Auß@rtrittfaUe& gomesiisiLfsi Wert© worn
beia Letrlattf vorweadet

(ii) Beim ttiBertrittfall«

iffioiieat Τ_ΑΛ erreleiite da iu^_A klein uad di@ Größe (1 - !«„,/La ', groß in der Gleichung für S _Λ simdo Äeas© lagsen aich die gerade erwOmt«a_$ beim Äuß©rtrittfell@a gem©sa©aen Worte von, L* IXBu. L nicht auf Ä<§a T«©f5S?laföi' ©dea? sogar auf die Vollbelastung aiweadeag w®m mxs die ¥®rt© "beim Außertritttedlen betrachte^ wertiia^

Hierdurch werden die "b@M©s Ibisler sieh entgegenstehenden Erforderniee© erfüllt, bo daB der Motor gleichseitig vom Leerlauf "bii but Vollbelaetuag stabil aain und ebenso ein hoheffi Außertrittfallmoaeat aufweisen tana, wenn L-, und L mit der Belaetuag variieren wie in dem Diagramm gezeigte

Es ist Ziel der Erfindung, einen

Sjnichron-Bel'ttktaiiiwaotQi¹' mit einen relativ fcohea Außertrittfallmoaent und einer relatxT niedrigen lacitiisslaen Frequenz tu bauen·

SAD ORiGJNAL

Zu dieses Zweck kennzeichnet sich tin Bynchron-Reluktanz-■otor «it einem Stator und eine» relativ in des Stator drehbaren Läufer, der einen sylindrischen Kern aus magnetische· Material alt wenigstens einer Querfeldachse und wenigstens ein*r Xiagef«ld«ch«e aufweist, erfindungegem&ß durch eisen mxt Air Querfeldacaae angeordneten Magnetflußpfad, bei dem i*e Ternlltnie der Breite dee radialen fed·· dee Fluflfcfedea %\xt Breite des Übrigen Teils des Flußpfede· (a) gleich oder kleiner iet ale der Quotient au· der ungesättigten flußdichte des Kernaateriela und der tatsächlichen in dem Side des TluBpfadea vorhandenen Flußdichte bei der Hotor-Leerlaufbedingung (nl) und (b) gleich oder größer ist als der Quotient aus der eigentlichen Sättigungsdiohte des Kernmaterials und der tatsächlichen in dem Bads des Flußpfedee vorhandenen Flußdichte bei der Hotor*Au£ertrittfallbedingung (po), aufgrund dessen der Flußpfad bei der Hotor-Leerlaufbedingung (nl) ungesättigt und bei der Hotor-Außertrittfallbedingung (po) im wesentlichen gesättigt ist. Die Erfindung schafft also einen ßynchxon-Reluktanxnotor, bei dem die Querinduktivität verringert wird, wenn die Belastung an dem Motor ansteigt, während die Längsinduktivität genügend konstant bleibt.

Bei einem Synohron-Reluktansmotor gemäß der Erfindung sind also über die Querfeldachse Mittel zur Bildung eines Flußpfades vorgesehen, der im Leerlauf des Motors ungesättigt ist und bei wachsender Belastung zunehmend mehr gesättigt wird bis zu einem Punkt, wo er beim Außertrittfallen des Motore im wesentlichen gesättigt ist.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist der Läufer des ßynchron-Reluktanzmotors Querschlitze bzw. -öffnungen mit

magnetflußführender Zähnen dazwischen auf, die xm Leerlauf ungesättigt und beim Außertrittfallen in wesentlichen gesättigt sind.

■ - 7 -

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Bei einer weiteren bev©ramgt«a- Imsfühnrngsform sind zwischen

EIa Läufer

■otore Ina el»« «to

Abstaue! «a

Läuferoberflfteh.· über d±© Qaerfeldaetoe aufweieen, wo-" bei Bnickdm tt"b®r dme änBer· !facl« der. %aerf@lasclilitze- und Zähne swieohea benaehb.arteE Querfeldeclilitizeia einen Flußpfad bild@a₉ der -so (ForteetJBurijg eiehe Seite 8)

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proportioniert ist | daß ihre Sättigung im Motor-Außertrittfall-Bustand hervorgerufen wird, während sie im Motor~Leerlaufzustand ungesättigt sind»

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung beispielsweise beschrieben* in dieser zeigti

Pig, 1 eine Verschnittsanaicht einer bevorzugten Ausführungsform eines S^chron-Belu&tanzmotors, der gemäß

der Erfindung aufgebaut ist und zwei HuSfearrierem pro Pol und drei sättigbare Querfeld-Zahne pro Pol mit Brücken dazwischen aufweist, Pig. 2 eine Querschnifctsansicht einer modifizierten Auefühxungsform eines 6^chron«Bel«ktioizmo tor läufer β _f der gemäß, der Erfindung aufgebaut ist und eine Plußbarriere pro Pol und swei eättigbare Querfeldzähne pro Pol mit Brücken dazwischen aufweist»

Pig» 3 eine grafische Darstellung des Verhältnisses Spannung zu Frequenz übar der !Frequenz eines typischen 2»PS»4~Pol-«S3?achi?OÄ«»Selukta3isiaotor's ixacl.

Pig» 4- eine grafische Darstellung, des Verhäitnissee Spannung zu Frequenz übex» d©r Frequenz, eiaes e^fia-» dungsgemäßen Sjfnchron-Reluktanzmotors·

Die in der Seichn"Ang dargestellten Hotoren sind 4 Motoren. Die Erfindung ist Jeaocli genauso bei anderen" . als 4~;pol~Maschinen anwendbar. Ebenso sind in dea Pig β 1 und 2 drei und zwei radiale sättigbare Zähne pro ΈοΧ imä zwei Flußbarrieren und eine. Flußbarriere pro Pol ggssdgto Es ....können ebenso andere Anzahl ea für die radial ■ eättigfeasm Zähne und für die Plußbarriereii pro Pol vox-gjes.eh.ea y®s&M&o-Ebenso brauchen aber au^i keine FluÄarrierea und keiae Zähne als solche Vorhände© sein,-'solange der vor@@is©h©ae ' Plußpfad eine solche Größe, und - Eigeaechaft aufweist, iaß

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Der Stator 6 Lab oia mit " These

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BAD ORiGiNAL

ungesättigt sind, bei Belastung dee Motors suaehmend gesättigt werden und schließlich beim AuBertrittfallen ia wesentlichen vollständig gesättigt sind· Bachfolgend wird kein Bezug mehr «uf die Brücken 13 genoBaenj jedoch nu3 ihre Große, wenn sie ia Läufer -vorgesehen sind_f tu der gleichen Weise wie die der Kähne 12 bei der Festlegung der Große und der Eigenschaft des Flußpfade β berücksichtigt werden«

Die Kriterien, daß die sättigbaren Zähne ia Leerlauf ungesättigt und beim AuBertrittfallen ia wesentlichen vollständig gesättigt sind, sind durch die folgende Bedingung gegeben:

auf die nachfolgend ale. Uogleichung (^) Besug genommen

wobei (mehr ale ein sättigbarer ZaIm pro Pol vorausgesetzt) bedeutet:

B. die eigentliche Sättigungadichte des Stahls, B_ne dor ungesättigte Fluüdichtepegel des Stahls, (B ₄ - B_dif) die Fliißdiclite in dem Luftspalt über^ den sättigbaren Zahn, der dem aättigbaren Kittelzahn (oder der q-Achse) benachbart ist, (B,^)nl die im Leerlauf gemessene oder für den Leerlauf berechnete Flußdichte in den Luftspalt Über den sättigbaren Zahn, der dem sättigbaren Hittelzahn (oder der q-Achse) benachbart ist·

Die Größen dor Flußdichten (B_4 - B^)po und (B^)nl sindi

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B CiMoc) m säxSbbA

L * ItadukttTitlLtmrarte te laerlauf _f ' m ©int "eiaaitifctfasdetieiBlie Fuakti©a₉ die weit-

BeertIA Ton 0_e6 für t^piaehe Motoren Polsnhl»

Sie Dicke t entlang dem sättigbar en Zahn und der Radius T₉ die zusammen die äu£er@ Saliadicke w. « 2r + t definieren« sind durch die Ungleichung (5) bestimmt, in der dae Verhältnis 2r/t geringer sein muß als die für den Leerlauf angegebene Bedingung in (5) und größer sein muß als die fur dae Außertrittfallen gegebene Bedingung in (5)·

geeigneter Die Stabilität dee erfindungegem&ßen Motors kann in/Heiee mit der Stabilität eines typischen. Bynchron-Beluktaaaaotora ▼erglichen werden. Pur einen typischen bekannten S^^chron-Reluktanzmotor ist in Fig. 3 dae Verhältnis der Spannung zur Frequenz über der Frequenz aufgetragen· Der Hotor ist im gesamten Bereich unter der Kurve instabil. Vie in Figo 5 gezeigt wird der Motor, wenn die^Frequenz bei Konstanthaltung¹ des Spannunge/Frequena^erhältnisses auf dem

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Hennverhältnis vermindert wird, zuerst instabil bei 56 Hz, bleibt bis 20 Hz herunter instabil und wird dann wieder stabil·

In- Fig. 4· ist in einem Diagramm das %annungs/Fregae2iz~ Verhältnis über der Frequenz; eines gemäß der Erfindung' aufgebauten Motor» gezeigt; das Diagram zeigt keine Instabilität· Der Motor ist außerordentlich stabil, da selbst ein Absenken der Spannung $u der Gr ©me, wo er la Leerlauf außer Sritt fällt, keine Instabilität bewirkt» wenn auch eine angenäherte Trägheit Bill im Leerlauf verwendet wird, im» der schlimmste Fall ist«

Ein Ibedeutender, durch die Einführung eättigbarer Zi bewirkter Zueatzeffekt ist eine Verriaeerung in öer Größe des Querfeldwiderstandös rg_Q während leicht "belasteter. Zustände und eine Beigung von Tg gleich dem Laagsf eld« widerstand rg^ xu werden»

Der Grund hierfür wird im folgenden dargelegt· Ss sei sannächet .angenommen, daß die sättigbaren ZSlme 12 »ielit ir©2?« handen Bind;, der Fluß in dem Bereich der Qu-erfeldechlitse, die jetzt richtiger Auesclmitte 11 genannt werden» bestallt im wesentlichen aue einem stark streuenden Fluß sähe dea Polkanten und schwachen. Flußlinien ia dem Aus schalttsbe^eich« Die Raumverteilung des indusiei*teü Stromes über-~ä®n Aus« Schnittbereich folgt dem gerade beschriebenen ■ !lu£¥©3?!am£. Mit anderen Worten, der Stromfluß ist in einer Zone nahenden Polkanten konzentriert* Somit kannstand des Ausschnittsbereiclies durch, -eine» seta Bereich von leitendem Material«'das aaiie dem Polkeatsa vorhanden ist, simuliert werden! der Widerstand 1st folglich groß.. Der GesamtwiderotaM rg , von dem der Widerstand ü<s&

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Claims (1)

1. Fa t tat « η β ρ r ü c h θ

   Iyaoiiroa-l«lukt)aÄ»»otor ait ein·« Stator (6) und einen SS». Stator drehbaren Laufer (7)_t der einen

   Kern «ue saagnetiechem Katerial odt venig et en« einer Querfel&achee und wenig et en a einer Längefeldache« aufweist, gekennzeichnet durch einen auf der Querfelamch.ee angeordneten Kagnetflußpfad, bei dem da· Yerhältnia der Breite des radialen Ehde· de· PluBpfades eur Breite dee übrigen Teile dee Flußpfadea (a) gleich oder kleiner ist al« der Quotient aus der usgeeättigten Flußdichte dea Eernmateriali und der tatsächlichen in dem Ende des Flußpfadee vorhandenen FluÖdichte bei der Hotor-Leerlaufbodingung (nl) und (b) gleich oder größer iat ala der Quotient auβ der eigentlichen Sättigungadichte dea Kernmateriala und der tatsächlichen in dem Ende dee FluQpfadee vorhandenen Flußdichte bei der WotoxvAußertrittfainbedingung (po), aufgrund deeeen der Flußpfad bei der Motox^Xteerlaufhedingung (nl) ungesättigt und bei der Kotor-Außertrittfallbedingung (pe) im wesentlichen gesättigt ist.

   2. Synchron-Reluktanzriotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von über dem Umfang mit Abstand angeordneten Schiitζ en (11) in dem radial äußeren Teil des Hagnetläuferkerns über eine Querfeldachse angeordnet . sind, daß die Schlitze swischen sich einen eättigbaren Zahn (12) aus Hagnetkernmaterial definieren, der einen Flußpfad mit einer Größe und mit einer magnetischen Eigenschaft vorsieht, so daß der Zahn bei der Motor-Leerlaufbedingung ungesättigt und bei der Hotor-Außertrittfallbedingung im wesentlichen gesättigt iat·

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   Sj^]ipon-Belukfcaas&»ötoa? mch Agusfpriich-1 ®ier 2„ dadurch

   vor der radial
   itoca ©iae Brücke ("
   ■on sind, wobei <ta°
   Bit einer 6r8fie und
   !bilden, so daß ei« bei der
   ungesättigt UBd bei der Ho^or-Aitfiextrittfnllbedinsung im- wesentlichen geemttigt &infi_e

   4. Synckron-Reluktaniüffiotor nach einem dar Anaprüche 1 hi a J₉ dadurch, gekennzeichnet,, daß wenigstens ein eättigberer Zafaa auf 4©der Jedesi Hotor-Fol entsprechenden Querf@ldach@@ aageordaet let,

   5· Synchion-HeliiktimÄBiotor aach einem der Ansprüclao 1 bia ^₆ dadurch gekennzeichnet, daß der Kern wenigsten« eine Flußbarriere (9) pro Motorpol aufweist₉ die radial einvärtB mit Abetand von dem Schlitz (11) angeordnet ist.

   6. Synchron-Reluktanzmotor mit einem Stator und einem Läufer,

   der einen zylindrischen Kern aus Mappietmaterial aufweist, in dem wenigstens eine Querfeldachse mit hottem magnetischem Widerstand (Reluktanz) für den Magnetfluß in deren Richtung und wenigstens eine Längefeldachse mit geringem map^ietiscüen Widerstand vorgesehen ist, wobei der hohe magnetische Widerstand des Flußpfades in Richtung der Querfeldachse einerseits durch Jeweils eine an den entgegengesetzten Enden der Querfeldachse über diese ausgebildete, den Nennluftspalt zwischen Laufer und Stator vergrößernde Ausnehmung und andererseits durch mit Abstand radial nach innen von den Ausnehmungen ebenfalle über die Querfeldachse ausgebildete, als MagnetflußVerengungen wirkende Flußbarrieren

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   erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß in jeder Ausnehmung ffumindeet ein in deren Längsrichtung verlaufender, sich radial nach außen bis an den Nennlufttpalt erstreckender Zahn*vorgesehen ist» der beeüglic* des Quotienten aus seiner Querschnitt*« breite in Bereich dee Ifennluft spalte« und seiner Quer» eöhnlttfbreitt in seinem übrigen Bereich so bemessen iet, d&S der Quotient grÖSer oder gleich den Quotient aus der eigentlichen Sättigungsdicht© dea JSabnaagnetaaterials und der tatsächlich in dem an den Luftspalt angrenzenden Zahnbereich existierenden Flußdichte bein* Außertrittfallen des Motors und gleichzeitig kleiner oder gleich den Quotient aus dem ungesättigten Plußdichtepegel des Zahnmagnetmaterials und der tatsächlich in dem an den Luftspalt angrensenden Zahnbereich vorhandenen Flußdichte bei* Leerlauf des Motors ist«

   7· Synchron-Reluktanzmotor nach Anspruch 6» dadurch g e k e η η ζ β i c h η β t, daß jede Ausnehmung zum Luftspalt hin durch den Zahn mit den Ausnehmungsrändarn verbindende Brücken aus Magnetmäterial geschlossen ist, deren Abmessungen bei der Berechnung des Zahnes in die Querschnittsbreite des an den Luftspalt angrenzenden Zahnbereiches eingehen. ·

   8· Synchron-Reluktanzmotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß Jeder Zahn in seinem an den Luftspalt angrenzenden Bereich im Querschnitt pilzkopfartig erweitert ist.

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