DE2515133A1

DE2515133A1 - Reluktanzmaschinenanordnung

Info

Publication number: DE2515133A1
Application number: DE19752515133
Authority: DE
Inventors: Vilmos Dipl Ing Toeroek
Original assignee: ASEA AB
Current assignee: ABB Norden Holding AB
Priority date: 1974-04-19
Filing date: 1975-04-08
Publication date: 1975-10-30
Also published as: IT1032699B; SE381384B; US3995203A; DE2515133C3; SE7405278L; JPS50145802A; DE2515133B2; GB1500798A; CA1023429A; FR2268385B1; FR2268385A1

Description

PATENTANWÄLTE
DIPL.-1NG. H. MISSLING
DiPL-ING. R. SCHLEE Frankfurt/M., den 7. 4. 1975

63 GlESSEN₁ Bismarckstraße 43

dr.-ing. J. BOECKER BoeArs 12.419

β FRANKFURT 1, Rathenaupl. 2

Allmänna Svenska Elektriska Aktiebolaget Västeras/Sehweden

Reluktanzmaschinenanordnung

Die Erfindung betrifft eine Reluktanzmaschinenanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine solche Reluktanzmaschinenanordnung in der Weise weiterzuentwickeln, daß gleichzeitig eine geringe Geräuschentwicklung und eine hohe Ausnutzung des Materials erzielt wird»

Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Reluktanzmaschinenanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 vorgeschlagen, die erfindungsgemäß die im kennzeichnenden Teil des Anspruches genannten Merkmale hat.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterentwicklungen sind in den Unteransprüchen genannt.

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Anhand der in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen:

Figo 1 und 2 eine Reluktanzmaschinenanordnung gemäß der Erfindung im Schnitt längs der Linien 1-1 bzw. II-II in Fig. 3,

Fig. 3 die Reluktanzmaschinenanordnung nach den Fig. 1 und 2, von oben gesehen,

Fig. 4 einen Teil des in Fig. 1 gezeigten Statorkerns in vergrößerter und verbreiterter Darstellung,

Fig. 5 die in Fig. 4 angedeuteten Teile der Statorwicklung in Draufsicht vom Luftspalt her,

Fig. 6 bis 8 verschiedene Möglichkeiten zur Anordnung der gemäß der Erfindung vorgesehenen gesteuerten Gleichrichter,

Fig. 9 bis 12 die magnetische Spannung (andere Bezeichnungen: magnetomotorische Kraft oder Felderregerkurve) als Funktion des abgewickelten LuftSpaltes,

Fig. 13 die Form der Rotorpole und die gegenseitige Lage der zu dem Reluktanzmotor der Anordnung gehörenden beiden Rotoren,

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Fig. 14 die Ströme in Arbeitswicklungen als Funktion der Zeit,

Fig. 15 und 16 die Zusammenschaltung der verschiedenen Teile der Arbeitswicklung,

Fig. 17 eine alternative Geber-Anordnung,

Fig. 18 die Steuerimpulse der Geber-Anordnung nach Fig. 17„

In den Figuren bezeichnen 10 und 11 zwei gleiche achtpolige laminierte Statorkerne mit zugehörigen vierpoligen Rotoren 12 und 13» die mechanisch miteinander gekuppelt sind. Die Statorpole sind mit 8 und die Rotorpole mit 9 bezeichnet. Wenn die beiden Statoren in gleicher Winkellage angeordnet sind, so beträgt die Differenz zwischen den Winkellagen der beiden Rotoren 22,5°_O Wie später erläutert wird, bedeutet dies, daß der eine Rotor sein größtes Drehmoment dann erreicht, wenn der andere sein kleinstes Drehmoment entwickelt. <-£ = 22,5° ist ein theoretischer Optimal wert, und der Winkel dv zwischen den beiden Rotoren kann ohne nennenswerte schädliche Wirkung relativ stark vom Optimalwert abweichen. Aufgrund durchgeführter Untersuchungen kann man oft -tK 22,5° + 7,5° zulassen. Die Statorpolteilung ist mit L -> und die Rotorpolteilung mit

^po stat

-, bezeichnet.

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Die Wicklungen der beiden Statorkerne 10 und 11 sind untereinander gleich. Der in Fig. 1 gezeigte Stator hat eine Arbeitswicklung, die vier in Umfangsrichtung hintereinander angeordnete zweipolige Spulen enthält, nämlich ein Paar zueinander diametral angeordneter Spulen 1 und ein anderes Paar zueinander diametral angeordneter Spulen 3. Dies ist in Fig. 15 angedeutet, wo die Pfeile den Verlauf des magnetischen Flusses bei Erregung der

3
Spulen/und/oder 1 andeuten. Unter dem Begriff "zweipolige Spule" wird eine Spule verstanden, deren Windungen in der Art gewickelt sind, daß jede Windung in tangentialer Richtung zwei unmittelbar nebeneinander liegende Statorpole umschließt, sowie ein Stromkreis, der mit einer solchen Spule äquivalent ist, beispielsweise zwei in zweckmäßiger Weise in Reihe geschaltete Spulen, von denen jede einen der beiden in tangentialer Richtung unmittelbar nebeneinander liegenden Statorpole umschließt.

Außer seiner individuellen Arbeitswicklung, die aus den Hälften 101 und 103 besteht, trägt der Statorkern 10 zusammen mit dem Statorkern 11 zwei Magnetisierungswicklungen 105, 106, von denen die eine 105, die an eine KonstantSpannungsquelle 27 angeschlossen wird, parallel oder in Reihe geschaltete zweipolige Spulen 5 enthält. Jede zweipolige Spule 5 ist um eine Polteilung gegenüber der entsprechenden zweipoligen Spule 1 oder 3 der Arbeitswicklung verschoben_o Die andere Magnetisierungswicklung 106 enthält vier parallel oder in Reihe geschaltete zweipolige Spulen 6, die in gleichen Winkellagen angeordnet sind wie die vier Spulen 5·

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Fig. 6 zeigt die Stromrichtungen in einer Reluktanzmotorenanordnung, die aus den beiden in Fig. 1 und 2 gezeigten Maschinen zusammengesetzt und mit Gleichrichtern versehen ist, so daß der Strom stets in der durch die Pfeile in Fig. 6 gezeigten Richtung fließt.

Bei der in Fig. 7 gezeigten Anordnung sind die verschiedenen Wicklungen der in den Fig. 1, 2 und 3 gezeigten Maschine nach dem in Fig. 6 gezeigten Prinzip angeschlossen, wobei ein gesteuerter Gleichrichter 14 an das Wechselstromnetz 15 angeschlossen ist. Die im Stator 10 vorhandene Arbeitswicklung besteht, wie bereits erwähnt, aus zwei Wicklungshälften 101 und 103, von denen jede mit einer Seite an einer Mittelanzapfung 7 liegt und über ihren jeweiligen Thyristor 16 bzw. 13 an den Gleichrichter 14 angeschlossen ist. In ähnlicher Weise liegt jede der Wicklungshälften 102 und 104 der im Stator 11 liegenden Arbeitswicklung mit einem Ende an einer Mittelanzapfung 17 und ist über ihren jeweiligen Thyristor 19 bzw. 20 an den Gleichrichter 14 angeschlossen.

Ein Lagegeber, der zwei magnetische Geber 120 und 121 enthält, ist mit der Antriebswelle des Reluktanzmotors verbunden und gibt Signale in Abhängigkeit der Lage des Doppelrotors 12+13 in der Art, daß ein Signal nach je einer Drehung von 45 mechanisch auftritt. Der in Fig_o 7 gezeigte, mit dem Rotor (12 + 13)

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-S-

mechanisch gekuppelte Lagegeber enthält einen vierpoligen Rotor 21 und eine Logikausrüstung 122. Die beiden magnetischen Geber 120 und 121 geben je ein Signal, wenn ein Rotorpol unter den Geber läuft oder denselben verläßt.

Dank der in Reihe geschalteten Magnetisierungswicklung 106 ist es möglich, die Thyristorkreise mit Selbstkommutierung arbeiten zu lassen bei einer hinsichtlich der Temperaturentwicklung vollen Belastung. Wenn z.B. der Thyristor 18 zündet, während durch die Wicklungshälften 101 und 102 Strom fließt, und in einem Zeitintervall, in dem die in der Wicklung (101 + 103) induzierte Spannung und damit der im Kreis (16 + 101 + 18 + 103) fließende Kommutierungskreisstrom hinreichend groß ist, so wird infolge der Zündung der Thyristor 16 gelöscht und der Strom vom Thyristor 18 übernommen. Der Kommutierungsstrom darf beim Zünden des Thyristors 18 jedoch nicht zu groß sein. Deshalb wird der Zündimpuls erst bei einer Rotorlage gegeben, bei der der Kommut ie rungs strom auf einen Wert gesunken ist, der kleiner als der halbe Maximalwert ist. Auf ähnliche Weise übernimmt der Thyristor 20 den Strom vom Thyristor 19, wenn der Thyristor 20 einen Zündimpuls erhält. Der Stromverlauf in den Wicklungshälften 101, 102, 103 und 104 geht aus Fig. 14 hervor, wo entsprechende Stromkurven mit I₁, Ip, I^ und I. bezeichnet sind_o Auf der Ordinate ist die Stromstärke aufgetragen und auf der Abszisse die Zeit.

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Die Reihenwicklung soll im Prinzip dieselbe Amperewindungszahl (magnetische Spannung) in den Pollücken erzeugen, in die sie eingelegt ist, wie die Arbeitswicklung in ihren Pollücken erzeugt, wenn sie denselben Strom führen. In gewissen Fällen kann es von Vorteil sein, daß die Reihenwicklung eine größere Amperewindungszahl erzeugt als die Arbeitswicklung, da die Überschußamperewindungszahl (z_oB. 10 - 20 fo) einen Zuschuß zu der von der KonstantSpannungsquelle gespeisten Magnetisierungswicklung darstellt - was im folgenden Vormagnetisierung genannt wird - wodurch die Ausnutzung der Maschine erhöht werden kann, ohne daß der Leistungsverbrauch für die Vormagnetisierung erhöht zu werden braucht. In anderen Fällen, wo die Vormagnetisierung im Verhältnis zur Amperewindungszahl der Arbeitswieklung stark ist, kann eine schwächere Reihenwicklung genügen. Die Amperewindungszahl der Reihenwicklung darf jedoch nicht unter einen V/ert sinken, bei welchem die Summe der Amperewindungszahl der Reihenwicklung und der Vormagnetisierung genauso groß ist wie die Amperewindungszahl der Arbeitswieklung bei dem höchstmöglichen Strom, für den die Maschine dimensioniert ist. Dies bedeutet gewöhnlich, daß die Reihenwicklung eine Amp erewindungszahl pro Pollücke haben muß, die 50 $ der Amperewindungszahl pro Pollücke der Arbeitswieklung nicht unterschreitet.

In Fig. 9-13 ist der Statorumfang auf der Abszisse aufgetragen und auf der Ordinate die magnetische Spannung (magnetomotorische Kraft). Die verschiedenen MMK-Kurven sind mit denselben Ziffern

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bezeichnet wie die entsprechenden Wicklungen oder Teile von Wicklungen in den übrigen Zeichnungen. In Fig. 9 ist die MMK-Kurve für die Wicklung 5 gestrichelt und die MMK-Kurve für die Wicklung 6 voll ausgezogen dargestellt.

Zu einem gegebenen Zeitpunkt entwickelt die Arbeitswicklung entweder eine MMK entsprechend Figo 10 oder entsprechend Fig. 11 ο Durch Überlagerung erhält man entweder die voll ausgezogene oder die gestrichelte Kurve in Fig_o 12. Die oberste Reihe der in Fig. 13 angedeuteten Rotorpole 9 des Rotors 12 steht in Einzugslage im Verhältnis zu der ausgezogenen MMK-Kurve in Fig. 12. Nach einer Motordrehung, die einer Statorpolteilung entspricht, kommen die Pole des Rotors 12 in eine lage, die den gestrichelten Polsymbolen in Fig. 13 entspricht, d.h. in Einzugslage im Verhältnis zu der gestrichelten MMK-Kurve in Fig. 12.

Wenn eine Reluktanzmaschinenanordnung gemäß der Erfindung mit zwei Rotoren ausgeführt wird, z.B. wie in Fig. 7 gezeigt, so erhält man einen sehr gleichmäßigen Gang und ein überraschend niedriges Geräuschniveau. Selbst wenn nur ein Rotor und ein Stator vorhanden sind, ist eine Anordnung gemäß der Erfindung in vieler Hinsicht vorteilhaft. Beispielsweise kann man mit einer einfachen und billigen Stromrichterausrüstung einen hohen Wirkungsgrad erzielen. Die Vorteile sind zum großen Teil auf die Anwendung der mit der Arbeitswicklung in Reihe geschalteten Magnetisierungswicklung und deren spezielle Anschlußart zurück-

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_ 9 —

zuführen, wodurch deren magnetische Spannung stets dieselbe Polarität hat, obwohl die MMK der Arbeitswicklung zwischen Plus und Minus pendelt.

Bei der Anwendung einer Reluktanzmaschine mit nur einem Rotor und einer Spule kann man eine Anordnung gemäß der Erfindung dadurch erhalten, daß man die Komponenten 102, 104, 19 und 20 in Fig. 7 fortläßt und das eine Ende der Wicklung 106 direkt an eine Gleichstromquelle anschließt. Die Spulen 5 und 6 v/erden axial so dimensioniert, daß sie der Läjage des Statorkerns entsprechen.

Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann der Reluktanzmotor mit einer Arbeitswicklung ausgeführt werden, die nicht mit einer Mittelanzapfung versehen ist. fen verwendet dann eine Anordnung nach Pig. 8, wo die Arbeitswicklung der Reluktanzmaschine mit 22 bezeichnet ist und wo 23, 24, 25, Thyristoren bezeichnen, während die Wicklungen 105 und 106 die gleiche Bedeutung wie in Fig. 7 haben.

Statt der in Fig. 15 gezeigten Anordnung der Arbeitswicklung bei einem Statorkern gemäß Fig. 1 kann die Arbeitswicklung auch in der in Fig. 16 gezeigten Weise angeordnet werden. In Fig. sind nur die Arbeitswicklungen gezeigt. Wenn der Thyristor 16 leitend ist, fließt der Strom durch die Spulen 1s, die miteinander derart in Reihe oder parallel geschaltet sind, daß die

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Polarität der Pole mit der in der Figur gezeigten Nordpol (N)- und Südpol (S)-Markierung übereinstimmt. Bei der Kommutierung des Stromes vom Thyristor 16 zum Thyristor 18 verschwindet der Strom in den Spulen 1s und fließt stattdessen in den untereinander zusanraienge schalteten Spulen 3s, wobei sämtliche Spulen die Polarität wechseln.

Die Spulen 1s und 3s können vorzugsweise permanent in Reihe geschaltet sein, um die Arbeitswicklungshälften 101 bzw. 103 zu bilden, und zwei Endpunkte der beiden Reihengruppen 101 und 103 können vorzugsweise permanent miteinander verbunden sein, wobei die Verbindungspunkte eine Mittelanzapfung der Arbeitswicklung bilden.

Eine Reluktanzmaschinenanordnung gemäß der Erfindung dient hauptsächlich als Antriebsanordnung und kann mit Vorteil angewendet werden, wenn die erforderliche Motorleistung größer als 0,5 kW ist. Besonders vorteilhaft ist sie bei einer Motorleistung über 5 kW, z.B„ wenn die Leistung in der Größenordnung von 3OO kW liegt.

Bei einer Anordnung nach Pig. 7 kann anstelle des Rotors 21, der Geber 120 und 121 und der Logikausrüstung 122 alternativ die in Fig. 17 gezeigte Anordnung verwendet werden, wobei die vier Anzapfstellen S., S₂, S, und S. die vier gezeigten Anzapf-

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stellen in der Logikausrüstung 122 in Figo 7 ersetzen. Es wird dann ein Geber nach dem schwedischen Patent 372 858 verwendet .

In Fig. 17 bezeichnet 31 einen Stator aus laminiertem Blech. Der Stator hat zwei Polpaare, wobei das Polpaar mit den Polen 33 und 34 gegenüber dem Polpaar 35, 36 um eine halbe Polbreite versetzt ist. Im Stator 31 läuft ein vierpoliger laminierter Rotor 37 mit Eotorpolen 38, deren Polbreite am luftspalt praktisch gleich der der Statorpole ist.

Die Pollücken des Eotors haben am Luftspalt dieselbe Breite wie die Rotorpole. Jede Pollücke ist durch eine Platte 39 aus elektrisch leitendem Material überbrückt. Jedes der beiden Polpaare ist mit einer Magnetisierungswicklung in Form der Spulen 41 bzw. 42 versehen. Die Spulen 41 und 42 sind in Reihe geschaltet und an eine Wechselstromquelle 43 angeschlossen, die über einen Konstant-Stromregler 44 einen Strom konstanter Stromstärke mit einer Frequenz von 10 000 Hz liefert. Aufgrund der mittels der Platten 9 bewirkten Abschirmung des magnetischen Flusses ist der Fluß eines jeden Polpaares nahezu eine lineare Funktion der Überlappung zwischen Stator- und Rotorpolen. Jedes der beiden Polsysteme ist mit einer Signalspule 45 bzw« 46 versehen. Die in einer Signalspule induzierte Spannung ist dann proportional dem Überlappungsgrad. In gewissen

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Fällen kann man beispielsweise eine bessere Anpassung an den Verstärker dadurch erhalten, daß man auf die Signalspulen 45 und 46 verzichtet und dafür den Spannungsfall an einer Magnetisierungsspule zur Beschreibung des Überlappungsgrades benutzt, wie es in Pig· 17 gezeigt ist. Da die Stromstärke in Magnetisierungsspulen 41 und 42 konstant ist und der induktive Widerstand der Spule mit dem Überlappungsgrad zunimmt, ist der Spannungsfall an einer solchen Spule eine im wesentlichen lineare Funktion des Überlappungsgrades. In Fig. 18 stellt die Kurve a eine mit der Rotorlage veränderliche, den Verstärkern 47 und 48 zugeführte, von der Spule 41 herrührende Spannung dar, und die Kurve b stellt eine den Verstärkern 49 und 50 zugeführte, von der Spule 42 herrührende Spannung dar. Durch zwei untereinander gleiche Sollwertgeber 55 und 56 wird ein und derselbe Sollwert a_fi eingestellt und der Eingangsseite sämtlicher Verstärker 47 - 50 zugeführt, in welchen die Differenzen b - a_Q, a_Q - b, a - a_Q und a_Q - a verstärkt werden, die dann je einer der bistabilen Kippstufen 51 - 54 zugeführt werden, die entsprechend den in ihnen eingetragenen Kennlinien arbeiten. Fig. 18 zeigt die Spannungsimpulse, die an den Anzapfstellen S₁, Sp, S,, S. auftreten., d.h. die Spannungen an diesen Anzapfstellen als Funktion des Drehwinkels &■ des Rotors. Der von der Anzapfstelle S₁ abgegebene Impuls gibt Anlaß zu dem in Fig. 14 gezeigten Strom I₁, der in der Wicklung 101 in Fig. 7 fließt, der Impuls der Anzapfstelle Sp in Fig. 18 gibt Anlaß zum Ström I₂ durch die Wicklung 2 usw.

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Die Winkellage des Rotors 38 kann gegenüber der Winkellage des Hauptrotors justiert werden. Ferner sind die Kippstufen 51 - 54 justierbar, so daß der Impuls bei einem Differenzwert abgegeben wird, der sich etwas von Null unterscheidet. In gewissen Fällen kann es von Vorteil sein, den in Fig. 7 gezeigten gesteuerten Gleichrichter mit einem besonderen Signaleingang zu versehen, dem ein von der Rotorlage anhängiges Signal auf solche Weise zugeführt wird, daß der von der Stromquelle abgegebene Strom reduziert werden kann, während die Kommutierung von einer Wicklung zu einer anderen vor sich geht.

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Claims

Patentansprüche:

' 1 J Reluktanzmaschinenanordniing mit einem Stator mit ausgeprägten Polen und einem Rotor mit ausgeprägten Polen, wobei die Statorpolzahl doppelt so groß wie die Rotorpolzahl ist und der Stator eine Arbeitswicklung und eine an eine Konstantspannungsquelle angeschlossene erste Magnetisierungswicklung hat, wobei jede der genannten Wicklungen mehrere zweipolige Spulen hat, von denen jede zwei in Umfang sr ichtung unmittelbar hintereinander liegende Statorpole umfaßt, während die zweipoligen Spulen der genannten ersten Magnetisierungswicklung gegenüber den zweipoligen Spulen der Arbeitswicklung um eine Statorpolteilung versetzt sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Magnetisierungswicklung (106) vorhanden ist, die einen Fluß über dieselben magnetischen Pfade und mit im wesentlichen derselben Verteilung auf die verschiedenen magnetischen Pfade treibt wie die genannte erste Magnetisierungswicklung (205), und daß die genannte zweite Magnetisierungswicklung (106) mit einem wesentlichen Teil der Arbeitswicklung (101 + 103) mittels gesteuerter Gleichrichter (16, 18) in solcher Weise in Reihe geschaltet ist, daß die Polarität der genannten zweiten Magnetisierungswicklung bei variierender Polarität der Arbeitswicklung (101 +103) immer die gleiche bleibt.
2. Reluktanzmaschinenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Enden der Arbeitswicklung (22) einerseits an dasselbe Ende der zweiten Magnetisierungswicklung (106) über

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je einen mit Durchlaßrichtung zur Magnetisierungswicklung (106) liegenden Gleichrichter (25, 26) angeschlossen sind und andererseits über einen gesteuerten Gleichrichter (23, 24) an denselben Pol einer Gleichstromquelle.
3. Heluktanzmaschinenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der "beiden Enden der Arbeitswicklung über je einen gesteuerten Gleichrichter (16, 18) an den einen Pol einer gesteuerten Gleichstromquelle angeschlossen ist und daß die Arbeitswicklung eine Mittelanzapfung (7) hat, welche direkt an die genannte zweite Magnetisierungswicklung (106) angeschlossen ist ο
4· Reluktanzmaschinenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung eine Reluktanzmaschine mit zwei axial hintereinander angeordneten Statorkernen (10, 11) enthält, wobei zwei Pole des einen Stators zusammen mit zwei axial nebeneinanderliegenden Polen des zweiten Stators mit einer gemeinsamen Magnetisierungsspule (5, 6) versehen sind.
5. Reluktanzmaschinenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zwei axial hintereinander angeordnete Statorkerne (10, 11) enthält, und daß beide Statoren eine gemeinsame Magnetisierungswicklung (106) haben, deren einer Endpunkt an eine Mittelanzapfung (7) der Arbeitswicklung (101 + 103) des einen Stators und deren anderer Endpunkt an eine Mittelanzapfung (7) der Arbeitswicklung (102 + 104) des anderen Stators angeschlossen ist.

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6. Reluktanzmaschinenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenumfang des Stators im wesentlichen eine quadratische Form hat und daß sämtliche auf Diagonalen des Quadrats liegende Pollücken nur Spulenseiten enthalten, die zu den genannten Magnetisierungswicklungen gehören.

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