DE2727471B2 - Elektronisch kommutierter Reluktanzmotor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektronisch kommutierten Reluktanzmotor gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Ein solcher elektronisch kommutierter Reluktanzmotor ist aus der FR-PS 2 109144 bekannt. Der Stator des bekannten Motors besitzt vier Statorpolgruppen, von denen jede in mindestens zwei Untergruppen unterteilt ist, die je einen Sektor des Umfanges des Stators einnehmen. Alle Statorpolc jeder Untergruppe sind von einer einzigen Wicklung umgeben, und alle Wicklungen der Untergruppen Her gleichen Gruppe ι werden durch eine Kommutierungseinrichtiing gleichzeitig von einer Gleichspnnnungsquelle aus erregt. Um eine Sättigung des magnetischen Kreises in den Luftspaiten zwischen den Statorpolen und den Rotorzähnen zu erreichen, besitzen die Rotorzähne eine kleineren Durchtrittsquerschnitt für den magnetischen Fluß als die Statorpolc Wenn sich daher ein Rotorzahn einem Statorpol gegenüberbefindet, erreicht der magnetische Fluß einen unveränderlichen Höchstwert.

Um ein von der Rotorwinkelstellung unabhängiges Drehmoment zu erhalten, ist es wesentlich, abrupte Änderungen in der Gegen-EMK in jeder Spule zu vermeiden, wenn die Rotorzähne sich den Statorpolcn einer Polgruppc nähern und sich dann wieder von ihnen entfernen. Die erforderliche Abstufung wird im bekannten Fall dadurch erhalten, daß man die Rotorzähne derart ausbildet, daß in jedem Rotorzahn die Gcsumtdicke des ferromagnetischen Materials in aufeinanderfolgenden Axialschnitten durch den Rotor in Schnitten durch den mittleren Bereich eines Zahnes größer ist als in Schnitten durch dessen äußere Randbereiche. Wenn sich die so ausgebildeten Rotorzähne den Statorpolen einer Gruppe nähern oder sich wieder von ihnen entfernen, ändern sich die für den magnetischen Fluß in den Luftspalten zwischen den Statorpolcn und den Rotorzähnen angebotenen Durchtrittsquerschnitte fortlaufend. Unter diesen Bedingungen und bei einer passenden Versetzung der

Posoition der Untergruppen der Statorpole in bezug auf die gleichmäßig beabstandeten Rotorzähne besitzen die Werte der Gegen-EMKs in den die einzelnen Statorpole der vier Polgruppen umgebenden Wicklungen einen Verlauf aufeinanderfolgender trapezförmiger Impulse.

Wenn der Rotor aus einem Stapel von ringförmig ausgestanzten Blechen id2ntischer Form ausgebildet ist, wird die e^~wähnte Ausbildung der Rotorzähne dadurch erhalten, daß man die einzelnen Bleche in ihrer Winkelstellung um einen passenden Betrag gegeneinander versetzt.

Die Leistung und der Wirkungsgrad des bekannten Motors nach der FR-PS 2109144 sind zwar besser als bei bekannten Motoren der gleichen Art, aber es werden infolge magnetischer Streuflüsse nicht die optimalen Werte erreicht, was mit der Wahl der Begrenzung des magnetischen Flusses durch die Rotorzähne verbunden ist. Einerseits sind aus diesem Grunde die Statorzähne in Umfangsrichtung breiter als die Rotorzähne, so daß zwischen den Statorzähnen und den nicht durch die Rotorzähne bedeckten Teilen des Rotors Streuflüsse auftreten. Andererseits tritt aus dem gleichen Grund ein zusätzlicher Streufluß am jeweils ersten und letzten Pol einer Untergruppe von Statorpolen auf. Jeder Rotorzahn wird nämlich magnetisch gesättigt, sobald er sich dem ersten Pol einer Untergruppe von Statorpolen nähert, d. h. wenn er sich gegenüber demjenigen Abschnitt der Wicklung befindet, der den ersten Statorpol unmittelbar umgibt. Infolge dieser Sättigung des Rotorzahnes tritt an der Außenseite dieses Statorpoles, d. h. im wesentlichen im zugehörigen Abschnitt der Wicklung ein Streufluß auf, der der Änderung der Gegen-EMK in der Wicklungentgegengesetzt ist und somit einen Verluststrom erzeugt. Ein gleicher Streufluß tritt auf, wenn sich der noch gesättigte Rotorzahn vom letzten Statorpol einer Untergruppe entfernt.

Damit wird durch die an sich vorteilhafte Anordnung, die 'as Ziel hat, den magnetischen F⁷IuB durch eine geeignete Ausbildung der Rotorzähne zu begrenzen, der verfolgte Zweck nur teilweise erreicht.

Aus der FR-PS i 445572 ist ein weiterer Motor dieses Typs bekannt, bie dem jedoch jeder Statorpol von einer Wicklung umgeben ist, die von einer Gleichspannungsquelle über eine derait geschaltete Kommutierungseinrichtung gespeist wird, daß in Umfangsrichtung des Stators jede fünfte Wicklung an derselben Ausgangsklemme der Kommutierungseinrichtung angeschlosser ist. Mithin gehören vier aufeinanderfolgende Statorpole jeweils zu vier unterschiedlichen Gruppen •on Statorpolen. Um eine geeignete Verschiebung der gleichmäßig beabstandeten Rotorzahne gegenüber den Statorpolen zu erhalten, beträgt die Zahl der Rotorzähnc ein ungerades Vielfaches eines Viertels der Zahl der Statorpole. Die Abstufung der Änderung der Gegen-EMKs in den Wicklungen wird dort ebenfalls durch eine bestimmte Ausbildung der Rotorzähnc erreicht. Es treten daher dort auch die gleichen Erscheinungen bezüglich der erwähnten Verlustströme auf wie bei dem aus der FR-PS 2 109144 bekannten Motor.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen elektronisch kummutiertcn Reluktanzmotor der eingangs bezeichneten Art dahingehend weiter zu verbessern, daß seine Ausgangsleistung und sein Wirkungsgrad erhöht wirl.

Diese Aufgabe wird durch du; im Anspruch I gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Die erfindungsgemäße Ausbildung des Motors führt in vorteilhafter Weise dazu,

- daß die Rotorzähne nicht mehr magnetisch gesättigt sind und keine Ursache zum Auftreten von Streuflüssen mehr geben. Die für den Übergang des magnetischen Flusses bereitstehenden und nicht gesättigten Rotorzahnflächen überdecken die Statorzahnflächen hinreichend, um Streuflüsse zwischen den Rotorzähnen und dem nicht mit Rotorzähnen bedeckten Teil des Rotors sowie am ersten bzw. letzten Statorpol bei Annäherung bzw. Entfernung eines Rotorzahnes zu vermeiden. Das hat zur Folge, daß das maximale Drehmoment und der Wirkungsgrad des Motors verbessert werden, und

- daß der Aufbau und das Auswuchten des Motors erleichtert werden, da die Herstellung des Rotors, der wegen der erforderlichen Auswuchtung den am schwierigsten herz·.·-.teilenden Teil des Motors darstellt wesentlich vereinfacht wird Der Rotor besteht nämlich aus einem Paket identischer Bleche, die nicht gegeneinander versetzt angeordnet zu werden brauchen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den ünteransprüchen gekennzeichnet.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von zuei beispielhaften Ausführungsformen unter Hinweis auf die Zeichnungen im einzelnen näher beschrieben. Es stellt dar

Fig. 1 einen Axialschnitt durch einen Reluktanzmotor,

Fig. 2 einen Radialschnitt durch einen Teil des Motors nach Fig. 1.

Fig. 3 A einen Schnitt durch einen Pol des Motors gemäß Fig. 2, und zwar entlang der Linie IV-IN' in Fig. 2,

Fig. 3 B eine Darstellung der Dickenverteilung des ferromagnetischen Materials des Statorpoles nach Fig. 3 A,

Fig. 4A einen Radialschnitt durch eine zweite Ausführungsform eines Motors nach Fig. 1,

Fig. 4B eine Darstellung entsprechend Fig. 4A. jedoch bei einer etwas anderen Rotorstcllung, und

Fig. 5 ein Diagramm des zeitlichen Verlaufs der Änderungen der Gegen-EMKs. die in den einzelnen Spulen des Stators eines Motors nach Fig. 2 wirksam sind.

Der elektronisch kommutierbare Reluktanzmotor (Fig. 1) besitzt eine Radialsymmetrieachse I-I und eine senkrecht zu dieser Achse verlaufende Symmetrieebene H-II.

Ein Rotor 1 (siehe auch Fig. 2 und 4 A, 4B) sitzt auf einer Welle 11. die in Lagern 12, 13 läuft. Der Rotor besitzt einen aus ferromagnetische^ Werkstoff, z. B. siliziumlegiertem Eisenblech geschichteten Kranz. Am äußeren zylindrischen Umfang dieses Kranzes ragen Zähne wie 101 in den Luftspalt zwischen Stator und ^otor hinein. Diese Rotorzähne sind genau quaderförmig und haben konstante Teilung. Die Länge der Zähne in Umfangsrichtung liegt zwischen einem Drittei und der Hälfte der Teilung.

Ein Stator 2 oder 2' (siehe auch Fig. 2 und 4 A, 4B) besitzt einen Kranz, der zumindest teilweise aus ferromagnetische^/ Werkstoff, z. B. aus siliziumlegiertem Eisenblech geschichtet ist. Aus der zylindrischen Innenfläche des Kranzes ragen Statorpole 201 bis 204ff. in den Luftspalt zwischen Stator und Rotor

hinein. Auch diese Pole sind genau quaderförmig.

In einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung (Fig. 2), das sich auf die Verbesserung der ersten eingangsgenannten Motorenart bezieht, beträgi die Anzahl der Statorpole sechzehn und die Anzahl der Rotorzähne zwanzig. Die Statorpole haben konstante Teilung. Jeder Statorpol ist mit einer individuellen Wicklung bewickelt, z. B. der Pol 201 mit einer Wicklung 211. Die Bleche, aus denen der Stator aufgebaut ist. haben eine identische Gestalt.

Wie in I-ig. 3 A und Mi für den Statorpol 2(11 gezeigt ist. sind die Bleche 201«. 201/). 201c. usw. jedes Poles 201 bis 204ff. in ihrer Winkelstellung derart gegeneinander versetzt angeordnet, daß sie eine maximale Dicke an ferromagnetische^ Metall in der mittleren /one des Statorpoles bilden, und abnehmende Dicken in den seitlichen Raiulzonen. die die zentrale /.one flankieren. Aus dem Diagramm der I-ig. .^B ist insbesondere ersichtlich, dall, wenn man die Dicke in der mittleren /one gleich Eins setzt, die Dicke in den seitlichen Zonen, wenn man sich von der minieren /one entfernt, nacheinander die Werte 0.8. dann 0,5 und schließlich 0.2 annimmt. Das ganze Blechpaket ist in ein Kunstharz eingebettet.

Die Abmessungen von Statorpolen und Rotorzahnen sind derart aufeinander abgestimmt, daß bei jedem Statorpol, also innerhalb der entsprechenden Statorwickliing. der vom Wicklungsstmm erzeugte magnetische Fluß zwischen Null und einem Maximum schwankt. 15er Wert Null tritt auf. wenn der betrachtete Statorpol über einer Rotorzahnlücke steht und das Maximum wird erreicht, wenn dieser Statorpol einem Rotorzahn mittig gegenübersteht. Dadurch verlauft die zeitliche Ableitung ties Musses und damit die in der Wicklung entwickelte (icgen-FMk wie aus der DFi-OS 2 109 144 und der IR-PS 1445572 bekannt abwechselnd trapezförmig mit den Stufen Null und Maximum.

Die Arbeitsweise des Motors wird im folgenden beschrieben (siehe auch Fig. 5).

Der Statorpol 201 (F-"ig. 2) ist für einen Zeitpunkt i, dargestellt, an dem die Vorderseite (in Drehrichtung Fdes Rotors) des Rotorzahnes 101 unmittelbar vordem Erreichen dieses Statorpoles steht, /u diesem Zeitpunkt läuft die Gegen-EMK in der zugehörigen Statorwicklung 211 durch eine Stufe mit dem Wert Null. Wahrend dieser Stufe beginnt der Strom in der Statorwicklung 211 zu fließen.

Wenn die Vorderseite des Rotorzahnes 101 vor dem linken, verminderte Metalldichte aufweisenden Teil des Statorpoles 201 vorbeiläuft (Fig. 2). wachst die Gegen-EMK in der Wicklung gemäß einer geradlinigen Flanke bis zum Erreichen einer dem Maximalwert entsprechenden Stufe, wenn die Vorderfront des Roterzahnes vor der Mittelzone des Poles mit hoher Metaildicke vorbeiläuft (Zeitpunkt r, = t_n + At).

Wenn die Vorderfront des Rotorzahnes 101 anschließend vor dem rechten Teil des Statorpoles 201 mit erneut reduzierter Metalldicke vorbeiläuft, sinkt die Gegen-EMK entsprechend einer geradlinigen Flanke, die symmetrisch zur aufsteigenden Flanke ist. bis wieder eine Stufe mit dem Wert Null erreicht ist. Im Verlauf dieser Stufe wird der Strom in der Wick lung unterbrochen (Zeitpunkt t₂ = t₀ + 2At).

Der Statorpo! 201 bleibt während eines zweiten Wechsels ungespeist bis zu einem Zeitpunkt f.. = r, +4At und sodann beginnt der beschriebene Zvklus von neuem.

Die Statorpole mit der Rangfolge (201 + 4k, wobei k eine beliebige ganze Zahl ist) werden in der gleichen Weise gespeist wie der Statorpol 201; ihre Gegen-EMK verläuft in entsprechender Weise.

Die Statorpolc mit der Rangfolge (202 + 4k), (203 + 4k), (204 + 4k) haben zwar den gleichen Zeitverlauf der Gegen-EMK wie die Statorpole (201 -I- 4A), jedoch mit einer Phasenverschiebung von einem Viertel, der Hälfte und drei Viertel der Periode, nämlich At, 2At und 3At.

Hieraus ergibt sich, daß die (iesamt (iegen-LMk gleich der Summe tier vier einzelnen Gegen-LMK Werte einen genau konstanten Wert behält, was infolgedessen auch für das Drehmoment des Motors gilt.

Für die Umfangslangen der Statorpole und tier Rotorzähne sind (irenzabmessungen zu beachten. So muß die Länge eines Rotorzahnes zwischen der mittleren Länge der Bleche eines Statorpoles und der Gesamtlange eines l'oies hegen. Die Lunge einer Kotorzahnlücke muß größer sein als die Pollänge und die Länge einer Statorpollücke muß größer sein als die /.ahnlange

Iu einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung (I ig. 4 A. 4B). das sich auf die Verbesserung tier zweiten, eingangs genannten Motorenart bezieht, beträgt die Anzahl der Statorpolc 48. die in acht Sektoren zu sechs Polen angeordnet sind. Jeder Sektor ist mit iiner einzigen dem Sektor zugeordneten Statorwicklung bewickelt. Zum Beispiel besitzen die Pole 201' bis 206' des Sektors .S₁ eine Statorwicklung 20O₁. Die Anzahl der Rotorzähne belrägt bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel 54.

Wie bei dem aus der FR-PS 1445 572 bekannten Motor folgen hier ebenfalls zwei benachbarte Sektoren derart aufeinander, daß die Rotorzähne von einem Sektor zum nächsten urn ein ungeradzahliges Vielfaches einer Viertelzahnteilung in Bewegungsrichtung zurückstehen, hier also unter Berücksichtigung der Anzahl tier Statorpole und der Rotorzähne um drei Viertel tier Zahnteilung.

Aber auch die Statorpole wie 201' bis 206' besitzen, wie bei dem bekannten Motor, einen gleichmäßigen radialen Querschnitt, d. h. sie weisen keine Metallabnahme an den Seiten auf. Die einheitliche Länge der Statorpole in L'mfangsrichtung des Luftspaltes ist demgegenüber jedoch um 4 bis 20% kleiner als die entsprechende Länge der Rotorzähne und ihre Teilung ist nicht gleichförmig.

Beim Sektor S₁ stehen bei der in Fig. 4 A gezeigten Rotorstellung die Statorpole 202' und 205' des rechten und des linken Halbsektors mitten über Rotorzähnen, während die Statorpole 201', 203' einerseits bzw. 204', 206' andererseits außermittig über den benachbarten Rotorzähnen stehen und zwar jeweils symmetrisch zu den Statorpolen 202' bzw. 205' derart, daß bei den Statorpolen 201', 203' bzw. 204', 206' die zu den Statorpolen 202' bzw. 205' gerichteten Seiten genau in einer Linie mit den Seiten der sie bedeckenden Rotorzähne stehen. Bezeichnet man den Zahnmittenabstand mit d. so schwankt der Polmittenabstand im betrachteten Sektor um z.B.d—ε zwischen den Statorpolen 202' und 203' einerseits und d + 2e zwischen den Statorpolen 203' und 204' usw. andererseits.

Diese Versetzungen der Statorpole gegenüber der Zahnteilung haben folgende anhand der Rotorstellung in Fig. 4B erkennbare Wirkung: Wenn der Rotorzahn 101' mit seiner Vorderfront in Drehrichtung F

den Statorpol 201' erreicht, dann steht der in Dreh richtung nächste Rotorzahn 102' gegenüber dem Statorpol 202' i.rn eine Länge f zurück. Der folgende Rotorzahn 103' steht gegenüber dem Statorpol 203' um eine Lunge 2r zurück. Der nächstfolgende Rotor-/ahn 104' steht wieder gegenüber dem Statorpol 204 m'· einem Rückstand oder Versatz, von Null und so weitjr.

Die Überdeckung der Statorpole dureh die Rolorzähne erfolgt also progressiv, ausgehend von einem Statorpol bis /ti einer wirgegebenen /ahl in Heue guugsnchtung folgetulcr Statorpole. \\ a¹. int den W ι lauf tier in tier gemeinsamen Sektorwickliing er/eueten (iegen-I-.MK zum gleichen Lrgebnis fuhrt vv ic cmc Metallveimmderung an den Seiten der Pole

Die I anre / liegt innerhalb von Grenzwerten, lic zeichnet man <:en Prozentsatz tier Verminderung der I'nifangslangc eines Statorpoles gegenüber derjenigen cmcs RoI(M/ahnes mit / i;i l'roz.er, . dann verlangt die l'orderung. dall alle Statorpole von Rnter/alinen bedeckbar scm müssen, eine obere (irenze fm die

I.auge f. Diese obere (irenze beträgt η, mal der länge eines Rotorzahnes. Als unteren (Iren/wert der länge kann man im selben Heispiel die Hälfte des oberen Grenzwertes nehmen.

Die versetzte Anordnung der Sla'or/ähne läßt sich verallgemeinern, indem man den Sektor nicht in zwei I lalbsektoren. sondern in /gleiche Teilsektoren einteilt, die jeweils eine ungerade Zahl # von Statorpolen besitzen, und indem man die Statorpole progressiv und symmetrisch dem ieweilip.cn Mittclpol jedes IViI-scktofs im Rahmen von Grenzwerten nahersetzt. die analog /um vorangegangenen Beispiel definiert mihI. bei dem / .1 und ι; = λ ist.

Hei beiden Arten von Motoren mit veränderlichem magnetischem Widerstand ist infolge tier erl'indiingsgcmaßcn Verbesserungen an den Statotpolen bei Miiisl gleicher Ausführung wie bei den als bekannt vorausgesetzten Motoren eine Verbesserung des maximalen Drehmomentes um 15 his 2(1' < und des Wirkungsgrades um ungefähr 5 bis Ιιΐ'ί zu verzeichnen.

I bei zu ' Ml.ill /cicIniMnivi!

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Elektronisch kommutierter Reluktanzmotor mit einem ringförmigen, aus ferromagnetischem Material bestehenden Statorblechpaket mit ausgeprägten Polen, die mit Statorwicklungen bewikkelt und die auf vier Gruppen gleicher Polzahl verteilt sind, mit einem ringförmigen, aus ferromagnetischem Material bestehenden Rotorblechpaket mit gleichmäßig beabstandeten, den Statorpolen gegenüberliegenden Rotorzähnen, mit Mitteln zur Sättigung der durch das mit Polen versehene Statorblechpaket einerseits und das mit Rotorzähnen versehene Rotorblechpaket andererseits gebildeten magnetischen Kreise im Bereich des Luftspaltes, und mit einer durch die Rotorwinkelstellung gesteuerten und derart ausgelegten Kommur.ierungseinrichtung, daß während der einer Rotordrc-tiung um eine Zahnteilung entsprechenden Periode die einem Statorpo! zugeordnete Statorwicklung nacheinander von Strömen entgegengesetzter Richtung einer Gleichspannungsquelle durchflossen und die Stromwechsel in den die Statorpole umgebenden Statorwicklungen der aufeinanderfolgenden Pole der verschiedenen Polgruppen um jeweils 90° gegeneinander phasenverschoben sind, wobei die Mittel zur Sättigung derart ausgebildet sind, daß während der Drehung des Rotors der Mittelwert der magnetischen Leitfähigkeit d.^r Statorpole einer Polgruppe im wesentlichen in Form einer linearen Flanke ansteigt, bis in allen Statorpulen dei gleichen Gruppe die magnetische Leitfähigkeit ihren Maximalwert erreicht hat, und dann wieder im wesentlichen in Form einer linearen Flanke abfällt, so daß die in den Statorwicklungen entstehenden Gegen-EMKs jeweils einen im wesentlichen trapezförmigen Verlauf aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Sättigung der magnetischen Kreise im Bereich des Luftspaltes zwischen den Statorpolen (201 bis 204,201' bis 206') und den Rotorzälinen (101 bis 105, 10Γ bis 104') durch die Gestaltung oder die Anordnung der Statorpole (201 bis 204, 20Γ bis 206') bestimmt ist.

2. Elektronisch kommutierter Reluktanzmotor nach Anspruch 1, mit gleichmäßig beabstandeten Statorpolen, deren Zahl ein ganzzahliges Vielfaches von vier ist, einer gleichen Anzahl von Stntorwkklungen, von denen jeweils eine einen Statorpol umgibt, und die derart durch die Kommuticreinrichtung erregbar sind, daß vier aufeinanderfolgende Statorpole jeweils den vier Polgruppen angehören, sowie mit einer Anzahl von Rotorzähnen, die ein ungeradzahliges Vielfaches eines Viertels der Anzahl der Statorpole beträgt, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorpole (201 bis 204) so ausgebildet sind, daß die Gesamtdicke des fcrromagnetischen Materials der Statorpole in durch die Rotorachse verlaufenden Ebenen an den Kandzonen der Statorpole wesentlich geringer ist als in der Mittclzonc der Statorpole (Fig. 2).

3. Elektronisch kommutierter Reluktanzmotor nach Anspruch 1, bei dem jede Gruppe von Statorpolen aus mindestens zwei von je einer Statorwicklung umgebenen Untergruppen aufeinanderfolgender Statorpolc besteht, wobei die Statorwicklungen in einer Weise mit der Kommutie-

rungseinrichtung verbunden sind, daß zwei aufeinanderfolgende Untergruppen zwei unterschiedlichen Grupen angehören, die Untergruppen gleichmäßig über den Statorumfang verteilte Sektoren einnehmen und zwei aufeinanderfolgende Untergruppen um einen derartigen Winkel gegeneinander versetzt sind, daß die untereinander gleichmäßig beabstandeten Rotorzähne gegenüber aufeinanderfolgenden Untergruppen um eine oder ein ungerades Vielfaches einer Viertelzahnteilung in Bewegungsrichtung zurückstehen, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorpole (201' bis 206') in Umfangsrichtungschmäler ausgeführt sind als die Rotorzähne (101' bis 106'), daß die gesamte Umfangslänge des von jeder Statorpoluntergruppe eingenommenen Sektors (S₁) kleiner ist als die gesamte Umfangslänge einer entsprechenden Folge von Rotorzähnen (101' bis 106') und daß der Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Statorpolen einer Untergruppe in deren mittlerem Teil (203', 204') größer ist als in deren seitlichen Teilen (201', 202' und 205', 206', Fig.

4 A, 4B).