DE4314290A1

DE4314290A1 - Reluktanzmaschine

Info

Publication number: DE4314290A1
Application number: DE4314290A
Authority: DE
Inventors: Manfred Dr Ing Kuchenbecker
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-04-30
Filing date: 1993-04-30
Publication date: 1994-11-03

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Reluktanzmaschine, die sowohl als Motor wie auch als Generator betrieben werden kann.

Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung ist der Einsatz im Bordnetz eines Kraftfahrzeuges als Anlasser/Ladegenerator, wobei der Rotor vorzugsweise mit der Schwungmasse des Verbrennungsmotors eine Baueinheit bildet und der Stator entweder als geschlossener Ring oder in einzelnen, nicht magnetisch miteinander verbundenen Sektoren um den Rotor herum angeordnet ist.

Reluktanzmaschinen der genannten Art sind in den EP 01 03 821 und EP 03 94 527 beschrieben. Diese Maschinen benötigen aber zu ihrem Betrieb eine Erregerwicklung, die an sich schon das Bauvolumen der Maschine vergrößert. Weiterhin verläuft bei diesen Maschinen der magnetische Fluß in jedem Statorsektor so, daß der Statorrücken sowie der Rotorinnenring den Fluß mehrerer Stator- bzw. Rotorzähne aufnehmen müssen. Das bedingt große magnetische Querschnitte und damit ein großes Bauvolumen der Maschine, insbesondere einen gegenüber dem Schwungrad des Verbrennungsmotors großen Außendurchmesser, wenn die Maschine im Kraftfahrzeug eingesetzt werden soll. Eine weitere Reluktanzmaschine ist in der DE-OS 30 10 318 beschrieben. Bei dieser Maschine wird ebenfalls eine Erregerwicklung benötigt. Die genannten Nachteile treffen auch auf diese Maschine zu.

Die vorliegende Erfindung stellt sich die Aufgabe, die genannten Nachteile zu vermeiden und einen Motor-Generator-Betrieb mit einer Maschine nach dem Reluktanzprinzip zu ermöglichen, die einem gegenüber dem Rotorinnendurchmesser nicht wesentlich größeren Außendurchmesser aufweist und zu ihrem Betrieb keine Erregerwicklung benötigt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß

- die Reluktanzmaschine als n-phasige Maschine mit einer geradzahligen Zähnezahl für jede Phase ausgeführt ist und die Wicklungen für jede Phase so angeordnet sind, daß sowohl Statorrücken wie auch Rotorinnenring nur mit dem magnetischen Fluß eines Zahnpaares belastet sind und daß außerhalb der zu einer Phase gehörenden Statorzahngruppe kein nennenswerter magnetischer Fluß vorhanden ist und
- der für den Betrieb der Maschine notwendige magnetische Fluß bei Motorbetrieb durch den Phasenstrom jeder Motorphase selbst erzeugt wird, wie dies auch beim Betrieb von Reluktanzschrittmotoren üblich ist, und bei Generatorbetrieb an jede Phasenwicklung während des Durchlaufens des Zustandes maximaler Reluktanz eine Spannung angelegt wird, die in ihrer Polarität bezogen auf die Wicklung umgekehrt gegenüber der abzugebenden Ladespannung ist.

Die nachfolgend beschriebene Anordnung zeigt beispielhaft eine mögliche Ausführungsform der Erfindung einschließlich einiger unterschiedlicher erfindungsgemäßer Ausgestaltungen. Die zur Erläuterung dienenden Zeichnungen zeigen im einzelnen:

Fig. 1 einen Statorausschnitt für eine Phase der Motor-Generator-Anordnung.

Fig. 2 den Verlauf der Reluktanz λ in einer Phase ohne Berücksichtigung der Sättigung in Abhängigkeit vom elektrischen Drehwinkel ϕ.

Fig. 3 ein ψ-I-Kennlinienfeld für eine Phase mit eingezeichneten Zustandsdiagrammen für Motor- und für Generatorbetrieb.

Fig. 4 eine Schaltung zum Betrieb des Motor-Generators.

Fig. 5 eine verbesserte Schaltungsanordnung zum Betrieb des Motor-Generators.

Fig. 6 eine weitere vorteilhafte Schaltungsanordnung.

Fig. 7 eine weitere erfindungsgemäße Schaltungsanordnung.

Fig. 8 ein weiteres Zustandsdiagramm für eine vorteilhafte Gestaltung des Generatorbetriebes.

In der Fig. 1 ist in den Statorausschnitt 1 und den Rotorausschnitt 2 der Verlauf der Teilflüsse Φ und Φ′ eingezeichnet. Die Darstellung zeigt, daß die Flußpfade nur jeweils benachbarte Stator- und Rotorzähne umfassen und daß sowohl Statorrücken wie auch Rotorinnenring nur jeweils mit dem Fluß eines Zahnpaares magnetisch belastet werden und somit die Statorrückenbreite b_StR sowie die Breite des Rotorinnenringes b_RI nur unwesentlich größer als die Breite der Statorzähne sein müssen. Die Zähnezahl für jede Motorphase kann 2m gewählt werden, wobei 2 Spulen 3 mit einer Weite α_St und (m-1) Spulen 4 mit einer Weite (α_St + τ_z) benötigt werden. Die Spulen können vorgefertigt und auf die Statorzähne aufgeschoben werden.

Bei einer n-phasigen Reluktanzmaschine sind die n-Phasen in ihrer relativen Lage gegenüber den Rotorzähnen um den Winkel τ_z/n gegeneinander versetzt. Da bei einer Spulenanordnung nach Fig. 1 alle Teilflüsse für eine Phase nicht außerhalb des Bereichs der zugehörigen Statorzähne hinaus verlaufen, kann der Statorrücken zwischen benachbarten Phasen schwächer gehalten werden und z. B. Durchbrüche für Befestigungselemente enthalten. Weiterhin ist es nicht zwingend notwendig, die n-Phasen in zueinander gleichen Abständen am Rotorumfang anzuordnen, vielmehr kann die Anordnung den gegebenen Einbauverhältnissen angepaßt werden.

In Fig. 2 ist der Verlauf der Reluktanz λ in Abhängigkeit vom Rotordrehwinkel ϕ dargestellt, wobei in dieser Darstellung der Einfluß der Eisensättigung nicht berücksichtigt wurde. In den Punkten 0,τ_z . . . ν · τ_z, die der maximalen Überdeckung von Stator- und Rotorzähnen entsprechen, erreicht die Reluktanz ein Maximum, bei τ_z/2 . . . τ_z/2 + ν · τ_z ein Minimum.

In Fig. 4 ist eine erste Schaltung dargestellt, mit der ein Motor-Generatorbetrieb verwirklicht werden kann. Bei dieser Schaltung werden die Transistoren Tn1 und Tn2 jeweils so angesteuert, daß bei Motorbetrieb zwischen den Schaltpunkten S1M und S2M die betreffende Phasenwicklung an die Betriebsspannung U gelegt wird, zwischen den Schaltpunkten S2M und S1M sind die Transistoren Tn1 und Tn2 gesperrt und die in der Wicklung gespeicherte Energie fließt über die Freilaufdioden Grn1 und Grn2 zur Spannungsquelle zurück, wobei es auch zu einem Lücken des Stromes kommen kann. Die Verläufe von Strom I und verkettetem Fluß ψ sind als Zustandskurve ZM für Motorbetrieb im Zustandsdiagramm Fig. 3 eingezeichnet. Die Schaltpunkte S1M und S2M liegen in der Nähe der Punkte τ_z/4 bzw. 3τ_z/4 des in Fig. 2 dargestellten Verlaufs der Reluktanz λ. Die durch die Zustandskurve ZM eingeschlossene Fläche entspricht der pro Zahnteilung und Motorphase abgegebenen mechanischen Arbeit. Eine Verschiebung der Zustandskurve im ψ-I-Kennlinienfeld und damit eine Strom- und Drehmomentenverstellung wird durch zeit- und/oder drehwinkelabhängige Verschiebung der Schaltpunkte S1M bzw. S2M bewerkstelligt. Diese Verstellung reicht bis zu der für den Anlauf des Motors geltenden Zustandskurve ZM′, die in Fig. 3 gestrichelt gezeichnet ist mit S1M ≈ τ_z/2 und S2M ≈ τ_z.

Unabhängig von der Verschiebung der Schaltpunkte kann zum Schutz der Bauelemente und der Phasenwicklungen eine Begrenzung des Phasenstromes vorgenommen werden.

Bei Generatorbetrieb wird die betreffende Phasenwicklung zwischen den Schaltpunkten S2G und S1G nach Fig. 3 durch die Transistoren Tn1 und Tn2 an die Betriebsspannung gelegt. Diese Phase entspricht der Erregungsphase des Generators. Zwischen den Schaltpunkten S1G und S2G fließt über die Freilaufdioden Grn1 und Grn2 die in der Wicklung gespeicherte Energie und die umgewandelte mechanische Energie zur Spannungsquelle U. Die pro Zahnteilung und Phase in elektrische Energie umgewandelte mechanische Energie entspricht der durch die Zustandskurve ZG in Fig. 3 eingeschlossenen Fläche. Durch Verschieben der Schaltpunkte S1G und/oder S2G gegenüber τ_z/4 bzw. 3τ_z/4 wird eine Verschiebung der Zustandskurve im ψ-I-Kennlinienfeld und damit eine Steuerung oder Regelung des Ladestromes erreicht.

Ein Nachteil der Schaltung nach Fig. 4 ist es, daß sowohl bei Motor- wie auch bei Generatorbetrieb im Hauptstromkreis einer Phasenwicklung jeweils zwei Bauelemente (Trn1 und Trn2 bzw. Gr1n und Gr2n) liegen, die mit dem verhältnismäßig hohem Arbeitsstrom belastet sind. Dies verursacht einen erhöhten Aufwand an Leistungsbauelementen sowie vergrößerte Verluste.

Eine Schaltung, die diesen Nachteil vermeidet, ist in Fig. 5 gezeigt. Bei dieser Schaltung wird eine zweite Spannungsquelle U2 verwendet, die in Bezug auf den gemeinsamen Verbindungspunkt mit der Hauptspannungsquelle U1 von entgegengesetzter Polarität ist. Die Transistoren T12 . . . Tn2 werden hier nur noch mit dem im Vergleich zum Motor-Betriebsstrom kleinen Erregerstrom und die Freilaufdioden Gr12 . . . Grn2 mit dem im Vergleich zum Ladestrom kleinen Freilaufstrom der Motorwicklungen belastet. Die in den Leistungs-MOSFETS integrierten Inversdioden übernehmen die Funktion der Gleichrichter für den Ladestrom.

Eine weitere verbesserte Schaltung zeigt Fig. 6. Die Hilfsspannung U2 entsteht bei dieser Schaltung an dem Speicherkondensator C. Bei Motorbetrieb fließt diesem Kondensator die Energie der Freilaufkreise der Motorwicklungen zu. Durch den Schaltregler S wird die Energie von C auf die Hauptspannungsquelle U1 zurück übertragen, so daß ein festgelegter Spannungswert an C nicht überschritten wird. Bei Generatorbetrieb wird eine der n-Phasenwicklungen der Maschine mit umgekehrter Polarität gegenüber den anderen (n-1)-Phasenwicklungen betrieben. In Fig. 6 ist dies die Wicklung 1. Der Transistor T11 ist in diesem Fall sowohl der Schalttransistor für den Motorbetrieb wie auch der Schalttransistor für den Erregerstrom für die Phasenwicklung 1, der der Hauptspannungsquelle U1 entnommen wird. Der durch die Phasenwicklung 1 erzeugte Ladestrom lädt den Speicherkondensator C auf, der wie bei der Schaltung nach Fig. 5 beschrieben, den Erregerstrom für die anderen (n-1)-Phasenwicklungen liefert. Durch Verschieben der Schaltpunkte S1G und/oder S2G kann analog zur Ladestromregelung die Spannung U2 auf einen vorbestimmten Wert geregelt werden.

Eine weitere vorteilhafte Schaltungsanordnung zeigt Fig. 7. Bei dieser Schaltung wird eine der n-Phasenwicklungen der Motor-Generator-Anordnung auch bei Motorbetrieb in Bezug auf die Zuordnung zu den Spannungsquellen U1 und U2 umgekehrt zu den anderen (n-1)-Phasenwicklungen betrieben. In Fig. 7 ist dies die Phasenwicklung 1. Bei dieser Anordnung kann der Motor-Betriebsstrom der Phasenwicklung 1 im Gleichgewicht mit den Strömen in den Freilaufkreisen der anderen (n-1)-Phasenwicklungen gehalten werden, so daß die Spannung an dem Speicherkondensator (C) in vorbestimmten Grenzen gehalten wird. Durch diese Maßnahme ist eine Rückführung des Freilaufstromes auf die Spannungsquelle U1 nicht mehr erforderlich. Bei Generatorbetrieb arbeitet die Schaltung nach Fig. 7 analog der Schaltung nach Fig. 6.

In Fig. 8 ist ein Zustandsdiagramm für eine vorteilhafte Steuerung bei 5 Generatorbetrieb gezeigt. Die Einschaltung der Transistoren für den Erregerstrom erfolgt bei dieser Steuerungsart nicht in Abhängigkeit von der Rotorposition, sondern bei Unterschreiten einer vorgegebenen Schwelle I_S des Stromes in der betreffenden Phasenwicklung. Durch Veränderung der Schaltschwelle kann auf einfache Weise eine Ladestromregelung bewerkstelligt werden. Besonders vorteilhaft ist diese Steuerungsart dann, wenn die Reluktanzmaschine nur als Generator arbeitet. In diesem Fall wird ein Rotor-Positionsgeber nicht benötigt. Weiterhin wird bei einer Steuerung nach Fig. 8 der notwendige Erregerstrom minimiert.

Verzeichnis der verwendeten Abkürzungen und Bezugszeichen

(1) Stator
(2) Rotor
(3), (4) Statorspulen
b_StR Statorrückenbreite
b_RI Breite des Rotorinnenrings
C Speicherkondensator
d_rot Rotordurchmesser
Gr1, Gr2 Gleichrichter
I Wicklungsstrom
I_S Schaltschwelle
n laufende Nummer der Phasen
m Zahl der Statorzahnpaare für eine Phase
S1G, S2G Schaltpunkte bei Generatorbetrieb
S1M, S2M Schaltpunkte bei Motorbetrieb
U1 Betriebsspannung, Batteriespannung
U2 Freilaufspannung, Hilfsspannung
W1 . . . Wn Phasenwicklungen
ZG Zustandskurve bei Generatorbetrieb
ZM Zustandskurve bei Motorbetrieb
α_St, α_rot Zahnbreite der Rotor- bzw. Statorzähne
Φ magnetischer Fluß
ϕ Rotorwinkel
λ Reluktanz
ν fortlaufende Zahl
ψ verketteter magnetischer Fluß
τ_z Rotorzahnteilung, Statorzahnteilung innerhalb einer Phase

Claims

1. Reluktanzmaschine mit n-Phasen, sowohl als Motor wie auch als Generator betreibbar, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Maschine für jede Phase nur eine Wicklung besitzt und ohne zusätzliche Erregerwicklung arbeitet
- die Statorzähnezahl für jede Phase geradzahlig (2m) ist und Statorzähne und Wicklungen so angeordnet sind, daß die erste Spule (3) einer Phasenwicklung nur einen Zahn umfaßt und (m-1)-Spulen (4) jeweils 2 Statorzähne umfassen und die letzte Spule (3) einer Phasenwicklung wiederum nur einen Zahn umfaßt und (m+1)-Spulen in fortlaufender Reihenfolge mit zueinander entgegengesetztem Richtungssinn angeordnet sind und daß
- der für den Generatorbetrieb notwendige Erregerstrom dadurch erzeugt wird, daß an jede Phasenwicklung während des Durchlaufens des Zustandes maximaler Reluktanz eine Spannung angelegt wird, die in ihrer Polarität umgekehrt gegenüber der Ladespannung ist.

2. Reluktanzmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Erregerstrom bei Generatorbetrieb einer zweiten Spannungsquelle (U2) entnommen wird, die in Bezug auf den gemeinsamen Verbindungspunkt mit der Hauptspannungsquelle (U1) und einem Ende aller n-Phasenwicklungen (W1 . . . Wn) eine gegenüber der Hauptspannungsquelle entgegengesetzte Polarität aufweist.

3. Reluktanzmaschine nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Spannungsquelle durch einen Speicherkondensator (C) gebildet wird, der durch eine der n-Phasenwicklungen aufgeladen wird, die ihren Erregerstrom der Hauptspannungsquelle (U1) entnimmt und daß die anderen (n-1)-Phasenwicklungen ihren Erregerstrom der zweiten Spannungsquelle (U2) entnehmen.

4. Reluktanzmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Motorbetrieb die Freilaufströme der Phasenwicklungen der zweiten Spannungsquelle (U2) zugeführt werden und von dieser über einen Schaltregler (S) auf die Hauptspannungsquelle (U1) zurückgeführt werden.

5. Reluktanzmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Motorbetrieb eine der n-Phasenwicklungen in Bezug auf ihre Zuordnung zu den Spannungsquellen (U1, U2) umgekehrt gegenüber den anderen (n-1)-Phasenwicklungen betrieben wird und daß der Motorbetriebsstrom dieser einen Phasenwicklung so geregelt wird, daß die Spannung (U2) an dem Speicherkondensator (C) in vorbestimmten Grenzen gehalten wird.

6. Reluktanzmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Generatorbetrieb die Erregerspannung dann an die Wicklung angelegt wird, wenn der Strom in der betreffenden Wicklung eine vorgegebene Schwelle unterschreitet und daß mit der Vorgabe der Höhe dieser Schwelle eine Ladestromregelung vorgenommen wird.