DE4315939A1 - Synchronmaschine - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Synchronmaschine und insbesondere
einen Drehsynchronmotor oder Linearsynchronmotor, und einen
Synchrongenerator. Weiterhin betrifft die Erfindung den Haupt
spindelmotor von Werkzeugmaschinen und dergleichen und dar
über hinaus einen Synchronmotor, dessen Drehfrequenz und Aus
gangsleistung oder Ausgangsdrehmoment gleichzeitig gesteuert
werden.
Konventionellerweise weist ein Synchronmotor in Werkzeug
maschinen und dergleichen einen Rotor und einen Anker auf.
Der Rotor ist entweder mit Permanentmagneten oder mit Spulen
versehen, die Gleichstrom-erregt werden. Der Anker weist ei
ne einlagige Spule mit zwei, vier oder mehr Polen auf. Ein
Zweiphasen- oder Dreiphasen-Wechselstrom wird zur Erzeugung
eines magnetischen Drehfeldes verwendet.
Allerdings muß bei einem Synchronmotor für die Hauptspindel
von Werkzeugmaschinen nicht nur die Drehfrequenz, sondern
gleichzeitig auch seine Ausgangsleistung gesteuert werden.
Beispielsweise ist bei einer Bodenfräsmaschine, die zur Her
stellung flacher Oberflächen verwendet wird, der Fingerfrä
ser üblicherweise direkt mit einem Hauptspindelmotor verbun
den. Bei Schneidvorgängen zur Herstellung fein bearbeiteter
Oberflächen sind eine konstante Umfangsgeschwindigkeit und
Schneidkraft erforderlich. Diese werden durch das Material
und die Art des Fingerfräsers bestimmt, das Material des Werk
stücks und dergleichen. Daher sollte vorzugsweise die Aus
gangsleistung des Hauptspindelmotors dadurch konstant gehal
ten werden, daß entweder eine niedrige Geschwindigkeit und
ein hohes Drehmoment erzeugt werden, wie im Falle eines Fin
gerfräsers mit großem Durchmesser, der in Fig. 2A gezeigt ist,
oder jedoch eine hohe Geschwindigkeit und ein niedriges Dreh
moment, wie bei dem in Fig. 2B gezeigten Fingerfräser mit
geringem Durchmesser.
Ein Hauptspindelmotor, der zur Drehung einer Hauptspindel der
Fräsmaschine verwendet wird, muß unabhängig von dem Bearbei
tungsradius eine konstante Schneidkraft zur Verfügung stellen.
Daher muß, wie in Fig. 3 gezeigt, das Schneidvolumen oder die
Schneidkraft selbst dann konstant sein, wenn der Bearbeitungs
radius proportional zum Fortschritt des Schneidvorganges ab
nimmt. Daher muß die Ausgangsleistung dadurch konstant gehal
ten werden, daß die Drehfrequenz des Motors erhöht wird.
Wie voranstehend erwähnt, muß der Motor zur Verwendung bei ei
ner Hauptspindel von Werkzeugmaschinen ein Steuerverfahren zum
Steuern der Drehfrequenz und des Drehmomentwertes oder der
Drehfrequenz und der Ausgangsleistung aufweisen, so daß diese
zum selben Zeitpunkt einen vorbestimmten Wert annehmen. Aller
dings weist ein konventioneller Motor, der bei der Hauptspin
del einer Werkzeugmaschine eingesetzt wird, eine einlagige
Spule in einer einzigen Lage auf und es werden die Phase, die
Frequenz, die Verstärkung usw. des darin fließenden Stromes
gesteuert. Infolge von Komplikationen bei dem Steuerverfahren
ist es daher schwierig, vorbestimmte Belastungseigenschaften
zur Verfügung zu stellen.
Wie voranstehend erwähnt, besteht in der Hinsicht eine Schwie
rigkeit, daß der konventionelle Synchronmotor nur auf schwie
rige Weise die unterschiedlichen Anforderungen erfüllen kann,
die bei einer Hauptspindel von Werkzeugmaschinen erforderlich
sind, infolge der Komplikationen des Steuerverfahrens zum
Steuern des Stromes, da nämlich die Spule eine einlagige Wick
lung aufweist.
Weiterhin ist der Synchronmotor bei konventionellen Werkzeug
maschinen mit einem Anker (Stator) und einem Rotor versehen.
Zur Erzeugung eines Magnetfeldpoles weist der Synchronmotor
einen Rotor mit entweder einem Permanentmagneten oder einer
Spule auf, die durch einen Gleichstrom erregt wird. Beliebt
ist ein Synchronmotor mit zwei bis acht Polen.
Zusätzlich weist ein konventioneller Synchrongenerator eben
so einen Anker (Stator) sowie einen Rotor auf. Zur Erzeugung
eines Magnetfeldpoles ist der Synchrongenerator mit einem
Rotor mit entweder einem Permanentmagneten oder einer Spule
versehen, die als ein Elektromagnet wirkt.
Allerdings wird die Struktur des Generators infolge eines
Permanentmagneten des Rotors oder einer um den Rotor gewickel
ten Spule kompliziert und geschwächt. Daher tritt in der Hin
sicht ein Problem auf, daß unterschiedliche Schwierigkeiten
dadurch hervorgerufen werden, daß eine Verformung oder ein
Versagen im Falle einer Drehung bei hoher Geschwindigkeit auf
treten.
Ein weiteres Problem besteht dann, wenn der Synchrongenerator
unterschiedliche Eigenschaften aufweisen soll, beispielsweise
eine konstante Ausgangsleistungs-Charakteristik über einen
breiten Drehzahlbereich, Dreheigenschaften mit einer geringen
Drehmomentschwankung, sowie die Eigenschaft einer mangelnden
thermischen Verformung bei übermäßiger Belastung des Rotors.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereit
stellung einer Synchronmaschine, die für eine Hauptspindel
von Werkzeugmaschinen geeignet ist und die entweder die Dreh
frequenz und den Drehmomentwert oder die Drehfrequenz und die
Ausgangsleistung gleichzeitig auf einen vorbestimmten Wert
steuern kann.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt in der
Bereitstellung einer Synchronmaschine, welche nicht die Ver
wendung eines Permanentmagneten oder einer Spule erfordert.
Zur Erzielung der voranstehend angegebenen Vorteile stellt ge
mäß einer ersten Zielrichtung die vorliegende Erfindung eine
Synchronmotorvorrichtung mit folgenden Teilen zur Verfügung:
einem Stator, der mit einer ersten Wicklung und einer zweiten Wicklung in doppellagiger Wicklungsweise versehen ist;
einem Rotor, der eine Schenkelpolform aufweist und drehbar in dem Stator aufgenommen ist;
einer ersten Steuerung, die als Energiequelle für die erste Wicklung dient und die Drehfrequenz des Motors steuert; und einer zweiten Steuerung, die als Energiequelle dient und die Ausgangsleistung oder den Drehmomentwert des Motors steuert.
einem Stator, der mit einer ersten Wicklung und einer zweiten Wicklung in doppellagiger Wicklungsweise versehen ist;
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Weiterhin stellt die vorliegende Erfindung eine Synchronmotor
vorrichtung mit folgenden Teilen zur Verfügung:
einem Stator, der mit einer ersten Wicklung und einer zweiten Wicklung in doppellagiger Wicklungsweise versehen ist;
einem Rotor, der im wesentlichen aus magnetisch anisotropen Materialien besteht, um eine Schenkelanordnung zur Verfügung zu stellen und der drehbar in dem Stator aufgenommen ist;
einer ersten Steuerung, die als Energiequelle für die erste Wicklung dient und die Drehfrequenz des Motors steuert; und
einer zweiten Steuerung, die als Energiequelle für die zwei te Wicklung dient und die Ausgangsleistung oder den Dreh momentwert des Motors steuert.
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Weiterhin stellt die vorliegende Erfindung eine Synchronmotor
vorrichtung mit folgenden Teilen zur Verfügung:
einem Stator, der mit einer ersten Wicklung und einer zweiten Wicklung in doppellagiger Wicklungsweise versehen ist;
einem Rotor, der mit einem Permanentmagnetteil versehen ist, um einen Magnetfeldfluß zu erzeugen und der drehbar in dem Stator aufgenommen ist;
einer ersten Steuerung, die als Energiequelle für die erste Wicklung dient und die Drehfrequenz des Motors steuert; und
einer zweiten Steuerung, die als Energiequelle für die zweite Wicklung dient und die Ausgangsleistung oder den Drehmoment wert des Motors steuert.
einem Stator, der mit einer ersten Wicklung und einer zweiten Wicklung in doppellagiger Wicklungsweise versehen ist;
einem Rotor, der mit einem Permanentmagnetteil versehen ist, um einen Magnetfeldfluß zu erzeugen und der drehbar in dem Stator aufgenommen ist;
einer ersten Steuerung, die als Energiequelle für die erste Wicklung dient und die Drehfrequenz des Motors steuert; und
einer zweiten Steuerung, die als Energiequelle für die zweite Wicklung dient und die Ausgangsleistung oder den Drehmoment wert des Motors steuert.
Weiterhin stellt die vorliegende Erfindung eine Synchronmotor
vorrichtung mit folgenden Teilen zur Verfügung:
einem Stator, der mit einer ersten Wicklung und einer zweiten Wicklung in doppellagiger Wicklungsweise versehen ist;
einem Rotor, der mit zumindest einer Spule bewickelt ist, die mit Strom versorgt werden soll und der drehbar in dem Stator aufgenommen ist;
einer ersten Steuerung, die als Energiequelle für die erste Wicklung dient und die Drehfrequenz des Motors steuert; und
einer zweiten Steuerung, die als Energiequelle für die zweite Wicklung dient und die Ausgangsleistung oder den Drehmoment wert des Motors steuert.
einem Stator, der mit einer ersten Wicklung und einer zweiten Wicklung in doppellagiger Wicklungsweise versehen ist;
einem Rotor, der mit zumindest einer Spule bewickelt ist, die mit Strom versorgt werden soll und der drehbar in dem Stator aufgenommen ist;
einer ersten Steuerung, die als Energiequelle für die erste Wicklung dient und die Drehfrequenz des Motors steuert; und
einer zweiten Steuerung, die als Energiequelle für die zweite Wicklung dient und die Ausgangsleistung oder den Drehmoment wert des Motors steuert.
Weiterhin stellt die vorliegende Erfindung eine Synchronmotor
vorrichtung mit folgenden Teilen zur Verfügung:
einem Stator, der eine erste Wicklung und eine zweite Wicklung in doppellagiger Wicklungsweise aufweist;
einem Rotor, der aus einem magnetisch anisotropem Material besteht und drehbar in dem Stator aufgenommen ist;
einer ersten Steuerung, die als Energiequelle für die erste Wicklung dient und die Drehfrequenz des Motors steuert; und
einer zweiten Steuerung, die als Energiequelle für die zweite Wicklung dient und die Ausgangsleistung oder den Drehmoment wert des Motors steuert.
einem Stator, der eine erste Wicklung und eine zweite Wicklung in doppellagiger Wicklungsweise aufweist;
einem Rotor, der aus einem magnetisch anisotropem Material besteht und drehbar in dem Stator aufgenommen ist;
einer ersten Steuerung, die als Energiequelle für die erste Wicklung dient und die Drehfrequenz des Motors steuert; und
einer zweiten Steuerung, die als Energiequelle für die zweite Wicklung dient und die Ausgangsleistung oder den Drehmoment wert des Motors steuert.
Bei der voranstehend beschriebenen Synchronmotorvorrichtung
wird die Drehfrequenz des Motors dadurch gesteuert, daß die
Drehfrequenz und die Position des Rotors durch die erste
Steuerung ermittelt werden, um den Strom zu steuern, der der
ersten Wicklung zugeführt wird. Die Ausgangsleistung oder der
Drehmomentwert wird dadurch gesteuert, daß der der zweiten
Wicklung zugeführte Strom gesteuert wird, um das Drehmagnet
feld zu ändern, um so die magnetischen Kräfte zu erhöhen oder
zu verringern.
Gemäß der zweiten Zielrichtung der Erfindung stellt die vor
liegende Erfindung eine Synchronmaschine mit folgenden Teilen
zur Verfügung:
einem Anker, der mit einem Kern versehen ist, die mit einer Feldwicklung bewickelt ist, um einen Magnetfeldfluß zu erzeu gen und mit einer Ankerwicklung, die bezüglich der elektri schen Phase der Feldwicklung um 90° voreilt; und
einem Rotor, der drehbar in dem Anker aufgenommen ist und durch den Magnetfeldfluß in einer vorbestimmten Richtung mag netisiert wird.
einem Anker, der mit einem Kern versehen ist, die mit einer Feldwicklung bewickelt ist, um einen Magnetfeldfluß zu erzeu gen und mit einer Ankerwicklung, die bezüglich der elektri schen Phase der Feldwicklung um 90° voreilt; und
einem Rotor, der drehbar in dem Anker aufgenommen ist und durch den Magnetfeldfluß in einer vorbestimmten Richtung mag netisiert wird.
Weiterhin stellt die vorliegende Erfindung eine Synchron
maschine mit folgenden Teilen zur Verfügung:
einem Anker, der mit einem Kern versehen ist, der mit einer Feldwicklung und einer Ankerwicklung bewickelt ist, wobei die Feldwicklung drei Paare dreiphasiger Wicklungen aufweist, die aufeinanderfolgend um einen Phasenwinkel von 120° verschoben sind und einen Magnetfeldfluß erzeugen, wobei die Ankerwick lung drei Paare dreiphasiger Wicklungen aufweist, die aufein anderfolgend um einen Phasenwinkel von 120° verschoben sind und der Feldwicklung um im wesentlichen 90° voreilen; und einem Rotor, der drehbar in dem Anker aufgenommen ist und in einer vorbestimmten Richtung durch den Magnetfeldfluß magne tisiert wird.
einem Anker, der mit einem Kern versehen ist, der mit einer Feldwicklung und einer Ankerwicklung bewickelt ist, wobei die Feldwicklung drei Paare dreiphasiger Wicklungen aufweist, die aufeinanderfolgend um einen Phasenwinkel von 120° verschoben sind und einen Magnetfeldfluß erzeugen, wobei die Ankerwick lung drei Paare dreiphasiger Wicklungen aufweist, die aufein anderfolgend um einen Phasenwinkel von 120° verschoben sind und der Feldwicklung um im wesentlichen 90° voreilen; und einem Rotor, der drehbar in dem Anker aufgenommen ist und in einer vorbestimmten Richtung durch den Magnetfeldfluß magne tisiert wird.
Bei der voranstehend geschilderten Synchronmaschine wird der
Rotor in einer vorbestimmten Richtung durch den Feldstrom der
Feldwicklung magnetisiert, wird ein Drehmoment von dem Magnet
feldfluß erzeugt, welcher durch den Feldstrom und den Anker
strom erzeugt wird, welcher der Ankerwicklung zugeführt wird,
da jeder Phasenwinkel zwischen dem Rotor, dem Ankerstrom und
dem Feldstrom so gesteuert wird, daß er ein konstanter, vor
bestimmter Winkel ist, unabhängig von der Positionierung des
Rotors. Wenn der Rotor durch eine externe Kraft gedreht wird,
wird zusätzlich eine induzierte Spannung erzeugt, so daß die
Synchronmaschine als Synchronmaschine des Drehfeld-Magnetpol
typs dient.
Die Erfindung wird nachstehend anhand zeichnerisch dargestell
ter Ausführungsbeispiele näher erläutert, aus welchen weitere
Vorteile und Merkmale hervorgehen. Es zeigt:
Fig. 2A eine Darstellung der Beziehung zwischen einem Fin
gerfräser mit großem Durchmesser und dem Werkstück;
Fig. 2B eine Darstellung der Beziehung zwischen einem Fin
gerfräser mit kleinem Durchmesser und dem Werkstück;
Fig. 3 eine Darstellung der Beziehung zwischen einem
Schneidvorgang und dem Bearbeitungsradius einer
Drehmaschine;
Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Steuerung, welche einen
Reluktanz-Synchronmotor gemäß einer ersten Ausfüh
rungsform der vorliegenden Erfindung verwendet;
Fig. 4 eine Darstellung der Beziehung zwischen der Magnet
polrichtung und dem Drehmagnetfeld des Rotors bei
der ersten Ausführungsform;
Fig. 5 eine Darstellung der Beziehung zwischen den Drehmag
netfeldern, die von der A-Wicklung und der B-Wick
lung erzeugt werden, sowie des zusammengesetzten
Magnetfelds bei der ersten Ausführungsform;
Fig. 6 eine Ansicht eines Beispiels des Ankerkerns, der
doppellagige Wicklungen aufweist, bei der ersten
Ausführungsform;
Fig. 7 eine Darstellung der Phasenbeziehung zwischen den
Strömen der A-Wicklung und der B-Wicklung, wenn
die Phasendifferenz zwischen der A-Wicklung und
der B-Wicklung 90° beträgt, bei dem Reluktanz-
Synchronmotor von Fig. 1;
Fig. 8 eine Darstellung der Phasenbeziehung zwischen den
Strömen der A-Wicklung und der B-Wicklung bei ei
nem Dreiphasenstrom bei dem Reluktanz-Synchronmotor
von Fig. 1;
Fig. 9 eine Ansicht eines Beispiels des Ankerkerns, der
durch ein Material isoliert ist, welches eine star
ke magnetische Reluktanz aufweist, um die Wechsel
wirkung zwischen der A-Wicklung und der B-Wicklung
bei der ersten Ausführungsform zu verringern;
Fig. 10 eine Ansicht eines Beispiels für einen Synchron
motor, der zweipolige Permanentmagnete verwendet,
gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 11 eine Ansicht eines Beispiels für den Synchronmotor
von Fig. 10 mit vier Polen,
Fig. 12 eine Ansicht des Aufbaus des Ankers des dreiphasi
gen Synchronmotors bei einer zweiten Ausführungs
form gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 13 eine Darstellung der Phasendifferenz zwischen den
Strömen, welche der Feldwicklung und der Ankerwick
lung zugeführt werden, bei dem dreiphasigen Syn
chronmotor von Fig. 12;
Fig. 14 eine Ansicht einer magnetischen Dichte, die von dem
Feldstrom bei der zweiten Ausführungsform erzeugt
wird;
Fig. 15 eine Ansicht eines Beispiels für einen Rotor, der
aus einem magnetisch anisotropen Magnetkörper bei
der zweiten Ausführungsform vorgesehen ist;
Fig. 16 eine Ansicht eines Beispiels für den Rotor, der
eine Schenkelpolform aufweist, bei der zweiten Aus
führungsform;
Fig. 17 eine Ansicht eines Beispiels für einen Rotor, der
bei der zweiten Ausführungsform segmentartig auf
gebaut ist;
Fig. 18 eine Ansicht eines Beispiels für einen Rotor, der
bei der zweiten Ausführungsform hybridförmig ausge
staltet ist;
Fig. 19 eine Ansicht eines Beispiels für einen Rotor, der
schenkelförmige Pole bei einer vierpoligen Ausfüh
rung im Falle der zweiten Ausführungsform aufweist;
Fig. 20 ein Blockschaltbild mit einer Darstellung der
Steuerung zum Steuern der Drehgeschwindigkeit des
Synchronmotors gemäß der zweiten Ausführungsform;
Fig. 21 ein Blockschaltbild der Steuerung zum Steuern der
Position des Synchronmotors bei der zweiten Aus
führungsform;
Fig. 22 ein Blockschaltbild der Steuerung zum Steuern in
bezug auf eine Minimalisierung der Verluste des
Synchronmotors gemäß der zweiten Ausführungsform;
Fig. 23 eine Ansicht eines Beispiels, bei welchem die Pha
senverzögerung des Synchronmotors durch ein Reak
tionsglied hervorgerufen wird, bei der zweiten Aus
führungsform;
Fig. 24 eine Ansicht eines Beispiels für den Synchronmotor,
der weiterhin Permanentmagneten für den Rotor bei
der zweiten Ausführungsform aufweist;
Fig. 25A eine Längsschnittansicht eines Beispiels für den
Synchronmotor, welcher einen zweigeteilten Anker
aufweist, um den Zusammenbau zu vereinfachen, bei
der zweiten Ausführungsform;
Fig. 25B eine Querschnittsansicht des in Fig. 25A gezeigten
Synchronmotors;
Fig. 26 eine Ansicht eines Beispiels, bei welchem einstückig
eine Rotorwelle des Motors und eine Hauptspindel
einer Werkzeugmaschine vorgesehen sind, bei der
zweiten Ausführungsform;
Fig. 27 eine Ansicht eines Beispiels, bei welchem die Feld
wicklung und die Ankerwicklung Seite an Seite vor
gesehen und angeordnet sind, bei der zweiten Aus
führungsform;
Fig. 28A eine Ansicht der gegenseitigen Anordnung zwischen
der Feldwicklung und der Magnetwicklung in Fig. 27;
Fig. 28B eine Ansicht der gegenseitigen Anordnung der Feld
wicklung und der Magnetwicklung bei Fig. 27;
Fig. 29 eine Ansicht des Aufbaus einer Ausführungsform, bei
welcher die vorliegende Erfindung bei einem Linear
motor eingesetzt wird;
Fig. 30 eine Darstellung zur Beschreibung des Prinzips von
Beispielen für den Synchrongenerator gemäß der vor
liegenden Erfindung; und
Fig. 31 ein Blockschaltbild eines Beispiels für eine Steue
rung zum Aufrechterhalten eines konstanten Ausgangs
stroms bei dem Synchrongenerator von Fig. 30.
Unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen wird nachstehend
eine Synchronmotorvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungs
form der vorliegenden Erfindung beschrieben.
In Fig. 1 weist die Synchronmotorvorrichtung einen Reaktions-
Synchronmotor 101 sowie eine Steuerschaltung zum Steuern des
Reaktions-Synchronmotors 101 auf. Der Reaktions-Synchronmotor
101 ist mit einem Stator und einem Rotor versehen. Die Steuer
schaltung wird später beschrieben.
In bezug auf Fig. 4 erfolgt eine Beschreibung des Reaktions-
Synchronmotors 101. Wenn die Statorwicklung mit einem Drei
phasenstrom versorgt wird, um ein Drehmagnetfeld zu erzeugen,
wird der Rotor in der Richtung P einer Polarachse erregt, in
welcher die magnetische Reluktanz am niedrigsten ist. Dies
erfolgt deswegen, da sich die magnetische Reluktanz bei unter
schiedlichen Winkeln des Rotors ändert. Die Polarachsen
richtung P entspricht der Richtung, in welcher der Rotor vor
springt. Daher wird der Rotor durch das Drehmagnetfeld ge
dreht und die Polarachsen werden durch die Magnetisierung er
zeugt.
Obwohl der in Fig. 4 gezeigte Rotor die Form eines Schenkel
pols im Querschnitt aufweist, um den Rotor in der vorbestimm
ten Richtung (einer Polarachsenrichtung) zu magnetisieren,
kann darüber hinaus der Rotor eine kreisförmige Form im Falle
eines magnetisch anisotropen Magnetkörpers aufweisen, kann
der Rotor mehrere Schlitze aufweisen, die sich in einer Polar
achsenrichtung erstrecken, kann der Rotor hybridartig ausge
bildet sein, und kann der Rotor zwei Polarachsen aufweisen,
wie in den Fig. 15 bis 19 gezeigt.
In Fig. 6 weist der Stator des Synchronmotors 101 weiterhin
Doppellagenwicklungen auf, nämlich eine A-Wicklung (U-V-W)
und eine B-Wicklung (u-v-w). Das Drehmagnetfeld wird dadurch
gesteuert, daß ein zusammengesetzter Vektor dieser Wicklungen
gesteuert wird. Ein Steuerschaltbild zum Steuern des Drehmag
netfeldes wird nachstehend beschrieben.
Bezüglich Fig. 1 richtet sich die Beschreibung auf die Steuer
schaltung. Die Steuerschaltung weist eine erste Steuerung so
wie eine zweite Steuerung auf. Die erste Steuerung dient zur
Zuführung eines A-Wicklungsstroms IA zur A-Wicklung. Die erste
Steuerung weist eine Drehfrequenz-Befehlsvorrichtung 151 auf,
einen Drehfrequenzdetektor 103 zur Erfassung der Drehfrequenz
N des Motors 101, einen Positionsdetektor 105 zur Ermittlung
einer Rotorposition, um ein Rotorpositionssignal R zu erzeu
gen, einen ersten Subtrahierer 107 zum Vergleichen der Dreh
frequenz N* der Drehfrequenz-Befehlsvorrichtung mit der Dreh
frequenz N des Motors, um eine Differenz e1 zu ermitteln, ei
ne erste Stromfestlegungsschaltung 109 zur Festlegung eines
Strombefehls m1 der A-Wicklung entsprechend der Differenz ein,
einen ersten Wechselrichter 113 zur Zufuhr eines ersten vor
bestimmten Stroms, nämlich des A-Wicklungsstroms IA zur A-
Wicklung, und eine erste Steuereinheit 111, welche ein erstes
Steuersignal M1 festlegt, beispielsweise ein Impulsbreiten-
Modulationssteuersignal zum Steuern des ersten Wechselrichters
113 entsprechend dem Strombefehl m1, dem Rotorpositionssig
nal R, und einem ersten erfaßten Strom I1, der nachstehend
beschrieben wird.
Der erste Stromdetektor 123 ermittelt den ersten vorbestimm
ten Strom, um den ersten erfaßten Strom I1 zu erzeugen, wel
cher einen ersten Stromwert repräsentiert. Ist die Differenz
e1 positiv, oder in anderen Worten dann, wenn die Drehfrequenz
N wesentlich kleiner als die vorbestimmte Drehfrequenz N* ist,
so legt die erste Stromfestlegungsschaltung 109 das Strom
befehlssignal m1 so fest, daß es den A-Wicklungsstrom IA er
höht. Im entgegengesetzten Fall legt die erste Stromfest
legungsschaltung 109 das Strombefehlssignal m1 so fest, daß
der Strom IA verringert wird.
Die erste Steuerschaltung 111 erzeugt einen Steuerstromwert
entsprechend dem Rotorpositionssignal R entsprechend dem
Strom-Befehlssignal m1. Weiterhin vergleicht die erste Steuer
einheit 111 den Steuerstromwert mit dem ersten Stromwert, um
das erste Steuersignal M1 zu erzeugen, um die Differenz zwi
schen diesen Werten zu ermitteln. Die erste Steuereinheit 111
erzeugt ein erstes Steuersignal M1, beispielsweise ein Impuls
breiten-Modulationssteuersignal, zum Steuern des ersten Wech
selrichters 113. In einem Fall, in welchem den Synchronmoto
ren ein Dreiphasenstrom zugeführt wird, erzeugt die erste
Steuereinheit drei Impulsbreiten-Modulationssteuersignale,
die gegeneinander um 120° phasenverschoben sind.
Die Drehfrequenz des Motors sowie die Rotorposition werden
unter Einsatz eines Drehkodierers oder eines Drehmelders auf
bekannte Weise festgestellt.
Die Beschreibung geht nun zur zweiten Steuerung über, welche
zur Zufuhr eines B-Wicklungsstroms IB zur B-Wicklung dient.
Die zweite Steuerung weist eine Ausgangs-Befehlsvorrichtung
153 zur Festlegung eines Ausgangsleistungswerts für den Motor
auf, eine Ausgangsleistungs-Arithmetikschaltung 121 zur Be
rechnung eines Ausgangsleistungswerts für den Motor entspre
chend Daten von dem Drehfrequenzdetektor 103, dem Positions
detektor 105, dem ersten Stromdetektor 123, und dem zweiten
Stromdetektor 125, einen zweiten Subtrahierer 127 zum Ver
gleichen des Ausgangsleistungswertes P*, der durch die Aus
gangsleistungs-Befehlsvorrichtung angegeben wird, mit dem Aus
gangsleistungswert, der durch die Ausgangsleistungs-Arithme
tikschaltung 121 berechnet wird, um eine Differenz e2 zu er
mitteln, eine zweite Stromfestlegungsschaltung 129 zur Erzeu
gung eines Strombefehlssignals m2, welches zur Festlegung
eines Stroms dient, welcher der B-Wicklung entsprechend der
Differenz e2 zugeführt werden soll, einen zweiten Wechsel
richter 133 zur Zufuhr eines zweiten vorbestimmten Stroms,
nämlich des B-Wicklungsstroms, zur B-Wicklung, sowie eine
zweite Steuereinheit 131, welche ein zweites Steuersignal M2
ausgibt, nämlich ein Impulsbreiten-Modulationssteuersignal,
um den zweiten Wechselrichter 133 entsprechend dem Strombe
fehlssignal m2, dem Rotorpositionssignal R, und einem zweiten
erfaßten Strom 12 zu steuern, welcher in Kürze beschrieben
wird.
Der zweite Stromdetektor 125 stellt den zweiten vorbestimmten
Strom fest, um den zweiten festgestellten Strom I2 zu erzeu
gen. Ist die Differenz e2 positiv, oder ist mit anderen Worten
der Ausgangswert, der von der Ausgangsleistungs-Arithmetik
schaltung 121 berechnet wird, kleiner als der vorbestimmte
Ausgangsleistungswert P*, so gibt die zweite Stromfestlegungs
schaltung 129 das Strombefehlssignal m2 aus, um den der B-
Wicklung zugeführten Strom zu erhöhen, so daß die magnetische
Kraft des zusammengesetzten Magnetfeldes zunimmt. Wenn daher,
wie in Fig. 4 gezeigt, eine Richtung eines magnetisierten Mag
netpols des Rotors durch P bezeichnet wird und eine zusammen
gesetzte Richtung des Drehmagnetfeldes, die durch den A-Wick
lungsstrom IA und den B-Wicklungsstrom IB erzeugt wird, durch
HO bezeichnet wird, so wird der B-Wicklungsstrom IB erhöht,
so daß der Belastungswinkel δ zunimmt.
Dies erfolgt aufgrund der Tatsache, daß sich -das Drehmoment
dadurch erhöht, daß die Richtung eines Wechselstroms geändert
wird, der ein Drehmagnetfeld erzeugt, in Richtung auf einen
rechten Winkel mit einer Richtung eines Magnetfeldvektors in
folge eines Magnetpols. Wie in Fig. 5 gezeigt, erhöht sich
daher ein von dem B-Wicklungsstrom IB erzeugtes Magnetfeld
HB in einer positiven Richtung in bezug auf eine Richtung des
Drehmagnetfeldes HA, welches von dem A-Wicklungsstrom IA er
zeugt wird. Das zusammengesetzte Magnetfeld HO bewegt sich,
so daß sich die Phase nach vorne bewegt. Ist die Differenz e2
negativ, so wird der B-Wicklungsstrom IB erhöht, so daß das
Magnetfeld HB in einer negativen Richtung vergrößert wird.
Die zweite Steuereinheit 131 erzeugt einen Steuerstromwert
entsprechend dem Rotorpositionssignal R entsprechend dem
Strombefehlssignal m2. Zusätzlich vergleicht die zweite
Steuereinheit 131 den Steuerstromwert mit einem zweiten Strom
wert des zweiten Stromdetektors 125, um das zweite Steuersig
nal M2 für den zweiten Wechselrichter 133 entsprechend der
dazwischen auftretenden Differenz zu erzeugen. Das zweite
Steuersignal M2 dient zum Regeln des B-Wicklungsstroms IB, so
daß ein Phasenwinkel der Voreilung oder der Nacheilung des B-
Wicklungsstroms IB, welcher dem zweiten Wechselrichter zuge
führt wird, in bezug auf den A-Wicklungsstrom IA, welcher dem
ersten Wechselrichter zugeführt wird, 90° wird. In einem Fall,
in welchem Dreiphasenstrom dem Synchronmotor zugeführt wird,
erzeugt die zweite Steuereinheit drei Impulsbreiten-Modula
tionssteuersignale, welche gegeneinander um jeweils 120° pha
senverschoben sind.
Die Drehfrequenz N* und der Ausgangsleistungswert P*, die
durch eine Drehfrequenz-Befehlsvorrichtung 151 bzw. eine Aus
gangsleistungs-Befehlseinrichtung 153 vorgegeben werden, müs
sen nicht notwendigerweise konstant sein und können sich zeit
abhängig und in Abhängigkeit von den Bedingungen ändern. Bei
spielsweise können der Start und dergleichen des Motors durch
eine programmierte Steuerung oder Logiksteuerung gesteuert
werden.
In Fig. 6 weist der Ankerkern vier Pole, vierundzwanzig
Schlitze sowie zwei Wicklungen in doppellagiger Anordnung auf,
nämlich die A-Wicklung und die B-Wicklung, an welche ein Drei
phasen-Wechselstrom angelegt wird. In Fig. 6 bezeichnet die
Bezugsziffer 201 den Ankerkern und die Bezugsziffer 203 den
Rotor. Die Bezugsziffern 205 und 207 bezeichnen die doppel
lagige Wicklung. In diesem Fall wird die A-Wicklung durch eine
Kombination von Spulen U, V, W, U′, V′ und W′ gebildet. Die
B-Wicklung wird durch eine Kombination von Spulen u, v, w,
u′, v′, und w′ gebildet. Die Wicklungen sind auf aus dem Stand
der Technik bekannte Weise gewickelt. Um Wechselwirkungen zwi
schen der A-Wicklung und der B-Wicklung zu verringern, kann
der Anker eine Isolierung aufweisen, welche aus einem Material
211 besteht, welches eine starke magnetische Reluktanz auf
weist und zwischen der A-Wicklung und der B-Wicklung angeord
net ist.
Fig. 7 zeigt eine Phasenbeziehung zwischen Strömen, die den
Spulen U und u zugeführt werden, in einem Fall, in welchem
die Ströme der A-Wicklung und der B-Wicklung gegeneinander
um 90° phasenversetzt sind.
Fig. 8 zeigt eine Phasenbeziehung zwischen den Strömen, die
durch jede der Wicklungen fließen, an welche ein Dreiphasen-
Wechselstrom angelegt wird. Die Drehfrequenz des Motors und
die Polrichtung des Rotors können durch einen Drehkodierer
oder einen Drehmelder auf dem Stand der Technik wohlbekannte
Weise festgestellt werden.
Wenn das Drehmagnetfeld HA stärker als das Drehmagnetfeld HB
ist, beispielsweise wenn ein Stromwert mit dem Betrag IA durch
die A-Wicklung fließt und um ein Mehrfaches größer als ein
Stromwert mit dem |IB| ist, wird die Richtung des Magnetpols,
welcher den Rotor magnetisiert, durch das rotierende Magnet
feld HA bestimmt, welches im wesentlichen durch den A-Wick
lungsstrom IA erzeugt wird und der B-Wicklungsstrom kann als
ein Strom zur hauptsächlichen Kontrolle des Drehmagnetfeldes
HA eingesetzt werden.
Obwohl bei dem voranstehend beschriebenen Synchronmotor die
Phasendifferenz zwischen dem A-Wicklungsstrom IA und dem B-
Wicklungsstrom IB 90° beträgt, kann die Phasenverschiebung
auch ein vorbestimmter Winkel α sein (0°<α< 90°). Vorzugs
weise beträgt die Phasendifferenz 90°, um eine Wechselwirkung,
die durch die Ankerreaktion hervorgerufen wird, zu steuern,
zu verringern, usw.
Die Ausgangsleistung läßt sich anhand der Drehfrequenz des
Motors, der Rotorposition und der in den Wicklungen IA und IB
fließenden Ströme berechnen, auf dem Stand der Technik wohl
bekannte Weise, oder die Ausgangsleistung läßt sich vorher
experimentell ermitteln.
Obwohl bei dem voranstehend beschriebenen Synchronmotor ein
Verfahren zum gleichzeitigen Steuern der Drehfrequenz und des
Ausgangsleistungswertes beschrieben wird, kann das Verfahren
auch dazu eingesetzt werden, gleichzeitig die Drehfrequenz
und das Ausgangsdrehmoment zu steuern.
Unter Bezug auf die Fig. 10 und 11 richtet sich die Beschrei
bung nunmehr auf Synchronmotoren gemäß geänderter Ausführungs
formen der vorliegenden Erfindung. Jeder der Synchronmotoren
weist Magnetpole auf, die durch Permanentmagnete erzeugt wer
den. Fig. 10 zeigt einen Fall, in welchem die Anzahl der Mag
netpole zwei beträgt. Fig. 11 zeigt einen Fall, in welchem die
Anzahl der Magnetpole vier beträgt.
In Fig. 10 bezeichnet die Bezugsziffer 231 einen Rotor. Der
Rotor ist mit Permanentmagneten 233 und 235 versehen, die
außen am Rotor befestigt sind. Die Bezugsziffer 241 bezeich
net einen Anker. Der Anker ist mit einer A-Wicklung 243 und
einer B-Wicklung 245 doppellagig bewickelt. Wird ein Strom
der A-Wicklung und der B-Wicklung zugeführt, wie in der Figur
gezeigt, also wenn die B-Wicklung der A-Wicklung um 90° nach
eilt, wird ein Drehmagnetfeld durch die A-Wicklung in einer
Richtung erzeugt, die durch die durchgezogene Linie in der
Figur angedeutet ist, und es wird ein Drehmagnetfeld durch
die B-Wicklung in einer Richtung erzeugt, die durch eine
gestrichelte Linie angedeutet ist.
Der Rotor weist eine Magnetpolrichtung auf, die hauptsächlich
durch die Permanentmagnete festgelegt ist. Die Drehfrequenz
und der Ausgangsleistungswert des Motors werden durch das
Drehmagnetfeld festgelegt, welches durch die Ströme erzeugt
wird, die der A-Wicklung und der B-Wicklung zugeführt werden.
Wenn die Phasendifferenz zwischen dem A-Wicklungsstrom IA und
dem B-Wicklungsstrom IB 90° beträgt, so läßt sich die Polrich
tung einfach dadurch steuern, daß der B-Wicklungsstrom IB ge
steuert wird. Zusätzlich kann auch ein Belastungswinkel ein
fach gesteuert werden. Die Stromwerte der Beträge IA und IB
unterscheiden sich nicht notwendigerweise voneinander und kön
nen in gewisser Weise einen gleichen Wert aufweisen.
Es ist möglich, die Reaktion des Synchronmotors durch die
Permanentmagneten auf die in Fig. 1 beschriebene Weise zu
steuern.
Im Falle der Fig. 11 beträgt die Anzahl der Magnetpole vier.
In diesem Fall kann der Reaktions-Synchronmotor auf die vor
anstehend beschriebene Weise gesteuert werden, aber ebenso
auch wie im Falle von Fig. 10.
Zwar richtet sich die Beschreibung nur auf den Synchronmotor
des Drehtyps, jedoch läßt sich die vorliegende Erfindung auch
bei einem Synchronmotor des Lineartyps einsetzen.
Wie voranstehend erläutert kann die erste Ausführungsform der
Erfindung einfach die Drehfrequenz und den Ausgangsleistungs
wert oder die Drehfrequenz und das Ausgangsdrehmoment steuern.
Daher ergeben sich vielfältige Einsatzzwecke als Hauptspindel
motor bei Werkzeugmaschinen, deren Ausgangsleistungswert vor
zugsweise konstant ist.
Nachstehend wird unter Bezug auf die Figuren ein Drehsynchron
motor gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung beschrieben.
In Fig. 12 weist ein Dreiphasen-Synchronmotor 101 einen Anker
kern 13 auf, der mit vierundzwanzig Schlitzen 15 versehen ist.
Eine Feldwicklung 17 und eine Ankerwicklung 19 sind um den An
kerkern 13 doppellagig durch jeden der Schlitze 15 gewickelt.
Der Ankerkern 13 nimmt in seinem Inneren einen Rotor 21 auf.
Der Rotor kann einfach in einer vorbestimmten Richtung magne
tisiert werden.
Die Feldwicklung 17 weist eine erste, zweite, dritte, vierte,
fünfte und sechste Feldspule u, v, w, u′, v′ und w′ auf. Die
Ankerwicklung 19 weist eine erste, zweite, dritte, vierte,
fünfte und sechste Ankerspule U, V, W, U′, V′ und W′ auf. Die
erste, zweite und dritte Feldspule u, v, w sind gegeneinander
um einen Winkel von 120° versetzt angeordnet. Die vierte, die
fünfte und die sechste Feldspule u′ , v′ und w′ sind gegenein
ander um einen Winkel von 120° versetzt angeordnet. Die erste,
die zweite und die dritte Ankerspule U, V und W sind gegen
einander um 120° versetzt angeordnet. Die vierte, die fünfte
und die sechste Ankerspule U′, V′ und W′ sind gegeneinander
um einen Winkel von 120° versetzt angeordnet. Die erste, die
zweite und die dritte Feldspule u, v und w sind um einen Win
kel von 90° gegenüber der ersten, der zweiten bzw. der drit
ten Ankerspule U, V, W verschoben. Die vierte, die fünfte und
die sechste Feldspule, u′ , v′ und w′ sind um einen Winkel von
90° gegenüber der vierten, der fünften bzw. der sechsten An
kerspule U′, V′ und W′ verschoben.
Nachstehend erfolgt in bezug auf Fig. 13 im Zusammenhang mit
Fig. 12 eine weitere Erläuterung. Wenn die Feldwicklungsströme
Iu, Iv und Iw der Feldwicklung 17 zugeführt werden, wird ein
zusammengesetztes Magnetfeld N und S erzeugt. In diesem Fall
stellt die Magnetflußverteilung eine Sinuswelle dar. Wenn ein
maximaler Magnetfluß m ist, wobei ein Magnetflußzentrum R
gleich Null ist, ergibt sich der Magnetfluß aus Gleichung (1).
Φ = Φm · cosR (1)
In einem Fall, in welchem der Rotor eine Achse mit einfacher
Magnetisierung aufweist, wird der Rotor in der vorbestimmten
Richtung magnetisiert, wenn die Feldwicklungsströme auf sol
che Weise gesteuert werden, daß das Magnetflußzentrum des
Magnetfeldes mit der Achse der einfachen Magnetisierung zu
sammenfällt. In diesem Fall weist das Magnetfeld eine Magnet
flußdichte auf, die durch eine Gleichung (2) gegeben ist.
B = Bm · cosR (2)
Dreiphasenströme IU, IV und IW werden der Ankerwicklung zu
geführt. Die Dreiphasenströme IU, IV und IW eilen den Feld
wicklungsströmen Iu, Iv und Iw um den vorbestimmten Winkel α
vor, vorzugsweise um 90°, bezüglich der elektrischen Phase.
Dies führt zur Erzeugung eines Drehmoments T, so daß der Ro
tor entsprechend dem Fleming-Gesetz gedreht wird. Das Dreh
moment T ergibt sich wie nachstehend angegeben.
In einem Fall, in welchem die Phasen der Ankerströme IU, IV
und IW so gesteuert werden, daß sie mit den Magnetpolen des
magnetisierten Rotors zusammenfallen, ergibt sich das Dreh
moment T wie nachstehend angegeben. Magnetflußdichten BU, BV
und BW jeder Spule der Ankerspulen U, V und W werden durch
Gleichung (3) dargestellt.
BU = Bm · cos R
BV = Bm · cos (R - 120°)
BW = Bm · cos (R - 240°) (3)
BV = Bm · cos (R - 120°)
BW = Bm · cos (R - 240°) (3)
Da die Ankerströme IU, IV und IW so gesteuert werden, daß sie
mit den Positionen der Magnetpole zusammentreffen, ergeben
sich die Ankerströme IU, IV und IW aus Gleichung (4).
IU = Im · cos R
IV = Im · cos (R - 120°)
IW = Im · cos (R - 240°) (4)
IV = Im · cos (R - 120°)
IW = Im · cos (R - 240°) (4)
Daher wird das Drehmoment T durch die Gleichung (5) ausge
drückt.
T = K (BU.IU + BV.IV + BW.IW) = 3/2 KBm.Im (5)
Hierbei bezeichnet Bm die maximale Magnetflußdichte, Im den
Maximalwert des Ankerstroms, und 0 einen Phasenwinkel zwischen
dem Zentrum des Magnetpols und der Spule U. Zusätzlich wird
durch den Ankerstrom eine Magnetflußdichte Φ′ erzeugt. Da je
doch der Rotor aus einem magnetisch anisotropen Material be
steht und die magnetische Reluktanz in der Richtung des Mag
netflusses stark ist, wird der Magnetfluß Φ′ nicht beeinflußt.
Die voranstehend erwähnte Beziehung ist schematisch in Fig.
14 erläutert.
In bezug auf die Fig. 15 bis 18 ist die Beschreibung auf ein
Beispiel für einen magnetisch anisotropen Rotor gerichtet.
Ein Rotor 31 besteht aus einem magnetisch anisotropen Mag
netkörper, und der Schnitt weist Kreisform auf. Das Metall
für den magnetisch anisotropen Magnetkörper besteht aus ei
nem kornorientierten Siliziumstahl, einem kornorientierten
Nickeleisenstahl oder dergleichen. In Fig. 15 kann der magne
tisch anisotrope Magnetkörper einfach in einer ersten Rich
tung X magnetisiert werden, jedoch schwer in einer zweiten
Richtung Y, welche senkrecht zur ersten Richtung X verläuft.
Unter Bezug auf Fig. 16 erfolgt eine Beschreibung eines wei
teren Beispiels für einen magnetisch anisotropen Rotor. Ein
Rotor 33 ist vom Schenkelpoltyp und besteht aus einem isotrop
magnetischen Körper. Der Rotor 33 kann einfach in der ersten
Richtung X magnetisiert werden, jedoch schwer in der zweiten
Richtung Y, infolge von Abschneidephänomenen.
In bezug auf Fig. 17 erfolgt eine Beschreibung eines weiteren
Beispiels eines magnetisch anisotropen Rotors. Ein Rotor 35
ist vom Segmenttyp. Der Rotor 35 weist einen Innen- und ei
nen Außenabschnitt auf. Der Innenabschnitt besteht aus einem
nicht-magnetischen Körper 37. Der Außenabschnitt besteht aus
einem magnetischen Körper 39. Der Magnetkörper 39 ist mit
Luftspalten 41 in der ersten Richtung X versehen. Die Luft
spalte 41 können nicht-magnetische Körper sein. Der Rotor 35
kann einfach in der ersten Richtung X magnetisiert werden,
infolge seines geringen magnetischen Widerstandes, kann je
doch nur schwer in der zweiten Richtung Y magnetisiert wer
den.
In bezug auf Fig. 18 erfolgt eine Beschreibung eines weiteren
Beispiels für einen weiteren magnetisch anisotropen Rotor.
Ein Rotor 43 ist vom Hybridtyp. Der Rotor 43 besteht aus ei
nem Magnetkörper 45. Der Magnetkörper 45 ist mit Luftspalten
47 in der ersten Richtung X versehen. Die Luftspalte 47 kön
nen ein nicht-magnetischer Körper sein. Daher kann der Rotor
43 einfach in der ersten Richtung X magnetisiert werden, kann
jedoch nur schwer in der zweiten Richtung Y magnetisiert wer
den.
In bezug auf Fig. 19 erfolgt eine Beschreibung eines weiteren
Beispiels für einen Rotor, der vier Magnetpole aufweist. Der
Rotor 49 kann einfach in den Richtungen X und X′ magnetisiert
werden, jedoch schwer in den Richtungen Y bzw. Y′ magnetisiert
werden.
Wie voranstehend erläutert stellt der Rotor eine magnetische
Anisotropie in der vorbestimmten Richtung zur Verfügung, wel
che senkrecht zur Drehachsenrichtung verläuft. Der Anker ist
mit zwei Paaren dreiphasiger Wicklungen gewickelt. Die Strom
phasen der beiden Wicklungen sind vorzugsweise um einen Win
kel von 90° gegeneinander verschoben. Daher erzeugt ein Feld
magnetfluß, der durch die Feldwicklungsströme und die Anker
wicklungsströme erzeugt wird, ein Drehmoment entsprechend
Fleming′s Gesetz. Dies führt dazu, daß es möglich ist, eine
vollständige Vektorsteuerung zu erzielen, welche das am mei
sten bevorzugte Drehmoment des Maximalwertes mit dem Magnet
fluß Φ und dem Strom I erzeugen kann.
Falls der Feldmagnetfluß proportional zum Feldstrom ist, er
gibt das Drehmoment T aus Gleichung (6).
T = K2 · IA · IB (6)
Hierbei gibt IA den Feldstrom an und IB den Ankerstrom.
Auf die voranstehend beschriebene Weise wird durch den Anker
strom IB auch ein Ankerreluktanz-Magnetfluß Φ′ erzeugt. Die
Richtung des Magnetflusses Φ′ verläuft senkrecht zur Richtung
des erstgenannten Magnetflusses Φ. Wenn allerdings der Rotor
aus einem magnetisch isotropen Material besteht, welches im
Querschnitt kreisförmig ist und ein konstanter Luftspalt um
den Rotor herum vorhanden ist, kann der Rotor nicht gedreht
werden.
Ist der Rotor ein magnetisch anisotroper Rotor, der eine ein
fach zu magnetisierende Achse in der Richtung entlang des
Magnetflusses aufweist, so wird ein Drehmoment T entsprechend
der Gleichung (5) selbst dann erzeugt, wenn der Rotor kreis
förmig ist und ein konstanter Luftspalt um den Rotor herum
vorgesehen ist.
Daher wird der Synchronmotor gemäß der vorliegenden Erfindung
mit einem Rotor aus einem Material erzielt, welches einfach
in der Richtung des erstgenannten Magnetflusses Φ magnetisier
bar ist und in der Richtung des zweiten angegebenen Magnet
flusses Φ schwer zu magnetisieren ist.
Daher ist es bei dem Synchronmotor gemäß der vorliegenden Er
findung nicht erforderlich, daß eine Feldspule um den Rotor
herum gewickelt wird oder ein Permanentmagnet für den Rotor
zur Verfügung gestellt wird, wie bei konventionellen Synchron
maschinen. Darüber hinaus erfordert der Synchronmotor gemäß
der vorliegenden Erfindung keine Siliziumstahlplatte für den
Rotor, noch die Bereitstellung von Schlitzen oder eine Käfig
läuferwicklung aus Aluminium, Kupfer oder dergleichen, und
erzeugt keine Wärme infolge induzierter Ströme, verglichen
mit einem konventionellen Induktionsmotor.
Der Synchronmotor gemäß der vorliegenden Erfindung läßt sich
wie nachstehend angegeben einsetzen.
Die Ausgangsleistung P (Watt) des Motors in Gleichung (5) er
gibt sich aus Gleichung (7).
P = 2πnT = √ EI (7)
Hierbei bezeichnet n die Umdrehungen pro Sekunde (U/sek)
des Motors, T das Drehmoment (Nm), E eine elektromotorische
Rückwärtskraft (v) zwischen den Dreiphasenwicklungen, und I
einen Phasenstrom (A). Die elektromotorische Rückwärtskraft E
(v) wird durch Gleichung (8) dargestellt, in welcher k eine
Proportionalkonstante darstellt und Φ eine Magnetflußdichte.
E = k · Φ · n(v) (8)
Entsprechend den Gleichungen (7) und (8) kann der Synchron
motor auf folgende Weise eingesetzt werden: Als Synchronmotor,
welcher die Magnetflußdichte Φ konstant hält und eine konstan
te Drehmomentcharakteristik im Bereich der Drehung von 0 bis
n aufweist, als ein Synchronmotor, bei welchem die Magnet
flußdichte Φ variabel ist und der eine konstante Ausgangslei
stung im Bereich von 0 bis n bezüglich der Drehzahl aufweist,
als ein äußerst wirksamer Synchronmotor, welcher eine ord
nungsgemäße Steuerung des Produkts von Φ.I aufweist, um Motor
verluste bei verschiedenen Belastungen zu minimalisieren und
dergleichen. Daher läßt sich der Synchronmotor gemäß der vor
liegenden Erfindung auf jedem industriellen Gebiet einsetzen.
Einige konkrete Beispiele werden nachstehend beschrieben.
Bezüglich Fig. 20 erfolgt eine Beschreibung eines Wechsel
spannungs-Servomotors, dessen Drehzahl durch den Synchron
motor 101 gemäß der vorliegenden Erfindung gesteuert wird.
Wie in Fig. 12 gezeigt, weist der Synchronmotor 101 die Anker
wicklung 19 und die Feldwicklung 17 auf. Der Ankerwicklung 19
und der Feldwicklung 17 werden ein Ankerstrom Ia und ein Feld
strom If zugeführt. Der Positions- und Drehzahldetektor 143
ermittelt eine Magnetpolposition und die Drehzahl. Der Posi
tions- und Drehzahldetektor 143 stellt die Drehzahl und die
Magnetpolposition auf dem Stand der Technik bekannte Weise
fest, beispielsweise durch einen Drehkodierer oder einen Dreh
melder.
Der Ankerstrom Ia und der Feldstrom If werden auf die nach
stehend beschriebene Weise durch den ersten Wechselrichter
145 und den zweiten Wechselrichter 147 gesteuert. Daher wird
die Drehzahl des Synchronmotors 101 auf die nachstehend ange
gebene Weise gesteuert.
Zuerst wird ein Drehzahlverstärker 161 mit einem Drehzahl-
Befehlssignal S1 versorgt, welches eine gewünschte Dreh
frequenz repräsentiert. Der Positions- und Umdrehungsdetek
tor 143 ermittelt die Drehfrequenz des Synchronmotors 101,
um ein Drehzahlsignal S2 zu erzeugen, welches dem Drehzahl
verstärker 161 zugeführt wird. In Reaktion auf den Drehzahl
befehl und die Umdrehungssignale S1 und S2 erzeugt der Dreh
zahlverstärker 161 ein Ankerstrom-Steuerbefehlssignal S3.
Ein Ankerstromverstärker 163 wird mit dem Ankerstrom-Befehls
steuersignal S3 und ebenso mit einem Ankerstrom-Befehlssig
nal S5 versorgt. Ein Ankerstromsignal S7, welches von einem
Ankerstromdetektor 115 festgestellt wird, der an einer Aus
gangsseite des ersten Wechselrichters 145 vorgesehen ist,
wird auf den Ankerstromverstärker 163 rückgekoppelt. Der An
kerstromverstärker 163 wird mit einem Wechselrichter-Steuer
signal S9 versorgt.
Während der Feldstromverstärker 171 mit dem Feldstrom-Befehls
signal 511 versorgt wird, wird das Feldstromsignal S13, das
von einem Feldstromdetektor 117 ermittelt wird, der an einer
Ausgangsseite des-zweiten Wechselrichters vorgesehen ist,
auf den Feldstromverstärker 171 rückgekoppelt. Der Feldstrom
verstärker 171 gibt ein Wechselrichtersteuersignal S15 aus,
zum Steuern des zweiten Wechselrichters 147.
Weiterhin wird ein Anker- und Feldstromphasen-Steuerver
ker 173 mit einem Magnetpol-Positionssignal S4, dem
Ankerstromsignal S7 und dem Feldstromsignal S13 versorgt. Der
erste Wechselrichter 145 und der zweite Wechselrichter 147
werden mit Steuersignalen S17 und S19 versorgt, um jede Pha
se und Frequenz der Ströme von dem Anker- und Feldstrompha
sensteuerverstärker 173 zu steuern. Daher dient der Synchron
motor gemäß der vorliegenden Erfindung als ein Wechselspan
nungs-Servomotor, durch Steuerung der Ströme Ia und If, zur
Bereitstellung der gewünschten Drehzahl.
Fig. 21 ist eine Darstellung eines weiteren Beispiels für die
vorliegende Erfindung und zeigt ein Blockschaltbild eines
Wechselspannungs-Servormotors, bei welchem ein Lastbewegungs
bereich oder ein Drehwinkel bezüglich der Last gesteuert wird.
Fig. 21 weist dieselben Schaltkreise auf wie Fig. 20 mit
denselben Bezugsziffern; daher wird auf eine entsprechende
Beschreibung verzichtet.
Ein Positionsabweichungsverstärker 251 wird mit einem Posi
tions-Befehlssignal S21 versorgt, welches den gewünschten
Belastungsbewegungsbereich oder den Lastdrehwinkel repräsen
tiert. Ein Belastungsbewegungs-Bereichssignal S23 wird durch
einen Belastungsbewegungs-Bereichserfassungssensor 253 fest
gestellt. Dem Positionsabweichungsverstärker 251 wird das
Belastungsbewegungs-Bereichssignal S23 und das Magnetpolposi
tionssignal S25 zugeführt. Dem Drehzahlverstärker 161 wird
ein Drehzahl-Befehlssignal S27 zugeführt, welches von dem
Positionsabweichungsverstärker 251 erzeugt wird und auf die
se Weise wird der Motor gedreht und der Belastungsbewegungs
bereich oder der Lastdrehwinkel gesteuert.
Bezüglich Fig. 22 erfolgt eine Beschreibung eines weiteren
Beispiels eines äußerst wirksamen Steuersystems gemäß der vor
liegenden Erfindung. Das äußerst wirksame Steuersystem kann
die Verluste des Synchronmotors 101 verringern. In Fig. 22
sind dieselben Schaltkreise wie in Fig. 20 gezeigt mit den
selben Bezugsziffern; daher wird auf eine eingehende Beschrei
bung verzichtet.
Wie voranstehend erläutert, wird der Ausgangsleistungswert
durch p= 2πnT repräsentiert, wie in Gleichung (7) angegeben,
und das Drehmoment T durch T=k2·IA·IB, entsprechend
Gleichung (6). Daher kann der Synchronmotor mit einem hohen
Wirkungsgrad laufen, wenn die Beziehung zwischen dem Anker
strom Ia und dem Feldstrom If so geregelt wird, daß die Ver
luste des Motors auf ein Minimum verringert werden, entspre
chend dem Feldmagnetfluß und den Motoreigenschaften. Die
Feldmagnetflußeigenschaften werden durch einen Ankerwicklungs
widerstand Ra, einen Feldwicklungswiderstand Rf und den Feld
strom If repräsentiert. Die Motoreigenschaften wie beispiels
weise Eisenverluste werden durch die Frequenz des Ankers und
den Feldstrom festgelegt. Die gewünschte Drehfrequenz und das
Drehmoment werden so gesteuert, daß ihr jeweiliger Anteil ei
nen äußerst wirksamen Lauf ergeben.
Unter Bezug auf Fig. 22 wird nachstehend ein Beispiel für
ein hochwirksames Steuersystem zum Minimalisieren der Kupfer
verluste des Motors beschrieben.
Wenn der Ankerstrom durch Ia (A) festgelegt ist, der Feld
strom If (A), der Ankerwiderstand durch Ra (Ω) und der Feld
magnetwiderstand durch Rf (Ω), so wird der Kupferverlust Pc
(w) durch eine Gleichung (9) gegeben und das Drehmoment T
(Nm) durch eine Gleichung (10).
Pc = Ia² · Ra + If² · Rf (w) (9)
T = K · Ia · If (Nm) (10)
Ein Lastdrehmoment ergibt sich aus dem Strom Ia und If, wel
cher durch den Ankerstromdetektor 115 bzw. den Feldstrom
detektor 115 ermittelt wird. Die Ströme Ia und If werden so
gesteuert, daß sie nicht niedriger als das Lastdrehmoment
sind, um ein erstes Steuerbefehlssignal Ia* und ein zweites
Steuerbefehlssignal If* festlegen, um so die Kupferverluste
Pc zu minimalisieren und auf diese Weise eine Steuerung durch
das erste und zweite Steuerbefehlssignal Ia* und If* durchzu
führen. Es wird nämlich in Fig. 22 eine Motorverlustminimali
sierungs-Steuerschaltung 211 mit dem Ankerstrom Ia versorgt,
der durch den Ankerstromdetektor 115 festgestellt wird und
mit dem Feldstrom If, der von dem Feldstromdetektor 117 er
mittelt wird. Der Ankerwiderstand Ra und der Feldwiderstand
Rf der Motorverlustminimalisierungs-Steuerschaltung 211 wer
den auf einen Eigenwert gesetzt, der durch den Motor festge
legt ist. Das erste Steuerbefehlssignal IaH* und das zweite
Steuerbefehlssignal If*, die von der Motorverlustminimalisie
rungs-Steuerschaltung 211 erzeugt werden, werden dem Anker
stromverstärker 163 und dem Feldstromverstärker 171 anstatt
des Ankerstromsignals 57 und des Feldstromsignals S13 in Fig.
20 zugeführt, und auf diese Weise wird die Minimalisierung
der Motorkupferverluste realisiert und eine äußerst wirksame
Steuerung sichergestellt.
Anhand von Fig. 23 erfolgt eine Beschreibung eines weiteren
Beispiels für den Synchronmotor gemäß der vorliegenden Er
findung. Der Synchronmotor weist einen Rotor 227 auf, die
Ankerwicklung 19 und die Feldwicklung 17. Die Ankerwicklung
19 ist direkt an eine Dreiphasen-Wechselstromquelle ange
schlossen. Die Feldwicklung 17 ist mit der Dreiphasen-Wech
selstromquelle über einen Kondensator 221 und einen elektro
magnetischen Schalter 223 verbunden. Der elektromagnetische
Schalter 223 wird durch eine Synchronisierschaltung 225
gesteuert.
Zuerst, wenn die Ankerwicklung 19 mit dem Dreiphasen-Wechsel
strom versorgt wird, wobei der elektromagnetische Schalter
223 ausgeschaltet ist, fließt ein induzierter Strom durch den
Rotor 227, so daß ein Drehmagnetfeld, welches von der Anker
wicklung 19 und dem induzierten Strom hervorgerufen wird, ein
Drehmoment entsprechend Fleming′s Gesetz erzeugen, um den
Motor als Induktionsmotor zu drehen. Erreicht die Drehzahl
des Motors eine Synchrongeschwindigkeit infolge des induzier
ten Drehmoments, so wird die Synchronschaltung 225 so betä
tigt, daß sie den elektromagnetischen Schalter 223 einschal
tet. Die Feldwicklung 17 wird mit einem Strom versorgt, des
sen Phase um 90° verschoben ist infolge des Kondensators 221,
so daß ein Feldmagnetpol in dem Rotor 227 erzeugt wird. Zwi
schen dem Feldmagnetpol und dem Drehmagnetfeld wird eine An
ziehung hervorgerufen. Der Rotor wird mit der Anziehung syn
chronisiert und dreht sich als Synchronmotor. Eine Spule oder
sowohl eine Spule als auch ein Kondensator können anstatt des
Kondensators 221 eingesetzt werden.
Anhand von Fig. 24 erfolgt eine Beschreibung eines weiteren
Beispiels für die vorliegende Erfindung. Der Synchronmotor
weist einen Rotor 241 auf. In diesem Fall ist der Rotor 241
mit Permanentmagneten 243a und 243b versehen. Ein Permanent
magnet-Magnetfluß Φ1 wird durch den Permanentmagneten 243a
und 243b erzeugt. Ein Feldwicklungs-Magnetfluß Φ wird durch
die Feldwicklung 17 (u, v, w) erzeugt.
Der Rotor 241 ist mit dem (nicht gezeigten) Magnetpolposi
tionsdetektor versehen, um den Feldmagnetstrom zu steuern,
so daß die Richtung des Permanentmagnet-Magnetflusses Φ1 mit
der Richtung des Feldwicklungs-Magnetflusses Φ zusammenfällt.
Wenn in diesem Fall der Permanentmagnet-Magnetfluß Φ1 und
der Feldwicklungs-Magnetfluß Φ dieselbe Phase haben, so ent
steht ein zusammengesetzter Feldmagnetfluß ΣΦ = Φ1+Φ,
welcher den Feldmagnetfluß erhöht. Sind der Permanentmagnet
fluß 1 und der Feldwicklungs-Magnetfluß Φ in Antiphase, so
entsteht ein zusammengesetzter Feldmagnetfluß ΣΦ=Φ1-Φ,
welcher den Feldmagnetfluß verringert.
Unter Bezug auf die Fig. 25A und 25B erfolgt die Beschreibung
eines Beispiels für einen Synchronmotor, der einen Anker auf
weist, der zweigeteilt werden kann, um den Zusammenbau des
Motors zu erleichtern. In den Fig. 25A und 25B weisen die
unterteilten Anker 261a und 261b Wicklungen 263a bzw. 263b
auf.
Daher ergeben sich verringerte Einschränkungen für den Zusam
menbau des Motors. Die unterteilten Anker 261a und 261b kön
nen so kombiniert werden, daß sie einander in einer Pfeilrich
tung gegenüberliegen, die in Figur angegeben ist. Daher kann
ein Lager 265 auf einer Drehachse 267 angebracht werden, un
abhängig vom Zusammenbau des Motors.
In bezug auf Fig. 26 erfolgt eine Beschreibung eines Bei
spiels, bei welchem die Hauptspindel einer Werkzeugmaschine
einstückig mit der Rotorwelle des Motors ausgebildet ist.
Ein Anker 285 ist so gewickelt, daß sich in ihm eine Anker
wicklung und eine Feldwicklung befinden. In einem Fall, in
welchem die Hauptspindel 281 aus einem magnetischen Körper
besteht, wird ihr Endabschnitt so bearbeitet, daß ein Rotor
gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet wird, und ein
Anker 285 um den Rotor herum angeordnet wird, so daß es mög
lich ist, die Werkzeugmaschine und den Motor einstückig aus
zubilden. Eine Schneidvorrichtung 287 ist auf einem Werkzeug
289 befestigt. Das Werkzeug 289 ist an der Hauptspindel 281
befestigt. Durch ein Lager 291 wird die Hauptspindel 281 dreh
bar gehaltert.
In den Fig. 27 28A und 28B ist ein weiteres Beispiel für ei
nen Synchronmotor gezeigt, welcher in einer Achsenrichtung
zusammengebaut werden kann. Der Synchronmotor weist eine
Feldwicklung 301 auf, eine Ankerwicklung 303, Ankerkerne 305
und 307, eine Drehwelle 313 und einen Rotor 319. Die Anker
kerne 305 und 307 sind mit der Feldwicklung 301 bzw. der An
kerwicklung 303 bewickelt. Die Ankerkerne 305 und 307 sind
in Axialrichtung seitlich nebeneinander angeordnet. Bezugs
achsen 309 und 311 sind so eingestellt, daß die Phasendiffe
renz zwischen den Ankerkernen 305 und 307 vorzugsweise 90°
beträgt. In Fig. 27 besteht der Rotor 319 aus einem magneti
schen Körper 315 sowie einem Magnetkörperteil 317 um die
Drehwelle 313 herum. Die Ankerkerne 305 und 307 sind auf der
Außenseite des Rotors 319 angeordnet. Ein Verbindermagnet
körper 321 zur Ausbildung einer magnetischen Schaltung ist
auf der Außenseite der Ankerkerne 305 und 307 vorgesehen, wo
durch eine geschlossene magnetische Schaltung zur Verfügung
gestellt wird, die durch eine gestrichelte Linie angedeutet
ist. Daher zeigt der Synchronmotor gemäß diesem Beispiel
dieselbe Leistung wie jeder der voranstehend -geschilderten
Synchronmotoren mit mehreren Wicklungen. Da die Entfernung
über den Anker durch die geteilten Anker verkürzt werden kann,
kann der Synchronmotor gemäß diesem Beispiel bei Maschinen
eingesetzt werden, die einen schlankeren Motor erfordern.
Unter Bezug auf Fig. 29 erfolgt eine Beschreibung eines Bei
spiels, bei welchem die vorliegende Erfindung bei einem
Linearmotor eingesetzt wird. Der Linearmotor 401 weist einen
Anker 403 und eine Nadel 405 auf. Der Anker 403 ist ein Drei
phasenanker, der mit zwei Polen und vierundzwanzig Schlitzen
versehen ist, wie in Fig. 12 gezeigt. Die Nadel 405 weist
einen Magnetpol auf, der die in Fig. 8 gezeigte Segmentstruk
tur aufweist.
Der Anker 403 umfaßt einen Ankerkern 407 und eine Feldwick
lung 409 mit Spulen u, v und w, sowie eine Ankerwicklung 411
mit Spulen U, V und W. Der Ankerkern 407 weist einen Kammab
schnitt auf und ist doppellagig mit der Feldwicklung 409 und
der Ankerwicklung 411 gewickelt. Die Nadel 405 umfaßt mehre
re Magnetpole 413, die aus einem Magnetkörper wie beispiels
weise Eisen bestehen, sowie eine Montageplatte 417, die aus
einem nicht-magnetischen Körper wie beispielsweise Aluminium
besteht. Die Magnetpole 413 sind auf der Montageplatte 417
so angebracht, daß dazwischen ein vorbestimmter Zwischenraum
415 verbleibt. Wenn den Wicklungen 409 und 411 der Dreipha
sen-Wechselstrom zugeführt wird, wird eine horizontale Kraft
zwischen dem Anker und der Nadel erzeugt. Daher bewegt sich
die Nadel, wenn der Anker fixiert ist und bewegt sich der
Anker, wenn die Nadel fixiert ist.
Zwar weist dieses Beispiel zwei Pole und vierundzwanzig
Schlitze auf, jedoch ist dieses Beispiel nicht auf Fig. 29
beschränkt und kann auf unterschiedliche Weisen abgeändert
werden.
Unter Bezug auf Fig. 30 werden die Grundlagen von Beispielen
für einen Synchrongenerator gemäß der vorliegenden Erfindung
erläutert. Der Generator weist einen Ankerkern 501 sowie ei
nen Rotor 507 auf. Der Ankerkern 501 hat eine doppellagige
Wicklung, nämlich eine Feldwicklung 503 und eine Ankerwick
lung 505. Der Rotor 507 ist einfach in der Vertikalrichtung
in der Figur zu magnetisieren und schwierig in der Horizon
talrichtung in der Figur, da der Rotor eine Schenkelpolform
aufweist. Die Wicklungen 503 und 505 sind Dreiphasenwicklungen,
die jeweils mit zwei Polen versehen sind. Die Wicklungen 503
und 505 sind so angeordnet, daß die Phasendifferenz vorzugs
weise 90° beträgt.
Wenn an die Feldwicklung 503 mit den Spulen u, v und w der
Dreiphasenstrom angelegt wird, wird ein Feldmagnetfluß 509 er
zeugt. Ein Feldwicklungsstrom wird so gesteuert, daß eine Mag
netpol-Zentralachse 511 des Feldmagnetflusses 509 mit einer
Achse einfacher Magnetisierung 513 des Rotors dauernd zusam
menfällt. Die Dreiphasenspannung wird dadurch in die Anker
wicklung 505 mit Spulen u′, v′ und w′ induziert, daß der Rotor
gedreht wird, der ständig in einer konstanten Richtung magne
tisiert ist. Auf diese Weise wird ein Generator zur Verfügung
gestellt.
Eine Ausgangsspannung V und eine Ausgangsfrequenz f des Gene
rators werden durch die nachstehenden Gleichungen (11) und
(12) angegeben.
V = K₁ · Φ · n (v) (11)
f = K₂ · n · p (HZ) (12)
Hierbei bezeichnen K1 und K2 Proportionalkonstanten, Φ be
zeichnet einen Feldmagnetfluß (MAXWELL) und n bezeichnet
eine Drehfrequenz pro Sekunde (U/sek). Wenn der Feldstrom
If proportional zum Feldmagnetfluß Φ ist, so ergibt sich
die nachstehend angegebene Gleichung (13).
Φ = K3.If (MAXWELL) (13)
Wie voranstehend erläutert wird bei dem Synchrongenerator
gemäß der vorliegenden Erfindung nicht unbedingt der Rotor
mit einer Spule bewickelt oder ein Permanentmagnet auf dem
Rotor befestigt. Dies führt dazu, daß durch die vorliegende
Erfindung ein Synchrongenerator mit einem Rotor zur Verfü
gung gestellt werden kann, der außerordentlich einfach und
stabil ist.
Fig. 31 zeigt ein Blockschaltbild einer Steuerung zum Steuern
der Ausgangsspannung auf einen konstanten Wert, gegen die
Lastschwankungen, in dem Synchrongenerator gemäß der vorlie
genden Erfindung.
In Fig. 31 weist die Steuerung einen Synchrongenerator 521
sowie eine Steuerschaltung auf, um unabhängig von Lastschwan
kungen eine Ausgangsspannung konstant zu halten.
Der Synchrongenerator 521 umfaßt einen Rotor 523 und eine
Ankerwicklung 505. Der Rotor 523 ist an einen Antriebsmotor
525 angeschlossen, beispielsweise eine Turbine, eine Brenn
kraftmaschine, oder eine hydraulische Turbine, und dreht sich
mit konstanter Geschwindigkeit. Die Ankerwicklung 505 ist an
die Last 527 angeschlossen. Der Rotor 523 ist mit einem Mag
netpol-Positionsdetektor 531 versehen, beispielsweise einem
Drehkodierer, um ein Magnetpol-Positionssignal S51 zu erzeu
gen. Der Anker 505 weist eine Potentialmeßvorrichtung 535 auf,
um die Ausgangsspannung zu ermitteln und um ein Ausgangsspan
nungssignal S52 zu erzeugen.
Die Steuerschaltung weist einen Ankerspannungsverstärker 537
auf, einen Feldstromverstärker 539, einen Invertierer 543,
einen Feldstromphasen-Steuerverstärker 541 und einen Feld
stromdetektor 542. Der Ankerspannungsverstärker 537 wird mit
einem Spannungsbefehlssignal S53 für die gewünschte Spannung
und gleichzeitig mit dem Ausgangsspannungssignal S52 versorgt.
An den Feldstromverstärker 539 wird ein Stromstrom-Befehls
signal S55 von dem Ankerspannungsverstärker 537 geliefert und
ebenso ein Feldstromsignal S57, welches von dem Feldstrom
detektor 542 ermittelt wird.
Dem Feldstromphasen-Steuerverstärker 541 wird ein Feld
stromwert-Befehlssignal S59 zugeführt, welches von dem
Feldstromverstärker 539 erzeugt wird, sowie ein Magnetpol-
Positionssignal S51. Dem Wechselrichter 543 wird ein Wechsel
richtersteuersignal S61 vom Feldstromphasen-Steuerverstärker
541 zugeführt.
Wenn die Last nicht an den Synchrongenerator angeschlossen
ist, dieser also unbelastet läuft, ist die induzierte Span
nung gleich der Ausgangsspannung. Ist die Last an den Syn
chrongenerator angeschlossen, so fließt ein Strom durch die
Ankerwicklung (U, V, W) und durch die Impedanz der Ankerwick
lung wird ein Spannungsabfall hervorgerufen, welcher die Aus
gangsspannung verringert. Daher wird der Ankerspannungsver
stärker 537 mit dem Ausgangsspannungssignal S52 von dem Po
tentialmeßinstrument 535 versorgt, um die Ausgangsspannung
dadurch konstant zu halten, daß der Spannungsabfall kompen
siert wird. Der Ankerspannungsverstärker 537 verstärkt die
Abweichung zwischen dem Spannungsbefehlssignal S53 und dem
Ausgangsspannungssignal S52, um den Feldstromverstärker 539
mit dem Feldstrombefehlssignal S55 zu versorgen. Der Feld
stromverstärker 539 verstärkt die Abweichung zwischen dem
Feldstrombefehlssignal S55 und dem Feldstromsignal S57, um
das Feldstromwert-Befehlssignal S59 dem Feldstromphasen-
Steuerverstärker 541 zuzuführen. Entsprechend dem Feldposi
tionssignal S51 und dem Feldstromwert-Befehlssignal S59 er
zeugt der Feldstromphasen-Steuerverstärker 541 ein Wechsel
richtersteuersignal S61, um so korrekt den Feldstrom der
Feldwicklung zuzuführen, selbst wenn sich der Rotor an einem
anderen Ort befindet. Der Wechselrichter 543 erzeugt den
Feldstrom entsprechend dem Wechselrichtersteuersignal 561
und steuert den Wert des Feldstroms. Daher ist selbst bei
schwankender Belastung die Ausgangsspannung konstant.
Wie voranstehend erläutert wird gemäß der zweiten Ausführungs
form eine Synchronmaschine zur Verfügung gestellt, deren
Rotor einen einfachen und stabilen Aufbau aufweist, da der
Rotor nicht notwendigerweise mit einem Permanentmagneten ver
sehen oder mit Spulen bewickelt ist. Bei hohen Drehzahlen
wird der Rotor infolge seines stabilen Aufbaus nicht beschä
digt.
Claims (29)
1. Synchronmotorvorrichtung, gekennzeichnet durch:
einen Stator, der in doppellagiger Wicklungsweise mit einer ersten Wicklung und einer zweiten Wicklung bewickelt ist;
einen Rotor, der eine Schenkelpolform aufweist und drehbar in dem Stator aufgenommen ist;
eine erste Steuerung, die als Energiequelle für die erste Wicklung dient und die Drehfrequenz des Motors steuert; und
eine zweite Steuerung, die als Energiequelle dient und die Ausgangsleistung oder den Drehmomentwert des Motors steuert.
einen Stator, der in doppellagiger Wicklungsweise mit einer ersten Wicklung und einer zweiten Wicklung bewickelt ist;
einen Rotor, der eine Schenkelpolform aufweist und drehbar in dem Stator aufgenommen ist;
eine erste Steuerung, die als Energiequelle für die erste Wicklung dient und die Drehfrequenz des Motors steuert; und
eine zweite Steuerung, die als Energiequelle dient und die Ausgangsleistung oder den Drehmomentwert des Motors steuert.
2. Synchronmotorvorrichtung, gekennzeichnet durch:
einen Stator, der in doppellagiger Wicklungsweise mit einer ersten Wicklung und einer zweiten Wicklung versehen ist;
einen Rotor, der im wesentlichen aus magnetisch anisotropen Materialien besteht, um die Schenkelform zur Verfügung zu stellen, und der drehbar in dem Stator aufgenommen ist;
eine erste Steuerung, die als Energiequelle für die erste Wicklung dient und die Drehfrequenz des Motors steuert; und
eine zweite Steuerung, die als Energiequelle für die zwei te Wicklung dient und die Ausgangsleistung oder den Dreh momentwert des Motors steuert.
einen Stator, der in doppellagiger Wicklungsweise mit einer ersten Wicklung und einer zweiten Wicklung versehen ist;
einen Rotor, der im wesentlichen aus magnetisch anisotropen Materialien besteht, um die Schenkelform zur Verfügung zu stellen, und der drehbar in dem Stator aufgenommen ist;
eine erste Steuerung, die als Energiequelle für die erste Wicklung dient und die Drehfrequenz des Motors steuert; und
eine zweite Steuerung, die als Energiequelle für die zwei te Wicklung dient und die Ausgangsleistung oder den Dreh momentwert des Motors steuert.
3. Synchronmotorvorrichtung, gekennzeichnet durch:
einen Stator, der in doppellagiger Wicklungsweise mit einer ersten Wicklung und einer zweiten Wicklung versehen ist;
einen Rotor, der mit einem Permanentmagnetteil versehen ist, um einen Feldmagnetfluß zu erzeugen und der drehbar in dem Stator aufgenommen ist;
eine erste Steuerung, die als Energiequelle für die erste Wicklung dient und die Drehfrequenz des Motors steuert; und eine zweite Steuerung, die als Energiequelle für die zwei te Wicklung dient und die Ausgangsleistung oder den Dreh momentwert des Motors steuert.
einen Stator, der in doppellagiger Wicklungsweise mit einer ersten Wicklung und einer zweiten Wicklung versehen ist;
einen Rotor, der mit einem Permanentmagnetteil versehen ist, um einen Feldmagnetfluß zu erzeugen und der drehbar in dem Stator aufgenommen ist;
eine erste Steuerung, die als Energiequelle für die erste Wicklung dient und die Drehfrequenz des Motors steuert; und eine zweite Steuerung, die als Energiequelle für die zwei te Wicklung dient und die Ausgangsleistung oder den Dreh momentwert des Motors steuert.
4. Synchronmotorvorrichtung, gekennzeichnet durch:
einen Stator, der in doppellagiger Wicklungsweise mit einer ersten Wicklung und einer zweiten Wicklung versehen ist;
einen Rotor, der mit zumindest einer Spule bewickelt ist, die mit Strom versorgt wird und der drehbar in dem Stator aufgenommen ist;
eine erste Steuerung, die als Energiequelle der ersten Wicklung dient und die Drehfrequenz des Motors steuert; und
eine zweite Steuerung, die als Energiequelle für die zwei te Wicklung dient und die Ausgangsleistung oder den Dreh momentwert des Motors steuert.
einen Stator, der in doppellagiger Wicklungsweise mit einer ersten Wicklung und einer zweiten Wicklung versehen ist;
einen Rotor, der mit zumindest einer Spule bewickelt ist, die mit Strom versorgt wird und der drehbar in dem Stator aufgenommen ist;
eine erste Steuerung, die als Energiequelle der ersten Wicklung dient und die Drehfrequenz des Motors steuert; und
eine zweite Steuerung, die als Energiequelle für die zwei te Wicklung dient und die Ausgangsleistung oder den Dreh momentwert des Motors steuert.
5. Synchronmotorvorrichtung, gekennzeichnet durch:
einen Stator, der in doppellagiger Wicklungsweise mit einer ersten Wicklung und einer zweiten Wicklung versehen ist;
einen Rotor, der aus magnetisch anisotropem Material be steht und drehbar in dem Stator aufgenommen ist;
eine erste Steuerung, die als Energiequelle für die erste Wicklung dient und die Drehfrequenz des Motors steuert; und
eine zweite Steuerung, die als Energiequelle für die zwei te Wicklung dient und die Ausgangsleistung oder den Dreh momentwert des Motors steuert.
einen Stator, der in doppellagiger Wicklungsweise mit einer ersten Wicklung und einer zweiten Wicklung versehen ist;
einen Rotor, der aus magnetisch anisotropem Material be steht und drehbar in dem Stator aufgenommen ist;
eine erste Steuerung, die als Energiequelle für die erste Wicklung dient und die Drehfrequenz des Motors steuert; und
eine zweite Steuerung, die als Energiequelle für die zwei te Wicklung dient und die Ausgangsleistung oder den Dreh momentwert des Motors steuert.
6. Synchronmotorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Steuerung eine Pha
sendifferenz zwischen dem Strom der ersten Wicklung und
dem Strom der zweiten Wicklung in einem Winkel von 90°
hält, und weiterhin eine Schaltung zum Steuern der Größe
der Verstärkung des Stroms umfaßt, welcher der ersten Wick
lung zugeführt wird.
7. Synchronmotorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die erste Steuerung eine Dreh
frequenz-Befehlsvorrichtung aufweist, um ein Strombefehls
signal zur Vorgabe der Drehfrequenz des Motors zu erzeugen,
eine erste Wicklungsstrom-Festlegungsschaltung zum Ver
gleichen der vorgegebenen Drehfrequenz mit gemessenen Dreh
frequenzdaten des Motors, um zwischen diesen Werten eine
Differenz zu erzeugen, und um ein erstes Strombefehlssig
nal für die erste Wicklung festzulegen und zu erzeugen, so
wie eine erste Wicklungsstrom-Versorgungsschaltung zur Zu
fuhr eines ersten vorbestimmten Stroms zur ersten Wicklung
entsprechend dem ersten Strombefehlssignal, ersten Strom
wertdaten der ersten Wicklung, und Positionsdaten des Ro
tors, wobei die zweite Steuerung eine Ausgangsbefehlsein
richtung zur Vorgabe eines vorgegebenen Ausgangsleistungs
wertes des Motors aufweist, eine Ausgangs-Arithmetikschal
tung zur Berechnung eines berechneten Ausgangsleistungs
wertes des Motors entsprechend Stromdaten, welche den er
sten und zweiten Wicklungen zugeführt werden, Drehfrequenz
daten des Motors und Positionsdaten des Rotors, eine zwei
te Wicklungsfestlegungsschaltung zum Vergleichen des be
rechneten Ausgangsleistungswertes mit dem vorgegebenen
Ausgangsleistungswert, um dazwischen eine Differenz zu er
zeugen, und um ein zweites Strombefehlssignal für die zwei
te Wicklung entsprechend der Differenz zu erzeugen, sowie
eine zweite Wicklungsstromversorgungsschaltung zur Zufuhr
eines zweiten vorbestimmten Stroms zur zweiten Wicklung
entsprechend dem zweiten Strombefehlssignal von der zwei
ten Wicklungsfestlegungsschaltung, den zweiten Stromwert
daten der zweiten Wicklung, und den Positionsdaten des Ro
tors.
8. Synchronmaschine, gekennzeichnet durch:
einen Anker, der mit einem Kern versehen ist, der eine Feldwicklung aufweist, um einen Feldmagnetfluß zu erzeu gen, sowie mit einer Ankerwicklung, die in der elektri schen Phase der Feldwicklung im wesentlichen um einen Win kel von 90° voreilt; und
einen Rotor, der drehbar in dem Anker aufgenommen ist und in einer vorbestimmten Richtung durch den Feldmagnetfluß magnetisiert wird.
einen Anker, der mit einem Kern versehen ist, der eine Feldwicklung aufweist, um einen Feldmagnetfluß zu erzeu gen, sowie mit einer Ankerwicklung, die in der elektri schen Phase der Feldwicklung im wesentlichen um einen Win kel von 90° voreilt; und
einen Rotor, der drehbar in dem Anker aufgenommen ist und in einer vorbestimmten Richtung durch den Feldmagnetfluß magnetisiert wird.
9. Synchronmaschine, gekennzeichnet durch:
einen Anker, dessen Kern mit einer Feldwicklung und einer Ankerwicklung bewickelt ist, wobei die Feldwicklung drei Paare von drei Phasenwicklungen aufweist, die gegenein ander um jeweils einen Phasenwinkel von 120° verschoben sind und einen Feldmagnetfluß erzeugen, wobei die Anker wicklungen drei Paare von drei Phasenwicklungen aufweisen, die aufeinanderfolgend jeweils um einen Phasenwinkel von 120 verschoben sind, und den Feldwicklungen im wesent lichen um einen Winkel von 90° voreilen; und
einen Rotor, der drehbar in dem Anker aufgenommen ist und in einer vorbestimmten Richtung durch den Feldmagnetfluß magnetisiert wird.
einen Anker, dessen Kern mit einer Feldwicklung und einer Ankerwicklung bewickelt ist, wobei die Feldwicklung drei Paare von drei Phasenwicklungen aufweist, die gegenein ander um jeweils einen Phasenwinkel von 120° verschoben sind und einen Feldmagnetfluß erzeugen, wobei die Anker wicklungen drei Paare von drei Phasenwicklungen aufweisen, die aufeinanderfolgend jeweils um einen Phasenwinkel von 120 verschoben sind, und den Feldwicklungen im wesent lichen um einen Winkel von 90° voreilen; und
einen Rotor, der drehbar in dem Anker aufgenommen ist und in einer vorbestimmten Richtung durch den Feldmagnetfluß magnetisiert wird.
10. Synchronmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
daß die Ankerwicklung in der elektrischen Phase der Feld
wicklung im wesentlichen um einen Winkel von 90° voreilt.
11. Synchronmaschine nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Rotor ein magnetisch anisotroper Rotor
ist.
12. Synchronmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich
net, daß der magnetisch anisotrope Rotor einen magnetisch
anisotropen Magnetkörper aufweist, der eine vorbestimmte
Form hat.
13. Synchronmaschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeich
net, daß der magnetisch anisotrope Magnetkörper ein Teil
aufweist, welches aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus
kornorientiertem Siliziumstahl und kornorientiertem
Nickelstahl besteht.
14. Synchronmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich
net, daß der magnetisch anisotrope Magnetkörper die Form
eines Schenkelpols aufweist.
15. Synchronmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich
net, daß der magnetisch anisotrope Magnetkörper einen
Magnetkörperabschnitt auf einer Außenseite und einen
nicht-magnetischen Körperabschnitt in einer Innenseite
aufweist, wobei der magnetische Körper mit einem Luft
spalt in Schlitzform oder einem nicht-magnetischen Teil
in einer vorbestimmten Durchmesserrichtung versehen ist.
16. Synchronmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich
net, daß der magnetisch anisotrope Magnetkörper ein Mag
netteil aufweist, welches mit einem Luftspalt in Schlitz
form oder einem nicht-magnetischen Teil in einer vorbe
stimmten Durchmesserrichtung versehen ist.
17. Synchronmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich
net, daß der magnetisch anisotrope Magnetkörper die Form
eines Schenkelpols mit vier Polen aufweist.
18. Synchronmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich
net, daß der Rotor einstückig mit einer Lastachse einer
Maschine oder eines Werkzeugs verbunden ist.
19. Synchronmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich
net, daß die Feldwicklung und die Ankerwicklung mit zwei
Paaren von drei Phasenströmen versorgt werden, die gegen
einander um einen elektrischen Phasenwinkel von 90 ver
schoben sind, wobei die Synchronmaschine weiterhin eine
Steuereinrichtung zum Steuern des Drehmoments, der Dreh
frequenz und des Drehwinkels aufweist, und die Leistung
des Motors durch Steuern der Frequenz und des Stroms der
drei Phasenströme verschiebt.
20. Synchronmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich
net, daß die Feldwicklung und die Ankerwicklung mit zwei
Paaren von drei Phasenströmen versorgt werden, die gegen
einander um einen vorbestimmten Phasenwinkel verschoben
sind, und daß die Synchronmaschine weiterhin eine Steuer
einrichtung aufweist, um das Drehmoment, die Drehfrequenz
und den Drehwinkel zu steuern, und die Leistungsabgabe
des Motors durch Steuern der Frequenz und des Stroms der
drei Phasenströme verschiebt.
21. Synchronmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich
net, daß weiterhin eine Steuereinrichtung zum optimalen
Steuern von zwei Paaren von drei Phasenströmen vorgesehen
ist, die dem Anker zugeführt werden, um die Verluste des
Motors auf ein Minimum in einem Fall einer vorbestimmten
Drehung und einer vorbestimmten Belastung zu reduzieren.
22. Synchronmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich
net, daß die Ankerwicklung an eine Dreiphasen-Energie
quelle angeschlossen ist, so daß sie nahe an der synchro
nen Drehung durch ein von einem induzierten Strom hervor
gerufenes Drehmoment gedreht wird, während die Feldwick
lung von einer Dreiphasen-Energiequelle über einen Kon
densator oder ein Reaktionsglied versorgt wird, wobei die
Synchronmaschine weiterhin eine Synchronisierschaltung
aufweist, um den Rotor mit einem Feldmagnetpol dadurch zu
versorgen, daß dem Rotor ein Strom zugeführt wird, der um
einen vorbestimmten elektrischen Phasenwinkel verschoben
ist, um den Motor zu synchronisieren.
23. Synchronmotor nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet,
daß der Rotor dadurch mit einem Feldmagnetpol versehen
wird, daß der Strom um einen elektrischen Phasenwinkel
von 90° verschoben wird.
24. Synchronmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
daß der Rotor mit einem Permanentmagnetteil versehen ist,
um einen Feldmagnetpol als Summe eines magnetischen Flus
ses, der von dem Permanentmagnet erzeugt wird und eines
magnetischen Flusses, der von einem Feldstrom erzeugt
wird, zu erzeugen.
25. Synchronmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
daß der Anker so ausgebildet ist, daß er in zwei oder mehr
Teile unterteilt ist, um einen Stator zusammenzubauen,
nachdem der Rotor auf einer Maschine angebracht ist.
26. Synchronmaschine nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet,
daß der Rotor einstückig mit einer Welle einer Maschine
ausgebildet ist.
27. Synchronmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
daß der Kern in einer Axialrichtung zweigeteilt ist, und
daß einer der Kernteile mit der Feldwicklung bewickelt ist
und der andere Kernteil mit der Ankerwicklung bewickelt
ist.
28. Synchronmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
daß die Synchronmaschine für einen Linearmotor verwendet
wird, daß der Anker als ein Linearanker ausgebildet ist,
und daß der Stator eine Nadel aufweist, die mit mehreren
Magnetpolen versehen ist, die in einer Axialrichtung an
geordnet sind.
29. Synchronmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
daß die Synchronmaschine als ein Synchrongenerator arbei
tet.
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Family Applications (1)
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