DE4437488A1 - Geschalteter Reluktanzmotor, insbesondere als Antriebsmotor im Kleinspannungsbereich bis 60 V - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen geschalteten Reluktanzmotor, insbesondere als Antriebs­ motor in Kleinspannungsbereich bis 60 V, der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angebenen Art.

Es sind bereits geschaltete Reluktanzmotoren bekannt, die sich durch einen einfachen und robusten Aufbau auszeichnen und außerdem preiswert und wartungsfrei sind. Diese geschalteten Reluktanzmotoren haben üblicherweise mehrere Pole sowohl auf dem Ständer, als auch auf dem Läufer, d. h. es handelt sich um Doppelschenkel­ polmaschinen. Hierbei ist eine konzentrierte Wicklung auf jedem Ständerpol vorgesehen, aber es gibt keine Magnete oder Wicklungen auf dem Läufer. Mittels einer Schaltungsanordnung werden diese Wicklungen in einem bewegungsabhängigen Zyklus mit Stromimpulsen vorgebbarer Länge und Lage beaufschlagt. Zu diesem Zweck weist ein dreisträngiger geschalteter Reluktanzmotor 6 Leistungsschalter auf, von denen je ein Leistungsschalter am oberen Spulenende des Motors sitzt und in Verbindung mit einer Diode für die Regelung des Stromes im angeschlossenen Wicklungsstrang sorgt, während je ein am unteren Spulenende des Motors angeordneter Leistungsschalter in Verbindung mit einer zweiten Diode beim Übergang von einem Stromstrang auf den anderen eine schnelle Abkommutierung gegen die volle Versorgungsspannung ermöglicht. Der Vorteil dieser Schaltungsanordnung besteht in der vollkommenen Entkopplung der einzelnen Motorstränge voneinander. Nachteilig ist hierbei, daß die im Hochpotentialbereich angeordneten, oberen Leistungsschalter einen hohen Aufwand zur Überwachung und Ansteuerung erfordern. Hierbei ist jeweils ein Transistor an der positiven und einer an der Masse der Versorgungsspannung angeschlossen. Der Transistor, der an der positiven Seite sitzt, braucht für die Ansteuerung einen hohen Aufwand an Bauteilen. Das liegt daran, daß die Steuerspannung für den Transistor höher sein muß als die Versorgungsspannung. Der Aufwand setzt sich dann zusammen aus einem Spannungshochsteller und einer Anpassungsschaltung an die Logik.

Der Aufwand für die oben beschriebene Schaltungsanordnung wird in bekannter Weise dadurch reduziert, daß auf Hochpotentialebene nicht drei, sondern nur ein Leistungsschalter vorgesehen ist. Hierbei werden die Wicklungsenden der drei Motorstränge zusammen an dem verbleibenden oberen Leistungsschalter geführt. Hierbei entfällt die frei und entkoppelte Steuerungsmöglichkeit jedes Stranges. Der einzige obere Transistor wird mehr belastet und muß daher großer dimensioniert sein.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Betreiben eines geschalteten Reluktanzmotores im Kleinspannungsbereich bis 60 V mit einem minimalen Schaltungsaufwand zu betreiben. Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Der erfindungsgemäß geschaltete Reluktanzmotor zeichnet sich durch eine Kosten­ ersparnis in der Elektronik und in der Motorausführung aus, wobei durch eine Reduzierung des Schaltungsaufwandes der Platzbedarf und der Verdrahtungsaufwand reduziert werden. Es sind statt bisher sechs nur noch drei Zuleitungen erforderlich. Da außerdem nur noch drei Halbleiterschalter, z. B. drei Transistoren notwendig sind, wird auch die Verlustleistung stark reduziert.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes sind den weiteren Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispieles im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen vereinfachten Querschnitt durch einen geschalteten Reluktanzmotor,

Fig. 2 eine durch den Stand der Technik bekannte Schaltungsanordnung eines Wechselrichters mit sechs Leistungsschaltern,

Fig. 3 eine Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung,

Fig. 4 den Stromverlauf beim Kommutierungsvorgang und

Fig. 5 ein Blockschaltbild einer Ansteuerungsschaltungsanordnung für den SR- Motor.

Die Fig. 1 zeigt einen geschalteten Reluktanzmotor 1 im Schnitt, wobei das aus lamilierten Blechteilen bestehende Startorjoch 3 ringförmig ausgebildet ist. Dieses Statorjoch 3 weist z. B. sechs ausgeprägte Statorpole 5/6, 7/8, 9/10 auf, von denen je zwei diametral entgegengesetzt angeordnet sind. In dem Statorjoch 3 ist in bekannter Weise ein aus lamilierten Blechen bestehender Rotor 11 mit ausgeprägten laminierten Rotorpolen 13, 14, 15, 16 drehbar gelagert.

Weiterhin sind magnetfelderregende Spulen bzw. Erregerwicklungen 17, 18, 19, 20, 21, 22 auf den Statorpolen 5, 6, 7, 8, 9, 10 aufgewickelt, wobei je zwei sich gegenüberliegende Wicklungen 17/18, 19/20, 21/22 jeweils mit einer Gleichspannungsquelle 23 verbunden sind. Hierbei werden die einzelnen Wicklungspaare 17/18, 19/20, 21/22 zur Erzeugung von den Rotor 11 durchdringenden, veränderbaren Magnetfeldern in Synchronisierung mit den Rotorpositionen über eine Ansteuerungsschaltung z. B. sequentiell ein- und ausgeschaltet.

In der Fig. 2 ist eine aus dem Stand der Technik bekannte Schaltungsanordnung eines Wechselrichters 25 mit drei Phasenzweigen für den SR-Motor 1 dargestellt. Jeder Wechselrichterphasenzweig entspricht einer besonderten Motorphase und umfaßt zwei Halbleiterschalter 27/29, 31/33 und 35/37 und zwei Freilaufdioden 39/41, 43/45 und 47/49. Diese an die entsprechenden Statorwicklungen 17/18, 19/20, 21/22 angeschlossenen Freilaufdioden 39/41, 43/45 und 47/49 lassen die induktiven Wicklungsströme zurückfließen.

Die drei Wechselrichterphasenzweige sind parallel geschaltet und werden durch die Gleichstromquelle 23, welche aus einer Batterie oder einer gleichgerichteten Wechselstromquelle bestehen kann, gespeist, die an den parallelen Wechselrichter­ phasenzweigen eine Gleichspannung einprägt. Eine Kapazität 51 dient zur Aufnahme des Rückstroms nach Abschalten einer Phase.

Die Transistoren 27, 31, 35 sind an der positiven Versorgungsspannung der Spannungsquelle 23 und die Transistoren 29, 33, 37 an der Masse der Versorgungs­ spannung angeschlossen. Die Transistoren 27, 31, 35 brauchen für die Ansteuerung einen hohen Aufwand an Bauteilen, da die Steuerspannung für diese Transistoren 27, 31, 35 höher sein muß als die Versorgungsspannung. Der hierfür erforderliche Mehrauf­ wand ergibt sich aus einem Spannungshochsteller und einer Anpassungsschaltung an die Logik.

Der geschaltete Reluktanzmotor 1 dient erfindungsgemäß als Antriebsmotor im Kleinspannungsbereich bis 60 V für Kfz- Kühlerventilatoren, Kfz-Stellantriebe, Ölbrennerantriebe und ähnliche elektrisch anzutreibende Aggregate. Dieser SR-Motor wird erfindungsgemäß nun durch eine Leistungsendstufe 53 nach Fig. 3 wesentlich kostengünstiger. Hierbei ist jede Phasenwicklung 55, 57, 59 mit dem einen Ende 61, 63, 65 unmittelbar mit der positiven Klemme 67, einer Spannungsquelle 69 und mit dem anderen Ende 71, 73, 75 über je einen Schalttransistor 77, 79, 81 mit der negativen Klemme 83 der Gleichspannungsquelle 69 verbunden. Weiterhin ist zu jeder Phasenwicklung 55, 57, 59 eine als Freilauf-Halbleiterschalter dienende Freilaufdiode 85, 87, 89 parallel geschaltet angeordnet. Durch Wegfall der auf Hochpotential zu betreibende Leistungstransistoren nach Fig. 2 einschl. der Spannungshochsteller und der Anpassungsschaltungen an die Logik wird die Leistungsendstufe 53 nach Fig. 3 wesentlich kostengünstiger. Auch wird die Verlustleistung in der Leistungsendstufe 53 reduziert, da nur noch die Verlustleistung von den Transistoren 77, 79, 81 auftritt. Diese Schaltungsvariante hat allerdings den Nachteil, daß der Strom beim Abkommutieren, d. h. bei Abschalten der Motorspulen 55, 57, 59 langsamer abgebaut wird. Dadurch, daß der Strom noch eine Zeit weiterfließt, tritt im SR-Motor 1 ein Gegenmoment auf. Dieser Nachteil wird erfindungsgemäß durch eine vorgezogene Abkommutierung gelöst. Die Spulen 55, 57, 59 werden vorzeitiger abgeschaltet, was dem Schaubild gemäß Fig. 4 zu entnehmen ist. Der Strom, der nach dem Abschalten noch weiterfließt, erzeugt kein Gegenmoment mehr. Gemäß Fig. 4 ist die Fläche unter der Bestromungskurve kleiner geworden, d. h. es wird nicht die volle Leistung des Motors erbracht. Dieses wird erfindungsgemäß dadurch ausgeglichen, daß der Strom während der aktiven Kommutierung soweit erhöht wird, daß die Flächeninhalte wieder übereinstimmen.

Die Fig. 5 zeigt ein Blockschaltbild einer Ansteuerschaltungsanordnung 91 mit z. B. einem Mikroprozessor 93, welcher über Treibertransistoren 95, 97, 99 die Schalt­ elemente in den drei Phasenzweigen 101, 103, 105 der Leistungsendstufe 53 zum Antreiben des SR-Motors 1 beaufschlagt. Ein Rotorpositionsfühler 107 gibt Steuerimpulse über die augenblickliche Position des Rotors 11 über ein Zeitglied 109 an den Mikroprozessor 93 ab.

Claims (4)

1. Geschalteter Reluktanzmotor, insbesondere als Antriebsmotor im Klein­ spannungsbereich bis 60 V für Kfz-Kühlerventilatoren, Kfz-Stellantriebe, Ölbrennerantriebe und für ähnliche elektrisch anzutreibende Aggregate, der einen magnetischen Kreis mit einer oder mehreren Erregerwicklungen auf den Statorpolen sowie einen ferromagnetischen Rotor, einen Schaltkreis für jede Phasenwicklung und eine Ansteuerschaltungsanordnung aufweist, die in Abhängigkeit von der Stellung des Rotors, die Schalttransistoren steuert, dadurch gekennzeichnet, daß jede Phasenwicklung (55, 57, 59) mit dem einen Ende (61, 63, 65) unmittelbar mit der positiven Klemme (67) einer Gleich­ spannungsquelle (69) und mit dem anderen Ende (71, 73, 75) über je einen Schalttransistor (77, 79, 81) mit der negativen Klemme (83) der Gleichspannungs­ quelle (69,) verbunden ist, daß zu jeder Phasenwicklung (55, 57, 59) ein Freilauf- Halbleiterschalter parallel geschaltet angeordnet ist und daß die Schalttransistoren (77, 79, 81) über die Ansteuerschaltungsanordnung (91) derart steuerbar sind, daß der nach dem Abschalten der Wicklungen in einer Phase noch fließende Strom kein Gegenmoment im Motor (1) mehr auslöst.

2. Reluktanzmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Freilauf- Halbleiterschalter aus Freilauf-Dioden (85, 87, 89) bestehen.

3. Reluktanzmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerschaltungsanordnung (91) einen Mikroprozessor (93) enthält, welcher über Treibertransistoren (95, 97, 99) die Schaltelemente der Leistungsstufen (53) zum Antreiben des SR-Motors (1) beaufschlagt.

4. Verfahren zum Betreiben des Reluktanzmotors nach Anspruch 1, 2, oder 3 , wobei die Spulen zwecks einer zeitlich vorgezogenen Abkommutierung vorzeitig abgeschaltet werden, dadurch gekennzeichnet, daß der durch die vorzeitige Abkommutierung bedingte Abfall der Leistung des Motors (1) durch eine Erhöh­ ung des Stromes während der aktiven Kommutierung derart kompensiert wird, daß die Flächeninhalte der Stromzeitflächen unterhalb der Bestromungskurve gleich groß sind.