DE60007878T2 - Ansteuerung einer elektrischen reluktanz maschine - Google Patents

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Description

  • Diese Erfindung betrifft elektrische Maschinen und bezieht sich insbesondere, aber nicht ausschließlich, auf elektrische Motoren.
  • Es wird auch auf die anhängigen Anmeldungen des Anmelders Nummer PCT/GB00/--, PCT/GB00/-- und PCT/GB00/-- (M&C Referenzen P51192PC, P50874PC und P51248PC) Bezug genommen, deren Offenbarung hier durch Bezugnahme eingefügt wird.
  • 1a und 1b zeigen einen herkömmlichen zweiphasigen variablen Reluktanzmotor mit einem Stator 2, der zwei Paare 3, 4 von gegenüberliegend angeordneten, nach innen gerichteten Schenkelpolen aufweist, die mit zwei Paaren 5, 6 von Erregerwicklungen versehen sind, die den beiden Phasen entsprechen, und einem Rotor 7 mit einem einzigen Paar 8 von gegenüberliegend angeordneten, nach außen gerichteten Schenkelpolen ohne Wicklungen. Jede der vier Erregerwicklungen ist um ihren zugehörigen Pol gewickelt, wie durch die Symbole Y-Y bezeichnet, die zwei diametral gegenüberliegende Bereiche von jeder Wicklung von dem Wicklungspaar 6 angegeben, und die Symbole X-X bezeichnen zwei diametral gegenüberliegende Bereiche von jeder Wicklung von dem Wicklungspaar 5. Eine Erregungsschaltung (nicht gezeigt) ist vorgesehen, um den Rotor 7 in dem Stator 2 in Drehung zu versetzen, indem die Statorwicklungen synchron mit der Drehung des Rotors abwechselnd erregt werden, so dass ein Drehmoment durch die Neigung des Rotors 7 erzeugt wird, sich selbst in einer Position mit minimaler Reluktanz in dem Magnetfeld anzuordnen, das durch die Wicklungen erzeugt wird, wie nachfolgend in größerem Detail beschrieben wird. Ein solcher variabler Reluktanzmotor bietet den Vorteil gegenüber einem Motor mit einem herkömmlichen gewickelten Rotor, dass ein Kommutator und Bürsten, die sich abnutzende Teile sind, nicht erforderlich sind, um dem Rotor Strom zuzuführen. Außerdem gibt es weitere Vorteile, da an dem Rotor keine Leiter vorgesehen sind und keine teuren Permanentmagnete erforderlich sind.
  • Die Symbole + und – in 1a und 1b zeigen die Richtungen des Stromflusses in den Wicklungen in den beiden sich abwechselnden Erregungsbetriebsarten, in denen der Rotor 7 entweder in die horizontale Position oder in die vertikale Position angezogen wird, wie in den Figuren zu sehen ist. Es ist offensichtlich, dass die Drehung des Motors 7 eine abwechselnde Erregung der Wicklungspaare 5 und 6 erforderlich macht, wobei vorzugsweise lediglich ein Wicklungspaar 5 oder 6 zu einem Zeitpunkt erregt werden, und wobei der Strom normalerweise zu jedem Wicklungspaar 5 oder 6 in lediglich einer Richtung während dieser Erregung zugeführt wird. Jedoch können die Wicklungen lediglich für ein Maximum von der halben Zeit pro Umdrehung erregt werden, wenn ein praktisches Drehmoment erzeugt werden soll, so dass eine sehr effiziente Ausnutzung der elektrischen Schaltung mit einem solchen Motor nicht möglich ist.
  • Im Gegensatz weist ein vollständig geteilter (fully pitched) variabler Reluktanzmotor mit Fluss-Umschaltung (flux-switching), wie er von J.D. Wale und C. Pollock in "Novel Converter Topologies for a Two-Phase Switched Reluctance Motor with Fully Pitched Windings", IEEE Power Electronics Specialists Conference, Braveno, Juni 1996, Seiten 1798–1803 beschrieben und in 2a und 2b gezeigt (wobei die gleichen Bezugszeichen verwendet sind, um gleiche Teile wie in 1a und 1b zu bezeichnen) zwei Wicklungen 10 und 11 mit einer Teilung (pitch) auf, die dem Doppelten der Polteilung des Motors entspricht, d. h. 180° in dem dargestellten Beispiel, und mit 90° zueinander angeordnet sind. Die Wicklung 11 kann so gewickelt sein, dass ein Teil der Wicklung an einer Seite des Rotors 7 den Statorschlitz 12 ausfüllt, der zwischen benachbarten Polen von den Polpaaren 3, 4 gebildet ist, und ein anderer Teil der Wicklung 11 auf der diametral gegenüberliegenden Seite des Rotors 7 füllt einen Statorschlitz 13 aus, der zwischen zwei weiteren benachbarten Polen der Polpaare 3, 4 gebildet ist. Die Wicklung 10 hat entsprechende Teile, die diametral gegenüberliegende Statorschlitze 14 und 15 ausfüllen. Daher überspannen die beiden Wicklungen 10 und 11 die Breite des Motors, wobei die Achsen der Wicklungen 10, 11 im rechten Winkel zueinander angeordnet sind.
  • Außerdem sind zwei abwechselnde Erregungsbetriebsarten von einem solchen Motor, die den horizontalen und vertikalen Position des Rotors 7 entsprechend, in 2a und 2b gezeigt, aus denen offensichtlich ist, dass beide Wicklungen 10, 11 in beiden Erregungsbetriebsarten erregt werden, aber dass, wenn die Richtung des Stromflusses in der Wicklung 10 in beiden Betriebsarten die gleiche ist, sich die Richtung des Stromflusses in der Wicklung 11 zwischen den beiden Betriebsarten verändert. Da der Strom in beiden Betriebsarten den beiden Phasenwicklungen 10, 11 zugeführt wird, und da jede Wicklung 10 oder 11 die Hälfte des gesamten Statorschlitzgebietes belegt, kann ein solches System eine Ausnutzung von 100% von seinem Schlitzgebiet erreichen. Dies steht im Gegensatz zur 50% Ausnutzung, die mit dem herkömmlich gewickelten variablen Reluktanzmotor erreicht wird, der vorstehend beschrieben ist, bei dem lediglich eine Phasenwicklung zu einem Zeitpunkt erregt wird. Da außerdem kein Erfordernis besteht, dass sich die Richtung des Stroms in der Wicklung 10 verändert, kann die Wicklung 10, die als die Feldwicklung bezeichnet werden kann, mit Gleichstrom versorgt werden, und zwar ohne ein Umschalten, was zu einer Vereinfachung der verwendeten Erregungsschaltung führt. Jedoch muss die Wicklung 11, die als die Ankerwicklung bezeichnet werden kann, mit Strom erregt werden, der synchron zu der Rotorposition alterniert, um so die sich ändernde Orientierung von dem Statorfluss zu bestimmen, der erforderlich ist, um den Rotor abwechselnd in Richtung auf die horizontalen und vertikalen Positionen anzuziehen. Die Notwendigkeit, die Ankerwicklung in einem solchen Motor mit Wechselstrom zu speisen, kann dazu führen, dass die Erregungsschaltung sehr kompliziert und teuer wird.
  • Auch J.R. Surano und C-M Ong, "Variable Reluctance Motor Structures for Low-Speed Operation", IEEE Transactions on Industry Applications, Band 32, Nr. 2, März/April 1996, Seiten 808–815 und das UK-Patent Nr. 2 262 843 offenbaren vollständig geteilte (fully pitched) variable Reluktanzmotoren. Der in dem UK-Patent Nr. 2 262 843 offenbarte Motor ist ein dreiphasiger variabler Reluktanzmotor mit drei Wicklungen, die synchron zur Drehung des Rotors mit Strom gespeist werden müssen, so dass ein solcher Motor eine sehr komplizierte Erregungsschaltung erforderlich macht.
  • Die WO 98/05112 offenbart einen vollständig geteilten Motor mit Fluss-Umschaltung, der einen vierpoligen Stator 2 hat, der, wie schematisch in 3a dargestellt, mit einer Feldwicklung 10 und einer Ankerwicklung 11 versehen ist, von denen jede in zwei Spulen 22 und 23 oder 24 und 25 unterteilt ist, die eng gekoppelt (mit einer Kopplung, die im wesentlichen von der Rotorposition unabhängig ist) und so gewickelt sind, dass diametral gegenüberliegenden Bereiche von beiden Spulen in diametral gegenüberliegenden Statorschlitzen angeordnet sind. 3b zeigt ein generalisiertes Schaltungsdiagramm zum Erregen der Ankerspulen 24 und 25. Die Spulen 24 und 25 sind so mit der Schaltung verbunden, dass die Gleichstromzufuhr zu den Anschlüssen 26 und 27 durch die beiden Spulen 24 und 25 in der gleichen Richtung strömt, um so magnetomotorische Kräfte in entgegengesetzter Richtung als eine Folge der entgegengesetzten Wicklung der Spulen zu erzeugen. Schalter 28 und 29, die beispielsweise Feldeffekttransistoren oder Thyristoren umfassen können, sind mit den Spulen 24 und 25 in Reihe verbunden und werden abwechselnd geschaltet, um eine abwechselnde Erregung der Spulen 24 und 25 zu bewirken, um so die erforderlichen magnetomotorischen Kräfte zu erzeugen, die in entgegengesetzten Richtungen wirken. Es ist ein Vorteil von einer solchen Anordnung, dass die Ankerwicklung aus zwei eng miteinander gekoppelten Spulen hergestellt ist, die es ermöglichen, dass jede Spule lediglich in einer Richtung mit Strom gespeist werden kann, so dass eine relativ einfache Erregungsschaltung verwendet werden kann. Eine ähnliche Anordnung kann in einem elektrischen Wechselstromgenerator vorgesehen sein.
  • Die GB 18027 , datiert auf den 9. September 1901, offenbart eine variable Reluktanzmaschine mit Sätzen von Wicklungen an dem Stator, die abwechselnd gespeist werden, um so die erforderliche Interaktion mit dem Rotor zu bewirken. Außerdem offenbart die GB 554827 einen Induktanz-Wechselstromgenerator, bei dem die relative Anordnung von dem Stator und den Rotorzähnen aufeinanderfolgende Zonen mit relativ hoher und niedriger Reluktanz erzeugen, und bei dem Feld- und Wechselstromwicklungen an dem Stator vorgesehen sind, um die erforderlich Erregung zu bewirken. Jedoch besitzt keine dieser Anordnungen gemäß Stand der Technik das vorteilhafte Merkmal der eng gekoppelten Spulenanordnung der WO 98/05112 , so dass auch hier komplexe zugehörigen Schaltungen erforderlich sind.
  • Die Vereinfachungen in der Schaltung, die durch die WO 98/05112 offenbart werden, ermöglichen eine einfache und kostengünstige elektronische Steuerung für eine Maschine, aber reduzieren die Flexibilität der Maschine, um bei schneller Beschleunigung und Verzögerung gesteuert zu werden, und verschlechtern die Steuerung der Drehzahl unter Last. Es ist eine Aufgabe dieser Erfindung, eine elektrische Maschine zur Verfügung zu stellen, die eine einfache Steuerschaltung aufweist, aber auch eine hohe Leistungsfähigkeit erreichen kann.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine elektrische Maschine vorgesehen, mit einem Rotor ohne Wicklungen, einem Stator mit einer Wicklung, Schaltungsmitteln zum Steuern des Stroms in der Wicklung und Stellungsabtastmitteln zur Überwachung der Drehstellung des Rotors und zur Lieferung von Ausgangssignalen mit einer Rate abhängig von der Drehgeschwindigkeit des Rotors, gekennzeichnet durch Steuermittel zur Lieferung von Steuersignalen an die Schaltungsmittel, um den Strom in der Wicklung in Abhängigkeit von den Ausgangssignalen zu steuern, wobei die Steuermittel angeordnet sind, um während einer anfänglichen Anlaufzeitspanne eine Zeitverzögerung in die Erzeugung jedes Steuersignals einzufügen, verglichen mit der Erzeugung der Steuersignale über aufeinanderfolgende Drehzyklen während der Beschleunigung des Rotors, wobei während der anfänglichen Anlaufzeitspanne, die sich über zumindest einen Teil des ersten Drehzyklus des Rotors bei dessen Anlaufen aus dem Stillstand erstreckt, von den Stellungsabtastmitteln mehrere Ausgangssignale erzeugt werden.
  • In einem Ausführungsbeispiel ist der Stator mit Feldmagnetmitteln zu Erzeugen einer magnetomotorischen Kraft in einer Richtung versehen, die sich quer zu der magnetomotorischen Kraft erstreckt, die von der Wicklung erzeugt wird. Die Feldmagnetmittel können durch einen Shunt oder in Reihe geschaltete Feldwicklungen oder einen Permanentmagnet gebildet sein.
  • Eine solche Anordnung ist vorteilhaft, da sie gewährleistet, dass sich der Rotor nach dem Anlaufen in der geforderten Richtung dreht, und zwar unabhängig von der Anfangsstellung des Rotors relativ zu den Stellungsabtastmitteln. Bei Fehlen einer solchen Anordnung besteht die Gefahr, dass die Anlaufroutine ein Oszillieren des Rotors erzeugt, insbesondere dann, wenn das Stellungsabtastmittel dazu ausgestaltet ist, um eine fortschrittliche Angabe der Drehstellung des Rotors liefert, um den Betrieb mit hoher Drehzahl zu verbessern. Eine solche Anordnung kann unter Verwendung einer einfachen Ein/Aus-Steuerung der Schaltvorrichtungen realisiert werden, so dass die Steuerschaltung mit relativ geringen Kosten hergestellt werden kann.
  • Damit die Erfindung besser verstanden wird, wird nun anhand eines Beispiels auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen, in denen:
  • 1a und 1b beispielhafte Darstellungen sind, die einen herkömmlichen zweiphasigen variablen Reluktanzmotor zeigen, wobei zwei Erregungsbetriebsarten in 1a und 1b gezeigt sind;
  • 2a und 2b beispielhafte Darstellungen sind, die einen Motor mit Fluss-Umschaltung zeigen, wobei zwei Erregungsbetriebsarten in 2a und 2b gezeigt sind;
  • 3a und 3b beispielhafte Darstellungen sind, die die Statorwicklungen für einen zweiphasigen Motor mit Fluss-Umschaltung zeigen, wie er in der WO 98/05112 offenbart ist;
  • 4 eine Darstellung von einem Motor mit Fluss-Umschaltung ist, der einen achtpoligen Stator und einen vierpoligen Rotor aufweist;
  • 5a, 5b und 5c Schaltungsdiagramme sind, die Schaltungsanordnungen zum Erregen der Feld- und Ankerwicklungen von Ausführungsbeispielen der Erfindung zeigen;
  • 6a und 6b beispielhafte Diagramme sind, die das Phänomen einer Rotor-Oszillation beim Anlaufen zeigen;
  • 7a, 7b, 7c, 7d und 8a, 8b, 8c, 8d beispielhafte Diagramme sind, die Anlauf-Sequenzen bei einer Entwicklung der Erfindung zeigen, wenn der Rotor gerade über dem Sensorübergang geparkt ist, bzw. kurz nach dem Sensorübergang; und
  • 9 ein Zeit-Diagramm ist, das die Schaltsteuersignale zeigt, die beim Betrieb mit geringer Drehzahl zugeführt werden.
  • Die nachfolgende Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung erfolgt unter Bezugnahme auf einen Motor mit Fluss-Umschaltung, der einen Stator 2, der mit acht nach innen gerichteten Schenkelpolen 30 versehen ist, und einen Rotor 7 mit vier nach außen gerichteten Schenkelpolen 31 ohne Wicklungen aufweist, wie in 4 gezeigt. Der Stator 2 ist mit einer Feldwicklung 10 und einer Ankerwicklung 11 versehen, die in einer Shunt- bzw. Parallel-Konfiguration (wie in 5a gezeigt) oder in einer Reihen-Konfiguration geschaltet sind (wie in 5c gezeigt). Die Ankerwicklung 11 kann zwei Ankerwicklungsteile A1 und A2 aufweisen, die in Reihe oder parallel geschaltet sind, und die Feldwicklung 10 kann zwei Feldwicklungsteile F1 und F2 aufweisen, die in Reihe oder parallel geschaltet sind, wobei die Wicklungsteile an dem Stator 2 gewickelt sind, wie in dem Stator in 4 gezeigt.
  • Jedes Ankerwicklungsteil ist in zwei Spulen 24 und 25 unterteilt, die magnetisch eng gekoppelt und so gewickelt sind, dass diametral gegenüberliegende Bereiche der Spulen in Statorschlitzen angeordnet sind, die durch einen Feldwicklungsschlitz getrennt sind. Die Ankerspulen 24 und 25 sind in entgegengesetzten Richtungen gewickelt und können bifilar gewickelt sein, falls erforderlich. Jedoch ist die Wicklungskonfiguration vorzugsweise im wesentlichen so, wie unter Bezugnahme auf 6 in der WO 98/05112 beschrieben ist, so dass jede der Anker- und Feldwicklungen vier Spulen A1, A2, A3, A4 und F1, F2, F3, F4 aufweist, die in Reihe oder parallel miteinander verbunden sind (oder in einer Kombination einer Reihen- und Parallelschaltung) und um die Statorpole so gewickelt sind, dass die aktiven Bereiche von benachbarten Spulen in dem gleichen Statorschlitz aufgenommen sind. Die Wicklungskonfiguration in diesem Fall ist in 4 durch die Symbole gezeigt, die in der Figur außerhalb des Stators angegeben sind. In 4 zeigen die Symbole + und – die Richtungen des Stromflusses in den Wicklungen in einer Erregungsbetriebsart, und es soll verstanden werden, dass in der abwechselnden Erregungsbetriebsart die Richtung des Stromflusses in den Ankerwicklungen umgekehrt ist, wohingegen die Richtung des Stromflusses in den Feldwicklungen unverändert ist.
  • In der Erregungsschaltung 40 des Ausführungsbeispiels in 5a ist die Feldwicklung 10 parallel zu den Ankerspulen 24 und 25 sowie einem Kondensator 57 geschaltet, der es ermöglicht, dass die Ströme durch die Feldwicklung 10 und die Ankerspulen 24 und 25 unterschiedlich sind. Die Schaltung wird von einer Wechselstromquelle über eine Gleichrichterbrücke 59 gespeist. Ein Leistungs-MOSFET 54 und eine Freilaufdiode 56 sind vorgesehen, um den Feldstrom zu steuern, der der Feldwicklung 10 zugeführt wird.
  • Die Erregungsschaltung 40' des Reihen-Ausführungsbeispiels aus 5c ist die Feldwicklung 10 in Reihe mit den Ankerspulen 24, 25 verbunden, und ein Kondensator 57 ist mit dem Verbindungspunkt 57A zwischen der Feldwicklung 10 und den Ankerspulen 24, 25 verbunden, um so zu ermöglichen, dass der Feldstrom weiterströmt, wenn die Energie von der Ankerwicklung durch eine der Dioden 52 oder 53 zurück zu dem Kondensator 57 geführt wird. Ein weiterer Kondensator 58 ist über dem Ausgang der Gleichrichterbrücke 59 geschaltet, und ein optionaler Induktor 60 ist in Reihe mit dem Ausgang der Gleichrichterbrücke 59 verbunden, um so die Zufuhr zu der Schaltung zu filtern. Wie in gestrichelten Linien gezeigt ist, ist es ebenfalls möglich, eine Diode 61 in Reihe mit der Feldwicklung 10 vorzusehen, um zu verhindern, dass sich der Strom in der Feldwicklung 10 umkehrt, wenn der Kondensator 57 auf eine Spannung über die Speisespannung am Kondensator 58 aufgeladen wird. In einer weiteren, nicht dargestellten Anordnung, wie in 14 der WO 98/05112 gezeigt, kann die Feldwicklung 10 beispielsweise mit einem Strom von einer separaten Stromquelle gespeist werden.
  • In jedem dieser Ausführungsbeispiele ist eine Schaltsteuerschaltung vorgesehen, um den Strom abwechselnd zu den Ankerspulen 24 und 25 zu leiten, um so die erforderlichen magnetomotorischen Kräfte zu erzeugen, die in entgegengesetzten Richtungen wirken, um den Rotor in Drehung zu versetzen. In diesem Fall weist die Schaltsteuerschaltung zwei Leistungs-MOSFETs 50 und 51 auf, die durch geeignete Schaltimpulse abwechselnd ein- und ausgeschaltet werden. Jeder MOSFET 50 oder 51 enthält eine integrierte Freilaufdiode 52 bzw. 53, so dass dann, wenn jeder MOSFET ausgeschaltet wird, die gespeicherte magnetische Energie in der zugehörigen Spule mit der anderen Spule gekoppelt wird und durch die Freilaufdiode von dem anderen MOSFET zurückströmt. Außerdem können die Enden der Ankerspulen 24 und 25 über Dioden 63 und 64 mit einem Snubber-Kondensator 65 verbunden sein, der sich auf eine Spannung über der Speisespannung auflädt. Der Snubber-Kondensator 65 wird durch den parallelen Widerstand 66 entladen, um so die in dem Snubber-Kondensator 65 gespeicherte Energie aus einem nichtperfekten Schaltvorgang abzugeben. Der Snubber-Kondensator 65 ist vorgesehen, um Energie zu speichern, die nicht zu der anderen Ankerspule übertragen wird, wenn eine der Ankerspulen durch ihre zugehörige Schaltvorrichtung abgeschaltet wird.
  • Die zusätzliche Snubber-Schaltung, die durch die Komponenten 63, 64, 65 und 66 gebildet ist, ist insbesondere dann wichtig, wenn bipolare Transistoren mit isoliertem Gate (IGBT) als die Schaltvorrichtungen verwendet werden. IGBTs können leicht durch Überspannungen der Vorrichtung beschädigt werden, und die Snubber-Schaltung wird verwendet, um die Spannungen aufzunehmen, die in der Schaltung auftreten, und zwar bis zu einem Pegel, der kleiner ist als das Spannungsrating der IGBTs. Wenn MOSFETs verwendet werden, wie in 5a, kann die Snubber-Schaltung weggelassen werden, wenn die MOSFETs so gewählt sind, um eine inhärente Klemmenspannung vorzusehen, wenn sie über ihrer Nennspannung in einen Durchbruchmodus (Avalanche-Modus) übergehen. In diesem Durchbruchmodus wird die nicht-gekoppelte magnetische Energie absorbiert, die mit dem nicht-perfekten Koppeln der Ankerwicklungen mit den MOSFETs in Beziehung steht. Vorausgesetzt, dass eine geeignete Hitzeableitung verfügbar ist, erleiden die MOSFETs keine Beschädigungen durch diesen Prozess, und die Komplexität und die Kosten der Snubber-Schaltung sind daher nicht erforderlich.
  • Beim anfänglichen Anlaufen des Motors ist es erforderlich, die Feld- und Ankerströme so zu steuern, um die gewünschte Beschleunigung zu erreichen. Wie vorstehend angegeben, besteht die Basis aller Steueroperationen, um den Rotor in Drehung zu versetzen, darin, dass der unidirektionale Strom der Feldwicklung im wesentlichen kontinuierlich zugeführt wird und dass die alternierenden Stromimpulse den beiden Ankerspulen so zugeführt werden, dass die Strompulse synchron zur Stellung des Rotors sind. In dem in 4 gezeigten Motor mit acht Statorpolen und vier Rotorpolen beinhaltet ein Zyklus einer Ankererregung ein positives Anker-MMF, gefolgt von einem negativen MMF, das sich alle 90° der Rotordrehung wiederholt. Als eine Folge ist es üblich, einen Rotorstellungssensor zu verwenden, um die Schaltübergangspunkte in jedem Ankerzyklus zu steuern. In seiner einfachsten Form kann der Rotorstellungs sensor ein optischer Sensor sein, der seine Polarität alle 45° der Drehung des Rotors verändert, getriggert durch die Unterbrechung oder Reflexion von einem Infrarotstrahl durch den Rotor oder durch eine Scheibe, die an dem Rotor montiert ist. Eine andere übliche Einrichtung zur Stellungserfassung kann die Verwendung von einem Hall-Effekt-Sensor sein, um Nord- und Südpole an einem magnetischen Ring zu erfassen, der an dem Rotor angebracht ist.
  • Beim Betrieb mit geringer Drehzahl kann die Zuführung der vollen Versorgungsspannung beim Einschalten von einem der Ankerschalter für die gesamten 45° der Drehung einen übermäßigen Ankerstrom erzeugen. Der Strom kann durch Pulsbreitenmodulation eines geeigneten Ankerschalters gesteuert werden. In einem Shunt-Motor kann außerdem eine Pulsbreitenmodulation des Schalters vorteilhaft sein, der den Feldwicklungsstrom steuert, so dass der Pegel des Feldstroms gleichzeitig mit dem Ankerstrom gesteuert wird. Das Signal von dem Rotorstellungssensor wird normalerweise durch einen einzigen Microcontroller 32 verarbeitet, wie in 5b gezeigt, der die Gates der Schalter 50, 51 (und 54, falls vorhanden) durch Gate-Steuerschaltungen 33 steuert. Der Microcontroller 32 dekodiert das alternierende Signal von dem Stellungssensor, um zu entscheiden, welcher der Schalter 50 und 51 zu irgendeinem Zeitpunkt leitend sein soll und dass möglicherweise kein Schalter leitend sein soll. (Beim normalen Betrieb des Motors ist es nicht erforderlich, dass beide Schalter 50 oder 51 zum gleichen Zeitpunkt leitend sind.) Der Microcontroller 32 bestimmt außerdem die Funktion des Schalters 54 (falls vorhanden), der den Feldstrom steuert.
  • Die Position der Ankerstromimpulse und somit des Rotorstellungssensors relativ zu den aktuellen Rotorblechen ist kritisch, um von dem Motor die beste Leistungsfähigkeit zu erhalten. Für ein maximales Drehmoment muss das Anker-MMF mit positiver Polarität bei oder kurz bevor die induzierte Ankerspannung (wegen der Veränderungsrate von dem Feldfluss, der die Ankerwicklung koppelt) positiv wird, eingeleitet werden, d. h., die intern induzierte Ankerspannung (Rück-EMF) befindet sich entgegengesetzt zu dem zugeführten Ankerstrom. Da die Ankerwicklung induktiv ist, benötigt der Strom Zeit zum Wechseln, wodurch eine Verzögerung des Aufbaus des Stroms relativ zur Initialisierung des Steuersignals zu dem entsprechenden Ankerschalter bewirkt wird. Bei geringen Drehzahlungen entspricht diese Zeit keinem signifikanten Rotationswinkel, aber bei hohen Drehzahlen kann diese Verzögerung zu einem signifikanten Verlust der Ausgangsleistung führen. Es gibt zwei Möglichkeiten, wie dieses Problem gelöst werden kann.
  • Der Rotorstellungssensor kann so angeordnet sein, dass die Übergänge nahe dem Nulldurchgang der Rück-EMF stattfinden. Bei Betrieb mit hoher Drehzahl kann der Microcontroller die gemessene Drehzahl verwenden, um die Sensorübergänge anzupassen und um einen Ankerimpuls vor dem Sensorübergang zu erzeugen. Ein derartiges elektronisches Vorlauf-Schema ist als solches bekannt. Da jedoch die Zeit zwischen Sensorübergängen bei sehr hohen Drehzahlen kurz sein kann, kann die Genauigkeit, die mit einem solchen Schema erreicht werden kann, nachlassen, wenn nicht ein teurer Microcontroller verwendet wird. Ein solches Schema ist außerdem bei der Vorhersage des vorgezogenen Einschaltpunkts ungenau, wenn bezüglich der Drehzahl starke Veränderungen vorherrschen.
  • Alternativ kann der Rotorstellungssensor mechanisch positioniert werden, und zwar vor dem Nulldurchgang der durch den Anker induzierten Spannung, so dass bei hoher Drehzahl die Übergänge des Sensors korrekt positioniert sind, um zu gewährleisten, dass der Strom die Zeit hat, um sich in jeder Ankerwicklung aufzubauen, ohne dass irgendeine komplizierte Steuerung erforderlich ist, und dadurch wird ermöglicht, dass ein einfacher und preiswerter Microcontroller verwendet werden kann. Jedoch hat auch dieses Schema den Nachteil, dass bei Positionssensors ist es daher bei geringen Drehzahlen erforderlich, die Reaktion auf den Sensorübergang zu verzögern, bis sich der Rotor durch einen weiteren Winkel gedreht hat, der äquivalent zu dem Winkel der mechanischen Vorverlagerung ist. Bei einer Implementierung dieser Anordnung wurde herausgefunden, dass eine mechanische Vorverlagerung des Stellungssensors von 11° bei hohen Drehzahlen von Vorteil ist (relativ zu 45°-Abschnitten von "high" und 45°-Abschnitten von "low"). Da dies etwa ein Viertel der Zeit zwischen den Sensorübergängen ist, ist es relativ leicht, in einem relativ preiswerten digitalen Microcontroller eine Zeitverzögerung von einem Viertel der gesamt gemessenen Zeit zu implementieren. Die Steuersignale, die bei einer solchen Anordnung erhalten werden, sind in 9 gezeigt, in der die Stellungssensor-Ausgangssignale bei a) gezeigt sind, die Schaltsteuersignale für einen Ankerschalter bei b) gezeigt sind, verzögert um eine Zeitperiode D, das Anker-MMF bei c) gezeigt ist und der Feldstrom bei d) gezeigt ist.
  • Die beiden obigen Lösungen des Verfahrens der mechanischen Vorverlagerung des Stellungssensors ermöglichen es, dass ein einfacherer Microcontroller verwendet werden kann, was aus diesem Grunde bevorzugt ist. Bei einigen Anwendungen ist jedoch eine Weiterentwicklung erforderlich, um eine Drehung des Rotors in der korrekten Richtung einzuleiten. Dies ist der Fall, da der vorverlagerte Stellungssensor zeitweise nicht-korrekte Informationen abgibt, auf Basis derer die Ankerspule erregt wird, um die korrekte Richtung des Drehmoments zu erreichen.
  • Eine Erläuterung dieses Phänomens erfolgt nun unter Bezugnahme auf die 6a und 6b, die sich auf ein Beispiel beziehen, in dem eine gewünschte Drehung in Gegenuhrzeigerrichtung des Rotors erreicht werden soll, wobei die Stellungssensorachse 36 bei 11° über der neutralen Achse 35 angeordnet ist (d. h. der Punkt, bei dem die induzierte Ankerspannung Null ist). Zuerst ist die Ausgabe des Sensors gering, und die erste Ankerspule wird erst erregt, wenn die Ausgabe von dem Sensor dabei ist, auf "high" zu gehen, wie in
  • 6a gezeigt, um so ein positives Drehmoment 38 zu erzeugen, um den Rotor in Richtung auf die neutrale Achse 35 in der gewünschten Richtung 37 zu ziehen. Sobald die Ausgabe des Sensors auf "high" gegangen ist, wird die erste Ankerspule nicht mehr erregt, und die zweite Ankerspule wird erregt. Als Folge der Tatsache, dass sich der Rotor langsam bewegt, erreicht der Rotor nicht die neutrale Achse 35, und die Veränderung bei der Ankererregung erzeugt ein negatives Drehmoment 39, durch das der Rotor durch die Sensorachse 36 zurückgezogen wird, wie in 6b gezeigt. Es ist daher offensichtlich, dass daraus eine Oszillation des Rotors resultiert, und der Microcontroller kann nicht so leicht zwischen solchen Oszillationen und dem Betrieb des Motors bei einer normalen Drehzahl unterscheiden. Mit einer Last mit einer relativ hohen Trägheit wurden typische Oszillationsfrequenzen von 50–60 Hz aufgezeichnet. Es erscheint dem Microcontroller identisch zu dem normalen Motorbetrieb bei Drehzahlen zwischen 750 und 900 Umdrehungen pro Minute.
  • Die Lösung des Problems beim Anlaufen, dass erkannt worden ist, besteht darin, eine Zeitverzögerung zu den ersten wenigen Stellungssensorkanten hinzuzufügen, um die Umkehr der Erregung zu verzögern. Dies ist in 7a, 7b, 7c, 7d und 8a, 8b, 8c, 8d für zwei Startzustände gezeigt, nämlich das Starten, wenn der Rotor gerade über dem Sensorübergang geparkt ist, und das Starten, wenn der Rotor kurz hinter dem Sensorübergang geparkt ist. Es wird zuerst auf das erste Starten Bezug genommen, wenn der Rotor gerade über dem Sensorübergang geparkt ist, wobei, wie schon zuvor, die Ausgabe von dem Sensor zuerst "low" ist und die erste Ankerspule erst erregt wird, wenn die Ausgabe des Sensors dabei ist, auf "high" zu gehen, um ein positives Drehmoment 38 zu erzeugen, um den Rotor in Richtung auf die neutrale Achse 35 in der gewünschten Richtung 37 zu ziehen, wie in 7a gezeigt. Wenn jedoch die Ausgabe von dem Sensor auf "high" gegangen ist, dann wird die Erregung der ersten Ankerspule für 15 ms fortgesetzt, wonach die erste Ankerspule nicht mehr erregt und die zweite Ankerspule erregt wird. Als ein Ergebnis wird die Drehung des Rotors in Richtung auf die neutrale Achse 35 durch das positive Drehmoment 38 fortgesetzt, wie in 7b gezeigt, bis die Veränderung bezüglich der Ankererregung am Ende der Zeitverzögerung durchgeführt wird, wenn sich der Rotor hinter der neutralen Achse 35 befindet, wie in 7c gezeigt. Die Erregung der zweiten Ankerspule erzeugt dann ein positives Drehmoment 38, wodurch der Rotor in der korrekten Richtung weitergedreht wird, wie in 7d gezeigt ist.
  • Es wird nun auf das Starten Bezug genommen, wenn der Rotor kurz hinter dem Sensorübergang geparkt ist, wobei in diesem Fall der so Rotor geparkt ist, dass der Sensor auf "high" steht und die zweite Ankerspule erregt wird, um so ein negatives Drehmoment 39 zu erzeugen, durch welches der Rotor in Uhrzeigerrichtung 37 gedreht wird, wie in 8a gezeigt. Außerdem, auch wenn die Ausgabe von dem Sensor auf "low" geht, wird die Erregung der zweiten Ankerspule für 15 ms fortgesetzt, wonach die zweite Ankerspule nicht mehr erregt und die erste Ankerspule erregt wird. Als eine Folge wird die Drehung des Rotors in der Richtung 37 durch das negative Drehmoment 39 fortgesetzt, wie in 8b gezeigt. Nach dieser Zeitverzögerung wird die Veränderung bezüglich der Ankererregung bewirkt, wenn sich der Rotor deutlich außerhalb der Gefahrenzone befindet, wie in 8c gezeigt. Die Erregung der ersten Ankerspule erzeugt dann ein positives Drehmoment 38, durch das der Rotor in der korrekten Richtung zu einer Position nahe an oder hinter die neutrale Achse 35 bewegt wird, bevor die Erregung umgekehrt wird, wie in 8d gezeigt.
  • Nach umfangreichen Testläufen mit einem Motor, der mit einer Last mit großer Trägheit verbunden war, wurde herausgefunden, dass die Zeitverzögerung D einige Millisekunden betragen muss und etwa 15 Millisekunden betragen kann, um ein Starten ohne Oszillation zu gewährleisten. Diese Zeitverzögerung wird bei den ersten drei Übergängen des Stellungssensors angewendet. Es ist jedoch offensichtlich, dass die Zeitverzögerung D mit dem Motor und der Trägheit der Last sowie mit dem Pegel der Erregung in Beziehung steht, und sie sollte daher ausgewählt werden, um an die bestimmte Anwendung angepasst zu sein. Nach dem vierten Übergang des Rotorstellungssensors ist bekannt, dass die Drehung des Motors in der korrekten Richtung erfolgt, und eine normale Beschleunigungsroutine kann angepasst werden, wie in der anhängigen Anmeldung Nr. PCT/GB00/-- (M&C Ref. P51192PC) beschrieben. Bei dem vierten Stellungssensorübergang verwendet die Routine einen berechneten Wert für die Ankererregungszeitverzögerung, der ausreichend ist, um dem Ausmaß der mechanischen Vorverlagerung des Sensorübergangs relativ zu der neutralen Achse entgegenzuwirken. Die Routine beginnt außerdem, einen Wert für den Betriebszyklus der Pulsbreitenmodulation (PWM) zu berechnen, der für jede nachfolgende Ankererregung verwendet werden kann. Der Wert des PWM-Betriebszyklus wird aus der Länge des vorhergehenden "high" des Stellungssensors bei der PWM-Schaltfrequenz von etwa 5 kHz berechnet. Dieses Verfahren ist vollständig in der anhängigen Anmeldung Nr. PCT/GB00/-(M&C Ref. P51192PC) beschrieben.
  • Der PWM-Betriebszyklus wird dann progressiv erhöht, wenn der Motor beschleunigt, um den Motorstrom und die Snubber-Spannung zu begrenzen. Bei geringen Drehzahlen tendiert das PWM-Betriebsverhältnis dazu, durch die Snubber-Spannung begrenzt zu werden, wohingegen bei mittleren und hohen Drehzahlen das Verhältnis mehr durch den Spitzenankerstrom begrenzt wird. Die Feldspannung wird mit dem gleichen Verhältnis wie die Ankerspannung für die ersten vier Sensorübergänge geschaltet, aber danach wird das Feld kontinuierlich mit 100% Spannung erregt. Wenn die Sensorfrequenz etwa 500 Hz erreicht, dann erreicht der Betriebszyklus der PWM-Rampe 100%, und danach wird eine Drehzahlsteuerung durch die Länge der Anker-Ein-Zeit während jedes Sensorzyklus erreicht.
  • In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung, das eine Reihen-Version des Motors mit Fluss-Umschaltung verwendet, wird eine erste Ankerwicklung nach dem ersten Sensorübergang nach dem Anlaufen nicht erregt, aber die zweite Ankerwicklung wird bis zum Ende der Verzögerungszeit nicht erregt, die wie vorstehend für den Shunt-Motor bestimmt wird, aber die für eine typische Last mehrere Millisekunden oder sogar bis zu 20 Millisekunden betragen kann. Dieses Ausführungsbeispiel steht im Gegensatz zu der bevorzugten Shunt-Motor-Implementierung, bei der die Erregung der ersten Ankerwicklung bis zum Ende der Verzögerungszeit fortgesetzt wird.
  • Obwohl die obigen Anlauf-Verfahren als die bevorzugten Ausführungsbeispiele für jeden der Shunt- oder Reihengeschalteten Motoren betrachtet werden, sollte offensichtlich sein, dass jede Version des Motors erfolgreich mit jedem Verfahren gestartet werden kann.
  • Die Anlauf-Verfahren sind auch bei geschaltete Reluktanzmotoren des Typs anwendbar, der in 1a und 1b gezeigt ist, oder bei Permanentmagnet-Synchronmotoren (bürstenlose Gleichstrommotoren). Es ist normal, dass der Rotorstellungssensor in einem solchen Motor mechanisch vor dem Punkt angeordnet ist, an dem das Drehmoment seine Polarität ändert, so dass der Strom einfach erreicht werden kann, wenn der Motor mit hoher Drehzahl läuft. Bei einer Last mit hohem Drehmoment ist es ebenfalls möglich, dass beim Starten Oszillationen des Rotors auftreten, wenn das vorgeschlagene Anlauf-Verfahren nicht angewendet wird.
  • Es ist offensichtlich, dass, obwohl Leistungs-MOSFETs in der Erregungsschaltung der 5a und 5c verwendet werden, es ebenfalls möglich ist, andere Typen von Schaltern in der Schaltung zu verwenden, wie beispielsweise Thyristoren oder IGBTs (bipolare Transistoren mit isoliertem Gate).

Claims (18)

  1. Elektrische Maschine mit einem Rotor (7) ohne Wicklungen, einem Stator (2) mit einer Wicklung (11), Schaltungsmitteln (40) zum Steuern des Stroms in der Wicklung (11) und Stellungsabtastmitteln zur Überwachung der Drehstellung des Rotors und zur Lieferung von Ausgangssignalen mit einer Rate abhängig von der Drehgeschwindigkeit des Rotors, gekennzeichnet durch Steuermittel (32) zur Lieferung von Steuersignalen an die Schaltungsmittel (40), um den Strom in der Wicklung (11) in Abhängigkeit von den Ausgangssignalen zu steuern, wobei die Steuermittel (32) angeordnet sind, um während einer anfänglichen Anlaufzeitspanne eine Zeitverzögerung in die Erzeugung jedes Steuersignals einzufügen, verglichen mit der Erzeugung der Steuersignale über aufeinanderfolgende Drehzyklen während der Beschleunigung des Rotors, wobei während der anfänglichen Anlaufzeitspanne, die sich über zumindest einen Teil des ersten Drehzyklus des Rotors bei dessen Anlaufen aus dem Stillstand erstreckt, von den Stellungsabtastmitteln mehrere Ausgangssignale erzeugt werden.
  2. Maschine nach Anspruch 1, bei der Stellungsabtastmittel zur Überwachung der Drehstellung des Rotors bezüglich der Zeit vorgesehen sind, um ein eine Anzeige für die Drehgeschwindigkeit des Rotors darstellendes Ausgangssignal zu liefern.
  3. Maschine nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Stellungsabtastmittel zur Lieferung von Ausgangssignalen angepasst sind, die eine Vorabanzeige der Drehstellung des Rotors bezüglich der Zeit liefern.
  4. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Steuermittel angeordnet sind, um jedes Steuersignal in Abhängigkeit von der Erfassung eines entsprechenden der Ausgangssignale der Stellungsabtastmittel zu erzeugen, wobei jedes Steuersignal für eine Zeitspanne beibehalten wird, die durch die Dauer des Ausgangssignals bestimmt ist.
  5. Maschine nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, bei der die Wicklung eine Ankerwicklung (11) ist und der Stator auch Feldmagnetmittel (10) zur Erzeugung einer magnetomotorischen Kraft in einer Richtung aufweist, die sich quer zur magnetomotorischen Kraft erstreckt, die von der Ankerwicklung erzeugt wird, wobei die Schaltungsmittel (40) den Strom in der Ankerwicklung (11) so steuern, dass die Perioden, in denen eine magnetomotorische Kraft in einer Richtung einem ersten Stromimpuls zugeordnet ist, mit Perioden wechseln, in denen eine magnetomotorische Kraft in entgegengesetzter Richtung einem zweiten Stromimpuls zugeordnet ist.
  6. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Ankerwicklung (11) Ankerspulen (24, 25) aufweist, die so mit den Schaltungsmitteln (40) verbunden sind, dass sich der Strom in den Spulen (24, 25) synchron mit der Drehung des Rotors gesteuert von den Steuermitteln (32) derart ändert, dass Perioden, in denen die magnetomotorische Kraft in einer Richtung dem Stromfluss in einer der Spulen (24) zugeordnet ist, mit Perioden abwechseln, in denen die magnetomotorische Kraft in entgegengesetzter Richtung dem Stromfluss in der anderen Spule (25) zugeordnet ist.
  7. Maschine nach Anspruch 6, bei der die Spulen (24, 25) magnetisch eng gekoppelt sind.
  8. Maschine nach Anspruch 6 oder 7, bei der die Schaltungsmittel (40) entsprechende Schaltmittel (50, 51) aufweisen, um gesteuert von den Steuermitteln (32) abwechselnd erste Stromimpulse in einer der Ankerwicklungen (24) und zweite Stromimpulse in der anderen Ankerwicklung (25) zu leiten.
  9. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Feldmagnetmittel eine Feldwicklung (10) aufweisen, die auf den Stator (2) gewickelt ist und durch die Schaltungsmittel (40) mit im Wesentlichen in einer Richtung fließendem Strom versorgt wird.
  10. Maschine nach Anspruch 9, bei der die Feldwicklung (10) parallel zur Ankerwicklung (11) angeschlossen ist.
  11. Maschine nach Anspruch 9, bei der die Feldwicklung (10) in Reihe mit der Ankerwicklung (11) geschaltet ist.
  12. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Steuermittel (32) so angeordnet sind, dass sie in einem Niedriggeschwindigkeitsbetrieb pulsbreitenmodulierte Steuersignale erzeugen, die einen Betriebszyklus haben, der sich mit Vergrößerung der Rotorgeschwindigkeit vergrößert, um den Strom in der Ankerwicklung (11) zu steuern, wenn der Rotor mit verhältnismäßig niedriger Geschwindigkeit dreht.
  13. Maschine nach Anspruch 12, bei der die Steuermittel (32) so angeordnet sind, dass sie im Niedriggeschwindigkeitsbetrieb pulsbreitenmodulierte Steuersignale erzeugen, um den Strom in der Feldwicklung (10) zu steuern.
  14. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Stellungsabtastmittel ein Sensor zur Lieferung eines elektrischen Ausgangssignals in Abhängigkeit von der Erkennung von Markierungen am Rotor sind.
  15. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Stellungsabtastmittel ein Sensor zur Feststellung der Veränderung eines Parameters der Ankerwicklung (11) oder der Feldmagnetmittel (10) oder eine gesonderte, am Stator vorgesehene Sensorwicklung sind.
  16. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 15, die ein Flussschaltmotor ist.
  17. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 15, die ein geschalteter Reluktanzmotor ist.
  18. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 15, die ein Permanentmagnet-Synchronmotor ist.
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