DE68914642T2

DE68914642T2 - Geschalteter Reluktanzmotor und Betriebsverfahren.

Info

Publication number: DE68914642T2
Application number: DE68914642T
Authority: DE
Inventors: Gary Edward Horst
Original assignee: Emerson Electric Co
Current assignee: Emerson Electric Co
Priority date: 1989-02-14
Filing date: 1989-10-05
Publication date: 1994-07-21
Anticipated expiration: 2009-10-06
Also published as: US4942345A; DE68914642D1; AU4297589A; JPH02237493A; BR8905238A; AU615112B2; JP2799604B2; EP0387467B1; EP0387467A3; EP0387467A2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf geschaltete Reluktanzmotoren und mehr insbesondere auf Motoren dieser Art, die zum Betrieb mit verschiedenen Drehzahlen ausgelegt sind.
Geschaltete Reluktanzmotoren haben in den vergangenen zehn bis fünfzehn Jahren beträchtliche Aufmerksamkeit auf sich gezogen, und zwar hauptsächlich wegen der Einfachheit ihres Aufbaus und wegen der hohen Leistungsdichten (Verhältnis zwischen Ausgangsleistung und Gewicht). Diese Motoren sind zweifache Schenkelpolmotoren, die Zähne sowohl auf dem Ständer als auch auf dem Läufer haben und bei denen Phasenwicklungen nur auf den Ständerpolen vorgesehen sind (EP-A-0 276 625).
Mit Ausnahme von sehr kleinen Motoren (unter 50 Watt) sind die meisten geschalteten Reluktanzmotoren dafür ausgelegt, unter 2000 U/min zu arbeiten, weil die Eisenverluste in geschalteten Reluktanzmotoren mehrinals größer als in herkömmlichen Maschinen derselben Größe sind. Aus diesem Grund sind nach nerkömmlichem Wissensstand geschaltete Reluktanzmotoren am besten für Niederdrehzahlzwecke geeignet. Selbstverständlich müssen Motoren in gewissen Fällen (z.B. als Waschmaschinenmotoren) mit viel höheren Drehzahlen arbeiten.
Bislang haben geschaltete Reluktanzmotoren, die über einem breiten Drehzahlbereich arbeiten, verschiedene Nachteile gehabt. Der Leistungsfaktor von solchen Motoren war im allgemeinen schlecht. Diese Faktoren haben bislang geschaltete Reluktanzmotoren zu einer unerwünschten Wahl für den Betrieb über einem breiten Drehzahlbereich gemacht.
Unter den Zielen und Merkmalen der vorliegenden Erfindung kann die Schaffung eines geschalteten Reluktanzmotors erwähnt werden, der zu einem Betrieb mit hoher Drehzahl bei akzeptablen Eisenverlusten in der Lage ist.
Ein zweites Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines derartigen Motors mit reduziertem Strombedarf im Niederdrehzahlbetrieb.
Ein drittes Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines derartigen Motors mit reduzierter Größe.
Ein viertes Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines derartigen Motors mit verbessertem Drehzahlbereich.
Andere Ziele und Merkmale liegen zum Teil auf der Hand und sind zum Teil im folgenden im einzelnen angegeben.
Ein geschalteter Reluktanzmotor n&ch der vorliegenden Erfindung hat, kurz gesagt, einen Ständer mit mehreren ausgeprägten Ständerpolen, die um eirne zentrale Bohrung angeordnet sind, und einen Läufer, der in der zentralen Bohrung des Ständers drehbar angeordnet ist, wobei der Läufer ebenfalls mehrere ausgeprägte Pole hat. Die ausgeprägten Ständerpole sind auf wenIgstens drei Phasen aufgeteilt, wobei jeder Phase separate, unabhängig schaltbare Phasenwicklungen zugeordnet sind, die um die Ständerpole aieser Phase gewickelt sind. Eine erste Schalteinrichtung steuert die Zufuhr von Strom zu den Wicklungen der ersten Phase, eine zweite Schalteinrichtung steuert die Zufuhr von Strom zu den Wicklungen der zweiten Phase, und eine dritte Schalteinrichtung steuert die Zufuhr von Strom zu den Wicklungen der dritten Phase. Eine Steuereinrichtung steuert den Betrieb der ersten, zweiten und dritten Schalteinrichtung. Gemäß der Erfindung steuert die Steuereinrichtung während des Niederdrehzahlbetriebes jeweils die erste, zweite und dritte Schalteinrichtung, um den entsprechenden Phasenwicklungen ab einem ausgewählten Einschaltwinkel bis zu einem ausgewählten Abschaltwinkel Strom zuzuführen, wobei während des Niederdrehzahlbetriebes die maximale Differenz zwischen dem Einschaltwinkel und dem Abschaltwinkel für jede Phase nicht größer als der Winkel ist, der durch benachbarte Ständerpole begrenzt wird, gemessen ab der geometrischen Mitte des Ständers. Während des Hochdrehzahlbetriebes steuert die Steuereinrichtung die Schalteinrichtungen so, daß nur die Phasenwicklungen der ersten Phase erregt werden, wobei die Differenz zwischen dem Einschaltwinkel und dem Abschaltwinkel für die ersten Phasenwicklungen während des Hochdrehzahlbetriebes größer als der Winkel ist, der durch benachbarte Ständerpole begrenzt wird.
Ein Verfahren zum Betreiben eines geschalteten Reluktanzmotors nach der vorliegenden Erfindung ist auf einen Motor gerichtet, der mehrere Ständerpole hat, die auf wenigstens drei Phasen aufgeteilt sind, erste Schaltelemente zum Steuern der Zufuhr von Strom zu den Wicklungen der ersten Phase, zweite Schaltelemente zum Steuern der Zufuhr von Strom zu den Wicklungen der zweiten Phase, und dritte Schaltelemente zum Steuern der Zufuhr von Strom zu den Wicklungen der dritten Phase. Gemäß der Erfindung beinhaltet das Verfahren die Schritte Steuern der ersten Schaltelemente zur Zufuhr von Strom nur zu den Wicklungen der ersten Phase mit einer ersten, relativ hohen Frequenz für Hochdrehzahlbetrieb des Motors, und Steuern der ersten, zweiten und dritten Schaltelemente zur Zufuhr von Strom zu den Wicklungen von allen drei Phasen mit einer zweiten, relativ niedrigen Frequenz für den Niederdrehzahlbetrieb des Motors. Während des Niederdrehzahlbetriebes des Motors werden die Schaltelemente für jede Phase gesteuert, um ihren zugeordneten Phasenwicklungen Strom ab einem ausgewählten Einschaltwinkel bis zu einem ausgewählten Abschaltwinkel zuzuführen. Im Niederdrehzahlbetrieb ist die maximale Differenz zwischen dem Einschaltwinkel und dem Abschaltwinkel für jede Phase nicht größer als der Winkel, der durch benachbarte Ständerpole begrenzt wird, gemessen ab der geometrischen Mitte des Ständers. Während des Hochdrehzahlbetriebes werden nur die Wicklungen der ersten Phase erregt, wobei die Differenz zwischen dem Einschaltwinkel und dem Abschaltwinkel für die ersten Phasenwicklungen während des Hochdrehzahlbetriebes größer als der durch benachbarte Ständerpole begrenzte Winkel ist.
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines geschalteten Reluktanzmotors nach der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ist ein elektrisches Schaltbild der Treiber- und Steuerschaltungsanordnung des Motors nach Fig. 1;
Fig. 3 ist eine schematische Darstellung des Motors nach Fig. 1, wobei der Läufer der Übersichtlichkeit halber entfernt worden ist, die den Ein- und Abschaltwinkel für Niederdrehzahlbetrieb zeigt; und
Fig. 4 ist eine schematische Darstellung ähnlich der in Fig. 3, die den Ein- und kbschaltwinkel für Hochdrehzahlbetrieb zeigt.
In allen Ansichten der Zeichnungen Sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Ein Motor 11 (Fig. 1) nach der vorliegenden Erfindung hat einen sechspoligen Ständer 13, dessen sechs Zähne sich von dem Ständerjoch aus radial einwärts erstrecken und eine zentrale Bohrung begrenzen, in welcher ein zweipoliger Läufer 15 geeignet drehbar gelagert ist. Die Drehachse des Läufers 15 wird durch eine Welle 17 gebildet.
Die Pole des Ständers 13 bilden drei Phasen A, B und C, wobei jeder Pol dem ihm diametral entgegengesetzten Pol zugeordnet ist, um eine Phase zu bilden. Phasenwicklungen 19A, 19B und 19C sind um die Zähne oder Pole des Ständers 13 gewickelt, um die MMK für den Betrieb des Motors zu liefern (wenn sie erregt sind). Die Zähne des Ständers 13 sind in gleichen gegenseitigen Abständen an dessen Umfang angeordnet. Die Zähne des Läufers 15 sind in gleichen gegenseitigen Abständen an dessen Umfang angeordnet.
Der Motor 11 ist dafür ausgelegt, bei zwei verschiedenen Drehzahlen zu arbeiten, z.B. bei 627 U/min und 15000 U/min. Während des Niederdrehzahlbetriebes sind die Phasenwicklungen von allen drei Phasen erregt, wogegen im Hochdrehzahlbetrieb nur die Wicklungen der Phase A erregt sind.
Gemäß Fig. 2, auf die Bezug genommen wird, wird den Wicklungen des Motors 11 Gleichstrom über sechs elektronische Schaltelemente (in Fig. 2 als Transistoren gezeigt) unter der Steuerung einer Steuerschaltung 21 zugeführt. Jeder Phasenwicklung sind zwei Schaltelemente 23 und 25 zugeordnet, so daß zum Erregen eine besondere Wicklungssteuerschaltung 21 beide Schaltelemente schließen muß. Wenn das erfolgt, fließt Strom über das Schaltelement 23, die zugeordnete Wicklung 19 und das entsprechende Schaltelement 25, um einen Stromkreis an der Gleichstromversorgung zu schließen.
Es ist bekannt, daß die Steuerschaltung 21 durch Steuern der Frequenz, mit der Steuersignale den Schaltelementen 23 und 25 zugeführt werden, die Drehzahl des Motors 11 steuern kann. Solche Steuerschaltungen sind üblich, weshalb sie hier nicht im einzelnen gezeigt ist. Die Steuerschaltung 21 unterscheidet sich selbstverständlich von früher bekannten Steuerschaltungen dahingehend, daß sie Steuersignale mit einer relativ hohen Frequenz den Schaltelementen der Phase A (für den Hochdrehzahlbetrieb) auf einer ersten Steuerleitung 27 und Steuersignale mit einer relativ niedrigen Frequenz den Schaltelementen von allen drei Phasen (für den Niederdrehzahlbetrieb) über eine erste, zweite und dritte Steuerleitung 27, 29 und 31 zuführt. Diese Doppelfunktion der Steuerschaltung 21 ist durch eine gestrichelte Linie in der Steuerschaltung 21 in Fig. 2 angedeutet.
Die Steueschaltung 21 steuert während des Niederdrehzahlbetriebes jeweils die erste, zweite und dritte Gruppe von Schaltelementen 23, 25 so, daß den entsprechenden Phasenwicklungen Strom ab einem ausgewählten Einschaltwinkel bis zu einem ausgewahlten Abschaltwinkel zugeführt wird. Das ist in Fig. 3 dargestellt, wo der Minimaleinschaltwinkel für die Phase A auf den Polen für die vorherige Phase, die Phase B, zentriert ist. Der Maximalabschaltwinkel für die Phase A ist seinerseits auf den Polen der Phase A zentriert. Während des Niederdrehzahlbetriebes ist die maximale Differenz zwischen dein Einschaltwinkel und dem Abschaltwinkel für jede Phase demgemäß nicht größer als der Winkel, der durch benachbarte Standerpole begrenzt wird, gemessen ab der geometrischen Mitte des Ständers.
Die Situation während des Hochdrehzahlbetriebes ist ganz anders, wie es in Fig. 4 dargestellt ist. In dieser Betriebsart steuert die Steuerschaltung die Schaltelemente so, daß nur die Phasenwicklungen der ersten Phase erregt werden. (Aus diesem Grund sind nur die Phasenwicklungen der Phase A in Fig. 4 gezeigt.) Das gestattet, den Minimaleinschaltwinkel gemäß der Darstellung in Fig. 4 um den Winkel "Delta" zu ändern. Genauer gesagt, das gestattet, den Einschaltwinkel bis zu einem Punkt vorzuverlegen, wo die Induktivität niedrig genug ist, um dem Strom zu gestatten, sich zur Drehmomenterzeugung während des Hochdrehzahlbetriebes aufzubauen. Wenn dieser Winkel nicht vorverlegt werden würde, mußte die Windungszahl der Wicklungen bei allen drei Phasen für den Hochdrehzahlbetrieb verringert werden. Das würde zu höheren Strömen bei Bedingungen niedriger Drehzahl/hohen Drehmoments führen, wodurch die Größe des Motors zunehmen würde. Durch die Verwendung von nur einer Phase und Vorverlegen des Einschaltwinkels kann sich aber der Strom ausreichend aufbauen, obwohl die Windungszahl hoch ist. Diese Konfiguration hat den zusätzlichen Vorteil, daß sie die Eisenverluste bei hoher Drehzahl reduziert.
Die Differenz zwischen dem Einschaltwinkel und dem Abschaltwinkel ist für die ersten Phasenwicklungen während des Hochdrehzahlbetriebes größer als det Winkel, der durch benachbarte Ständerpole begrenzt wird, was sich stark von der Situation während des Niederdrehzahlbetriebes unterscheidet. Während des Niederdrehzahlbetriebes ist die maximale Differenz zwischen dem Einschaltwinkel und dem Abschaltwinkel für jede Phase etwa sechzig Grad. Aber die Differenz zwischen dem Einschaltwinkel und dem Abschaltwinkel für die erste Phase ist während des Hochdrehzahlbetriebes etwa neunzig Grad, eine Zunahme um fünfzig Prozent. Darüber hinaus ist der Wirkungsgrad des Motors während des Hochdrehzahlbetriebes größer als fünfzig Prozent.
Die Erfindung ist zwar in Verbindung mit einem geschalteten Sechs-Zwei-Reluktanzmotor beschrieben worden, es dürfte jedoch klar sein, daß sich die Erfindung nicht auf eine derartige Polkombination beschränkt. Sie ist gleichermaßen bei anderen Polkombinationen und bei mehrzahnigen Polen anwendbar.
Aus obigen Darlegungen ist zu erkennen, daß die verschiedenen Ziele und Merkmale der vorliegenden Erfindung erreicht werden und daß andere vorteilhafte Ergebnisse erzielt werden. Da verschiedene Änderungen an den obigen Konstruktionen und Verfahren vorgenommen werden könnten, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen, ist beabsichtigt, daß alles, was in der obigen Beschreibung enthalten und in den beigefügten Zeichnungen gezeigt ist, als veranschaulichend und nicht in beschränkendem Sinne zu verstehen ist.

Claims

1. Geschalteter Reluktanzmotor (11), mit:

einem Ständer (13), der mehrere ausgeprägte Ständerpole hat, die um eine zentrale Bohrung angeordnet sind;

einem Läufer (15), der in der zentralen Bohrung des Ständers drehbar angeordnet ist, wobei der Läufer mehrere ausgeprägte Poie hat;

wobei die ausgeprägten Ständerpole in wenigstens drei Phasen (A, B, C) aufgeteilt sind und wobei jeder Phase separate, unabhängig schaltbare Phasenwicklungen (19A, 19B, 19C) zugeordnet sind, die um die Ständerpole dieser Phase gewickelt sind;

ersten Schalteinrichtungen (23A, 25A) zum Steuern der Zufuhr von Strom zu den Wicklungen (19A) der ersten Phase (A); zweiten Schalteinrichtungen (23B, 25B) zum Steuern der Zufuhr von Strom zu den Wicklungen (19B) der zweiten Phase (B);

dritten Schalteinrichtungen (23C, 25C) ziim Steuern der Zufuhr von Strom zu den Wicklungen (19C) der dritten Phase (C); und

einer Steuereinrichtung (21) zum Steuern des Betriebes der ersten, zweiten und dritten Schalteinrichtungen; dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung während des Niederdrehzahlbetriebes die ersten, zweiten und dritten Schalteinrichtungen jeweils so steuert, daß den entsprechenden Phasenwicklungen Strom ab einem ausgewählten Einschaltwinkel bis zu einem ausgewählten Abschaltwinkel zugeführt wird, wobei während des Niederdrehzahlbetriebes die maximale Differenz zwischen dem Einschaltwinkel sind dem Abschaltwinkel für jede Phase nicht größer als der Winkel ist, der durch benachbarte Ständerpole begrenzt wird, gemessen ab der geometrischen Mitte des Ständers; und

daß die Steuereinrichtung während des Hochdrehzahlbetriebes die Schalteinrichtingen so steuert, daß nur die Phasenwicklungen der ersten Phase erregt werden, wobei die Differenz zwischen dem Einschaltwinkel und dem Abschaltwinkel für die ersten Phasenwicklungen während des Hochdrehzahlbetriebes größer ist als der Winkel, der durch benachbarte Ständerpole begrenzt wird.

2. Geschalteter Peluktanzmotor nach Anspruch 1, wobei die maximale Differenz zwischen dem Einschaltwinkel und dem Abschaltwinkel für jede Phase während des Niederdrehzahalbetriebes etwa sechzig Grad beträgt.

3. Geschalteter Reluktanzmotor nach Anspruch 2, wobei die Differenz zwischen dem Einschaltwinkel und dem Abschaltwinkel für die erste Phase während des Hochdrehzahlbetriebes etwa neunzig Grad beträgt.

4. Geschalteter Reluktanzmotor nach Anspruch 1, wobei die Differenz zwi scheu dem Einschaltwinkel und dem Abschaltwinkel für die erste Phase während des Hochdrehzahlbetriebes etwa fünfzig Prozent größer ist als die maximale Differenz zwischen dem Einschaltwinkel und dem Abschaltwinkel für die erste Phase während des Niederdrehzahlbetriebes.

5. Geschalteter Reluktanzmotor nach Anspruch 1, wobei der Ständer (13) sechs Pole hat.

6. Geschalteter Reluktanzmotor nach Anspruch 1, wobei der Drehzahlbereich des Motors wenigstens zwanzig zu eins beträgt.

7. Geschalteter Reluktanzmotor nach Anspruch 1, wobei der Wirkungsgrad des Motors während des Hochdrehzahlbetriebes größer als fünfzig Prozent ist.

8. Verfahren zum Betreiben eines geschalteten Reluktanzmotors (11), wobei der Motor mehrere Ständerpole hat, die auf wenigstens drei Phasen (A, B, C) aufgeteilt sind, wobei der geschaltete Reluktanzmotor erste Schaltelemente (23A, 25A) zum Steuern der Zufuhr von Strom zu den Wicklungen (19A) der ersten Phase (A) hat, zweite Schaltelemente (23B, 25B) zum Steuern der Zufuhr von Strom zu den Wicklungen (19B) der zweiten Phase (B) und dritte Schaltelemente (23C, 25C) zum Steuern der Zufuhr von Strom zu den Wicklungen (19C) der dritten Phase (C), wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch:

Steuern der ersten Schaltelemente zur Zufuhr von Strom nur zu den Wicklungen der ersten Phase mit einer ersten, relativ hohen Frequenz für den Hochdrehzahlbetrieb des Motors; und

Steuern der ersten, zweiten und dritten Schaltelemente zur Zufuhr von Strom zu den Wicklungen voii allen drei Phasen mit einer zweiten, relativ niedrigen Frequenz für den Niederdrehzahlbetrieb des Motors;

wobei während des Niederdrehzahlbetriebes des Motors die Schaltelemente für jede Phase so gesteuert werden, daß ihren zugeordneten Phasenwicklungen Strom ab einem ausgewählten Einschaltwinkel bis zu einem ausgewählten Abschaltwinkel zugeführt wird, wobei die maximale Differenz zwischen dem Einschaltwinkel und dem Abschaltwinkel für jede Phase im Niederdrehzahlbetrieb nicht größer als der Winkel ist, der durch benachbarte ständerpole begrenzt wird, gemessen ab der geometrischen Mitte des Ständers; und wobei während des Hochdrehzahlbetriebes, während welchem nur die Wicklungen der ersten Phase erregt werden, die Differenz zwischen dem Einschaltwiukel und dem Abschaltwinkel für die ersten Phasenwicklungen während des Hochdrehzahlbetriebes größer als der Winkel ist, der durch benachbarte Ständerpole begrenzt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Differenz zwischen dem Einschaltwinkel und dem Abschaltwinkel für die Wicklungen der ersten Phase während des Hochdrehzahlbetriebes etwa fünfzig Prozent größer als die maximale Differenz zwischen dem Einschaltwinkel und dem Abschaltwinkel für die erste Phase während des Niederdrehzahlbetriebes ist.