DE69304665T2

DE69304665T2 - Geschaltete Reluktanzmotoren

Info

Publication number: DE69304665T2
Application number: DE69304665T
Authority: DE
Inventors: John Michael Stephenson
Original assignee: Switched Reluctance Drives Ltd
Current assignee: Nidec SR Drives Ltd
Priority date: 1992-12-10
Filing date: 1993-12-06
Publication date: 1997-04-03
Anticipated expiration: 2013-12-07
Also published as: EP0601818B1; ES2091561T3; DE69304665D1; US5548173A; SG45128A1; GB9225846D0; EP0601818A1

Description

Diese Erfindung betrifft einen geschalteten Reluktanzmotor, welcher umfaßt: einen Stator, der Statorpole bildet, von denen jeder eine Polschuhfläche aufweist, und der eine Statorwicklung zur Erregung der Statorpole besitzt; einen Rotor, der Rotorpole bildet, von denen jeder eine Polschuhfläche aufweist, wobei die Bewegung des Rotors durch die Statorpole entsprechend der Erregung der Statorwicklung bestimmt wird; und ein magnetisierbares Teil, das an mindestens einem als Hostpol fungierenden Stator- oder Rotorpol befestigt ist, und welches so angeordnet ist, daß es die Ruheposition des Rotors beeinflußt, wenn die Wicklung nicht erregt wird, um den Rotor in einer relativ zum Stator von Null abweichenden, verdrehten Startposition zu halten (siehe z. B. WO-Al-90/02437).
Eine Form eines geschalteten Reluktanzmotors wird im Patent US- 5043618 vorgeschlagen. Der Motor, welcher in diesem Patent offenbart wird, besitzt zwei Pole pro Polgruppe sowie Stator- und Rotorpolbogen von etwa 30º. Ein Beispiel ist in Figur 1 der Zeichnungen dargestellt. Figur 2 zeigt die Kurve des statischen Drehmomentes, welches von dem durch den Motor mit einem konstanten Erregerstrom in den Windungen entwickelten Drehmoment als eine Funktion des Drehwinkels des Rotors abgeleitet wurde. Solche Kurven sind charakteristisch für Motoren mit doppelt ausladenden Polen und können berechnet oder gemessen werden.
Als positives Drehmoment wird der Antrieb des Motors in Vorwärtsrichtung, d. h. im Uhrzeigersinn, angenommen, so daß der Rotationswinkel in Figur 2 in normaler Funktion zunehmend positiv ist. Bei geringer Geschwindigkeit überträgt die Windung den Strom über den Bereich des Rotationswinkels entsprechend des positiven Drehmomentes von = -45º bis = 0º.
Unter Bezugnahme auf Figur 2 ist zu beachten, daß der Motor aus der Ruhestellung in die Vorwärtsrichtung nur anläuft, wenn der Rotor sich in einem entsprechenden Bereich des positiven Drehmomentes befindet. Andererseits, wenn die Wicklung an eine Gleichspannungsversorgung angeschlossen ist, und sich der Rotor im Bereich des negativen Drehmomentes befindet, bewegt der resultierende Strom in der Windung den Motor in die entgegengesetzte Richtung. Es ist ferner zu beachten, daß es in jedem Drehmomentzyklus zwei Positionen gibt, in denen kein Drehmoment gebildet wird, und zwar bei = 0º und bei = -45º (Figur 2). Ein Rotorwinkel von = 0º entspricht einer stabilen Lage, weil, wenn der Rotor mit in der Windung fließendem Strom in die eine oder andere Richtung verdreht wird, das Drehmoment den Rotor in die Ausgangsposition zurückdrehen wird. Andererseits entspricht die Position = -45º einer instabilen Lage, weil eine Auslenkung des Rotors in die eine oder andere Richtung den Rotor aus der Ausgangsposition wegbewegen wird.
Der Rotor 1 in Figur 1 befindet sich in einer stabilen Lage mit einem Drehmoment von Null in bezug zum Stator 2. Deshalb wird der Motor in dieser Position nicht starten, wenn den Windungen Strom zugeführt wird.
Bei dem Motor in Figur 3 befindet sich der Rotor beim Drehmoment Null in instabiler Lage, wobei die zwischen den Polen liegenden Achsen des Rotors 1 mit den Achsen der Statorpole ausgerichtet sind.
Somit gibt es Bereiche im Zyklus des Rotors, in welchen der oben erwähnte Motor nicht anläuft und Bereiche, in welchen zumindest die Anlaufrichtung der Rotation des Rotors ungewiß ist.
US-A-5 117 144 offenbart einen geschalteten Reluktanzmotor, bei welchem das Problem der Vermeidung einer Ruhelage mit einem Drehmoment Null durch Anordnung von Permanentmagneten zwischen den ferromagnetischen Statorpolen gelöst werden soll. Die Permanentmagnete beeinflussen die Ruheposition eines besonders geformten Rotors, welcher Nasen an den Rotorpolen aufweist, welche unter den Einfluß der erregten ferromagnetischen Statorpole geraten.
Die vorliegende Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß das magnetisierbare Teil eine Erweiterung des Hostpolschuhs bildet.
Die Erfindung sorgt für das zuverlässige Starten des Reluktanzmotors und ist besonders bei den Motoren anwendbar, die in US-5043618 beschrieben sind. Ein oder mehrere Permanentmagnete können dem Motor zugeordnet werden, so daß, wenn sich der Rotor in Ruhestellung befindet und kein Strom durch die Windungen des Stators fließt, und unter der Voraussetzung, daß keine übermäßige Reibung oder eine andere Belastung ausgeübt wird, die Rotorpole in bestimmter Lage zu den Statorpolen angeordnet werden, um eine Rotation zu gewährleisten, wenn den Statorwindungen Strom zugeführt wird. Der Magnet bzw. die Magneten werden an der Seite des Statorpoles bzw. der -pole im Raum zwischen den Polen einer Polgruppe so angeordnet, daß sie dem Rotorpol, über den dazwischenliegenden Luftspalt, gegenüberliegen.
Vorzugsweise ist das magnetisierbare Teil abgewinkelt an einer Seite seines Hostpols angeordnet. Das Teil kann in einer Ausnehmung im Hostpol oder an einer Seitenfläche des Hostpols befestigt sein.
Ein besonderer Vorteil dieser Erfindung, im Vergleich mit dem Typ eines Motors, der in US-5043618 beschrieben wurde, besteht darin, daß das magnetisierbare Teil an der Seite eines Hostpols angeordnet werden kann, die nicht in anderer Weise durch irgendein aktives Material des Motors beansprucht wird. Somit kann das Teil in einem Bereich angeordnet werden, in dem im wesentlichen kein Magnetfluß auftritt, und in welchem die Funktion des Motors im wesentlichen unbeeinflußt bleibt.
Ein erfindungsgemäßer Motor kann dieselbe Anzahl von Polen umfassen wie jener, welcher in US-5043618 beschrieben wurde, aber eine oder mehrere der Polflächen der Statorpole wird(werden) am Umfang durch einen Permanentmagneten, vorzugsweise derselben Polarität wie sie durch Wirkung des Stromes in den Windungen erzeugt wird, effektiv erweitert. In Auswirkung dessen kommt(kommen), wenn der Motor stromlos ist, ein oder mehrere Pole des Rotors normalerweise in eine solche Ruhestellung, daß dieser bzw. diese dem bzw. den Magneten gegenüberliegen. Gelegentlich kann der Rotor so zur Ruhe kommen, daß eine Mittelachse zwischen den Polen des Rotors dem Magneten gegenüberliegt. In jedem Fall wird ein Stromimpuls in der Windung die Pole des Rotors in Ausrichtung mit den Statorpolen bewegen. Wenn, wie dies gewöhnlich der Fall sein wird, diese anfängliche Bewegung in der normalen Vorwärtsrichtung erfolgt, wird die Trägheit des Rotors und jeder angeschlossenen Last den Rotor veranlassen, sich an der ausgerichteten Lage des Pols vorbeizubewegen, und danach wird die normale Schaltung der Ströme unter der Steuerung eines bekannten Rotor-Positionssensors in üblicher Weise fortbewegt.
Wenn die anfängliche Bewegung in der Gegenrichtung erfolgt, bewegt sich der Rotorpol hinter die ausgerichtete Position, und die vom Rotor-Positionssensor gesteuerte Schaltung des Stromes veranlaßt den Rotor, seine Rotationsrichtung umzukehren und sich in der üblichen Weise fortzubewegen. Um ein Anlaufen aus jeder der möglichen Ausgangspositionen zu sichern, ist es lediglich notwendig, anfangs den Rotor-Positionssensor kurzzeitig zu übergehen, wenn die Ausgangsposition des Rotors mit einem normalerweise unerregten Zustand übereinstimmt. Dies kann leicht, z. B. durch eine logische ODER-Schaltung erreicht werden, welcher die Eingangssignale vom Ausgang des Positionssensors und ein synchronisierter Impuls, der durch das Einschaltkommando ausgelöst wird, zugeführt werden.
Die vorliegende Erfindung kann auf verschiedenen Wegen, von denen einige im folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben werden sollen, in die Praxis umgesetzt werden. Die Zeichnungen zeigen:
Figur 4 ist ein Querschnitt für eine erste Ausführungsform der Erfindung;
Figur 5 zeigt die Kurve des Drehmomentes für einen erfindungsgemäßen Magneten in der Ausführungsform nach Figur 4;
Figur 6 ist ein der Figur 4 ähnlicher Querschnitt, mit veränderter Position des Rotors;
Figur 7 bis 11 sind Ausschnitte von weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsformen.
Figur 4 zeigt einen geschalteten Reluktanzmotor, umfassend einen Rotor 10, welcher so angeordnet ist, daß er in einem Stator 12 rotiert. Es handelt sich um einen Motortyp mit doppelt ausladenden Polen. Der Rotor besitzt vier gleichwinklig beabstandete Rotorpole 14. In ähnlicher Weise hat der Stator vier gleichwinklig beabstandete Statorpole 16 und 16'. Der Abstand zwischen den Polflächen am Rotor und am Stator bildet, wenn sich der Rotor dreht, einen Luftspalt. Die Statorpole werden durch ein Paar Wicklungen 18 erregt, um ein Paar nebeneinanderliegender Nordpole N und ein Paar nebeneinanderliegender Südpole S entsprechend der in US-5043618 offenbarten Motorkonstruktion zu bilden.
Jeder von einem Paar sich gegenüberliegender Statorpole 16 besitzt einen Permanentmagneten 20, 22, welche an deren freien Seiten, die den Seiten an deren Polwicklungen gegenüberliegen, befestigt sind. Der Magnet hat eine Polarität, welche mit der seines Stator-Hostpoles 16 übereinstimmt, wie an der Polfläche zu erkennen ist, und bildet effektiv eine Erweiterung der Polfläche. Die Längs- oder Axialausdehnung des Magnetes kann der des Stators gleich sein oder sie steht im Verhältnis zu dieser. Im letzteren Fall kann der Magnet zu einem axialen Ende des Stators hin oder in einem Bereich ein Stück von diesem entfernt angeordnet sein. Figur 5 zeigt die Kurve des statischen Drehmomentes, das durch jeden der Permanentmagnete 20, 22 in Abhängigkeit des Rotationswinkels des Rotors 10 entsteht. Es ist festzustellen, daß die Magnete in dem in Figur 2 dargestellten Bereich, in dem die Kurve des statischen Drehmomentes, welche durch die Stromerregung zustande kommt, die instabile Position beim Drehmoment Null hat, ein positives Drehmoment ausüben, und daß die Magnete in dem Bereich, in dem die Kurve des durch die Stromerregung entstehenden statischen Drehmomentes die stabile Position beim Drehmoment Null hat, ein negatives Drehmoment erzeugen.
Figur 6 zeigt den aus Figur 4 bekannten Motor, bei dem der Rotor um einen Winkel so verdreht ist, daß zwei der zwischen den Polen des Rotors vorhandenen Achsen mit den axial gegenüberliegenden Permanentmagneten 20, 22 ausgerichtet sind. Die Figuren 4 und 6 zeigen dementsprechend den erfindungsgemäßen Motor, bei dem der Rotor aus der stabilen und der instabilen Position beim Drehmoment Null von den Permanentmagneten abgelenkt wurde, wie dies aus der Kurve in Figur 5 erkennbar ist.
Es ist klar, daß die Rotor-Positionssensoreinrichtung die Gleichspannung in den in Figur 2 dargestellten Bereichen mit einem positiven Drehmoment (d. h. = -45º bis = 0º) einschaltet.
Bei fehlendem Stromfluß, wenn der Rotor anfänglich stillsteht, was einer stabilen Position beim Drehmoment Null in Figur 2 (z. B. = 0º) entspricht, verursacht das durch die Magnete erzeugte negative Drehmoment, daß dieser sich in die entgegengesetzte Richtung in die stabile Position beim Drehmoment Null nach Figur 5 (z. B. = -22½º) bewegt. Wenn der Rotor sich anfänglich in einer instabilen Position beim Drehmoment Null in Figur 2 (z. B. = -90º) befindet, veranlaßt das durch den Magneten verursachte positive Drehmoment eine Vorwärtsbewegung in die stabile Position beim Drehmoment Null in Figur 5 (z. B. = -22½º).
Während früher die Erregerströme den in Figur 1 dargestellten Motor, wenn er eingeschaltet wurde und wenn sich der Rotor in Ruhestellung in irgendeiner Position beim Drehmoment Null befand, nicht in Bewegung setzen konnten, verhindern die erfindungsgemäßen Magnete, die die Polflächen erweitern, die Ruhestellung des Rotors in irgendeiner dieser Positionen. Der Motor kann tatsächlich aus einer Position, z. B. = -22½º, wegen des in diesem Bereich auftretenden großen positiven Drehmomentes, gut anlaufen.
Noch allgemeiner gesagt, wird der Rotor aus den genannten Gründen in keiner anderen Winkelstellung in Ruhe verbleiben als in den in Figur 5 dargestellten stabilen und instabilen Positionen beim Drehmoment Null, die bei Fehlen jeglicher Belastung auch von den Magneten nicht überwunden werden können. In dem unwahrscheinlichen Fall, daß der Motor sich in einer instabilen Position beim Drehmoment Null (z. B. = -67½º) in Ruhestellung befindet, verursacht ein kurzer Impuls auf die Erregerwicklung ein negatives Drehmoment des Rotors und bewegt diesen in rückwärtiger Richtung in eine stabile Position beim Drehmoment Null, z. B. -22½º, oder in einen Bereich, in welchem die Erregung unter Steuerung der Rotor-Positionssensoreinrichtung ein ausreichendes positives Drehmoment ausübt, um eine Umkehrung der Drehrichtung in Vorwärtsrichtung zu bewirken, so daß die normale Vorwärtsbewegung eingeleitet wird.
Wie weiter oben festgestellt wurde, ist der Motor entsprechend den Figuren 4 und 6 so konstruiert, daß er in Uhrzeigerrichtung läuft. Wenn es andererseits notwendig ist, daß der Motor in dem Uhrzeigersinn entgegengesetzten Richtung startet und läuft, kann dies erreicht werden, indem die Magnete 20, 22 an die Außenseiten der benachbarten Pole 16' gleicher Polarität umgesetzt werden. Dies bewirkt, daß der Rotor in Ruhestellung in eine Position verschoben wird, die kein Null-Drehmoment aufweist, und in welcher die Rotorpole zur gegenüberliegenden Seite eines benachbarten Statorpoles verschoben werden.
In der Praxis entwickeln die erfindungsgemäßen Motoren bei vollem Strom gewöhnlich viel größere Drehmomente als die, welche von den Magneten erzeugt werden, d. h. der Betrag des höchsten Drehmomentes in den Figuren 2 und 5 ist normalerweise beträchtlich größer als die relative maximale Abweichung der entsprechenden Kurven vom angezeigten Null-Drehmoment. Die Höhe und Form der Kurve des statischen Drehmomentes der Magneten kann durch die Länge der Magnete in Längsrichtung parallel zur Achse des Motors, durch die Art des verwendeten Magnetmaterials und durch deren radiale Abmessungen gesteuert und bestimmt werden. Es braucht nur ein Magnet verwendet werden. Obwohl auch jede andere Zahl zur Anwendung kommen kann, werden vorzugsweise zwei eingesetzt.
Die Motoren werden in solchen Fällen eingesetzt, in denen die Reibkräfte und die statischen Belastungen beträchtlich niedriger sind als die maximalen Drehmomente, die von den Permanentmagneten erzeugt werden. Der Antrieb von Ventilatoren ist ein typisches Anwendungsgebiet, für welches der Motor gut geeignet ist.
Unter Bezugnahme auf US-5043618 sei darauf hingewiesen, daß in dem Bereich hinter dem Kern 24 zwischen den Polen einer modifizierten Polgruppe ein Fluß durch die Permanentmagnete zustande kommt, weil diese unsymmetrisch in bezug auf diesen Teil der magnetischen Struktur angeordnet sind. Dieser Fluß ist relativ klein und die Vorteile eines Materials mit verminderter Laminierung können noch ausgenutzt werden. Tatsächlich ist die Erfindung selbst dann noch anwendbar, wenn die Rückseiten der Kembereiche 24 alle entfernt werden, weil der Fluß der Magnete 20 und 22, nach dem Kreuzen des Luftspaltes, durch die Statorpole 16 und 16' zum Stator zurückkehrt.
Ein wichtiges Merkmal der Erfindung ist deren Unkompliziertheit und die einfache Herstellung. Ein wichtiges Merkmal besteht dementsprechend darin, daß die Magnete in unmagnetisiertem Zustand montiert werden können, und daß sie nach der Montage infolge des Stromflusses durch die Statorwindungen magnetisiert werden. Alternativ können auch Elektromagnete, die durch Hilfswicklungen magnetisiert werden, anstelle der Permanentmagnete eingesetzt werden. In diesem Fall darf das Kernmaterial der Magnete nicht dauermagnetisch sein. Die Erregung des magnetisierbaren Teiles kann über die Steuerung eines Steuerschaltkreises für den Motor erfolgen, welcher ein Hilfsprogramm besitzt, dessen Funktion nur darin besteht, dieses Teil zu erregen, um den Rotor lediglich zum Anlaufen aus einer unerwünschten Position herauszubewegen, und dieses Teil abzuschalten, wenn der Motor läuft oder außer Betrieb ist.
Figur 7 zeigt einen Statorpolmagneten 28, welcher in einer Ausnehmung 30 im Pol 32 selbst angeordnet ist. Die Polfläche ist kreisförmig, aber die Fläche des Anlaufmagnetes, die zur Polbahn des Rotors zeigt, ist flach. In Figur 8 ist ein Magnet 34 wiederum an der Seite eines Hostpoles 16 des Stators angeordnet. Jedoch ist die Fläche des Magnetes, die zur Polbahn des Rotors weist, gekrümmt, und hat denselben Radius wie der Kreis der Statorpolfläche, und sie bildet zur Polfläche des Rotors denselben Luftspalt wie die Fläche des Hostpols des Stators. Die bogenförmige Fläche auf dem Anlaufmagneten ermöglicht deren optimale Annäherung an die Peripherie der Polbahn des Rotors. Infolgedessen ist die durch den Magneten entwickelte Anlaufkraft über einen längeren Kreisbogen größer als bei einem Magneten gleicher Stärke, der jedoch eine flache Polfläche besitzt.
Figur 9 zeigt einen Magneten 36 in einer Ausnehmung 38 im Statorpol 32. Der Magnet ist von der Polfläche durch ein nichtmagnetisches Abstandsstück 40 abgewinkelt beabstandet. Als Beispiel für ein Abstandsteil kann auch etwas Klebstoff dienen, der den Magneten hält und den Abstand herstellt, bzw. ein selbstklebendes Teil mit der gleichen Funktion.
In Figur 10 ist ein Magnet 42 hinter einem kreisförmigen Abschnitt einer nichtmagnetischen Abdeckplatte 44 angeordnet. Die Platte 44 befindet sich zwischen den Kanten an der Außenseite der benachbarten Statorpole 16. Zusammen mit den kreisförmigen Hohlflächen bildet die Abdeckplatte eine geschlossene kreisförmige Fläche gegenüber dem sich drehenden Rotor, wenn solche Platten zwischen allen benachbarten Polen befestigt sind. Dies ist aerodynamisch günstig und dient dazu, die Geräusche und Verluste durch den Luftwiderstand des Motors zu reduzieren. Weil die Platte 44 aus nichtmagnetischem Material besteht, ist sie bezüglich ihres magnetischen Widerstandes gegenüber dem Fluß vom Luftspalt nicht zu unterscheiden.
In Figur 11 ist ein Magnet 46 an einem Stator 48 dargestellt, bei welchem eine Wicklung 50 einen einzigen Pol 52 umgibt, wie dies in US-5043618 beschrieben ist. Der Magnet 46 ist in einer Aussparung 54 im Hostpol des Stators, ähnlich der Anordnung in Figur 7, befestigt.
Es wird darauf hingewiesen, daß ein Magnet oder mehrere Magnete erfindungsgemäß an einem Motor befestigt sein kann(können). Wo mehr als zwei Pole in einer Gruppe von Polen vorhanden sind, kann an einigen oder allen Polen der Gruppe ein Magnet befestigt werden, d. h. es können zwei Anlaufmagnete an zwei Polen in einer Gruppe von drei Polen befestigt werden. Am selben Motor können auch voneinander abweichende Ausführungen von Magneten verwendet werden.
Das magnetisierbare Teil kann ebensogut an einem Pol des Rotors befestigt werden. Weil sich der Rotor jedoch mit einer gewissen Geschwindigkeit dreht, muß er sorgfältig ausgewuchtet werden, und das Teil muß sicher am Hostpol des Rotors befestigt sein.
Es ist auch möglich, den erfindungsgemäßen Motor als Generator zu betreiben.

Claims

1. Geschalteter Reluktanzmotor, welcher umfaßt: einen Stator (12), der Statorpole (16, 16') bildet, von denen jeder eine Polschuhfläche aufweist, und der eine Statorwicklung (18) zur Erregung der Statorpole besitzt; einen Rotor (10), der Rotorpole (14) bildet, von denen jeder eine Polschuhfläche aufweist, wobei die Bewegung des Rotors durch die Statorpole entsprechend der Erregung der Statorwicklung bestimmt wird; und ein magnetisierbares Teil (20), das an mindestens einem als Hostpol fungierenden Stator- oder Rotorpol befestigt ist, und welches so angeordnet ist, daß es die Ruheposition des Rotors beeinflußt, wenn die Wicklung nicht erregt wird, um den Rotor in einer relativ zum Stator von Null abweichenden, verdrehten Startposition zu halten; dadurch gekennzeichnet, daß das magnetisierbare Teil einer Verlängerung des Hostpolschuhs bildet.

2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichet, daß das magnetisierbare Teil ein Permanentmagnet (20) oder ein Elektromagnet ist.

3. Motor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetisierbare Teil abgewinkelt an einer Seite seines Hostpols befestigt ist.

4. Motor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorpole gleicher magnetischer Richtung Gruppen bilden, daß die magnetische Richtung nebeneinanderliegender Gruppen unterschiedlich ist, und daß mindestens eine Gruppe der Statorpole gleicher Richtung mindestends ein magnetisierbares Teil zur Beeinflussung des Rotors aufweist.

.5. Motor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetisierbare Teil in einer Ausnehmung in der Polschuhoberfläche befestigt ist.

6. Motor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetisierbare Teil an einer Seitenfläche des Hostpols befestigt ist.

7. Motor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Endfläche des magnetisierbaren Teils in bezug auf die Rotationsachse des Rotors flach oder gekrümmt ist.

8. Motor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis7, dadurch gekennzeichnet, daß eine nichtmagnetische Deckplatte (44) die im Winkel vorhandenden Lücken zwischen den Polen des Stators überspannt, um eine im wesentlichen glatte Kreisabschnittsfläche gegenüber dem Rotor zu bilden.

9. Motor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichent, daß die Polarität des Magneten so gerichtet ist, daß sie bei Erregung gleich der seines Hostpols ist.