DE69608607T2

DE69608607T2 - Geschaltete Reluktanzmaschine

Info

Publication number: DE69608607T2
Application number: DE69608607T
Authority: DE
Inventors: Norman Neilson Fulton
Original assignee: Switched Reluctance Drives Ltd
Current assignee: Nidec SR Drives Ltd
Priority date: 1995-03-28
Filing date: 1996-03-14
Publication date: 2001-02-22
Anticipated expiration: 2016-03-15
Also published as: DE69608607D1; JPH08331815A; TW302575B; MX9601068A; JP3688798B2; CA2172769A1; EP0735652A1; EP0735652B1; GB9506294D0; US5654601A; KR960036249A

Description

Diese Erfindung betrifft Reluktanzmaschinen. Die Erfindung ist insbesondere anwendbar auf eine geschaltete Reluktanzmaschine, die entweder als ein Motor oder ein Generator betrieben werden kann.
Reluktanzmaschinen sind elektrische Maschinen, die aufgrund einer Tendenz einer beweglichen Komponente der Maschine, eine Position einzunehmen, in welcher die Reluktanz des magnetischen Kreises minimiert wird, Drehmoment produziert. Typischerweise weist zumindest eines der Stator- und Rotorelemente magnetische Vorsprünge auf, die normalerweise in der Form von von dem Element hervorstehenden Polen realisiert sind. Die geschaltete Reluktanzmaschine (SR) ist eine besondere Form einer Reluktanzmaschine, die hervorstehende Pole an sowohl den Stator- und Rotorelementen aufweist. In dieser Form wird die Maschine als eine "doppelt ausgeprägte" Maschine bezeichnet. Das Drehmoment oder die elektrische Ausgabe (abhängig, ob die Maschine als ein Motor oder ein Generator betrieben wird) wird durch eine Steuerung gesteuert, die die Periode reguliert, während der eine Statorwicklung elektrisch mit einer Leistungsquelle verbunden wird.
SR-Maschinen werden in einer Vielfalt von Formen realisiert. Sie unterscheiden sich insbesondere in der Anzahl von Stator- und Rotorpolen auf den stationär bzw. drehenden Elementen und in der Anzahl von unabhängigen Kreisen, mit denen die Steuerung separat die Statorwicklungen zu oder von dem Kreis schalten kann. Jeder Satz von Wicklungen, der separat durch die Steuerung dem Kreis zu- und abgeschaltet werden kann, bildet eine Phase der Maschine. Die Maschine kann eine oder mehrere solcher Phasen aufweisen.
Die Theorie, Konstruktion und der Betrieb von SR-Maschinen ist gut dokumentiert, z. B. in dem Buch "Switched Reluctance Motors and their Control" von T. J. E. Miller, Clarendon Press, 1993, und dem Artikel "The Characteristics, Design and Applications of Switched Reluctance Motors and Drives" von Stephenson et al., PCIM '93, 21. bis 24. Juni 1993.
Fig. 1 zeigt eine bekannte Form einer SR-Maschine. Der Stator weist sechs Pole (A, A', B, B', C, C') auf, und der Rotor besitzt vier Pole. Jeder Statorpol hat eine Spule, die um ihn gewickelt ist. Obwohl nur zwei Spulen auf den Statorpolen A und A' in Fig. 1 aus Gründen der Klarheit gezeigt sind, ist es anerkannt, daß eine ähnliche Anordnung in bezug auf die anderen Paare von Polen gebildet würde. Typischerweise sind die Spulen auf diametral gegenüberliegenden Polen miteinander entweder in Serie oder parallel (abhängig von der Natur der Anwendung der Maschine) verbunden, um eine Phase der Maschine zu bilden. Somit ist die Maschine in Fig. 1 eine Drei-Phasen-Maschine, bei welcher die Wicklungen der einen Phase unabhängig von denen der anderen Phasen schaltbar sind. Wenn die Maschine betrieben wird, wird normalerweise jede Phase mit einer elektrischen Leistungsquelle über einen oder mehrere elektronische Schalter verbunden, wie in Fig. 2 gezeigt. Das Verfahren zum Betrieb einer derartigen Maschine, die die Schaltungsanordnung aus Fig. 2 verwendet, ist für einen Fachmann gut bekannt und ist in obigen Referenzen dokumentiert.
Im allgemeinen ist die Anzahl von Polen in einem Stator derart, daß jede Phase eine gerade Anzahl von Spulen aufweist, die mit ihm verbunden sind. In dem Beispiel der Fig. 1 hat jede der drei Phasen zwei Spulen, so daß die Maschine sechs Statorpole aufweist. In dem Beispiel der Fig. 3 ist jede der drei Phasen aus vier Spulen gebildet, die symmetrisch um den Stator angeordnet sind, um einen Zwölf-Pol-Stator zu bilden. Es ist anerkannt, daß verschiedene Kombinationen der Anzahl von Rotorpolen und Statorpolen möglich sind. Die Auswahl einer geeigneten Kombination ist Gegenstand der Konstruktionswahl für eine gegebene Anwendung.
Wenn eine Phase der Maschine in Fig. 1 durch eine Spannung erregt wird, die auf die Wicklungen einer der Phasen aufgebracht wird, wird ein magnetisches Feld in der Maschine erzeugt. Dies ist schematisch durch die gebrochen dargestellten Pfeillinien in der Fig. 1 gezeigt. Die Linien sind eine Darstellung der Linien des magnetischen Flusses in der Maschine, wenn die Phase A erregt wird. Das Feldmuster ist als ein Zweipol-Feldmuster bekannt, da der magnetische Fluß den Luftspalt der Maschine an zwei Haupt-Orten kreuzt. Im allgemeinen wird, wenn eine Phase der Maschine aus Fig. 3 erregt wird, ein magnetisches Feld erzeugt, das durch die unterbrochenen Pfeillinien dargestellt wird. Eine derar tige Anordnung ist als ein Vierpol-Feldmuster bekannt. Bei fortgesetzter Vervielfachung der Anzahl von Spulen an einer Phase können Feldmuster mit zunehmender Anzahl von Polen erzeugt werden. Dies kann unabhängig von der Anzahl der Phasen der Maschine gemacht werden.
Bei einer konventionellen Maschine, die eine Spule an jedem Pol aufweist, sind die Spulen so dimensioniert, daß sie um die Pole angeordnet werden können, ohne einander zu stören. Die Spulen und die Lücken zwischen den Polen, in welche sie passen, sind im allgemeinen ähnlich. Die Spule kann nicht, wenn einmal angeordnet, sich hinter den Mittelpunkt zwischen zwei benachbarten Statorpolen winklig erstrecken, da sie den verfügbaren Platz auf Kosten der benachbarten Spule besetzen würde und ebenfalls das Einsetzen der benachbarten Spule in ihren Platz behindern würde. Somit muß der Querschnittsbereich einer Spulenseite etwas weniger als die Hälfte des total verfügbaren Querschnittsbereichs zwischen radial hervorstehenden benachbarten Polen besetzen. Obwohl die Konstrukteure der Maschine es oft wünschen würden, die Spule durch Vergrößerung des Querschnittsbereichs größer zu machen, um die Stromdichte und den entsprechenden Leistungsverlust in der Spule zu reduzieren, ist es nicht möglich, dies zu tun, ohne die Gesamtgröße der Maschine zu erhöhen. Es wurden Versuche gemacht, um diese Probleme in Maschinen zu lösen, die eine besondere Phasenanzahl oder eine besondere Laminierungsform (z. B. GB-A-2240664 und GB-A-2232305) aufweisen, aber diese sind in ihrer Anwendbarkeit limitiert.
Ein anderer Lösungsversuch, der den gesamten Raum zwischen den Polen für eine einzelne Spulenseite durch Verwendung von sogenannten fully pitched coils (wie z. B. in "Fully pitched-winding switched-reluctance and stepping-motor arrangements", Mecrow, BC, Proc lEE, Part B, Vol 140, No. 1, Jan. 1993, S. 61-70) zu verwenden. Obwohl diese Methode eine einzelne Spulenseite in einem Schlitz zwischen den Polen anordnet, erfordert die Verwendung von sogenannten fully pitched coils einen ganz unterschiedlichen Ansatz zur Steuerung der Maschine, da der Drehmoment produzierende Mechanismus nunmehr auf Variationen in der gegenseitigen Induktivität zwischen den Phasen zurückgeht statt der Veränderung der Selbstinduktivität der Phase. Die konventionelle Steuerung, die bei Maschinen mit konventionellen sogenannten Short-pitched Spulen verwendet wird, funktioniert mit diesen voll geschürzten Anordnungen nicht, und eine vollständig unterschiedliche, teurere Steuerung ist erforderlich.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Reluktanzmaschinenstruktur bereitzustellen, die eine größere Spulengröße, die in bezug auf einen gegebenen Pol verwendet werden soll, erlaubt.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Reluktanzmaschine bereitzustellen, die einfacher und billiger zu konstruieren ist als bekannte Reluktanzmaschinen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine doppelt ausgeprägte Reluktanzmaschine bereitgestellt, wie in Anspruch 1 spezifiziert, sowie ein Verfahren zur Bildung einer doppelt ausgeprägten Mehrphasen-Reluktanzmaschine, wie in Anspruch 6 spezifiziert. Einige bevorzugte Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Diese Erfindung ist insbesondere bei geschalteten Reluktanzmaschinen anwendbar, die ein Vierpol-Feldmuster (oder ein ganzzahliges Vielfaches von Vier) und eine ungerade Anzahl von Phasen aufweisen. Die Erfindung kann jedoch auch bei anderen Anordnungen von Reluktanzmaschinen verwendet werden, einschließlich von Zweisphasenmaschinen. Vorzugsweise besteht die Erfindung in der Anordnung von Spulen auf nur einem Statorpol eines Polpaares in der Maschine. Die Spulen können so konstruiert werden, daß die Maschine dieselbe Leistung produziert, die sie hätte, wenn die konventionelle Praxis der Konstruktion, nämlich der Anordnung einer Spule auf beiden Statorpolen in einem Paar verwirklicht wäre. Da nur ein Pol in einem Paar mit einer Wicklung versehen ist, kann der Motor so konstruiert werden, daß Pole benachbart zu dem, der die Wicklung trägt, keine Wicklungen aufweisen, die mit diesen verbunden sind. Somit wird der Raum, der für die Wicklung verfügbar ist, wesentlich erhöht, da jeder Platz zwischen den Polen ausschließlich für eine einzelne Wicklung verwendet werden kann.
Die Erfindung kann auf verschiedene Weise in der Praxis umgesetzt werden, wobei einige von diesen nachfolgend anhand von Beispielen unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden, wobei:
Fig. 1 eine schematische Querschnittsansicht durch eine konventionelle Reluktanzmaschine ist;
Fig. 2 ein Schaltungsdiagramm ist, das die hauptsächlichen leistungsführenden Komponenten eines Schaltungskreises Rir die Maschine aus Fig. 1 zeigt;
Fig. 3 eine schematische Querschnittsansicht durch eine weitere Form einer konventionellen Reluktanzmaschine ist;
Fig. 4 ein schematischer Querschnitt durch eine Reluktanzmaschine gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist; und
Fig. 5 ein schematischer Querschnitt durch eine Reluktanzmaschine gemäß einer weiteren Ausführungsform dei' Erfindung ist.
Unter Bezugnahme auf Fig. 4 der Zeichnungen umfaßt eine doppelt ausgeprägte Reluktanzmaschine einen Stator 10, der zwölf Statorpole 12 definiert, die in gleichen Winkeln beabstandet sind. Aus Gründen der Klarheit ist ein Acht-Pol-Rotor in Fig. 4 nicht gezeigt. Es ist jedoch für den Fachmann klar, daß ein Rotor, wie in Fig. 3, angeordnet wird, um sich innerhalb des Stators 10 zu drehen.
Der Stator 10 wird mit drei Phasenwicklungen A, B, C ausgestattet, die Spulenpaare 16 umfassen, die diametral gegenüberliegende Statorpole 12 umfassen, so daß jeder zweite Statorpol keine Spule aufweist. In diesem Beispiel sind die Spulen 16 in einer Phase seriell zwischen Enden 18 der Phasen A, B und C verbunden. In einem alternativen Ausführungsbeispiel sind die Spulen parallel verbunden.
Jede der Phasen ist gezeigt, wie sie in den Enden 18 endet. Um die Maschine entweder als einen Motor oder als einen Generator zu betreiben, werden diese Enden mit einer Stromversorgung über eine Steuerung schaltbar verbunden, so daß die Steuerung der Spannungsaufgabe auf jede der Phasen nacheinander den erforderlichen Leistungsfluß erzeugt. Es ist für den Fachmann klar, daß die geschaltete Reluktanzmaschine denselben Schaltkreis für den Betrieb als Motor oder als Generator verwendet, wobei nur der Zeitablauf der Spannungsimpulse sich ändert, um die Richtung des Leistungsflusses von/zu der Versorgung zu ändern.
Aus Fig. 3 ist ersichtlich, daß das Flußmuster in dem Schaltkreis einer Reluktanzmaschine durch die magnetische Spannung (magnetomotive force MMF), die durch die vier Spulen einer konventionellen Vier-Pol-Maschine produziert wird, erzeugt wird. Falls, angenommen, die Spule J aus Fig. 3 um die Spule H und die Spule L um die Spule K angeorndet werden sollte, würde die gesamte MMF, die auf den magnetischen Schaltkreis aufgebracht wird, unverändert sein. Falls dann die Spulen H und J zu einer Spule kombiniert würden, und zwar mit der selben Anzahl von Windungen wie die Spulen H und J insgesamt, und wenn also die Spulen K und L ähnlich kombiniert werden, dann hat die Maschine die Form, wie in Fig. 4 gezeigt, die der Erfindung entspricht. Die Maschine hat nur Spulen auf jedem zweiten Pol der Phase, aber hat im wesentlichen dieselbe Leistung wie die Maschine aus Fig. 3.
In Fig. 5 ist eine doppelt ausgeprägte Reluktanzmaschine gemäß der Erfindung, die von der aus Fig. 1 gezeigten erhalten wird, gezeigt. Ein Stator 20 definiert sechs Statorpole 22, und ein Rotor 24 definiert vier Rotorpole 26. Die Spulenpaare, die mit jeder der drei Phasen A, B, C vorhanden sind, werden wiederum zu den Spulen 28 auf einem Statorpol von einem Paar mit einem Zweipol-Feldmuster kombiniert. Die Spule bei der erfindungsgemäßen Maschine wird angeordnet, um dieselben Amperewindungen wie eine konventionelle Maschine für im wesentlichen die gleiche Leistung bereitzustellen. Es gibt jedoch einen Nachteil in dieser Zweipol-Feldmusteranordnung, in der Weise, daß die Spulen, die verbleiben, immer noch zueinander benachbart sind.
Die vorliegende Erfindung kann mit dem besten Effekt bei geschalteten Reluktanzmaschinen verwirklicht werden, die eine ungerade Anzahl an Phasen aufweisen, sowie ein Feldmuster mit einem ganzzahligen Vielfachen der vier Pole. Aufgrund der Geometrie des Stators in einer derartigen Maschine wird offensichtlich, daß, falls die Spulen auf den Polen gemäß der Erfindung ausgelegt sind, die abwechselnden Spulen in den Phasen auf ab wechselnden Polen in dem Stator sind. Dies wiederum ermöglicht es den Spulen deutlich größer zu sein, und zwar aufgrund der erleichterten Platzbeschränkung. Sogar wenn die Spulen zweimal so viele Windungen aufweisen, als sie in einer konventionellen Maschine hätten, können sie den Querschnittsbereich pro Windung beibehalten oder haben diesen sogar vergrößert. Dies ermöglicht eine äquivalente Maschine mit zumindest keiner Verschlechterung der Leistung für das Vierpol-Feldmuster zu betreiben. Darüber hinaus gibt es Herstellungsvorteile, da nur die Hälfte der Spulen zu wickeln ist, die Hälfte der Pole zu isolieren und die Hälfte der Phasenverbindungen zu machen ist. Dies führt sowohl zu Kostenreduktionen als auch zu erhöhter Zuverlässigkeit durch einen reduzierten Komponentenstrom.
Es wird durch den Fachmann anerkannt, daß die Erfindung, obwohl sie in bezug auf drehende Maschinen beschrieben ist, in gleicher Weise auf lineare Reluktanzmaschinen anwendbar ist. In einer linearen Maschine wird das bewegliche Element oft noch als ein Rotor bezeichnet. Die Bezeichnung Rotor, wie sie hier verwendet wird, soll somit auch derartige Rotoren von linearen Maschinen umfassen. Der Raum, der durch die Abwesenheit des Spulenpaares in demselben Schlitz zwischen Statorpolen erzeugt wird, kann wiederum für den selben Vorteil verwendet werden. Die reduzierte Anzahl von Verbindungen, Spulen und isolierenden Komponenten in der Spulenanordnung dieser Erfindung wird die Herstellungskosten und die Zeit verringern.
Obwohl die Erfindung in Verbindung mit den dargestellten Ausführungsformen, die oben diskutiert wurden, beschrieben worden ist, werden die Fachleute erkennen, daß viele Variationen gemacht werden können, ohne die vorliegende Erfindung zu verlassen. Beispielsweise ist die vorliegende Erfindung auf invertierte Maschinen anwendbar, bei welchen der Stator im Zentrum der Maschine ist und der Rotor angeordnet ist, um um die Außenseite des Stators sich zu drehen. Entsprechend ist die obige Beschreibung von einigen Ausführungsformen nur beispielhaft und nicht für Zwecke der Einschränkung gemacht worden. Die vorliegende Erfindung soll nur durch den Bereich der nachfolgenden Ansprüche beschränkt sein.

Claims

1. Doppelt ausgeprägte Mehrphasenreluktanzmaschine mit

einem Stator (10), der Statorpole (12) definiert,

einem Rotor, der Rotorpole definiert, wobei n-Paare der Rotorpole gleichzeitig mit entsprechenden n-Paaren von Statorpolen (12) ausrichtbar sind, wenn sich der Rotor relativ zu dem Stator (10) bewegt, wobei n eine ganze Zahl größer als 0 ist,

und mit einer Phasenwicklung, die eine oder mehrere Spulen (16) umfaßt, die auf jeder Hälfte der Statorpole (12) vorgesehen sind, wobei die oder jede Spule (16) nur einen Pol umfaßt und die Phasenwicklung erregbar ist, um in einem magnetischen Kreis einen Fluß zu erzeugen, der einen Pfad aufweist, der die n-Paare von Rotor- und Statorpolen (12) beinhaltet und ein Feldmuster mit 2n-Polen definiert.

2. Maschine nach Anspruch 1, bei welcher n = 1 und der Flußpfad ein zweipoliges Feldmuster definiert, wobei das Paar von Statorpolen (12) im wesentlichen diametral gegenüberliegend ist.

3. Maschine nach Anspruch 1, bei welcher n = 2 und der Flußpfad ein vierpoliges Feldmuster definiert, wobei die zwei Spulen (16) in jeder Phasenwicklung im wesentlichen diametral gegenüberliegend sind.

4. Maschine nach Anspruch 1, bei welcher n größer als l ist und bei welcher die Spulen (16), die jede Phasenwicklung umfassen, in Serie geschaltet sind.

5. Maschine nach Anspruch 1, bei welcher n größer als 1 ist und bei welcher die Spulen (16), die jede Phasenwicklung umfassen, parallel geschaltet sind.

6. Verfahren zur Herstellung einer doppelt ausgeprägten Mehrphasenreluktanzmaschine mit einem Stator (10), der Statorpole (12) definiert, einem Rotor, der Rotorpole definiert, wobei n-Paare von Rotorpolen (12) gleichzeitig mit entsprechenden n-Paaren von Statorpolen (12) ausrichtbar sind, wenn der Rotor sich relativ zu dem Stator (10) bewegt, wobei n eine ganze Zahl größer als 0 ist, und wobei das Verfahren das Bilden einer Phasenwicklung umfaßt, die eine oder mehrere Spulen (16) auf jeder Hälfte der Statorpole (12) umfaßt, wobei die oder jede Spule (16) nur einen Pol (12) umfaßt, und erregbar ist, um in einem magnetischen Kreis einen Fluß zu erzeugen, dessen Pfad die n-Paare von Rotor und Statorpolen (12) beinhaltet und ein Feldmuster definiert, das 2n- Pole aufweist.