DE69936166T2

DE69936166T2 - Blechpaket für eine geschaltete Reluktanzmaschine

Info

Publication number: DE69936166T2
Application number: DE69936166T
Authority: DE
Inventors: Michael Leo Mcclelland
Original assignee: Nidec SR Drives Ltd
Current assignee: Nidec SR Drives Ltd
Priority date: 1998-05-14
Filing date: 1999-04-29
Publication date: 2008-01-24
Anticipated expiration: 2019-04-30
Also published as: BR9901537A; EP0961390B1; US6093993A; EP0961390A3; DE69936166D1; KR19990088206A; JPH11346463A; GB9810418D0; KR100604168B1; EP0961390A2; TW429665B

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Lamellenstruktursatz für eine geschaltete Reluktanzmaschine. Insbesondere betrifft diese Erfindung geschaltete Reluktanzmaschinen, bei denen die Drehmoment-Welligkeit verringert wird.
Eine Reluktanzmaschine ist im Allgemeinen eine elektrische Maschine, in der das Drehmoment durch die Tendenz eines beweglichen Teils erzeugt wird, sich in eine Position zu bewegen, in der die Reluktanz eines Magnetkreises minimiert wird, d.h. wo die Induktanz der Erregerwicklung maximiert wird. In einem Typ von Reluktanzmaschinen tritt die Erregung der Phasenwicklungen bei einer gesteuerten Frequenz auf. Dies wird allgemein als synchrone Reluktanzmaschine bezeichnet, und kann als Motor oder Generator betrieben werden. In einem zweiten Reluktanzmaschinentyp ist eine Schaltung zum Erkennen der Winkelposition des Rotors und zum Erregen der Phasenwicklungen als Funktion der Rotorposition vorgesehen. Dies ist allgemein als geschaltete Reluktanzmaschine bekannt, und kann als Motor oder Generator betrieben werden. Die Kenngrößen solcher geschalteter Reluktanzmaschinen sind hinlänglich bekannt und beispielsweise in „The characteristics, design und application of switched reluctance motors and drives" von Stephenson und Blake, PCIM 93, Nürnberg, 21.–24. Juni 1993 beschrieben, die hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist. Die vorliegende Erfindung ist allgemein auf geschaltete Reluktanzmaschinen anwendbar, die als Motoren oder Generatoren arbeiten.
1 zeigt die Hauptkomponenten eines typischen geschalteten Reluktanzantriebssystems. Die Eingangsgleichstromversorgung 11 kann entweder eine Batterie oder eine gleichgerichtete und gefilterte Wechselstromversorgung sein. Die von der Stromversorgung 11 gelieferte Gleichspannung wird von einem Leistungswandler 13 von der elektronischen Steuereinheit 14 gesteuert über die Phasenwicklungen 16 des Motors 12 geschaltet. Die Schaltung muss für einen ordnungsgemäßen Betrieb des Antriebs korrekt hinsichtlich des Rotationswinkels des Rotors synchronisiert werden. Ein Rotorpositionsdetektor 15 wird gewöhnlich zum Zuführen von Signalen eingesetzt, die die Winkelposition des Rotors anzeigen. Der Ausgang des Rotorpositionsdetektors 15 kann auch zum Erzeugen eines Geschwindigkeitsrückmeldungssignals verwendet werden.
Der Rotorpositionsdetektor 15 kann viele Formen haben, und kann zum Beispiel die Form von Hardware aufweisen, wie sie in 1 schematisch dargestellt ist, oder die Form eines Softwarealgorithmus, welcher die Position aus anderen überwachten Parameter des Antriebssystems berechnet, wie in der EP-A-0573198 beschrieben ist, die hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist. In einigen Systemen kann der Rotorpositionsdetektor 15 einen Rotorpositionsmessfühler umfassen, der Ausgangssignale erzeugt, die ihren Zustand jedes Mal wechseln, wenn der Rotor in eine Position rotiert, in der eine andere Schaltanordnung der Bauelemente im Leistungswandler 13 benötigt wird.
Die Erregung der Phasenwicklungen in einer geschalteten Reluktanzmaschine hängt von der Erkennung der Winkelposition des Rotors ab. Dies kann mit Bezug auf die 2 und 3 erläutert werden, die die Umschaltung einer als Motor betriebenen Reluktanzmaschine illustriert. 2 zeigt allgemein einen Rotorpol 20, der sich gemäß Pfeil 22 einem Statorpol 21 nähert. Wie in 2 gezeigt, ist ein Teil 23 einer kompletten Phasenwicklung 16 um den Statorpol 21 gewickelt. Wenn, wie oben erläutert, der Teil der Phasenwicklung 16 um den Statorpol 21 erregt wird, dann wird der Rotor mit einer Kraft beaufschlagt, die dazu neigt, den Rotorpol 20 in Ausrichtung mit dem Statorpol 21 zu ziehen. Die Pol-Stirnseiten sowohl der Rotor- als auch des Statorpole sind durch Bogen festgelegt, deren Zentren auf der Drehachse des Rotors liegen. Die winkelige Ausdehnung dieser Bögen liegt im Ermessen des Entwicklers. Der Fachmann wird erkennen, dass in Folge der gebogenen Poloberflächen die radiale Entfernung zwischen den überlappenden Pol-Stirnseiten, entlang dem Radius der Drehachse gemessen, über die winkelige Ausdehnung des Luftspalts konstant ist.
3 zeigt einen typischen Umschalt-Schaltkreis in dem Leistungswandler 13, der die Erregung der Phasenwicklung 16, einschließlich des Teils 23 um den Statorpol 31, steuert. In diesem Schaltkreis ist ein Schalter 31 zwischen dem Positiven Anschluss der Stromversorgung und einem Ende der Wicklung 16 angeschlossen. Zwischen dem anderen Ende der Wicklung 16 und dem negativen Ende der Stromversorgung befindet sich ein weiterer Schalter 32. Zwischen einem Ende der Wicklung 16 und dem Schalter 32 ist ein Ende einer Diode 33 angeschlossen, deren anderes Ende mit dem positiven Anschluss der Stromversorgung verbunden ist. Zwischen der Wicklung 16 und dem Schalter 31 ist ein Ende einer weiteren Diode 34 angeschlossen, die an ihrem anderen Ende an den negativen Anschluss der Spannungsversorgung angeschlossen ist. Die Schalter 31 und 32 wirken, um die Phasenwicklung an die Gleichstromquelle anzuschließen, und sie von dieser abzukoppeln, sodass die Wicklung 16 erregt oder abgestellt werden kann. Es sind viele andere Konfigurationen von Schaltkreisen in der Technik bekannt, von denen einige in dem oben zitierten Dokument von Stephenson & Blake erörtert werden.
Die Phasenwicklung wird im Allgemeinen erregt, um eine Rotation des Rotors wie folgt zu bewirken. In einer ersten Winkelposition des Rotors („Einschaltwinkel" θ_ON genannt) erzeugt die Steuereinheit 14 Schaltsignale zum Einschalten beider Schaltbauelemente 31 und 32. Wenn die Schaltbauelemente 31 und 32 eingeschaltet sind, dann ist die Phasenwicklung 16 mit der Gleichstromsammelschiene gekoppelt, so dass ein stärkerer Magnetfluss in der Maschine erzeugt wird. Der Magnetfluss erzeugt ein Magnetfeld in dem Luftspalt, das auf die Rotorpole einwirkt und das Antriebsdrehmoment erzeugt. Der Magnetfluss in der Maschine wird von der magnetomotorischen Kraft (MMK) unterstützt, die durch einen Strom entsteht, der von der Gleichstromversorgung durch die Schalter 31 und 32 und die Phasenwicklung 16 fließt. Bei einigen Steuereinheiten wird der Strom im Allgemeinen zurückgemeldet, und die Größe des Phasenstroms wird durch Zerhacken des Stroms reguliert, indem eines oder beide der Schaltbauelemente 31 und/oder 32 schnell ein- und ausgeschaltet wird/werden. 4(a) zeigt eine typische Stromwellenform in der Zerhackerbetriebsart, wo der Strom zwischen zwei festen Werten zerhackt wird. Beim Antriebsbetrieb wird der Einschaltwinkel θ_ON häufig so gewählt, dass er die Rotorposition ist, in der die Mittellinie eines Raums zwischen den Polen auf dem Rotor auf die Mittellinie eines Statorpols ausgerichtet ist, es kann jedoch auch ein anderer Winkel sein.
In vielen Systemen bleibt die Phasenwicklung mit der Gleichstromsammelschiene verbunden (oder wird intermittierend verbunden, wenn mit Stromzerhacken gearbeitet wird), bis der Rotor rotiert, so dass er den so genannten „Freilaufwinkel" θ_FW erreicht. Wenn der Rotor eine Winkelposition erreicht, die dem Freilaufwinkel (z.B. die in 2 gezeigte Position) entspricht, dann wird einer der Schalter, z.B. 31, ausgeschaltet. Demzufolge fließt der Strom weiter durch die Phasenwicklung, fließt aber nur durch einen der Schalter (in diesem Beispiel 32) und nur durch eine der Dioden 33/34 (in diesem Beispiel 34). In der Freilaufperiode ist der Spannungsabfall über die Phasenwicklung gering und der Fluss bleibt im Wesentlichen konstant. Der Schaltkreis bleibt so lange in diesem Freilaufzustand, bis der Rotor in eine Winkelposition rotiert, die als „Abschaltwinkel" θ_OFF bezeichnet wird (z.B.
wenn die Mittellinie des Rotorpols mit der des Statorpols fluchtet). Wenn der Rotor den Abschaltwinkel erreicht, dann werden beide Schalter 31 und 32 abgeschaltet und der Strom in der Phasenwicklung 16 beginnt, durch die Dioden 33 und 34 zu fließen. Die Dioden 33 und 34 legen dann die Gleichspannung von der Gleichstromsammelschiene in der entgegengesetzten Richtung an und bewirken eine Abnahme des Magnetflusses in der Maschine (und somit des Phasenstroms).
Wenn die Drehzahl der Maschine steigt, dann bleibt weniger Zeit für den Strom, auf den Zerhackwert anzusteigen, und der Antrieb läuft normalerweise in einem „Einzelimpuls"-Betriebmodus. In diesem Modus werden die Einschalt-, Freilauf- und Abschaltwinkel beispielsweise in Abhängigkeit von der Drehzahl und vom Lastdrehmoment gewählt. Einige Systeme arbeiten nicht mit einer Freilaufwinkelperiode, d.h. die Schalter 31 und 32 werden gleichzeitig ein- und ausgeschaltet. 4(b) zeigt eine typische solche Einzelimpuls-Stromwellenform, bei der der Freilaufwinkel null ist.
Es ist hinlänglich bekannt, dass die Werte der Einschalt-, Freilauf- und Abschaltwinkel vorbestimmt und in einem geeigneten Format für den Abruf durch das Steuersystem nach Bedarf gespeichert werden können, oder dass sie in Echtzeit errechnet oder hergeleitet werden können.
Wenn die Phasenwicklung einer geschalteten Reluktanzmaschine in der oben beschriebenen Weise erregt wird, bewirkt das Magnetfeld, dass von dem Fluss in dem Magnetkreis aufgebaut wird, einen Anstieg der umlaufenden Kräfte, die, wie oben beschrieben, wirken, um die Rotorpole in Ausrichtung mit den Statorpolen zu ziehen. Diese Kraft, die am Radius des Luftspalts wirkt, entwickelt ein Drehmoment an der Welle. In 5 ist ein typischer Satz von Drehmomentkurven für eine geschaltete Reluktanzmaschine dargestellt. Das Drehmoment ist über eine vollständige Rotorpol-Stufe dargestellt, da der Rotor r sich von der Position, wo die Mittellinie eines Raums zwischen den Polen auf dem Rotor r auf die Mittellinie eines Statorpols s ausgerichtet ist (die „nicht gefluchtete Lage"), über die Position, wo die Mittellinien der Rotor- und der Statorpole r bzw. s gefluchtet sind (die „gefluchtete Lage"), bis zu der Position, in der die nächste Mittellinie zwischen den Polen mit der Mittellinie der Statorpole gefluchtet ist. Die Drehmomentkurve ist periodisch mit dem Rotorpol-Abstand und entspricht der zylindrischen Induktionsveränderung der Wicklung, die dem Statorpol zugeordnet ist.
5 zeigt die Drehmomentkurven für drei Ströme. Wie im Stand der Technik wohl bekannt ist, hängt die Größenordnung des erzeugten Drehmoments nicht linear mit dem Strom zusammen, da unter anderem die magnetischen Charakteristiken des Lamellenstahls nicht linear sind. Allgemein gesagt ist das Drehmoment an jedem Punkt proportional zu der Veränderungsrate der Induktivität des Schaltkreises, der die Erregung für den Magnetkreis bereitstellt. Daraus folgt, dass der Unterschied zwischen der minimalen Induktivität (d.h. wenn die Pole nicht gefluchtet sind) und der maximalen Induktivität (d.h. wenn die Pole gefluchtet sind) direkt den Betrag des erzeugten Drehmoments über den Rotorkreislauf beeinflussen wird. Es ist die allgemeine Lehre, dass diese Differenz maximiert werden sollte, indem der Luftspalt in der gefluchteten Lage so klein wie möglich ausgeführt wird (typischerweise weniger als 0,5 mm in einer Maschine, die für eine Ausgangsleistung von einigen Kilowatt bemessen ist) und indem der Luftspalt in der ungefluchteten Lage so groß wie möglich ist (dies wird typischerweise durch Überlegungen bezüglich der mechanischen Festigkeit der Rotorwelle und der anderen Teile der Rotorlamellenstruktur zwischen den Polen beeinflusst). 6(a) und 6(b) zeigen Stator- und Rotorlamellenstrukturen mit typischen Proportionen in der gefluchteten bzw. der ungefluchteten Lage. Es ist zu erwähnen, dass der Luftspalt, wie es für solche Ausbildungen empfohlen ist, in der ungefluchteten Lage (6(b)) groß ist, da die Rotorpole an ihrer Basis und an Ihrer Spitze weitgehend gleich gehalten werden.
Die Drehmomentkurven in 5 repräsentieren die positiven und negativen Drehmomente, die aufgebaut werden, wenn die Pole sich einander annähern und einander verlassen. Bei einem Antrieb würden in der Praxis einer oder alle der positiven Teile der Kurve verwendet werden, um ein Drehmoment in einer Drehrichtung vorzusehen und einer oder alle der negativen Teile der Kurve würden für eine Drehung in der Gegenrichtung verwendet. Da das Drehmoment als eine Funktion des Winkels variiert, ist das Drehmoment, das sich aus der Erregung aller Phasen (der Reihe nach oder simultan, je nach dem gewählten Erregungsmuster) ergibt, nicht glatt, sondern enthält einen welligen Bestandteil. Dies kann durch wohlbekannte Verfahren analysiert werden, um das Drehmoment als ein konstanter Pegel plus einer Reihe harmonischer Komponenten darzustellen. Während dieser wellige Bestandteil bei vielen Anwendungen nebensächlich ist, gibt es Anwendungen, bei denen die Drehmomentwelligkeit den mit der Welle verbundenen Verbraucher negativ beeinflussen kann.
Es gab viele Versuche, um die Drehmomentwelligkeit zu minimieren, indem die Erregungsmuster der Wicklungen verändert werden. Die US 5.319.297 offenbart beispielsweise ein Verfahren zur Strommodellierung, um ein glatteres Drehmoment zu erzeugen. Diese und ähnliche Verfahren zur Erregungssteuerung haben jedoch eine Auswirkung auf die Größe der Schalter, die in der elektronischen Steuereinheit, welche die Erregung speist, erforderlich sind, und die erforderliche Vergrößerung der Schalterabmessungen kann erhebliche Auswirkungen auf die Kosten des Antriebs haben. Solche Auswirkungen wurden beispielsweise in dem Dokument „Computer-optimised smooth-torque current waveforms for switched-reluctance motors", Lovatt, HC & Stephenson, JM, IEE Proc Electr Power Appl, Band 144, Nr. 5, Sept. 1997, s. 310–316, erörtert.
In einem Versuch, die mit der Erregungssteuerung verbundenen Kosten zu vermeiden, betrafen andere Verfahren zur Glättung des Drehmoments die Maschine, anstatt der eingespeisten Erregung. Die US 5.619.113 beschreibt beispielsweise eine geschaltete Reluktanzmaschine mit 2 Statoren, die im Bezug aufeinander versetzt sind, um die Drehmomentwelligkeit zu glätten, und die US 4.647.802 beschreibt einen geschalteten Reluktanzmotor, bei dem absichtlich eine Sättigung in die Polspitzen eingebracht wird, um die Drehmomentkurven abzuflachen, und dabei die Welligkeit zu verringern. Keine dieser Verfahren waren jedoch befriedigend, da sie zu einer Verschlechterung der bestimmten Leistung der Maschine führten.
Die winkelige Ausdehnung der Bögen der Stator- und der Rotorpole der Maschine sind zwei der Entwurfsparameter, die der Entwickler beeinflussen kann, obwohl sie durch die Anzahl an Phasen in der Maschine, dem Verhältnis der Polanzahl in der Lamellenstruktur, den Starterfordernissen des Antriebs, etc. gebunden sind. Die Regeln, welche diese Einschränkungen festsetzten, sind in dem Dokument: „Variable-speed switched reluctance motors", von Lawrenson, PJ, Stephenson, JM, Blenkinsop, PT, Corda, J und Fulton, NN, IEE Proc, Band 127, Pt. B, Nr. 4, Juli 1980, s. 253–265, zu finden. Einige Forscher haben Verfahren zur Auswahl der tatsächlichen Werte für diese Bögen und zur Veränderung der radialen Länge des Luftspalts beschrieben, um die Drehmomentwelligkeit zu beeinflussen.
Die US 5.148.090 offenbart beispielsweise eine Technik, um die winkelige Ausdehnung des Rotorpolbogens über die axiale Länge der Maschine zu variieren, dies ist mechanisch jedoch äußerst komplex und wurde in der Praxis nicht angenommen. Die US 5.146.127 offenbart ein komplexes Verfahren, um die Form der Stator-, als auch der Rotorpole im Bereich der Bögen festzulegen. Während sich dies einem Teil des Problems zuwendet, konnte es keine Gesamtverbesserung bei der Erzeugung eines glatten Drehmomentverlaufs zeigen.
Die US-A5418415 beschreibt eine einzeln ausgeprägte Maschine mit einer geschlitzten Statorkonstruktion, die von einer 3-Phasen-(Wechselstrom-)Quelle gespeist wird. Die US-A-4631510 betrifft einen Resolver für die Positionsermittlung.
Die US 3641467 offenbart einen Drehinduktor, bei dem ein Rotor Keulen aufweist. In 11 ist der Rotor um die Achse eines Satzes umgebender Statorpole drehbar. Durch diese Anordnung und durch das Profil der Keulen variiert der Luftspalt zwischen den Rotorkeulen und den Statorpolen durchgehend, wenn sich der Rotor dreht, wodurch ein Flusspfad mit einer sinusartig variierenden Permeanz erzeugt wird. Der Drehinduktor ist vorgesehen, um ein Vektoraddierglied vorzusehen, das ein Ausgangssignal mit selektiv veränderlicher Frequenz, Größe und Phase erzeugt.
Die JP-A-10210721 offenbart einen Reluktanzmotor bei welchem die Stirnseite jedes Statorpols breiter ist, als der Körper des Statorpols. Dies ermöglicht, dass die Statorwicklungen leichter festgehalten werden können. Es sind verschiedene Rotorformen offenbart, welche Pol-Stirnseiten vorsehen, deren Breite annähernd gleich der Breite der Statorpole sind. Keiner ist ohne Unstetigkeiten im äußeren Rotorprofil.
Die WO97/39512 offenbart einen geschalteten Reluktanzmotor, wobei die Statorpole, im Versuch, die Maschineneigenschaften zu verbessern, an ihren Stirnseiten abgeschrägt sind. Die Stirnseiten der Rotorpole sind als Teil einer gesamt-Rotorform ausgebildet, in der es Unstetigkeiten in ihrem Rotorprofil gibt.
Es ist eine Maschine erforderlich, deren Drehmomentkurven maßgeschneidert werden können, um zu dem Erregungsmuster zu passen, das von der Steuereinheit vorgesehen wird. Es besteht ein Bedarf, in der Lage zu sein, das harmonische Spektrum der Drehmomentkurven der individuellen Phasen so zu steuern, dass das schließlich von der Maschine erzeugte Drehmoment ausreichend glatt für die Anwendung ist. Auf diese Weise wird der Kostennachteil, der normalerweise mit einer Erregungssteuerung verbunden ist, minimiert. Kein Stand der Technik hat bisher eine befriedigende Lösung für dieses Problem vorgelegt.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, die Probleme der Drehmomentwelligkeit in einer geschalteten Reluktanzmaschine zu behandeln, und eine Maschine bereitzustellen, die sowohl eine verringerte Drehmomentwelligkeit, als auch Drehmomente mit einem verringerten harmonischen Spektrum aufweist.
Die vorliegende Erfindung ist ein Lamellenstruktursatz für eine doppelt ausgeprägte Reluktanzmaschine, wie sie in Anspruch 1 definiert ist. Einige bevorzugte Merkmale der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 8 wiedergegeben. Die Erfindung erstreckt sich auch auf eine Rotor-Stator-Anordnung nach Anspruch 9, welche einen Stapel von Lamellenstruktursätzen aufweist, und auf eine Reluktanzmaschine nach Anspruch 10, die einen solchen Lamellenstruktursatz enthält.
Die Erfindung kann auf verschiedene Weisen in die Praxis umgesetzt werden, von denen nun einige beispielhaft mit Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden, wobei:
1 die wesentlichen Bauteile eines geschalteten Reluktanzantriebssystems zeigt;
2 ein schematisches Diagramm eines Rotorpols zeigt, welcher sich einem Statorpol nähert;
3 einen typischen Schaltkreis in einem Leistungswandler zeigt, welcher die Erregung der Phasenwicklungen in der Maschine der 1 steuert;
4(a) und 4(b) typische Stromwellenformen eines geschalteten Reluktanzantriebs darstellen, der in einer Zerhacker- bzw. einer Einzelimpuls-Betriebsart arbeitet;
5 typische Drehmomentkurven gegen den Rotorwinkel für drei Werte des Phasenwicklungsstroms zeigt;
6(a) ein typisches Paar Rotor- und Stator-Lammellenstrukturen des Standes der Technik in einer gefluchteten Lage zeigt;
6(b) die selben Lamellenstrukturen in der ungefluchteten Lage zeigt;
7(a) und (b) beispielhafte Stator- und Rotor-Lamellenstrukturen zeigt, in welchen die Erfindung verkörpert ist;
8(a) ein Induktanz-/Rotorwinkelprofil für die Maschine der 6 zeigt;
8(b) ein Induktanz-/Rotorwinkelprofil für die Maschine der 7 zeigt;
9 den harmonischen Inhalt der Induktanzprofile der Maschinen in 6 und 7 zeigt;
10 den harmonischen Inhalt der Drehmoment-/Winkelkurven der Maschinen in 6 und 7 zeigt;
11 eine beispielhafte Rotor-Lamellenstruktur für eine Maschine mit sechs Stator- und acht Rotorpolen zeigt, in der die Erfindung enthalten ist;
12 ein Rotorwinkel-Induktanzprofil der Maschine der 11 im Vergleich zum Profil einer herkömmlich ausgebildeten Maschine zeigt;
13 den harmonischen Inhalt des Induktanzprofils der Maschinen in 12 zeigt; und
14 das Profil einer Rotor-Lamellenstruktur zeigt, in welcher die Erfindung enthalten ist, und welche um die Mittellinie des Rotorpols eine Asymmetrie aufweist.
7(a) und 7(b) zeigen eine Stator-Lamellenstruktur 100 und eine Rotor-Lamellenstruktur 102 für eine geschaltete Reluktanzmaschine mit 6 Statorpolen 108 und 4 Rotorpolen 110. Die Stator-Lamellenstruktur 100 hat einen Körper 130 von welchem sich ein regelmäßiges Feld von um eine Achse angeordneten Statorpolen in Richtung der Rotor-Lamellenstruktur erstrecken: In der gleichen Weise hat die Rotor-Lamellenstruktur 102 einen Körper 132 von welchem sich ein regelmäßiges Feld von um die selbe Achse angeordneten Rotorpolen in Richtung der Stator-Lamellenstruktur erstrecken. Die Lamellenstruktur kann aus Elektro-Stahlblech hergestellt sein, wie es in der Technik üblich ist.
Wie bei herkömmlichen Maschinen werden Stapel solcher Lamellenstrukturen verwendet, um ein Rotor-Kernpaket und ein Stator-Kernpaket auszubilden. Die 7(a) und (b) können auch als Darstellung des Querschnitts solcher Rotor-/Stator-Kernpakete betrachtet werden. Diese bilden den Magnetkreis einer geschalteten Reluktanzmaschine, der beispielsweise in dem Antriebssystem der 1 enthalten ist. 7(a) zeigt eine Rotorposition, bei welcher die Mittellinie eines Rotorpols mit der Mittellinie eines Statorpols radial gefluchtet ist, d.h. eine Position, bei der die Induktanz der Phasenwicklungen um den Statorpol ein Maximum aufweisen würde. 7(b) zeigt die Rotorposition, bei welcher der Rotor um einen halben Rotorpol-Abstand rotiert worden ist, sodass die Mittellinie der Zwischenpol-Lücke auf dem Rotor radial auf die Mittellinie des Statorpols gefluchtet ist, d.h. eine Position, bei der die Induktanz der Phasenwicklungen ein Minimum aufweisen würde.
Der Fachmann wird verstehen, dass der Begriff „Luftspalt" den Teil des Flusspfades zwischen dem Stator und dem Rotor für irgendeine Position des Rotors beschreiben soll. Es wird auch zu verstehen sein, dass bei der Drehung des Rotors die effektive Länge des Luftspalts zwischen einem Minimum, an einer Position wo die Rotor- und Statorpolachsen gefluchtet sind, und einem Maximum, an einer Position in der eine Rotor-Zwischenpol-Achse mit einer Statorpolachse gefluchtet ist, variiert.
Die Statorpol-Stirnfläche 104 in der Anordnung der 7(a) und (b) weist ein herkömmliches Profil auf, welches ein Bogen ist, der auf die Drehachse des Rotors zentriert ist. Das Rotorprofil ist um eine Mittellinie A symmetrisch, die sich von ihrer Drehachse erstreckt. Jeder Rotorpol 110 weist verschiedene Teile auf. Der erste solche Teil 106 ist ein konvexer Polbogen, wobei die Mitte des Bogens mit der Mitte der Rotor-Lamellenstruktur 102 übereinstimmt. Auf den Winkel bezogen neben dem ersten Teil 106, und zu jeder Seite davon, befinden sich konvexe zweite Teile 112, die radial nach Innen in Richtung zur Mitte des Rotors hin und weg von der Statorpol-Stirnfläche stufenlos übergehen. Der Übergang der zweiten Teile 112 ist so, dass es keine Unstetigkeit mit dem ersten Teil 106 gibt. Auf den Winkel bezogen neben jedem zweiten Teil 112 befindet sich ein konvexer dritter Teil 114, der sich so von dem zweiten Teil weg erstreckt, dass es keine Unstetigkeiten gibt. Die Konturen der dritten Teile 114 in diesem Beispiel haben eine radiale Form. Sie können komplexer sein, aber in jedem Fall gibt es keine Unstetigkeiten gegenüber dem zweiten Teil 112. Auf den Winkel bezogen neben jedem dritten Teil 114 befindet sich ein konkaver vierter Teil 116, der sich in Richtung des Hauptkörpers des Rotors erstreckt, und sich herumkrümmt, um in einen angrenzenden vierten Teil 116 am angrenzenden Pol 110 überzugehen. Angrenzende vierte Teile 116 definieren somit einen Zwischenpol-Bereich, der die Zwischenpol-Achse zwischen den Rotorpolen überspannt. Das Profil der vierten Teile 116 ist so, dass es keine Unstetigkeiten gegenüber den dritten Teilen 114 oder zueinander gibt. Daher weist das Gesamtprofil der Rotor-Lamellenstruktur im Wesentlichen keine Unstetigkeiten auf.
Da die Profile der Rotorpole 110 und der Zwischenpolbereiche tatsächlich ineinander übergehen, kann eine Messung der relativen Weite erhalten werden, indem das Verhältnis von „Angrenzen" zu „Zwischenraum" des Lamellenmaterials betrachtet wird, welches um den Umfang irgendeines Kreises existiert, der auf der Rotorachse zentriert ist. Die Breite jedes Rotorpols 110 ist viel breiter als der Zwischenpolbereich, und sie ist erheblich breiter, als dies durch die herkömmliche Technik empfohlen würde, z.B. durch das oben zitierte Dokument von Lawrenson u.a. Die Polbögen 106 sind typischerweise breiter als notwendig, um die Anstarterfordernisse zu erfüllen, um bei jedem Rotorwinkel ein Drehmoment in der erforderlichen Richtung zu erzeugen. Auch ist der Zwischenpolbereich typischerweise sehr kurz, wodurch sich ein verhältnismäßig enger Bereich mit geringer Induktanz ergibt. Die Kombination dieser Merkmale ist so, dass die Veränderung des Luftspalts, g, zwischen der Rotor- und der Stator-Lamellenstruktur über den Rotorwinkel θ vollkommen stufenlos ist, d.h. die erste Ableitung der Funktion g(θ) ist stetig.
Die Induktanzprofile der in 6 gezeigten herkömmlichen Maschine und die der in 7 gezeigten Maschine sind in 8(a) bzw. (b) dargestellt. Aus 8(a) ist zu ersehen, dass das Induktanzprofil der herkömmlichen Maschine bei einem niedrigen Wert eine erhebliche winkelige Spannweite aufweist, wohingegen das Profil der Maschine der 7 einen höheren und schmäleren Minimalwert aufweist.
Gemäß der herkömmlichen Lehre wird das Leistungsverhalten der Maschine durch das Anheben der minimalen Induktanz verschlechtert, ein Ergebnis, das normalerweise vermieden werden sollte. Es wird jedoch unten gezeigt werden, dass es einen nicht offensichtlichen Vorteil hat, den höheren Wert der minimalen Induktanz in Kauf zu nehmen.
Die 9 zeigt Fouriertransformierte der in 8 gezeigten Induktanzprofile, wobei, um die Unterschiede bei höheren Harmonischen klarer darzustellen, der Logarithmus der Größe der harmonischen Komponenten aufgetragen wurde. In diesem bestimmten Beispiel wurden die 8. und 9. Harmonischen erheblich reduziert. Dies führt wiederum zu verringerten Harmonischen in den Drehmomentkurven. 10 zeigt Fouriertransformierte für die Drehmomentkurven, die den Induktanzkurven der 8 entsprechen, und die auftretende Verringerung der 8. und 9. Harmonischen des Drehmoments ist klar zu sehen.
Das winkelige Ausmaß des Rotorpols 110 (d.h. der ersten 106, zweiten 112 und dritten 114 Teile) der 7, das zwischen den Zwischenpolbereichen festgelegt ist, ist größer als das der Statorpole 108. Die beschriebene Profilierung kann auch, entweder alleine oder in Kombination mit der für die Rotorpole beschriebenen Profilierung, auf die Statorpole 108 angewendet werden. Wenn jedoch die Profilierung auf den Stator angewendet wird, führt dies zu Schwierigkeiten, da die Suche nach ausreichendem Platz weitere Überlegungen erfordert, um die Statorwicklung anzupassen und zu sichern. Das bevorzugte Verfahren ist es daher, nur den Rotorpol 110 zu profilieren, und den Statorpol 108 mit einem mehr oder weniger herkömmlichen Profil zu belassen.
Die herkömmlichen Kenntnisse über das Design geschalteter Reluktanzmaschinen lehren, dass die Anzahl an Polen, obwohl es möglich ist, mehr Rotorpole als Statorpole zu haben, idealerweise geringer ist, als die Anzahl an Statorpolen (siehe beispielsweise das oben zitierte Lawrenson-Dokument). Es wurde jedoch herausgefunden, dass das oben erörterte Profilieren beispielsweise wirksam auf eine Maschine mit sechs Statorpolen und acht Rotorpolen angewendet werden kann. Ein Beispiel solch eines Rotors, der gemäß der Erfindung profiliert ist, ist in 11 gezeigt. Während die herkömmliche Lehre zu der Schlussfolgerung kommen würde, dass solch eine Maschine eine schwache Leistung erzeugen würde, wurde gezeigt, dass dies nicht der Fall ist.
12 zeigt den Vergleich zwischen der Induktanz-/Winkel-Kurve der Maschine, die das Rotorprofil der 11 nutzt (obere Kurve) und der Kurve einer herkömmlich ausgebildeten Maschine mit 6 Statorpolen und 8 Rotorpolen (untere Kurve). Die Kurven sind im gleichen Maßstab gezeichnet. Während die obere Kurve eine höhere minimale Induktanz aufweist (aufgrund der schmäleren Zwischenpol-Lücke), hat die untere Kurve, aufgrund des schlechteren Magnetkreises in der vollständig ausgerichteten Position, ein niedrigeres Maximum. 13 zeigt einen Vergleich der harmonischen Inhalte der zwei Maschinen, die in der selben Weise aufgetragen sind, wie in 9. Die Verringerung des harmonischen Inhalts, insbesondere der geraden Harmonischen niedriger Ordnung, ist klar zu erkennen.
Die Erfindung bietet einen glatten Übergang in der Luftspaltlänge durchgehend über den gesamten Rotorpol-Abstand, was der Stand der Technik nicht tut, wobei dies zu einer Luftspaltfunktion führt, die keine Unstetigkeiten aufweist. Der von dem Rotorpolprofil festgelegte Luftspalt hat den Vorteil, wenn der Rotor rotiert, abrupte Übergänge im wirksamen Luftspalt zu vermeiden, die in herkömmlichen Rotor-/Statoranordnungen vorhanden sind. Somit ist es möglich, nicht nur das durchschnittlich erzeugte Drehmoment zu steuern, sondern auch, den harmonischen Inhalt des Drehmomentprofils so zu verändern, dass es zu irgendeinem verfügbaren Erregungsschema passt. Dies verringert nicht nur die Größe der Drehmomentwelligkeit, sondern bietet auch eine Weise um sicherzustellen, dass alle harmonischen Inhalte, die in einer bestimmten Anwendung besonders störend sind, minimiert werden können.
Die in 7 und 11 gezeigten Rotoren sind symmetrisch. Dies ist für elektrische Maschinen normal, bei denen die Leistung in beiden Drehrichtungen identisch sein muss. In einigen Anwendungen ist jedoch nur die eine Drehrichtung erforderlich, und es ist üblich, die Leistung in der bevorzugten Richtung zu verbessern, indem der Rotor asymmetrisch ausgebildet wird, wie beispielsweise für 2-Phasen-Maschinen in dem oben zitierten Dokument von Stephenson und Blake gezeigt ist. Diese Erfindung findet in gleicher Weise bei asymmetrischen Rotoren Anwendung. 14 zeigt ein Beispiel eines asymmetrisch profilierten Rotors, bei dem die Erfindung enthalten ist. Es wird zu sehen sein, dass das Profil der Lamellenstruktur, obwohl es um die Mittellinie des Rotorpols asymmetrisch ist, immer noch stetig ist, und daher die Erzeugung eines gewünschten Drehmomentprofils der Maschine ermöglicht.
Zusätzlich ist die Erfindung, während eine typische Reluktanzmaschine einen Rotor aufweist, der angeordnet ist, um innerhalb eines Stators zu rotieren, auch auf eine „invertierte" Maschine anwendbar, in welcher der Rotor um den Stator rotiert oder sich entlang der Außenseite des Stators bewegt. In dieser Anordnung erstrecken sich die Statorpole radial nach Außen und die Rotorpole erstrecken sich radial nach Innen. Somit wird der Fachmann erkennen, dass Variationen der offenbarten Anordnungen möglich sind, ohne von der Erfindung abzuweichen. Dementsprechend wird die obige Beschreibung einiger Ausführungsformen beispielhaft ausgeführt und dient nicht zu Zwecken der Beschränkung. Es ist beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung nur durch den Umfang der folgenden Ansprüche beschränkt ist.

Claims

Lamellenstruktursatz einer doppelt ausgeprägten Reluktanzmaschine welche eine Rotor-Lamellenstruktur (102) und eine Stator-Lamellenstruktur (100) aufweist, wobei jede Lamellenstruktur ein Profil aufweist, welches ein Feld von Polteilen (110, 108) festlegt, die sich in Richtung der anderen Lamellenstruktur erstrecken, wobei zwischen benachbarten Polteilen an beiden entsprechenden Lamellenstrukturen interpolare Achsen festgelegt sind, wobei die Lamellenstrukturen auf einer gemeinsamen Achse angeordnet sind, wobei die Stirnseiten der entsprechenden Polteile um die gemeinsame Achse aneinander vorbei bewegbar sind um einen variablen Luftspalt (g) zwischen sich festzulegen, und wobei besagtes Profil der Rotor-Lamellenstruktur keine Diskontinuitäten aufweist, sodass die Veränderung im Luftspalt so ist, dass die erste Ableitung der Veränderung des Luftspalts im Bezug auf die relative Position der Rotor- und Stator-Lamellenstrukturen zwischen den interpolaren Achsen und in den Bereichen um die interpolaren Achsen auf der Rotor-Lamellenstruktur kontinuierlich ist; und wobei das besagte Profil jedes Rotorpolteils einen zentralen Bereich (106) aufweist, welcher, in Ausrichtung mit einem der Statorpolteile, einen, auf den Winkel bezogen, konstanten Luftspalt festlegt, wobei das besagte Profil jedes Rotorpolteils weiters erste konvexe Seitenbereiche (112), die sich an beiden Seiten des zentralen Bereichs erstrecken, zweite konvexe Bereiche (114), die sich von jedem der ersten konvexen Seitenbereiche (112) erstrecken, und konkave Bereiche (116), die sich von jedem der zweiten konvexen Bereiche erstrecken, und die sich in entsprechende, benachbarte konkave Bereiche (116) entsprechender benachbarter Rotorpolteile krümmen, aufweist.
Lamellenstruktursatz nach Anspruch 1, wobei die Rotorpolteile breiter sind, als die Statorpolteile.
Lamellenstruktursatz nach Anspruch 1, wobei die Statorpolteile breiter sind, als die Rotorpolteile.
Lamellenstruktursatz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Stator-Lamellenstruktur angrenzend an den Luftspalt ein Profil aufweist, welches keine
Lamellenstruktursatz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es mehr Rotorpolteile als Statorpolteile gibt.
Lamellenstruktursatz nach Anspruch 5, wobei der Stator sechs Statorpolteile hat und der Rotor acht Rotorpolteile hat.
Lamellenstruktursatz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Stator-Lamellenstruktur und/oder die Rotor-Lamellenstruktur um ihre Mittellinien symmetrisch sind.
Lamellenstruktursatz nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Stator-Lamellenstruktur und/oder die Rotor-Lamellenstruktur um ihre Mittellinien asymmetrisch sind.
Rotor-/Statoranordnung für eine Reluktanzmaschine, welche einen Stapel von Lamellenstruktursätzen, wie in einem der vorhergehenden Ansprüche dargelegt, aufweist.
Reluktanzmaschine, welche einen Lamellenstruktursatz nach einem der Ansprüche 1 bis 8 aufweist.