WO2002097954A1 - Zweiphasiger, geschalteter reluktanzmotor - Google Patents

Zweiphasiger, geschalteter reluktanzmotor Download PDF

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Thomas Heese
Mircea Crivii
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Robert Bosch Gmbh
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    • H02K19/02—Synchronous motors
    • H02K19/10—Synchronous motors for multi-phase current
    • H02K19/103—Motors having windings on the stator and a variable reluctance soft-iron rotor without windings

Definitions

  • the invention is based on a two-phase, switched reluctance motor according to the preamble of claim 1.
  • the external stator has four pronounced stator poles which are offset by the same circumferential angle the rotor concentrically enclosed by the stator has two rotor poles offset by the same circumferential angle.
  • the curved end faces of the rotor poles facing the stator are divided in their circumferential width into two sections, one section of which is set back from the other section, that is to say its arcuate curvature has a smaller curvature radius.
  • This asymmetrical pole geometry of the rotor poles creates a stepped air gap between the stator and rotor poles, whereby the reluctance of the magnetic circuit varies when the rotor is rotated. From the two-phase winding of the stator, one winding strand is wound onto stator poles diametrically opposite each other on the rotor, and current impulses are applied to the winding strands.
  • the mode of operation of such a reluctance motor is based on the generation of a reluctance element rotating around the stator. If one winding phase is subjected to a switching pulse, the rotor poles are pulled into stable positions by the corresponding stator poles, in which the reluctance of the magnetic circuit is minimal. If a current pulse is subsequently applied to the other winding phase, the same thing takes place with the other stator poles, so that the rotor as a whole is rotated further. The speed of rotation of the rotor depends on the switching speed of switching the current pulses on and off on the two winding phases of the stator winding.
  • the reluctance moment (positive reluctance moment) acting in a certain direction of rotation of the rotor can be made larger than the opposite reluctance moment (negative reluctance moment) so that the motor starts in a predetermined direction of rotation.
  • the two-phase, switched reluctance motor according to the invention with the features of claim 1 has the advantage that with the same stator design as in the known reluctance motors, which provides the same magnetic force for driving the rotor, due to the larger number of rotor poles compared to the number of stator poles Medium greater torque is generated, which also has a lower ripple due to the smaller step angle of the rotor. Reducing the so-called torque ripple is accompanied by a reduction in the running noise of the reluctance motor.
  • the larger number of rotor poles leads to a better distribution of the magnetic forces acting on the rotor, so that the rotor has a much smaller one
  • the stator has four stator poles and six rotor poles. Variants of the motor result from a respective doubling of the number of poles in the rotor and stator, so that, generally speaking, the reluctance motor according to the invention always has 2 * 2 n stator poles and
  • the asymmetrical pole geometry of the rotor poles is designed such that the rotor and stator have an air gap zone with a constant radial air gap width over part of the pole width seen in the circumferential direction and an air gap zone with in over the remaining part of the pole width of each rotor pole Limit the direction of rotation of the continuously increasing air gap width.
  • This rotor geometry allows the amplitude and the shape of the static torque curve to be influenced in a much simpler manner and to ensure that the motor starts reliably in the predetermined direction of rotation in every rotational position.
  • the rotor poles have a circumferential direction
  • Pole width b r open and the pole width of the stator poles is
  • This part of the rotor pole width is also dimensioned smaller than the remaining part of the rotor pole width.
  • Fig. 1 each shows a cross section of a two-phase, and 2 switched reluctance motor in execution as Internal rotor motor (Fig. 1) and in execution as external rotor motor (Fig. 2), shown schematically,
  • Fig. 3 is a diagram of the course of the static torque acting on the rotor as a function of the rotational position of the rotor.
  • the stator 11 has 2 ⁇ 2 n stator poles 14 and the rotor 12 3 ⁇ 2 n rotor poles 15, where n is an integer greater than zero.
  • n 1 is selected, so that four stator poles 14 and six rotor poles 15 are present.
  • the stator poles 14 are designed as salient poles and are offset from one another by the same circumferential angle on the stator 11.
  • the offset of the stator poles 14 is indicated by the pole pitch ⁇ s , where ⁇ s in the embodiment in Fig. 1 is 90 °.
  • the pole width of the stator poles 14 is marked in FIG. 1 with b s .
  • a two-phase stator winding 16 with its two winding phases 161 and 162 is applied to the stator poles 14.
  • Each winding phase 161 and 162 is wound on two stator poles 14 diametrically opposite one another on the rotor 12.
  • 360 ° seated rotor 12 has a pole pitch of that
  • the pole width b r of the rotor poles 15 is chosen equal to the pole pitch.
  • the pole geometry of the rotor poles 15 is designed asymmetrically so that the rotor 12 and the stator 11 over one
  • the direction of rotation of the rotor 12 is indicated in FIG. 1 by arrow 17.
  • the part b r 'of the pole width b r of the rotor poles 15 which delimits the air gap zone 13' with a constant air gap width is dimensioned smaller than the remaining part b r "of the pole width b r and is also dimensioned somewhat less than the pole width b s of the stator poles 14.
  • the reluctance motor designed as an external rotor motor in FIG. 2 has an equal number of stator poles 14 and rotor poles 15.
  • the internal, stationary stator 11 and the rotor 12 concentrically surrounding the stator 11 while leaving the air gap 13 are constructed as described in FIG. 1. The same components are therefore the same
  • the pole geometry of the rotor poles 15 is carried out in the same way as described for FIG. 1, so that again air gap zones 13 'with a constant radial air gap width and air gap zones 13 "with a continuously increasing radial in the direction of rotation 17 of the rotor 12 Air gap width between stator 11 and rotor 12 are present.
  • Winding strand 161 generates static torque and curve b the static torque generated by winding strand 162.
  • the two curves are shifted by 60 ° relative to one another, with at least one of the winding phases 161, 162 generating a positive torque in each rotor position, so that the rotor 15 starts in the rotational direction 17 from every rest position.
  • the amplitude and the shape of the curve of the static torque can be influenced by changing the shape of the air gap zones 13 ′ and 13 ′′, that is to say by changing the pole geometry of the rotor poles 15.

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Abstract

Bei einem zweiphasigen, geschalteten Reluktanzmotor, der einen Stator (11) mit einer geraden Zahl von Statorpolen (14), auf die eine zweiphasige Statorwicklung (16) aufgewicke1t ist, und einen zum Stator (11) koaxialen Rotor (12) mit einer von der Statorpolzahl abweichenden, geraden Zahl von Rotorpolen (15) mit asymmetrischer Polgeometrie aufweist ist zur Erzeugung eines im Mittel grösseren Drehmoments mit kleineren Drehmomentrippeln und dadurch reduziertem Laufgeräusch der Rotor (12) mit einer gegenüber dem Stator (11) grösseren Polzahl versehen.

Description

Zweiphasiger, geschalteter Reluktanzmotor
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem zweiphasigen, geschalteten Reluktanzmotor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bei einem bekannten Reluktanzmotor dieser Art (Miller TJE, 1993, "Switched Reluctance Motors and their Control", Magna Physics Publishing and Clarendon Press, Oxford, Seite 25 ff.) hat der außen liegende Stator vier um gleiche Umfangswinkel zueinander versetzte, ausgeprägte Statorpole und der vom Stator konzentrisch umschlossene Rotor zwei um gleiche Umfangswinkel versetzt angeordnete Rotorpole. Die dem Stator zugekehrten gewölbten Stirnseiten der Rotorpole sind in ihrer in Umfangsrichtung gesehenen Breite in zwei Abschnitte unterteilt, von denen der eine Abschnitt gegenüber dem anderen Abschnitt zurückversetzt ist, seine bogenförmige Wölbung also einen kleineren Wölbungsradius aufweist. Durch diese asymmetrische Polgeometrie der Rotorpole bildet sich zwischen den Stator- und Rotorpole ein gestufter Luftspalt, wodurch beim Drehen des Rotors die Reluktanz des Magnetkreises variiert. Von der Zweiphasenwicklung des Stators ist jeweils ein Wicklungsstrang auf am Rotor sich diametral gegenüberliegenden Statorpolen aufgewickelt, und die Wicklungsstränge werden mit Stromimpulsen beaufschlagt.
Die Wirkungsweise eines solchen Reluktanzmotors beruht auf der Erzeugung eines am Stator umlaufenden Reluktanzmornents . Wird der eine Wicklungsstrang mit einem Schaltimpuls beaufschlagt, so werden die Rotorpole durch die entsprechenden Statorpole in stabile Positionen gezogen, in welchen die Reluktanz des Magnetkreises minimal ist. Wird anschließend der andere Wicklungsstrang mit einem Stromimpύls beaufschlagt, so findet das gleiche bei den anderen Statorpolen statt, so daß der Rotor insgesamt weitergedreht wird. Die Drehgeschwindigkeit des Rotors hängt von der Schaltgeschwindigkeit des Auf- und Abschaltens der Stromimpulse auf die beiden Wicklungsstränge der Statorwicklung ab. Durch die asymmetrische Ausbildung der Rotorpole kann das in eine bestimmten Drehrichtung des Rotors wirkende Reluktanzmoment (positives Reluktanzmoment) größer gemacht werden als das entgegengerichtete Reluktanzmoment (negatives Reluktanzmoment) so daß der Motor in einer vorgegebenen Drehrichtung anläuft.
Weitere Varianten des bekannten Reluktanzmotors ergeben sich bei Verdopplung der Polzahlen im Stator und Rotor, z.B. acht Statorpole und vier Rotorpole. Mit zunehmender Polzahl wird der Schrittwinkel des Rotors kleiner und damit bei konstanter Schaltfrequenz der Stromimpulse in der Statorwicklung die Drehgeschwindigkeit des Rotors kleiner. Vorteile der Erfindung
Der erfindungsgemäße zweiphasige, geschaltete Reluktanzmotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, daß bei einer gleichen Statorausführung wie bei den bekannten Reluktanzmotoren, die eine gleiche Magnetkraft für den Antrieb des Rotors zur Verfügung stellt, durch die im Vergleich zur Statorpolzahl größere Rotorpolzahl ein im Mittel größeres Drehmoment erzeugt wird, das zudem noch infolge des kleineren Schrittwinkels des Rotors eine geringere Welligkeit aufweist. Mit Reduzierung der sog. Drehmomentrippel geht eine Reduzierung des Laufgeräusches des Reluktanzmotors einher. Die größere Rotorpolzahl führt zu einer besseren Verteilung der am Rotor angreifenden Magnetkräfte, so daß am Rotor eine wesentlich geringere
Verwindung oder "Ovalisierung" auftritt und der Rotor eine verbesserte Steifigkeit besitzt.
Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Reluktanzmotors möglich.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist der Stator vier Statorpole und sechs Rotorpole auf. Varianten des Motors ergeben sich durch eine jeweilige Verdopplung der Polzahl im Rotor und Stator, so daß allgemein ausgedrückt der erfindungsgemäße Reluktanzmotor immer 2 • 2n Statorpole und
3 • 2" Rotorpole besitzt, wobei n eine ganze Zahl größer Null ist. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die asymmetrische Polgeometrie der Rotorpole so ausgeführt, daß Rotor und Stator über einen Teil der in Umfangsrichtung gesehenen Polbreite eines jeden Rotorpols eine Luftspaltzone mit konstanter radialer Luftspaltbreite und über den verbleibenden Teil der Polbreite eines jeden Rotorpols eine Luftspaltzone mit in Drehrichtung kontinuierlich zunehmender Luftspaltbreite begrenzen. Diese Rotorgeometrie erlaubt in wesentlich einfacherer Weise die Amplitude und die Form des statischen Drehmomentverlaufs zu beeinflussen und sicherzustellen, daß der Motor in jeder Drehstellung sicher in die vorgegebene Drehrichtung anläuft.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weisen die Rotorpole eine in Umfangsrichtung gesehene
360°
Polbreite br = auf und die Polbreite der Statorpole ist
3-2" wenig größer gemacht als der die Luftspaltzone mit konstanter
Luftspaltbreite begrenzende Teil der Polbreite der Rotorpole.
Dieser Teil der Rotorpolbreite ist zudem kleiner bemessen als der verbleibende Teil der Rotorpolbreite.
Zeichnung
Die Erfindung ist anhand zweier in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 jeweils einen Querschnitt eines zweiphasigen, und 2 geschalteten Reluktanzmotors in Ausführung als Innenläufermotor (Fig. 1) und in Ausführung als Außenläufermotor (Fig. 2), schematisch dargestellt,
Fig. 3 ein Diagramm des Verlaufs des auf den Rotor wirkenden statischen Drehmoments in Abhängigkeit von der Drehposition des Rotors.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Der in Fig. 1 im Querschnitt schematisch dargestellte zweiphasige, geschaltete Reluktanzmotor in seiner Ausführung, als Innenläufermotor weist einen Stator 11 und einen dazu koaxialen Rotor 12 auf, der unter Belassung eines Luftspalts 13 vom Stator 11 konzentrisch umschlossen ist. Der Stator 11 weist 2 • 2n Statorpole 14 und der Rotor 12 3 • 2n Rotorpole 15 auf, wobei n eine ganze Zahl größer Null ist. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 ist n=l gewählt, so daß vier Statorpole 14 und sechs Rotorpole 15 vorhanden sind. Die Statorpole 14 sind als ausgeprägte Pole ausgeführt und um gleiche Umfangswinkel am Stator 11 zueinander versetzt angeordnet. In Fig. 1 ist der Versatz der Statorpole 14 durch die Polteilung τs angegeben, wobei τs bei der Ausführung in Fig. 1 90° beträgt. Die Polbreite der Statorpole 14 ist in Fig. 1 mit bs gekennzeichnet. Auf den Statorpolen 14 ist eine zweiphasige Statorwicklung 16 mit ihren beiden Wicklungssträngen 161 und 162 aufgebracht. Dabei ist jeder Wicklungsstrang 161 und 162 auf zwei am Rotor 12 sich diametral gegenüberliegenden Statorpolen 14 aufgewickelt. Der auf einer zum Stator 11 koaxialen Rotorwelle 17 drehfest
360° sitzende Rotor 12 weist eine Polteilung von auf, die
3 • 2n im Ausführungsbeispiel des sechspoligen Rotors 60° beträgt.
Die Polbreite br der Rotorpole 15 ist gleich der Polteilung gewählt. Die Polgeometrie der Rotorpole 15 ist asymmetrisch so ausgeführt, daß der Rotor 12 und der Stator 11 über einen
Teil br' der in Umfangsrichtung gesehenen Polbreite br eines jeden Rotorpols 15 eine Luftspaltzone 13' mit konstanter radialer Luftspaltbreite und über den verbleibenden Teil br" der Polbreite br eines jeden Rotorpols 15 eine Luftspaltzone 13" mit in Drehrichtung kontinuierlich zunehmender Luftspaltbreite begrenzen. Die Drehrichtung des Rotors 12 ist in Fig. 1 durch Pfeil 17 gekennzeichnet. Der die Luftspaltzone 13' mit konstanter Luftspaltbreite begrenzende Teil br' der Polbreite br der Rotorpole 15 ist kleiner bemessen als der verbleibende Teil br" der Polbreite br und außerdem wenig kleiner bemessen als die Polbreite bs der Statorpole 14.
Der in Fig. 2 als Außenläufermotor konzipierte Reluktanzmotor weist eine gleiche Zahl von Statorpolen 14 und Rotorpolen 15 auf. Der innenliegende, feststehende Stator 11 und der den Stator 11 unter Belassung des Luftspalts 13 konzentrisch umschließende Rotor 12 sind wie in Fig. 1 beschrieben aufgebaut. Gleiche Bauteile sind daher mit gleichen
Bezugszeichen versehen. Die Polgeometrie der Rotorpole 15 ist in gleicher Weise wie zu Fig. 1 beschrieben ausgeführt, so daß wiederum Luftspaltzonen 13' mit konstanter radialer Luftspaltbreite und Luftspaltzonen 13" mit in Drehrichtung 17 des Rotors 12 kontinuierlich zunehmender radialer Luftspaltbreite zwischen Stator 11 und Rotor 12 vorhanden sind.
In Fig. 3 ist für den in Fig. 2 dargestellten Reluktanzmotor das auf den Rotor 12 wirkende statische Drehmoment M in Abhängigkeit von der Rotorposition über eine Polteilung des Rotors 12, die bei der sechspoligen Ausführung 60° beträgt, dargestellt. Kurve a zeigt dabei das von dem
Wicklungsstrang 161 erzeugte statische Drehmoment und Kurve b das von dem Wicklungsstrang 162 erzeugte statische Drehmoment. Wie zu erkennen ist, sind die beiden Kurven um 60° gegeneinander verschoben, wobei in jeder Rotorposition mindestens einer der Wicklungsstränge 161, 162 ein positives Drehmoment erzeugt, so daß der Rotor 15 aus jeder Ruhestellung in Drehrichtung 17 anläuft. Die Amplitude und die Form der Kurve des statischen Drehmoments kann durch Veränderung der Form der Luftspaltzonen 13' und 13", also durch die Veränderung der Polgeometrie der Rotorpole 15, beeinflußt werden.
Weitere Versionen des beschriebenen Reluktanzmotors ergeben sich jeweils durch Verdoppelung der Anzahl der Stator- und Rotorpole. Mit z.B. n=2 besitzt der Stator acht Statorpole und der Rotor zwölf Rotorpole mit gleicher Polgeometrie.

Claims

Ansprüche
1. Zweiphasiger, geschalteter Reluktanzmotor mit einem Stator (11), der eine gerade Zahl von um gleiche Umfangswinkel zueinander versetzt angeordnete Statorpole
(14) aufweist, auf die eine zweiphasigen Statorwicklung (16) aufgewickelt ist, und mit einem zum Stator (11) koaxialen, mit dem Stator (11) einen Luftspalt (13) einschließenden Rotor (12), der eine von der Zahl der Statorpole (14) abweichende, gerade Zahl von um gleiche Umfangswinkel zueinander versetzt angeordnete Rotorpole
(15) mit asymmetrischer Polgeometrie aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (12) eine gegenüber dem
Stator (11) größere Polzahl aufweist.
2. Reluktanzmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (11) 2- 2" Statorpole (14) und der Rotor (12) 3 • 2n Rotorpole (15) aufweist, wobei n eine ganze Zahl größer Null ist.
3. Reluktanzmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorpole (15) eine im Umfangsrichtung gesehene
360° Polbreite (br) von br = aufweisen.
3 • 2n
4. Reluktanzmotor nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, daß die asymmetrische Polgeometrie der Rotorpole (15) so ausgeführt ist, daß Rotor (12) und Stator (11) über einen Teil (br') der in Umfangsrichtung gesehenen Polbreite (br) eines jeden Rotorpols (15) eine Luftspaltzone (13') mit konstanter radialer Luftspaltbreite und über den verbleibenden Teil (br") der Polbreite (br) eines jeden Rotorpols (15) eine Luftspaltzone (13") mit in Drehrichtung kontinuierlich zunehmender Luftspaltbreite begrenzen.
5. Reluktanzmotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der die Luftspaltzone (13') mit konstanter Luftspaltbreite begrenzende Teil (br') der Polbreite (br) der Rotorpole (15) kleiner bemessen ist als der verbleibende Teil (br") der Polbreite (br) .
6. Reluktanzmotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die in Umfangsrichtung gesehenen Polbreite (bs) der
Statorpole (14) größer bemessen ist als der die Luftspaltzone (13') mit konstanter Luftspaltbreite begrenzende Teil (br') der Polbreite (br) der Rotorpole (15) .
Reluktanzmotor nach einem der Ansprüche 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (11) den Rotor (12) konzentrische umschließt. Reluktanzmotor nach einem der Ansprüche 1- 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (12) den Stator (11) konzentrisch umschließt.
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