WO2021165132A1 - Reluktanzmotor mit drehstrom und system - Google Patents

Reluktanzmotor mit drehstrom und system Download PDF

Info

Publication number
WO2021165132A1
WO2021165132A1 PCT/EP2021/053320 EP2021053320W WO2021165132A1 WO 2021165132 A1 WO2021165132 A1 WO 2021165132A1 EP 2021053320 W EP2021053320 W EP 2021053320W WO 2021165132 A1 WO2021165132 A1 WO 2021165132A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
stator
rotor
reluctance motor
teeth
phase current
Prior art date
Application number
PCT/EP2021/053320
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Friedhelm Milde
Jessica SCHMIDT
Christoph RÖTH
Dennis Trebbels
Walter Trümpler
Karl-Peter Simon
Original Assignee
Bauer Gear Motor GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Bauer Gear Motor GmbH filed Critical Bauer Gear Motor GmbH
Publication of WO2021165132A1 publication Critical patent/WO2021165132A1/de

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K19/00—Synchronous motors or generators
    • 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
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/12—Stationary parts of the magnetic circuit
    • H02K1/14—Stator cores with salient poles
    • H02K1/141—Stator cores with salient poles consisting of C-shaped cores
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/22—Rotating parts of the magnetic circuit
    • H02K1/24—Rotor cores with salient poles ; Variable reluctance rotors
    • H02K1/246—Variable reluctance rotors
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K16/00—Machines with more than one rotor or stator
    • H02K16/04—Machines with one rotor and two stators
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K2213/00—Specific aspects, not otherwise provided for and not covered by codes H02K2201/00 - H02K2211/00
    • H02K2213/12—Machines characterised by the modularity of some components

Definitions

  • the present invention relates to a three-phase reluctance motor and system.
  • a prior art switched reluctance motor includes a stator and a rotor.
  • the stator comprises stator teeth, which are assigned at least one winding and which can be subjected to an electric current, whereby a magnetic field is generated.
  • the stator teeth interact with corresponding rotor teeth by means of the magnetic fields, whereby a resultant torque is brought about, which leads to the rotation of the rotor and thus the drive of the motor.
  • the torque generated by the magnetic interaction has a higher torque ripple due to the design compared to known rotating field motors with a continuously rotating rotating field.
  • the torque ripple depends on the relative position of the stator teeth and rotor teeth. This means that the power achieved by the reluctance motor is subject to certain fluctuations.
  • a reluctance motor is provided. This can be a switched reluctance motor.
  • the reluctance motor can include a rotor.
  • the rotor can comprise a plurality of protruding rotor teeth which are regularly arranged with respect to a circumference of the rotor.
  • the reluctance motor can also include a stator.
  • the stator can comprise at least two stator segments. Each stator segment can comprise at least one stator element.
  • the stator elements can be magnetically decoupled from one another.
  • Each stator element can comprise at least two protruding stator teeth (legs).
  • Each stator tooth can interact with at least one winding assigned to the respective stator element.
  • An electric current can be applied to the windings in such a way that magnetic fields emanating from the respective stator teeth of a respective stator element can be generated and a torque acting on the rotor and causing a rotation of the rotor can be produced.
  • a three-phase current can be applied to the windings of the stator elements to drive the reluctance motor.
  • the stator segments can be arranged with respect to a circumference of the stator in such a way that, during normal operation of the reluctance motor, at least one first stator segment is acted upon with a half-wave of a first polarity of the three-phase current and at least one second stator segment with a half-wave of a second polarity of the three-phase current opposite to the first polarity.
  • the reluctance motor set up in this way makes it possible to use only a single power output stage and at the same time to bring about an advantageous reduction in the torque ripple.
  • a power output stage is to be understood as an electronic component by means of which a power supply for a winding or an electrically connected winding strand can be provided.
  • a power supply for a winding or an electrically connected winding strand can be provided.
  • Power output stage as a collective term for the electronic power supply of the Windings of the motor are viewed.
  • the power output stage can internally comprise several equidistant channels according to the desired number of phases of the system.
  • the n-phase power output stage can be part of an inverter in order to supply the windings of n different phases with electrical energy.
  • the inverter can comprise power electronic switches, for example bipolar transistors with insulated gate electrodes (IGBTs).
  • the reluctance motor can be an external rotor motor with a rotor which is arranged circumferentially around the stator.
  • the reluctance motor can also be an internal rotor motor.
  • a stator pole can be formed by a stator segment.
  • the stator poles can be arranged circumferentially at least in pairs symmetrically, in particular diametrically.
  • a stator pole can also be formed by a stator element.
  • the reluctance motor can comprise at least a third stator segment and a fourth stator segment.
  • the third stator segment can be connected electrically in parallel with the first stator segment.
  • the fourth stator segment can be connected electrically in parallel with the second stator segment.
  • Each stator segment can include a first number of spaced apart stator elements.
  • the three-phase current can comprise a second number of phases.
  • the first number can be a multiple of the second number.
  • the first number can also be equal to the second number.
  • the first number and the second number can be three.
  • n power output stages can be required for the electrical supply.
  • a stator segment with three stator elements, which are supplied with current in three phases, can enable the definition of an unambiguous assignment of the direction of rotation according to the current supply.
  • the multiphase nature of the three-phase current makes it possible, on the one hand, to increase the achievable torque further, but to advantageously reduce the torque ripple compared to a corresponding block energization configuration.
  • the number of stator elements can also be adapted to the number of phases, if the latter should not be three. This in turn leads to a reduction in torque ripple.
  • this phase of the three-phase current can be applied to at least one winding of a stator element for each stator segment.
  • the three-phase current can in particular comprise three phases.
  • the phases of the three-phase current can have a phase shift of ⁇ 120 °. In the case of a larger number of phases, the phase shift results accordingly. This increases the uniformity of the torque produced or reduces the torque ripple.
  • the spaced-apart stator elements can have an angular offset to one another along a circumference of the stator such that directional changes in inductance caused by the different stator elements are the same with regard to the torque acting on the rotor.
  • adjacent stator elements can have such an angular offset.
  • the angular offset of the stator elements with respect to the corresponding rotor teeth can be such that all stator teeth advantageously exert the same effect on the rotor in the event that the respectively assigned winding is energized.
  • the angular offset between the stator elements can be such that the same torques are brought about by the stator elements, although the associated windings are subjected to different phases of the three-phase current.
  • the angular offset of the stator elements can therefore be adapted to the phase shift between the phases of the three-phase current in normal operation.
  • the angular offset has the effect that the stator teeth of the respective stator elements are not aligned with the corresponding rotor teeth at the same time. This further reduces the torque ripple.
  • the various interactions between the rotor teeth and the stator teeth excite torque harmonics.
  • the angular offset of the stator elements can also be adapted in such a way that certain harmonics of the generated torque can be canceled out.
  • the reluctance motor can therefore advantageously be set up to cancel certain harmonics.
  • the voltage can be applied in advance in the voltage maximum for the corresponding phase of the three-phase current in such a way that a current flow begins with a non-overlapping (misaligned) tooth position between the rotor teeth and the stator teeth and ends with a completely overlapping (aligned) tooth position.
  • a delay angle between voltage and current can in particular be more than 85 ° and less than 90 °, in each case based on the zero crossing.
  • the phase shift between current and voltage can result from ohmic and inductive components of the windings of the stator elements. Detrimental effects of these components can be avoided by the leading voltage impression.
  • the approximately triangular shape of the resulting inductance curve leads to a very low torque ripple. This also reduces the generation of noise.
  • the application of the three-phase current to a winding assigned to a stator element can be activated if the stator teeth of the stator element are not aligned (misaligned or non-overlapping) with corresponding rotor teeth.
  • the time span in which the current can be supplied to the winding with the three-phase current is maximized, as a result of which the power output of the reluctance motor is improved.
  • a width of all rotor teeth and all rotor tooth gaps arranged between the rotor teeth can be the same.
  • the stator elements can have an angular offset to one another along the circumference of the stator such that the angular offset corresponds to ⁇ 1/3 of a period duration of the rotor during normal operation of the rotor.
  • the period duration of the rotor can be a time span in which the rotor rotates in accordance with an angle of a width of a rotor tooth and a width of an adjacent rotor tooth gap. For a three-phase current with three current phases, which are each 120 ° out of phase, this improves the uniformity of the torque produced.
  • the reluctance motor can include a plurality of stator segments. The number of stator segments can be a multiple of two. As a result, the achievable torque can be increased further.
  • stator segments can be arranged in pairs diametrically to one another with respect to the circumference of the stator. Pairs of stator segments can have an angular offset along the circumference of the stator with respect to the remaining pairs of stator segments in such a way that directional changes in inductance caused by the stator elements of the different stator segments are the same with regard to the torque acting on the rotor.
  • a first pair of stator segments can have an angular offset along the circumference of the stator with respect to a second pair of stator segments such that the angular offset corresponds to ⁇ 1/2 of the period of the rotor during normal operation of the rotor.
  • stator segments and / or stator elements can be energized with the corresponding proportions of a single three-phase current source, so that advantageously an additional power output stage can be saved.
  • stator segments which are arranged diametrically, can be set up in a series and / or parallel connection.
  • radial forces on the rotor can advantageously be avoided.
  • Applying the three-phase current to the windings of individual stator segments can be interrupted depending on the operating modes of the reluctance motor.
  • the power output of the reluctance motor can be adapted to the respective requirements if, for example, the homogeneity and / or the absolute value of the output power is of secondary importance for the respective operating mode.
  • the power output can in particular take place as a function of one of the following operating configurations: a motor operating mode, a generator operating mode, a braking operating mode, an emergency operating mode, an overload operating mode, an optimization or a desired efficiency, an overload in the event of an overload, as well as for starting and / or braking the reluctance motor .
  • this can provide redundancy and enable emergency operation in the event of a fault.
  • the three-phase current can have an essentially sinusoidal profile. This further reduces the torque ripple.
  • the stator can comprise several separate stator components. Each stator component can comprise at least one stator segment.
  • the stator can be modularly expandable with additional stator components. As a result, the reluctance motor can be adapted according to the respective needs with regard to the achievable torque.
  • stator elements belonging to a stator segment can also be distributed over the circumference of the stator. This means that the stator elements can be distributed in such a way that they are no longer arranged adjacently. Although this can generally result in increased workload during installation, the stator elements distributed over the circumference can be put together more closely (have small distances between them) than if they are grouped together in segments through clever positioning. The switching sequences and the advantages of modularity and reliability can also be retained in this configuration. However, if the available space is limited, this can improve the efficiency of the use of space.
  • a frequency f of the three-phase current can be determined based on a number of rotor teeth Az and a speed n of the rotor.
  • the frequency of the three-phase current can in particular be adapted to the speed of the rotor.
  • the reluctance motor can comprise a rotor position encoder or another sensor in order to be able to determine the position of the rotor and / or the speed of the rotor.
  • a data processing unit can be provided for this purpose.
  • the rotor position encoder can also determine when the energization of a stator element is activated and / or deactivated.
  • a stator segment comprising three stator elements can be formed on the basis of 7 or more rotor teeth, preferably on the basis of 8, more preferably on the basis of 9 rotor teeth. In any case, the design can also take place on more rotor teeth, for example 12, 15, 20 or up to 30.
  • the stator elements can be U-shaped, with two parallel legs and a yoke in between.
  • the stator element can also comprise more than two legs, for example three. Then the stator element can be E-shaped with two yokes.
  • the at least one winding assigned to the stator can be designed as a yoke winding. This makes more space available for the winding. Production can thereby be simplified in an unconventional way, since only a single winding has to be arranged on the stator element. Furthermore, the individual stator elements can thereby be positioned closer to one another, which leads to a more compact structure of the stator. Instead of the yoke, however, the stator element can also comprise windings on several legs. In the case of leg windings, the windings of a stator element can be configured as a series connection or a parallel connection, preferably a series connection.
  • the winding can be easily adapted to the requirements of the reluctance motor with regard to the material used and the number of windings.
  • the windings can be pushed onto the legs or the yoke in a simple manner.
  • a magnetic field is then induced in the material of the yoke and the legs of the stator element.
  • the magnetic field emerges through the end faces of the stator teeth, which are generally aligned with corresponding rotor teeth.
  • the legs of a stator element can have a spacing from one another which corresponds to a rotor tooth spacing or a multiple thereof. Depending on how large the distance between the legs is, the stator element has a corresponding size. The greater the distance between the legs of the stator elements, the greater the flux paths through the stator element, in particular its yoke. However, this allows the available winding space to be increased.
  • the legs of a stator element can also converge towards one another in the direction of the rotor.
  • the legs of a stator element can thus be arranged in the radial direction, with their longitudinal axis enclosing a predefined angle. This can improve the space utilization.
  • the stator teeth and / or the rotor teeth can be aligned parallel to the axis of rotation of the rotor. This results in a vertical arrangement of the reluctance motor, in which additional axial forces can arise. These axial forces can be used to reduce the required bearing forces.
  • the stator elements, in particular the legs or stator teeth, and / or the rotor teeth can in particular consist of a sintered material, for example sintered iron powder. Furthermore, a more compact design of the reluctance motor is possible due to the vertical arrangement or the parallel alignment to the axis of rotation of the rotor. Furthermore, this results in a higher flexural rigidity of both the rotor and the stator.
  • stator teeth and / or rotor teeth can be laminated.
  • the magnetic decoupling between the stator elements can be realized in that non-magnetic material is arranged between the stator elements, for example a plastic or aluminum.
  • the stator elements and / or stator segments can also be mounted on a basic component of the stator, which is formed from non-magnetic material.
  • the magnetic flux decoupling between the stator elements advantageously enables the windings of the different stator elements to be activated independently, advantageously being able to avoid stray magnetic currents (losses) between the stator elements.
  • a magnetic flux decoupling can also be provided between the stator segments.
  • a system is also provided.
  • the system can comprise at least one switched reluctance motor of the type described herein and a power output stage which provides a three-phase current for operating the switched reluctance motor.
  • the system set up in this way advantageously requires only a single power output stage to operate the reluctance motor.
  • the stator can also be a double stator.
  • the double stator can comprise an inner stator and an outer stator, between which the rotor is arranged. With this radial arrangement of the stators, the torque ripple can be further reduced.
  • the rotor can then comprise inner rotor teeth and outer rotor teeth, which can each be assigned to stator segments of the inner stator or of the outer stator.
  • the double stator can, however, also be arranged in the axial direction. In this case, a first stator is arranged above and a second stator below the rotor, so that advantageously space can be saved in the radial direction.
  • inner rotor teeth and outer rotor teeth can be opposite one another or have an angular offset with respect to the circumference of the rotor.
  • the double stator can also be formed by individual clamp-like stator elements, the legs of which are aligned with the rotor from two opposite sides.
  • Inner stator segments or inner stator elements can have an angular offset with respect to outer stator segments or outer stator elements. As a result, the torque ripple can be further reduced.
  • the double stator provides an additional degree of freedom with regard to the angular offset.
  • the double stator can also be designed in such a way if, namely, inner stator teeth and outer stator teeth have corresponding positions below or above the rotor, that nevertheless only a single power output stage is required. In this case, the inner stator segments and the outer stator segments can be arranged symmetrically to one another.
  • the double stator is designed as an inner stator and an outer stator
  • an additional reduction in torque ripple can be achieved in that the inner stator teeth overlap with the corresponding inner rotor teeth at a different point in time than the outer stator teeth with the corresponding outer rotor teeth.
  • the different times of overlap can be due to the different radius-dependent angular speeds of the respective end faces of the rotor teeth.
  • This additional reduction in torque ripple can be achieved with the same tooth widths of the inner stator teeth and outer stator teeth. In particular, no increase in the number of power output stages is required here.
  • the inner stator teeth and the outer stator teeth can also have different widths that correspond to the respective effective widths of the Rotor inner teeth and rotor outer teeth can be adapted.
  • the distance between legs of an outer stator element can be different from the distance between legs of an inner stator element.
  • Fig. 1 shows a simplified schematic representation of a reluctance motor
  • Fig. 3 shows a further simplified schematic representation of a reluctance motor
  • Fig. 4a shows a simplified schematic representation of a
  • Fig. 5 shows a further simplified schematic representation of the induced inductance
  • Fig. 6a shows a simplified schematic representation of a
  • 6b shows a further simplified schematic illustration of an outer stator element and an inner stator element with the same overlaps.
  • FIG. 1 shows a simplified schematic illustration of a reluctance motor 100.
  • the reluctance motor 100 is only partially shown here. In this respect, only one half of the reluctance motor is shown in FIG.
  • the reluctance motor 100 comprises a rotor 110 and a stator 120.
  • the reluctance motor 100 is designed as an external rotor motor.
  • the rotor 110 includes an annular base with rotor tooth spaces 112 and rotor teeth 114.
  • the rotor tooth spaces 112 have a width Brl and the rotor teeth have a width Brz.
  • the widths Brl and Brz are the same according to the present embodiment.
  • stator 120 comprises four stator segments, of which only two are shown.
  • the stator 120 could, however, also comprise only two stator segments.
  • Both stator segments 122, 124 include three stator elements 130.
  • stator elements 132a, 132b and 132c are circumferentially arranged.
  • a stator element 130 comprises a yoke 135 and two legs 134 (stator teeth) arranged in parallel.
  • a stator element 130 comprises two windings 136, 138, which are designed as leg windings in the region of the legs 134.
  • the leg windings 136, 138 are arranged in a series connection with respect to the coupling to the power output stage (not shown).
  • a stator element 130 also comprises recesses 140 by means of which the stator element can be fastened to a holding structure (not shown) of the stator 120.
  • Other fastening solutions are of course conceivable, e.g. press fits, holding elements, intermediate structures, clamps, etc.
  • stator elements 132a, 132b and 132c are magnetically decoupled from one another. This means that the magnetizable material by which the respective yokes 135 and legs 134 are formed is separate for different stator elements 130.
  • the rotor 110 is of course also separate, i.e. magnetically decoupled from the stator.
  • stator segments 122, 124 are also magnetically decoupled from one another.
  • the holding structure is formed by an essentially non-magnetic material, for example a plastic or aluminum.
  • a narrow air gap 150 is formed between the end faces of the legs 134 of the stator elements 130 and the end faces of the rotor teeth 114.
  • the rotor 110 is supported accordingly, so that the air gap 150 is ensured.
  • the air gap 150 is very narrow, in the present case it has a width of 2 mm. Typical widths of the air gap are in the range 0.35 mm to 5 mm. The width can also be larger or smaller than this range.
  • the adjacent stator elements 132a, 132c have a respective angular offset with corresponding rotor teeth 114 along different directions of the rotor 110.
  • Tr is the period of the rotor 110. This is the time span in which the rotor sweeps the width of a rotor tooth and an adjacent rotor tooth gap during normal operation.
  • the respective stator segments 122, 124 form with the assigned stator elements 130 each individual magnetic poles.
  • stator segments 122, 124 are arranged in pairs diametrically with the shown stator segments 122, 124.
  • the number of stator segments can also be odd. But then only the half-wave of the three-phase current of a single polarity can be used for application.
  • FIG. 2 shows a simplified schematic illustration of exemplary courses of the three-phase current 160a and the inductance 180a required for this.
  • the curves of the three-phase current 160a are shown by way of example in the upper diagram 155 and the inductance 180a in the lower diagram 157.
  • the upper diagram 155 shows the rotor angle 160 (in rad) on the horizontal axis and the current 170 (in A) on the vertical axis.
  • the three-phase current 160a comprises three different phases 162, 164 and 166, each of which has a phase shift of ⁇ 120 ° to one another.
  • Each phase of the three-phase current 160a comprises a positive half-wave and a negative half-wave. This is an example of the phase 162 shown on the basis of half waves 162a and 162b.
  • the polarity of the respective half waves 162a and 162b is delimited by the line of the zero crossing 172 of the current 170.
  • the windings 136, 138 of the stator elements 130 have the three-phase current 160a applied to them.
  • magnetic fields that are induced in the legs 134 when current is supplied to the leg windings 136, 138 can emerge from the end faces of the legs 134 of the stator elements 130, induce further magnetic fields in the end faces of the rotor teeth 114 and the magnetic fields via adjacent rotor teeth 114 of the rotor 110 Close circle.
  • the latter theoretically represents an unstable equilibrium position if the rotor is not already in motion.
  • the rotor 110 is then set in rotation by the sequence of energizing the different stator elements 130.
  • the angular offset between the stator elements 130 enables the different stator elements 130 to have the different phases 162, 164, 166 of the three-phase current 160a applied to them.
  • the angular offset of ⁇ 1/3 Tr between adjacent stator elements 130 corresponds to the phase shift of ⁇ 120 ° between the phases 162, 164, 166 of the three-phase current 160a.
  • the angular offset Vs between adjacent stator segments 122, 124 also enables the adjacent stator segments 122, 124 to be acted upon by half-waves of different polarity of the phases 162, 164, 166 of the three-phase current 160a. This means that the respective application of a winding takes place only then and only as long as the polarity does not change. While the windings of the stator segment 124 are acted upon with the proportions of positive polarity of the phases 162, 164, 166 of the three-phase current 160a, the windings of the stator segment 122 are acted upon with the proportions of negative polarity of the phases 162, 164, 166 of the three-phase current 160a. Of course, the activation of the application of the three-phase current takes place for neighboring ones Stator segments offset in time, which will be explained with reference to FIGS. 4a and 4b.
  • the middle stator element 130 of the right stator segment (in FIG. 1) is acted upon by the positive half-wave 162a of the phase 162 of the three-phase current 160a.
  • the loading of the stator element 130 ends when the half-wave 162a reaches the zero crossing 172.
  • the angular offset Vs between the stator segments makes it possible, at this point in time, to act on the middle stator element 130 of the adjacent stator segment 122 with the negative Half-wave 162b of phase 162 of three-phase current 160a is activated.
  • FIG. 3 shows a further simplified schematic illustration of a reluctance motor 100.
  • the previously illustrated concept of the reluctance motor 100 can be extended to higher-pole reluctance motors 100.
  • the number of stator segments which are arranged in a corresponding manner can be increased.
  • the relevant stator segments can be connected in parallel, corresponding to a diametrical simultaneous energization.
  • the stator elements 130 of the stator segments 122a, 122b, 126a and 126b could be energized simultaneously with the phase-dependent half-waves of the same polarity of the three-phase current 160a.
  • stator elements 130 of the remaining stator segments 124a, 124b, 128a and 128b would then be energized with the phase-dependent half-waves of the opposite polarity of the three-phase current 160a.
  • This has the advantage that the number of required power output stages is not increased. On the other hand, this increases the torque ripple.
  • the angular offset between adjacent stator segments 122a and 124a can be only ⁇ 1/4 Tr instead of ⁇ 1/2 Tr. However, this would require additional power output stages. In addition, the three-phase currents of the power output stages would have to be coordinated with one another. Again, in both solutions, the stator elements 130 would be energized simultaneously by diametrically arranged stator segments 122a, 122b in order to avoid radial forces.
  • the angular offset relationships shown in FIG. 3 are to be understood as exemplary. In this respect, the figure should only be the
  • the concept can also be transferred to reluctance motors 100 with an even higher polarity.
  • Figure 4a shows a simplified schematic representation of a
  • Stator element in non-overlapping (non-aligned) position.
  • the activation of the energization of the windings 136, 138 of a stator element 130 has an influence on the achievable current level and the current duration. If the current supply were already activated as long as the overlap with the corresponding rotor teeth 114 is still smaller (due to the movement and mass of the rotor), the reluctance force would be contrary to the
  • Figure 4b shows a simplified schematic representation of a
  • Stator element in aligned (overlapping, aligned) position.
  • the legs 134 are aligned with corresponding rotor teeth 114.
  • the reluctance motor includes suitable sensors, for example a rotor position encoder.
  • FIG. 5 shows a simplified schematic illustration of the induced inductance 194a with a realistic current flow.
  • the diagram 192 shows the rotor angle 194 (in °) on the horizontal axis and the inductance 196 (in mH) on the vertical axis.
  • the inductance curves 198a to 198f correspond to the energization of the stator elements 130 of different stator segments 122, 124 with the phase-dependent half-waves of different polarities of the three-phase current 160a. In contrast to the curve shown in FIG.
  • the current is supplied to the windings 136, 138 in the non-overlapping position of the rotor teeth 114 is activated and the frequency of the three-phase current 160a is adapted to the rotational speed of the rotor 110. Due to the extended range of a linear change in inductance (compared to FIG. 2), this results in an additional and considerable reduction in the ripple of the torque, in particular compared with a block current in the windings.
  • FIG. 6a shows a simplified schematic illustration of an outer stator element 225a and an inner stator element 235a with different overlaps.
  • the reluctance motor 200 is embodied here as a motor with a double stator.
  • the double stator comprises an outer stator 220 and an inner stator 230.
  • the outer stator 220 and the inner stator 230 are constructed in accordance with the stator 120.
  • Both the outer stator 220 and the inner stator 230 each comprise at least two stator segments. All stator segments each include three stator elements 130. In general, of course, there can also be more stator segments and more stator elements per stator segment. The latter would require a correspondingly increased number of phases of the alternating current and thus possibly also an increased number of power output stages.
  • the rotor 210 is arranged between the outer stator 220 and the inner stator 230 and accordingly has two air gaps 250a, 250b.
  • the rotor 210 therefore has rotor external teeth 214 and rotor internal teeth 216. In the present case, these are arranged at the same circumferential positions of the rotor 210. In general, they can also be offset from one another.
  • the reluctance motor 200 generally provides an additional degree of freedom with regard to the positioning and possible offset of the legs 134 of the stator elements 130 relative to the respectively corresponding rotor teeth 214, 216. With this additional degree of freedom, the ripple of the torque can be further reduced and the maximum achievable amount of the torque can be increased.
  • the design as a double stator leads to a further effect that reduces the torque ripple.
  • the two air gaps 250a, 250b are arranged at different radii. While the air gap 250a is arranged between the rotor 210 and the outer stator 220 at the outer radius Ra, the air gap 250b between the rotor 210 and the inner stator 230 is arranged at the inner radius Ri. This results in the rotor 210 having a different angular velocity at the end faces of the rotor outer teeth 214 than at the end faces of the rotor inner teeth 216.
  • the general direction of rotation according to this embodiment of the rotor 210 is counterclockwise.
  • the rotor inner teeth 216a, 216b overlap with the corresponding legs 242, 244 of the inner stator 230 at an earlier point in time than the rotor outer teeth 214a, 214b with the legs 246, 248 of the outer stator 220.
  • FIG. 6b shows a further simplified schematic illustration of an outer stator element 225a and an inner stator element 235a with the same Overlaps.
  • FIG. 6b shows the reference position of the rotor 210 in a fully overlapping position. If the rotor 210 continues to rotate, then the rotor inner teeth 216a, 216b overlap with the corresponding legs 242, 244 of the inner stator 230 until a later point in time than the rotor outer teeth 214a, 214b with the legs 246, 248 of the outer stator 220

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Synchronous Machinery (AREA)
  • Control Of Electric Motors In General (AREA)

Abstract

Der Reluktanzmotor (100) umfasst einen Rotor (110), wobei der Rotor eine Mehrzahl von bezüglich eines Umfangs des Rotors (110) regelmäßig angeordneten hervorstehenden Rotorzähnen (114) umfasst. Zudem umfasst der Reluktanzmotor (100) einen Stator (120), der zumindest zwei Statorsegmente (122,124) umfasst, wobei jedes Statorsegment (122,124) zumindest ein Statorelement (130) umfasst. Die Statorelemente (130) sind voneinander magnetisch entkoppelt. Jedes Statorelement (130) umfasst zumindest zwei hervorstehende Statorzähne (134), wobei jeder Statorzahn (134) mit zumindest einer dem jeweiligen Statorelement (130) zugeordneten Wicklung (136,138) zusammenwirkt. Die Wicklungen (136,138) sind mit einem elektrischen Strom derart beaufschlagbar, dass von den jeweiligen Statorzähnen (134) eines jeweiligen Statorelements (130) ausgehende magnetische Felder erzeugbar sind und ein auf den Rotor (110) einwirkendes und eine Rotation des Rotors (110) bewirkendes Drehmoment hervorrufbar ist. Die Wicklungen (136,138) der Statorelemente (130) werden zum Antrieb des Reluktanzmotors (100) mit einem Drehstrom beaufschlagt. Die Statorsegmente (130) sind derart bezüglich eines Umfangs des Stators (120) angeordnet, dass im Normalbetrieb des Reluktanzmotors (100) zumindest ein erstes Statorsegment (130) mit einer Halbwelle einer ersten Polarität des Drehstroms und zumindest ein zweites Statorsegment mit einer Halbwelle einer zweiten der ersten Polarität entgegengesetzten Polarität des Drehstroms beaufschlagt werden.

Description

Reluktanzmotor mit Drehstrom und System
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Reluktanzmotor mit Drehstrom und ein System.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Ein geschalteter Reluktanzmotor des Stands der Technik umfasst einen Stator und einen Rotor. Der Stator umfasst Statorzähne, denen zumindest eine Wicklung zugeordnet ist und die mit einem elektrischen Strom beaufschlagt werden können, wodurch ein magnetisches Feld erzeugt wird. Die Statorzähne wirken mittels der magnetischen Felder mit korrespondierenden Rotorzähnen zusammen, wodurch ein resultierendes Drehmoment bewirkt wird, das zur Rotation des Rotors und damit dem Antrieb des Motors führt. Das durch die magnetische Wechselwirkung erzeugte Drehmoment weist verglichen mit bekannten Drehfeldmotoren mit kontinuierlich umlaufendem Drehfeld konstruktionsbedingt eine höhere Drehmomentwelligkeit auf. Die Drehmomentwelligkeit ist von der relativen Position der Statorzähne und Rotorzähne abhängig. Das bedeutet, dass die vom Reluktanzmotor erzielte Leistung gewissen Schwankungen unterliegt.
Es ist bekannt, einen Winkelversatz von zumindest einigen Statorzähnen derart vorzusehen, dass die Bestromung unterschiedlicher Statorzähne und die Überdeckung der Statorzähne mit korrespondierenden Rotorzähnen zu unterschiedlichen Zeitpunkten stattfindet. Dadurch kann die Drehmomentwelligkeit reduziert werden. Allerdings ist für eine Bestromung der Wicklungen der Statorzähne zu unterschiedlichen Zeitpunkten jeweils eine unabhängige Leistungsendstufe erforderlich, um die unterschiedlichen Einschaltzeitpunkte realisieren zu können. Die entsprechenden zusätzlichen Leistungsendstufen verursachen jedoch hohe Kosten für das Gesamtsystem bestehend aus Reluktanzmotor und Leistungselektronik. ZUSAMMENFASSUNG
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, die Nachteile von bekannten geschalteten Reluktanzmotoren auszuräumen oder zumindest zu verringern.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
Es wird unter anderem ein Reluktanzmotor bereitgestellt. Das kann ein geschalteter Reluktanzmotor sein. Der Reluktanzmotor kann einen Rotor umfassen. Der Rotor kann eine Mehrzahl von bezüglich eines Umfangs des Rotors regelmäßig angeordneten hervorstehenden Rotorzähnen umfassen. Der Reluktanzmotor kann auch einen Stator umfassen. Der Stator kann zumindest zwei Statorsegmente umfassen. Jedes Statorsegment kann zumindest ein Statorelement umfassen. Die Statorelemente können voneinander magnetisch entkoppelt sind. Jedes Statorelement kann zumindest zwei hervorstehende Statorzähne (Schenkel) umfassen. Jeder Statorzahn kann mit zumindest einer dem jeweiligen Statorelement zugeordneten Wicklung Zusammenwirken. Die Wicklungen können mit einem elektrischen Strom derart beaufschlagbar sein, dass von den jeweiligen Statorzähnen eines jeweiligen Statorelements ausgehende magnetische Felder erzeugbar sind und ein auf den Rotor einwirkendes und eine Rotation des Rotors bewirkendes Drehmoment hervorrufbar ist. Die Wicklungen der Statorelemente können zum Antrieb des Reluktanzmotors mit einem Drehstrom beaufschlagt werden. Die Statorsegmente können derart bezüglich eines Umfangs des Stators angeordnet sein, dass im Normalbetrieb des Reluktanzmotors zumindest ein erstes Statorsegment mit einer Halbwelle einer ersten Polarität des Drehstroms und zumindest ein zweites Statorsegment mit einer Halbwelle einer zweiten der ersten Polarität entgegengesetzten Polarität des Drehstroms beaufschlagt werden. Der so eingerichtete Reluktanzmotor ermöglicht es, lediglich eine einzige Leistungsendstufe zu nutzen und gleichzeitig dennoch eine vorteilhafte Reduzierung der Drehmomentwelligkeit zu bewirken.
Im Sinne der vorliegenden Patentanmeldung ist dabei unter einer Leistungsendstufe eine elektronische Komponente zu verstehen, mittels der eine Leistungsversorgung einer Wicklung oder eines elektrisch verbundenen Wicklungsstrangs bereitgestellt werden kann. Insofern kann eine
Leistungsendstufe als Sammelbegriff der elektronischen Stromversorgung der Wicklungen des Motors angesehen werden. Die Leistungsendstufe kann intern mehrere äquidistant aufgebaute Kanäle entsprechend der gewünschten Phasenanzahl des Systems umfassen. Die n-phasige Leistungsendstufe kann ein Teil eines Wechselrichters sein, um die Wicklungen von n unterschiedlichen Phasen mit elektrischer Energie zu versorgen. Der Wechselrichter kann leistungselektronische Schalter umfassen, z.B. Bipolartransistoren mit isolierter Gate- Elektrode (IGBTs).
Der Reluktanzmotor kann ein Außenläufermotor mit einem Rotor sein, der umfänglich um den Stator angeordnet ist. Der Reluktanzmotor kann auch ein Innenläufermotor sein.
Durch ein Statorsegment kann ein Statorpol ausgebildet sein. Die Statorpole können umfangsmäßig zumindest paarweise symmetrisch, insbesondere diametral angeordnet sein. Je nach Betrachtungsweise kann ein Statorpol auch durch ein Statorelement ausgebildet sein.
Der Reluktanzmotor kann zumindest ein drittes Statorsegment und ein viertes Statorsegment umfassen. Das dritte Statorsegment kann mit dem ersten Statorsegment elektrisch parallel geschaltet sein. Das vierte Statorsegment kann mit dem zweiten Statorsegment elektrisch parallel geschaltet sein. Dadurch kann vorteilhaft das erzielbare Drehmoment erhöht werden, ohne das die Komplexität des elektrischen Versorgungskreises zunimmt.
Jedes Statorsegment kann eine erste Anzahl voneinander beabstandeter Statorelemente umfassen. Der Drehstrom kann eine zweite Anzahl an Phasen umfassen. Die erste Anzahl kann ein Vielfaches der zweiten Anzahl sein. Insbesondere kann die erste Anzahl auch gleich der zweiten Anzahl sein. Weiter kann die erste Anzahl und die zweite Anzahl drei sein. Für einen n-phasigen Drehstrom können zur elektrischen Versorgung n Leistungsendstufen benötigt werden. Ein Statorsegment mit drei Statorelementen, die entsprechend drei phasig bestromt werden, kann die Festlegung einer eindeutigen Drehrichtungszuordnung entsprechend der Bestromung ermöglichen. Die Mehrphasigkeit des Drehstroms ermöglicht einerseits das erzielbare Drehmoment weiter zu erhöhen, aber dabei die Drehmomentwelligkeit gegenüber einer entsprechenden Blockbestromungskonfiguration vorteilhaft zu reduzieren. Auch kann die Anzahl der Statorelemente an die Phasenanzahl angepasst sein, falls letztere nicht drei sein sollte. Dies führt wiederum zu einer Reduktion der Drehmomentwelligkeit.
Für jede Phase des Drehstroms kann zumindest eine Wicklung eines Statorelements für jedes Statorsegment mit dieser Phase des Drehstroms beaufschlagt werden. Der Drehstrom kann insbesondere drei Phasen umfassen. Die Phasen des Drehstroms können untereinander eine Phasenverschiebung von ±120° aufweisen. Im Falle von einer größeren Phasenanzahl ergibt sich die Phasenverschiebung entsprechend. Dadurch wird die Gleichförmigkeit des bewirkten Drehmoments erhöht bzw. die Drehmomentwelligkeit reduziert.
Die beabstandeten Statorelemente können einen Winkelversatz entlang eines Umfangs des Stators zueinander derart aufweisen, dass durch die unterschiedlichen Statorelemente bewirkte richtungsbehaftete Induktivitätsänderungen bezüglich des auf den Rotor einwirkenden Drehmoments gleich sind. Insbesondere können benachbarte Statorelemente einen derartigen Winkelversatz aufweisen. Das bedeutet, dass der Winkelversatz der Statorelemente bezüglich der korrespondierenden Rotorzähne derart sein kann, dass alle Statorzähne im Falle der Bestromung der jeweils zugeordneten Wicklung vorteilhaft eine gleiche Wirkung auf den Rotor ausüben. In anderen Worten kann der Winkelversatz zwischen den Statorelementen derart sein, dass gleiche Drehmomente durch die Statorelemente bewirkt werden, obwohl die zugeordneten Wicklungen mit unterschiedlichen Phasen des Drehstroms beaufschlagt werden. Der Winkelversatz der Statorelemente kann also an die Phasenverschiebung zwischen den Phasen des Drehstroms im Normalbetrieb angepasst sein. Der Winkelversatz bewirkt, dass die Statorzähne der jeweiligen Statorelemente nicht gleichzeitig mit korrespondierenden Rotorzähnen fluchten. Dadurch wird die Drehmomentwelligkeit weiter reduziert.
Generell werden im Betrieb des Reluktanzmotors durch die verschiedenen Wechselwirkungen der Rotorzähne mit Statorzähnen Oberwellen des Drehmoments angeregt. Diesbezüglich kann der Winkelversatz der Statorelemente auch derart angepasst sein, dass bestimmte Oberwellen des generierten Drehmoments ausgelöscht werden können. Vorteilhafterweise kann der Reluktanzmotor also eingerichtet sein, bestimmte Oberwellen auszulöschen. Zwischen Spannung und Strom kann für jede Phase des Drehstroms eine Phasenverschiebung vorhanden sein. Die Spannung kann jeweils voreilend im Spannungsmaximum für die entsprechende Phase des Drehstroms derart eingeprägt werden, dass ein Stromfluss bei nicht-überdeckender (unausgerichteter) Zahnstellung zwischen den Rotorzähnen und den Statorzähnen beginnt und bei vollständig-überdeckender (ausgerichteter) Zahnstellung endet. Ein Verzögerungswinkel zwischen Spannung und Strom kann insbesondere mehr als 85° und weniger als 90°, jeweils bezogen auf den Nulldurchgang, betragen. Die Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung kann aus ohmschen und induktiven Komponenten der Wicklungen der Statorelemente resultieren. Nachteilige Auswirkungen dieser Komponenten können durch die voreilende Spannungseinprägung vermieden werden. Der annähernd dreieckförmige Verlauf des resultierenden Induktivitätsverlaufs führt zu einer sehr geringen Drehmomentwelligkeit. Dadurch wird auch die Geräuscherzeugung verringert.
Die Beaufschlagung einer einem Statorelement zugeordneten Wicklung mit dem Drehstrom kann dann aktiviert werden, wenn die Statorzähne des Statorelements nicht fluchtend (unausgerichtet bzw. nicht-überdeckend) mit korrespondierenden Rotorzähnen angeordnet sind. Dadurch wird die Zeitspanne, in der die Bestromung der Wicklung mit dem Drehstrom aufrechterhalten werden kann, maximiert, wodurch die Leistungsausbeute des Reluktanzmotors verbessert wird.
Eine Breite aller Rotorzähne und aller zwischen den Rotorzähnen angeordneten Rotorzahnlücken kann gleich sein. Die Statorelemente können bezüglich des Rotors einen Winkelversatz entlang des Umfangs des Stators zueinander derart aufweisen, dass der Winkelversatz ±1/3 einer Periodendauer des Rotors im Normalbetrieb des Rotors entspricht. Die Periodendauer des Rotors kann eine Zeitspanne sein, in der der Rotor entsprechend einem Winkel einer Breite eines Rotorzahns und einer Breite einer benachbarten Rotorzahnlücke rotiert. Für einen Drehstrom mit drei Stromphasen, die jeweils 120° phasenversetzt sind, wird dadurch die Gleichförmigkeit des bewirkten Drehmoments verbessert. Der Reluktanzmotor kann eine Vielzahl von Statorsegmenten umfassen. Die Anzahl an Statorsegmenten kann ein Vielfaches von zwei sein. Dadurch kann das erzielbare Drehmoment weiter erhöht werden.
Für eine Anzahl an Statorsegmenten größer oder gleich vier können die Statorsegmente paarweise bezüglich des Umfangs des Stators diametral zueinander angeordnet sein. Paare von Statorsegmenten können einen Winkelversatz entlang des Umfangs des Stators bezüglich der jeweils übrigen Paare von Statorsegmenten derart aufweisen, dass durch die Statorelemente der unterschiedlichen Statorsegmente bewirkte richtungsbehaftete Induktivitätsänderungen bezüglich des auf den Rotor einwirkenden Drehmoments gleich sind. In anderen Worten kann ein erstes Paar von Statorsegmenten einen Winkelversatz entlang des Umfangs des Stators bezüglich eines zweiten Paars von Statorsegmenten derart aufweisen, dass der Winkelversatz ±1/2 der Periodendauer des Rotors im Normalbetrieb des Rotors entspricht. Dadurch können diametral angeordnete Statorsegmente und/oder Statorelemente mit den entsprechenden Anteilen einer einzigen Drehstromquelle bestromt werden, so dass vorteilhafterweise eine zusätzliche Leistungsendstufe eingespart werden kann. Dementsprechend können die Statorsegmente, die diametral angeordnet sind, in einer Reihen- und/oder Parallelschaltung eingerichtet sein. Zudem können vorteilhafterweise Radialkräfte auf den Rotor vermieden werden.
Eine Beaufschlagung der Wicklungen einzelner Statorsegmente mit dem Drehstrom kann in Abhängigkeit von Betriebsmodi des Reluktanzmotors unterbrochen werden. Dadurch kann die Leistungsausgabe des Reluktanzmotors an die jeweiligen Bedürfnisse angepasst werden, falls beispielsweise die Homogenität und/oder der Absolutwert der ausgegebenen Leistung für den jeweiligen Betriebsmodus von untergeordneter Rolle ist. Die Leistungsausgabe kann insbesondere in Abhängigkeit einer der folgenden Betriebskonfigurationen erfolgen: eines Motorbetriebsmodus, eines Generatorbetriebsmodus, eines Bremsbetriebsmodus, eines Notbetriebsmodus, eines Überlastbetriebsmodus, einer Optimierung oder einem gewünschten Wirkungsgrad, einer Überlast im Überlastfall, sowie für den Anlauf und/oder das Abbremsen des Reluktanzmotors. Zudem kann dadurch eine Redundanz bereitgestellt werden und ein Notbetrieb im Fehlerfall ermöglicht werden. Der Drehstrom kann einen im Wesentlichen sinusförmigen Verlauf aufweisen. Dadurch wird die Drehmomentwelligkeit weiter reduziert.
Der Stator kann mehrere separate Statorkomponenten umfassen. Jede Statorkomponente kann zumindest ein Statorsegment umfassen. Der Stator kann um zusätzliche Statorkomponenten modular erweiterbar sein. Dadurch kann der Reluktanzmotor nach den jeweiligen Bedürfnissen in Bezug auf das erzielbare Drehmoment angepasst werden.
Um Platz zu sparen, können zu einem Statorsegment zugehörende Statorelemente auch über den Umfang des Stators verteilt werden. Das bedeutet, dass die Statorelemente derart verteilt werden können, dass sie nicht mehr benachbart angeordnet sind. Dadurch kann zwar im Allgemeinen ein erhöhter Arbeitsaufwand bei der Installation anfallen, die über den Umfang verteilten Statorelemente können aber durch eine geschickte Positionierung enger zusammengesetzt werden (geringe Abstände untereinander aufweisen), als wenn sie segmentweise zusammengefasst sind. Auch in dieser Konfiguration können die Schaltfolgen und die Vorteile der Modularität und Ausfallsicherheit beibehalten werden. Falls der zur Verfügung stehende Platz aber begrenzt ist, kann die Effizienz der Raumnutzung aber dadurch verbessert werden.
Eine Frequenz f des Drehstroms kann basierend auf einer Rotorzahnanzahl Az und einer Drehzahl n des Rotors bestimmbar sein. Die Frequenz f des Drehstroms kann insbesondere bestimmbar sein als f = Az n. Dadurch wird die Leistungsausbeute vorteilhaft je nach Betriebsmodus verbessert. Die Frequenz des Drehstroms kann insbesondere an die Drehzahl des Rotors angepasst sein.
Der Reluktanzmotor kann einen Rotorlagegeber oder einen anderen Sensor umfassen, um die Position des Rotors und/oder die Drehzahl des Rotors bestimmen zu können. Dazu kann eine Datenverarbeitungseinheit vorgesehen sein. Durch den Rotorlagegeber kann auch bestimmbar sein, wann die Bestromung eines Statorelements aktiviert und/oder deaktiviert wird.
Ein Statorsegment umfassend drei Statorelemente kann auf Basis von 7 oder mehr Rotorzähnen ausgebildet sein, vorzugsweise auf Basis von 8, weiter vorzugsweise auf Basis von 9 Rotorzähnen. In jedem Fall kann die Auslegung aber auch auf mehr Rotorzähnen stattfinden, beispielsweise 12, 15, 20 oder bis zu 30. Die Statorelemente können U-förmig ausgebildet sein, mit zwei parallelen Schenkeln und einem dazwischenliegenden Joch. Das Statorelement kann auch mehr als zwei Schenkel umfassen, beispielsweise drei. Dann kann das Statorelement E-förmig ausgebildet sein mit zwei Jochen.
Die zumindest eine dem Stator zugeordnete Wicklung kann als Jochwicklung ausgebildet sein. Dadurch wird für die Wicklung mehr Raum zur Verfügung gestellt. Die Herstellung kann dadurch in unkonventioneller Weise vereinfacht sein, da nur eine einzige Wicklung am Statorelement angeordnet werden muss. Des Weiteren können die einzelnen Statorelemente hierdurch näher zueinander positioniert werden, was zu einem kompakteren Aufbau des Stators führt. Anstelle des Jochs, kann das Statorelement aber auch Wicklungen an mehreren Schenkeln umfassen. Die Wicklungen eines Statorelements können im Falle der Schenkelwicklungen als Reihenschaltung oder Parallelschaltung, vorzugsweise Reihenschaltung, ausgebildet sein.
Die Wicklung kann in einfacher Weise bezüglich des verwendeten Materials und der Wicklungsanzahl an die Erfordernisse des Reluktanzmotors angepasst werden. Die Wicklungen können in einfacher Weise auf die Schenkel bzw. das Joch aufgeschoben werden. Bei Bestromung der Wicklung wird dann ein Magnetfeld im Material des Jochs und der Schenkel des Statorelements induziert. Das Magnetfeld tritt durch die Stirnflächen der Statorzähne, die generell korrespondierenden Rotorzähnen zugerichtet sind, heraus.
Die Schenkel eines Statorelements können einen Abstand zueinander haben, der einem Rotorzahnabstand entspricht oder einem Vielfachen davon. Je nachdem wie groß der Abstand der Schenkel zueinander ist, weist das Statorelement eine entsprechende Größe auf. Je größer der Abstand der Schenkel der Statorelemente ist, desto größer sind die Flusswege durch das Statorelement, insbesondere dessen Joch. Hierdurch lässt sich jedoch der zur Verfügung stehende Wicklungsraum erhöhen.
Die Schenkel eines Statorelements können auch in Richtung des Rotors aufeinander zulaufen. Die Schenkel eines Statorelements können also in radialer Richtung angeordnet sein, wobei ihre Längserstreckungsachse einen vordefinierten Winkel einschließt. Dadurch kann die Raumausnutzung verbessert werden. Ferner können die Statorzähne und/oder die Rotorzähne parallel zur Drehachse des Rotors ausgerichtet sein. Hierdurch ergibt sich eine vertikale Anordnung des Reluktanzmotors, bei der zusätzlich axiale Kräfte entstehen können. Diese Axialkräfte können genutzt werden, um die benötigten Lagerkräfte zu reduzieren. Die Statorelemente, insbesondere die Schenkel bzw. Statorzähne, und/oder die Rotorzähne können hierbei insbesondere aus einem gesinterten Material bestehen, beispielsweise gesintertem Eisenpulver. Des Weiteren ist durch die vertikale Anordnung bzw. die parallele Ausrichtung zur Drehachse des Rotors ein kompakterer Aufbau des Reluktanzmotors möglich. Ferner ergibt sich hierbei eine höhere Biegesteifigkeit sowohl des Rotors als auch des Stators.
Die Statorzähne und/oder Rotorzähne können geblecht ausgeführt sein.
Die magnetische Entkopplung zwischen den Statorelementen kann dadurch realisiert werden, dass nicht-magnetisches Material zwischen den Statorelementen angeordnet ist, zum Beispiel ein Kunststoff oder Aluminium. Die Statorelemente und/oder Statorsegmente können auch an einer Basiskomponente des Stators montiert sein, die aus nicht-magnetischen Material ausgebildet ist. Die Magnetflussentkopplung zwischen den Statorelementen ermöglicht vorteilhaft, die unabhängige Aktivierung der Wicklungen der unterschiedlichen Statorelemente, wobei vorteilhafterweise magnetische Streuströme (Verluste) zwischen den Statorelementen vermieden werden können. Eine Magnetflussentkopplung kann auch zwischen den Statorsegmenten vorgesehen sein.
Es wird auch ein System bereitgestellt. Das System kann zumindest einen geschalteten Reluktanzmotor der hierin beschriebenen Art und eine Leistungsendstufe, die einen Drehstrom zum Betrieb des geschalteten Reluktanzmotors bereitstellt, umfassen. Das derart eingerichtete System erfordert vorteilhafterweise zum Betrieb des Reluktanzmotors nur eine einzige Leistungsendstufe.
Der Stator kann auch ein Doppelstator sein. Der Doppelstator kann einen Innenstator und einen Außenstator umfassen, zwischen denen der Rotor angeordnet ist. Bei dieser radialen Anordnung der Statoren, kann die Drehmomentwelligkeit weiter reduziert werden. Der Rotor kann dann Innenrotorzähne und Außenrotorzähne umfassen, die jeweils Statorsegmenten des Innenstators bzw. des Außenstators zugeordnet sein können. Der Doppelstator kann aber auch in axialer Richtung angeordnet sein. In diesem Fall ist ein erster Stator oberhalb und ein zweiter Stator unterhalb des Rotors angeordnet, so dass vorteilhafterweise eine Platzersparnis in radialer Richtung erzielbar ist. In beiden Fällen können sich Innenrotorzähne und Außenrotorzähne gegenüberliegen oder einen Winkelversatz bezüglich des Umfangs des Rotors zueinander aufweisen.
Der Doppelstator kann auch durch einzelne Klammer-artige Statorelemente ausgebildet sein, deren Schenkel dem Rotor von zwei gegenüberliegenden Seiten aus zugerichtet sind.
Innenstatorsegmente bzw. Innenstatorelemente können einen Winkelversatz gegenüber Außenstatorsegmenten bzw. Außenstatorelementen aufweisen. Dadurch kann die Drehmomentwelligkeit weiter reduziert werden. Es wird durch den Doppelstator ein zusätzlicher Freiheitsgrad in Bezug auf den Winkelversatz bereitgestellt. Der Doppelstator kann auch derart ausgebildet sein, falls nämlich Innenstatorzähne und Außenstatorzähne korrespondierende Positionen unterhalb bzw. oberhalb des Rotors aufweisen, dass dennoch lediglich eine einzelne Leistungsendstufe benötigt wird. In diesem Fall können die Innenstatorsegmente und die Außenstatorsegmente symmetrisch zueinander angeordnet sein.
Ist der Doppelstator als Innenstator und Außenstator ausgebildet, kann eine zusätzliche Reduzierung der Drehmomentwelligkeit dadurch erzielt werden, dass die Innenstatorzähne mit den korrespondierenden Innenrotorzähnen zu einem anderen Zeitpunkt überdecken als die Außenstatorzähne mit den korrespondierenden Außenrotorzähnen. Die unterschiedlichen Zeitpunkte der Überdeckung können in den unterschiedlichen radien-abhängigen Winkelgeschwindigkeiten der jeweiligen Stirnflächen der Rotorzähne begründet sein. Diese zusätzliche Reduktion der Drehmomentwelligkeit kann bei gleichen Zahnbreiten der Innenstatorzähne und Außenstatorzähne erzielt werden. Insbesondere ist hierbei keine Erhöhung der Anzahl der Leistungsendstufen erforderlich.
Die Innenstatorzähne und die Außenstatorzähne können aber auch unterschiedliche Breiten aufweisen, die an die jeweiligen Effektivbreiten der Rotorinnenzähne und Rotoraußenzähne angepasst sein können. In diesem Fall kann der Abstand zwischen Schenkeln eines Außenstatorelements vom Abstand zwischen Schenkeln eines Innenstatorelements verschieden sein.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Fig. 1 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung eines Reluktanzmotors,
Fig. 2 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung beispielhafter Verläufe des Drehstroms und der bewirkten Induktivität,
Fig. 3 zeigt eine weitere vereinfachte schematische Darstellung eines Reluktanzmotors,
Fig. 4a zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung eines
Statorelements in nicht-überdeckender Position,
Fig. 4b zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung eines
Statorelements in ausgerichteter Position,
Fig. 5 zeigt eine weitere vereinfachte schematische Darstellung der bewirkten Induktivität,
Fig. 6a zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung eines
Außenstatorelements und eines Innenstatorelements mit unterschiedlichen Überdeckungen,
Fig. 6b zeigt eine weitere vereinfachte schematische Darstellung eines Außenstatorelements und eines Innenstatorelements mit gleichen Überdeckungen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Figur 1 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung eines Reluktanzmotors 100. Der Reluktanzmotor 100 ist vorliegend nur teilweise gezeigt. Insofern ist nur eine Hälfte des Reluktanzmotors in Figur 1 gezeigt.
Der Reluktanzmotor 100 umfasst einen Rotor 110 und einen Stator 120. Der Reluktanzmotor 100 ist als Außenläufermotor ausgebildet. Der Rotor 110 umfasst eine ringförmige Basis mit Rotorzahnlücken 112 und Rotorzähnen 114. Die Rotorzahnlücken 112 weisen eine Breite Brl und die Rotorzähne eine Breite Brz auf. Die Breiten Brl und Brz sind gemäß der vorliegenden Ausführungsform gleich.
Der Stator 120 umfasst vorliegend vier Statorsegmente, von denen aber nur zwei gezeigt sind. Der Stator 120 könnte aber auch nur zwei Statorsegmente umfassen. Beide Statorsegmente 122, 124 umfassen drei Statorelemente 130. Wie in Bezug auf das Statorsegment 122 gezeigt, sind die Statorelemente 132a, 132b und 132c umfangsmäßig angeordnet.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform umfasst ein Statorelement 130 ein Joch 135 und zwei parallel angeordnete Schenkel 134 (Statorzähne). Zudem umfasst ein Statorelement 130 zwei Wicklungen 136, 138, die im Bereich der Schenkel 134 als Schenkelwicklungen ausgebildet sind. Die Schenkelwicklungen 136, 138 sind vorliegend bezüglich der Kopplung zur Leistungsendstufe (nicht dargestellt) entsprechend einer Reihenschaltung angeordnet. Ein Statorelement 130 umfasst zudem Ausnehmungen 140 mittels denen das Statorelement an einer Haltestruktur (nicht gezeigt) des Stators 120 befestigt werden kann. Andere Befestigungslösungen sind natürlich denkbar, z.B. Presspassungen, Halteelemente, Zwischenstrukturen, Klemmungen, etc.. Die Statorelemente 132a, 132b und 132c sind voneinander magnetisch entkoppelt. Das bedeutet, dass das magnetisierbare Material, durch das die jeweiligen Joche 135 und Schenkel 134 gebildet werden, für verschiedene Statorelemente 130 separat ist. Auch ist der Rotor 110 natürlich separat, d.h. magnetisch vom Stator entkoppelt. Zudem sind auch die Statorsegmente 122, 124 voneinander magnetisch entkoppelt. Die Haltestruktur wird durch im Wesentlichen nichtmagnetisches Material gebildet, beispielsweise ein Kunststoff oder Aluminium.
Zwischen den Stirnflächen der Schenkel 134 der Statorelemente 130 und den Stirnflächen der Rotorzähne 114 ist ein schmaler Luftspalt 150 ausgebildet. Der Rotor 110 ist entsprechend gelagert, so dass der Luftspalt 150 gewährleistet wird. Jedoch ist der Luftspalt 150 sehr schmal, vorliegend weist er eine Breite von 2 mm auf. Typische Breiten des Luftspalts liegen im Bereich 0,35 mm bis 5 mm. Die Breite kann auch größer oder kleiner als dieser Bereich sein.
Die Statorelemente 132a bis 132c sind bezüglich korrespondierender Rotorzähne 114 entlang des Umfangs des Stators 120 versetzt. Benachbarte Statorelemente 130 weisen also einen Winkelversatz relativ zu korrespondierenden Rotorzähnen 114 auf. Für die hier gezeigte Stellung des Rotors 110 fluchten die Schenkel 134 des mittleren Statorelements 132b mit korrespondierenden Rotorzähnen 114. Deshalb ist für das mittlere Statorelement 132b kein Versatz V2 vorhanden, V2 = 0. Die benachbarten Statorelemente 132a, 132c weisen einen jeweiligen Winkelversatz mit korrespondierenden Rotorzähnen 114 entlang unterschiedlicher Richtungen des Rotors 110 auf. Für das vom mittleren Statorelement 132b ausgesehen linke Statorelement 132a (entgegen dem Uhrzeigersinn) gilt für den Versatz V 1 = 1/3 Tr. Für das vom mittleren Statorelement 132b ausgesehen rechte Statorelement 132a (im Uhrzeigersinn) gilt für den Versatz V3 = 1/3 Tr. Dabei ist Tr die Periode des Rotors 110. Das ist die Zeitspanne in der der Rotor im Normalbetrieb die Breite eines Rotorzahns und einer benachbarten Rotorzahnlücke überstreicht.
Zwischen benachbarten Statorsegmenten liegt ebenfalls ein Winkelversatz vor. Betrachtet man die jeweils mittleren Statorelemente 130 der beiden Statorsegmente 122, 124, erkennt man, dass der Winkelversatz zwischen den Statorsegmenten 122, 124 die halbe Rotorperiode beträgt Vs = ±1/2 Tr. Die jeweiligen Statorsegmente 122, 124 mit den zugeordneten Statorelementen 130 bilden dabei jeweils einzelne magnetische Pole aus.
Die nicht gezeigten restlichen Statorsegmente sind paarweise mit den gezeigten Statorsegmenten 122, 124 diametral angeordnet.
Im Allgemeinen kann die Anzahl an Statorsegmenten auch ungerade sein. Dann kann aber nur die Halbwelle des Drehstroms einer einzelnen Polarität zur Beaufschlagung genutzt werden.
Figur 2 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung beispielhafter Verläufe des Drehstroms 160a und der dazu notwendigen Induktivität 180a. Die Verläufe des Drehstroms 160a sind im oberen Diagramm 155 und der Induktivität 180a im unteren Diagramm 157 beispielhaft gezeigt. Das obere Diagramm 155 zeigt auf der horizontalen Achse den Rotorwinkel 160 (in rad) und auf der vertikalen Achse den Strom 170 (in A) an. Der Drehstrom 160a umfasst drei verschiedene Phasen 162, 164 und 166, die jeweils eine Phasenverschiebung von ±120° zueinander aufweisen. Jede Phase des Drehstroms 160a umfasst eine positive Halbwelle und eine negative Halbwelle. Das ist beispielhaft für die Phase 162 anhand der Halbwellen 162a und 162b gezeigt. Die Polarität der jeweiligen Halbwellen 162a und 162b ist durch die Linie des Nulldurchgangs 172 des Stroms 170 abgegrenzt.
Generell werden die Wicklungen 136, 138 der Statorelemente 130 mit dem Drehstrom 160a beaufschlagt. Dadurch können Magnetfelder, die in den Schenkeln 134 bei Bestromung der Schenkelwicklungen 136, 138 induziert werden, aus den Stirnflächen der Schenkel 134 der Statorelemente 130 austreten, in den Stirnflächen der Rotorzähne 114 weitere magnetische Felder induzieren und über benachbarte Rotorzähne 114 des Rotors 110 den magnetischen Kreis schließen. Dies zieht schlussendlich eine Bewegung des Rotors nach sich, falls die Schenkel 134 des bestromten Statorelements 130 nicht mit korrespondierenden Rotorzähnen 114 fluchten, sondern nur teilweise oder gar nicht überdecken. Letzteres stellt theoretisch eine instabile Gleichgewichtsposition dar, falls der Rotor nicht schon in Bewegung ist. Durch die Abfolge der Bestromung der unterschiedlichen Statorelemente 130 wird dann der Rotor 110 in Rotation versetzt.
Der Winkelversatz zwischen den Statorelementen 130 ermöglicht, dass die unterschiedlichen Statorelemente 130 mit den unterschiedlichen Phasen 162, 164, 166 des Drehstroms 160a beaufschlagt werden. Insofern korrespondiert der Winkelversatz von ±1/3 Tr zwischen benachbarten Statorelementen 130 mit der Phasenverschiebung von ±120° zwischen den Phasen 162, 164, 166 des Drehstroms 160a.
Der Winkelversatz Vs zwischen benachbarten Statorsegmenten 122, 124 ermöglicht es zudem, dass die benachbarten Statorsegmente 122, 124 mit Halbwellen unterschiedlicher Polarität der Phasen 162, 164, 166 des Drehstroms 160a beaufschlagt werden. Das bedeutet, dass die jeweilige Beaufschlagung einer Wicklung nur dann und nur solange erfolgt, wie sich die Polarität nicht ändert. Während also die Wicklungen des Statorsegments 124 mit den Anteilen positiver Polarität der Phasen 162, 164, 166 des Drehstroms 160a beaufschlagt werden, werden die Wicklungen des Statorsegments 122 mit den Anteilen negativer Polarität der Phasen 162, 164, 166 des Drehstroms 160a beaufschlagt. Natürlich erfolgt die Aktivierung der Beaufschlagung mit dem Drehstrom für benachbarte Statorsegmente zeitversetzt, was mit Bezug auf die Figuren 4a und 4b noch erläutert wird.
Die Wicklungen von diametral angeordneten Statorsegmenten werden hingegen gleichzeitig mit den entsprechenden Phasen 162, 164, 166 des Drehstroms 160a beaufschlagt. So wird vorteilhafterweise das Auftreten von Radialkräften vermieden. Somit ist es aufgrund der spezifischen Winkelversatzbeziehungen anhand des dreiphasigen Drehstroms 160a möglich, zwei Paare von jeweils diametral angeordneten Statorsegmenten mit jeweils drei Statorelementen mit nur einem einzigen drei-phasigen Drehstromsignal 160a zu betreiben. Dazu ist werden vorteilhafterweise lediglich drei Leistungsendstufen (entsprechend der Phasenanzahl) benötigt. Im Gegensatz dazu würden bei Blockbestromung wegen des Winkelversatzes zwischen den Statorsegmenten und des Winkelversatzes zwischen den Statorelementen sechs Leistungsendstufen benötigt werden.
Die spezifische Anordnung ermöglicht es, dass dennoch für jegliche Statorelemente trotz der Nutzbarmachung positiver und negativer Halbwellen immer die gleiche Induktivitätsänderung erzielt wird (im Rahmen der üblichen Fertigungstoleranzen und systembedingten Abweichungen). Dies ist beispielhaft im unteren Diagramm 157 von Figur 2 dargestellt. Im Diagramm 157 von Figur 2 ist auf der horizontalen Achse ebenfalls der Rotorwinkel 180 (in rad) und auf der vertikalen Achse die Induktivität 190 (in mH) angegeben. Die Induktivitätsverläufe 181 bis 186 ergeben sich, wenn die Wicklungen der verschiedenen Statorelemente 130 in der nachfolgend erläuterten Weise mit dem Drehstrom 160a beaufschlagt werden.
In einer beispielhaften Ausführung wird das mittlere Statorelement 130 des rechten Statorsegments (in Figur 1) mit der positiven Halbwelle 162a der Phase 162 des Drehstroms 160a beaufschlagt. Dadurch ergibt sich eine positive Induktivitätsänderung der Induktivität 184, die in einem signifikanten Bereich, der durch die gestrichelte Linie 188 angedeutet ist, einen linearen Verlauf aufweist. Die Beaufschlagung des Statorelements 130 endet, wenn die Halbwelle 162a den Nulldurchgang 172 erreicht. Der Winkelversatz Vs zwischen den Statorsegmenten ermöglicht, dass in diesem Zeitpunkt die Beaufschlagung des mittleren Statorelements 130 des benachbarten Statorsegments 122 mit der negativen Halbwelle 162b der Phase 162 des Drehstroms 160a aktiviert wird. Diese trifft aber auf genau die gleiche Induktivitätsänderung der Induktivität 184, wie anhand der gestrichelten Linie 189 in Diagramm 157 erkennbar ist. Das bedeutet, dass bei korrekter Beschaltung der Wicklungen die Induktivitätsänderungen immer gleich sind, so dass trotz der Nutzung von lediglich drei Leistungsendstufen ein effizienter Antrieb bereitgestellt wird. Sämtliche Anteile des Drehstroms werden vorteilhaft zur Erzeugung des Drehmoments genutzt. Dadurch wird auch das erzielbare Drehmoment erhöht, trotz gleichzeitiger Reduktion der Anzahl der Leistungsendstufen gegenüber einem System mit Blockbestromung.
Es ergeben sich gleiche Induktivitätsverläufe 181 bis 186. Über erhebliche Bereiche, der durch die gestrichelten Linien 188, 189 angedeutet ist, sind die Induktivitätsverläufe 181 bis 186 zudem linear. Würden die Induktivitätsverläufe alle ausschließlich linear sein (und damit dreieckförmig), so würde das resultierende Drehmoment überhaupt keine Welligkeit aufweisen.
Figur 3 zeigt eine weitere vereinfachte schematische Darstellung eines Reluktanzmotors 100. Das zuvor dargestellte Konzept des Reluktanzmotors 100, wie beispielhaft in Bezug auf Figur 1 erläutert, ist auf höherpolige Reluktanzmotoren 100 erweiterbar. Dabei kann einerseits die Anzahl von Statorsegmenten, die korrespondierend angeordnet sind, erhöht werden. Insofern können die betreffenden Statorsegmente parallelgeschaltet werden, entsprechend einer diametralen gleichzeitigen Bestromung. Beispielhaft könnten die Statorelemente 130 der Statorsegmente 122a, 122b, 126a und 126b gleichzeitig mit den phasenabhängigen Halbwellen der gleichen Polarität des Drehstroms 160a bestromt werden. Entsprechend würden dann die Statorelemente 130 der restlichen Statorsegmente 124a, 124b, 128a und 128b mit den phasenabhängigen Halbwellen der entgegengesetzten Polarität des Drehstroms 160a bestromt werden. Das hat den Vorteil, dass die Anzahl an benötigten Leistungsendstufen nicht erhöht wird. Andererseits erhöht sich dadurch die Drehmomentwelligkeit.
Um die Drehmomentwelligkeit weiter zu reduzieren, kann der Winkelversatz zwischen benachbarten Statorsegmenten 122a und 124a anstatt ±1/2 Tr nur noch ±1/4 Tr betragen. Dies würde allerdings zusätzliche Leistungsendstufen erfordern. Zusätzlich müssten die Drehströme der Leistungsendstufen aufeinander abgestimmt werden. Wiederum würden bei beiden Lösungen die Statorelemente 130 von diametral angeordneten Statorsegmenten 122a, 122b gleichzeitig bestromt, um Radialkräfte zu vermeiden. Die in Figur 3 gezeigten Winkelversatzzusammenhänge sind als beispielhaft zu verstehen. Insofern soll die Figur lediglich die
Erweiterungsmöglichkeit bezüglich der Polarität des Stators 120 des Reluktanzmotors 100 verdeutlichen.
Entsprechend kann das Konzept auch auf Reluktanzmotoren 100 mit noch höherer Polarität übertragen werden.
Figur 4a zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung eines
Statorelements in nicht-überdeckender (nicht-fluchtender) Position. Die Aktivierung der Bestromung der Wicklungen 136, 138 eines Statorelements 130 hat Einfluss auf die erzielbare Stromhöhe und die Stromdauer. Würde die Bestromung schon aktiviert werden, solange die Überdeckung mit korrespondierenden Rotorzähnen 114 noch kleiner wird (aufgrund der Bewegung und Masse des Rotors), so würde die Reluktanzkraft entgegen der
Bewegungsrichtung des Rotors wirken. Deshalb ist die nicht-fluchtende Stellung mit einem Einschalt-Winkelversatz Ve = Brz zwischen den Schenkeln 134 des Statorelements 130 und den korrespondierenden Rotorzähnen 114 der frühestmögliche und effektivste Einschaltzeitpunkt für die Bestromung der Wicklungen 136, 138.
Figur 4b zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung eines
Statorelements in ausgerichteter (überdeckender, fluchtender) Position. Die Schenkel 134 fluchten mit korrespondierenden Rotorzähnen 114. Die Frequenz des Drehstroms 160a ist an die Rotationsgeschwindigkeit des Rotors 110 angepasst. Wird die Bestromung der Wicklungen 136, 138 wie zuvor beschrieben aktiviert, ergibt sich durch die Beziehung zwischen Frequenz des Drehstroms 160a und der Rotationsgeschwindigkeit des Rotors 110 dann direkt der Zeitpunkt der Deaktivierung der Bestromung der Wicklungen 136, 138. Die Deaktivierung erfolgt idealerweise und auch spätestens, wenn die Rotorzähne 114 die fluchtende Stellung mit den Schenkeln 134 des Statorelements 130 erreichen. Der Winkelversatz zum Zeitpunkt der Deaktivierung Va ist dann: Va = 0.
Zur Feststellung der Rotationsgeschwindigkeit umfasst der Reluktanzmotor geeignete Sensoren, beispielsweise einen Rotorlagegeber. Figur 5 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung der bewirkten Induktivität 194a bei realistischer Bestromung. Das Diagramm 192 zeigt auf der horizontalen Achse den Rotorwinkel 194 (in °) und auf der vertikalen Achse die Induktivität 196 (in mH). Die Induktivitätsverläufe 198a bis 198f entsprechen der Bestromung der Statorelemente 130 von verschiedenen Statorsegmenten 122, 124 mit den phasenabhängigen Halbwellen unterschiedlicher Polaritäten des Drehstroms 160a. Im Gegensatz zu dem in Figur 2 gezeigten Verlauf ist die Spannung des mit dem Drehstrom 160a verbundenen Signals dem Strom nun allerdings jeweils für jede Phase voreilend eingeprägt. Dadurch werden ohmsch induktive Komponenten, die durch die Wicklungen begründet sind, ausgeglichen. Vorliegend ist die Linearität der Induktivitätsänderungen gegenüber dem in Figur 2 gezeigten Verlauf deutlich verbessert, was durch Vergleich mit den gestrichelten Linien 188, 189 aus Figur 2 gut zu erkennen ist. Die verbleibenden Abweichungen vom linearen Verlauf der Induktivitätsänderung sind dadurch begründet, dass die Induktivitäten vom Umfangswinkel abhängen, so dass auch bei sinusförmiger Speisespannung ein zumindest begrenztes nichtlineares Stromverhalten verursacht wird. Dies lässt sich konstruktionsbedingt nicht beliebig verhindern. Die gewünschten geradlinigen Induktivitätsverläufe 198a bis 198f ergeben sich für den Fall ungesättigter Ströme, dass die Rotorzahnbreite Brz gleich der Breite der Rotorzahnlücken ist Brl = Brz und ebenso gleich der Breite der Schenkel 134 der Statorelemente 130. Zudem wird die Bestromung der Wicklungen 136, 138 in der nicht-überdeckenden Stellung der Rotorzähne 114 aktiviert und die Frequenz des Drehstroms 160a ist an die Rotationsgeschwindigkeit des Rotors 110 angepasst. Aufgrund des ausgedehnteren Bereichs einer linearen Induktivitätsänderung (verglichen mit Figur 2) resultiert daraus eine zusätzliche und erhebliche Reduktion der Welligkeit des Drehmoments, insbesondere gegenüber einer Blockbestromung der Wicklungen.
Fig. 6a zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung eines Außenstatorelements 225a und eines Innenstatorelements 235a mit unterschiedlichen Überdeckungen.
Der Reluktanzmotor 200 ist gemäß dieser Ausführungsform vorliegend als Motor mit Doppelstator ausgebildet. Der Doppelstator umfasst einen Außenstator 220 und einen Innenstator 230. Der Außenstator 220 und der Innenstator 230 sind dem Stator 120 entsprechend aufgebaut. Sowohl der Außenstator 220 als auch der Innenstator 230 umfassen jeweils mindestens zwei Statorsegmente. Sämtliche Statorsegmente umfassen jeweils drei Statorelemente 130. Generell können es natürlich auch mehr Statorsegmente und mehr Statorelemente pro Statorsegment sein. Letzteres würde eine entsprechend erhöhte Phasenanzahl des Wechselstroms und damit gegebenenfalls auch eine erhöhte Anzahl an Leistungsendstufen erfordern.
Der Rotor 210 ist zwischen dem Außenstator 220 und dem Innenstator 230 angeordnet und weist dementsprechend zwei Luftspalte 250a, 250b auf. Der Rotor 210 weist deshalb Rotoraußenzähne 214 und Rotorinnenzähne 216 auf. Vorliegend sind diese an gleichen Umfangspositionen des Rotors 210 angeordnet. Generell können sie auch einander gegenüber versetzt sein.
Durch die Ausführung als Doppelstator wird durch den Reluktanzmotor 200 generell ein zusätzlicher Freiheitsgrad in Bezug auf die Positionierung und einen möglichen Versatz der Schenkel 134 der Statorelemente 130 relativ zu den jeweils korrespondierenden Rotorzähnen 214, 216 bereitgestellt. Durch diesen zusätzlichen Freiheitsgrad kann die Welligkeit des Drehmoments weiter reduziert und der maximal erzielbare Betrag des Drehmoments erhöht werden.
Die Ausführung als Doppelstator führt aber zu einem weiteren Effekt, der eine Reduzierung der Drehmomentwelligkeit bewirkt. Die beiden Luftspalte 250a, 250b sind an verschiedenen Radien angeordnet. Während der Luftspalt 250a zwischen dem Rotor 210 und dem Außenstator 220 beim Außenradius Ra angeordnet ist, ist der Luftspalt 250b zwischen dem Rotor 210 und dem Innenstator 230 beim Innenradius Ri angeordnet. Daraus resultiert, dass der Rotor 210 an den Stirnflächen der Rotoraußenzähne 214 eine andere Winkelgeschwindigkeit aufweist als an den Stirnflächen der Rotorinnenzähne 216. Für die folgenden Erläuterungen ist die generelle Rotationsrichtung gemäß dieser Ausführungsform des Rotors 210 entgegen dem Uhrzeigersinn. Aufgrund der unterschiedlichen Radien bzw. Winkelgeschwindigkeiten überdecken die Rotorinnenzähne 216a, 216b mit den korrespondierenden Schenkeln 242, 244 des Innenstators 230 zu einem früheren Zeitpunkt als die Rotoraußenzähne 214a, 214b mit den Schenkeln 246, 248 des Außenstators 220.
Figur 6b zeigt eine weitere vereinfachte schematische Darstellung eines Außenstatorelements 225a und eines Innenstatorelements 235a mit gleichen Überdeckungen. Figur 6b zeigt die Referenzposition des Rotors 210 in voll überdeckender Position. Rotiert der Rotor 210 weiter, dann überdecken die Rotorinnenzähne 216a, 216b mit den korrespondierenden Schenkeln 242, 244 des Innenstators 230 bis zu einem späteren Zeitpunkt als die Rotoraußenzähne 214a, 214b mit den Schenkeln 246, 248 des Außenstators 220. Durch diese
Unterschiede in der Überdeckung zwischen den jeweiligen Rotorzähnen und Statorzähnen resultiert eine zusätzliche Reduzierung der Welligkeit des Drehmoments. Für besondere Anwendungsfälle mit einem optimierten generierten und möglichst homogen erzeugtem Drehmoment führt also der Doppelstator zu einer zusätzlichen Reduktion der Drehmomentwelligkeit, die mit einem Einfachstator derart nicht erzielbar ist.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Geschalteter Reluktanzmotor (100) umfassend, einen Rotor (110), wobei der Rotor eine Mehrzahl von bezüglich eines Umfangs des Rotors regelmäßig angeordneten hervorstehenden Rotorzähnen (114) umfasst, und einen Stator (120), der zumindest zwei Statorsegmente (122, 124) umfasst, wobei jedes Statorsegment zumindest ein Statorelement (130) umfasst, wobei die Statorelemente voneinander magnetisch entkoppelt sind, wobei jedes Statorelement zumindest zwei hervorstehende Statorzähne (134) umfasst, wobei jeder Statorzahn mit zumindest einer dem jeweiligen Statorelement zugeordneten Wicklung (136, 138) zusammenwirkt, wobei die Wicklungen mit einem elektrischen Strom derart beaufschlagbar sind, dass von den jeweiligen Statorzähnen eines jeweiligen Statorelements ausgehende magnetische Felder erzeugbar sind und ein auf den Rotor einwirkendes und eine Rotation des Rotors bewirkendes Drehmoment hervorrufbar ist, wobei die Wicklungen der Statorelemente zum Antrieb des Reluktanzmotors mit einem Drehstrom (160a) beaufschlagt werden, wobei die Statorsegmente derart bezüglich eines Umfangs des Stators angeordnet sind, dass im Normalbetrieb des Reluktanzmotors zumindest ein erstes Statorsegment mit einer Halbwelle einer ersten Polarität des Drehstroms und zumindest ein zweites Statorsegment mit einer Halbwelle einer zweiten der ersten Polarität entgegengesetzten Polarität des Drehstroms beaufschlagt werden.
2. Geschalteter Reluktanzmotor (100) nach Patentanspruch 1 , wobei der Reluktanzmotor zumindest ein drittes Statorsegment (126) und ein viertes
Statorsegment (128) umfasst, wobei das dritte Statorsegment dem ersten Statorsegment (122) elektrisch parallel geschaltet ist, und wobei das vierte Statorsegment dem zweiten Statorsegment (124) elektrisch parallel geschaltet ist.
3. Geschalteter Reluktanzmotor (100) nach einem der vorherigen Patentansprüche, wobei jedes Statorsegment (122, 124, 126, 128) eine erste
Anzahl voneinander beabstandeter Statorelemente (130) umfasst, wobei der Drehstrom (160a) eine zweite Anzahl an Phasen (162, 164, 166) umfasst, und wobei die erste Anzahl ein Vielfaches der zweiten Anzahl ist.
4. Geschalteter Reluktanzmotor (100) nach einem der vorherigen Patentansprüche, wobei für jede Phase (162, 164, 166) des Drehstroms (160a) zumindest eine Wicklung (136, 138) eines Statorelements (130) für jedes Statorsegment (122, 124, 126, 128) mit dieser Phase des Drehstroms beaufschlagt wird.
5. Geschalteter Reluktanzmotor (100) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die beabstandeten Statorelemente (130) einen Winkelversatz entlang eines Umfangs des Stators (120) zueinander derart aufweisen, dass durch die unterschiedlichen Statorelemente bewirkte richtungsbehaftete Induktivitätsänderungen bezüglich des auf den Rotor einwirkenden Drehmoments gleich sind.
6. Geschalteter Reluktanzmotor (100) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei zwischen Spannung und Strom für jede Phase (162, 164, 166) des Drehstroms (160a) eine Phasenverschiebung vorhanden ist, und wobei die Spannung jeweils voreilend im Spannungsmaximum für die entsprechende Phase des Drehstroms derart eingeprägt wird, dass ein Stromfluss bei nicht- überdeckender Zahnstellung zwischen Rotorzähnen (114) und Statorzähnen (134) beginnt und bei vollständig-überdeckender Zahnstellung endet.
7. Geschalteter Reluktanzmotor (100) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die Beaufschlagung einer einem Statorelement (122, 124, 126, 128) zugeordneten Wicklung (130) mit dem Drehstrom (160a) dann aktiviert wird, wenn die Statorzähne (134) des Statorelements (130) nicht fluchtend mit korrespondierenden Rotorzähnen (114) angeordnet sind.
8. Geschalteter Reluktanzmotor (100) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei eine Breite (Brz) aller Rotorzähne (114) und aller zwischen den Rotorzähnen angeordneten Rotorzahnlücken (Brl) gleich ist, und wobei die Statorelemente (130) bezüglich des Rotors (110) einen Winkelversatz entlang des Umfangs des Stators (120) zueinander derart aufweisen, dass der Winkelversatz einem Drittel einer Periodendauer des Rotors im Normalbetrieb des Rotors entspricht, insbesondere wobei die Periodendauer des Rotors eine Zeitspanne ist, in der der Rotor entsprechend einem Winkel einer Breite eines Rotorzahns und einer Breite einer benachbarten Rotorzahnlücke rotiert.
9. Geschalteter Reluktanzmotor (100) nach einem der Patentansprüche 2 bis 8, wobei Paare von Statorsegmenten (122, 124, 126, 128), die elektrisch parallel geschaltet sind, bezüglich des Umfangs des Stators (120) diametral zueinander angeordnet sind, und wobei die Paare von Statorsegmenten einen Winkelversatz entlang des Umfangs des Stators bezüglich der jeweils übrigen Paare von Statorsegmenten derart aufweisen, dass durch die Statorelemente (130) der unterschiedlichen Statorsegmente bewirkte richtungsbehaftete Induktivitätsänderungen bezüglich des auf den Rotor (110) einwirkenden Drehmoments gleich sind.
10. Geschalteter Reluktanzmotor (100) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei der Reluktanzmotor eine Vielzahl von Statorsegmenten (122, 124, 126, 128) umfasst, wobei eine Anzahl der Statorsegmente ein Vielfaches von zwei ist.
11. Geschalteter Reluktanzmotor (100) nach Patentanspruch 8, wobei eine Beaufschlagung der Wicklungen (136, 138) einzelner Statorsegmente (130) mit dem Drehstrom (160a) in Abhängigkeit von Betriebsmodi des Reluktanzmotors unterbrochen werden kann.
12. Geschalteter Reluktanzmotor (100) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei der Drehstrom (160a) einen im Wesentlichen sinusförmigen Verlauf aufweist.
13. Geschalteter Reluktanzmotor (100) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei der Stator (120) mehrere separate Statorkomponenten umfasst, und wobei jede Statorkomponente zumindest ein Statorsegment (122, 124, 126, 128) umfasst, und wobei der Stator um zusätzliche Statorkomponenten modular erweiterbar ist.
14. Geschalteter Reluktanzmotor (100) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei eine Frequenz des Drehstroms (160a) basierend auf einer Rotorzahnanzahl (114) und einer Drehzahl des Rotors (110) bestimmbar ist.
15. System, umfassend zumindest einen geschalteten Reluktanzmotor (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14 und eine Leistungsendstufe, die einen Drehstrom (160a) zum Betrieb des geschalteten Reluktanzmotors bereitstellt.
PCT/EP2021/053320 2020-02-21 2021-02-11 Reluktanzmotor mit drehstrom und system WO2021165132A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102020104647.2 2020-02-21
DE102020104647.2A DE102020104647A1 (de) 2020-02-21 2020-02-21 Reluktanzmotor mit Drehstrom und System

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2021165132A1 true WO2021165132A1 (de) 2021-08-26

Family

ID=74595299

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2021/053320 WO2021165132A1 (de) 2020-02-21 2021-02-11 Reluktanzmotor mit drehstrom und system

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102020104647A1 (de)
WO (1) WO2021165132A1 (de)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5015903A (en) * 1988-08-15 1991-05-14 Pacific Scientific Company Electronically commutated reluctance motor
US20130221889A1 (en) * 2012-02-23 2013-08-29 Samsung Electro-Mechanics Co., Ltd. Multi-phase switched reluctance motor apparatus and control method thereof
DE102015107014A1 (de) * 2015-05-05 2016-11-10 Bauer Gear Motor GmbH Stator für einen Reluktanzmotor, Reluktanzmotor, Verfahren zur Steuerung eines Reluktanzmotors sowie Ansteuerelektronik für einen Reluktanzmotor
CN110429778A (zh) * 2019-08-31 2019-11-08 郑州大学 一种电动车用u型双定子结构开关磁阻电机

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5015903A (en) * 1988-08-15 1991-05-14 Pacific Scientific Company Electronically commutated reluctance motor
US20130221889A1 (en) * 2012-02-23 2013-08-29 Samsung Electro-Mechanics Co., Ltd. Multi-phase switched reluctance motor apparatus and control method thereof
DE102015107014A1 (de) * 2015-05-05 2016-11-10 Bauer Gear Motor GmbH Stator für einen Reluktanzmotor, Reluktanzmotor, Verfahren zur Steuerung eines Reluktanzmotors sowie Ansteuerelektronik für einen Reluktanzmotor
CN110429778A (zh) * 2019-08-31 2019-11-08 郑州大学 一种电动车用u型双定子结构开关磁阻电机

Also Published As

Publication number Publication date
DE102020104647A1 (de) 2021-08-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102006025396B4 (de) A-phasiger bürstenloser Motor
EP1380094B1 (de) Elektromotor, insbesondere elektronisch kommutierter gleichstrommotor
DE112015001725T5 (de) Drehende elektrische Maschine mit eingebetteten Permanentmagneten
DE102006061136A1 (de) Kurzhublinearmotor
DE102009057446B4 (de) Elektrische Maschine
EP1018206B1 (de) Statorbaueinheit für eine elektrische maschine
DE102004055317A1 (de) Elektrische Drehfeldmaschine und Primärteil
DE102014222064B4 (de) Elektrische Maschine
DE10146123A1 (de) Elektronisch kommutierter Elektromotor mit achsparallelen Spulen
DE102016204688A1 (de) Elektronisch kommutierte elektrische Maschine
WO1984001062A1 (en) Electric machine
EP1080526B1 (de) Motor mit einem elektrisch kommutierten stator und einem rotor mit dauermagneten
DE102006004537A1 (de) Elektrische Maschine
WO2013007679A2 (de) Elektrische maschine für einen lenkantrieb
DE19704769C2 (de) Mehrsträngige Synchronmaschine mit Permanentmagneten und Spulenmodulen
DE102015110652A1 (de) Rotor-stator-anordnung für eine hybriderregte synchronmaschine und ein rotor dafür
WO2021165132A1 (de) Reluktanzmotor mit drehstrom und system
DE102018104418A1 (de) Elektromagnetisch betätigter Aktor für elektrische Maschine und elektrische Maschine mit elektromagnetisch betätigtem Aktor
DE102006013636A1 (de) Druckmaschine bzw. elektrische Maschine für eine Druckmaschine
EP0996217B1 (de) Hochpolige elektrische Maschine mit reduzierten Rastkräften
EP1293024A1 (de) Vorrichtungen für roboterantriebseinheiten
EP1158648B1 (de) Elektromagnetischer Drehantrieb
DE112019001727T5 (de) Rotor, motor und elektrische servolenkvorrichtung
EP3496236A1 (de) Rotor einer elektrischen maschine
DE2913691A1 (de) Buerstenloser elektromotor

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 21705161

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 21705161

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1