DE10319394A1 - Geschaltete Reluktanzmaschine, insbesondere SR-Motor - Google Patents
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Abstract
Es wird eine geschaltete Reluktanzmaschine, insbesondere ein SR-Motor, angegeben, der einen Stator (10) mit mehreren Statorpolen (14), einen Rotor (11) mit einer von der Zahl der Statorpole (14) abweichenden Anzahl von Rotorpolen und eine mehrsträngige Statorwicklung (12) aufweist, von deren Wicklungssträngen jeweils einer auf um gleiche Umfangswinkel am Stator (10) versetzten Statorpolen aufgewickelt ist. Zur fehlertoleranten Auslegung der Relunktanzmaschine und Sicherstellung des Anlaufs auch im Fehlerfall trägt der Stator (10) eine zweite Statorwicklung (17) mit gleicher Strangzahl und einer Mehrzahl von Toroidspulen (18), die auf den zwischen den Statorpolen (14) sich erstreckenden Rückschlussjochabschnitten (131-136) so aufgewickelt sind, dass um gleiche Umfangswinkel am Rückschlussjoch (13) versetzte Toroidspulen (18) einem Wicklungsstrang zugehörig sind (Fig. 1).
Description
- Stand der Technik
- Die Erfindung geht aus von einer geschalteten Reluktanzmaschine, insbesondere SR-Motor, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
- Geschaltete Reluktanzmaschinen werden vorzugsweise als Antriebsmotoren, sog. SR- (Switched Reluctance-) Motoren eingesetzt. Eine bekannte geschaltete Reluktanzmaschine (
DE 40 08 606 A1 ,1 ) hat mehrere, sowohl auf dem Stator als auch auf dem Rotor angeordnete Zähne oder Pole. Während der Rotor wicklungslos ist, ist die mehrphasige Statorwicklung in konzentrierten Spulen auf jedem Statorpol aufgewickelt. Die einzelnen Polwicklungen auf diametral gegenüberliegenden Statorpolen sind in Reihe oder parallel geschaltet. Die Anzahl der Statorpolpaare entspricht der Phasenzahl der Statorwicklung. Ein Motordrehmoment wird erzeugt, indem der Strom in jeder Wicklungsphasen in einer fortlaufenden Sequenz geschaltet wird, so dass sich eine magnetische Anziehungskraft zwischen denjenigen Rotorpolen und Läuferpolen ergibt, die sich beim Lauf des Rotors einander nähern. Der Strom in jeder Wicklungsphase wird abgeschaltet, bevor die Rotorpole, die den Statorpolen dieser Wicklungsphase am nächsten sind, sich an der ausgerichteten Position vorbeidrehen. Das erzeugte Drehmoment ist von der Richtung des Stromflusses unabhängig. - Aus Sicherheitsgründen müssen Antriebsmotoren fehlertolerant sein, d.h. sie müssen die Fähigkeit haben, bei Auftreten eines elektrischen Fehlers mit einem Minimum an Leistungsverschlechterung weiterzuarbeiten.
- Bei einer bekannten, fehlertoleranten, geschalteten Reluktanzmaschine (
DE 40 08 606 A1 ,4 ) sind die Ständerpolwicklungen auf diametral gegenüberliegenden Ständerpolen durch separate Schaltvorrichtungen sequentiell erregt. Bei einem SR-Motor mit n Phasen und k Ständerpolwicklungen pro Phase (wobei k ≥ 2 ist) werden dabei k unabhängige Schaltvorrichtungen mit n Phasenzweigen in jeder Schaltvorrichtung benutzt. Diese Schaltvorrichtungen werden durch dieselbe Gleichstromquelle gespeist oder, was bevorzugt wird, durch separate Gleichstromquellen, um einen noch höheren Grad an Fehlertoleranz zu erreichen. Bei Ausfall einer Ständerpolwicklung sinkt in diesem Fall die mittlere Drehmomenterzeugung durch den Motor nur auf ungefähr (n·k) – 1 / (n·k) des normalen Wertes vor dem Auftreten der Störung in einer Ständerpolwicklung. Bei der Auslegung der Maschine mit n=3 und k=2 beträgt also das verbleibende Drehmoment noch 5/6 des ursprünglichen Drehmoments. Bei Ausfall einer der separaten Gleichstromquellen wird noch die Hälfte des mittleren Drehmoments erzeugt. - Im asymmetrischen Betrieb dieses SR-Motors, wenn also die Statorwicklung nur von einer Gleichstromquelle aus bestromt wird, ergeben sich jedoch unerwünschte, asymmetrische Magnetflüsse, die je nach Rotorstellung ein Anlaufen des Motors verhindern.
- Es ist bereits ein SR-Motor mit einer Statorwicklung bekannt (Ki-Bong Kim, "Toroidal Switched Reluctance Motor", Proceedings of the 3rd Small Motors and Servo Motors International Conference (SMIC' 99), Tokio, Japan, Oktober 1999, Seiten 57–60), die als sog. Toroidwicklung ausgebildet ist. Die Statorpole sind hier ebenso wie die Rotorpole unbewickelt. Die Statorwicklung setzt sich aus einzelnen Toroidspulen zusammen, die auf den zwischen den Statorpolen vorhandenen Ringabschnitten des Rückschlussrings aufgewickelt sind. Jeder Wicklungsstrang weist zwei Toroidspulen auf. von den drei Wicklungssträngen werden jeweils zwei gleichzeitig erregt. Ein solcher SR-Motor ist nicht fehlertolerant.
- Vorteile der Erfindung
- Die erfindungsgemäße, geschaltete Reluktanzmaschine, insbesondere SR-Motor, mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass im Falle eines Fehlers in der einen Statorwicklung der ordnungsgemäße Betrieb des Motors allein mit der anderen Statorwicklung möglich ist. Dabei ergeben sich keine Veränderungen in dem Verlauf des magnetischen Flusses gegenüber dem Normalbetrieb, in dem die Reluktanzmaschine mit beiden Statorwicklungen betrieben wird, so dass auch im Betrieb mit nur einer Statorwicklung ein sicherer Anlauf des SR-Motors gewährleistet ist.
- Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 1 angegebenen Reluktanzmaschine möglich.
- Zeichnung
- Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
-
1 einen Querschnitt eines SR-Motors, schematisch dargestellt, -
2 ein Schaltbild einer Steuervorrichtung für den SR-Motor in1 . - Beschreibung des Ausführungsbeispiels
- Der in
1 schematisch im Querschnitt dargestellte SR-Motor (Switched Reluctance-Motor) als Ausführungsbeispiel für eine allgemeine geschaltete Reluktanzmaschine, die auch ein Generator sein kann, weist einen Stator10 mit einer mehrphasigen oder mehrsträngigen Statorwicklung12 sowie einen wicklungslosen Rotor11 auf. Der Stator10 weist ein den Rotor11 konzentrisch umschließendes, ringförmig geschlossenes Rückschlussjoch13 auf, an dem um gleiche Umfangswinkel zueinander versetzt angeordnete Statorpole14 radial nach innen abstehen. Die Statorwicklung12 ist auf die Statorpole14 in Form von einzelnen konzentrierten Ringspulen aufgewickelt. Im Ausführungsbeispiel der1 hat der SR-Motor n=3 Wicklungsphasen oder Wicklungsstränge und k=2 Ringspulen pro Phase, die auf einem Polpaar aufgewickelt sind, das von zwei um 180° gegeneinander versetzten, also diametral gegenüberliegenden Statorpolen14 gebildet ist. So sind in1 auf den Statorpolen141 –146 die Ringspulen151 –156 aufgesetzt, wobei die Ringspulen151 ,154 und die Ringspulen152 ,155 und die Ringspulen153 ,156 jeweils einem Wicklungsstrang zugehörig und parallel oder in Reihe geschaltet sind. Der Rotor11 weist ebenfalls um gleiche Umfangswinkel zueinander versetzt am Umfang angeordnete Zähne oder Rotorpole16 auf, deren Zahl gegenüber der Anzahl der Statorpole14 verschieden ist. Im Beispiel der1 besitzt der Rotor11 vier Rotorpole16 , während der Stator10 sechs Statorpole14 trägt. Zwischen den einander zugekehrten Stirnflächen von Statorpolen14 und Rotorpolen16 sind Arbeitsluftspalte vorhanden. - Die Statorwicklung
12 mit den auf den Statorpolen141 –146 aufgenommenen Ringspulen151 –156 , die im Ausführungsbeispiel jeweils paarweise in Reihe geschaltet sind, ist an einer Schaltvorrichtung21 angeschlossen, wie sie im Schaltbild der2 oben dargestellt ist. Die Schaltvorrichtung21 wird von einer Motorsteuereinheit20 so angesteuert, dass die einzelnen Wicklungsstränge der Statorwicklung12 nacheinander folgerichtig an eine Gleichspannung U1 einer Gleichstromquelle24 gelegt sind. Die Schaltvorrichtung21 weist insgesamt sechs elektronische Halbleiterschalter, im Ausführungsbeispiel Feldeffekttransistoren (FET)22 , sowie sechs Freilaufdioden23 auf. Jeder Wicklungsstrang mit zwei Ringspulen15 ist in Reihe mit zwei FET's22 angeordnet, und die Reihenschaltungen sind zueinander parallel geschaltet. Die Freilaufdioden22 verbinden jeweils die Enden der Wicklungsstränge in geeigneter Weise mit dem Gleichspannungspotential bzw. dem Nullpotential. - Um ein fehlertolerantes Verhalten des SR-Motors zu erreichen, d.h. sicherzustellen, dass bei Auftreten eines elektrischen Fehlers in der Statorwicklung
12 oder in der Schalteinrichtung21 der SR-Motor mit einem Minimum an Leistungsverschlechterung weiterarbeitet, ist eine zweite Statorwicklung17 mit einzelnen Toroidspulen18 , auch Toroidwicklung genannt, vorgesehen. Jeweils eine Toroidspule18 ist auf einem der zwischen den Statorpolen14 vorhandenen Jochabschnitten des Rückschlussjoches13 aufgewickelt. So ist die Toroidspule181 auf dem Jochabschnitt131 , die Toroidspule182 auf dem Jochabschnitt132 , die Toroidspule183 auf dem Jochabschnitt133 , die Toroidspule184 auf dem Jochabschnitt134 , die Toroidspule185 auf dem Jochabschnitt135 und die Toroidspule186 auf dem Jochabschnitt136 aufgewickelt. Die zweite Stator- oder Toroidwicklung17 weist die gleiche Phasenzahl wie die erste Statorwicklung12 auf, wobei wiederum zwei auf um 180° gegeneinander versetzten, also einander diametral gegenüberliegenden Jochabschnitten aufgewickelte Toroidspulen18 einer Wicklungsphase oder einem Wicklungsstrang zugehörig sind, so die Toroidspulen181 ,184 , die Toroidspulen182 ,185 und die Toroidspulen183 ,186 . Die Toroidspulen18 eines Wicklungsstrangs sind in Reihe oder parallel geschaltet. Im Ausführungsbeispiel liegen die Toroidspulen18 einer Wicklungsphase in Reihe. - Die zweite Stator- oder Toroidwicklung
17 ist an einer ebenfalls von der Motorsteuereinrichtung20 gesteuerten zweiten Schaltvorrichtung25 angeschlossen, die die einzelnen Wicklungsstränge der Toroidwicklung17 nacheinander folgerichtig an die Gleichspannung U2 einer Gleichstromquelle26 legt. Die zweite Schaltvorrichtung25 ist identisch zur ersten Schaltvorrichtung21 mit sechs FET's22 und sechs Freilaufdioden23 ausgeführt, wobei jeweils die beiden Toroidspulen18 eines Wicklungsstrangs in Reihe mit zwei FET's22 geschaltet sind, und die Reihenschaltungen parallel geschaltet sind. Die an die beiden Schaltvorrichtungen21 ,25 anliegenden Gleichspannungen U1 bzw. U2 können gleich oder verschieden voneinander sein. Auch können die beiden Gleichstromquellen24 ,26 zu einer einzigen Gleichstromquelle zusammengefasst werden. Die Trennung der Gleichstromquellen führt jedoch zu einem höheren Grad an Fehlertoleranz. - Im normalen, ungestörten Betrieb wird der SR-Motor mit beiden Statorwicklungen
12 ,17 gemeinsam betrieben. Im Fehlerfall ist ein Betrieb des SR-Motors allein mit einer der beiden Statorwicklungen12 oder17 möglich. Da sich bei beiden Betriebsarten die Flussverteilung in Stator und Rotor nicht ändert, ist auch im Falle eines elektrischen Fehlers in einer der Statorwicklungen12 oder17 oder bei Ausfall einer der separaten Gleichstromquellen24 ,26 ein sicheres Anlaufen des Rotors11 gewährleistet. - Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene dreiphasige Ausführungsbeispiel eines SR-Motors beschränkt. So kann der SR-Motor eine beliebige Phasenzahl aufweisen. Auch kann die Ständerpolzahl und die Läuferpolzahl anders ausgeführt werden als vorstehend beschrieben. Z.B. kann der SR-Motor vierphasig mit acht Ständerpolen und sechs Läuferpolen sein. Allgemein besitzt der SR-Motor n Wicklungsphasen und k Ständerpole pro Wicklungsphase, wobei k≥2 ist. Die zweite Stator- oder Toroidwicklung
17 ist ebenfalls n-phasig mit jeweils k Toroidspulen18 pro Wicklungsphase, wobei k≥2 ist. Die einem Wicklungsstrang oder einer Wicklungsphase zugehörigen Ringspulen15 der ersten Statorwicklung12 sind ebenso wie die einem Wicklungsstrang zugehörigen Toroidspulen18 der zweiten Statorwicklung17 um jeweils 360°/k räumlich versetzt auf den Statorpolen14 bzw. auf den Jochabschnitten des Rückschlussjochs13 angeordnet. Entsprechend weisen die beiden Schaltvorrichtungen21 ,25n parallele Schaltzweige mit jeweils k in Reihe oder parallelgeschalteten Spulen15 bzw.18 und zwei FET's22 auf. - Bei einem SR-Motor mit einer Statorwicklung
12 mit z.B. n=3 Wicklungssträngen und k=3 Statorpolen pro Wicklungsphase bzw. Wicklungsstrang sind insgesamt n·k = 9 Statorpole14 vorhanden, die um 40° gegeneinander versetzt und mit je einer Ringspule15 belegt sind. Die drei Ringspulen15 eines Wicklungsstrangs sind auf Statorpolen14 angeordnet, die um gleiche Umfangswinkel am Stator10 versetzt sind, im Beispiel also um 360°/3 = 120°. Die zweite, ebenfalls dreiphasige Statorwicklung oder Toroidwicklung17 hat dann neun Toroidspulen18 , die wiederum auf neun Jochabschnitten des Rückschlussjochs13 aufgewickelt sind. Alle Toroidspulen18 sind um 40° gegeneinander auf dem Rückschlussjoch13 versetzt, wobei die drei einem Wicklungsstrang zugehörigen Toroidspulen18 jeweils einem Versatzwinkel von 360°/3 = 120° gegeneinander aufweisen.
Claims (6)
- Geschaltete Reluktanzmaschine, insbesondere SR-Motor, mit einem Stator (
10 ), der mehrere, von einem ringförmigen Rückschlussjoch (13 ) radial abstehende Statorpolen (14 ) aufweist, mit einem Rotor (11 ), der eine von der Zahl der Statorpole (14 ) abweichende Anzahl von Rotorpolen (16 ) aufweist, und mit einer mehrsträngigen Statorwicklung (12 ), von deren Wicklungssträngen jeweils einer auf um gleiche Umfangswinkel zueinander am Stator (10 ) versetzten Statorpolen aufgewickelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Stator (10 ) eine die gleiche Strangzahl aufweisende zweite Statorwicklung (17 ) mit einer Mehrzahl von Toroidspulen (18 ) angeordnet ist, die auf den zwischen den Statorpolen (14 ) sich erstreckenden Jochabschnitten (131-136 ) des Rückschlussjochs (13 ) so aufgewickelt sind, dass um gleiche Umfangswinkel zueinander am Rückschlussjoch (13 ) versetzte Toroidspulen (18 ) jeweils einem Wicklungsstrang zugehörig sind. - Reluktanzmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Statorwicklung (
12 ,17 ) an einer Schaltvorrichtung (25 ) zum sukzessiven Aufschalten einer Gleichspannung (U1, U2) auf die Wicklungsstränge der ersten bzw. zweiten Statorwicklung (12 ,17 ) angeschlossen ist. - Reluktanzmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die an die beiden Statorwicklungen (
12 ,17 ) angelegten Gleichspannungen (U1, U2) von derselben Gleichstromquelle abgenommen sind. - Reluktanzmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jede an eine der Statorwicklungen (
12 ,17 ) angelegte Gleichspannung (U1, U2) von einer separaten Gleichstromquelle (24 ,26 ) abgenommen ist. - Reluktanzmaschine nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die an die Statorwicklungen (
12 ,17 ) angelegten Gleichspannungen (U1, U2) gleich oder verschieden sind. - Reluktanzmaschine nach einem der Ansprüche 1 – 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer n-strängigen ersten Statorwicklung (
12 ) mit k jeweils auf einem Statorpol (14 ) angeordneten Ringspulen (15 ) pro Wicklungsstrang und einer n-strängigen zweiten Statorwicklung (17 ) mit k jeweils auf einem Jochabschnitt des Rückschlussjochs (13 ) aufgewickelten Toroidspulen (18 ) pro Wicklungsstrang der räumliche Versatz der jeweils einem Wicklungsstrang zugehörigen Ringspulen (15 ) bzw. Toroidspulen (18 ) gegeneinander am Stator (10 ) jeweils 360°/k beträgt.
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