DE2205961A1 - Elektrischer Schaltkreis zur Steuerung eines Reluktanzmotors mit veränderlicher Reluktanz sowie Verfahren zum Betreiben desselben - Google Patents
Elektrischer Schaltkreis zur Steuerung eines Reluktanzmotors mit veränderlicher Reluktanz sowie Verfahren zum Betreiben desselbenInfo
- Publication number
- DE2205961A1 DE2205961A1 DE19722205961 DE2205961A DE2205961A1 DE 2205961 A1 DE2205961 A1 DE 2205961A1 DE 19722205961 DE19722205961 DE 19722205961 DE 2205961 A DE2205961 A DE 2205961A DE 2205961 A1 DE2205961 A1 DE 2205961A1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- capacitor
- semiconductor switching
- switching device
- circuit
- energy source
- Prior art date
- Legal status (The legal status 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 status listed.)
- Granted
Links
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B60—VEHICLES IN GENERAL
- B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
- B60L50/00—Electric propulsion with power supplied within the vehicle
- B60L50/50—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by batteries or fuel cells
- B60L50/60—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by batteries or fuel cells using power supplied by batteries
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B60—VEHICLES IN GENERAL
- B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
- B60L2220/00—Electrical machine types; Structures or applications thereof
- B60L2220/10—Electrical machine types
- B60L2220/14—Synchronous machines
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
- Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
- Y02T10/64—Electric machine technologies in electromobility
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
- Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
- Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Transportation (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Control Of Electric Motors In General (AREA)
- Control Of Motors That Do Not Use Commutators (AREA)
Description
Patentanwälte
Dipl.-Ing. W. Beyer
Dipl.-Wirtsch.-Ing. B. Jochem 2205961
Dipl.-Ing. W. Beyer
Dipl.-Wirtsch.-Ing. B. Jochem 2205961
Frankfurt am Main ■ Freiherr-vom-Stein-Str. 18
In Sachen:
Fora-Werke Aktiengesellschaft
Köln / Rhein
Ottoplatz 2
Köln / Rhein
Ottoplatz 2
Elektrischer Schaltkreis zur Steuerung eines Reluktanzmotors mit veränderlicher
Reluktanz sowie Verfahren zum Betreiben desselben.
Die Erfindung betrifft einen elektrischen Schaltkreis zur
Steuerung der Erregung der ihre Induktanz im Betrieb ändernden Wicklung eines Reluktanzmotors mit veränderlicher
Reluktanz sowie ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Schaltkreises.
Unter "Reluktanzmotor mit veränderbarer Reluktanz" wird nachstehend sowohl eine Kraftmaschine wie eine Betätigungsvorrichtung
wie ein elektromechanischer Energieumwandler
verstanden, der einen magnetischen Kreis in Verbindung mit einer oder mehreren Erregerwicklungen sowie einen ferromagnetischen
Anker oder Läufer aufweist und ein mechanisches Drehmoment oder eine mechanische Kraft erzeugt,
die im wesentlichen proportional dem Quadrat der Amperewindungszahlen und der Zeitdauer der Änderung der magnetischen
Leitfähigkeit (Kehrwert der Reluktanz) als Funktion der Bewegung des Ankers oder Läufers ist. Charakteristisches
Merkmal dieser Motoren ist ein Ständer mit einer
• *
209838/0666
Fo 8295/7.2.1972
einzigen Motorwicklung für jede Phase und ein ferromagnetisches
Material enthaltender Läufer. Die Bewegung des Läufers gegenüber dem Ständer ruft eine Änderung der
Reluktanz und damit der Leitfähigkeit des magnetischen Kreises der Motorwicklung hervor. Außerdem bewirkt die
Bewegung des Läufers gegenüber dem Ständer ntürlich auch eine Änderung der Selbstinduktivität der Motorwicklung,
die direkt proportional der Leitfähigkeit des magnetischen Kreises ist.
Das von einem derartigen Reluktanzmotor mit veränderlicher
Reluktanz erzeugte Drehmoment bzw. die von einem solchen Motor erzeugte Kraft ist proportional dem Produkt aus dem
Quadrat der Amperewindungen und der Änderungssteilheit der magnetischen Leitfähigkeit als Funktion der Rotordrehung.
Hieraus folgt, daß ein Motordrehmoment bzw. eine Motorkraft, die positiv in bezug auf eine beliebige Bezugsgröße ist,nur
entwickelt wird, wenn die Amperewindungen während eines Intervalls aufrechterhalten werden, in welchem die magnetische
Leitfähigkeit bei der Rotorbeweguiig zunimmt. Umge- ■
kenrt wird ein negatives Motordrehmoment bzw. eine negative
Motorkraft entwickelt, wenn die Amperewindungen während
eines Intervalls aufrechterhalten werden, in welchen die
magnetische Leitfähigkeit mit der Rotordrehung abnimmt. Somit ist es zur Sicherstellung einer fortgesetzten Rotation
einer mit variabler Reluktanz arbeitenden Maschine notwendig, die Amperewindungen der Motorwicklung während Intervallen
zunehmender magnetischer Leitfähigkeit aufzuerlegen und derartige Amperewindungen während Intervallen abnehmender
magnetischer Leitfähigkeit zu verkleinern oder völlig
zu eliminieren. Die Auferledung von Amperewindungen während Intervallen abnehmender magnetischer Leitfähigkeit führt
zu einer Bremswirkung.
Po 8295/7.2.1972
209838/06S6
Aus den vorstehenden Erläuterungen geht hervor, daß die Wicklung eines derartigen Reluktanzmotors von einer zeitlich
sich ändernden Stromquelle erregt werden muß. Weiterhin müssen die zeitlichen Änderungen der Stromquelle mit
der mechanischen Drehung des Motorläufers derart synchronisiert sein, daß der Strom in der Wicklung nur während
Intervallen fließt, in denen die magnetische Leitfähigkeit mit der Läuferdrehung zunimmt, und daß ein solcher
Stromfluß während Intervallen, in denen die magnetische · Leitfähigkeit mit der Läuferdrehung abnimmt, unterbrochen
wird. Wenn eine sich zeitlich nicht ändernde elektrische Energiequelle verwendet wird, wie. eine Gleichstromquelle,
ist eine Steuervorrichtung erforderlich, um die synchronisierten
Pulsationen der Amperewindungen zu erzeugen. Demnach erfordert der Betrieb eines Reluktanzmotors mit
veränderlicher Reluktanz die Verwendung einer Steuervorrichtung, die in der Lage ist, die Motorwicklung mit einem
Stromfluß zu versorgen, der in entsprechenden Läuferstellungen periodisch unterbrochen wird. Da das entwickelte Drehmoment
proportional dem Quadrat der Amperewindungen ist, kann die Steuervorrichtung im Prinzip Gleichstrom, Wechselstrom
oder eine Kombination von beidem liefern.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine derartige Steuervorrichtung ohne die Verwendung von Bürsten in Form
eines elektrischen Schaltkreises der eingangs genannten Art zu schaffen, durch welchen in Verbindung mit einer die erforderlichen
Steuerimpulse liefernden logischen Schaltung dem Wicklungsstrom die gewünschte Wellenform gegeben werden
kann und auch eine Drehzahlsteuerung möglich ist und bei welchem auch die Möglichkeit einer Veränderung der Größe
der Stromimpulse über einen weiten Bereich ungeachtet der gleichbleibenden Spannung der elektrischen Energiequelle
ist. Dabei wird vorausgesetzt, daß dem Motorläufer ein Stellungsfühler zugeordnet ist, durch welchen die logische
Schaltung mit dem Motorläufer synchronisiert wird.
209838/0656
Erfindungsgemäß wird die vorstehend angegebene Aufgabe gelöst durch eine elektrische Brückenschaltung mit vier '
Zweigen, die je eine Halbleiter-Schalteinrichtung enthalten,
sowie eine elektrische Energiequelle und einen Kondensator, wobei die Motorwicklung zwischen einem ersten
Paar gegenüberliegender Eckpunkte und der Kondensator zwischen dem anderen Paar gegenüberliegender Eckpunkte
angeschlossen sind und die elektrische Energiequelle in Reihe mit einer fünften Halbleiter-Schalteinrichtung derart
an zwei Eckpunkte angeschlossen ist, daß durch Ansteuerung wenigstens dieser Halbleiter-Schalteinrichtung
der Kondensator von der elektrischen Energiequelle aufladbar ist.
Nach einem ersten Merkmal zur vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die elektrische Energiequelle und die
damit in Reihe liegende fünfte Halbleiter-Schalteinrichtung an zwei benachbarte Eckpunkte der Brückenschaltung
angeschlossen. Durch eine solche Ausbildung wird erreicht, daß die Aufladung des Kondensators von der elektrischen
Energiequelle stets über die Motorwicklung erfolgt. Dabei läßt die fünfte Halbleiter-Schalteinrichtung jedoch keinen
Rückfluß von Energie aus der Motorwicklung in die elektrische Energiequelle zu, wie dies bei der sog. Nutzbremsung
eines Fahrzeugs erforderlich ist. Um auch eine solche Nutzbremsung zu ermöglichen, ist in weiterer Ausbildung des
vorerivähnten Ausgestaltungsmerkmals der Erfindung d:e eine
Klemme der elektrischen Energiequelle unmittelbar an einem Eckpunkt der Brückenschaltung angeschlossen, der gleichzeitig
unmittelbar mit einem Belag des Kondensators verbunden ist und von der anderen Klemme der elektrischen
Energiequelle zweigt parallel zu dem die fünfte Halbleiter-Schalteinrichtung
enthaltenden und zu dem einen Ende der Motorwicklung führenden Strompfad ein eine sechste Halbleiter-Schalteinrichtung
enthaltender und zu dem anderen Ende der Motorwicklung führender Strompfad ab, wobei die
sechste Halbleiter-Schalteinrichtung in bezug auf die
209838/0656
elektrische Energiequelle umgekehrt gepolt ist.
Nach einem anderen Merkmal zur vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die elektrische Energiequelle und die
damit in Reihe geschaltete fünfte Halbleiter-Schalteinrichtung an die gleichen Eckpunkte der Brückcnschaltung wie der
Kondensator angeschlossen und die elektrische Energiequelle ist mit einer Induktivität in Reihe geschaltet. Als Induktivität
kann dabei die innere Induktivität der elektrischen Energiequelle benutzt werden, sofern diese eine ausreichende
Größe zur Bildung eines LC-Kreises in Verbindung mit dem Kondensator hat. Bei dieser Ausgestaltung der Erfindung wird
der Kondensator von der elektrischen Energiequelle aufgeladen, ohne daß ein Strom über die Motorwicklung fließt,
während die Entladung des Kondensators dann über die Brückenschaltung und die darin enthaltene Motorwicklung erfolgt.
Um gegebenenfalls· auch hierbei Nutzbremsung unter Rücklieferung
von Energie in die Batterie vornehmen zu können., · kann in weiterer Ausbildung des vorerwähnten Ausgestaltungsmerkmals der fünften Halbleiter-Schalteinrichtung eine
sechste Halbleiter-Schalteinrichtung mit umgekehrter PoIarätät
parallelgeschaltet sein.
Die Halbleiter-Schalteinrichtungen sind zweckmäßig von steuerbaren Siliziumgleichrichtern gebildet. Ebenso sind
aber auch anderen Arten von Thyristoren oder dreipoligen Halbleiter-Ventilen wie Leistungstransistoren, Triacs
u.dgl. verwendbar. Die Ansteuerklemmen oder Basen dieser Schalteinrichtungen werden von einem geeigneten logischen
Schaltkreis gesteuert.
Ein bevorzugtes Verfahren zum Betreiben eines Schaltkreises nach der ersten vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung
besteht darin, daß zunächst der Kondensator durch Ansteuern der fünften Halbleiter-Schalteinrichtung sowie
einer weiteren Halbleiter-Schalteinrichtung von der elektrischen Energiequelle über die Motorwicklung aufge~
Fo 8295/7.2.1972 209838/0656
laden wird, bis die beiden Haibleiter-Schalteinrichtungen
von selbst sperren, woraufhin der Kondensator durch Ansteuern zweier weiterer Halbleiter-Schalteinrichtungen über
die Motorwicklung umgeladen wird, bis auch diese Halbleiter-Schalteinrichtungen von selbst sperren. Zweckmäßig werden
die beiden dortigen Verfahrensschritte so oft wiederholt bis der Kondensator eine-vorbestimmte Maximalspannung erreicht,
woraufhin der Kondensator entladen wird, bis er eine vorbestimmte Mindestspannung erreicht hat. Vorzugsweise
erfolgt die Entladung durch ^Ansteuern zweier in den Zweigen der Brückenschaltung enthaltener Halbleiter-Schalteinrichtungen.
Ein anderes bevorzugtes Verfahren zum Betreiben eines Schaltkreises nach der zweiten vorteilhaften Ausgestaltung
der Erfindung besteht darin, daß zunächst der Kondensator
durch Ansteuern der fünften Halbleiter-Schalteinrichtung von der elektrischen Energiequelle über die damit in Beihe
liegende Induktivität aufgeladen wird, bis die fünfte Halbleiter-Schalteinrichtung von selbst sperrt, daß daraufhin
der Kondensator durch Ansteuern zweier innerhalb der Brückenschaltung angeordneter Halbleiter-Schalteinrichtungen
über die Motorwicklung umgeladen wird, bis auch diese Halbleiter-Schalteinrichtungen von selbst sperren, und daß
schließlich der Kondensator durch Ansteuern der beiden restlichen Halbleiter-Schalteinrichtungen nochmals über
die Motorwicklung umgeladen wird. Zweckmäßig wird bei der ersten Umladung des Kondensators zusätzlich die sechste
Halbleiter-Schalteinrichtung angesteuert.
Der Steuerschaltkreis gemäß der Erfindung sorgt für eine ■vollständige Einbeziehung aller Umschaltmittel in den Motorstromkreis,
wobei das Wort "Umschaltung" sich bezieht auf den Vorgang der Umschaltung einer Festkörperschalteinrichtung
von deren leitenden Zustand in den nichtleitenden Zustand. Ein besonderer Ums;,haltkreis ist nicht erforderlich,'und
der Lade- bzw. Eniladestrom für den Kondensator
209833/0656
der Schaltung fließt auch über die Motorwicklung. Der erfindungsgemäße
Schaltkreis erlaubt auch eine Drehmoment- und Drehzahlsteuerung des mit veränderlicher Reluktanz arbeitenden
Reluktanzmotors über den gesamten Bereich von einer festen Spannungsquelle mit einer Kleinstzahl von
Festkörperschalteinrichtungen. Weiterhin besteht die Möglichkeit einer einfachen digitalen Steuerung für den Effektivwert
des Wicklungsstromes. Ein anderer Vorteil des erfindungsgemäßen Schaltkreises besteht darin, daß die erzeugte
Sinusimpuls-Wellenform die elektromagnetischen Geräusche und die mechanische Vibration des Reluktanzmotors,
wie sie für gewöhnlich von Festkörperschaltkreisen im Vergleich zu anderen Arten von Gleichstrom-Steuervorrichtungen
erzeugt werden, beträchtlich vermindert.
Der erfindungsgemäße Schaltkreis wird vorzugsweise in Verbindung mit einem Reluktanzmotor der Scheibenbauart verwendet.
Eine stoßfreie Drehmomenterzeugung wird durch Verwendung mehrerer Phasen, vorzugsweise drei oder mehr erhalten.
Jede Phase erfordert einen Schaltkreis. Auch enthält jede Phase eine toroidförmige Wicklung, die eine
Ständerscheibe mit Sektoren- förmigen Sektoren aus lamelliertem
Stahl umschließt, welche zwischen Sektoren minimaler magnetischer Leitfähigkeit angeordnet sind, die für
gewöhnlich aus Aluminium oder durch Einlagen verstärkten Polymeren hergestellt sind. Je eine Läuferscheibe ähnlicher
Konstruktion befindet sich an jeder Seite der Ständerscheibe.
Die Peripherie einer jeden Läuferscheibe wird von einer dünnen Schicht eines mechanisch hochfesten Materials
mit niedriger magnetischer Leitfähigkeit wie Glasfaser umschlossen, um die maximal mögliche Lauferdrehzahl zu
steigern.
Zusätzlich zu dem Steuerkreis der Erfindung erfordert der Betrieb des Reluktanzmotors die Verwendung einer logischen
Schaltung. Die logische Schaltung vollbringt die Funktion
Fo 8295/7.2.1972 209838/0656
des Ansteuerns der verschiedenen Festkörperschalteinrichtungen
innerhalb des erfindungsgemäßen Steuerschaltkreises. Die spezifische Ausgestaltung der logischen Schaltung hängt
von dem gewünschten Arbeitsablauf im Schaltkreis in Hinblick auf die Anforderungen an den Reluktanzmotor ab und
bildet deshalb keinen Teil der Erfindung. Darüber hinaus liegt die Ausbildung einer logischen Schaltung zur Schaffung
einer bestimmten Abfolge von Ansteuerimpulsen od.dgl., die
zur Betätigung des erfindungsgemäßen Schaltkreises genügen, im handwerklichen Können eines Durchschnittsfachmanns
.
Im Zusammenwirken mit der logischen Schaltung kann mit der Motorwelle ein Stellungsfühler verbunden sein, der dazu
benutzt werden kann, den Beginn und die Beendigung eines jeden Intervalls zunehmender magnetischer Leitfähigkeit
anzuzeigen. Ein solcher Stellungsfühler kann beispielsweise aus einer an die Motorwelle angekoppelten drehbaren
Scheibe mit die Läuferstellung anzeigenden Löchern darin bestehen, die nacheinander in Deckung mit Fühleinrichtungen
wie lichtempfindlichen silikongesteuerten Gleichrichtern gelangen, so daß eine derartige Deckung anzeigende Spannungsimpulse erzeugt werden. Ein derartiger Spannungsimpuls vom
Stellungsfühler wird dann der logischen Schaltung eingegeben und veranlaßt diese, die Abfolge von Impulsen zu erzeugen,
welche die Festkörperschalteinrichtungon dee erfindungsgemäßen
Schaltkreises ansteuern und dadurch die Zufuhr von elektrischer Gleichstromenergie zur Motorwicklung
bewirken. Ebenso wie die logische Schaltung gehört der Stellungsfühler nicht zur vorliegenden Erfindung.
Fo 8295/7.2.1972
209838/0656
Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung,
in der einige Ausführungsbeispiele dargestellt sind, näher erläutert. Es zeigen:
!Fig. 1 in perspektivischer Darstellung, teilweise im Schnitt, den Aufbau eines reluktanzveränderbaren
3-phasigen Scheiben-Reluktanzmotors, der sich besonders vorteilhaft für die
Verwendung in einem Steuerkreis nach der Erfindung eignet,
Pig. 2 ein Diagramm zur Veranschaulichung der zeitlichen Änderung der Wicklungsinduktivität bei
der Drehung des Motors nach Fig. 1,
Fig. 3 das Wirkschaltbild einer ersten Ausführungsform für einen Steuerkreis nach der Erfindung,
Fig. 4- das Wirkschaltbild einer anderen Ausführungsform,
Fig. 5 das Wirkschaltbild einer dritten Ausführungsform und
Fig. 6 bis 10 Diagramme mit dem zeitlichen Verlauf der Spannungen und Ströme bei verschiedenen möglichen
Betriebsarten des Steuerkreises.
Gemäß dem in Fig. 1 gezeigten Motoraufbau ist eine Motorwelle 10 in zwei Lagerschilden 12 und 14 drehbar gelagert.
Mehrere L-förmige Glieder 16 sitzen mit ihren längeren Schenkeln in flachen Nuten an der Innenseite des Lagerschilden
12. Die kürzeren Schenkel der Glieder 16 orabreckon
sich axial nach innen und reichen mit ihren Außenseiten
Fo 8295/7.2.1972 209838/0656
etwa bis zum äußeren Umfang des Lagerschildes 12. Die Glieder 16 bestehen aus lamelliertem Stahl mit parallel zur
Wellenachse verlaufenden Blechlamellen und weisen an den Stirnflächen der kürzeren Schenkel kleine radial gerichtete
Zungen 18 auf.
Eine erste schraubenförmig um die Motorachse gewundene toroidförmige
Ringwicklung 20 liegt mit der einen Hälfte ihrer Breite unter den kürzeren Schenkels der L-förmigen Glieder
und wird auf der anderen Hälfte ihrer Breite durch eine Anzahl T-förmiger Glieder 22 in Stellung gehalten. Die Glieder
22 enthalten Nuten zur Aufnahme der Zungen 18. Ähnliche T-förmige Glieder 24 halten die Wicklung 26 für die zweite
Phase des Motors gegenüber den Gliedern 22 in Stellung, und ein weiterer Satz L-förmiger Glieder 28 \iiirken mit den
T-förmigen Gliedern 24 zusammen, um die Wicklung 30 der
dritten Phase des Motors in Stellung zu halten. Die Glieder 22, 24 und 28 bestehen ebenfalls aus lamelliertem Stahl.
Ringglieder 32, 34 und 36 aus Glasfasermaterial liegen gegen
die radial inneren Flächen der Wicklungen 20 bzw. 26 bzw. 30
an und sind mit der äußeren Umfangsflache je einer Ständerscheibe
38 bzw. 40 bzw. 42 fest verbunden. Eine jede solche Ständerscheibe besteht aus einer Vielzahl tortenstückförmiger
lameliierter Stahlblechsektoren 43, die durch ein Material mit niedriger megnetischer Leitfähigkeit wie Aluminium oder
verstärktem Phenolharz voneinander getrennt sind. Die Anzahl der Sektoren 43 in jeder Standerscheibe entspricht der Anzahl
der L-förmigen Glieder 16, und die Sektoren in jeder Ständerscheibe fluchten mit diesen Gliedern.
Auf der Welle 10 ist beiderseits der Ständerscheibe 38 je
eine Läuferscheibe 50 bzw. 52 zur Vervollständigung des
magnetischen Kreises der ersten Phase des Motors befestigt. In ähnlicher Weise befinden sich beiderseits der Ständer-
i'o 8295/7.2.1972
209838/0656
scheibe 40 Lauf ersehe ib en 54- und 56 'und beiderseits der Ständerscheibe
42 Läuferscheiben 58 und 60, um die entsprechenden
magnetischen Kreise der zweiten und dritten Phase des Motors zu vervollständigen. Jede Läuferscheibe besteht ebenfalls aus
tortenstückförmigen Sektoren 61 aus lameliiertem Stahl, die zwischen Sektoren und einem Material mit geringer magnetischer
Leitfähigkeit eingeschlossen sind. In dem dargestellten 3-Phasen-Motor haben die lameliierten Sektoren sowohl der
Ständerscheiben als auch der Lauferscheiben eine Umfangserstreckung,
die angenähert der Breite der L-förmigen Glieder 16 entspricht, und sind beiderseits von dem Material mit geringerer
magnetischer Leitfähigkeit in doppelter Umfangserstreckung eingeschlossen.
In die äußere Umfangsflache einer jeden Läuferscheibe 50, 52,
54, 56, 58, 60 ist eine schmale Nut eingearbeitet und mit
einer bruchfesten Schicht 62 aus Glasfasermaterial ausgefüllt. Die lamellierten Segmente 61 der Läuferscheiben jeder
Phase fluchten miteinander. Darüber hinaus sind die lamellierten Sektoren 61 der Läuferscheiben 54-, 56 in der zweiten
Phase in Umfangsrichtung um die Umfangserstreckung eines
Sektors 61 der Lauferscheiben 50, 52 der ersten Phase versetzt,
und die lamellierten Sektoren der Lauferseheiben 58,
60 in der dritten Phase sind abermals in der gleichen Richtung um die Umfangserstreckung eines lamellierten Sektors 61
der Scheiben 54-, 56 in der zweiten Phase versetzt. Wenn
daher die Sektoren 61 der Läuferscheiben 50 und 52 mit den
Sektoren 43 der Ständerscheibe 38 fluchton, liegen die
Sektoren 61 der Rotorscheiben 54- und 56 in einer Linie zu
imaginären Sektoren der Ständerscheibe 40 neben den lamellierten Sektoren, und die Sektoren 61 der Rotorscheiben 58 und
60 liegen in einer Linie zu imaginären Sektoren der Ständerscheibe 42, die sich an der gegenüberliegenden Seite der
dortigen lamellierten Sektoren 61 anschließen. Nicht dargestellte Zuganker erstrecken sich durch Bohrungen 64 in
Fo 8295/7.2.1972 209838/0656
den Lagerschilden 12 und 14 und halten die einzelnen Teile des Motors zusammen.
Der Verlauf der magnetischen Flüsse ist in Fig. 1 durch gestrichelte
Linien /Ό, 72 und 74 angedeutet. Ein Zeitabschnitt
zunehmender magnetischer Leitfähigkeit für diese Flüsse beginnt angenähert in dem Zeitpunkt, in welchem die
Vorderkanten der lamellierten Rotorsektoren 61 beginnen, sich mit den Ständersektoren 43 des Motors axial zu überdecken.
In Fig. 1, in welcher eine Drehung der Welle 10 im Uhrzeigersinn angenommen ist, befinden sich die Rotorsektoren
61 der dritten Phase in einer Stellung, in welcher die magnetische Leitfähigkeit gerade als Folge der einsetzenden
Überdeckung der Rotorsektoren 61 mit den lamellierten Ständersektoren 43 anzusteigen beginnt. Die magnetische Leitfähigkeit
setzt diesen Anstieg fort, bis sich die lamellierten Sektoren 61 des Rotors in voller Uberdeckung mit den
lamellierten Sektoren 43 des Ständers befinden, woraufhin die Leitfähigkeit beginnt wieder abzunehmen.Um ein positives
Motordrehmoment zu erzeugen, muß der erfindungsgemäße
Steuerkreis demnach der jeweiligen Phase Wicklungsstrom
während der Zeitspanne, zunehmender magnetischer Leitfähigkeit liefern, und dieser Wicklungsstrom muß, wenn eine Motorbremsung
verhindert werden soll, wieder unterbrochen werden, bevor die magnetische Leitfähigkeit abzunehmen beginnt, wenn
die lamellierten Sektoren des Läufers und des Ständers beginnen, sich aus dieser Überdeckungsstellung wieder herauszubewegen.
Wie oben bereits festgestellt wurde, erzeugt ein Wicklungsstrom während der Zeitspanne abnehmender magnetischer
Leitfähigkeit ein negatives Drehmoment und eine Bremswirkung, die unerwünscht ist, es sei denn, eine Verminderung
der Motordrehzahl und/oder eine Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie (Nutzbremsung)
wird als vorteilhaft in Erwägung gezogen.
Fo 8295/7.2.1972
209838/06 56
Aus Fig. 2, in welcher die Änderung der Motorwicklungsinduktanz
L über der Zeit aufgetragen ist, ist der periodische Verlauf gezeigt, in welcher die Wicklungsinduktanz als Folge
der sich ähnlich ändernden magnetischen Leitfähigkeit variiert. In der Zeitspanne zwischen t^ bis to bleiben die magnetische
Leitfähigkeit und demzufolge auch die Wicklungsinduktanz im wesentlichen konstant, bis die Vorderkante
der lameliierten Sektoren 61 der Rotorscheiben die rückwärtigen Kanten der lamellierten Sektoren 4-3 der zugehörigen
Ständerscheibe erreichen. In diesem Punkt beginnen die magnetische Leitfähigkeit und die V/icklungsinduktanz anzusteigen.
Dies geschieht während der Zeitspanne von to bis t^.
Im Zeitpunkt t7 beginnen sich die lamellierten Sektoren 61,
43 des Läufers und des Ständers außer Überdeckung zu drehen,
und die magnetische Leitfähigkeit und die Wicklungsinduktanz nehmen wieder ab. Dies dauert bis zur Zeit t^, und dann
greift wieder eine Zeitspanne von im wesentlichen konstanter Induktanz Platz, nach welcher sich die Zeitspannen zunehmender
und wieder abnehmender Induktanz zyklisch wiederholen. Die Zeitspanne, in welcher die magnetische Leitfähigkeit
ansteigt und während welcher ein positives Drehmoment erzeugt werden kann, wenn die Motorwicklung mit Strom versorgt
wird, ist mit T bezeichnet. Wenn während des Zeitintervalls t, bis t^ Strom durch die Motorwicklung fließt,
wird negatives Drehmoment erzeugt. Die mit T bezeichnete Zeitspanne ist die mechanische Periode der Maschine. Die
relative Größe dieser Perioden und der maximalen und der minimalen Induktanz der Motorwicklung sind durch die Konstruktion
des Motors bestimmt und werden vom Konstrukteur in Hinblick auf die Erfüllung spezieller Betriebsanforderungen
festgelegt.
Die Zeitdauer der mechanischen Periode D? und des Zeitintervalls
zunehmender magnetischer Leitfähigkeit und Induktanz T hängt von der Motordrehzahl ab. Bei konstanter
8295/7.2.1972
209838/0656
Motordrehzahl sind diese Zeitintervalle konstant, nehmen jedoch,
wenn die Motordrehzahl sinkt, notwendigerweise ab. Es dürfte verständlich sein, daß bei zunehmender Motordrehzahl
die Zeitdauer zunehmender magnetischer Leitfähigkeit und damit die Möglichkeit, positives Drehmoment zu erzeugen, abnimmt
und daß als Folge hiervon weniger Zeit verfügbar ict,
in welcher die verschiedenen SchaItfunktionen zur Erzeugung
des Wicklungsstromes durch Anwendung dieser Schaltfunktionen auf elektrische Gleichstromenergie vollbracht werden können.
Es ist deshalb in vielen Anwendungsfällen erforderlich, eine bestimmte Betriebsart für den Steuerkreis bei niedriger
Drehzahl, eine andere Betriebsart bei höherer Drehzahl und noch eine weitere Betriebsart bei noch höherer Drehzahl
zu benutzen.
Bei der in Fig. 3 dargestellten ersten Ausführungsform der
Erfindung sind die Zweige einer Brückenschaltung mit 80, 82, 84 und 86 bezeichnet. In einem jeden dieser Zweige befindet
sich ein steuerbarer Siliziumgleichrichter 88, 90, 92 bzw. 94. Die Kathode des Siliziumgleichrichters 88 ist mit der
Anode des Gleichrichters 90 im Punkt 96 verbunden, und die
Kathode des Gleichrichters 94 ist mit der Anode des Gleichrichters
92 im Punkt 98 verbunden, wobei die Punkte 96 und
98 ein erstes Paar entgegengesetzt liegender Ecken der Brückenschaltung bilden. Die Anode des Gleichrichters 88
ist mit der Anode des Gleichrichters 94 im Punkt 100 verbunden,
und die Kathode des Gleichrichters 90 ist mit der Kathode des Gleichrichters 92 im Punkt 102 verbunden, wobei
die Punkte 100 und 102 die anderen beiden gegenüberliegenden Ecken der Brücke bilden.
Ein Kondensator 104 ist an das erste Paar der gegenüberliegenden Eckpunkte 96, 98 derart angeschlossen, daß sein
einer Belag 106 mit dem Eckpunkt 96 und sein anderer Belag
Fo 8295/7.2.1972
209838/0656
220596Ί
108 mit dem Eckpunkt 98 verbunden r.ind. Die Motorwicklunp;
110 int nn die; nndoron zwo] o.n\,w.\?v,r\w.\o{.v,\,un Kckpunkl.o
und 10Γ) iin^otiohlo.'iisoii. Die MoLorwlckluiii-·; 110 .iül. dabei /.orient in einen veräiidei'baren inneren ohmachon Widerstand und
eine veränderbare Induktivität dargestellt. Der innere ohmsche Widerstand verändert sich als Folge des Motorbetriebes
über einen weiten Bereich der Drehzahl- und DrehmomentVerhältnisse.
Die Wicklungsinduktivität ihrerseits verändert sich in der oben in Verbindung mit dem Diagramm nach Pig.
erläuterten Weise.
Eine elektrische Gleichstrom-Energiequelle in Form einer Batterie 112 ist mit ihrer negativen Klemme an den Eckpunkt
100 der Brückenschaltung angeschlossen. Die Induktivität 114 stellt den inneren induktiven Widerstand der Batterie
112 dar und ist in der Schaltung besonders eingezeichnet, um die Notwendigkeit ihrer Einbeziehung in die Ausbildung
und Wirkungsweise des gesamten Schaltkreises hervorzuheben.. Die positive Klemme der Batterie 112 ist mit der Anode des
Siliziumgleichrichters 116 verbunden, dessen Kathode an den Eckpunkt 198 der Brückenschaltung angeschlossen ist.
Mit bezug nun auf Fig. 4- ist ersichtlich, daß die Verbindungen
der Brückenzweige und der Motorwicklung identisch mit denen in Fig. 3 sind. Beim Schaltkreis nach Fig. 4 ist
jedoch die positive Klemme der Batterie 112 an den Eckpunkt 98 angeschlossen. Die negative Klemme der Batterie
ist bei 119 mit der Kathode des Siliziumgleichrichters 118 verbunden, dessen Anode an den Eckpunkt 100 angeschlossen
ist. Die negative Klemme der Batterie 112 ist weiterhin bei119 verbunden mit der Anode eines steuerbaren Siliziumgleichrichters
120, dessen Kathode an den Eckpunkt 102 angeschlossen ist. Weiterhin ist im Schaltkreis nach Fig. 4
der Belag 108 des Kondensators 104 bei 119mit der negativen
8,95/7.2.1972 209838,0656
Klemme der Batterie 112 anstelle dem Eckpunkt 98 wie in
Fig. 3 verbunden.
Mit bezug auf den Schaltkreis nach Fig. 5 ist ersichtlich,
daß dort die Zweige der Brückenschaltung, die Motorwicklung 110 und der Kondensator 104 in gleicher Weise wie im
Schaltbild nach Fig. 3 angeschlossen sind. Fig. 5 unterscheidet
sich demgegenüber dadurch von Fig. 3» daß die negative Klemme der Batterie 112 mit dem Eckpunkt 98 verbunden
ist, während ihre positive Klemme an die Anode des Siliziumgleichrichters 122 und die Kathode eines weiteren
steuerbaren Siliziumgleichrichters 124 angeschlossen ist.
Die Gleichrichter 122 und 124 sind umgekehrt parallel zueinander geschaltet und liegen in Serie mit der Batterie
112 über die Verbindung der Kathode des Gleichrichters 122 mit der Anode des Gleichrichters 124 und dem Eckpunkt 96.
Der Schaltkreis nach Fig. 1 ist nur einseitig wirksam in dem Sinne, daß es zwar möglich ist, elektrische Energie
von der Energiequelle zur Motorwicklung zuzuführen, jedoch ist es unmöglich, Energie von der Motorwicklung zur Energiequelle
zurückzuübertragen. Die Schaltkreise nach den Fig. 4 und 5 sind demgegenüber doppelt wirkend, weil sie einen
Energieaustausch zwischen der Energiequelle und der Last in beiden Eichtungen gestatten.
Die Hauptaufgabe des Schaltkreises besteht in der periodischen Zufuhr elektrische Energie zur Motorwicklung dergestalt,
daß in dieser ein Stromfluß auftritt und ein positives Drehmoment als Folge davon erzeugt wird. Die (nicht
dargestellte) Logikschaltung bestimmt die Art und Weise, in welcher die verschiedenen Halbleiter-Schalteinrich-
Fo 8295/7.2.1972
209838/0656
tungen (steuerbare Siliziumgleichrichter) des Schaltkreises angesteuert werden, um den Wicklungsstrom während geeigneter
Zeitintervalle fließen, zu lassen. Es sind verschiedene Betriebsarten möglich, die von der Reihenfolge und dem
Abstand der Ansteuerimpulse seitens des Logikkreises für
die Schaltkreise nach den Fig. 3> 4· und 5 bestimmt werden.
Darüber hinaus können die verschiedenen Betriebsarten auch zu verschiedenen Zeiten bei ein und demselben Schaltkreis
angewandt werden, wobei die zu einer bestimmten Zeit jeweils angewandte Betriebsart sich nach den zu dieser Zeit
vorhandenen Drehzahl- und Drehmomenterfordern!ssen des
Reluktanzmotors richtet. Der Logikkreis für einen bestimmten Anwendungsfall muß deshalb derart ausgebildet sein,
daß er die entsprechende Reihenfolge und den entsprechen-' den Abstand von Ansteuerimpulsen zu liefern vermag, um den
Schaltkreis in der gewünschten Betriebsart zu betreiben.
Wenn dem Schaltkreis auf diese Weise die entsprechenden Ansteuerimpulse zugeführt werden, liefert er elektrische
Energie zu dem in seiner Reluktanz veränderlichen Reluktanzmotor mit einer Impulsfrequenz, die den vorerwähnten Synchronbedingungen
entspricht, und er verändert die Größe dieser Energie in Übereinstimmung mit den Drehmomenterfordernissen
der Last. Grundsätzlich kann das Motordreh-, moment dabei sowohl positiv wie negativ sein, um den jeweiligen
Antriebs- oder Bremsbedingungen zu genügen. Einer · der Vorzüge von Reluktanzmotoren mit veränderbarer. Reluktanz
besteht darin, daß das erzeugte mechanische Drehmoment direkt proportional zum Quadrat des Effektivwertes des
Wicklungsstromes ist, d.h. der gesamte Stromfluß trägt ungeachtet der Wellenform in der Erregungswicklung während
der Intervalle zunehmender und abnehmender Induktivität zur Entstehung eines positiven bzw. negativen Drehmomentes
bei. Eine Steuerung des Motordrehmoments bei einem Reluktanzmotor wird deshalb durch Steuerung der Größe des
Fo 8295/7.2.1972
209838/0656
effektiven Wicklungsstromes erhalten. Die Impulsfrequenz
dieses Stromes bestimmt die Motordrehzahl.
Spannungssteuerung: Bei dieser Betriebsart wird die Größe
des Stromimpulses durch Steuerung der Größe der im Kondensator 104 am Ende eines Jeden Stromimpulses gespeicherten
Spannung gesteuert. Diese Steuerungsart kann zusammen mit den meisten anderen Steuerungsarten, wie sie hiernach noch
beschrieben werden, zur Anwendung kommen und als Spannungsregelung des Steuersystems betrachtet werden. Sie ist nützlich
als Mittel zur Steuerung des effektiven Motorstroms und dadurch des Motordrehmomentes sowie auch als Mittel
zum Schutz der Systemkomponenten vor Überspannungen. Sie · dient ferner dazu, die Anzahl der Stromimpulse zur Energiequelle
und aus dieser heraus zu vermindern und damit deren Wirkungsgrad zu verbessern.
Die Spannungssteuerung soll nun an Hand der Schaltung nach Fig. 3 in Verbindung mit den Wellenformen nach Fig. 6 für
Ij1 (Strom durch die induktivitätsbehaftete Motorwicklung
110), Xq (Strom im Kondensator 104), vQ (Spannung am Kondensator
104), ig (Strom in der Batterie 112 und deren innerer Induktivität) und der Wellenform für die Ansteueroder
Auslöseimpulse für die steuerbaren Siliziumgleichrichter zur Betätigung des Schaltkreises nach Fig. 4 näher
erläutert werden. In Fig. 6 stellen T eine Polteilung oder eine wiederholbare Periode der sich ändernden Induktivität
dar, T das ausnutzbare Intervall der Polteilung (in welchem die Wicklungsinduktivität zunimmt) und T die
elektrische Periode, d.h. das Zeitintervall, während welchem in der Motorwicklung Strom fließt und deren Dauer
allein bestimmt ist durch die Stromkreisparameter in Verbindung mit der nachstehenden Gleichung:
)J
+ 2.47 XG
F0 8295/7.2.1972 209839/0656
worin X-^X (S08x- Lffiin#) und darin wiederum
und i>min cLie maximale bzw. minimale Motorwicklungsinduk- ·
tivität darstellen; "p" ist die Anzahl der sich wiederholenden
Induktivitätsschwankungen je Umdrehung des Motorläufers;
"n" ist der Augenblickswert der Läuferdrehzahl, gemessen in
Umdrehungen pro Zeiteinheit; "a" ist die Polteilung des
Motors; und "C" ist die Kapazität des Kondensators 104. In der Gleichung verdient Beachtung, daß bei einer gegebenen
Motorgeschwindigkeit keine Steuerung über die elektrische Periode T erfolgt; T ist bestimmt durch die Daten des
Kondensators 104- und die minimale und maximale Induktivität der Motorwicklung 110,
Der Funktionsabvlauf bei der Spannungssteuerung beginnt damit,
daß der Kondensator 104 ungeladen ist. Im Zeitpunkt ■ t = Null werden die Siliziumgleichrichter 116 und 90 mit
Impulsen angesteuert und werden leitend, und es werden Stromimpulse in der Batterie 112, der Motorwicklung 110
und dem Kondensator 104 ausgelöst, wodurch der Kondensator auf die Spannung Vc/, aufgeladen wird. Die entstehenden
Stromwellenformen sind in Fig. 6 dargestellt. Der vorerwähnte Kreis ist ein untergedämpfter LC-Kreis, und die
Spannung Vq^. wird deshalb gleich einem Wert sein, der etwas
unter dem Doppelten der Batteriespannung liegt, wobei der genaue Wert von der Größe der Dämpfung abhängt. Die Tat-·
sache, daß der Kondensator 104 auf einen Wert aufgeladen wird, der über der Batteriespannung liegt, wobei der
untere Belag 108 des Kondensators positiv ist, veranlaßt die Gleichrichter 116 und 90, umgekehrt vorgespannt und
dadurch nichtleitend oder kommutiert zu werden.
Der Kreis kann in nachstehender Weise erneut wieder eingeschaltet werden, sobald für die Siliziumgleichrichter eine
genügende Zeitspanne vergangen ist, um sicherzustellen, daß diese ihren nichtleitenden Zustand erreicht haben. Es sei
Fo 8295/7.2.1972 209838/0656
jedoch bei dieser Beschreibung angenommen, daß der nächste Stromimpuls nicht früher auftritt, als zu Beginn der nächsten
mechanischen Periode zunehmender magnetischer Leitfähigkeit.
Im Zeitpunkt t = T werden nun die Siliziumgleichrichter 92
und 88 durch entsprechende Ansteuerimpulse leitend gemacht.
Dies führt zu einer Umpolung der Spannung am Kondensator dergestalt, daß der Belag 106 positiv wird und eine Spannung
Vßp am Kondensator auftritt, die etwas kleiner als Vq1^ ist,
was wiederum von der relativen Dämpfung des LC-Kreises abhängt. Der Strom in der Motorwicklung 110 fließt in derselben
Richtung wie wahrend des vorstehend beschriebenen Stromimpulses, und der Batteriekreis befindet sich in geöffnetem
Zustand. Die Anhäufung von Ladung im Kondensator 104 führt schließlich zur Kommutierung der Gleichrichter 92
und 88.
Zur Zeit t = 23? werden die Siliziumgleichrichter 116 und
90 erneut angesteuert, und es tritt in der Motorwicklung 110 erneut ein Stromfluß wie vorher auf und wie dies in
Pig. 6 gezeigt ist. In diesem Zeitpunkt unterstützen jedoch
die Batteriespannung und die Anfangsspannung des Kon- ■
densators einander, was zu einer Gesamtspannung von etwas
weniger als dem Dreifachen der am Kreis anliegenden Batteriespannung führt. Dadurch ist die Größe des Stromimpulses
größer als die der vorausgegangenen Impulse. Die Impulsdauer bleibt jedoch konstant. Der Kondensator 104 wird
dadurch dergestalt aufgeladen, daß sein Belag 108 positiv ist und die Kondensatorspannung Vq^ etwas 'weniger als das
Vierfache der Batteriespannung beträgt.
Im Zeitpunkt ρ = 3Tm werden die Siliziumgleichrichter 92
und 88 erneut angesteuert. Dies bewirkt wiederum einen Stromfluß im Kondensator 104 und der Motorwicklung 110
Po 8295/7.2.Π972 '
209838/0656
-21- 220596t
und führU aur Umkehr dor Polarität dor.· Ladung der. Kondon-
«aüori.» 104, so daß dor Belag 106 wiederum positiv im Verhältnis
zum Belaß 108 wird. Der Kondensator 104 hat dann
die Spannung V^ gemäß Fig. 6.
Im Zeitpunkt t = 4Φ werden die Siliziumgleichrichter 116
und 90 angesteuert und veranlassen die Batterie 112, den
Kondensator 104 weiter auf eine Spannung Vq1- aufzuladen,
einen Wert von· etwas weniger als dem Fünffachen der Batteriespannung,
während gleichzeitig ein weiterer Stromimpuls durch die Motorwicklung 110 fließt.
Theoretisch könnte diese Reihenfolge der Ladung des Kondensators 104 durch Ansteuern der Siliziumgleichrichter 11.6
und 90 und Umkehrung der Ladung durch Ansteuern der Siliziumgleichrichter
92 und 88 unbegrenzt fortgesetzt werden. Der Kondensator 104 -würde gegebenenfalls eine Dauerzustandsspannung erreichen, und die Spannung würde nicht mehr
weiter anwachsen, es sei denn, der Energieverbrauch des . Kreises würde sich ändern.' Jedoch bietet diese Reihenfolge
keinen Maßstab für die Steuerung des Stromes, und weiterhin liegen die resultierenden Dauerzustandespannungen
oberhalb eines zulässigen Niveaus für die Halbleiter-Schaltelemente.
Um eine Steuerung des Effektivwertes für den Wicklungsstrom
zu erhalten, müssen die Stromimpulsspitζen gesteuert werden,
während die Länge der Stromimpulse ungeändert bleibt. Vo rzugsweise wird die Stromimpulsspitze zwischen einem Minimalwert
gehalten, der bei zunächst ungeladenem Kondensator 104 beim ersten Stromimpuls gemäß Fig. 6 auftritt, und
einen Maximalwert, der etwa das Vier- oder Fünffache des Mnimalwertes betragen map;. Dies wird erreicht durch Unterdrückung
einer oder mehrerer Ladezyklen, die beim Ansteuern der Siliziumgleichrichter 116 und 90 auftreten, und durch
ΐ·Ό a >o ν-.:·. 19?.: 2y<jin-, M r .- p bad original
220596t
Ersatz dieser Zyklen durch eine einfache Umkehrstufe. Bei dieser Umkehrstufe werden die Siliziumgleichrichter 90 und
94· angesteuert, und es wird ein Stromfluß in dem vom Kondensator
104 dem Gleichrichter 90, der Motorwicklung 110 und dem Gleichrichter 94- gebildeten Kreis hervorgehoben.
Der Kondensator 104 kehrt dadurch seine Ladung um, wodurch der Belag 108 zum Impulsende positiv wird und ein nutzbarer
Stromfluß durch die Motorwicklung erzeugt wird. Aufgrund des Energieverbrauchs im ohmschen Wicklungswiderstand
und weiteren energieverzehrenden Elementen innerhalb des Stromkreises ist die Spannung am Kondensator 104 am
Ende des Impulses kleiner als zu Beginn. Eine Aufeinanderfolge von abwechselnden Ansteuervorgängen der Gleichrichter
92 und 88 und dann der Gleichrichter 90 und 94- wird deshalb
den Kondensator'stufenweise über die Motorwicklung entladen,
wobei keine Energie aus der Gleichstrombatterie 112 entnommen wird.
In der Betriebsart der Spannungssteuerung wird der Kondensator 104- zunächst auf die zur Erzeugung des gewünschten
Energieniveaus in der Motorwicklung 110 erforderliche Spannung aufgeladen. Dann wird die Motorwicklung nur von
der im Kondensator 104 gespeicherten Energie gespeist, bis
die Spannung des Kondensators zu niedrig geworden ist. Diese Minimalspannung ist in erster Linie durch die umgekehrte
Vorspannung des Kondensators zur ausreichenden Kommutierung der Halbleiter-Schaltelemente bestimmt. Wenn
dieses Spannungsminimum erreicht ist, oder auch zu Beginn eines jeden alternierenden Zyklus werden die Siliziumgleichrichter
116 und 90 anstelle der Siliziumgleichrichter 90 und 94· angesteuert. Dadurch wird der Kondensator 104 von
der Batteriequelle 112 wieder aufgeladen. Diesem; Ansteuern
der Gleichrichter 116 und 90 anstelle der Gleichrichter
90 und 104 kann, falls erwünscht, bei jedem anderen Zyklus erfolgen, bir. eins gewünschte Spannimgsniveau
Fo 8295/7.2.19/2 2 0 y 8 :) i] / ?! S S 6
220S961
am Kondensator 104 erreicht ist. Grundsätzlich wird aus der Stromquelle nur Energie über den Siliziumgleichrichter 116
entnommen, wenn sie benötigt wird, um einen gewünschten Energiepegel in der Motorwicklung aufrechtzuerhalten.
Die Vorgänge bei der Spannungssteuerung des Schaltkreises nach Fig. 4 sind sehr ähnlich derjenigen des Schaltkreises
nach Fig. 3· Der Kondensator 104 wird von der Batterie 112 über die Motorwicklung 110 durch Ansteuerung der Gleichrichter
92 und 88 aufgeladen, wobei der Belag 106 des Kondensators 104 positiv im Verhältnis zum Belag 108 wird.
Die Ladungspolarität am Kondensator 104 kann dann durch Ansteuern der Siliziumgleichrichter 118 und 90 umgekehrt
werden, so daß der Belag 108 des Kondensators dann positiv im Verhältnis zum Belag 106 wird. Die Ladung kann dann aus
diesem Zustand erneut umgekehrt werden, indem der Belag wiederum positiv mit bezug auf den Belag 108 gemacht wird,
ohne daß von der Batteriequelle 112 durch Ansteuern der Gleichrichter 120 und 88 anstelle der Gleichrichter 92
und 88 nachgeladen wird. Der Schaltkreis nach Fig. 4 hat den zusätzlichen Vorteil gegenüber Fig. 3, daß der Kondensator
schnell über die Motorwicklung und die Batterie in Serienschaltung entladen werden kann, wodurch der größte
Teil seiner Energie zur Stromquelle zurückgeführt wird. Um dies zu vollbringen, muß der Belag 106 des Kondensators.
104 positiv sein. Die Gleichrichter 90 und 94 werden dann·
angesteuert, was zu einem Stromfluß über die Motorwicklung hin zur positiven Klemme der Batterie 112 führt. Dieses
Merkmal ist für den Schutz des Steuerkreises gegen Überspannungen am Kondensator 104 sehr erwünscht. Es ist
ferner nützlich für den Nutzbremsbetrieb der Motorwicklung.
Die Vorgänge bei der Spannungssteuerung des Stromkreises nach Fig. 5 sind identisch zu denjenigen des Stromkreises
Fo 8295/7-2.1972 209838/0658
_ 24 -
nach Fig. 7j mit Ausnahme des Ladungszyklus. Boim Stromkreis
nach Fig. 5 kann der Kondensator 104 unabhängig von der Motorwicklung durch Ansteuern des ßiliziumgleichrichters
122 geladen werden. Somit kann der Kondensator jederzeit ungeachtet der in Fig. 2 veranschaulichten Änderungen der
Motorwicklungsinduktivität aufgeladen werden. Ea sollte jedoch beachtet werden, daß die Polarität der Ladung am
Kondensator 104 nach einem Batterieladungszyklus über die
Gleichrichter 90 und 94 und die Motorwicklung umgekehrt
werden muß. Der getrennte Ladekreis erlaubt in einigen Anwendungsfällen einen Betrieb mit höherer Frequenz. Auch
kann wie im Fall der Fig. 4 der Kondensator 104 bei der Schaltung nach Fig. 5 über die Motorwicklung zur Verminderung
seiner Spannung entladen werden. In diesem Fall werden die Gleichrichter 90, 94 und 124 bei positivem Belag 106
des Kondensators angesteuert. Während V^ größer ist als
die Spannung der Batterie 112, teilt eich dor Enbindung^-
strom des Kondensators 104 zwischen dem Batteriekreis und dem Motorwicklungskreis auf. Wenn V„ unterhalb des Batteriepotentials
absinkt, wird der Siliziumgleichrichter 124 umgekehrt vorgespannt und nicht leitend, und die verbleibende
Kondensatorladung verbraucht sich innerhalb der Motorwicklung. Wenn dieser Vorgang einwandfrei ablaufen soll, muß
entweder in der Batterie oder dem Kondensator etwas Induktivität vorhanden sein.
Stromumlaufbetrieb (Freilaufbetrieb); Als alleiniges Mittel
zur Steuerung des Effektivwertes des Stromes würde die vorgeschriebene Spannungssteuerung durch die Unmöglichkeit
einer Veränderung der Impulslänge ernsthaft begrenzt sein· Bei verschiedenen Reluktanzmotoren mit veränderlicher
Reluktanz könnte die elektrische Impulsdauer 0? dazu benutzt werden, das Intervall zunehmender Induktivität T
an die größte erwartete Motordrehzahl anzupassen.· Bei dieser Drehzahl und herab bis zu etwa 70% davon würde durch
209838/0656
Fo 8295/7.2.1972
Anwendung der erwähnten Variationstechnik der Spannung eine Steuerung in beträchtlichem Ausmaß möglich sein. Bei
niedrigeren Drehzahlen jedoch wird die Dauer der Stromim-, pulse in der Motorwicklung in bezug auf das Intervall T
kürzer, und der Effektivwert des Stromes nimmt mit der Quadratwurzel des Verhältnisses zwischen der elektrischen
Periodendauer T zur Periodendauer T ab. Zur Steigerung
e ρ
des Wirkungsgrades ist es deshalb erwünscht, den Stromimpuls über die gesamte Zeitdauer T zunehmender Wicklungsinduktivität andauern zu lassen und die Stromimpuls-Scheitelwerte herabzusetzen.
Zur Vergrößerung der Dauer der Motorwicklungs-Stromimpulse wird eine mit "Freilauf" bezeichnete Technik verwendet.
Bei dieser Betriebsart wird die Motorwicklung von der Energiequelle
und dem Kondensator 104 abgetrennt und über eine Halbleiter-Schalteinrichtung kurzgeschlossen.■Die im magnetischen
Feld der Motorwicklung 110 gespeicherte Energie verursacht im Augenblick des Kurzschlusses, daß im Kurzschlußkreis
ein Strom zirkuliert, der nutzbringendes Drehmoment proportional zum Quadrat des Effektivwertes des
Stromes erzeugt. In den folgenden Absätzen wird der Freilauf betrieb in Verbindung mit dem Steuerkreis nach Fig. 3
erläutert, wozu die sich ergebenden Wellenformen in Fig. 7 dargestellt sind.
Es sei angenommen, daß der Kondensator 104· im Zeitpunkt
t = Null in Fig. 7 auf eine gewünschte Spannung Vq0
(in Fig. 7 als negative Spannung eingezeichnet) mit positivem Belag 106 gegenüber dem Belag 108 zu Beginn der
mechanischen Periode aufgeladen sei, wobei die Induktivität der Motorwicklung 110 beginnt zuzunehmen. Zu diesem
Zeitpunkt werden die Siliziumgleichrichter 90 und 94 durch
entsprechende Ansteuerimpulse in ihren leitenden Zustand umgeschaltet. Dies bewirkt einen Stromimpuls s±n innerhalb
der von dem Kondensator 104, dem Gleichrichter 90, der
209838/0656
Fo 8295/7.2.1972
Motörwicklung 110 und dem Gleichrichter 94
Leiterschleife.
Zu einer beliebigen Zeit, nachdem der Stromimpuls seinen
Scheitelwert erreicht hat, wird entweder der Gleichrichter 88 oder der Gleichrichter 92 angesteuert. Wenn der Gleichrichter
92 angesteuert wird, wird die Motorwicklung 110 kurzgeschlossen, und der Strom in dieser Wicklung fließt
"im Freilauf" über die Gleichrichter 94 und 92. Es handelt
sich dabei um einen vom magnetischen Feld der Wicklung erzeugten Zirkulationsstrom, und dieser nimmt in der Größe
beim Auftreten von Verlusten ab. Der Kondensator 104 setzt seine Ladungsumkehr über den Gleichrichter 90 und den von
der Motorwicklung und dem Gleichrichter gebildeten Kurzschlußkreis fort. Im Augenblick des Scheitelpunktes des
Stromimpulses ist die Kondensatorspannung gleich der Batteriespannung, wobei der Belag 108 gleichzeitig positiv
in bezug auf den Belag 106 ist, und die Kondensatorspannung
fährt fort, in iher Größe mit dieser Polarität anzusteigen. Das Ansteuern des Gleichrichters 92 legt den Kondensator
104 an die Klemmen des Gleichrichters 90, wodurch dieser umgekehrt vorgespannt und veranlaßt wird, in wenigen Mikrosekunden
zu kommutieren. Der Strom fährt wort, im Freilauf innerhalb der von der Motorwicklung und den Gleichrichtern
94 und 92 gebildeten Leiterschleife im Freilauf zu zirkulieren, wobei diese Leiterschleife von dem Rest des Systems
isoliert ist, und der Strom klingt in einem Ausmaß ab, das durch die Zeitkonstante der Leiterschleife bestimmt
ist.
Der Siliziumgleichrichter $K) muß in seinem Zustand umgekehrter
Vorspannung für eine ausreichende Zeitdauer verbleiben, um seine Kommutierung sicherzustellen. Nach dieser
Zeitspanne kann die Motorwicklung vom Kondensator 104 durch Impulsansteuerung des Gleichrichters 88 "wieder aufgeladen"
werden, wozu der Zweck das Ansteigen des Wicklungsstromes und des Motordrehmomentes ist. Das Ansteuern des Gleich-
209838/0656
richters 88 führt zur umgekehrten Vorspannung des Gleichrichters 94 und damit zu dessen Sperrung. Zu diesem Zeit·"
punkt ist ein Stromfluß in der von dem Kondensator 104, dem Gleichrichter 92, der Motorwicklung 110 und dem Gleichrichter
88 gebildeten Leiterschleife vorhanden, und diese
steigt auf einen Scheitelwert, der durch die Größe der im Zeitpunkt der Ansteuerung des Gleichrichters 88 im
Kondensator 104- gespeicherten Ladung bestimmt ist.
Nachdem der Scheitelwert des Stromimpulses erreicht worden ist, kann die Motorwicklung erneut kurzgeschlossen und in
Freilaufzustand gebracht werden. Um jedoch den Ladestrom
der Kalbleiter-Schaltelemente zu vermindern, kann es er- . wünscht sein, die Freilaufschleifen abzuwechseln. Dies kann
dadurch geschehen, daß die Motorwicklung in Verbindung mit dem Gleichrichter 90 und 88 zur Herstellung einer Kurzschlußwicklung
und damit eines Freilaufs benutzt wird, anstatt hierzu die Gleichrichter 94 und 92 zu verwenden. Wenn ein
Ansteuerimpuls dem Gleichrichter 90 zugeführt wird, zirkuliert
der Strom durch die Motorwicklung 110 im Freilauf über die Gleichrichter 90 und 88. Der Kondensator 104
setzt seine Ladungsumkehr über den Gleichrichter 92, die kurzgeschlossene Motorwicklung 110 und den Gleichrichter
88 fort. Der Kondensator 104 vervollständigt seine Ladungsumkehr und verursacht die Ladung 106, wiederum positiv zu
werden. Wenn der Kondensatorstrom den Wert Null erreicht, wird der Gleichrichter 92 umgekehrt vorgespannt und sperrt.
Die Bedingungen im Schaltkreis zu dieser Zeit sind dieselben, wie sie im Zeitpunkt t = Null waren, mit Ausnahme daß
die Kondensatorspannung in der Größe abgenommen hat. Der in den unmittelbar vorausgehenden .Absätzen geschilderte
Vorgang kann so oft wiederholt werden, bis die Kondensatorspannung unzureichend geworden ist, um die verschiedenen
Siliciumgleichrichter sicher sperren zu lassen. Alternativ
8295/7.2.1972
mag cü erwünscht »ein, die Kondensat orcpannunp; au :; leitern,
um das Stromniveau in .Abhängigkeit von gcüticgonen Motorauügangsbedingungen
anzuheben. In jedem Pail kann der Kondensator 104 jederzeit durch Ansteuern der Gleichrichter
und 90 wieder aufgeladen werden, wenn sein Belag 106 positiv
ist.
Noch eine weitere Alternative in diesem Zeitpunkt besteht darin, den Freilaufzyklus zu beenden. Dies kann durch Ansteuern
des Gleichrichter 94 mit einem Auslöseimpuls erfolgen.
Dadurch wird der Gleichrichter 88 veranlaßt zu sperren, und der Kondensator 104 kann sich über den vom
Gleichrichter 90, der Motorwicklung 110 und den Gleichrichter 94 gebildeten Kreis entladen, so daß der Belag 108 des
Kondensators 104· im Verhältnis zum Belag 106 positiv wird. Dies entspricht der in Fig. 7 dargestellten Situation. In
Fig. 7 sind Freilaufzyklen während des Zeitintervalls von
t = Null bis T=T dargestellt. Der zweite Freilaufzyklus
könnte leicht durch Ausbleiben eines Auelöseimpulses für den Gleichrichter 90 nach Impulsansteuerung des Gleichrichters
88 weggelassen werden. Es sollte jedoch bedacht werden, daß es wünschenswert ist, das Intervall zunehmender
magnetischer Leitfähigkeit soweit wie möglich mit Motorwicklungsstrom anzufüllen. Auch ist es erwünscht, eine
Stromform in der Motorwicklung zu erzeugen, die die im wesentlichen trapezförmige Gestalt nach Fig. 7 besitzt.
Es bestehen verschiedene Möglichkeiten zur Steuerung des. Strom-Effektivwertes während des Freilaufzyklus. Beispielsweise
kann die Dauer des Freilaufzyklus als Abschnitt des nutzbaren Intervalls der zunehmenden magnetischen
Leitfähigkeit gesteuert werden. Auch kann der Anfangswert des Freilaufstromes über die kurzgeschlossene
Motorwicklung gesteuert und über einen kleinen Bereich durch Steuerung des Zeitintervalls zwischen dem Scheitelwert des Stromimpulses und der Ansteuerung des Silizium-
Fo 8295/7.2;1972 209838/0656
gleichrichter, der den Kurzschluß auslöst, gesteuert
werden. Darüber hinaus kann auch der Minimalwert des Freilauf stromes , d.h. der Strom bei welchem der Kurzschluß beendet
wird, gesteuert werden, in dem die Größe der Stromscheitelwerte, die während der Umkehrung der Kondensatorladung
auftreten, durch Veränderung der Kondensatorspannung in vorgeschriebener Weise gesteuert werden·
Die Freilaufmethode läßt sich auch auf dem Fachmann aus Vorstehendem
ohne weiteres zu Gebote stehender Weise auf die Steuerkreise nach Fig. 4- und 5 anwenden.
Impulsfrequenzsteuerunp;; Ein anderes grundsätzliches Verfahren
zur Steuerung des Effektivwertes des Motorstroms ergibt sich durch Veränderung der Anzahl der Stromimpulse,
die in der Motorwicklung de Umdrehung hervorgerufen werden.
Wenn pro Umdrehung "p" wiederholbare Intervalle zunehmender
magnetischer Leitfähigkeit vorhanden sind und je ein
Impuls pro Intervall angewandt wird, entsteht ein Maximum von "p" Impulsen pro Umdrehung. Durch Eliminierung einer
gewissen Anzahl dieser Impulse derart, daß die wirksame Anzahl "h" ist, wird der Effektivwert des Stromes im Verhältnis
der Quadratwurzel aus dem Quotienten von h : ρ vermindert. Dieses Verhältnis ist unabhängig von der Impulswellenform.
Dieses Verfahren ist sehr nützlich, wenn es in Verbindung mit einer Einfach-Impulssteuerung und mit Motoren
mit verhältnismäßig großen Werten von ρ und der Drehzahl benutzt wird. Eine typische Wellenform für den Motorwicklungsstrom
iL bei Anwendung der Impulseliminierung ist
in Fig. 8 dargestellt, worin zehn volle Perioden der mechanischen Induktivitätsänderung eingezeichnet sind
und worin die Intervalle zunehmender magnetischer Leitfähigkeit T für eine jede Periode eingetragen sind. Es
ist bemerkenswert, daß die Impulse der ungeradzahligen mechanischen Perioden, d.h. von O bis T , von zwei T
bis 3Tm usw. fehlen.
Fo 8295/7.2.1972 , 209838/OßSß
Die Impulsfrequenz kann noch in einer anderen Weise mit dem Steuerkreis der Erfindung verändert werden, was sehr nützlich
ist für Reluktanzmotoren mit einer kleinen Anzahl wiederholbarer Induktanzanderungen pro Umdrehung. Bei
niedrigen Drehzahlen des Motors ist die elektrische Impulsdauer Q? für gewöhnlich viel kleiner als das mechanische
Intervall 1H zunehmender Induktivität. Deshalb kann eine
Anzahl elektrischer Impulsperioden leicht in eine mechanische Periode eingefügt werden. Mit dem Steuerkreis nach '
Pig. 3 kann dies durch abwechselndes Ansteuern der Siliziumgleichrichter 116 und 90 einerseits und des Gleichrichterpaars
92 und 98 andererseits geschehen. Das resultierende Zusammenbrechen der Sinusimpulse ist in Pig. 9 veranschaulicht.
Obgleich diese Steuerungsart bei vielen Antriebssteuerungen für veränderliche Drehzahl verbreitet benutzt
wird, ist die resultierende Wellenform nicht so wirksam wie die Freilauf-Wellenform nach Pig. 7 und erfordert
höhere Strom-Scheitelwerte für einen vorgegebenen Effektivwert des Stromes.
ImpulsverschiebunKssteuerunK; Diese Betriebsart kann mit
allen vorbeschriebenen Betriebsarten gekoppelt werden, ist jedoch für gewöhnlich nicht als alleiniges Mittel zur
Drehmomentsteuerung geeignet. Mit bezug auf Pig. 2 ist erkennbar, daß ein positives Motordrehmoment im Augenblick
t = to erzeugt werden kann. Wenn der Wicklungsstrom
i-r in diesem Zeitpunkt seinen Maximalwert hat oder sich
in dessen Nähe befindet und diesen Wert bis beinahe t = t-*
beibehält, wird ein maximales Drehmoment je Impuls erzeugt.
Weil der Aufbau der Amperewindungen eine endliche Zeitspanne benötigt, ist es bisweilen erwünscht, einen Impuls schon
während der Zeitspanne zwischen t* und tp beginnen zu
lassen. Obgleich dies die ohmschen Verluste etwas erhöht, weil innerhalb dieser Zeitspanne kein nutzbringendes Drehmoment
erzeugt wird, wird das resultierende Anwachsen des nutzbaren Drehmoments während des Intervalls zunehmender
Induktivität oft diesen Verlust kompensieren. Der Strom-
209838/0656
impuls könnte auch in das Intervall zwischen t7 und t^ verlagert
werden, jedoch würde dies den zusätzlichen Nachteil eines negativen Drehmomentes zur Folge haben.
ParallelumGchaltbctricb: Dig Steuerkreise nach Fig. 3» 4 und
5 können auch als einfache Parallel-Umschaltkreise betrieben
werden. Bei einem Reluktanzmotor mit veränderlicher Reluktanz führt diese Betriebsart zu einer angenähert dreieckigen
Form des Wicklungssti^omes, wie in Fig. 10 anhand der
Wellenformen für die Anwendung der Parallelumschaltung auf Fig. 3 dargestellt ist.
Wellenformen für die Anwendung der Parallelumschaltung auf Fig. 3 dargestellt ist.
In diesem Fall der Anwendung auf den Steuerkreis nach Fig.3
muß der Kondensator 104 eine solche Anfangsladung aufweisen, daß sein Belag 106 positiv gegenüber dem Belag 108
ist. Dann werden den Siliziumgleichrichtern 116 und 92
Ansteuerimpulse zugeführt, um einen Stromfluß in dem aus
der Batterie 112, den Gleichrichtern 116 und 92 und der
Motorwicklung 110 gebildeten Stromkreis hervorzurufen. Der Strom ijj steigt in der Motorwicklung in Form einer e-Funktion an, wie dies Fig. 10 zeigt.
Ansteuerimpulse zugeführt, um einen Stromfluß in dem aus
der Batterie 112, den Gleichrichtern 116 und 92 und der
Motorwicklung 110 gebildeten Stromkreis hervorzurufen. Der Strom ijj steigt in der Motorwicklung in Form einer e-Funktion an, wie dies Fig. 10 zeigt.
Wenn ein bestimmter Grenzwert des Stromes i-r erreicht ist,
wird dem Gleichrichter 90 ein Ansteuerimpuls zugeführt.
Wegen der Anfangsladung des Kondensators wird der Gleichrichter 92 umgekehrt vorgespannt und sperrt. Dies führt
zur Entstehung eines Sinusimpulsstroms innerhalb des vom
Kondensator 104, dem Gleichrichter 90, der Motorwicklung
110, der Batterie 112 und dem Gleichrichter 116 gebildeten Stromkreis. Dies kehrt die Ladung des Kondensators 104 um, so daß dessen Belag 108 positiv wird.
Wegen der Anfangsladung des Kondensators wird der Gleichrichter 92 umgekehrt vorgespannt und sperrt. Dies führt
zur Entstehung eines Sinusimpulsstroms innerhalb des vom
Kondensator 104, dem Gleichrichter 90, der Motorwicklung
110, der Batterie 112 und dem Gleichrichter 116 gebildeten Stromkreis. Dies kehrt die Ladung des Kondensators 104 um, so daß dessen Belag 108 positiv wird.
Der Stromfluß kann dadurch beendet werden, daß diesem Sinusimpuls die Möglichkeit der Fortsetzung gegeben wird, bis der
Strom den Wert Null erreicht hat, wonach die Gleichrichter 116 und 90 von selbst sperren. Die Ladung am Kondensator
Fo 8295/7.2.1972 - 209838/0656
muß umgekehrt werden, um die vorbeschriebene Aufeinanderfolge
von Schritten zu wiederholen. Als Alternativmöglichkeit zur Beendigung des Stromflusses in der vorstehend beschriebenen
Weise kann der Siliziumgleichrichter 88 angesteuert werden. Dies ermöglicht einen Freilauf des Wicklungsstromes
über die Gleichrichter 88 und 90· Der Kondensator
104 vervollständigt seine Ladungsumkehr und lädt
wieder auf, so daß sein Belag 108 positiv wird, was als Folge des Stromflusses durch die Batterie 112, den Gleichrichter
116 und die kurzgeschlossene Motorwicklung 110 erfolgt.
Der Freilaufzustand kann durch Zuführung eines Ansteuerimpulses
zum Gleichrichter 92 beendet werden. Dies spannt den Gleichrichter 90 umgekehrt vor und macht ihn nichtleitend.
Die Gleichrichter 92 und 88 schalten von selbst am Ende des Sinusimpulses um, und die Ladung am Kondensator
wird danach umgekehrt sein, so daß sein Belag 106 gegenüber dem Belag 108 positiv geworden sein wird.
Selbstsynchronisationsbetrieb; Wenn ein Reluktanzmotor mit
veränderlicher Reluktanz als echte Synchronmaschine betrieben wird, d.h. mit keiner Stellungsrückkopplung und mit
einer konstanten Impulsfrequenz, ist die Impulsverschiebung der natürliche Mechanismus, durch welchen der Motor das von
ihm entwickelte Drehmoment zur Anpassung an die Drehmomenterfordernisse ändert. ,Weil diese Betriebsart sehr einfach
ist, so daß sie auch für andere Typen von Synchronmaschinen verwendet werden kann, wird der Begriff des Drehmomentwinkels
eingeführt. Mit bezug auf die Wellenform i-r der Fig. 2 ist der Drehmomentwinkel / definiert als die Zeitspanne
zwischen dem Zeitpunkt tp und dem Zeitpunkt des Nulldurchgangs des Anstiegsschenkels des Stromimpulses.
Der Reluktanzmotor stellt sich von selbst derart ein, daß er durch Verschiebung seiner Rotorstellung in bezug auf die
elektrische Impulsperiode den äußeren Anforderungen des
Fo 8295/7.2.1972 209838/0656
Belastungsmomentes genügt, wie dies eine herkömmliche Synchronmaschine
tut. Bei geringen Belastungen ist der Drehmomentwinkel ö groß, und die Stromimpulse greifen beträchtlich
in das Intervall negativen Drehmomentes zwischen t7 und t^, ein. Da sowohl der Maximalstrom wie die elektrische
Periode T bei dieser Betriebsart unveränderlich sind, ist ein Winkel (für gewöhnlich angenähert Null) vorhanden, für
welchen das entwickelte positive Drehmoment einen Maximalwert erreicht. Wenn der Drehmomentbedarf größer ist als
dieser Wert, fällt der Motor außer Tritt mit den Stromimpulsen und geht in einen instabilen Zustand über. Bei
der Anwendung des Selbstsynchronisierbetriebes auf den Schaltkreis nach Fig. 3 werden Ansteuerimpulse in einer
unveränderlichen Impulsrate den Gleichrichtern 116 und oder den Gleichrichtern 94 und 90 zugeführt. Daraufhin
werden Ansteuerimpulse den Gleichrichtern 92 und 88 zugeführt.
Die Entscheidung darüber, ob der Gleichrichter oder der Gleichrichter 94 zusammen mit dem Gleichrichter
benutzt werden soll, bestimmt sich nach dem gewünschten Spannungsniveau am Kondensator 104.
Generatorbetrieb: Wenn die Welle 10 von einem äußeren Motor
angetrieben wird, kann die Reluktanzmaschine als Quelle elektrischer Energie verwendet werden. Wie ein Induktionsgenerator
besitzt der Reluktanzgenerator keine eigene Erregung und muß deshalb von einer äußeren Energiequelle
her erregt werden.
Der Steuerkreis nach der Erfindung kann zur Steuerung der Generatorwirkung der Reluktanzmaschine verwendet werden,
wenn immer mechanische Energie der Maschinenwelle zugeführt wird. Diese mechanische Energie kann beispielsweise
die, kinetische Energie sein, die während der Abbremsung eines Motorfahrzeuges frei wird. Für den Generatorbetrieb
muß nur die Batterie-Kondensator-Schaltung in einem der Stromkreise nach Fig. 3 bis 5 synchron an die Maschinen-
Fo 8295/7.2.1972 ,209838/0^5^
wicklung während des Zeitintervalls zwischen t^ und tL, gemäß
Fig.2 angeschaltet werden, d.h. während des Intervalls abnehmender
magnetischer Leitfähigkeit. Für diese Betriebsart eignet sich jede der Steuerschaltungen nach den Fig. 3 bis
5. Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 wird jedoch die von
der Welle aufgenommene Energie dem Kondensator 104 durch den Schaltvorgang zugeführt und kann nicht zur Batteriequelle
112 zugegeleitet werden. Aus diesem Grunde ist diese Ausführung sfοrm nur für sehr kurze Nutzbremsvorgänge verwendbar«
Die Stromwellenformen und -größen, die während des Zustandes abnehmender magnetischer Leitfähigkeit auftreten, sind sehr
ähnlich denen, die bei zunehmender magnetischer Leitfähigkeit auftreten. Deshalb sind die vorstehend beschriebenen
Betriebsarten der Steuerschaltungen mit nur geringfügigen
Änderungen im Logikkreis auch für den Generatorbetrieb mit veränderlicher Reluktanz anwendbar.
Im Generatorbetrieb, bei welchen alle Wicklungsstromimpulse während der Intervalle abnehmender magnetischer Leitfähigkeit
auftreten, folgt die Impulsperiode T folgender Gleichung:
+ 2.47 XC
Die vorstehende Gleichung sollte mit der oben angegebenen
Gleichung für die elektrische Periode im Motorbetrieb verglichen werden. Die Wirkungsweise des Steuerkreises nach
Fig. 4 im Generatorbetrieb wird in den nachfolgenden Absätzen erläutert.
Mit zunächst ungeladenem Kondensator 104 werden den Siliziumgleichrichtern
92 und 88 Ansteuerimpulse zugeführt.
In dem vom Kondensator 104, der Batterie 112, dem Gleichrichter 92, der Motorwicklung 110 und dem Gleichrichter 88
gebildeten Kreis tritt daraufhin ein Stromimpuls auf. Die
o 8295/7,2,1972 .209838/0656
Gleichrichter 92 und 88 sperren am Ende des Stromimpulses von selbst. Der Kondensator 104 wird jedoch aufgrund der
Tatsache, daß die Motorwicklung als Energiequelle wirkt, wobei die Energie von dieser Quelle im Kondensator gespeichert
wird, auf eine höhere Spannung aufgeladen.
Während des nächsten Intervalls abnehmender magnetischer Leitfähigkeit kann die Energie des Kondensators 104· zur
Batteriequelle 112 durch Zufuhr eines Steuerimpulses zu den Gleichrichtern 90 und 94 zurückgeleitet werden. Ein
Stromimpuls ähnlicher Dauer und Größe wie oben fließt daraufhin in die positive Klemme der Batterie 112 hinein. Der
Kondensator 104 hat dann angenähert die Ladung Null und
nur noch eine niedrige Spannung.
Wenn der vorstehende Vorgang über viele Zyklen hinweg wiederholt wird, steigt die Spannung am Kondensator 104 am Ende
des EntladungsZyklus graduell an und nähert sich der
Batteriespannung. Mit der Annäherung an diesen Zustand nimmt die Stromimpulsgröße ab und erreicht den Wert Null,
wenn die Kondensatorspannung am Ende der Entladung in die Batterie gleich der Batteriespannung geworden ist. Um diesen
Zustand zu verhindern oder um die Stromimpulsgröße in einem beliebigen Zeitpunkt zu erhöhen, kann der im vorhergehenden
Absatz beschriebene Schritt ersetzt werden durch die Impulsansteuerung der Gleichrichter 90 und 118. Dies veranlaßt
die Kondensatorspannung, sich selbst umzukehren, und bewirkt die Ansammlung einer besonderen Ladung von Seiten des
Generators am Kondensator. Am Ende des dadurch erzeugten Stromimpulses ist der Belag 106 des Kondensators 104 negativ.
Während des nächsten Zyklus und im Zeitpunkt, in welchem die Gleichrichter 92 und 88 ausgelöst werden, überlagert
die Kondensatοrspannung sich der Batteriespannung,
und die Stromimpulsgröße wird verhältnismäßig groß.
Wie bei der Motorsteuerung ist die "Frequenz, mit welcher
Po 8295/7.2.1972 ,209838/0656
die Gleichrichter 90 und 118 ausgelöst werden, um die
Gleichrichter 90 und 94- zu ersetzen, das Mittel zur Steuerung
der Kondensatorspannung. Durch die Regelung dieser Spannung können der Effektivwert des Generatorstroms, das
Drehmoment und die Ausgangsleistung wirksam gesteuert werden.
Die vorbeschriebenen Betriebsarten für den Reluktanzmotor
können in ähnlicher Weise für den Generatorbetrieb angewandt werden.
Patentansprüche /
209838/0656
Claims (12)
- PatentansprücheElektrischer Schaltkreis zur Steuerung der Erregung einer ihre Induktanz im Betrieb ändernden Wicklung eines Reluktanzmotors mit veränderlicher Reluktanz, gekennzeichnet durch eine elektrische Brückenschaltung mit vier Zweigen (80, 82, 84, 86 in Fig. 3 und 5) die de eine Halbleiter-Schalteinrichtung (88, 90, 92, 94 in Fig. 3 und 5; 88, 90, 120, 118 in Pig.'4) enthalten, sowie eine elektrische Energiequelle (112) und einen Kondensator (104), wobei die Motorwicklung (110) zwischen einem ersten Paar gegenüberliegender Eckpunkte (100, 102) und der Kondensator (104) zwischen dem anderen Paar gegenüberliegender Eckpunkte (96, 98 in Fig. 3 und 5; 96, 119 in Fig. 4) angeschlossen sind und die elektrische Energiequelle (112) in Reihe mit einer fünften Halbleiter-Schalteinrichtung (116; 92; 122) derart an zwei Eckpunkte (98, 100 in Fig. 3; 102 und 119 in Fig. 4; 96, 98 in Fig. 5) angeschlossen ist, daß durch Ansteuerung wenigstens dieser Halbleiter-Schalteinrichtung der Kondensator (104) von der elektrischen Energiequelle (112) aufladbar ist.
- 2. Schaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die elektrische Energiequelle (112) und die damit in Reihe liegende fünfte Halbleiter-Schalt einrichtung (116 in Fig. 3; 92 in Fig. 4) an zwei benachbarte Eckpunkte (98, 100 in Fig. 3 bzw. 102, 119 in Fig. 4) der Brückenschaltung angeschlossen sind.
- 3. Schaltkreis nach Anspruch 2, dadurch g e k e- nnzeichnet , daß die eine Klemme der elektrischen Energiequelle (112) unmittelbar an einem Eckpunkt (119) der Brückenschaltung angeschlossen ist, welcher gleichzeitig unmittelbar mit einem Belag (108) des Kon-Fo 8295/7.2.1972 -2Q9838/0$Sedensators (104) verbunden ist, und daß von der anderen Klemme (98) der elektrischen Energiequelle (112) parallel zu dem die fünfte Halbleiter-Schalteinrichtung (92) enthaltenden und zu dem einen Ende (Eckpunkt 102) der Motorwicklung (110) führenden Strompfad (84) ein eine sechste Halbleiter-Schalteinrichtung (94) enthaltender und zu dem anderen Ende (Eckpunkt 100) der Motorwicklung (110) führender Strompfad (86) abzweigt, wobei die sechste Halbleiter-Schalteinrichtung (94) in bezug auf die elektrische Energiequelle (112) umgekehrt zur fünften Halbleiter-Schalteinrichtung (92) gepolt ist (Fig. 2).
- 4. Schaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die elektrische Energiequelle (112) und die damit in Reihe geschaltete fünfte Halbleiter-Schalteinrichtung (122) an die gleichen Eckpunkte (96, 98) der Brückenschaltung wie der Kondensator (104) angeschlossen sind und die elektrische Energiequelle (112) mit einer Induktivität (114) in Reihe geschaltet ist.
- 5. Schaltkreis nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die mit der elektrischen Energiequelle (112) in Reihe geschaltete Induktivität (114) die innere Induktivität der elektrischen Energiequelle ist.
- 6. Schaltkreis nach Anspruch 4 oder 5» dadurch gekennzeichnet , daß der fünften Halbleiter-Schalteinrichtung (122) eine sechste Halbleiter-Schalteinrichtung (124) mit umgekehrter Polarität parallelgeschaltet ist.
- 7· Schaltkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der Halbleiter-Schalteinrichtungen von steuerbaren Siliziumgleichrichtern gebildet sind.8295/7.2.1972 ,209838/QS56
- 8. Verfahren zum Betreiben eines Schaltkreises nach einem der Ansprüche 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet , daß zunächst der Kondensator (104) durch Ansteuern der fünften Halbleiter-Schalteinrichtung (116 in Fig· 3> 92 in Fig. 4) sowie einer weiteren Halbleiter-Schalteinrichtung (90 in Fig. 3; 88 in Fig. 4·) von der elektrischen Energiequelle (112) über die Motorwicklung (110) aufgeladen wird, bis die beiden Halbleiter-Schalteinrichtungen von selbst sperren, woraufhin der Kondensator (104) durch Ansteuern zweier weiterer Halbleiter-Schalteinrichtungen (92, 88 in Fig. 35 90, 118 in Fig. 4) über die Motorwicklung (110) umgeladen wird, bis auch diese Halbleiter-Schalteinrichtungen von seJLbst sperren.
- 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß die beiden dortigen Verfahrensschritte so oft wiederholt werden, bis der Kondensator (104) eine vorbestimmte Maximalspannung erreicht, woraufhin der Kondensator (104) entladen wird, bis er eine vorbestimmte Mindestspannung erreicht hat.
- 10. Verfahren nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet , daß die Entladung durch Ansteuern zweier in den Zweigen der Brückenschaltung enthaltener Halbleiter-Schalteinrichtungen (90, 94 in Fig. 3; 88, 120 in Fig. 4) erfolgt.
- 11. Verfahren zum Betreiben eines Schaltkreises nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß zunächst der Kondensator (104) durch Ansteuern der fünften Halbleiter-Schalteinrichtung (122) · von der elektrischen Energiequelle (112) über die damit in Reihe liegende Induktivität (114) aufgeladen wird, bis die fünfte Halbleiter-Schalteinrichtung (122) von selbst sperrt, daß daraufhin der Kondensator (104) durch Ansteuern zweier innerhalb der Brückenschaltung angeordnetereaqs/7.?.iw -209838/06562205981HaIbleiter-SchaIteinrichtungen (90, 94) über die Motorwicklung (110) umgeladen wird, bis auch diese Halbleiter-Schalteinrichtungen von selbst sperren, und daß schließlich der Kondensator durch Ansteuern der beiden restlichen HaIbleiter-Schalteinrichtungen (88, 92) nochmals über die Motorwicklung (110) umgeladen wird (Fig. 5)·
- 12. Verfahren nach Anspruch 11 zum Betreiben eines Schaltkreises nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß bei der ersten Umladung des Kondensators (104) zusätzlich die sechste Halbleiter-Schalteinrichtung (124) angesteuert wird.209838/0656
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US12165471A | 1971-03-08 | 1971-03-08 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE2205961A1 true DE2205961A1 (de) | 1972-09-14 |
DE2205961C2 DE2205961C2 (de) | 1984-07-12 |
Family
ID=22398013
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE2205961A Expired DE2205961C2 (de) | 1971-03-08 | 1972-02-09 | Elektrischer Schaltkreis zum Steuern der Erregung eines Reluktanzmotors |
Country Status (4)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US3697839A (de) |
CA (1) | CA941893A (de) |
DE (1) | DE2205961C2 (de) |
GB (1) | GB1358941A (de) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE2813784A1 (de) * | 1977-03-30 | 1978-11-16 | Chloride Group Ltd | Elektromotorisches antriebssystem |
Families Citing this family (16)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4066940A (en) * | 1971-09-09 | 1978-01-03 | Ian Henderson | Electrical control apparatus |
US3809989A (en) * | 1971-10-12 | 1974-05-07 | Ncr Co | Torsional stepping motor and exciter apparatus therefor |
GB1604284A (en) * | 1978-05-26 | 1981-12-09 | Chloride Group Ltd | Variable reluctance motor systems |
US4684867A (en) * | 1984-05-31 | 1987-08-04 | General Electric Company | Regenerative unipolar converter for switched reluctance motors using one main switching device per phase |
DE3579286D1 (de) * | 1984-10-19 | 1990-09-27 | Kollmorgen Corp | Regelungssysteme fuer variable reluktanzmaschinen. |
US4584506A (en) * | 1984-11-23 | 1986-04-22 | Polestar Magnetronics Inc. | Reluctance motor with electronically controlled stator windings |
EP0185238A1 (de) * | 1984-12-19 | 1986-06-25 | BBC Brown Boveri AG | Antrieb für einen Schalter |
JP3034930B2 (ja) * | 1990-09-28 | 2000-04-17 | 松下電工株式会社 | マッサージ機 |
DE19501430A1 (de) * | 1995-01-19 | 1996-07-25 | Marquardt Gmbh | Ansteuerung für einen Elektromotor |
US6107697A (en) * | 1998-02-26 | 2000-08-22 | Rhm High Tech, Inc. | Method and apparatus for providing DC current and voltage from discrete energy elements |
US6900638B1 (en) * | 2000-03-31 | 2005-05-31 | Ge Medical Technology Services, Inc. | Switching device to linearly conduct a current between a gradient amplifier and a gradient coil assembly of an MRI system |
FR2995857B1 (fr) * | 2012-09-26 | 2016-03-04 | Renault Sas | "procede de commande en roue libre d'une chaine de traction de vehicule a propulsion electrique" |
US9419551B2 (en) * | 2014-09-17 | 2016-08-16 | Arm Limited | Motor driver and a method of operating thereof |
US10056858B2 (en) | 2014-09-17 | 2018-08-21 | Arm Limited | Motor driver and a method of operating thereof |
US9780704B2 (en) | 2014-09-17 | 2017-10-03 | Arm Limited | Electrical motor system and method of operating the electrical motor system |
KR102534325B1 (ko) * | 2017-02-03 | 2023-05-22 | 에이알엠 리미티드 | 모터 드라이버 및 그 작동방법 |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3560820A (en) * | 1969-02-03 | 1971-02-02 | Ford Motor Co | Reluctance motor power circuit containing series capacitance |
Family Cites Families (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3389315A (en) * | 1963-11-12 | 1968-06-18 | Century Electric Company | Stepless speed control for induction motor |
JPS4921488B1 (de) * | 1967-03-24 | 1974-06-01 | ||
US3530350A (en) * | 1969-01-03 | 1970-09-22 | Skil Corp | Power system for portable electric tools including induction-type electric motor with associated solid state frequency generator |
-
1971
- 1971-03-08 US US121654A patent/US3697839A/en not_active Expired - Lifetime
- 1971-10-29 CA CA126,409A patent/CA941893A/en not_active Expired
-
1972
- 1972-01-20 GB GB280572A patent/GB1358941A/en not_active Expired
- 1972-02-09 DE DE2205961A patent/DE2205961C2/de not_active Expired
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3560820A (en) * | 1969-02-03 | 1971-02-02 | Ford Motor Co | Reluctance motor power circuit containing series capacitance |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE2813784A1 (de) * | 1977-03-30 | 1978-11-16 | Chloride Group Ltd | Elektromotorisches antriebssystem |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
US3697839A (en) | 1972-10-10 |
DE2205961C2 (de) | 1984-07-12 |
CA941893A (en) | 1974-02-12 |
GB1358941A (en) | 1974-07-03 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
DE2205961A1 (de) | Elektrischer Schaltkreis zur Steuerung eines Reluktanzmotors mit veränderlicher Reluktanz sowie Verfahren zum Betreiben desselben | |
DE2813784C2 (de) | ||
DE2748515C2 (de) | Wechselrichtermaschine | |
DE69013324T2 (de) | Motor vom reluktanz-typ. | |
CH667168A5 (de) | Mehrphasige elektrische maschine mit gesteuerter magnetflussdichte. | |
CH667167A5 (de) | Mehrphasige elektrische maschine mit variabler drehzahl. | |
DE2658998A1 (de) | Elektromotor | |
DE2209717C2 (de) | Anordnung zum Steuern eines ein- oder mehrphasigen Reluktanzmotors | |
DE1763722C3 (de) | Elektrischer Generator | |
DE2057073A1 (de) | Antriebssystem mit Reluktanzmotor | |
DE2205181A1 (de) | Elektrischer Schaltkreis zur Steuerung eines Reluktanzmotors mit veränderlicher Reluktanz | |
DE2030789C3 (de) | Reluktanzmaschine | |
DE2756575C2 (de) | ||
DE69214700T2 (de) | Supraleitender bürstenloser Homopolarmotor mit einem Läufer mehrerer Windungen | |
DE2829685C2 (de) | Mit Gleichspannung gespeister Motor | |
DE2757123A1 (de) | Wechselstromspeisevorrichtung und drehfeldgenerator mit einer wechselstromspeisevorrichtung | |
DE1638477C3 (de) | Stander fur einen selbstanlaufen den Synchronmotor | |
DE4008446C2 (de) | ||
DE2047108A1 (de) | Bürstenlose Stromrichtermaschine für stetige Drehzahlsteuerung und einphasigen Wechselstrom | |
DE2839712C3 (de) | Schaltung mit Zerhackerfunktion für einen bürstenlosen Gleichstrommotor | |
DE2727471C3 (de) | Elektronisch kommutierter Reluktanzmotor | |
DE1807761C3 (de) | Drehfeldmotor für einphasigen Betrieb | |
DE2028512C3 (de) | Anordnung zur Drehzahlsteuerung eines Reluktanzmotors | |
DE2149473C3 (de) | Steuerschaltung fur einen Mehrfachstator-Schrittmotor | |
DE2641530C2 (de) | Einrichtung zum Erzeugen ein- oder mehrphasiger Wechselspannung mit einer im Generatorbetrieb arbeitenden Induktionsmaschine |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
OF | Willingness to grant licences before publication of examined application | ||
OD | Request for examination | ||
D2 | Grant after examination | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |