DE2616552C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Positionskodierer für eine Maschine mit veränderlicher Reluk­ tanz, nach dem Oberbegriff des Anspruchs.

Eine derartige Maschine weist im allgemei­ nen einen Rotor auf, welcher aus einem Blechpaket besteht, das an seinem Umfang in gleichem Abstand ange­ ordnete Zähne aufweist. Ein Stator, welcher ebenfalls aus einem Blechpaket besteht, umschließt den Rotor konzentrisch, wobei sich ein schmaler Luftspalt zwi­ schen dem Rotor und dem Stator ausbildet. Auf der dem Ro­ tor zugewandten Innenseite weist der Stator Nuten auf, wel­ che entlang einer Polteilung gleichmäßig verteilt sind und in welchen die Statorwicklungen untergebracht sind. Auf der­ selben, dem Rotor zugewandten Seite weist der Stator außer­ dem Zähne auf, welche denen des Rotors entsprechend und deren Abstand im Inneren jeder Statorwicklung dem Abstand der Zäh­ ne des Rotors entsprechen. Dennoch weisen, von einer nach­ folgenden Statorwicklung her gesehen, die Zähne des Stators im Bezug auf die des Rotors eine zunehmende Verschiebung auf, was zu einer Art "Noniuswirkung" führt.

Die Anordnung, welche dem Teil des Stators entspricht, wel­ cher zwei aufeinanderfolgende Statorwicklungen einschließt, und dem gegenüberliegenden Teil des Rotors entspricht, stellt einen magnetischen Kreis dar, dessen Reluktanz sich entspre­ chend der Winkelstellung des Rotors bezüglich des Stators än­ dert. Die aufeinanderfolgenden Kommutierungen bzw. Umschaltun­ gen der Statorwicklungen müssen jedesmal zustandekommen, da­ mit der magnetische Kreis, welcher einer Statorwicklung ent­ spricht, sich etwa im Zustand maximaler oder minimaler Reluk­ tanz befindet. Dies erfordert eine sehr genaue Synchronisie­ rung dieser aufeinanderfolgenden Kommutierungen in Abhängig­ keit von der Winkelstellung des Rotors. Grundsätzlich kann, wenn die Zähne des Rotors gleichmäßig verteilt sind, irgend­ ein statischer Inkrementkodierer diese Synchronisierung si­ cherstellen, damit seine Schrittanzahl gleich der Anzahl der Zähne des Rotors ist, und damit dieser Kodierer bzw. Geber so festgelegt ist, daß seine Übergänge den äußersten Reluktanz­ stellungen oder -positionen entsprechen.

In der Praxis ist es im Hinblick auf Toleranzen bei der Aus­ führung des Motors mit veränderlicher Reluktanz, beispiels­ weise im Hinblick auf Konzentrizitätsfehler des Rotors und des Stators äußerst schwierig, eine derartige Verstellung bzw. Zuordnung mit der Genauigkeit zu erhalten, die ausreicht, um ein genaues Arbeiten des Motors mit veränderlicher Reluk­ tanz sicherzustellen.

Aus der dem Oberbegriff des Anspruchs zugrundegelegten US-PS 37 40 630 ist eine Maschine mit verän­ derlicher Reaktanz bekannt, bei welcher beispielsweise 48 Zähne für den Stator und 50 Zähne für den Rotor mit einer Verschiebung von 25% zueinander vorgesehen sind. Der Kodierer besteht aus einem Rad mit Polen, welches mit einem Detektor mit drei Kreisen zusammen­ arbeitet. Ein derartiges System ermöglicht nicht die Kommutierung der Stromzufuhr zu den Spulen eines gat­ tungsgemäßen Motors zu steuern, welche im Hinblick auf die große Anzahl von Zähnen zu einem äußerst präzisen Zeitpunkt stattfinden muß.

Aus der GB-OS 10 14 116 ist ein System zur Erfassung der Rotorposition bekannt, welches nur einen ungefäh­ ren Anhalt für die Position des Rotors gibt, die Er­ mittlung von dessen exakter Winkellage jedoch nicht ermöglicht. Die Übertragung dieser vorbekannten Lösung auf einen gattungsgemäßen Motor mit veränderlicher Reluktanz ist nicht möglich.

Die Erfindung soll den eingangs genannten Schwierigkeiten bei der Ausführung und Ausbildung von Motoren mit veränderlicher Reluktanz ab­ helfen und einen in die Maschine eingebauten Positionskodierer bzw. Stellungsgeber schaffen, mittels wel­ chem sehr genau die Kommutierungen bzw. Umschaltungen der Statorwicklungen synchronisiert werden können, ohne daß ein schwieriges Nachstellen oder Justieren erforderlich ist und welcher obendrein in weiten Grenzen unempfindlich bezüglich Konstruktionsfehlern ist, wie beispielsweise bezüglich eines Konzentrizitätsfehlers des Rotors und des Stators.

Diese Aufgabe wird gelöst durch den kennzeichnenden Teil des Anspruchs.

Durch die Summierung der von den Fühlspulen erhaltenen Span­ nungen kann der Einfluß von Luftspaltänderungen infolge von Konzentrizitätsfehlern des Rotors und des Stators auf einen vernachlässigbaren Wert herabgesetzt werden. Außerdem haben die Temperatur, das Vorhandensein einer in den Wicklungen in­ duzierten, elektromagnetischen Kraft, die Stabilität der Trä­ gerfrequenz und deren Amplituden keinen Einfluß auf die Genau­ igkeit der Nulldurchgänge der abgetasteten Spannungen.

Ein solcher Positionskodierer ist somit zum Steuern einer Maschine mit veränderlicher Re­ luktanz besonders vorteilhaft. Diese Vorteile sind im wesent­ lichen darauf zurückzuführen, daß in dem Kodierer bzw. Geber magnetische Kreise verwendet sind, welche genau den magneti­ schen Kreisen des "Motors" entsprechen und auf genau die glei­ che Weise festgelegt sind, weshalb auch kein Nachstellen oder Justieren erforderlich ist.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Aus­ führungsform unter Bezugnahme auf die Zeichnun­ gen im einzelnen erläutert. Es zeigt

Fig. 1 schematisch im Schnitt in einer zur Achse des Mo­ tors senkrechten Ebene die Anordnung der Magnet­ kreise des Kodierers oder Gebers gemäß der Erfin­ dung und

Fig. 2 ein Blockschaltbild des Positionskodierers bzw. Stellungsgebers gemäß der Erfindung.

In Fig. 1 weist der Positionskodierer einen Rotor 10 und einen Stator 20 auf. Der Rotor 10 besteht aus einem Blechpaket, welches dem Blechpaket des Rotors des Motors mit veränderlicher Reluktanz entspricht und welches auf die gleiche Weise auf der Welle des Motors verkeilt und damit festgelegt ist. Lediglich das Blechpaket, wel­ ches den Rotor 10 des Positionskodierers bildet, ist magne­ tisch von dem Blechpaket isoliert, welches den Rotor des Motors bildet, und ist etwas dünner als dieses, wobei seine Dicke beispielsweise in der Größenordnung von 5 mm lie­ gen kann.

Der Stator 20 ist aus einem Blechpaket ge­ bildet, welches gleich dem Blechpaket des Stators des Motors mit veränderlicher Reluktanz ist und an diesem Sta­ tor so verkeilt und damit festgelegt ist, daß seine Nuten und Zähne in einer zu der Achse des Motors parallelen Rich­ tung bezüglich der Nuten und Zähne des Stators des Motors aus­ gerichtet sind. Lediglich das Blechpaket, das den Stator 20 des Positionskodierers bildet, ist magnetisch von dem Blechpaket isoliert, das den Stator des Motors bildet, und ist weniger dick, d. h. etwas dünner als dieses, wobei seine Dicke gleich der des Rotors 10 ist. Der Stator 20 des Kodierers weist folglich dieselbe Polzahl P ₁ bis P ₄ wie der Stator des Motors selbst und dieselbe Anzahl von Statorpol­ wicklungen E ₁ bis E ₄ auf, wobei jede dieser Wicklungen einen Eingang e und einen Ausgang s aufweist. Hierbei stellen die geradzahligen Wicklungen beispielsweise die "Fühlspulen" (E ₂, E ₄ . . .) und die ungeradzahligen Wicklungen folglich die "Er­ regerspulen" (E ₁, E ₃ . . .) dar.

In Fig. 2 ist ein Blockschaltbild des Positionskodierers ge­ mäß der Erfindung dargestellt. Ein Sinusstromgenerator G speist die Erregerspulen (E ₁, E ₃ . . .) mit einer Frequenz fo beispielsweise zwischen 10 und 100 kHz, wobei die Anschlüsse so gewählt sind, daß zwei aufeinanderfolgende Erregerspulen entgegengesetzt gerichtete Flüsse hervorrufen. Die Fühlspu­ len (E ₂, E ₆, . . .) sind in Reihe geschaltet.

Auch ist ein Äquivalent bzw. ein Ersatz für einen Differential­ übertrager geschaffen worden, und die Amplitude der an den Fühlspulen erhaltenen Spannung hebt sich jedesmal dann auf, wenn die Reluktanz des magnetischen Kreises extrem hoch ist.

Die in Reihe geschalteten Fühlspulen sind mit einem Synchron­ demodulator D verbunden, mittels welchem aus der erhaltenen Spannung die Trägerfrequenz fo entfernt wird und ein Wechsel­ stromsignal S 1 abgegeben wird, dessen Nulldurchgänge den Stellungen der extrem hohen Reluktanzwerte entsprechen. Mit­ tels dieses Signals können dann, genau synchron bezüglich dieser Stellungen mit extremen Reluktanzwerten, die Kommutie­ rungen bzw. Umschaltungen der Statorwicklungen des Motors ge­ steuert werden.

Um eine Kommutierung bzw. Umschaltung bei den richtigen Zu­ ständen sicherzustellen, reicht es jedoch nicht aus, über ein Synchronisierungssignal zu verfügen, genauso muß vielmehr die Drehrichtung des Motors bekannt sein. Diese Information kann auf einfache Weise dadurch erhalten werden, daß zwei um 90° phasenverschobene Synchronisiersignale erhalten werden, deren Verschiebung der Drehrichtung des Motors entspricht. Entweder mit Hilfe eines zweiten Spulensatzes, welcher von einem Stator mit derselben Frequenz fo oder von einem Strom mit einer von der Frequenz fo verschiedenen Frequenz f ₁ durchflossen ist, oder mit Hilfe eines zweiten magnetischen Kreises, welcher dem vorhergehenden genau entspricht und auf derselben Fre­ quenz fo arbeitet, können auf die gleiche Weise die Positio­ nen extremer Reluktanzwerte durch Umschalten der Erreger- und der Fühlspulen des vorhergehenden Falls abgetastet werden. Wenn beispielsweise in dem Schaltbild der Fig. 2 E ₁ durch E ₂, E ₃ durch E ₄, E ₅ durch E ₆, E ₇ durch E ₈ einerseits und E ₂ durch E ₃, E ₆ durch E ₇ andererseits ersetzt wird, (wobei E ₂, E ₆ Wick­ lungen entsprechen, welche auf dieselben Pole wie E ₂ und E ₆ gewickelt sind, ohne jedoch einen Punkt bzw. eine Verbindungs­ stelle mit ihnen gemeinsam zu haben), wird statt einem Signal S ₁ ein Signal S ₂ erhalten, welches bei einer konstanten Dreh­ zahl des Motors bezüglich des Signals S ₁ um 90° verschoben ist.

Claims (1)

1. Positionskodierer für eine Maschine mit veränderlicher Reluktanz zum Steuern der Kommutierung der Statorwick­ lungen dieser Maschine umfassend einen Rotor und einen Stator mit einer Mehrzahl von an deren Umfang angeordne­ ten Zähnen, wobei die Zähne des Stators gegenüber den­ jenigen des Rotors von Zahn zu Zahn um einen bestimmten Betrag versetzt sind, dadurch gekennzeichnet, daß er dem Rotor (10) und dem Stator (20) zugeordnete, magnetische Kreise aufweist, welche genau denjenigen der Maschine mit veränderlicher Reluktanz entsprechen, wobei der Rotor (10) und der Stator (20) aus Blechpaketen aufgebaut sind, die hinsichtlich Lage und konstruktiver Gestaltung den Blech­ paketen der Maschine mit veränderlicher Reluktanz ent­ sprechen, wobei der Stator (20) die gleiche Zahl von Wicklungen (E ₁, E ₂, . . .) wie der Stator der Maschine mit veränderlicher Reluktanz aufweist, und wobei die Wicklungen (E ₁, E ₂, . . .) des Stators (20) des Positions­ kodierers in der Reihenfolge, in welcher sie am Umfang des Stators (20) vorgesehen sind, abwechselnd eine Er­ regerspule (z. B. E ₁) und eine Fühlspule (z. B. E ₂) bilden, wobei die Erregerspulen (z. B. E ₁) mit einem sinusförmigen Strom in der Weise gespeist werden, daß zwei aufeinander­ folgende Erregerspulen (z. B. E ₁, E ₃) entgegengesetzt ge­ richtete Flüsse erzeugen, während die Fühlspulen (z. B. E ₂, E ₄) in Reihe geschaltet und mit einem Synchrondemodu­ lator (D) verbunden sind, an welchem ein Wechselstromsignal (S ₁) abgegeben wird, das sich in Stellungen maximaler Re­ luktanz aufhebt.