DE4008606A1

DE4008606A1 - Fehlertolerante geschaltete reluktanzmaschine

Info

Publication number: DE4008606A1
Application number: DE4008606A
Authority: DE
Inventors: Thomas Merlin Jahns
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1989-03-31
Filing date: 1990-03-17
Publication date: 1990-10-04
Also published as: IT9019886A1; JPH02290199A; FR2646971B1; GB2231214B; IT1239512B; GB9007246D0; IT9019886A0; US4896088A; FR2646971A1; GB2231214A

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Fehlertoleranz in Motorantrieben und Stromerzeugungssystemen. Insbesondere betrifft die Erfindung geschaltete Reluktanzmaschinen, die die Fähigkeit haben, mit einem Minimum an Leistungsver schlechterung trotz Maschinen- oder Wechselrichterfehlern weiterhin zu arbeiten.

Wechselstrommaschinen sind nicht von Haus aus fehlertole rant. Der Hauptgrund ist, daß die Wicklungen von Wechsel strommaschinen magnetisch eng gekoppelt sind, so daß ein Kurzschluß in einer Wicklung ernste Auswirkungen auf be nachbarte Phasen hat. Das Problem ist noch ausgeprägter bei Wechselstrommaschinen mit Permanentmagneten, weil umlau fende Magnete potentiell gefährliche hohe Ströme in jedem Kurzschlußpfad anregen. Lösungen zum Verbessern der Zuver lässigkeit von Wechselstrommotorantrieben und -generatorsy stemen beinhalten im allgemeinen die Verwendung von zwei oder mehr als zwei Wechselstrommaschinen. Eine übliche Lö sung besteht beispielsweise darin, zwei oder mehr als zwei Maschinen auf einer einzigen Welle zu verbinden. Alternativ werden Getriebe benutzt, um die Maschinen miteinander zu kuppeln. Es sind jedoch Gewichts-, Volumen- und Kostennach teile mit der Verwendung von zusätzlichen Maschinen verbun den, was diese Lösungen in vielen Fällen unerwünscht oder sogar unpraktisch macht.

Eine weitere Lösung, die in der US-PS 44 34 389 beschrieben ist, besteht darin, redundante Gruppen von verteilten Wick lungen zu benutzen, d.h. Wicklungen, die über eine Anzahl von Nuten am Luftspaltumfang verteilt sind. Diese Lösung beinhaltet bei Maschinen, die über einen Wechselrichter ge speist werden, das Aufteilen eines Permanentmagnetmotors in Abschnitte, wobei jeder Abschnitt eine Gruppe von magne tisch gekoppelten verteilten Wicklungen umfaßt. Jede Gruppe von Wicklungen wird durch einen separaten Kommutierungs kreis erregt, so daß das erzeugte Gesamtdrehmoment die Summe der Drehmomente ist, die durch jede Gruppe von ver teilten Wicklungen erzeugt werden. Für jeden Motorabschnitt erfaßt eine Befehlseinheit Störungen und setzt den gesamten gestörten Motorabschnitt außer Betrieb. Nachteiligerweise macht es die enge magnetische Kopplung der verteilten Wick lungen notwendig, die gesamte Gruppe von Abschnittswicklun gen zu sperren, obgleich die Störung nur in einer dieser Wicklungen aufgetreten ist. Somit wird die Drehmomenterzeu gung um das Ausmaß reduziert, welches durch den gesamten Motorabschnitt beigetragen wird, statt durch den kleineren Teil, der durch eine einzelne Wicklung geliefert wird.

Im Gegensatz zu Wechselstrommaschinen wird eine Schalt oder geschaltete Reluktanz (SR)-Maschine gewickelt, indem konzentrierte Wicklungen benutzt werden, d. h. Wicklungen, die auf vorstehenden Motorpolen konzentriert sind. Infolge dessen sind die Phasenwicklungen einer SR-Maschine im we sentlichen frei von jeder magnetischen Kopplung, so daß hohe Ströme in einer Wicklung keine hohen Ströme in benach barten Phasenwicklungen magnetisch induzieren werden. Die Erfindung nutzt diese charakteristische magnetische Unab hängigkeit der Phasen von geschalteten Reluktanzmaschinen als Basis für ein kompaktes, fehlertolerantes Motoran triebs- oder Generatorsystem. Ein solcher fehlertoleranter Antrieb kann für Luft- und Raumfahrtzwecke, bei denen äußerst zuverlässige Antriebe notwendig sind, besonders nützlich sein.

Geschaltete Reluktanzmaschinen haben üblicherweise mehrere Pole sowohl auf dem Ständer als auch auf dem Läufer, d. h., es handelt sich um Doppelschenkelpolmaschinen. Es gibt eine konzentrierte Wicklung auf jedem Ständerpol, aber keine Wicklungen oder Magnete auf dem Läufer. Jedes Paar diame tral entgegengesetzter Ständerpolwicklungen ist in Reihe oder parallel geschaltet, um eine unabhängige Maschinenpha senwicklung der mehrphasigen SR-Maschine zu bilden. Motor drehmoment wird erzeugt, indem der Strom in jeder Maschi nenphasenwicklung in einer vorbestimmten Sequenz geschaltet wird, die mit der Winkelposition des Läufers synchronisiert ist, so daß sich eine magnetische Anziehungskraft zwischen den Läuferpolen und den Ständerpolen ergibt, die sich ein ander nähern. Der Strom wird in jeder Phase abgeschaltet, bevor die Läuferpole, die den Ständerpolen dieser Phase am nächsten sind, sich an der ausgerichteten Position vorbei drehen; andernfalls würde die magnetische Anziehungskraft ein negatives oder bremsendes Drehmoment erzeugen. Das er zeugte Drehmoment ist von der Richtung des Stromflusses un abhängig, so daß Stromimpulse in einer Richtung, die mit der Rotorbewegung synchronisiert sind, an die Ständerpol wicklungen durch einen Wechselrichter angelegt werden kön nen, in welchem den Strom in einer Richtung schaltende Ele mente wie Transistoren oder Thyristoren benutzt werden. Für die Verwendung als Generator werden die Stromimpulse in je der Maschinenphasenwicklung einfach verschoben, so daß der Strom fließt, wenn sich die Läuferpole an der Ausrichtposi tion vorbei zu der unausgerichteten Position bewegen.

Ein SR-Motorantriebs- oder -Generatorsystem wird betrieben, indem die Maschinenphasenströme in Synchronismus mit der Läuferposition ein- und ausgeschaltet werden. Das heißt, durch richtiges Positionieren der Zündimpulse relativ zum Läuferwinkel können Vorwärts- oder Rückwärtsbetrieb und Mo tor- oder Generatorbetrieb erzielt werden. Üblicherweise wird die gewünschte Phasenstromkommutierung erreicht, indem ein Läuferpositionssignal aus einem Wellenwinkelgeber, z. B. einen Drehgeber oder einem Resolver, zu einem Regler zu rückgeführt wird. Zum Reduzieren der Größe, des Gewichts und der Kosten sind jedoch bei SR-Motorantrieben und Gene ratorsystemen Techniken zur indirekten Läuferpositionsmes sung entwickelt worden, wodurch die Notwendigkeit eines Wellenwinkelgebers eliminiert wird. Eine derartige Technik ist in der US-PS 47 72 839 beschrieben.

Stromregler werden üblicherweise zum Steuern der Phasen stromamplituden in einer SR-Maschine benutzt. Es gibt meh rere Arten von Stromreglern. Zum Beispiel können einzelne niederohmige Stromshunts mit jeder Maschinenphasenwicklung verbunden werden, um die Stromstärke in jeder Phase zu er fassen. Das Ausgangssignal jedes Stromshunts wird an einen separaten Spannungskomparator angelegt. Jeder Komparator ist außerdem mit einem separaten Potentiometer zum Einstel len des Stromgrenzwertes verbunden. Ein weiterer Typ von Stromregler, der die Notwendigkeit von diskreten Stromsen soren eliminiert, ist in der US-PS 45 95 865 beschrieben.

Eine weitere deutsche Patentanmeldung der Anmelderin, für die die Priorität der US-Patentanmeldung, Serial No. 304 159, vom 31. Januar 1989 in Anspruch genommen worden ist, beschreibt ein System zum Erfassen und Isolieren von Stö rungen in einem SR-Motorantrieb, durch das gestörte Motor phasen inaktiviert werden und der Motorbetrieb fortgesetzt wird. Insbesondere beschreibt diese weitere deutsche Pa tentanmeldung, auf die bezüglich weiterer Einzelheiten ver wiesen wird, ein SR-Maschinenstörungsmanagementsystem, wel ches Störungen durch Phasenstromdifferenzmessung und Pha senflußdifferenzmessung erfaßt. Darüber hinaus ist ein Ver fahren angegeben zum Starten des Motors, wenn er in einer "drehmomenttoten Zone" gestoppt ist, die durch eine ge störte Phase erzeugt worden ist. Der hier verwendete Be griff "drehmomenttote Zone" ist ein Läuferwinkelpositions gebiet, in welchem durch irgendeine der intakten, nichtge störten Phasen kein positives Motordrehmoment erzeugt wer den kann. Dagegen ist in einem SR-Generatorsystem eine "ausgangsspannungstote Zone" das Gegenstück zu einer dreh momenttoten Zone bei einem SR-Motorantrieb. Der hier ver wendete Begriff "ausgangsspannungstote Zone" ist ein Läu ferwinkelpositionsgebiet, in welchem keine Ausgangsspannung durch irgendeine der intakten, nichtgestörten Phasen er zeugt werden kann.

Die oben zitierte weitere deutsche Patentanmeldung schafft zwar vorteilhafterweise ein System zum Isolieren und Erfas sen von SR-Maschinenphasenstörungen, es ist jedoch er wünscht, die charakteristische Unabhängigkeit der SR-Ma schinenphasenwicklungen noch weiter zu verbessern, um die Fehlertoleranz von SR-Maschinen zu optimieren. Demgemäß ist es erwünscht, den fehlertoleranten SR-Maschinenantrieb zu vereinfachen und die Ausbildung von "drehmomenttoten Zonen" in Motoren und von "ausgangsspannungstoten Zonen" in Gene ratoren zu verhindern.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein neues und verbes sertes geschaltetes Reluktanzmotorantriebs- oder -genera torsystem zu schaffen.

Weiter soll durch die Erfindung ein SR-Motorantriebs- oder Generatorsystem geschaffen werden, welches die SR-Maschi nenfehlertoleranz optimiert, indem von der charakteristi schen Unabhängigkeit der SR-Maschinenphasenwicklungen vor teilhafter Gebrauch gemacht wird.

Ferner soll durch die Erfindung ein fehlertolerantes SR-Mo torantriebs- oder Generatorsystem geschaffen werden, das mit minimaler Leistungseinbuße trotz des Vorhandenseins ei ner Störung in der Maschine oder in ihrer zugeordneten Lei stungselektronik weiterarbeiten kann.

Außerdem soll durch die Erfindung ein fehlertolerantes SR- Motorantriebs- oder Generatorsystem geschaffen werden, bei dem auf den Läufer trotz des Vorhandenseins einer Störung, die zur Folge hat, daß die Erregung von einer entsprechen den Ständerphase entfernt werden muß, keine unausgeglichene magnetische Kraft ausgeübt wird.

Darüber hinaus soll durch die Erfindung ein fehlertoleran ter SR-Motorantrieb geschaffen werden, der keine "drehmo menttoten Zonen" hat, die durch gestörte Phasen erzeugt werden, welche die intakten Phasen daran hindern, Drehmo ment in einigen Läuferpositionen zu erzeugen.

Schließlich soll durch die Erfindung ein fehlertolerantes SR-Generatorsystem geschaffen werden, das keine "ausgangs spannungstoten Zonen" hat, die durch gestörte Phasen er zeugt werden, welche die intakten Phasen daran hindern, Ausgangsleistung in einigen Läuferpositionen zu erzeugen.

Gemäß der Erfindung wird ein neues und verbessertes ge schaltetes Reluktanzmotorantriebs- oder -generatorsystem mit der Fähigkeit geschaffen, mit minimaler Leistungsein buße trotz des Vorhandenseins von Maschinen- oder Wechsel richterstörungen weiterzuarbeiten. Zu diesem Zweck nutzt die Erfindung die charakteristische Unabhängigkeit der kon zentrierten Phasenwicklungen einer SR-Maschine aus.

In einer Ausführungsform eines SR-Motorantriebs nach der Erfindung wird jede Ständerpolwicklung durch einen separa ten Wechselrichterphasenzweig erregt. Bei einem SR-Motor mit N Phasen und K Ständerpolwicklungen pro Phase (wobei K größer als oder gleich 2 ist) werden bei dieser Ausfüh rungsform K unabhängige Wechselrichter mit N Phasenzweigen in jedem Wechselrichter benutzt. Diese Wechselrichter kön nen durch dieselbe Gleichstromquelle gespeist werden oder, was bevorzugt wird, durch separate Gleichstromquellen, um einen noch höheren Grad an Fehlertoleranz zu erreichen. Der Verlust der Erregung einer Ständerpolwicklung beeinflußt nicht die Erregung der übrigen (K-1) Polwicklungen in der selben Phase oder die Erregung von irgendeiner Polwicklung in den anderen Phasen; deshalb bleibt die mittlere Drehmo menterzeugung durch den Motor auf ungefähr (NK-1)/NK ihres normalen Wertes vor dem Auftreten der Störung. Darüber hin aus werden keine "drehmomenttoten Zonen" durch gestörte Phasen in diesem neuen SR-Motorantrieb erzeugt, d.h. es gibt keine Läuferpositionen, in denen die verbleibenden in takten Phasen Drehmoment nicht erzeugen können. Wenn der Läufer in Anschluß an eine Störung zum Stillstand gebracht wird, sind daher keine speziellen Steuereinrichtungen not wendig, um die Maschine wieder zum Anlaufen zu bringen.

In einer alternativen Ausführungsform eines SR-Motoran triebs nach der Erfindung weist jede Motorphase wenigstens zwei Paare von diametral entgegengesetzten Ständerpolen auf. Eine Ständerpolwicklung ist auf jeden Pol gewickelt, und die Polwicklungen auf diametral entgegengesetzten Polen sind zu Paaren zusammengefaßt und entweder in Reihe oder parallel geschaltet. Bei einem SR-Motor mit N Phasen und J Ständerpolpaaren pro Phase (bei insgesamt zwei NJ Polwick lungen, wobei J größer als oder gleich 2 ist) werden in dieser Antriebsausführungsform J unabhängige Wechselrichter mit N Phasenzweigen in jedem Wechselrichter benutzt. Diese Wechselrichter können durch dieselbe Gleichstromquelle ge speist werden oder, was bevorzugt wird, durch separate Gleichstromquellen, um einen noch höheren Grad an Fehlerto leranz zu erzielen. Der Verlust der Erregung eines Paares von diametral entgegengesetzten Polwicklungen beeinflußt die Erregung der übrigen (J-1) Polwicklungspaare in dersel ben Phase oder die Erregung jedes Polwicklungspaars in den anderen Phasen nicht wesentlich. Deshalb geht die Drehmo menterzeugung mit ungefähr (NJ-1)/NJ ihres Wertes vor dem Auftreten der Störung weiter, und es wird keine drehmoment tote Zone erzeugt. Vorteilhafterweise wird bei dieser al ternativen SR-Motorantriebskonfiguration eine Störung in einem Wechselrichterzweig, die zum Verlust der Erregung von einem Paar Ständerpolwicklungen führt, keinen unausgegli chenen magnetischen Zug an dem Läufer erzeugen.

Weiter stellen gemäß der Erfindung die Maschinenkonfigura tionen, die hier beschrieben werden, um fehlertolerante ge schaltete Reluktanzmotor(SRM)-Antriebe zu realisieren, die mechanische Leistung an eine Belastung abgeben, auch feh lertolerante geschaltete Reluktanzgenerator(SRG)-Systeme zum Umwandeln von mechanischer Leistung in elektrische Lei stung dar. Lediglich die Zeitsteuerung der Torsteuersignale verschiebt sich in bezug auf die Läuferposition, um einen Motorantrieb in ein Generatorsystem zu verwandeln. Darüber hinaus werden in einem SRG-System ausgangsspannungstote Zo nen, die die Gegenstücke zu drehmomenttoten Zonen in einem SRM-Antrieb sind, eliminiert, indem die fehlertoleranten Konfigurationen nach der Erfindung benutzt werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden un ter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines herkömm lichen SRM-Antriebs,

Fig. 2 eine Querschnittansicht eines SRM, welche die Richtung des Stroms in einer exempla rischen Motorphasenwicklung und außerdem die Richtung des daraus resultierenden ma gnetischen Flusses veranschaulicht,

Fig. 3 eine graphische Darstellung der Augenblicks drehmomentwellenform für die SRM-Antriebs konfiguration nach Fig. 1 im Anschluß an den Erregungsverlust einer gestörten Phase,

Fig. 4A eine Querschnittansicht einer SRM, die gemäß der Erfindung aufgebaut ist,

Fig. 4B und 4C schematische Darstellungen der Wechselrich ter, die zum Speisen der SRM nach Fig. 4A benutzt werden,

Fig. 5 eine graphische Darstellung der Augenblicks drehmomentwellenform für die SRM-Antriebs konfiguration nach Fig. 4,

Fig. 6A eine Querschnittansicht einer alternativen Ausführungsform einer SRM, die erfindungs gemäß aufgebaut ist,

Fig. 6B und 6C schematische Darstellungen einer Gruppe von Wechselrichtern, die zum Speisen der SRM nach Fig. 6A benutzt werden, und

Fig. 7A-7D schematische Darstellungen einer alternati ven Gruppe von Wechselrichtern, die zum Speisen der SRM nach Fig. 6A benutzt werden.

Fig. 1 zeigt eine übliche geschaltete Reluktanzmotor(SRM)- Antriebskonfiguration. Es ist klar, daß die folgende Be schreibung eines geschalteten Reluktanzmotorantriebs ledig lich als Beispiel dient und daß die Lehre der Erfindung gleichermaßen für geschaltete Reluktanzgeneratorsysteme gilt. Deshalb umfaßt der hier und in den Ansprüchen be nutzte Begriff "Maschine" Motoren und Generatoren.

Beispielshalber ist eine SRM 10 als eine dreiphasige Ma schine mit zugeordnetem Leistungswechselrichter 12 darge stellt. Die SRM 10 hat einen Läufer 14, der entweder in Vorwärts- oder in Rückwärtsrichtung innerhalb eines statio nären Ständers 16 drehbar ist. Der Läufer 14 hat zwei Paare von diametral entgegengesetzten Läuferpolen 18 a-18 b und 20 a-20 b. Der Ständer 16 hat drei Paare von diametral entge gengesetzten Ständerpolen 22 a-22 b, 24 a-24 b und 26 a-26 b. Ständerpolwicklungen 28 a-28 b, 30 a-30 b und 32 a-32 b sind auf die Ständerpolpaare 22 a-22 b, 24 a-24 b bzw. 26 a-26 b ge wickelt. Üblicherweise sind die Ständerpolwicklungen auf jedem der entgegengesetzten oder Gegenständerpolpaare zur Bildung einer Motorphasenwicklung in Reihe geschaltet, so daß der Strom I in jeder Phase insgesamt eine magnetische Flußverkettung erzeugt, die einen Fluß in den Richtungen erzeugt, welche durch Pfeile 52 und 53 in Fig. 2 angegeben sind. Zum Beispiel sind gemäß der Darstellung in Fig. 2 die Wicklungen 28 a und 28 b in Reihe geschaltet, so daß der Strom in der angegebenen Richtung fließt. Gemäß der Dar stellung in Fig. 1 sind die Ständerpolwicklungen, welche jedes Gegenpaar 28 a-28 b, 30 a, 30 b bzw. 32 a-32 b bilden, mit einander und mit einer oberen Stromschaltvorrichtung 33, 34 bzw. 35 sowie mit einer unteren Stromschaltvorrichtung 36, 37 bzw. 38 in Reihe geschaltet. Die oberen und unteren Schaltvorrichtungen weisen jeweils einen Feldeffekttransi stor (FET) auf, andere geeignete Stromschaltvorrichtungen können aber benutzt werden, wie z. B. bipolare Sperr schichttransistoren (BJTs), abschaltbare Thyristoren (GTOs) und Isolierschicht-Bipolartransistoren (IGBTs). Jede Motor phasenwicklung ist weiter mit einer Gleichstromversorgung durch Rücklauf- oder Rückleitdioden 45 und 42, 46 und 43 bzw. 47 und 44 verbunden. An dem Ende jedes Stromleitungs intervalls jeder Phase wird in der betreffenden Motorpha senwicklung gespeicherte magnetische Energie zu der Gleich stromquelle über das betreffende Paar dieser daran ange schlossenen Dioden zurückgeleitet. Jede Reihenschaltung ei ner Motorphasenwicklung mit zwei entsprechenden Schaltvor richtungen und zwei Rückleitdioden bildet einen Phasenzweig des Wechselrichters 12. Die Wechselrichterphasenzweige sind zueinander parallel geschaltet und werden durch eine Gleichstromquelle, z. B. eine Batterie oder eine gleichge richtete Wechselstromquelle, gespeist, die an den paral lelen Wechselrichterphasenzweigen eine Gleichspannung +V _s einprägt. Eine Kapazität 40 ist zum Herausfiltern von tran sienten Spannungen aus der Gleichstromquelle vorgesehen.

Üblicherweise ist ein Wellenwinkelgeber 48 mit dem Läufer 14 gekuppelt, um Läuferwinkelrückführungssignale an eine Motorsteuereinrichtung 50 abzugeben. Es stehen jedoch, wie oben dargelegt, Techniken zur Verfügung, um den Wellenwin kelgeber zu eliminieren. Phasenstromrückführungssignale wer den an die Steuereinrichtung 50 aus einem Stromregler (nicht dargestellt) angelegt, wie oben ebenfalls dargelegt, der Phasenstromrückführungssignale aus Stromsensoren (nicht dargestellt) empfängt. Ein Bedienerbefehl, z. B. ein Drehmo mentbefehl, wird ebenfalls in die Steuereinrichtung 50 ein gegeben. Auf bekannte Weise, z. B. gemäß der Beschreibung in der US-PS 47 39 270, gibt die Steuereinrichtung Zündsignale an den Wechselrichter 12 zum Erregen der Motorphasenwick lungen in einer vorbestimmten Sequenz ab.

Wenn im Betrieb eine Störung in einer Maschinenphase oder einer Wechselrichterphase eines herkömmlichen SRM-Antriebs auftritt, so daß die Erregung an zwei Gegen- oder entgegen gesetzten Ständerpolwicklungen verlorengeht, wird eine "drehmomenttote Zone" durch die gestörte Phase erzeugt. Das Läuferträgheitsmoment kann zwar den Läufer durch diese drehmomenttote Zone hindurchbringen, wenn er sich bereits dreht, es werden jedoch spezielle Wechselrichtersteuerungen benötigt, um den SRM zum Wiederanlaufen zu bringen, wenn er in dieser toten Zone, die durch die gestörte Phase erzeugt wird, anhält. Im Betrieb kann die drehmomenttote Zone nicht eliminiert werden, indem die verbleibenden intakten Phasen übererregt werden.

Fig. 3 ist eine graphische Darstellung der Augenblicksdreh momentwellenform T für die SRM-Antriebskonfiguration nach Fig. 1 im Anschluß an den Verlust einer gestörten Motor phase. Der verlorengegangene Drehmomentbeitrag aufgrund der gestörten Phase ist durch gestrichelte Linien 56 darge stellt. Gemäß der Darstellung ist die mittlere Drehmomen terzeugung T _AVE ungefähr zwei Drittel ihres Anfangswertes T ₀ vor dem Auftreten der Störung.

Ein fehlertoleranter dreiphasiger SRM-Antrieb nach der Er findung ist in Fig. 4A gezeigt. In der folgenden Beschrei bung werden sämtliche Ständerpolwicklungen, die sich die selbe magnetische Beziehung mit dem Läufer teilen, wie z. B. die Gegenwicklungen 32 a und 32 b, als Teil derselben Maschi nenphase betrachtet, ungeachtet dessen, ob sie direkt mit einander verbunden sind. Anders als bei dem herkömmlichen SRM-Antrieb nach Fig. 1 sind die Ständerpolwicklungen, die auf Gegen- oder entgegengesetzte Ständerpolpaare gewickelt sind, nicht in Reihe geschaltet. Vielmehr wird jede Stän derpolwicklung durch einen separaten Wechselstromphasen zweig erregt. In der bevorzugten Ausführungsform werden zwei unabhängige Wechselrichter 60 und 62 benutzt, die je weils drei Phasenzweige aufweisen. Vorzugsweise wird jeder Wechselrichter 60 und 62 durch eine separate Gleichstrom quelle gespeist, um einen höheren Grad an Fehlertoleranz zu erzielen, als wenn nur eine Stromquelle benutzt werden würde. Alternativ können jedoch beide Wechselrichter durch dieselbe Gleichstromquelle gespeist werden. Jeder Phasen zweig jedes Wechselrichters erregt, wie dargestellt, eine Ständerpolwicklung. So erregt ein erster Phasenzweig jedes Wechselrichters 60, 62 die Ständerpolwicklungen 28 a bzw. 28 b; ein zweiter Phasenzweig jedes Wechselrichters 60, 62 erregt die Ständerpolwicklungen 30 a, 30 b; und ein dritter Phasenzweig jedes Wechselrichters 60, 62 erregt die Stän derpolwicklungen 32 a bzw. 32 b. Somit entspricht jeder Pha senzweig jedes Wechselrichters einer der drei Motorphasen des SRM 10.

Während des normalen, nichtgestörten Betriebes leitet jede Ständerpolwicklung eines Gegenpaares während eines vorbe stimmten Stromleitungsintervalls gleichzeitig Strom. Das heißt, sie werden zur Drehmomenterzeugung in einem gemein samen Zeitintervall gleichzeitig erregt. Darüber hinaus sind die Polaritäten der Gegenständerpolwicklungspaare so angeordnet, daß die magnetischen Flußmuster mit denjenigen des herkömmlichen SRM, wie in Fig. 2 dargestellt, identisch sind. Auf diese Weise arbeitet unter nichtgestörten Bedin gungen der neue SRM-Antrieb auf dieselbe Weise wie der her kömmliche SRM-Antrieb nach Fig. 1.

Anders als bei dem herkömmlichen SRM-Antrieb wird jedoch, wenn eine Störung in einer Wechselrichterphase oder in ei ner Maschinenphase des SRM-Antriebs nach Fig. 4 auftritt, in der Drehmomenterzeugung keine tote Zone erzeugt. Zum Beispiel, selbst wenn die Erregung der Ständerpolwicklung 28 a aufgrund einer Störung verlorengeht, gewährleistet die ununterbrochene Erregung der Gegen- oder entgegengesetzten Ständerpolwicklung 28 b, daß es trotzdem eine gewisse Dreh momenterzeugung während des Stromleitungsintervalls der entsprechenden Motorphase gibt.

Fig. 5 ist eine graphische Darstellung der Augenblicksdreh momentwellenform T für die SRM-Antriebskonfiguration nach Fig. 4 im Anschluß an den Verlust der Erregung einer Stän derpolwicklung einer gestörten Motorphase. Der Drehmoment beitrag aus der Gegenständerpolwicklung der gestörten Phase ist durch gestrichelte Linien 63 gezeigt. Weil die Gegen ständerpolwicklung der gestörten Phase während des Strom leitungsintervalls noch, wie dargestellt, Drehmoment er zeugt, gibt es keine tote Zone, und die mittlere Drehmomen terzeugung T _A ist ungefähr 5/6 des ursprünglichen Wertes T ₀ vor dem Auftritt der Störung, gemittelt über einer vollen Umdrehung. Darüber hinaus kann bei Verwendung dieser Konfiguration das mittlere Drehmoment nach dem Auftreten der Störung auf den Wert T ₀ vor dem Auftreten der Störung erhöht werden, wenn es ausreichend Stromkapazität gibt, um die verbleibenden intakten Ständerpolwicklungen überzuerre gen. Vorteilhafterweise sind bei Nichtvorhandensein einer drehmomenttoten Zone keine speziellen Steuereinrichtungen für den Wiederanlauf des Motors erforderlich, wenn der Läu fer im Anschluß an eine Störung anhält.

Unter normalen, nichtgestörten Betriebsbedingungen gewähr leistet die Erregung der beiden Gegen- oder entgegengesetz ten Ständerpolwicklungen mit gleichen Strömen, daß sich die radialen Zugkräfte aus den beiden entsprechenden Polen ge genseitig aufheben, während sich ihre Drehmomentbeiträge addieren. Wenn jedoch die Erregung von nur einer Ständer polwicklung eines Gegenpaares entfernt wird, gibt es insge samt eine radiale Zugkraft an dem Läufer zusätzlich zu der gewünschten Tangentialkraft oder dem Drehmoment. Deshalb kann es notwendig sein, die Motorlager zu verstärken, damit sie den sich ergebenden unabgeglichenen magnetischen Zug an dem Läufer aushalten.

In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung wird die Erzeugung der oben beschriebenen unausgeglichenen ma gnetischen Kraft verhindert. Als Beispiel zeigt Fig. 6 einen dreiphasigen SRM 70. Der SRM 70 hat, wie dargestellt, einen Läufer 72 innerhalb eines stationären Ständers 74. Der Läufer 72 hat vier Paare von diametral entgegengesetz ten Läuferpolen 74 a-74 b, 76 a-76 b, 78 a-78 b und 80 a-80 b. Der Ständer 74 hat sechs Paar Gegen- oder diametral entgegenge setzte Ständerpole 82 a-82 b, 84 a-84 b, 86 a-86 b, 88 a-88 b, 90 a- 90 b bzw. 92 a-92 b, die mit Gegenständerpolwicklungspaaren 96 a-96 b, 98 a-98 b, 100 a-100 b, 102 a-102 b, 104 a-104 b bzw. 106 a-106 b versehen sind. Auf diese Weise weist jede Motor phase zwei Paar Gegen- oder diametral entgegengesetzte Ständerpolwicklungen auf, d. h. zwei Gegenständerpolwick lungspaare. Zum Beispiel bilden die beiden Ständerpolwick lungspaare 96 a-96 b und 102 a-102 b eine der drei Motorphasen des SRM 70. Vorzugsweise werden zwei unabhängige Leistungs wechselrichter 105 und 107 zum Speisen des SRM 70 benutzt. Jeder Wechselrichterphasenzweig entspricht einer gesonder ten Motorphase und umfaßt zwei Halbleiterschalter und zwei Rückleitdioden, welche Gegen- oder entgegengesetzte Stän derpolwicklungen erregen, die miteinander in Reihe geschal tet sind. Alternativ können die beiden Ständerpolwicklun gen, die jedes Gegenpaar bilden, wie z. B. 96 a-96 b, parallel geschaltet sein. Die vier Ständerpolwicklungen, welche je der Motorphase entsprechen, werden zur Drehmomenterzeugung während desselben Zeitintervalls erregt, d. h. sie haben ein gesamtes Stromleitungsintervall gemeinsam.

Wenn eine Störung in einer Motorphase des SRM 70 auftritt, so daß die Erregung von einem Paar Gegenständerpolwicklun gen beseitigt wird, das einer Motorphase entspricht, wird die Erregung an dem anderen Gegenständerpolwicklungspaar nicht unterbrochen. Vorteilhafterweise erzeugt deshalb in dieser Ausführungsform des SRM-Antriebs die Störung keinen unausgeglichenen magnetischen Zug an dem Läufer oder seinen Lagern, da beide diametral entgegengesetzten Wicklungen in der gestörten Phase unerregt sind. Wenn die Erregung bei spielsweise an dem Ständerpolwicklungspaar 96 a-96 b verlo rengeht, gewährleistet darüber hinaus die ununterbrochene Erregung des Gegenpaares 102 a-102 b dieser gestörten Phase, daß die symmetrische Erregung fortgesetzt wird. Weiter wird die mittlere Drehmomenterzeugung nur um ungefähr 1/6 ihres Wertes vor dem Auftreten der Störung für denselben Strom reduziert, und es wird durch die Störung keine drehmoment tote Zone erzeugt.

Noch eine weitere alternative Ausführungsform der Wechsel richterkonfiguration, die zum Speisen des SRM 70 benutzt wird, ist in den Fig. 7A-7D gezeigt. In dieser Ausführungs form wird das mittlere Drehmoment nach dem Auftreten einer Störung noch weiter erhöht. Wie dargestellt werden vier un abhängige dreiphasige Wechselrichter 110, 112, 114 und 116 benutzt. Jeder Phasenzweig jedes Wechselrichters entspricht einer Motorphase und erregt eine Ständerpolwicklung eines ihm entsprechenden Gegenpaares. Der Verlust eines Wechsel richterphasenzweigs aufgrund einer Störung beseitigt die Erregung von nur einer Ständerpolwicklung, was zu einem Verlust von nur etwa 1/12 des mittleren Drehmoments vor dem Auftreten der Störung führt.

Die Erfindung beschränkt sich selbstverständlich nicht auf dreiphasige SRM-Antriebe und SRG-Systeme, sondern kann auf SR-Maschinen ausgedehnt werden, die irgendeine Phasenzahl haben. Darüber hinaus beschränkt sich die Erfindung nicht auf die Zahlen von Ständerpolen und Läuferpolen, die oben angegeben worden sind. Zum Beispiel kann bei einer vierpha sigen SR-Maschine, die acht Ständerpole und sechs Läufer pole hat, jede von vier Wechselrichterphasen benutzt wer den, um zwei Gegenständerpolwicklungen, die einer Maschi nenphase entsprechen, zu erregen. Alternativ kann jede der acht Ständerpolwicklungen durch eine gesonderte Wechsel richterphase erregt werden, wobei die Erregung der vier Ständerpolwicklungspaare während des normalen Betriebs syn chronisiert ist.

Claims

1. Fehlertoleranter geschalteter Reluktanzmaschinenantrieb, gekennzeichnet durch
eine mehrphasige, geschaltete Reluktanzmaschine (10) mit einem Läufer (14) und einem Ständer (16), wobei der Läufer (14) mehrere Läuferpole (18 a, 18 b, 20 a, 20 b) hat, wobei der Ständer (16) mehrere Paare entgegengesetzter Ständerpole (22 a-22 b, 24 a-24 b, 26 a-26 b) hat, wobei jede Phase der Ma schine (10) wenigstens ein Paar entgegengesetzter Ständer pole aufweist und wobei auf jeden Ständerpol eine konzen trierte Ständerpolwicklung (28a, 28 b, 30 a, 30 b, 32 a, 32 b) gewickelt ist;
mehrere unabhängige Leistungswechselrichter (60, 62), wobei die Anzahl der Wechselrichter (60, 62) gleich der Anzahl der Ständerpolwicklungen (28 a, 28 b, 30 a, 30 b, 32 a, 32 b) ist, die jeder Maschinenphase entspricht, wobei jeder Wech selrichter (60, 62) eine Stromversorgung zum Einprägen ei ner Gleichspannung an den Ständerpolwicklungen (28 a, 28 b, 30 a, 30 b, 32 a, 32 b) aufweist, wobei jeder Wechselrichter (60, 62) wenigstens eine Stromschaltvorrichtung (33, 34, 35, 36, 37, 38) aufweist, die mit einer separaten der Stän derpolwicklungen in Reihe geschaltet ist, wobei die Reihen schaltung jeder Ständerpolwicklung und der entsprechenden in Reihe geschalteten Schaltvorrichtung einen separaten Phasenzweig des entsprechenden Wechselrichters (60, 62) bildet; und
eine Torsteuereinrichtung (50), die mit jeder Stromschalt vorrichtung (33, 34, 35, 36, 37, 38) verbunden ist, zum Er regen der entsprechenden Ständerpolwicklung, die mit ihr in Reihe geschaltet ist, wobei die Ständerpolwicklungen der Wechselrichter (60, 62), die derselben Maschinenphase ent sprechen, im wesentlichen dasselbe Stromleitungsintervall haben und wobei die Stromleitungsintervalle für die ver schiedenen Maschinenphasen gegenseitig zeitverschoben sind.

2. Reluktanzmaschinenantrieb nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß jeder Wechselrichter (60, 62) durch eine gesonderte Gleichstromversorgung gespeist wird.

3. Reluktanzmaschinenantrieb nach Anspruch 1 oder 2, da durch gekennzeichnet, daß jeder Phasenzweig wenigstens eine Diode (42, 43, 44, 45, 46, 47) aufweist, die mit der ent sprechenden Ständerpolwicklung (28 a, 28 b, 30 a, 30 b, 32 a, 32 b) verbunden ist, um induktive Wicklungsströme im Kreis fließen zu lassen.

4. Reluktanzmaschinenantrieb nach Anspruch 1 oder 2, da durch gekennzeichnet, daß jeder Phasenzweig eine zweite Stromschaltvorrichtung (33, 34, 35, 36, 37, 38) aufweist, die mit ihrer zugeordneten Ständerpolwicklung (28 a, 28 b, 30 a, 30 b, 32 a, 32 b) in Reihe geschaltet ist.

5. Reluktanzmaschinenantrieb nach Anspruch 4, dadurch ge kennzeichnet, daß jeder Phasenzweig wenigstens eine Diode (42, 43, 44, 45, 46, 47) aufweist, die an die entsprechende Ständerpolwicklung (28 a, 28 b, 30 a, 30 b, 32 a, 32 b) ange schlossen ist, um induktive Wicklungsströme im Kreis fließen zu lassen.

6. Reluktanzmaschinenantrieb nach Anspruch 4, dadurch ge kennzeichnet, daß jede Stromschaltvorrichtung (33, 34, 35, 36, 37, 38) einen Feldeffekttransistor aufweist.

7. Reluktanzmaschinenantrieb nach Anspruch 6, dadurch ge kennzeichnet, daß jeder Phasenzweig wenigstens eine Diode (42, 43, 44, 45, 46, 47) aufweist, die mit der entsprechen den Ständerpolwicklung (28 a, 28 b, 30 a, 30 b, 32 a, 32 b) ver bunden ist, um induktive Wicklungsströme im Kreis fließen zu lassen.

8. Reluktanzmaschinenantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Pole von jedem Paar ent gegengesetzter Ständerpole (22 a-22 b, 24 a-24 b, 26 a-26 b) dia metral entgegengesetzt sind.

9. Reluktanzmaschinenantrieb nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß jede Maschinenphase ein zweites Paar ent gegengesetzter Ständerpole (82 a-82 b, 84 a-84 b, 86 a-86 b, 88 a- 88 b, 90 a-90 b, 92 a-92 b) aufweist und daß weiter zwei zusätz liche Leistungswechselrichter (114, 116) vorgesehen sind, die jeweils einen Phasenzweig beinhalten, der jeder Maschi nenphase entspricht.

10. Reluktanzmaschinenantrieb nach Anspruch 9, dadurch ge kennzeichnet, daß die Pole von jedem Paar entgegengesetzter Ständerpole (82 a-82 b, 84 a-84 b, 86 a-86 b, 88 a-88 b, 90 a-90 b, 92 a-92 b) diametral entgegengesetzt sind.

11. Fehlertoleranter geschalteter Reluktanzmaschinenan trieb, gekennzeichnet durch:
eine mehrphasige, geschaltete Reluktanzmaschine (70) mit einem Läufer (72) und einem Ständer (74), wobei der Läufer (72) mehrere Läuferpole (74 a, 74 b, 76 a, 76 b, 78 a, 78 b, 80 a, 80 b) hat, wobei der Ständer (74) mehrere Paare entgegenge setzter Ständerpole (82 a-82 b, 84 a-84 b, 86 a-86 b, 88 a-88 b, 90 a-90 b, 92 a-92 b) hat, wobei jede Phase der Maschine (70) wenigstens zwei Paare entgegengesetzter Ständerpole auf weist und wobei auf jeden Ständerpol eine konzentrierte Ständerpolwicklung (96 a, 96 b, 98 a, 98 b, 100 a, 100 b, 102 a, 102 b, 104 a, 104 b, 106 a, 106 b) gewickelt ist;
mehrere unabhängige Leistungswechselrichter (110, 112, 114, 116), wobei die Anzahl der Wechselrichter gleich der Anzahl der Paare entgegengesetzter Ständerpole ist, wobei jeder Wechselrichter eine Stromversorgung zum Einprägen einer Gleichspannung an den Ständerpolwicklungen bildet, wobei jeder Wechselrichter wenigstens eine Stromschaltvorrichtung (33, 34, 35, 36, 37, 38) aufweist, die mit einem gesonder ten Paar Ständerpolwicklungen, das jedem Paar der entgegen gesetzten Ständerpole entspricht, in Reihe geschaltet ist und wobei die Kombination von jedem Paar Ständerpolwicklun gen und entsprechender in Reihe geschalteter Schaltvorrich tung einen gesonderten Phasenzweig des entsprechenden Wech selrichters bildet; und
eine Torsteuereinrichtung (50), die mit jeder Stromschalt vorrichtung verbunden ist, zum Erregen des damit verbun denen entsprechenden Ständerpolwicklungspaares, wobei die Ständerpolwicklungspaare der Wechselrichter, die derselben Maschinenphase entsprechen, im wesentlichen dasselbe Strom leitungsintervall haben und wobei die Stromleitungsinter valle für die verschiedenen Maschinenphasen gegenseitig zeitverschoben sind.

12. Reluktanzmaschinenantrieb nach Anspruch 11, dadurch ge kennzeichnet, daß die Ständerpolwicklungen (96 a, 96 b, 98 a, 98 b, 100 a, 100 b, 102 a, 102 b, 104 a, 104 b, 106 a, 106 b) von jedem Paar entgegengesetzter Ständerpole in Reihe geschal tet sind.

13. Reluktanzmaschinenantrieb nach Anspruch 11, dadurch ge kennzeichnet, daß die beiden Ständerpolwicklungen (96 a, 96 b, 98 a, 98 b, 100 a, 100 b, 102, 102 b, 104 a, 104 b, 106 a, 106 b) von jedem Paar entgegengesetzter Ständerpole parallel geschaltet sind.

14. Reluktanzmaschinenantrieb nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Wechselrichter (110, 112, 114, 116) durch eine separate Gleichstromversor gung gespeist wird.

15. Reluktanzmaschinenantrieb nach Anspruch 11, dadurch ge kennzeichnet, daß jeder Phasenzweig wenigstens eine Diode (42, 43, 44, 45, 46, 47) aufweist, die an das zugeordnete Paar Ständerpolwicklungen angeschlossen ist, um induktive Wicklungsströme im Kreis fließen zu lassen.

16. Reluktanzmaschinenantrieb nach Anspruch 11, dadurch ge kennzeichnet, daß jeder Phasenzweig eine zweite Strom schaltvorrichtung (33, 34, 35, 36, 37, 38) aufweist, die mit dem zugeordneten Paar Ständerpolwicklungen (96 a-96 b, 98 a-98 b, 100 a-100 b, 102 a-102 b 104 a-104 b, 106 a-106 b), in Reihe geschaltet ist.

17. Reluktanzmaschinenantrieb nach Anspruch 16, dadurch ge kennzeichnet, daß jeder Phasenzweig wenigstens eine Diode (42, 43, 44, 45, 46, 47) aufweist, die mit dem zugeordneten paar Ständerpolwicklungen (96 a-96 b, 98 a-98 b, 100 a-100 b, 102 a-102 b, 104 a-104 b, 106 a-106 b) verbunden ist, um indukti ve Wicklungsströme im Kreis fließen zu lassen.

18. Reluktanzmaschinenantrieb nach Anspruch 16, dadurch ge kennzeichnet, daß jede Stromschaltvorrichtung (33, 34, 35, 36, 37, 38) einen Feldeffektransistor aufweist.

19. Reluktanzmaschinenantrieb nach Anspruch 18, dadurch ge kennzeichnet, daß jeder Phasenzweig wenigstens eine Diode (42, 43, 44, 45, 46, 47) aufweist, die mit dem zugeordneten Paar Ständerpolwicklungen (96 a-96 b, 98 a-98 b, 100 a-100 b, 102 a-102 b, 104 a-104 b, 106 a-106 b) verbunden ist, um induk tive Wicklungsströme im Kreis fließen zu lassen.

20. Reluktanzmaschinenantrieb nach einem der Ansprüche 11 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Pole jedes Paares entgegengesetzter Ständerpole (82 a-82 b, 84 a-84 b, 86 a-86 b, 88 a-88 b, 90 a-90 b, 92 a-92 b) diametral entgegengesetzt sind.