DE69121583T2

DE69121583T2 - Kommutierter mehrphasenreluktanzmotor

Info

Publication number: DE69121583T2
Application number: DE69121583T
Authority: DE
Inventors: James Hendershot
Original assignee: Tridelta Industries Inc
Current assignee: ABB Motors and Mechanical Inc
Priority date: 1990-11-28
Filing date: 1991-11-22
Publication date: 1997-02-06
Anticipated expiration: 2011-11-23
Also published as: CA2097194A1; CA2097194C; US5111095A; EP0559818A1; EP0559818B1; JP3212310B2; EP0559818A4; DE69121583D1; WO1992010022A1; JPH06508975A

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein bürstenlose Gleichstrommotoren und insbesondere Motoren kommutierter oder variabler Reluktanz, deren Phasenwicklungen elektronisch ohne Verwendung mechanischer Bürsten oder Kommutatoren kommutiert werden. Diese Arten bürstenloser Gleichstrommotoren erzeugen ein kontinuierliches Drehmoment ohne Verwendung von Dauermagneten. Die erforderliche Phasenkommutierung kann durch Ausnützung der Position des Ankers erfolgen, die durch einen Positionssensor wie z.B. einen an der Motorwelle montierten Codierer oder Auflöser bestimmt wird.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Aufgrund der jüngsten Entwicklungen auf dem Gebiet von Leistungshalbleiterbauteilen wie z.B. Leistungs-MOSFETS und IGBTs nahm die Verbreitung und Verwendung bürstenloser Gleichstrommotoren in den letzten Jahren zu. Ihre Anwendungsbereiche betreffen vor allem Servopositionierungssysteme oder Systeme variabler/einstellbarer Geschwindigkeit. Die Verfügbarkeit von Hochenergie-Dauermagneten wie z.B. Samariumkobalt- oder Neodymbor-Eisen trug auch zum derzeitigen Interesse an bürstenlosen Gleichstrommotoren bei. Aufgrund der hohen Kosten solcher Hochenergiemagneten und der mechanischen Schwierigkeiten, sie in ihren Befestigungen zu halten, bestand jedoch ein großes Interesse an jener Klasse bürstenloser Gleichstrommotoren, die keine Dauermagneten oder Wicklungen in Verbindung mit dem Ankerelement vorsehen. Die bürstenlosen Gleichstrommotoren dieser Klasse werden üblicherweise als kommutierte Reluktanzmotoren oder SR- Motoren (für "switched reluctance") bezeichnet.
SR-Motoren wurden in großem Umfang als Schrittmotoren verwendet, wenn sie durch eine Reihe an Taktimpulsen in einer offenen Schleife angetrieben werden, sodaß sie eine Kommutierungsfrequenz und -phase aufweisen, die von der Winkelposition des Ankers unabhängig ist. Bei diesen Schrittmotorsystemen wurde der Motor typischerweise als VR-Motor bezeichnet, wobei "VR" ein Akronym für den Ausdruck "variable Reluktanz" ist. Viele dieser sogenannten VR-Schrittmotoren sind entweder drei- oder vierphasige Maschinen mit lamellierten Konstruktionen, die viele Zähne auf jedem Anker und Ständermagnetpol aufweisen. Diese Zähne sind erforderlich, um kleine Schrittwinkel zu erzielen (z.B. US-3.866.104 Heine).
Die vorliegende Erfindung betrifft eine sich kontinuierlich drehende Reluktanzmaschine bzw. einen SR-Motor, der nicht zur Verwendung als Schrittmotor konstruiert ist und in einer offenen Schleife gesteuert wird. Der SR-Motor ist allgemein konstruiert, elektrische Energie in kontinuierliche mechanische Rotation umzuwandeln. Dies bedeutet, daß der SR-Motor bei jeder erwünschten, voreingestellten oder regulierbaren Rotationsgeschwindigkeit ein kontinuierliches Drehmoment erzeugen muß.
SR-Motoren des hierin beschriebenen Typs besitzen üblicherweise mit drei, vier oder fünf Phasen umwickelte Ständer. Jede Phase wird erregt bzw. an eine Gleichstromquelle angeschlossen und wird an der optimalen Ankerposition kommutiert bzw. geschaltet, um das maximale Ausgangsdrehmoment pro Phase zu erzeugen. Drehmomentvariation bzw. -welligkeit kann man durch sorgfältige Kommutierung von zwei Phasen, die einzeln erregt werden, minimieren, sodaß das zusätzliche Drehmoment jeder angrenzenden Phase etwa dem Spitzendrehmoment herkömmlicher SR-Motoren entspricht, obwohl sie normal mit einpoliger Gleichspannung mit jeweils einer eingeschalteten Phase kommutiert werden. SR-Motoren besitzen normalerweise nicht mehrere Zähne pro Pol in ihren Lamellenkonstruktionen, sondern üblicherweise Einzelpole für jede Wicklung, obwohl dies nicht unbedingt erforderlich ist. Zwei oder drei Zähne pro Pol können manchmal verwendet werden, selten mehr.
Die SR-Maschine ist ein sehr robuster und strapazierfähiger Motor mit einer sehr einfachen Ankerkonstruktion und einem äußerst kompakt gewickeltem Ständer, der die niedrigsten potentiellen Fertigungskosten aller bekannten Motoren aufweist. Sie eignet sich für den Einsatz unter extremen Bedingungen und starker Beanspruchung. Sie kann z.B. Temperaturgrenzwerten standhalten, die mit Dauermagnetmotoren unmöglich sind (zwischen -100ºC und +500ºC).
SR-Motoren besitzen einzigartige Merkmale, die sie für bestimmte Anwendungen sehr attraktiv machen, wo die Sicherheit des Menschen von größter Bedeutung ist, z.B. in der Raumfahrts- und der Landverkehrsindustrie. Diese Merkmale sind darauf zurückzuführen, daß der SR-Motor keine Dauermagneten verwendet. In SR-Motoren ist zum Beispiel kein bipolarer Strom erforderlich, um jede Phase zur Erzeugung des Drehmoments zu erregen. Die Ständerpole ziehen anstelle von nord- und südmagnetisierten Dauermagneten Weicheisen-Rotorpole magnetisch an, wodurch es nicht notwendig ist, die Polarität des für jede Phase verwendeten Stroms zu steuern. Da die Polarität des Stroms nicht wichtig ist, ist die Wicklung in Serie mit den Schalttransistoren verbunden, wodurch die Möglichkeit von Durchbruchsfehlern im Falle eines Schalterausfalls, wie z.B. bei Induktionsmotoren und bürstenlosen Dauermagnetmotoren, verhindert wird.
Der andere Sicherheitsvorteil von SR-Motoren ist ebenso auf das Fehlen von Dauermagneten zurückzuführen. Die Dauermagnete erzeugen während der Rotation des Ankers eine elektromagnetische Gegenkraft (EMK). SR-Motoren weisen diese Art von EMK nicht auf. Diese Tatsache verhindert die Möglichkeit eines Bremsmoments auf der Motorwelle im Falle eines Kurzschlusses in der Schaltung aufgrund der magnetischen Spannung (Magneto-EMK) der Magnete. Im Falle eines Kurzschlusses in einer der Wicklungen dreht sich der Motor weiter, doch seine Leistung ist vermindert. Der Prozentsatz an verminderter Leistung ist proportional zur Zahl offener oder kurzgeschlossener Phasen relativ zur Gesamtzahl an Phasen.
Einer der Nachteile der Erhöhung der Anzahl an Wicklungsphasen jedes Elektromotors ist die Zunahme der Schalt- oder Kommutierungsfrequenz. Wenn eine Phase erregt oder abgeschaltet wird, bewirkt die Stromänderung pro Zeit (dl/dt) Wirbelstromverluste im Lamelleneisens des Ständers und Ankers und somit eine Erhitzung. Je schneller sich der Motor dreht, desto größer die Frequenz und Eisenkernverluste.
Ein weiterer Verlust aufgrund der Magnetfeld-Flußumkehr ist als Ummagnetisierungsverlust bekannt. Dieser Erwärmungseffekt steigt ebenso mit der Zahl der Phasen und mit der Drehgeschwindigkeit an. Eine volle Magnetflußumkehr von einem positiven Flußwert zu einem negativen Flußwert bewirkt einen "Vollschleifen"-Energieverlust. Wenn das Flußfeld nur von null auf einen maximalen Wert ansteigt und dann - wenn es auf "aus" kommutiert wird - wieder auf null sinkt, wird eine "kleine" Hystereseschleife erzeugt. Dieses Phänomen des Ummagnetisierungsverlusts und korrespondierender Erwärmungseffekte findet während des Betriebs fast aller Elektromotoren statt. Die sogenannten Eisenverluste aller Motoren erzeugen Wärme, die entweder durch die mechanische Montagestruktur mittels Leitung oder durch Luft- oder Flüssigkeitskühlung abgeführt werden muß. Die Fläche innerhalb der Hystereseschleife entspricht der geleisteten Arbeit bzw. dem Energieverlust. Wenn eine volle Magnetflußumkehr aufgrund der bipolaren Stromschaltung in Induktionsmotoren und bürstenlosen Motoren stattfindet, wird das Magneteisen aufgrund einer vollen Hystereseschleife erwärmt. Die SR-Maschine erfährt Verluste durch die kleine Hystereseschleife, da der Fluß bei null beginnt, auf den Spitzenwert ansteigt und dann wieder auf null und nicht auf einen Minus-Spitzenwert sinkt, doch die resultierenden Eisenverluste fallen viel geringer als bei herkömmlichen SR-Maschinen aus.
Der in US-4.883.999 des Anmelders geoffenbarte SR-Motor sorgt für eine deutliche Verringerung von Energieverlusten im Gegeneisen und Anker eines SR-Motors. Obwohl die Drehmomentleistung bei solchen SR-Motoren ausgezeichnet ist, weisen sie insoferne die gleichen Beschränkungen wie herkömmliche SR-Motoren auf, als es nicht klar ist, wie der Motor mit zwei eingeschalteten Phasen zur gleichen Zeit betrieben werden könnte. Ein solches Antriebsschema ist für Anwendungen mit hohem Drehmoment und/oder jenen Anwendungen äußerst wünschenswert, die aus Sicherheitsgründen ein kontinuierlich positives Drehmoment bei Verschiedenen Ausfallsarten erfordern, z.B. im Bereich der Raumfahrtindustrie. In der Vergangenheit sorgte die Phasenüberlappung für zusätzliches Drehmoment und verbesserte Sicherheit. Wenn zwei Phasen synchron an einen herkömmlichen SR-Motor angelegt werden, erzielt der Motor jedoch kein größeres Drehmoment und wird im wesentlichen zu einer sehr ineffizienten Maschine (d.h. mit doppelt so viel Eingangsleistung, doch keiner deutlichen Zunahme des Drehmoments), was auf die magnetische Sättigung des Ständerjochs und eine Ständer- und Ankerpolverteilung zurückzuführen ist, die Tür die Einzel phasenerregung konstruiert und für Zwei phasenerregung ungeeignet ist.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist ein allgemeines Ziel der vorliegenden Erfindung, einen SR-Motor mit wesentlich verbesserten Leistungseigenschaifen bereitzustellen. In diesem Zusammenhang ist es ein konkretes Ziel der vorliegenden Erfindung, einen magnetischen Kreis für einen SR- Motor bereitzustellen, der eine höhere Effizienz und ein höheres Drehmoment aufweist als kommutierte Reluktanzmotoren herkömmlicherer Bauart, insbesondere mit mehr als drei Ständerphasen und bei höheren Geschwindigkeiten, wo die magnetischen Eisenverluste üblicherweise am größten sind.
Ein damit in Zusammenhang stehendes Ziel der Erfindung ist die Bereitstellung eines SR-Motors mit erhöhtem Wirkungsgrad ohne Beeinträchtigung der allgemein bekannten Leistungsvorteile und Merkmale des SR-Motors (d.h. geringe Kosten, robuste und strapazierfähige Konstruktion, großer Betriebstemperaturenbereich und hohe Drehzahlen).
Ein konkreteres Ziel der Erfindung ist die deutliche Reduzierung der Ummagnetisierungs- und Wirbelstromverluste im Gegeneisenabschnitt des Ankers und im lamellierten Ständermaterial.
Ein weiteres konkretes Ziel der Erfindung ist die Bereitstellung eines Hochgeschwindigkeits-SR-Motors mit hohem Drehmoment und sehr kleiner Dreh momentwelligkeit und keinen toten Drehmomentpositionen des Ankers.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die deutliche Steigerung der Fähigkeit zu hohen Drehgeschwindigkeiten des Mehrphasen-SR-Motors durch Verringerung der Erwärmungsverlusteffekte, die normalerweise durch eine hohe Anzah an Wicklungsphasen entstehen, wodurch Hochgeschwindigkeitsanwendungen in den Genuß der Vorteile der geringen Drehmomentwelligkeit und keiner toten Drehmomentpositionen des Ankers kommen.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Erreichung der obigen Ziele mit einem herkömmlichen symmetrischen Ständer, der problemlos mit Mehrphasenwicklungen hoher Dichte gewickelt werden kann, ohne Luftraum ungenützt zu lassen, wodurch der Wirkungsgrad maximiert wird.
Andere Ziele und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden ausführlichen Beschreibung und den beigelegten Abbildungen.
In der früheren Erfindung des Anmelders (siehe US-4.883.999) wird die Flußumkehr in einem SR-Motor unterbunden, sodaß Ummagnetisierungsverluste im Verhältnis zu herkömmlichen SR-Motoren deutlich verringert werden. Außerdem ist der SR-Motor in einer Weise konstruiert, die ermöglicht, daß jeder Bereich des Gegeneisens des Ständers in nur eine der Magnetphasenkreise eingegliedert ist, die durch den Motor und seinen Antrieb gebildet werden. Ein derartige Konstruktion sorgt für eine deutliche Verringerung der Wirbelstromverluste im Verhältnis zu herkömmlichen SR-Motoren, da die Frequenz des Zusammenbrechens und Aufbauens von Magnetfeldern im Gegeneisenbereich des Ständers stark reduziert wird. Diese Frequenz wird allgemein als "Schaltfrequenz" bezeichnet. Durch starke Verringerung der Ummagnetisierungs- und Wirbelstromverluste bietet der Motor aus der obigen Patentschrift einen elektronisch kommutierten Motor, der durch einen wesentlich höheren Wirküngsgrad als herkömmliche SR-Motoren gekennzeichnet ist, während er alle Vorteile dieser Motoren des Stands der Technik beibehält. SR-Motoren gemäß der Patentschrift sind durch ein erstes und ein zweites Element gekennzeichnet, die zur relativen Drehung montiert sind, worin eines der Elemente gleichmäßig beabstandete Pole und das andere Element ungleichmäßig beabstandete Pole besitzt, sodaß beim Polarisieren der Pole jedes Elements die Pole Paare angrenzender Pole mit entgegengesetzten Polaritäten definieren.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein kommutierter Reluktanzmotor bereitgestellt, der durch eine Mehrphasenquelle angetrieben wird, umtassend in Kombination:
einen Ständer mit einem Joch und eine Vielzahl vorstehender Pole, die gleichmäßig um das Joch verteilt sind, sodaß jeder Pol um einen Winkel α&sub1; von einem angrenzenden Pol beabstandet ist;
einen Anker mit einer Vielzahl ungleichmäßig beabstandeter Pole, sodaß der Abstand zwischen angrenzenden Polen zwischen Winkeln α&sub1; und α&sub2; wechselt;
Wicklungen für jede der Phasen des Motors, die um Ständerpole gewickelt sind, die am Umfang durch zumindest eine Wicklung und einen zugehörigen Ständerpol einer unterschiedlichen Phase getrennt sind; und
zumindest zwei magnetische Kreise, die sich zwischen einem Paar angrenzender Ständerpole und einem Paar angrenzender Ankerpole als Reaktion auf die Mehrphasenquelle gebildet werden, sodaß jeder der magnetischen Kreise einen Abschnitt des Jochs enthält, das/der das Paar angrenzender Ständerpole überbrückt.
Außerdem stellt die vorliegende Erfindung einen kommutierten Reluktanzmotor bereit, der auf eine Stromquelle anspricht, umfassend in Kombination: einen Ständer mit einem Joch und einer Vielzahl an gleichmäßig um das Joch verteilten Polen;
eine Vielzahl an um die Pole gewickelten Wicklungen, sodaß eine Wicklung um jeden Pol gewickelt ist;
eine Vielzahl an durch die Wicklungen gebildeten Phasen, sodaß jede Phase zumindest zwei Wicklungen enthält, die nichtangrenzenden Ständerpolen zugehören, um Magnetpole entgegengesetzter Polarität zu bilden, wenn die Phase durch die Stromquelle erregt wird; und
einen zur Drehung relativ zum Ständer montierten Anker, umfassend eine Vielzahl ungleichmäßig beabstandeter Pole, sodaß zumindest zwei Paare angrenzender Pole des Ankers gleichzeitig radial mit zwei Paaren angrenzender Pole des Ständers ausgerichtet sind, um einen Pfad niedriger Reluktanz durch jedes der ausgerichteten Paare von Anker- und Ständerpolen und durch einen Abschnitt des Jochs zu schaffen, der die zwei Pole eines der Ständerpolpaare verbindet, sodaß die Erregung der zwei Phasen die Pole jedes Paars der Ständerpole magnetisiert, um entgegengesetzte Polarität und direkten Fluß durch den Abschnitt des Jochs, der die zwei angrenzenden Ständerpole verbindet, aufzuweisen, wodurch das zugehörige Polpaar des Ankers in radiale Ausrichtung mit dem Ständerpolpaar gebracht wird.
Bei der Verwendung müssen zwei Phasen immer erregt sein, um eine gesteuerte Drehung des Ankers zu bewirken. Die zwei erregten Phasen sind immer angrenzend zueinander. Die Wicklungen werden solcherart um die Pole des Ständers gewickelt, daß die Pole des Ständers als angrenzende Pole mit entgegengesetzten Polaritäten erregt werden, um einen magnetischen Kreis zwischen den Polen jedes Paars zu schaffen. Der primäre magnetische Kreis, der durch jedes Polpaar gebildet wird, verläuft durch den Gegeneisenbereich des Ständers, der die zwei angrenzenden Pole überbrückt, wodurch sichergestellt wird, daß der durch jeden Pol in eiriem Paar gebildete primäre magnetische Kreis zwischen den Polen des Paars verläuft, wodurch die Flußumkehr im Ständer unterbunden wird.
Ein SR-Motor mit der obigen Geometrie und dem Phasenerregungsschema bietet ein Ausgangsdrehmoment, das wesentlich größer als bei SR-Motoren herkömmlicher Konstruktion und gleicher Größe ist. Der Anker des Motors weist das Drehmoment eines Achtpolankers auf, während ein Taktwinkel eines Vierpolankers vorgesehen ist. Der Vierpoltaktwinkel ermöglicht es dem Motor, bei relativ hoher Umdrehungsgeschwindigkeit betrieben zu werden und trotzdem sein hohes Drehmoment beizubehalten. Außerdem gewährleistet das Erregungsschema mit zwei betriebenen Phasen, daß bei Versagen einer der Phasen ein Großteil des Drehmoments aufrechterhalten wird. Daher kommt es beim erfindungsgemäßen SR-Motor bei geringer U/min wahrscheinlich nicht zum Blockieren, wodurch sich der Motor äußerst gut für Anwendungen eignet, wo ein zuverlässiger Betrieb aus Sicherheitsgründen entscheidend ist.
Außerdem ist der erfindungsgemäße SR-Motor durch verbesserten Wirkungsgrad gegenüber herkömmlichen SR-Motoren gekennzeichnet. Durch eine entsprechende Energieversorgung des Motors, sodaß keine magnetischen Kreise entstehen, die ein Paar angrenzender Ständerpole verbinden, wird jeder Bereich des Gegeneisens des Ständers nur eine Phase lang dem Fluß ausgesetzt, d.h. kein Abschnitt des Ständergegeneisens trägt den Fluß von mehr als einem Polpaar. Somit ist die Schaltfrequenz des Flusses im Gegeneisen des Ständers gleich der Kommutierungsschaltfrequenz dividiert durch die Anzahl der Phasen. Im Gegensatz dazu entspricht die Schaltfrequenz des Flusses im Gegeneisen herkömmlicher SR- Motoren, bürstenloser Gleichstrommotoren und Wechselstrom-Induktionsmotoren der Kommutierungsschaltfrequenz.
Da die Wirbelstromverluste des Motors durch üie Flußschaltfrequenz im Ständergegeneisen stark beeinflußt werden, sorgt die Anordnung des magnetischen Kreises gemäß der vorliegenden Erfindung für eine deutliche Reduzierung dieser Wirbelstromverluste. Beim erfindungsgemäßen SR-Motor ist die Verlustfrequenz gleich der Kommutierungsfrequenz dividiert durch die Anzahl der Phasen. Bei den gleichen Erwärmungsverlusten wie beim herkömmlichen SR-Motor kann die Rotationsgeschwindigkeit des erfindungsgemäßen SR-Motors wesentlich höher sein.
Durch Vorsehen des ungleichmäßigen Abstands der Pole auf dem Anker kann das Erregungsschema gemäß der Erfindung den Anker mit Drehmoment versorgen und ermöglicht die bestimmte Steuerung der Richtung der Ankerdrehung. Um einen Weg geringer Reluktanz zwischen Ständer und Anker zu bilden, sind die Pole jedes Paars ungleichmäßig beabstandeter Pole um einen Winkel α&sub1; voneinander getrennt, der gleich dem Winkel der gleichmäßig beabstandeten Pole des Ständers ist. Eine solche Beziehung erlaubt es zwei Paaren ungleichmäßig beabstandeter Ankerpole, die diametral gegenüber voneinander positioniert sind, mit zwei Paaren angrenzender Ständerpole ausgerichtet zu sein, um einen Weg geringer Reluktanz für den Fluß zwischen den Polen jedes Paars mit zwei stromführenden Phasen zu schaffen. Um die Erzeugung von Drehmoment am Anker sicherzustellen, sind die benachbarten Pole angrenzender Ankerpolpaare durch einen Winkel α&sub2; voneinander getennt, der ungleich einem ganzzahligen Vielfachen des Winkels α&sub1; zwischen den Polen eines Ankerpolpaares ist.
Um das obige Erregungsschema zu verwirklichen, werden die gleichmäßig beabstandeten Ständerpole mit Wicklungen in herkömmlicher Weise gewickelt, sodaß jede Phase zumindest ein Paar an Wicklungen, das um diametral gegenüberliegende Ständerpole gewickelt ist, erregt. Bei der Energiezufuhr an den Anker werden jedoch angrenzende Ständerpole unterschiedlicher Phasen gleichzeitig erregt, um einen magnetischen Kreis zwischen den angrenzenden Polen zu schaffen, der ein Paar ähnlich beabstandeter Ankerpole (d.h. in einem Winkel α&sub2;) in eine Ausrichtung geringer Reluktanz zieht.
Es eignen sich verschiedene Erregungsschemata zum Betrieb eines erfindungsgemäßen SR-Motors. Unter Verwendung einer Mehrphasenquelle muß der SR-Motor so betrieben werden, daß durchwegs zwei Phasen aktiv sind. Der SR-Motor kann auch durch ein Hybridschema erregt werden, worin der Motor zu unterschiedlichen Zeitpunkten durch eine unterschiedliche Anzahl an Phasen angetrieben wird, z.B. durch zwei Phasen, dann drei Phasen für einen kleinen Winkel und dann zurück zu zwei Phasen. Ein solches Schema kann verwirklicht werden, indem sich die Betriebszeiten jeder Phase lediglich zumindest teilweise überschneiden, um entweder das durchschnittliche Ausgangsdrehmoment zu steigern oder die Drehmomentwelligkeit zu minimieren.
Zwei Phasen erregen ein oder mehrere Paare angrenzender Ständerpole, sodaß jedes Paar entgegengesetzte Pole umfaßt, die Paare angrenzender Ankerpole in Ausrichtung ziehen, wodurch ein Pfad geringer Reluktanz für den Fluß zwischen den Polspitzen des polarisierten Paars geschaffen wird. Wenn zu einem Zeitpunkt mehr als ein Paar angrenzender Ständerpole erregt sind, werden die relativen Positionen der Polaritäten der Pole in den Paaren vorzugsweise so gesteuert, daß die Schaffung "sekundärer" magnetischer Kreise verhindert wird, die zwei Paare von Ständerpolen mittels eines Flußpfads verbinden, der den primären magnetischen Kreis nicht erregter Paare von Ständerpolen kreuzt. Sekundäre magnetische Kreise sind ausführlicher in der obigen Patentschrift des Anmelders besprochen. Diese sekundären magnetischen Kreise steigern effektiv die Flußschaltfrequenz für jene Abschnitte des Ständergegeneisens, in denen die primären und sekundären Kreise einander überlappen. Zur Verhinderung des Auftretens solcher sekundärer magnetischer Kreise, die Paare an Ständerpolen miteinander verbinden, werden die relativen Polaritäten gleichzeitig polarisierter Paare vorzugsweise solcherart beibehalten, daß benachbarte Pole, die durch nicht erregte Polpaare getrennt sind, die gleiche Polarität aufweisen.
Je nach der Konfiguration des SR-Motors und dem ausgewählten Antriebsschema können zwei oder mehrere einpolige Antriebsschaltungen für die obige Polarisierungsbeziehung zwischen Ständerpaaren für bestimmte Phasen-, Ständer- und Ankerpolanordnungen zu sorgen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ABBILDUNGEN

Fig.1 ist eine schematische Querschnittsansicht einer herkömmlichen kommutierten Reluktanzmotorkonstruktion, die in einer Konfiguration mit zehn Ständerpolen und acht Ankerpolen sowie fünf Phasen dargestellt ist;
Fig.2 ist ein beispielhafter und idealisierter Graph, der eine zyklische Variation der Induktanz (L) bei vorgegebener Phase relativ zu einem mechanischen Winkel θ des Ankers zeigt;
Fig.3 ist ein beispielhafter Graph einer Stromwellenform für eine bestimmte Phase relativ zur Zeit (T) der mechanischen Drehung des Ankers, der zeigt, wie der Kommutierungsimpuls einer Phase der mechanischen Drehung des Motors voreilen muß, um einen kontinuierlichen Motorbetrieb sicherzustellen;
Fig.4A ist eine schematische Querschnittsansicht eines elektronisch kommutierten Fünfphasen-Reluktanzmotors der Erfindung, wobei die Wicklungen der Ständerpole gemäß der wichtigsten Ausführungsform gewickelt und vier Ankerpole mit den Polpaaren von Ständerphasen A und B ausgerichtet sind, wobei durchwegs zwei Phasen gleichzeitig in Betrieb sind;
Fig.4B ist eine schematische Querschnittsansicht eines Fünfphasen-SR-Motors der Erfindung, wobei der Anker im Vergleich zu Fig.4A gegen den Uhrzeigersinn gedreht wird, sodaß sich die anderen vier Ankerpole mit den Ständerpolpaaren der Phasen C und D ausrichten;
Fig.4C ist eine schematische Querschnittsansicht eines Fünfphasen-SR-Motors der Erfindung, wobei der Anker die Drehung gegen den Uhrzeigersinn fortsetzt, sodaß sich die ersten vier Ankerpoie mit den Ständerpolpaaren der Phasen E und A ausrichten;
Fig.4D ist eine schematische Querschnittsansicht eines Fünfphasen-SR-Motors der Erfindung, wobei sich die Ankerdrehung bis zur Position fortsetzt, wo sich die anderen vier Ankerpole mit den Ständerpol paaren der Phasen B und C ausrichten;
Fig.4E ist eine schematische Querschnittsansicht eines Fünfphasen-SR-Motors der Erfindung, wobei sich der Anker gegenüber Fig.4D gegen den Uhrzeigersinn dreht, sodaß die ursprünglichen vier Ankerpole mit den Ständerpolpaaren der Phasen D und E ausgerichtet sind;
Fig.5 ist ein schematisches Blockdiagramm einer beispielhaften Fünfphasen- Antriebsvorrichtung zum Erregen des erfindungsgemäßen kommutierten Reluktanzmotors, wobei immer zumindest zwei angrenzende Phasen für einen Antrieb einstellbarer Geschwindigkeit mit konstanter Spannung erregt werden;
Fig.6 ist ein schematisches Diagramm der Kommutierungsimpulse, die zur Erregung des erfindungsgemäßen Fünfphasen motors erforderlich sind, um die Zwei phasen-Erregung zu gewährleisten;
Fig.7A ist ein beispielhafter und idealisierter Graph der Drehmomentwellenformen über den Ankerwinkeln bei sehr geringen Geschwindigkeiten (z.B. ein bis zwei U/min) für herkömmliche Dreiphasen-SR-Motoren;
Fig.7B ist ein beispielhafter und idealisierter Graph der Drehmomentwellenformen über den Ankerwinkeln bei sehr geringen Geschwindigkeiten (z.B. ein bis zwei U/min) für herkömmliche Vierphasen-SR-Motoren;
Fig.7C ist ein beispielhafter und idealisierter Graph der Drehmomentwellenformen über den Ankerwinkeln bei sehr geringen Geschwindigkeiten (z.B. ein bis zwei U/min) für herkömmliche Fünfphasen-SR-Motoren;
Fig.8 ist ein beispielhafter und idealisierter Graph der Drehmomentwellenformen über den Ankerwinkeln bei sehr geringen Geschwindigkeiten (z.B. ein bis zwei U/min) für den erfindungsgemäßen Fünfphasen-SR-Motor mit zwei erregten Phasen, und
Fig.9 ist eine theoretische Schätzung der Magnetflußkonturen für ein Paar angrenzender Ständerpole eines erfindungsgemäßen Motors, die mit einem BEM-Solver zur Berechnung von Magnetlinien errechnet wurden.
Die vorliegende Erfindung wurde zwar unter Bezugnahme auf eine einzige Ausführungsform beschrieben, doch ist sie keinesfalls darauf beschränkt. Es ist im Gegenteil beabsichtigt, alle Alternativen, Modifizierungen und Äquivalente, die im Schutzbereich der Erfindung gemäß den beigelegten Patentansprüchen enthalten sind, zu berücksichtigen.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

Bezug nehmend auf die Abbildungen und zuerst auf Fig.1 ist ein typischer kommutierter Fünfphasen-Reluktanzmotor nach dem Stand der Technik durch einen Anker ohne Wicklungen, Dauermagneten oder einen Kommutator gekennzeichnet. Da der Anker keine Wicklungen oder Dauermagneten aufweist, besitzt er im Vergleich zu Wechselstrom- oder Dauermagnetmotoren eine geringe Trägheit, da in der Nähe des Außendurchmessers des Ankers kein Eisen- oder Magnetmaterial vorhanden ist. Ein Ständer, der durch Phasenwicklungen gekennzeichnet ist, die konzentriert oder gewickelt sind und mit sehr kurzen Endwicklungen um einen Pol herum angebracht sind, bietet einen deutlichen Vorteil gegenüber Wechselstrom-Induktionsmotor-Ständerwicklungen und den meisten bürstenlosen Gleichstrommötoren und Ankerwicklungen von Bürstengleichstrommotoren.
Ein Anker 1 dreht sich um eine Stahlwelle 2 und besteht aus übereinandergeschichteten Laminationen aus einer magnetisch durchlässigen Eisenlegierung. Wie aus Fig.1 ersichtlich, ist jede Ankerlamination geschnitten, um einige hervorstehende Pole zu bilden, die sich radial aus der Achse der Ankerdrehung erstrecken, und sind um die Peripherie des Ankers in Paaren symmetrisch beabstandeter Pole beabstandet.
Wie der Anker 1 besteht der Ständer 3 vorzugsweise aus übereinandergeschichteten Laminationen aus einer magnetisch durchlässigen Stahilegierung. Um die nachstehend erklärte Drehung des Ankers 1 zu bewirken, umfaßt der Ständer 3 einige hervorstehende Pole 4, deren Anzahl ungleich der Anzahl hervorstehender Pole 5 auf dem Anker 1 ist. Die Ständerpole 4 erstrecken sich von einem ringförmigen Joch 6 radial nach innen und sind am Umfang gleichmäßig um das Joch beabstandet.
Der kommutierte Reluktanz-Motor (SR-Motor) aus Fig.1 besitzt zehn Ständerpole 4 und acht Ankerpole 5. Wicklungen 7 eines Paars diametral gegenüberliegender Ständerpole 4 sind in Serie oder parallel miteinander verbunden, um eine Phase der Wicklung zu bilden. Im dargestellten Motor gibt es fünf Phasen, d.h. A, B, C, D und E. Es ist für Fachleute auf dem Gebiet von SR-Motoren offenkundig, daß unterschiedliche Kombinationen der Anzahl an Ständer- und Ankerpolen möglich sind. Wie dies auf dem Gebiet allgemein bekannt ist, wird der Drehmomenttaktwinkel θ pro Kommutierungszyklus für SR-Motoren durch die folgende Beziehung bestimmt:
θ = 360º / Nφ Nr,
worin θ in Grad angegeben wird, Nφ die Anzahl an Ständerwicklungsphasen ist und Nr die Anzahl an Ankerpolen ist. Beispielsweise führt der in Fig.1 dargestellte Fünfphasen-SR-Motor mit zehn Ständerpolen und acht Ankerpolen zu einem Nenhwinkel von 9º der Ankerdrehung für jede kommutierte Phase.
Zur Identifizierung der Pole 4 bzw. 5 wird nachstehend auf den Ständerpol und seine Wicklung Bezug genommen, z.B. sind in Fig.1 die Ständerpole von Phase A 9 (A¹) und (A²), worin A¹ und A² das Wicklungspaar für Phase A umfassen. Die Erregung von Wicklungen A¹ und A² von Phase A magnetisiert sowohl den Ständer 3 als auch den Anker 1. Wie aus der Figur ersichtlich, erzeugt die Erregung ein Drehmoment und bewirkt, daß der Anker 1 seine Pole 5 und 11 mit den erregten Ständerpolen 9 und ausrichtet. Die Polarität des Drehmoments hängt nicht von der Polarität des Stroms ab, da der Anker 1 immer an den Ständer 3 angezogen wird und sich zu einer Ausrichtung dreht, die einen Weg minimaler Reluktanz zwischen erregten Polen schafft. Daher erfordert der SR-Motor nur einpoligen Strom durch die Phasenwicklungen aus einem Paar Leistungsschaltern 12 und 13. Die aufeinanderfolgende Erregung der Phasenwicklungen A, B, C, D und E erzeugt eine Betriebsweise mit einer eingeschalteten Phase, die dazu führt, daß sich der Anker 1 dreht und seine Pole synchron mit den auf dem Ständer 3 erregten Polen 4 ausrichtet Ein Wellenpositionssensor 14 liefert Ankerpositionsinformationen an den Regler 15, der damit das Schalten der Ständerphasen zu geeigneten Ankerwinkeln einleitet.
Das Drehmoment im SR-Motor ist proportional zum Fluß, der durch die Anker- und Ständerpole 4 und 5 getragen wird, wenn sich ausgewählte von ihnen in einen Zustand der Ausrichtung drehen. Sowohl die Luftspalt- als auch die Polreluktanz nehmen gleichzeitig ab, wenn sich der Anker 1 in eine Position dreht, die rad al mit den erregten Ständerpolen 4 ausgerichtet ist. Zur Maximierung des Magnetflusses im Luftspalt 16 zwischen den ausgerichteten Ständer- und Ankerpolen sollte dieser Spalt so klein wie möglich gefertigt sein.
Bezüglich Phase A baut sich der elektrische Strom in den Wicklungen A¹ und A² unter der Erregung der Spannung aus einer Stromquelle V+ auf, wenn die Transistoren 12 und 13 des Antriebs 17 geschlossen sind. Wenn die Transistoren 12 und 13 geöffnet sind, wird Strom an die Dioden 18 und 19 übertragen, und die Wicklungen A¹ und A² erfahren eine Rückwärtsspannung, die ein Zusammenbrechen des Stroms bewirkt. Stromimpulse werden dadurch hintereinander an jede der Phasen A, B, C, D und E geleitet, und für den Betrieb des Motors bewirkt jeder Impuls, daß sich das näheste Paar an Ankerpolen in einen Zustand der Ausrichtung mit den stromführenden Ständerpolen bewegt.
Wie durch den Pfeil 2D angezeigt, schreitet der Anker in die entgegengesetzte Richtung zur Sequenz der Ständerpolerregungen fort, wie dies auf dem Gebiet allgemein bekannt ist. Man beachte jedoch daß die Vorstellung von "Schritten" der Ankerdrehung nur für das Verständnis der Drehung hilfreich ist. In der Praxis werden die Stromimpulse durch den Regler 17 solcherart als Reaktion auf den Ankerpositionssensor 14 gesteuert, daß sie bei bestimmten Winkeln 9 des Ankers auftreten. Die Kommutierung des Stroms wird so gesteuert, daß sie bei bestimmten Ankerwinkeln 9 auftritt, um einen reibungslosen Rotationsübergang eines Ankerpols zu ermöglichen, der einen anziehenden Ständerpol (z.B. Ankerpol 21 und Ständerpol 22) passiert, damit eine kontinuierliche Drehung ohne Rucken gewährleistet wird. Dies bedeutet im allgemeinen, daß die Energiezufuhr zu einer Phasenwicklung im wesentlichen unterbrochen ist, bevor sich die Ständer- und Ankerpole 21 und 22 ausrichten (je nach Drehgeschwindigkeit aufgrund elektrischer Zeitkonstanten).
Es folgt eine ausführlichere Besprechung der Motorenbetriebsweise. Das Motordrehmoment wird in einem SR-Motor erzeugt, wenn eine Phase in jener Zeitspanne erregt wird, während der sich die Induktanz der Phase an einem Minimum befindet (d.h. ein Ankerpol ist gegenüber dem nächsten Ständerpol symmetrisch unausgerichtet). Eine bestimme Phase unterliegt während der Rotation einer zyklischen Induktanzvariation. Ausgehend von der stark vereinfachenden Annahme, daß die Induktanz L unabhängig vom Strom ist, ist diese Variation in Fig.2 für jeden Ständerpol in einer Phase dargestellt. Ein erster Ankerpol richtet sich mit dem Ständerpol in einem Ankerwinkel von θ¹ aus. Bei fortgesetzter Ankerdrehung tritt die nächste Ausrichtung eines Ankerpols bei θ² ein. Wie aus der Figur ersichtlich, ist die Induktanz L am größten, wenn ein Ankerpol mit dem Ständerpol ausgerichtet ist. Im Anker mit acht Polen aus Fig.1 ist die Differenz θ² - θ¹ 22,5º. Der mechanische Winkel bzw. die Ankerdrehung zwischen Punkten geringer Induktanz wird nachstehend als "Taktwinkel" bezeichnet.
Zur kontinuierlichen Drehung des SR-Motors in Fig.1 ist in Fig. 3 der Zeitablauf eines typischen Erregerstromimulses, der an eine Wicklung angelegt wird, relativ zum Ankerwinkel θ dargestellt. Energie wird steuerbar während der Zeitspanne bis zum Kommutierungszeitpunkt T durch Öffnen und Schließen der Transistoren zugeführt. Um einen Motorbetrieb mit nicht mehr als der annehmbaren Welligkeit des Drehmoments sicherzustellen, tritt die Kommutierungszeit T&sub1;-T&sub2; zu einem Zeitpunkt vor dem Erreichen des mechanischen Winkels θ&sub1; ein; d.h. die Phasenwicklung wird kommutiert, bevor sich Ständer- und Ankerpole 4 und 5 ausrichten. Durch die Kommutierung während einer Zeit minimaler Induktanz L kann eine maximale Menge an Energie zum Motorantrieb und eine minimale Menge zur Felderzeugung umgewandelt werden. Anders ausgedrückt wird während der Erregung einer Phase durch einen Strom 1 ein Teil der Energie in mechanische Leistung umgewandelt, ein Teil wird im Magnetfeld gespeichert, und ein Teil geht im Kupfer oder Eisen verloren. Während der Zeit nach der Kommutierung führt die kontinuierliche Drehung des Ankers 1 teilweise die Energie an die Zufuhr zurück und wandelt sie teilweise in weitere mechanische Leistung und Verluste um.
Verluste treten in einem SR-Motor primär im Ständer 3 auf. Die Verluste im Ständer bestehen vorwiegend aus Ummagnetisierungs- und Wirbelstromverlusten Zur Verringerung der Wirbelstromverluste bestehen der Ständer 3 und der Anker 1 aus einer laminierten Eisenlegierung, wie dies weiter oben erwähnt ist. Die Wirbelstromverluste bleiben jedoch beträchtlich und hängen mit der Frequenz des zyklischen Anwachsens und Zusammenbrechens von Magnetfeldern im Ständer zusammen. In herkömmlichen SR-Motoren wie jenem in Fig.1 unterliegen alle Teile des Jochs 6 oder Gegeneisens einem Zyklus anwachsender und zusammenbrechender Magnetfelder im Ständer, wobei dieses Phänomen nachstehend als "Flußschaltfrequenz" bezeichnet wird. Im herkömmlichen Motor von Fig.1 entspricht die Flußschaltfrequenz im Gegeneisen des Ständers der Phasenschalttrequenz oder Kommutierungsfrequenz.
Was die Ummagnetisierungsverluste betrifft, werden sie durch die Flußumkehrfrequenz beeinflußt. Flußumkehr findet statt, wenn die Richtung des Flusses in überlappenden magnetischen Kreisen im Widerspruch steht. Dies kann bei verschiedenen Antriebsschemata eintreten. Typischerweise erfahren Ständerpole keine Flußumkehr. Teile 23 oder 24 des Gegeneisens oder Jochs 6 des Ständers 3 erfahren aber bei jedem Schalten der Phasen eine Flußumkehr. Jeder Ankerpol 5 kann bis zu einer Flußumkehr pro Umdrehung erfahren.
Aufgrund der Nichtlinearitäten, die durch den Betrieb des SR-Motors im gesättigten Zustand entstehen, ist das Verfahren zum Berechnen von Verlusten in einem SR-Motor komplex. Ein leichter und quantitativer Vergleich läßt sich jedoch zwischen herkömmlichen SR-Motoren und erfindungsgemäßen Motoren anstellen, da es bekannt ist, daß die Flußschaltfrequenz und die Frequenz der Flußumkehr im Joch 6 des Ständers 3 mit Wirbelströmen und Ummagnetisierungsverlusten im Motor, den zwei Hauptursachen für Eisenverluste in Motoren, in Zusammenhang stehen. Nachstehend werden diese zwei Frequenzen manchmal als "Eisenverlust"frequenzen bezeichnet.
Mit gegenüberliegenden Ständerpolen 9 und 10, die - wie aus Fig.1 ersichtlich - mit Phase A verbunden sind, werden die Wicklungen A¹ und A² entgegengesetzt um die Pole gewickelt, sodaß eine Polstirnfläche eine nördliche Polarität und die andere eine südliche Polarität aufweist. Mit dieser Konfiguration führt der Flußpfad - wie dies durch die durchgehenden Linien 24 und 25 angezeigt wird - durch den Anker 5 und um das Gegeneisen oder Joch 6 des Ständers 3. Bei Erregung der Ständerpole 22 und 4 (B¹ und B²) durch Phase B schaffen die zugehörigen Wicklungen ein Flußmuster, das der Entwicklung durch Wicklungen A¹ und A² von Phase A ähnelt, wie dies durch die anderen durchgehenden Linien 26 und 27 angezeigt wird. Hinsichtlich der Segmente 23 und 24 des Gegeneisens oder Jochs 6 sieht man, daß sich die Flußrichtung von Phase A nach B umkehrt. Ähnliche Flußumkehrphänomene treten in anderen Segmenten des Jochs 6 ein, wenn Phase B aus- und Phase C eingeschaltet wird. Ein drittes Paar an Segmenten des Gegeneisens oder Jochs erfährt eine Flußumkehr, wenn Phase C aus- und Phase D eingeschaltet wird. Die gleiche Abfolge wird für Phasen D und E wiederholt. Gemeinsam sind die Paare der Cegeneisensegmente für den gesamten Bereich des Jochs 6 während einer vollständigen Umdrehung verantwortlich. Die gleiche Art der Flußumkehr tritt während des "Betriebs mit zwei eingeschalteten Phasen" des in Fig. 1 dargestellten kommutierten Fünfphasen-Reluktanzmotors ein.
Da die Flußpfade für jede Phase um den gesamten Gegeneisenbereich des Jochs 6 verlaufen, wird jeder Abschnitt des Jochs 6 in fünf Flußwege eingegliedert - einen aus jeder Phase. Jeder Abschnitt des Gegeneisens erfährt somit eine Flußschaltungsfrequenz, die der Kommutierungsfrequenz des Motors gleich ist, die fünfmal so hoch ist wie die Kommutierungsfrequenz jeder Phase.
Bei einem Zehnpolständer mit einer in Fig.1 dargestellten Achtpolanker-Anordnung erfordert eine vollständige Umdrehung des Ankers vier Zyklen der Phasensequenz A, B, C, D und E. Bezüglich der Motor-U/min erfährt jedes Segment des Gegeneisens oder Jochs 6 40 Mal pro vollständiger Ankerumdrehung eine Flußänderung sowie 40 Mal eine Phasenumkehr. Bei einem Betrieb mit 3.600 U/min beträgt die Flußschaltfrequenz und die Frequenz der Flußumkehr im Ständer von Fig.1 jeweils 2,4 kHz Bei 36.000 U/min würde die Flußschaltfrequenz und die Flußumkehrfrequenz 24 kHz betragen. Wie bereits erwähnt, sind diese Frequenzen kennzeichnend für die Kernverluste im Ständer, die vor allem auf Wirbelstrom- bzw. Ummagnetisierungsverluste zurückzuführen sind. Gemäß einem wichtigen Aspekt der vorliegenden Erfindung sind ein Motorkonstruktions- und ein Erregungsschema bereitgestellt, die für eine wesentlich verbesserte Drehmomentleistung gegenüber herkömmlichen SR-Motoren gleicher Größe sowie für gesteigerten Wirkungsgrad sorgen. Ein gemäß der Erfindung konstruierter Fünfphasen-SR-Motor bewirkt eine beträchtliche Verringerung der Wirbelstrom- und Ummagnetisierungsverluste und erhöht dadurch den Motorwirkungsgrad im Vergleich zu herkömmlichen SR-Motoren und SR-Motoren gemäß der früheren Patentschrift des Anmelders (US-A-4.883.999), insbesondere bei höheren U/min (z.B. 2.000 U/min oder mehr). In dieser Hinsicht kann der erfindungsgemäße SR-Motor in einem weiten Geschwindigkeitsbereich für einen Betrieb mit hohem Wirkungsgrad sorgen, z.B. auch bei Ceschwindigkeiten von einigen wenigen hundert U/min bis zu 50.000 U/min oder mehr. Wie in der oben zitierten Patentschrift des Anmelders sind zur Minimierung der Flußschaltfrequenz und zur Eliminierung von Flußumkehr zumindest im Ständer des SR-Motors angrenzende Ständerpole so polarisiert, daß sie entgegengesetzte Polaritäten aufweisen. Im Gegensatz zur früheren Patentschrift des Anmelders gehören die zwei angrenzenden Pole jedoch nicht derselben Phase an. Zusätzlich zur Eliminierung der Flußumkehr minimiert das Erregen angrenzender Ständerpole die Pfadlänge des Jochs (6) des Ständers (3) im magnetischen Kreis. Durch Minimieren des Jochs im magnetischen Flußpfad werden Energieverluste aufgrund des Zusammenbruchs und des Aufbaus eines Magnetfelds im Joch oder Gegeneisen (d.h. die Schaltfrequenz) deutlich verringert, da diese Verluste direkt proportional zum eisentragenden Fluß sind.
Konkret wird der erfindungsgemäße SR-Motor solcherart erregt, daß das Überlappen von Magnetieldern im Gegeneisen des Ständers im Vergleich zu herkömmlichen kommutierten Reluktanzmotoren verhindert oder zumindest verringert wird. Durch Verhindern oder Verringern des Auftretens überlappender Magnetfelder im Gegeneisen werden die Schaltfrequenz und die Frequenz der Flußumkehr drastisch verringert, da kein Joch oder Gegeneisen unter den Phasen aufgeteilt wird. Aufgrund dieser Verringerung treten viel weniger Wirbelstromverluste auf als in einem herkömmlichen SR-Motor.
Um die Drehung des Ankers (1) mit einem Fluß zwischen angrenzenden Polpaaren sicherzustellen, sind die Ankerpole ungleichmäßig um den Anker beabstandet. Der ungleichmäßige Abstand ermöglicht darüberhinaus die Steuerung der Richtung der Ankerdrehung. Wie aus Fig.4A ersichtlich, sind der Winkel α&sub1; zwischen Paaren angrenzender Ankerpole, die nichtüberlappende magnetische Kreise bilden (d.h. der Zwischenpaarwinkel) und der Winkel α&sub2; zwischen angrenzenden Ankerpolen unterschiedlicher Paare (d.h. der paarinterne Winkel) unterschiedlich. Anders ausgedrückt wechselt der Winkel zwischen angrenzenden Ankerpolen zwischen dem ersten und zweiten Winkel α&sub1; und α&sub2;.
Um das Prinzip der Erfindung zu erklären, stellen Figuren 4A, 4B, 4C, 4D und 4E Beispiele des erfindungsgemäßen SR-Motors mit vier Paaren hervorstehender Ankerpole dar, die in einem Winkel α&sub2; voneinander beabstandet sind, der größer als bei den gleich beabstandeten Ständerpolen ist. Der erfindungsgemäße SR-Motor besitzt fünf Paare vorstehender Ständerpole, die alle jeweils um den Winkel α&sub1; gleich voneinander beabstandet und mit Wicklungen umwickelt sind, die mit dem in Fig.5 gezeigten Fünfphasen-Stromwechselrichter 71 verbunden sind, der an den richtigen Ankerpositionen Gleichstrom an jede Phase schaltet, um in beiden Rotationsrichtun gen ein kontinuierliches Drehmoment zu erzeugen.
Obwohl Figuren 4A bis 4E eine beispielhafte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen SR-Motors mit einem Paar Ständerpole für jede seiner fünf Phasen darstellen, sind auch andere Ausführungsformen möglich, die mehr als ein Paar Ständerpole pro Phase aufweisen. In allen Ausführungsformen der Erfindung gibt es zumindest ein Paar diametral entgegengesetzter Ständerpole pro Phase. Durch gleichzeitiges Erregen angrenzender Ständerpole, um die angrenzenden Pole mit entgegengesetzter Polarität zu versehen, dreht sich der Anker mit seinen ungleichmäßig beabstandeten Polen mit einem hohen charakteristischen Drehmoment.
Der Anmelder stellte fest, daß Drehmomentwerte für einen erfindungsgemäß konstruierten SR-Motor möglich sind, die viel höher als bei herkömmlichen SR-Motoren sind, die durch ein Zweiphasen-Erregungsschema betrieben werden, und der Motor außerdem deutlich geringere Schalt- und Eisenverlustfrequenzen aufweist. Daher erzielt der erfindungsgemäße SR-Motor ein hohes Drehmoment bei einem Wirkungsgrad, der durch herkömmliche SR-Motoren nicht erreichbar ist. Der erfindungsgemäße SR-Motor hält selbst bei Defekt einer Phase ein positives Drehmoment aufrecht, da die übrige Phase diametral entgegengesetzte Pole umfaßt, die einen herkömmlichen Flußpfad bilden.
Der erfindungsgemäße SR-Motor weist selbst im Vergleich zu einem Motor gemäß der obigen früheren Patentschrift des Anmelders eine verringerte Schalt- und Eisenverlustfrequenz auf. Aufgrund des ungleichmäßigen Abstands der Ankerpole dreht sich der Anker wie ein herkömmlicher Anker, dessen Polanzah der Anzahl an Polpaaren im erfindungsgemäßen Anker entspricht. Beispielsweise kann ein Anker des erfindungsgemäßen SR-Motors acht Ankerpole aufweisen (siehe Figuren 4A-4E). Die acht Ankerpole umfassen vier Paare. Der Anker dreht sich, als ob er ein herkömmlicher Vierpolanker wäre, doch der Motor besitzt die Drehmomenteigenschaften eines herkömmlichen Motors mit einem Achtpolanker.
Die in Figuren 4A-4E dargestellte Ausführungsform der Erfindung benützt vier Pole eines Achtpolankers, um Drehmoment in jedem Drehintervall zu erzeugen, doch die resultierenden Paare von zwei Polen weisen einen Taktwinkel auf, der zweimal so groß wie der Taktwinkel des herkömmlichen SR-Motors mit zehn Ständerpolen und acht Ankerpolen (siehe Fig. 1) ist. Die Kommutierungsfrequenz und Eisenverlustfrequenzen des herkömmlichen SR-Motors in Fig.1 betragen 24 kHz bei 36.000 U/min. Beim in Figuren 4A-4E dargestellten SR-Motor ist die Anzahl an Taktwinkeln pro Umdrehung des Ankers 20 - im Gegensatz zu 40 beim herkömmlichen SR-Motor aus Fig.1. Die resultierende Kommutierungsfrequenz bei 36.000 U/min mit nur 20 Takten pro Umdrehung beträgt 12 kHz Zusätzlich dazu wird jeder Abschnitt des Ständerjochs zwischen jeder angrenzenden Phase nur einmal in fünf Takten verwendet; dies bedeutet, daß bei 36.000 U/min die Schaltfrequenz im Joch oder Gegeneisen des Ständers 2,4 kHz beträgt bzw. die gleiche Frequenz wie beim herkömmlichen SR-Motor bei 3.600 U/min ist (d.h. verringert um einen Faktor 10).
Die geringeren Verluste um einen Faktor 10 sind bei allen Geschwindigkeiten von Vorteil, doch bei geringeren Geschwindigkeiten ist das höhere Drehmoment aufgrund des Zweiphasenbetriebs günstig. Der dargestellte SR-Motor besitzt einen Taktwinkel von 18º (genau der gleiche wie bei einem herkömmlichen Fünfphasen-SR-Motor mit zehn Ständerpolen und vier Ankerpolen) und erzeugt etwa das doppelte Spitzendrehmoment, da zwei Phasen für vier erregte Pole - und nicht eine einzige Phase für zwei erregte Pole - in Betrieb stehen.
Der Vorgang der Ankerdrehung gegen den Uhrzeigersinn kann durch Ein- und Ausschalten der Phasenpaare erklärt werden. Beispielsweise zeigt Fig.4A, daß Phasen A und B erregt und die Ankerpole 28, 29 und 30, 31 mit den Ständerpolen 32, 33 bzw. 34, 35 innerhalb der Phase A- und B-Wicklungen zweier Spulen (A¹ und A² sowie B¹ und B²) pro Phase ausgerichtet sind. Die Wicklungen sind in einer Richtung gespult, sodaß die Polarität der Ständerpole in den Luftspalten am Innendurchmesser entlang des Umfangs zwischen nördlicher und südlicher Magnetisierung wechselt. Wenn z.B. in Fig.4A Phasen A und B auf die Gleichstromquelle geschaltet sind und Strom durch die Wicklungen A¹-A² und B¹-B² fließt, fließt der Magnetfluß 36 von den Polen der Phase B zu den Polen der Phase A aufgrund ihrer magnetischen Polarität in der dargestellten Richtung. Die resultierenden zwei Flußpfade zwischen den Polen von Phasen A und B entstehen durch Spulen A¹ nach B¹ und A² nach B² aufgrund ihrer nördlichen/südlichen Polarität. Es gibt keine sekundären Flußpfade von Spulen A¹ nach A² oder B¹ nach B² durch den Anker hindurch, so wie dies bei herkömmlichen SR-Motoren der Fall ist.
Wenn sich die ersten zwei Paare an Ankerpolen 28, 29 und 30, 31 mit den vier erregten Ständerpolen 32, 33, 34 und 35 der Phasen A und B fast ausgerichtet haben, werden die Leistungstransistoren im Wechseirichter 71 (Fig.5) geöffnet und die Leistungstransistoren, die mit Phasen C und D verbunden sind, geschlossen. Fig.4B zeigt den Fluß 37, der im Anker 38 und Ständer 39 vorhanden ist, wobei die anderen zwei Ankerpolpaare 40, 41 und 42, 43 mit den vier Ständerpolen 44, 45 und 46, 47 mit darum gewickelten Spulen C¹, D¹ und C², D² aus gerichtet sind. Die gleichartigen sehr kurzen Flußpfade 37 und 48 werden wie bei der Erregung der in Fig.4A dargestellten Phasen A und B erzeugt.
Der Pfeil der Drehung 49 und 50 (auf dem Anker ersichtlich) zeigt die Drehung des Ankers gegen den Uhrzeigersinn an, wenn Drehmoment zwischen Fig.4A und Fig.4B erzeugt wurde. Im Fall der dargestellten Ausführungsform mit zehn Ständerpolen und acht Ankerpolen ist die Rotationsrichtung des Ankers entgegengesetzt zur elektrischen Rotationsrichtung des Ständers. Der Anker dreht sich gegen den Uhrzeigersinn, wenn die Phasenpaarwicklungen im Uhrzeigersinn kommutiert werden (dargestellt durch die Erregungssequenz in Figuren 4A-4E). Die dargestellte Sequenz dreht den Anker um 72c. Fünf Wiederholungen der Sequenz drehen den Anker um volle 360º. Daher sind 20 Takte pro mechanischer Umdrehung erforderlich, wobei jeder Takt die Änderung in der Ankerposition von einer der Figuren 4A-4E zur nächsten ist. Eine vollständige Zweiphasen-Kommutierungssequenz zum Drehen des Ankers um volle 360º ist in Fig.6 dargestellt, die die 20 Kommutierungstakte der fünf Phasen A-E zeigt, wobei jeder davon vier wiederholende Zyklen 52 umfaßt, wobei jede Phase zweimal pro Zyklus insgesamt achtmal pro Umdrehung in Betrieb steht und dreimal pro Zyklus insgesamt zwölfmal pro Umdrehung nicht in Betrieb steht.
Die Schaltfrequenz des Jochs entspricht der Kommutierungsfrequenz be einer bestimmten U/min dividiert durch die Anzahl an Phasen (d.h. der magnetische Kreis in einem beliebigen Teil des Jochs wechselt viermal pro Umdrehung und nicht 20 Mal pro Umdrehung). Die Schaltfrequenz derständerpole basiert auf achtmal pro Umdrehung, da zwei Phasen pro Takt in Betrieb stehen müssen.
Weiterhin Bezug nehmend auf Figuren 4A-4E kann die Flußeinschließung durch den Anker 38 mit einem herkömmlichen Fünfphasen-SR-Motor aus Fig.1 verglichen werden, aus der ersichtlich ist, daß der Fluß von einer Ständerspule A¹ einer Phase durch den gesamten Durchmesser des Ankers zur diametral gegenüberliegenden Ständerspule A² derselben Phase führt. Bei Phasenkommutierung erfährt das Ankerjoch in seinem Zusammenbrechen und Anwachsen eine Flußteilung sowie eine vollständige Flußumkehr (in gleicher Weise wie das Ständerjoch). Der Fünfphasen-SR-Motor in Figuren 4A-4E zeigt deutlich die exklusiven und kurzen Flußwege 36, 37, 48 und 53 sowohl im Anker 38 als auch im Ständer 39.
Fig.5 zeigt ein Blockdiagramm eines typischen Antriebsnetzes zum Antrieb und Steuern eines erfindungsgemäßen Fünfphasen-SR-Motors 72. Das Antriebsnetz weist eine herkömmliche Konstruktion auf und enthält einen Ankerpositionssensor 73, der Impulse an den Winkelregler 75 und Kommutator 77 leitet, die die Transistoren im Leistungswechselrichter 71 für jedes Phasenpaar in der Sequenz mit zwei eingeschalteten Phasen von A-B, C-D, E-A, B-C und D-E ein- und ausschalten. Die U/Min bzw. Geschwindigkeit des Motors 72 wird durch die Geschwindigkeitsrückkopplung gesteuert, die durch die Rate der Kommutierungsimpulse aus dem Ankerpositionssensor 73 bestimmt wird, die mit einem Eingangs- oder Befehlswert für die Motorgeschwindigkeit bei einem Summierungseingang 79 verglichen wird. Aus dem Summierungseingang 79 wird eine Spannung Vº am Funktionsblock 81 entwickelt, die den Arbeitszyklus eines pulsbreitenmodulierten Reglers 83 steuert. Die Spannung an den Stromwechselrichter 71 wird mittels dieser herkömmlichen Pulsbreitenmodulation-(PBM) Steuerschaltung 83 justiert, um eine eingestellte Geschwindigkeit bzw. U/miν des Motors 72 aufrechtzuerhalten.
Figuren 7A, 7B und 7C zeigen jeweils eine Annäherung des Drehmoments, das als Funktion des Ankerpositionswinkels für herkömmliche Drei-, Vier- und Fünfphasen-SR- Motoren erzeugt wird, wobei immer nur eine Phase erregt wird. Fig.7A zeigt deutlich, daß wenn Phase B unterbrochen oder kurzgeschlossen ist, ein großer Ankerpositionswinkel (angezeigt durch den schraffierten Bereich 85) festzustellen ist, n dem null Drehmoment erzeugt wird. Wenn die Maschine im Ruhezustand ist und eingeschaltet wird, versucht sich der Motor höchstwahrscheinlich zu drehen, kann aber nicht genügend Drehmoment erzeugen, um die Last zu starten, wenn Phase A oder C erregt sind. Wenn Phase B erregt ist, kommt es zu keiner Bewegung.
In Fig.7B jedoch zeigt der schraffierte Bereich 87 an, daß mit um 90º getrennten Phasen (im Gegensatz zu 120º auf den drei Phasen) nur eine Ankerposition pro elektrischem Zyklus vorhanden ist, an der null Drehmoment eintritt, wenn eine Phase versagt. Wenn ein Phasenversagen während der Drehung eintritt, ist die erzeugte verringerte Leistung höher als jene, die während der Rotation einer Dreiphasenmaschine erzeugt wird (75% gegenüber 67%)
Fig.7C zeigt die Drehmomentkurven pro Ankerposition des Fünfphasen-SR-Motors aus Fig.1. In diesem Fall sind die Phasen um 72º verschoben, was zur größten Überlappung von Drehmoment pro Phase der drei in Figuren 7A-7C gezeigten Typen von SR-Motoren führt. Beim Fünfphasen-SR-Motor gibt es keine Ankerpositionen, an denen vier der fünf Phasen kein kontinuierliches positives Drehmoment erzeugen, um die Drehung fortzusetzen. Wie durch den schraffierten Bereich 89 angezeigt, ist der Verlust der Ausgangsleistung (80%) mit einer kurzgeschlossenen oder offenen Phase daher der geringste der drei Phasenoptionen. Ein weiterer Vorteil des Fünfphasen-SR-Motors im Vergleich zu Dreiphasen- und Vierphasenmotoren ist eine viei geringere Drehmomentwelligkeit R&sub1;, die auf die große Überlappung des Drehmoments pro Phase zurückzuführen ist. Verschiedene Kombinationen an Kommutierungsanordnungen können dazu dienen, eine größere Drehmomentleistung mit jeweils ein, zwei und selbst drei in Betrieb stehenden Phasen zu erzeugen.
Fig.8 ist eine beispielhafte und idealisierte Darstellung des durch den Motor der Figuren 4A-4E erzeugten Drehmoments. Im Vergleich zum Drehmoment, das durch den herkömmlichen Fünfphasen-SR-Motor erzeugt wird, weist das durch den Motor der Figuren 4A-4E erzeugte Drehmoment wesentlich weniger Welligkeit R&sub2; auf, was eine direkte Folge seines Zweiphasenbetriebs und seiner Laminationsgeometrie ist. Der Zwei phasen betrieb bietet eine Reihe überlappender Drehmomentwel lenformen, die im wesentlichen trapezförmiger als die Wel lenformen des herkömmlichen Fünfphasen-SR- Motors aus Fig.7C sind, die sinusförmiger sind. Außerdem behält der Motor der Figuren 4A-4E ein relativ starkes momentanes Drehmoment bei, selbst wenn eine Phase als offener oder kurzgeschlossener Kreis versagt, da die andere Phase weiterhin in Betrieb steht. Eine solche Eigenschaft ist besonders für jene Anwendungen ideal, die eine zuverlässige Drehmomentzufuhr erfordern, um ein mögliches Blockieren des Motors -insbesondere bei niedriger U/min - zu verhindern. Das durch den SR-Motor in Figuren 4A-4E erzielte Drehmoment ist etwa zweimal so groß wie jenes eines herkömmlichen SR-Motors gleicher Größe mit zehn Ständerpolen und vier Ankerpolen. Natüruch ist jedoch die für den SR-Motor der Figuren 4A-4E erforderliche Eingangsleistung etwa zweimal so hoch wie beim herkömmlichen SR-Motor.
Fig.9 ist eine theoretische computergezeichnete Flußkontur für die Kurve des erfindungsgemäßen Motors, die mittels eines Lösungsansatzes nach der Randelementmethode (BEM-Solver) für magnetische Berechnungen bei einer bestimmten Anker 54/Ständer 55-Position der Polausrichtung errechnet wird. (Der verwendete BEM-Solver trägt den Namen MAGNETO und ist bei Integrated Engineering Software aus Winnipeg, Manitoba, Kanada erhältlich.) Der Flußpfad 56 zwischen den Polen 57, 58, 59 und 60 sowie Spulen 61 und 62 von Phase A und B ist so kurz, daß der gesamte Querschnitt des Fünfphasen-SR-Motors nicht so gestaltet sein muß wie beim herkömmlichen SR-Motor, dessen Fluß vollständig dürch das magnetische Eisen von einer Seite zur anderen führt (siehe Fig.1).
Es wurde nur eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen SR-Motors hierin dargestellt. Aus der dargestellten Ausführungsform ergibt sich, daß andere Variationen für Fachleute auf dem Gebiet offenkundig sind, z.B. andere Polanordnungen mit unterschiedlicher Phasenanzah (z.B. 15 Ständerpole und 12 Ankerpole, drei Polpaare pro Phase), umgedrehte Versionen (d.h. Wicklungen auf inneren Ständerelementen mit Außenankern) und lineare SR-Motorkonfigurationen. Das wichtige Prinzip aller verschiedenen Ausführungen liegt darin, daß zwei angrenzende Phasen gleichzeitig mit entgegengesetzter Polarität erregt werden müssen, um angrenzende Polpaare im Ständer zu bilden, sodaß sich die Polpaare auf dem Anker ausrichten. Die Ständerpole sind gleich beabstandet, doch die Ankerpolpaare sind in einem Winkel ungleich beabstandet, der den Ständerpolen entspricht. Der Anker enthält immer weniger Pole als der Ständer, damit der Winkel α&sub2; zwischen angrenzenden Polen unterschiedlicher Ankerpolpaare größer als der Winkel α&sub2; ist, der angrenzende Ständerpole trennt. Die auf den beschriebenen Polanordnungen basierende Erfindung gewährleistet exklusive Eisenpfade für den Magnetfluß aus jeder Phase, was Kernverluste solcher SR-Motoren deutlich verringert. Außerdem werden durch die richtige relative Zuordnung von Polaritäten keine sekundären magnetischen Kreise zwischen den diametral entgegengesetzten Polen einer Phase erzeugt. Die Erzeugung solcher "sekundärer" magnetischer Kreise (ausführlich in der obigen früheren Patentschrift des Anmelders beschrieben) würden eine Aufteilung bzw. eine Grenzfläche mit dem anwachsenden Fluß in anderen primären magnetischen Kreisen bilden, was zu Kernverlusten beiträgt.

Claims

1. Kommutierter Reluktanzmotor (72), der durch eine Mehrphasenquelle (71, 73-83) angetrieben wird, umfassend in Kombination:

einen Ständer (3) mit einem Joch (6) und einer Vielzahl vorstehender Pole (32, 33, 34, 35), die solcherart gleichmäßig um das Joch (6) verteilt sind, daß jeder Pol (32) um einen Winkel α&sub1; von einem angrenzenden Pol (34) beabstandet ist;

einen Anker bzw. Rotor (1) mit einer Vielzahl ungleichmäßig verteilter Pole (28, 29, 30, 31), sodaß der Abstand zwischen angrenzenden Polen zwischen Winkeln α&sub1; und α&sub2; wechselt;

Wicklungen (A¹, A², B¹, B²,...) für jede Phase (A, B, C, D, E) des Motors, die um Ständerpole (32-35) gewickelt sind, die am Umfang durch zumindest eine Wicklung und einen zugehörigen Ständerpol einer unterschiedlichen Phase getrennt sind; und

zumindest zwei magnetische Kreise (36), die sich zwischen einem Paar angrenzender Ständerpole und einem Paar angrenzender Ankerpole als Reaktion auf die Mehrphasenquelle gebildet werden, sodaß jeder magnetische Kreis einen Abschnitt des Jochs (6) enthält, der das Paar angrenzender Ständerpole (32, 34) überbrückt.

2. Motor nach Anspruch 1, worin die Mehrphasenquelle (71, 73-83) eine Fünfphasenquelle und die Anzahl an Ständerpolen (32, 33, 34, 35) und Ankerpolen (28, 29, 30, 31) zehn bzw. acht ist.

3. Kommutierter Reluktanzmotor (72), der auf eine Stromquelle (71, 73-83) anspricht und in Kombination folgendes umfaßt:

einen Ständer (3) mit einem Joch (6) und einer Vielzahl an Polen (32, 33, 34, 35), die gleichmäßig um das Joch (6) verteilt sind;

eine Vielzahl an Wicklungen (A¹, A², B¹, B²,...), die um die Pole (32, 33, 34, 35) gewickelt sind, sodaß eine Wicklung um jeden Pol (A², 32; B², 34,...) gewickelt ist;

eine Vielzahl an Phasen (A, B, C, D, E), die durch die Wicklungen (A¹, A², B¹, B²,...) gebildet werden, sodaß jede Phase (A) zumindest zwei Wicklungen (A¹, A²) aufweist, die mit nichtangrenzenden Ständerpolen verbunden sind, um Magnetpole entgegengesetzter Polarität zu bilden, wenn die Phase durch die Stromquelle erregt wird; und

einen Anker (1), der zur Drehung relativ zum Ständer (3) gelagert ist und eine Vielzahl ungleichmäßig beabstandeter Pole (28, 29, 30, 31) aufweist, sodaß sich zumindest zwei Paare (28, 30; 29, 31) angrenzender Pole des Ankers gleichzeitig radial mit zwei Paaren (32, 34; 33, 35) angrenzender Pole des Ständers ausrichten, um einen Weg niedriger Reluktanz durch jedes der ausgerichteten Paare an Anker- und Ständerpolen und durch einen Abschnitt des Jochs (6) zu schaffen, der die zwei Pole eines der Ständerpolpaare verbindet, sodaß die Erregung der zwei Phasen die Pole jedes Paars an Ständerpolen magnetisiert, um für entgegengesetzte Polarität und einen direkten Fluß durch den Abschnitt des Jochs, der die zwei angrenzenden Ständerpole verbindet, zu sorgen, wodurch das zugehörige Polpaar des Ankers in radiale Ausrichtung mit dem Ständerpol paar gezogen wird.

4. Motor nach Anspruch 3, worin die Anzahl an Phasen (A, B, C, D, E) fünf ist und die Wicklungen (A¹, A², B¹, B²,...) solcherart um die Ständerpole gewickelt sind, daß, wenn er erregt wird, jeder Pol des Ständers eine magnetische Polarität aufweist, die jener eines erregten angrenzenden Pols des Ständers entgegengesetzt ist.

5. Motor nach Anspruch 4, worin die Anzahl an Ständerpolen (32, 33, 34, 35) zehn und die Anzahl an Ankerpolen (28, 29, 30, 31) acht ist.

6. Motor nach Anspruch 3, worin die Pole jedes Paars (28, 30; 29, 31) an Ankerpolen um einen Winkel α&sub1; voneinander getrennt sind, während angrenzende Pole unterschiedlicher Ankerpolpaare um einen Winkel α&sub2; voneinander getrennt sind.