DE19534727A1 - Geschalteter Reluktanzmotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen geschalteten Reluktanz­ motor, insbesondere als Antriebsmotor in elektrisch angetriebenen Kraft, Waschmaschinen, Rasen­ mähern und in ähnlich elektrisch anzutreibenden Maschinen der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.

Es werden auch bereits geschaltete Reluktanzmotoren für Positionierungsantriebe in Kraftfahrzeugen, insbeson­ dere in Gebläsen von Kraftfahrzeugen, eingesetzt, da diese sich ebenfalls durch einen einfachen und robusten Aufbau auszeichnen und außerdem preiswert und wartungs­ frei sind. Diese geschalteten Reluktanzmotoren haben üblicherweise mehrere Pole sowohl auf dem Ständer als auch auf dem Läufer, d. h. es handelt sich um Doppelschenkelpolmaschinen. Hierbei ist eine konzen­ trierte Wicklung auf jeden Ständerpol vorgesehen, aber es gibt keine Magnete oder Wicklungen auf dem Läufer. Jedes Paar mit diametral entgegengesetzten Ständer­ polwicklungen ist in Reihe oder parallel geschaltet, um eine unabhängige Maschinenphasenwicklung der mehrpha­ sigen SR-Maschine zu bilden. Ein Motordrehmoment wird gebildet, indem der Strom in jeder Motorphasenwicklung in einer bestimmten 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 einander nähern. Der Strom wird in jeder Motorphase ab­ geschaltet, bevor die Läuferpole, die den Ständerpolen dieser Phase am nächsten sind, sich an der ausge­ richteten Position vorbeidrehen. Das erzeugte Drehmo­ ment ist von der Richtung des Stromes unabhängig, so daß Stromimpulse in einer Richtung, die mit der Rotorbewegung synchronisiert sind, an die Ständer­ polwicklungen durch einen Wechselrichter angelegt werden können, in welchem den Strom in einer Richtung schaltende Elemente wie Transistoren und Thyristoren benutzt werden.

Geschaltete Reluktanzmotoren werden in elektrischen Antrieben mit einem großen Drehzahlbereich eingesetzt, wobei in Kraftfahrzeugantrieben Drehzahlen von 0 bis 9000 U/min und in Waschmaschinen Drehzahlen von 0 bis 15000 U/min benötigt werden. Für diese Verwendungs­ zwecke ergeben feste Zündwinkel nicht immer ein ausreichendes Maschinendrehmoment über den verlangten großen Drehzahlbereich. Außerdem sind hohe Ströme im unteren Drehzahlbereich vorhanden, welche zu hohen Verlusten im Motor und im Konverter und damit zu schlechten Wirkungsgeraden führen. Auch erfordern die hohen Ströme entsprechende Leistungsschalter im Kon­ verter.

Die obigen Nachteile werden durch den in der DE 43 30 386 beschriebenen Reduktanzmotor dadurch vermieden, daß jede Phasenwicklung eine angenähert in ihrer Mitte liegende Anzapfung aufweist, die einerseits über einen Freilauf-Halbleiterschalter mit dem einen Pol der Gleichspannungsquelle und andererseits über einen Schalttransistor mit dem anderen Pol der Gleichspan­ nungsquelle verbunden und in Abhängigkeit von einer bestimmten Drehzahl schaltbar ist. Hierdurch kann der hinter der Anzapfung liegende Wicklungsteil von der Gleichspannungsquelle getrennt werden. Hierdurch werden die Leistungsreserven bei niedriger Batteriespannung genutzt, wobei die Induktivität der Spule halbiert wird. Damit kann die Spule einen höheren Strom führen. Diese Anzapfung bedeutet aber einen zusätzlichen Aufwand in dem Motor und in der Elektronik.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen geschal­ teten Reluktanzmotor zu schaffen, der ausreichende Drehmomente in einem großen Drehzahlbereich bei einem guten Wirkungsgrad erzeugt und die Leistungsreserven bei niedriger Batteriespannung nutzt. Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Der erfindungsgemäße Reluktanzmotor nutzt die Leis­ tungsreserven im oberen Drehzahlbereich des Motors einfach durch Verdopplung der Spannung. Hierdurch wird die gleiche Wirkung erzielt wie bei einer Halbierung der Induktivität.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungs­ gegenstandes sind den weiteren Unteransprüchen zu entnehmen. Die Erfindung wird anhand von Ausführungs­ beispielen im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 einen vereinfachten Querschnitt durch einen geschalteten Reluktanzmotor,

Fig. 2 eine Schaltungsanordnung eines Wechselrich­ ters,

Fig. 3 den Drehmomentenverlauf in Abhängigkeit von der Drehzahl beim Stand der Technik,

Fig. 4 den Spannungs- und Stromverlauf mit und ohne Spannungshochsatzsteller,

Fig. 5 den Drehmomentenverlauf mit Spannungshoch­ satzsteller und

Fig. 6 die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung für den SR-Motor.

Die Fig. 1 betrifft eine Schnittgestaltung eines üblichen Reluktanzmotors, insbesondere eines geschal­ teten Reluktanzmotors 1 als Antriebsmotor in elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen, Waschmaschinen, Rasen­ mähern und in ahnlich elektrisch anzutreibenden Maschinen, wobei das aus lamellierten Blechteilen bestehende Statorjoch 3 eines Stators 4 ringförmig ausgebildet ist. Dieses Statorjoch 3 weist z. B. sechs ausgeprägte Statorpole 5/6, 7/8, 9/10 auf, von denen je zwei diametral entgegengesetzt angeordnet sind. In dem Statorjoch 3 ist in bekannter Weise ein aus lamel­ lierten Blechen bestehender Rotor 11 mit ausgeprägten lamellierten Rotorpolen 13, 14, 15, 16 drehbar gelagert.

Weiterhin sind Magnetfeld erregende Spulen bzw. Erre­ gerwicklungen 17, 18, 19, 20, 21, 22 auf den Statorpolen 5, 6, 7, 8, 9, 10 aufgewickelt, wobei je zwei sich gegenüberliegende Wicklungen 17/18, 19/20, 21/22 jeweils mit einer Gleichspannungsquelle 23 verbunden sind. Hierbei werden die einzelnen Wicklungs­ paare 17/18, 19/20, 21/22 zur Erzeugung von den Rotor 11 durchdringenden, veränderbaren Magnetfeldern in Syn­ chronisierung mit den Rotorpositionen über eine Ansteuerschaltung sequentiell ein- und ausgeschaltet.

In der Fig. 2 ist eine aus dem Stand der Technik bekannte Schaltungsanordnung eines Wechselrichters 25 mit den drei Phasenzweigen für den SR-Motor 1 dargestellt. Jeder Wechselrichterphasenzweig entspricht einer gesonderten Motorphase und umfaßt zwei Halbleiterschalter 27/29, 31/33 und 35/37 und zwei Freilaufdioden 39/41, 43/45 und 47/49. Diese an die entsprechenden Statorwicklungen 17/18, 19/20, 21/22 angeschlossenen Freilaufdioden 39/41, 43/45, 47/49 lassen die induktiven Wicklungsströme im Kreis fließen.

Die drei Wechselrichterphasenzweige sind parallel geschaltet und werden durch die Gleichstromquelle 23, welche aus einer Batterie besteht, gespeist, die an den parallelen Wechselrichterphasenzweigen eine Gleich­ spannung einprägt. Eine Kapazität ist als Filterkondensator 51 ausgebildet.

Die Figur zeigt eine Drehmomenten-Kennlinie eines SR- Motors mit einem Schaltkreis nach Fig. 2, wobei im unteren Drehzahlbereich der Strom und somit der maximale Drehmoment begrenzt wird, um den Motor und die Leistungsstufe nicht zu überlasten. Diese Kennlinie entspricht der einer klassischen Reihenschlußmaschine. Im oberen Drehzahlbereich fällt das Drehmoment entsprechend einer umgekehrten e-Funktion ab. Der Grund hierfür liegt in der Induktivität des Motors, die den maximalen Strom in den Spulen begrenzt. Da der Motor thermisch in erster Linie für den unteren Drehzahlbereich dimensioniert ist, liegen im oberen Drehzahlbereich noch Leistungsreserven. Hier setzt nun die Erfindung ein. Zu diesem Zweck wird die Schaltungsanordnung nach Fig. 2 dadurch verbessert, daß zwischen der Gleichspannungsquelle 23 und der den Wechselrichter 25 aufweisenden Leistungseinheit 53 zur Steuerung des SR-Motors 1 ein Spannungshochsatzsteller 55 angeordnet ist, durch welchen die Spannung bei Bedarf im oberen Drehzahlbereich vergrößerbar, z. B. verdoppelbar, ist. Zusätzlich kann dieser Spannungs­ hochsatzsteller 55 auch zum schnellen Stromaufbau im unteren Drehzahlbereich dienen. Die Leistungskennlinie des SR-Motors 1 mit einer Elektronik mit dem Span­ nungshochsatzsteller 55 ist in der Fig. 5 gezeigt. Die Fig. 4 stellt die Stromverläufe mit und ohne den Einsatz des Spannungshochsetzstellers 55 dar.

Der Spannungshochsetzsteller 55 besteht aus einem Schalttransistor 57, einem Kondensator 59, einer Induktionsspule 61 und einer Sperrdiode 63. Hierbei sind der Schalttransistor 57 und der Kondensator 53 parallel zueinander geschaltet und über Anschlußpunkte 65, 67 mit der Leitung 73 zu der positiven Klemme 75 und über Anschlußpunkte 69, 71 mit der Leitung 77 zu der negativen Klemme 79 der Gleichspannungsquelle 23 verbunden. Die Sperdiode 63 ist zwischen den Anschluß­ punkten 65, 67 angeordnet, während die Induktionsspule 61 den in Parallelschaltung angeordneten Schalt­ transistor 57 und Kondensator 59 in Reihe vorgeschaltet ist.

Claims (4)

1. Geschalteter Reluktanzmotor, insbesondere als Antriebsmotor in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen, der an einer Gleichspannungsquelle einer Batterie ange­ schlossen ist und einen magnetischen Kreis mit einer oder mehreren Erregerwicklungen auf den Statorpolen, sowie einen ferromagnetischen Rotor, eine Leistungs­ einheit mit einem Schaltkreis für jede Phasenwicklung und eine Ansteuerschaltungsanordnung aufweist, die in Abhängigkeit von der Stellung des Rotors die Schalt­ transistoren steuert, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Gleichspannungsquelle (23) und der Leistungseinheit (53) zur Steuerung des SR-Motors (1) ein Spannungshochsetzsteller (55) angeordnet ist, durch den die Spannung bei Bedarf im oberen Drehbereich vergrößerbar, z. B. verdoppelbar ist.

2. Geschalteter Reluktanzmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Spannungshochsetzsteller (55) einen Schalttransistor (57), einen Kondensator (59), eine Induktionsspule (61) und eine Sperrdiode (63) aufweist.

3. Geschalteter Reluktanzmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalttransistor (57) und der Kondensator (59) parallel zueinander geschaltet und über Anschlußpunkte (65, 67, 69, 71) einerseits mit der Leitung (73) an der positiven Klemme (75) und andererseits mit der Leitung (77) an der negativen Klemme (79) verbunden sind, daß zwischen den Anschlußpunkten (65, 67) des Schalttransistors (57) und des Kondensators (59) die Sperrdiode (63) angeordnet ist und daß die Induktionsspule (61) den in Parallelschaltung angeordneten Schalttransistor (57) und Kondensator (59) in Reihe vorgeschaltet ist.

4. Geschalteter Reluktanzmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Filterkondensator (51) parallel zur Batterie geschaltet ist.