DE4330386A1

DE4330386A1 - Switched reluctance motor

Info

Publication number: DE4330386A1
Application number: DE4330386A
Authority: DE
Inventors: Christian Lindig
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: FHP Motors GmbH
Priority date: 1993-09-08
Filing date: 1993-09-08
Publication date: 1995-03-09

Abstract

Low currents in the motor and in the invertor (25) are achieved in a switched reluctance motor having a large rotation speed range in that each phase winding (17/18, 19/20, 21/22) has a tap (53, 55, 57) located approximately in its centre, which tap (53, 55, 57) is connected on the one hand via a freewheeling semiconductor switch (65, 67, 69) to one (71) of the poles, and on the other hand via an additional switching transistor (59, 61, 63) to the other pole (73) of the DC voltage source (23). This centre tap (53, 55, 57) does not become effective until after the rotor reaches a specific rotation speed. The reluctance motor is distinguished by low losses and by more cost effective rating of the components. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft einen geschalteten Reluktanz motor, insbesondere als Antriebsmotor in elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen, Waschmaschinen, Rasen mähern und in ähnlich elektrisch anzutreibenden Maschinen der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.The invention relates to a switched reluctance motor, especially as a drive motor in electrical motor vehicles, washing machines, lawn mow and in similarly electrically powered Machines in the preamble of claim 1 specified type.

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 auf dem Läufer, d. h. es handelt sich um Doppelschenkel polmaschinen. Hierbei ist eine konzentrierte Wirkung auf jeden Ständerpol vorgesehen, aber es gibt keine Magnete oder Wicklungen auf dem Läufer. Jedes Paar mit diametral entgegengesetzten Ständerpolwicklungen ist in Reihe oder parallel geschaltet, um eine unabhängige Maschinenphasenwicklung der mehrphasigen 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 abgeschaltet, bevor die Läuferpole, die den Ständerpolen dieser Phase am nächsten sind, sich an der ausgerichteten Position vorbeidrehen. Das erzeugte Drehmoment ist von der Richtung des Stromes unabhängig, so daß Stromimpulse in einer Richtung, die mit der Rotorbewegung synchronisiert sind, an die Ständerpolwicklungen durch einen Wechselrichter angelegt werden können, in welchem den Strom in einer Richtung schaltende Elemente wie Transistoren und Thyristoren benutzt werden.There are also already switched reluctance motors for Positioning drives in motor vehicles, in particular used in blowers of motor vehicles, because these are also characterized by a simple and robust Stand out and also inexpensive and maintenance are free. These have switched reluctance motors usually several poles both on the stand and on the runner, d. H. it is a double leg pole machines. Here is a concentrated effect provided on each stator pole, but there are none Magnets or windings on the runner. Every couple with diametrically opposite stator pole windings is in Series or connected in parallel to an independent Machine phase winding of the multi-phase SR machine form. An engine torque is formed by the Current in each motor phase winding in a certain one Sequence is switched with the angular position of the Runner is synchronized so that there is a magnetic attraction between the rotor poles and the stator poles that approach each other. The power is turned off in every motor phase before the rotor poles that are on the stator poles of this phase next ones are at the aligned position turn past. The torque generated is from Direction of the current independently, so that current pulses in a direction that with the rotor movement are synchronized to the stator pole windings an inverter can be created in which elements that switch the current in one direction, such as Transistors and thyristors are used.

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 15 000 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 Konverter.Switched reluctance motors are used in electrical Drives with a wide speed range, in motor vehicle drives, speeds from 0 to 9000 rpm and washing machine speeds from 0 to 15,000 rpm are required. For this use purposes do not always result in fixed firing angles sufficient machine torque over the required large speed range. In addition, high currents are in the lower speed range available, which too high Losses in the motor and in the converter and thus too lead bad lines of effectiveness. Also require that circuit breakers corresponding to high currents Converter.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen geschalteten Reluktanzmotor zu schaffen, der aus reichende Drehmomente in einem großen Drehzahlbereich bei einem guten Wirkungsgrad erzeugt. Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.The invention is based on the object switched reluctance motor to create that from sufficient torques in a wide speed range generated with good efficiency. This task is characterized by those in claim 1 Features resolved.

Der erfindungsgemäße Reluktanzmotor erfordert geringe Ströme sowohl im Motor als auch im Konverter, wodurch geringere Verluste im Konverter entstehen und die Auswahl kleinerer, billigerer Leistungshalbleiter für die Konverter ermöglicht wird. Auch wird hierdurch der Wirkungsgrad gesteigert.The reluctance motor according to the invention requires little Currents both in the motor and in the converter, whereby lower losses occur in the converter and the Selection of smaller, cheaper power semiconductors for the converter is enabled. This also makes the Efficiency increased.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungs gegenstandes sind den weiteren Unteransprüchen zu entnehmen. Die Erfindung wird anhand von Ausführungs beispielen im folgenden näher beschrieben. Further advantageous refinements of the invention subject are the further subclaims remove. The invention is based on execution examples described in more detail below.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1 einen vereinfachten Querschnitt durch einen geschalteten Reluktanzmotor, Fig. 1 is a simplified cross section of a switched reluctance motor,

Fig. 2 eine Schaltungsanordnung eines Wechselrich ters und Fig. 2 shows a circuit arrangement of an inverter and

Fig. 3 Blockschaltbild der Ansteuerungsschaltungsan ordnung für den SR-Motor. Fig. 3 block diagram of the control circuit arrangement for the 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 mäher und in ähnlich elektrisch anzutreibenden Maschinen, wobei das aus lamellierten Blechteilen bestehende Statorjoch 3 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. Fig. 1 relates to a sectional configuration of a conventional reluctance motor, in particular a geschal ended reluctance motor 1 as a drive motor in an electrically driven motor vehicles, washing machines, lawn mowers and similar electrically driven machine, while the existing of laminated sheet metal parts stator yoke is annular. 3 This stator yoke 3 has z. B. six salient stator poles 5/6 , 7/8 , 9/10 , two of which are diametrically opposed. In the stator yoke 3 , a rotor 11 consisting of laminated metal sheets with pronounced laminated rotor poles 13 , 14 , 15 , 16 is rotatably mounted in a known manner.

Weiterhin sind Magnetfeld erregende Spulen bzw. Erregerwicklungen 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.Furthermore, coils or excitation windings 17 , 18 , 19 , 20 , 21 , 22 which excite magnetic fields are wound on the stator poles 5 , 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , two opposite windings 17/18 , 19/20 , 21 each / 22 are each connected to a DC voltage source 23 . Here, the individual winding pairs 17/18 , 19/20 , 21/22 for the generation of changeable magnetic fields penetrating the rotor 11 in synchronization with the rotor positions are sequentially switched on and off via a control circuit.

In der Fig. 2 ist eine 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. FIG. 2 shows a circuit arrangement of an inverter 25 with the three phase branches for the SR motor 1 . Each inverter phase branch corresponds to a separate motor phase and comprises two semiconductor switches 27/29 , 31/33 and 35/37 and two freewheeling diodes 39/41 , 43/45 and 47/49 . These free-wheeling diodes 39/41 , 43/45 , 47/49 connected to the corresponding stator windings 17/18 , 19/20 , 21/22 let the inductive winding currents flow in a circuit.

Die drei Wechselrichterphasenzweige sind parallel geschaltet und werden durch die Gleichstromquelle 23, welche aus einer Batterie oder einer gleichgerichteten Wechselstromquelle bestehen kann, gespeist, die an den parallelen Wechselrichterphasenzweigen eine Gleich spannung einprägt. Eine Kapazität 51 dient zur Aufnahme des Rückstroms nach Abschalten einer Phase.The three inverter phase branches are connected in parallel and are fed by the direct current source 23 , which can consist of a battery or a rectified alternating current source, which impresses a direct voltage on the parallel inverter phase branches. A capacitor 51 serves to receive the reverse current after switching off a phase.

Da der geschaltete Reluktanzmotor 1 mit einem großen Drehzahlbereich, z. B. für Fahrzeugantriebe von 0 bis 9000 U/min und für Waschmaschinenantriebe von 0 bis 15 000 U/min betrieben werden soll, ist eine Mitten anzapfung 53, 55, 57 zwischen den in Reihe geschalteten Polwicklungen 17/18, 19/20, 21/22 vorgesehen, wobei die Anzapfung über je einen zusätzlichen Schalttransistor 59, 61, 63 realisiert wird. Bei dieser Trennung der Polwicklungen 18, 20, 22 von der Gleichspannungsquelle 23 sind Freilaufdioden 65, 67, 69 vorgesehen, welche zwischen den Mittenanzapfungen 53, 55, 57 und dem Pol 71 der Gleichspannungsquelle 23 angeordnet sind, um die induktiven Wicklungsströme in den Polwicklungen 17, 19, 21 im Kreis fließen zu lassen. Die Mittenanzapfung erfolgt gemäß Fig. 3 über eine Ansteuerschaltungs anordnung 75 mit z. B. einem Mikroprozessor 77, welcher nach Erreichen einer bestimmten Drehzahl bzw. eines bestimmten Drehmoments das Schalten der Schalttran sistoren 59, 61, 63 zum Anzapfen der Polwicklungen 17, 19, 21 bewirkt. Durch dieses Abtrennen z. B. der halben Anzahl der Polwicklungen wird auf einfache Weise ein höheres Drehmoment erzielt. Vorteilhaft ist auch, daß durch diese Maßnahme geringere Ströme durch den Motor und den Wechselrichter 25 fließen, wodurch geringere Verluste entstehen und kostengünstigere Dimensionierungs- Verluste entstehen und kostengünstigere Dimensionie rungen der Bauelemente ermöglicht werden. Die in Fig. 2 dargestellte Anzapfung erfolgt zwar in jeder Motor phase jeweils zwischen zwei in Reihe hintereinander geschalteten Polwicklungen 17/18, 19/20, 21/22, aber im Rahmen der Erfindung kann die Anzapfung auch zwischen in Reihe geschalteten Polwicklungspaaren erfolgen. Hierbei sind die Statorpolwicklungspaare von jedem Paar entgegengesetzter Statorpole in Reihe geschaltet. Auch kann die Verteilung der Windungszahl auf die in Reihe geschalteten Polwicklungen unterschiedlich sein.Since the switched reluctance motor 1 with a large speed range, for. B. for vehicle drives from 0 to 9000 U / min and for washing machine drives from 0 to 15000 U / min is a center tap 53 , 55 , 57 between the series-connected pole windings 17/18 , 19/20 , 21st / 22 is provided, the tapping being implemented via an additional switching transistor 59 , 61 , 63 . With this separation of the pole windings 18 , 20 , 22 from the DC voltage source 23 , freewheeling diodes 65 , 67 , 69 are provided, which are arranged between the center taps 53 , 55 , 57 and the pole 71 of the DC voltage source 23 in order to control the inductive winding currents in the pole windings 17 , 19 , 21 to flow in a circle. The center tap is carried out according to FIG. 3 via a control circuit arrangement 75 with z. B. a microprocessor 77 which, after reaching a certain speed or a certain torque, the switching of the transistors 59 , 61 , 63 for tapping the pole windings 17 , 19 , 21 causes. By this separation z. B. half the number of pole windings a higher torque is easily achieved. It is also advantageous that, as a result of this measure, lower currents flow through the motor and the inverter 25 , as a result of which lower losses occur and less expensive dimensioning losses occur and less expensive dimensions of the components are made possible. The tap shown in Fig. 2 takes place in each motor phase between two series-connected pole windings 17/18 , 19/20 , 21/22 , but within the scope of the invention, the tapping can also take place between series-connected pole winding pairs. Here, the stator pole winding pairs of each pair of opposite stator poles are connected in series. The distribution of the number of turns on the series-connected pole windings can also be different.

Die Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild der Ansteuer schaltungsanordnung 75 mit dem Mikroprozessor 77, welche über Treibertransistoren 79, 81, 83 die Schalt elemente in den drei Phasenzweigen 85, 87, 89 des Wechselrichters 25 zum Antreiben des SR-Motors 1 beaufschlagt. Ein Rotorpositionsfühler 91 gibt Steuer impulse über die augenblickliche Position des Rotors 11 über ein Zeitglied 93 an den Mikroprozessor 77 ab. Fig. 3 shows a block diagram of the control circuit arrangement 75 with the microprocessor 77 , which acts on driver transistors 79 , 81 , 83, the switching elements in the three phase branches 85 , 87 , 89 of the inverter 25 for driving the SR motor 1 . A rotor position sensor 91 gives control pulses on the current position of the rotor 11 via a timer 93 to the microprocessor 77 .

Claims

1.Switched reluctance motor, especially as a drive motor in electrically driven vehicles, washing machines, lawnmowers and similar machines to be driven electrically, which has a magnetic circuit with one or more excitation windings on the stator poles and a ferromagnetic rotor, a circuit for each phase winding, in which A switching transistor for switching the ends of the phase winding to the two poles of a direct current source are included, free-wheeling semiconductor switches which are parallel to the phase winding and each have a switching transistor, and a drive circuit arrangement which controls the switching transistors as a function of the position of the rotor , characterized in that each phase winding ( 17/18 , 19/20 , 21/22 ) has a tapping ( 53 , 55 , 57 ) lying approximately in its center, which is connected on the one hand to the one pole ( 71 ) via a free-wheeling semiconductor switch the DC voltage source ( 23 ) and on the other hand, via a switching transistor ( 59 , 61 , 63 ) connected to the other pole ( 73 ) of the DC voltage source ( 23 ) and can be switched as a function of a specific speed via the control circuit arrangement ( 75 ), as a result of which the behind the tap ( 53 , 55 , 57 ) lying winding part ( 18 , 20 , 22 ) of the DC voltage source ( 23 ) is separated.

2. Reluctance motor according to claim 1, characterized in that two motor windings ( 17/18 , 19/20 , 21/22 ) or pole winding pairs are provided in series for each motor phase, between which the center tap ( 53 , 55 , 57 ) is arranged.

3. Reluctance motor according to claim 2, characterized in that the series-connected pole windings ( 17/18 , 19/20 , 21/22 ) are arranged on diametrically opposite stator poles ( 5/6 , 7/8 , 9/10 ).

4. Reluctance motor according to claim 2 or 3, characterized characterized in that the stator pole winding pairs of each pair of opposite stator poles in series are switched.

5. Reluctance motor according to one of the preceding claims, characterized in that the control circuit arrangement ( 75 ) contains a microprocessor ( 77 ) which, after reaching a certain speed, the switching of the switching transistor ( 59 , 61 , 63 ) for tapping the pole windings ( 17th , 19 , 21 ) or the pole winding pairs.