DE69716086T2

DE69716086T2 - Elektrische maschinen

Info

Publication number: DE69716086T2
Application number: DE69716086T
Authority: DE
Inventors: Mike Barnes; Charles Pollock; David Wale
Original assignee: University of Warwick
Current assignee: University of Warwick
Priority date: 1996-07-30
Filing date: 1997-07-28
Publication date: 2003-06-18
Anticipated expiration: 2017-07-29
Also published as: US6140729A; JP4113586B2; GB9615950D0; CN100399682C; CN1227010A; JP2000516080A; EP0916178B1; EP0916178A1; WO1998005112A1; DE69716086D1

Description

Diese Erfindung betrifft elektrische Maschinen und befaßt sich spezieller mit Elektromotoren, aber nicht ausschließlich.
Fig. 1 zeigt einen konventionellen regelbaren Zweiphasenreluktanzmotor, der aufweist: einen Stator 2 mit zwei Paaren 3, 4 von entgegengesetzt angeordneten nach innen ausgerichteten Einzelpolen, die mit zwei Paaren 5, 6 von Erregerwicklungen versehen sind, die den zwei Phasen entsprechen; und einen Rotor 7 mit einem einzelnen Paar 8 von entgegengesetzt angeordneten, nach außen gerichteten Einzelpolen ohne Wicklungen. Jede der vier Erregerwicklungen ist um ihren entsprechenden Pol gewickelt, wie durch die Symbole Y-Y, die zwei diametral entgegengesetzte Abschnitte einer jeden Wicklung des Wicklungspaares 6 kennzeichnen, und die Symbole X-X gezeigt wird, die zwei diametral entgegengesetzte Abschnitte einer jeden Wicklung des Wicklungspaares 5 kennzeichnen. Ein Erregungsstromkreis (nicht gezeigt) ist für das Drehen des Rotors 7 innerhalb des Stators 2 durch Zuführen von Energie zu den. Statorwicklungen synchron mit der Drehung des Rotors vorhanden, so daß ein Drehmoment durch die Neigung des Rotors 7 entwickelt wird, sich selbst in einer Position von minimaler Reluktanz innerhalb des durch die Wicklungen erzeugten Magnetfeldes anzuordnen, wie nachfolgend detaillierter beschrieben wird. Ein derartiger regelbarer Reluktanzmotor bietet den Vorteil gegenüber dem konventionellen Motor mit gewickeltem Rotor, daß Kommutatorbürsten, die Verschleißteile sind, nicht für die Stromversorgung zum Rotor erforderlich sind. Außerdem bringt die Tatsache, daß keine Leiter am Rotor vorhanden sind, und daß Dauermagneten mit hohen Kosten nicht erforderlich sind, weitere Vorteile mit sich.
Die Symbole + und - in den grafischen Darstellungen (a) und (b) in Fig. 1 zeigen die Richtungen des Stromflusses in den Wicklungen der zwei Erregungsmodi, bei denen der Rotor 7 entweder in die horizontale Position oder in die vertikale Position angezogen wird, wie in der Figur zu sehen ist. Es wird erkannt, daß die Drehung des Rotors 7 eine abwechselnde Energiezuführung zu den Wicklungspaaren 5 und 6 erfordert, wobei vorzugsweise nur ein Wicklungspaar 5 oder 6 zu einem Zeitpunkt mit Energie versorgt wird, und wobei der Strom im allgemeinen einem jeden Wicklungspaar 5 oder 6 in einer Richtung während der Energiezuführung zugeführt wird. Die Wicklungen können jedoch nur über maximal der Hälfte der Zeit pro Umdrehung mit Energie versorgt werden, wenn ein nutzbares Drehmoment erzeugt werden soll, so daß eine sehr wirksame Nutzung des Magnetkreises nicht bei einem derartigen Motor möglich ist.
Im Gegensatz dazu weist ein vollständig geteilter regelbarer Zweiphasenreluktanzmotor, wie er von J. D. Wale und C. Pollock, in "Neuartige Umformer-Schaltungsstrukturen für einen in zwei Phasen geschalteten Reluktanzmotor mit vollständig geteilten Wicklungen", IEEE Power Electronics Specialists Conference, Braveno, Juni 1996, Seiten 1798-1803, beschrieben und in Fig. 2 gezeigt wird (bei der die gleichen Bezugszahlen verwendet werden, um gleiche Teile wie in Fig. 1 zu kennzeichnen), zwei Wicklungen 10 und 11 auf, die einen Wicklungsschritt aufweisen, der das Doppelte der Polteilung des Motors ist, d. h., 180º im veranschaulichten Beispiel, und die 90º zueinander angeordnet sind. Die Wicklung 11 kann so gewickelt werden, daß ein Teil der Wicklung auf einer Seite des Rotors 7 eine Statornut 12 ausfüllt, die zwischen benachbarten Polen der Polpaare 3, 4 definiert wird, und daß ein anderer Teil der Wicklung 11 auf der diametral entgegengesetzten Seite des Rotors 7 eine Statornut 13 ausfüllt, die zwischen zwei weiteren benachbarten Polen der Polpaare 3, 4 definiert wird. Die Wicklung 10 weist entsprechende Teile auf, die diametral gegenüberliegende Statornuten 14 und 15 füllen. Daher überbrücken die zwei Wicklungen 10 und 11 die Breite des Motors, wobei die Achsen der Wicklungen 10, 11 unter rechtem Winkel zueinander verlaufen.
Außerdem werden zwei Erregungsmodi eines derartigen Motors, die der horizontalen und vertikalen Position des Rotors 7 entsprechen, in den grafischen Darstellungen (a) und (b) der Fig. 2 gezeigt, aus der erkannt wird, daß beide Wicklungen 10, 11 bei beiden Erregungsmodi mit Energie versorgt werden, aber daß, wohingegen die Richtung des Stromflusses in der Wicklung 10 bei beiden Modi die gleiche ist, die Richtung des Stromflusses in der Wicklung 11 sich zwischen den zwei Modi verändert. Da der Strom beiden Phasenwicklungen 10, 11 in beiden Modi zugeführt wird, und da jede Wicklung 10 oder 11 die Hälfte der gesamten Statornutfläche in Anspruch nimmt, kann ein derartiges System eine 100%ige Ausnutzung seiner Nutfläche erreichen. Das steht im Gegensatz zu der 50%igen Ausnutzung, die bei dem konventionell gewickelten regelbaren Reluktanzmotor erreicht wird, der vorangehend beschrieben wird, bei dem nur eine Phasenwicklung zu einem Zeitpunkt mit Energie versorgt wird. Da keine Forderung besteht, daß sich die Richtung des Stromes in der Wicklung 10 verändern soll, kann außerdem die Wicklung 10, die als die Feldwicklung bezeichnet werden kann, mit Gleichstrom ohne jegliches Schalten versorgt werden, was zu einer Vereinfachung des verwendeten Erregungsstromkreises fuhrt. Die Wicklung 11, die als die Ankerwicklung bezeichnet werden kann, muß jedoch mit Strom versorgt werden, der synchron mit der Rotorposition wechselt, um so die sich verändernde Ausrichtung des Statorflusses zu ermitteln, die erforderlich ist, um den Rotor abwechselnd in die horizontale und die vertikale Position anzuziehen. Die Notwendigkeit, die Ankerwicklung mit Wechselstrom bei einem derartigen Motor zu versorgen, kann zu einem Erregungsstromkreis von hoher Kompliziertheit und hohen Kosten führen.
J. R. Surano und C. M. Ong offenbaren ebenfalls in "Regelbare Reluktanzmotorkonstruktionen für Betrieb mit niedriger Drehzahl", IEEE Transactions on Industry Applications, Band 32, Nr. 2, März/April 1996, Seiten 808-815, und im UK Patent Nr. 2262843 vollständig geteilte regelbare Zweiphasenreluktanzmotoren. Der im UK Patent Nr. 2262843 offenbarte Motor ist ein regelbarer Dreiphasenreluktanzmotor mit drei Wicklungen, die synchron mit der Drehung des Rotors mit Strom versorgt werden müssen, so daß ein derartiger Motor einen Erregungsstromkreis von hoher Kompliziertheit erfordert.
Es ist ein Ziel der Erfindung, eine elektrische Maschine der neuartigen Ausführung bereitzustellen, die einen hohen Wirkungsgrad zeigt und mit niedrigen Kosten hergestellt werden kann.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird eine elektrische Maschine bereitgestellt, die aufweist: einen Rotor ohne Wicklungen; einen Stator mit Polen und Ankerwicklungen, die mit einem Wickelschritt gewickelt wurden, der einer Vielzahl von Polteilungen entspricht, wobei der Stator ebenfalls umfaßt: eine Feldmagneteinrichtung für das Erzeugen einer magnetomotorischen Kraft in einer Richtung, die sich quer zu der magnetomotorischen Kraft erstreckt, die durch die Ankerwicklungen erzeugt wird; und eine Schaltungseinrichtung, die mit den Ankerwicklungen verbunden ist, bei der die Ankerwicklungen mindestens zwei Spulen aufweisen, die magnetisch eng gekoppelt sind, und die stromführende Abschnitte mit im wesentlichen den gleichen Winkelausrichtungen mit Bezugnahme auf den Stator aufweisen, so daß die Ströme in den Spulen synchron mit der Drehung des Rotors in einer derartigen Weise variieren, daß sich Perioden, in denen eine magnetomotorische Kraft in einer Richtung durch den Stromfluß in einer der Spulen erzeugt wird, mit Perioden abwechseln, in denen eine magnetomotorische Kraft in der entgegengesetzten Richtung durch den Stromfluß in der anderen der Spulen erzeugt wird.
Es ist ein besonders vorteilhaftes charakteristisches Merkmal der Erfindung, daß die Ankerwicklung aus zwei eng gekoppelten Spulen besteht, wodurch gestattet wird, daß jede Spule für das Erzeugen einer magnetomotorischen Kraft in einer entsprechenden Richtung verwendet wird, und wodurch ermöglicht wird, daß jede Spule in nur einer Richtung mit Strom versorgt wird, so daß eine relativ einfache Erregungsschaltung zur Anwendung gebracht werden kann, um die Anzahl der Schaltungsbauelemente zu minimieren, und um dadurch die Kosten zu begrenzen.
Damit die Erfindung vollständiger verstanden werden kann, wird man sich jetzt als Beispiel auf die beigefügten Zeichnungen beziehen, die zeigen:
Fig. 1 und 2 erläuternde grafische Darstellungen, die einen konventionellen regelbaren Zweiphasenreluktanzmotor und einen vollständig geteilten regelbaren Zweiphasenreluktanzmotor zeigen, wobei die zwei Erregungsmodi (a) und (b) in jedem Fall gezeigt werden;
Fig. 2A idealisierte Wellenformen für den Feldfluß und den Ankerfluß, die gegenelektromotorische Kraft und den Strom beim Einsatz einer derartigen Maschine;
Fig. 3 und 4 erläuternde grafische Darstellungen, die die Statorwicklungen einer ersten Ausführung der Erfindung zeigen;
Fig. 5 eine grafische Darstellung, die einen asymmetrischen Rotor für ein Selbstanlaufen zeigt, der bei der ersten Ausführung der Erfindung eingesetzt werden kann;
Fig. 6 eine grafische Darstellung, die eine zweite Ausführung der Erfindung zeigt;
Fig. 7 bis 14 verschiedene Schaltungsanordnungen für das Zuführen von Energie zu den Statorwicklugen, wobei Fig. 9 ein Zeitablaufdiagramm für die vier Thyristoren in der Schaltungsanordnung der Fig. 8 zeigt; und
Fig. 15 eine grafische Darstellung, die eine dritte Ausführung der Erfindung zeigt.
Fig. 2A zeigt idealisierte Wellenformen für den konstanten Feldfluß Φf und den variierenden Ankerfluß Φa als eine Funktion der Winkelposition θ des Rotors 7 des Motors aus Fig. 2 (oder alternativ eines Generators von gleicher Konstruktion) ebenso wie die gegenelektromotorische Kraft Ea des Ankers und den Ankerstrom Ia, die mit der Rotorposition variieren. Natürlich werden in der Praxis die erhaltenen tatsächlichen Wellenformen wesentlich von diesen idealisierten Wellenformen infolge verschiedener störender Einflüsse abweichen, wie durchaus von den Fachleuten verstanden wird. Die Feldwicklung 10 nimmt einen konstanten Erregungsstrom während des Betriebes auf, so daß ihr Fluß im wesentlichen konstant ist, wohingegen der Fluß, der die Ankerwicklung 11 anschließt, bipolar ist und sich von einem positiven Maximum zu einem negativen Minimum aller 90º Drehung verändert, mit dem Ergebnis, daß eine gegenelektromotorische Kraft mit Rechteckwellen in der Ankerwicklung 11 induziert wird. Diese charakteristischen Eigenschaften gleichen jenen, die man beim Einsatz einer konventionellen vierpoligen Statorgleichstrommaschine beobachtete.
Wenn eine Annahme gemacht wird, daß die Reluktanz des magnetischen Pfades, von den Windungen aus gesehen, mit der Rotorposition konstant ist, wie durch Verwendung eines Rotors mit einer großen Polbreite zustande gebracht werden kann, so daß die Überdeckung mit zwei benachbarten Statorpolen im wesentlichen konstant bleibt (wie weiter nachfolgend mit Bezugnahme auf Fig. 15 hingewiesen wird), folgt daraus, daß der Feldfluß Φf ebenfalls konstant bleiben wird, und daß keine Möglichkeit einer negativen Drehmomenterzeugung vom Feld allein besteht. Es kann dann angenommen werden, daß der Fluß, der die Ankerwicklung 11 anschließt, sich linear von seinem maximalen positiven Wert auf seinen maximalen negativen Wert verändert, während der Rotor gedreht wird, wobei zwei Zyklen für jede Umdrehung des Rotors vollendet werden. Wenn eine weitere Annahme gemacht wird, daß nicht der gesamte Feldfluß die Ankerwicklung 11 anschließt, wodurch die Einbeziehung eines Kopplungsfaktors k erforderlich ist, kann ein Ausdruck für die induzierte elektromotorische Kraft in der Ankerwicklung 11 erhalten werden, indem die Änderungsgeschwindigkeit des Flusses mit Bezugnahme auf die Zeit (Faradaysches Gesetz) in Betracht gezogen wird. Eine annähernde rechteckige Wellenform der elektromotorischen Kraft würde daraus resultieren, wobei die mathematische Beschreibung einer derartigen Wellenform für einen Vierpolmotor, wie sie in Fig. 2 gezeigt wird, so ist, wie sie sich ergibt, wenn die Drehzahl ω als konstant betrachtet wird:
worin Na die Anzahl der Windungen der Ankerwicklung 11 ist.
Der folgende Ausdruck für den Feldfluß kann danach in diese Gleichung eingesetzt werden:
Φ = NfIf/
worin Nf und If die Anzahl der Windungen und der Strom der Feldwicklung 10 sind und die Reluktanz, die als im wesentlichen mit der Rotorposition konstant betrachtet wird.
Der folgende Ausdruck wird dadurch erhalten:
Das Drehmoment T kann danach aus dem Ausdruck:
T = EaIa/ω
abgeleitet werden, worin Ia der Strom in der Ankerwicklung 11 ist.
Indem angenommen wird, daß die Stromwellenform eine Rechteckwelle ist, und daß sie mit der Wellenform der gegenelektromotorischen Kraft synchron ist, wie in Fig. 2A gezeigt wird, um eine optimale Ausgangsleistung zu erzeugen, kann das Drehmoment wie folgt ausgedrückt werden:
Daher ist entsprechend dieser sehr vereinfachten Analyse das Drehmoment dem Produkt der Feld- und Ankerströme proportional, wenn die Reluktanz im wesentlichen als konstant betrachtet wird.
Durch Vergleich kann die gegenelektromotorische Kraft Ea in einem konventionellen Gleichstrommotor ausgedrückt werden als:
Ea = KaΦfω
worin
Ka = Nap/π
worin p die Anzahl der Pole des Stators verkörpert.
Wo der Gleichstrommotor ein Vierpolmotor ist, kann daher die gegenelektromotorische Kraft ausgedruckt werden als:
der dem Ausdruck für die gegenelektromotorische Kraft in der Ankerwicklung 11 gleich, ist, abgesehen vom, Ausschließen des Kopplungsfaktors k, der normalerweise in der Gleichung des Gleichstrommotors nicht ausgedrückt wird.
Außerdem wird das vom Gleichstrommotor entwickelte Drehmoment durch den Ausdruck:
T = KaΦfIa
definiert, und dieser kann danach als:
erweitert werden, der wiederum dem Ausdruck gleich ist, der vorangehend abgeleitet wurde, abgesehen vom. Ausschließen des Kopplungsfaktors k.
Diese vereinfachte Analyse zeigte, daß eine beträchtliche Gleichartigkeit zwischen dem Betrieb dieser Maschine und der konventionellen Gleichstrommaschine zu verzeichnen ist.
Die erste Ausführung, die in Fig. 3 gezeigt wird, weist einen Zweiphasenmotor mit einem Vierpolstator 2 auf, der mit einer Feldwicklung 10 und einer Ankerwicklung 11 versehen ist, wobei jede der Wicklungen 10, 11 in zwei Spulen 22, 23 oder 24, 25 geteilt ist, die eng gekoppelt und so gewickelt sind, daß diametral entgegengesetzte Abschnitte der beiden Spulen innerhalb von diametral entgegengesetzten Statornuten angeordnet sind. Ein gleichermaßen gewickelter Stator könnte innerhalb eines entsprechenden Generators in Übereinstimmung mit der Erfindung bereitgestellt werden.
Fig. 4 zeigt ein verallgemeintertes Schaltbild für das Zuführen von Energie zu den Ankerspulen 24 und 25. Die Spulen 24 und 25 sind innerhalb des Stromkreises so verbunden, daß ein Gleichstrom, der den Anschlußklemmen 26 und 27 zugeführt wird, durch beide Spulen 24 und 25 in der gleichen Richtung fließt, um so im Ergebnis der entgegengesetzten Wicklung der Spulen magnetomotorische Kräfte in entgegengesetzten Richtungen zu erzeugen, wobei die Schalter 28 und 29 in Reihe mit den Spulen 24 und 25 abwechselnd geschaltet werden, um eine abwechselnde Energieversorgung der Spulen 24 und 25 zu bewirken, um so die erforderlichen magnetomotorischen Kräfte zu liefern, die in entgegengesetzten Richtungen wirken. Es wird erkannt, daß in einem Generator ein gleicher Stromkreis bereitgestellt werden kann, um einen Gleichstromausgang den Anschlußklemmen 26 und 27 zuzuführen.
In der ersten Ausführung, die einen Vierpolstator 2 nutzt, kann der Rotor 7 zwei Pole 8 (oder alternativ sechs Pole) aufweisen, wobei in dem Fall, wie in Fig. 5 gezeigt wird, die Rotorpole in der Form asymmetrisch sein können, um ein Selbstanlaufen aus dem Stillstand ohne die Notwendigkeit eines Hilfsanlassers zu garantieren. Bei Nichtvorhandensein einer derartigen Rotorasymmetrie wird es bestimmte Positionen des Rotors 7 geben, in denen das Anlaufen der Drehung des Rotors 7 nicht durch einfache Energiezuführung zu den Statorspulen bewirkt werden kann.
Die zweite Ausführung, die in Fig. 6 gezeigt wird, weist einen Zweiphasenmotor auf, bei dem der Stator 2 acht Pole und der Rotor 7 vier Pole aufweist (die, obgleich sie in dieser Figur symmetrisch gezeigt werden, normalerweise eine asymmetrische Form aufweisen würden). In diesem Fall werden vier Feldspulen 30, 31, 32 und 33 und vier Ankerspulen 34, 35, 36 und 37 bereitgestellt, wobei jede Spule so gewickelt ist, daß sie zwei Polteilungen überbrückt. Die Ankerspulen 34, 35, 36 und 37 können miteinander in Paaren verbunden werden, wobei die Spulen eines jeden Paares in Reihe oder parallel miteinander geschaltet werden, um so die Äquivalente der Spulen 24 und 25 im Erregungsschaltbild der Fig. 4 zu bilden. Da der Fluß, der jede der Spulen 34, 35, 36 und 37 anschließt, der gleiche ist, können die Spulen miteinander in jeder geforderten Weise im Stromkreis verbunden werden, vorausgesetzt, daß sie in einer derartigen Weise miteinander verbunden werden, daß die erforderlichen magnetomotorischen Kräfte in entgegengesetzten Richtungen in den zwei Erregungsmodi erzeugt werden. Es wäre normal zu erwarten, daß die Ankerspulen 34, 35, 36, 37 miteinander in Paaren verbunden würden, um die Spulen 24 und 25 aus Fig. 4 herzustellen, so daß die Energiezuführung zur Spule 24 oder 25 bewirken würde, daß ein Strom in allen vier Ankernuten fließt. Es ist ebenfalls möglich, daß die Anker- und/oder Feldspulen in einer bifilaren Weise mit zwei parallelen Drahtlitzen gewickelt werden, um magnetisch gut gekoppelte Ankerstromkreise zu liefern. Eine derartige Anordnung kann jedoch zu einer nicht akzeptablen niedrigen Trennspannung zwischen den Ankersstromkreisen führen.
Alternativ können nur zwei Feldspulen vorhanden sein, beispielsweise 30 und 32, die jeweils zwei Polteilungen überbrücken, die aber so angeordnet sind, daß sie die geeigneten Nuten des Stators 2 ausfüllen, so daß keine Forderung nach den Feldspulen 31 und 33 besteht. Eine derartige Wicklung kann als "eine Folgepolwicklung" bezeichnet werden. Eine gleiche Anordnung kann für die Ankerwicklung zur Anwendung gebracht werden, wobei in diesem Fall die Spulen 34 und 36 weggelassen werden können, und statt dessen können die Spulen 35 und 36 jeweils zwei eng gekoppelte Spulen aufweisen.
Fig. 7 zeigt einen möglichen Erregungsstromkreis für das Zuführen von Energie zu den Ankerspulen 24 und 25 in der ersten Ausführung. Bei diesem Stromkreis werden eine Diode 40, 41 und ein Thyristor 42, 43 in Reihe mit jeder Spule 24, 25 geschaltet, und ein Kommutierungskondensator 44 ist zwischen dem Verbindungspunkt der Diode 40 und des Thyristors 42 und dem Verbindungspunkt der Diode 41 und des Thyristors 43 geschaltet. In diesem Stromkreis werden die Thyristoren 42 und 43 durch ein Zeitsteuersignal in Abhängigkeit von der Winkelposition des Rotors abwechselnd geschaltet, wie sie durch einen Positionsdetektor gemessen wird, beispielsweise einen optischen Einzelbitpositionsmeßfühler für das optische Nachweisen von Markierungen, die auf der Rotorwelle aufgebracht sind, um so eine Veränderung des Zustandes bei jeweils 90º Rotordrehung zu bewirken. Das Einschalten des Thyristors 43 als Reaktion auf ein derartiges Zeitsteuersignal während des Stromflusses durch die Spule 24, die Diode 40 und den Thyristor 42, wenn der Thyristor 42 leitet, wird zum Aufladen des Kondensators 44 durch den Strom führen, der durch die Spule 24 fließt, und wird dadurch den Strom durch den Thyristor 42 auf Null bringen, um den Thyristor 42 abzuschalten. Ein entsprechender Stromfluß durch die Spule 25, die Diode 41 und den Thyristor 43 im Ergebnis des Einschaltens des Thyristors 43 wird andauern, bis der Thyristor 42 eingeschaltet wird, indem ein weiteres Zeitsteuersignal zwangsweise bewirkt, daß der Thyristor 43 abgeschaltet wird. Die Dioden 40 und 41 verhindern, daß der Kondensator 54 durch die Spulen 24 und 25 entladen wird. Die Kommutierung der Thyristoren 42 und 43 wird unter unveränderlichen Winkeln über den Drehzahlbereich initiiert, was zu einem einfachen Steuerstromkreis führt. Bei einem moderneren Stromkreis könnten die Winkel veränderlich sein. Da der Strom jedoch über eine kurze Zeit in beiden Spulen 24 und 25 nach jedem Schaltvorgang fließen wird, wird der Wirkungsgrad des Systems durch die Tatsache gefährdet, daß die magnetomotorischen Kräfte, die durch einen derartigen Stromfluß in beiden Spulen erzeugt werden, während dieser Zeit gegeneinander wirken werden, wodurch die verfügbare Ausgangsleistung ernsthaft verringert wird und Widerstandsverluste hervorgerufen werden.
Fig. 8 zeigt einen alternativen Erregungsstromkreis, bei dem zwei zusätzliche Thyristoren 46 und 47 anstelle der Dioden 40 und 41 in Fig. 7 vorhanden sind. In diesem Fall führt das Einschalten des Thyristors 43 zu einer erzwungenen Kommutierung des Thyristors 42 (oder alternativ führt das Einschalten des Thyristors 42 zu einer erzwungenen Kommutierung des Thyristors 43), ohne daß sich der Strom in der Spule 25 (oder der Spule 24) aufbauen darf, bis der Thyristor 47 (oder 46) eingeschaltet wird. Fig. 9 ist ein Zeitablaufdiagramm, das das Schalten der Thyristoren 46, 43 und 47, 42 zeigt. Während die Phasendifferenz α vergrößert wird, wird die Drehung des Rotors dazu neigen sich zu verlangsamen, da weniger Leistung den Spulen 24, 25 zugeführt wird. In diesem Fall bevorzugt man, daß die Feldwicklung 10 in Reihe mit den Spulen 24, 25 geschaltet wird, so daß der mittlere Strom in der Feldwicklung ebenfalls verringert wird. Der Kondensator 44 kann durch einen äußeren Stromkreis mit einer Polarität vorgeladen werden müssen, die geeignet ist, um eine wirksame Kommutierung der Thyristoren nach dem ersten Leitungszyklus zu sichern.
Fig. 10 zeigt einen weiteren möglichen Erregungsstromkreis, bei dem die Thyristoren durch Feldeffekttransistoren ersetzt werden, und spezieller durch zwei Leistungs-MOSFETs 50 und 51, die durch geeignete Schaltimpulse abwechselnd ein- und ausgeschaltet werden. Jeder MOSFET 50 oder 51 umfaßt eine integrierte freilaufende Diode 52 oder 53, so daß, während jeder MOSFET abgeschaltet wird, die gespeicherte magnetische Energie in der entsprechenden Spule mit der anderen Spule gekoppelt wird und durch die freilaufende Diode des anderen MOSFET zurückfließt. Eine Drehzahlsteuerung kann erreicht werden, indem die Zeitdauer verkürzt wird, über die ein jeder MOSFET leitet, oder indem der MOSFET entsprechend in jeder Leitungsperiode ein- und ausgeschaltet wird.
Fig. 11 zeigt einen Erregungsstromkreis, der eine Modifizierung des Stromkreises aus Fig. 7 ist, bei dem die Feldwicklung 10 mit den Ankerspulen 24 und 25 in Reihe geschaltet ist, wobei eine wahlfreie Diode 55 parallel mit der Feldwicklung 10 geschaltet wird, um einen übermäßigen Strom zu führen, wenn der Feldwicklungsstrom über dem Ankerstrom liegt. Es ist nicht erforderlich, daß spezielle Maßnahmen eingeleitet werden, um zu sichern, daß die Größen der magnetomotorischen Kräfte in Verbindung mit den Feld- und Ankerwicklungen gleich sind, da ermittelt wurde, daß der Motor gut funktioniert, selbst wenn eine Instabilität bei diesen magnetomotorischen Kräften zu verzeichnen ist. Die Feldwicklung 10 kann zwei eng gekoppelte Spulen aufweisen, die in Reihe oder parallel geschaltet sind, und sie muß nicht die gleiche Anzahl von Windungen aufweisen wie die Ankerwicklung.
Fig. 12 zeigt einen Erregungsstromkreis, der eine Modifizierung des Stromkreises aus Fig. 10 ist, bei dem die Feldwicklung 10 mit den Ankerspulen 24 und 25 in Reihe geschaltet wird, und bei dem ein Kondensator 57 mit dem Verbindungspunkt zwischen der Feldwicklung 10 und den Spulen 24, 25 verbunden wird, als eine Alternative zur Schaltung einer Diode parallel mit der Feldwicklung 10, wie mit Bezugnahme auf die vorhergehende Figur beschrieben wird. Der Kondensator 57 gestattet, daß die Ströme durch die Feldwicklung 10 und die Ankerspulen 24, 25 unterschiedlich sind. In diesem Fall ist die Bereitstellung des Kondensators 57 oder einer Diode parallel zur Feldwicklung 10 wichtig, um die richtige Funktion des Stromkreises zu gestatten, wohingegen die Bereitstellung eines derartigen Kondensators 57 oder einer Diode 55 im Stromkreis der Fig. 11 wahlfrei ist. Auf diese Weise verbunden, verbinden sich die Feldwicklung 10 und der Kondensator 57, um einen Filter zu bilden.
Die Feldwicklung in Fig. 12 könnte auf der Wechselstromseite eines Gleichrichters angeordnet werden, um als ein Filter zu wirken. In einem derartigen Fall würde sich die Energiezuführungsform der Ankerspulen 24 und 25 mit jeder Umkehrung der Richtung des Stromes in der Feldwicklung umkehren müssen.
Die Feldwicklung 10 des Motors kann in einer Anzahl von Möglichkeiten erregt werden, beispielsweise indem sie mit dem Ankerstromkreis in Reihe geschaltet wird, wie es vorangehend beschrieben wird, oder indem sie parallel mit dem Ankerstromkreis geschaltet wird, oder durch eine Kombination dieser. Der Ankerstromkreis enthält sowohl die Ankerspulen 24 und 25 als auch die Ankerschaltungsanordnung. Durch Anwenden einer Kombination von Reihen- und Nebenschlußschaltungen ist es möglich, den Motor so zu konstruieren, daß er Leistungskenndaten aufweist, die den Reihen- und Nebenschlußgleichstrommotoren gleich sind. Es sollte bemerkt werden, daß es, wenn die Feldwicklung 10 mit dem Ankerstromkreis in Reihe geschaltet wird, dann erforderlich ist, daß ein. Pfad für den Stromfluß während der Zeiten bereitgestellt wird, wenn die Anker- und Feldströme nicht gleich sind, wobei dieser Pfad durch die Diode 55 in Fig. 11 und durch den Kondensator 57 in Fig. 12 bereitgestellt wird. Wenn die Feldwicklung mit dem Ankerstromkreis parallel geschaltet wird, kann eine zusätzliche Stromkreisanordnung hinzugefügt werden, um den Feldstrom und daher die Drehzahl des Motors zu steuern. Eine derartige Anordnung könnte in Betrieb (beispielsweise ein Schaltstromkreis) oder passiv (beispielsweise ein veränderlicher Feldwiderstand) sein. Da der Feldstrom in der parallelen Anordnung klein ist, kann eine derartige Anordnung mit sehr niedrigen Kosten bereitgestellt werden. Es ist ebenfalls möglich, daß eine Feldwicklung, die für das Steuern der Motordrehzahl benutzt wird, in Verbindung mit einem Dauermagneten für das Anwenden des primären Feldflusses verwendet wird.
Außerdem macht die Gleichartigkeit zwischen einer derartigen Maschine und einer Gleichstrommaschine die Maschine ideal für eine Verwendung als Generator ebenso wie als Motor. Wenn die Feldwicklung 10 erregt wird, kann die im Anker induzierte Spannung als eine Wechselspannungsquelle verwendet werden, wobei ein damit verbundener Ankerstromkreis, wie beispielsweise der in Fig. 4 gezeigte, erforderlich ist, wenn die erzeugte Ankerspannung in eine Gleichspannung umgewandelt werden soll. In diesem Fall könnten die Schalter 28 und 29 einfach Dioden sein (wobei ihre Kathoden mit den Ankerspulen 24, 25 verbunden sind), wodurch eine Gleichrichtung der induzierten Ankerspannung gestattet wird. Die Schalter 28 und 29 könnten ebenfalls MOSFETs sein, wie beispielsweise 50 und 51 in Fig. 12, die wahlfrei synchron mit dem Rotor gesteuert werden können, um die Menge an erzeugter Energie und daher die erzeugte Spannung zu vergrößern oder zu verkleinern.
Beim Betrieb des Stromkreises aus Fig. 12 ist keine sofortige und verlustlose Übertragung von Energie von einer Ankerwicklung zur anderen beim Abschalten des einen der MOSFETs 50 und 51 zu verzeichnen. In einem verwendbaren Motor wäre einige Energie vorhanden, die nicht auf die zweite Ankerwicklung übertragen würde. Daher wäre es bei einer praktischen Realisierung erforderlich, einen Dämpferabschnitt bereitzustellen, wie beispielsweise einen Widerstand 58 und einen Kondensator 59, um diese nicht gekoppelte Energie einzufangen und sie daran zu hindern, die Schalter zu zerstören. Fig. 13 zeigt einen möglichen modifizierten Stromkreis, bei dem die Enden der Ankerspulen 24 und 25 durch Dioden 62 und 62A mit dem Kondensator 59 verbunden sind, was auf eine Spannung über der Zuführschienenspannung auflädt. Der Kondensator 59 wird durch den parallelen Widerstand 58 entladen, um so die Energie zu entleeren, die vom unvollständigen Schaltvorgang zurückgewonnen wird. In Fig. 13 sind die Schalter IGBTs 60 und 61, obgleich andere Ausführungen von Schaltern eingesetzt werden könnten.
Bei einer Variante des Stromkreises aus Fig. 13 wird der Dämpferwiderstand 58 durch die gesamte oder einen Teil der Feldwicklung ersetzt. Beispielsweise weist im Stromkreis der Fig. 14 die Feldwicklung eine Spule 63, die durch eine separate Gleichstromquelle erregt wird, und eine Spule 64 auf, die benutzt wird, um den Dämpferkondensator 59 zu entladen. Die Energie wird daher zum Motor als Teil des Felderregungsstromkreises zurückgeführt.
Während die vorangehend beschriebenen Erregungsstromkreise Gebrauch vom Thyristor oder MOSFET-Schaltern machen, ist es möglich, daß der Erregungsstromkreis irgendeinen anderen Halbleiterschalter oder tatsächlich irgendeine andere Ausführung von Schalter verwendet. Im Stromkreis der Fig. 4 könnten die gezeigten Schalter sogar mechanisch sein, wobei sie auf der Welle des Motors montiert sind, um sich synchron mit der Motorposition zu öffnen und zu schließen.
Fig. 15 zeigt eine dritte Ausführung, die einen Zweiphasenmotor aufweist, bei dem der Stator 2 acht Pole und der Rotor 7 vier Pole aufweist, wobei das eine Variante der Ausführung in Fig. 6 ist, bei der die Feld- und Ankerspulen in einspringenden Aussparungen 70 im Stator 2 aufgenommen werden, und die Rotorpole so geformt sind, daß sie eine große Polbreite aufweisen, die ausreichend ist, um zwei benachbarte Statorpole zu überdecken. Eine derartige Anordnung sichert, daß die Reluktanz des magnetischen Pfades, wie er durch die Wicklungen erfahren wird, annähernd mit der Rotorposition konstant ist, da ein im wesentlichen konstanter Winkel der Überdeckung zwischen den Rotor- und Statorpolen zu verzeichnen sein wird, wie auch immer die Position des Rotors ist.

Claims

1. Elektrische Maschine, die aufweist: einen Rotor (7) ohne Wicklungen; einen Stator (2) mit Polen und Ankerwicklungen (11), die mit einem Wickelschritt gewickelt wurden, der einer Vielzahl von Polteilungen entspricht, wobei der Stator (2) ebenfalls umfaßt: eine Feldmagneteinrichtung (10) für das Erzeugen einer magnetomotorischen Kraft in einer Richtung, die sich quer zu der magnetomotorischen Kraft erstreckt, die durch die Ankerwicklungen (11) erzeugt wird; und eine Schaltungseinrichtung (40-47, 50-53, 57-62A), die mit den Ankerwicklungen (11) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Ankerwicklungen mindestens zwei Spulen (24, 25) aufweisen, die magnetisch eng gekoppelt sind, und die stromführende Abschnitte mit im wesentlichen den gleichen Winkelausrichtungen mit Bezugnahme auf den Stator aufweisen, so daß die Ströme in den Spulen (24, 25) synchron mit der Drehung des Rotors (7) in einer derartigen Weise variieren, daß sich Perioden, in denen eine magnetomotorische Kraft in einer Richtung durch den Stromfluß in einer der Spulen erzeugt wird, mit Perioden abwechseln, in denen eine magnetomotorische Kraft in der entgegengesetzten Richtung durch den Stromfluß in der anderen der Spulen erzeugt wird.

2. Maschine nach Anspruch 1, bei der die Feldmagneteinrichtung (10) so angeordnet ist, daß sie ein in einer Richtung wirkendes Magnetfeld erzeugt.

3. Maschine nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Feldmagneteinrichtung (10) einen Dauermagneten umfaßt.

4. Maschine nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei der die Feldmagneteinrichtung (10) eine Feldwicklung umfaßt, die einen Wickelschritt aufweist, der einer Vielzahl von Polteilungen entspricht.

5. Maschine nach Anspruch 4, bei der mindestens ein Teil der Feldwicklung (10) in Reihe mit den Ankerwicklungen (11) geschaltet ist.

6. Maschine nach Anspruch 4, bei der mindestens ein Teil der Feldwicklung (10) parallel mit den Ankerwicklungen (11) geschaltet ist.

7. Maschine nach Anspruch 5 oder 6, bei der die Schaltungseinrichtung eine Stromumgehungseinrichtung (55) umfaßt, damit die Ströme in den Ankerwicklungen (11) und der Feldwicklung (10) abweichen dürfen.

8. Maschine nach vorhergehenden Ansprüchen, bei der die Schaltungseinrichtung aufweist: entsprechende Schaltereinrichtungen (42, 43; 50, 51; 60, 61) in Reihe mit jeder Spule (24, 25); und eine Zeitsteuereinrichtung für das Schalten der Schaltereinrichtung abwechselnd und synchron mit der Drehung des Rotors (7).

9. Maschine nach Anspruch 8, die ein Motor ist, bei der jede Schaltereinrichtung einen Thyristor (42, 43) aufweist, und bei der die Schaltungseinrichtung außerdem einen Kommutierungskondensator (44) umfaßt, der zwischen die Thyristoren (42, 43) geschaltet ist, so daß das Einschalten des einen der Thyristoren mittels der Zeitsteuereinrichtung zu einer zwangsläufigen Kommutierung des anderen Thyristors führt.

10. Maschine nach Anspruch 8, die ein Motor ist, bei der jede Schaltereinrichtung einen Leistungstransistor (50, 51; 60, 61) parallel mit einer freilaufenden Diode (52; 53) aufweist, so daß beim Abschalten des Stromflusses in der einen Spule durch den damit verbunden Transistors ein Strom, der in der anderen Spule induziert wird, mittels der freilaufenden Diode fließt, die mit dem anderen Transistor verbunden ist.

11. Maschine nach Anspruch 10, bei der die Spulen (24, 25) mit einem Pulsationsdämpferabschnitt (58, 59) gekoppelt sind, so daß beim Abschalten des Stromflusses in der einen Spule durch den damit verbundenen Transistor die Energie, die nicht mit der anderen Spule gekoppelt ist, zum Pulsationsdämpferabschnitt (58, 59) entladen wird.

12. Maschine nach vorhergehenden Ansprüchen, die ein Motor ist, bei der die Schaltungseinrichtung so ausgeführt ist, daß sie einen in einer Richtung wirkenden Strom abwechselnd zu der einen Spule, um die magnetomotorische Kraft in der einen Richtung in einem ersten Erregungsmodus zu erzeugen, und zu der anderen Spule zugeführt wird, um die magnetomotorische Kraft in der entgegengesetzten Richtung in einem zweiten Erregungsmodus zu erzeugen, um eine kontinuierliche Drehung des Rotors zu bewirken.

13. Maschine nach einem der Ansprüche 2 bis 9, die ein Generator ist, bei der die Schaltungseinrichtung so ausgeführt ist, daß ein in einer Richtung wirkender Ausgangsstrom als Reaktion auf die Erzeugung der Ströme in der einen Spule und der anderen Spule während der kontinuierlichen Drehung des Rotors zugeführt wird.

14. Maschine nach vorhergehenden Ansprüchen, bei der die Feldmagneteinrichtung (10) eine Feldwicklung und eine weitere Schaltungseinrichtung umfaßt, die mit der Feldwicklung für das Verändern des Stromes in der Feldwicklung verbunden ist, um die Rotordrehzahl zu steuern.