DE19845044A1

DE19845044A1 - Reluktanzmotoren

Info

Publication number: DE19845044A1
Application number: DE19845044A
Authority: DE
Inventors: Norimoto Minoshima; Yasuharu Odachi
Original assignee: Toyoda Jidoshokki Seisakusho KK; Toyoda Automatic Loom Works Ltd
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 1997-10-01
Filing date: 1998-09-30
Publication date: 1999-04-15
Also published as: JPH11113228A; US6351053B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein elektrische Hochgeschwindigkeitsmotoren und genauer eine Technik, die die Drehmomentwelligkeit bei Hochgeschwindig keits-Reluktanzmotoren verringert.

Hochgeschwindigkeitsmotoren sind für eine Reihe von An wendungen sehr wünschenswert. Beispielsweise können Hoch geschwindigkeitsmotoren den Bedarf nach einem Getriebe (Transmissionsmechanismus) zum Erhalt der erforderlichen hohen Betriebsgeschwindigkeiten bei Maschinen oder Fahr zeugen beseitigen. Folglich kann die Maschine oder das Fahrzeug effizienter betrieben werden, da ein Leistungs verlust aufgrund von Reibung in dem Getriebe beseitigt ist. Insbesondere sind derartige Hochgeschwindigkeitsmo toren sehr für in der Webindustrie verwendete Spinnma schinen wünschenswert, bei denen hohe Betriebsgeschwin digkeiten erforderlich sind, um einen hohen Produktdurch satz zu erreichen.

Hochgeschwindigkeits-Reluktanzmotoren sind bekannt und für derartige Anwendungen besonders geeignet. Diese elek tromagnetisch angetriebenen Motoren sind dadurch gekenn zeichnet, daß sie einen Satz von Elektromagneten (üblicherweise um Eisenvorsprünge in dem Ständer des Mo tors gewickelte Leiterspulen) aufweisen, die derart er regt und aberregt werden, daß ein in der Mitte des Motor positionierter Eisenrotor in Drehung versetzt wird. Der artige bekannte Reluktanzmotoren werden allgemein mit rechteckförmigen Impulsen angetrieben.

Bei derartigen Reluktanzmotoren tritt theoretisch keine Drehmomentwelligkeit auf, falls die Statorspulen mit ge nauen Rechteckimpulsen betrieben werden. Jedoch wird bei bekannten Reluktanzmotoren eine Drehmomentwelligkeit er zeugt, wenn der Motor bei hoher Geschwindigkeit rotiert, da elektrischer Strom nicht unmittelbar verändert werden kann, um perfekte rechteckförmige Signalverläufe zu er zeugen.

Die Drehmomentwelligkeit führen zu Vibrationen, wobei bei erhöhter Drehmomentwelligkeit bekannte Reluktanzmotoren einer Fehlfunktion ausgesetzt werden können, wobei der Motor nicht gleichförmig in Übereinstimmung mit den Pha senänderungen der Statorspulen rotieren kann. Daher kann der Motor nicht bei der beabsichtigten Geschwindigkeit arbeiten. Zusätzlich können die aus einer unebenen Umdre hungszahl folgenden Betriebsgeräusche des Motors anstei gen.

Verschiedene Techniken wurden zur Verringerung der Drehmomentwelligkeit bei Hochgeschwindigkeits-Reluk tanzmotoren vorgeschlagen. Beispielsweise wird gemäß der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 8-322 171 die Drehmomentwelligkeit offensichtlich durch Vorsehen eines Schrägaufbaus an den Rotorpolen verringert. In der japa nischen Offenlegungsschrift Nr. 8-126 273 wird die Drehmomentwelligkeit offensichtlich durch Ausbildung von Schlitzen innerhalb jedes Rotorpols und Ausbildung eines Paars Vorsprünge an beiden Seiten der Spitze jedes Rotor pols verringert.

Jedoch erfordert gemäß dem ersten Dokument der Ablauf zur Ausbildung des Rotors, daß eine Anzahl von Stahlplatten mit unterschiedlichen Querschnitten geschichtet werden, wobei ein derartiger Herstellungsablauf kompliziert ist. Zusätzlich wird bei beiden Systemen die Drehmomentwellig keit nicht wirklich unterdrückt, wenn die Umdrehungszahl des Motors weiter erhöht wird. Somit besteht seit langem ein Bedarf nach dem Entwurf eines Hochgeschwindig keits-Reluktanzmotor, bei dem die Drehmomentwelligkeit bei ho hen Betriebsgeschwindigkeiten im wesentlichen oder voll ständig unterdrückt ist, und der wirtschaftlich herzu stellen ist. Ein derartiger Reluktanzmotor könnte eine kostengünstige und verläßliche Quelle für Hochgeschwin digkeitsleistung sein.

Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Reluktanzmotor bereit zustellen, der die Pro bleme des Stands der Technik überwindet oder zumindest wesentlich verringert.

Diese Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen an gegebenen Maßnahmen gelöst.

Derartige Probleme gemäß dem Stand der Technik können durch Auslegung eines Reluktanzmotors gemäß einem defi nierten Verhältnis zwischen den verschiedenen Teilen des Motors überwunden werden. Gemäß dem breitesten Aspekt ist die Breite oder der Verspreizungswinkel der Rotorpole derart ausgelegt, daß er/sie größer als die Breite oder der Verspreizungswinkel der Statorpole ist. Vorzugsweise liegt das Verhältnis der Breiten oder Verspreizungswinkel der Rotorpole und der Statorpole innerhalb eines bevor zugten Bereichs. Nachstehend sind Techniken zur Berech nung dieses bevorzugten Bereichs beschrieben.

Alternativ dazu wird ein Reluktanzmotor bereitgestellt, bei dem die Statorspulen mit Sinussignalverläufen oder im wesentlichen den Sinussignalverläufen ähnliche Signalver läufen angesteuert werden. Da Sinsussignalverläufe im Vergleich zu perfekten rechteckförmigen Signalverläufen relativ leicht zu erzeugen sind, kann ein Reluktanzmotor mit wenig oder gar keiner Drehmomentwelligkeit und somit wenig oder gar keiner Vibration bei hohen Betriebsge schwindigkeiten erzielt werden.

Wahlweise können beide dieser unabhängigen Merkmale zum Aufbau von Reluktanzmotoren verwendet werden. Derartige Motoren weisen ein definiertes Verhältnis zwischen den Breiten oder Verspreizungswinkel der Statorpole und der Rotorpole auf und werden mit Sinussignalverläufen oder im wesentlichen Sinussignalverläufen angesteuert. Derartige Reluktanzmotoren können unter Verwendung bekannter Tech niken zur Herstellung von Reluktanzmotoren zur Erzielung eines kostengünstigen, leisen und sehr zuverlässigen Hochgeschwindigkeitsmotors aufgebaut werden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbei spielen unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Ansicht eines Querschnitts eines gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel entworfenen Motors,

Fig. 2 eine Ansicht einer Ansteuerschaltung für den gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel entworfenen Motor,

Fig. 3(A) bis (G) Darstellungen des Einflusses des Ver spreizungswinkels eines Rotorpols auf den induktiven Si gnalverlauf der Statorspule,

Fig. 4 eine Querschnittansicht eines gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel entworfenen Motors,

Fig. 5(A) und (B) Querschnittansichten eines gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel entworfenen Motors und

Fig. 6 ein repräsentatives Beispiel für elektrischen Strom, der dem Motor zugeführt werden kann, wenn der Mo tor ohne Sensor angetrieben wird.

Hier allgemein beschriebene Reluktanzmotoren sollen sich auf Motoren beziehen, die im wesentlichen einen säulen förmigen Rotor aufweisen, der innerhalb einem im wesent lichen zylindrischen Rotor rotiert. Typischerweise sprin gen bei gleichen Abständen (Intervallen) um den Umfang des Rotors zumindest zwei Rotorpole von dem Rotor nach außen vor. Zumindest zwei Statorspulen springen von der inneren Bohrung des Stators bei gleichen Abständen inner halb des Umfangs des Stators vor. Statorspulen sind um jeden Statorpol gewickelt. Der Motor wird durch den durch Zufuhr elektrischen Stroms zu den Statorpolen verursach ten elektromagnetischen Einfluß in Drehung versetzt. Die Anzahl der Statorpole muß nicht notwendigerweise gleich der Anzahl der Rotorpole sein.

Zur Rotation der Reluktanzmotoren bei hoher Drehzahl sind die Breiten der Statorpole und der Rotorpole vorzugsweise in einem geeignetem Verhältnis ausgelegt. Im allgemeinen wurden die Rotorpole herkömmlich derart ausgelegt, daß sie eine Breite oder einen Verspreizungswinkel aufweisen, der gleich oder fast gleich der Breite oder den Versprei zungswinkeln der Statorpole ist. Zusätzlich sind bekannte Reluktanzmotoren derart ausgelegt, daß die Differenz in der Induktivität der Statorspule zwischen (1) dem Zu stand, in dem der Rotorpol dem Statorpol direkt gegen überliegt, und (2) dem Zustand, in dem der Rotorpol zwi schen zwei benachbarten Statorpolen positioniert ist, ma ximal ist. Weiterhin werden derartige bekannte Motoren mit recheckförmigen Signalverläufen angetrieben. Jedoch führt die Unfähigkeit zur Erzeugung perfekter rechtecki ger Signalverläufe zu einer Drehmomentwelligkeit und da her zu Vibrationen und Geräuschen bei hoher Drehzahl.

Deshalb werden gemäß einer ersten Ausgestaltung mit si nusförmigen oder im wesentlichen sinusförmigen Signalver läufen angesteuerte Reluktanzmotoren gelehrt. Derartige Signalverläufe sind einfach unter Verwendung bekannter Einrichtungen zur Erzeugung elektrischen Stroms zu erzeu gen und erlauben, daß Reluktanzmotoren hohe Betriebsge schwindigkeiten mit wenig oder gar keiner Drehmomentwel ligkeit erreichen.

Gemäß einer zweiten Ausgestaltung werden Reluktanzmotoren mit Rotorpolen gelehrt, die eine größere Breite als die der Statorpole aufweisen. Vorzugsweise, aber wahlweise, werden Reluktanzmotoren dieser Auslegung mit sinusförmi gen oder im wesentlichen sinusförmigen Signalverläufen betrieben.

Gemäß einer dritten Ausgestaltung werden Reluktanzmotoren gelehrt, die zumindest zwei Statorpole, die in der Sta torbohrung gleich oder im wesentlichen gleich voneinander beabstandet sind, und zumindest zwei Rotorpole aufweisen, die um den Umfang des Rotors gleich oder zumindest im we sentlichen gleich voneinander beabstandet sind. Die Brei te der Statorpole ist vorzugsweise durch einen ersten Verspreizungswinkel (θs) definiert, wobei die Breite der Rotorpole vorzugsweise durch einen zweiten Verspreizungs winkel (θr) definiert ist. Diese Verspreizungswinkel be stimmten die Breite der Pole des zylinderförmigen Stators und den säulenförmigen Rotors derart, daß der Versprei zungswinkel als der Winkel zwischen einer Linie, die von der Mitte des Rotors zu einer Kante eines Pols gezogen ist, und einer Linie definiert ist, die von der Mitte des Rotors zu der gegenüberliegenden Kante desselben Pols ge zogen ist.

Gemäß einer mehr bevorzugten Ausgestaltung dieser Lehre gilt für den ersten Verspreizungswinkel die Beziehung, daß θs gleich oder im wesentlichen gleich 2π/(m.Nr) ist, und für den zweiten Verspreizungswinkel gilt die Bezie hung (θs+π/Nr)/2 ≦ θr ≦ (π/Nr). Dabei ist Nr die Anzahl der Rotorpole und m die Anzahl der Phasen elektrischen Stroms, die zur Ansteuerung des Motors verwendet werden (wobei derselbe Ansteuersignalverlauf m-fach zur Ansteue rung der Statorspulen wie erforderlich und gewünscht ver schoben werden kann). Die untere Grenze für den zweiten Verspreizungswinkel kann ebenfalls als (2π/(m.Nr)+ π/Nr)/2 ausgedrückt werden. Obwohl in diesen Beziehungen die Verspreizungswinkel als Radianten definiert sind, ist für den Fachmann verständlich, daß jede herkömmliche geo metrische Beziehung verwendet werden kann.

Durch Einstellung der Abmessungen verschiedener Komponen ten des Motors entsprechend diesen Beziehungen weist die während der Rotation des Rotors in bezug auf den Stator gemessene Induktivität der Statorspule einen angenäherten Sinusverlauf auf. Daher wird das Drehmoment zur Rotation des Rotors ungeachtet der Winkelposition der Rotorpositi on im wesentlichen konstant, wenn ein im wesentlichen si nusförmiger Strom der Statorspule zugeführt wird. Folg lich kann die Drehmomentwelligkeit wirksam verringert werden, selbst wenn der Motor bei hohen Drehzahlen be trieben wird.

Für den Fachmann ist verständlich, daß gemäß dieser Lehre eine Vielzahl von Signalverläufen bzw. Wellenformen ver wendet werden können, die ähnlich einem Sinusverlauf sind. Beispielsweise kann der den Statorspulen zugeführte Ansteuersignalverlauf ein invertierter oder ein absoluter Sinusverlauf sein, bei dem die negativen Werte des sinus förmigen Wechselstroms zu positiven Werten umgewandelt sind. Da Cosinusverläufe dieselbe Form wie Sinusverläufe haben, sind derartige Signalverläufe in dieser Lehre selbstverständlich mit eingeschlossen. Im allgemeinen sind Signalverläufe mit einer allmählich ansteigenden und abfallenden Form besonders bevorzugt.

Wenn die Abmessungen der verschiedenen Komponenten bzw. Aspekte des Motors entsprechend dieser Lehre eingestellt werden, kann der Rotor entsprechend einfachen Formen und Entwürfen konstruiert werden. Während herkömmlich der Ro tor unter Verwendung bekannter Formen zur Verringerung der Drehmomentwelligkeit wie schräger Formen, Schlitze und/oder anderer Vorsprünge hergestellt werden kann, sind derartige komplizierte Entwürfe zur Verringerung der Drehmomentwelligkeit nicht erforderlich. Folglich kann die Herstellung und Produktion von Motoren unter Verwen dung dieser Lehre erheblich vereinfacht werden.

Jedes der vorstehend und nachstehend offenbarten zusätz lichen Merkmale oder Verfahrensschritte kann separat oder in Zusammenhang mit anderen Merkmalen und Verfahrens schritten zur Bereitstellung verbesserter Motoren und Verfahren zur Herstellung derartiger Motoren verwendet werden. Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung, die ei ne Vielzahl dieser zusätzlichen Merkmale und Verfahrens schritte zusammen verwendet, sind nachstehend unter Bezug auf die Zeichnung näher beschrieben. Diese ausführliche Beschreibung ist lediglich dazu gedacht, dem Fachmann die Einzelheiten zur Ausführung bevorzugter Ausgestaltungen der vorliegenden Lehre zu lehren und nicht zur Beschrän kung des Schutzumfangs der Erfindung gedacht. Lediglich die Ansprüche definieren den Schutzumfang der beanspruch ten Erfindung. Daher brauchen nachstehend ausführlich be schriebenen Kombinationen von Merkmalen und Schritten zur Ausführung der Erfindung im breitesten Sinne nicht erfor derlich zu sein. Diese werden statt dessen lediglich zur genauen Beschreibung von beispielhaften und bevorzugten Ausführungsbeispielen gelehrt.

Beispiel 1

Ein Reluktanzmotor gemäß einem ersten beispielhaften Aus führungsbeispiel weist einen im wesentlichen säulenförmi gen Rotor innerhalb einer im wesentlichen zylinderförmi gen Statorbohrung auf. Zumindest zwei Statorpole springen bei einem in Umfangsrichtung gleichen Abstand zueinander von der inneren Bohrung des Stators nach innen vor. Zu mindest zwei Rotorpole springen bei einem in Umfangsrich tung gleichen Abstand zueinander von dem äußeren Umfang des Rotors nach außen vor. Eine Statorspule ist um jeden Statorpol gewunden, wobei der Rotor durch Zufuhr von zu mindest zwei Phasen elektrischen Wechselstroms zu den Statorspulen in Drehung versetzt wird.

Vorzugsweise ist der erste Verspreizungswinkel der Sta torpole gemäß der Beziehung ausgelegt, daß θs gleich oder im wesentlichen gleich 2π/(m.Nr) ist, wobei der zweiten Verspreizungswinkel innerhalb des Bereichs (θs+π/Nr)/2 ≦ θr ≦ (π/Nr) ausgelegt ist. Dabei ist Nr die Anzahl der Rotorpole und m die Anzahl der Phasen elektrischen Stroms, die zur Ansteuerung des Motors verwendet werden. Die Verspreizungswinkel bestimmen die Breite der Stator- und Rotorpole durch Bilden eines Dreiecks mit der Mitte des Rotors und den zwei äußeren Kanten jeweils entweder des Statorpols oder des Rotorpols. Die Breite des Stator- oder Rotorpols ist die Grundseite des auf diese Weise ge bildeten Dreiecks. Vorzugsweise wird den Statorspulen elektrischer Strom mit einem sinusförmigen Signalverlauf oder einem umgewandelten sinusförmigen Signalverlauf zu geführt, um den Rotor in Drehung zu versetzen.

Fig. 1 zeigt eine Querschnittansicht eines Rotors R und eines Stators S eines Reluktanzmotors gemäß diesem Aus führungsbeispiel. Der Rotor R weist vorzugsweise eine im wesentlichen säulenartige Form (Säulenform) auf, wobei der in Fig. 1 gezeigte Querschnitt entlang der gesamten Länge in axialer Richtung im wesentlichen gleich ist. Ei ne (nicht gezeigte) Welle ist an die innere Bohrung des Rotors R angebracht, wobei beide Enden der Welle durch (nicht gezeigte) Lager gestützt sind. Gemäß diesem Bei spiel weist der Rotor R vier Rotorpole R1 bis R4 auf, die von dem äußeren Umfang des säulenförmigen Rotors R vor springen, wobei die vier Rotorpole R1 bis R4 um den Um fang des Rotors bei gleichen Abständen zueinander ange ordnet sind. Selbstverständlich ist der Konstrukteur hin sichtlich der Wahl der Anzahl der Rotorpole wie auch der Form der Rotorpole gemäß der hier vorgestellten Lehre frei.

Der Stator S weist vorzugsweise ebenfalls eine zylindri sche Form auf und umgibt oder schließt den Rotor R ein. Vorzugsweise weist der Stator S sechs Statorpole S1 bis S6 auf, die von der inneren Bohrung nach innen vorsprin gen, wobei die sechs Statorpole S1 bis S6 innerhalb des inneren Umfangs des Stators S bei gleichen Abständen zu einander angeordnet sind. Um die Statorpole S1 bis S6 sind jeweils Statorspulen C1 bis C6 (Fig. 2) gewunden. In Fig. 1 sind die Statorspulen zur vereinfachten Darstel lung weggelassen, obwohl die Statorspulen in dem Entwurf gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel eingeschlossen sind.

Wie in Fig. 2 gezeigt, bestehen die sechs Statorspulen C1 bis C6 vorzugsweise aus drei Spulenpaaren (C1/C4, C2/C5 und C3/C6). Jedes Spulenpaar ist vorzugsweise derart auf gebaut, daß die zwei Spulen einander gegenüberliegen. Vorzugsweise werden die drei Spulenpaare mit drei ver schiedenen elektrischen Stromphasen Iu, Iv und Iw ange steuert. Vorzugsweise wird für jedes Spulenpaar derselbe Signalverlauf verwendet, jedoch ist gemäß dieser Lehre die Phase für jedes Spulenpaar verschoben. Vorzugsweise ist der Ansteuersignalverlauf (Ansteuerverlauf, Ansteuer wellenform) sinusförmig oder im wesentlichen sinusförmig. Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel sind die Phasen der Sinusströme Iu, Iv und Iw vorzugsweise um 120 Grad von einander verschoben.

Fig. 2 zeigt als Beispiel eine Schaltung zur Erzeugung von Ansteuersignalverläufen, die den Statorspulen zuge führt werden. Der Strom aus einer Gleichstromquelle 2 wird in drei Sätze Signalverlaufserzeugungsschaltungen u, v und w verzweigt. In jeder Verzweigung können zwei Tran sistoren (I, II) zur Bildung der Signalverlaufserzeu gungsschaltung verwendet werden. Die sechs Transistoren können durch eine Pulsbreitenmodulation (PWM) durch eine Steuereinrichtung 4 gesteuert werden, wobei jede Phase (jeder Zweigstrom) Iu, Iv und Iw jedes Statorspulenpaar (jeweils C1/C4, C2/C5, C3/C6) ansteuert. Der Ansteuersi gnalverlauf ist im wesentlichen ein sinusförmiger Strom, wobei jedes Statorspulenpaar mit einem im wesentlichen sinusförmigen Strom angesteuert wird, der zu dem Strom für ein anderes Statorspulenpaar um 120 Grad phasenver schoben ist.

Somit beträgt bei dem Reluktanzmotor gemäß Fig. 1 die An zahl der Statorpole 6, die Anzahl der Rotorpole 4 und die Anzahl der Phasen des dem Motor zugeführten elektrischen Stroms 3. Wie in Fig. 1 gezeigt, liegt der erste Ver spreizungswinkel (θs) der Statorspule an der Mittelachse des Rotors und ist auf etwa 2π/(m.Nr) = π/6 rad oder 30° eingestellt. Weiterhin ist der zweite Verspreizungswinkel (θr) der Rotorpole auf gleich oder kleiner als π/Nr = π/4 rad oder 45° und gleich oder größer als (π/6 + π/4)/2 = 5π/24 oder 37,5° eingestellt. Somit wird, wie durch diese Beziehung gezeigt, der zweite Verspreizungswinkel größer als der erste Verspreizungswinkel.

Falls die Abmessungen verschiedener Komponenten des Motor in dem vorstehend beschriebenen Bereich eingestellt ist, verändert sich die während der Rotation des Rotors R in bezug auf den Stator S gemessene Induktivität jeder Sta torspule, beispielsweise im Fall der Statorspule C1 gemäß Fig. 2, im Einklang mit dem Rotationswinkel des Rotors R im wesentlichen sinusförmig. Die Induktivität wird zwi schen den Enden D1 und M der Statorspule C1 gemessen.

Die Vorteile gemäß der vorliegenden Lehre sind weiter un ter Bezug auf Fig. 3 beschrieben. Fig. 3(A) zeigt ein li neares Profil der Oberkante eines Statorpols. Zur Verein fachung der Beschreibung sind das runde Innere der Sta torbohrung und das runde Äußere des Rotors beide als fla che Oberflächen dargestellt. Wie vorstehend beschrieben, weist jeder Statorpol einen Verspreizungswinkel (θs) auf, der etwa gleich 2π/(m.Nr) ist. Zur Bereitstellung gleich förmiger Abstände zwischen benachbarten Statorpolen be trägt die Unterteilung oder der Verspreizungswinkel zwi schen den Mitten zweier benachbarter Statorpole 2π/Ns, wobei Ns die Anzahl der Statorpole ist.

Fig. 3(B) zeigt ein Rotorprofil eines bekannten Entwurfs, bei dem der Verspreizungswinkel des Rotorpols derart be stimmt wurde, daß die Differenz zwischen der Induktivität der Statorspule, die gemessen wird, wenn der Rotorpole dem Statorpol gegenüberliegt, und die Induktivität der Statorspule, die gemessen wird, wenn der Rotorpol an dem Mittelpunkt zwischen zwei benachbarten Statorspulen posi tioniert ist, maximal ist. Aus diesem Grund war der gemäß dem Stand der Technik verwendete Verspreizungswinkel (θr) des Rotorpols gleich oder etwas größer (üblicherweise um 1 bis 2 Grad) als der Verspreizungswinkel (θs) des Sta torpols eingestellt. Folglich kann die Induktivität stark schwanken und kann ein großes Drehmoment erzeugt werden, um den Rotor in Drehung zu versetzen. Die Unterteilung oder der Verspreizungswinkel zwischen zwei benachbarten Rotorpolen beträgt bei den bekannten Entwürfen 2π/Nr.

Jedoch weicht die in bezug auf den Rotationswinkel des Rotors erhaltene Schwankungskurve der Induktivität von einem Sinussignalverlauf stark ab, da bei derartigen be kannten Auslegungen der Rotorrotationswinkelbereich, in dem die Induktivität annähernd maximal ist, nicht mit dem Rotorrotationswinkelbereich übereinstimmt, in dem die In duktivität annähernd minimal ist. Bei einem Versuch zur Überwindung dieses Problems werden die Statorspulen mit rechteckförmigen Signalverläufen zur Erzeugung des den Rotor in Drehung versetzenden Drehmoments angesteuert. Daher verursacht bei niedrigen Drehzahlen die Tatsache, daß die Schwankungskurve der Induktivität der Statorspule stark von einem Sinussignalverlauf abweicht, keine ernst haften Problem hinsichtlich der Drehmomentwelligkeit. Das heißt, daß, falls der zugeführte Strom einen rechteckigen Signalverlauf aufweist, keine signifikante Drehmomentwel ligkeit erzeugt wird.

Jedoch muß bei Erhöhung der Rotationsgeschwindigkeit des Motors die Frequenz der rechteckförmigen Ansteuersignal verläufe erhöht werden, wobei die kontinuierliche Erzeu gung geeigneter rechteckförmiger Signalverläufe bei der art hohen Frequenzen übermäßig schwierig wird. Es ist be kannt, daß sich statt dessen die Ansteuersignalverläufe verschlechtern und abgeschrägte Flanken aufweisen. Folg lich wird den Statorspulen zu unkorrekten Zeitpunkten Energie zugeführt, wodurch die Drehmomentwelligkeit er zeugt wird.

Demgegenüber wurde das grundsätzliche Ansteuerungskonzept gemäß dem Stand der Technik durch die vorliegende Lehre drastisch verändert. Statt dessen wird der Winkelbereich der Rotorrotation, in dem die Induktivität fast maximal ist, angenähert übereinstimmend mit dem Winkelbereich der Rotorrotation ausgeführt, in dem die Induktivität fast minimal ist, wobei die in bezug auf den Rotationswinkel des Rotors erhaltene Schwankungskurve der Induktivität sich einem Sinussignalverlauf annähert. Durch Zufuhr von sinusförmigen Strom zu den Statorspulen und vorzugsweises Einstellen der Abmessungen verschiedener Komponenten des Motors entsprechend den vorstehend beschriebenen Bezie hungen wird das zwischen dem Rotor und dem Stator erzeug te Antriebsdrehmoment im wesentlichen konstant ungeachtet des Rotationswinkels des Rotors. Dieses Hauptkonzept ist nachstehend weiter entwickelt.

Fig. 3(C) zeigt ein Profil eines Rotorpols, in dem der Verspreizungswinkel (θr) auf die untere Grenze der vor stehend beschriebenen Gleichung gesetzt ist (π/Nr). In diesem Fall wird der Verspreizungswinkel zwischen zwei benachbarten Rotorpolen ebenfalls gleich π/Nr. In einem derartigen Fall fällt der Winkelbereich der Rotorrotati on, in dem der Rotorpol dem Statorpol gegenüberliegt (und daher die Induktivität der Statorspule maximal ist), im wesentlichen mit dem Winkelbereich der Rotorrotation zu sammen, in dem der Statorpol dem Abstand zwischen zwei benachbarten Rotorpolen gegenüberliegt und die Induktivi tät der Statorspule fast minimal ist. Somit nähert sich die Schwankungskurve der Induktivität in bezug auf den Rotationswinkel des Rotors einem Sinussignalverlauf, wo bei dieser Signalverlauf in Fig. 3(G) dargestellt ist.

Wenn sich der Rotorpol nahe an den Statorpol dreht, wird aufgrund eines von dem Statorpol zu dem Rotorpol diagonal gerichteten magnetischen Flusses eine Kraft erzeugt, be vor der Rotorpol dem Statorpol vollständig gegenüber liegt. Als Folge dieses diagonal orientierten magneti schen Flusses wird, selbst obwohl der Verspreizungswinkel (θr) des Rotorpols etwas kleiner als der Verspreizungs winkel des Abstands zwischen zwei benachbarten Rotorpolen ist, der Winkelbereich der Rotorrotation, in der die In duktivität der Statorspule fast maximal ist, im wesentli chen mit dem Winkelbereich der Rotorrotation übereinstim men, in dem die Induktivität der Statorspule fast minimal ist. Experimentelle Ergebnisse haben bestätigt, daß, wenn der Verspreizungswinkel (θr) des Rotorpols größer als (θs + π/Nr)/2 ist, die Induktivitätskurve sich einem Si nussignalverlauf annähert.

Fig. 3(F) zeigt eine Beziehung einer bevorzugten Ausge staltung dieser Lehre in bezug auf den Stand der Technik. Bei bekannten Reluktanzmotoren sind waren der Versprei zungswinkel der Rotorpole und der Verspreizungswinkel der Statorpole gleich zueinander eingestellt. Im Gegensatz dazu ist gemäß den bevorzugten Ausgestaltungen der vor liegenden Lehre der Verspreizungswinkel (θr) des Rotor pols größer ausgeführt als der Verspreizungswinkel (θs) des Statorpols. Wie vorstehend beschrieben beträgt die untere Grenze des Verspreizungswinkels (θr) des Rotorpols (θs + π/Nr)/2 (Punkt D in der Darstellung gemäß Fig. 3(F)) und die obere Grenze π/Nr (Punkt C in der Darstel lung gemäß Fig. 3(F)). Somit wird der Verspreizungswinkel (θr) des Rotorpols vorzugsweise derart ausgewählt, daß er in dem durch den Pfeil "f" in Fig. 3(F) angegebenen Be reich liegt.

Zur tatsächlichen Bestimmung des bevorzugten Versprei zungswinkels (θr) des Rotorpols für einen gegebenen Re luktanzmotor wird vorzugsweise ein arithmetisches Berech nungsprogramm verwendet. Die magnetischen Eigenschaften zwischen dem Rotor und dem Stator können zur Bestimmung eines geeigneten Verspreizungswinkels (θr) modelliert werden, der die erforderliche Leistung erfüllt. Dabei kann die arithmetische Berechnung in kurzer Zeit ohne Schwierigkeit erfolgen, da die obere Grenze und die unte re Grenze des Verschiebungswinkels des Rotorpols vorab bekannt sind.

Fig. 3(E) stellt die Winkelposition der Rotorrotation auf der Abszisse dar und zeigt Induktivitätskurven, bei denen die Induktivität der drei Phasen der Statorspulen jeweils auf der Ordinate aufgetragen ist. Falls der Versprei zungswinkel (θr) des Rotorpols innerhalb des Bereichs von (θs + π/Nr)/2 und π/Nr liegt, wird der Winkelbereich der Rotorrotation, in dem die Induktivität maximal ist, fast gleich dem Winkelbereich der Rotorrotation, in dem die Induktivität minimal ist. In den jeweiligen Phasen ist der Induktivitätssignalverlauf angenähert ein Si nussignalverlauf. Dabei sind die Phasen der drei Signal verläufe wieder um 120° voneinander verschoben.

Die Induktivitätssignalverläufe für die jeweiligen Phasen können durch die folgenden Gleichungen ausgedrückt wer den:

Lu = L0 + L1.cos (Nr.θm) + Σkn.cos (n.Nr.θm),
Lv = L0 + L1.cos( Nr.θm + 2π/3) + Σkn.cos (n.Nr.θm + 2π/3) und
Lw = L0 + L1.cos (Nr.θm - 2π/3) + Σkn.cos (n.Nr.θm - 2π/3).

Dementsprechend kann der während der jeweiligen Phasen zu geführte Ansteuerungsstrom durch die folgenden Gleichun gen ausgedrückt werden:

iu = √2.I0.cos(ωt + α),
iv = √2I0.cos(ωt + α - 2π/3) und
iw = √2I0.cos(ωt + α + 2π/3).

Dabei ist α eine Phase elektrischen Stroms in bezug auf den Rotationswinkel des Rotors und θm der Rotationswinkel des Rotors. Σ stellt eine Summationsfunktion in bezug auf n=1, 2, 3, . . . dar und k1, k2, k3, . . . sind harmo nische Koeffizienten.

In diesem Fall wird das Drehmoment T, um den Rotor in Drehung zu versetzen, durch die nachstehende Gleichung berechnet:

T = (3/4).L1.Nr.I0².sind(2ωt - Nr.θm + 2α) + Σ(3/4).kn.Nr.I0².sin(2ωt - n.Nr.θm + 2α).

Bei einem Synchronmotor wird allgemein eine Beziehung 2ωt = Nr.θm angewandt. Unter derartigen Bedingungen ist der erste Term in der vorstehend beschriebenen Gleichung konstant. Das heißt, daß das Drehmoment in dem ersten Term nicht von dem Rotationswinkel θm des Rotors abhängt. Außerdem sind die harmonischen Koeffizienten kn höherer Ordnung klein, da der Verspreizungswinkel θr des Rotors auf größer als (θs + π/Nr)/2 aber kleiner als π/Nr einge stellt ist und der Induktivitätssignalverlauf sich eng einem Sinussignalverlauf nähert. Daher ist der Wert des zweiten Terms der vorstehend beschriebenen Gleichung klein. Als Folge dieses Entwurfs ist die Drehmomentpul sierung oder die Drehmomentwelligkeit minimiert.

Gemäß dieser Gleichung für das Drehmoment T bestimmt das Quadrat des elektrischen Stroms das Drehmoment T. Daher kann der Signalverlauf des elektrischen Stroms ein abso luter Signalverlauf (oder ein nahe an diesen liegender Signalverlauf) sein, bei dem die negativen Werte des Si nussignalverlaufs zu positiven Werten geändert sind. Ge mäß dieser Beschreibung wird ein derartiger Signalverlauf als absoluter Sinussignalverlauf (Sinuswelle) oder umge wandelter Sinussignalverlauf bezeichnet. Wenn elektri scher Strom dem Motor als umgewandelter oder absoluter Sinussignalverlauf zugeführt wird, verändert sich die Po larität des Strom nicht, wobei eine Stromsteuerschaltung leicht aufgebaut werden kann.

Beispiel 2

Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ist ein Reluktanzmo tor mit sechs Statorpolen, vier Rotorpolen und drei Pha sen dem Motor zuzuführenden elektrischen Stroms aufge baut. Jedoch umfaßt die vorliegende Lehre eine Vielzahl von Beziehungen zwischen der Anzahl der Statorpole, der Rotorpole und der Phasen elektrischen Stroms, wobei die Parameter entsprechend besonderen Entwurfsvorzüge ausge wählt werden können.

Beispielsweise ist in Fig. 4 ein Beispiel dargestellt, bei dem die Anzahl der Statorpole 6, die Anzahl der Ro torpole 8 und die Anzahl der Phasen elektrischen Stroms 3 beträgt. Gemäß diesem zweiten Beispiel ist der Versprei zungswinkel (θs) des Statorpols derart berechnet, daß er gleich oder im wesentlichen gleich 2π/(m.Nr) = 15° ist. Vorzugsweise ist gemäß experimentellen Ergebnissen der erste Verspreizungswinkel auf etwa 14,9° eingestellt. Weiterhin ist auf der Grundlage experimenteller Ergebnis se der Verspreizungswinkel (θr) des Rotorpols auf etwa 21,2° eingestellt, was niedriger als π/Nr = 180°/8 = 22,5° und mehr als der Durchschnittswert (in diesem Fall 18,8°) von θs (in diesem Fall 15°) und π/Nr (in diesem Fall 22,5°). Durch Einstellung der Abmessungsfaktoren in nerhalb des vorstehend beschriebenen Bereichs nähert sich der Induktivitätssignalverlauf eng an einen sinusförmigen Signalverlauf, wobei die harmonischen Koeffizienten der Induktivitätssignalverlaufs klein sind. Daher wird die Drehmomentwelligkeit wesentlich verringert, da das Drehmoment T zur Rotation des Rotors konstant oder gleichförmig wird und nicht von dem Rotationswinkel des Rotors abhängt.

Beispiel 3

Fig. 5 zeigt ein Beispiel, bei dem der äußere Umfang des Rotors durch Einfüllen von Harz 50 in konkave Abschnitte zwischen den von dem äußeren Umfang des Rotors vorsprin genden Rotorpolen glatt ausgeführt ist. Fall der äußere Umfang des Rotors eine glatte Oberflächenbeschaffenheit aufweist, werden Geräusche aufgrund der Motorrotation (die aus den Luft verwirbelnden Kanten des Rotors folgen) unterdrückt, selbst wenn der Rotor bei hoher Geschwindig keit in Drehung versetzt ist. Somit kann diese Fülltech nik wahlweise zur Verringerung von Geräuschen verwendet werden. Zusätzlich wird die mechanische Festigkeit des Rotors erhöht, wobei der Rotor Beschädigungen steht, selbst wenn er bei hoher Drehzahl rotiert.

Bei diesem Aufbau können vorteilhafterweise Aussparungen x entlang den Seiten der Rotorpole vorgesehen werden, da mit verhindert wird, daß das Harz 50 aufgrund der Zentri fugalkraft verdrängt wird. Weiterhin resultiert fast kein Einfluß aus den vorstehend beschriebenen Aussparungen x, falls die Dicke Rt der Oberkante des Rotorpols, der eine die Beziehung (θs + π/Nr)/2 ≦ θr ≦ (π/Nr) erfüllende Breite aufweist, größer als das zwei- oder mehrfache als die zwischen den Statorpolen und Rotorpolen ausgebildete Lücke ausgeführt wird. Der Induktivitätssignalverlauf nimmt einen sinusförmigen Signalverlauf an und verursacht eine Verringerung der Drehmomentwelligkeit.

Falls die Abmessungen des Motors in dem hier offenbarten Bereich eingestellt werden, kann die Drehmomentwelligkeit verringert werden. Zusätzlich sind Techniken zur Herstel lung eines Motors offenbart, der kontinuierlich bei einer festen Geschwindigkeit leise rotiert. Weiterhin kann die Haltbarkeit des Motors stark verbessert werden. Daher kann ein Sensor zur Erfassung der Winkelposition des Ro tors entfallen, der bei bekannten Entwürfen vorhanden war.

Falls elektrischer Strom gemäß Fig. 6 dem Motor zugeführt wird, ist es möglich, fast vollständig jede Fehlfunktion des Motors zu verhindern, wobei kein Sensor zur tatsäch lichen Verwendung erforderlich ist. Obwohl zur verein fachten Darstellung lediglich eine Phase des elektrischen Stroms in Fig. 6 gezeigt ist, sind die anderen Phasen in bezug auf die gezeigte Kurve um 120 Grad verschoben. Durch kontinuierliche Zufuhr von elektrischen Strom mit festem Pegel während der Periode "a" wird die Winkelposi tion bei einem konstanten Winkel initialisiert. Während der Periode "b" wird die Motordrehzahl allmählich erhöht. Die Periode "c" zeigt den Zustand, in dem der Motor bei einer konstanten hohen Geschwindigkeit rotiert und die Frequenz des elektrischen Stroms auf eine konstante Rate beibehalten wird. Somit kann durch Zufuhr elektrischen Stroms zu dem Motor gemäß der Funktion gemäß Fig. 6 die Drehmomentwelligkeit verringert werden, Fehlfunktionen des Motors signifikant verringert werden und der Motor gleichförmig und leise ohne einen Sensor zur Erfassung der Winkelposition des Rotors rotieren. Daher kann ein sensorloser Reluktanzmotor verwirklicht werden.

Außerdem ist keine besondere Leistungsausrüstung erfor derlich, da der Motor unter Verwendung von sinusförmigen Strom angesteuert wird, wobei der Anwendungsbereich für den Motor bemerkenswert erweitert werden kann.

Vorstehend wurde ein Reluktanzmotor beschrieben, bei dem Statorspulen mit sinusförmigen oder im wesentlichen si nusförmigen Signalverläufen angesteuert werden. Vorzugs weise ist der Verspreizungswinkel der Statorpole geringer als der Spreizungswinkel der Rotorpole. Weiter vorzugs weise sind die Verspreizungswinkel θs der Statorpole S1 bis S6 und der Verspreizungswinkel θr der Rotorpole R1 bis R6 derart eingestellt, daß θs angenähert gleich 2π/(m.Nr) und θr etwa im Bereich (2π/(m.Nr) + π/Nr)/2 ≦ θr ≦ (π/Nr) liegt, wobei es sich bei Nr um die Anzahl der Ro torpole und bei m um die Anzahl der Phasen des elektri schen Stroms handelt. Durch Zufuhr eines sinusförmigen oder annähernd sinusförmigen Ansteuersignalverlaufs zu den Statorspulen wird das Drehmoment relativ konstant und hängt nicht von der Winkelposition der Rotation des Ro tors ab. Daher wird die Drehmomentwelligkeit wirksam ver ringert.

Claims

1. Motor
gekennzeichnet durch
zumindest zwei Statorpole (S1 bis S6), die bei glei chen oder im wesentlichen gleichen Abständen von einem inneren Umfang eines im wesentlichen zylindrischen Stator (S) vorspringen,
um jeden der Statorpole gewundene Statorspulen (C1 bis C6), wobei die Statorspulen Strom mit zumindest zwei Phasen leiten können,
zumindest zwei Rotorpole (R1 bis R4), die bei glei chen oder im wesentlichen gleichen Abständen von einem äußeren Umfang eines Rotors (R) vorspringen, wobei der Rotor durch magnetischen Fluß beeinflußt wird, der durch Leiten von Strom durch die Statorspulen erzeugt wird, wo bei
der Rotor durch Ansteuern der Statorspulen mit si nusförmigen oder im wesentlichen sinusförmigen Signalver läufen in Drehung versetzt wird.

2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorspulen einen ersten Verspreizungswinkel in bezug auf die Mitte des Rotors aufweisen und die Rotorpo le einen zweiten Verspreizungswinkel in bezug auf die Mitte des Rotors aufweisen, wobei der zweite Versprei zungswinkel größer als der erste Verspreizungswinkel ist.

3. Motor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Verspreizungswinkel angenähert gleich 2π/(m.Nr) ist, wobei es sich bei m um die Anzahl der Stromphasen und bei Nr um die Anzahl der Rotorpole han delt.

4. Motor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Verspreizungswinkel in dem Bereich von etwa (2π/(m.Nr) + π/Nr)/2 ≦ θr ≦ (π/Nr) liegt, wobei es sich bei m um die Anzahl der Stromphasen und bei Nr um die Anzahl der Rotorpole handelt.

5. Motor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Verspreizungswinkel angenähert gleich 2π/(m.Nr) ist und der zweite Verspreizungswinkel in dem Bereich (2π/(m.Nr) + π/Nr)/2 ≦ θr ≦ (π/Nr) liegt, wobei es sich bei m um die Anzahl der Stromphasen und bei Nr um die Anzahl der Rotorpole handelt.

6. Motor,
gekennzeichnet durch
zumindest zwei Statorpole (S1 bis S6), die bei glei chen oder im wesentlichen gleichen Abständen von einem inneren Umfang eines im wesentlichen zylindrischen Stator (S) vorspringen,
um jeden der Statorpole gewundene Statorspulen (C1 bis C6), wobei die Statorspulen Strom mit zumindest zwei Phasen leiten können,
zumindest zwei Rotorpole (R1 bis R4), die bei glei chen oder im wesentlichen gleichen Abständen von einem äußeren Umfang eines Rotors (R) vorspringen, wobei der Rotor durch magnetischen Fluß beeinflußt wird, der durch Leiten von Strom durch die Statorspulen erzeugt wird, wo bei
die Statorspulen einen ersten Verspreizungswinkel in bezug auf die Mitte des Rotors aufweisen und die Rotorpo le einen zweiten Verspreizungswinkel in bezug auf die Mitte des Rotors aufweisen, wobei der zweite Versprei zungswinkel größer als der erste Verspreizungswinkel ist.

7. Motor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Verspreizungswinkel angenähert gleich 2π/(m.Nr) ist, wobei es sich bei m um die Anzahl der Stromphasen und bei Nr um die Anzahl der Rotorpole han delt.

8. Motor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Verspreizungswinkel in dem Bereich von (2π/(m.Nr) + π/Nr)/2 ≦ θr ≦ (π/Nr) liegt, wobei es sich bei m um die Anzahl der Stromphasen und bei Nr um die An zahl der Rotorpole handelt.

9. Motor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Verspreizungswinkel angenähert gleich 2π/(m.Nr) ist und der zweite Verspreizungswinkel in dem Bereich (2π/(m.Nr) + π/Nr)/2 ≦ θr ≦ (π/Nr) liegt, wobei es sich bei m um die Anzahl der Stromphasen und bei Nr um die Anzahl der Rotorpole handelt.

10. Motor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweiligen den Statorspulen zugeführten Stromphasen einen sinusförmigen oder im wesentlichen si nusförmigen Signalverlauf aufweisen.

11. Motor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Verspreizungswinkel angenähert gleich 2π/(M Nr) ist, wobei es sich bei m um die Anzahl der Stromphasen und bei Nr um die Anzahl der Rotorpole han delt.

12. Motor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Verspreizungswinkel in dem Bereich von (2π/(m.Nr) + π/Nr)/2 ≦ θr ≦ (π/Nr) liegt, wobei es sich bei m um die Anzahl der Stromphasen und bei Nr um die An zahl der Rotorpole handelt.

13. Motor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Verspreizungswinkel angenähert gleich 2π/(m.Nr) ist und der zweite Verspreizungswinkel in dem Bereich (2π/(m.Nr) + π/Nr)/2 ≦ θr ≦ (π/Nr) liegt, wobei es sich bei m um die Anzahl der Stromphasen und bei Nr um die Anzahl der Rotorpole handelt.

14. Motor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweiligen den Statorspulen zugeführten Stromphasen einen absoluten sinusförmigen Signalverlauf aufweisen.

15. Motor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Umfang des Rotors durch Füllen von konka ven Abschnitten zwischen den Rotorpolen glatt ausgeführt ist.