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DE69603854T2 - Geschalteter reluktanzmotor mit indirekter postionsmessung und magnetischer bremse - Google Patents

Geschalteter reluktanzmotor mit indirekter postionsmessung und magnetischer bremse

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Publication number
DE69603854T2
DE69603854T2 DE69603854T DE69603854T DE69603854T2 DE 69603854 T2 DE69603854 T2 DE 69603854T2 DE 69603854 T DE69603854 T DE 69603854T DE 69603854 T DE69603854 T DE 69603854T DE 69603854 T2 DE69603854 T2 DE 69603854T2
Authority
DE
Germany
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current
coil
rotor
auxiliary coil
auxiliary
Prior art date
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Application number
DE69603854T
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Inventor
Roy Mccann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Valeo Electrical Systems Inc
Original Assignee
ITT Automotive Electrical Systems Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ITT Automotive Electrical Systems Inc filed Critical ITT Automotive Electrical Systems Inc
Publication of DE69603854D1 publication Critical patent/DE69603854D1/de
Application granted granted Critical
Publication of DE69603854T2 publication Critical patent/DE69603854T2/de
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02PCONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/14Electronic commutators
    • H02P6/16Circuit arrangements for detecting position
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • HELECTRICITY
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    • H02K3/18Windings for salient poles
    • H02K3/20Windings for salient poles for auxiliary purposes, e.g. damping or commutating

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Control Of Electric Motors In General (AREA)
  • Synchronous Machinery (AREA)

Description

    HINTERGRUND DER ERFINDUNG 1. Gebiet der Erfindung
  • Diese Erfindung betrifft Schaltreluktanzmotoren, und insbesondere einen Schaltreluktanzmotor, welcher einen indirekten Läuferpositionssensor besitzt und mit einer Magnetbremse ausgerüstet ist.
  • 2. Beschreibung des Standes der Technik
  • Schaltreluktanzmotoren kommen in einer Vielzahl von Anwendungen zum Einsatz. Eine solche Anwendung beinhaltet ein Automobil-Hydrauliksteuersystem. Derartige Systeme werden typischerweise beispielsweise durch einen Kolben gesteuert, welcher mittels eines Motors über einen Rotations-auf-Linear-Bewegungswandler angetrieben wird. Ein Beispiel eines solchen Getriebes ist ein Kugelmutter-Gewindespindel-Getriebe. Schaltreluktanzmotoren sind bei derartigen Anwendungen nützlich, da sie in einem breiten Geschwindigkeitsbereich arbeiten können. Schaltreluktanzmotoren sind auch von Nutzen, da sie mit einer Niederspannungsquelle betrieben werden können, die typischerweise bei Automobil- Systemen vorgefunden wird. Weiter besitzen Schaltreluktanzmotoren ein hohes Drehmoment-Trägheits-Verhältnis im Vergleich zu herkömmlichen Gleichstrommotoren, was für eine schnelle Systemansprechzeit sorgt.
  • Die Verwendung von herkömmlichen Schaltreluktanzmotoren bei derartigen Anwendungen weist einige Einschränkungen auf und beinhaltet verschiedene Unzulänglichkeiten und Nachteile. Damit ein Schaltreluktanzmotor bei hoher Drehzahl mit einer Niederspannungsquelle betrieben werden kann, beinhaltet er notwendigerweise leitende Spulenwicklungen mit relativ wenigen Leiterdraht-Windungen um jeden Statorpol. Das Vorsehen einer geringen Anzahl von Windungen führt zu großen Stationärzustand-Halteströmen unter Bedingungen, bei denen der Motor einen hohen Systemdruck aufrecht erhalten muß. Zur Anpassung an derart hohe Halteströme muß die Motoransteuerelektronik eine große Wärmeabführkapazität aufweisen. Dies bringt unerwünschte zusätzliche Bauteile und Kosten mit sich. Beispielsweise muß ein Zwangs-Flüssigkeits- oder Luftkühlsystem enthalten sein, um eine Kompensation für den erforderlichen großen Stationärzustand-Haltestrom zu schaffen.
  • Ein weiterer mit herkömmlichen Schaltreluktanzmotoren zusammenhängender Nachteil ist, daß eine separate mechanische Brems- oder Kupplungsvorrichtung verwendet wird, um die Motorwelle in einer speziellen Position zu verriegeln, wenn der Motor einen hohen Systemdruck aufrecht erhalten muß. Auch wenn dadurch, daß eine derartige mechanische Bremsvorrichtung vorhanden ist, die Anforderung an die Wärmeabfuhr der Elektronik vermindert wird, bewirkt dies das Einbringen von zusätzlichen Bauteilen in das System, was die Montage erschwert, den Raumbedarf erhöht und weitere Wirtschaftlichkeitsfaktoren beeinträchtigt.
  • Schaltreluktanzmotoren werden elektronisch kommutiert und daher muß eine Einrichtung für die Läuferpositionserfassung vorgesehen sein. Bisherige Versuche zur Bestimmung der Läuferposition beinhalten Vorrichtungen zur direkten Positionserfassung wie etwa optische Codierer oder Resolver, welche eine Läuferposition messen. Derartige Vorrichtungen sind oft nicht erwünscht, da sie zusätzliche Bauteile in das System einbringen und daher zusätzliche Kosten bewirken. Verschiedene Versuche zur Verwendung eines indirekten Läuferpositions- Erfassungsverfahrens beinhalten die Verwendung eines kein Drehmoment erzeugenden Hauptstrangwicklungsstroms zur Erzeugung eines Positionssignals (siehe US-A-5 291 115). Der Hauptnachteil, der mit derartigen bekannten indirekten Erfassungsverfahren verbunden ist, beinhaltet, daß es erforderlich ist, zur Erzeugung eines Läuferpositionssignals relativ geringe Meßströme zu verwenden. Da der kein Drehmoment erzeugende Statorpol vom übrigen System nicht elektrisch isoliert ist, besteht eine inhärente Wahrscheinlichkeit für eine von elektrischem Rauschen herrührende Störung. Da der verwendete Meßstrom notwendigerweise gering ist, kann der Rauschabstand unerwünscht klein sein. Mit anderen Worten beinhalten derartige indirekte Erfassungsverfahren eine unerwünscht hohe Wahrscheinlichkeit für das Einbringen eines Fehlers in die Läuferpositionsbestimmung.
  • Daher stellt diese Erfindung einen Schaltreluktanzmotor und ein Verfahren bereit, welche die oben erörterten Nachteile überwinden. Ein Schaltreluktanzmotor, der in Übereinstimmung mit der Erfindung ausgelegt ist und in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet wird, liefert viele bedeutende Vorteile.
  • INHALT DER ERFINDUNG
  • Diese Ziele werden durch die Merkmale der Ansprüche 1, 9 und 18 erreicht.
  • Im Ganzen gesehen, beinhaltet ein Schaltreluktanzmotor, welcher in Übereinstimmung mit der Erfindung ausgelegt ist, einen Läufer, der sich um eine Achse dreht und eine Mehrzahl von Läuferpolen besitzt. Ein Stator, welcher um die Läuferachse stationär ist, umgibt insgesamt den Läufer. Der Stator beinhaltet eben falls eine Mehrzahl von Polen und die Läuferpole bewegen sich in einen mit den Statorpolen fluchtenden Zustand hinein und heraus, wenn sich der Läufer um seine Achse dreht. Eine stromleitende Hauptspule, welche eine erste Induktivität besitzt, ist um mindestens einen der Statorpole angeordnet. Eine stromleitende Hilfsspule ist um den gleichen Statorpol angeordnet, derart, daß das Induktivitätsverhältnis der Hauptspule zur Hilfsspule konstant ist, und zwar ungeachtet der Position der Läuferpole relativ zu den Statorpolen. Die Hilfsspule besitzt eine zweite Induktivität, welche größer ist als die Induktivität der Hauptspule.
  • Eine selektiv steuerbare Stromquelle erregt jeweils voneinander unabhängig die Hauptspule und die Hilfsspule, um dadurch einen magnetischen Fluß zu erzeugen, welcher steuert, ob sich der Läufer relativ zum Stator um seine Achse dreht. Ein Spannungsdetektor bestimmt eine Spannung über der Hilfsspule, wenn die Hilfsspule durch die Stromquelle erregt wird. Eine Einrichtung zur Bestimmung einer Differenz zwischen einem Stromphasenwert, welcher einem Strom in der Hilfsspule zugeordnet ist, und einem Spannungsphasenwert, welcher der Spannung über der Hilfsspule zugeordnet ist, liefert ein Signal, welches die Position der Läuferpole relativ zu den Statorpolen angibt.
  • Das dieser Erfindung zugehörige Verfahren zum Steuern eines Schaltreluktanzmotors beinhaltet vier Grundschritte. Zuerst wird eine Hauptspule, welche um einen Statorpol angeordnet ist, derart erregt, daß sich ein bewegungsinduzierender Strom in der Hauptspule einstellt. Der Strom in der Hauptspule bewirkt, daß sich ein Läufer relativ zum Statorpol dreht. Zweitens wird bestimmt, ob der Läufer einen vorgewählten Rotationszustand erreicht hat. Als nächstes wird eine Hilfsspule, welche derart um denselben Statorpol angeordnet ist, daß ein konstantes Induktionsverhältnis der Hauptspule zur Hilfsspule hergestellt wird, erregt, so daß sich ein Strom in der Hilfsspule einstellt. Der Strom in der Hilfsspule sorgt dafür, daß der Läufer im vorgewählten Rotationszustand bleibt. Zuletzt wird die Hauptspule entregt, sobald die Hilfsspule ausreichend erregt ist, um den Läufer im vorgewählten Rotationszustand zu halten.
  • Ein Schaltreluktanzmotor, der in Übereinstimmung mit der Erfindung ausgelegt und zur Durchführung des der Erfindung zugehörigen Verfahrens verwendet wird, liefert bedeutende Vorteile gegenüber dem Stand der Technik. Die Erfindung liefert eine genauere indirekte Läuferpositionserfassung, ist mit einer magnetischen Sperrvorrichtung ausgerüstet, welche den Motorstrom bei Zuständen großer statischer Belastung vermindert, verbessert die thermische Leistungsfähigkeit eines Motors, liefert einen ruhigeren Motorbetrieb, verbessert das Motorzeitverhalten gegenüber großer statischer Belastung, verbessert die Zuverlässigkeit des Motorsystems und sorgt für ein kleineres Gesamtvolumen des Motorsystems.
  • Diese und weitere Merkmale und Vorteile dieser Erfindung gehen für Fachleute aus der folgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen und den anliegenden Zeichnungen hervor.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Fig. 1 ist eine Querschnittansicht von ausgewählten Teilbereichen eines in Übereinstimmung mit der Erfindung ausgelegten Schaltreluktanzmotors.
  • Fig. 2 ist eine Detailansicht eines Teilbereichs der Darstellung von Fig. 1.
  • Fig. 3 ist ein Blockdiagramm, welches darstellt, wie der in Übereinstimmung mit der Erfindung ausgelegte Schaltreluktanzmotor in einem Automobil- System angewandt werden kann.
  • Fig. 4 ist eine schematische Darstellung eines in Übereinstimmung mit der Erfindung ausgelegten Schaltreluktanzmotorsystems.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Fig. 1 stellt in Querschnittansicht einen Läufer 10 mit einer Mehrzahl von Läuferpolen 12 dar. Ein Stator 14, welcher eine Mehrzahl von Statorpolen 16 besitzt, ist stationär und umgibt insgesamt Läufer 10. Spulenwicklungen 18 sind um ein gegenüberliegendes Paar von Statorpolen 16 gewunden. Auch wenn speziell lediglich ein Paar oder Strang von Wicklungen 18 dargestellt ist, ist es für einen Fachmann klar, daß um jeden Statorpol 16 eine Wicklung angeordnet ist.
  • Wenn die Wicklungen 18 erregt werden, stellt sich ein Stromfluß ein und eine magnetomotorische Kraft wird erzeugt, welche bewirkt, daß sich der Läufer 10 um die Läuferachse 20 dreht. Der Läufer 10 dreht sich um die Läuferachse 20, da die magnetomotorische Kraft ein Paar von gegenüberliegenden Läuferpolen 12 in einen fluchtenden Zustand mit einem Paar von gegenüberliegenden Statorpolen 16 bringt. Eine Reihe von Strängen oder Wicklungen werden elektrisch kommutiert, so daß sich der Läufer 10 in herkömmlicher Weise um die Läuferachse 20 dreht.
  • Fig. 2 stellt detaillierter die Beschaffenheit von Wicklungen 18 dar, welche in Übereinstimmung mit der Erfindung ausgelegt sind. Eine Hauptspule 22 enthält eine Anzahl von um den Statorpol 16 angeordneten Wicklungen. Hilfsspulenwicklungen 24 sind zwischen den Hauptspulenwicklungen 22 angeordnet. Wie aus der Darstellung zu ersehen, gibt es im Vergleich zur Anzahl der Hauptspulenwicklungen 22 eine größere Anzahl von Hilfsspulenwicklungen 24. Auch ist der Durchmesser der Hilfsspulenwicklungen 24 vorzugsweise geringer als der Durchmesser der Hauptspulenwicklungen 22. Es ist möglich, die Anzahl der Spulenwicklungen und/oder die Größe der Haupt- und Hilfsspulenwicklungen zu verändern, unter der Voraussetzung, daß die Hilfsspule eine höhere Induktivität besitzt und ein konstantes Induktivitätsverhältnis zwischen der Hauptspule und der Hilfsspule erhalten bleibt, und zwar ungeachtet der Position des Läufers relativ zu den Statorpolen. Die Hauptspulenwicklungen 22 werden verwendet, um eine elektromotorische Kraft zu erzeugen, welche bewirkt, daß sich der Läufer 10 um die Läuferachse 20 dreht, wie nachstehend detaillierter beschrieben wird. Hilfsspulenwicklungen 24 werden verwendet, um die Position der Läuferpole 12 relativ zu den Statorpolen 16 indirekt zu bestimmen und um das Motordrehmoment unter hydrostatischen Belastungsbedingungen beizubehalten, wie nachstehend detaillierter beschrieben wird.
  • Fig. 3 stellt in Blockdiagrammform dar, wie ein in Übereinstimmung mit der Erfindung ausgelegter Schaltreluktanzmotor in einer Anwendung für ein Automobil- Hydrauliksystem verwendet werden kann. Ein Eingangs-Drucksignal 26 wird durch ein geeignetes Steuermodul wie etwa eine elektronische Steuereinrichtung geliefert, welches eine Schritteingabe ist, die einem maximalen Systemdruckwert entspricht. Ein Fehlersignal 28 wird durch eine Pa-Steuereinrichtung 30 verarbeitet, um bei 32 ein Motorsteuersignal zu erzeugen. Das Motorsteuersignal (Vin) wird durch ein Schaltreluktanzmotorsystem 34 verarbeitet, derart, daß (bei 36) ein geeignetes Motordrehmoment erzeugt wird, um das Hydrauliksystem 38 geeignet anzutreiben. Das Hydrauliksystem 38 erzeugt einen Ausgangsdruck 40, welcher auch durch einen Druckmeßumformer 42 in einer Rückführschleife verarbeitet wird, die für eine genauere Drucksteuerung sorgt.
  • Fig. 4 stellt detaillierter ein Schaltreluktanzmotorsystem 34 dar. Ein Mikrocomputer 50 ist mit der Leistungselekronik-Ansteuerschnittstelle 52 gekoppelt. Die Ansteuerschnittstelle 52 wird verwendet, um die verschiedenen um die Statorpole angeordneten Stränge der Wicklungen zu kommutieren, um die Drehung des Läu fers 10 um die Läuferachse 20 zu steuern. Fig. 4 stellt schematisch die Hauptspule 54 und die Hilfsspule 56 dar. Ein Spannungsdetektor und Analog/Digital-Wandler 58 ist geeignet gekoppelt, um eine über der Hilfsspule 56 anliegende Spannung zu erfassen, wenn die Hilfsspule 56 mittels des Mikrocomputers 50 über die Leistungselekronik-Ansteuerschnittstelle 52 erregt wird. Ein vom Spannungsdetektor 58 erzeugtes Spannungsphasensignal wird vom Mikrocomputer 50 verwendet wie nachstehend beschrieben. Eine Strommeß- und Aufbereitungseinrichtung 60 wird zum Teil dazu verwendet, gewisse Kennwerte des sich in der Haupt- 54 bzw. der Hilfsspule einstellenden Stroms zu bestimmen. Der übrige Teil der in Fig. 4 dargestellten Schaltung 62 ist von herkömmlicher bei Motoren vom Schaltreluktanztyp verwendeter Art. Die verschiedenen von der Leistungselekronik- Ansteuerschnittstelle 52 kommenden Anschlüsse 64 werden zur Erregung von weiteren auf den verschiedenen Statorpolen 16 befindlichen Strängen (d. h. weiteren Haupt- und Hilfsspulen) verwendet; auch wenn lediglich ein einziger Wicklungsstrang dargestellt ist, findet die Erfindung Anwendung auf Schaltreluktanzmotoren mit einer beliebigen Anzahl von Strängen.
  • Die grundlegende Funktionsweise des erfindungsgemäßen Systems wird nachfolgend beschrieben. Es sei angenommen, daß das System in Fig. 3 einen Anfangszustand besitzt, bei dem der Motorstrom, der Systemdruck und die Motorwellengeschwindigkeit null ist. Ein Motorsteuersignal 32 gibt die gewünschte Änderung des Systemdrucks und somit der Motorwellengeschwindigkeit an. Das Motorsteuersignal 32 wird durch den Mikrocomputer 50 verarbeitet. Der Mikrocomputer 50 schickt geeignete elektronische Signale an die Leistungselekronik- Ansteuerschnittstelle 52, welche die zeitliche Abfolge und die Reihenfolge der Erregung der Motor-Hauptstränge 54 steuert. Wenn die Motor-Hauptstränge 54 erregt sind, beschleunigt der Motor und der Systemdruck steigt an. Die Motorgeschwindigkeit nimmt mit einer Rate zu, welche eine schnelle Systemansprechzeit auf das Schritteingangssignal bei 26 gewährleistet. Die Hauptstrangwicklungen 54 sind vorzugsweise derart ausgelegt, daß eine hohe Motorspitzengeschwindigkeit für ein Niederspannungssystem, etwa ein System mit einer 12 Volt-Stromquelle, möglich ist.
  • Der Mikrocomputer 50 besitzt vorzugsweise einen indirekten Läuferpositionsalgorithmus, der in einem internen Programmspeicher gespeichert ist. Der indirekte Läuferpositionsalgorithmus beruht auf einer Bestimmung der Position der Läuferpole 12 relativ zu den Statorpolen 16. Die Hilfswicklungen 56 werden verwendet, um die Läuferpolposition relativ zu den Statorpolen zu bestimmen. Der Mikrocomputer 50 bewirkt, daß ein Meßstrom in die Hilfsspule 56 eingebracht wird, welche einer erregten Hauptspule 54 entspricht. Dieser Meßstrom ist klein relativ zum Strom in der Hauptstrangwicklung 54, der ein Drehen des Läufers 10 um die Läuferachse 20 bewirkt. Der Spannungsdetektor und Analog-Digital- Wandler 58 bestimmt eine Spannung über der Hilfsspule 56, welche aus dem eingebrachten Meßstrom resultiert. Die Differenz zwischen einem Spannungsphasenwert (wie durch 58 erfaßt und durch den Mikrocomputer SO verarbeitet) und einem Stromphasenwert des in die Hilfsstrangwicklung 56 eingebrachten Meßstroms gibt die Position des Läuferpols relativ zum Statorpol an. Die Verwendung eines Voltmeters 58 anstelle einer direkten Strommeßeinrichtung wird bevorzugt, da Voltmeter effizienter sind und eine geringere Leistung benötigen. Der Stromphasenwert des Meßstroms wird vorzugsweise durch die Verwendung der Strommeß- und Aufbereitungseinrichtung 60 bestimmt.
  • Dieses Verfahren zur Bestimmung der Läuferposition ist deutlich besser als bisherige Ansätze, da die Verwendung der Hilfsspule 56 eine elektrisch isolierte Meßvorrichtung liefert. Weiter besitzt, da die Hilfswicklung eine größere Induktivität (im Vergleich zu den Hauptwicklungen) besitzt, der Meßstrom zum Bestimmen der Läuferposition eine größere Amplitude als die in bisherigen Ansätzen verwendeten Signale. Das Signal von größerer Amplitude ist leichter zu erfassen und ist von Erdschleifenrauschen isoliert, welches sonst bei den in Sternschaltung verbundenen Hauptstrangwicklungen vorhanden ist. Eine nicht-lineare Beziehung zwischen dem Spannungsphasenwert und dem Meßstrom-Phasenwert kann aus empirischen Daten bestimmt und in einem Speicher im Mikrocomputer 50 gespeichert werden, um geeignet verwendet zu werden.
  • Zurückkommend auf den Systembetrieb, verringert sich, wenn der Systemdruck 40 bei einem System-Nenndruck einen stationären Zustandswert erreicht, die Motorgeschwindigkeit auf null. Bei derartigen Bedingungen führt der Leistungselekronik-Umrichter eine relativ große Menge von durch Schalt- und Leitungsverluste bedingter Wärme ab. In der bevorzugten Ausführungsform erfaßt der Mikrocomputer 50 einen derartigen statischen Haltezustand. Bei dem statischen Haltezustand wird der Hauptwicklungsstrom rampenförmig verringert und der Hilfswicklungsstrom desselben Strangs rampenförmig erhöht. Ein geringerer Strom wird benötigt, um den gleichen magnetischen Fluß im Motor beizubehalten, da die Hilfswicklung im Vergleich zur Hauptwicklung eine größere Anzahl von Windungen besitzt. Um während des Übergangs von der Hauptwicklung auf die Hilfswicklung das Drehmoment konstant zu halten, muß der Strom mit einer gesteuerten Rate verändert werden, um die Induktivitätsdifferenz in der Haupt- und der Hilfswicklung zu berücksichtigen. Die Menge der in den Motorstatorwicklungen abgeführten Leistung ist dieselbe, sowohl wenn das Haltedrehmoment von der Hauptwicklung aufgebracht wird, als auch wenn es von der Hilfswicklung aufgebracht wird. Daher ist der Motor in der Lage, das Nenndrehmoment bei vermindertem Strompegel zu halten, wenn die Hilfswicklung in Übereinstimmung mit der Erfindung verwendet wird.
  • Der geeignete Hilfswicklungs-Haltestrom wird vom Mikrocomputer 50 basierend auf dem Haltestrom der Hauptwicklung für den speziellen statischen Haltezustand berechnet. Die Beziehung ia = (nm/na) im (mit ia = Hilfsstrom, im = Hauptstrom, nm = Anzahl der Wicklungen 22 und na = Anzahl der Wicklungen 24) beschreibt die Beziehung zwischen dem Hilfswicklungs-Haltestrom und dem Hauptwicklungs-Haltestrom. Diese Beziehung kann empirisch gemessen und geeicht werden, um die Genauigkeit der Drehmomentsteuerung zu verbessern.
  • Die Hilfswicklung hält den Läufer weiter in statischem Zustand, bis ein neues Eingangssignal 26 empfangen wird. Wenn gewünscht wird, den statischen Zustand zu verlassen, werden die Ströme in der Hauptwicklung und der Hilfswicklung dann rampenförmig erhöht bzw. erniedrigt, in umgekehrter Weise wie oben beschrieben. Die Drehmomentsteuerung geht dann wieder auf die Hauptwicklung 54 zurück. Da die elektrischen Zeitkonstanten schneller sind als die Zeitkonstanten, welche mechanischen Brems- und Kupplungsvorrichtungen zugehörig sind, ist die Ansprechzeit auf ein neues Eingangssignal 26 im Vergleich zu herkömmlichen Vorrichtungen kürzer. Herkömmliche Vorrichtungen, welche mechanische Bremsvorrichtungen beinhalten, weisen notwendigerweise eine längere Ansprechzeit auf, was unter vielen Umständen unerwünscht sein kann. Weiter wird durch eine Verwendung von Hilfswicklungen zum Halten eines Drehmoments der statische Motorzustand mit einem magnetischen Feld gesteuert. Dieses Verfahren ist für mechanische Fehler, etwa einen Fehler in einer Reibkontaktvorrichtung, weniger anfällig.
  • Die Hilfswicklungen 24 sind so ausgelegt und gewickelt, daß sie die Spaltfüllung des Stators durch Auffüllen der Räume zwischen den Hauptstrangleitern 22 erhöhen. Eine in dieser Weise verbesserte Spaltfüllung verbessert die thermischen Eigenschaften des Motors, da der Wärmewiderstand von Kupfer geringer ist als der von Luft, und auf diese Weise wird der Wärmewiderstand zwischen den Haupt- und Hilfswicklungen und dem Statoräußeren vermindert. Die verbesserte Spaltfüllung hat auch die Tendenz, die Statorwicklungen 22 und 24 fester an den Statorpolen 16 zu fixieren, wodurch die Fähigkeit der Spulen, während der Kommu tierungserregung in Schwingung zu geraten, vermindert wird. Eine stärkere, feste Verbindung vermindert eine der Hauptgeräuschquellen in einem Schaltreluktanzmotor.
  • Der Fachmann sei darauf hingewiesen, daß sich die obige Beschreibung beispielhaft und nicht einschränkend versteht. Variationen und Modifikationen der beschriebenen Ausführungsformen sind ersichtlich, welche nicht außerhalb des Schutzumfangs der Erfindung liegen, der lediglich durch die anliegenden Ansprüche begrenzt wird.

Claims (20)

1. Schaltreluktanzmotor aufweisend:
einen Läufer (10), welcher sich um eine Achse (20) dreht und eine Mehrzahl von Läuferpolen (12) besitzt;
einen Stator (14), welcher zur Achse (20) stationär ist und den Läufer (10) insgesamt umgibt, wobei der Stator (14) eine Mehrzahl von Statorpolen (16) beinhaltet und sich die Läuferpole (12) bei sich um die Achse (20) drehendem Läufer in einen mit den Statorpolen (16) fluchtenden Zustand hinein und heraus bewegen;
eine stromleitende Hauptspule (54), welche eine erste Induktivität besitzt und um mindestens einen der Statorpole (16) angeordnet ist;
eine stromleitende Hilfsspule (56), welche um den mindestens einen Statorpol (16) herum angeordnet ist, derart, daß das Induktivitätsverhältnis der Hauptspule (54) zur Hilfsspule (56) ungeachtet der Position der Läuferpole (12) relativ zu den Statorpolen (16) konstant ist, wobei die Hilfsspule (56) eine zweite Induktivität besitzt, die größer als die erste Induktivität ist;
eine selektiv steuerbare Stromquelle (32, 50, 52), um die Hauptspule (54) und die Hilfsspule (56) jeweils voneinander unabhängig zu erregen, um dadurch einen magnetischen Fluß zu erzeugen, der steuert, ob sich der Läufer (10) um die Achse dreht;
einen Spannungsmeßeinrichtung (58) zum Bestimmen einer über der Hilfsspule (56) anliegenden Spannung, wenn die Hilfsspule (56) von der Stromquelle (32, 50, 52) erregt wird; und
eine Einrichtung zum Bestimmen der Differenz zwischen einem Stromphasenwert, welcher einem Strom in der Hilfsspule (56) zugeordnet ist, und einem Spannungsphasenwert, welcher der über der Hilfsspule (56) anliegenden Spannung zugeordnet ist, wobei diese Differenz die Position des Läuferpols (12) relativ zum Statorpol (16) angibt.
2. Motor nach Anspruch 1, bei welchem die Hauptspule (54) eine erste Anzahl von Windungen und die Hilfsspule (56) eine zweite Anzahl von Windungen aufweist, die größer als die erste Anzahl ist.
3. Motor nach Anspruch 1, bei welchem die Hauptspule (54) eine Mehrzahl von Wicklungen (22) mit einem ersten Außendurchmesser und die Hilfsspule (56) eine Mehrzahl von Wicklungen (24) mit einem zweiten Außendurchmesser aufweist, der kleiner als der erste Außendurchmesser ist.
4. Motor nach Anspruch 1, bei welchem die Hauptspule (54) eine Mehrzahl von um den mindestens einen Statorpol (16) gewickelten Wicklungen (22) aufweist und die Hilfsspule (56) eine Mehrzahl von um den mindestens einen Statorpol (16) gewickelten Wicklungen (24) aufweist, derart, daß die Hilfsspulenwicklungen (24) die Hauptspulenwicklungen (22) durchsetzen.
5. Motor nach Anspruch 4, bei welchem die Hilfswicklungen (24) zwischen den Hauptspulenwicklungen (22) befindliche Räume im wesentlichen auf füllen, derart, daß der Wärmewiderstand zwischen den Haupt- (22) und den Hilfswicklungen (24) vermindert ist.
6. Motor nach Anspruch 4, bei welchem die Hilfswicklungen (24) zwischen den Hauptspulenwicklungen (22) und dem mindestens einen Statorpol (16) befindliche Räume im wesentlichen auffüllen, derart, daß die Spulen (54, 56) fester an ihrer Position um den mindestens einen Statorpol (16) herum gehalten werden, um dadurch Geräusch im Motor zu vermindern.
7. Motor nach Anspruch 1, bei welchem die Hauptspule (54) eine Mehrzahl von um den mindestens einen Statorpol (16) gewickelten Wicklungen (22) aufweist und die Hilfsspule (56) eine Mehrzahl von um die Hauptspulenwicklungen gewickelten Wicklungen (24) aufweist.
8. Motor nach Anspruch 1, welcher weiter eine Einrichtung zum Bestimmen der Motorinduktivitätskennlinie und eine Einrichtung zum Speichern der Motorinduktivitätskennlinie aufweist, die mit der Stromquelle (32, 50, 52) gekoppelt ist, um die Spulen gemäß der gespeicherten Motorinduktivitätskennlinie voneinander unabhängig zu erregen.
9. Verfahren zum Steuern eines Schaltreluktanzmotors, welcher eine um einen Statorpol (16) angeordnete stromleitende Hauptspule (54) und eine um den Statorpol (16) herum angeordnete stromleitende Hilfsspule (56) aufweist, wobei das Verfahren folgende Schritte umfaßt:
(A) Erregen der Hauptspule (54), derart, daß ein bewegungsinduzierender Strom in der Hauptspule (54) aufgebaut wird, der bewirkt, das sich ein Läufer (10) relativ zum Statorpol (16) dreht;
(B) Bestimmen, ob der Läufer (10) einen vorgewählten Rotationszustand erreicht hat;
(C) Erregen der Hilfsspule (56), derart, daß ein Strom in der Hilfsspule (56) aufgebaut wird, der bewirkt, daß der Läufer den vorgewählten Rotationszustand beibehält; und
(D) Entregen der Hauptspule (54) nach Vollendung von Schritt (C).
10. Verfahren nach Anspruch 9, bei welchem die Schritte (C) und (D) mittels Unterschritten durchgeführt werden, bei denen der Strombetrag in der Hilfsspule (56) erhöht wird, während gleichzeitig der Strombetrag in der Hauptspule (54) vermindert wird, derart, daß die Ströme in der Hilfsspule (56) und in der Hauptspule (54) zusammen den bewegungsinduzierenden Gesamtstrom ergeben.
11. Verfahren nach Anspruch 10, welches weiter den Unterschritt umfaßt, daß die Hauptspule (54) vollständig entregt wird, wenn ein in der Hilfsspule (56) aufgebauter Strom einen vorbestimmten Wert erreicht hat.
12. Verfahren nach Anspruch 9, bei welchem Schritt (C) mittels eines Unterschritts durchgeführt wird, bei dem der Strombetrag in der Hilfsspule (56) im wesentlichen linear erhöht wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, bei welchem Schritt (D) mittels eines Unterschritts durchgeführt wird, bei dem während des Erhöhens des Stroms in der Hilfsspule (56) der Strombetrag in der Hauptspule (54) im wesentlichen linear vermindert wird.
14. Verfahren nach Anspruch 12, bei welchem Schritt (D) mittels eines Unterschritts durchgeführt wird, bei dem die Hauptspule (54) entregt wird, nachdem die Hilfsspule (56) bis zu einem vorbestimmten Stromwert erregt wurde.
15. Verfahren nach Anspruch 9, welches weiter den Schritt umfaßt, eine Position des Läufers (10) relativ zum Stator (14) zu bestimmen.
16. Verfahren nach Anspruch 15, bei welchem die Läuferposition durch folgende Unterschritte bestimmt wird:
Einbringen eines Meßstroms in die Hilfsspule (56);
Bestimmen einer durch den Meßstrom induzierten Spannung über der Hilfsspule (56);
Bestimmen eines Spannungsphasenwerts, welcher der in der Hilfsspule (56) induzierten Spannung zugeordnet ist; und
Bestimmen einer Phasendifferenz zwischen dem Stromphasenwert und dem Spannungsphasenwert, wobei die Phasendifferenz die Position des Läufers (10) relativ zum Stator (14) angibt.
17. Verfahren nach Anspruch 16, bei welchem der Meßstrom eingebracht wird, indem ein Strom verwendet wird, der relativ zu einem Strom in der Hauptspule (54) klein ist.
18. Verfahren zur Bestimmung der Position eines Läufers (10) relativ zu einem Stator (14) in einem Reluktanzmotor, welcher eine um einen Statorpol (16) angeordnete stromleitende Hauptspule (54) aufweist, wobei das Verfahren folgende Schritte umfaßt:
(A) Erregen einer um den Statorpol (16) angeordneten Hilfsspule (56) mit einem Meßstrom;
(B) Bestimmen einer induzierten Spannung über der Hilfsspule (56);
(C) Bestimmen eines dem Meßstrom von Schritt (A) zugeordneten Stromphasenwerts;
(D) Bestimmen eines der Spannung von Schritt (B) zugeordneten Spannungsphasenwerts; und
(E) Bestimmen einer Phasendifferenz zwischen dem Stromphasenwert von Schritt (C) und dem Spannungsphasenwert von Schritt (D), wobei die Phasendifferenz die Position des Läufers (10) relativ zum Stator (14) angibt.
19. Verfahren nach Anspruch 18, bei welchem Schritt (A) mittels eines Unterschritts durchgeführt wird, bei dem die Hilfsspule (56) derart erregt wird, daß der Meßstrom einen Stromwert besitzt, der relativ zu einem Strom in der Hauptspule (54) klein ist.
20. Verfahren nach Anspruch 18, bei welchem die Schritte (C), (D), und (E) jeweils mittels eines Mikroprozessors (50) durchgeführt werden.
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