DE69703566T2 - Geschalteter Reluktanzmotor - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft geschaltete Reluktanzmotoren, die hauptsächlich in einer Drehrichtung betrieben werden und die als Antriebsquelle für ein elektrisches Fahrzeug geeignet sind.
• Ein typischer geschalteter Reluktanzmotor weist einen ringförmigen Stator auf, der Polabschnitte in einer zylindrischen Anordnung aufweist und mit Spulentwicklungen versehen ist. Innerhalb des Stators ist ein Rotor vorhanden und mit Polen versehen, die den Polabschnitten des Stators zugewandt sind. Der Rotor weist normalerweise einen Kern auf, der aus einem Stapel von Eisen- oder Stahlblechen gebildet ist. Die Spulen und Polabschnitte agieren als Elektromagnete zum anziehen der Rotorpole. Diese Motorbauart ist beispielsweise in der Japanischen Offenlegungsschrift Sho 48 (1973) - 77314, der Japanischen Offenlegungsschrift Sho 61 (1986) - 203847 und in der US 3,956,678 offenbart.
• Derartige Motoren, die ein Drehmoment aus Magnetkräften zwischen den Rotorpolen und dem Stator durch Erregung der Spulen erzeugen, erzeugen normalerweise eine deutliche Vibration. Dies liegt daran, dass in jedem Erregungszyklus die radiale magnetische Kraft mit der Rotation des Rotors ansteigt, ein Maximum erreicht und abrupt beim Schalten der Erregung unterbrochen wird. Gemäß dem vorstehend beschriebenen US-Patent sind an der Seite der Rotorpole, die in die Drehrichtung des Rotors zeigen, Schlitze ausgebildet. Dies verringert deutlich die Drehmomentabgabe.
• Die WO-A-8606891 offenbart einen Reluktanzmotor mit einem Stator, der zwei ausgeprägte Pole aufweist, und einen Rotor, der ebenfalls zwei Pole aufweist. Die Pole des Stators und die Pole des Rotors sind jeweils mit einer Aussparung versehen, so dass der Motor selbst von einer Startposition, in der die Statorpole vollständig mit den Rotorpolen übereinstimmen, in die gewünschte Richtung rotieren kann.
• Erfindungsgemäß verläuft ein schwach- oder nichtmagnetischer Abschnitt in jeden der Rotorpole nach innen gerichtet und in die Rotationsrichtung von einer Position nahe einem äußeren Ende des Pols und an der Seite des Pols, die in Richtung der Gegenrotation zeigt, wobei der schwach- oder nichtmagnetische Abschnitt (15) radial nach innen von einer Position nahe an einem radial äußeren Ende des Pols (14) verläuft. Dies verringert die magnetische Kraft zu dem Zeitpunkt des Schaltens der Erregung in einer einfachen Weise und gewährleistet die Erzeugung einer gewünschten Momentgröße.
• Der Stator kann in Form einer Nut vorliegen, die nichtmagnetisches Material mit einem hohen Elektrischen Widerstand enthält, oder in Form eines Loches vorliegen. Dieser Abschnitt kann eine Seite haben, die radial nach innen verläuft. Die Nut kann verlängert sein und abgerundete Enden aufweisen oder beispielsweise elliptisch sein. Die Anzahl der Stator und Rotorpole kann beispielsweise jeweils 12 und 8 oder 6 und 4 betragen.
• Im Betrieb konzentriert sich der magnetische Fluss), in den Endabschnitten des Rotors und des Stators bis zu dem Moment, in dem ein in Rotationsrichtung zeigender Endabschnitt eines Rotorpols einen Endabschnitt eines Statorpolabschnittes überlappt (zugewandt ist), wodurch ein Drehmoment und magnetische Anziehungskraft ungeachtet jeglichen schwachmagnetischen oder nichtmagnetischen Abschnittes erzeugt wird. Bei weiterer Rotation überlappt der Rotorpol den Statorpolabschnitt, das heißt, dass die einander zugewandten Polflächen sich vergrößern, wobei die magnetische Anziehungskraft ansteigt. Jedoch wird der Anstieg des magnetischen Flusses, der zum Anstieg in der magnetischen Anziehungskraft beiträgt, durch den schwachmagnetischen oder nichtmagnetischen Abschnitt gezügelt. Daher wird, wenn deren in gegen Rotationsrichtung zeigende Endabschnitt des Rotorpols das Ende des Statorpolabschnittes überlappt, deren durch den Rotorpol verlaufende magnetische Fluss blockiert oder gestört. Der Anstieg der magnetischen Anziehungskraft wird dadurch gezügelt. Da die Kraft (Drehmoment) zur Rotation des Rotors hauptsächlich durch die magnetische Kraft zwischen einem in Rotationsrichtung zeigenden Endabschnitts des Rotorpols und einem Ende des Statorpolabschnittes bestimmt wird, verringert die Zügelung des Anstiegs in der magnetischen Kraft, was durch den schwachmagnetischen bzw. nichtmagnetischen Abschnitt erreicht wird, das Drehmoment nicht deutlich.
Zeichnungen
• Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch einen ersten geschalteten Reluktanzmotor gemäß der Erfindung,
• Fig. 2 zeigt eine Ansicht eines Rotors gemäß Fig. 1,
• Fig. 3 zeigt eine Ansicht eines Rotors gemäß einem zweiten geschalteten Reluktanzmotor gemäß der Erfindung,
• Fig. 4 zeigt das Verhältnis des Drehmomentes zu dem Rotorwinkel eines geschalteten Reluktanzmotors gemäß der Erfindung und eines herkömmlichen Motors,
• Fig. 5 zeigt das Verhältnis der magnetischen Kraft zu dem Rotorwinkel eines geschalteten Reluktanzmotors gemäß der Erfindung und eines herkömmlichen Motors, und
• Fig. 6 zeigt das Verhältnis des Geräusches zu der Motorbetriebsdrehzahl eines geschalteten Reluktanzmotors gemäß der Erfindung und eines herkömmlichen Motors.
• Wie insbesondere in Fig. 1 dargestellt, weist der Motor 1 zwölf Polabschnitte in einem Stator 11 und acht vorstehende Pole in einem Rotor 10 auf. Der Stator 11 ist aus einem Stapel ringförmiger magnetischer Stahlbleche gebildet und weist Polabschnitte 11a auf, die axial von dem Stator 11 verlaufen und von der inneren umlaufenden Oberfläche derart vorspringen, dass ein Paar jeweils einander gegenüberliegend angeordnet ist. Der Stator 11 ist durch thermisches Passen an einen äußeren umlaufenden Abschnitt in einem Hohlabschnitt eines Gehäuses befestigt. Sechs Paare gegenüberliegend angeordneter Polabschnitte 11a sind in drei Gruppen von jeweils zwei Paaren unterteilt, wobei die Polabschnitte 11a jeder Gruppe mit untereinander verbundenen Spulwicklungen 13 versehen sind, wodurch ein drei Phasenaufbau gebildet wird.
• Der Rotor 10 ist aus einem Stapel magnetischer Stahlplatten geformt und weist eine mittlere Öffnung auf, in der eine Welle 12 befestigt ist. Die Welle 12 ist drehbar mittels Lagern an (nicht gezeigten) Gehäuseseiten gestützt. Der Rotor 10 ist somit mit der Welle 12 innerhalb des Stators 11 drehbar. Der Rotor 10 weist vier Paare von Polen 14 auf, die mit gleichem Abstand voneinander beabstandet sind, so dass jedes Paar in radial nach außen in gegenüberliegenden Richtungen vorspringt. Die Pole 14 verlaufen in Richtung der Achse des Rotors 10. Wenn die Pole 14 die Polabschnitte 11a während der Rotation des Rotors 10 zugewandt sind, behält jeder Pol 14 einen vorbestimmten Abstand von den zugewandten Polabschnitten 11a, wie es in Fig. 1 gezeigt ist. Der Rotor 10 rotiert gegen den Uhrzeigersinn. Jeder Pol 14 weist einen schwachmagnetischen Abschnitt 15 auf, der an einem radial äußerem Ende nahe bei oder an einer Seite vorgesehen ist, die in Uhrzeigerrichtung, das heißt, in die der Rotationsrichtung gegenüberliegende Richtung zeigt.
• Gemäß der Darstellung in Fig. 2 ist der schwachmagnetische Abschnitt 15 jedes Pols 14b eine verlängerte Nut 15b mit abgerundeten Enden, die von einem Punkt E relativ nahe an einem radial äußeren Ende des Pols 14b an einem Ende verläuft, das in Richtung des Uhrzeigersinnes zeigt, das heißt gegen die Rotationsrichtung. Die Nut 15b verläuft zu einem Punkt F relativ nahe an einem radial inneren Ende des Pols 14b an einem Ende, das in Richtung gegen den Uhrzeigersinn, das heißt in Rotationsrichtung zeigt.
• Gemäß Fig. 3 liegt jeder schwachmagnetische Abschnitt 15 in Form einer im wesentlichen dreieckigen Öffnung 15a vor, deren eine Seite D von einem Punkt E relativ nahe an einem radial äußeren Ende des Pols 14a an einer Seite verläuft, die in Richtung des Uhrzeigersinnes, das heißt, gegen die Rotationsrichtung verläuft. Die Seite D der dreieckigen Öffnung 15a verläuft nach innen gerichtet und in Rotationsrichtung von dem Punkt E zu einem Punkt F. Die Ecken der dreieckigen Öffnung 15a sind abgerundet.
• Wenn eine Spule 13 erregt wird, besteht eine magnetische Anziehung zwischen benachbarten Polen 14 und Polabschnitten 11a. Aufgrund einer Komponente der magnetischen Kraft agiert ein Drehmoment auf den Rotor 10, und der Pol 14 ist dem Polabschnitt 11a zugewandt. Durch Schalten der Erregung der Spulen 13 agieren Drehmomente kontinuierlich auf den Rotor 10, wodurch die Rotation des Rotors 10 fortgesetzt wird.
• In den Graphen gemäß Fig. 4 und Fig. 5 ist ein Rotorwinkel von 0º an einer Position des Rotors 10 definiert, an der ein Polabschnitt 11a des Stators 11 sich an einem mittleren Punkt zwischen zwei benachbarten Polen 14 befindet. Daher beträgt die Position des Rotors 10, an dem ein Pol 14 exakt mit einem Polabschnitt 11a übereinstimmt (bzw. diesem zugewandt ist), 22.5º. Die durchgezogenen Linien in Fig. 4 und 5 geben einen herkömmlichen Reluktanzmotor (ohne Öffnung) an, wobei die gestrichelten Linien einen geschalteten Reluktanzmotor gemäß der Erfindung (mit Öffnungen) angeben.
• Das Drehmoment und die magnetische Kraft steigen mit Rotation des Rotors 10 von dem Zeitpunkt an an, wenn ein in Rotationsrichtung zeigender Endabschnitt eines Pols 14 einen Endabschnitt des Polabschnittes 11a überlappt, bis zu dem Zeitpunkt, wenn der schwachmagnetische Abschnitt 15 den Polabschnitt 11a überlappt (ihm zugewandt ist), da der Pol 14 während dieser Periode nicht durch den schwachmagnetischen Abschnitt 15 blockiert oder gestört wird. Das Drehmoment erreicht einen maximalen Wert, bevor der schwachmagnetische Abschnitt 15 den Polabschnitt 11a überlappt (ihm zugewandt ist) und verringert sich dann allmählich, da das Drehmoment durch eine Komponente der magnetischen Kraft auf dem Pol 14 erzeugt wird.
• Die magnetische Anziehungskraft steigt an, wenn die Flächen des Pols 14 und des Polabschnittes 11, die einander zugewandt sind, mit der Rotation des Rotors 10 ansteigen, wie es in Fig. 5 angegeben ist. Jedoch wird der Anstieg des magnetischen Flusses, der zu einem Anstieg der magnetischen Anziehungskraft beiträgt, durch den schwachmagnetischen Abschnitt 15 gezügelt. Wenn ein in gegen die Rotationsrichtung zeigender Endabschnitt des Pols 14 einen Endabschnitt des Polabschnittes 11a des Stators 11 überlappt, wird der magnetische Fluss in den Pol 14 durch den schwachmagnetischen Abschnitt 15 blockiert, wodurch der Anstieg der magnetischen Kraft gezügelt wird. Die magnetische Kraft zum Zeitpunkt des Erregungsschaltens wird dadurch von einem herkömmlichen Wert von etwa 5000 kgf (500 Newton) auf etwa 4250 kgf (425 Newton) verringert. Das Drehmoment wird hauptsächlich durch eine Komponente der magnetischen Kraft zwischen einen in Rotationsrichtung zeigenden Endabschnitt des Pols 14 und einem Endabschnitt des Polabschnittes 11a bestimmt. Da der schwachmagnetische Abschnitt 15 eine wie in Fig. 2 und 3 gezeigte Form aufweist, verringert der Abschnitt 15 die magnetische Flusskomponente, die die Bewegung des Pols 14 bewirkt, den Polabschnitt 11a gegenüber zu liegen, nicht deutlich. Daher bringt das erreichte Zügeln des Anstiegs der magnetischen Kraft keine deutliche Verringerung des Drehmomentes mit sich. Das Drehmoment verringert sich lediglich um einige Prozent gegenüber dem von dem herkömmlichen Motor erzeugten Drehmoment. Gemäß Fig. 4 befindet sich dieses Drehmoment innerhalb des Erregungsbereiches. Somit ist zum Zeitpunkt des Schaltens der Spulen 13, damit diese erregt werden, die magnetische Kraft verringert, wohingegen die Erzeugung einer gewünschten Drehmomentgröße beibehalten wird. Das notwendige Drehmoment wird somit ohne Anstieg der Anzahl der Wicklungswindungen der Spulen 13 erzeugt.
• Ein Anstieg der Anzahl der Wicklungswindungen würde das Gewicht und die Kosten erhöhen. Die Verringerung der maximalen magnetischen Kraft zu dem Zeitpunkt des Erregungsschaltens hält die Erzeugung von Geräuschen zurück, die aus erzeugten Vibrationen resultieren. Der Graph gemäß Fig. 5 zeigt, dass erfindungsgemäß Geräusche über den gesamten Betriebsbereich verringert werden. Während der in Fig. 6 angegebenen Geräuschmessung wurde bestätigt, dass die Differenz zwischen den Leistungszuführungen zu den herkömmlichen Motoren und gemäß der Erfindung gering war, wobei die Drehmomentverringerung entsprechend gering ausfiel.
• Falls der schwachmagnetische Abschnitt 15 ein nichtmagnetisches Material mit hohem elektrischen Widerstand enthält, wird die Stärke des Rotors 10 erhöht. Es ist ebenfalls möglich, Rotationsunebenheiten des Rotors 10 mittels derartiger Materialien zu justieren. Dadurch werden ebenfalls die Auswirkungen von Kreisströmen in dem Rotor 10 verringert.

Claims (6)

1. Geschalteter Reluktanzmotor, der

einen Stator (1) mit Polabschnitten (11a), die axial verlaufen und in radial gegenüberliegenden Paaren nach innen vorspringen,

einen Rotor (10) mit axial verlaufenden und nach außen zu den Statorpolabschnitten (11a) hin vorspringenden Polen (14) sowie

Spulen aufweist, die um die Polabschnitte (11a) gewickelt sind, wobei

in jedem der Rotorpole (14) ein schwach- oder nicht- magnetischer Abschnitt (15) vorgesehen ist, der in Rotationsrichtung von der Seite des Pols (14) verläuft, die in Richtung der Gegendrehung zeigt, dadurch gekennzeichnet, dass der schwach- oder nichtmagnetische Abschnitt (15) radial nach innen von einer Position nahe an einem radial äußeren Ende des Pols (14) verläuft.

2. Geschalteter Reluktanzmotor nach Anspruch 1, wobei der Rotor (10) aus einem Blechstapel gebildet ist.

3. Geschalteter Reluktanzmotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der schwach- oder nicht- magnetische Abschnitt (15) ein nichtmagnetisches Material mit hohem elektrischen Widerstand enthält.

4. Geschalteter Reluktanzmotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der schwach- oder nicht- magnetische Abschnitt (15) die Form einer Nut aufweist.

5. Geschalteter Reluktanzmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Abschnitt (15) die Form eines Lochs aufweist.

6. Geschalteter Reluktanzmotor nach Anspruch 5, wobei das Loch eine Seite aufweist, die radial nach innen verläuft.