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Dokumentenidentifikation DE2616552C2 20.04.1989
Titel Positionskodierer für eine Maschine mit veränderlicher Reluktanz
Anmelder Engins Matra, Paris, FR
Vertreter Rau, M., Dipl.-Ing. Dr.rer.nat., Pat.-Anw., 8500 Nürnberg
DE-Anmeldedatum 14.04.1976
DE-Aktenzeichen 2616552
Offenlegungstag 28.10.1976
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 20.04.1989
Veröffentlichungstag im Patentblatt 20.04.1989
IPC-Hauptklasse H02K 29/12

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Positionskodierer für eine Maschine mit veränderlicher Reluktanz, nach dem Oberbegriff des Anspruchs.

Eine derartige Maschine weist im allgemeinen einen Rotor auf, welcher aus einem Blechpaket besteht, das an seinem Umfang in gleichem Abstand angeordnete Zähne aufweist. Ein Stator, welcher ebenfalls aus einem Blechpaket besteht, umschließt den Rotor konzentrisch, wobei sich ein schmaler Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator ausbildet. Auf der dem Rotor zugewandten Innenseite weist der Stator Nuten auf, welche entlang einer Polteilung gleichmäßig verteilt sind und in welchen die Statorwicklungen untergebracht sind. Auf derselben, dem Rotor zugewandten Seite weist der Stator außerdem Zähne auf, welche denen des Rotors entsprechend und deren Abstand im Inneren jeder Statorwicklung dem Abstand der Zähne des Rotors entsprechen. Dennoch weisen, von einer nachfolgenden Statorwicklung her gesehen, die Zähne des Stators im Bezug auf die des Rotors eine zunehmende Verschiebung auf, was zu einer Art "Noniuswirkung" führt.

Die Anordnung, welche dem Teil des Stators entspricht, welcher zwei aufeinanderfolgende Statorwicklungen einschließt, und dem gegenüberliegenden Teil des Rotors entspricht, stellt einen magnetischen Kreis dar, dessen Reluktanz sich entsprechend der Winkelstellung des Rotors bezüglich des Stators ändert. Die aufeinanderfolgenden Kommutierungen bzw. Umschaltungen der Statorwicklungen müssen jedesmal zustandekommen, damit der magnetische Kreis, welcher einer Statorwicklung entspricht, sich etwa im Zustand maximaler oder minimaler Reluktanz befindet. Dies erfordert eine sehr genaue Synchronisierung dieser aufeinanderfolgenden Kommutierungen in Abhängigkeit von der Winkelstellung des Rotors. Grundsätzlich kann, wenn die Zähne des Rotors gleichmäßig verteilt sind, irgendein statischer Inkrementkodierer diese Synchronisierung sicherstellen, damit seine Schrittanzahl gleich der Anzahl der Zähne des Rotors ist, und damit dieser Kodierer bzw. Geber so festgelegt ist, daß seine Übergänge den äußersten Reluktanzstellungen oder -positionen entsprechen.

In der Praxis ist es im Hinblick auf Toleranzen bei der Ausführung des Motors mit veränderlicher Reluktanz, beispielsweise im Hinblick auf Konzentrizitätsfehler des Rotors und des Stators äußerst schwierig, eine derartige Verstellung bzw. Zuordnung mit der Genauigkeit zu erhalten, die ausreicht, um ein genaues Arbeiten des Motors mit veränderlicher Reluktanz sicherzustellen.

Aus der dem Oberbegriff des Anspruchs zugrundegelegten US-PS 37 40 630 ist eine Maschine mit veränderlicher Reaktanz bekannt, bei welcher beispielsweise 48 Zähne für den Stator und 50 Zähne für den Rotor mit einer Verschiebung von 25% zueinander vorgesehen sind. Der Kodierer besteht aus einem Rad mit Polen, welches mit einem Detektor mit drei Kreisen zusammenarbeitet. Ein derartiges System ermöglicht nicht die Kommutierung der Stromzufuhr zu den Spulen eines gattungsgemäßen Motors zu steuern, welche im Hinblick auf die große Anzahl von Zähnen zu einem äußerst präzisen Zeitpunkt stattfinden muß.

Aus der GB-OS 10 14 116 ist ein System zur Erfassung der Rotorposition bekannt, welches nur einen ungefähren Anhalt für die Position des Rotors gibt, die Ermittlung von dessen exakter Winkellage jedoch nicht ermöglicht. Die Übertragung dieser vorbekannten Lösung auf einen gattungsgemäßen Motor mit veränderlicher Reluktanz ist nicht möglich.

Die Erfindung soll den eingangs genannten Schwierigkeiten bei der Ausführung und Ausbildung von Motoren mit veränderlicher Reluktanz abhelfen und einen in die Maschine eingebauten Positionskodierer bzw. Stellungsgeber schaffen, mittels welchem sehr genau die Kommutierungen bzw. Umschaltungen der Statorwicklungen synchronisiert werden können, ohne daß ein schwieriges Nachstellen oder Justieren erforderlich ist und welcher obendrein in weiten Grenzen unempfindlich bezüglich Konstruktionsfehlern ist, wie beispielsweise bezüglich eines Konzentrizitätsfehlers des Rotors und des Stators.

Diese Aufgabe wird gelöst durch den kennzeichnenden Teil des Anspruchs.

Durch die Summierung der von den Fühlspulen erhaltenen Spannungen kann der Einfluß von Luftspaltänderungen infolge von Konzentrizitätsfehlern des Rotors und des Stators auf einen vernachlässigbaren Wert herabgesetzt werden. Außerdem haben die Temperatur, das Vorhandensein einer in den Wicklungen induzierten, elektromagnetischen Kraft, die Stabilität der Trägerfrequenz und deren Amplituden keinen Einfluß auf die Genauigkeit der Nulldurchgänge der abgetasteten Spannungen.

Ein solcher Positionskodierer ist somit zum Steuern einer Maschine mit veränderlicher Reluktanz besonders vorteilhaft. Diese Vorteile sind im wesentlichen darauf zurückzuführen, daß in dem Kodierer bzw. Geber magnetische Kreise verwendet sind, welche genau den magnetischen Kreisen des "Motors" entsprechen und auf genau die gleiche Weise festgelegt sind, weshalb auch kein Nachstellen oder Justieren erforderlich ist.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im einzelnen erläutert. Es zeigt

Fig. 1 schematisch im Schnitt in einer zur Achse des Motors senkrechten Ebene die Anordnung der Magnetkreise des Kodierers oder Gebers gemäß der Erfindung und

Fig. 2 ein Blockschaltbild des Positionskodierers bzw. Stellungsgebers gemäß der Erfindung.

In Fig. 1 weist der Positionskodierer einen Rotor 10 und einen Stator 20 auf. Der Rotor 10 besteht aus einem Blechpaket, welches dem Blechpaket des Rotors des Motors mit veränderlicher Reluktanz entspricht und welches auf die gleiche Weise auf der Welle des Motors verkeilt und damit festgelegt ist. Lediglich das Blechpaket, welches den Rotor 10 des Positionskodierers bildet, ist magnetisch von dem Blechpaket isoliert, welches den Rotor des Motors bildet, und ist etwas dünner als dieses, wobei seine Dicke beispielsweise in der Größenordnung von 5 mm liegen kann.

Der Stator 20 ist aus einem Blechpaket gebildet, welches gleich dem Blechpaket des Stators des Motors mit veränderlicher Reluktanz ist und an diesem Stator so verkeilt und damit festgelegt ist, daß seine Nuten und Zähne in einer zu der Achse des Motors parallelen Richtung bezüglich der Nuten und Zähne des Stators des Motors ausgerichtet sind. Lediglich das Blechpaket, das den Stator 20 des Positionskodierers bildet, ist magnetisch von dem Blechpaket isoliert, das den Stator des Motors bildet, und ist weniger dick, d. h. etwas dünner als dieses, wobei seine Dicke gleich der des Rotors 10 ist. Der Stator 20 des Kodierers weist folglich dieselbe Polzahl P1 bis P4 wie der Stator des Motors selbst und dieselbe Anzahl von Statorpolwicklungen E1 bis E4 auf, wobei jede dieser Wicklungen einen Eingang e und einen Ausgang s aufweist. Hierbei stellen die geradzahligen Wicklungen beispielsweise die "Fühlspulen" (E2, E4 . . .) und die ungeradzahligen Wicklungen folglich die "Erregerspulen" (E1, E3 . . .) dar.

In Fig. 2 ist ein Blockschaltbild des Positionskodierers gemäß der Erfindung dargestellt. Ein Sinusstromgenerator G speist die Erregerspulen (E1, E3 . . .) mit einer Frequenz fo beispielsweise zwischen 10 und 100 kHz, wobei die Anschlüsse so gewählt sind, daß zwei aufeinanderfolgende Erregerspulen entgegengesetzt gerichtete Flüsse hervorrufen. Die Fühlspulen (E2, E6, . . .) sind in Reihe geschaltet.

Auch ist ein Äquivalent bzw. ein Ersatz für einen Differentialübertrager geschaffen worden, und die Amplitude der an den Fühlspulen erhaltenen Spannung hebt sich jedesmal dann auf, wenn die Reluktanz des magnetischen Kreises extrem hoch ist.

Die in Reihe geschalteten Fühlspulen sind mit einem Synchrondemodulator D verbunden, mittels welchem aus der erhaltenen Spannung die Trägerfrequenz fo entfernt wird und ein Wechselstromsignal S1 abgegeben wird, dessen Nulldurchgänge den Stellungen der extrem hohen Reluktanzwerte entsprechen. Mittels dieses Signals können dann, genau synchron bezüglich dieser Stellungen mit extremen Reluktanzwerten, die Kommutierungen bzw. Umschaltungen der Statorwicklungen des Motors gesteuert werden.

Um eine Kommutierung bzw. Umschaltung bei den richtigen Zuständen sicherzustellen, reicht es jedoch nicht aus, über ein Synchronisierungssignal zu verfügen, genauso muß vielmehr die Drehrichtung des Motors bekannt sein. Diese Information kann auf einfache Weise dadurch erhalten werden, daß zwei um 90° phasenverschobene Synchronisiersignale erhalten werden, deren Verschiebung der Drehrichtung des Motors entspricht. Entweder mit Hilfe eines zweiten Spulensatzes, welcher von einem Stator mit derselben Frequenz fo oder von einem Strom mit einer von der Frequenz fo verschiedenen Frequenz f1 durchflossen ist, oder mit Hilfe eines zweiten magnetischen Kreises, welcher dem vorhergehenden genau entspricht und auf derselben Frequenz fo arbeitet, können auf die gleiche Weise die Positionen extremer Reluktanzwerte durch Umschalten der Erreger- und der Fühlspulen des vorhergehenden Falls abgetastet werden. Wenn beispielsweise in dem Schaltbild der Fig. 2 E1 durch E2, E3 durch E4, E5 durch E6, E7 durch E8 einerseits und E2 durch E3, E6 durch E7 andererseits ersetzt wird, (wobei E2, E6 Wicklungen entsprechen, welche auf dieselben Pole wie E2 und E6 gewickelt sind, ohne jedoch einen Punkt bzw. eine Verbindungsstelle mit ihnen gemeinsam zu haben), wird statt einem Signal S1 ein Signal S2 erhalten, welches bei einer konstanten Drehzahl des Motors bezüglich des Signals S1 um 90° verschoben ist.


Anspruch[de]
  1. Positionskodierer für eine Maschine mit veränderlicher Reluktanz zum Steuern der Kommutierung der Statorwicklungen dieser Maschine umfassend einen Rotor und einen Stator mit einer Mehrzahl von an deren Umfang angeordneten Zähnen, wobei die Zähne des Stators gegenüber denjenigen des Rotors von Zahn zu Zahn um einen bestimmten Betrag versetzt sind, dadurch gekennzeichnet, daß er dem Rotor (10) und dem Stator (20) zugeordnete, magnetische Kreise aufweist, welche genau denjenigen der Maschine mit veränderlicher Reluktanz entsprechen, wobei der Rotor (10) und der Stator (20) aus Blechpaketen aufgebaut sind, die hinsichtlich Lage und konstruktiver Gestaltung den Blechpaketen der Maschine mit veränderlicher Reluktanz entsprechen, wobei der Stator (20) die gleiche Zahl von Wicklungen (E1, E2, . . .) wie der Stator der Maschine mit veränderlicher Reluktanz aufweist, und wobei die Wicklungen (E1, E2, . . .) des Stators (20) des Positionskodierers in der Reihenfolge, in welcher sie am Umfang des Stators (20) vorgesehen sind, abwechselnd eine Erregerspule (z. B. E1) und eine Fühlspule (z. B. E2) bilden, wobei die Erregerspulen (z. B. E1) mit einem sinusförmigen Strom in der Weise gespeist werden, daß zwei aufeinanderfolgende Erregerspulen (z. B. E1, E3) entgegengesetzt gerichtete Flüsse erzeugen, während die Fühlspulen (z. B. E2, E4) in Reihe geschaltet und mit einem Synchrondemodulator (D) verbunden sind, an welchem ein Wechselstromsignal (S1) abgegeben wird, das sich in Stellungen maximaler Reluktanz aufhebt.






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