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Diese Erfindung betrifft Steuersysteme
für Reluktanzmaschinen
und insbesondere für
geschaltete Reluktanzmaschinen. Speziell betrifft die vorliegende
Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verminderung des
akustischen Geräusches
unerwünschter
Vibrationen sowie der Wirbelstromverluste in geschalteten Reluktanzmaschinensystemen.
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Im Allgemeinen stellt eine Reluktanzmaschine
eine elektrische Maschine dar, in welcher durch das Bestreben des
beweglichen Teiles, sich in eine Position zu bewegen, in der die
Induktion einer erregten Wicklung maximiert wird, ein Drehmoment
erzeugt wird.
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In einem Typ einer Reluktanzmaschine
geschieht die Erregung der Phasenwicklungen bei einer gesteuerten
Frequenz. Diese Maschinen werden allgemein als synchrone Reluktanzmaschinen
bezeichnet. Bei einem zweiten Typ einer Reluktanzmaschine wird eine
Schaltung zur Ermittlung der Winkelposition des Rotors verwendet,
und die Erregung der Phasenwicklung erfolgt als Funktion der Position
des Rotors. Dieser zweite Typ einer Reluktanzmaschine wird allgemein
als geschaltete Reluktanzmaschine bezeichnet. Obwohl die Beschreibung
der vorliegenden Erfindung in Zusammenhang mit einer geschalteten Reluktanzmaschine
erfolgt, ist die vorliegende Erfindung für alle Formen von Reluktanzmaschinen,
sowohl für
synchrone und geschaltete Reluktanzmotoren, für synchrone und geschaltete
Reluktanzgeneratoren als auch für
andere Maschinen, welche Anordnungen von Phasenwicklungen aufweisen,
die denen der geschalteten Reluktanzmaschinen ähnlich sind, anwendbar.
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Die allgemeine Theorie für den Entwurf
und den Betrieb von geschalteten Reluktanzmaschinen wird z. B. beschrieben
in The Characteristics, Design and Applications of Switched Reluctance
Motors and Drives, von Stephenson und Blake und wurde veröffentlicht
in PCIM '93, Konferenz
und Ausstellung in Nürnberg,
Deutschland, vom 21.–24.
Juni 1993, und sie ist dadurch weithin bekannt.
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1 stellt
beispielhaft eine geschaltete Reluktanzmaschine dar, welche einen
Stator 10, mit sechs vorstehenden Statorpolen 11–16 besitzt,
die eine Hauptstatorachse bilden (welche sich aus 1 nach außen erstreckt). Ein Rotor 18 ist
mit einer rotierenden Welle gekoppelt, die zur Hauptachse des Stators
koaxial angeordnet ist. In 1 ist
der Rotor innerhalb einer Bohrung angeordnet, welche durch den Stator
und die nach innen weisenden Statorpole 11–16 gebildet
wird, und er ist an einer Welle befestigt (nicht dargestellt), die
in Lagern gehalten wird und sich frei drehen kann. Der Rotor 18 besitzt
eine Anzahl von nach außen
vorstehenden Vorsprüngen 19, welche
die Rotorpole bilden.
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Mit jedem Statorpol ist eine gewickelte Drahtspule 17 verbunden.
In der dargestellten Maschine sind die beiden sich gegenüberliegenden
Statorpole miteinander gekoppelt, damit drei Phasen gebildet werden:
Phase A (Spulen der Pole 11 und 14); Phase B (Spulen
den Pole 12 und 15); und Phase C (Spulen der Pole 13 und 16).
In dem in 1 dargestellten
Beispiel fließt,
wenn Phase A erregt wird, ein elektrischer Strom in der Weise durch
die Spulen, dass z. B. der Statorpol 11 einen nach innen
weisenden Elektromagneten mit positiver Polarität und der Statorpol 14 einen
nach innen weisenden Elektromagneten mit negativer Polarität darstellt.
Diese Elektromagneten erzeugen eine Zugkraft zwischen den erregten
Statorpolen und den Rotorpolen, wodurch ein Drehmoment erzeugt wird.
Durch Schaltung der Erregung von einer Phase zur anderen kann das
erwünschte
Drehmoment unabhängig
von der Winkelposition des Rotors aufrechterhalten werden. Durch Schaltung
der Erregung der Phasenwicklungen in der Weise, dass ein positives
Drehmoment erzeugt wird, kann die Maschine als Motor betrieben werden; durch
Erregung der Phasenwicklungen in der Weise, dass das Drehmoment
gehemmt wird, kann die Maschine als Bremse oder als Generator betrieben
werden.
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Zum Zwecke der Darstellung wird eine
einfache Form einer Maschine, welche 6 Statorpole und 2 Rotorpole
aufweist (d. h. eine 6/2-Maschine) dargestellt. Fachleuten ist klar,
dass andere Kombinationen möglich
sind. Die vorliegende Erfindung gilt in gleicher Weise auch für solche
Maschinen. Weiterhin ist die vorliegende Erfindung auf invertierte
Maschinen anwendbar, bei welchen der Stator innerhalb der Bohrung
eines außen
rotierenden Rotors angeordnet ist, sowie auf lineare Maschinen,
bei denen ein bewegliches Teil sich in Bezug zum Stator linear bewegt.
Im Stand der Technik wird das bewegliche Teil eines Linearmotors
allgemein auch als Rotor bezeichnet.
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Wenn sich eine geschaltete Reluktanzmaschine
in Betrieb befindet, kann das Drehmoment (und andere Maschinenparameter)
durch Erfassung der Rotorposition und Erregung einer oder mehrerer Phasenwicklungen,
wenn sich der Rotor in einer ersten Winkelposition befindet, die
als „Einschaltwinkel" bezeichnet wird,
und anschließende
Abschaltung der erregten Wicklungen, wenn sich der Rotor in eine zweite
Winkelposition dreht, die als „Ausschaltwinkel" bezeichnet wird,
gesteuert werden. Der Winkelabstand zwischen dem Einschaltwinkel
und dem Ausschaltwinkel wird als „Durchlasswinkel" bezeichnet.
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Bei Stillstand und bei niedrigen
Geschwindigkeiten kann das Drehmoment einer geschalteten Reluktanzmaschine
durch Veränderung
des Stromes in den erregten Phasen über die Periode, die durch die
Einschalt- und Ausschaltwinkel gebildet wird, gesteuert werden.
Bei Anwendung des Stromchopping kann eine solche Steuerung durch
Zerhacken des Stromes unter Verwendung eines Referenzstromes mit
Phasenstromrückkopplung
erreicht werden. Eine solche Stromsteuerung wird als „Choppingmodus" -Stromsteuerung
bezeichnet. Alternativ kann eine Pulsbreitenmodulations-(PWM)-Spannungssteuerung
verwendet werden. Die Choppingmodus-Stromstreuerungs- und die PWM-Steuerungsstrategien sind
allgemein bekannt, und die Choppingmodus-Stromsteuerung wird im
Weiteren allgemein beschrieben.
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2A zeigt
allgemein und beispielhaft den Strom in einer Phasenwicklung, wenn
die Choppingmodus-Stromsteuerung in einer geschalteten Reluktanzmaschine
angewendet wird, welche als Motor betrieben wird. Wie 2A zeigt, wird die Phase
zunächst
zu einem Zeitpunkt erregt, der mit dem Einschaltwinkel übereinstimmt,
und der Strom beginnt anzusteigen, bis er den Referenzstrom erreicht.
An diesem Punkt wird der Strom durch eine Steuerung zerhackt und
die Phasenwicklung abgeschaltet. Der Strom fällt ab, bis die Phasenwicklung
erneut erregt wird und sich der Ablauf wiederholt. Wie in 2A dargestellt ist, bildet
im Choppingmodus die Gesamtform der Wellenform des Stromes einen
im Wesentlichen rechteckigen Bereich, bei welchem die Anfangs- und
Endpunkte des rechteckigen Bereiches im Wesentlichen mit dem Einschalt-
und Ausschaltwinkeln übereinstimmen.
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Wenn die Winkelgeschwindigkeit des
Motors ansteigt, wird ein Punkt erreicht, an welchem nicht genügend Zeit
für mehr
als einen einzigen Stromimpuls während
jeder Phasenperiode zur Verfügung steht.
Deshalb sind bei solchen Geschwindigkeiten die Pulsbreitenmodulations-
oder die Choppingstrategien uneffektiv. Bei diesen Geschwindigkeiten
wird das Drehmoment des Motors im Allgemeinen durch Steuerung der
Position und die Dauer des Spannungsimpulses gesteuert, der auf
die Wicklung während
der Phasenperiode ausgeübt
wird. Weil ein einziger Spannungsimpuls während jeder Phasenperiode ausgeübt wird,
bezeichnet man diese Form der Steuerung als „Einimpulssteuerung".
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2B zeigt
beispielhaft die Wellenform des Stromes für einen Phasenstrom in einem
geschalteten Reluktanzmotor, der im Einimpulsmodus betrieben wird.
Im Einimpulsmodus wird die Größe des Drehmomentes
durch die Höhe
und die Form des Stromimpulses bestimmt, welche ihrerseits bestimmt werden
durch: die Winkelgeschwindigkeit des Rotors; den Punkt während der
Drehung des Rotors, an welchem die Spannung auf die Phasenwicklung
aufgegeben wird (d. h. den Einschaltwinkel); den Punkt während der
Drehung des Rotors, an welchem die Einwirkung der Spannung auf die
Wicklung gestoppt wird (den Ausschaltwinkel); und die Größe der Spannung,
die auf die Phasenwicklung aufgegeben wird. 2B zeigt allgemein die etwaigen Positionen
der Einschalt- und Ausschaltwinkel und die Dauer des Durchlasswinkels
für die
im Beispiel verwendete Wellenform.
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3 zeigt
allgemein die Stromzuführungsschaltung,
welche verwendet werden kann, um die Erregung der Phasenwicklung
sowohl für
die „Choppingmodus"- als auch für die „Einimpulsmodus"- Stromsteuerung
zu steuern.
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In 3 ist
eine Phasenwicklung 30 mit einer Gleichstromquelle gekoppelt,
die über
einen Gleichstrombus, der eine positive Schiene 31 und eine
negative Schiene 32 umfasst, von einer oberen Schalteinrichtung 33 und
einer unteren Schalteinrichtung 34 zugeführt wird.
Es sind Rückführungsdioden 35 und 36 vorgesehen,
um einen Strompfad vom Gleichspannungsbus durch die Phasenwicklung 30 zu
ermöglichen,
wenn die Schalteinrichtungen 33 und 34 geöffnet sind.
Für Fachleute
ist erkennbar, dass die Phasenwicklung 30 im Wesentlichen
durch Schließen
der Schalter 33 und 34 erregt wird, wodurch eine
Anschaltung der Phasenwicklung an den Gleichstrombus erfolgt.
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Die in 3 dargestellte
Schaltung kann verwendet werden, um die Choppingmodus-Stromsteuerung wie
folgt auszuführen:
wenn der Rotor eine Winkelposition erreicht, die mit dem Einschaltwinkel übereinstimmt,
werden die Schalter 33 und 34 geschlossen. Die
Phasenwicklung 30 wird dadurch mit dem Gleichstrombus verbunden,
wodurch ein ansteigender magnetischer Fluss im Motor entsteht. Es
ist das von diesem Fluss erzeugte Magnetfeld, welches auf die Rotorpole
wirkt und das Drehmoment des Motors erzeugt. Wenn der magnetische
Fluss in der Maschine ansteigt, fließt ein Strom von der Gleichstromzuführung, welche
durch den Gleichstrombus vorgesehen ist, durch die Schalter 33 und 34 und
durch die Phasenwicklung 30.
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Der Strom, welcher durch die Phasenwicklung 30 fließt, wird
durch einen Stromsensor oder durch eine andere Einrichtung (nicht
dargestellt) erfasst, welche ein Signal erzeugt, das der Größe des Phasenstromes
entspricht. Das Signal, welches dem Phasenstrom entspricht, wird
dann mit einem Signal verglichen, welches dem Referenzstrom entspricht. Wenn
der aktuelle Strom in der Phasenwicklung den Referenzstrom überschreitet,
wird die Phasenwicklung durch Öffnung
eines oder beider Schalter 33 und 34 abgeschaltet.
Wenn beide Schalter 33 und 34 geöffnet werden,
beginnt der von den Schaltern 33 und 34 in die
Phasenwicklung übertragene
Strom durch die Dioden 35 und 36 zu fließen. Die
Dioden 35 und 36 verursachen dann, dass die Gleichspannung
auf den Gleichstrombus im entgegengesetzten Sinne ausgeübt wird,
wodurch verursacht wird, dass der magnetische Fluss in der Maschine
(und deshalb der Phasenstrom) abnimmt. Wenn der Strom um einen vorbestimmten
Wert unterhalb des Referenzstromes abfällt, wird die Phase erneut
erregt und der Strom beginnt wieder anzusteigen.
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Der Ablauf bei der Erregung der Phasenwicklung 30,
sowie deren Abschaltung, wenn der Phasenstrom den Referenzstrom überschreitet,
und der erneuten Erregung, wenn der Phasenstrom um einem vorbestimmten
Wert unterhalb des Referenzstromes abfällt, wiederholt sich während eines
Intervalls, das durch die Einschalt- und Ausschaltwinkel gebildet
wird, von selbst. In typischer Weise werden die Schalter 33 und 34 geöffnet, wenn
der Rotor eine Winkelposition erreicht, die dem Ausschaltwinkel
entspricht, und der Phasenstrom kann auf Null fallen. An diesem
Punkt schalten die Dioden 35 und 36 ab und trennen
die Phasenwicklung von der Energiezuführung.
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Für
die Fachwelt ist erkennbar, dass die vorgenannte Beschreibung der
Stromsteuerung nur ein Beispiel einer Choppingmodus-Stromsteuerungsstrategie
dargestellt, die verwendet werden kann, und dass alternative Strategien,
z. B. Strategien, welche einen Freilauf umfassen, ebenfalls angewendet werden
können.
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Der in 3 dargestellte
Schaltkreis kann ebenfalls verwendet werden, um die Einimpulsmodus-Steuerung
durchzuführen.
Wenn der Motor im Einimpulsmodus betrieben wird, ist die Steuerungsstrategie
geradlinig. Wenn der Rotor eine Winkelposition erreicht, die dem
Einschaltwinkel entspricht, werden die Schalter 33 und 34 geschlossen.
Die Phasenwicklung 30 ist dann an den Gleichstrombus angekoppelt
und verursacht in dem Motor einen zunehmenden Magnetfluss. Wenn
der Magnetfluss in der Maschine ansteigt, fließt der Strom, welcher von der
Gleichstromquelle durch den Gleichstrombus zugeführt wird, durch die Schalter 33 und 34 und
durch die Phasenwicklung 30. Wenn der Rotor eine Winkelposition
erreicht, die dem Ausschaltwinkel entspricht, werden die Schalter 33 und 34 geöffnet, und
der Strom in der Phasenwicklung 30 wird von den Schaltern 33 und 34 umgeleitet
und beginnt über
die Dioden 35 und 36 zu fließen. Wie im Choppingmodus beeinflussen
die Dioden 35 und 36 dann die Gleichspannung,
die am Gleichstrombus anliegt im entgegengesetzten Sinne und bewirken,
dass der Magnetfluss in der Maschine (und deshalb der Phasenstrom) abnehmen.
Wiederum ist die vorstehende Beschreibung nur ein Beispiel, wie
die Schaltung nach 3 verwendet
werden kann, um eine Einimpulsmodus-Stromsteuerung durchzuführen. Es
können
alternative Strategien, z. B. Strategien, welche einen Freilauf
einsetzen, ebenfalls verwendet werden.
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Der zu Grunde liegende induktive
Charakter der Phasenwicklung kann zu Problemen mit dem übertragenen
Spannungen in Form von Spikes führen,
wenn eine Spannung über
die Wicklung angelegt wird. Diese Spikes haben einen viel höheren Spitzenwert
als die geschaltete Spannung und eine sehr hohe Anstiegs- und Abfallgeschwindigkeit.
Die Höhe der
Spannung kann das Schaltelement beschädigen. Um diesem entgegen zu
wirken, ist es bekannt, einen sog. „Dämpfungs"- Schaltkreis zu verwenden, der über den
Schalter geschaltet wird, um die vorübergehenden Spannungsspitzen
im Schalter zu unterdrücken.
In den bekannten Dämpfungsschaltungen
wird die Geschwindigkeit des Ansteigens und Abfallens bei den Spannungsübergängen in
typischer Weise unterdrückt,
ohne dass die Ansprechempfindlichkeit des Schalters in befriedigender
Weise beeinflusst wird, um auf den neuen Spannungspegel, der auf
die Phasenwicklung als Ergebnis des Schaltens ausgeübt wird,
einzuschwingen. In den meisten Fällen
wird die Unterdrückung
der Spannungsspikes durch die Verwendung eines solchen Dämpfungsschaltkreises erreicht,
ohne eine Übergangszeit
von mehr als 5 μs auf
die geschaltete Spannung auszuüben.
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Wie die vorstehende Beschreibung
zeigt, steigt beim Betrieb eines geschalteten Reluktanzmotors (oder
Generators) der magnetische Fluss in verschiedenen Teilen der Maschine
ständig
an und fällt ab.
Dieser wechselnde Fluss tritt sowohl im Chopping-Modus als auch
im Einimpulsmodus auf. Der wechselnde Fluss führt dazu, dass die magnetischen Kräfte, die
auf die ferromagnetischen Teile der Maschine ausgeübt werden,
ständig
wechseln. Diese Kräfte
können
zu unerwünschter
Vibration und zu unerwünschtem
Lärm führen. Ein
größerer Mechanismus,
durch welchen diese Kräfte
Lärm erzeugen
können,
ist das Unrundwerden des Stators, welches durch Kräfte, die
rechtwinklig zum Luftspalt wirken, verursacht wird. Im Allgemeinen
wird, wenn der magnetische Fluss entlang eines vorgegebenen Durchmessers
des Stators ansteigt, der Stator durch die magnetischen Kräfte in eine
ovale Form gezogen. Wenn der magnetische Fluss abnimmt, springt
der Stator in seine unverzogene Form zurück. Dieses Unrundwerden und
Zurückspringen
des Stators kann zu unerwünschter
Vibration führen
und hörbaren Lärm erzeugen.
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Zusätzlich zu den Verzerrungen
des Stators durch die das Unrundwerden verursachenden Magnetkräfte können die
unerwünschten
Vibration und das akustische Geräusch
auch durch abrupte Veränderungen
der magnetischen Kräfte
im Motor erzeugt werden. Diese abrupten Veränderungen im Ablauf des magnetischen
Flusses (d. h. der Geschwindigkeit der Veränderung des Flusses in der
Zeit) werden als „Hammerschläge" bezeichnet, weil
die Einwirkung auf den Stator einem Hammerschlag ähnlich ist. Genau
wie ein Hammerschlag den Stator dazu bringen kann, mit einer oder
mehreren Resonanzfrequenzen (die durch die Masse und die Elastizität des Stators
bestimmt werden) zu schwingen, kann die abrupte Einwirkung eines
Magnetfeldes bzw. dessen abruptes Wegbleiben, dazu führen, dass
der Stator mit einer oder mehreren seiner Resonanzfrequenzen vibriert.
Im Allgemeinen herrscht die niedrigste (oder Grundfrequenz) der
Resonanzfrequenzen bei der Vibration vor, obgleich die höheren Harmonischen durch
wiederholte Erregung bei einer bestimmten Frequenz hervorgehoben
werden können.
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Zusätzlich zu den Verzerrungen
des Stators, die aus der zuvor beschriebenen ovalen Verformung und
dem Hammerschlagphänom
resultieren, können die
sich ständig
verändernden
Magnetkräfte
im Motor sowohl den Stator als auch den Rotor sowie andere ferromagnetische
Teile des Maschinensystems verzerren. Diese zusätzlichen Verzerrungen stellen
eine weitere potenzielle Quelle für unerwünschte Vibration und unerwünschten
Lärm dar.
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Obgleich das Problem des unerwünschten akustischen
Lärms und
der Vibration erkannt worden ist, lösen die bekannten Steuerungssysteme
für Reluktanzmotoren
das Problem nicht in angemessener Weise. So wurde z. B. das allgemeine
Problem des akustischen Lärms
in geschalteten Reluktanzmotorsystemen in den Artikel von C. Y Wu
und C. Pollock, „Analysis
and Reduction of Vibration and Acoustic Noise in the Switched Reluctance
Drive" in Procceedings
of the IAS '93 auf
den Seiten 106 bis 113 (1993) beschrieben. Im Wesentlichen betrifft
das von Wu und Pollock vorgeschlagene Verfahren die Steuerung des
Stromes in der Phasenwicklung in der Weise, dass der Strom in zwei
aufeinanderfolgenden Schaltschritten gesteuert wird, wobei der zweite Schaltschritt
zur Halbzeit eines Resonanzzyklus nach dem ersten beginnt und der
Resonanzzyklus durch die Resonanzfrequenz der Maschine bestimmt wird.
Dieses Herangehen wird in typischer Weise durch Ausschalten von
einer der Versorgungseinrichtungen zu einem ersten Zeitpunkt eingeleitet,
um eine erste Stufe zur Verminderung der zugeführten Spannung zu bewirken
und danach die zweite Stromzuführung
auszuschalten. In der Zeit zwischen dem Ausschalten der ersten Schalteinrichtung
und der zweiten Schalteinrichtung kann der Strom im Freilauf durch
die Freilaufdiode und die zweite Schalteinrichtung fließen.
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Das Herangehen zur Verminderung des
Geräusches
in geschalteten Reluktanzmotoren durch die zweistufige Spannungsreduzierung,
wie sie vorstehend beschrieben wurde, besitzt verschiedene Beschränkungen
und Nachteile. Eine dieser Beschränkungen besteht darin, dass
in vielen Fällen
die zweistufige Spannungsverminderung ein präzises Schalten der Schalt einrichtungen
innerhalb des Intervalls erfordert, das durch die Ein- und Ausschaltwinkel
bestimmt wird (d. h. des Winkelintervalls, während dem die Phasenwicklung
erregt wird). Außerdem
beschränkt
die zweistufige Spannungsverminderung die Flexibilität, um die
Freilaufperiode für
jeden Phasenzyklus dynamisch anzupassen. Wie vorstehend bei der
zweistufigen Spannungsverminderung beschrieben, wird die Dauer der
Freilaufperiode optimiert, um das Geräusch, das durch das System erzeugt
wird, zu vermindern. Es gibt viele Beispiele dafür, bei dem es erwünscht ist,
die Dauer des Freilaufes nach anderen Kriterien zu optimieren.
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Weil es bezeichnender Weise nur eine
Freilaufperiode pro Erregungsphasenzyklus gibt, besteht eine zusätzliche
Beschränkung
der zweistufigen Spannungsverminderung und anderer Herangehensweisen,
welche den Freilauf benutzen, um das Geräusch zu reduzieren, darin,
dass der Freilauf im Allgemeinen nur das Geräusch reduziert, welches durch
nur eine einzige Frequenz des Motorsystems erzeugt wird. Ein Freilauf,
der das Geräusch
bei einer Frequenz reduziert, muss nicht notwendigerweise ein Geräusch reduzieren,
das durch andere Frequenzen in den Motorsystemen erzeugt wird, die
mehr als eine Frequenz aufweisen. Dementsprechend reduzieren diese
Herangehensweisen nicht die Amplitude von Frequenzen, bei welchen
ein unerwünschtes
Geräusch
erzeugt wird. Ein weiterer Nachteil bei der Anwendung des Freilaufes
besteht darin, dass verschiedene Motorsteuerungssysteme (z. B. H-Schaltungen
mit einem Spaltkondensator, 3-Schienen-Schaltungen, Ringschaltungen
u. dgl.) existieren, welche einfach keinen Freilauf ermöglichen.
Diese Systeme können
den Freilauf zur Reduzierung des Geräusches nicht verwenden.
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Die vorliegende Erfindung überwindet
viele der Beschränkungen
und Nachteile, welche mit den bekannten Systemen verbunden sind,
und schafft ein neuartiges Verfahren und eine neuartige Vorrichtung zur
Erregung der Phasenwicklungen eines geschalteten Reluktanzmotors
in spezieller Weise, um ein unerwünschtes Geräusch sowie Vibrationen, die durch
den Motor erzeugt werden, zu vermindern.
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US
5446359 beschreibt eine Stromverminderungssteuerung in
einem geschalteten Reluktanzmotor. Es wird ein Schwanzstrom am Ende
eines laufenden Zyklus beschrieben, welcher ein Pulsieren der Spannung über der
Phasenwicklung anwendet.
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Die vorliegende Erfindung wird in
den anliegenden unabhängigen
Patentansprüchen
dargelegt. Bevorzugte Ausführungsformen
sind Gegenstand der abhängigen
Patentansprüche.
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Vorzugsweise liegt die Übergangszeit
eines erfindungsgemäßen Konverters
in der Größenordnung
von 10 μs
oder mehr. Die tatsächliche
Zeit ist ein Kompromiss zwischen der Verminderung der Verzerrungskräfte, die
auf den Stator ausgeübt
werden, und der Schaltzeit, die durch die Maschinenstruktur und
die Betriebserfordernisse verfügbar
ist.
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Andere Aspekte und Vorteile der vorliegenden
Erfindung sollen durch das Studium der folgenden detaillierten Beschreibung
deutlich werden, welche beispielhaft dargelegt wird und auf die
Zeichnungen Bezug nimmt, in welchen:
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1 ein
Beispiel für
einen Reluktanzmotor zeigt, welcher einen Stator aufwsist, der sechs
Statorpole besitzt;
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2A allgemein
ein Beispiel eines Stromes in einer Phasenwicklung eines geschalteten
Reluktanzmotors zeigt, wenn eine Stromchoppingmodus-Steuerung verwendet
wird;
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2B allgemein
das Beispiel einer Stromwellenform für einen Phasenstrom in einem
geschalteten Reluktanzmotor zeigt, der mit einer Einimpulsmodus-Steuerung betrieben
wird;
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3 allgemein
eine Versorgungsschaltung zeigt, welche verwendet werden kann, um
die Erregung einer Phasenwicklung einer geschalteten Reluktanzmaschine
sowohl durch eine Choppingmodus-Stromsteuerung als auch durch eine
Einimpulsmodus-Stromsteuerung zu steuern;
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4 verschiedene
Bauteile in einem Blockschaltbild zeigt, die verwendet werden können, um ein
Steuerungssystem für
eine geschaltete Reluktanzmaschine zu entwickeln;
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5A allgemein
ein Beispiel einer Spannung zeigt, die auf eine Phasenwicklung eines
geschalteten Reluktanzmotors vor und nach einem typischen Ausschaltpunkt
aufgegeben wird;
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die 5B und 5C jeweils Beispiele des
magnetischen Flusses zeigen, welcher in einem Motor vor und nach
dem Ausschaltpunkt nach 5A bei einer
Choppingmodus-Stromsteuerung und einer Einimpulsmodus-Stromsteuerung
auftritt;
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6 allgemein
ein Beispiel der Spannung zeigt, die auf eine Wicklung eines geschalteten
Reluktanzmotors vor und nach einem typischen Ausschaltpunkt aufgegeben
wird;
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7 ein
analoges Modell eines geschalteten Reluktanzmotorsystems im Form
eines Feder-Masse-Systems mit Dämpfung
zeigt;
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8 allgemein
den Effekt des plötzlichen Aufhörens einer
negativen Kraft auf das System nach 7 zeigt;
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9 allgemein
darstellt, wie eine unerwünschte
Vibration in dem System nach 7 durch die
Anwendung eines oder mehrerer Hilfsimpulse reduziert werden kann;
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10 allgemein
beispielhafte Werte zeigt, welche die Kräfte und Schwingungen darstellen,
die in einem geschalteten Reluktanzmotor wahrscheinlich auftreten,
wenn eine abrupte Veränderung
in der Größe des magnetischen
Flusses eintritt;
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11 das
Motorsystem nach 10 zeigt, wenn
ein Hilfsspannungsimpuls aufgegeben wird;
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12 ein
Blockschaltbild eines Schaltkreises zeigt, welcher verwendet werden
kann, um eine Hilfsteuerung zu installieren;
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13 einen
alternativen Schaltkreis zeigt, welcher verwendet werden kann, um
eine Hilfssteuerung in synchronisierten digitalen Systemen zu installieren;
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14A allgemein
das Ende eines Spannungsimpulses an einem Ausschaltpunkt und die
Anwendung einer Folge von zeitgesteuerten Spannungsimpulsen zeigt,
die dem Ausschaltpunkt entsprechend der vorliegenden Erfindung folgen;
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14B eine
allgemeine Darstellung des Effektes bei der Anwendung einer Folge
von zeitgesteuerten Spannungsimpulsen nach 14A auf den Fluss eines geschalteten
Reluktanzmotors zeigt;
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15A das
Beispiel einer Folge von zeitgesteuerten Spannungsimpulsen nach
der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei die Spannungsimpulse in der
Folge in ihrer Größe zwischen
einer positiven Spannung und Null variieren;
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15B das
Beispiel einer Folge von zeitgesteuerten Spannungsimpulsen entsprechend
der Erfindung zeigt, bei welchem die Spannungsimpulse in der Folge
zwischen einer positiven Spannung und Null während eines ersten Abschnittes
der Folge und zwischen Null und einer negativen Spannung während eines
zweiten Abschnittes der Folge variieren; und
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16 allgemein
einen ideal geglätteten Verlauf
der Spannungsumkehr über
einer Phasenwicklung von einer positiven Spannung +V zu einer negativen
Spannung –V
zeigt.
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Wenn man sich den Zeichnungen zuwendet und
die 4 betrachtet, ist
ein Beispiel eines Steuerungssystems als Blockschaltbild dargestellt.
Es ist erkennbar, dass eine elektronische Steuerung 40 Signale
von einem Rotorpositionssensor („RPT") 41 empfängt. Der RPT 41 ermittelt
die Winkelposition des Rotors und sendet Signale zur Steuerung 40,
die für
die Position des Rotors aussagefähig
sind. In Reaktion auf die Rotorpositionssignale vom RPT 41 erzeugt
die Steuerung 40 Schaltsignale (manchmal als „Auslösesignale" bezeichnet) an eine
Anzahl von Schalteinrichtungen 33a–c und 34a–c.
Die Schalteinrichtungen 33a–c und 34a–c sind
mit den drei Phasenwicklungen 30a, 30b und 30c eines
dreiphasigen geschalteten Reluktanzmotors in gleicher Weise verbunden,
wie dies zuvor in Verbindung mit 3 beschrieben
wurde. Die Schalteinrichtungen 33a–c, 34a–c können MOSFETS,
bipolare Einrichtungen oder andere Schalteinrichtungen umfassen.
Der geschaltete Reluktanzmotor kann von dem Typ sein, wie er in 1 dargestellt ist. Der RPT 41 kann
optische, kapazitive, induktive oder magnetische Sensoren umfassen,
und er kann eine bekannte Struktur aufweisen. Andere Ausführungsformen
des RPT können
einen Positionssensor enthalten, der die elektrischen Merkmale der
Phasenwicklung erfasst und ein Signal erzeugt, das für die Winkelposition
des Rotors aussagefähig
ist, ohne dass Positionssensoren verwendet werden.
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Im Allgemeinen reagiert die elektronische Steuerung 40 auf
die Positionssignale des RPT 41 durch die Erzeugung von
Auslösesignalen
für jede der
drei Phasenwicklungen 30a–c des Motors, um die
Stromversorgungseinrichtungen 33a–c und 34a–c so
zu schalten, dass die Phasenwicklungen 30a–30c in
ordnungsgemäßer Folge
während
der Winkelperioden der Rotordrehung erregt werden, um ein Drehmoment
in der gewünschten
Richtung zu erzeugen.
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Der Betrieb der Steuerung 40 ist
hinsichtlich der vorliegenden Erfindung nicht kritisch und kann eine
bekannte Struktur aufweisen. Steuerungen für geschaltete Reluktanzmotoren,
welche Auslössignale
in Reaktion auf Rotorpositionssignale erzeugen, sind aus dem Stand
der Technik allgemein bekannt und sollen hier im Einzelnen nicht
erläutert
werden. Ein Durchschnittsfachmann, welcher Kenntnis von dieser Darlegung
erhält,
ist in der Lage, eine geeignete Steuerung zu entwickeln. Weiterhin
ist die genaue Struktur des geschalteten Reluktanzmotors und die
Anordnung der Schalteinrichtungen 33a–c und 34a–c für die vorliegende
Erfindung ebenfalls nicht kritisch. Die Verfahren der vorliegenden
Erfindung sind allgemein bei geschalteten Reluktanzmotorsteuerungen
anwendbar.
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Die Auslösesignale von der Steuerung 40 werden
drei Paaren von ODER-Gattern 42a–c zugeleitet. Jedes
Paar von ODER-Gattern 42a–c ist mit einer der
drei Phasen des Motors verbunden. Die Ausgänge ODER-Gattern 42a–c sind
mit den Gattern der Stromversorgungsschalteinrichtungen 33a–c und 34a–c verbunden.
Während
des normalen Betriebes arbeitet die Steuerung 40 nach bekannten
Verfahren, um Auslösesignale
für die
Stromversorgungs- Schalteinrichtungen 33a–c und 34a–c zu
erzeugen. Die Auslösesignale
passieren die entsprechenden ODER-Gatter 42a–c und
werden verwendet, um die Erregung und die Aberregung der Phasenwicklungen 30a–c über die
Winkelperioden bei der Rotation des Rotors und somit das Drehmoment
des Motors zu steuern.
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Mit jedem Satz von ODER-Gattern 42a–c ist eine
Hilfsimpuls-Steuerschaltung 44a–c verbunden. Wie
im Weiteren noch ausführlicher
dargelegt werden soll, erfassen die Hilfsimpuls-Steuerschaltkreise 44a–c die
Auslösesignale,
die den ODER-Gattern 42a–c zugeleitet werden
und erzeugen Hilfsimpulssignale, um die erfindungsgemäßen Geräuschverminderungsverfahren
durchzuführen.
Diese Hilfsimpulssignale passieren das entsprechende O-DER-Gatter 42 und
werden den Stromversorgungseinrichtungen 33a–c und 34a–c so
zugeleitet, dass die Phasenwicklungen in Reaktion auf die Hilfsimpulssignale
erregt werden. Entsprechend einer Ausführungsform steuern die Hilfsimpulssignale
die Erregung der Phasenwicklung in der Weise, dass unerwünschte Vibrationen
und Geräusche
vermindert werden.
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Wie vorstehend beschrieben, neigen
abrupte Veränderung
im Verlauf des magnetischen Flusses dazu, Verzerrungskräfte am Stator
zu aktivieren, welche akustische Geräusche und unerwünschte Störvibrationen
verursachen. Die Schaltpunkte der Stromversorgungseinrichtungen,
welche erscheinen, wenn der Fluss und damit die magnetischen Kräfte am größten sind,
stellen die Schaltpunkte dar, welche die engste Verbindung zu dem
Auftreten von unerwünschten
Geräuschen
und Vibrationen haben, die vom Motor erzeugt werden. Im Allgemeinen
befindet sich der Punkt, an welchem der magnetische Fluss am größten ist,
an einem Ausschaltpunkt (d. h. an einem Punkt, wenn beide Schalteinrichtungen
geöffnet sind).
In typischer Weise ist der Ausschaltpunkt, an welchem der Fluss
für eine
vorgegebene Phasenwicklung am größten ist,
der Ausschaltpunkt, welcher auftritt, wenn die größte Anzahl
von Voltsekunden auf die Phasenwicklung ausgeübt wurden. Im Allgemeinen wird
der Ausschaltpunkt durch ein vorbestimmtes Schaltereignis bestimmt.
Ein solches Ereignis kann z. B. die Öffnung der oberen und unteren Schalteinrichtungen
oder die Öffnung
oder Schließung
von nur einer Schalteinrichtung sein.
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Wenn die Einimpuls-Steuerung verwendet wird,
kann der Ausschaltpunkt, welcher beim maximalen Fluss eintritt,
leicht bestimmt werden, weil der einzige Ausschaltpunkt während jedes
Phasenerregungszyklus am Ende des einzigen Impulses liegt. Beim
Choppingmodus können
jedoch verschiedene Ausschaltpunkte auftreten, wobei jeder auftritt,
wenn die Schalter geöffnet
werden, um den Wert des Phasenstromes zu steuern. Im Allgemeinen,
wenn die Maschine als Motor betrieben wird, ist der Ausschaltpunkt,
welcher zeitlich zuletzt für
jede Phasenerregungsperiode eintritt, der wichtigste und an diesem Punkt
kann das erfindungsgemäße Verfahren
angewendet werden, um das Geräusch
und die Vibration zu reduzieren. Wenn eine Maschine als Generator betrieben
wird, ist gewöhnlich
der erste Schaltpunkt der wichtigste, weil der erste Schaltpunkt
bei Generatoren im Allgemeinen am Punkt des größten Flusses auftritt.
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Die allgemeine Beziehung zwischen
dem interessierenden Ausschaltpunkt und den abrupten Veränderungen
im Verlauf des magnetischen Flusses ist in den 5A–5C dargestellt. 5A zeigt allgemein ein Beispiel
der Spannung, welche auf eine Wicklung eines geschalteten Reluktanzmotors
vor und nach einem typischen Ausschaltpunkt aufgegeben wird. Der
Ausschaltpunkt 51 nach 5A kann den
Ausschaltpunkt darstellen, welcher für einen Motor von Interesse
ist, der im Chopping- oder im Einimpuls-Modus betrieben wird. Wie
vorstehend allgemein beschrieben wurde, wird vor dem Ausschaltpunkt 51 die
Gleichspannung von dem Gleichspannungsbus auf die Phasenwicklung
durch die Schaltvorrichtung in der Weise aufgegeben, dass die Spannung über der
Phasenwicklung +V ist, wobei V eine Größe der Energiezuführung ist.
Am Schaltpunkt 51 sind die Schalter geöffnet und die Spannung +V wird durch
die Schalter umgekehrt und eine Spannung –V wird durch die Dioden auf
die Phasenwicklungen aufgegeben.
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Die 5B und 5C zeigen allgemeine Beispiele
des Flusses, welcher in einem Motor vor und nach dem Ausschaltpunkt 51 nach 5A vorhanden ist. 5B zeigt allgemein den Fluss,
welcher in dem Motor vorhanden ist, wenn die Choppingmodus-Stromsteuerung verwendet
wird, und 5C zeigt allgemein
den Fluss, welcher in dem Motor vorhanden ist, wenn die Einimpulsmodus-Stromsteuerung
verwendet wird. Die 5B und 5C beziehen sich nicht auf
den selben Zeitmaßstab
wie die 5A. Es ist zu
beachten, dass die Kurven des Flusses 5B und 5C bis zu einem gewissen
Grade überhöht sind
und nur zum Verständnis
dienen sollen. Es ist nicht beabsichtigt, dass sie exakt und eindeutig
den Fluss in einer Reluktanzmaschine wiedergeben.
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In 5B ist
erkennbar, dass vor dem Ausschaltpunkt 51 der Fluss im
Motor sich so verändert, wie
die Schalteinrichtungen im Choppingmodus ein- und ausgeschaltet
werden, aber er vergrößert sich
im Allgemeinen von einem Punkt, der dem Einschaltwinkel entspricht,
bis zum Ausschaltpunkt 51, welcher dem Ausschaltwinkel
entspricht, und an diesem Punkt verändert sich der magnetische
Fluss in der Maschine abrupt und beginnt drastisch abzufallen. In ähnlicher
Weise erhöht
sich der Fluss, wenn die Einimpulsmodus-Stromsteuerung verwendet
wird, im Motor von einem Punkt, der dem Einschaltwinkel entspricht
bis zum Ausschaltpunkt 51, an welchem die Größe des Flusses
sich abrupt verändert
und der Fluss sich abzuschwächen
beginnt. Aus den 5A–5C ist deshalb erkennbar,
dass an den interessierenden Ausschaltpunkten die Veränderungen im
Ablauf des magnetischen Flusses in der Maschine scharf und abrupt
sind. Wie vorstehend beschrieben wurde, bewirken die abrupten Veränderungen
im Ablauf des Flusses am Ausschaltpunkt plötzliche Veränderungen der Magnetkräfte, was
zu unerwünschtem Geräusch und
unerwünschter
Vibration führt.
In einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung werden diese plötzlichen Veränderungen
durch die Anwendung von Hilfsspannungsimpulsen aktiv unterdrückt. Diese
Hilfsspannungsimpulse sind zeitlich so festgelegt, dass sie zur
Erzeugung von vibrierenden Kräften
in dem Maschinensystem führen,
welche der Vibration des Stators, die andernfalls erzeugt würde, aktiv
entgegenwirken.
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In 4 ist
erkennbar, dass, wenn eine aktive Unterdrückung angewendet wird, die
Hilfsimpulssteuerungen 44a–c als Eingänge der
jeweiligen Phase von der Steuerung 40 Auslösesignale
empfangen und Hilfsauslösesignale
erzeugen, die zu den jeweiligen Netzschalteinrichtungen über die
Paare von ODER-Gattern 42a–c geleitet werden.
Die Hilfsimpulssteuerungen 44a–c erfassen die Auslösesignale und
bestimmen, wenn der geeignete Ausschaltpunkt für die jeweilige Phase erreicht
ist. Wenn der geeignete Ausschaltpunkt für die jeweilige Phase ermittelt wurde,
erzeugt die Hilfsimpulssteuerung 44 ein oder mehrere zeitgesteuerte
Spannungsimpulse, welche als Hilfsauslösesignale wirken, um ein oder
mehrere Hilfsspannungsimpulse dem Motor zuzuführen. Diese Hilfsimpulse erscheinen
zu einem vorbestimmten Zeitpunkt, welcher dem Ausschaltpunkt folgt,
und sie erzeugen Kräfte
im Motor, welche aktiv unerwünschte
Schwingungen unterdrücken,
die vom Ausschalten herrühren,
und sie können
die Größe von unerwünschtem
Geräusch
unterschiedlich vermindern.
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6 zeigt
allgemein ein Beispiel der Spannung, welcher eine Phasenwicklung
eines geschalteten Reluktanzmotors vor und nach einem typischen Ausschaltpunkt 51 ausgesetzt
wird. Wie 6 zeigt, ist
die Spannung vor dem Ausschaltpunkt 51, welche an der Wicklung
anliegt, die Spannung +V der Netzenergie. Am Ausschaltpunkt 51 wird
die angelegte Spannung +V durch die Schalteinrichtungen abgeschaltet
und eine Spannung –V über die
Dioden angelegt. Erfindungsgemäß wird ein
Hilfsspannungsimpuls 60, der durch den Auslösepunkt 61 und
den Endpunkt 62 festgelegt wird, auf die Phasenwicklung nach
dem Ausschaltpunkt 51 aufgegeben. In der Ausführungsform
nach 4 kann dieser Hilfsspannungsimpuls
durch eine geeignete Hilfssteuerung 44 gebildet werden,
welche Hilfsauslöseimpulse
erzeugt, um die jeweiligen Schalteinrichtungen 33 und 34 für die Dauer
der Hilfsimpulse einzuschalten.
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Gerade beim Schalten, welches am
Ausschaltpunkt 51 erfolgt, tritt eine abrupte Veränderung im
Ablauf des magnetischen Flusses in der Maschine ein, welche die
Wirkung eines Hammerschlages aufweist, und das Schalten, welches
an den Auslöse- und
den Endpunkten des Hilfsimpulses 60 erfolgt, erzeugt ebenfalls
eine abrupte Veränderung
in dem Ablauf des magnetischen Flusses in der Maschine, welche die
Wirkung eines Nebenhammerschlages besitzt. Durch geeignete Zeitsteuerung
des Hilfsimpulses 60 kann der Nebenhammerschlag auf den
Stator so einwirken, dass er jede Vibration, die durch die anfängliche
Veränderung
herbeigeführt
wurde, wirksam auslöscht
(oder beträchtlich
reduziert). Diese Wirkung ist so zu verstehen, dass der Nebenhammerschlag
im Wesentlichen dieselbe Vibration wie der ursprüngliche Hammerschlag jedoch
in der Gegenphase erzeugt. Die Summe dieser Vibrationen ist deshalb
gering und die verbleibende Vibration (und das akustische Geräusch) sind
deshalb vermindert.
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Die exakte Anzahl von Hilfsimpulsen
und die Zeitsteuerung ihrer Einwirkung hängen von der Struktur und der
speziellen Geometrie des bestimmten Motorsystems ab. Dementsprechend
ist es erforderlich, empirisch zu bestimmen, wie viele Hilfsimpulse
und zu welchem Zeitpunkt erzeugt werden müssen. Im Allgemeinen genügt für Maschinen
mit nur einer Resonanzfrequenz ein in geeigneter Weise zeitlich
gesteuerter Hilfsimpuls, um die unerwünschte Vibration wesentlich
zu reduzieren. Für
Maschinen und Strukturen mit mehr als einer Resonanzfrequenz ist mehr
als ein Impuls erforderlich, wobei jeder auf eine der Resonanzfrequenzen
abgestimmt sein muss.
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Wenngleich die zeitliche Steuerung
der Hilfsimpulse von der speziellen interessierenden Maschine abhängt, sollte
die Zeitsteuerung der Impulse in einem konstanten Zeitintervall
nach dem Ausschaltpunkt erfolgen, unabhängig von der Geschwindigkeit
oder dem Ausgangsdrehmoment des Motors. Dies ist so, weil die Zeitsteuerung
und die Anzahl der Impulse in Bezug zu den Resonanzfrequenzen des Motors
steht, und die Resonanzfrequenzen des Motors verändern sich mit der Veränderung
der Geschwindigkeit oder des Ausgangsdrehmomentes nicht wesentlich.
Dementsprechend ist die Einwirkung der Hilfsimpulse mit der Zeitdauer
abgestimmt, die seit dem interessierenden Ausschaltzeitpunkt vergangen
ist, und nicht mit der Winkelposition des Rotors. Dies unterscheidet
sich von der Einwirkung eines Erregungsspannungsimpulses auf den
Motor, welche im Wesentlichen in Abhängigkeit von der Rotorposition
ausgelöst
und beendet wird (z. B. in Abhängigkeit
der Einschalt- und
Ausschaltwinkel).
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Während
die präzise
Zeitbestimmung der Hilfsimpulse im Allgemeinen am Besten durch empirische
Analyse des bestimmten Motors erfolgt, können einige allgemeine Richtlinien
aufgestellt werden. Weil der Charakter des vorliegenden Herangehens die
Erzeugung von Gegenphasen – Hammerschlägen durch
die Anwendung von Hilfsspannungsimpulsen beinhaltet, besteht der
einfachste Weg, um Gegenphasen – Hammerschläge zu erzeugen,
darin, eine abrupte Änderung
im Ablauf des Flusses herbeizuführen,
um annähernd
einen Halbzyklus zu der Resonanzfrequenz (oder ein ungerades Vielfaches
eines solchen Halbzyklusses) nach der Veränderung des Flusses zu realisieren,
welche den ursprünglichen
Hammerschlag für
jede bedeutende Resonanzfrequenz des Motors erzeugt hat. Weil die
Resonanz frequenzen der Reluktanzmaschine sich mit der Geschwindigkeit
und dem Drehmomentausgang der Maschine nicht wesentlich verändern, kann
die zeitliche Bestimmung der Hilfsimpulse festgesetzt werden, und
braucht mit der Geschwindigkeit des Rotors nicht verändert zu
werden. Im Allgemeinen gilt, dass je steifer der Stator ist, die
Resonanzfrequenz umso höher
ist, und die Hilfsimpulse um so schneller aufgegeben werden müssen, um
die unerwünschte
Vibration wirkungsvoll auszuschalten.
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Eine Resonanzfrequenz der Maschine
wird im Wesentlichen mit der Resonanzfrequenz übereinstimmen, mit welcher
die Stützstruktur
des Stators unter dem Einfluss einer abrupten Veränderung
der magnetischen Kräfte
im Motor vibriert. Um die Resonanzfrequenz der Stützstruktur
des Stators zu analysieren, kann es hilfreich sein, ein Feder-Massesystem
mit Dämpfung
als Modell der Maschine zu betrachten. Ein solches Modell wird allgemein
in 7 dargestellt, in
welchem das Element S eine Feder darstellt, die eine Steilheit in
den Dimensionen von kg/s2 oder N/m besitzt,
wobei das Element N die Masse des Systems in Kilogramm (im Prinzip
die Masse des Statorpoles) und das Element D ein Dämpfungselement
darstellt, welches einen Dämpfungseffekt
in den Dimensionen kg/s oder N/m/s besitzt. Unter Verwendung einer
berechneten Statorpolmasse als einer nominellen Zahl für das Element
M können
die geeignete Federsteifheit und der Dämpfungsfaktor D aus den mit
einem Beschleunigungsmesser gemessenen Daten berechnet werden. In 7 ist auch eine Bezugslinie 70 dargestellt,
welche verwendet werden kann, um die relative Auslenkung des Masseteiles
M zu bestimmen, sowie eine Kraftlinie F, welche die Richtung der
positiven Kraft angibt.
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8 zeigt
allgemein den Effekt des plötzlichen
Aufhörens
der negativen Kraft auf das System nach 7. In einem geschalteten Reluktanzmotor stimmt
dies im Allgemeinen mit dem Aufhören
der Kraft überein,
welches auftritt, wenn eine rasche Veränderung im Flussablauf eintritt,
wodurch ein oval verformter Stator in seine ursprüngliche
Form zurückspringt.
Die untere Kurve in 8 zeigt
eine solche rasche Veränderung
der Kraft von etwa –1500
Newton auf Null. Von unten nach oben stellen die Kurven oberhalb
der Kraftkurve die Verformung, die Geschwindigkeit und die Beschleunigung
des Systems gegenüber
der Zeit von einem festgesetzten Referenzpunkt aus dar. Wie 8 zeigt, wird das System, wenn
eine einwirkende Kraft abrupt aufhört, unter Einleitung einer
klassischen ge dämpften
harmonischen Bewegung nach oben beschleunigt. In einem Motorsystem
stellen die in 8 dargestellten Schwingungen
die unerwünschten
Vibrationen dar, welche oft ein unerwünschtes Geräusch erzeugen.
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9 zeigt
allgemein, wie die unerwünschte Vibration
in dem System nach 7 durch
Anwendung eines oder mehrer Hilfsimpulse reduziert werden kann. 9 zeigt die Anwendung eines
Hilfsimpulses 90, welcher eine veränderte Magnetkraft in dem Motor
erzeugt, die durch den Kraftimpuls 90 in der Kraftkurve
nach 9 dargestellt ist.
Wie eine Betrachtung der 9 zeigt,
löscht,
wenn dieser Hilfsimpuls 90 zeitlich gut abgestimmt ist,
meist sofort die Schwingung aus, welche durch die ursprüngliches
Veränderung
der Kraft ausgelöst
wurde. Wie ein Vergleich der Beschleunigungs-, Auslenkungs- und Geschwindigkeitskurven
in den 8 und 9 zeigt, kann die Anwendung
von Hilfsimpulsen, z. B. des Impulses 90, die unerwünschte Vibration
schnell und wirkungsvoll beseitigen.
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In dem Beispiel nach 9 wurde das Motorsystem so gestaltet,
dass es eine Masse von 0,16 kg, eine Steifheit von 30,5 × 106 N/m und einen Dämpfungsfaktor von 142 N besitzt.
Die Kraftimpulse besitzen eine Größe von etwa –1500 N.
Für ein
solches System beginnt der Hilfskraftimpuls 90 in dem Beispiel
der 9 zu einem Zeitpunkt
80 × 10–6 Sekunden
nach dem Ende des ursprünglichen
Kraftimpulses und endet zu einem Zeitpunkt 151 × 10–6 Sekunden
nach dem Ende des ursprünglichen
Kraftimpulses. Diese Werte sind nur beispielhaft und werden zum
Zwecke der Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Verfahrens angegeben. Die
Anzahl und der Zeitablauf der Hilfsimpulse für andere Motorsysteme als die
im Beispiel nach 9 angegebenen, können beträchtlich
von den dort angegebenen Werten abweichen.
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Die 8 und 9 stellen einen idealisierten modellhaften
Fall dar, bei welchem die Hilfsimpulse ziemlich rechteckig sind.
In tatsächlichen
geschalteten Reluktanzmotorsystemen sind diese Kräfte nicht rechteckig,
sondern sie variieren in einer weniger drastischen Form. 10 zeigt allgemein beispielhafte
Daten, welche den genaueren Zusammenhang zwischen den Kräften und
Schwingungen zeigen, die wahrscheinlich in einem geschalteten Reluktanzmotor
auftreten. In 10 ist
unterhalb der Kraftkurve eine Kurve des magnetischen Flusses dargestellt, welche
den in der Maschine auftretenden Fluss zeigen.
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Die Flusskurve in 10 zeigt den magnetischen Fluss in der
Maschine von dem Punkt an, an welchem die interessierende Phasenwicklung
zu einem Zeitpunkt T0 erregt wird, bis zu
dem Punkt, in welchem die interessierende Phasenwicklung am Ausschaltpunkt
T1 aberregt wird. Wie in 10 dargestellt ist, beginnt sich der
Fluss in der Maschine zu erhöhen,
nachdem die Phasenwicklung bei T0 erregt wurde,
und sie setzt die Erhöhung
bis zum Ausschaltpunkt T1 fort, und an diesem
Punkt verändert
sich der Ablauf des Flusses abrupt, und der Fluss beginnt abzunehmen.
Wie die Kraftkurve der 10 zeigt,
erzeugt diese abrupte Veränderung
im Ablauf des Flusses eine Veränderung
der Kräfte
im Motor und bewirkt die Schwingung und Vibration, die durch die Kurven
der Durchbiegung, Geschwindigkeit und Beschleunigung in 10 dargestellt ist.
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11 zeigt
das Verhalten des Systems, dessen Reaktion in 10 dargestellt ist, wenn ein Hilfsspannungsimpuls
aufgegeben wird.
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Wie 11 zeigt,
sind die Kraft- und Flusskurven bis zum Ausschaltpunkt T1 im Wesentlichen wie in 10. In 11 wird
nach dem Ausschaltpunkt T1 ein erfindungsgemäßer Hilfsspannungsimpuls
auf die Phasenwicklung zu einem Zeitpunkt T2 aufgegeben.
Der Hilfsspannungsimpuls besitzt eine Dauer, die sich von T2 bis T3 erstreckt.
Unter Bezugnahme auf die Flusskurve nach 11 ist zu beachten, dass der Fluss am
Punkt T1 beginnt, abrupt abzunehmen, aber
dann beginnt er am Punkt T2 infolge der
Aufgabe des Hilfsspannungsimpulses abrupt anzusteigen. Der Fluss
setzt den Anstieg bis zum Punkt T3 fort,
welcher mit dem Ende des Hilfsspannungsimpulses übereinstimmt. Am Punkt T3 beginnt der Fluss erneut abrupt abzunehmen.
Die abrupten Veränderungen
im Ablauf des Flusses, die aus der Anwendung des Hilfsspannungsimpulses
resultieren, erzeugen entsprechende abrupte Veränderungen der Kräfte im Motor,
welche dazu dienen, die ungewünschte Vibration
zu beseitigen, wie dies aus den Kurven für die Beschleunigung, die Geschwindigkeit
und die Verformung nach 11 hervorgeht.
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In den dargestellten Beispielen nach
den 10 und 11 ist das Motorsystem so
gestaltet, dass es eine Masse von 0,16 kg, eine Steifigkeit von
30,5 × 106 N/m, einen Dämpfungsfaktor von 142 N/m/s und
eine Flussverkettung von 330 × 10–3 WbT
aufweist. In dem Beispiel nach 11 folgt
der Ausschaltpunkt zu einem Zeitpunkt T1,
welcher in 1000 × 10–6 Sekunden
eintritt, nachdem die Phasenwicklung zum Zeitpunkt T0 erregt
wurde. Um die erwünschte Veränderung
des Flusses zu erzeugen, wird der Hilfsspannungsimpuls zu einem
Zeitpunkt T2 1085 × 10–6 Sekunden
nach T0 aufgegeben und an einem Punkt zum
Zeitpunkt 1155 × 10–6 Sekunden
nach dem Zeitpunkt T0 beendet. Die Werte
für die
Beispiele der 10 und 11 sind nur beispielhaft.
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Während
die vorstehenden Beispiele auf Situationen beschränkt sind,
in welchen ein einfacher Hilfsspannungsimpuls verwendet wird, um
unerwünschte
Vibrationen zu verringern, ermöglicht
das erfindungsgemäße Verfahren
auch die Anwendung von mehrfachen Hilfsimpulsen. Wie vorstehend
beschrieben, kann es für
geschaltete Reluktanzmotorsysteme mit mehr als einer Resonanzfrequenz
notwendig sein, mehr als einen Hilfsspannungsimpuls aufzugeben.
Diese mehrfachen Resonanzfrequenzen können in asynunetrischen (z.
B. rechteckigen oder dergleichen) Maschinen auftreten. Im Allgemeinen
kann die Zeitsteuerung für
die zusätzlichen
Hilfsspannungsimpulse unter Verwendung der vorstehend erläuterten
Verfahren erfolgen.
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Ein wesentlicher Vorteil der Verwendung
von Hilfsspannungsimpulsen, um unerwünschte Vibrationen zu reduzieren,
besteht darin, irgendwelche unerwünschten Vibrationen, die durch
den ursprünglichen Hammerschlag
verursacht werden, schnell beseitigen zu können. Wie vorstehend erläutert, kann
ein geeignet zeitgesteuerter Impuls die unerwünschte Vibration annähernd zur
Hälfte
der Periode der Resonanzfrequenz der Maschine schnell eliminieren.
Diese schnelle Beseitigung von unerwünschten Impulsen kann ganz
wichtig sein, wenn die Geschwindigkeit der Maschine ansteigt, und
wenn die Frequenz, bei welcher die interessierende Phasenwicklung
erregt wird, sich der Resonanzfrequenz oder den Resonanzfrequenzen
der Maschine annähert.
Im Allgemeinen reduziert die Verwendung von Hilfsimpulsen entsprechend
der vorliegenden Erfindung das Geräusch sowie unerwünschte Vibrationen
viel schneller als bei bekannten Systemen, welche nur den Freilauf
nutzen, um unerwünschte
Vibrationen zu reduzieren. Weiterhin können Maschinen, welche eine mechanisch
asymmetrische Struktur aufweisen, unterschiedliche Resonanzfrequenzen
besitzen, die mit jeder Phase der Maschine zusammenhängen. Die vorliegende
Erfindung, anders als bei den bekannten Systemen, ermöglicht die
Anwendung von geeigneten Hilfsimpulsen für jede der Phasen durch geeignete
Programmierung des Hilfsimpulsgenerators.
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12 zeigt
in Blockform ein Beispiel einer Schaltung, welche verwendet werden
kann, um eine Hilfssteuerung 44 zu schaffen und das erfindungsgemäße Verfahren
umzusetzen. Allgemein ist zu beachten, dass 12 eine beispielhafte Schaltung für nur eine
Phasenwicklung zeigt, und die Schaltung muss für die anderen Phasenwicklungen
unter Verwendung von Parametern wiederholt werden, die für jede Phase
zutreffend sind. Der Steuerschaltkreis 44 nach 12 umfasst eine Decoderschaltung 120, welche
die Auslösesignale
für die
oberen und unteren Netzschalteinrichtungen 33 und 34 für die Phasenwicklungen
empfängt,
die der Steuerung entsprechen. Die Decoderschaltung 120 erfasst
die Auslösesignale
und erzeugt ein Impulsausgangssignal an dem zutreffenden Ausschaltpunkt.
Im Allgemeinen kann der Ausschaltpunkt durch Ermittlung eines vorbestimmten
Schaltereignisses erfasst werden, wie es durch die Auslösesignale
reflektiert wird, z. B. den Punkt, an welchem sowohl dem oberen
als auch dem unteren Netzschalter das Ausschalten befohlen wird. Der
durch den Decoder 120 erzeugte Impuls wird dem Triggereingang
(T) einer ersten kantengetriggerten Kippstufe 121 zugeleitet.
In Reaktion auf eine ansteigende Kante am Triggereingang erzeugt
die kantengetriggerte Kippstufe 121 einen Spannungsimpuls,
welcher eine Dauer hat, die proportional dem Signal ist, welches
dem Pulsbreiteneingang der Kippstufe 121 zugeleitet wurde.
In der Ausführungsform nach 12 ist das Zeitsignal, welches
dem Pulsbreiteneingang der Kippstufe 121 zugeleitet wurde
so gewählt,
dass es mit dem erwünschten
vorbestimmten Zeitintervall zwischen dem Schaltereignis oder dem
bestimmten Ausschaltpunkt und der Auslösung des Hilfsspannungsimpulses übereinstimmt.
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Der Ausgang der kantengetriggerten
Kippstufe 121 wird dem Triggereingang einer fallend kantengetriggerten
Kippstufe 122 zugeleitet. Ähnlich wie bei der kantengetriggerten
Kippstufe 121 erzeugt die abfallende Kante der getriggerten
Kippstufe 122 an ihrem Ausgang eine Spannungsimpuls in
Reaktion auf die fallende Kante, die an ihrem Triggereingang anliegt.
Die Dauer des Impulses, der durch die Kippstufe 122 erzeugt
wird, ist proportional dem Signal, welches an ihrem Pulsbreiteneingang
anliegt. In der Ausführungsform
nach 12 ist das Signal,
welches dem Pulsbreiteneingang der Kippstufe 122 zugeleitet
wird, so gewählt,
dass es mit der gewünschten
Dauer des Hilfeimpulses übereinstimmt.
Der Aus gang der Kippstufe 122 wird gespalten, um zwei Ausgänge (für die Netzeinrichtungen 34 und 35)
zu bilden, und er wird den Netzeinrichtungen über die ODER-Gatter 42 zugeleitet,
wie dies in 4 erkennbar
ist.
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Die Hilfssteuerung 44 nach 12 ist jedoch nur ein Beispiel
für eine
Schaltung, die verwendet werden kann, um das erfindungsgemäße Verfahren umzusetzen.
Andere Ausführungsformen
sind möglich,
in welchen zusätzliche
Kippstufen und Zeitsteuerungen verwendet werden, um Hilfsimpulse
auszulösen,
welche einen Freilauf benutzen, oder welche mehr als einen Hilfsimpuls
dem Motor zuleiten. Weiterhin kann, obwohl 12 die Verwendung von diskreten Decodern,
Kippstufen und Schaltungen zeigt, die vorliegende Erfindung in einer
Steuerung umgesetzt werden, welche einen oder mehrere ASICs oder Mikrosteuerungen
bzw. Mikroprozessoren verwendet. Z. B. können alle Schaltungen, die
in der gestrichelten Box in 12 enthalten
sind, mittels einer einzigen Mikrosteuerung durch Hardware und Software
realisiert werden, z. B. in der Steuerung 68HC11 von Motorola. In
einer solchen Ausführungsform
kann der Einchip-Zeitsteuerungsanschluss der Mikrosteuerung so programmiert
werden, dass er die kantengesteuerten Kippstufen 121 und 122 realisiert.
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13 zeigt
alternative Schaltungen, welche verwendet werden können, um
die Hilfssteuerung 44 nach 4 in
zeitgesteuerten digitalen Systemen zu realisieren. Wie in 12 zeigt 13 die Steuerung für eine einzige Phase. Es ist
klar, dass in mehrphasigen Systemen die Steuerschaltung nach 13 für jede Phase unter Verwendung
geeigneter Parameter wiederholt werden muss.
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Im Allgemeinen umfasst die Schaltung
nach 13 eine erste zeitgesteuerte
Kippstufe 130, welche an ihrem Dateneingang ein Signal
empfängt,
das mit den normalen Auslösesignalen
für die
aktuelle Phase übereinstimmt.
Das Signal, welches dem Auslösesignal
entspricht (welches ein Auslösesignal oder
ein Phasenauswahlsignal sein kann) wird durch die Steuerung 40 (nicht
dargestellt) erzeugt und in der Weise ausgewählt, dass, wenn eine logische
1 anliegt, die entsprechende Phasenwicklung erregt wird, und wenn
eine logische 0 anliegt, die Phasenwicklung aberregt wird. Dementsprechend
stellt der Punkt, bei welchem das Signal von der logischen 1 in die
logische 0 übergeht,
den erfindungsgemäßen interessierenden
Ausschaltpunkt dar.
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Das Signal, welches dem Auslösesignal
entspricht, wird umgekehrt und dem einen Eingang des mit zwei Eingängen versehenen
UND-Gatters 131 zugeleitet. Der andere Eingang des UND-Gatters 131 empfängt den
Q-Ausgang der Kippstufe 131. Ein Fachmann erkennt, dass
die Kippstufe 131 und das UND-Gatter 131 zusammenwirken,
um einen ansteigenden Kantenimpuls am Ausgang des UND-Gatters 131 jedes
Mal zu erzeugen, wenn das Signal den Auslösesignalübergängen von der logischen 1 zur
logischen 0 entspricht. Der Ausgang des UND-Gatters 131 wird
dem Reset-Eingang eines 8-Bit-Aufwärtszählers 132 zugeleitet.
Dementsprechend wird der 8-Bit-Aufwärtszähler 132 zurückgesetzt
und beginnt jedes Mal neu zu zählen,
wenn das Signal den Auslösesignalübergängen von
der logischen 1 zur logischen 0 entspricht (d. h. an jedem interessierenden Ausschaltpunkt).
-
Der 8-Bit-Ausgang des Zählers 132 ist
mit dem B-Eingang eines 8-Bit-Größenkomparators 134 vorgesehen.
Der A-Eingang zum Größenkomparator nimmt
einen 8-Bit-Datenbus 135 auf, welcher die vorgesehene Auslöseinformation
durch die Steuerung 40 der Hilfssteuerung zuführt. Der
B>A-Ausgang des Komparators 134 wird
als Dateneingang einer ersten zeitgesteuerten D-Kippschaltung 136 zugeleitet.
Der B>A-Ausgang des
Komparators 134 wird ebenfalls invertiert, und das invertierte
Signal wird dem Eingang einer zweiten zeitgesteuerten D-Kippschaltung 137 zugeschaltet.
Der Steuereingang zur Kippschaltung 136 ist mit einer Leitung
gekoppelt, die ein T-EIN-Signal trägt. Der Steuereingang zur Kippschaltung 137 ist
mit einer Leitung gekoppelt, die ein T-AUS-Signal trägt. Wie
im Weiteren beschrieben wird, ändern
sich T-EIN- und die T-AUS-Signale in Abhängigkeit vom Typ der Daten
auf dem Bus 135. Die Ausgänge der Kippschaltungen 136 und 137 sind mit
den Eingängen
eines UND-Gatters 138 verbunden. Im Betrieb arbeiten die
Kippschaltungen 136 und 137 als Demultiplexer,
um auszuwählen,
welche Daten den Ausgangszustand des UND-Gatters 138 steuern.
Der Ausgang des UND-Gatters 138 stellt das Auslösesignal
für den
Hilfsimpuls dar. Er kann in zwei Signale getrennt und den Eingängen der
entsprechenden Hilfsimpuls- ODER -Gatter 42 nach 4 zugeleitet werden.
-
Bei oder nach Beendigung des Auslöseimpulses
platziert die Steuerung 40 (oder eine separate Hilfsimpulssteuerschaltung)
ein 8-Bit-Digitalwort auf dem Datenbus 135, welches der
Einschaltzeit für
den Hilfsspannungsimpuls entspricht. Während oder nachdem die Steue rung
die Einschaltinformation auf den Datenbus 135 aufgegeben
hat, gibt sie das T-EIN-Signal
aus, und dadurch wird die Kippstufe 136 freigegeben. Zu
diesem Zeitpunkt ist das T-AUS-Signal
logisch niedrig und schaltet die Kippstufe 137 aus. Zur
Zeit der Einschaltung der Kippstufe 136 ist der Ausgang
der Kippstufe 137 eine logische 1 und der Ausgang der Kippstufe 136 eine
logische 0. Weil die Kippstufe 137 zu diesem Zeitpunkt ausgeschaltet
ist (T-AUS ist niedrig) wird der Ausgang der Kippstufe 137 niedrig
bleiben. Wenn die Kippstufe eingeschaltet ist, wird ihr Ausgang
ihrem Dateneingang folgen, welcher der B>A-Ausgang
des Komparators 134 ist. Zum Zeitpunkt wenn die Einschaltinformation
auf den Datenbus 135 aufgegeben wird, beträgt die Ausgangszählung des
Zählers 132 weniger
als das Digitalwort, welches der Einschaltzeit für den Hilfsimpuls entspricht.
Dementsprechend ist der B>A-Ausgang
vom Komparator 134 und damit der Ausgang der Kippstufe 136 und
des UND-Gatters 138 logisch niedrig. Wenn die Zählung des
Zählers 132 während der
Zeit ansteigt, wird ein Punkt erreicht, an welchem die Zählung das
Digitalwort auf der Leitung 135, welches der Einschaltzeit
für den Hilfsimpuls
entspricht, überschreitet.
Zu diesem Zeitpunkt wird der B>A-Ausgang
des Komparators 134 und damit der Ausgang der Kippstufe 136 und
des UND-Gatters 138 auf logisch hoch ansteigen. Dies löst ein Auslösesignal
aus, welches den Hilfsimpuls auslöst.
-
Nachdem der Hilfsimpuls in der zuvor
beschriebenen Weise ausgelöst
wurde, platziert die Steuerung 40 ein digitales Wort auf
dem Bus 135, welches der Ausschaltzeit für den Hilfsimpuls
entspricht. Zu dieser Zeit sperrt die Steuerung das T-EIN-Signal
und gibt das T-AUS-Signal
frei. Wenn dies geschieht, wird die Kippstufe 136 (mit
einem logisch hohen Ausgang) ausgeschaltet und die Kippstufe 137 wird
eingeschaltet. Weil zu dieser Zeit das T-AUS-Signal freigegeben
wird, ist der Zählerausgang
des Zählers 132 niedriger
als das T-AUS-Datenwort
auf dem Bus 135, wobei der invertierte B>A-Ausgang des Komparators 134 (und
damit der Ausgang der Kippstufe 137) logisch hoch verbleibt. Dementsprechend
bleibt auch der Ausgang des UND-Gatters 138 logisch hoch
und der Hilfsauslöseimpuls
wird fortgesetzt. Der invertierte B>A-Eingang verbleibt logisch hoch, bis
die Ausgangszählung
des Zählers 132 das
digitale Wort auf dem Bus 135 überschreitet. Zu diesem Zeitpunkt
fällt der
invertierte B>A-Ausgang
des Zählers 134 auf
logisch niedrig, was auch mit dem Ausgang der Kippstufe 137 und
des Gatters 138 erfolgt. Diese Veränderung des Ausganges des UND-Gatters 138 beendet
den Hilfsauslöseimpuls.
Die spezielle Schaltung nach 13 ist
lediglich als ein mögliches
Beispiel eines Typs einer zeitgesteuerten Schaltung zu betrachten, die
verwendet werden kann, um die vorliegende Erfindung umzusetzen.
Andere Typen von Schaltungen, möglicherweise
unter Benutzung zusätzlicher Komparatoren,
können
ebenfalls verwendet werden, um die erfindungsgemäße Steuerschaltung zu realisieren.
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Obwohl die vorstehende Beschreibung
der Verwendung von Hilfsimpulsen zur Geräuschverminderung in Zusammenhang
mit Reluktanzmaschinen erläutert
wurde, die als Motoren betrieben werden, ist die vorliegende Erfindung
auch auf Maschinen anwendbar, die als Generatoren arbeiten. Für Generatoren
muss die Anwendung und Zeitsteuerung der Hilfsimpulse modifiziert
werden. Z. B. ist es bei Generatoren das vordere Ende der Wellenform
des Flusses, welches durch die Anwendung der Hilfsimpulse modifiziert
werden muss. Dementsprechend sollten die Hilfsimpulse die Phasenwicklung
vom Gleichstrombus trennen und der Spitze der Wellenform des Flusses
für eine
geeignete vorbestimmte Zeitdauer folgen.
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Zusätzlich zur Nutzung von Hilfsimpulsen, um
die Größe durch
ein geschaltetes Reluktanzmotorsystem erzeugten Geräusches durch
aktive Beseitigung von unerwünschten
Vibrationen zu vermindern, realisiert die vorliegende Schaltung
auch Ausführungsformen,
bei welcher das Geräusch
durch wirksame „Abrundung" der scharfen Kanten
der Wellenform des Flusses reduziert wird. Diese Abrundung der Wellenform
des Flusses bewirkt, dass die Flussänderungen im Motor weniger
abrupt sind und reduziert die Heftigkeit der resultierenden Vibrationen.
In den im Weiteren beschriebenen Ausführungsformen werden die Kanten
der Wellenform des Flusses durch Steuerung der Übertragung der Spannung durch
die Phasenwicklungen des Motors von einem ersten Spannungspegel
zu einem zweiten Spannungspegel abgerundet oder „gemildert". Diese Steuerung ermöglicht eine
fließende
Veränderung der
Gleichspannung des Busses zur negativen Gleichspannung des Busses über die
Zeit. Diese Ausführungsform
ermöglicht
einen fließenden
Spannungsübergang
im Gegensatz zu dem abrupten Spannungsübergang von der Spannung +V
des Busses zur Spannung –V
des Busses, der in 5A dargestellt
ist.
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In einer Ausführungsform wird die Milderung des Überganges
der Spannung, die auf die Phasenwicklung von +V bis –V aufgegeben
wird, durch die Anwendung einer Folge von zeitgesteuerten Spannungsimpulsen
auf die Phasenwicklung nach dem aktuellen Ausschaltpunkt erreicht.
Diese Folge von zeitgesteuerten Spannungsimpulsen passt die effektive
mittlere Spannung, die auf die Phasenwicklung während eine vorgegebenen Zeitdauer,
im Gegensatz zu einem vorgegebenen Rotorwinkel, aufgegeben wird,
fließend
an.
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Ein Beispiel für die Anwendung einer Folge von
zeitgesteuerten Spannungsimpulsen, um eine effektive mittlere Spannung
auf eine Phasenwicklung eines geschalteten Reluktanzmotors während einer Zeitendauer
erfindungsgemäß aufzugeben,
ist in den 14A und 14B dargestellt. 14A zeigt allgemein die
Beendigung einer Winkelperiode der Phasenerregung am Ausschaltpunkt 51 und
die Anwendung einer Folge von zeitgesteuerten Spannungsimpulsen 140, 141 und 142 während eines
vorbestimmten Zeitpunktes, welcher dem Ausschaltpunkt folgt. In
der Ausführungsform
nach 14A nimmt die Breite
der Impulse in der Weise ab, dass die Breite des Impulses 141 geringer
ist als die Breite des Impulses 140 und die Breite des
Impulses 142 geringer ist als die Breite des Impulses 141.
Diese „stufenweise" Verringerung der
Impulsbreite mildert die Veränderung
der mittleren Spannung, die auf die Phasenwicklung aufgegeben wird,
weiter. Obwohl das Beispiel nach 14A die
Anwendung von drei abnehmenden Impulsbreiten nach dem Ausschaltpunkt zeigt,
sind auch Ausführungsformen
möglich,
bei welchen eine andere Zahl von Impulsen (z. B. 5 bis 10) auf die
Phasenwicklung aufgegeben werden, und bei welchen die Impulsbreiten
nicht wie im Beispiel der 14A variieren.
Allgemein kann die Anzahl der zusätzlichen Glättimpulse durch Modifizierung
der Anzahl der Impulse, die dem Motor zugeführt werden und durch empirische
Bestimmung der Anzahl der zusätzlichen
Glättimpulse,
welche die erwünschte Reduzierung
des Geräusches
und der Vibration erzeugen, bestimmt werden. Weiterhin können in
einigen Ausführungsformen
Freilaufperioden zwischen den Impulsen, welche die Folge der zeitgesteuerten Impulse
umfassen, eingefügt
werden.
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Die Folge der zeitgesteuerten Impulse,
die der Phasenwicklung erfindungsgemäß aufgegeben werden, kann durch
zusätzliche
Schaltmittel für
jede Phase realisiert werden, die speziell entworfen und vorprogrammiert
sind, um eine Folge von zeitgesteuerten Impulsen zu einem geeigneten
vorbestimmten Zeitpunkt aufzugeben. Alternativ kann die vorhandene Choppingmodus-Steuerschaltung
verwendet werden, um das gesteuerte Aufspalten der Impulse zu erreichen.
Wenn die Choppingmodus-Steuerschaltung verwendet wird, kann die
Folge von zeitgesteuerten Impulsen durch stufenweises Absinken des
Referenzstromsignales, das der Choppingmodus-Steuerung als Funktion
der Zeit nach dem tatsächlichen Ausschaltpunkt
zugeführt
wird, erzeugt werden.
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14B zeigt
eine allgemeine Darstellung der Auswirkung des gesteuerten Aufspaltens
von Impulsen auf die Wellenform des Flusses. Die Volllinie 143 zeigt
den Fluss im Motor ohne Anwendung der Folge von zeitgesteuerten
Impulsen. Wie dargestellt, erfolgt am Abschluss einer Winkelperiode
der Phasenerregung, der durch den Ausschaltpunkt 51 angezeigt
wird, eine abrupte Veränderung
im Ablauf des Flusses, welche ein unerwünschtes Geräusch und eine unerwünschte Vibration
erzeugt, wie dies vorstehend beschrieben wurde. Die gestrichelte
Linie 144 zeigt allgemein den Fluss im Motor bei Anwendung
der Folge von zeitgesteuerten Impulsen. Wie dargestellt, ist die
Veränderung
des Flusses am Ausschaltpunkt 51 weniger abrupt, was zu
verminderter Vibration und zu vermindertem Geräusch führt.
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Wenn eine Folge von zeitgesteuerten
Impulsen verwendet wird, um die Vibrationen und das Geräusch zu
vermindern, kann in typischer Weise die Anzahl der Impulse und deren
jeweilige Breite empirisch bestimmt werden. Im Allgemeinen ist es
jedoch durch Variierung der Impulsbreiten möglich, den Flussabfall in einer
Weise ähnlich
der Anwendung der Pulsbreiten-Modulation zu profilieren, um die
Veränderung
des Stromes in einer induktiven Last zu steuern.
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In dem Beispiel der 14A umfasst die Folge von zeitgesteuerten
Impulsen solche Impulse, die von einer Spannung +V bis zu einer
Spannung –V
variieren. Um solche Spannungsimpulse bereitzustellen, muss sowohl
die obere als auch die untere Schalteinrichtung für die Wicklung
eingeschaltet werden (um eine Spannung +V zu erzeugen) und ausgeschaltet
werden (um eine Spannung –V
zu erzeugen). Alternative Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung sind vorgesehen, bei welchen die obere
und die untere Schalteinrichtung zu unterschiedlichen Zeiten ein-
oder ausgeschaltet werden, um eine gesteuerte Folge von zeitgesteuerten
Impulsen zu erzeugen, wobei die Impulse zwischen Spannungen anders
als zwischen +V und –V
variieren. Die 15A–15B zeigen Beispiele von
solchen alternativen Ausführungsformen
der Erfindung.
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15A zeigt
beispielhaft die Folge von Spannungsimpulsen, die dem Ausschaltpunkt 51 folgen,
bei welcher die Impulse, welche die Folge umfasst, in der Höhe zwischen
+V und 0 variieren. Diese Spannungsimpulse können erzeugt werden, indem die
untere Schalteinrichtung (d. h. die, welche die Phasenwicklung mit
der unteren Schiene des Gleichspannungsbusses koppelt) eingeschaltet
gelassen wird, und die obere Netzeinrichtung ausgeschaltet wird.
Während
der Periode, in welcher die untere Einrichtung eingeschaltet bleibt,
und die obere Schalteinrichtung ausgeschaltet ist, fließt der Strom
im Freilauf durch die untere Einrichtung und die Spannung über der
Phasenwicklung beträgt
etwa 0 Volt.
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15B zeigt
noch ein weiteres Beispiel für die
Folge von Spannungsimpulsen, wobei die Impulse zwischen +V und 0
Volt während
eines ersten Abschnittes der Folge und von 0 Volt bis –V während eines
zweiten Abschnittes der Folge variieren. Die Impulse von +V bis
0 können
in der zuvor beschriebenen Weise erzeugt werden. Die Impulse von
0 bis –V können durch
Ausschalten der oberen Netzeinrichtung und durch Ein- und Ausschalten
der unteren Schalteinrichtung erzeugt werden.
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Es ist zu beachten, dass die in den 15A und 15B dargestellten Folgen beispielhaft
dargestellt sind. Andere gesteuerte Folgen, welche Kombinationen
von Impulsen zwischen +V bis –V,
+V bis 0 und 0 bis –V
umfassen, können
ebenfalls verwendet werden, um die Umkehrung der effektiven mittleren Spannung,
die auf die Phasenwicklung aufgegeben wird erfindungsgemäß abzuschwächen.
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Die Anwendung einer Folge von schnellen Impulsen
entsprechend der vorliegenden Erfindung unterscheidet sich von der
Anwendung von Spannungsimpulsen, welche beim typischen Motorbetrieb erfolgt.
Wie zuvor beschrieben, werden die Spannungsimpulse, die während des
typischen Motorbetriebes aufgegeben werden, durch die Bewegung des
Rotors von einer Winkelposition, die dem Einschaltwinkel entspricht
bis zu einer Winkelposition, die dem Ausschaltwinkel oder dem Kommutationswinkel
entspricht, bestimmt. Im Allgemeinen dreht sich der Rotor, wenn
sich seine Winkelgeschwindigkeit erhöht, durch diese Winkel schneller,
was zu einer Zeitverkürzung
der aufgegebenen Spannungsimpulse führt, wenn sich die Motorgeschwindigkeit
erhöht.
Weil die Dauer dieser Impulse durch die Winkelposition des Rotors
bestimmt wird, werden diese als winkelbestimmte Impulse bezeichnet.
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Im Gegensatz zu den winkelbestimmten
Impulsen sind die Impulse, welche die Folge von zeitgesteuerten
Impulsen entsprechend der vorliegenden Erfindung umfasst, zeitbestimmt.
Somit tritt, anders als bei den Impulsen, welche durch den Winkel
des Rotors bestimmt werden, die schnelle Folge der zeitgesteuerten
Impulse entsprechend der vorliegenden Erfindung über eine vorgegebene Zeitdauer
auf. Z. B. treten in einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dieselbe Anzahl von Spannungsimpulsen
in derselben Zeit auf, die jedem interessierenden Ausschaltpunkt
folgt, unabhängig
von der Winkelgeschwindigkeit des Rotors oder von der Winkelposition
an welcher das Ausschalten erfolgt.
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16 zeigt
allgemein eine ideale Glättung der
Spannung über
die Phasenwicklung bei der Spannungsumkehr von +V auf –V.
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Es sind Ausführungsformen möglich, bei welchem
die aktive Beseitigung des Geräusches durch
die Verwendung von Hilfsimpulsen mit den beschriebenen Techniken
zur Glättung
der Spannungsübertragungen
kombiniert wird, um eine weitere Verbesserung im Zusammenhang mit
der Geräuschverminderung
zu erreichen.
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Die vorstehende Beschreibung der
verschiedenen Ausführungsformen
erfolgte beispielhaft und nicht im Sinne von Einschränkungen.
Viele Variationen der hier offenbarten Ausführungsformen können durchgeführt werden,
ohne dass der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung oder der Erfindungsgedanke überschritten
werden. So ist z. B., obwohl die vorstehende Beschreibung vorrangig
auf ein spezielles geschaltetes Reluktanzmotorsystem gerichtet ist, die
vorliegende Erfindung auf jede Form einer Reluktanzmaschine anwendbar,
unabhängig
von der Anzahl der Pole, der Polform sowie der allgemeinen Gestaltung.
Die vorliegende Erfindung soll nur durch den Schutzumfang der anliegenden
Patentansprüche
beschränkt
werden.