DE69630503T2 - Steuerung für geschalteten Reluktanzmotor mit verringerter Geräuschentwicklung - Google Patents

Steuerung für geschalteten Reluktanzmotor mit verringerter Geräuschentwicklung Download PDF

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Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 1 stellt beispielhaft eine geschaltete Reluktanzmaschine dar, welche einen Stator 10, mit sechs vorstehenden Statorpolen 1116 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 1116 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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".
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die vorliegende Erfindung wird in den anliegenden unabhängigen Patentansprüchen dargelegt. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
  • 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.
  • 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:
  • 1 ein Beispiel für einen Reluktanzmotor zeigt, welcher einen Stator aufwsist, der sechs Statorpole besitzt;
  • 2A allgemein ein Beispiel eines Stromes in einer Phasenwicklung eines geschalteten Reluktanzmotors zeigt, wenn eine Stromchoppingmodus-Steuerung verwendet wird;
  • 2B allgemein das Beispiel einer Stromwellenform für einen Phasenstrom in einem geschalteten Reluktanzmotor zeigt, der mit einer Einimpulsmodus-Steuerung betrieben wird;
  • 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;
  • 4 verschiedene Bauteile in einem Blockschaltbild zeigt, die verwendet werden können, um ein Steuerungssystem für eine geschaltete Reluktanzmaschine zu entwickeln;
  • 5A allgemein ein Beispiel einer Spannung zeigt, die auf eine Phasenwicklung eines geschalteten Reluktanzmotors vor und nach einem typischen Ausschaltpunkt aufgegeben wird;
  • 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;
  • 6 allgemein ein Beispiel der Spannung zeigt, die auf eine Wicklung eines geschalteten Reluktanzmotors vor und nach einem typischen Ausschaltpunkt aufgegeben wird;
  • 7 ein analoges Modell eines geschalteten Reluktanzmotorsystems im Form eines Feder-Masse-Systems mit Dämpfung zeigt;
  • 8 allgemein den Effekt des plötzlichen Aufhörens einer negativen Kraft auf das System nach 7 zeigt;
  • 9 allgemein darstellt, wie eine unerwünschte Vibration in dem System nach 7 durch die Anwendung eines oder mehrerer Hilfsimpulse reduziert werden kann;
  • 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;
  • 11 das Motorsystem nach 10 zeigt, wenn ein Hilfsspannungsimpuls aufgegeben wird;
  • 12 ein Blockschaltbild eines Schaltkreises zeigt, welcher verwendet werden kann, um eine Hilfsteuerung zu installieren;
  • 13 einen alternativen Schaltkreis zeigt, welcher verwendet werden kann, um eine Hilfssteuerung in synchronisierten digitalen Systemen zu installieren;
  • 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;
  • 14B eine allgemeine Darstellung des Effektes bei der Anwendung einer Folge von zeitgesteuerten Spannungsimpulsen nach 14A auf den Fluss eines geschalteten Reluktanzmotors zeigt;
  • 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;
  • 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
  • 16 allgemein einen ideal geglätteten Verlauf der Spannungsumkehr über einer Phasenwicklung von einer positiven Spannung +V zu einer negativen Spannung –V zeigt.
  • 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 33ac und 34ac. Die Schalteinrichtungen 33ac und 34ac 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 33ac, 34ac 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.
  • Im Allgemeinen reagiert die elektronische Steuerung 40 auf die Positionssignale des RPT 41 durch die Erzeugung von Auslösesignalen für jede der drei Phasenwicklungen 30ac des Motors, um die Stromversorgungseinrichtungen 33ac und 34ac so zu schalten, dass die Phasenwicklungen 30a30c in ordnungsgemäßer Folge während der Winkelperioden der Rotordrehung erregt werden, um ein Drehmoment in der gewünschten Richtung zu erzeugen.
  • 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 33ac und 34ac für die vorliegende Erfindung ebenfalls nicht kritisch. Die Verfahren der vorliegenden Erfindung sind allgemein bei geschalteten Reluktanzmotorsteuerungen anwendbar.
  • Die Auslösesignale von der Steuerung 40 werden drei Paaren von ODER-Gattern 42ac zugeleitet. Jedes Paar von ODER-Gattern 42ac ist mit einer der drei Phasen des Motors verbunden. Die Ausgänge ODER-Gattern 42ac sind mit den Gattern der Stromversorgungsschalteinrichtungen 33ac und 34ac verbunden. Während des normalen Betriebes arbeitet die Steuerung 40 nach bekannten Verfahren, um Auslösesignale für die Stromversorgungs- Schalteinrichtungen 33ac und 34ac zu erzeugen. Die Auslösesignale passieren die entsprechenden ODER-Gatter 42ac und werden verwendet, um die Erregung und die Aberregung der Phasenwicklungen 30ac über die Winkelperioden bei der Rotation des Rotors und somit das Drehmoment des Motors zu steuern.
  • Mit jedem Satz von ODER-Gattern 42ac ist eine Hilfsimpuls-Steuerschaltung 44ac verbunden. Wie im Weiteren noch ausführlicher dargelegt werden soll, erfassen die Hilfsimpuls-Steuerschaltkreise 44ac die Auslösesignale, die den ODER-Gattern 42ac zugeleitet werden und erzeugen Hilfsimpulssignale, um die erfindungsgemäßen Geräuschverminderungsverfahren durchzuführen. Diese Hilfsimpulssignale passieren das entsprechende O-DER-Gatter 42 und werden den Stromversorgungseinrichtungen 33ac und 34ac 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die allgemeine Beziehung zwischen dem interessierenden Ausschaltpunkt und den abrupten Veränderungen im Verlauf des magnetischen Flusses ist in den 5A5C 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.
  • 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.
  • 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 5A5C 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.
  • In 4 ist erkennbar, dass, wenn eine aktive Unterdrückung angewendet wird, die Hilfsimpulssteuerungen 44ac 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 42ac geleitet werden. Die Hilfsimpulssteuerungen 44ac 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 11 zeigt das Verhalten des Systems, dessen Reaktion in 10 dargestellt ist, wenn ein Hilfsspannungsimpuls aufgegeben wird.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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 15A15B zeigen Beispiele von solchen alternativen Ausführungsformen der Erfindung.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 16 zeigt allgemein eine ideale Glättung der Spannung über die Phasenwicklung bei der Spannungsumkehr von +V auf –V.
  • 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.
  • 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.

Claims (10)

  1. Geschaltetes Reluktanzmaschinensystem umfassend: einen Rotor (18); einen Stator (10), welcher mindestens eine Phasenwicklung (17) besitzt; Schalteinrichtungen (33, 34); eine Steuereinrichtung (40), welche betrieben wird, um Einschalt- und Ausschaltsignale zu erzeugen, welche eine leitende Periode einleiten, in welcher die mindestens eine Phasenwicklung erregt wird, sowie eine weitere Periode, in welcher die Phasenwicklung nicht erregt wird, wobei die Schalteinrichtung auf das Einschaltsignal reagiert um die mindestens eine Phasenwicklung zu erregen, und auf das Ausschaltsignal reagiert, um die Spannung über der Phasenwicklung umzukehren; und eine Dämpfungseinrichtung (44), die funktionell mit der Schalteinrichtung verbunden ist, um eine Übergangsperiode nach der leitenden Periode (51) und vor der Umkehrung der Konstantspannung einzufügen, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfungseinrichtung betrieben wird, um eine Folge von Spannungsimpulsen verschiedener Breite auf die mindestens eine Phasenwicklung in der Übergangsperiode aufzugeben und dadurch die Änderungsgeschwindigkeit des mit der Phasenwicklung zusammenhängenden magnetischen Flusses so zu reduzieren, dass die Vibration im Stator vermindert wird, indem die Dämpfungseinrichtung so betreibbar ist, dass die Spannungsimpulse zwischen einem positiven und einem negativen Wert alternieren.
  2. Geschaltetes Reluktanzmaschinensystem umfassend: einen Rotor (18); einen Stator (10), welcher mindestens eine Phasenwicklung (17) besitzt; Schalteinrichtungen (33, 34); eine Steuereinrichtung (40), welche betrieben wird, um Einschalt- und Ausschaltsignale zu erzeugen, welche eine leitende Periode einleiten, in welcher die mindestens eine Phasenwicklung erregt wird, sowie eine weitere Periode, in welcher die Phasenwicklung nicht erregt wird, wobei die Schalteinrichtung auf das Einschaltsignal reagiert, um die mindestens eine Phasenwicklung zu erregen, und auf das Ausschaltsignal reagiert, um die Spannung über der Phasenwicklung umzukehren; und eine Dämpfungseinrichtung (44), die funktionell mit der Schalteinrichtung verbunden ist, um eine Übergangsperiode nach der leitenden Periode (51) und vor der Umkehrung der Konstantspannung einzufügen, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfungseinrichtung betrieben wird, um eine Folge von Spannungsimpulsen verschiedener Breite auf die mindestens eine Phasenwicklung in der Übergangsperiode aufzugeben und dadurch die Änderungsgeschwindigkeit des mit der Phasenwicklung zusammenhängenden magnetischen Flusses so zu reduzieren, dass die Vibration im Stator vermindert wird, indem die Dämpfungseinrichtung so betreibbar ist, dass die Spannungsimpulse zwischen einer positiven Spannung und 0 Volt alternieren.
  3. Geschaltetes Reluktanzmaschinensystem umfassend: einen Rotor (18); einen Stator (10), welcher mindestens eine Phasenwicklung (17) aufweist; Schalteinrichtungen (33, 34); eine Steuereinrichtung (40), die betrieben wird, um Einschalt- und Ausschaltsignale zu erzeugen und eine leitende Periode einzuleiten, in welcher die mindestens eine Phasenwicklung erregt wird, sowie eine weitere Periode, in welcher die Phasenwicklung nicht erregt wird, und die Schalteinrichtung auf das Einschaltsignal reagiert, um die mindestens eine Phasenwicklung zu erregen, und auf das Ausschaltsignal reagiert, um die Spannung über der Phasenwicklung umzukehren, und eine Dämpfungseinrichtung (44), welche funktionell mit der Schalteinrichtung verbunden ist, um nach der leitenden Periode (51) und vor der Umkehrung der Konstantspannung eine Übergangsperiode einzufügen, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfungseinrichtung betrieben wird, um eine Folge von Spannungsimpulsen verschiedener Breite auf die mindestens eine Phasenwicklung in der Übergangsperiode aufzugeben und dadurch die Änderungsgeschwindigkeit des mit der Phasenwicklung zusammenhängenden magnetischen Flusses so zu reduzieren, dass die Vibration im Stator vermindert wird, indem die Dämpfungseinrichtung so betreibbar ist, dass die Spannungsimpulse zwischen einer positiven Spannung und 0 Volt während eines ersten Abschnittes der Periode und zwischen einer negativen Spannung und 0 Volt während eines zweiten Abschnittes der Periode alternieren.
  4. System nach Anspruch 1, 2 oder 3, in welchem die Übergangsperiode größer als 10 Millisekunden ist.
  5. System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, in welchem die Dämpfungseinrichtung betreibbar ist, um die Schalteinrichtung gemäß eines abnehmenden Tastverhältnisses von dem einem leitenden Zustand in den anderen leitenden Zustand zu bringen.
  6. Verfahren zur Verminderung der Vibration in einer Reluktanzmaschine mit einem Rotor (18), einem Stator (10), mindestens einer Phasenwicklung (17) und Schalteinrichtungen (33/34), die in die Phasenwicklung eingeschaltet sind, wobei das Verfahren umfasst: Steuerung der Maschine unter Verwendung von Ein- und Ausschaltsignalen innerhalb einer Phasenperiode, um eine leitende Periode einzuleiten, in welcher die mindestens eine Phasenwicklung erregt wird, sowie eine weitere Periode, in welcher die Phasenwicklung nicht erregt wird, und die Schalteinrichtung in Reaktion auf das Einschaltsignal die mindestens eine Phasenwicklung erregt, und in Reaktion auf das Ausschaltsignal die Spannung über der Phasenwicklung umkehrt; und Dämpfung der Schalteinrichtung, um eine Übergangsperiode nach der leitenden Periode (51) und vor der Umkehrung der Konstantspannung einzufügen, dadurch gekennzeichnet, dass Spannungsimpulse unterschiedlicher Breite der mindestens einen Phasenwicklung in der Übergangsperiode zugeführt werden, um die Veränderungsgeschwindigkeit des mit der Phasenwicklung zusammenhängenden magnetischen Flusses in der Weise zu reduzieren, dass die Vibration im Stator vermindert wird, indem die Spannungsimpulse zwischen einem positiven und einem negativen Wert alternieren.
  7. Verfahren zur Verminderung Vibration in einer Reluktanzmaschine mit einem Rotor (18), einem Stator (10), mindestens einer Phasenwicklung (17) und Schalteinrichtungen (33/34), die in die Phasenwicklung eingeschaltet sind, und das Verfahren umfasst: Steuerung der Maschine unter Verwendung von Ein- und Ausschaltsignalen innerhalb einer Phasenperiode, um eine leitende Periode einzuleiten, in welcher die mindestens eine Phasenwicklung erregt wird, sowie eine weitere Periode in welcher die Phasenwicklung nicht erregt wird, wobei die Schalteinrichtung in Reaktion auf das Einschaltsignal die mindestens eine Phasenwicklung erregt, und die Schalteinrichtung in Reaktion auf das Ausschaltsignal die Spannung über der Phasenwicklung umkehrt; und Dämpfung der Schalteinrichtung, um eine Übergangsperiode nach der leitenden Periode (51) und vor der Umkehrung der Konstantspannung einzufügen, dadurch gekennzeichnet, dass Spannungsimpulse unterschiedlicher Breite der mindestens einen Phasenwicklung in der Übergangsperiode zugeführt werden, um die Veränderungsgeschwindigkeit des mit der Phasenwicklung zusammenhängenden magnetischen Flusses in der Weise zu reduzieren, dass die Vibration im Stator vermindert wird, indem die Spannungsimpulse zwischen einer positiven Spannung und 0 Volt alternieren.
  8. Verfahren zur Verminderung der Vibration in einer Reluktanzmaschine mit einem Rotor (18), einem Stator (10), mindestens einer Phasenwicklung (17) und Schalteinrichtungen (33/34), die in die Phasenwicklung eingeschaltet sind, wobei das Verfahren umfasst: Steuerung der Maschine unter Verwendung von Ein- und Ausschaltsignalen innerhalb einer Phasenperiode, um eine leitende Periode einzuleiten, in welcher mindestens eine Phasenwicklung erregt wird, sowie eine weitere Periode, in welcher die mindestens eine Phasenwicklung nicht erregt wird, wobei die Schalteinrichtung in Reaktion auf das Einschaltsignal die mindestens eine Phasenwicklung erregt und in Reaktion auf das Ausschaltsignal die Spannung über die Phasenwicklung umkehrt; und Dämpfung der Schalteinrichtung, um eine Übergangsperiode nach der leitenden Periode (51) und vor der Umkehr der Konstantspannung einzufügen, dadurch gekennzeichnet, dass Spannungsimpulse unterschiedlicher Breite der mindestens einen Phasenwicklung in der Übergangsperiode zugeführt werden, um die Veränderungsgeschwindigkeit des mit der Phasenwicklung zusammenhängenden magnetischen Flus ses so zu reduzieren, dass die Vibration im Stator vermindert wird, indem der Spannungsimpuls zwischen einer positiven Spannung und 0 Volt, während eines ersten Abschnittes der Periode und zwischen einer magnetischen Spannung und 0 Volt während eines zweiten Abschnittes der Periode alterniert.
  9. Verfahren nach den Ansprüchen 6, 7 oder 8, bei welchem die Übergangsperiode größer als 10 Millisekunden ist.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, bei welchem die Dämpfungsimpulse ein abnehmendes Tastverhältnis aufweisen.
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