DE10014982A1 - Geschaltete Reluktanzmaschine mit magnetisch arbeitenden Positionssensoren - Google Patents
Geschaltete Reluktanzmaschine mit magnetisch arbeitenden PositionssensorenInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Reluktanzmaschine, insbesondere in Form eines Motors in einem Kraftfahrzeug. Der Motor ist mit Sensoren zur Bestimmung des Winkels zwischen Rotor und Stator der Maschine vorgesehen, wobei die Sensoren aufgrund magnetischer Wirkungsweise das Positionssignal ermitteln. Zur Vermeidung bzw. Verminderung des Streufelds des Motors wird der Strom gezielt vor Erreichen des Ausschaltwinkels (THETA¶aus¶) jeweils verringert und die Verringerung nur insoweit durchgeführt, wie es notwendig ist, damit trotz verbleibendem Streu- bzw. Störfeld des Motors, der Sensor ein noch ausreichendes Positionssignal abgibt. DOLLAR A Vorteilhafterweise wird die Stromabsenkung im Bereich hoher Induktivität bei im Wesentlichen ausgerichteten Rotor- und Statorpolen (A-A, B-B) durchgeführt. Die Absenkung des jeweiligen Phasenstromes kann bei einer Reluktanzmaschine, die mit sechs Stator- und vier Rotorpolen ausgestattet ist, im Bereich von etwa 10 DEG vor dem eigentlichen Ausschaltwinkel der betreffenden Phase bei einem Absenkwinkel (THETA¶ab¶) vorgenommen werden. Als Sensoren können magnetoresistive Sensoren, wie AMR-Sensoren oder GMR-Sensoren, oder auch Hall-Sensoren verwendet werden.
Description
Die Erfindung geht aus von einer geschalteten Reluktanzmaschine,
insbesondere in Form eines Motors im einem Kraftfahrzeug mit
magnetisch wirkenden Positionssensoren, der im Oberbegriff des
Anspruchs 1 definierten Gattung.
Magnetoresistive Sensoren, sogenannte AMR-Sensoren, sind für die
Positionserkennung bei bürstenlosen Motoren, also zur Erfassung
der Rotorlage von Motoren, bekannt. Sie werden auch zur
Winkelmessung bei anderen Aufgaben eingesetzt, wie beispielsweise
als Lenkwinkelsensor. Dazu messen die magnetoresistiven Sensoren
die Richung eines Magnetfelds, das in der Regel durch einen
Sensormagneten erzeugt wird. Dieser Magnet sitzt bei Motoren,
deren Rotorlage gemessen werden soll, üblicherweise auf dem
Wellenende. Sein Magnetfeld dreht sich also mit dem Motor mit. Das
Sensorelement selbst sitzt axial vor dem Wellenende und ist fest
mit dem Motorgehäuse verbunden. Im Falle fehlender Streuflüsse vom
Motor kann damit direkt aus der Messung der Magnetfeldrichtung des
Sensormagneten die Rotorlage des Motors bestimmt werden.
Problematisch ist es jedoch deswegen, weil in der Tat auch der
Motor selbst ein magnetisches Streufeld erzeugt. Die Felder des
Motors und des Sensormagneten überlagern sich am Ort des
Sensorelementes vektoriell und führen daher zu einer fehlerhaften
Messung der Rotorlage. Die Höhe des Fehlers hängt entscheidend vom
Verhältnis der Größen der beiden Felder zueinander ab.
Bei geschalteten Reluktanzmotoren hängt das vom Motor erzeugte
Magnetfeld stark vom Strom, aber auch von der Rotorlage ab.
Insbesondere bei hohen Strömen und bei zueinander ausgerichteten
Polen des Rotors und der bestromten Phase ist das Motorfeld groß.
Auch das Streu- und Störfeld der Maschine ist dann groß. Dadurch
kann der Fehler der vom magnetoresistiven Sensor gemessenen
Rotorlage unzulässig groß werden.
Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, trotz der Probleme mit den
Streuflüssen und Störfeldern, die bei geschalteten
Reluktanzmotoren auftreten, als Positionssensoren Sensoren
verwenden zu können, die das Positionssignal auf magnetische Weise
ermitteln.
Die erfindungsgemäß geschaltete Reluktanzmaschine mit den
kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat gegenüber dem
bekannten Stand der Technik den Vorteil, dass trotz auftretender
Streufelder und Störfelder der geschalteten Reluktanzmaschine
Sensoren verwendet werden können, die auf magnetischer Basis
arbeiten.
Dazu wird bei der geschalteten Reluktanzmaschine gemäß der
Erfindung prinzipiell zur Vermeidung bzw. Verminderung des
Streufeldes der Maschine der Maschinenstrom gezielt vor Erreichen
des Ausschaltwinkels jeweils verringert und die Verringerung wird
dabei nur so weit durchgeführt, wie es notwendig ist, damit trotz
verbleibendem Streu- bzw. Störfeld der Maschine der Sensor ein
noch ausreichend genaues Positionssignal abgibt.
Durch die in den weiteren Ansprüchen niedergelegten Maßnahmen sind
vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 1
angegebenen geschalteten Reluktanzmaschine möglich.
Entsprechend einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der
erfindungsgemäßen Anordnung erfolgt die Stromabsenkung im Bereich
hoher Induktivität, d. h. bei im Wesentlichen ausgerichteten Rotor-
und Statorpolen.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung wird bei der
erfindungsgemäß geschalteten Reluktanzmaschine, die mit sechs
Stator- und vier Rotorpolen ausgestattet ist, die Absenkung des
jeweiligen Phasenstroms im Bereich von etwa 10° vor dem
eigentlichen Ausschaltwinkel der betreffenden Phase bei einem
Abschaltwinkel vorgenommen. Die erfindungsgemäße Reluktanzmaschine
wird vorteilhafterweise mit Stromregelung betrieben.
Die Erfindung ermöglich in vorteilhafter Weise, dass als Sensoren
magnetoresistive Sensoren zur Verwendung vorgesehen sind. In
vorteilhafter Weiterbildung können als solche sowohl anisotrope,
sogenannte AMR-Sensoren, als auch giant-magnetoresistive Sensoren,
sogenannte GMR-Sensoren, vorgesehen sein. In alternativer
vorteilhafter Ausgestaltung dazu ist es auch möglich, dass als
Sensoren Hall-Sensoren vorgesehen sind.
Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiele in der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert. Dabei zeigen
Fig. 1 schematisch in Draufsicht Rotorpole und Pole der
bestromten Statorphase in nicht ausgerichteter Lage;
Fig. 2 in schematischer Draufsicht Rotorpole und Pole der
bestromten Phase 1 des Stators in ausgerichteter
Anordnung;
Fig. 3 in einem Diagramm die normierte Flussverkettung ψ/ψmax
in Abhängigkeit vom normierten Phasenstrom I/Imax, wobei
die Flussverkettung entsprechend verschiedener
Rotorlagen in einer Kurvenschar angegeben ist, und
Fig. 4 ein Diagramm mit dem normierten Strom I/Imax über dem
Rotorwinkel θ zur Darstellung der Stromabsenkung im
Bereich hoher Induktivität bei ausgerichteten Stator-
und Rotorpolen gemäß vorliegender Erfindung.
In Fig. 1 ist in einer schematischen Draufsicht ein Stator 10 und
ein Rotor 20 einer geschalteten Reluktanzmaschine, die mit sechs
Stator- und vier Rotorpolen ausgestattet ist, in Form eines Motors
dargestellt. Der Stator 10 enthält drei Polpaare 1-1, 2-2 und 3-3.
Der Rotor 20 enthält vier Pole A-A und B-B. Die Pole 1 des
Polpaares 1-1 sind jeweils mit einer Wicklung 11 umgeben. Alle
Pole ragen von einem Statorring nach innen auf den Rotor vor. Die
Wicklungen der Polpaare 2-2 und 3-3 sind nicht dargestellt. In der
Darstellung der Fig. 1 sind die Rotorpole A-A gegenüber der
bestromten Wicklung 11 mit den Statorpolen 1-1 nicht ausgerichtet.
Vielmehr wird hier der nicht ausgerichtete Rotorwinkel θ von 45°
erreicht. Fig. 1 zeigt also, dass die Rotorpole A-A und die Pole
1-1 der bestromten Phase 1 mit der Wicklung 11 nicht ausgerichtet
sind, sondern dass zwischen ihnen ein Rotorwinkel von θ = 45°
gegeben ist.
In Fig. 2 ist dieselbe schematische Darstellung in Draufsicht auf
den Stator 10 und den Rotor 20 der in Fig. 1 gezeigten
geschalteten Reluktanzmaschine dargestellt. Die beiden Pole 1-1
sind wiederum von der Wicklung 11 umgeben und die Pole A-A des
Rotors 20 sind nunmehr mit den Polen 1-1 der bestromten Phase 1
ausgerichtet, so dass der Rotorwinkel θ zwischen den Polen A und 1
den Wert 0° aufweist. Somit sind gemäß dieser Darstellung die
Rotorpole A-A mit den Polen 1-1 der bestromten Phase 1
entsprechend der bestromten Wicklung 11 miteinander ausgerichtet
und der Rotorwinkel θ beträgt 0°.
In einer Kurvenschar gemäß Fig. 3 sind die verschiedenen
Flussverkettungen in Abhängigkeit vom normierten Phasenstrom
dargestellt, wobei die Rotorlage mit den verschiedenen
Winkelwerten als Parameter fungiert. Diese Kurvenschar gilt für
Rotorpositionen bei einem Motor mit sechs Stator- und vier
Rotorpolen. Entsprechend dem Pfeil 30 wächst der Rotorwinkel q vom
Wert 0° bis zum Wert 45° an. In der Darstellung der Fig. 3 ist die
Flussverkettung in normierter Darstellung ψ/ψmax über dem
normierten Phasenstrom I/Imax aufgetragen. Die einzelnen Werte des
Rotorwinkels θ sind an den verschiedenen Kurven der Kurvenschar
vermerkt. Dabei sind die Pole bei 0° ausgerichtet und bei 45°
nicht ausgerichtet.
Fig. 4 zeigt ein Diagramm des Phasenstroms und der Stromabsenkung
gemäß der Erfindung. Dabei ist über den Rotorwinkel θ, der in Grad
angegeben ist, der normierte Phasenstrom I/Imax angegeben. Bei
einem Einschaltwinkel von θein von 0° beginnt der Strom
entsprechend einer Flanke 40 bis zum Maximalwert anzusteigen.
Entlang eines gezackten Bereichs 41, der von der Taktung des
Stromes herrührt, bleibt der Strom im Wesentlichen konstant auf
dem maximalen Wert. Entlang einer abfallenden Kurve 42 wird, wie
im dargestellten Beispiel zwischen dem Winkel θ = 31° und θ = 40°
der Strom in der erfindungsgemäßen Weise abgesenkt. Der
Stromverlauf folgt dabei der Kurve 42. Die Stromabsenkung selbst
erfolgt innerhalb eines Bereichs 45 der durch den Doppelpfeil
angegeben ist, welcher einen Bereich von etwa 10° umfassen kann.
Dieser Bereich 45 liegt vor dem eigentlichen Ausschaltwinkel Raus
der Bestromung der Phase. Die Bestromung der Phase ist durch den
Doppelpfeil 44 angegeben und liegt zwischen dem Winkel θein und θaus,
im dargestellten Beispiel zwischen dem Wert 0° und 40°. Vom
Ausschaltwinkel θaus bis zur nicht ausgerichteten Lage von 45°
sinkt der Strom entlang der Kurve 43 auf den Wert 0 ab.
Erfindungsgemäß ist also in den Bereich 44 der Bestromung der
jeweiligen Phase ein Bereich 45 eingeschaltet, der vor dem
Ausschaltwinkel θaus der jeweiligen Phase liegt. In diesem mit dem
Absenkwinkel θab beginnenden Bereich 45 wird der Strom um einen
bestimmten und geeigneten Wert abgesenkt. Im dargestellten
Beispiel wird der Strom auf die Hälfte des Maximalwerts abgesenkt,
bevor er dann bei θaus ganz ausgeschaltet wird und entlang der
Kurve 43 auf den Wert 0 absinkt. Vorteilhafterweise wird der
geschaltete Reluktanzmotor in Stromregelung betrieben.
Die Größe des Bereichs 45 für die Stromabsenkung, die vor dem
Ausschaltwinkel θaus der Phase erfolgt, hängt davon ab, ob der
verwendete Sensor trotz des vorhandenen Stör- bzw. Streufeldes der
als Motor eingesetzten geschalteten Reluktanzmaschine noch ein
Positionssignal abgibt, das die Position eindeutig erkennen lässt.
Die Einstellung kann zum einen durch die Größe der Stromabsenkung
und zum anderen durch den Winkel θab, d. h. wie groß der Abstand zum
Ausschaltwinkel θaus ist, bestimmen.
Die erfindungsgemäße Stromabsenkung erfolgt im Bereich hoher
Induktivität, also bei ausgerichteten Stator- 1-1, 2-2, 3-3 und
Rotorpolen A-A und B-B. Stromabsenkung und Zeitpunkt bzw.
Winkelposition der Absenkung ist entsprechend des benötigten
Signals wählbar. Bei der Stromabsenkung selbst kann die sogenannte
harte oder weiche Art der Taktung verwendet werden. Bei der harten
Taktung werden beide Transistoren einer Phase abwechselnd ein- und
ausgeschaltet, so dass sich eine gewünschte Stromform ergibt. Bei
der weichen Taktung wird nur einer von zwei Schalttransistoren je
Phase geschaltet.
Diese gemäß der Erfindung vorgesehene Stromabsenkung bei der
Ansteuerschaltung des geschalteten Reluktanzmotors ermöglicht es,
dass, trotz magnetischer Störfelder vom Motor her, Sensoren
verwendet werden können, die auf magnetischer Arbeitsweise
basieren. Als solche Sensoren fungieren magnetoresistive Sensoren,
sogenannte anisotrope magnetoresistive Sensoren, die als AMR-
Sensoren bekannt sind, und giant-magnetoresistive Sensoren, die
als GMR-Sensoren bekannt sind. Alternativ und erweiternd dazu
können auch Hall-Sensoren benutzt werden. Bei magnetoresistiven
Sensoren wird die Richtung des Magnetfeldes ermittelt, bei Hall-
Sensoren wird das Vorhandensein eines Magnetfelds senkrecht zum
Leiter des Hall-Sensors detektiert. In beiden Fällen kann daraus
die Position des Rotors gegenüber dem Stator ermittelt werden.
Diese Position ist für die Steuerung der Schaltzeitpunkte der
Stromzuführung bzw. Stromabschaltung zu den einzelnen Phasen beim
geschalteten Reluktanzmotor von entscheidender Bedeutung. Die
Sensoren sind im den Figuren nicht dargestellt.
Die Erfindung ermöglicht es somit in vorteilhafter Weise auf
einfache Weise ohne große Änderung am Steuerverfahren des Motors,
dass magnetoresistive Sensoren oder Hall-Sensoren für die
Positionserfassung bei geschalteten Reluktanzmotoren anwendbar
sind. Durch die Erfindung wird der schädliche Einfluss des
Streufeldes des Motors auf das Sensorelement unterdrückt oder
zumindest hinreichend verringert.
Claims (7)
1. Geschaltete Reluktanzmaschine, insbesondere in Form eines
Motors in einem Kraftfahrzeug, mit Sensoren zur Bestimmung
des Winkels zwischen Rotor (20) und Stator (10) der Maschine,
wobei die Sensoren aufgrund magnetischer Wirkungsweise das
Positionssignal ermitteln,
dadurch gekennzeichnet, dass zur Vermeidung bzw. Verminderung
des Streufeldes der Maschine der Maschinenstrom gezielt vor
Erreichen des Ausschaltwinkels (θaus) jeweils verringert wird,
und wobei die Verringerung nur soweit durchgeführt wird, wie
es notwendig ist, damit trotz verbleibendem Streu- bzw.
Störfeld der Maschine, der Sensor ein noch ausreichendes
Positionssignal abgibt.
2. Geschaltete Reluktanzmaschine nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, dass die Stromabsenkung im Bereich hoher
Induktivität, d. h. bei im wesentlichen ausgerichteten Rotor-
(1-1, 2-2, 3-3) und Statorpolen (A-A, B-B) erfolgt.
3. Geschaltete Reluktanzmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, dass bei einer Reluktanzmaschine, die mit
sechs Stator- und vier Rotorpolen ausgestattet ist, die
Absenkung des jeweiligen Phasenstromes im Bereich (45) von
etwa 10° vor dem eigentlichen Ausschaltwinkel (θaus) der
betreffenden Phase beim Absenkwinkel (θab) vorgenommen wird.
4. Geschaltete Reluktanzmaschine nach einem der Ansprüche
1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschine mit
Stromregelung betrieben wird.
5. Geschaltete Reluktanzmaschine nach Anspruch 1 oder einem der
Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Sensoren
magnetoresistive Sensoren vorgesehen sind.
6. Geschaltete Reluktanzmaschine nach Anspruch 5, dadurch
gekennzeichnet, daß als magnetoresistive Sensoren anisotrope,
sogenannte AMR-Sensoren, oder giant-magnetoresistive
Sensoren, sogenannte GMR-Sensoren vorgesehen sind.
7. Geschaltete Reluktanzmaschine nach Anspruch 1 oder einem der
Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Sensoren
Hall-Sensoren vorgesehen sind.
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