Reluktanzmotor

SIMOTICS Reluktanzmotor erfolgreich im Einsatz (Juli 2019).

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Anonim

Reluktanzmotor

Kapitel 13 - Wechselstrommotoren


Der Motor mit variabler Reluktanz basiert auf dem Prinzip, dass sich ein nicht eingeschränktes Stück Eisen bewegt, um einen magnetischen Flussweg mit minimaler Reluktanz, das magnetische Analogon des elektrischen Widerstands, zu vervollständigen. (Abbildung unten)

Wenn das Drehfeld eines großen Synchronmotors mit ausgeprägten Polen stromlos ist, wird es immer noch 10 oder 15% des synchronen Drehmoments entwickeln. Dies ist auf die variable Reluktanz während einer Rotorumdrehung zurückzuführen. Es gibt keine praktische Anwendung für einen großen synchronen Reluktanzmotor. Es ist jedoch in kleinen Größen praktisch.

Wenn Schlitze in den leiterlosen Rotor eines Induktionsmotors geschnitten werden, der den Statorschlitzen entspricht, ergibt sich ein Synchronreluktanzmotor . Es beginnt wie ein Induktionsmotor, läuft aber mit einer kleinen Menge an synchronem Drehmoment. Das synchrone Drehmoment ist auf Änderungen der Reluktanz des magnetischen Pfads von dem Stator durch den Rotor zurückzuführen, wenn sich die Schlitze ausrichten. Dieser Motor ist ein kostengünstiges Mittel zur Entwicklung eines moderaten synchronen Drehmoments. Ein niedriger Leistungsfaktor, ein niedriges Ausziehdrehmoment und ein niedriger Wirkungsgrad sind Eigenschaften des direkt mit der Leistungsleitung angetriebenen Motors mit variabler Reluktanz. Dies war der Status des variablen Reluktanzmotors für ein Jahrhundert vor der Entwicklung der Halbleiterleistungssteuerung.

Wenn ein Eisenrotor mit Polen, jedoch ohne irgendwelche Leiter, an einem Mehrphasenstator angebracht ist, ergibt sich ein geschalteter Reluktanzmotor, der in der Lage ist, mit dem Statorfeld zu synchronisieren. Wenn ein Statorspulenpolpaar erregt wird, bewegt sich der Rotor auf den niedrigsten magnetischen Reluktanzweg. Ein geschalteter Reluktanzmotor ist auch als Motor mit variabler Reluktanz bekannt. Die Reluktanz des Rotor-Stator-Flusspfades variiert mit der Position des Rotors.

Die Reluktanz ist eine Funktion der Rotorposition in einem Motor mit variabler Reluktanz.

Durch sequentielles Schalten (Bild unten) der Statorphasen wird der Rotor von einer Position zur nächsten bewegt. Der magnetische Fluss sucht den Weg der geringsten Reluktanz, das magnetische Analogon des elektrischen Widerstands. Dies ist ein über vereinfachter Rotor und Wellenformen, um den Betrieb zu veranschaulichen.

Motor mit variabler Reluktanz, zu vereinfachter Betrieb.

Wenn ein Ende jeder dreiphasigen Wicklung des geschalteten Reluktanzmotors über einen gemeinsamen Leitungsdraht herausgeführt wird, können wir den Betrieb erklären, als ob es ein Schrittmotor wäre. (Abbildung oben) Die anderen Spulenverbindungen werden nacheinander nacheinander in einem Wellenantriebsmuster nach Masse gezogen. Dies zieht den Rotor in 60 ° -Schritten an das im Uhrzeigersinn rotierende Magnetfeld an.

Verschiedene Wellenformen können Motoren mit variabler Reluktanz antreiben. (Abbildung unten) Wellenantrieb (a) ist einfach und erfordert nur einen unsymmetrischen einpoligen Schalter. Das heißt, eines, das nur in eine Richtung schaltet. Ein höheres Drehmoment wird durch den bipolaren Antrieb (b) bereitgestellt, erfordert jedoch einen zweipoligen Schalter. Der Leistungstreiber muss abwechselnd hoch und niedrig ziehen. Die Wellenformen (a und b) sind auf die Schrittmotorversion des Motors mit variabler Reluktanz anwendbar. Für einen reibungsfreien Betrieb ist die 6-stufige Approximation einer Sinuswelle (c) wünschenswert und einfach zu erzeugen. Sinuswellenantrieb (d) kann durch einen Pulsbreitenmodulator (PWM) erzeugt werden oder von der Stromleitung gezogen werden.

Motorwellenformen mit variabler Reluktanz: (a) unipolarer Wellenantrieb, (b) bipolarer Vollschritt (c) Sinuswelle (d) bipolarer 6-Schritt.

Die Verdoppelung der Statorpole verringert die Drehzahl und erhöht das Drehmoment. Dies könnte einen Untersetzungsantrieb beseitigen. Ein Motor mit variabler Reluktanz, der sich in diskreten Schritten bewegen, stoppen und starten soll, ist ein Schrittmotor mit variabler Reluktanz, der in einem anderen Abschnitt behandelt wird. Wenn eine sanfte Drehung das Ziel ist, gibt es eine elektronisch gesteuerte Version des geschalteten Reluktanzmotors. Motoren mit variabler Reluktanz oder Stepper verwenden tatsächlich Rotoren, wie sie in der Abbildung unten dargestellt sind.

Motoren mit variabler Reluktanz haben schlechte Leistungen, wenn sie direkt von der Stromleitung angetrieben werden. Mikroprozessoren und ein Solid-State-Power-Drive machen diesen Motor jedoch zu einer wirtschaftlichen Hochleistungslösung für einige Anwendungen mit hohem Volumen.

Obwohl schwer zu steuern, ist dieser Motor leicht zu drehen. Das sequentielle Umschalten der Feldspulen erzeugt ein rotierendes Magnetfeld, das den unregelmäßig geformten Rotor mit sich zieht, wenn er den niedrigsten magnetischen Reluktanzweg sucht. Die Beziehung zwischen Drehmoment und Statorstrom ist hochgradig nichtlinear - schwierig zu steuern.

Elektronisch angetriebener Motor mit variabler Reluktanz.

Ein elektronisch gesteuerter Motor mit variabler Reluktanz (Bild unten) ähnelt einem bürstenlosen Gleichstrommotor ohne Permanentmagnet-Rotor. Dies macht den Motor einfach und kostengünstig. Dies wird jedoch durch die Kosten der elektronischen Steuerung ausgeglichen, die bei weitem nicht so einfach ist wie bei einem bürstenlosen Gleichstrommotor.

Während der Motor mit variabler Reluktanz einfach ist, sogar mehr als ein Induktionsmotor, ist es schwierig zu steuern. Die elektronische Steuerung löst dieses Problem und macht es möglich, den Motor weit oberhalb und unterhalb der Netzfrequenz anzutreiben. Ein Motor mit variabler Reluktanz, der von einem Servo, einem elektronischen Rückkopplungssystem, angetrieben wird, steuert Drehmoment und Drehzahl und minimiert das Welligkeitsdrehmoment. Abbildung unten

Elektronisch angetriebener Motor mit variabler Reluktanz.

Dies ist das Gegenteil des in Schrittmotoren gewünschten hohen Welligkeitsdrehmoments. Anstelle eines Steppers ist ein Motor mit variabler Reluktanz für eine kontinuierliche Hochgeschwindigkeitsrotation mit minimalem Welligkeitsdrehmoment optimiert. Es ist notwendig, die Rotorposition mit einem Drehpositionssensor wie einem optischen oder magnetischen Encoder zu messen, oder dies aus der Überwachung der Stator-Gegen-EMK abzuleiten. Ein Mikroprozessor führt komplexe Berechnungen durch, um die Wicklungen zur richtigen Zeit mit Festkörpervorrichtungen zu schalten. Dies muss genau durchgeführt werden, um hörbares Rauschen und Welligkeitsdrehmoment zu minimieren. Für geringstes Welligkeitsdrehmoment muss der Wicklungsstrom überwacht und gesteuert werden. Aufgrund der strengen Antriebsanforderungen ist dieser Motor nur für Anwendungen mit hohem Volumen wie energieeffiziente Staubsaugermotoren, Lüftermotoren oder Pumpenmotoren geeignet. Ein solcher Staubsauger verwendet einen kompakten hocheffizienten, elektronisch angetriebenen Ventilatormotor mit 100.000 U / min. Die Einfachheit des Motors kompensiert die Kosten der Antriebselektronik. Keine Bürsten, kein Kommutator, keine Rotorwicklungen, keine Permanentmagnete, vereinfacht die Motorfertigung. Der Wirkungsgrad dieses elektronisch angetriebenen Motors kann hoch sein. Es erfordert jedoch eine erhebliche Optimierung unter Verwendung spezieller Konstruktionstechniken, die nur für große Herstellungsmengen gerechtfertigt sind.

Vorteile

  • Einfache Konstruktion - keine Bürsten, Kommutatoren oder Permanentmagnete, kein Cu oder Al im Rotor.
  • Hohe Effizienz und Zuverlässigkeit im Vergleich zu herkömmlichen AC- oder DC-Motoren.
  • Hohes Startmoment.
  • Kostengünstig im Vergleich zu einem bürstenlosen DC-Motor in hohen Stückzahlen.
  • Anpassungsfähig an sehr hohe Umgebungstemperaturen.
  • Kostengünstige, genaue Geschwindigkeitssteuerung ist möglich, wenn das Volumen hoch genug ist.

Nachteile

  • Strom gegen Drehmoment ist stark nichtlinear
  • Die Phasenumschaltung muss präzise sein, um das Welligkeitsdrehmoment zu minimieren
  • Der Phasenstrom muss gesteuert werden, um das Welligkeitsdrehmoment zu minimieren
  • Akustische und elektrische Geräusche
  • Gilt nicht für geringe Volumina aufgrund von komplexen Steuerungsproblemen