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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Steuerverfahren für eine Klauenpol-Synchronmaschine, welche als Dreiphasen-Generator oder Dreiphasen-Elektromotor arbeitet. Ein Steuerverfahren dieser Art ist bekannt aus der gattungsgemäßen
DE 198 49 889 A1 . Insbesondere beschäftigt sich die vorliegende Erfindung mit einem Steuerverfahren für eine Klauenpol-Synchronmaschine, welches eine verbesserte Steuerbarkeit des Betriebs der Klauenpol-Synchronmaschine sicherstellen kann, ohne eine nennenswerte Zunahme der Größe und der Kosten, die mit der Implementierung einhergehen.
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Beschreibung des Standes der Technik
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Im allgemeinen ist ein Verbrennungsmotor für ein Kraftfahrzeug oder dergleichen mit einer Dreiphasen-Synchronmaschine ausgerüstet, welche als Generator oder als Motor arbeitet. Um eine solche Dreiphasen-Synchronmaschine unter Verwendung einer Wechselrichter-Energieversorgungsquelle zu treiben bzw. anzusteuern, wird ein Steuerverfahren gewählt, welches auf einer Kombination einer Vektorsteuerung und einer Feldstromsteuerung beruht, welches im Stand der Technik bekannt ist, wie zum Beispiel offenbart in der
japanischen Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 182380/1996 (
JP H08-182 380 A ).
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Für ein besseres Verständnis des der vorliegenden Erfindung zugrunde liegenden Konzepts wird zunächst ausführlich ihr technischer Hintergrund beschrieben.
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6 ist eine Perspektivansicht, welche einen Rotor einer allgemeinen Klauenpol-Synchronmaschine zeigt.
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In 6 umfasst der Rotor eine Welle 10, Feldpole (Klauenpole) 11 und Feldspulen, welche in einem Körper gebildet sind. Ventilatorschaufeln 14 zur Kühlung der Feldspulen 12 sind jeweils auf der Peripherie beider Endflächen des Motors angeordnet.
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Als erstes betrachte man den Fall, bei dem die Dreiphasen-Synchronmaschine als Motor betrieben wird (d. h. Motorbetriebsmodus).
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Das Drehmoment Te, das durch die Dreiphasen-Synchronmaschine im Motorbetriebsmodus erzeugt wird, ist durch den folgen Ausdruck (1) angegeben: Te = 3{Ψ·iq + (Ld – Lq)id·iq} (1) wobei Ψ die Gesamtflussverkettung darstellt, die durch den Feldstrom if bestimmt wird, Ld and Lq die in d- und q-Achsenkomponenten transformierte Synchroninduktivität darstellen, Ψ·iq ein durch die Flussverkettung Ψ erzeugtes Drehmoment darstellt, und der Ausdruck (Ld – Lq)id·iq ein Reluktanzdrehmoment darstellt, wobei id und iq jeweils Ankerphasenströme darstellen, wie unten ausgeführt.
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Ferner stellt die oben erwähnte d-Achse die Längsachsenrichtung dar, welche mit der Feldpolrichtung übereinstimmt, und die q-Achse stellt die Querachsenrichtung dar, welche senkrecht zur Feldpolrichtung steht. In diesem Zusammenhang stellen id und iq die Ankerphasenströme für die Vektorsteuerung dar, jeweils in d- und q-Achsenkomponenten (Direkt- bzw. Längs- und Querachsenkomponenten) transformiert. Die Ankerphasenströme id und iq haben eine Beziehung mit dem Läuferstrom i (Phasenstrom), welche durch den folgenden Ausdruck (2) gegeben ist. i2 = id2 + iq2 (2)
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Der Ankerstrom i ist ein Dreiphasenstrom. In der folgenden Beschreibung wird jedoch nur zum Zwecke der einfacheren Beschreibung angenommen, dass der Ankerstrom i ein Zweiphasenstrom ist, der in der Lage ist, die gleiche elektromotorische Kraft zu erzeugen wie der Dreiphasen-Ankerstrom i, und wird dargestellt, indem der Phasenstrom id entlang d-Achse (Längsachse) mit der Feldpolrichtung übereinstimmt, und der Phasenstrom iq entlang der q-Achse (Querachse), welche der d-Achse orthogonal ist.
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Andererseits ist die Ausgangsleistung Pg, welche durch die Dreiphasen-Synchronmaschine im Generatorbetriebsmodus erzeugt wird, gegeben durch: Pg = 3{ω·Ψ·iq + i2 + ω(Ld – Lq)id·ig} (3) wobei ω eine elektrische Winkelgeschwindigkeit darstellt, welche der Drehgeschwindigkeit entspricht, und R den Ankerwiderstandswert in jeder Phase darstellt. Im übrigen wird in den oben erwähnten Ausdrücken angenommen, dass die Polaritäten im Motorbetriebsmodus positiv sind.
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Im allgemeinen, im Fall einer Synchronmaschine mit Schenkelpol, ist es bekannt, dass die Beziehung zwischen den Synchroninduktivitäten Ld und Lq die Bedingung erfüllt, welche durch den unten angegebenen Ausdruck (4) gegeben ist: Ld > Lq (4)
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Ferner, in der Synchronmaschine mit zylindrischem Pol, ist es bekannt, dass die Beziehung zwischen den Synchroninduktivitäten Ld und Lq die durch den folgenden Ausdruck (5) gegebene Bedingung erfüllt: Ld = Lq (5)
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Ferner, in der Synchronmaschine mit eingebettetem Pol ist die magnetische Permeabilität in der d-Achsenrichtung (NS-Polrichtung) die den Magneten umschließt, kleiner als die magnetische Permeabilität in der q-Achsenrichtung (d. h. die Richtung orthogonal zur NS-Polrichtung), welche magnetische Materialien umschließt, wie Eisen. Somit erfüllt die Beziehung zwischen den Synchroninduktivitäten Ld und Lq folgende Bedingungen: Ld < Lq (6)
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Wie man aus den Ausdrücken (1) und (3) erkennt, welche oben erwähnt wurden, kann im Falle der Synchronmaschinen mit Schenkelpol und mit zylindrischem Pol, welche durch die oben angegebenen Ausdrücke (4) bzw. (5) gegebenen Bedingungen erfüllen, ein maximales Drehmoment im Motorbetriebsmodus erzeugt werden, während eine maximale Ausgangsleistung im Generatorbetriebsmodus erzeugt werden kann, wenn die Synchronmaschine mit dem Längsstrom id von Null (id = 0) für den gleichen Ankerstrom i gesteuert wird.
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Andererseits, im Fall der Synchronmaschine mit eingebettetem Pol, welche die durch den oben angegebenen Ausdruck (6) gegebene Bedingung erfüllt, kann ein maximales Drehmoment im Motorbetriebsmodus erhalten werden, während eine maximale Ausgangsleistung im Generatorbetriebsmodus erhalten werden kann, wenn die Synchronmaschine mit dem Längsstrom id negativer Polarität (id < 0) gesteuert wird. Dieser Längsstrom id negativer Polarität wird als Feldschwächungsstrom bezeichnet.
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Im Gegensatz dazu, im Fall der Klauenpol-Synchronmaschine, welche zu der Art von Synchronmaschine mit Schenkelpol gehört, wird die durch den Ausdruck (4) gegebene Bedingung erfüllt. Folglich wird die Steuerung mit dem Längsstrom id von Null (id = 0) durchgeführt, und es wird keine Feldschwächungssteuerung mit dem Ankerstrom durchgeführt.
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Übrigens kann die Anschlussspannung V der Synchronmaschine abhängig von der Drehgeschwindigkeit ω, der Flussverkettung Ψ zwischen dem Fluss, der durch den Feldstrom if und die Ankerwicklungen erzeugt wird, der Induktivität Ld und des Widerstands R des Ankers bestimmt werden, und ist durch den folgenden Ausdruck (7) gegeben. V = √{(ω·Ψ + ω·Ld·id + R·ig)2 + (ω·Lq·iq – R·id)2} (7)
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Die vorher erwähnte Feldschwächungssteuerung mit der Hilfe des Ankerstroms soll bedeuten, dass der Längsstrom id des Ankers dazu gebracht wird in die inverse Richtung zu fließen, so dass der magnetische Fluss in die entgegengesetzte Richtung relativ zur elektromotorischen Gegenkraft E(= ω·Ψ) des Ankers erzeugt wird, im Hinblick auf die Ermöglichung des Regelns oder Einstellens der Anschlussplanung V, welche durch den obigen Ausdruck (7) gegeben ist, unter der Steuerung mit dem Wechselrichter.
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Dementsprechend wird bewirkt, dass der Ankerlängsstrom id in eine solche Richtung fließt, um den magnetischen Fluss in die entgegengesetzte Richtung relativ zu dem vom Feldstrom if erzeugten Magnetfeld zu erzeugen.
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Nebenbei, wenn der Phasendifferenzwinkel zwischen der elektromotorischen Gegenkraft E des Ankers und des Ankerstroms durch ϕ dargestellt wird, sind der Längsstrom (d-Achsenstrom) id und der Querstrom (q-Achsenstrom) iq durch die folgenden Ausdrücke (8) bzw. (9) gegeben. id = i·sinϕ (8) iq = i·cosϕ (9)
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Bislang wird bei der Wechselrichtersteuerung des Ankerstroms i anhand der Längsstromkomponente id und der Querstromkomponente iq keine Feldschwächungssteuerung mit dem Ankerstrom i durchgeführt, außer für die Permanentmagnet-Synchronmaschine mit eingebettetem Pol, welche die inverse Charakteristik des Schenkelpols aufweist.
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Unter diesen Umstanden, wird bei der variablen Geschwindigkeitssteuerung der Klauenpol-Synchronmaschine nur die Steuerung mit dem Längsstrom id von Null (id = 0) durchgeführt, d. h. die Steuerung mit dem Ankerstrom i, welcher in Phase ist mit der elektromotorischen Gegenkraft E des Ankers, und es wird keine Feldschwächungs-Steuerung mit dem Ankerstrom durchgeführt.
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Wie aus dem obigen hervorgeht, wurde bei der herkömmlichen Klauenpol-Synchronmaschinensteuerung die Feldschwächungssteuerung beruhend auf der Regelung des Phasendifferenzwinkels ϕ des Ankerstroms nicht verwendet. Folglich, um das Drehmoment oder die Ausgangsleistung der Klauenpol-Synchronmaschine zu vergrößern, ist es erforderlich entsprechend den Feldstrom oder den Ankerstrom zu vergrößern. Dies bedeutet jedoch, dass die Klauenpol-Synchronmaschine mit großen Abmessungen implementiert sein muss, wobei auch die Energieversorgungs-Leistungsfähigkeit erhöht werden muss, was zu einem Problem führt, das zu lösen bleibt.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Im Lichte des oben beschriebenen Standes der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das oben erwähnte Problem zu lösen, durch Bereitstellung eines verbesserten Verfahrens der Steuerung einer Klauenpol-Synchronmaschine, welches eine verbesserte Steuerbarkeit des Betriebs der Klauenpol-Synchronmaschine sicherstellen kann, ohne zusätzlichen Aufwand zu verursachen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst wie in Anspruch 1 angegeben.
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Im Hinblick auf die obige und andere Aufgaben, welche mit dem Fortgang der Beschreibung in Erscheinung treten, wird gemäß eines Aspekts der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Steuerung einer Klauenpol-Synchronmaschine geschaffen, durch eine Kombination einer Vektorsteuerung einer Ankerspannung und eines Ankerstroms, die aus einer Wechselrichter-Energiequelle zugeführt werden, in Kombination mit einer Feldstromsteuerung, wobei wenn die Klauenpol-Synchronmaschine als Generator betrieben wird, die Feldstromsteuerung auf der Grundlage einer verlangten Ausgangsleistung und Rotationsgeschwindigkeit der Klauenpol-Synchronmaschine durchgeführt wird, während die Feldschwächungssteuerung mit dem Ankerstrom durchgeführt wird, indem der Betrag des Ankerstroms und sein Phasendifferenzwinkel gesteuert werden.
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In einem bevorzugten Modus zur Verwirklichung des Verfahrens zur Steuerung der Klauenpol-Synchronmaschine, welche als Generator betrieben werden soll, wie oben erwähnt, kann eine Befehlswert-Abbildung bzw. -Zuordnung im voraus für die Speicherung vorbereitet werden, in welcher Beträge des Feldstroms und des Ankerstroms der Klauenpol-Synchronmaschine in Beziehung mit einem Befehlswert für den Phasendifferenzwinkel des Ankerstroms gespeichert werden, entsprechend der verlangten Ausgangsleistung und Rotationsgeschwindigkeit der Klauenpol-Synchronmaschine, und den Beträgen des Feldstroms, so dass der Ankerstrom, der durch die Klauenpol-Synchronmaschine zum Fliessen gebracht wird, und der Befehlswert für den verlangten Differenzwinkel des Ankerstroms durch Bezug auf die Befehlswert-Abbildung bestimmt werden können.
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In einem anderen Bevorzugten Modus zur Verwirklichung des oben erwähnten Verfahrens kann der Befehlswert für den Phasendifferenzwinkel des Ankerstroms, der in der Befehlswert-Abbildung gespeichert werden soll, auf einen Wert eingestellt sein, welcher die Erzeugung der verlangten Ausgangsleistung mit maximaler Effizienz erlaubt.
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Gemäß eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung, wird ein Verfahren zur Steuerung einer Klauenpol-Synchronmaschine geschaffen, durch eine Vektorsteuerung einer Ankerspannung und eines Ankerstroms, die aus einer Wechselrichter-Energiequelle zugeführt werden, in Kombination mit einer Feldstromsteuerung, wobei wenn die Klauenpol-Synchronmaschine als Motor betrieben wird, die Feldstromsteuerung auf der Grundlage eines verlangten zu erzeugenden Drehmoments und einer verlangten Rotationsgeschwindigkeit der Klauenpol-Synchronmaschine durchgeführt wird, während eine Feldabschwächungssteuerung mit dem Ankerstrom verwirklicht wird, durch Steuerung des Betrags des Ankerstroms und seines Phasendifferenzwinkels.
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In einem bevorzugten Modus zur Verwirklichung des Verfahrens zur Steuerung der Klauenpol-Synchronmaschine, welche als Elektromotor betrieben werden soll, wie oben erwähnt, kann eine Befehlswert-Abbildung bzw. -Zuordnung im voraus für die Speicherung vorbereitet werden, in welcher Beträge des Feldstroms und des Ankerstroms der Klauenpol-Synchronmaschine in Beziehung mit einem Befehlswert für den Phasendifferenzwinkel des Ankerstroms gespeichert sind, entsprechend dem verlangten Drehmoment und der verlangten Rotationsgeschwindigkeit der Klauenpol-Synchronmaschine, so dass die Beträge des Feldstroms und des Ankerstroms, die der Klauenpol-Synchronmaschine zugeführt werden sollen, und der Befehlswert für den Phasendifferenzwinkel des Ankerstroms durch Bezug auf die Befehleswert-Abbildung bestimmt werden können.
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In einem weiteren bevorzugten Modus zur Verwirklichung des gerade oben erwähnten Verfahrens, kann der Befehlswert für den Phasendifferenzwinkel des in der Befehlswert-Abbildung zu speichernden Ankerstroms auf einen Wert eingestellt sein, welcher die Erzeugung des verlangten Drehmoments mit einer maximalen Effizienz erlaubt.
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Dank des Steuerverfahrens für Klauenpol-Synchronmaschinen nach der vorliegenden Erfindung, welches oben beschrieben wurde, ist es möglich eine Klauenpol-Synchronmaschine mit verbesserter Steuerleistungsfähigkeit zu steuern, ohne Bewirkung irgend eines nennenswerten zusätzlichen Aufwands bezüglich der Struktur der Klauenpol-Synchronmaschine und ihrer Wechselrichter-Energieversorgungsschaltung.
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Die obige und weitere Aufgaben, Merkmale und begleitende Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser verständlich durch die Lektüre der folgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungen der Erfindung, welche nur als Beispiele in Zusammenhang mit den begleitenden Zeichnungen herangezogen werden.
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KURZE BESCHREIBUNGDER ZEICHNUNGEN
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Im Verlauf der folgenden Beschreibung wird auf die Zeichnungen Bezug genommen, in welchen:
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1 eine Ansicht ist, welche nur schematisch und allgemein eine Struktur einer Klauenpol-Synchronmaschine zeigt, auf welche eine erste Ausführung der vorliegenden Erfindung angewendet werden kann;
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2 eine Ansicht ist, um graphisch Betriebskennzeichen in dem Fall zu veranschaulichen, in dem die Klauenpol-Synchronmaschine als Elektromotor unter einer Feldschwächungssteuerung gemäß der ersten Ausführung der Erfindung betrieben wird;
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3 ein Charakteristikdiagramm ist, welches graphisch eine Charakteristikbeziehung zwischen einem Phasendifferenzwinkel und einer Ausgangsleistung der Klauenpol-Synchronmaschine veranschaulicht, wenn sie als Generator arbeitet;
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4 ein Charakteristikdiagramm ist, das graphisch eine Charakteristikbeziehung zwischen dem Phasendifferenzwinkel und der Ausgangsleistung der Klauenpol-Synchronmaschine veranschaulicht, wenn sie als Elektromotor arbeitet; und
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5 eine Ansicht ist, welche schematisch und allgemein eine Struktur einer herkömmlichen Synchronmaschine mit eingebettetem Pol zeigt.
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6 ist eine Perspektivansicht, welche einen Rotor einer herkömmlichen Klauenpol-Synchronmaschine zeigt.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGEN
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Die vorliegende Erfindung wird ausführlich im Zusammenhang mit dem beschrieben, was gegenwärtig als bevorzugte oder typische Ausführungen angesehen werden, unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. In der folgenden Beschreibung bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Dinge durch alle Ansichten hindurch.
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Ausführung 1
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1 ist eine Ansicht, welche nur schematisch und allgemein eine Struktur einer Klauenpol-Synchronmaschine zeigt, auf welche eine erste Ausführung der vorliegenden Erfindung angewendet werden kann.
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In der Figur enthält die Klauenpol-Synchronmaschine ein Feldsystem 1, welches als ein Rotor implementiert ist. Zum Zwecke der Vereinfachung der Darstellung wird das Feldsystem 1 nur mit zwei magnetischen Polen dargestellt. Das Feldsystem 1 enthält eine Feldspule 2, welche um einen Kern gewickelt ist, welcher einen Teil des Feldsystems 1 bildet, und der ein Feldstrom zugeführt wird, um das Feldsystem 1 zu erregen, um dadurch einen magnetischen Fluss Ψ in der d-Achsenrichtung (d. h. der Längsachsenrichtung) zu erzeugen.
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Die Klauenpol-Synchronmaschine enthält ferner Ankerspulen 3d und 3q, welche als Bestandteile eines Stators implementiert sind, der um das Feldsystem 1 angeordnet ist. Die Ankerspule 3d für die Längsachse oder d-Achse (welche auch als d-Achsen-Ankerspule 3d bezeichnet wird) ist ausgebildet, nach der Erregung durch einen Ankerstrom id (d-Achsen-Ankerstrom) einen magnetischen Fluss ϕd zu erzeugen, um das magnetische Feld zu schwächen, während die Ankerspule 3q für die Querachse oder q-Achse (auch als q-Achsen-Ankerspule 3q bezeichnet) nach Erregung durch einen Ankerstrom iq (q-Achsen-Ankerstrom) einen magnetischen Fluss ϕq erzeugt.
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Die magnetischen Flüsse ϕd und ϕq, die durch die d- bzw. q-Achsen-Ankerspulen 3d und 3q erzeugt wurden, werden zu einem magnetischen Fluss überlagert, der einen Phasendifferenzwinkel ϕ relativ zur q-Achse hat. Der überlagerte oder kombinierte magnetische Fluss wirkt zusammen mit dem Feldsystem 1, um dadurch ein Drehmoment oder elektrische Leistung in dem Motor- oder Generator-Betriebsmodus zu erzeugen.
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In Zusammenhang mit der oben beschriebenen Klauenpol-Synchronmaschine lehrt die vorliegende Erfindung, dass wenn die Klauenpol-Synchronmaschine als Generator betrieben wird (Generatorbetriebsmodus), der Feldstrom auf der Grundlage einer verlangten Ausgangsleistung und Rotationsgeschwindigkeit der Klauenpol-Synchronmaschine gesteuert wird, während die Feldschwächungssteuerung mit dem Ankerstrom verwirklicht wird, durch Steuern des Betrags und des Phasendifferenzwinkels ϕ des Ankerstroms.
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In diesem Zusammenhang lehrt die vorliegende Erfindung ferner, im voraus eine Befehlswert-Tabelle oder -Abbildung für die Speicherung vorzubereiten, in welcher die Beträge des Feldstroms und des Ankerstroms der Klauenpol-Synchronmaschine in Beziehung mit dem Befehlswert für den Phasendifferenzwinkel ϕ des Ankerstroms entsprechend der verlangten Ausgangsleistung und Rotationsgeschwindigkeit der Klauenpol-Synchronmaschine gespeichert werden, so dass die Beträge des Feldstroms und des Ankerstroms, die man durch die Klauenpol-Synchronmaschine fließen lässt, und der Befehlswert für den Phasendifferenzwinkel ϕ durch Bezug auf die oben erwähnte Befehlswert-Abbildung bestimmt werden können.
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Andererseits, wenn die Klauenpol-Synchronmaschine als Motor betrieben wird (d. h. im Motorbetriebsmodus), lehrt die vorliegende Erfindung, dass der Feldstrom auf der Grundlage eines auszugebenden verlangten Drehmoments und der Rotationsgeschwindigkeit der Klauenpol-Synchronmaschine bestimmt wird, während die Feldschwächungssteuerung mit dem Ankerstrom verwirklicht wird, durch Steuerung des Betrags und des Phasendifferenzwinkels des Ankerstroms.
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In jenem Fall schlägt die vorliegende Erfindung vor, im voraus eine Befehlswert-Tabelle oder -Abbildung zur Speicherung vorzubereiten, in welcher die Beträge des Feldstroms und des Ankerstroms der Klauenpol-Synchronmaschine in Beziehung mit dem Befehlswert für den Phasendifferenzwinkel ϕ des Ankerstroms entsprechend dem zu erzeugenden, verlangten Drehmoment und der Rotationsgeschwindigkeit der Klauenpol-Synchronmaschine gespeichert sind, so dass die Beträge des Feldstroms und des Ankerstroms, die der Klauenpol-Synchronmaschine zugeführt werden sollen, und der Befehlswert für den Phasendifferenzwinkel durch Bezug auf die oben erwähnte Befehlswert-Abbildung bestimmt werden können.
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In diesem Zusammenhang, wenn die Klauenpol-Synchronmaschine als Generator betrieben werden soll, sollte der Befehlswert für den Phasendifferenzwinkel des Ankerstroms auf einen Wert eingestellt sein, bei dem die verlangte Ausgangsleistung mit maximaler Effizienz bzw. maximalem Wirkungsgrad erzeugt werden kann, während wenn die Klauenpol-Synchronmaschine als Motor betrieben wird, der Befehlswert für den Phasendifferenzwinkel des Ankerstroms als ein Wert eingestellt sein sollte, bei dem das verlangte Drehmoment mit maximaler Effizienz bzw. maximalem Wirkungsgrad erzeugt werden kann.
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Nun wird auf 2 Bezug genommen, welche eine Ansicht ist, um graphisch die Betriebscharakteristiken in dem Fall zu veranschaulichen, in dem die Klauenpol-Synchronmaschine als Motor unter der Feldschwächungssteuerung betrieben wird. In der Figur ist der Feldstrom if entlang der Abszisse gezogen, und die Flussverkettung Ψ in der d-Achsenrichtung (Längsrichtung) entlang der Ordinate gezogen. Wie man in 2 sieht, wird die Flussverkettung Ψ bei einem vorbestimmten Pegel des Feldstroms if gesättigt.
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In 2 bezeichnet das Referenzsymbol M die Gegeninduktivität der Feldspule 2 und der Ankerspulen 3 (3d und 3q), ifo bzw. Ψo bezeichnen Flussarbeitspunkte, wenn die Feldschwächungssteuerung ungültig gemacht wird (d. h. wenn id = 0), if1 bzw. Ψ1 bezeichnen Flussarbeitspunkte in dem Zustand, in dem der Feldschwächungs-Ankerstrom id gespeist wird (d. h. wenn id < 0), und M·if bezeichnet eine scheinbare oder virtuelle Flussverkettung, welche bestimmt werden kann in Übereinstimmung mit der linearen Charakteristik (Steigung der Gegeninduktivität M) aus dem Arbeitspunkt der Flussverkettung Ψ1.
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Als nächstes, unter Bezugnahme auf die 1 und 2, wird konkret das Feldschwächungssteuerungs-Verfahren nach der ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung beschrieben, unter der Annahme, als Beispiel, dass die Klauenpol-Synchronmaschine als Motor betrieben wird.
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In 2 kann zunächst das Drehmoment Te (welches nur zum Zwecke der einfacheren Beschreibung als einzelphasig angesehen wird), das aufgrund der Flussverkettung Ψo in der Klauenpol-Synchronmaschine erzeugt wird (im Motorbetriebsmodus), wenn der Ankerstrom id Null ist, in Anbetracht des Ausdrucks (1) durch den folgenden Ausdruck (10) angegeben werden: Te = Ψo·iq (10)
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Wenn der Feldschwächungs-Ankerstrom id negativer Polarität zum Fließen gebrach wird, nimmt die Flussverkettung im magnetischen Kreis den Wert Ψ1 an, der in 2 gezeigt ist, verbleibt aber scheinbar oder virtuell bei Ψo. Somit kann das Drehmoment Te in Anbetracht des Ausdrucks (11) durch den folgenden Ausdruck angegeben werden. Te = Ψ0·iq + (Ld – Lq)id·iq (11)
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Aus dem obigen Ausdruck geht hervor, dass solange wie Ld – Lq = 0 gilt, das Reluktanzdrehmoment unverändert bleibt, unabhängig von dem Ankerstrom id, was bedeutet, dass das erzeugte Drehmoment Te den gleichen, durch den Ausdruck (10) gegebenen Wert annimmt.
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An diesem Punkt, wenn der Feldstrom if der Feldspule 2 zugeführt wird, kann die Flussverkettung Ψf in Anbetracht der Gegeninduktivität M zwischen der Feldspule 2 und der Ankerspule 3 wie folgt angegeben werden: Ψf = M·if (12)
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Aus dem obigen Ausdruck (12) wird die Gegeninduktivität Mo für den d-Achsen-Ankerstrom id von Null (id = 0) durch den folgenden Ausdruck (13) angegeben. Mo = Ψo/if (13)
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Somit, indem der Ausdruck (10) umgeschrieben wird, während der obige Ausdruck (13) berücksichtigt wird, kann das Drehmoment Te, das erzeugt wird, wenn der d-Achsen-Ankerstrom id Null ist (id = 0), wie folgt ausgedrückt werden: Te = Mo·if·iq (14)
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Andererseits, wenn der d-Achsen-Ankerstrom id von negativer Polarität zum Fliessen gebracht wird, wird die Gegeninduktivität M1 durch den folgenden Ausdruck (15) angegeben. M1 = Ψ1/(if + id) (15)
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In diesem Fall wird das Drehmoment Te durch den folgenden Ausdruck (16) angegeben, ähnlich dem Ausdruck (14). Te = M1·if·iq (16)
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Wie aus dem obigen Ausdruck (16) hervorgeht, kann der scheinbare oder virtuelle Fluss Ψd, der erzeugt wird, wenn der d-Achsen-Ankerstrom id von negativer Polarität (d. h. der Ankerstrom für die Feldschwächungssteuerung) zugeführt wird, durch den folgenden Ausdruck (17) angegeben werden, ähnlich dem Ausdruck (12). Ψd = M·if (17)
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Übrigens kann das Reluktanzdrehmoment, das durch den Ausdruck (Ld – Lq)id·iq im zuvor erwähnten Ausdruck (11) dargestellt wird, wie folgt ausgedrückt werden. (Ld – Lq)id·iq = Ld·id·iq – Lq·id·iq
= Ψd·iq – Ψq·id (18)
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Somit wird der magnetische Fluss Ψd aufgrund des Ankerstroms id als außerhalb des magnetischen Flusses Ψo angesehen, der erzeugt wird, wenn der Ankerstrom id Null beträgt.
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Ferner wird der magnetische Fluss Ψo für den Ankerstrom id von Null bei einem niedrigen Pegel des letzteren gesättigt, wie in 2 ersichtlich. Dementsprechend, wenn die Flussverkettung Ψ für den Ankerstrom id von Null in dem Zustand betrachtet wird, in dem der Ankerstrom id dazu gebracht wird in der Nähe des Gebiets vor der Sättigung zu fließen, kann es so angesehen werden, dass der Arbeitspunkt auf dem geradlinigen Abschnitt der charakteristischen Kurve liegt, der die lineare Beziehung zwischen dem Feldstrom if und der Flussverkettung Ψ darstellt (siehe den Punkt M·if, der in 2 gezeigt ist).
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Anders ausgedrückt, mit der Feldschwächungssteuerung auf der Grundlage des d-Achsen-Ankerstroms id, wird der Feldstrom if effektiv oder virtuell erniedrigt, wodurch der Arbeitspunkt von der Flussverkettung Ψo nach Ψ1 geändert wird (siehe 2), was bedeutet, dass die magnetische Sättigung virtuell oder effektiv nichtig gemacht wird.
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In der vorangehenden Beschreibung wurde angenommen, dass der q-Achsen-Ankerstrom iq einen festen Wert annimmt. In diesem Zusammenhang ist zu beachten, dass durch Änderung des Phasendifferenzwinkels ϕ (siehe 1) bei konstant gehaltenem q-Achsen-Stromwert, die Flussverkettung Ψ und folglich das Drehmoment Te, wie es erzeugt wird, insgesamt vergrößert werden kann, obwohl der q-Achsen-Ankerstrom iq mehr oder weniger abnimmt, da der Einfluss der magnetischen Sättigung durch den d-Achsen-Ankerstrom id gemildert wird, wodurch die Flussverkettung Ψ entsprechend vergrößert werden kann.
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Als nächstes wird auf 3 Bezug genommen, welche ein Charakteristik-Diagramm ist, das graphisch eine Charakteristikbeziehung zwischen dem Phasendifferenzwinkel ϕ und der Ausgangsleistung der Klauenpol-Synchronmaschine veranschaulicht, wenn sie als Generator betrieben wird (d. h. im Generatorbetriebsmodus). Genauer ist in der Figur die Beziehung zwischen dem Phasendifferenzwinkel ϕ und der Ausgangsleistung Pe gezeigt, gemessen wenn nur der Phasendifferenzwinkel ϕ in dem Zustand geändert wird, in dem der Feldschwächungs-Ankerstrom id zugeführt wird, ohne Änderung des Betrags des Ankerstroms i, während die Rotationsgeschwindigkeit, der Feldstrom if und die Anschlussspannung V jeweils konstant gehalten werden.
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Ferner ist 4 ein Charakteristik-Diagramm, welches graphisch eine Charakteristik-Beziehung zwischen dem Phasendifferenzwinkel ϕ und dem Ausgangsdrehmoment Te der Klauenpol-Synchronmaschine veranschaulicht, wenn sie als elektrischer Motor betrieben wird (im Motorbetriebsmodus). Genauer gesagt ist in der Figur die Beziehung zwischen dem Phasendifferenzwinkel ϕ und dem Ausgangsdrehmoment Te gezeigt, gemessen wenn nur der Phasendifferenzwinkel ϕ in dem Zustand geändert wird, in dem der Feldschwächungs-Ankerstrom id zugeführt wird, ohne Änderung des Betrags des Ankerstroms i, während die Rotationsgeschwindigkeit, der Feldstrom if und die Anschlussspannung V jeweils konstant gehalten werden.
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Wie man in 3 sieht, wenn die Klauenpol-Synchronmaschine als Generator betrieben wird, nimmt die beim Phasendifferenzwinkel ϕ von α (≒ 22°) erzeugte Ausgangsleistung ungefähr 15% zu, im Vergleich mit der Ausgangsleistung, die beim Phasendifferenzwinkel ϕ von null Grad erzeugt wird.
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Ähnlich ist aus 4 ersichtlich, dass wenn die Klauenpol-Synchronmaschine als Elektromotor betrieben wird, das Drehmoment, das beim Phasendifferenzwinkel ϕ von β (≒ 10°) erzeugt wird, ungefähr 10% zunimmt, verglichen mit dem Drehmoment, das beim Phasendifferenzwinkel ϕ von null Grad erzeugt wird.
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Wie nun aus der vorangehenden Beschreibung verständlich ist, ist es möglich die Ausgangsleistung Pe und das Ausgangsdrehmoment Te der Klauenpol-Synchronmaschine zu vergrößern, indem die Feldschwächungssteuerung mit dem Achsen-Ankerstrom id gemaß der Lehre der vorliegenden Erfindung durchgeführt wird. Dies bedeutet, dass der Freiheitsgrad zur Regelung des Feldstroms if bedeutend vergrößert werden kann im Vergleich mit der herkömmlichen Technik zur Einstellung der Anschlussspannung V innerhalb des Wechselrichter-Steuerfreigabebereichs, durch Verringerung nur des Feldstroms if (d. h. durch Verringerung der Flussverkettung Ψ), und dass gemäß der Lehre der vorliegenden Erfindung die Klauenpol-Synchronmaschine als Generator betrieben werden kann, der in der Lage ist eine hohe Ausgangsleistung zu erzeugen, oder als Elektromotor, der in der Lage ist ein hohes Ausgangsdrehmoment zu erzeugen, bis hinauf in einen Bereich hoher Rotationsgeschwindigkeit.
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Somit, indem die Feldschwächungs-Steuerung mit dem d-Achsen-Ankerstrom id durchgeführt wird, kann ein hohes Ausgangsdrehmoment oder eine hohe Ausgangsleistung über einen weiten Geschwindigkeitsbereich erhalten werden, mit ein und derselben Klauenpol-Maschine und Steuereinheit, in beiden Betriebsmoden, in welchen die Klauenpol-Synchronmaschine als Motor bzw. als Generator betrieben wird.
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Andererseits bedeutet dies, dass für ein gleiches verlangtes Drehmoment oder eine gleiche Ausgangsleistung, die Klauenpol-Synchronmaschine und die Steuereinheit kompakt implementiert werden können. In anderen Worten, sie können mit verringerter Größe verwirklicht werden.
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Ferner, indem die Feldschwächungs-Steuerung mit dem Ankerstrom id durch Steuerung des Phasendifferenzwinkels ϕ des Ankerstroms in der Klauenpol-Synchronmaschine durchgeführt wird, ist es möglich die Ausgangsleistung der Klauenpol-Synchronmaschine im Generatorbetriesmodus zu vergrößern, oder das Ausgangsdrehmoment Te im Motorbetriebsmodus, abhängig vom Betrag des Phasendifferenzwinkels ϕ, verglichen mit dem Fall, bei dem der Phasendifferenzwinkel ϕ des Ankerstroms Null beträgt (d. h. id = 0).
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Genauer gesagt, durch Wählen des geeigneten oder passenden Phasendifferenzwinkels ϕ (d. h. α oder β) des Ankerstroms für die verlangte Ausgangsleistung in dem Generatorbetriebsmodus oder für das verlangte Drehmoment im Motorbetriebsmodus, während die in den 3 oder 4 gezeigten Charakteristiken berücksichtigt werden, kann eine erhöhte Ausgangsleistung Pe oder ein erhöhtes Ausgangsdrehmoment Te mit den gleichen Beträgen des Feldstroms if und des Ankerstroms i erhalten werden, verglichen mit dem herkömmlich gewählten Betriebsmodus, bei dem der Phasendifferenzwinkel ϕ null beträgt.
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In diesem Zusammenhang sollte erwähnt werden, dass die Befehlswert-Abbildung oder -Tabelle des Phasendifferenzwinkels ϕ, auf welche Bezug genommen wird bei der Durchführung der Feldschwächungs-Steuerung der Klauenpol-Synchronmaschine, so vorbereitet ist, dass sie die Werte von α und/oder β enthält (siehe 3 und 4), welche so bestimmt sind, dass die verlangte Ausgangsleistung oder das verlangte Drehmoment mit maximaler Effizienz bzw. maximalem Wirkungsgrad erhalten werden können.