DE10157257A1

DE10157257A1 - Toroidal gewickelter Asynchronmotorgenerator mit wählbarer Polzahl

Info

Publication number: DE10157257A1
Application number: DE10157257A
Authority: DE
Inventors: Victor R Stefanovic; John Michael Miller
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2000-12-02
Filing date: 2001-11-22
Publication date: 2002-07-11
Anticipated expiration: 2021-11-23
Also published as: DE10157257B4; GB2373111B; US6876176B2; GB0128392D0; GB2373111A; US20020093200A1

Abstract

Im Rahmen der Erfindung wird eine Induktionsmaschinenanordnung (102) mit einem ringförmig gewickelten Stator und einem Käfigläufer vorgeschlagen. Der ringförmig gewickelte Stator weist eine Vielzahl von Phasenwicklungen auf. Ein Wegfühler kann mit der Induktionsmaschine (102) in Verbindung stehen, um eine Positionsanzeige bereitzustellen, die eine relative Position des Läufers und des Stators anzeigt. Die Anordnung weist weiterhin einen Wechselrichter mit einer Vielzahl von Festkörperschaltern und einer Regelung auf. Der Wechselrichter verfügt über die gleiche Phasenanzahl wie die ringförmige Induktionsmaschine (102). Der Wechselrichter ist derart angeschlossen, dass dieser die Phasenwicklungen selektiv erregt. Ein programmierbarer Mikroprozessor, z. B. ein Digitalsignalprozessor, steht mit der Induktionsmaschine (102) in Wirkverbindung und führt ein Programm aus, mit dem eine Vektorregelung der Induktionsmaschine (102) durchgeführt wird. Der Mikroprozessor kann weiterhin den Wechselrichter derart regeln, dass die Induktionsmaschine (102) mit einer vorbestimmten Polanzahl unter Verwendung einer Polphasen-Modulation arbeitet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vektorregelung einer Induktionsmaschine mit wählbarer Polzahl. Die Erfindung be trifft insbesondere eine Vektorregelung einer Mehrphasen- Induktionsmaschine eines Starter-Drehstromgenerators mit wählbarer Polzahl.

Ringförmig bzw. toroidal gewickelte Induktionsmaschinen wer den für verschiedene Anwendungen eingesetzt. Ein bekanntes Verfahren zur Änderung der Maschinenpolzahl ohne die Notwen digkeit von Schaltschützen oder mechanischen Schaltern wird als Polphasen-Modulation (PPM) bezeichnet.

Das PPM-Verfahren wird nachfolgend kurz erläutert. Grund sätzlich stellt die Polphasen-Modulation ein Verfahren zur Änderung der Polpaaranzahl der Wicklung einer Wechselstrom maschine ohne Notwendigkeit von Schaltschützen oder mechani schen Schaltern dar. Dem Begriff nach ist die PPM mathema tisch eine verallgemeinerte Form des Polamplituden- Modulation(PAM)-Verfahrens:

- Die Anzahl der Phasen bei der PAM ist festgelegt, während diese bei der PPM variieren kann.
- Die PAM ermöglicht eine Poländerung nur in einem Verhältnis p : (p-1), wohingegen bei der PPM ein be liebiges Verhältnis möglich ist.

Die PPM wird durch Auswahl der Polpaaranzahl durch Regelung der Phasenverschiebung zwischen Strömen in den Elementar phasen (elementary phases) implementiert, wobei jede Elemen tarphase aus einer Spule oder einer Gruppe von in Reihe ge schalteten Spulen besteht. Da bei jeder Polpaarkombination alle Leiter der Wicklung erregt werden, wird bei einer Ma schine mit PPM das aktive Material wesentlich besser ausge nutzt als bei einer konventionellen Maschine mit separaten Wicklungen für jedes Polpaar.

Im Gegensatz zu der Dahlander-Schaltung, bei der nur ein Verhältnis, nämlich 2 : 1, zwischen der Anzahl der von einer einzigen Wicklung geschaffenen Polpaare möglich ist, ist die Anzahl der Polpaare bei der PPM beliebig. Eine PPM-Wicklung stellt somit eine verallgemeinerte Dahlander-Wicklung mit einer beliebigen Anzahl von zwei oder mehreren verschiedenen Polpaaren dar. Die Dahlander-Wicklung wird normalerweise bei niedrigeren Drehzahlen mit voller Schrittweite und entspre chend bei höheren Drehzahlen mit halbem Polschritt, d. h. y + τ_p/2, betrieben (in diesem Zusammenhang bedeutet y der Wicklungsschritt und τ_p ist der Polschritt, jeweils als An zahl der Schlitze ausgedrückt). Die PPM-Wicklung wird ande rerseits in der Regel derart aufgebaut, dass diese bei höhe ren Drehzahlen einen vollen Schritt ausführt, wenn die Pol paaranzahl bei niedrigeren Drehzahlen ungerade ist, und ei nen verkürzten Schritt bei höheren Drehzahlen aufweist, wenn die Polpaaranzahl bei niedrigeren Drehzahlen gerade ist.

Die Anzahl der Polpaare p stellt eine Funktion der Gesamt zahl der Statorschlitze N, der Wicklungszone q und der Pha senanzahl m gemäß folgender Gleichung dar:

p = N / 2qm (1),

wobei p und m offensichtlich ganzzahlig sein müssen und q normalerweise ebenfalls ganzzahlig ist. Dies bedeutet, dass eine m-phasige Maschine mit N Schlitzen mit mehreren Polpaa ren aufgebaut werden kann, deren Anzahl von dem Wert q ab hängt. Grundsätzlich werden bei einem PPM-Verfahren Wechsel richterschalter eingesetzt, um die Maschinenspulen in der gewünschten Polphasenkonfiguration zu verbinden. Die Grund sätze der PPM werden nachfolgend anhand eines Beispiels für zwei verschiedene Polpaarzahlen, die von einer einzigen Wicklung erzeugt werden, erläutert. Da die Wicklungskonfigu ration der PPM als Funktion der Polpaaranzahl bei niedrige ren Drehzahlen variiert, werden - ohne Beschränkung der All gemeinheit - die Grundsätze der PPM anhand einer Toroidalma schine mit 72 Schlitzen und 4/12 Polen erläutert.

Beispielhaft wird nachfolgend eine ringförmig gewickelte In duktionsmaschine mit 72 Schlitzen am Stator erörtert, wobei jede Elementarspule einen Schlitz verwendet. Zwei angrenzen de Elementarspulen, die in Reihe geschaltet sind, bilden ei ne Spule, so dass die Gesamtzahl der Spulen 36 beträgt.

Bei einer 12-poligen Verbindung weist die Maschine drei Spu len pro Pol auf. Die Spulen sind in drei Phasen konfigu riert, die als A, B und C bezeichnet sind, so dass jede Pha se 12 Spulen aufweist. Die Spulenanordnung und Wicklungs richtung sind in Fig. 1 gezeigt. Das (+)- oder (-)-Zeichen, das jeder Phase zugeordnet ist, spezifiziert, ob die Spule in einer positiven oder negativen Richtung gewickelt ist.

Zum Beispiel besteht die Phase A aus den Spulen 1, 7, 13, 19, 25 und 31, die in einer positiven Richtung gewickelt sind, und den Spulen 4, 10, 16, 22, 28 und 34, die in einer negativen Richtung gewickelt sind, wobei diese sämtlich pa rallel geschaltet sind. Fig. 2 zeigt die Anschlüsse aller Spulen, die zu Phase A gehören, für eine 12-polige Konfigu ration. Das Zeichen (') deutet den Anfang einer Spule an; das Zeichen (") deutet das Spulenende an. In obigem Schema sind die Spulen #1, #7, #13, #19, #25 und #31 positiv gewic kelte Spulen, während die Spulen #4, #10, #16, #22, #28 und #34 negativ gewickelte Spulen sind. Es ist zu beachten, dass ein Ende jeder Spule an den Mittelpunkt des jeweiligen Wech selrichterzweigs angeschlossen ist, während das andere Ende mit dem Motornullleiter verbunden ist. Der Wechselrichter verfügt über insgesamt 72 Schalter.

In einer Konfiguration mit hoher Drehzahl arbeitet die Ma schine mit 9 Spulen pro Pol. In diesem spezifischen Beispiel existieren 9 Phasen, wobei jede vier Spulen aufweist (zwei in einer positiven und zwei in einer negativen Richtung ge wickelt). Die Spulenanordnung und die Richtung, in der die Spulen gewickelt sind, sind in Fig. 3 gezeigt. Wie zuvor angegeben, spezifiziert das (+)- oder (-)-Zeichen, das jeder Phase zugeordnet ist, ob die Spule in einer positiven oder negativen Richtung gewickelt ist. Zum Beispiel besteht die Phase A aus positiv gewickelten Spulen 1 und 19 und negativ gewickelten Spulen 10 und 28. Durch Vergleich der Spulen mit den gleichen Nummern (in den Fig. 1 und 3) ist ersicht lich, dass sich die Richtung, in der jede Spule gewickelt ist, nicht ändert, wenn die Anzahl der Pole der Maschine ge ändert wird, was bedeutet, dass ein Polungswechsel nur er reicht werden kann, indem die festgelegten gewickelten Spu len auf geeignete Weise beschaltet werden (zum Beispiel ist Spule #5 stets in einer positiven Richtung gewickelt, Spule #2 ist stets in einer negativen Richtung gewickelt, usw.).

Fig. 4 zeigt bei diesem Beispiel eines 4-poligen Anschlus ses den Anschluss aller Spulen, die zu der Phase A gehören. Die Änderung der Polanzahl wird über eine Wechselrichterre gelung erreicht, d. h. durch Auswählen der Sequenz, in der die Spulen erregt werden. Die Spulen werden über die Wech selrichterregelung neu angeordnet und geeigneten Phasen neu zugeteilt.

Das obige Beispiel mit der Anzahl an Polen, der Anzahl an Phasen und der Anzahl an Statorschlitzen soll lediglich dazu dienen, den Grundsatz des Polphasen-Modulationsverfahrens zu erläutern. Die Poländerung ist nicht auf die vorstehend be schriebenen Konfigurationen beschränkt - zum Beispiel kann eine 4-polige Konfiguration auch mit einer 3-Phasenwicklung realisiert werden. Die nötige Flexibilität der Rekon figuration der Maschinenwicklung durch geeignete Beschaltung der ausgewählten Spulen wird durch die Kombination des ring förmig gewickelten Motors und der Wechselrichterspeisung er reicht.

Es gibt zwei grundlegende Verfahren zur Durchführung einer Vektorregelung:

A) Das indirekte Verfahren, bei dem dem Motor eine spezi fische, vorberechnete Schlupfdrehzahl auferlegt wird. Solange die korrekte Schlupfdrehzahl aufrechterhalten wird (sowohl bei transienten Zuständen als auch im sta tischen Zustand), arbeitet der Antrieb mit einer ent koppelten (unabhängigen) Regelung des Motorabtriebs drehmoments und des Läuferflusses.
B) Das direkte Verfahren, bei dem eine Position des Läu ferflusses entweder direkt gemessen wird oder aus einer Messung anderer Motorvariablen berechnet wird. Wenn ei ne derartige Messung die Messung der Motordrehzahl oder Position nicht einschließt, nennt man die Regelung "sensorlos". Auch wenn am häufigsten der Läuferfluss herangezogen wird, kann auch der Luftspalt oder der Statorfluss berechnet oder gemessen werden. Die Fluss position wird dann für eine korrekte Orientierung der Antriebsregelung verwendet.

Diese Vektorregelungsverfahren wurden jedoch bislang nicht in Verbindung mit Induktionsmaschinen und einer Polphasen- Modulation eingesetzt.

Ringförmig gewickelte Induktionsmaschinen mit Polphasen- Modulation sind aus der US 59 77 679 bekannt, auf die hier mit ausdrücklich Bezug genommen wird.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Anordnung und ein Verfahren zur Regelung einer Induktionsma schine zu schaffen, die im Motor- und Generatormodus über einen weiten Drehzahl- und Drehmomentbereich arbeitet.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht dar in, die Zielvorgabe eines großen Drehmoments und einer nied rigen Drehzahl beim Starten des Motors und die Zielvorgabe einer hohen Effizienz und eines weiten Drehzahlbereichs des Generators bei Verwendung eines kombinierten Drehstromgene rator-Starters besser miteinander vereinbaren zu können.

Erfindungsgemäß erfolgt die Lösung der Aufgabe durch Kombi nation des PPM-Verfahrens für die Poländerung mit einer Vek torregelung. Die Verwendung einer Toroidalmaschine erleich tert zum einen die Implementierung des PPM-Verfahrens und wird zum anderen auch im Hinblick auf eine verbesserte Wär meübertragung bevorzugt.

Die vorstehende Aufgabe wird weiterhin durch eine Mo toranordnung mit einer Induktionsmaschine mit einem ringför mig gewickelten Stator und einem Käfigläufer gelöst. Der ringförmig gewickelte Stator weist eine Vielzahl von Phasen wicklungen auf. Ein Wegfühler ist operativ - d. h. in Wirk verbindung - mit der Induktionsmaschine verbunden, um eine Positionsanzeige bereitzustellen, die eine relative Position des Läufers und des Stators anzeigt. Die Motoranordnung weist weiterhin einen Wechselrichter mit einer Vielzahl von Festkörperschaltern (solid state switches) und einer Rege lung auf. Der Wechselrichter weist die gleiche Phasenanzahl wie die toroidale Induktionsmaschine auf. Der Wechselrichter ist derart angeschlossen, dass dieser die Phasenwicklungen selektiv erregt. Ein programmierbarer Mikroprozessor, z. B. ein Digitalsignalprozessor, ist operativ mit der Induktions maschine verbunden und weist ein Programm auf, mit dem die Vektorregelung der Induktionsmaschine durchgeführt wird. Das Programm regelt den Wechselrichter derart, dass die Indukti onsmaschine mit einer vorbestimmten Polenanzahl unter Ver wendung der Polphasen-Modulation arbeitet.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen bei spielhaft näher erläutert, wobei gleiche Bezugszeichen ver wendet werden, um gleiche oder ähnliche Teile oder Elemente zu bezeichnen. Es zeigen:

Fig. 1 eine Tabelle, die die Phasen- und Spulenanschlüsse für eine 12-polige Maschinenkonfiguration gemäß der vorliegenden Erfindung erläutert;

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Anschlüsse der Phase A für die 12-polige Maschinenkonfiguration gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3 eine Tabelle, die die Phasen- und Spulenanschlüsse für eine 4-polige Maschinenkonfiguration gemäß der vorliegenden Erfindung erläutert;

Fig. 4 eine schematische Darstellung der Anschlüsse der Phase A für die 4-polige Maschinenkonfiguration gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht eines Fahrzeugs mit Eigenantrieb mit einem integrierten Drehstromgene rator-Starter gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 6 eine schematische Erläuterung einer Implementie rungsweise einer indirekten feldorientierten Re gelung für den Motorbetrieb unter besonderer Be rücksichtigung der Messung der Läuferposition (Winkel θr) und der Berechnung der Läuferflussposi tion (Winkel θ);

Fig. 7 eine schematische Erläuterung einer möglichen Im plementierungsweise einer indirekten feldorien tierten Regelung für die Anwendung als Generator, wobei eine Gleichstrom-Zwischenkreisspannung als Eingabegröße verwendet wird, die das Generatorwi derstandsdrehmoment bestimmt, und wobei die Fluss regelung, die Schlupfdrehzahlberechnung und die Erzeugung der Synchrondrehzahl (Winkel θ) wie bei der in Fig. 6 gezeigten Motorregelung unter glei cher Bezeichnung der Regelblöcke durchgeführt wer den; und

Fig. 8 ein schematisches Funktionsschema des integrierten Starter-Drehstromgenerators gemäß einer Ausfüh rungsform der vorliegenden Erfindung.

Fig. 5 zeigt ein Fahrzeug 100 mit Eigenantrieb, mit einer integrierten Starter-Drehstromgenerator-Induktionsmaschine 102, die zwischen einem Motor 104 und einem Getriebe 106 an geordnet ist. Ein integrierter Starter-Drehstromgenerator- Regler 108 (starter alternator controller, auch als SAM be zeichnet) befindet sich in der Nähe des Starter- Drehstromgenerators 102, um diesen zu regeln. Der integrier te Starter-Drehstromgenerator-Regler 108 ist operativ mit einer 42 V-Batterie 110, einer 12 V-Batterie 111 und einer Fahrzeugsystemregelvorrichtung (VSC) und einer Batterie steuerungsvorrichtung 112 (BMC) verbunden.

Die Vektorregelung während des Motorbetriebs wird im Folgen den näher erläutert. Der Motorbetrieb kann entweder anhand der Soll-Drehzahl oder anhand des Soll-Drehmoments als Ein gangsgröße erfolgen. Die vorliegende Erfindung ist in beiden Fällen anwendbar. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit wird nachfolgend die Implementierung auf der Basis der Soll- Drehzahl beschrieben. Eine der möglichen Implementierungen zur Regelung der Motordrehzahl ist schematisch in Fig. 6 dargestellt.

Die Soll-Drehzahl ω* wird mit der gemessenen Drehzahl ω_r verglichen. Die Drehzahlabweichung wird durch einen Dreh zahlregler (Block 1) verarbeitet, dessen Ausgabe einen Drehmomentbefehl T* definiert. Dieses Drehmoment wird in ei ne Stromkomponente des Soll-Drehmoments, iq* in Block 2, um gewandelt. Dieser Strom wird mit der das gemessene Drehmo ment erzeugenden Komponente iqfb verglichen. Die Stromabwei chung bzw. der Stromfehler wird dann als Eingangsgröße für den q-Stromregler (Block 3) verwendet, dessen Ausgangssignal die q-Komponente der Soll-Motorspannung Vq* definiert.

In Block 4 wird der Soll-Motorfluss ψdr* in die Soll-Fluss komponente des Statorstroms ids* umgewandelt. Dieser Strom wird mit der gemessenen Flussstromkomponente idfb vergli chen. Die resultierende Stromabweichung wird durch den d- Stromregler (Block 5) verarbeitet, dessen Ausgabe die d-Kom ponente der Soll-Motorspannung Vd* definiert. Es ist zu be achten, dass im Falle einer Feldschwächung das Soll-Fluss niveau wdr* entsprechend verringert wird.

Die Soll-Schlupfdrehzahl ωs wird in Block 6 gemäß der Glei chung

berechnet.

Die auf diese Weise berechnete Schlupfdrehzahl wird inte griert und der Schlupfwinkel θs wird zu der gemessenen Läu ferposition θr addiert, um die Position des Läuferflusses θ zu erhalten. Die Position des Läuferflusses wird dann ver wendet, um eine Umwandlung zwischen dem feststehenden Be zugssystem, in dem die Motorströme gemessen werden, und dem sich synchron drehenden Bezugssystem, in dem die Regelung erfolgt, durchzuführen. Diese Umwandlung erfolgt in Block 7. Der Flusspositionswinkel wird weiterhin dazu verwendet, die berechneten Soll-Motorspannungen Vq* und Vd* von dem sich synchron drehenden Bezugssystem in das feststehende Bezugs system (Block 8) umzuwandeln, wobei sich die Soll-Phasen spannungen VA, VB und Vc ergeben. Die Soll-Phasenspannungen definieren das Wechselrichter-PBM-Muster und somit die Mo toreingangsspannungen. Schließlich wird die gemessene Läu ferposition θr in geeigneter Weise differenziert, um die Mo torrückkopplungsdrehzahl ω_r zu erhalten. Dieses Signal wird dann verwendet, um die Rückkopplungsschleife der Fahrge schwindigkeit zu schließen.

Im Betrieb als Generator erhält die Induktionsmaschine eine Blindleistung von der angeschlossenen Stromversorgung (wie zum Beispiel einer Batterie) und liefert der Last eine Wirkleistung. Eine Generatorregelung kann anhand verschiede ner, nachfolgend angegebener Variablen als Solleingangs signal durchgeführt werden:

A) Gleichstrom-Verteilungsspannung (Gleichstrom-Zwischen kreisspannung, DC link voltage). In diesem Fall hält die Generatorregelung die gewünschte Spannung an den Wechselrichter-Gleichstromanschlüssen aufrecht, und zwar unabhängig von der Generatordrehzahl oder der Stromlast. Dies stellt die übliche Regelungskonfigura tion dar.
B) Generatorausgangsstrom. In diesem Falle hält die Rege lung den Gleichstrom-Zwischenkreis-Ausgabestrom des Ge nerators auf einem spezifizierten Wert. Diese Konfigu ration wird manchmal verwendet, um z. B. den Batteriela destrom zu regeln.
C) Generatordrehzahl. In diesem Falle wird der Generator mit einer spezifizierten Drehzahl betrieben, und zwar unabhängig von der Last und der Kraftmaschine (prime mover). Diese Konfiguration wird manchmal verwendet, um die Effizienz eines Windmotorkraftwerks (wind turbine generating section) zu optimieren.
D) Wirkleistung. In diesem Fall regelt die Regelung die von dem Generator zugeführte Leistung auf das gewünsch te Niveau. Dieser Modus stellt eine Kombination der er sten beiden Modi dar.

Es können auch andere Variablen als Solleingaben verwendet werden.

Wie zuvor angegeben, kann jede der Konfigurationen A bis D entweder durch eine direkte oder eine indirekte Vektorrege lung implementiert werden. Das Generatorregelungskonzept wird nachfolgend anhand einer indirekten Vektorregelung er läutert. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit wird nachfol gend eine Regelung, die die Gleichstromspannung auf einem gewünschten Niveau hält, beschrieben. Diese Regelung ist in Fig. 7 schematisch dargestellt.

Die Regelung ist im Wesentlichen sehr ähnlich zu der Motor regelung gemäß Fig. 6 und es gelten hierfür die gleichen Be merkungen und Regelblockbezeichnungen wie vorstehend erläu tert. Die Spannungsrückkopplungsschleife ist analog der Drehzahlrückkopplungsschleife in Fig. 6 ausgebildet, da in beiden Fällen die Wirkleistung der Maschine geregelt wird. Die Soll-Spannung V* wird mit der gemessenen Gleichstrom spannung Vfb verglichen. Der Unterschied zwischen diesen beiden Spannungen wird über den Spannungsregler (Block #1) verarbeitet. Die Reglerausgabe wird durch die Statorfrequenz ω dividiert, um die Abhängigkeit von dem Drehzahlsignal aus zugleichen, und mit (-1) multipliziert, um die korrekte Richtung des Spannungsreglers zu ergeben, d. h. die den Gene rator-Soll-Drehmoment erzeugende Stromkomponente iq*. Dieses Befehlssignal wird mit dem das gemessene Drehmoment erzeu genden Strom iqfb verglichen. Der Unterschied wird über den q-Stromregler (Block #3) verarbeitet, dessen Ausgabe die Soll-q-Spannungskomponente Vq* darstellt.

Der Eingangsspannungsbefehl V* bestimmt den Generatorbe triebspunkt, d. h. den Sollstrom iq* und das Generatorwider standsdrehmoment. Z. B. führt iq* = 0 zu einem Betrieb mit synchroner Drehzahl. In der Tat ermöglicht die Regelung von iq* sehr sanfte Übergänge zwischen dem Motor- und dem Gene ratormodus, während das Maschinenfeld konstant gehalten wird.

In dem Funktionsschema für die ISA, wie in Fig. 8 gezeigt, wird eine Optimierungsfunktionalität zur Basisregelung (Fig. 6 und 7) addiert, wobei die Modusumschaltungen mitaels eines Satzes von Softwareweichen S1 und S2 gesteuert werden. S1 wählt die Befehlsquelle für i_qs* (Motor- oder Spannungsre gelung) und gleichzeitig definiert die Polzahl S2 das Fluss niveau (maximal für den Motorbetrieb oder einstellbar im Fall eines Generators). Der Weichenzustand wird in der obe ren Position mit "1" und in der unteren Position mit "0" be zeichnet. Fig. 8 zeigt weiterhin den Motorbetrieb anhand des Solldrehmoments T_crank im Gegensatz zur Drehzahlregelung gemäß den Fig. 6 und 7. Für einen 3-phasigen, 12-poligen (12p) Betrieb (großes Drehmoment, Starten bei niedriger Drehzahl) werden die Weichen S1 auf 1 und S2 auf 1 einge stellt.

Wenn eine verlängerte Start- oder Fahrzeuganfahr unterstützung (oder sogar ein Hochaufladen bzw. high end boosting) gewünscht ist, wird S1 = 1 und S2 = 0 gesetzt, so dass das Flussprogramm für die Feldschwächung bei hoher Drehzahl eingeschaltet ist. Dabei wird der Wechselrich termodus (12P, 3ϕ oder 4P, 9ϕ) durch S1 gewählt.

Im Generatormodus (S1 = 0 oder Standard) wird der Drehmo mentmodus abgewählt und der spannungsgeregelte Modus einge schaltet. Der Spannungsregelpunkt V*_reg wird mit der Spannung der Batterie V_b verglichen. Die Ausgabe des Spannungsreglers wird verstärkt und über k_v skaliert, wodurch sich ein Drehmo mentstrombefehl i*_qs als Eingabe in einen Synchronrahmen- Stromregler ergibt, wobei dieser mit dem Rückkopplungsstrom I_DQ verglichen wird.

Die Ausgabe des Stromreglers definiert den Spannungsbefehl V*_dqs, wie zuvor beschrieben. Dieser Spannungsbefehl in dem synchronen Bezugssystem bzw. -rahmen (frame) wird zunächst unter Verwendung des Flusspositionswinkels θ zu einem 2-phasigen feststehenden (α-β-Bezugssystem), und dann zu ei nem 9-phasigen Bezugssystem umgewandelt (für den Motorbe trieb erfolgt die Umwandlung offensichtlich zum 3-phasigen Bezugssystem).

Die Flussoptimierung wählt das beste Flussniveau für einen Generator- oder Motorbetrieb mit hoher Drehzahl aus (für ei nen Motorstart bei geringer Drehzahl wird der maximale Fluss ausgewählt).

Die Schlupfberechnung und die Synthese des Flusspositions winkels θ erfolgen auf die gleiche Weise wie zuvor beschrie ben.

Es sei betont, dass die hier angegebenen Beispiele für die Durchführung des Polwechsels (PPM, Fig. 1-4) und der Vek torregelung (Fig. 6-8) nur zur Illustration der Erfindung angegeben sind und in keiner Weise die hier beanspruchten Konzepte beschränken sollen. Weiterhin kann der vorstehend erwähnte Mikroprozessor von jedem Typ sein, einschließlich eines DSP, eines in einem Computer angeordneten Mikroprozes sors oder anderer Arten von Mikroprozessoren, die aus dem Stand der Technik wohl bekannt sind. Weiterhin kann die vor stehend beschriebene Vektorregelung gleichfalls durchgeführt werden kann, indem ein sensorloses Verfahren verwendet wird, das im Stand der Technik bekannt ist.

Claims

1. Elektrische Maschinenanordnung, aufweisend:
eine Induktionsmaschine (102) mit einem Stator und ei nem Läufer, wobei der Stator eine Vielzahl von Phasen wicklungen aufweist;
einen Wechselrichter mit einer Mehrzahl von Festkörper schaltern mit entsprechenden Regelungseinrichtungen und mit der gleichen Phasenanzahl wie die Induktionsma schine (102), wobei der Wechselrichter derart ange schlossen ist, dass dieser die Wicklungen selektiv er regen kann; und
einen programmierbaren Mikroprozessor, der operativ mit dem Wechselrichter verbunden ist und ein Programm zum Regeln des Wechselrichters aufweist, das den Betrieb der Induktionsmaschine (102) unter Verwendung einer Polphasen-Modulation ermöglicht.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Programm derart ausgebildet ist, dass dieses die Induktionsmaschine (102) als Generator ansteuert.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, dass das Programm derart ausgebildet ist, dass dieses die Steuerung der Induktionsmaschine (102) zwi schen einem Motorbetriebsmodus und einem Generatorbe triebsmodus umschaltet, wobei in jedem der Betriebsmodi die Induktionsmaschine (102) mit einer gewünschten Polzahl betreibbar ist.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, dass der Stator als ringförmig gewickel ter Stator ausgebildet ist.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge kennzeichnet, dass der Läufer als Käfigläufer ausgebil det ist.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge kennzeichnet, dass der programmierbare Mikroprozessor als Digitalsignalprozessor ausgebildet ist.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge kennzeichnet, dass der Mikroprozessor Schritte zum Re geln des Wechselrichters durch eine Vektorregelung auf weist.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekenn zeichnet durch einen Wegfühler, der operativ mit der Induktionsmaschine (102) verbunden ist, um eine Posi tionsanzeige bereitzustellen, die eine relative Positi on des Läufers und des Stators anzeigt.

9. Elektrische Maschinenanordnung, aufweisend:
eine Induktionsmaschine (102) mit einem Stator und ei nem Läufer, wobei der Stator eine Vielzahl von Phasen wicklungen aufweist;
einen Wegfühler, der operativ mit der Induktionsmaschi ne (102) verbunden ist, um eine Positionsanzeige be reitzustellen, die eine relative Position des Läufers und des Stators anzeigt;
einen Wechselrichter mit einer Vielzahl von Festkörper schaltern mit entsprechenden Regelungseinrichtungen und mit der gleichen Phasenanzahl wie die ringförmige In duktionsmaschine (102), wobei der Wechselrichter derart angeschlossen ist, dass dieser die Wicklungen selektiv erregen kann; und
einen programmierbaren Mikroprozessor, der betriebsfä hig angeschlossen ist und ein Programm aufweist, um ei ne Vektorregelung der Induktionsmaschine (102) durchzu führen, wobei der Mikroprozessor weiterhin den Wechsel richter derart regelt, dass die Induktionsmaschi ne (102) mit einer Polphasen-Modulation arbeitet.

10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Programm derart ausgebildet ist, dass dieses die Regelung der Induktionsmaschine (102) zwischen einem Motorbetriebsmodus und einem Generatorbetriebsmodus um schaltet, wobei in jedem der Betriebsmodi die Indukti onsmaschine (102) mit einer gewünschten Polanzahl be treibbar ist.

11. Anordnung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeich net, dass der Stator als ringförmig gewickelter Stator und der Läufer als Käfigläufer ausgebildet ist.

12. Kraftfahrzeugantriebseinrichtung mit einer elektrischen Maschinenanordnung, aufweisend:
eine Induktionsmaschine (102) mit einem ringförmig ge wickelten Stator und einem Käfigläufer, wobei der ring förmig gewickelte Stator eine Vielzahl von Phasen wicklungen aufweist,
einen Wegfühler, der operativ mit der Induktionsmaschi ne (102) verbunden ist, um eine Positionsanzeige be reitzustellen, die eine relative Position des Läufers und des Stators anzeigt;
einen Wechselrichter mit einer Vielzahl von Festkörper schaltern und einem Regelungssystem, wobei der Wechsel richter die gleiche Anzahl an Phasen wie die ringförmi ge Induktionsmaschine (102) aufweist, wobei der Wech selrichter derart angeschlossen ist, dass dieser die Wicklungen selektiv erregt; und
einen programmierbaren Digitalsignalprozessor, der ope rativ mit der Induktionsmaschine (102) verbunden ist, wobei der Digitalsignalprozessor ein Programm ein schließt, um eine Vektorregelung der Induktionsmaschi ne (102) durchzuführen, und wobei der Digitalsignalpro zessor den Wechselrichter derart regelt, dass die In duktionsmaschine (102) mit einer vorbestimmten Anzahl an Polen unter Verwendung einer Polphasen-Modulation arbeitet.