DE102004020025A1 - Leistungsverbesserung eines integrierten Starter und Drehstromgenerators durch Ändern der Statorwicklungsschaltung - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Steuern von Spannungen in einer Elektromaschine mit integriertem Starter und Drehstromgenerator geschaffen, wobei die Ankerwicklungen DELTA/Y/DELTA-geschaltet werden. Insbesondere sind die Ankerwicklungen während des Anlassens des Motors in einer DELTA-Schaltung angeordnet, wenn die Elektromaschine als Startermotor dient. Nachdem der Motor angelassen ist, werden die Wicklungen in eine Y-Schaltung geändert, wenn die ISAD-Maschine vom Motor- zum Generatorbetrieb wechselt und bei niedrigen Drehzahlen wie zum Beispiel der Leerlaufdrehzahl arbeitet. Wenn die Motordrehzahl über eine vorbestimmte Wicklungsumkonfigurierungsdrehzahl zunimmt, werden als nächstes die Wicklungen von einer Y- zu einer DELTA-Schaltung umgeschaltet. Falls die Motordrehzahl unter die Wicklungsumkonfigurierungsdrehzahl fällt, schaltet die Maschine die Ankerwicklungen wieder in eine Y-Schaltung, um die Y-Schaltung bei diesem niedrigen Drehzahlbereich im Generatorzustand zu nutzen.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich allgemein auf das Gebiet von Startermotoren und Drehstromgeneratoren einschließlich Startermotoren und Drehstromgeneratoren für Lastkraftwagen und Kraftfahrzeuge.
  • Die Dämpfungseinrichtung für einen integrierten Starter und Drehstromgenerator (engl. Integrated Starter Alternator Damper) (ISAD) ist eine in der Industrie für Hybrid-Kraftfahrzeuge und Lastkraftwagen verwendete Elektromaschine. Wie der Name nahelegt, integriert die ISAD die Funktionen eines Starters, Drehstromgenerators und Schwungraddämpfers, wenn sie mit einem Motor verbunden ist. Wie in 1 dargestellt ist, enthält die ISAD-Elektromaschine 12 einen Rotor, der mit einem von einem Statorrahmen 17 bedeckten Stator 16 in elektromagnetischer Verbindung steht. Der Rotor 14 ist eine Kurzschlusskäfigkonstruktion aus Gussaluminium und zur Anordnung innerhalb des Stators 16 ausgelegt. Der Stator 16 enthält um den Stator gewickelte Dreiphasenwicklungen 18 (d.h. die Ankerwicklungen). Die Dreiphasenwicklungen 18 sind mit Anschlüssen 20 verbunden, die vom Statorgestell 17 ausgehen. Die Anschlüsse 20 werden genutzt, um die Dreiphasenwicklungen mit einem in einem elektronischen Steuerungskasten angeordneten Inverter/Gleichrichter 22 zu verbinden.
  • 2 zeigt die Anordnung des Rotors 14 und Stators 16 einer ISAD in Bezug auf einen Kraftfahrzeugmotor 34. Wie in 2 gezeigt ist, ist die ISAD-Elektromaschine direkt auf der Kurbelwelle 36 des Motors installiert und über einen Drehmomentumformer oder eine Kupplung 40 mit einem Getriebe 38 verbunden. Der ISAD-Rotor 14 dient als Schwungrad für den Motor. Die Kupplung kuppelt das Getriebe während des Motoranlassens von der ISAD aus und verbindet das Getriebe mit der ISAD und dem Motor, wenn Leistung für das Getriebe benötigt wird. Da der ISAD-Rotor mit der Kurbelwelle des Motors verbunden ist, ist die Drehzahl der Elektromaschine die gleiche wie die Motordrehzahl. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diejenigen Anordnungen beschränkt, in denen die Elektromaschine die gleiche Drehzahl wie der Motor hat. Zum Beispiel kann die Erfindung auch bei Kombinationen mit integriertem Starter und Drehstromgenerator verwendet werden, in denen ein Riemen den Rotor der Elektromaschine mit einer gegenüber dem Motor unterschiedlichen Drehzahl antreibt.
  • 3 zeigt einen allgemeinen Überblick der elektrischen Verbindungen der ISAD-Elektromaschine innerhalb des Motors. Die in 3 gezeigte ISAD-Elektromaschine 12 kann irgendeine von mehreren verschiedenen dreiphasigen Wechselstromelektromaschinen sein, die Elektromaschinen mit Permanentmagneten, Induktionsmaschinen oder synchrone Maschinen einschließen, nicht aber darauf beschränkt sind. Die Wicklungen der Elektromaschine 12 sind mit einem Inverter/Gleichrichter 22 verbunden. Die Spannungsdifferenz zwischen jeder die Ankerwicklungen mit dem Inverter/Gleichrichter verbindenden Leitung ist die Leiter-Leiter-Wechselspannung UAC. Der Inverter/Gleichrichter 22 dient als Inverter, um Gleichspannung in Wechselspannung zu transformieren, wenn die Elektromaschine als Motor arbeitet, und dient als Gleichrichter, um Wechselspannung in Gleichspannung zu transformieren, wenn die Elektromaschine als Generator arbeitet. Auf der der Elektromaschine gegenüberliegenden Seite des Inverters/Gleichrichters befindet sich ein Gleichstrombus 24. Der Gleichstrombus enthält eine Batterie (oder Batterien) 26 und einen Kondensator 28, die mit dem Inverter/ Gleichrichter 22 parallel geschaltet sind. Auf dem Gleichstrombus 24 liegt eine Gleichstrombusspannung UDC. Mit dem Gleichstrombus 24 ist ein Gleichstromumformer 30 verbunden, um alle Gleichspannungen gemäß der Lastanforderung (z.B. 36 V Gleichspannung in 12 V Gleichspannung) herunter zu transformieren. Ein Gleichstrom/Wechselstromumformer 32 ist auch mit dem Gleichstrombus verbunden, um die Gleichspannung in Wechselspannung zu transformieren, oder für eine umgekehrte Transformation, wie es von der Last verlangt wird.
  • Die meisten ISAD-Systeme sind dafür ausgelegt, mehrere Konstruktionsparameter zu erfüllen. Beispielsweise ist es während des Anlassens vorzuziehen, dass das Anlassdrehmoment kontinuierlich so hoch wie möglich und zumindest höher als ein Moment beim Losbrechen (z.B. 250 Nm) ist. Dieses hohe Drehmoment wird sogar bei niedrigen Temperaturen wie z.B. –29°C, auf die man in der Winterkälte treffen kann, benötigt. Um Verschmutzung zu reduzieren, ist es auch wünschenswert, dass die Drehzahl zum Durchdrehen bzw. Anlassen nahe der Leerlaufdrehzahl (z.B. 450 ~ 500 UpM) liegt oder gleich dieser ist. Während der kurzen Zeitspanne, in der die ISAD den Motor anlässt, versorgen die Batterie und der Kondensator parallel die ISAD über den Gleichstrom/Wechselstrominverter 22 mit der erforderlichen Anlassspannung. Das maximale verfügbare elektromagnetische Drehmoment bei jeder Drehzahl kann genutzt werden, um den Motor anzulassen, da der Wirkungsgrad und Leistungsfaktor während des Motoranlassens gewöhnlich nicht von wesentlicher Bedeutung sind. Gemäß den Prinzipien der Elektromaschinen ist das Anlassdrehmoment dem quadratischen Wert der Phasenspannung der Maschine nahezu proportional (dies gilt besonders für Induktionsmaschinen). Daher ist eine ausreichende Phasenspannung aufgrund ihrer Beziehung mit dem Anlassdrehmoment ein wichtiges Problem, und der Wirkungsgrad und Leistungsfaktor sind von besonderer Bedeutung, nur falls sie die Anlassspannung und folglich das Drehmoment beeinflussen. Bei niedrigen Temperaturen trifft man oft auf eine zum Anlassen eines Motors ungenügende Phasenspannung bei Batterien, die nicht vollständig geladen sind. Daher ist eine erhöhte Phasenspannung vorteilhaft, weil das Anlassdrehmoment bei allen Temperaturen zunimmt, falls die Phasenspannung der ISAD-Maschine erhöht werden kann.
  • Ist der Motor einmal angelassen bzw. angesprungen, ist die elektrische Leistung zum Laden der Batterien und Betreiben elektrischer Lasten sofort erforderlich. Zu dieser Zeit stellt sich der ISAD-Rotor, der direkt auf der Kurbelwelle installiert ist, bei seiner Leerlaufdrehzahl (z.B. 500 UpM) ein. Bei der Leerlaufdrehzahl muss die ISAD zumindest einen Teil der elektrischen Leistung liefern, die für einen normalen Betrieb üblicher elektrischer oder elektronischer Einrichtungen wie z.B. der Klimaanlage, der Heizung, des elektrischen Gebläses, der Lichtanlage und des Audio- oder Videosystems etc. erforderlich ist. Fünfzig Prozent (50 %) oder mehr der für einen normalen Betrieb erforderlichen elektrischen Leistung ist ein typischer Konstruktionsparameter.
  • Nachdem sich der Motor in Gang setzt und auf Leerlauf einstellt, arbeitet die ISAD von der Leerlaufdrehzahl bis zum roten Drehzahlbereich (z.B. 500 ~ 7000 UpM) als Generator. Bei einer erhöhten Motordrehzahl (z.B. 1000 UpM) muss die Maschine die volle elektrische Leistung an alle elektrische Lasten ggf. an Bord und/oder außerhalb liefern. Die Kapazität der vollen elektrischen Leistungsabgabe und der hohe Wirkungsgrad sollten von der erhöhten Drehzahl bis zum roten Drehzahlbereich (z.B. 7000 UpM) kontinuierlich aufrechterhalten werden.
  • Die folgenden Gleichungen sind vorgesehen, um die mit einer ISAD-Maschine verbundenen Konstruktionsprinzipien weiter zu beschreiben.
  • Die Gegen-EMK pro Phase, die von einem resultierenden Luftspaltfluss erzeugt wird, kann wie in folgender Gleichung dargestellt geschrieben werden: Eg = √2πfNϕKdpΦ (Gleichung 1)wobei Nϕ die Wicklungen pro Phase in Reihe ist; Kdp der Wicklungsfaktor einschließlich Verteilungs-, Abstands- und Schrägungsfaktoren ist; Φ die resultierende Flussamplitude pro Pol ist; und f die Frequenz der Wechselspannung ist.
  • Die Frequenz f der Wechselspannung kann durch die folgende Gleichung angegeben werden:
    Figure 00050001
    wobei p die Anzahl Polpaare ist; s der Schlupf einer Induktionsmaschine ist, dessen Wert für den Motorbetrieb positiv und für den Generatorbetrieb negativ ist; und n die Drehzahl der Elektromaschine ist.
  • Beim Entwurf elektrischer Maschinen kann die Beziehung zwischen der Phasenspannung und der resultierenden Gegen-EMK durch die folgende Gleichung: Uph = (1 ± ε)Eg (Gleichung 3)angegeben werden, wobei ε die prozentuale Schwankung aufgrund des Spannungsabfalls über eine Streuimpedanz der Ankerwicklungen in Abhängigkeit von dem Phasenstrom I1, dem Ankerwiderstand R1 und der Streureaktanz X1 ist, das "+"-Zeichen dem Motorbetrieb entspricht und das "–"-Zeichen dem Generatorbetrieb der ISAD-Maschine entspricht. Das heißt Uph > Eg gilt für den Motorbetrieb, und Uph < Eg für den Generatorbetrieb. Auf der Wechselstromseite des ISAD-Systems in 3 kann die Phasenspannung Uph durch die Leiter-Leiter-Spannung UAC angegeben werden.
  • Figure 00060001
  • Falls ein Verfahren für die Frequenzvariable mit Impulsweitenmodulation eingeführt wird, um die ISAD-Maschine zu steuern, wird die Beziehung zwischen der Leiter-Leiter-Wechselspannung UAC und der Gleichstrombusspannung UDC bestimmt durch UAC(rms) = KcMaUDC (Gleichung 5)wobei Kc ein Umwandlungskoeffizient ist und sein Wert je nach Steuerungsstrategien, wie z.B. einer Vektorraumsteuerung, einer sechsstufigen Steuerung etc., zwischen 0,61 und 0,78 liegt; und Ma ≤ 1 die Modulationstiefe für das PWM-Verfahren ist. Die Gleichstrombusspannung kann geschrieben werden als UDC = Ubatteryμμ|IDC|Rbattery (Gleichung 6)wobei μ für den nichtkonstanten Batteriewiderstand steht (der von der Temperatur und anderen Faktoren abhängt), das "–"-Zeichen für den dem Motorbetrieb entsprechenden Entladungszustand steht und das "+"-Zeichen für den dem Generatorbetrieb der ISAD-Maschine entsprechenden Ladezustand von Batterien steht. In Gleichung 6 sind die Leerlaufspannung Ubattery und der interne Widerstand Rbattery keine Konstanten und hängen von Variablen wie Temperatur, Ladezustand und sogar dem Strom ab.
  • 4(a) und 4(b) zeigen ein Beispiel von Drehmoment- und Spannungsspezifikationen und Konstruktionsanforderungen für eine typische ISAD-Maschine. Insbesondere zeigt 4(a) die Auslegungsbeziehung zwischen Drehmoment und Drehzahl für eine typische ISAD-Maschine, und 4(b) zeigt ein Beispiel der Auslegungsbeziehung zwischen Phasenspannung und Drehzahl in einer typischen ISAD-Maschine.
  • Mit Verweis auf 4(a) ist Tmax das Abgabedrehmoment, das von der Elektromaschine zur Verfügung steht, um den Motor anzulassen. Dieses Drehmoment wird von der ISAD-Maschine über das Segment ATBT abgegeben, bis die Drehzahl der Maschine ncrank erreicht und der Motor zündet. Wie vorher diskutiert wurde, ist das Anlassdrehmoment vorzugsweise möglichst hoch. Wenn Drehmomentanforderungen zunehmen, ist eine größere Maschinengröße erforderlich, um unter erschwerten Bedingungen ein hohes Anlassmoment bereitzustellen. Ansonsten ist das System mit der Herausforderung einer ungenügenden Anlassspannung konfrontiert. Mit ausreichendem Drehmoment wird der Motor durchdrehen bzw. anspringen und zünden. Danach fällt das Abgabedrehmoment der Elektromaschine ab, wie zwischen Punkten BT und CT dargestellt ist. Nach
  • 4(b) nimmt die Phasenspannung der Elektromaschine mit der Drehzahl kontinuierlich zu, bis die Anlassdrehzahl erreicht ist, wie durch ein Segment AUBU dargestellt ist.
  • Nachdem der Motor zündet, dient die Elektromaschine als Generator, während vom Motor ein Drehmoment in die Elektromaschine eingespeist wird, und die Elektromaschine gibt elektrischen Strom an den Inverter/Gleichrichter ab. Demgemäß ist das erzeugte Drehmoment TG in 4(a) als negativer Wert dargestellt. Startet die ISAD-Elektromaschine einmal dem Betrieb als Generator, wäre es ideal, wenn die Elektromaschine sofort maximale elektrische Leistung abgibt, die die elektrischen Anforderungen für die gesamte Last (d.h. 100 % Belastung) erfüllen kann. Dieser Belastungspegel von 100 % ist durch ein Segment EUFU in 4(b) dargestellt. Falls jedoch die ISAD-Elektromaschine dafür ausgelegt wurde, maximale elektrische Leistung bei der Leerlaufdrehzahl des Motors abzugeben (d.h. der Punkt EU in 4(b)), wäre eine dramatische Vergrößerung der Elektromaschine erforderlich, da dies einer Konstruktion einer Elektromaschine mit einem großen Drehmoment bei niedriger Drehzahl (d.h. der Punkt ET in 4(a)) äquivalent wäre. Falls auf der anderen Seite die Elektromaschine nur einen Teil der notwendigen elektrischen Leistung (z.B. 50 % Volllast) bei einer Leerlaufdrehzahl bereitstellen soll, wie durch einen Punkt DU in 4(b) dargestellt ist, und die von der Elektromaschine abgegebene volle elektrische Leistung verzögert wird, bis die Elektromaschine bei einer erhöhten Drehzahl arbeitet, kann die Maschinengröße reduziert werden, da der Konstruktionspunkt zu Dr in 4(a) verschoben wird. Da die Elektromaschine nur einen Teil der vollen elektrischen Leistung liefert, können unter diesen Umständen einige Lasten abgeschaltet werden, bis die Maschine eine erhöhte Drehzahl erreicht. Dieses Verfahren ist bekannt als das "Lastabgleich"-Verfahren (engl. "load match" method) und wird für die Konstruktion von Drehstromgeneratoren für Schwerlastfahrzeuge mit externen elektrischen Lasten weithin verwendet. Wenn die Elektromaschine bei einer Leerlaufdrehzahl nur einen Teil der vollen elektrischen Leistungsanforderung liefert, wird die Batterie natürlich nicht geladen. Tatsächlich kann manchmal die Batterie sogar einen Teil der Lastanforderung übernehmen. Daher wäre es vorzuziehen, wenn die Elektromaschine nahe dem Belastungspegel von 100 % möglichst viel Ausgangsleistung liefert.
  • Zusätzlich zur Belastung von 100 % ist es wünschenswert, auf dem Gleichstrombus 24 (siehe 3) eine konstante Ladespannung (UDC) zu halten, wenn die Elektromaschine als Generator arbeitet. Eine konstante Ladespannung liefert eine kontinuierliche Abgabe an die Last und liefert geeignet Ladung an die Batterie 26 zurück. Nimmt man an, dass der Auslegungspunkt der ISAD der Punkt Dr ist, wie im vorhergehenden Absatz diskutiert wurde, wird die Phasenspannung bei einer Leerlaufdrehzahl signifikant geringer (z.B. 50 %) als die für eine Belastung von 100 % erforderliche Phasenspannung sein. Das Drehmomentsegment DTFT in 4(a) entspricht dem Spannungssegment DUFU in 4(b). Natürlich ist es schwierig, eine konstante Ladespannung (UDC) auf dem Gleichstrombus 24 von 3 zu halten, falls die Wechselspannung der Generatorabgabe entlang der Kurve DUFU von der Leerlaufdrehzahl nidle bis zu einer erhöhten Drehzahl nboost schwankt, besonders wenn es eine große Drehzahldifferenz zwischen der erhöhten Drehzahl und der Leerlaufdrehzahl gibt. Wie vorher erwähnt wurde, ist es vorzuziehen, die Leiter-Leiter-Wechselspannung konstant zu halten, ähnlich dem Segment EUFU in 4(b). Eine konstante Spannung zu erzielen erfordert jedoch eine Abschwächung des Flusses innerhalb des Schwankungsbereichs der Drehzahl. Eine Abschwächung des Flusses ist unter diesen Umständen nicht wünschenswert, weil sie einen kleineren Leistungsfaktor und einen verringerten Wirkungsgrad der Maschine zur Folge hat. Daher kann eine konstante Spannung nicht praktikabel sein. Die Forderung nach einer Abschwächung des Flusses, um eine konstante Leiter-Leiter-Wechselspannung zu halten, ist bezüglich der Gleichungen 1–4 dargestellt. Insbesondere zeigen die Gleichungen 3 und 4, dass die Wechselspannung direkt mit der Gegen-EMK Eg zusammenhängt. Überdies zeigt Gleichung 1, dass nur Fluss und Frequenz (d.h. Drehzahl, gemäß Gleichung 2) bezüglich der Gegen-EMK Eg variabel sind. Falls folglich die Frequenz zunimmt, muss der Fluss abnehmen, um die Gegen-EMK pro Phase konstant zu halten.
  • Wie in 4(b) gezeigt ist, wird, wenn die Drehzahl der Elektromaschine eine erhöhte Drehzahl nboost erreicht, von der Elektromaschine die volle elektrische Ausgangsleistung erzeugt. Danach wird die Elektromaschine so gesteuert, dass ihre Ausgangsleistung bei diesem Pegel konstant bleibt. Diese Steuerung kann erzielt werden, indem der Fluss der Maschine gesteuert wird und/oder indem die Abgabe des Inverters/Gleichrichters gesteuert wird. Dieser Drehzahlbereich wird der Bereich konstanter Leistung oder der Bereich der Flussabschwächung genannt. Eine Steuerung der elektrischen Ausgangsleistung verhindert, dass die Elektromaschine zu viel Strom liefert und die mit der Last verbundenen empfindlichen Instrumente beschädigt.
    •
  • Demgemäß besteht in der Technik ein Bedarf an einer Elektromaschine, die ein erhöhtes Drehmoment beim Starten, eine erhöhte Phasenspannung nahe einer Leerlaufdrehzahl eines Motors und eine konstante 100 %-Belastung nahe einer erhöhten Motordrehzahl liefern kann. Es wäre vorzuziehen, eine solche Maschine zu schaffen, ohne signifikante Vergrößerung der Elektromaschine zu erfordern und ohne den Wirkungsgrad der Maschine zu opfern.
  • Eine Elektromaschine wird zur Verwendung sowohl als Starter als auch als Drehstromgenerator in einem Motor geschaffen. Die Elektromaschine ist bei verschiedenen Drehzahlen betreibbar, die eine Anlassdrehzahl einschließen, wenn die Elektromaschine als Startermotor dient, um den Motor anzulassen, eine Leerlaufdrehzahl, nachdem der Motor gezündet hat und die Elektromaschine als Generator arbeitet, und eine erhöhte Drehzahl, wenn der Motor mit einer verhältnismäßig hohen Drehzahl läuft und die Elektromaschine die volle elektrische Last aller Instrumente an Bord und/oder außerhalb liefert. Die Elektromaschine umfasst einen Stator mit zumindest drei Statorwicklungen und einen Rotor, der nahe dem Stator so angeordnet ist, dass der Rotor mit dem Stator in elektromagnetischer Verbindung steht. Der Rotor kann so betrieben werden, dass er mit mehreren Drehzahlen einschließlich der Anlassdrehzahl, der Leerlaufdrehzahl und der erhöhten Drehzahl rotiert. Mehrere Sternschalter sind zwischen die drei Statorwicklungen so geschaltet, dass ein Schließen der Sternschalter bewirkt, dass die drei Statorwicklungen in einer Sternschaltung verbunden sind. Außerdem sind zwischen die drei Statorwicklungen mehrere Dreieckschalter so geschaltet, dass ein Schließen der Dreieckschalter bewirkt, dass die drei Statorwicklungen in einer Dreieckschaltung verbunden sind. Ein Mikroprozessor ist mit den mehreren Dreieckschaltern und Sternschaltern verbunden. Die mehreren Stern- und Dreieckschalter können mehrere verschiedene Arten von Schaltern einschließlich Transistorschalter und elektromechanische Schalter sein; aber bidirektionale Thyristorschalter werden bevorzugt. Der Mikroprozessor ist betreibbar, um Anweisungen zu kommunizieren, um (i) die Dreieckschalter während eines Anlassens des Motors zu schließen, (ii) die Sternschalter zu schließen, wenn der Motor gestartet ist und die Drehzahl der Rotorrotation der Leerlaufdrehzahl etwa entspricht, und (iii) die Dreieckschalter zu schließen, wenn die Drehzahl der Rotorrotation einer Wicklungsumkonfigurierungsdrehzahl oberhalb etwa dem 1,3-fachen der Leerlaufdrehzahl etwa entspricht. Demgemäß sind die Ankerwicklungen der Elektromaschine während eines Anlassens des Motors in einer Dreieckschaltung, bei einer Leerlaufdrehzahl des Motors in einer Sternschaltung und während hoher Motordrehzahlen in einer Dreieckschaltung verbunden bzw. geschaltet. Obgleich die Wicklungsumkonfigurierungsdrehzahl etwa das 1,3-fache der Leerlaufdrehzahl des Motors oder mehr sein kann, wird die Wicklungsumkonfigurierungsdrehzahl typischerweise etwa das 1,7-fache der Leerlaufdrehzahl oder mehr sein.
    •
  • Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand der Zeichnungen beschrieben, in diesen zeigt:
  • 1 eine perspektivische Ansicht der Rotor- und Statoranordnung einer ISAD-Elektromaschine;
  • 2 die Anordnung der ISAD-Elektromaschine in Verbindung mit einem Motor und einem Getriebe;
  • 3 die elektrischen Verbindungen zwischen der ISAD-Elektromaschine und anderen Motorsystemen;
  • 4 die Beziehung zwischen Drehmoment und Drehzahl und die Beziehung zwischen Phasenspannung und Drehzahl in der Ausführung einer ISAD-Elektromaschine;
  • 5 eine Dreiphasenankerwicklung in einer Dreieckschaltung;
  • 6 eine Dreiphasenankerwicklung in einer Sternschaltung;
  • 7 eine Sequenz zum Manipulieren der Dreiphasenankerwicklungen zwischen einer Dreieckschaltung und einer Sternschaltung;
  • 8 eine Schaltanordnung, um die Manipulation von Dreiphasenankerwicklungen zwischen einer Dreieckschaltung und einer Sternschaltung zu bewerkstelligen;
  • 9 einen Mikroprozessor in Verbindung mit den Schaltern von 8; und
  • 10 Leistungskurven für eine beispielhafte ISAD-Maschine.
  • Das Symbol "Δ", wie es hierin verwendet wird, bezieht sich auf eine Dreieckschaltung von mindestens drei Wicklungen, die ähnlich der in 5 gezeigten verbunden bzw. geschaltet sind. Das Symbol "Y" bezieht sich auf eine Sternschaltung (auch bekannt als "Star"-Schaltung) von mindestens drei Wicklungen, die ähnlich der in 6 gezeigten verbunden sind.
  • Nach 7 werden der ISAD-Elektromaschine zugeordnete Phasenspannungsabgaben beeinflusst, indem die Ankerwicklungen in einer Δ/Y/Δ-Weise (d.h. Dreieck/Stern/Dreieck) umgeschaltet werden. Insbesondere sind die Ankerwicklungen während eines Anlassens in einer Δ-Schaltung angeordnet, wenn der ISAD als Startermotor dient. Diese Verbindung bzw. Schaltung erhöht die Phasenspannung während des Anlassens und löst daher das Problem eines niedrigen Anlassdrehmoments aufgrund einer niedrigen Batteriespannung, die typischerweise bei kaltem Wetter auftritt. Nachdem der Motor angelassen ist, werden die Wicklungen in eine Y-Schaltung geändert, wenn die ISAD-Maschine vom Motor- zum Generatorbetrieb wechselt. Diese Schaltung erzeugt eine höhere Leiter-Wechselspannung, um die Batterie bei Leerlaufdrehzahl und höher zu laden. Überdies reduziert diese Y-Schaltung eine hohe Sättigung des magnetischen Kreises bei niedriger Drehzahl und erhöht den Wirkungsgrad der Maschine. Wenn die Motordrehzahl über eine vorbestimmte Wicklungsumkonfigurierungsdrehzahl ansteigt, werden als nächstes die Wicklungen von einer Y- in eine Δ-Schaltung umgeschaltet. Die Δ-Schaltung bei dieser Drehzahl hilft dabei, die Leiter-Wechselspannung zu begrenzen, und verbessert die Leistung bei hoher Drehzahl aufgrund des mit einer Δ-Schaltung verbundenen erhöhten Magnetflusses. Falls die Motordrehzahl unter die Wicklungsumkonfigurierungsdrehzahl fällt, schaltet die Maschine die Ankerwicklungen wieder in eine Y-Schaltung um, um die Leistungsfähigkeit der Y-Schaltung bei diesem Drehzahlbereich auszunutzen.
  • Grundprinzip für eine Δ-Schaltung zum Anlassen und Starten
  • Wenn der Motor angelassen wird, arbeitet die ISAD-Elektromaschine in einem Motorbetriebszustand, wobei sie ein Drehmoment bereitstellt, um den Motor anzulassen. Im Motorbetriebszustand bestimmt die verfügbare Gleichstrombusspannung die maximale verfügbare Leiter-Leiter-Spannung für die Elektromaschine. Die maximal verfügbare Leiter-Leiter-Spannung UAC hängt je nach den im Inverter 22 verwendeten Steuerungsstrategien mit der Gleichstrombusspannung UDC wie folgt zusammen: UAC < 0,61 ~ 0,78 UDC. Gemäß der Gleichung 6, auf die vorher verwiesen wurde, ist die Gleichstrombusspannung UDC manchmal geringer als die Leerlaufspannung der Batterie. Zum Beispiel kann für eine 36 V-Batterie UDC in Abhängigkeit von dem Ladezustand der Batterie und der Temperatur der Batterie manchmal geringer als 36 V sein. Wie in 4(b) dargestellt ist, ist beim ersten Starten der Elektromaschine die erforderliche Phasenspannung nicht sehr hoch, da die niedrigste Startfrequenz sehr niedrig ist (z.B. 8 ~ 15 Hz für die meisten Maschinen). Mit Erhöhung der Frequenz (und folglich der Motordrehzahl) nimmt die erforderliche Phasenspannung zu. Die Änderung der Phasenspannung mit der Drehzahl geht von Au bis Bu in 4(b). Demgemäß ist es notwendig, dass die Batterie und der Kondensator eine ausreichende Gleichspannung bereitstellen, die eine ausreichende Phasenspannung Uph zur Folge hat, um bei jeder Drehzahl das erforderliche Drehmoment Tmax zu erzeugen und den Motor kontinuierlich zu beschleunigen, bis die Motordrehzahl sich der Anlassdrehzahl ncrank nähert und diese erreicht. Dies gilt besonders, wenn es erforderlich ist, dass die Anlassdrehzahl möglichst hoch, sogar nahe oder gleich der Leerlaufdrehzahl ist.
  • Die Gleichungen 4–6 zeigen, dass durch eine Δ-Schaltung während des Anlassens eine höhere Phasenspannung geliefert wird. Insbesondere zeigt Gleichung 5, dass die Leiter-Leiter-Wechselspannung der Gleichstrombusspannung direkt proportional ist. Falls nur eine gegebene Gleichstrombusspannung verfügbar ist, wie es während des Motoranlassens der Fall ist, wird somit eine proportionale Leiter-Leiter-Wechselspannung zur Verfügung stehen. Gemäß Gleichung 4 wird jedoch eine Δ-Schaltung für die dreiphasigen Ankerwicklungen eine höhere Phasenspannung als eine Y-Schaltung liefern. Eine durch die Δ-Schaltung gelieferte höhere Phasenspannung Uph wird das Abgabedrehmoment der Maschine bei einer Anlassdrehzahl ncrank erhöhen. Demgemäß wird eine Δ-Schaltung während des Anlassens des Motors verwendet, und der Motor läuft eher an und setzt sich zu einer gegebenen Zeit in Gang, indem statt der Y-Schaltung die Δ-Schaltung verwendet wird.
  • Grundprinzip für eine Y-Schaltung zur Erzeugung elektrischer Leistung bei Leerlauf- und niedrigen Drehzahlen
  • Ist der Motor einmal angelassen und in Gang gesetzt, stellt sich dessen Drehzahl auf eine Leerlaufdrehzahl ein. Wie in 7 gezeigt ist, dient bei Erreichen der Leerlaufdrehzahl nach dem Ingangsetzen des Motors die ISAD-Maschine als Generator, um die elektrische Leistung zum Betreiben der elektrischen Last und Laden der Batterie zu liefern. Im Generatorbetriebszustand bestimmt die Phasenspannung, die in den dreiphasigen Ankerwicklungen bei jeder gegebenen Drehzahl erzeugt werden kann, die maximal verfügbare Gleichspannung, die genutzt werden kann, um bei dieser gleichen Drehzahl Leistung an die Last zu liefern. Obgleich die bei Leerlauf- oder anderen niedrigen Drehzahlen (d.h. denjenigen Drehzahlen, die geringer als die unten definierte Wicklungsumkonfigurierungsdrehzahlen sind) erforderliche Leistung einen verhältnismäßig kleinen Betrag hat (z.B. 50 % Volllast), ist es wünschenswert, die Ausgangsspannung der ISAD-Maschine zu allen Zeiten so nahe wie möglich an einer Vollbelastung einzurichten. Außerdem ist es wünschenswert, dass die Ausgangsspannung der ISAD-Maschine während des Leerlaufs bei einem konstanten Pegel liegt, da bestimmte Lasten von der Abgabe der Elektromaschine abhängen.
  • Eingedenk des vorhergehenden ist es vorzuziehen, dass die Leiter-Leiter-Wechselspannung während einer Erzeugung bei einem hohen Pegel liegt (z.B. vorzugsweise sogar höher als die maximale verfügbare Wechselspannung zum Anlassen). Als ein Beispiel könnte für eine zum Anlassen des Motors verwendete 36 V-Batterie die Gleichstrombusspannung UDC zum Laden der Batterie und Liefern einer vollen Leistung an die Last etwa 42 V betragen müssen. Wie vorher diskutiert wurde, kann die ISAD-Maschine gemäß diesem Arbeitspunkt unter voller Belastung ausgelegt sein; aber dies wird zu einer überdimensionierten Maschine führen. Falls die Wicklungsschaltungen von einer Δ-Schaltung im Zustand des Anlassens zu einer Y-Schaltung im Leerlaufzustand geändert werden, wird jedoch die erforderliche Phasenspannung, um die gleiche Leiter-Leiter-Spannung zum Batterieladen zu erzeugen, gemäß Gleichung 4 um 1/√3 reduziert. Mit anderen Worten wird basierend auf der verfügbaren Phasenspannung, wenn die Elektromaschine als Generator dient, die maximale Leiter-Leiter-Wechselspannung um √3 erhöht, wenn statt einer Δ-Schaltung eine Y-Schaltung verwendet wird. Die Ausgangsleistung der ISAD wird somit erhöht, obgleich die Phasenspannung konstant bleibt. Dies erlaubt, dass die Ausgangsleistung der ISAD näher an einer 100 Belastung liegt, als ansonsten ohne Vergrößerung der Maschine möglich wäre. Die Y-Schaltung von Statorwicklungen kann auch die Magnetisierungssättigung des Lamellenkerns abbauen und folglich den Wirkungsgrad und den Leistungsfaktor der ISAD-Maschine bei der Leerlaufdrehzahl und anderen niedrigen Drehzahlen erhöhen.
  • Grundprinzip für eine Δ-Schaltung zur Erzeugung elektrischer Leistung bei hohen Drehzahlen
  • Wie vorher diskutiert wurde, wird bei der typischen Leerlaufdrehzahl eines Motors nur ein Bruchteil der Leistungsanforderungen für eine 100 % Belastung benötigt. Jedoch sollen bestimmte Fahrzeuge neben den üblichen elektrischen Lasten, die bei einer Leerlaufdrehzahl mitgetragen werden, zusätzliche elektrische Lasten an Bord und/oder außerhalb mittragen. Dies gilt besonders für Lastkraftwagen. Die volle elektrische Leistungsabgabe, die erforderlich ist, um diese zusätzlichen Lasten sowie die Batterieladelast zu versorgen, muss bei erhöhten Drehzahlen bereitge stellt werden, z.B. Drehzahlen, die während einer Fahrt mit hoher Geschwindigkeit erreicht werden. Die "erhöhten" (engl. boosted) Drehzahlen sind typischerweise diejenigen Drehzahlen, die deutlich oberhalb der Leerlaufdrehzahl liegen, wie z.B. 1,3-, 1,7- oder 2-mal die Leerlaufdrehzahl oder mehr. Der Ausdruck "höhere Drehzahlen einer Elektromaschine", der hierin verwendet wird, nimmt Bezug auf diejenigen Drehzahlen von Elektromaschinen, die das 1,3-fache der Leerlaufdrehzahl oder mehr sind (selbst wenn eine solche Drehzahl keine "erhöhte" Drehzahl ist). Zusätzlich zur Erfüllung der Spannungsanforderungen für die Last bei einer gegebenen erhöhten Drehzahl ist es auch wichtig, dass die auf dem Gleichstrombus verfügbare Spannung über die Periode erhöhter Drehzahlen konstant bleibt, so dass die Last kontinuierlich versorgt und die Batterie geeignet geladen werden kann.
  • Wie durch Gleichung 1 angegeben ist, wird die erhöhte Drehzahl der Elektromaschine natürlich eine Erhöhung der Gegen-EMK zur Folge haben, vorausgesetzt der Fluss wird nicht verringert. Wie durch Gleichung 3 angegeben ist, hängt natürlich die Gegen-EMK direkt mit der Phasenspannung zusammen. Folglich nimmt die Phasenspannung kontinuierlich zu, wenn die Drehzahl zunimmt (vorausgesetzt der Fluss wird nicht reduziert). Überdies hängt die Phasenspannung direkt mit der Leiter-Leiter-Wechselspannung zusammen, und die Leiter-Leiter-Wechselspannung hängt direkt mit der Gleichstrombusspannung zusammen. Wenn die Drehzahl der Elektromaschine zunimmt, nimmt folglich auch die Gleichstrombusspannung zu unter der Annahme, dass der Fluss der Maschine konstant bleibt. Falls jedoch die Gleichstrombusspannung zu sehr angehoben wird, kann sich am System eine Beschädigung einschließlich einer Beschädigung kritischer Lastkomponenten und der Batterie ergeben. Dies bedeutet, dass es wichtig ist, die Gleichstrombusspannung möglichst nahe an einer vollen Belastung zu halten, ohne eine übermäßige Gleichstrombusspannung zu liefern (d.h. es ist wichtig, die Ladegleichspannung konstant zu halten).
  • Die Gleichstrombusspannung kann bei höheren Drehzahlen der Elektromaschine begrenzt werden, indem die Ankerwicklungskonfiguration von einer Y-Schaltung zu einer Δ-Schaltung geändert wird. Zunächst beachte man, dass durch Ändern der Ankerwicklungskonfiguration von einer Y-Schaltung zu einer Δ-Schaltung bei höheren Drehzahlen der Elektromaschine die Leiter-Leiter-Wechselspannung gemäß Gleichung 4 reduziert wird, wodurch die Gleichstrombusspannung bei diesen höheren Drehzahlen der Elektromaschine reduziert wird. Als nächstes arbeitet bei einer Erhöhung der Drehzahl des Motors und folglich der Frequenz die ISAD-Maschine als Generator im feldabschwächenden Bereich. Gemäß Gleichung 1 kann, während die Drehzahl zunimmt, der Fluss reduziert werden, um die Spannungsabgabe konstant zu halten. Falls dies mit einer Y-Schaltung bei höheren Drehzahlen der Elektromaschine getan wird, wird aufgrund einer Flussabschwächung der Magnetisierungsstrom erhöht, und es ergeben sich ein niedrigerer Wirkungsgrad und ein niedrigerer Leistungsfaktor. Eine Einstellung des Flusses mit einer Δ-Schaltung hat jedoch nicht den gleichen Effekt auf den Wirkungsgrad und den Leistungsfaktor wie bei einer Y-Schaltung, weil die Phasenspannung in der Dreieckschaltung höher ist als die Y-Schaltung beim gleichen Leiter-Leiter-Spannungspegel. Durch Ändern der Statorwicklungsschaltung von einer Y-Schaltung zu einer Δ-Schaltung und Einstellen des Flusses der Elektromaschine wird daher eine konstante Spannungsabgabe für einen Betrieb bei einer 100 % Belastung und zum Laden der Batterien geliefert. Überdies kann die Gleichstrombusspannung bei höheren Drehzahlen der Elektromaschine durch den Inverter/Gleichrichter reguliert werden, der zwischen der Leiter-Leiter-Wechselspannung und der Gleichstrombusspannung angeordnet ist, die für ein nächstes Anlassen bereit ist.
  • Nachdem der Motor für eine gewisse Zeit bei einer höheren Drehzahl der Elektromaschine arbeitet, wird er schließlich in die Nähe der Leerlaufdrehzahl zurückkehren. Wenn dies geschieht, setzt die Steuerungssoftware die Ankerwicklungen für eine Y-Konfiguration automatisch zurück. Falls der Motor einen Lauf stoppt, sind daher die Maschinenwicklungen durch die Steuerungssoftware automatisch auf eine Δ-Schaltung zurückgesetzt.
  • Schalter der Δ/Y/Δ-Neuverbindung
  • Um die Statorwicklungsschaltung zwischen Y- und Δ-Schaltungen zu wechseln, werden fünf zusätzliche Schalter zwischen den Ankerwicklungen verwendet, wie in 8 dargestellt ist. Wicklungen A, B und C sind in 8 dargestellt, wobei jede Wicklung einen durch Knoten A1, B1 bzw. C1 repräsentierten Anfangsabschnitt und einen durch Knoten A2, B2 bzw. C2 repräsentierten Endabschnitt aufweist. Drei Schalter werden verwendet, um eine Δ-Schaltung zwischen den Wicklungen einzurichten. Diese drei Schalter sind (i) ein Schalter SΔ1, der zwischen den Knoten A1 und C2 geschaltet ist, (ii) ein Schalter SΔ2, der zwischen den Knoten B1 und A2 geschaltet ist, und (iii) ein Schalter SΔ3, der zwischen den Knoten C1 und B2 geschaltet ist. Auf diese Schalter wird hierin als Dreieckschalter verwiesen. Zwei Schalter werden verwendet, um eine Y-Schaltung zwischen den Wicklungen einzurichten. Diese beiden Schalter sind (i) ein Schalter SY1, der zwischen den Knoten A2 und B2 geschaltet ist, und (ii) ein Schalter SY2, der zwischen den Knoten B2 und C2 geschaltet ist. Auf diese Schalter wird hierin als Sternschalter verwiesen. Die Dreiecks- und Sternschalter können beliebige von mehreren verschiedenen Arten Schalter einschließlich, nicht aber darauf beschränkt, MOSFET, IGBT, GTO, Thyristor oder gar elektromechanische Schalter sein, solange sie bidirektional leitend sein können. Die Dreiecks- und Sternschalter weisen vorzugsweise einen minimalen Spannungsabfall im leitenden Zustand auf, um zusätzliche Schalterverluste zu reduzieren. Obgleich elektromechanische Kontaktschalter verwendet werden können, werden sie aufgrund ihrer längeren Ansprechzeit nicht bevorzugt. Um der zweckmäßigen Steuerung und Kostenreduzierung willen werden fünf bidirektionale Thyristorschalter (ein Paar antiparallele Thyristoren pro Schalter) empfohlen.
  • Wie in 9 gezeigt ist, ist ein Mikroprozessor 50 mit den Schaltern SΔ1, SΔ2, SΔ3, SY1 oder SY2 verbunden und bestimmt, wann die Schalter SΔ1, SΔ2, SΔ3, SY1 oder SY2 geöffnet oder geschlossen werden sollen. Falls ein bestimmter Schalter geschlossen werden soll, wird basierend auf einem Steuersignal vom Mikroprozessor ein Signal an diesen Schalter abgegeben, das veranlasst, dass der Schalter geschlossen wird. Der Mikroprozessor kann zusammen mit dem Inverter/Gleichrichter und Controller im Elektroniksteuerungskasten 24 oder irgendeinem anderen zweckmäßigen und praktischen Ort platziert sein.
  • Wie bezüglich 7 dargestellt ist, werden die Schalter in Abhängigkeit vom Zustand der Elektromaschine und ihrer Drehzahl geöffnet oder geschlossen. Beim Anlassen des Motors konfiguriert somit der Mikroprozessor die Schalter in einer Δ-Schaltung bis unmittelbar nach dem Anlassen, wenn die Maschine sich in Gang setzt. Danach arbeitet die Elektromaschine als Generator, während die Drehzahl der Maschine sich bei einer Leerlaufdrehzahl einstellt. Natürlich wird die Leerlaufdrehzahl des Motors von Anwendung zu Anwendung schwanken. Während der Leerlauf- und niedrigen Drehzahlen konfiguriert der Mikroprozessor die Schalter in einer Y-Schaltung. Nach den Leerlauf- und niedrigen Drehzahlen konfiguriert der Mikroprozessor die Schalter in einer Δ-Schaltung um, wenn die Elektromaschine bei einer höheren Drehzahl der Elektromaschine arbeitet. Diese höhere Drehzahl der Elektromaschine, bei der der Mikroprozessor die Schalter von einer Y-Schaltung zu einer Δ-Schaltung umkonfiguiert, wird als die "Wicklungsumkonfigurierungsdrehzahl" oder "Umkonfigurierungsdrehzahl" bezeichnet. Die Umkonfigurierungsdrehzahl von einer Y-Schaltung zu einer Δ-Schaltung wird in Abhängigkeit von den Bedürfnissen des Nutzers schwanken. In einer Anwendung wie z.B. einer Hybrid-Kraftfahrzeuganwendung kann beispielsweise eine gewünschte Wicklungsumkonfigurierungsdrehzahl das 1,7-fache der Leerlaufdrehzahl des Motors oder höher sein. Als weiteres Beispiel kann in einem Schwerlastwagen die gewünschte Wicklungsumkonfigurierungsdrehzahl das 1,9-fache der Leerlaufdrehzahl des Motors oder höher sein. Die Wicklungsumkonfigurierungsdrehzahl zum Ändern der Wicklungen von einer Y-Schaltung zu einer Δ-Schaltung liegt typischerweise zumindest nahe der erhöhten Drehzahl der Elektromaschine oder ist dieser gleich. Die Umkonfigurierungsdrehzahl, bei der der Mikroprozessor die Konfiguration der Ankerwicklungen von einer Y-Schaltung in eine Δ-Schaltung ändert, kann in Abhängigkeit von der gewünschten und vorteilhaften Schaltdrehzahl für den Kunden in den Mikroprozessor programmiert werden.
  • Beispiel
  • Ein Beispiel von Betriebseigenschaften einer ISAD-Maschine mit 42 V (Leerlaufspannung einer 36 V-Batterie) wird in Bezug auf 10 geliefert. 10(a) zeigt Leistungskurven, die die Leistung, den Wirkungsgrad und Phasenstrom gegen die Drehzahl der beispielhaften ISAD- Maschine in einem Diagramm darstellen, wenn die Wicklungen in einer Y-Konfiguration konfiguriert sind. 10(b) zeigt Leistungskurven, die die Leistung, den Wirkungsgrad und Phasenstrom gegen die Drehzahl der beispielhaften ISAD-Maschine graphisch darstellen, wenn die Wicklungen in einer Δ-Schaltung konfiguriert sind. Ein bestimmter Kunde kann an einer ISAD-Maschine mit den folgenden Betriebseigenschaften interessiert sein:
    Anlassdrehmoment bei 450 UpM und –29°C: 280 Nm;
    Leistungserzeugung bei einer Leerlaufdrehzahl von 550 UpM: 4 kW mit einem Wirkungsgrad > 60 %;
    Leistungserzeugung bei einer erhöhten Drehzahl von 1300 UpM: 8 kW bei einem Wirkungsgrad > 85 %;
    Leistungserzeugung bei 600 UpM: 6 kW bei einem Wirkungsgrad > 80 %.
  • Mit den obigen Betriebsparametern kann eine geeignete "Wicklungsumkonfigurierungsdrehzahl" durch Betrachten der Leistungskurven bestimmt werden. Aus 10(a) wird zuerst bemerkt, dass bei einer Y-Schaltung die Leistung der ISAD-Elektromaschine nahe 8 kW bei 700 oder 800 UpM eine Spitze aufweist. Ähnlich wird festgestellt, dass bei einer Y-Schaltung der Wirkungsgrad der ISAD-Elektromaschine sich nahe 1000 UpM auf 80 % einpendelt. Zweitens wird aus 10(b) festgestellt, dass bei einer Δ-Schaltung die Leistung der ISAD-Elektromaschine oberhalb 8 kW bei 1200 UpM liegt, bei etwa 8,3 kW nahe 1500 UpM eine Spitze aufweist und dann langsam auf etwa 6 kW bei 6300 UpM abfällt. Ähnlich liegt der Wirkungsgrad der ISAD-Elektromaschine bei 1200 UpM oberhalb 85 %, weist bei etwa 89 % nahe 2100 UpM eine Spitze auf und fällt nahe 6300 UpM dann auf 80 % ab. Demgemäß können die Bedürfnisse des Kunden an die ISAD-Maschine erfüllt werden, indem die Wick lungsumkonfigurierungsdrehzahl eingestellt wird, wobei die ISAD-Maschine nahe 1200 UpM oder weniger (z.B. etwa die 2,4-fache Leerlaufdrehzahl) von einer Y-Schaltung zu einer Δ-Schaltung schaltet.
  • Je nach Anforderungen eines bestimmten Kunden ändert sich die Wicklungsumkonfigurierungsdrehzahl zum Wechseln der Wicklungsumkonfigurierung von einer Y- zu einer Δ-Schaltung. Typische Wicklungsumkonfigurierungsdrehzahlen beinhalten Drehzahlen, die etwa das 1,7-fache der Leerlaufdrehzahl oder mehr betragen. Außerdem treten gelegentlich Wicklungsumkonfigurierungsdrehzahlen auf, die das 1,3-fache der Leerlaufdrehzahl oder mehr betragen. Es wurde jedoch beobachtet, dass es nur seltene Umstände gibt, unter denen die Wicklungsumkonfigurierungsdrehzahl unter das 1,3-fache der Leerlaufdrehzahl fallen würde.
  • Obgleich die vorliegende Erfindung ziemlich ausführlich mit Verweis auf bestimmte bevorzugte Versionen und deren beispielhaften Ausführungsformen beschrieben wurde, sind andere Versionen möglich. Obgleich die Erfindung z.B. mit Verweis auf eine ISAD-Elektromaschine beschrieben wurde, können anstelle einer Elektromaschine vom ISAD-Typ andere Arten von Drehstromgeneratoren/Generatoren verwendet werden. Außerdem ist der Typ der mit der vorliegenden Erfindung verwendeten Elektromaschine nicht auf Induktionsmaschinen beschränkt, und andere Arten von Elektromaschinen einschließlich Permanentmagnetmaschinen, Synchronmaschinen, Lundell-Maschinen und irgendeine andere Art einer dreiphasigen Elektromaschine, die sowohl als Motor als auch als Generator arbeiten kann, können verwendet werden. Überdies könnte die Erfindung in eine Maschine mit axialem Luftspalt wie z.B. eine dreiphasige Maschine vom Scheibentyp (entweder Stator-Rotor-Stator oder Rotor-Stator-Rotor) eingebaut sein. Der Geist und Umfang der beigefügten An sprüche sollte daher nicht auf die Verwendung der Erfindung in der hierin offenbarten spezifischen ISAD-Maschine beschränkt werden.
  • Ein weiteres Beispiel einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist die Nutzung der Y-Schaltung bei sehr niedrigen Drehzahlen. Insbesondere während des Anlassens könnte eine Y-Schaltung auch beim niedrigen Frequenz-(oder Drehzahl-)Bereich verwendet werden, und die Statorwicklungen könnten während einer Annäherung an die Anlassdrehzahl oder im Zustand einer niedrigen Batterieladung oder kalter Temperatur in eine Δ-Schaltung umkonfiguriert werden. Obgleich diese alternative Ausführungsform die Komplexität der Systemsteuerung erhöhen würde, würde sie verbesserte Ergebnisse im Betrieb der Elektromaschine liefern. Außerdem könnten andere Schaltanordnungen genutzt werden, um das Umschalten der Ankerwicklungen zwischen einer Y-Schaltung und einer Δ-Schaltung zu erreichen. Modifikationen an den Dreiecks- und Sternschaltungen, die hierin offenbart wurden, könnten überdies einfach vorgenommen werden, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen, wie z.B. sechs Ankerwicklungen mit Wicklungspaaren in Reihe oder parallel vorzusehen, die nichts desto trotz aber Dreieck- oder Sternwicklungskonfigurationen ergeben. Daher sollte der Geist und Umfang der beigefügten Ansprüche nicht auf die Beschreibung der hierin enthaltenen Versionen beschränkt werden. Es wird ein Verfahren zum Steuern von Spannungen in einer Elektromaschine mit integriertem Starter und Drehstromgenerator geschaffen, wobei die Ankerwicklungen Δ/Y/Δ-geschaltet werden. Insbesondere sind die Ankerwicklungen während des Anlassens des Motors in einer Δ-Schaltung angeordnet, wenn die Elektromaschine als Startermotor dient. Nachdem der Motor angelassen ist, werden die Wicklungen in eine Y-Schaltung geändert, wenn die ISAD-Maschine vom Motor- zum Generatorbetrieb wechselt und bei niedrigen Drehzahlen wie zum Beispiel der Leerlaufdrehzahl arbeitet. Wenn die Motordrehzahl über eine vorbestimmte Wicklungsumkonfigurierungsdrehzahl zunimmt, werden als nächstes die Wicklungen von einer Y- zu einer Δ-Schaltung umgeschaltet. Falls die Motordrehzahl unter die Wicklungsumkonfigurierungsdrehzahl fällt, schaltet die Maschine die Ankerwicklungen wieder in eine Y-Schaltung, um die Y-Schaltung bei diesem niedrigen Drehzahlbereich im Generatorzustand zu nutzen.

Claims (21)

  1. Elektromaschine zur Verwendung sowohl als Starter- als auch Drehstromgenerator in einem Motor, die bei verschiedenen Drehzahlen betreibbar ist, die eine Anlassdrehzahl, eine Leerlaufdrehzahl und eine Wicklungsumkonfigurierungsdrehzahl einschließen, und aufweist: a. einen Stator mit dreiphasigen Statorwicklungen; b. einen Rotor, der nahe dem Stator so angeordnet ist, dass der Rotor mit dem Stator elektromagnetisch in Verbindung steht, wobei der Rotor betrieben werden kann, um mit den verschiedenen Drehzahlen zu rotieren; c. mehrere Sternschalter, die zwischen die dreiphasigen Statorwicklungen so geschaltet sind, dass ein Schließen der Sternschalter bewirkt, dass die dreiphasigen Statorwicklungen in einer Sternschaltung verbunden sind; d. mehrere Dreieckschalter, die zwischen die drei Statorwicklungen so geschaltet sind, dass ein Schließen der Dreieckschalter bewirkt, dass die dreiphasigen Statorwicklungen in einer Dreieckschaltung verbunden sind; e. einen Mikroprozessor, der mit den mehreren Dreieckschaltern und Sternschaltern in elektrischer Verbindung steht und der betreibbar ist, um Anweisungen zu kommunizieren, um (i) während eines Anlassens des Motors die Dreieckschalter zu schließen, (ii) die Sternschalter zu schließen, wenn der Motor gestartet ist und die Drehzahl der Rotorrotation der Leerlaufdrehzahl etwa entspricht, und (iii) die Dreieckschalter zu schließen, wenn die Drehzahl der Rotorrotation der Wicklungsumkonfigurierungsdrehzahl etwa entspricht.
  2. Elektromaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leerlaufdrehzahl etwa 500 UpM beträgt.
  3. Elektromaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungsumkonfigurierungsdrehzahl eine erhöhte Drehzahl ist.
  4. Elektromaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungsumkonfigurierungsdrehzahl etwa das 1,7-fache der Leerlaufdrehzahl ist.
  5. Elektromaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Dreieckschalter bidirektionale Schalter sind.
  6. Elektromaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Sternschalter bidirektionale Schalter sind.
  7. Verfahren zum Steuern einer Elektromaschine zur Verwendung in Verbindung mit einem Motor, wobei die Elektromaschine Ankerwicklungen und einen Rotor aufweist, der mit verschiedenen Drehzahlen rotieren kann, wobei das Verfahren umfasst: a. Verbinden der Ankerwicklungen in einer Dreieckschaltung und Betreiben der Elektromaschine als einen Anlassermotor während eines Anlassens des Motors; b. Verbinden der Ankerwicklungen in einer Sternschaltung und Betreiben der Elektromaschine als Generator, nachdem der Motor gestartet hat und wenn der Rotor mit einer niedrigen Drehzahl rotiert; und c. Verbinden der Ankerwicklungen in einer Dreieckschaltung und Fortsetzen des Betriebs der Elektromaschine als Generator, wenn der Rotor mit einer höheren Drehzahl der Elektromaschine rotiert.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die niedrige Drehzahl nahe der Leerlaufdrehzahl des Motors liegt.
  9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ankerwicklungen in einer Dreieckschaltung verbunden werden, wenn die höhere Drehzahl der Elektromaschine eine erhöhte Drehzahl ist.
  10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die höhere Drehzahl der Elektromaschine größer als das 1,3-fache der Leerlaufdrehzahl ist.
  11. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die höhere Drehzahl der Elektromaschine größer als das 1,7-fache der Leerlaufdrehzahl ist.
  12. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Dreieckschalter verwendet werden, um die Ankerwicklungen in einer Dreieckschaltung zu verbinden.
  13. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Sternschalter verwendet werden, um die Ankerwicklungen in einer Sternschaltung zu verbinden.
  14. Verfahren zum Betreiben einer Elektromaschine zur Verwendung sowohl als Starter- als auch als Drehstromgenerator in einem Motor, die mindestens drei Statorwicklungen und einen Rotor aufweist, der nahe dem Stator so angeordnet ist, dass der Rotor mit dem Stator elektromagnetisch in Verbindung steht und betreibbar ist, um mit mehreren Drehzahlen einschließlich einer Anlassdrehzahl, einer Leerlaufdrehzahl und einer Wicklungsumkonfigurierungsdrehzahl zu rotieren, wobei das Verfahren umfasst: a. Vorsehen mehrerer Sternschalter, die zwischen die drei Statorwicklungen geschaltet sind, so dass ein Schließen der Sternschalter bewirkt, dass die drei Statorwicklungen in einer Sternschaltung verbunden sind; b. Vorsehen mehrerer Dreieckschalter, die zwischen die drei Statorwicklungen so geschaltet sind, dass ein Schließen der Drei eckschalter bewirkt, dass die drei Statorwicklungen in einer Dreieckschaltung verbunden sind; c. Schließen der Dreieckschalter, so dass die Statorwicklungen während eines Anlassens des Motors in einer Dreieckschaltung verbunden sind; d. Schließen der Sternschalter, so dass die Statorwicklungen während einer Leerlaufdrehzahl in einer Sternschaltung verbunden sind; und e. Schließen der Dreieckschalter, so dass die Statorwicklungen bei der Wicklungsumkonfigurierungsdrehzahl in einer Dreieckschaltung verbunden werden.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungsumkonfigurierungsdrehzahl mindestens die 1,3-fache der Leerlaufdrehzahl ist.
  16. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungsumkonfigurierungsdrehzahl zumindest die 1,7-fache der Leerlaufdrehzahl ist.
  17. Elektromaschine zur Verwendung sowohl als Starter- als auch Drehstromgenerator in einem Motor, wobei die Elektromaschine umfasst: a. einen Stator mit zumindest drei Statorwicklungen; b. einen Rotor, der nahe dem Stator so angeordnet ist, dass der Rotor mit dem Stator elektromagnetisch in Verbindung steht, wobei der Rotor betreibbar ist, um mit mehreren Drehzahlen einschließlich einer Anlassdrehzahl, einer Leerlaufdrehzahl und einer Wicklungsumkonfigurierungsdrehzahl zu rotieren; c. einen Mikroprozessor in elektrischer Verbindung mit mehreren Schaltern, wobei der Mikroprozessor betrieben werden kann, um (i) ein Steuersignal zu liefern, das bewirkt, dass die Statorwicklungen in einer Dreieckschaltung konfiguriert sind, wenn der Rotor bei der Anlassdrehzahl rotiert, (ii) ein Steuersignal zu liefern, das bewirkt, dass die Statorwicklungen in einer Sternschaltung konfiguriert sind, wenn der Rotor mit der Leerlaufdrehzahl rotiert, und (iii) ein Steuersignal zu liefern, das bewirkt, dass die Statorwicklungen in einer Dreieckschaltung konfiguriert sind, wenn der Rotor mit der Wicklungsumkonfigurierungsdrehzahl rotiert.
  18. Integrierter Starter und Drehstromgenerator zur Verwendung mit einem Motor und einer Kurbelwelle, wobei der integrierte Starter und Drehstromgenerator mit mehreren Drehzahlen einschließlich einer Anlassdrehzahl, einer niedrigen Drehzahl und einer Wicklungsumkonfigurierungsdrehzahl betrieben werden können und der integrierte Starter und Drehstromgenerator als Anlassermotor für den Motor, bevor er startet, betrieben werden kann und nach dem Motorstart als ein vom Motor angetriebener Generator betrieben werden kann, wobei der integrierte Starter und Drehstromgenerator aufweist: a. einen Stator mit mehreren Ankerwicklungen; b. einen mit der Kurbelwelle verbunden Rotor in elektromagnetischer Verbindung mit dem Stator; c. ein Mittel zum Verbinden der Ankerwicklungen in einer Dreieckschaltung, wenn der Rotor mit der Anlassdrehzahl und der Wicklungsumkonfigurierungsdrehzahl rotiert; und d. ein Mittel zum Verbinden der Ankerwicklungen in einer Sternschaltung, wenn der Rotor mit einer niedrigen Drehzahl rotiert.
  19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die niedrige Drehzahl eine Drehzahl nahe der Leerlaufdrehzahl ist.
  20. Integrierter Starter und Drehstromgenerator zur Verwendung mit einem Motor, wobei der integrierte Starter und Drehstromgenerator mit mehreren Drehzahlen einschließlich einer Anlassdrehzahl, einer niedrigen Drehzahl und einer Wicklungsumkonfigurierungsdrehzahl betrieben werden kann und der integrierte Starter und Drehstromgenerator als Anlassermotor für den Motor, bevor er startet, betrieben werden kann und nach dem Motorstart als ein vom Motor angetriebener Generator betrieben werden kann, wobei der integrierte Starter und Drehstromgenerator aufweist: a. einen Stator mit mehreren Ankerwicklungen; b. einen durch einen Riemen mit dem Motor verbundenen Rotor in elektromagnetischer Verbindung mit dem Stator; c. ein Mittel zum Verbinden der Ankerwicklungen in einer Dreieckschaltung, wenn der Rotor mit der Anlassdrehzahl und der Wicklungsumkonfigurierungsdrehzahl rotiert; und d. ein Mittel zum Verbinden der Ankerwicklungen in einer Sternschaltung, wenn der Rotor mit einer niedrigen Drehzahl rotiert.
  21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die niedrige Drehzahl eine Drehzahl nahe der Leerlaufdrehzahl ist.
DE102004020025A 2003-04-30 2004-04-23 Leistungsverbesserung eines integrierten Starter und Drehstromgenerators durch Ändern der Statorwicklungsschaltung Withdrawn DE102004020025A1 (de)

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US10/426,268 US6894455B2 (en) 2003-04-30 2003-04-30 Performance improvement of integrated starter alternator by changing stator winding connection
US10/426268 2003-04-30

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DE (1) DE102004020025A1 (de)
FR (1) FR2854509A1 (de)

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