DE102006029459B4

DE102006029459B4 - Synchronmaschine mit einer Rotorwicklung als Feldwicklung und einem Stromsperrmittel, welches an die Feldwicklung angeschlossen ist

Info

Publication number: DE102006029459B4
Application number: DE102006029459.9A
Authority: DE
Inventors: Masahiro Seguchi; Yurio Nomura; Hiroya Tsuji
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2005-06-28
Filing date: 2006-06-27
Publication date: 2016-11-24
Anticipated expiration: 2026-06-28
Also published as: CN1933298A; CN1933298B; DE102006029459A1; US20060290316A1; JP2007185082A; JP5120586B2; US7358698B2

Abstract

Synchronmaschine mit einer Rotorwicklung als Feldwicklung, mit: einem Stator (1), auf welchen eine mehrphasige Ankerwicklung (3) gewickelt ist; einem Rotor (4) mit einem Rotorkern (5), auf den eine Feldwicklung (6) gewickelt ist und mit einer Rotorwelle (7), welche durch ein Gehäuse (9) drehbar abgestützt wird, wobei das Gehäuse (9) den Stator (1) umfasst; einer Inverter-Schaltung (20, 30, 40), welche die Phasen der Ankerwicklung so ansteuert, dass ein mehrphasiger Ankerstrom gebildet wird, wobei eine Grundwellen-Komponente des Ankerstroms im Stator (1) ein Drehfeld erzeugt, welches mit einer elektrischen Winkelgeschwindigkeit rotiert, die mit der Drehgeschwindigkeit des Rotors (4) übereinstimmt; Stromsperrmittel (12, 15), die an die Feldwicklung (6) angeschlossen sind, um eine Stromrichtung eines induzierten Wechselstroms zu unterdrücken, der in der Feldwicklung (6) im Ansprechen auf den durch die Ankerwicklung (3) fließenden Ankerstrom induziert wird; wobei die Inverter-Schaltung (20, 30, 40) den Phasen der Ankerwicklung (3) eine mehrphasige Rotor-Erregerstrom-Komponente zuführt, welche der Grundwellen-Komponente des mehrphasigen Ankerstroms überlagert ist und in der Gestalt einer impulsförmigen hochfrequenten Wellenform den jeweiligen Phasenspannungen in der Nähe oder Nachbarschaft ihrer Nulldurchgänge so überlagert wird, dass sich die Überlagerung über eine Zeitperiode von ¼ oder weniger einer Periode der Grundwellen-Komponente erstreckt.

Description

Hintergrund der Erfindung
[Technisches Gebiet der Erfindung]
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Synchronmaschine vom Feldwicklungstyp, und spezieller eine Verbesserung einer Konstruktion für die Zufuhr von elektrischer Energie zu einer Rotorwicklung (im Folgenden als Feldwicklung oder Kurzschlußwicklung bezeichnet) in einer Synchronmaschine mit Rotorwicklung, in welcher Gleichstrom durch einen Rotor hindurchfließt.
[Stand der Technik]
Der technische Artikel von J. Oyama, T. Higuchi, T. Abe and E. Yamada: ”ANALYSIS OF HALF-WAVE RECTIFIED BRUSHLESS Synchronous Motor with Permanent Magnets” aus Conference Record of IEEE Industry Applications Society Annual Meeting, 1990, Seiten 146–151, offenbart einen bürstenlosen Synchronmotor mit Feldwicklungen. Diese zeigt einen Stator, auf welchen eine mehrphasige Ankerwicklung gewickelt ist, einen Rotor mit einem Rotorkern, auf den eine Feldwicklung gewickelt ist und der dem Stator gegenüber angeordnet ist, und eine Leistungsschaltung, welche es einem mehrphasigen Ankerstrom ermöglicht, durch die jeweilige Phase der Ankerwicklung zu fließen, wobei eine synchrone Komponente des Ankerstroms im Stator ein Drehfeld erzeugt, welches mit einer Winkelgeschwindigkeit rotiert, die mit der Drehgeschwindigkeit des Rotors übereinstimmt. Ebenso zeigt diese ein Stromsperrmittel und eine Rotorerregerstrom-Zuführvorrichtung, um den Phasen der Ankerwicklung einen mehrphasigen Rotor-Erregerstrom zuzuführen.
Eine elektrische rotierende Maschine, deren Rotor sich in Synchronisation mit einem rotierenden Feld dreht, welches durch einen Ankerstrom erzeugt worden ist, d. h. einen Wechselstrom, der durch eine Statorwicklung hindurchfließt, wird als Synchronmaschine bezeichnet. Bekannte Synchronmaschinen umfassen solche, die eine Rotorstruktur vom Magnettyp, Feldwicklungstyp, Reluktanztyp und einem Typ umfassen, bei dem die vorangehend erläuterten Typen gemischt vorhanden sind.
Synchronmaschinen vom Feldwicklungstyp stellen eine ausgezeichnete spezielle Vorrichtung in Verbindung mit drehzahlvariablen elektrischen rotierenden Maschinen dar, die beispielsweise für die Erzeugung von Energie für Kraftfahrzeugausrüstungen verwendet werden, da dabei kein Bedarf dafür besteht, übermäßig viele Permanentmagnete in einem Rotorkern zu placieren, und auch kein Bedarf dafür besteht, den Widerstand gegen eine Zentrifugalkraft der Magnete in Betracht zu ziehen, und da das Drehmoment und die erzeugte (induzierte) Spannung frei durch eine Feldflußsteuerung gesteuert werden können.
Die ungeprüfte japanische Patentanmeldungs-Veröffentlichung mit der Nr. JP H07-95 790 A schlägt beispielsweise eine Synchronmaschine vom Feldwicklungstyp vor, die eine Konstruktion ohne eine Bürste aufweist und die Drehmomentsteuerung vereinfacht.
Jedoch wird bei der in der oben angesprochenen Veröffentlichung offenbarten Synchronmaschine vom Feldwicklungstyp ein Vielphasen-Wechselstrom, der synchron mit einer Rotorposition ist und durch modulierte Wellenformen bei einer Vorspannfrequenz amplitudenmoduliert wird, einer Statorwicklung zugeführt. Daher fließt ein Strom mit starker Welligkeit durch die Rotor-Feldwicklung, was zu einem Problem führt, und zwar der Erzeugung einer starken Drehmomentwelligkeit.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung wurde in Hinblick auf das oben erläuterte Problem entwickelt, und es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Synchronmaschine vom Feldwicklungstyp zu schaffen, bei der die Drehmomentwelligkeit klein ist.
Zur Lösung des genannten Problems, welches oben beschrieben wurde, befaßt sich die vorliegende Erfindung mit einer Synchronmaschine vom Feldwicklungstyp, die Folgendes aufweist: einen Stator, auf welchem eine Ankerwicklung Phase um Phase aufgewickelt ist; einen Rotor mit einem Rotorkern, auf welchem eine Feldwicklung fest aufgewickelt ist und die in Gegenüberlage zu dem Stator zum Zwecke der Drehung gelegen ist; und eine Schaltung, die so konfiguriert ist, um es einem Ankerstrom zu ermöglichen, durch die Ankerwicklung zu fließen, wobei der Ankerstrom einem Synchronstrom entspricht, der ein Rotationsfeld erzeugt, welches sich mit einer elektrischen Winkel-Drehgeschwindigkeit dreht, und zwar in Übereinstimmung mit der Drehgeschwindigkeit des Rotors. Bei dieser Synchronmaschine vom Feldwicklungstyp wird elektrische Energie von dem Stator zu der Feldwicklung in einer kontaktfreien Weise zugeführt. Wie oben beschrieben ist, kann der Rotor Permanentmagnete aufweisen, um ein Magnet-Drehmoment zu erzeugen, und kann eine magnetische Ruhepol-Konstruktion zum Generieren eines Reluktanz-Drehmoments aufweisen. In ähnlicher Weise wie bei Synchronmaschinen vom Magnettyp kann die Synchronmaschine vom Feldwicklungstyp der vorliegenden Erfindung einen Reluktanzmotor verwenden, der eine Magnetwiderstandsschwankung in seinem Rotorkern erfährt.
In typischer Weise umfaßt die Synchronmaschine vom Feldwicklungstyp nach der vorliegenden Erfindung ferner einen Supressor oder Stromsperrmittel, der mit der Feldwicklung verbunden ist und so konfiguriert ist, um in einem einseitig gerichteten Strom einen induzierten Wechselstrom zu unterdrücken, der durch die Feldwicklung in Ansprechen auf den Ankerstrom induziert wird, welcher durch die Ankerwicklung fließt; und eine Stromzuführvorrichtung, die so konfiguriert ist, um Phase für Phase zu der Ankerwicklung einen Rotor-Erregerstrom zuzuführen, dessen Wellenform verschieden ist von dem Synchronstrom, und zwar lediglich während einer vorbestimmten Zeitperiode, die kürzer ist als ein Zyklus des Synchronstroms, welcher durch die Ankerwicklung hindurchzuschicken ist. In bevorzugter Weise ist der Supressor elektrisch mit der Feldwicklung in Reihe geschaltet. Weiter besitzt der Ankerstrom in bevorzugter Weise eine Grund-Wellenkomponente, die dem Synchronstrom entspricht.
Spezifischer ausgedrückt wird bei der Feldwicklung der Synchronmaschine vom Feldwicklungstyp gemäß der vorliegenden Erfindung der Feldstrom unidirektional der Feldwicklung auf einer Prioritätsgrundlage zugeführt, indem beispielsweise eine Wechselspannung gleichgerichtet wird, die an der Feldwicklung durch die Verkettung des Flusses induziert wird, welcher durch den Ankerstrom der Synchronmaschine erzeugt wird (Ankerstromfluß), und zwar mit der Feldwicklung. Ferner können Beträge des Feldflusses gesteuert oder geregelt werden, um unmittelbar das Drehmoment oder die generierte Spannung zu steuern oder zu regeln, indem Ankerstromkomponenten gesteuert oder geregelt werden (was auch als Rotor-Erregerstrom bezeichnet wird), um die Wechselspannung der Feldwicklung zu induzieren.
Der Rotor-Erregerstrom, dessen Wellenformen von denjenigen eines Synchronstroms nur während einer vorbestimmten Zeitperiode verschieden sind, die kürzer ist als ein Zyklus des Synchronstromes, wird im Folgenden als ein gepulster oder pulsierender Hochfrequenzstrom bezeichnet. Vorteile eines Verfahrens zur Herstellung eines Sekundär-Erregerstromes werden weiter unten beschrieben, welches eine Technik anwendet, um diesen pulsierenden Hochfrequenzstrom zu überlagern.
Bei dem Verfahren zur Herstellung eines Erregerstromes, welches in der ungeprüften japanischen Patentanmeldungs-Veröffentlichung Nr. JP H07-95 790 A offenbart ist, die oben erläutert wurde, wird ein Sekundär-Erregerstrom unter Anwendung einer Technik gebildet, um einen pulsierenden Erregerstrom zu überlagern. Dieses Verfahren führt zu periodischen Fluktuationen eines Primär-Erregerstromes, welcher im Ankerstrom überlagert ist, so daß der Sekundär-Erregerstrom, der einen Erregerstrom bildet, der durch die Rotorwicklung induziert wird, pulsiert. Obwohl ein mittlerer Effektivwert des Primär-Erregerstromes durch die periodische Fluktuation des Primär-Erregerstromes reduziert werden kann, ergab sich dabei ein Problem, daß die Pulsation des Primär-Erregerstromes zu einer Pulsation des Sekundär-Erregerstromes führt, was zu einer Erhöhung der Drehmomentwelligkeit führt und dadurch Störsignale und Vibration vergrößert werden. Wenn andererseits der Primär-Erregerstrom reduziert wird, um die Drehmomentwelligkeit zu reduzieren, und zwar in bezug auf den Sekundär-Erregerstrom, wird auch der Sekundär-Erregerstrom reduziert, wodurch dann das Drehmoment in unerwünschter Weise klein wird.
Im Gegensatz dazu wird bei einem Verfahren zur Erzeugung des Erregerstromes unter Verwendung der Technik gemäß einer Überlagerung des pulsierenden hochfrequenten Stromes, wie oben beschrieben wurde, ein gepulster Primär-Erregerstrom lediglich während einer kurzen Zeitperiode von einem Zyklus der Grundwellenkomponenten eines Dreiphasen-Ankerstromes zugeführt. Bei diesem Verfahren kann ein gepulster großer Sekundär-Erregerstrom der Rotorwicklung zugeführt werden, so daß ein großes Drehmoment erhalten werden kann, und zwar mit Hilfe des großen sekundären Erregerstromes. Da die Periode für die Zufuhr des primären Erregerstromes kurz ist, erfolgt ein mögliches Auftreten des Drehmoments sporadisch und dauert lediglich eine kurze Zeitperiode, die Drehmomentwelligkeit kann äquivalent klein gemacht werden, und zwar verglichen mit dem Fall, bei dem der Hochfrequenzstrom periodisch überlagert wird (siehe hierzu die ungeprüfte japanische Patentanmeldungs-Veröffentlichung Nr. JP H07-95 790 A ). Als ein Ergebnis können Störsignale und Vibration der elektrischen rotierenden Maschine in bemerkenswerter Weise reduziert werden.
Bei der oben erläuterten Ausführungsform wird ein gepulstes Spannungspaar zur Herstellung eines gepulsten primären Erregerstromes gebildet, indem eine PWM(Pulsbreitenmodulation)-Steuerung durchgeführt wird, um einen Dreiphasen-Ankerstrom mit einer Sinus-Wellenform zu bilden. Mit anderen Worten werden der primäre Erregerstrom und die Grundwellen-Komponenten des Ankerstromes in einer gemeinsamen Schaltung gebildet, und dies kann dann die Schaltungsanordnung vereinfachen.
Bei einem Erregerstrom-Zufuhrsystem, welches eine Technik zum Überlagern eines pulsierenden Stromes in der beschriebenen Weise bei dieser Ausführungsform verwendet, besitzt der pulsierende Strom hochfrequente Komponenten, und somit wird der Grad der elektromagnetischen Kopplung zwischen einer Ankerwicklung und einer Erregerwicklung erhöht. Wenn demzufolge eine Periode zum Zuführen des Stromes kurz ist, kann die elektrische Erregungsenergie effizient der Erregerwicklung über einen magnetischen Spalt zugeführt werden. Dies schafft die Möglichkeit, daß der Effektivwert der Drehmomentwelligkeit reduziert wird, und zwar verglichen mit dem Erregerstrom, welcher von einer Ankerwicklung zu einer Erregerwicklung zugeführt wird, wobei der Erregerstrom eine relativ niedrigere Frequenz aufweist und für eine längere Zeitperiode andauert als ein gepulster Strom, wodurch eine Wirkung gemäß der Reduzierung der Vibration und von Störsignalen erreicht wird.
Es sei darauf hingewiesen, daß als Technik zum Wickeln einer Feldwicklung um einen Rotorkern verschiedene bekannte Techniken angewendet werden können, wie beispielsweise eine konzentrierte Wicklung und eine verteilte Wicklung. Ferner kann eine Feldwicklungs-Wickelstruktur wie beispielsweise ein Lundell-Polkern verwendet werden. In Verbindung mit der Ankerwicklung können auch verschiedene Wickeltechniken, wie beispielsweise eine konzentrierte Wicklung und eine verteilte Wicklung für die Wicklung eines Statorkernes verwendet werden.
Bei dem Strom, der durch die Ankerwicklung fließt (Ankerstrom), bilden die Stromkomponenten ein rotierendes Feld, welches sich mit der Drehgeschwindigkeit dreht, welche mit derjenigen eines Rotors übereinstimmt (Synchronisierungsstrom). Da der Synchronisierungsstrom aus einem Gleichstrom für die Feldwicklung besteht, die um den Rotor gewickelt ist, der sich mit der gleichen Umfangsgeschwindigkeit wie das rotierende Feld dreht, wird kein Wechselstrom zu der Feldwicklung induziert.
Demzufolge müssen die Komponenten des Ankerstromes zum Erzeugen eines induzierten Wechselstromes in der Feldwicklung (Rotor-Erregerstrom) eine Flußschwankung in einer relativen Art in bezug auf die Feldwicklung bewirken, und zwar ob sich der Rotor nun in Bewegung befindet oder nicht in Bewegung befindet. Eine Flußschwankung wird in bezug auf die Feldwicklung verursacht, indem das rotierende Feld gebildet wird, welches sich relativ zu dem Rotor dreht, und zwar mit der Unterstützung des Rotor-Erregerstromes oder durch Vorsehen eines Wechselstromes zu der Ankerwicklung in einer Frequenz, die von einer Synchronisationsfrequenz des Rotors verschieden ist. Mit anderen Worten kann der Rotor-Erregerstrom das Rotationsfeld bilden oder auch nicht bilden, jedoch in einem Fall der Bildung des rotierenden Feldes muß die Rotation-Winkelgeschwindigkeit des rotierenden Feldes nicht mit einer Rotor-Winkelgeschwindigkeit übereinstimmen.
Individuelle Phasenwicklungen, die die Ankerwicklung bilden, sind je um die Zähne des Statorkernes in einer vorbestimmten Reihenfolge gewickelt, und zwar in einer konzentrierten oder verteilten Art. Um daher eine gute Wechselspannung in der Feldwicklung zu erzeugen, wird es bevorzugt, den Rotor-Erregerstrom entsprechend einem Rotorwinkel zu steuern. Wie dies gut bekannt ist, sind im Falle einer Dreiphasen-Verteilungswicklung sechs Ankerleiter (auch als Phasenwicklungen bezeichnet), die entlang dem Umfang stehen, und zwar in der Reihenfolge eines U-Phasenleiters, eines Minus (–) V-Phasenleiters, eines W-Phasenleiters, eines Minus (–) U-Phasenleiters, eines V-Phasenleiters und eines Minus (–) W-Phasenleiters, in einem elektrischen Winkel 2π angeordnet, und eine Feldpolteilung (magnetischer Ruhepol) des Rotorkerns wird in einem elektrischen Winkel π vorgesehen.
Im Falle von Feldpolen, die mit einem Feldstrom konfrontiert sind, der durch die U-Phase, die Minus-V-Phase und die W-Phase bzw. deren Leiter gebildet wird, wenn der Rotor-Erregerstrom in einer Richtung zu jedem der U- und W-Phasenleiter zugeführt wird, und der Rotor-Erregerstrom zugeführt wird, und zwar in einer umgekehrten Richtung zu dem V-Phasenleiter, erzeugen diese drei Phasen Rotor-Erregerströme unidirektional einen Feldwicklungs-Leckagefluß. Die Frequenz des Rotor-Erregerstromes von jeder der Phasen sollte aus einer Frequenz bestehen, die von der Synchronisierungsfrequenz verschieden ist oder bevorzugt eine Frequenz sein, die höher ist als die Synchronisierungsfrequenz. Andererseits in einem Fall, bei dem die Feldpole mit einem Feldstrom konfrontiert sind, der durch die Minus-V-, W- und Minus-U-Phasenleiter gebildet wird, muß der Rotor-Erregerstrom lediglich unidirektional zu jedem der U- und V-Phasenleiter zugeführt werden, und der Rotor-Erregerstrom muß lediglich dem W-Phasenleiter in einer umgekehrten Richtung zugeführt werden. In ähnlicher Weise wird durch Bestimmen des Rotor-Erregerstromes, welcher jeder der Phasenwicklungen zugeführt wird, das Feld, welches durch den Rotor-Erregerstrom erzeugt wird, welcher durch jede Phasenwicklung fließt, effizient mit der Feldwicklung verkettet.
Die Synchronmaschine vom Feldwicklungstyp nach der vorliegenden Erfindung kann auch als ein Generator anstelle eines Motors verwendet werden. In einem solchen Fall kann der Rotor-Erregerstrom unter Verwendung der erzeugten Energie gebildet werden. Wenn eine Synchronmaschine in einem Energie-Erzeugungsmodus betrieben wird, arbeitet eine Inverterschaltung zur Steuerung des Ankerstromes genauso wie bei einer herkömmlichen Gleichrichterschaltung. Dies ist deshalb der Fall, da Freilauf-Dioden, die mit Halbleiter-Schalterelementen der Inverterschaltung antiparallel verbunden sind, als ein Vollweg-Gleichrichter funktionieren. Es sei angenommen, daß in der Inverterschaltung, die als ein Dreiphasen-Vollweg-Gleichrichter arbeitet, beispielsweise ein Halbleiter-Schaltelement eines oberen Armes der U-Phase den generierten Strom zu einer Gleichstromquellenseite hin ausgibt und daß die Halbleiter-Schaltelemente der V-Phase und der W-Phase bzw. der unteren Arme derselben den generierten Strom laden. Wenn bei einer solchen Situation das Halbleiter-Schaltelement des oberen Armes der V-Phase eingeschaltet wird, wird ein Kurzschluß über die U-Phasenwicklung, das obere Armelement der U-Phase, das obere Armelement der V-Phase, die V-Phasenwicklung, den Neutralpunkt und die U-Phasenwicklung erzeugt. Als ein Ergebnis fließt ein großer Kurzschlußstrom durch die U- und die V-Phasenwicklungen, welcher Kurzschluß dadurch gesteuert werden kann, indem man das obere Armelement der V-Phase unterbricht. Spezifischer ausgedrückt, wenn in einer Phasenperiode die U-Phasenspannung in einer positiven Richtung das Maximum erreicht, erhält das obere Armelement der V-Phase oder das obere Armelement der W-Phase die Möglichkeit, daß die Feldwicklung eine Wechselspannung erzeugt, indem das untere Armelement der U-Phase die Möglichkeit erhält, den Anker-Kurzschlußstrom bei einer Frequenz zu steuern, die von der Synchronisierungsfrequenz verschieden ist.
Bei einem bevorzugten Aspekt ist der Rotor-Erregerstrom in der Frequenz verschieden von dem Synchronisierungsstrom. Das heißt, eine Einrichtung zum Zuführen des Rotor-Erregerstromes steuert den Rotor-Erregerstrom als einen Wechselstrom, der durch die Ankerwicklung hindurchgeschickt wird. Die Einrichtung zum Zuführen des Rotor-Erregerstromes kann parallel zu einer Wechselstromquelle oder seriell zu einer solchen gestaltet sein, wie beispielsweise einem Inverter, welcher den oben genannten Synchronisierungsstrom der Ankerwicklung zuführt. In diesem Fall entsteht jedoch ein Problem, daß nämlich der Synchronisierungsstrom durch die Einrichtung zum Zuführen des Rotor-Erregerstromes hindurchgeschickt wird und daß der Rotor-Erregerstrom durch die Wechselstromquelle hindurchfließt.
Gemäß einem bevorzugten Aspekt ändert sich der Rotor-Erregerstrom mit einer Geschwindigkeit, die um das Vierfache oder noch Mehrfache größer ist als eine Änderungsgeschwindigkeit des Synchronisierungsstromes, der in jede Phase zuzuführen ist. Es kann somit ein Feldstrom, der im wesentlichen aus einem Gleichstrom besteht, der Feldwicklung zugeführt werden. Die Gleichrichterschaltung kann ein Halbleiter-Schalterelement aufweisen, welches in Reihe mit der Feldwicklung geschaltet ist, eine Detektorschaltung enthalten, um Signale zu detektieren, welche der Richtung des induzierten Wechselstromes zugeordnet sind, und eine Synchron-Gleichrichter-Steuerschaltung, die eine Synchron-Gleichrichtung in Verbindung mit dem induzierten Wechselstrom bewirkt, indem sie intermittierend das Halbleiter-Schalterelement basierend den Signalen steuert, welche der Richtung des induzierten Wechselstromes zugeordnet sind. Somit kann die Wechselspannung, welche der Feldwicklung zugeführt wird, im wesentlichen synchron gleichgerichtet werden, so daß der Gleichrichtungsverlust reduziert werden kann. Es sei darauf hingewiesen, daß bei dem vorliegenden Aspekt die Stromversorgung der Detektionsschaltung und der Synchron-Gleichrichter-Steuerschaltung dadurch gebildet werden kann, indem die Wechselspannung einer Diodengleichrichtung unterworfen wird.
Bei einem bevorzugten Aspekt enthält der Supressor einen Gleichrichter, welcher den induzierten Wechselstrom halbwellen-gleichrichtet. Daher kann die hohe Variationsgeschwindigkeit des Rotors-Erregerstromes den Grad der elektromagnetischen Kopplung zwischen dem Anker und der Kurzschlußwicklung erhöhen, wodurch die Rotor-Erregungsenergie effizient zugeführt werden kann.
Bei einem bevorzugten Aspekt ist der Supressor so konfiguriert, um den Rotor-Erregerstrom während einer Periode der Phasenzeit zuzuführen, der eine vorbestimmte Stromamplitude besitzt, verschieden von der verbleibenden Periode der Phasenzeit mit einer Stromamplitude, die größer ist als die vorbestimmte Stromamplitude. Wellenformen des Rotor-Erregerstromes können aus gepulsten oder pulsierenden Wellenformen oder aus hochfrequenten Wechselstrom-Wellenformen bestehen. Auf diese Weise kann der maximale Spitzenwert des Ankerstromes abgesenkt werden, so daß der Widerstandsverlust der Ankerwicklung und des Inverters reduziert werden kann.
Bei einem bevorzugten Aspekt enthält der Rotor-Erregerstrom einen Wechselstrom, dessen Frequenz höher ist als diejenige des Synchronisierungsstromes, der durch die Ankerwicklung für jede Phase zuzuführen ist. Somit kann Energie effizient zu der Feldwicklung übertragen werden.
Bei einem bevorzugten Anspekt enthält die Synchronmaschine ferner einen Inverter, der nicht nur den Synchronisierungsstrom zu dem Anker zuführt, und zwar im Einklang mit einem Drehwinkel des Rotors, sondern auch den Rotor-Erregerstrom. Somit kann die Inverterschaltung zur Steuerung des Motordrehmoments den Rotor-Erregerstrom gleichlaufend mit dem Synchronisierungsstrom bilden, so daß die Schaltungsanordnung vereinfacht werden kann.
Bei einem bevorzugten Aspekt wird die vorbestimmte Zeitperiode kürzer als ein Zyklus von dem Synchronmotor auf ¼ oder weniger von einem Zyklus eingestellt, in welchem die Grundkomponente des Synchronisierungsstromes zugeführt wird. Daher werden die Wellenformen des Vielphasenstromes als Synchronisierungsstrom nicht verformt, und zwar über eine längere Zeitperiode hinweg, so daß Störsignale und Vibration erwartungsgemäß reduziert werden können.
Gemäß einem bevorzugten Aspekt enthält die Synchronmaschine einen Gleichrichter, der Ströme gleichrichtet, die durch die Ankerwicklung erzeugt werden sollen, wobei der Rotor-Erregerstrom mit dem generierten Strom gemischt wird. Als Selbstverständlichkeit kann ein Gerät zur Bildung des Rotor-Erregerstromes getrennt von dem Gleichrichter vorgesehen sein. Alternativ können der Gleichrichter und das Gerät zur Bildung des Roter-Erregerstromes auch integriert vorgesehen sein. Die erzeugte Energie kann auch für die Rotor-Erregungsenergie verwendet werden. Bei dieser Anordnung kann die erzeugtet Energie und die erzeugte Spannung eines Synchron-Generators sehr gut gesteuert werde, und zwar ohne die Verwendung eines Rotor-Stromversorgungsmechanismus vom Kontakttyp.
Bei einem bevorzugten Aspekt wird die Synchronmaschine der vorliegenden Erfindung vom Feldwicklungstyp in solcher Weise verwendet, daß die Synchronmaschine mit Rädern eines Fahrzeugs verkettet ist, um Energie zum Antreiben der Räder zu erzeugen. Dies löst die Probleme, die beim Unterdrücken einer gegenelektromotorischen Kraft auftreten und beim Unterdrücken des erzeugten Stromes während einer hohen Drehzahl, die schwer zu steuern oder zu regeln waren.
Bei einem bevorzugten Aspekt enthält der Rotor-Erregerstrom zwei Typen eines Stromes, deren Frequenzen verschieden sind von einer Frequenz des Synchronisierungsstromes.
Die vorliegende Erfindung kann auch bei einem Fahrzeug-Wechselstromgenerator und einem Fahrzeug-Generator/Motor angewendet werden, um sowohl einen Maschinenstart als auch Stromerzeugung zu erreichen. Die erfindungsgemäße Synchronmaschine vom Feldwicklungstyp des Ankerwicklungs-Stromversorgungssystems kann mit Permanentmagneten im Rotor ausgestattet sein. In diesem Fall sollte ein Feldwicklungs-Feldfluß, der durch die Feldwicklung gebildet wird, in bevorzugter Weise in der gleichen Richtung wie ein Feldfluß orientiert sein, der durch die Permanentmagnete gebildet wird. Wenn jedoch das Motordrehmoment und die Ankerwicklungsspannung reduziert werden sollen, können diese Feldflüsse so ausgebildet werden, daß sie in entgegengesetzten Richtungen zueinander orientiert sind. Es ist beispielsweise zu bevorzugen, daß der Feldfluß so erzeugt wird, daß er in der d-Achse und der Minus-d-Achse zirkuliert und daß der Feldwicklungs-Feldfluß so erzeugt wird, daß er ebenfalls in der d-Achse und der Minus-d-Achse zirkuliert.
Bei einem bevorzugten Aspekt besitzt ein Rotor einen weichmagnetischen Rotorkern mit magnetischen Ruhepol-Abschnitten (salient-pole portions). Ferner ist der Rotorkern so ausgebildet, daß er eine radiale Richtung aufweist, ebenso eine axiale Richtung und eine Umfangsrichtung, und eine Vielzahl der Magneten in Löchern aufgenommen sind, so daß in jedem ein Magnet aufgenommen ist, wobei jeder nahe der äußeren Umfangsfläche des Rotorkernes eingebettet ist, und wobei jeder axial offen ist, und wobei weichmagnetische Strebenabschnitte benachbart zwischen zwei Aufnahmelöchern in der Umfangsrichtung positioniert sind, von denen jeder die äußere Umfangsfläche des Rotorkernes abstützt und bildet, und wobei jeder die Möglichkeit bietet, daß der Magnetfluß dort hindurch verläuft, wobei der Magnetfluß ansprechend auf den induzierten Wechselstrom durch die Feldwicklung erzeugt wird und mit der Ankerwicklung verkettet ist. Dieser Aspekt ist speziell charakteristisch insofern, als eine sogenannte Magnet-Einbettungskonstruktion (IPM(Innen-Permanent-Magnet)-Konstruktion) als Rotorkonstruktion verwendet wurde und daß Weichmagnet-Strebenabschnitte so angeordnet wurden, daß sie umfangsmäßg benachbart zu den Magneten liegen und durch die Ankerwicklung laufen.
Gemäß diesem Anspekt können die folgenden Wirkungen erzielt werden. Erstens ermöglicht, ähnlich wie bei den herkömmlichen IPMs die magnet-eingebettete Konstruktion die Verwendung des Reluktanz-Drehmoments ebenso wie eine gute Halterung für die Magnete. Bei diesem zweiten Aspekt der Erfindung sind die weichmagnetischen Strebenabschnitte benachbart den eingebetteten Magneten entlang dem Umfang vorgesehen, so daß sie durch die Feldwicklung laufen. In bevorzugter Weise kann die Feldwicklung um beide Magneten herum gewickelt sein und auch um die Strebenabschnitte in dem Rotorkern. In diesem Fall unterstützt der Fluß, der durch die Feldwicklung erzeugt wird (Feldwicklungs-Feldfluß), den Magnetfluß in der positiven oder negativen Richtung. Auf diese Weise tragen die weichmagnetischen Strebenabschnitte dazu bei, einen Flußpfad zu bilden, der durch die Feldwicklung erzeugt wird, und dienen auch als Halterungsteile für eine mechanische Halterung des äußeren Umfangsabschnittes des Rotorkernes, welcher die eingebetteten Magnete haltert, auf die eine Zentrifugalkraft aufgebracht wird. Somit erhöhen die Strebenabschnitte die mechanische Festigkeit des Rotors und verbessern die Hochdrehzahlqualität des Rotors. Die Strebenabschnitte können auch als Erreger-Magnetschaltung zu dem Zeitpunkt verwendet werden, bei dem die Feldwicklung durch den Strom erregt wird, der durch die Statorwicklung hindurchfließt.
Bei einem bevorzugten Aspekt enthält der Rotorkern mindestens ein Paar von Nuten, von denen jede axial offen ist, wobei jede so gelegen ist, um eine Linie zusammen mit den Strebenabschnitten und den Magnetaufnahmelöchern in der Umfangsrichtung zu bilden, und um darin die Feldwicklung aufzunehmen. Mit anderen Worten ist bei diesem Aspekt die Feldwicklung um den Rotorkern herumgewickelt, so daß sie in den Nuten des Rotorkernes eingebettet ist. Daher kann die Feldwicklung in einfacher Weise gehaltert werden, wobei aber auch ein Fluß an den Strebenabschnitten gut ausgebildet werden kann.
Bei einem bevorzugten Aspekt ist jeder der Strebenabschnitte zwischen einem Paar von einigen der Magnetaufnahmelöchern gelegen, wobei das Magnetpaar, welches Pole aufnimmt, ein Paar von Magneten jeweils enthält, die einander in der Umfangsrichtung benachbart sind und die gleiche Magnetisierungsrichtung in der radialen Richtung aufweisen. Bei dieser Anordnung ist der Außenumfangsabschnitt des Rotorkernes außerhalb der Magnetaufnahmelöcher gelegen und kann mechanisch durch die Strebenabschnitte gut gehaltert und abgestützt werden, um dadurch die Hochdrehzahl-Qualität zu verbessern.
Bei einem bevorzugten Aspekt ist jeder der Strebenabschnitte zwischen jedem Magnetaufnahmeloch und jeder Nut in der Umfangsrichtung gelegen. Auf diese Weise sind die Magnetaufnahmelöcher und die Feldwicklungs-Aufnahmenuten durch die Strebenabschnitte festgelegt, und es kann Wärme der Feldwicklung gut verteilt werden. Auch kann die Zentrifugalkraft, die auf die Feldwicklung und die Magnete aufgebracht wird, gut durch die Strebenabschnitte aufgefangen werden.
Bei einem bevorzugten Aspekt sind viele Strebenabschnitte, die in den Strebenabschnitten enthalten sind, zwischen zwei Nuten gelegen, welche ein Paar der Nuten bilden. Somit kann der äußere Umfangsabschnitt des Rotorkernes, der außerhalb der Magnetaufnahmelöcher zur Aufnahme der jeweiligen Permanentmagnete gelegen ist, mechanisch gut durch die Strebenabschnitte abgestützt werden, um dadurch die Hochdrehzahl-Qualität zu verbessern.
Bei einem bevorzugten Aspekt ist ein Radial-Außenseitenabschnitt des Rotorkernes, der die äußere Umfangsfläche aufweist, so ausgebildet, daß er durch die Strebenabschnitte gehaltert wird und sich in der Umfangsrichtung erstreckt, um eine radiale Öffnung von jeder der Nuten zu verengen. Somit können die Flüsse, welche durch die Feldwicklung und die Permanentmagnete gebildet werden, in exzellenter Weise für den Statorkern erzeugt werden. Ferner kann eine umfangsmäßige Vibration (Variation??) der Flußdichte in dem elektromagnetischen Spalt, der zwischen dem Rotorkern und dem Statorkern gebildet ist, geglättet werden.
Bei einem bevorzugten Aspekt besitzt eine Grund-Wellenkomponente des Ankerstromes einen quadratischen Mittelwert größer als ½ des quadratischen Mittelwertes des Gesamtstromes, in welchem die Hälfte oder mehr einer quadratischen Mittelwertkomponente des Stromes, verschieden von der Grund-Wellenkomponente, innerhalb einer Zeitperiode vorherrscht, die ¼ von jedem Phasenzyklus der Grund-Wellenkomponente entspricht. Da somit das Frequenzband des primären Erregerstromes (Rotor-Erreger-Strom) groß ausgeführt worden ist, kann der sekundäre Erregerstrom effizient der Kurzschlußwicklung in einer kurzen Zeit zugeführt werden. Spezieller ausgedrückt kann beispielsweise bei den Grund-Wellenkomponenten des Synchronisierungsstromes oder dem Vielphasen-Wechselstrom, die der Erzeugung des effektiven Drehmoments zugeordnet sind, der Rotor-Erregerstrom überlagert werden, indem vermieden wird, daß die Phasenperioden große Amplituden haben. Demzufolge können die Schaltungen und die Stromversorgungsquellen zum Überlagern des Rotor-Erregerstromes vereinfacht werden.
Es sei darauf hingewiesen, daß die Wellenform des Rotor-Erregerstromes beispielsweise aus einer impulsförmigen Wellenform und einer hochfrequenten Wechselstromform bestehen kann. Da der impulsförmige Strom eine Anzahl von hochfrequenten Komponenten aufweist, kann die elektromagnetische Induktion bei der Feldwicklung gut ausgeführt werden. Da ferner der Strom für eine kurze Zeit zugeführt wird, kann eine Welligkeit des Rotor-Drehmoments und der magnetischen Störgeräusche oder Störsignale reduziert werden. Indem ferner Strom mit pulsierenden Hochfrequenzkomponenten (primärer Erregerstrom) während einer Periode von ¼ oder weniger (d. h. π/2) von einem Zyklus der Grund-Wellenkomponenten (Synchronisierungsstrom) zugeführt wird, können die Einflüsse der Drehmoment-Welligkeit auf einen Wert unterdrückt werden, der ausreichend niedrig für die praktische Verwendung liegt. Im allgemeinen wird bei dieser Art der Ankerstromsteuerung die Drehmoment-Verarbeitung in typischer Weise durch eine dq-Rotations-Koordinatenumwandlung durchgeführt. Wenn daher die Periode zum Zuführen des Stromes der pulsierenden Hochfrequenzkomponenten (primärer Erregerstrom) Ir1 kleiner ist als eine Periode von ¼ oder weniger von einem Zyklus, kann die Überlagerung vervollständigt werden, während ein b-Achsenstrom und ein q-Achsenstrom beide in einem Quadranten des dq-Rotations-Koordinatensystems vorhanden sind. Daher müssen die Symbole des d-Achsenstromes und des q-Achsenstromes nicht geändert werden. Dies bedeutet, daß die Drehmomentrauhigkeit oder -welligkeit reduziert werden kann.
Bei einem bevorzugten Aspekt enthält die Synchronmaschine ferner einen Inverter, der nicht nur den Synchronisierungsstrom zu dem Anker in Einklang mit einem Drehwinkel des Rotors zuführt, sondern auch den Rotor-Erregerstrom, wobei der Inverter so konfiguriert ist, um eine Phase und eine Amplitude des Rotor-Erregerstromes in solcher Weise festzulegen, daß eine Summe aus beiden Größen gemäß dem quadratischen Mittelwert der Grund-Wellenkomponente des Ankerstromes für jede Phase und einem quadratischen Mittelwert des Rotor-Erregerstromes gleich ist mit oder kleiner ist als ein zulässiger maximaler quadratischer Mittelwert des Ankerstromes für eine vorbestimmte eine Phase. Daher kann verhindert werden, daß der Inverter und die einzelnen oder individuellen Zweige von einem Strom durchflossen werden, der über einem Effektivwert eines zulässigen Stromes liegt, der die Kapazität derselben mitführt. Es sei darauf hingewiesen, daß dann, wenn ein Strom über dem Effektivwert eines zulässigen Stromes, der eine entsprechende Kapazität aufweist, unmittelbar durch den Inverter und die einzelnen Zweige oder Arme hindurchfließt, kein Problem verursacht, da die Periode lediglich momentan auftritt und da die Wärmeerzeugung und der Temperaturanstieg, der durch die Wärmeerzeugung induziert wird, eine Korrelation zu dem Effektivwert aufweisen.
Bei einem bevorzugten Aspekt ist der Inverter so konfiguriert, um von den Rotor-Erregerströmen für alle die Phasen den Rotor-Erregerstrom mit einer maximalen Amplitude mit dem Ankerstrom für die entsprechende Phase lediglich während einer Periode der Phase β zu mischen, die von einem Spitzen-Phasenwinkel für die entsprechende Phase zu einem Phasenwinkel α reicht. Somit kann der Rotor-Erregerstrom mit einer großen Amplitude zugeführt werden, während verhindert wird, daß die Wellenformen des Phasenstromes mißgestaltet werden.
Bei einem bevorzugten Aspekt liegt der Phasenwinkel α zwischen 0 bis 160 Grad, und die Periode der Phase β liegt bei 0,1 bis 60 Grad, und der Rotor ist zusammengesetzt aus einem Rotor, in welchen kein Permanentmagnet eingebettet ist. Es kann somit ein Rotor-Erregerstrom mit einer großen Amplitude zugeführt werden.
Bei einem bevorzugten Aspekt liegt der Phasenwinkel α bei 60 bis 210 Grad, und die Periode der Phase β liegt bei 0,1 bis 60 Grad, und der Rotor besteht aus einem Rotor, bei dem kein Permanentmagnet eingebettet ist. Somit kann der Rotor-Erregerstrom mit einer großen Amplitude zugeführt werden.
Bei einem bevorzugten Aspekt wird die Zeitsteuerung für die Zufuhr des Rotor-Erregerstromes so eingestellt, daß in Fällen, bei denen der Rotor einen magnetischen Ruhepol aufweist, der einer inneren Umfangsfläche des Stators gegenüberliegt, die Stromzuführvorrichtung den Rotor-Erregerstrom für jede Phase zuführt, wobei ein magnetischer Fluß erzeugt wird, bei dem die umfangsmäßige zentrale Position innerhalb eines Umfangsbereiches liegt, der durch den magnetischen Ruhepol zu einem Zeitpunkt belegt wird, wenn der Rotor-Erregerstrom für jede Phase einen Spitzenwert aufweist. Daher stimmen die Phasen der zusammengesetzten Magnetvektoren, die durch die Rotor-Erregerströme der einzelnen Phasen gebildet werden, mit den jeweiligen Phasen der Magnet-Ruhepolabschnitte überein, so daß der Fluß effizient an den magnetischen Ruhepolabschnitten ausgebildet werden kann. Mit anderen Worten sollten, um effektiv die Rotor-Erregerströme zu nutzen, diese Ströme in bevorzugter Weise ein einer solchen Weise zugeführt werden, daß die Zeitlagen für die Überlagerung der pulsierenden oder gepulsten Hochfrequenzkomponenten (Primär-Erregerstrom) auf den Grund-Wellenkomponenten des Ankerstromes mit den Zeitlagen koinzidieren, wenn die Richtung der Vektoren der pulsierenden oder gepulsten Hochfrequenzkomponenten (primärer Erregerstrom) mit der Richtung der magnetischen Ruhepolabschnitte übereinstimmt (Phasenwinkel), und zwar bei dem dq-Rotation-Koordinatensystem.
Bei einem bevorzugten Aspekt ist die Stromzuführvorrichtung so konfiguriert, um den Rotor-Erregerstrom zweimal höchstens während eines Zyklus' der Grund-Wellenkomponente des Ankerstromes für jede Phase zuzuführen. Somit kann eine große elektrische Energie zu der Feldwicklung übertragen werden, während die Wellenformverzerrung reduziert wird. Spezifischer ausgedrückt, da der Rotor ein Paar von Magnet-Ruhepolabschnitten aufweist, die voneinander um einen elektrischen Winkel π beabstandet sind, und da die Feldwicklung, die über die Dioden kurzgeschlossen wird, um die magnetischen Ruhepolabschnitte herumgewickelt ist, gibt es zwei geeignete Zeitlagen oder Zeitsteuerungen in dem elektrischen Winkel 2π, d. h. in einem Zyklus der Dreiphasen-Ankerspannung, um die pulsierenden oder gepulsten Hochfrequenzkomponenten zu überlagern. Es wird demzufolge bevorzugt, daß die pulsierenden Hochfrequenzkomponenten zweimal auf die Grund-Wellenkomponenten der Ankerspannung überlagert werden, und zwar von jeder der Phasen während einem Zyklus der Grundwelle.
Bei einem bevorzugten Aspekt umfaßt die Synchronmaschine ferner einen Inverter, der nicht nur den Synchronisierungsstrom zu dem Anker zuführt, und zwar in Einklang mit dem Drehwinkel des Rotors, sondern auch den Rotor-Erregerstrom für drei Phasen des Wechselstromes, wobei der Inverter so konfiguriert ist, um den Rotor-Erregerstrom für jede Phase in solcher Weise zuzuführen, daß von den Rotor-Erregerströmen für die jeweiligen drei Phasen der Rotor-Erregerstrom für eine Phase eine Amplitude aufweist, die im wesentlichen das Doppelte einer Amplitude von jedem der Rotor-Erregerströme für die verbleibenden zwei Phasen beträgt. Somit kann bei der Statorwicklung (Ankerwicklung) der Dreiphasen-Verbindung oder Dreiphasen-Schaltung (bevorzugt eine Dreiphasen-Sternschaltung) der Rotor-Erregerstrom symmetrisch auf jede der Phasen verteilt werden, wodurch eine große elektrische Energie zu der Feldwicklung übertragen werden kann, während jedoch eine Wellenform-Verzerrung reduziert wird.
Bei einem bevorzugten Aspekt enthält die Synchronmaschine ferner einen Inverter, der nicht nur den Synchronisierungsstrom zu dem Anker in Einklang mit einem Drehwinkel des Rotors zuführt, sondern auch den Rotor-Erregerstrom für die vielfachen Phasen des Wechselstroms, wobei der Inverter so konfiguriert ist, um eine Rotor-Erregerspannung zu generieren, um den Rotor-Erregerstrom für jede Phase zuzuführen. Es können daher geeignete Wellenformen in dem Ankerstrom erreicht werden, der einen Strom darstellt, der durch Zusammensetzen von Grund-Wellenkomponenten eines Vielphasenstromes erhalten wird, was zum Erzeugen eines positiven oder negativen Drehmoments beiträgt, wobei der Erregerstrom darauf überlagert ist.
Bei einem bevorzugten Aspekt ist der Inverter so konfiguriert, um die Rotor-Erregerspannung während einer Zeitperiode zu erzeugen, die von den Zeitlagen verschieden ist, zu welchen die Vielphasen-Wechselspannungen, die aus den Vielphasen-Wechselströmen resultieren, im wesentlichen maximale Amplituden aufweisen. Die Periode, ausgenommen die Periode der maximalen Amplituden-Nachbarschaft der Vielphasenstrom-Spannung, die hier angesprochen wird, kann von –45 (–π/4) bis +45 (+π/4) Grad reichen, mit einer Zentrierung auf einen Nullpegel von jeder Phasenspannung der Vielphasen-Wechselspannung. Somit kann eine Spannung an den Inverter angelegt werden, die groß ist, und es kann somit ein erforderlicher Strom in einer kurzen Zeitperiode zugeführt werden. Als ein Ergebnis können die Zeit zum Zuführen des Stromes, ein Widerstandsverlust (der proportional zum Quadrat des Stromes ist) und ein Temperaturanstieg alle zusammen reduziert werden. Auch kann eine Stromversorgungsspannung, die an den Inverter angelegt wird, reduziert werden.
Bei einem bevorzugten Aspekt ist der Inverter so konfiguriert, um die Rotor-Erregerspannung für jede Phase in solcher Weise zu erzeugen, daß eine Summe aus der Vielphasen-Wechselspannung für jede Phase und der Rotor-Erregerspannung für jede Phase innerhalb einer maximalen Amplitude der Vielphasen-Wechselspannung für jede Phase gehalten wird. Somit können die gleichen Wirkungen, wie sie oben beschrieben wurden, erreicht werden.
Bei einem bevorzugten Aspekt ist der Inverter so konfiguriert, um die Rotor-Erregerspannung für jede Phase der Vielphasen-Wechselspannung für jede Phase zu überlagern, wobei die Rotor-Erregerspannungen entweder gepulste oder impulsförmige Spannungen oder impulsbreitenmodulierte Spannungen sind und die Vielphasen-Wechselspannungen impulsbreitenmodulierte Spannungen sind. Daher kann die Rotor-Erregerspannung in ausgezeichneter und unmittelbarer Weise in der vorbestimmten Phasenperiode der Vielphasen-Wechselspannung überlagert werden.
Bei einem bevorzugten Aspekt ist der Inverter so konfiguriert, um eine positive Impulsspannung von jeder Rotor-Erregerspannung auf einem hohen Pegel der Vielphasen-Wechselspannung für jede Phase zu überlagern und eine negative Impulsspannung von jeder Rotor-Erregerspannung einer Niedrigpegel-Vielphasen-Wechselspannung für jede Spannung zu überlagern, wobei der Hochpegel und der Niedrigpegel jeweils eine erweiterte Zeitperiode aufweisen. Auf diese Weise kann die Überlagerung der Rotor-Erregerspannung erreicht werden, während eine Erhöhung der Zahl von Malen des Schaltvorgangs des Inverters unterdrückt werden kann und dadurch auch ein Inverterverlust reduziert werden kann.
Bei einem bevorzugten Aspekt werden die positive Impulsspannung und die negative Impulsspannung auf die Vielphasen-Wechselspannung überlagert, und zwar zu einem im wesentlichen Null-Durchgangspunkt der Vielphasen-Wechselspannung. Auf diese Weise kann ein großer Erregerstrom für die Kurzschlußwicklung induziert werden, ohne dabei die Stromversorgungsspannung zu erhöhen, die an den Inverter angelegt wird.
Bei einem bevorzugten Aspekt ist der Inverter so konfiguriert, um eine positive Impulsspannung von jeder Rotor-Erregerspannung einer Vielphasen-Wechselspannung für jede Phase während einer positiven Halbwellenperiode derselben zu überlagern und um eine negative Impulsspannung von jeder Rotor-Erregerspannung einer Vielphasen-Wechselspannung für jede Phase während einer negativen Halbwellenperiode derselben zu überlagern. Auf diese Weise können sowohl turbulente Wellenformen als auch magnetische Störungen bzw. Störsignale reduziert werden. Ferner kann auch die Amplitude der Stromversorgungsspannung, welche an die Ankerwicklung angelegt wird, reduziert werden.
Bei einem bevorzugten Aspekt enthält der Rotor einen Magnetpfad eines Kurzschluß-Flusses, um radial den Fluß zuzuführen, der durch den Strom gebildet wird, welcher durch die Kurzschlußwicklung fließt, und es sind Permanentmagnete an den Permanent-Ruhepolen gelegen, um die Feldpole an der äußeren Umfangsfläche des Rotors zu bilden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt einen diagrammförmigen axialen Querschnitt, der eine Anordnung einer Synchronmaschine vom Feldwicklungstyp veranschaulicht, und zwar unter Verwendung einer Ankerwicklungs-Stromversorgungstechnik gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 zeigt einen radialen Querschnitt der Synchronmaschine vom Feldwicklungstyp, die in 1 veranschaulicht ist;
3 veranschaulicht ein Schaltungsdiagramm einer Synchronmaschine vom Feldwicklungstyp, die in 1 gezeigt ist;
4 ist ein Strom-Wellenformdiagramm, welches ein Beispiel eines Steuerstroms wiedergibt, der zu einem Dreiphasen-Ankerstrom in der Synchronmaschine vom Feldwicklungstyp, die in 1 gezeigt ist, zugeführt wird;
5 ein Strom-Wellenformdiagramm, welches Wellenformen von einem zusammengesetzten Dreiphasen-Ankerstrom in der Synchronmaschine vom Feldwicklungstyp, die in 1 veranschaulicht ist, wiedergibt;
6 einen radialen Querschnitt, der eine Anordnung einer Synchronmaschine vom Feldwicklungstyp unter Verwendung einer Ankerwicklungs-Stromversorgungstechnik veranschaulicht, und zwar gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
7 zeigt ein Schaltungsdiagramm, welches eine Anordnung einer Synchronmaschine vom Feldwicklungstyp unter Verwendung einer Ankerwicklungs-Stromversorgungstechnik veranschaulicht, gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
8 ein Schaltungsdiagramm, welches eine Anordnung einer Synchronmaschine vom Feldwicklungstyp unter Verwendung einer Ankerwicklungs-Stromversorgungstechnik zeigt, gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
9 ein Schaltungsdiagramm, welches eine Anordnung einer Synchronmaschine vom Feldwicklungstyp unter Verwendung einer Ankerwicklungs-Stromversorgungstechnik gemäß einer vierten Ausführungsform 5 und 6 der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
10 ein Schaltungsdiagramm, welches eine Anordnung einer Synchronmaschine vom Feldwicklungstyp unter Verwendung einer Ankerwicklungs-Stromversorgungstechnik gemäß einer siebenten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
11 eine Teil-Radial-Querschnittsansicht, die eine Anordnung einer Synchronmaschine vom Feldwicklungstyp unter Verwendung einer Ankerwicklungs-Stromversorgungstechnik veranschaulicht, gemäß einer achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
12 einen diagrammartigen axialen Querschnitt, der eine Anordnung einer Synchronmaschine vom Feldwicklungstyp unter Verwendung einer Ankerwicklungs-Stromversorgungstechnik gemäß einer neunten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
13 eine Teil-Radial-Querschnittsansicht, die eine Anordnung einer Synchronmaschine vom Feldwicklungstyp unter Verwendung einer Ankerwicklungs-Stromversorgungstechnik zeigt, gemäß einer neunten Ausführungsform;
14 eine Teil-Radial-Querschnittsansicht, die eine Anordnung einer Synchronmaschine vom Feldwicklungstyp unter Verwendung einer Ankerwicklungs-Stromversorgungstechnik wiedergibt, gemäß einer zehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
15 eine Teil-Radial-Querschnittsansicht, die eine Anordnung einer Synchronmaschine vom Feldwicklungstyp unter Verwendung einer Ankerwicklungs-Stromversorgungstechnik veranschaulicht, gemäß einer elften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
16 Wellenformdiagramme von beispielhaften Wellenformen eines zusammengesetzten Phasenstromes einer Synchronmaschine vom Feldwicklungstyp unter Verwendung einer Ankerwicklungs-Stromversorgungstechnik gemäß einer zwölften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
17 zeigt Wellenformdiagramme von beispielhaften Wellenformen eines diskreten Phasenstromes einer Synchronmaschine vom Feldwicklungstyp unter Verwendung einer Ankerwicklungs-Stromversorgungstechnik gemäß der zwölften Ausführungsform;
18 ein schematisches Diagramm, welches eine Phasenbeziehung zwischen dem Rotor-Erregerstrom und einem Sinuswellen-Phasenstrom bzw. Wellenformen in der Synchronmaschine vom Feldwicklungstyp veranschaulicht, unter Verwendung einer Ankerwicklungs-Stromversorgungstechnik entsprechend der zwölften Ausführungsform
19 zeigt Wellenformdiagramme einer abgewandelten Ausführungsform einer dreizehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
20 ist eine Teil-Radial-Querschnittsansicht einer Synchronmaschine vom Kurzschluß-Wicklungstyp, um die dreizehnte Ausführungsform darzustellen;
21 ist ein Schaltungsdiagramm einer Synchronmaschine vom Kurzschluß-Wicklungstyp, die in 20 veranschaulicht ist, und zwar gesehen von einer Rotorseite aus;
22 ist ein Wellenformdiagramm einer Dreiphasen-Ankerspannung der Synchronmaschine vom Kurzschluß-Wicklungstyp, die in 20 veranschaulicht ist, vor der Überlagerung;
23 zeigt ein Wellenformdiagramm einer PWM (impulsbreitenmodulierten) Phasenspannung in einer Phase;
24 zeigt Wellenformdiagramme des Rotor-Erregerstromes und der Rotor-Erregerspannung für die Überlagerung;
25 zeigt eine PWM-Phasenspannung in einer Phase (vor der Überlagerung);
26 zeigt eine PWM-Phasenspannung in einer Phase (nach der Überlagerung);
27 veranschaulicht eine PWM-Phasenspannung in einer Phase (nach der Überlagerung) einer abgewandelten Ausführung der dreizehnten Ausführungsform;
28 ist eine Teil-Radial-Querschnittsansicht, die eine Anordnung einer Rotorkonstruktion einer abgewandelten Ausführung der dreizehnten Ausführungsform wiedergibt;
29 ein Simulations-Wellenformdiagramm, welches zusammengesetzte Ankerstrom-Wellenformen der einzelnen Phasen darstellt, die durch Überlagern von hochfrequenten Stromkomponenten erhalten wurden, um eine Feldwicklung mit einem Erregerstrom zu beaufschlagen, und zwar Überlagerung auf Grund-Wellenkomponenten (Sinuswelle) eines Ankerstromes, und zeigt auch Wellenformen eines Erregerstromes, der bei dieser Gelegenheit in der Rotorwicklung erzeugt worden ist;
30 ein Simulations-Wellenformdiagramm, welches das Drehmoment darstellt, welches durch den Erregerstrom von 29 erzeugt wird;
31 ein Simulations-Wellenformdiagramm, welches einen Status angibt, gemäß welchem hochfrequente Spannungskomponenten einer Dreiphasen-Ankerspannung überlagert worden sind, um den Erregerstrom von 29 zuzuführen;
32 ein Simulations-Wellenformdiagramm, in welchem angenähert ein Zyklus von jeder der Wellenformen von 29 vergrößert ist;
33 ein Simulations-Wellenformdiagramm, welches den zusammengesetzten Ankerstrom von 29 und dessen Grund-Wellenformkomponenten darstellt;
34 ein Simulations-Wellenformdiagramm, welches die Grund-Wellenformkomponenten in einem zusammengesetzten Ankerstrom Iu und die pulsierenden oder gepulsten Hochfrequenz-Komponenten (Primär-Erregerstrom) in dem zusammengesetzten Ankerstrom Iu darstellt;
35 ein Simulations-Wellenformdiagramm, welches einen Zustand darstellt, bei dem die Grund-Wellenformkomponenten der Ankerspannung von jeder der Phasen durch die pulsierenden oder impulsförmigen Hochfrequenzkomponenten zweimal in einem Zyklus der Grund-Wellenkomponenten überlagert wurden; und
36 ein Simulations-Wellenformdiagramm, welches Dreiphasen-Ankerspannungs-Wellenformen darstellt, die durch eine Nulldurchgangs-Zeitsteuerüberlagerung erhalten werden.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Es werden nun im Folgenden bevorzugte Aspekte der vorliegenden Erfindung in Einzelheiten anhand von verschiedenen Ausführungsformen beschrieben. Es sei darauf hingewiesen, daß die vorliegende Erfindung nicht so zu interpretieren ist, daß sie auf die weiter unten beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist, sondern auch in Kombination mit einer anderen bekannten Technik praktiziert werden kann, die erforderliche Funktionen gemeinsam mit dem Stand der Technik aufweist oder benutzt. Es sei auch darauf hingewiesen, daß bei allen nachfolgenden Ausführungsformen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile oder identische Teile bezeichnen.
[Erste Ausführungsform]
Gemäß 1 wird eine Synchronmaschine vom Feldwicklungstyp unter Verwendung einer Ankerwicklungs-Stromversorgungstechnik gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. 1 zeigt einen diagrammförmigen axialen Querschnitt der Synchronmaschine (Motor) vom Feldwicklungstyp. Diese Synchronmaschine kann bei Hybridfahrzeugen, Brennstoffzellenfahrzeugen, Elektrofahrzeugen und ähnlichen Fahrzeugen angewendet werden, und zwar in Form eines im Fahrzeug vorhandenen Antriebsenergie erzeugenden Gerätes.
In 1 ist ein Stator, mit 1 bezeichnet, ein Statorkern mit 2, und eine Statorwicklung (Ankerwicklung) mit 3, die um den Statorkern 2 herumgewickelt ist.
Ferner ist mit 4 ein Rotor, mit 5 ein Rotorkern, mit 6 eine Rotorwicklung (Feldwicklung), die um den Rotorkern 5 gewickelt ist, und mit 7 eine Rotorwelle bezeichnet. Mit 9 ist ein Rahmen (ein sogenanntes Gehäuse) bezeichnet, welches an dem Stator 1 fixiert ist und den Rotor 4 drehbar abstützt. Mit 10 ist ein Positionssensor bezeichnet, um die Drehposition des Rotors zu detektieren. Der Positionssensor 10 ist an der Rotorwelle 7 befestigt, so daß er so gelegen ist, daß er einer äußeren Umfangsfläche einer Magnet-Ringplatte gegenüberliegt, in welcher magnetische Ruhepole entlang dem Umfang derselben in einer bestimmten Teilung angeordnet sind. Der Positionssensor 10 detektiert das Vorbeistreichen der magnetischen Ruhepole, um die Drehposition zu detektieren. Mit 20 ist ein Inverter bezeichnet, um den Ankerstrom der Statorwicklung 3 basierend auf Signalen zu steuern, die von dem Positionssensor 10 und einem Controller 40 ausgegeben werden, und mit 30 ist eine Gleichstromquelle zum Zuführen von Energie bezeichnet, die von dem Inverter 20 benötigt wird.
2 zeigt einen radialen Querschnitt des Stators 1 und des Rotors 4. Die Statorwicklung 3 umfaßt Dreiphasen-Wicklungen. Der Controller 40 steuert intermittierend den Inverter 20, so daß ein Ankerstrom entsprechend einer Drehposition des Rotors 4, die mit Hilfe des Positionssensors 10 erhalten wurde, der Statorwicklung 3 zugeführt wird. Bei dieser Ausführungsform besitzt der Rotorkern 5 des Rotors 4 einen Kern-Zahnabschnitt 510, welcher ein Paar von Feldpolen darstellt (magnetische Ruhepole (magnetic salient-poles)). Die Rotorwicklung 6 ist um den Kern-Zahnabschnitt 510 in einer Quadratgestalt gewickelt, um einen Feldfluß an dem Kern-Zahnabschnitt 510 zu erzeugen. Da die Konstruktion und der Betrieb dieses Typs einer Synchronmaschine vom Feldwicklungstyp bekannt ist, wird hier eine weitere Beschreibung weggelassen.
Eine Schaltung der Synchronmaschine vom Feldwicklungstyp ist in 3 gezeigt. Mit 50 ist ein Glättungskondensator bezeichnet. Der Dreiphasen-Inverter 20 umfaßt drei obere Armelemente insgesamt, und drei untere Armelemente insgesamt, wobei jedes Armelement aus einem IGBT und einer Freilaufdiode gebildet ist. Die jeweiligen Armelemente können natürlich durch MOS-Transistoren ersetzt werden. Diese Ausführungsform besitzt eine Eigenschaft dahingehend, daß die Rotorwicklung 6 sich in einem Zustand eines Kurzschlusses befindet, und zwar über die Diode 12. Die Diode 12 bewirkt eine Halbwellen-Gleichrichtung der Wechselspannung, die in der Rotorwicklung 6 induziert wird, um ein Gegenstück des Paares des Kern-Zahnabschnitts 510 als einen N-Pol zu erregen, und das andere Gegenstück als einen S-Pol zu erregen.
Damit bei dieser Ausführungform die Wechselspannung für die Rotorwicklung 6 induziert wird, schickt der Inverter 20 einen speziellen Wechselstrom (Rotor-Erregerstrom) zu der Statorwicklung 3. Demzufolge ist der Ankerstrom, der durch die Statorwicklung 3 fließt, gleich der Summe aus einem Synchronisierungsstrom, d. h. den Stromkomponenten zum Erzeugen des Drehmoments, und dem Rotor-Erregerstrom. Es wird unter Hinweis auf 4 ein Beispiel der Steuerung des Dreiphasen-Ankerstromes des Inverters 20 beschrieben. Mit 51 ist ein U-Phasen-Ankerstrom bezeichnet, mit 52 ein V-Phasen-Ankerstrom, und mit 53 ein W-Phasen-Ankerstrom, welches die Grund-Wellenformströme (Synchronisationsströme) mit sinusförmigen Wellenformen sind. Mit 61–63 sind Rotor-Erregerströme bezeichnet, die den Ankerströmen 51–53 von den jeweiligen Phasen überlagert werden. Bei dieser Ausführungsform wird der Rotor-Erregerstrom 61 dem V-Phasen-Ankerstrom überlagert, der Rotor-Erregerstrom 62 wird dem U-Phasen-Ankerstrom überlagert, und der Rotor-Erregerstrom 63 wird dem W-Phasen-Ankerstrom überlagert.
Diese Rotor-Erregerströme 61–63 sollten eine hohe Frequenz im Vergleich zu der Frequenz der Ankerströme 51–53 haben, welche die Synchronisierungsströme bilden (die Grund-Wellenströme) und sollten bei dieser Ausführungsform aus gepulsten Wellenformen bzw. impulsförmigen Wellenformen bestehen. Die Wechselstromfelder, die durch Zuführen der Rotor-Erregerströme 61–63 zu der Statorwicklung 3 gebildet werden, sind mit der Rotorwicklung 6 verkettet, um die Wechselspannung in der Rotorwicklung 6 zu erzeugen. Da die Rotorwicklung 6 sich in einem Zustand gemäß einem Kurzschluß über die Diode 12 befindet, fließt lediglich ein einseitig gerichteter Strom durch die Rotorwicklung 6, um den Rotorkern 5 mit einer Erregung in einer vorbestimmten Richtung zu beaufschlagen, so daß ein Paar an Feldpolen in dem Rotorkern 5 erzeugt wird. Spezifischer ausgedrückt wird bei der vorliegenden Ausführungsform ein Feldfluß dadurch gebildet, indem die Rotor-Erregerströme 61–63 zu der Statorwicklung 3 zugeführt werden und indem die Wechselspannung gleichgerichtet wird, die in der Rotorwicklung 6 induziert wird. In bevorzugter Weise sollte der impulsförmige Strom unmittelbar in einer Phase zugeführt werden, welche kein Drehmoment in dem Rotor verursacht. 5 zeigt zusammengesetzte Wellenformen eines Phasenstromes, bei denen die Grund-Wellenströme (Synchronisierungsstrom) und die Rotor-Erregerströme zusammengesetzt worden sind, welche in 4 gezeigt sind.
Es ist zu bevorzugen, daß die Amplituden der zusammengesetzten Wellenformen eines Phasenstromes von jeder der Phasen so eingestellt werden, daß sie die Amplituden der Grund-Wellenströme nicht überschreiten. Zu diesem Zweck müssen gemäß der Darstellung in 4 die impulsförmigen Rotor-Erregerströme 61–63 lediglich zugeführt werden, und zwar unter Vermeidung von Perioden, in welchen die Amplituden der einzelnen Grund-Wellenströme die Nähe einer Spitze oder eines Spitzenwertes erreichen.
[Zweite Ausführungsform]
Es wird unter Hinweis auf 6 eine Synchronmaschine vom Feldwicklungstyp unter Verwendung einer Ankerwicklungs-Stromversorgungstechnik beschrieben. 6 zeigt einen diagrammartigen Radial-Querschnitt der Synchronmaschine (Motor) vom Feldwicklungstyp. Bei dieser Ausführungsform bezeichnet 8 Permanentmagnete zum Erzeugen eines Feldflusses. Der Permanentmagnet 8 erzeugt einen Feldfluß in der gleichen Richtung wie derjenigen des Feldflusses, der durch die Rotorwicklung 6 erzeugt wird. Somit kann bei der vorliegenden Ausführungsform die Erregung, die durch die Permanentmagnete unterstützt wird, ein Anwachsen des Drehmoments unterdrücken und den Erregerstrom reduzieren.
[Dritte Ausführungsform]
Es wird im Folgenden unter Bezugnahme auf 7 eine Synchronmaschine vom Feldwicklungstyp mit Verwendung einer Ankerwicklungs-Stromversorgungstechnik gemäß der dritten Ausführungsform beschrieben. Bei dieser Ausführungsform ist ein Kondensator 14 parallel zu der Diode 12 geschaltet. Diese Anordnung kann den Erregerstrom stabilisieren, der durch die Rotorwicklung 6 hindurchfließt, und die dabei erzeugte Spannung. Jedoch wird bei der vorliegenden Ausführungsform die effektive Größe des Feldflusses klein, da unter den Wechselströmen, die für die Rotorwicklung 6 induziert werden, Halbwellenkomponenten einer Gegenphase, die ausgeklammert werden sollten, durch den Kondensator 14 hindurch verlaufen.
[Vierte Ausführungsform]
Es wird im Folgenden unter Hinweis auf 8 eine Synchronmaschine vom Feldwicklungstyp mit Verwendung einer Ankerwicklungs-Stromversorgungstechnik entsprechend einer vierten Ausführungsform beschrieben. Bei dieser Ausführungsform ist eine Drosselspule 15 mit der Diode 12 in Reihe geschaltet. Eine Magnetschaltung der Drosselspule kann unter Verwendung eines Umfangs-Innenseitenabschnitts oder ähnlichem des Rotorkernes gebildet werden. Wenn auf diese Weise die Wechselspannung für die Rotorwicklung 6 induziert wird, so daß die Diode 12 die Möglichkeit erhält, Strom in einer Richtung zu der Schaltung zuzuführen, wird magnetische Energie in der Jochspule 12 gespeichert. Somit kann bei der Umkehr-Halbwellenperiode der Wechselspannung in gleicher Weise die Periode für das Zuführen des Erregerstromes verlängert werden, und zwar dank der Spannung, die durch die Drosselspule 15 erzeugt wird, um dadurch die Amplitudenschwankung des Erregerstromes zu glätten.
[Fünfte Ausführungsform]
Es wird im Folgenden unter Hinweis auf 9 eine Synchronmaschine vom Feldwicklungstyp unter Verwendung der Ankerwicklungs-Stromversorgungstechnik gemäß einer fünften Ausführungsform beschrieben. Diese Ausführungsform hat die Eigenschaft, daß ein Rotor-Erregerstrom mit hoher Frequenz, die höher ist als die Synchronisierungsfrequenz, kontinuierlich zu einer Inverterschaltung zugeführt wird. Der Rotor-Erregerstrom kann eine Sinuswellenform haben oder auch eine trapezförmige Wellenform. Jedoch wird der maximale Strom, welcher der Ankerwicklung von jeder der Phasen durch den Inverter 20 zugeführt wird, durch eine Gleichstrom-Stromversorgungsspannung begrenzt, die an den Inverter 20 angelegt wird. Daher wird die Summe aus einer Phasenspannung zum Erzeugen des Grund-Wellenstromes (Synchronisierungsstrom) und einer Phasenspannung zum Erzeugen des Rotor-Erregerstromes zu gesteuert, daß die Gleichstrom-Stromversorgungsspannung nicht überschritten wird.
Die vorliegende Ausführungsform besitzt die Eigenschaft, daß die Richtung der Zufuhr des Rotor-Erregerstromes von jeder der Phasen gesteuert wird, und zwar in Einklang mit der Drehposition des Rotorkernes 5. Es folgt in Verbindung bzw. unter Hinweis auf 9 eine detailliertere Beschreibung. In 9 enthält der Inverter 20 ein oberes U-Phasen-Armelement 21, ein oberes V-Phasen-Armelement 22, ein oberes W-Phasen-Armelement 23, ein unteres U-Phasen-Armelement 24, ein unteres V-Phasen-Armelement 25 und ein unteres W-Phasen-Armelement 26. Jedes der Armelemente besteht aus einem Halbleiter-Schalterelement und aus einer Freilaufdiode D, die mit dem Armelement antiparallel geschaltet ist.
Bei dem Statorkern 2, der in 2 gezeigt ist, sollte die Wicklung von jeder der Phasenstrukturen der Ankerwicklung in einer verteilten Weise gewickelt sein, und zwar um einen U-Phasenleiter, einen Minus-V-Phasenleiter, einem W-Phasenleiter, einem Minus-U-Phasenleiter, einem V-Phasenleiter und einem Minus-W-Phasenleiter, und zwar in dieser Reihenfolge entlang der Umfangsrichtung. Demzufolge sollten die zwei Magnetfeldpole des Rotorkernes 5 die folgenden jeweiligen Phasenperioden aufweisen. Die Gesamtsumme der jeweiligen Phasenperioden entspricht einem elektrischen Winkel von 2π.
Die erste Phasenperiode ist eine Phase, die einem Wechselfeld gegenüberliegt, welches durch den Rotor-Erregerstrom gebildet wird, der durch den U-Phasenleiter fließt, ferner durch den Minus-V-Phasenleiter und den W-Phasenleiter fließt. Die zweite Phasenperiode ist eine Phase, die mit einem Wechselfeld konfrontiert ist, welches durch den Rotor-Erregerstrom gebildet wird, der durch den Minus-V-Phasenleiter, den W-Phasenleiter und den Minus-U-Phasenleiter fließt. Die dritte Phasenperiode ist eine Phase, die einem Wechselfeld gegenüberliegt oder mit diesem konfrontiert ist, welches durch den Rotor-Erregerstrom erzeugt wird, der durch den W-Phasenleiter, den Minus-U-Phasenleiter und den V-Phasenleiter fließt. Die vierte Phasenperiode ist eine Phase, die mit einem Wechselfeld konfrontiert ist, welches durch den Rotor-Erregerstrom erzeugt wird, der durch den Minus-U-Phasenleiter, den V-Phasenleiter und den Minus-W-Phasenleiter fließt. Die fünfte Phasenperiode ist eine Phase, die mit einem Wechselfeld konfrontiert ist, welches durch den Rotor-Erregerstrom gebildet wird, der durch den V-Phasenleiter, den Minus-W-Phasenleiter und den U-Phasenleiter fließt. Die sechste Phasenperiode ist eine Phase, die ein Wechselfeld konfrontiert, welches durch den Rotor-Erregerstrom erzeugt wird, der durch den Minus-W-Phasenleiter, den U-Phasenleiter und den Minus-V-Phasenleiter fließt. Bei der ersten und der vierten Phasenperiode fließt der Rotor-Erregerstrom durch den U-Phasenleiter und den W-Phasenleiter in einer Richtung, und der Rotor-Erregerstrom fließt durch den V-Phasenleiter in der umgekehrten Richtung. Es sei erwähnt, daß die Richtung der Rotor-Erregerströme auf eine Richtung verweist, entlang welcher ein Strom in die Statorwicklung 3 fließt, und auf eine Richtung, entlang welcher ein Strom herausfließt. In ähnlicher Weise sind auch bei der zweiten und fünften Phasenperiode die Rotor-Erregerströme, die durch den V-Phasenleiter und den U-Phasenleiter fließen, einseitig gerichtet, und der Rotor-Erregerstrom, der durch den W-Phasenleiter fließt, fließt in umgekehrter Richtung. In ähnlicher Weise sind bei der dritten und sechsten Phasenperiode die Rotor-Erregerströme, die durch den W-Phasenleiter und den V-Phasenleiter fließen, einseitig gerichtet, und der Rotor-Erregerstrom, der durch den U-Phasenleiter fließt, verläuft in umgekehrter Richtung.
Da gemäß der vorausgegangenen Beschreibung die Rotor-Erregerströme hohe Frequenz aufweisen, ändert sich die Richtung der Zufuhr der Ströme eine Vielzahl von Malen in einer Phasenperiode. Das Umschalten der Richtungen, entlang welchen die jeweiligen Rotor-Erregerströme fließen, kann basierend auf einer detektierten Winkelposition des Rotors gesteuert oder geregelt werden. Auf diese Weise ist der Fluß, der durch den Rotor-Erregerstrom gebildet wird, welcher durch die Wicklung von jeder der Phasen fließt, effizient mit der Feldwicklung verkettet.
[Sechste Ausführungsform]
Es wird im Folgenden unter Hinweis auf 9 eine Synchronmaschine vom Feldwicklungstyp mit Anwendung der Ankerwicklungs-Stromversorgungstechnik gemäß einer sechsten Ausführungsform beschrieben. Diese Ausführungsform wird dafür realisiert, um ein Verfahren zum Zuführen eines Rotor-Erregerstromes in einem Fall dieser Synchronmaschine zu beschreiben, wenn diese in einem Generator-Modus arbeitet.
Da der Inverter 20 Freilaufdioden aufweist, arbeitet dieser hauptsächlich im Generator-Modus, da lediglich ein Dreiphasen-Vollwellen-Gleichrichter vorhanden ist. Selbstverständlich kann die synchrone Gleichrichtung durchgeführt werden, um den Verlust der Freilaufdioden D zu reduzieren, indem die Halbleiter-Schalterelemente während der Periode eingeschaltet werden, wenn die Freilaufdioden D eingeschaltet werden, die mit den Schalterelementen antiparallel geschaltet sind.
Jedoch im Falle der Durchführung der Gleichrichtung zur Bildung eines Generators unter Verwendung des Inverters 20 wird, wenn die individuellen Halbleiter-Schalterelemente 21–26, die den Inverter 20 bilden, während der Phasenperioden eingeschaltet werden, wenn sie nicht ursprünglich zu dem Zeitpunkt der Gleichrichtung für die Generierung eingeschaltet werden sollten, ein Abschnitt der Phasenwicklungen 31–33 kurzgeschlossen, so daß der Kurzschlußstrom durch die Phasenwicklungen 31–33 hindurch verlaufen kann. Da dieser Kurzschlußstrom durch die Phasenwicklungen 31–33 zu jeder Zeit fließen kann, sollte ein Feld, welches eine Geschwindigkeit besitzt verschieden von derjenigen des Grund-Wellenstromes, welcher ein Rotationsfeld erzeugt, das synchron mit der Rotorgeschwindigkeit ist, dazu imstande sein, mit der Rotorwicklung 6 verkettet zu werden.
Es sei eine Phasenperiode als Beispiel angenommen, bei welcher das Halbleiter-Schalterelement 21 des oberen U-Phasenarmes den Generierungsstrom zu einer Gleichstrom-Stromversorgungsseite hin ausgibt und die Halbleiter-Schalterelemente 25 und 26 des unteren V-Phasenarmes und des unteren W-Phasenarmes Strom von der Gleichstromquelle laden. Wenn in dieser Situation das Halbleiter-Schalterelement 22 des oberen V-Phasenarmes, welches ursprünglich nicht eingeschaltet werden sollte, eingeschaltet wird, wird ein Kurzschluß durch die U-Phasenwicklung 31, das obere U-Phasenarmelement 21, das obere V-Phasenarmelement 22, die V-Phasenwicklung 32, den Neutralpunkt und die U-Phasenwicklung 31 gebildet, so daß ein großer Kurzschlußstrom durch die U- und V-Phasenwicklungen fließt. Wenn demzufolge der Kurzschlußstrom zu einem vorbestimmten Intervall unterbrochen wird, kann der Rotor-Erregerstrom zu der Statorwicklung 3 zugeführt werden. Im Falle, daß das obere W-Phasenarmelement 23 eingeschaltet wird oder im Falle, daß das untere U-Phasenarmelement 24 in der oben genannten Phasenperiode eingeschaltet wird, können die gleichen Wirkungen erzielt werden. Es ist offensichtlich, daß der Rotor-Erregerstrom mit der hohen Frequenz, die höher liegt als die Synchronisierungsfrequenz, zu der Statorwicklung 3 lediglich während vorbestimmter Phasenperioden zugeführt werden kann, anstatt einer Zufuhr des Stromes in kontinuierlicher Weise. Es ist auch offensichtlich, daß die Wellenform des Rotor-Erregerstromes eine Sinuswellenform oder eine trapezförmige Wellenform haben kann oder auch eine impulsförmige Wellenform aufweisen kann.
Die Synchronmaschine vom Feldwicklungstyp mit Verwendung der Ankerwicklungs-Stromversorgungstechnik der vorliegenden Erfindung kann auch bei im Fahrzeug mitgeführten Wechselstromgeneratoren verwendet werden, im Fahrzeug mitgeführten Generator-Motoren angewendet werden, die sowohl einen Maschinenstart als auch eine Generierung ausführen. Ferner können Permanentmagnete zusätzlich am Rotor der Synchronmaschine vom Feldwicklungstyp verwendet werden, und zwar bei Verwendung der Ankerwicklungs-Stromzufuhrtechnik nach der vorliegenden Erfindung. In diesem Fall sollte der Feldfluß, der durch die Feldwicklung erzeugt wird, in bevorzugter Weise in der gleichen räumlichen Phase für den Feldfluß gebildet werden, der durch die Permanentmagnete gebildet wird. Es ist beispielsweise zu bevorzugen, daß der Magnetfeldfluß so erzeugt wird, daß dieser in der d-Achse und der Minus-d-Achse zirkuliert, und daß der Feldwicklungs-Feldfluß auch so erzeugt wird, daß er in der d-Achse und der Minus-d-Achse zirkuliert. In einem Fall jedoch, bei dem der Feldwicklungs-Feldfluß niedrig ist, sollte der Magnetfeldfluß in bevorzugter Weise an den Kurzschluß des Magnetpfades für den Feldwicklungs-Feldfluß angepaßt werden.
[Siebente Ausführungsform]
Es wird im Folgenden eine Synchronmaschine vom Feldwicklungstyp mit einer Ankerwicklungs-Zuführtechnik gemäß einer siebenten Ausführungsform unter Hinweis auf 10 beschrieben. Bei dieser Ausführungsform ist die Diode 12 für die Halbwellen-Gleichrichtung durch einen MOS-Transistor 120 für eine Synchron-Gleichrichtung ersetzt. Der MOS-Transistor 120 wird gleichlaufend mit dem Einschalten von dessen parasitärer Diode eingeschaltet. Die Gate-Spannung des MOS-Transistors 120 kann von einer Gleichstrom-Stromversorgungsschaltung abgeleitet werden, die dadurch hergestellt wird, indem man die Spannung, die durch die Rotorwicklung 6 induziert wird, getrennt gleichrichtet.
[Achte Ausführungsform]
Es wird im Folgenden eine Synchronmaschine vom Feldwicklungstyp unter Verwendung der Ankerwicklungs-Energiezuführtechnik gemäß einer achten Ausführungsform unter Hinweis auf 11 beschrieben. Diese Ausführungsform ist die gleiche wie die Ausführungsform, welche in 6 gezeigt ist, und zwar dahingehend, daß der Permanentmagnet 8 zusätzlich in dem Rotorkern 5 verwendet wird, unterscheidet sich jedoch darin, daß ein magnetischer Pfad für das Kurzschließen des magnetischen Feldflusses, der durch die Permanentmagnete gebildet wird, in dem Rotorkern gebildet wird, so daß dieser in einem Zustand einer magnetischen Sättigung steht.
Spezifischer ausgedrückt veranschaulicht 11 einen N-Feldpol. Der magnetische Feldfluß des Permanentmagneten 8 besitzt einen magnetischen Kurzschlußpfad 520, der magnetisch den Permanentmagneten 8 kurzschließt. Wenn kein Strom der Rotorwicklung 6 zugeführt wird, befindet sich dieser magnetische Kurzschlußpfad 520 in einem Zustand, daß dieser magnetisch durch den Permanentmagneten 8 gesättigt ist, wobei der restliche Feldfluß des Permanentmagneten zum Stator 1 verläuft, um eine Verkettung mit der Statorwicklung 3 einzugehen. Jedoch ist bei der maximalen Geschwindigkeit bzw. Drehzahl der Synchronmaschine die Spannung, die durch die Statorwicklung 3 erzeugt wird, geringfügig kleiner ausgebildet als die Batteriespannung, so daß die Batterie nicht alleine durch den Permanentmagneten 8 geladen werden kann.
Wenn ein Feldfluß in einer Richtung entgegengesetzt zu der Richtung des gesättigten Flusses des Kurzschlußpfades 520 vorgesehen wird, und zwar durch Zuführen eines gleichgerichteten Feldstromes zu der Rotorwicklung 6, verläuft dieser Feldfluß zu dem Stator 1, so daß der Betrag des Feldflusses, der mit der Statorwicklung 3 verkettet ist, erhöht wird. Somit kann gemäß der vorliegenden Ausführungsform der Betrag oder das Ausmaß des Feldflusses unmittelbar eingestellt werden, wobei gleichzeitig eine Entmagnetisierung der Permanentmagnete verhindert wird.
In einem Fall, bei dem der Statorstrom dadurch gesteuert wird, indem man diesen in einen d-Achsenstrom und einen q-Achsenstrom aufteilt oder indem man eine sogenannte Vektorsteuerung durchführt, induzieren Wechselstromkomponenten mit einer vorbestimmten Frequenz des d-Achsenstromes eine Wechselspannung für die Rotorwicklung. Indem man somit die Wechselstromkomponenten steuert oder regelt (die auch eine Vielzahl an Frequenzen aufweisen können), und zwar von dem d-Achsenstrom, kann die Wechselspannung für die Rotorwicklung induziert werden. Es kann demzufolge bei einer Gleichrichtung der Wechselspannung ein Feldstrom einer gewünschten Größe durch die Rotorwicklung hindurchgeschickt werden. Auch kann eine Erhöhung der Eingangsspannung, was für den Inverter erforderlich sein kann, unterdrückt werden, indem man eine AM-Modulation beispielsweise in Verbindung mit dem q-Achsenstrom durchführt.
[Neunte Ausführungsform]
Es wird im Folgenden eine Synchronmaschine vom Feldwicklungstyp mit Anwendung der Ankerwicklungs-Energiezufuhrtechnik gemäß einer neunten Ausführungsform unter Hinweis auf 12 beschrieben. Die in 12 veranschaulichte Synchronmaschine unterscheidet sich von der Synchronmaschine der ersten Ausführungsform, die in den 1 und 2 veranschaulicht ist, dadurch, daß die Rotorwicklung (Feldwicklung) 6 und der Permanentmagnet 8 in den Rotorkern 5 eingebettet sind.
13 veranschaulicht einen radialen Querschnitt des Stators 1 und des Rotors 4. 12 veranschaulicht einen diagrammförmigen axialen Querschnitt der Synchronmaschine (Motor) vom Feldwicklungstyp. Die Statorwicklung 3 umfaßt Dreiphasen-Wicklungen. Der Controller 40 steuert intermittierend den Inverter 20, so daß der Ankerstrom entsprechend der Drehposition des Rotors 4, die von dem Drehpositions-Sensor 10 erhalten wird, der Statorwicklung 3 zugeführt wird. Wie oben beschrieben wurde, wird der Rotor-Erregerstrom, der nicht mit der Drehung des Rotors synchron ist, in der Statorwicklung 3 überlagert, um eine Diodengleichrichtung der Wechselspannung zu bewirken, die bei den Rotorwicklungen 61–64 induziert wird.
Der Rotorkern 5 des Rotors 4 ist mit Magnetaufnahmelöchern 51–54 und mit Feldwicklungs-Aufnahmenuten 55–58 in enger Nachbarschaft zu der äußeren Umfangsfläche des Rotorkernes 5 ausgestattet. Ein Strebenabschnitt 58, der einen Abschnitt des Rotorkernes 5 bildet, ist radial zwischen den Magnetaufnahmelöchern 51, 52 vorgesehen, die einander benachbart entlang der Umfangsrichtung angeordnet sind. Ein Strebenabschnitt 59, der einen Abschnitt des Rotorkernes 5 bildet, ist radial zwischen den Magnetaufnahmelöchern 53, 54 vorgesehen, die in der Umfangsrichtung zueinander benachbart sind. Die äußersten Umfänge der Strebenabschnitte 58, 59 bedecken den Außenumfang der Magnetaufnahmelöcher 51–54 und sind mit einem Flanschabschnitt 50b verbunden, der sich in beiden Richtungen des Umfanges erstreckt, um eine Öffnung 50a zu verengen, die an dem Außenumfang der Feldwicklungs-Aufnahmenuten 55–58 vorgesehen ist.
Bei der vorliegenden Ausführungsform ist das Magnetaufnahmeloch 51 in der Umfangsrichtung benachbart der Feldwicklungs-Aufnahmenut 55 gelegen, um miteinander zu kommunizieren. In ähnlicher Weise ist das Magnetaufnahmeloch 52 umfangsmäßig benachbart zu der Feldwicklungs-Aufnahmenut 56 gelegen, um miteinander zu kommunizieren, das Magnetaufnahmeloch 53 ist umfangsmäßig benachbart zu der Feldwicklungs-Aufnahmenut 57 gelegen, um miteinander zu kommunizieren, und das Magnetaufnahmeloch 54 ist umfangsmäßig benachbart zu der Feldwicklungs-Aufnahmenut 58 gelegen, um miteinander zu kommunizieren. Die Permanentmagnete 81–84 sind getrennt in den Magnetaufnahmelöchern 51–54 aufgenommen. Die Permanentmagnete 81, 82 sind als S-Pole an den Außenumfangsseiten magnetisiert, und als N-Pole an den Innenumfangsseiten magnetisiert. Die Permanentmagnete 83, 84 sind als N-Pole an den Außenumfangsseiten magnetisiert und als S-Pole an den inneren Umfangsseiten magnetisiert. Die Permanentmagnete 81–84 als Ganzes bilden den Permanentmagneten 8 in 12. Die Rotorwicklung 6, d. h. die Feldwicklung, ist um die Feldwicklungs-Aufnahmenuten 55–58 herumgewickelt. Die Feldwicklungs-Aufnahmenuten 55, 58 nehmen getrennt Außenwindungen 61, 64 der Rotorwicklung 6 auf, und die Feldwicklungs-Aufnahmenuten 56, 57 nehmen getrennt Innenwindungen 62, 63 der Rotorwicklung 6 auf. Es kann irgendein Typ einer Wicklung für die Rotorwicklung 6 verwendet werden, wie beispielsweise eine quadratisch gestaltete Wicklung oder eine serpentinenförmige Wicklung. Mit Φ ist ein Feldfluß angegeben, wie durch eine unterbrochene Linie in 13 angezeigt ist. Der Feldfluß Φ wird durch die Permanentmagnete 81–84 und den Strom (Feldstrom) der Rotorwicklung gebildet.
Die grundlegende Betriebsweise ist die gleiche wie bei der Ausführungsform, die in 11 veranschaulicht ist. Da das rotierende Feld, welches durch den Dreiphasen-Wechselstrom erzeugt wird, der durch die Statorwicklung 3 hindurchfließt, die gleiche Drehgeschwindigkeit hat wie der Rotor 4, wird keine Wechselspannung an der Rotorwicklung 6 induziert. Wenn kein Rotor-Erregerstrom der Statorwicklung 6 zugeführt wird, wird auch kein Feldstrom in der Rotorwicklung 6 induziert, und ein Abschnitt des Flusses der Permanentmagnete 81–84 wird durch die Strebenabschnitte 58, 59 kurzgeschlossen, so daß keine Verkettung mit der Statorwicklung 3 erfolgt, wodurch das Drehmoment entsprechend begrenzt wird. Auf der anderen Seite, wenn der Rotor-Erregerstrom der Statorwicklung 3 zugeführt wird, wird ein Feldstrom in der Rotorwicklung 6 induziert, so daß die Permanentmagnete 81–84 veranlaßt werden, ein Stromfeld in den Strebenabschnitten 58, 59 in der Richtung zu erzeugen, die entgegengesetzt zum Fluß verläuft, der zu den Strebenabschnitten 58, 59 gerichtet ist. Dann wird der Fluß der Permanentmagnete 81–84, der über die Strebenabschnitte 58, 59 vorbeigeleitet wird, zu dem Stator 1 hin gelenkt, um das Drehmoment zu erhöhen. Wenn der Rotor-Erregerstrom weiter in der gleichen Richtung ansteigt, wird auch der Feldfluß, der durch die Rotorwicklung 6 gebildet wird und der mit der Statorwicklung 3 verkettet ist, erhöht, um das Drehmoment weiter zu vergrößern. Wenn im Gegensatz dazu der Rotor-Erregerstrom in umgekehrter Richtung verläuft, wird der Feldfluß, der mit der Statorwicklung 3 verkettet ist, in signifikanter Weise reduziert.
Der Flanschabschnitt 50b kann das Reluktanz-Drehmoment erhöhen. Spezifischer ausgedrückt vergrößert der Flanschabschnitt 50b das Reluktanz-Drehmoment als einen Q-Achsen-Magnetpfad und unterstützt die Permanentmagnete 81–84 und auch die Rotorwicklungen 61–64 gegen die Zentrifugalkraft.
Bei der vorliegenden Ausführungsform besitzt der Wicklungsraum des Rotors eine Nutengestalt. Es kann jedoch auch ein anderes Verfahren realisiert werden, bei dem Segmente in den Rotor entlang der axialen Richtung eingeführt werden, gefolgt von einem Verschweißen zum Verbinden, um eine Wicklung herzustellen, wobei die Öffnung in der Oberfläche des Rotors geschlossen wird.
[Zehnte Ausführungsform]
Es wird weiter unten eine Synchronmaschine vom Feldwicklungstyp mit der Ankerwicklungs-Energiezufuhrtechnik gemäß einer zehnten Ausführungsform unter Hinweis auf 14 beschrieben. 14 zeigt einen Teil-Radialquerschnitt der Synchronmaschine (Motor) vom Feldwicklungstyp. Die Synchronmaschine, die in 14 veranschaulicht ist, unterscheidet sich von der Synchronmaschine der neunten Ausführungsform dadurch, daß Strebenabschnitte 581, 582 anstelle des Strebenabschnittes 58 vorgesehen sind, und Strebenabschnitte 591, 592 anstelle des Strebenabschnittes 59 vorgesehen sind, und daß die Magnetaufnahmelöcher 51, 52 integriert sind, um einen Permanentmagneten 8 darin aufzunehmen, und daß die Permanentmagnet-Aufnahmelöcher 53, 54 integriert sind, um darin einen Permanentmagneten 8 aufzunehmen. Der Flußverlauf bei der vorliegenden Ausführungsform erfolgt analog zu demjenigen, der in 11 gezeigt ist, anders als derjenige, der in 13 gezeigt ist. Bei der vorliegenden Ausführungsform kann das Reluktanz-Drehmoment auch erwartungsgemäß erhöht werden, da die Strebenabschnitte 581, 582, 591 und 592 benachbart zu der q-Achse gelegen sind, um den magnetischen Widerstand der q-Achse zu reduzieren.
[Elfte Ausführungsform]
Im Folgenden wird unter Hinweis auf 15 eine Synchronmaschine vom Feldwicklungstyp mit der Ankerwicklungs-Energiezufuhrtechnik gemäß einer elften Ausführungsform beschrieben. 15 zeigt einen Teil-Radialquerschnitt der Synchronmaschine vom Feldwicklungstyp. Die Synchronmaschine, die in 15 veranschaulicht ist, inkorporiert sowohl die Strebenkonstruktion der neunten Ausführungsform, die in 13 veranschaulicht ist, als auch die Strebenkonstruktion der zehnten Ausführungsform, die in 14 veranschaulicht ist. Somit werden Strebenabschnitte 581–583 und 591–593 verwendet.
[Zwölfte Ausführungsform]
Es wird weiter unten eine zwölfte Ausführungsform unter Hinweis auf die 16 und 17 beschrieben. 16 zeigt Wellenform-Diagramme von zusammengesetzten Phasenstrom-Wellenformen, bei denen pulsierende oder impulsförmige Rotor-Erregerströme Ifu, Ifv, Ifw jeweiligen Phasenströmen Iu, Iv, Iw überlagert sind, d. h. den Dreiphasen-Sinuswellenströmen der Statorwicklung 3. In 17 sind Wellenform-Diagramme gezeigt, bei denen die jeweiligen oder einzelnen Phasenströme Iu, Iv, Iw getrennt von den Rotor-Erregerströmen Ifu, Ifv, Ifw dargestellt sind.
Natürlich werden diese Phasenstrom-Wellenformen durch den Inverter 20 erzeugt. In der Figur ist Iu ein Phasenstrom, welcher der U-Phasenwicklung zugeführt wird, Iv ist ein Phasenstrom, welcher der V-Phasenwicklung zugeführt wird, und Iw ist ein Phasenstrom, welcher der W-Phasenwicklung zugeführt wird. Die Phasenströme Iu, Iv, Iw bestehen aus sinuswellenförmigen Strömen (im Folgenden als Vielphasen-Wechselströme bezeichnet) in Synchronisation mit der Drehrichtung des Rotors.
Die Rotor-Erregerströme Ifu, Ifv, Ifw werden für eine vorbestimmte Phasenperiode β von einem Zeitpunkt an zugeführt, der von einem Maximalpunkt der positiven Amplitude (Spitzenphasenwinkel) des U-Phasenstromes Iu verzögert ist, und zwar um einen vorbestimmten Phasenwinkel α. Somit wird der impulsförmige Rotor-Erregerstrom Ifu dem Phasenstrom Iu überlagert, es wird der impulsförmige Rotor-Erregerstrom Ifv dem Phasenstrom Iv überlagert, und es wird der impulsförmige oder gepulste Rotor-Erregerstrom Ifw dem Phasenstrom Iw überlagert. Somit wird eine Formel Ifu + Ifv + Ifw = 0 erstellt.
Es wird unter Hinweis auf 18 die Einstellung von α und β beschrieben, wenn eine Anwendung bei einem IPM-Motor erfolgt. Es sei ein Fall angenommen, bei dem ein Zentrum des Drehfeldstromes des Stators mit einer Winkelposition eines Spitzenwertes des U-Phasenstromes übereinstimmt, und zwar durch Einstellen von α und β, was beschrieben wird. 18 zeigt eine Positionsbeziehung zwischen dem Strom an dem Zentrum des rotierenden Feldes und dem Erregerstrom. Bei dem IPM-Motor sollte vom Gesichtspunkt der Drehmomentqualität das Zentrum des rotierenden Feldstromes in bevorzugter Weise zu einer Phase gebracht werden, die um 30–60 Grad dem Zentrum des Rotorfeldes vorausläuft.
Da gemäß 18 das Zentrum des Rotorfeldes an einer Position liegt, die um 90 elektrische Grade (π/2) vor der q-Achse liegt, wenn der Rotor-Erregerstrom Ifu zu der q-Achse entlang der gleichen Richtung wie das Zentrum des rotierenden Feldstromes zugeführt wird, kann der Erregungsfluß erhöht werden. Der Rotor-Erregerstrom Ifu muß lediglich einen Fluß innerhalb eines Polbogenverhältnisses (typischerweise ca. 0,7) bilden und sollte somit im Endeffekt innerhalb des Bereiches von –60 bis +60 Grad eingestellt werden, um die Rotor-Erregungsfunktion zu realisieren. Es sei darauf hingewiesen, daß der Phasenwinkel α zwischen dem Zentrum des rotierenden Feldes (maximale Amplitude des maximalen Phasenstromes) und der Rotor-Erregungsstrom Ifu dadurch eingestellt werden sollten, indem eine Reluktanz des Erregerstromes zu 120–150 Grad hinzuaddiert wird, d. h. sollte bei 60–210 Grad eingestellt werden. Es sei erwähnt, daß die q-Achse hier auf eine Achse verweist, die um 90 Grad in einer Drehrichtung von dem Zentrum des Magnetfeldes verzögert ist, welches zu der Richtung entlang dem Außendurchmesser orientiert ist.
Der Überlagerungszustand des pulsierenden Rotor-Erregerstromes Ifu auf den Grund-Wellenkomponenten der einzelnen Phasenströme, speziell deren Phasenbeziehung, ist in 17 gezeigt, und Zusammensetzungen der beiden, d. h. der zusammengesetzte Phasenstrom-Wellenformen der einzelnen Phasen, sind in 16 gezeigt. Die Amplitude des Erregerstromes kann maximal dadurch eingestellt werden, indem der Phasenwinkel α innerhalb eines Bereiches von 60–210 Grad eingestellt wird. Es sei darauf hingewiesen, daß in 18 die Richtung entsprechend einem Durchstechen von der oberen Oberfläche der Zeichnungsseite zur umgekehrten Seite hin die positive Seite sein soll. In Verbindung mit β, so wird diese Größe durch die Drehgeschwindigkeit und die Periode des Zuführungsstromes begrenzt. Im Falle des Antriebs von Kraftfahrzeugen werden beispielsweise 50–5000 Umdrehungen pro Minute mit etwa 4 Polpaaren allgemein für die Verwendung spezifiziert, und eine geeignete Periode zum Zuführen des Stromes reicht von etwa 50 μs bis etwa 0,5 ms, um die Energie so weit wie möglich zu reduzieren, die für die Erregung erforderlich ist, und auch den Verlust zu reduzieren. Um diese Anforderungen zu befriedigen, wird β in bevorzugter Weise bei 0,1–60 Grad eingestellt.
Kurz gesagt ist die Amplitude des pulsierenden Rotor-Erregerstromes die größte in dem U-Phasenstrom Iu, bei dem der Amplitudenwert des Rotor-Erregerstromes in der positiven Richtung der größte ist. Mit diesem Rotor-Erregerstrom gemäß der größten Amplitude wird der U-Phasenstrom Iu so überlagert, um dessen Amplitude zu verringern. Die Summe aus den Rotor-Erregerströmen, die auf den V-Phasenstrom Iv und den W-Phasenstrom Iw überlagert werden, ist gleich mit dem U-Phasenstrom Iu, jedoch ist die Richtung der Überlagerung umgekehrt. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist die Amplitude des V-Phasenstromes Iv im wesentlichen gleich mit derjenigen des W-Phasenstromes Iw, kann jedoch auch etwa 0,7–1,5 mal einer Differenz dazwischen betragen. Die Überlagerung der Rotor-Erregerströme liefert die erforderliche elektrische Energie zu der Feldwicklung.
Bei einem Ruhepol-Motor, der lediglich mit einer Feldwicklung ausgestattet ist, und zwar ohne Magnete zu besitzen, ist es geeignet, und zwar vom Standpunkt der Drehmomentqualität, daß eine umfangsmäßige Zentrumsposition eines rotierenden Feldstromes auf eine Phase eingestellt wird, die dem Zentrum des Rotorflusses um –30 bis 10 Grad vorauseilt.
Bei diesem Ruhepol-Motor mit lediglich einer Feldwicklung ist die umfangsmäßige Zentrumsposition der Feldmagnetpole des Rotors auch an einer Position gelegen, die um 90 elektrische Grade (π/2) vor der q-Achse liegt. Indem man somit den Rotor-Erregerstrom Ifu zu der q-Achse in der gleichen Richtung zuführt wie das Zentrum des rotierenden Feldstromes, kann der Erregerfluß vergrößert werden. In bevorzugter Weise sollte der Rotor-Erregerstrom Ifu den Fluß bilden, und zwar innerhalb eines Polbogenverhältnisses (typisch etwa 0,7). Mit anderen Worten kann die Rotor-Erregungsfunktion dadurch realisiert werden, indem man die umfangsmäßige Zentrumsposition des rotierenden Feldstromes innerhalb eines Bereiches von –60 bis +60 Grad einstellt. Spezifischer ausgedrückt sollte der Phasenwinkel α zwischen dem Zentrum des rotierenden Feldes (maximale Amplitude des maximalen Phasenstromes) und dem Rotor-Erregerstrom Ifu dadurch eingestellt werden, indem man eine Redundanz des Erregerstromes auf 60–100 Grad hinzuaddiert, d. h. sollte bei 0–160 Grad eingestellt werden.
Abgewandelte Ausführungsformen
Wie in 19 gezeigt ist, kann die Amplitude des Rotor-Erregerstromes Ifu, die auch dem U-Phasenstrom Iu überlagert wird, und welche den größten Amplitudenwert besitzt, kleiner ausgeführt werden als die Amplitude des Rotor-Erregerstromes Ifv oder Ifw, die den anderen Phasenströmen zu überlagern sind.
Bei der oben erläuterten Ausführungsform wurde der Rotor-Erregerstrom Ifu, welcher die größte Amplitude besitzt, dem U-Phasenstrom Iu zu einem Zeitpunkt überlagert, der von der maximalen positiven Amplitude des U-Phasenstromes Iu um den vorbestimmten Phasenwinkel α verzögert ist. Alternativ kann der Rotor-Erregerstrom Ifv mit der größten Amplitude dem V-Phasenstrom Iv zu einem Zeitpunkt überlagert werden, der von der maximalen positiven Amplitude des V-Phasenstromes Iv um den vorbestimmten Phasenwinkel α verzögert ist. Alternativ kann der Rotor-Erregerstrom Ifw mit der größten Amplitude dem W-Phasenstrom Iw zu einem Zeitpunkt überlagert werden, der von der maximalen positiven Amplitude des W-Phasenstromes Iw um den vorbestimmten Phasenwinkel α verzögert ist.
Unter den Phasenperioden bei den einzelnen Phasenströmen Iu, Iv und Iw gibt es spezifische Phasenperioden, die einen geringeren Beitrag für die Drehmomenterzeugung liefern. Wenn somit die Rotor-Erregerströme den Phasenströmen in diesen Perioden überlagert werden, kann die Drehmomentrauhigkeit oder Welligkeit reduziert werden.
Bei der oben erläuterten Ausführungsform wurden die Rotor-Erregerströme einer impulsförmigen Spannungswellenform oder einer im wesentlichen rechteckförmigen Wellenform während der Phasenperiode β zugeführt. Stattdessen kann der Rotor-Erregerstrom mit einer Wellenform eines hochfrequenten Wechselstromes zugeführt werden.
[Dreizehnte Ausführungsform]
Es wird nun im Folgenden eine dreizehnte Ausführungsform unter Hinweis auf die 20 bis 26 beschrieben. 20 zeigt einen radialen Querschnitt des Stators 1 und des Rotors 4, der in 1 veranschaulicht ist. Bei der vorliegenden Ausführungsform sind Nuten (die auch aus Löchern bestehen können), in welchen die Rotorwicklung (Kurzschlußwicklung) 6 im wesentlichen eingebettet ist, in der Nachbarschaft der äußeren Umfangsfläche des Rotorkernes 5 des Rotors 4 eingebettet. Wie in 21 gezeigt ist, wird die Rotorwicklung 6 über die Diode 12 kurzgeschlossen. Mit 14 ist ein Strom-Glättungskondensator bezeichnet. Die Diode 12 bewirkt eine Halbwellen-Gleichrichtung der Wechselspannung, die in der Rotorwicklung 6 induziert wird, so daß ein Gegenstück eines Paares der Rotorkern-Zahnabschnitte 51a als ein N-Pol erregt wird und das andere Gegenstück als S-Pol erregt wird.
Es fließt ein einseitig gerichteter Induktionsstrom durch die Rotorwicklung 6 und bildet einen Feldfluß in der Rotorwicklung 6 in Richtungen, die durch Pfeile in 20 angezeigt sind. Dieser Feldfluß wird an den Rotorkern-Zahnabschnitten 51a gebildet, die von der Rotorwicklung 6 umschlossen sind, ebenso in dem äußeren Umfang des Rotorkernes 5. Obwohl bei der vorliegenden Ausführungsform die Rotorwicklung 6 um jeden der Rotorkern-Zahnabschnitte 51a in einer konzentrierten Art gewickelt ist, um eine quadratische Gestalt zu bilden, kann auch eine serpentinenförmige Wicklung vorgesehen werden.
Bei dieser Ausführungsform schickt der Inverter 20 einen speziellen Wechselstrom (Rotor-Erregerstrom) zu der Statorwicklung 3, um eine Wechselspannung in der Rotorwicklung 6 zu induzieren. Demzufolge besteht der Dreiphasen-Ankerstrom, der durch die Statorwicklung 3 fließt, aus der Summe aus dem Dreiphasen-Synchronisierungsstrom (im Folgenden als Vielphasenstrom bezeichnet), d. h. den Stromkomponenten zum Erzeugen des Drehmoments, und dem Rotor-Erregerstrom. Die Ankerspannung, die an die Statorwicklung 3 anzulegen ist, besteht aus der Summe aus der Dreiphasen-Wechselspannung, d. h. den Spannungskomponenten zum Erzeugen des Drehmoments, und der Rotor-Erregerspannung, d. h. den Spannungskomponenten zum Erzeugen des Rotor-Erregerstromes. Die Wellenformen des herkömmlichen Dreiphasen-Ankerstromes sind in 22 gezeigt, und eine PWM(impulsbreitenmodulierte)-Phasenspannungs-Wellenform ist in 23 gezeigt. 22 veranschaulicht diagrammartig den Strom, der durch die Statorwicklung fließt, und 23 zeigt eine Spannungswellenform zum Zeitpunkt der Übermodulation.
(Detaillierte Beschreibung hinsichtlich der Überlagerung der Rotor-Erregerspannung)
Es wird nun im Folgenden unter Hinweis auf 24 ein Verfahren zum Überlagern der Rotor-Erregerspannung bei der vorliegenden Ausführungsform beschrieben. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird ein impulsförmiger Strom der Rotorwicklung 6 während vorbestimmter Phasenperioden des Dreiphasen-Wechselstromes zugeführt, um das Drehmoment zu generieren, um die Spannung in der Rotorwicklung 6 zu induzieren. Die induzierte Spannung wird dann einer Diodengleichrichtung unterzogen, um in einer Richtung einen Erregerstrom zu der Rotorwicklung 6 zuzuführen.
In 24 ist mit 100 eine Wellenform des Rotor-Erregerstromes bezeichnet, der der Statorwicklung 3 aufgedrückt oder überlagert wird. Um den impulsförmigen Rotor-Erregerstrom 100 zu der Statorwicklung 3 zuzuführen, muß die Statorwicklung 3 mit der positiven Impulsspannung 101 und der negativen Impulsspannung 102 beaufschlagt werden, deren Polaritäten voneinander verschieden sind. Mit Vb ist eine Batterie-Spannungsweite bezeichnet.
In 25 ist bei 104 eine PWM-Phasenspannung von einer Phase angezeigt, um eine sinusförmige Phasenspannung 103 von einer Phase zu bilden, mit 200, 202 sind Einschaltzustands-Perioden der PWM-Phasenspannung bezeichnet, und mit 201, 203 sind Ausschalt-Perioden der PWM-Phasenspannung bezeichnet. Gemäß 26 ist ein Verfahren veranschaulicht, um in guter Weise die positive Impulsspannung 101 und die negative Impulsspannung 102 der PWM-Phasenspannung 104 von einer Phase zu überlagern.
Gemäß 26 wird in einer Periode T für die Überlagerung der Rotor-Erregerspannung, welche in die Nähe des Nullpegels einer sinusförmigen Phasenspannung 103 von einer Phase eingestellt ist, eine Aus-Zustands-Periode 201 der PWM-Phasenspannung 104 von einer Phase in eine Ein-Zustands-Periode in einer Phasenperiode T1 umgewandelt, in welcher die sinusförmige Phasenspannung 103 von einer Phase positive Werte zeigt, und in eine Ein-Zustands-Periode 102 einer PWM-Phasenspannung 104 von einer Phase in eine Ein-Zustands-Periode in einer Phasenperiode T1 umgewandelt, in welcher die sinusförmige Phasenspannung 103 von einer Phase positive Wert zeigt, und es wird eine Ein-Zustands-Periode 202 einer PWM-Phasenspannung 104 von einer Phase in eine Aus-Zustands-Periode in einer Phasenperiode T2 umgewandelt, in welcher die sinusförmige Phasenspannung 103 von einer Phase negative Werte zeigt. Somit wird die positive impulsförmige Spannung 101 einer Phasenperiode T1 überlagert, und es wird die negative Impulsspannung 102 bei der Phasenperiode T2 überlagert. Die PWM-Phasenspannung von den anderen zwei Phasen kann in ähnlicher Weise gebildet werden. Auf diese Weise können die PWM-Impuls-Wellenformen in der Nähe oder Nachbarschaft des Nullpegels (Nulldurchgangs) der sinusförmigen Phasenspannung 103 von einer Phase umgewandelt werden, was zu einer Vergrößerung der Impulsbreite der positiven Impulsspannung 101 und der negativen Impulsspannung 102 führt und, indem man es zuläßt, daß beide Breiten im wesentlichen untereinander gleich sind, führt dies auch zu einer Reduzierung der Wellenform-Störung der PWM-Dreiphasen-Wechselspannung. Ferner kann die impulsförmige Rotor-Erregerspannung der PWM-Dreiphasen-Wechselspannung überlagert werden, wobei eine Vergrößerung in der Zahl von Malen des Schaltvorgangs der PWM-Spannung unterdrückt wird. Mit anderen Worten werden bei der vorliegenden Ausführungsform die Ein-Zustands-Periode und die Aus-Zustands-Periode der PWM-Dreiphasen-Wechselspannung zur Bildung der Dreiphasen-Wechselspannung umgekehrt bzw. invertiert, so daß die positive Impulsspannung 101 und die negative Impulsspannung 102 unmittelbar auf die Dreiphasen-Wechselspannung überlagert werden. Somit kann das Gerät ohne wesentliche Änderung der Schaltungsanordnungen eines typischen bürstenfreien Gleichstrommotors realisiert werden. Gemäß der oben beschriebenen Impuls-Inversion überschreitet die Ankerspannung, die aus der Summe der Dreiphasen-Wechselspannung (Effektivwert) und der Rotor-Erregerspannung (Effektivwert) gebildet ist, nicht den maximalen Wert der Dreiphasen-Wechselspannung (Effektivwert), wodurch die Amplitude der Dreiphasen-Wechselspannung (Effektivwert) auf einen hohen Pegel innerhalb eines zulässigen Bereiches der Stromversorgungsspannung eingestellt werden kann.
Da die Ausbildung einer solchen zusammengesetzten PWM-Spannung 105 sehr gut unmittelbar ausgeführt werden kann, und zwar durch den Controller 40, der aus einem Microcomputer und einer digitalen Schaltung besteht, wird hier eine detaillierte Beschreibung und Bezugnahme auf die Zeichnung weggelassen. Beispielsweise kann die Rotor-Erregerspannung durch eine positive Impulsspannung definiert werden, die einen Übergang hat zwischen einem logischen Wert von Null entsprechend einem Nullwertpegel und einem logischen Wert 1 entsprechend einem positiven Wertpegel, und es kann eine negative Impulsspannung definiert werden, die einen Übergang hat zwischen einem logischen Wert 1 entsprechend einem Nullwertpegel und einem logischen Wert von Null entsprechend einem negativen Wertpegel, und es kann die positive Impulsspannung örtlich anschließend zu der PWM-Phasenspannung hinzuaddiert werden, und es kann die negative Impulsspannung örtlich mit der PWM-Phasenspannung multipliziert werden.
(Abgewandelte Ausführungsformen)
Wie in 27 gezeigt ist, können in einem Fall entsprechend einem Anlegen einer Rotor-Erregerspannung mit einem großen effektiven Wert an die Statorwicklung 3 eine Vielzahl von Aus-Zustands-Perioden in Ein-Zustands-Perioden geändert werden, und zwar vor der Nulldurchgangs-Zeitlage, und es können eine Vielzahl von Ein-Zustands-Perioden in Aus-Zustands-Perioden nach der Nulldurchgangs-Zeitlage geändert werden.
Bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform wurden die Aus-Zustands-Perioden vollständig in Ein-Zustands-Perioden vor der Nulldurchgangs-Zeitlage geändert, und es wurden die Ein-Zustands-Perioden vollständig in Aus-Zustands-Perioden nach der Nulldurchgangs-Zeitlage geändert. Stattdessen können jedoch die Aus-Zustands-Perioden auch nur teilweise in Ein-Zustands-Perioden geändert werden, indem man die Ein-Zustands-Perioden vor der Nulldurchgangs-Zeitlage ausdehnt oder erweitert, und es können die Ein-Zustands-Perioden teilweise in Aus-Zustands-Perioden geändert werden, indem man die Aus-Zustands-Perioden nach der Nulldurchgangs-Zeitlage erweitert oder ausdehnt.
28 veranschaulicht diagrammartig ein Beispiel, bei welchem Magnete zu dem Rotor 4, der in 20 veranschaulicht ist, hinzugefügt wurden. Mit dieser Anordnung kann der Feldfluß durch den Magnetfluß und den Feldstromfluß zusammengesetzt werden, welcher an der Rotorwicklung 6 gebildet wird.
(Vorteile)
Gemäß den oben beschriebenen Ausführungsformen kann der Erregerstrom der Rotorwicklung 6 ohne Verwendung einer Bürste oder eines Dreh-Übertragers zugeführt werden. Da ferner ein Betrag des Erregerstromes durch die elektrische Energie eingestellt werden kann, die von der Statorwicklung 3 zugeführt wird, kann die Spannung, die bei einer Hochgeschwindigkeitsdrehung induziert wird, unterdrückt werden, und eine Feldschwächung für Magnetfeld-Synchronmaschinen wird nicht benötigt, wodurch der Wirkungsgrad erhöht werden kann.
(Ergebnisse der Simulation)
Es werden weiter unten Ergebnisse einer Simulation beschrieben. In jeder der Figuren gibt die horizontale Achse die Zeit an.
29 zeigt ein Zeitsteuerdiagramm, welches zusammengesetzte Wellenformen der Ankerströme der einzelnen Phasen zeigt, die dadurch erhalten wurden, indem hochfrequente Stromkomponenten überlagert wurden, um diese der Feldwicklung aufzudrücken, und zwar mit dem Erregerstrom auf Grund-Wellenkomponenten (Sinuswellen) des Ankerstromes, und einer Wellenform des Erregerstromes, der in der Rotorwicklung zum Zeitpunkt der Überlagerung erzeugt wird. In der Figur gibt Iu einen zusammengesetzten Ankerstrom der U-Phase an, mit Iv ist ein zusammengesetzter Ankerstrom der V-Phase bezeichnet, Iw gibt einen zusammengesetzten Ankerstrom der W-Phase an, und Ir gibt den Erregerstrom an, der aus einem gleichgerichteten induzierten Strom besteht. Der Erregerstrom Ir wird durch die Diode gleichgerichtet und fließt durch die Rotorwicklung. Wie aus 29 ersehen werden kann, wird der Erregerstrom Ir durch die Rotorwicklung geschickt, indem hochfrequente impulsförmige Komponenten während einer kurzen Periode von einem Zyklus der Grund-Wellenkomponenten des Ankerstromes von jeder der Phasen überlagert werden.
30 zeigt das Drehmoment, welches durch den Erregerstrom Ir erzeugt wird, der in 29 gezeigt ist. Der Erregerstrom Ir wurde für die Periode reduziert, wenn eine impulsförmige Erregung von dem Stator her stattfand, wobei jedoch, da die Erregung in einer impulsförmigen Weise erzeugt wurde, der Grad der Drehmoment-Welligkeit, der erzeugt wurde, sehr klein war, jedoch mit demselben Ausmaß oder Grad einer Drehmoment-Welligkeit, wie sie während der Zeit anders als dieser Periode hervorgerufen wurde. Das heißt, das Drehmoment befand sich auf einem praktisch zulässigen Wert. Es hat sich herausgestellt, daß die Drehmoment-Welligkeit relativ kleiner war als die Drehmoment-Welligkeit entsprechend der ungeprüften japanischen Patentanmeldungs-Veröffentlichung Nr. JP H07-95 790 A .
31 zeigt ein Zeitsteuerdiagramm, welches einen Zustand darstellt, in welchem hochfrequente Spannungskomponenten der Dreiphasen-Ankerspannung überlagert wurden, um den Erregerstrom Ir zu erregen bzw. zu erzeugen, der in 29 gezeigt ist. Solche hochfrequenten Spannungskomponenten können unmittelbar dadurch gebildet werden, indem die PWM-Steuerung zur Ausbildung der Dreiphasen-Ankerspannung vorgenommen wird. Der Übersichtlichkeit halber ist hier die Grund-Wellenspannung mit effektiven Spannungswellenformen dargestellt.
32 zeigt vergrößerte Wellenformen von etwa einem Zyklus der einzelnen Wellenformen, die in 29 gezeigt sind. 33 zeigt den zusammengesetzten Ankerstrom Iu der U-Phase, der in 32 gezeigt ist, und dessen Grund-Wellenkomponenten Ibasic. 34 zeigt die Grund-Wellenkomponenten Ibasic in dem zusammengesetzten Ankerstrom Iu der U-Phase, und die impulsförmigen hochfrequenten Komponenten (primärer Erregerstrom) Iru in dem zusammengesetzten Ankerstrom Iu der U-Phase.
Wenn die Periode zum Zuführen der impulsförmigen hochfrequenten Komponenten (primärer Erregerstrom) Iru gleich ist ¼ oder weniger von einem Zyklus der Grund-Wellenkomponenten Ibasic (d. h. π/2), können die Einflüsse der Drehmoment-Welligkeit auf einen Wert unterdrückt werden, der ausreichend niedrig für eine praktische Anwendung ist. Im allgemeinen wird bei diesem Typ eine Ankerstromsteuerung oder -regelung die Drehmomentverarbeitung mit der dq-Drehkoordinatenumwandlung ausgeführt. Wenn jedoch die Periode für das Zuführen der impulsförmigen hochfrequenten Komponenten (primärer Erregerstrom) Iru kleiner ist als die Periode von ¼ oder weniger von einem Zyklus, kann die Überlagerung während der Zeit vervollständigt werden, wenn der d-Achsenstrom und der q-Achsenstrom beide in einem Quadranten des dq-Drehkoordinatensystems liegen. Somit müssen die Symbole des d-Achsenstromes und des q-Achsenstromes geändert werden. Dies bedeutet, daß die Drehmomentwelligkeit oder -rauhigkeit reduziert werden kann.
Strom sollte in bevorzugter Weise in solcher Weise zugeführt werden, daß die Zeitsteuerung für die Überlagerung der impulsförmigen hochfrequenten Komponenten (primärer Erregerstrom) auf die Grund-Wellenkomponenten des Ankerstromes mit der Zeitsteuerung koinzidiert, wenn die Vektorrichtung der impulsförmigen hochfrequenten Komponenten (primärer Erregerstrom) mit der Richtung der Magnet-Ruhepol-Abschnitte (Phasenwinkel) in dem dq-Drehkoordinatensystem übereinstimmt. Es sei darauf hingewiesen, daß, da der Rotor ein Paar von magnetischen Ruhepol-Abschnitten aufweist, die voneinander um einen elektrischen Winkel π beabstandet sind, und da die Feldwicklung über die Dioden kurzgeschlossen wird, die um die magnetischen Ruhepol-Abschnitte gewickelt ist, es zwei geeignete Zeitsteuerungen bzw. Zeitlagen in dem elektrischen Winkel 2π gibt, d. h. in einem Zyklus des Ankerstromes von jeder Phase, um die impulsförmigen hochfrequenten Komponenten zu überlagern. Es wird daher gemäß der Darstellung in 35 bevorzugt, daß die impulsförmigen hochfrequenten Komponenten zweimal auf den Grund-Wellenkomponenten des Ankerstromes für jede der Phasen während eines Zyklus' der Grund-Welle überlagert werden. Wie in 36 gezeigt ist, gibt es, unter Berücksichtigung des Ankerstromes für drei Phasen, 3 (Phasen) × 2 (zweimal) Überlagerungszeitlagen in einem Zyklus.
Die impulsförmigen hochfrequenten Komponenten sollten in bevorzugter Weise den Grund-Wellenkomponenten des Ankerstromes von jeder Phase in der Nähe oder Nachbarschaft der Nulldurchgangszeitlage der Grund-Wellenkomponenten überlagert werden. Dies bringt die Wirkung gemäß einer Reduzierung des Amplitudenwertes der zusammengesetzten Ankerspannung mit sich. Dieser Weg der Überlagerung wird als eine Nulldurchgangs-Zeitlage-Überlagerungstechnik bezeichnet. Wellenformen der Dreiphasen-Ankerspannung, die aus der Nulldurchgangs-Zeitlage-Überlagerungstechnik resultieren, sind in 31 gezeigt. Es kann ersehen werden, daß der Erregerstrom der U-Phase in der Nähe des Nulldurchgangs erzeugt wird.

Claims

Synchronmaschine mit einer Rotorwicklung als Feldwicklung, mit: einem Stator (1), auf welchen eine mehrphasige Ankerwicklung (3) gewickelt ist; einem Rotor (4) mit einem Rotorkern (5), auf den eine Feldwicklung (6) gewickelt ist und mit einer Rotorwelle (7), welche durch ein Gehäuse (9) drehbar abgestützt wird, wobei das Gehäuse (9) den Stator (1) umfasst; einer Inverter-Schaltung (20, 30, 40), welche die Phasen der Ankerwicklung so ansteuert, dass ein mehrphasiger Ankerstrom gebildet wird, wobei eine Grundwellen-Komponente des Ankerstroms im Stator (1) ein Drehfeld erzeugt, welches mit einer elektrischen Winkelgeschwindigkeit rotiert, die mit der Drehgeschwindigkeit des Rotors (4) übereinstimmt; Stromsperrmittel (12, 15), die an die Feldwicklung (6) angeschlossen sind, um eine Stromrichtung eines induzierten Wechselstroms zu unterdrücken, der in der Feldwicklung (6) im Ansprechen auf den durch die Ankerwicklung (3) fließenden Ankerstrom induziert wird; wobei die Inverter-Schaltung (20, 30, 40) den Phasen der Ankerwicklung (3) eine mehrphasige Rotor-Erregerstrom-Komponente zuführt, welche der Grundwellen-Komponente des mehrphasigen Ankerstroms überlagert ist und in der Gestalt einer impulsförmigen hochfrequenten Wellenform den jeweiligen Phasenspannungen in der Nähe oder Nachbarschaft ihrer Nulldurchgänge so überlagert wird, dass sich die Überlagerung über eine Zeitperiode von ¼ oder weniger einer Periode der Grundwellen-Komponente erstreckt.
Synchronmaschine nach Anspruch 1, bei der das Stromsperrmittel elektrisch mit der Feldwicklung (6) in Reihe geschaltet ist.
Synchronmaschine nach Anspruch 1, bei der der Rotor-Erregerstrom sich in der Frequenz von der Grundwellen-Komponente des Ankerstroms unterscheidet.
Synchronmaschine nach Anspruch 3, bei der sich der Rotor-Erregerstrom mit einer Geschwindigkeit ändert, die um das Vierfache oder noch Mehrfache größer ist als eine Änderungsgeschwindigkeit der Grundwellen-Komponente des Ankerstroms, der in jede Phase zugeführt wird.
Synchronmaschine nach Anspruch 1, bei der das Stromsperrmittel einen Gleichrichter enthält, der eine Halbwellen-Gleichrichtung des induzierten Wechselstromes durchführt.
Synchronmaschine nach Anspruch 3, bei der der Rotor-Erregerstrom einen Wechselstrom enthält, dessen Frequenz höher ist als beider Grundwellen-Komponente des Ankerstroms, der durch die Ankerwicklung (3) für jede Phase zugeführt wird.
Synchronmaschine nach Anspruch 3, mit einem Gleichrichter, der Ströme gleichrichtet, die durch die Ankerwicklung (3) erzeugt werden, wobei der Rotor-Erregerstrom mit dem erzeugten Strom gemischt ist.
Synchronmaschine nach Anspruch 1, bei der die Synchronmaschine mit Rädern eines Fahrzeugs gekoppelt ist, um elektrische Energie zum Antreiben der Räder zu erzeugen.
Synchronmaschine nach Anspruch 4, bei der der Rotor-Erregerstrom zwei Typen eines Stromes enthält, deren Frequenzen verschieden sind von der Frequenz der Grundwellen-Komponente des Ankerstroms.
Synchronmaschine nach Anspruch 1, bei der der Rotorkern (5) so ausgebildet ist, daß er eine radiale Richtung, eine axiale Richtung und eine Umfangsrichtung aufweist und eine Vielzahl an Magnetaufnahmeöffnungen oder -löchern besitzt, von denen jedes darin einen Magneten aufnimmt, von denen jeder nahe einer äußeren Umfangsfläche des Rotorkernes (5) eingebettet ist, und von denen jeder axial offen ist, und wobei weichmagnetische Strebenabschnitte, die jeweils benachbart zwischen zwei der Aufnahmeöffnungen in der Umfangsrichtung positioniert sind, jeweils die äußere Umfangsfläche des Rotorkernes (5) abstützen und bilden, und wobei jeder die Möglichkeit bietet, daß ein magnetischer Fluß dort hindurch verläuft, wobei der magnetische Fluß in Ansprechen auf den induzierten Wechselstrom erzeugt wird, der durch die Feldwicklung (6) hindurchfließt und mit der Ankerwicklung (3) verkettet ist.
Synchronmaschine nach Anspruch 10, bei der der Ankerkern wenigstens ein Paar an Nuten aufweist, von denen jede axial offen ist, und wobei jede derselben so gelegen ist, um eine Linie zusammen mit den Strebenabschnitten und den Magnetaufnahmeöffnungen in der Umfangsrichtung zu bilden und um die Feldwicklung (6) darin aufzunehmen und dort zu lokalisieren.
Synchronmaschine nach Anspruch 10, bei der jeder der Strebenabschnitte zwischen einem Paar der Magnetaufnahmeöffnungen gelegen ist, wobei ein Paar von Magnetaufnahmepolen, die ein Paar von Magneten jeweils beherbergen, benachbart zueinander in der Umfangsrichtung gelegen sind und die gleiche Magnetisierungsrichtung in der radialen Richtung aufweisen.
Synchronmaschine nach Anspruch 11, bei der jeder der Strebenabschnitte zwischen jeder Magnetaufnahmeöffnung und jeder Nut in der Umfangsrichtung gelegen ist.
Synchronmaschine nach Anspruch 11, bei der eine Vielzahl der Strebenabschnitte, die in den Strebenabschnitten enthalten sind, zwischen zwei Nuten gelegen sind, die ein Paar von Nuten bilden.
Synchronmaschine nach Anspruch 11, bei der ein radialer Außenseitenabschnitt des Rotorkernes (5), welcher die Außenumfangsfläche aufweist, so ausgebildet ist, daß er durch die Strebenabschnitte gehaltert ist, und in der Umfangsrichtung erweitert ist, um eine radiale Öffnung von jeder der Nuten zu verengen.
Synchronmaschine nach Anspruch 1, wobei der Inverter (20, 30, 40) so konfiguriert ist, um eine Rotor-Erregerspannung zu generieren, um den Rotor-Erregerstrom für jede Phase zuzuführen.
Synchronmaschine nach Anspruch 16, bei der der Inverter (20, 30, 40) so konfiguriert ist, um die Rotor-Erregerspannung während einer Zeitperiode zu generieren, die verschieden ist von den Zeitperioden, zu welchen die Anker-Phasen-Wechselspannungen, die zu den Anker-Phasen-Wechselströmen führen, im wesentlichen maximale Amplituden aufweisen.
Synchronmaschine nach Anspruch 17, bei der der Inverter (20, 30, 40) so konfiguriert ist, um die Rotor-Erregerspannung für jede Phase in solcher Weise zu generieren, daß eine Summe aus der Anker-Phasen-Wechselspannung für jede Phase und der Rotor-Erregerspannung für jede Phase innerhalb einer maximalen Amplitude der Anker-Phasen-Wechselspannung für jede Phase gehalten wird.
Synchronmaschine nach Anspruch 17, bei der der Inverter (20, 30, 40) so konfiguriert ist, um die Rotor-Erregerspannung für jede Phase der Anker-Phasen-Wechselspannung für jede Phase zu überlagern, wobei die Rotor-Erregerspannungen entweder aus impulsförmigen Spannungen bestehen oder aus impulsbreite-modulierten Spannungen bestehen, und die Anker-Phasen-Wechselspannungen aus impulsbreite-modulierten Spannungen bestehen.
Synchronmaschine nach Anspruch 19, bei der der Inverter (20, 30, 40) so konfiguriert ist, um eine positive Impulsspannung für jede Rotor-Erregerspannung auf einem hohen Pegel der Anker-Phasen-Wechselspannung für jede Phase zu überlagern und um eine negative Impulsspannung von jeder Rotor-Erregerspannung einem Niedrigpegel der Anker-Phasen-Wechselspannung für jede Phase zu überlagern, wobei sowohl der hohe Pegel als auch der niedrige Pegel jeweils eine absichtlich erweiterte Zeitperiode aufweisen.
Synchronmaschine nach Anspruch 20, bei der die positive Impulsspannung und die negative Impulsspannung der Anker-Phasen-Wechselspannung an einem im wesentlichen Nulldurchgangspunkt der Anker-Phasen-Wechselspannung überlagert sind.
Synchronmaschine nach Anspruch 19, bei der der Inverter (20, 30, 40) so konfiguriert ist, um eine positive Impulsspannung von jeder Rotor-Erregerspannung der Anker-Phasen-Wechselspannung für jede Phase während einer positiven Halbwellenperiode derselben zu überlagern, und um eine negative Impulsspannung von jeder Rotor-Erregerspannung der Anker-Phasen-Wechselspannung für jede Phase während einer negativen Halbwellenperiode derselben zu überlagern.