DE102006036986A1 - Electric synchronous motor with field suppressor e.g. for hybrid-drive motor vehicle, has axially movable stator so that active length of coil in magnetic exciter-field can be varied - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen elektrischen Synchronmotor mit Feldschwächeinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein zugehöriges Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Synchronmotors mit Feldschwächeinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 11.The The invention relates to a synchronous electric motor with field weakening device according to the generic term of claim 1 and an associated method for operating an electric synchronous motor with field weakening device according to the generic term of claim 11.
Geregelte Antriebe mit hohen geforderten Nenndrehzahlen werden üblicherweise mit Asynchronmaschinen und der damit verbundenen Möglichkeit einer komfortablen elektrischen Feldschwächung mittels einer geregelten Magnetisierungs-Stromkomponente realisiert. Hierdurch kann über einen weiten Drehzahlbereich eine konstante Leistung an der Motorwelle abgegeben werden. Bei elektrischen Synchronmotoren, welche zwar Vorteile hinsichtlich des Wirkungsgrades besitzen, aber je nach Bauart einen eher schmalen Drehzahlbereich. aufweisen, ist jedoch die Realisierung einer Feldschwächung zur Erschließung eines breiteren Drehzahlbereiches mit Wirkungsgradeinbußen verbunden, da dem in der Regel durch Permanentmagneten erregten Hauptfeld durch Erzeugung von Gegenfeldern, ggf. mittels einer Zusatzwicklung, elektrisch entgegengewirkt werden muss.regulated Drives with high required rated speeds are usually with asynchronous machines and the associated possibility a comfortable electric field weakening by means of a regulated Magnetization current component realized. This can be over a wide speed range a constant power at the motor shaft be delivered. In synchronous electric motors, although Have advantages in terms of efficiency, but depending on Design a rather narrow speed range. however, is the realization of a field weakening for development a broader speed range associated with loss of efficiency, because of the usually excited by permanent magnets main field by Generation of opposing fields, if necessary by means of an additional winding, electrically counteracted must become.
So
sind beispielsweise aus der
Aus
der
Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, einen verbesserten elektrischen Synchronmotor und ein verbessertes Verfahren zu dessen Betrieb zu schaffen, wobei der elektrische Synchronmotor über einem möglichst breiten Drehzahlbereich mit möglichst geringen Verlusten arbeiten soll.Of the The invention is therefore based on the technical problem of providing an improved synchronous electric motor and an improved method for its To create operation, wherein the electric synchronous motor over a preferably wide speed range with possible low losses should work.
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich erfindungsgemäß durch die Gegenstände der Ansprüche 1 und 11. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.The solution the technical problem results according to the invention by things the claims 1 and 11. Further advantageous embodiments of the invention result from the dependent claims.
Der Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, dass das Grundprinzip eines elektromagnetischen Drehmomentwandlers auch auf einen elektrischen Synchronmotor übertragen werden kann. Im Zuge dessen tritt dabei der überraschende Effekt zu Tage, dass auch auf mechanischem Wege bedarfsweise eine Feldschwächung erzielt werden kann, die, anders als die bislang bekannten elektrischen Vorgehensweisen, besonders verlustarm ausführbar ist. Dies wird erfindungsgemäß gelöst, indem ein elektrischer Synchronmotor mit Feldschwächeinrichtung und ein Verfahren zu dessen Betrieb vorgeschlagen werden, umfassend mindestens einen Stator, welcher mindestens eine Wicklung aufweist, und mindestens einen Rotor zur Erzeugung eines magnetischen Erregerfeldes, wobei die Wicklung zumindest teilweise im Erregerfeld angeordnet ist und bei Beaufschlagung der Wicklung mit einem Wicklungsstrom ein Drehmoment im Rotor erzeugbar ist und der Stator axial verschiebbar angeordnet ist, so dass die aktive Leiterlänge LT der Wicklung, die sich im Erregerfeld des Rotors befindet, veränderbar ist. Dabei kann es sich auch um eine Relativbewegung des Stators handeln, d.h., der Stator ist fest und der Rotor wird verschoben. Auf diese Weise lässt sich die Maschinengeometrie eines elektrischen Synchronmotors insbesondere im drehzahlgeregelten Betrieb mechanisch so verändern, dass dessen Wirkungsgradvorteile mit der Forderung nach verlustarmer Feldschwächung vereinigt werden können. Neben der aktiven Feldschwächung, welche bei gleicher Leistung eine höhere Drehzahl ermöglicht, wird durch das axiale Verschieben des Stators und somit das Verkürzen der aktiven Leiterlänge der Wicklung eine Reduzierung von Blechverlusten bei hohen Drehzahlen erreicht. Im drehzahlgeregelten Betrieb kann z.B. für Drehzahlen n > 0 eine axiale Verschiebung des Stators durchgeführt werden. Die Verschiebung führt zu einer variierenden aktiven Überdeckungsfläche von Permanentmagneten und Wicklung und bewirkt somit eine Schwächung des Maschinenfeldes, da der integral wirksame magnetische Fluss stetig in Abhängigkeit der Statorstellung verändert wird. Dadurch wird sowohl die Erzeugung des Drehmoments als auch die Spannungsbildung des Motors beeinflusst. Es ergibt sich eine Anpassung des Spannungsbedarfs des Elektromotors über den gesamten Betriebsbereich. Somit ist eine bestmögliche Ausnutzung der Stromversorgungseinheit bezüglich der zur Verfügung stehenden Ströme und Spannungen möglich. Des Weiteren wird beim „Herausziehen" des Stators aus dem Erregerfeld das mit Wirbelströmen durchsetzte Eisenvolumen reduziert. Da eine höhere Frequenz der magnetischen Flussänderung eine umso höhere Bildung von Wirbelströmen nach sich zieht, kann insbesondere bei hohen Drehzahlen durch das Verringern des aktiven Eisenvolumens mittels Verschiebens des Stators eine Minderung der Blechverluste und damit eine verlustärmere Feldschwächung erzielt werden. Zusammengefasst bietet der erfindungsgemäße elektrische Synchronmotor mit mechanischer Feldschwächeinrichtung eine Mehrzahl von Vorteilen. So kann bei voll in das Erregerfeld eingetauchtem Stator ein vergleichsweise hohes Drehmoment, z.B. zum Anfahren des Motors, erzielt werden, während im Feldschwächbetrieb – d.h. bei mechanisch aus dem Erregerfeld herausgezogenem Stator – bei gleicher Leistung eine vergleichsweise hohe (Nenn-)Drehzahl erzielbar ist, welche über der Nenndrehzahl des Synchronmotors bei voll eingetauchtem Stator liegt. Des Weiteren können durch die mechanische Statorverschiebung bei hohen Drehzahlen die Eisenverluste aufgrund von Wirbelströmen verringert werden, so dass sich in einem weiten Betriebsbereich ein hoher Wirkungsgrad ergibt. Außerdem ist mittels der mechanischen Statorverschiebung eine aktive Leistungsanpassung des Synchronmotors an die Stromversorgungseinrichtung möglich, ohne auf die herkömmliche Ansteuertechnik mit verlustbehafteter elektrischer, Feldschwächung oder Polumschaltungen zurückgreifen zu müssen. Die Ansteuerung des Synchronmotors kann dabei über herkömmliche Stromversorgungseinrichtungen erfolgen. Der erfindungsgemäße elektrische Synchronmotor mit mechanischer Feldschwächeinrichtung kann vorzugsweise in sämtlichen Bereichen Anwendung finden, in denen sowohl ein hohes Anfahrmoment als auch gleichzeitig eine hohe Nenndrehzahl gefordert wird.The invention is based on the finding that the basic principle of an electromagnetic torque converter can also be transferred to a synchronous electric motor. In the course of this occurs the surprising effect of days, that also by mechanical means, if necessary, a field weakening can be achieved, which, unlike the previously known electrical procedures, is particularly low loss executable. This is inventively achieved by an electric synchronous motor with field weakening device and a method for its operation are proposed, comprising at least one stator, which has at least one winding, and at least one rotor for generating a magnetic field exciter, wherein the winding is at least partially disposed in the exciter field and upon application of the winding with a winding current, a torque can be generated in the rotor and the stator is arranged to be axially displaceable, so that the active conductor length L T of the winding, which is located in the exciting field of the rotor, is variable. It may also be a relative movement of the stator, ie, the stator is fixed and the rotor is moved. In this way, the machine geometry of an electric synchronous motor, in particular in speed-controlled operation, can be mechanically changed so that its efficiency advantages can be combined with the requirement for low-loss field weakening. In addition to the active field weakening, which allows a higher speed with the same power, a reduction of sheet metal losses at high speeds is achieved by the axial displacement of the stator and thus shortening the active conductor length of the winding. In speed-controlled operation, for example, for rotational speeds n> 0, an axial displacement of the stator can be performed. The displacement leads to a varying active coverage area of permanent magnet and winding and thus causes a weakening of the machine field, since the integrally effective magnetic flux is continuously changed depending on the stator. Thereby both the generation of the torque and the voltage formation of the motor is affected. This results in an adaptation of the voltage requirement of the electric motor over the entire operating range. Thus, the best possible utilization of the power supply unit with respect to the available currents and voltages is possible. Furthermore, when the stator is pulled out of the exciting field, the iron volume interspersed with eddy currents is reduced, since a higher frequency of the magnetic flux change causes a higher eddy current formation, especially at high rotational speeds by reducing the active iron volume by shifting the In summary, the electric synchronous motor with mechanical field weakening device according to the invention offers a plurality of advantages: a comparatively high torque, for example for starting the motor, can be achieved when the stator is fully immersed in the excitation field, while in field weakening operation - ie at mechanically pulled out of the exciting field stator - at the same power a comparatively high (rated) speed can be achieved, which is above the rated speed of the synchronous motor with fully immersed Sta Furthermore, due to the mechanical stator displacement at high rotational speeds, the iron losses due to eddy currents can be reduced, resulting in a high degree of efficiency over a wide operating range. In addition, an active power adjustment of the synchronous motor to the power supply device is possible by means of the mechanical stator displacement, without having to resort to the conventional control technique with lossy electrical, field weakening or Polumschaltungen. The control of the synchronous motor can be done via conventional power supplies. The electric synchronous motor with mechanical field weakening device according to the invention can preferably be used in all areas in which both a high starting torque and at the same time a high rated speed is required.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der elektrische Synchronmotor als permanenterregter bürstenloser Gleichstrommotor („brushless DC-Motor”) ausgebildet. Damit ist ein kommutatorloser Antrieb mit dem Betriebsverhalten einer Gleichstrommaschine gemeint, wobei es sich um eine mit Permanentmagneten erregte Synchronmaschine handelt, welche z.B. mit blockförmigen Strömen angesteuert wird. Diese sind insbesondere in vorteilhafter Weise als Elektroantrieb in Hybrid-Fahrzeugen oder z.B. als Servomotoren einsetzbar.In an advantageous embodiment is the electric synchronous motor as a permanent-magnet brushless DC motor ("brushless DC motor ") educated. This is a commutatorless drive with the operating behavior a direct current machine, which is one with permanent magnets excited synchronous machine which is e.g. is driven with block-shaped currents. These are particularly advantageous as an electric drive in hybrid vehicles or e.g. can be used as servomotors.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der Rotor als Innenläufer oder als Außenläufer ausgebildet. Der elektrische Synchronmotor umfasst dann eine Vorrichtung zur axialen Verschiebung des im Innen- oder Außenteil des Synchronmotors befindlichen Stators aus dem Erregerfeld des Rotors heraus. Dabei sind sowohl Rotor als auch Stator vorzugsweise hohlzylindrisch ausgebildet. Grundsätzlich ist in gleicher Weise vorstellbar, dass anstatt des Stators der Rotor mindestens eine Wicklung aufweist und umgekehrt der Stator Permanentmagnete zur Erzeugung eines magnetischen Erregerfeldes aufweist. Ebenso ist grundsätzlich vorstellbar, dass anstatt des Stators auch der Rotor (oder auch beide) axial verschiebbar ausgebildet sind.In In a further advantageous embodiment, the rotor is as internal rotor or designed as an external rotor. The electric synchronous motor then comprises a device for axial displacement of the located in the inner or outer part of the synchronous motor Stators out of the excitation field of the rotor. Both are Rotor and stator preferably formed as a hollow cylinder. in principle is conceivable in the same way that instead of the stator of the Rotor has at least one winding and vice versa, the stator Permanent magnets for generating a magnetic exciter field having. Likewise is basically conceivable that instead of the stator and the rotor (or both) are formed axially displaceable.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist eine zusätzliche Windungsumschaltung vorgesehen. Auf diese Weise können die Möglichkeiten einer verbesserten Anpassung an eine Stromversorgungseinrichtung noch erweitert werden.In Another advantageous embodiment is an additional one Windungsumschaltung provided. In this way, the Possibilities of a improved adaptation to a power supply device yet be extended.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist in einem Hochdrehmomentbetrieb bei einer Drehzahl n, die zwischen 0 und einer Nenndrehzahl n1 liegt, und einem Nennmoment Mn des Synchronmotors der Stator mit der maximalen aktiven Leiterlänge LT_max der Wicklung in das Erregerfeld des Rotors eingetaucht. Der Synchronmotor wird also im Drehzahlbereich zwischen 0 und n1 vorzugsweise bei komplett in den Rotor eingetauchtem Stator betrieben. Hier wirkt die maximale Flussverkettung ΦNenn, und der Spannungsbedarf des Synchronmotors steigt näherungsweise linear mit der Motordrehzahl n. Bei Motornennstrom entwickelt der Motor sein Nennmoment Mn. Auf diese Weise lässt sich im drehzahlgeregelten Betrieb eine (Teil-)Betriebsstrategie für den Hochdrehmomentbetrieb, z.B. zum Anfahren, realisieren.In a further advantageous embodiment, in a high-torque operation at a rotational speed n which is between 0 and a nominal rotational speed n 1 and a nominal torque M n of the synchronous motor, the stator with the maximum active conductor length L T_max of the winding is immersed in the exciting field of the rotor. The synchronous motor is thus operated in the speed range between 0 and n 1, preferably with fully immersed in the rotor stator. Here, the maximum flux linkage Φ nominal acts, and the voltage requirement of the synchronous motor increases approximately linearly with the motor speed n. With motor rated current, the motor develops its rated torque M n . In this way, in (speed) controlled operation, a (partial) operating strategy for high-torque operation, eg for starting, can be realized.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist in einem Hochdrehzahlbetrieb bei einer Drehzahl n, die zwischen der Nenndrehzahl n1 und einer maximalen Drehzahl n2 liegt, und einem Drehmoment M ~ 1/n die aktive Leiterlänge LT der Wicklung durch axiales Verschieben des Stators aus dem Erregerfeld heraus verkürzt. D.h., im Drehzahlbereich zwischen n1 und n2 wird der Stator axial aus dem Rotor „herausgezogen" und die Eintauchtiefe LT wird somit reduziert. Die Flussverkettung Φ sinkt in der Art, dass die Motorspannung UKL konstant bleibt. Damit fällt (bei Nennstrom) das Motormoment mit 1/n, wobei die Leistung konstant bleibt, da Nennspannung UNenn und Nennstrom anliegen. Auf diese Weise lässt sich im drehzahlgeregelten Betrieb eine (Teil-)Betriebsstrategie für den Hochdrehzahlbetrieb realisieren.In a further advantageous embodiment, in a high speed operation at a speed n, which is between the rated speed n 1 and a maximum speed n 2 , and a torque M ~ 1 / n, the active conductor length L T of the winding by axial displacement of the stator of the Shortened exciter field. In other words, in the speed range between n 1 and n 2 , the stator is "pulled out" axially from the rotor and the immersion depth L T is thus reduced The flux linkage Φ decreases in such a way that the motor voltage U KL remains constant ) the motor torque with 1 / n, whereby the power remains constant, because nominal voltage U rated and nominal current are applied, in this way a (partial) operating strategy for the high-speed operation can be realized in speed-controlled operation.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die axiale Verschiebung des Stators über eine Aktorik lagegeregelt, wobei die Aktorik vorzugsweise elektrisch oder hydraulisch ausgebildet ist. Es ist aber auch denkbar, dass jegliche andere Formen von Aktoren zur Anwendung kommen, z.B. pneumatische Aktoren oder Kombinationen der vorgenannten. Weiter vorzugsweise ist ein Lagesollwert LT_soll des Stators in Abhängigkeit des momentanen Betriebszustands des Motors ermittelbar. Es ist aber auch weiter vorzugsweise denkbar, dass der Lagesollwert LT_soll des Stators zudem in Abhängigkeit des aktuellen Stroms und/oder der aktuellen Spannung der Stromversorgungseinrichtung ermittelbar ist. Somit kann im drehzahlgeregelten Betrieb mittels der Aktorik jeweils diejenige Statorposition, die dem erwünschten Betriebszustand des Synchronmotors und/oder der Stromversorgungseinrichtung und/oder des Gesamtsystems, in welchem der Synchronmotor als Antriebsaggregat agiert, hinsichtlich Drehzahl, Drehmoment, Leistung, Motorspannung, Motorstrom oder Wirkungsgrad bestmöglich entspricht, eingestellt werden. Die Speisung des Synchronmotors kann dabei vorzugsweise über bekannte selbstgeführte Stromrichter erfolgen. Die Ansteuerung des Stromrichters kann dann weiter vorzugsweise durch eine übergeordnete Strom-, Drehzahl- und Lageregelung vorgenommen werden.In a further advantageous embodiment, the axial displacement of the stator is position-controlled via an actuator, the actuator preferably is formed electrically or hydraulically. However, it is also conceivable that any other forms of actuators are used, eg pneumatic actuators or combinations of the aforementioned. Further preferably, a position setpoint L T_soll of the stator can be determined as a function of the current operating state of the motor. However, it is also preferably conceivable that the position setpoint L T_soll of the stator can also be determined as a function of the current and / or the current voltage of the power supply device . Thus, in the speed-controlled operation by means of the actuators, in each case that stator position that best suits the desired operating state of the synchronous motor and / or the power supply device and / or the entire system in which the synchronous motor acts as a drive unit with respect to speed, torque, power, motor voltage, motor current or efficiency corresponds to be adjusted. The supply of the synchronous motor can preferably be effected via known self-commutated power converters. The control of the power converter can then be made preferably further by a higher-level current, speed and position control.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. in den zugehörigen Zeichnungen zeigenThe Invention will be described below with reference to a preferred embodiment explained in more detail. in the associated Drawings show
- 11
- Synchronmotorsynchronous motor
- 55
- Statorstator
- 77
- Wicklungwinding
- 88th
- Verschiebungsrichtungshift direction
- 1010
- Rotorrotor
- 1212
- Permanentmagnetpermanent magnet
- 1414
- Achseaxis
- 1515
- Pfeilarrow
- ΦΦ
- Flussverkettungflux linkage
- ΦNenn Φ nominal
- NennflussverkettungNominal flux linkage
- LT L T
- aktive Leiterlängeactive conductor length
- LT_max L T_max
- maximale aktive Leiterlängemaximum active conductor length
- MM
- Motormoment (bei Nennstrom)engine torque (at rated current)
- Mn M n
- Nennmoment (ohne Feldschwächung)rated torque (without field weakening)
- nn
- MotordrehzahlEngine speed
- n1 n 1
- Nenndrehzahl (ohne Feldschwächung)Rated speed (without field weakening)
- n2 n 2
- maximale Drehzahl (Nenndrehzahl mit Feldschwächung)maximum Speed (rated speed with field weakening)
- UKL U KL
- Motorspannungmotor voltage
- UNenn U nominal
- Nennspannungnominal voltage
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