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Die
Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Antriebsmaschine. Eine
solche Antriebsmaschine ist insbesondere nach dem Prinzip einer
Synchronmaschine, Asynchronmaschine oder synchrone Reluktanzmaschine
aufgebaut und kann als Linear- oder Drehantrieb dienen.
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Elektrische
Antriebsmaschinen bestehen aus einem Stator und einem relativ zum
Stator bewegten Läufer. Dabei ist unter Umständen
elektrische Energie auf dem Läufer erforderlich, beispielsweise:
- – zur Steuerung der Antriebsleistung
durch separate Speisung des Läufers, wie z. B. Erregerleistung
bei elektrisch erregter Synchronmaschine oder doppelt gespeister
Asynchronmaschine.
- – als Hilfsenergie zum Be- und Entladen bei Transportaufgaben,
Spannen von Werkstücken oder Werkzeugen, für eine
Sensorik, beispielsweise Temperatur, Lage, für Datenübertragungssysteme.
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Zur
Energieübertragung in einer Antriebsmaschine ist ein geeignetes
Energieübertragungssystem erforderlich. Da die Antriebsmaschine
je nach Anwendung als Synchronmaschine, Asynchronmaschine oder Reluktanzmaschine
einschließlich spezifischer Untertypen ausgelegt ist, ist
für deren Auslegung eine Reihe von Parametern zu berücksichtigen.
Das Energieübertragungssystem muss in die Arbeitsmaschine
integriert oder separat angebaut werden. Beim Stand der Technik
wird die erforderliche Leistung beispielsweise mittels Schleifkontakten
oder Schleppkabeln (bei begrenztem Verfahrweg/-winkel) übertragen.
Es ist auch bekannt, ein separates Energieübertragungssystem
mit räumlich getrenntem Aktivteil vorzusehen, z. B. die
Erregermaschine in einer Synchronmaschine, oder lineare induktive
Energieübertragungssysteme. Dieses Prinzip wird beispielsweise
in der
DE 42 36 340
A1 beschrieben.
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Inhärente
Probleme dieser bekannten Problemlösungen sind:
- – zusätzlich erforderlicher
Bauraum/Masse für das Energieübertragungssystem:
Bei Schleppkabeln ist die bewegte Schleppkabelmasse sogar variabel.
- – Verschleiß, Reibung, Verschmutzung.
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Eine
aus der
DE 10
2005 024 203 A1 bekannte Vorgehensweise besteht darin,
Antriebs- und Energieübertragungsfunktion in einem gemeinsamen
Aktivteil unterzubringen und durch eine geeignete Wahl der Wicklungsparameter
dafür zu sorgen, dass die Antriebs- und die Energieübertragungsfunktion
weitestgehend unabhängig voneinander betreibbar sind.
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Die
der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist es, eine elektrische
Maschine mit Antriebs- und Energieübertragungsfunktion
mit einem erweiterten Funktionsumfang zu schaffen.
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Die
Aufgabe wird durch eine elektrische Maschine mit den Merkmalen von
Anspruch 1 gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen
Ansprüchen angegeben.
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Die
erfindungsgemäße elektrische Maschine weist dabei
folgende Einheiten auf:
- – einen Stator
und einen Läufer;
- – ein Antriebssystem zum Antrieb des Läufers;
- – ein Energieübertragungssystem zur Versorgung
des Läufers mit elektrischer Energie;
- – ein gemeinsames Aktivteil für das Antriebssystem
und das Energieübertragungssystem, in dem Wicklungen und
ggfs. Permanentmagnete beider Systeme vorgesehen sind;
- – wenigstens eine Läuferwicklung und wenigstens
einer Statorwicklung im Aktivteil; und
- – einen Stromrichter im Läufer zur Auskopplung
der elektrischen Energie.
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Der
Stromrichter ist ausgestaltet, eine Wechselspannung für
eine Lageerfassungsfunktion auf die Läuferwicklung aufzuprä gen
und im Energieversorgungssystem sind Mittel für eine Detektion
der durch die Wechselspannung in der Statorwicklung erzeugten Stromkomponente
und eine Ermittlung der Position des Läufers aus der Stromkomponente
vorgesehen.
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Bei
der Maschine handelt es sich um einen Drehantrieb oder alternativ
um einen Linearantrieb. Das Antriebssystem der Antriebsmaschine
ist ein- oder mehrphasig ausgestaltet und sorgt für einen
Antrieb des Läufers durch Interaktion der Magnetfelder
von Stator und Läufer mit der charakteristischen Polteilung
des Antriebssystems.
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Der
Stator und der Läufer weisen jeweils zumindest eine Wicklung
auf, die ein- oder mehrphasig ausgestaltet ist. Weiterhin können
neben zusätzlichen Wicklungen in bestimmten Ausgestaltungen
der Maschine auch Permanentmagnete im Aktivteil vorgesehen sein.
Die Wicklungen und ggfs. Permanentmagnete für Antrieb bzw.
Energieübertragung sind dabei räumlich nahe beieinander
im gemeinsamen Aktivteil in denselben Nuten untergebracht.
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Das
Energieübertragungssystem sorgt dafür, dass im
Läufer elektrische Energie zur Verfügung steht, die
beispielsweise dem Spannen von Werkzeugen, der Versorgung von Sensoren
oder weiteren Antriebsachsen dient. Die elektrische Energie wird über
einen Stromrichter, bevorzugt einen selbstgeführten Stromrichter, im
Läufer ausgekoppelt. Mit einem solchen Stromrichter lässt
sich eine läuferseitige Spannung hochsetzend geregelt gleichrichten
und Energie zum Stator zurückspeisen. Gleichzeitig lässt
sich damit eine Wechselspannung mit bevorzugt höherer Frequenz
in die Läuferwicklung einprägen.
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Das
aus der eingeprägten Wechselspannung resultierende Feld
koppelt in die Statorwicklung ein und erzeugt dort eine entsprechende
Stromkomponente. Ein im läuferfesten Wicklungssystem eingeprägte
Wechselspannung induziert einen Statorstrom, der beobachtet die
Bestimmung der Position des Läufers er laubt.
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Für
eine statorseitig leerlaufende Statorwicklung ergibt sich ein typischer
Resolver. Werden mit dem statorseitigen Wechselrichter die Statorströme
mit Messfrequenz ausgeregelt, so verhält sich die Statorwicklung
bei Messfrequenz wie eine leerlaufende Wicklung. Die Ausgänge
der Stromregler geben dann die induzierten, zu messenden Spannungen
an.
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Die
Wechselspannung weist zweckmäßig eine läuferfeste
Raumzeigerlage auf, um eine eindeutige Positionsbestimmung überhaupt
zu ermöglichen. Wird in einer festzulegenden Achse des
Läuferwicklungssystems eine Wechselspannung ud(t)
eingeprägt, so gehorchen die Statorströme und
-flußverkettungen in rechtwinkligen α/β-Statorkoordinaten
dem folgenden Zusammenhang. Dabei sind A, B, M, L1 und σ maschinenabhängige
Konstanten oder abhängig von der langsam veränderlichen
Rotorposition βL. Man erkennt,
dass die läuferseitig eingeprägte Spannung in
statorfesten Koordinaten eine sin/cos-förmig moduliert
Anregung darstellt.
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Die
erfindungsgemäße Antriebsmaschine mit den beschriebenen
Merkmalen weist neben der Antriebs- und der Energieübertragungsfunktion
also nahezu ohne zusätzlichen Aufwand eine Positionserfassung für
den Läufer auf. Eine solche Positionserfassung ist grundsätzlich
erforderlich für positions- oder drehzahlgeregelte Antriebe.
Ein spezieller und zusätzlicher Sensor, beispielsweise
ein Inkrementalgeber, ist nicht erforderlich.
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Antriebe,
die nicht nur die Antriebsfunktion besitzen, sondern gleichzeitig
elektrische Leistung auf ihren Läufer liefern und dabei
ohne weiteres magnetisches Aktivteil auskommen, stellen eine vorteilhafte
Lösung dar, bei den Zielen Antrieb und Energieübertragung
in einer Maschine Kosten, Bauraum und Komplexität einzusparen.
Eine Integration der Lageerfassung in eine solche Maschine, ohne
dass dafür ein spezieller Sensor zusätzlich eingebaut
werden muss, erhöht weiter die Ausfallsicherheit und Robustheit
der Maschine, da ihr Aufbau weniger komplex ist bzw. erweitert ihren
Funktionsumfang.
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Die
Frequenz der Wechselspannung wird bevorzugt möglichst groß,
aber derart gewählt, dass sich eine ausreichende Kopplung
trotz Feldverdrängung aus dem Stator aufgrund von Wirbelströmen
ergibt.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung
ist die Antriebsmaschine derart ausgestaltet, dass die Stromkomponente,
die sich durch die eingeprägte Wechselspannung statorseitig
ergibt, dort durch Einprägen einer weiteren Wechselspannung
kompensiert wird. Zusätzliche Verluste durch die Lageerfassungsfunktion
werden hierdurch minimiert.
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Im
Fall der Synchronmaschine und ihrer Untergattungen kann eine einzige
Statorwicklung dem Antriebssystem und dem Energieübertragungssystem
gemeinsam zugeordnet sein und von beiden verwendet werden. Dazu
findet die Energieübertragung transformatorisch in der
d-Achse der Maschine, der Achse des Läuferfeldes statt.
Zusätzlich wird die Messspannung für die Positionserfassung
in der Läuferwicklung in der d-Achse eingeprägt.
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Der
Läufer kann als elektrisch erregter Läufer oder
als Permanentmagnetläufer mit vergrabenen oder oberflächlich
montierten Magneten ausgebildet sein. Beim elektrisch erregten Läufer
ist die Energieversorgungswicklung und Lageerfassungswicklung von
vornherein vorhanden.
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Eine
Sonderstellung nimmt die folgende Lageerfassung ein, die die herkömmliche
sensorlose Regelung betrifft. Vom Stator wird eine hochfrequente
Spannung eingeprägt und die Reaktion im Strom angesichts einer
läuferfesten Anisotropie gemessen und ausgewertet. Eine
unterschiedliche Reluktanz in verschiedenen Wicklungsachsen aufgrund
von Sättigungseffekten oder geometrischen Gegebenheiten
stellen eine magnetische Anisotropie dar. Insbesondere permanentmagnetisch
erregte Synchronmaschinen besitzen aber eine geringe Anisotropie
aufgrund eines großen wirksamen magnetischen Luftspalts.
Wird in den Pollücken der Oberflächen-Permanentmagneten
eine Käfigwicklung untergebracht, so wirkt aufgrund des
Wirbelstrompfads in der Käfigwicklung eine scheinbar kleinere
Induktivität in der Feldachse als in der Querachse.
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Weitere
Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der
Zeichnung in Verbindung mit den Patentansprüchen. Es zeigen jeweils
in schematischer Darstellung
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1 ein
Blockschaltbild einer elektrischen Antriebsmaschine mit induktiver
Energieübertragung und Positionserfassung,
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2 ein
Blockschaltbild einer Synchronmaschine mit einer Statorwicklung
für Antriebs- und Energieübertragungsfunktion,
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3 die
läuferseitige Spannungsaus-/-einkopplung mit einem einphasigen
selbstgeführten Stromrichter,
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Aus
den 1 und 2 ergeben sich prinzipielle
Aufbauten gemäß der Erfindung. Die weiteren Figuren
zeigen jeweils Einzelaspekte für unterschiedliche Ausführungsmöglichkeiten.
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In 1 ist
eine an ein Drehstromnetz 10 angeschlossene Antriebsmaschine 15 dargestellt,
die ein System zur Energie übertragung enthält.
Die 1 zeigt weiterhin einen Stromrichter 19,
der im Einzelnen aus einem Gleichrichter 11 und zwei an
den Gleichspannungszwischenkreis angeschlossenen Wechselrichtern 12 und 13 besteht.
Der erste Wechselrichter 12 ist für die Antriebsfunktion
des Motors zuständig und der zweite Wechselrichter 13 für
die Energieübertragungsfunktion. Beide Wechselrichter 12, 13 wirken
auf entsprechende Statorwicklungen der Antriebsmaschine 15 ein,
wobei die Statorwicklungen in einem gemeinsamen Aktivteil untergebracht
sind. Die Antriebsmaschine 15 hat weiterhin eine Antriebswelle 14,
die mit der Drehzahl n rotiert. Weiterhin ist eine elektrische Last 18 symbolisch
als ohmscher Widerstand vorhanden. Die elektrische Last 18 wird über
das Energieübertragungssystem mit Leistung versorgt, wobei
die Auskopplung der elektrischen Leistung über einen selbstgeführten
Stromrichter 17 geschieht. In diesem Fall ist auch eine
Energierückspeisung vom Lastkreis zum Stator möglich.
Nicht dargestellt ist die mechanische Last an der Abtriebswelle.
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Ein
Servoregler 16 dient der Rückkopplung zum ersten
Wechselrichter 12 und somit zur Drehzahl- und/oder Positionsregelung.
Ein Lageerfassungssystem, das Eingangsdaten für den Servoregler 16 liefert,
ist ebenfalls realisiert. Dazu ist der Servoregler 16 mit
den Statorwicklungen für die Energieübertragungs-
und die Antriebsfunktion verbunden. Die Statorwicklungen dienen
neben der Energieübertragung der Aufgabe eines Lagegebers.
Dazu wird vom selbstgeführten Stromrichter 17 eine
Wechselspannung in die Läuferwicklung des Energieübertragungssystems
eingeprägt. Das resultierende Feld mit konstanter und fest
mit der Läuferlage verknüpfte Feld koppelt in
die Statorwicklungen ein, sodass sich eine entsprechende Stromkomponente
im Stator ergibt. Diese Stromkomponente wird vom Servoregler 16 erfasst
und ausgewertet. Gegenüber dem Stand der Technik ist hierzu
also kein eigenes Lageerfassungssystem mehr notwendig.
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Eine
zweite Ausführungsmöglichkeit ist als Blockschaltbild
in 2 gezeigt. Bei der Maschine gemäß 2 handelt
es sich um eine Synchronmaschine 25. Diese weist gegenüber
der in 1 gezeigten Maschine lediglich eine Statorwicklung
auf, die sowohl für die Antriebs- als auch für
die Energieübertragungsfunktion genutzt wird. In diesem
Fall ist daher auch nur ein Gleichrichter 11 und ein Wechselrichter 22 erforderlich,
während der zweite statorseitige Wechselrichter der 1 entfällt.
Der Servoregler 16 ist mit der Statorwicklung und dem Wechselrichter 22 verbunden
und erfasst wiederum die Position und/oder Drehzahl n des Läufers sensorlos
und steuert den Wechselrichter 22 hinsichtlich eines geregelten
Motorbetriebs.
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Für
die Auskopplung der Energie im Energieübertragungssystem,
d. h. die Energieversorgung der Last 18 kommt in diesen
beiden Fällen ein einphasiger selbstgeführter
Stromrichter 32 gemäß der 3 zum Einsatz. 3 zeigt
weiterhin das gemeinsame Aktivteil 31 der Synchronmaschine 25,
wobei das Aktivteil 31 die dreiphasige Statorwicklung 33 im
Stator, die einphasige Läuferwicklung 34 des Energieübertragungssystems
im Läufer und hier die Permanentmagneten 41 für
den Läuferfluss der Antriebsfunktion im Läufer
enthält. Genauso könnte der Läuferfluss
mittels einer Erregerwicklung in der d-Achse elektrisch erzeugt
(Erregung) sein. Diese Erregerwicklung dient dann gleichzeitig der
Energieübertragung und Lageerfassung, sodass ohne weitere
Modifikationen die beiden letzten Funktionen in eine derartige Maschine
integrierbar sind. Die Läuferwicklung 34 ist verbunden
mit dem Stromrichter 32. Die Läuferwicklung 34 dient
in diesem Fall neben der Energieübertragung auch der Positionserfassung,
wozu sie mit der oben beschriebenen Wechselspannung beaufschlagt
wird.
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Im
Beispiel einer permanenterregten Maschine, z. B. gemäß 3 wirkt
in der d-Achse aufgrund der Reluktanz der Permanentmagnete 41 ein
relativ großer wirksamer Luftspalt und infolgedessen eine
relativ schlechte transformatorische Kopplung zwischen Stator und
Läufer. Aufgrund der größer wählbaren
Polteilung der Energieübertragungsfunktion lässt
sich mit einer weiteren Energieübertragungsstatorwicklung
entsprechend 1 grundsätzlich eine
bessere transformatorische Kopplung als in der Ausführungsform
nach 2 erzielen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 4236340
A1 [0003]
- - DE 102005024203 A1 [0005]
