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Die
Erfindung betrifft eine Synchronmaschine und ein Verfahren zum Betreiben
einer Synchronmaschine.
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Elektrische
Synchronmaschinen umfassen meist einen Stator, mit welchem ein Drehfeld
erzeugbar ist, das einen im Inneren des Stators angeordneten, Dauermagnete
aufweisenden Rotor in Drehbewegung versetzt.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Synchronmaschine
besser in kostengünstiger
Weise regelbar zu machen.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe bei der Synchronmaschine nach den in Anspruch 1 und bei dem
Verfahren nach den in Anspruch 15 angegebenen Merkmalen gelöst.
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Wichtige
Merkmale der Erfindung bei der Synchronmaschine sind, dass sie bestrombare
Erregerfeldspulen umfasst, wobei zur Versorgung der Erregerfeldspulen
eine Sekundärspule
vorgesehen ist, die induktiv an eine Primärspule gekoppelt vorgesehen
ist.
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Von
Vorteil ist dabei, dass die Bestromung und somit die von den Erregerfeldspulen
erzeugbare Feldstärke
veränderbar
ist. Auf diese Weise ist eine besonders einfache kostengünstige Steuerung
oder Regelung der Synchronmaschine ermöglicht. Außerdem ist mittels der steuerbaren
Bestromung ein großer
Drehzahlstellbereich ermöglicht,
weil die Motorspannung mittels der Bestromung beeinflussbar ist, insbesondere
reduzierbar. Das Reduzieren der Motorspannung verhindert ein Überschreiten
von kritischen Spannungswerten und somit beispielsweise ein Durchschlag
innerhalb der Wicklung. Auch technische Defekte am Umrichter werden
vermieden.
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Außerdem ist
mittels der Steuerbarkeit des Stromes in den Erregerfeldspulen im
generatorischen Betrieb die an der Statorwicklung induzierte Spannung
steuerbar oder regelbar. Auf diese Weise ist die Synchronmaschine
beispielhaft als Generator einsetzbar, dessen gleichgerichteter
Statorwicklungsstrom zum Laden einer Batterie, wie beispielsweise
Batterie eines Automobils, verwendet wird. Die die Batterie speisende
Spannung ist mittels der Steuerung des Stromes in den Erregerfeldspulen
auf einen gewünschten
Sollwert hin steuerbar oder regelbar. Ein DC/DC Steller ist somit
entbehrlich.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Erregerfeldspulen derart
orientiert, dass das von ihnen jeweils erzeugte Magnetfeld in radialer
Richtung ausgerichtet ist. Von Vorteil ist dabei, dass Permanentmagnete
funktionsgleich in einfacher Weise ersetzbar sind, indem am Umfang
des Rotors die Wicklungen verbunden werden, insbesondere unter Einbringung
eines Eisenblechpakets.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Erregerfeldspulen auf
einer Rotorwelle der Synchronmaschine angeordnet, insbesondere drehfest mit
dieser verbunden, sind. Von Vorteil ist dabei, dass das erregende
Feld mitdreht und somit einen hohen Wirkungsgrad im generatorischen
Betrieb sowie auch im motorischen Betrieb ermöglicht.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Sekundärwicklung
auf einer Rotorwelle der Synchronmaschine angeordnet, insbesondere
drehfest mit dieser verbunden sind. Von Vorteil ist dabei, dass eine
berührungslose
Energieübertragung
zur Versorgung der Erregerfeldspulen ermöglicht ist an das drehende
Teil, also den Rotor.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Primärwicklung stationär, insbesondere
also mit dem Gehäuse
der Synchronmaschine verbunden, angeordnet vorgesehen. Von Vorteil
ist dabei, dass die Primärwicklung
sogar geschützt
im Gehäuse
vorsehbar ist und somit kein zusätzliches
Gehäuse
angefertigt werden muss. Außerdem
ist sie axial von der Statorwicklung beabstandet vorsehbar und somit
eine Störung
des Betriebs der Synchronmaschine oder der Energieübertragung
vermeidbar.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Sekundärspule und/oder die Primärspule rotationssymmetrisch
ausgeführt,
insbesondere ist sie als konzentrische Wicklung ausgeführt. Von
Vorteil ist dabei, dass die Herstellung besonders einfach und kostengünstig ist.
Außerdem
ist einphasiger Strom verwendbar.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist zumindest ein Eisenblechpaket
zur induktiven Koppelung der Sekundärspule an die Primärspule vorgesehen.
Von Vorteil ist dabei, dass Magnetfeldlinien konzentrierbar sind
und somit der Kopplungsgrad verbesserbar ist, wobei Wirbelstromverluste
gering haltbar sind.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung wird in die Primärspule von
einer Einspeiseschaltung ein Wechselstrom, insbesondere einphasigen
Wechselstrom, eingeprägt
oder an der Primärspule
eine Wechselspannung angelegt, wobei die zugehörige Frequenz mindestens 10
kHz, insbesondere zwischen 20 kHz und 500 kHz, beträgt. Von
Vorteil ist dabei, dass die Wechselgrößen mittels Leistungshalbleiterschaltern,
wie IGBT oder MOSFET, in kostengünstiger
Weise erzeugbar sind. Insbesondere ist bei der Verwendung von Leistungshalbleiterschaltern ein
pulsweitenmoduliertes Ansteuern ausführbar, wodurch eine besonders
einfache aber auch genaue Erreichung der gewünschten Sollwerte ausführbar ist. Wenn
zusätzlich
noch Stromerfassungsmittel und/oder Spannungserfassungsmittel an
der Primärspule
vorgesehen werden, ist sogar ein Regelung auf die gewünschten
Sollwerte hin ausführbar.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist mit der Sekundärspule ein
Kondensator in Reihe oder parallel zugeschaltet derart vorgesehen,
dass die zugehörige
Resonanzfrequenz im Wesentlichen der Frequenz des eingeprägten Stromes
oder der angelegten Spannung entspricht. Von Vorteil ist dabei, dass
auch bei schlechtem Kopplungsgrad der induktiven Kopplung oder bei
schwankendem Kopplungsgrad während
des Drehbetriebs ein hoher Wirkungsgrad bei der berührungslosen
Energieübertragung erreichbar
ist.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist ein Gleichrichter vorgesehen,
der zwischen den Erregerfeldspulen und der Sekundärspule vorgesehen
ist zur Versorgung der Erregerfeldspulen mit unipolarem Strom und/oder
unipolarer Spannung, insbesondere Gleichspannung. Von Vorteil ist
dabei, dass die Erregerfeldspulen mit Gleichstrom bestrombar sind
und somit ein magnetisches Gleichfeld, also kein veränderliches
Wechselfeld, erzeugbar ist. Wenn statt eines Gleichstromes ein Strom
mit Restwelligkeit verwendet wird, ist mittels der Spulenwicklung
eine zusätzliche
Glättung
erreichbar.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Drehzahl kleiner als die
Frequenz, insbesondere 10 mal oder 100 mal kleiner. Von Vorteil
ist dabei, dass die Energieübertragung
an die Erregerfeldspulen völlig
entkoppelt ist von der sonstigen Betriebsweise der Synchronmaschine.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Strom in den Erregerfeldspulen
steuerbar. Von Vorteil ist dabei, dass ein Steuern unabhängig von
der Drehzahl ausführbar
ist und somit auch eine Spannungsabsenkung ermöglicht ist.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung sind Mittel zur Erfassung des
Stromes derart vorgesehen, dass der Strom in den Erregerfeldspulen
regelbar ist. Von Vorteil ist dabei, dass ein Sollwert möglichst
genau und schnell erreichbar ist.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung wird die an der Statorwicklung
im generatorischen Betrieb auftretende Spannung, insbesondere Drehspannung,
einem Gleichrichter zugeführt,
insbesondere einem nur nicht ansteuerbare Halbleiter, wie Dioden, umfassenden
Gleichrichter, insbesondere einem aus drei, jeweils aus einer Reihenschaltung
von zwei oder mehr zusammengesetzten Halbbrücken bestehenden Gleichrichter,
wobei
die gleichgerichtete Spannung direkt, insbesondere also ohne DC/DC-Wandler,
einer Batterie zugeführt
wird, insbesondere zu deren Aufladung.
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Insbesondere
wird bei einem Verfahren zum Betreiben einer vorgenannten Synchronmaschine die
an der Statorwicklung im generatorischen Betrieb auftretende Spannung
oder deren gleichgerichteter Wert erfasst und auf einen Sollwert
hin geregelt, indem die in die Primärspule eingespeiste Spannung oder
der in diese Primärspule
eingeprägte
Strom als Stellgröße verwendet
wird.
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Von
Vorteil ist dabei, dass mittels Stellen der Primärspannung ohne sonstigen großen Steuerungsaufwand
bei beliebigen Drehzahlen auf den gewünschten Sollwert, insbesondere
an der Batterie, hin geregelt wird.
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Weitere
Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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- 1
- Statorgehäuse mit
Statorwicklung
- 2
- Erregerfeldspule
- 3
- Verbindung
- 4
- Primärspule
- 5
- Sekundärspule
- 6
- Rotorwelle
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Die
Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:
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In
der 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung schematisch
skizziert.
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Die
erfindungsgemäße elektrische
Synchronmaschine umfasst einen Stator mit Statorgehäuse 1 und
Statorwicklung, mit welcher bei motorischer Betriebsweise ein Drehfeld
erzeugbar ist, das einen im Inneren des Stators angeordneten, bestrombare
Erregerfeldspulen 2 anstatt Dauermagnete aufweisenden Rotor
in Drehbewegung versetzt.
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Mittels
der Bestromung der Feldspulen 2 wird also anstatt eines
Dauermagneten mit konstanter Magnetfeldstärke ein Element mit steuerbarer Feldstärke eingesetzt.
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Bei
generatorischer Betriebsweise erzeugt der Stator elektrische Energie
in Form eines Drehstromes. In diesem Fall ist die Synchronmaschine
als Generator eingesetzt.
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Vorzugsweise
wird zur Bestromung der Feldspulen 2 ein Gleichstrom verwendet,
der mittels eines Gleichrichters aus dem an zumindest einer Sekundärspule 5 auftretenden
Wechselstrom erzeugt wird, wobei die Sekundärspule 5 an der Rotorwelle 6 drehfest,
also mitdrehend, angeordnet ist. Die Sekundärspule 5 ist induktiv
gekoppelt an eine Primärspule 4, die
stationär,
also nicht mitdrehend, angeordnet ist. Vorzugsweise ist die Primärspule 4 mit
dem Statorgehäuse 1,
also dem die Statorwicklung umgebenden Gehäuse, direkt oder indirekt fest
verbunden.
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Der
Gleichrichter ist also ebenso wie die Erregerfeldspule 2 und
die Sekundärwicklung
der Sekundärspule 5 auf
der Rotorwelle 6 angeordnet.
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Besonders
gute Kopplung ist erreichbar, indem zumindest ein Eisenblechpaket
im Bereich der Feldlinien angeordnet wird.
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Das
Eisenblechpaket besteht vorzugsweise aus einer Vielzahl von übereinander
parallel gestapelt angeordneten Eisenblechen.
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Sekundärspule 5 und
Primärspule 4 sind
rotationssymmetrisch ausgeführt.
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Die
Primärspule 4,
also Primärwicklung,
wird mit einem Wechselstrom beaufschlagt, dessen Frequenz weit höher liegt,
als die Frequenz des im generatorischen Betrieb von der Synchronmaschine
erzeugten Drehstromes. Beispielhaft sind Frequenzen oberhalb 10
kHz vorteilhaft verwendbar. Besonders bevorzugt sind Frequenzen
zwischen 20 und 500 kHz einsetzbar.
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Primärspule 4 und
Statorgehäuse 1 sind
mittels einer Verbindung 3 verbunden. Alternativ ist die Primärspule 4 im
Statorgehäuse 1 angeordnet.
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Bei
weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen
wird der Sekundärspule
eine Kapazität
in Reihe oder parallel derart zugeschaltet, dass die zugehörige Resonanzfrequenz
der Frequenz des in die Primärspule
eingeprägten
Wechselstromes im Wesentlichen entspricht. Auf diese Weise ist auch
bei schwankendem oder sonstwie verschlechtertem induktiver Kopplungsgrad
ein hoher Wirkungsgrad bei der Übertragung
erreichbar.
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Vorzugsweise
ist die Sekundärspule
mit dem Rotor drehfest verbunden und axial im Bereich der Primärspule angeordnet,
wobei der axiale Bereich der Sekundärspule innerhalb des axialen
Bereichs der Primärspule
angeordnet ist oder zumindest der axiale Bereich der Sekundärspule eine
nichtverschwindende Schnittmenge mit dem axialen Bereichs der Primärspule aufweist.
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Die
Sekundärspule
ist radial innerhalb der Primärspule
angeordnet, also auf einem kleineren Radialabstand als der kleinste
Radialabstand der Wicklung der Primärspule.
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Da
der in die Primärspule
eingeprägte
Wechselstrom oder die an der Primärspule angelegte Wechselspannung
von einer elektronischen Schaltung, einer sogenannten Einspeiseschaltung,
vorgebbar ist, ist die Frequenz dieses Stromes und somit auch die
Frequenz der sekundärseitig
induzierten Spannung unabhängig
von der Rotordrehzahl der Synchronmaschine. Somit ist die Bestromung
der Feldspulen und daher auch das von diesen erzeugte Feld unabhängig vorgebbar,
insbesondere steuerbar.
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Bei
weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen
ist das erzeugte Feld auch regelbar, wobei hierzu entweder Feldsensoren
vorgesehen sind und die von diesen bestimmten Istwerte der Einspeiseschaltung
zugeleitet werden oder wobei aus den erfassten Strom- und/oder Spannungswerten der
Synchronmaschine ein Modellwert für das von den Feldspule erzeugte
Magnetfeld bestimmt wird und dieser Wert der Einspeiseschaltung
zugeleitet wird.
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Vorteilig
ist bei der Erfindung, dass nur zwei Spulenwicklungen, also die
Primärspulenwicklung und
die Sekundärspulenwicklung,
notwendig sind zur Versorgung der Feldspulen, also Erregerwicklungen. Außerdem sind
die Wicklungen durch einfache konzentrische Wicklungen kostengünstig herstellbar.
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Weiter
vorteilig ist auch, dass nur eine einphasige Spannung, also auch
nur ein einphasiger Strom, der Primärspule zugeführt werden
muss.