DE102014118356A1

DE102014118356A1 - Stromversorgungseinheit und elektrische Maschine

Info

Publication number: DE102014118356A1
Application number: DE102014118356.8A
Authority: DE
Inventors: Gurakuq Dajaku; Florian BACHHEIBL; Dieter Gerling
Original assignee: FEAAM GmbH; Universitaet der Bundeswehr Muenchen
Current assignee: Universitaet der Bundeswehr Muenchen; Molabo GmbH
Priority date: 2014-12-10
Filing date: 2014-12-10
Publication date: 2016-06-16
Also published as: CN105703686B; US9800194B2; US20160173019A1; CN105703686A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Stromversorgungseinheit zum Speisen von mehreren, in jeweilige Nuten (2) eingelegten Leiterabschnitten (3) einer Statorwicklung einer elektrischen Maschine, wobei die Stromversorgungseinheit eingerichtet ist, einen ersten Leiterabschnitt und einen zweiten Leiterabschnitt mit mindestens einem unterschiedlichen Betriebsparameter einer jeweiligen Stromfunktion zu speisen und/oder die Stromversorgungseinheit eingerichtet ist, einen Leiterabschnitt mit mindestens zwei überlagerten Stromfunktionen zu speisen, die jeweils mindestens einen unterschiedlichen Betriebsparameter aufweisen. Weiterhin ist eine elektrische Maschine mit der Stromversorgungseinheit angegeben.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Stromversorgungseinheit zum Speisen von Leiterabschnitten einer Statorwicklung einer elektrischen Maschine sowie eine elektrische Maschine mit der Stromversorgungseinheit.
Der Stator einer elektrischen Maschine weist üblicherweise elektrische Wicklungen auf, die an ein elektrisches Stromsystem angeschlossen werden, das wiederum häufig mehrphasig ist.
Für Anwendungen mit mehr als zwei Spulen pro Pol pro Phase werden häufig verteilte Wicklungen eingesetzt. Derartige verteilte Wicklungen weisen zahlreiche Nachteile auf, beispielsweise einen durch einander überlappende Spulen erhöhten Herstellungsaufwand.
Der wesentliche Vorteil der verteilten Wicklung liegt jedoch darin, dass die magnetomotorische Kraft im Luftspalt zwischen Stator und einem beweglich dazu gelagerten Rotor der Maschine weniger Oberwellenanteil, das heißt einen geringeren Anteil unerwünschter Harmonischer der magnetomotorischen Kraft aufweist. Hierdurch ergibt sich eine hohe Leistungsfähigkeit der Maschine, welche geringe Rotorverluste, geringes Geräuschniveau und wenig Vibrationsprobleme einschließt.
Ein weiterer Nachteil der herkömmlichen verteilten Wicklung ist in dem aufwändigen Wicklungskopf begründet. Dort werden lange Drähte zur Verbindung der in den Nuten des Stators eingelegten Leiterabschnitte benötigt, um Distanzen über eine Vielzahl von Zähnen des Stators hinweg zu überbrücken.
Sowohl die verteilte, als auch die zahnkonzentrierte Wicklung haben den Nachteil, dass die Betriebsparameter wie beispielsweise die Polpaarzahl bei der Auslegung festgelegt werden und im Betrieb nicht veränderlich sind.
Es ist daher wünschenswert, die guten elektrischen Eigenschaften der verteilten Wicklung mit einem verringerten Herstellungsaufwand und einer erhöhten Flexibilität im Betrieb der Maschine zu verbinden.
Diese Aufgabe wird von der Stromversorgungseinheit gemäß Patentanspruch 1 sowie von der elektrischen Maschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 14 gelöst. Ausgestaltungen und vorteilhafte Weiterbildungen sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.
Nach dem vorgeschlagenen Prinzip ist eine Stromversorgungseinheit angegeben, welche zum Speisen von mehreren Leiterabschnitten einer Statorwicklung einer elektrischen Maschine ausgelegt ist. Die Leiterabschnitte sind dabei in jeweilige Nuten des Stators der elektrischen Maschine eingelegt.
Die Stromversorgungseinheit wiederum speist einen ersten der Leiterabschnitte und einen zweiten der Leiterabschnitte mit mindestens einem unterschiedlichen Betriebsparameter einer jeweiligen Stromfunktion. Alternativ oder zusätzlich ist die Stromversorgungseinheit eingerichtet, einen Leiterabschnitt mit mindestens zwei überlagerten Stromfunktionen zu speisen, die jeweils mindestens einen unterschiedlichen Betriebsparameter aufweisen.
Im ersten genannten Fall können selbstverständlich auch mehr als zwei Leiterabschnitte mit jeweiligen unterschiedlichen Betriebsparametern einer jeweiligen Stromfunktion gespeist werden. Selbstverständlich ist es auch im Rahmen des vorgeschlagenen Prinzips möglich, dass ein Leiterabschnitt mit mehr als zwei überlagerten Stromfunktionen gespeist wird. Die Speisung mit mindestens zwei überlagerten Stromfunktionen je Leiterabschnitt ist dabei mit Vorteil für mehrere Leiterabschnitte oder alle Leiterabschnitte der Statorwicklung möglich.
Die Leiterabschnitte sind in einer Ausführungsform im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet und verlaufen in parallelen Nuten des Stators.
Die Leiterabschnitte sind in einer Ausführungsform mit zwei Anschlüssen versehen, welche beispielsweise an gegenüberliegenden Enden der Leiterabschnitte vorgesehen sein können. Je ein erster Anschluss der Leiterabschnitte ist mit der Stromversorgungseinheit gekoppelt. In dem jeweiligen zweiten Anschluss sind die Leiterabschnitte unter Bildung eines Kurzschlusses miteinander elektrisch verbunden. Dies kann beispielsweise mittels eines Kurzschlussrings realisiert sein.
In einer Ausführungsform ist an beiden Stirnseiten der Maschine, das heißt an beiden Enden der Leiterabschnitte, jeweils ein DC-Bus mit einer Schiene für die positive und einer Schiene für eine negative Versorgungsspannung +, – vorgesehen. Der DC-Bus kann je zwei ringförmige Leiter umfassen. Die Leiterabschnitte können über Halbbrücken 4, 5 mit den beiden DC-Bussen +, – gekoppelt sein. Die beiden DC-Busse können mit der Stromversorgungseinheit gekoppelt sein. Alternativ kann einer der beiden DC-Busse mit einem Kondensator verbunden sein.
Der Aufbau der Statorwicklung kann dem Aufbau eines Käfigläufers entsprechen, wobei einer der beiden Kurzschlussringe des Käfigläufers entfernt ist. Dies belegt, dass die Statorwicklung mit geringem Aufwand hergestellt werden kann.
Der unterschiedliche Betriebsparameter, mit dem die Stromfunktionen für verschiedene Leiterabschnitte oder den gleichen Leiterabschnitt gebildet werden, können beispielsweise die Polpaarzahl, die Frequenz, den Phasenwinkel und/oder die Amplitude der Stromfunktion umfassen.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, die Statorwicklung gleichzeitig mit Stromfunktionen verschiedener Polpaarzahl zu speisen. So kann beispielsweise ein erster Leiterabschnitt mit einer Stromfunktion mit einer ersten Polpaarzahl gespeist werden und ein anderer Leiterabschnitt mit einer Stromfunktion mit einer anderen Polpaarzahl. Alternativ oder zusätzlich können die Stromfunktionen verschiedener Polpaarzahl miteinander überlagert werden und damit mehrere Leiterabschnitte gespeist werden.
Wie später noch im Detail anhand von Ausführungsbeispielen erläutert wird, bietet dies erhebliche Vorteile für einen flexiblen, hocheffizienten Betrieb der Maschine in den unterschiedlichsten Betriebszuständen.
Mit anderen Worten stellt jeder Leiterabschnitt eine Phasenwicklung der Statorwicklung dar und erhält eine individuell einstellbare Stromversorgung mit einer Stromfunktion oder einer Überlagerung von Stromfunktionen, deren Betriebsparameter von den Stromfunktionen anderer Leiterabschnitte abweicht. Im Falle der Überlagerung von Stromfunktionen zur Speisung eines oder mehrerer Leiterabschnitte weisen mindestens zwei der Stromfunktionen mindestens einen unterschiedlichen Betriebsparameter auf.
Es ist offensichtlich, dass mit dem vorgeschlagenen Prinzip eine Statorwicklung hergestellt werden kann, die besonders einfach gefertigt wird. Auch der Wicklungskopf ist besonders einfach herstellbar, da er im einfachsten Fall aus einem Kurzschlussring besteht. Die Leitungslängen, mit denen die Stromversorgungseinheit mit den Leiterabschnitten verbunden wird, können nahezu beliebig kurz sein.
Die individuelle Erzeugung von Phasenströmen und unterschiedlicher Stromfunktionen zur Speisung der Leiterabschnitte erlaubt es, mit dem vorgeschlagenen Prinzip die Verteilungen der Harmonischen der magnetomotorischen Kraft zu erzielen, die auch mit verteilten Wicklungen möglich sind. Als Harmonische sind dabei die Komponenten der magnetomotorischen Kraft verstanden, die beispielsweise mittels Fourier-Zerlegung darstellbar sind.
Selbstverständlich ist es mit dem vorgeschlagenen Prinzip möglich, die gleichen oder verschiedene Leiterabschnitte mit Stromfunktionen verschiedener Frequenz zu beaufschlagen. Dabei kann auch die Amplitude und die Frequenz der Stromfunktionen von verschiedenen Polpaaren unabhängig voneinander eingestellt werden. Dies wiederum erlaubt es, mit dem vorgeschlagenen Prinzip Drehmoment zu erzeugen, das eine Kombination aus synchronem und asynchronem Betrieb der elektrischen Maschine ist.
Weiterhin kann die Maschine mit unterschiedlichen Anzahlen aktiver Phasen betrieben werden, wobei die Anzahl der elektrischen Phasen auch im Betrieb veränderbar sein kann. Wie bereits erläutert, kann die Anzahl der Polpaare sogar im Betrieb verändert werden.
Alternativ oder zusätzlich kann die Maschine mit mehreren Polpaaren gleichzeitig durch Überlagerung betrieben werden, wobei entweder Leiterabschnitte einer ersten Gruppe mit einer ersten Polpaarzahl betrieben werden und Leiterabschnitte einer zweiten Gruppe mit einer anderen Polpaarzahl, oder es ist möglich, einen oder mehrere Leiterabschnitte durch Überlagerung von Stromfunktionen zu betreiben, von denen eine erste Stromfunktion einer ersten Polpaarzahl entspricht und eine zweite Stromfunktion einer zweiten Polpaarzahl entspricht.
Einzelne Leiterabschnitte können deaktiviert werden. In diesem Fall oder auch im Falle unterschiedlicher Betriebsparameter der Leiterabschnitte können Muster gebildet werden, die über die Leiterabschnitte fixiert sind oder sich über die Leiterabschnitte hinweg bewegen, zum Beispiel alternierend oder rotierend.
Die Betriebsparameter und damit die Stromfunktionen der Leiterabschnitte können so eingestellt werden, dass sich für die jeweilige Anwendung und/oder für den jeweiligen Betriebszustand der Maschine ein Maximum an Effizienz des Betriebs ergibt.
Eine andere Optimierungsmöglichkeit verfolgt dabei das Ziel, eine maximale Lebenszeit des Systems zu erzielen.
Mit dem vorgeschlagenen Prinzip können symmetrische oder unsymmetrische Verteilungen der magnetomotorischen Kraft im Luftspalt der Maschine erzeugt werden.
Die Stromfunktionen, mit denen die einzelnen Leiterabschnitte gespeist werden, und die einander überlagerbar sind, lassen sich durch eine Gleichung beschreiben, die nachfolgend wiedergegeben ist:
Dabei ist I_S,k(t) der zeitliche Stromverlauf, das heißt die zeitabhängige Stromfunktion in einem Leiterabschnitt des Stators mit der fortlaufenden Nummer k,
A_i,j,k(t) ist die zeitabhängige Amplitude jeder Spektralkomponente des Leiterabschnitts k, wobei mit der Spektralkomponente eine Komponente der Stromfunktion beispielsweise bei einer Fourier-Zerlegung gemeint ist,
j bezeichnet die Frequenz der Spektralkomponente; f_o ist hierbei eine erste Frequenz und f_max die maximal auftretende Frequenz,
i bezeichnet die Polpaarzahl der Spektralkomponente; p_o ist hierbei eine erste Polpaarzahl und p_max die maximal auftretende Polpaarzahl,
Q_S ist die Anzahl der Nuten im Stator und damit auch die Anzahl der Leiterabschnitte im Stator,
φ_i,j,k(t) ist der zeitabhängige Phasenwinkel jeder Spektralkomponente des Leiterabschnitts k.
In einer Ausführungsform umfasst eine elektrische Maschine einen Stator. Weiterhin umfasst die Maschine eine Stromversorgungseinheit, wie vorstehend beschrieben. Der Stator weist eine Vielzahl von Nuten auf, die zur Aufnahme der Statorwicklung dienen. Dabei ist je ein Leiterabschnitt der Statorwicklung je Nut eingelegt. Die Leiterabschnitte sind auf einer ersten Seite des Stators miteinander kurzgeschlossen. Hierfür kann beispielsweise ein Kurzschlussring vorgesehen sein. Weiterhin sind die Leiterabschnitte auf einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite des Stators jeweils mit einem Anschluss der Stromversorgungseinheit verbunden. Die Stromversorgungseinheit ist wie oben ausführlich erläutert dazu eingerichtet, mindestens zwei Stromfunktionen zu erzeugen. Die Stromfunktionen weisen mindestens einen voneinander verschiedenen Betriebsparameter auf. Diese mindestens zwei Stromfunktionen werden in unterschiedliche Leiterabschnitte der Statorwicklung eingespeist und/oder in einem oder mehreren Leiterabschnitten miteinander überlagert. Bezüglich weiterer Einzelheiten zu möglichen Ausführungen und vorteilhafter Wirkung der Statorwicklung wird vollinhaltlich auf die frühere Anmeldung DE 10 2014 105 642.6 , Anmeldetag am 22. April 2014, Bezug genommen.
In einer anderen Ausführungsform ist anstelle des Kurzschlussrings vorgesehen, die Leiterabschnitte auf der ersten Seite des Stators mit einer weiteren Stromversorgungseinheit zu verbinden, beispielsweise jeweils über Halbbrücken. Zu möglichen Ausführungen und der vorteilhaften Wirkungsweise einer derartigen Maschine mit Speisung von zwei Seiten wird vollinhaltlich auf die frühere Anmeldung DE 10 2014 114 615.8 , Anmeldetag 8. Oktober 2014, Bezug genommen.
In einer Ausführungsform sind die in die Nuten eingelegten Leiterabschnitte gerade ausgebildet.
Die Leiterabschnitte können beispielsweise gleiche geometrische Form aufweisen und zueinander parallel entlang des Umfangs des Stators ausgerichtet sein. Die Leiterabschnitte können Aluminium-Stäbe, Kupfer-Stäbe, Bronze-Stäbe oder Legierungen hiervon umfassen.
Der Kurzschlussring der Statorwicklung kann einen Kühlkanal umfassen.
Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen des vorgeschlagenen Prinzips sind nachfolgend anhand von mehreren Ausführungsbeispielen und den zugehörigen Figuren erläutert.
Dabei zeigen:
1A bis 3B jeweilige Ausführungsbeispiele der Statorwicklung nach dem vorgeschlagenen Prinzip,
4 bis 11 jeweilige Ausführungsbeispiele für die Erzeugung von Stromfunktionen und deren Regelung nach dem vorgeschlagenen Prinzip,
12A bis 13 Ausführungsbeispiele für die Verteilung der magnetomotorischen Kraft nach dem vorgeschlagenen Prinzip und
14 bis 25 jeweilige Ausführungsbeispiele für elektrische Maschinen nach dem vorgeschlagenen Prinzip und
26 eine beispielhafte Ausführung einer Statorwicklung nach dem vorgeschlagenen Prinzip mit Speisung von zwei Seiten.
1A zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Stators 1 in einer elektrischen Maschine, welche als rotierende Maschine mit Innenläufer ausgelegt ist, in einer perspektivischen Darstellung. Der Rotor ist aus Gründen der Übersichtlichkeit in 1A nicht eingezeichnet. Die Maschine weist auf der Innenseite des Stators entlang des Umfangs in axialer Richtung ausgedehnte Nuten 2 auf, in die je ein Leiterabschnitt 3 einer Statorwicklung eingelegt ist. Dabei ist in jeder Nut 2 genau ein Leiterabschnitt 3 angeordnet.
1B zeigt die Statorwicklung mit den parallel ausgedehnten Leiterabschnitten 3 ohne das Statorblechpaket, um eine bessere Sichtbarkeit des Aufbaus der Wicklung zu erlauben. Man erkennt, dass die Leiterabschnitte 3 in diesem Ausführungsbeispiel einen geradlinigen Aufbau mit rechteckförmigem Querschnitt ausweisen und entlang des Umfangs der Maschine verteilt sind. Die Leiterabschnitte 3 sind gleich lang und parallel zur Maschinenachse ausgerichtet. An je einem Ende sind die Leiterabschnitte 3 mittels eines Kurzschlussrings 4 miteinander elektrisch kurzgeschlossen. Die freien Enden der Leiterabschnitte 3 sind an eine Stromversorgungseinheit angeschlossen, die in 1B nicht dargestellt ist.
2 zeigt die Statorwicklung mit den Leiterabschnitten 3 und dem Kurzschlussring 4 sowie symbolisch eine angeschlossene Stromversorgungseinheit 5, welche mit je einem Ende der Leiterabschnitte 3 verbunden ist. Dabei umfasst die Stromversorgungseinheit je mindestens eine Stromquelle 6 pro Leiterabschnitt 3, zur Bereitstellung jeweiliger Stromfunktionen oder überlagerter Stromfunktionen. Im Beispiel von 2 sind 18 Leiterabschnitte eingezeichnet von den 36, die in dem Beispiel von 1A und 1B gezeigt sind.
3A und 3B zeigt eine vereinfachte Darstellung einer Stromversorgungseinheit mit Halbbrückenschaltern 6A, mit denen die freien Enden der Leiterabschnitte 3 auf eine positive oder negative Spannungsversorgung +, – gelegt werden können. Die Ansteuerung der Schalter in den Halbbrücken wird später noch eingehend erläutert.
Ausgehend davon zeigt 4 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Stromversorgungseinheit für die Ansteuerung eines Stromreglers 9 für einen Leiterabschnitt 3. Diese Stromversorgungseinheit realisiert die technische Implementierung der Gleichung zur Bereitstellung überlagerter Stromfunktionen, die nachfolgend wiedergegeben ist:
Dabei ist I_S,k(t) der zeitliche Stromverlauf, das heißt die zeitabhängige Stromfunktion in einem Leiterabschnitt des Stators mit der fortlaufenden Nummer k,
A_i,j,k(t) ist die zeitabhängige Amplitude jeder Spektralkomponente des Leiterabschnitts k, wobei mit der Spektralkomponente eine Komponente der Stromfunktion beispielsweise bei einer Fourier-Zerlegung gemeint ist,
j bezeichnet die Frequenz der Spektralkomponente; f_o ist hierbei eine erste Frequenz und f_max die maximal auftretende Frequenz,
i bezeichnet die Polpaarzahl der Spektralkomponente; p_o ist hierbei eine erste Polpaarzahl und p_max die maximal auftretende Polpaarzahl,
Q_S ist die Anzahl der Nuten im Stator und damit auch die Anzahl der Leiterabschnitte im Stator,
φ_i,j,k(t) ist der zeitabhängige Phasenwinkel (in den Zeichnungen beispielhaft mit phi1, phi2 bezeichnet) jeder Spektralkomponente des Leiterabschnitts k, der die Phasenlage bestimmt.
Es werden n Stromfunktionen berechnet, wofür eine Anzahl von n Stromberechnungseinheiten 7 vorgesehen ist. Jede Stromberechnungseinheit 7 weist Eingänge auf, an denen jeweils ein oder mehrere Betriebsparameter wie Frequenz f1, f2, Polpaarzahl p1, p2, p3, Laufparameter des jeweiligen Stabs k, Amplituden A1, A2, Phasenwinkel phi1, phi2 und Zeit t zugeführt werden.
Ausgangsseitig stellt jede Stromberechnungseinheit 7 eine Stromfunktion I(t) bereit, welche von dem ausgewählten Leiterabschnitt k, der jeweiligen Frequenz f1, f2 und der jeweiligen Polpaarzahl p1, p2, p3 und weiteren Betriebsparametern abhängig ist. Diese Stromfunktionen I(t) werden einer Überlagerungseinheit 8 zugeführt, welche eine überlagerte Stromfunktion I_k für den jeweiligen Leiterabschnitt k bereitstellt. Damit wird wiederum der Stromregler 9 angesteuert, der die Höhe und den zeitlichen Verlauf des Stroms festlegt, der in den Leiterabschnitt mit dem Laufparameter k eingespeist wird. Eine derartige Stromregelung erfolgt für jeden Leiterabschnitt.
In dieser und den folgenden Figuren ist der Begriff Stab synonym zu dem Begriff Leiterabschnitt der Beschreibung.
Mittels der Halbbrücken 6A von 3B kann der zeitliche Verlauf des Stroms in jedem Leiterabschnitt beliebig eingeregelt werden. Je nach Optimierungsziel können verschiedene Zeitverläufe generiert und an die Stromregler 9 abgegeben werden.
5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Regelschemas. Abhängig von einer Optimierungsziel-Vorgabe 10 und einem Betriebspunkt beziehungsweise Betriebsprofil 11 werden ein motoroptimaler Zeitverlauf der magnetomotorischen Kraft 12 und ein inverteroptimaler Stromverlauf 13 berechnet. Optimierungsziele können beispielsweise Wirkungsgrad, Dynamik, Rippel oder ein Fehlerfall sein. Aus der Kombination des motoroptimalen Zeitverlaufs und des inverteroptimalen Stromverlaufs wird ein gesamtoptimaler Zeitverlauf der magnetomotorischen Kraft 14 berechnet.
Mit der in 6 gezeigten überlagerten Stromregelung 15 werden abhängig von dem gesamtoptimalen Zeitverlauf der Magnetomotorischen Kraft 14 Soll-Zeitverläufe für die Stromregler 9 für den jeweiligen Leiterabschnitt erzeugt.
7 zeigt eine mögliche Ausführungsform der Implementierung der überlagerten Stromregelung gegenüber der Ausführung von 6. Wiederum ist Grundlage der Regelung ein gesamtoptimaler Zeitverlauf der magnetomotorischen Kraft 14. Dieser wird einer überlagerten Stromregelung 15 zugeführt, welche einzelne Strombeläge für die Leiterabschnitte der jeweiligen Nuten ermittelt. Aus diesen werden die Stromsollwerte für die Leiterabschnitte 1 bis n errechnet.
Die Stromfunktionen weisen Zeitverläufe aus einer oder mehreren Basis-Wellenformen auf, die beispielsweise einen sinusförmigen Verlauf haben, und werden mit verschiedenen Parametern wie jeweiligen Amplituden, Phasenlagen und Frequenzen überlagert. Dabei muss nicht jeder Frequenzanteil motorisch wirken, es können auch generatorische Komponenten überlagert werden.
8 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Vorsteuerung, welche einer Aufteilung auf synchrone und asynchrone Komponenten des gewünschten Drehmoments errechnet. Im Detail zeigt 8 eine Regelung zur Momentenaufteilung 17, die einen Regler für den synchronen Anteil 18 sowie einen Regler für den asynchronen Anteil 19 ansteuert. Die Ausgänge der Regler für Synchron- und Asynchronanteil 18, 19 werden in einem Summationspunkt 20 zusammengeführt, der wiederum die Stromregler 21 für alle Phasen, das heißt alle Leiterabschnitte ansteuert. Die Vorsteuerung 17 nimmt einen Momentensollwert auf und errechnet für den aktuellen Betriebspunkt die optimale Aufteilung des Drehmoments auf asynchrone und synchrone Komponenten 18, 19. Untergeordnete Drehmomentregler ermitteln Sollströme, die summiert im Summationspunkt 20 an den Stromregler 21 übergeben werden.
9 und 10 zeigen weitere Ausführungsbeispiele der Vorsteuerung. Dabei ist für den Fall mehrerer verschiedener Polpaarzahlen ausgeführt, dass zu dem Regler für den Synchronanteil 18, der für eine Polpaarzahl die Synchronanteile regelt, weitere Regler für die Synchronanteile für weitere Polpaarzahlen 18', 18'' parallel geschaltet sind. Diese werden ebenfalls von der Vorsteuerung und Regelung zur Momentenaufteilung 17 angesteuert und ebenfalls im Summationsknoten 20 zusammengeführt.
In Analogie hierzu zeigt für den Fall der asynchronen Regler 10 die Ausführung für mehrere Polpaarzahlen. Man erkennt, dass zu dem Regler 19 für den Asynchronanteil einer Polpaarzahl weitere Regler für die Regelung der Asynchronanteile weiterer Polpaarzahlen 19', 19'' parallel geschaltet sind und ebenfalls von der Versteuerung 17 angesteuert werden. Auch hier werden die Ausgänge aller Regler für die Asynchronanteile der verschiedenen Polpaarzahlen 19 bis 19'' im Summationsknoten 20 zusammengeführt.
11 zeigt eine Kombination der Ausführungen von 9 und 10. Es sind somit mehrere Regler für Synchronanteile je Polpaarzahl 18, 18'' vorgesehen sowie mehrere Regler für Asynchronanteile je Polpaarzahl 19 bis 19''. Diese werden wiederum von der Vorsteuerung 17 gesteuert und deren Ausgänge im Summationsknoten 20 zusammengeführt.
12A und 12B zeigen die Verteilung der magnetomotorischen Kraft MMK (englisch: magnetomotive force, MMF) aufgetragen über den Winkel der Maschine. Dabei zeigt 12A den Fall der Polpaarzahl p = 2 und 12B den Fall für die Polpaarzahl p = 1. Das Ändern der Anzahl der Polpaare der Maschine im Betrieb ermöglicht es, den jeweils besten Wirkungsgrad im Drehmomentdiagramm zu erzielen.
Im vorliegenden Beispiel beträgt die Anzahl der Statornuten 36. Bei geringer Drehzahl und dem Bedarf an hohem Drehmoment kann die Maschine mit einer höheren Polpaarzahl p, beispielsweise p = 2, betrieben werden. Bei höheren Drehzahlen jedoch, bei denen die Eisenverluste und auch die Skin- und Proximity-Verluste dominant werden, kann die Anzahl der Polpaare p auf 1 reduziert werden, was bei hohen Drehzahlen zu einer deutlichen Verringerung der Verluste führt.
Alternativ oder zusätzlich zu der Umschaltung der Anzahl der Polpaare erlaubt das vorliegende Prinzip, mehrere Polpaare in der Maschine gleichzeitig zu erzeugen und zu steuern.
Die folgende Gleichung ist ein Ausdruck für den Phasenstrom in der Nut k für den Betrieb mit mehreren Polpaaren.
Dabei sind die Amplitude, die Frequenz und die Anzahl der Polpaare variable Parameter, das heißt Betriebsparameter.
Abhängig von der Betriebsart und dem Maschinentyp können diese Parameter getrennt eingestellt werden. Dies kann beispielsweise bei folgenden Betriebsarten und Maschinentypen vorteilhaft angewendet werden:
Anwendbar ist dieses Prinzip bei der selbsterregten Synchronmaschine, bei der die Arbeitswelle zur Drehmomenterzeugung benutzt wird und eine Harmonische genutzt wird, um Energie in den Rotor zu transportieren, um dort ein Magnetfeld zu erzeugen. Bei derartigen Maschinentypen können die Arbeitswelle und die Rotorerregerwelle der magnetomotorischen Kraft unabhängig voneinander gesteuert werden. Ein Ausführungsbeispiel dieser Maschine ist in 19 gezeigt. Bezüglich dieser und weiterer möglicher Ausführungen solcher Synchronmaschinen, bei denen das hier vorgeschlagene Prinzip anwendbar ist, wird vollinhaltlich auf die frühere Anmeldung DE 10 2013 102 900.0 , Anmeldetag am 21. März 2013, Bezug genommen.
Ein weiteres Anwendungsgebiet ist die Asynchronmaschine mit mehreren Polpaaren. Ein Beispiel für eine solche Maschine ist in 14 gezeigt. Diese Asynchronmaschine kann mit mehreren Polpaaren gleichzeitig betrieben werden, wenn die Rotationsgeschwindigkeit aller angeregten Pole die gleiche ist. Diese Bedingung kann nach dem vorgeschlagenen Prinzip durch Variieren der Frequenzen der Versorgung von korrespondierenden Polen erfüllt werden. Natürlich kann auch durch Variieren des Phasenstroms und des Schlupfs der Beitrag jedes Polpaares zum Maschinendrehmoment eingestellt werden.
Ein weiteres beispielhaftes Anwendungsgebiet sind permanentmagneterregte Synchronmaschinen mit mehreren Polpaaren. Beispiele hierfür sind in 17 und 20 gezeigt. Dabei werden Magnete so entlang des Radius der Maschine positioniert, dass sowohl eine geringe Anzahl von Polpaaren als auch eine hohe Anzahl von Polpaaren erzeugt werden. Abhängig vom Arbeitspunkt kann die magnetomotorische Kraft des Stators entweder die geringere oder die höhere Polpaarzahl ansprechen oder beide gleichzeitig.
Ein anderes Anwendungsgebiet ist beispielhaft in 18 gezeigt. Hier ist eine permanentmagnetunterstützte Reluktanzmaschine gezeigt. Dies ist ein sehr verbreiteter Maschinentyp, bei dem jedoch herkömmlicherweise die Anzahl der Polpaare des Reluktanzteils und des PM-Maschinenteils identisch sind. Dies ist jedoch nach dem vorgeschlagenen Prinzip nicht mehr notwendig. Die beiden Komponenten brauchen noch nicht einmal mehr in Phase zu sein. Ein Ausführungsbeispiel für diesen Fall ist in 21 gezeigt.
Das vorgeschlagene Prinzip ist auch für Maschinen mit oberflächenmontierten Permanentmagneten und hohem harmonischem Oberwellenanteil geeignet. Sowohl die Grundwelle der magnetomotorischen Kraft des Rotors als auch deren Harmonische können benutzt werden, um Drehmoment zu erzeugen. Entsprechend können auch die Harmonischen des Reluktanzrotors zum Erzeugen zusätzlichen Drehmoments genutzt werden. Das vorgeschlagene Prinzip ist auch in Hybridmaschinen anwendbar, wie zum Beispiel als kombinierter Asynchron- und PM-Rotor, kombinierter Asynchron- und Reluktanzrotor, kombinierter Permanentmagnet- und Reluktanzrotor, Permanentmagnet(PM)- oder Reluktanzrotor mit mehreren Polpaaren und so weiter.
13 zeigt einen Anwendungsfall, bei dem zwei verschiedene Polpaare gleichzeitig erzeugt werden. Die Simulationen wurden für die Polpaarzahl p1 = 1 und p2 = 3 durchgeführt. Die obere Bildhälfte von 13 zeigt den Verlauf der magnetomotorischen Kraft MMK über den Drehwinkel der Maschine, während die untere Bildhälfte von 13 die Verteilung der Harmonischen der magnetomotorischen Kraft zeigt. Man erkennt den sehr geringen Anteil von Oberwellen.
Ansteuer-Strategien für elektrische Maschinen streben in herkömmlicher Weise entweder die Verlustminimierung oder die Maximierung der Ausnutzung der vorhandenen Inverterspannung an. Dabei werden der Lastwinkel und der Gesamtstrom als optimierbare Variablen genutzt, während die Anzahl der Polpaare als gegeben angenommen wird. Da diese Begrenzung nicht mehr gültig ist, kann nach dem vorgeschlagenen Prinzip eine Optimierung über die Anzahl der Polpaare erfolgen. Da es natürlich möglich ist, dass das Optimum zwischen zwei Polpaarzahlen liegt, kann dies dazu führen, dass die beiden benachbarten Polpaarzahlen implementiert werden mit einem Gewichtungsfaktor, um das geeignete Verhältnis der Spitzenströme für beide Polpaarzahlen zu ermitteln. Der Übergang zwischen zwei Polpaarzahlen kann sehr weich gestaltet werden. Insbesondere im Teillastbereich führen geringe Werte des magnetischen Flusses häufig zu reduzierten Verlusten in Maschine und Ansteuerung. Geringer Fluss bedeutet jedoch, dass die Fähigkeit, spontan Drehmoment zu erzeugen, sehr viel geringer ist als bei Maschinen mit hohem Fluss. Dies kann durch Erhöhung der Anzahl der Polpaare überwunden werden, wenn eine Änderung des Drehmomentsollwertes auftritt, selbst wenn dies zu einer kurzfristigen Verlustsituation führt. Diese höheren Polpaarzahlen können dann schnell wieder reduziert werden, wenn die Drehmoment-Transiente vorüber ist.
Die Fähigkeit, Amplitude und Frequenz jeder Komponente der magnetomotorischen Kraft separat einzustellen, öffnet viele Möglichkeiten für neue Hybridmaschinentypen, wie zum Beispiel eine PM-unterstützte Asynchronmaschine gemäß 15. Dabei werden Permanentmagnete radial unter den Stäben des Käfigläufers positioniert. Die Induktionsmaschine wird von einer hohen Polpaarzahl gespeist, während der PM-Teil der Maschine eine geringe Polpaarzahl aufweist.
Ähnlich verhält es sich bei der synchronen reluktanzunterstützten Asynchronmaschine gemäß 16 und 22. Dabei werden anstelle der Magneten Flussbarrieren eingesetzt, um die geringe Polpaarzahl darzustellen.
Bei einer Abwandlung hiervon sind die Flussbarrieren mit leitfähigem Material gefüllt. Die resultierende Maschine ist in 23 an einem Beispiel gezeigt.
Eine neue Anwendung ist die synchronunterstützte Asynchronmaschine, die beispielhaft wie in 25 gezeigt aussehen kann. Für sie gilt das Analoge zur PM-unterstützten Asynchronmaschine, es werden jedoch anstelle der Magneten Wicklungen in dem Rotor platziert.
Die Grundwelle aller synchronen Komponenten der magnetomotorischen Kraft des Stators induziert keine Spannungen in die Rotorstäbe. Deshalb erzeugen sie keine magnetomotorische Kraft des Rotors. In Analogie hierzu gibt es keine Wechselwirkung der Grundwelle der Asynchronkomponenten der magnetomotorischen Kraft des Stators mit den Anteilen der magnetomotorischen Kraft, die auf die Permanentmagneten bezogen sind, wenn ihre Ordnungszahlen nicht übereinstimmen.
Eine weitere Anwendungsmöglichkeit des vorgeschlagenen Prinzips ist das Verändern der Anzahl der aktiven Phasen, auch im Betrieb. Die Anzahl der aktiven Phasen kann verändert werden, um minimale Verluste im Inverter, das heißt in der Stromversorgungseinheit, zu erreichen. Die aktiven Phasen können symmetrisch oder asymmetrisch über den Stator verteilt sein. Eine symmetrische Verteilung kann benutzt werden, um gewünschte Harmonische in der magnetomotorischen Kraft des Stators zu erzeugen. Ein PM-Rotor beispielsweise mit zehn Polen könnte von einem Stator mit nur zwei Polen versorgt werden, wenn der Stator eine starke fünfte Harmonische erzeugt.
Eine leicht asymmetrische Verteilung aktiver Phasen kann verwendet werden, um die harmonischen Komponenten der magnetomotorischen Kraft zu reduzieren mittels einer sogenannten scheinbaren Spulenweite, englisch: "virtual coil pitch". Für entgegengesetzte Pole kann dies bedeuten, dass beide Pole von der gleichen Anzahl aktiver Phasen erzeugt werden, aber dass die Symmetrieachse zwischen den Polen nicht identisch ist mit der geometrischen Mitte der aktiven Phasen. Ein Ausführungsbeispiel hierfür ist in 24 gezeigt. In diesem Fall werden die Phasen, das heißt die Leiterabschnitte, in einem rotierenden Muster aktiviert und deaktiviert. Die aktiven Phasen werden dann mit einer der vorangegangen beschriebenen Gleichungen mit überlagerten Strömen gespeist.
Abweichend hiervon ist es möglich, anstelle eines rotierenden Musters von aktiven und inaktiven Phasen, die um den Stator rotieren, ein fixes Muster zu verwenden. Dies kann beispielsweise entweder bedeuten, dass eine Verteilung von aktiven und passiven Phasen über den Gesamtmotorumfang, symmetrisch oder asymmetrisch, vorgesehen ist, oder dass ein Sektormotor verwirklicht wird. Im letzten genannten Fall können zum Beispiel benachbarte Phasen mit dem doppelten Polabstand aktiv sein, die dann die magnetomotorische Kraft von zwei Polen erzeugen.
Wie bereits erwähnt, ist die Betriebsart der vorgeschlagenen Maschinentopologie variabel und kann während des Betriebs verändert werden. Hierdurch wird ein größtmöglicher Bereich des besten Wirkungsgrads der Maschine für die verschiedenen Betriebszustände erreicht. Die verschiedenen Betriebsarten können nicht nur hart umgeschaltet werden während des Betriebs, sondern auch ineinander übergehen und miteinander vermischt werden, was vollständig neue Möglichkeiten für die Maschinensteuerung ermöglicht.
Beispielsweise kann die reluktanzunterstützte Asynchronmaschine von 16 als eine reine Synchronreluktanzmaschine für den Betriebsfall hoher Drehzahl und geringem Drehmoment betrieben werden, während sie andererseits als reine Induktionsmaschine für den Betriebsfall geringe Drehzahlen und hohes Drehmoment verwendet werden kann.
Wie oben erwähnt ist es möglich, eine unsymmetrische Verteilung der magnetomotorischen Kraft durch Abschalten einzelner Leiterabschnitte der Wicklung des Stators zu erreichen. Mit dem vorgeschlagenen Prinzip ist der gleiche Effekt alternativ auch dadurch möglich, nichtsymmetrische Verteilungen der magnetomotorischen Kraft direkt in den Stator einzuspeisen. Auch dieses Verfahren kann benutzt werden, um das Spektrum der magnetomotorischen Kraft auf den gewünschten Arbeitspunkt anzupassen.
26 zeigt eine beispielhafte Ausführung einer Statorwicklung nach dem vorgeschlagenen Prinzip mit Speisung von zwei Seiten. Demnach sind die Leiterabschnitte an je einem Ende mit einer ersten Stromversorgungseinheit 5 verbunden. Die jeweils gegenüberliegenden Enden der Leiterabschnitte 3 sind mit einer weiteren Stromversorgungseinheit 23 verbunden. Damit können von zwei Seiten Stromfunktionen bzw. überlagerte Stromfunktionen nach dem vorgeschlagenen Prinzip in die Leiterabschnitte gespeist werden.
Bezugszeichenliste

1: Stator
2: Nut
3: Leiterabschnitt
4: Kurzschlussring
5: Stromversorgungseinheit
6: Stromquelle
6A: Halbbrücke
7: Stromberechnungseinheit
8: Überlagerungsknoten
9: Stromregler
10: Optimierungszielvorgabe
11: Betriebspunktvorgabe
12: Berechnung Zeitverlauf
13: Berechnung Stromverlauf
14: Berechnung Zeitverlauf
15: überlagerte Stromregelung
17: Vorsteuerung
18: Synchronregler
18‘: Synchronregler
18“: Synchronregler
19: Asynchronregler
19‘: Asynchronregler
19“: Asynchronregler
20: Summationsknoten
21: Stromregler
22: Rotor
23: weitere Stromversorgungseinheit
24: Rotorwicklung
S: Südpol
N: Nordpol

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014105642 [0031]
DE 102014114615 [0032]
DE 102013102900 [0066]

Claims

Stromversorgungseinheit zum Speisen von mehreren, in jeweilige Nuten (2) eingelegten Leiterabschnitten (3) einer Statorwicklung einer elektrischen Maschine, wobei – die Stromversorgungseinheit (5) eingerichtet ist, einen ersten Leiterabschnitt und einen zweiten Leiterabschnitt mit mindestens einem unterschiedlichen Betriebsparameter einer jeweiligen Stromfunktion zu speisen, und/oder – die Stromversorgungseinheit eingerichtet ist, einen Leiterabschnitt mit mindestens zwei überlagerten Stromfunktionen zu speisen, die jeweils mindestens einen unterschiedlichen Betriebsparameter aufweisen.
Stromversorgungseinheit nach Anspruch 1, bei der die Leiterabschnitte (3) jeweils einen Anschluss aufweisen, der mit der Stromversorgungseinheit (5) verbunden ist, und einen weiteren Anschluss, – der mit einem Kurzschlussmittel (4) verbunden ist, in dem die Leiterabschnitte (3) miteinander kurzgeschlossen sind, oder – der mit einer weiteren Stromversorgungseinheit (23) verbunden ist.
Stromversorgungseinheit nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Betriebsparameter mindestens einen der folgenden umfassen: Polpaarzahl, Frequenz, Phasenlage, Amplitude.
Stromversorgungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, die eine Überlagerung von mindestens zwei Polpaaren umfasst.
Stromversorgungseinheit nach Anspruch 4, bei der die Stromfunktion für unterschiedliche Polpaare unterschiedliche Amplituden aufweist.
Stromversorgungseinheit nach Anspruch 4 oder 5, bei der die Stromfunktion für unterschiedliche Polpaare unterschiedliche Frequenzen aufweist.
Stromversorgungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 6, die synchrone und asynchrone Anteile zur Drehmoment-Erzeugung gleichzeitig nutzt.
Stromversorgungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der die Anzahl der Polpaare im Betrieb veränderbar ist.
Stromversorgungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der die Anzahl der aktiven Phasen im Betrieb veränderbar ist.
Stromversorgungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der die Anzahl der aktiv gespeisten Leiterabschnitte (3) im Betrieb veränderbar ist.
Stromversorgungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 10, die dazu eingerichtet ist, die Leiterabschnitte (3) der Statorwicklung mit einem Muster von aktiven Phasen zu speisen, wobei dieses Muster feststehend, alternierend oder rotierend sein kann, oder eine Kombination hiervon.
Stromversorgungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 11, die dazu eingerichtet ist, die Leiterabschnitte (3) mit unsymmetrischen Verteilungen der magnetomotorischen Kraft zu speisen.
Stromversorgungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 12, die dazu eingerichtet ist, zeitliche Stromverläufe zur Speisung der Leiterabschnitte (3) zu erzeugen, die der folgenden Vorschrift genügen:
dabei ist I_S,k(t) der zeitliche Stromverlauf, das heißt die zeitabhängige Stromfunktion in einem Leiterabschnitt des Stators mit der fortlaufenden Nummer k, A_i,j,k(t) ist die zeitabhängige Amplitude jeder Spektralkomponente des Leiterabschnitts k, wobei mit der Spektralkomponente eine Komponente der Stromfunktion beispielsweise bei einer Fourier-Zerlegung gemeint ist, j bezeichnet die Frequenz der Spektralkomponente; fo ist hierbei eine erste Frequenz und fmax die maximal auftretende Frequenz, i bezeichnet die Polpaarzahl der Spektralkomponente; po ist hierbei eine erste Polpaarzahl und pmax die maximal auftretende Polpaarzahl, QS ist die Anzahl der Nuten im Stator und damit auch die Anzahl der Leiterabschnitte im Stator und φ_i,j,k(t) ist der zeitabhängige Phasenwinkel jeder Spektralkomponente des Leiterabschnitts k.
Elektrische Maschine mit einem Stator (1), umfassend eine Stromversorgungseinheit (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei: – der Stator (1) eine Vielzahl von Nuten (2) zur Aufnahme der Statorwicklung umfasst, – je ein Leiterabschnitt (3) der Statorwicklung je Nut (2) eingelegt ist, – die Leiterabschnitte (3) auf einer zweiten Seite des Stators jeweils mit einem Anschluss der Stromversorgungseinheit (5) verbunden sind und – die Leiterabschnitte (3) auf einer der zweiten Seite gegenüberliegenden ersten Seite des Stators miteinander kurzgeschlossen oder mit einer weiteren Stromversorgungseinheit (23) verbunden sind.
Elektrische Maschine nach Anspruch 14, bei der die jeweils in die Nuten eingelegten Leiterabschnitte (3) gerade sind.
Elektrische Maschine nach Anspruch 14 oder 15, bei der die jeweils in die Nuten eingelegten Leiterabschnitte (3) Aluminium-Stäbe, Kupfer-Stäbe oder Bronze-Stäbe oder Legierungen hiervon umfassen.