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Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine Synchronmaschine, insbesondere für eine Synchronmaschine, die ein Kraftfahrzeug antreibt oder einen Teil eines Reichweitenverlängerers („Range extender”) bildet, eine entsprechende Synchronmaschine sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Synchronmaschine.
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Aus Umweltschutzgründen und aufgrund immer knapper werdenden fossilen Brennstoffen geht in der Kraftfahrzeugsindustrie der Trend dahin, Fahrzeuge zumindest zusätzlich oder auch vollständig durch eine elektrische Maschine anzutreiben.
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Bei solchen elektrischen Maschinen kann es sich um fremderregte Synchronmaschinen handeln, die auf ihrem Rotor zur Erzeugung eines notwendigen Magnetfeldes eine Erregerspule tragen. Die Erregung der auf dem Rotor angeordneten Erregerspule kann bürstenlos erfolgen, indem über einen drehenden Transformator Energie auf den Rotor übertragen wird und die Erregerspule mit der übertragenen Energie zur Erzeugung des Magnetfeldes versorgt wird. Hierbei wird auf dem Rotor eine an einer Spule erzeugte Wechselspannung durch einen Gleichrichter in eine an der Erregerspule anliegende Gleichspannung gewandelt bzw. gleichgerichtet.
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Die Vergangenheit hat gezeigt, dass es bei in Kraftfahrzeugen als Antriebsaggregat eingesetzten Synchronmaschinen immer wieder zu Ausfällen der Synchronmaschine kommt, die insbesondere auf ein Versagen des Gleichrichters zurückzuführen sind. Der Grund hierfür wurde bislang nicht näher untersucht und allgemein mit einem auf den Gleichrichter selbst zurückgehenden Defekt in Verbindung gebracht.
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Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der Erfindung, einen Rotor, eine Synchronmaschine sowie ein Verfahren zum Steuern einer solchen Synchronmaschine zu schaffen, die einen zuverlässigen und robusten Betrieb einer Synchronmaschine eines Kraftfahrzeuges ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird mit einem Rotor gemäß Anspruch 1, einer Synchronmaschine gemäß Anspruch 5 und einem Verfahren zur Steuerung einer Synchronmaschine gemäß Anspruch 6 und 7 gelöst.
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Weitere bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die Erfinder haben im Rahmen ihrer Entwicklungstätigkeit erkannt, dass es bei Verwendung von Synchronmaschinen als Antriebsaggregate von Kraftfahrzeugen zu starken dynamischen Vorgängen des am Stator der Synchronmaschine erzeugten Drehmagnetfeldes kommen kann. Die dynamischen Vorgänge sind der Grund dafür, dass durch Induktion eine so hohe Spannung an der bürstenlos erregten Erregerspule des Rotors erzeugt wird, dass der auf dem Rotor vorgesehene/angeordnete Gleichrichter geschädigt wird. Dies kann beispielsweise bei einem aktiven Kurzschluss der zur Erzeugung des Drehmagnetfeldes vorgesehenen Statorspulen oder auch bei Momentensprüngen auftreten.
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Fremderregte Synchronmaschinen könnten bei Kraftfahrzeugen auch bei Reichweitenverlängerern eingesetzt werden. Reichweitenverlängerer weisen zum einen eine Synchronmaschine und zum anderen einen Verbrennungsmotor auf, wobei der Verbrennungsmotor die sich im Generatorbetrieb befindende Synchronmaschine antreibt. Die Ausgangswechselspannung der Synchronmaschine wird zum Laden einer Fahrzeugbatterie gleichgerichtet und liegt nach Gleichrichtung an der Fahrzeugbatterie an.
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Die Erfinder haben ebenfalls erkannt, dass – setzte man fremderregte Synchronmaschinen mit bürstenlos erregter Erregerspule als Teil eines Reichweitenverlängerers ein – elektrische Rückwirkungen auf die Statorspulen zu einer so hohen Induktionsspannung an der Erregerspule führen können, dass der Gleichrichter geschädigt wird.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfasst ein Rotor für eine Synchronmaschine eines Kraftfahrzeuges:
eine Erregerspule zum Erzeugen eines Magnetfeldes, das im Motorbetrieb der Synchronmaschine für ein Rotieren des Rotors in einem Stator der Synchronmaschine notwendig ist oder das im Generatorbetrieb der Synchronmaschine zur Erzeugung einer Ausgangswechselspannung der Synchronmaschine notwendig ist;
eine Versorgungsschaltung, der Energie kontaktlos derart zugeführt werden kann, dass die Versorgungsschaltung die Erregerspule zur Erzeugung/Ausbildung des Magnetfeldes mit der Energie versorgt; und
eine Schutzschaltung zum Schutz der Versorgungsschaltung, wobei die Schutzschaltung derart eingerichtet ist, dass sie die Versorgungsschaltung durch eine Schutzfunktion schützt, wenn eine – die Versorgungsschaltung potentiell gefährdende – Induktionsspannung an der Erregerspule einen Wert annimmt, der einen Schwellenwert übersteigt.
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Der Schwellenwert ist abhängig von der Dimensionierung bzw. Belastungsfähigkeit der Versorgungsschaltung.
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Erfindungsgemäß wird folglich verhindert, dass hohe an der Erregerspule anliegende/durch Induktion erzeugte Induktionsspannungen zu einer Schädigung der Versorgungsschaltung führen.
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Ändert sich beispielsweise das über am Stator vorgesehene Spulen (Statorspulen) erzeugte Drehmagnetfeld der sich im Motorbetrieb befindenden Synchronmaschine sehr stark, beispielsweise bei einem aktiven Kurzschluss der Statorspulen oder bei starken/sprunghaften Änderungen des Betrages des die Statorspulen durchströmenden Wechselstromes, führt dies zu Induktionsspannungen an der Erregerspule. Durch die erfindungsgemäß vorgesehene Schutzschaltung wird verhindert, dass diese Induktionsspannungen zu Schädigungen der Versorgungsschaltung führen.
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Vorteilhaft an der Erfindung ist insbesondere, dass durch die Schutzschaltung die Dynamik des Drehmagnetfeldes, das über die Statorspulen erzeugt wird, zumindest bei der Dimensionierung der Versorgungsschaltung nicht beachtet werden muss. Mit anderen Worten muss die ohnehin komplexe Wechselwirkung zwischen dem Rotor und dem Stator, die aufgrund der auch teilweise nicht bekannten Statordynamik nur schwer bestimmt werden kann, nicht berücksichtigt werden.
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Selbiges gilt für den Fall, dass sich die Synchronmaschine als Teil eines Reichweitenverlängerers im Generatorbetrieb befindet, d. h. dass Rückwirkungen auf die Statorspulen, die zu Induktionsspannungen an der Erregerspule führen, ergo die Wechselwirkung zwischen Stator und Rotor, nicht berücksichtigt werden muss.
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Bevorzugt umfasst die Versorgungsschaltung des Rotors einen Gleichrichter, der derart eingerichtet ist, dass eine an einem induktiven Element der Versorgungsschaltung erzeugte Wechselspannung in eine an der Erregerspule anliegende Gleichspannung, die zu einem Strom durch die Erregerspule und damit zum Aufbau des Magnetfeldes führt, gleichgerichtet wird. Die Schutzschaltung ist derart eingerichtet, dass sie den Gleichrichter durch die Schutzfunktion vor einer Schädigung schützt, wenn eine Induktionsspannung an der Erregerspule einen Wert annimmt, der den Schwellenwert übersteigt.
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Bei dem induktiven Element der Versorgungsschaltung kann es sich beispielsweise um eine oder mehrere Wicklungen bzw. um eine Spule handeln. Diese Wicklung(en) bzw. die Spule dienen dazu, dass die zur Erregung der Erregerspule notwendige Energie auf den Rotor übertragen werden kann, indem die Energie den Wicklungen bzw. der Spule kontaktlos mittels eines magnetischen Wechselfeldes zugeführt wird.
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Eine an den Wicklung(en) bzw. der Spule anliegende/erzeugte Wechselspannung wird über den Gleichrichter zur Versorgung der Erregerspule in die an der Erregerspule anliegende Gleichspannung gewandelt/gleichgerichtet.
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Bevorzugt ist die Schutzschaltung eine passive Schutzschaltung, die derart eingerichtet ist, dass sie die Versorgungsschaltung durch Auslösen der Schutzfunktion schützt, wenn der Wert der an der Erregerspule durch Induktion erzeugten Spannung bzw. Induktionsspannung den Schwellenwert übersteigt, und die Schutzfunktion beendet, wenn der Wert der an der Erregerspule durch Induktion erzeugten Spannung bzw. Induktionsspannung den Schwellenwert wieder unterschreitet.
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Beispielsweise ist eine solche passive Schutzschaltung durch eine oder mehrere Zenerdioden und/oder einer oder mehrerer Suppressordioden ausgebildet. Eine weitere Möglichkeit wäre das Vorsehen eines oder mehrerer Varistoren.
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Bevorzugt ist die Schutzschaltung eine Reihenschaltung und/oder Parallelschaltung aus Zenerdioden, Suppressordioden und/oder Varistoren.
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Dieses passive Element bzw. diese passiven Elemente sind bevorzugt parallel zu dem Gleichrichter geschaltet und sind derart dimensioniert, dass sie bei einer an der Erregerspule anliegenden/erzeugten Induktionsspannung, die einen Wert >= dem Schwellenwert aufweist, die Schutzfunktion auslösen – im Fall der Zenerdiod(en)/Suppressordiod(en) durchbrechen oder im Fall der Varistoren ihren differentiellen Widerstand stark verringern. Hierdurch wird verhindert, dass es zu einer zu hohen den Gleichrichter möglicherweise schädigenden Induktionsspannung kommt.
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Bevorzugt umfasst die Schutzschaltung mehrere Reihenschaltungen von Zenerdioden und/oder Suppressordioden, wobei die mehreren Reihenschaltungen zueinander parallel geschaltet sind. In einer ganz bevorzugten Ausgestaltung der Schutzschaltung ist diese ein Zenerdioden-Array oder Suppressordioden-Array aus 2 bis 10 oder mehreren parallelen a 2 bis 20 Zenerdioden/Suppressordioden aufweisenden Reihenschaltungen.
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Erfindungsgemäß wird ebenfalls eine Synchronmaschine für ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, wobei die Synchronmaschine einen Stator aufweist, in den ein im Vorhergehenden erläuterter erfindungsgemäßer Rotor eingesetzt ist.
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Die Synchronmaschine dient insbesondere zum Antrieb eines Kraftfahrzeuges und kann neben dem hierfür notwendigen Motorbetrieb auch im Generatorbetrieb zur Rückspeisung von beispielsweise Bremsenergie in die Fahrzeugbatterie betrieben werden.
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An dem Stator der Synchronmaschine ist eine Vielzahl von Statorspulen angeordnet, die ein Drehmagnetfeld erzeugen, das das an der Erregerspule ausgebildete Magnetfeld mitnimmt und folglich den Rotor dreht/rotiert. Dadurch, dass der Rotor die ebenfalls im Vorhergehenden erläuterte Schutzschaltung aufweist, haben die Dynamik der Statorspulen bzw. die Änderungen des Drehmagnetfeldes keine negativen Auswirkungen auf die auf dem Rotor angeordnete Rotorelektronik, insbesondere auf die den Gleichrichter aufweisende Versorgungsschaltung.
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Der Anlauf der Synchronmaschine kann beispielsweise durch einen Frequenzanlauf, d. h. durch eine Änderung der Frequenz der Ströme durch die Statorspulen, erfolgen. Damit in diesem Fall die Erregerspule auch bei Stillstand des Rotors das zur Rotation des Rotors notwendige Magnetfeld erzeugt, wird, wie bereits angedeutet, an dem induktiven Element der Versorgungsschaltung eine Wechselspannung durch Induktion erzeugt. Hierfür hat die den erfindungsgemäßen Rotor aufweisende Synchronmaschine beispielsweise statorseitige Wicklungen bzw. eine statorseitige Spule, durch die zur Erzeugung eines sich ändernden Magnetfeldes, das zur Induktion an dem induktiven Element der Versorgungsschaltung führt, ein Wechselstrom fließen kann.
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Darüber hinaus dient die Synchronmaschine insbesondere auch als Teil eines Reichweitenverlängerers.
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Weiterhin sieht die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer einen Stator und einen Rotor aufweisenden Synchronmaschine vor, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
kontaktloses Übertragen von Energie auf den in den Stator eingesetzten Rotor, indem die Energie einer auf dem Rotor vorgesehenen Versorgungsschaltung kontaktlos zugeführt wird;
Versorgen einer auf dem Rotor vorgesehenen Erregerspule mit der der Versorgungsschaltung zugeführten Energie zur Erzeugung eines Stromflusses durch die Erregerspule, damit die Erregerspule ein Magnetfeld ausbildet;
Erzeugen eines Drehmagnetfeldes, das sich bezüglich des Stators dreht und mit dem Magnetfeld des Rotors derart wechselwirkt, dass der Rotor zum Antreiben eines Kraftfahrzeuges rotiert; und
Auslösen einer Schutzfunktion, die die auf dem Rotor vorgesehene Versorgungsschaltung vor einer Schädigung schützt, wenn eine Änderung des Drehmagnetfeldes eine Induktionsspannung an der Erregerspule durch Induktion erzeugt, die einen Schwellenwert übersteigt.
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Letztendlich sieht die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer einen Stator und Rotor aufweisenden Synchronmaschine vor, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
kontaktloses Übertragen von Energie auf den in den Stator eingesetzten Rotor, indem die Energie einer auf dem Rotor vorgesehenen Versorgungsschaltung kontaktlos zugeführt wird;
Versorgen einer auf dem Rotor vorgesehenen Erregerspule mit der der Versorgungsschaltung zugeführten Energie, damit die Erregerspule ein Magnetfeld ausbildet;
Drehen des Rotors bezüglich des Stators, wodurch das Magnetfeld sich bezüglich des Stators derart dreht, dass an Statorspulen, die an dem Stator angeordnet sind, durch Induktion eine Ausgangswechselspannung erzeugt wird/auftritt, die zum Aufladen einer Batterie eines Kraftfahrzeuges dient; und
Auslösen einer Schutzfunktion, die die auf dem Rotor vorgesehene Versorgungsschaltung vor einer Schädigung schützt, wenn eine elektrische Rückwirkung auf die Statorspulen dazu führt, dass eine Induktionsspannung an der Erregerspule erzeugt wird, die einen Schwellenwert übersteigt.
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Unter Bezug auf die beigefügten Figuren wird nunmehr eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rotors, der erfindungsgemäßen Synchronmaschine und des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert.
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1 zeigt schematisch eine auf einem Stator und Rotor einer erfindungsgemäßen Synchronmaschine vorgesehene Elektronik; und
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2 zeigt einen konkreten Aufbau der auf dem Rotor der erfindungsgemäßen Synchronmaschine vorgesehenen Rotorelektronik.
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1 zeigt schematisch eine auf einem Stator und Rotor einer erfindungsgemäßen Synchronmaschine vorgesehene Elektronik. Die Synchronmaschine ist bevorzugt in einem Kraftfahrzeug verbaut und bildet beispielsweise das Aggregat zum Antrieb des Kraftfahrzeuges oder ist Teil eines Reichweitenverlängerers („range extender”).
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Die Elektronik ist insbesondere zur bürstenlosen Erregung einer auf dem Rotor angeordneten Erregerspule LER (in 1 ist das Ersatzschaltbild der Spule LER, d. h. ihre Induktivität und ihr ohmscher Widerstand gezeigt) vorgesehen.
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Die am Stator angeordnete Statorelektronik umfasst einen Wechselrichter 1S, der eine von einer Spannungsquelle (nicht gezeigt), beispielsweise einer Fahrzeugbatterie, gelieferte Gleichspannung, die bevorzugt in einem Bereich von 250 bis 450 V liegt, in eine Wechselspannung wandelt/wechselrichtet.
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Der Wechselrichter 1S umfasst einen Kondensator C1S sowie vier Schalttransistoren T1S bis T4S, die in dieser Ausführungsform vier Feldeffekttransistoren sind (n-Kanal MOS-FET Enhancement). Durch das Schalten der Transistoren T1S bis T4S mit einer bestimmten Taktfrequenz wird eine Wechselspannung erzeugt, die an einer auf dem Stator vorgesehenen Spule L1S anliegt. Die Spule L1S ist an den Wechselrichter 1S zwischen den Schalttransistoren T1S bis T4S angeschlossen.
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Der Wechselrichter 1S kann bei Bedarf auch ein andersartiger Wechselrichter sein, beispielsweise ein Halbbrücken-Wechselrichter mit Kondensator.
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Auf dem Rotor der Synchronmaschine ist eine Rotorelektronik vorgesehen, die eine Versorgungsschaltung 1R mit einer Spule L1R und einen Gleichrichter 2R beinhaltet.
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Der Gleichrichter 2R ist bevorzugt aus zwei Reihenschaltungen a zwei Dioden D1R, D4R und D2R, D3R, ergo insgesamt vier Dioden D1R bis D4R, beispielsweise SiC-Dioden, aufgebaut, wobei die rotorseitige Spule L1R zwischen den Dioden D1R, D4R und D2R, D3R an den Knoten X2, X4 an den Gleichrichter 2R angeschlossen ist. Die Kathoden der Dioden D1R und D2R sind an den Knoten X1 angeschlossen bzw. liegen auf diesem Potential. Die Anoden der Dioden D3R und D4R sind an den Knoten X3' angeschlossen bzw. liegen auf dem entsprechenden Potential. Optional kann der Gleichrichter 2R noch einen Glättungskondensator aufweisen.
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Der Gleichrichter 2R kann allerdings auch durch einen andersartigen Gleichrichter verwirklicht sein.
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Der Versorgungsschaltung 1R kann Energie zur Versorgung und Erregung der Erregerspule LER kontaktlos zugeführt werden. Die Energie wird in der in 1 gezeigten Schaltung durch Induktion übertragen. Hierfür liegt an der statorseitigen Spule L1S eine Wechselspannung an, wobei durch den damit auftretenden Wechselstrom die Spule L1S ein sich änderndes Magnetfeld aufbaut, das die auf dem Rotor angeordnete Spule L1R durchsetzt. Die Änderung des durch die Spule L1S erzeugten Magnetfeldes führt zu einer Änderung der magnetischen Flussdichte des die Querschnittsfläche der Spule L1R durchsetzenden magnetischen Flusses, wodurch eine Wechselspannung UW durch Induktion an der Spule L1R bzw. an den Knoten X2, X4 anliegt/auftritt.
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Diese Wechselspannung UW wird durch den Gleichrichter 2R gleichgerichtet, wobei die gleichgerichtete Spannung an der Erregerspule LER in Form der gezeigten Spannung UL abfällt und zu einem Stromfluss durch die Erregerspule LER führt. Der im Folgenden noch erläuterte Transistor T1R ist in dem normalen Betrieb in seinen leitenden Zustand geschaltet und kann idealisiert als Kurzschluss betrachtet werden.
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In dem stromdurchflossenen Zustand der Erregerspule LER erzeugt diese das Magnetfeld, das im Motorbetrieb der Synchronmaschine mit einem Drehmagnetfeld, das von um den Rotor herum angeordneten Statorspulen (nicht gezeigt) erzeugt wird, derart wechselwirkt, dass der Rotor rotiert und das Kraftfahrzeug antreibt. Wird die Synchronmaschine als Teil eines Reichweitenverlängerers eingesetzt, und der Rotor im Generatorbetrieb durch einen Verbrennungsmotor rotiert/angetrieben, führt das zu einer Induktion an den Statorspulen und zur Erzeugung einer Ausgangswechselspannung. Die Ausgangswechselspannung wird gleichgerichtet und liegt an einer Fahrzeugbatterie zum Laden der Fahrzeugbatterie an.
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Zum Schutz der Versorgungsschaltung 1R bzw. des Gleichrichters 2R ist erfindungsgemäß auf dem Rotor noch eine Schutzschaltung 3R angeordnet, die über den im Folgenden noch erläuterten Transistor T1R parallel zu der Erregerspule LER liegt. Die Schutzschaltung 3R kann beispielsweise aus einer Reihenschaltung von Zenerdioden und/oder Suppressordioden DZR1 aufgebaut sein. Die Zenerdioden oder Suppressordioden DZR1 sind bevorzugt alle identisch und bezüglich der durch den Gleichrichter 2R erzeugten Gleichspannung in Sperrrichtung gepolt, so dass es bei bestimmungsgemäßer Erzeugung der Gleichspannung durch den Gleichrichter 2R zu keinem Stromfluss durch die Zenerdioden oder Suppressordioden DZR1 kommt. Mit anderen Worten ist die Kathode der einen äußersten Zenerdiode/Suppressordiode DZR1 (obere Diode in der 1) an den Knoten X1 und die Anode der anderen äußersten Zenerdiode/Suppressordiode DZR1 (untere Diode in 1) an den Knoten X3' angeschlossen.
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Werden während des Betriebes der Synchronmaschine die Statorspulen derart angesteuert, dass es zu einer starken Änderung des Drehmagnetfeldes kommt, kann an der Erregerspule LER durch Induktion eine so starke Induktionsspannung entstehen, dass der Gleichrichter 2R – ohne zusätzliche Schutzmaßnahmen – geschädigt würde.
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Selbiges kann bei starken elektrischen Rückwirkungen auf die Statorspulen im Generatorbetrieb auftreten.
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Zur Verhinderung einer solchen Schädigung des Gleichrichters 2R ist die erwähnte Schutzschaltung 3R vorgesehen. Nimmt die an der Erregerspule LER erzeugte Induktionsspannung einen solchen Wert an, der dem Wert der sich aus der Reihenschaltung der Zenerdioden/Suppressordioden DZR1 ergebenden Durchbruchsspannung entspricht, brechen die Zenerdioden/Suppressordioden DZR1 durch und nehmen den durch die Erregerspule fließenden Strom auf.
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Der Gleichrichter wird somit entlastet und vor Schädigungen geschützt. Die durch die Schutzschaltung 3R aufgenommene Energie wird in Wärme umgewandelt und an die Umgebung abgegeben. Nimmt die an der Erregerspule LER erzeugte Induktionsspannung bei Abklingen der Änderung des Drehmagnetfeldes ab, sperren die Zenerdioden/Suppressordioden DZR1 wieder und die gesamte Rotorschaltung kehrt in ihren normalen Betrieb zurück.
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In dieser Ausführungsform ist die Schutzschaltung bevorzugt durch eine Reihenschaltung von Zenerdioden/Suppressordioden DZR1 ausgestaltet, sie kann allerdings auch beispielsweise durch Varistoren ausgebildet werden. Allgemein ist die Schutzschaltung 3R bevorzugt eine passive Schutzschaltung.
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Optional umfasst die auf dem Rotor angeordnete Schaltung noch eine Entmagnetisierungsschaltung 4R, die beispielsweise bei einem Unfall für eine schnelle Entmagnetisierung der Erregerspule LER sorgt.
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Die Entmagnetisierungsschaltung 4R wird von einer Ansteuerschaltung 5R angesteuert, wobei die Ansteuerschaltung 5R hierfür eine Spule L2R und einen Gleichrichter aufweist. Wie die Spule L1R erzeugt die Spule L2R durch Induktion eine Wechselspannung, die durch den Gleichrichter gewandelt/gleichgerichtet wird. Die Spule L2R ist an den Knoten X5, X6 angeschlossen. Bei dem Gleichrichter handelt es sich in diesem Fall um einen einfachen Einweggleichrichter mit einer Diode D5R und einem Glättungskondensator C1R. Die gleichgerichtete Spannung liegt zwischen einem Gate-Anschluss des Transistors T1R, der mit der Kathode der Diode D5R und dem Kondensator C1R verbunden ist, und einem Source-Anschluss des Transistors T1R, der an den Knoten X3' angeschlossen ist. Die anliegende Gleichspannung schaltet den Transistor T1R in seinen leitenden Zustand, in dem der Drain Source Kanal ausgebildet und leitend ist. Der Transistor T1R ist in 1 bevorzugt ein Feldeffekttransistor (n-Kanal MOS-FET Enhancement), kann allerdings beispielsweise auch durch einen IGB-Transistor verwirklicht werden.
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Die Entmagnetisierungsschaltung 4R umfasst weiterhin auch eine oder mehrere in Reihe geschaltete Zenerdiode(n) und/oder Suppressordiode(n) DZR2, die den Drain-Anschluss des Transistors T1R, der mit dem Knoten X3 verbunden ist, und den Source-Anschluss überbrücken bzw. verbinden.
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In dem normalen Betrieb der auf dem Rotor vorgesehenen Rotorelektronik überbrückt der leitende Drain-Source Kanal des Transistors T1R die Zenerdiode(n)/Suppressordiode(n) DZR2, weshalb nur eine geringe Spannung über der/den Zenerdiode(n) oder Suppressordiode(n) DZR2 abfällt und diese sich im sperrenden Zustand befinden. Idealisiert betrachtet schließt der Transistor T1R die Zenerdioden/Suppressordioden DZR2 kurz.
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Wird bei einem Unfall die Spannungsversorgung durch die Fahrzeugbatterie, beispielsweise durch Absprengen einer ihrer Klemmen, unterbrochen, bricht die Wechselspannung an der Spule L2R und damit die Gleichspannung an dem Transistor T1R zusammen. Der Transistor T1R geht hierdurch in den nichtleitenden Zustand über, das heißt der Drain Source Kanal des Transistors T1R sperrt.
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Durch das Schalten des Transistors T1R wird der Stromfluss durch die Erregerspule LER unterbrochen, weshalb sich die Spannung an der Erregerspule LER aufgrund des Bestrebens der Erregerspule LER, den Stromfluss aufrechtzuerhalten, umkehrt und sprungartig erhöht. Aufgrund der Sperrwirkung der Zenerdioden/Suppressordioden DZR2 und dem damit verbundenen anfänglichen hohen Widerstand läuft die Spannung an der Erregerspule LER sprungartig bis zu einem solchen Wert, bei dem es zu einem Durchbruch der Zenerdioden/Suppressordioden DZR2 der Entmagnetisierungsschaltung 4R kommt. Gleichermaßen erhöht sich mit dem Anstieg der von der Erregerspule LER gelieferten Spannung bis zum Durchbruch der Zenerdioden/Suppressordioden DZR2 der Entmagnetisierungsschaltung 4R der Betrag der Änderung des durch die Erregerspule LER fließenden Stromes. Anders ausgedrückt ist durch die Zenerdioden/Suppressordioden DZR2 die Zeitkonstante, mit der der Strom durch die Spule abklingt, sehr klein. Folge ist eine schnellere Entmagnetisierung der Erregerspule LER gegenüber derselben Schaltung ohne Zenerdioden/Suppressordioden DZR2, bei der die Zeitkonstante, mit der der Strom durch die Erregerspule LER abklingt, durch die sehr geringen differentiellen Widerstände der in Durchlassrichtung gepolten Dioden D1R bis D4R und DZR1 bestimmt wird.
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Unter Bezug auf 2 wird nunmehr eine konkrete Schaltung der sich auf dem Rotor befindenden Rotorelektronik erläutert.
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Die gezeigten Anschlüsse X2, X4 entsprechen den in 1 gezeigten Knoten X2, X4, wobei die an diesen Anschlüssen X2, X4 vorgesehene Spule L1R n Windungen aufweist. Bei bestimmungsgemäßer Verwendung der in 2 gezeigten Rotorelektronik liefert die Spule L1R eine Peak-to-Peak Spannung von bis zu 800 V mit einem Effektivwert von 400 V.
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Den Anschlüssen X2, X4 folgen die vier zu dem Gleichrichter 2R zusammengeschaltete Dioden D1R bis D4R.
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An den Anschlüssen X1, X1-1, X3-1, X3 ist die Erregerspule LER angeschlossen.
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Die Schutzschaltung 3R ist aus einem Suppressordioden-Array aufgebaut, der 2 bis 10 parallel geschaltete Reihenschaltungen von Suppressordioden DZR1 aufweist. Jede Reihenschaltung der parallel geschalteten Reihenschaltungen umfasst zwischen 2 bis 20 Suppressordioden.
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An den Anschlüssen X5 und X6, die auch in 1 gezeigt sind, ist die Spule L2R angeschlossen, die in diesem Fall n Windung aufweist und die bei bestimmungsgemäßer Verwendung der in 2 gezeigten Rotorelektronik eine Peak-to-Peak Spannung von kleiner 30 V liefert.
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Dem Anschluss X5 folgt die Diode D5R und ein Widerstand R1R, die zu dem Einweggleichrichter gehören. Der Glättungskondensator C1R ist durch eine Reihenschaltung zweier Kondensatoren verwirklicht.
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Die von dem Einweggleichrichter mit Glättungskondensator gewandelte Spannung liegt an einem Spannungsteiler, über den zwei dem Transistor T1R entsprechende Transistoren angesteuert werden. Die Transistoren sind bevorzugt IGB-Transistoren. Eine zusätzliche Zenerdiode, die zwischen den Basisanschlüssen der Transistoren und dem Knoten X3' vorgesehen ist, schützt die Basis-Emitter-Übergänge der IGB-Transistoren. Die Kollektoranschlüsse der IGB-Transistoren sind an den Anschluss X3 angeschlossen und die Emitteranschlüsse der IGB-Transistoren an den Knoten X3'.
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Die in 2 gezeigten Diod(en) DZR2 sind ähnlich der Schutzschaltung 3R durch einen Suppressordioden-Array verwirklicht, der 2 bis 15 parallel geschaltete Reihenschaltungen von Suppressordioden aufweist. Jede Reihenschaltung der parallel geschalteten Reihenschaltungen umfasst zwischen 2 und 10 Suppressordioden.
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Die Funktionsweise der Schaltung aus 2 ist mit der aus 1 identisch.
