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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Reluktanzmaschine. Die Erfindung betrifft auch eine Reluktanzmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 8.
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Reluktanzmaschinen sind im Stand der Technik natürlich hinlänglich bekannt. Aus der
DE 10 2013 112 634 A1 ist eine Reluktanzmaschine mit einem Stator und einem drehbar in dem Stator gelagerten Rotor bekannt, wobei der Rotor eine erste Anzahl von in radialer Richtung nach außen vorstehenden Rotorpolen und der Stator eine zweite Anzahl von in radialer Richtung nach innen vorstehenden Statorpolen aufweist. Der Stator ist mit der zweiten Anzahl von Wicklungen versehen, die jeweils zur Erzeugung eines Magnetfeldes bestromt werden können. Dabei sind zwei aneinander diametral gegenüberliegende Wicklungen einer gemeinsamen Phase zugeordnet, und eine Motorsteuerung ist vorgesehen, die für jede Phase jeweils eine Vollbrückenschaltung zur Ansteuerung der Phase aufweist. Dabei ist vorgesehen, zwei Gruppen von Wicklungen durch eine gemeinsame Stromquelle zu bestromen.
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Nachteilig an der bekannten Reluktanzmaschine ist unter anderem, dass der Ausfall einer einzelnen Batteriezelle zum Ausfall der Reluktanzmaschine führen kann. Darüber hinaus ist auch ein Balancieren mit mehreren, parallel geschalteten Block-Batterien bei eingeschränkt unterschiedlichen Ladezuständen nur mit zusätzlichem hohem Aufwand möglich. Nachteilig an den bekannten Reluktanzmaschinen ist die hohe Fahrzeugnennspannung. Diese erfordert die Einhaltung hoher Sicherheitsstandards.
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In der
DE 10 2011 014 924 A1 ist eine Balanciereinheit zwischen in Reihe geschalteten Batterien und in Reihe geschalteten Kondensatoren offenbart, dabei sind die Batterien und Kondensatoren über einen Schaltkreis induktiv gekoppelt. Die Kopplung ermöglicht ein Balancing-Verfahren zwischen den einzelnen Batteriezellen, um kleinere Ladungsdefizite im Durchflusswanderverfahren zu begleichen.
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In der
DE 10 2014 201 225 A1 ist ein Verfahren zum Ausbalancieren von Batteriemodulen über Zellen der Batteriemodule bekannt, wobei die Ruhespannung der Zellen bestimmt wird und über eine elektronische Schaltung algorithmisch die Zuschaltzeiten der einzelnen Zellen bestimmt werden.
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Aus der
DE 10 2010 002 154 A1 ist die Verwendung eines Elektromotors zur galvanischen Trennung beim Laden einer Traktionsbatterie im Fahrzeug bekannt.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betrieb einer Reluktanzmaschine zur Verfügung zu stellen, dass die oben genannten Nachteile verhindert und die Fahrzeugnennspannung auf geringe Werte beispielsweise U=60V begrenzt
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Es ist in einem zweiten Aspekt die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine eingangs genannte Reluktanzmaschine zur Verfügung zu stellen, ohne die oben genannten Nachteile.
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Die Erfindung wird hinsichtlich des Verfahrens durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Das Verfahren eignet sich insbesondere zum Betrieb einer der oben genannten Reluktanzmaschinen. Gegenüberliegende Wicklungen des Stators werden einer Phase zugeordnet und die Wicklungen einer Phase werden an eine separate Batterie angeschlossen. Eine Hälfte nebeneinander angeordneter Wicklungen wird verfahrensgemäß entgegen einer anderen Hälfte nebeneinander angeordneter Wicklungen magnetisiert und es werden so zwei gegenläufig orientierte Feldlinienteilkreise entlang des Umfanges zu einem Gesamtmagnetfeld ausgebildet. Es wird eine Drehrichtung des Gesamtmagnetfeldes entlang eines Umfanges des Stators bestimmt und eine Drehrichtung des Gesamtmagnetfeldes wird erzeugt, indem die Wicklungen einer in Drehrichtung äußersten Phase der Reihe nach umgepolt werden. Das Gesamtmagnetfeld setzt sich aus zwei Teilmagnetfeldern zusammen, die beide in etwa halbkreisförmig ausgebildet sind und über einen Rotorzweig miteinander verbunden werden. Durch Umpolen der in Drehrichtung jeweils äußersten Phase wird eine Drehrichtung des Gesamtmagnetfeldes erzielt, das den Rotor der Reluktanzmaschine ebenfalls in Drehrichtung in Bewegung versetzt. Die Winkelgeschwindigkeit des magnetischen Drehfeldes und die Winkelgeschwindigkeit des Rotors sind jedoch unterschiedlich. Erstere ist in der Regel deutlich höher als die zweite.
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Vorzugsweise werden unterschiedliche Ladungszustände der Batterien durch magnetische Kopplung der Wicklungen über den Stator, vorzugsweise den gemeinsamen umlaufenden Statorkern ausgeglichen. Das Prinzip des Balancierens durch eine magnetische Kopplung ist beispielsweise in der
DE 10 2011 014 924 A1 beschrieben. Wie im vorliegenden Fall sind die Batterien dort nicht direkt parallel zueinander geschaltet, sondern lediglich magnetisch um den umlaufenden Statorkern miteinander magnetisch gekoppelt. Unterschiedliche Ladezustände der Batterien führen zu unterschiedlichen magnetischen Flüssen beim Umpolen der Phasen.
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Grundsätzlich speist die Batterie mit der höchsten Quellspannung die höchste Energie ein, welche über die Maxwellkraft in mechanische Bewegung umgesetzt wird. Daraus folgt, dass jeder Schaltvorgang eine Angleichung der Energieinhalte aller Batterien bewirkt, was als „Balancieren“ bezeichnet wird. Daraus folgt, dass das System in den normalen Betriebsarten (Fahren-Bremsen) selbst kalibrierend ist. Dieses Verhalten ist in den 1-4 und ab 6 dargestellt. Ausnahme ist die Energieausgleichfunktion im Standbetrieb zwischen den Batterien gemäß 5.
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Vorzugsweise wird in 5 jede Wicklung über eine Vollbrückenschaltung angesteuert und die Wicklungen werden so angesteuert, dass im Standbetrieb kein Drehmoment erzeugt wird, der magnetische Fluss einen geschlossenen magnetischen Kreis ohne Luftspalt in positiver sowie in negativer Stromrichtung im Stator ausbildet. Die Wicklungen werden mit einer gemeinsamen Taktfrequenz beaufschlagt. Bei dieser Betriebsart ist im Standbetrieb ein Balancieren der Batterien möglich. Alle Vollbrücken v1-v8 werden synchron mit einem Takt in die gleiche Flussrichtung geschaltet, hierbei erzeugt die Batterie mit der höchsten Spannung einen Stromfluss in den Wandler (Stator) und wird somit zur Primärwicklung. Die Batterien mit der geringeren Spannung nehmen den Strom auf und werden so, je nach der Höhe ihrer Quellspannung zum Verbraucher und stellen also die Sekundärwicklungen des Wandlers dar. Um eine magnetische Sättigung zu verhindern, wird die Taktlänge dem Material angepasst und es wird, wie bei einem Durchflusswandler, die Polarität gewechselt (Wechselspannung), um die Effektivität zu erhöhen. Während in der Einschaltphase durch die Stromflussrichtung die Spannungsabfälle an den Vollbrücken usw. noch für eine Spannungsdifferenz an den Batterien sorgen, wird in der Abschaltphase die Maschineninduktivität zur Spannungsquelle und diese sorgt für eine Spannungsgleichheit an den Batterien. Es wird solange getaktet, bis ausreichend Energie übertragen wird.
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Günstigerweise wird in dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, jede Wicklung über eine Vollbrückenschaltung angesteuert und die Wicklungen werden so angesteuert, dass ein umlaufender magnetischer Fluss im Stator ausgebildet wird und die Wicklungen einer Wechselspannung einer gemeinsamen Taktfrequenz beaufschlagt werden. Durch den entlang des Statorkernes sich ausbildenden, umlaufenden, magnetischen Fluss ist ohne Luftspalt wie bei einem Ringkerntransformator, ein besonders effizientes Balancieren der Batterien im Standbetrieb möglich.
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Dieses ermöglicht, bei großer Ungleichheit der Ladezustände der Batterien, dass sich die Batterie, die sich kurz vor einer Abschaltung durch Unterspannung befindet, eine Aufladung durch vollere Batterien bekommt und sich die Energieinhalte egalisieren. Dies ist eine Funktion, um einen anstehenden Notlauf einer fehlenden Phase zu vermeiden, bis zum externen Laden an einer Ladestation.
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Hinsichtlich der Vorrichtung wird die Aufgabe durch eine eingangs genannte Reluktanzmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst.
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Die erfindungsgemäße Reluktanzmaschine umfasst einen Stator und einen drehbar im Stator gelagerten Rotor. Der Rotor weist eine erste Anzahl von in radialer Richtung nach außen vorstehenden Rotorpolen und der Stator eine zweite Anzahl von in radialer Richtung nach innen abstehenden Statorpolen auf. Der Stator ist zwischen aufeinanderfolgenden Statorpolen mit jeweils einer toroidal angeordneten Wicklung versehen und jede der Wicklungen erzeugt ein toroidales Magnetfeld zwischen den beiden benachbarten Statorpolen. Dabei sind zwei diametral einander gegenüberliegende Wicklungen einer gemeinsamen Phase zugeordnet und es sind jeweils zwei Gruppen mit jeweils einer Hälfte der Wicklungen vorgesehen. Die Zuordnung der Wicklungen zu den beiden Gruppen ändert sich während des Betriebs der Reluktanzmaschine fortlaufend in gleichbleibender Reihenfolge. Erfindungsgemäß ist jede Phase an zumindest eine separate Spannungsquelle angeschlossen und die Wicklungen erzeugen durch Umpolung der Phasen ein den Stator umlaufendes, magnetisches Drehfeld. Vorteilhafterweise ist mit dem Einsatz einer Mehrzahl vorzugsweise separater Batterien der Ausfall einer einzelnen Batterie kompensierbar. Die separaten Block-Batterien sind nicht in Reihe geschaltet, um die Fahrzeugnennspannung gering zu halten.
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Unter Batterie sind hier allgemein vorzugsweise wieder aufladbare Batterien, vorzugsweise Lithiumionenbatterien, zu verstehen.
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Günstigerweise weist jede der Wicklungen eine gleiche Windungsanzahl und eine gleiche magnetische Kopplung auf. Dadurch wird ein optimaler Energieaustausch zwischen den Batterien erzeugt und ein sehr gleichmäßiger Lauf der Reluktanzmaschine erzielt.
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Besonders bevorzugt ist jede Wicklung an eine separate Batterie angeschlossen und zwei sich gegenüberliegende Wicklungen können zu einer Phase verbunden werden. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung entspricht die Anzahl der Wicklungen, der Anzahl der Spannungsquellen, vorzugsweise der Batterien.
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Es ist eine Motorsteuerung vorgesehen, die für jede der Phasen jeweils eine bipolare Vollbrückenschaltung zur Ansteuerung der Phase aufweist. Dabei kann eine Vollbrückenschaltung zur Ansteuerung der beiden Wicklungen einer Phase vorgesehen sein. In einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist es dagegen vorzugsweise vorgesehen, dass eine Motorsteuerung zur Verfügung gestellt wird, bei der jede der Wicklungen durch eine eigene Vollbrückenschaltung angesteuert wird, wodurch der Gesamtstrom durch jede der Vollbrückenschaltungen in etwa halbiert wird und die Redundanz bei Ausfall einer Vollbrücke erhöht wird.
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Die Erfindung wird anhand von mehreren Ausführungsbeispielen in zweiundzwanzig Figuren beschrieben, dabei zeigen:
- 1a Energiemanagement mit elektrischer und magnetischer Kopplung in Form einer Reluktanzmaschine, dessen Transformatorersatzschaltbild mit der Wicklungsverschaltung, vier Vollbrückenschaltungen und vier Batterien,
- 1b Mechanische Schnittansicht eines Stators und eines Rotors zu der 4-Phasen 8/10 Reluktanzmaschine in 1a,
- 2a Prinziptransformatorersatzschaltbild einer erfindungsgemäßen 4-Phasen 8/10 Reluktanzmaschine mit vier Batterien und vier Vollbrückenschaltungen,
- 2b Schnittansicht eines Stators und eines Rotors der 4-Phasen 8/10 Reluktanzmaschine in 2a mit vier Batterien und vier Vollbrückenschaltungen, mit magnetischer Polarität auf NN bei einem Winkel von αs=0° und SS auf αs=180°, im Zustand der Startposition,
- 3a Transformatorersatzschaltbild gemäß 2a nach Polaritätswechsel der Phase D und D' der erfindungsgemäßen 4-Phasen 8/10 Reluktanzmaschine,
- 3b Schnittansicht des Stators und des Rotors der 4-Phasen 8/10 Reluktanzmaschine in 3a mit magnetischer Polarität auf NN bei einem Winkel von αs=45° und SS auf αs=225°, im Zustand der ersten Drehwinkelposition mit neuer Rotorposition αr=9°,
- 4a Transformatorersatzschaltbild einer 4-Phasen 8/10 Reluktanzmaschine mit vier Batterien und acht Vollbrückenschaltungen,
- 4b Schnittansicht des Stators und des Rotors der 4-Phasen 8/10 Reluktanzmaschine in 4a,
- 5a Transformatorersatzschaltbild einer 4-Phasen 8/10 Reluktanzmaschine mit vier Batterien und acht Vollbrückenschaltungen mit magnetischem Kreis zur Verwendung als Durchflusswandler ohne Luftspalt zum Ladungsausgleich zwischen den Batterien,
- 5b Schnittansicht des Stators und des Rotors der 4-Phasen 8/10 Reluktanzmaschine in 5a,
- 6a Transformatorersatzschaltbild der 4-Phasen 8/10 Reluktanzmaschine mit acht Batterien und acht Vollbrückenschaltungen zur Darstellung des Energieaustausches im Fahrbetrieb,
- 6b Schnittansicht von Rotor und Stator der 4-Phasen 8/10 Reluktanzmaschine in 6a,
- 7a die 4-Phasen 8/10 Reluktanzmaschine äquivalent zur 6a, nach einem Polaritätswechsel in den Wicklungen D und D',
- 7b Schnittansicht des Stators und Rotorstellung nach dem Polaritätswechsel gemäß 7a,
- 8a die 4-Phasen 8/10 Reluktanzmaschine in den 8a, 8b nach einem z.B. Ausfall der Batterie 4 und den Wicklungen D und D', welches einem Notlauf entspricht.
- 8b Schnittansicht des Stators und Rotorstellung gemäß 8a vor dem fehlenden Polaritätswechsel,
- 8c die 4-Phasen 8/10 Reluktanzmaschine in den 8c, 8d nach einem Ausfall der Vollbrücke v4 auf Wicklung D und D',
- 8d Schnittansicht des Stators und Rotorstellung nach 8c, entspricht der 8b, Ausfall der Brücke v4 ist identisch dem Ausfall der Batterie 4,
- 9a die 4-Phasen 8/10 Reluktanzmaschine in den 9a, 9b nach einem Ausfall der Batterie 4 ,
- 9b Schnittansicht des Stators und Rotorstellung nach dem Polaritätswechsel gemäß 9a,
- 10a Prinzip-Schaltplan einer der 4-Phasen 8/10 Reluktanzmaschinen mit vier Batterien und vier Vollbrückenschaltungen, Treiberschaltung T1-T4 mit Ansteuermuster für Links- und Rechtslauf.
- 10b Schnittansicht des Stators und Rotorstellung in der Startposition 0° gemäß 10a,
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1b zeigt einen außen ringförmig angeordneten Stator 2 mit acht Statorpolen s1, s2, s3, s4, s5, s6, s7, s8 und einem Rotor 1 mit zehn Rotorpolen r1, r2, r3, r4, r5, r6, r7, r8, r9, r10. Zwischen benachbarten Statorpolen s1, s2, s3, s4, s5, s6, s7, s8 ist jeweils eine toroidale Wicklung A, B, C, D, A', B', C', D' vorgesehen. Die nachfolgend beschriebene 4-Phasen 8/10 Reluktanzmaschine ist als Innenläufer ausgebildet. Grundsätzlich kann die 4-Phasen 8/10 Reluktanzmaschine auch als Außenläufer ausgebildet sein. Es sind auch Kombinationen zwischen Innen- und Außenläufer möglich. Die zehn Rotorpole r1, r2, r3, r4, r5, r6, r7, r8, r9 r10 sind gleichmäßig, vorzugsweise äquidistant entlang eines Umfanges des Rotors 1 verteilt, ebenso sind die acht Statorpole s1, s2, s3, s4, s5, s6, s7, s8 entlang eines Umfanges des Stators 2 gleichmäßig, vorzugsweise äquidistant verteilt. Der Rotor 1 ist drehbar um eine Achse im Inneren des Stators 2 angeordnet. Die zwischen den Statorpolen s1, s2, s3, s4, s5, s6, s7, s8 angeordneten toroidalen Wicklungen A, B, C, D, A', B', C' D' bestehen aus isoliertem Kupfer- oder Aluminiumdraht. Jede der Wicklungen A, B, C, D, A', B', C', D' ist so geführt, dass ein ringförmiger Statorkern 3 zwischen den Statorpolen s1, s2, s3, s4, s5, s6, s7, s8 jeweils Kerne der Wicklungen A, B, C, D, A', B', C', D' ausbildet. Sich gegenüberliegende Wicklungen AA', BB', CC' und DD' des Stators 2 bilden jeweils eine Phase aus. Die Phasen und Wicklungspaare AA', BB', CC', DD' werden im Weiteren auch gleich bezeichnet.
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1a zeigt die Verschaltung mit jeweils zwei Wicklungen AA', BB', CC', DD' einer Phase, welche in Reihe geschaltet sind. Der magnetische Fluss der beiden Wicklungen einer Phase AA', BB', CC', DD' verläuft entlang des Statorkernes 3 in entgegengesetzter Richtung, sodass die beiden Wicklungen einer Phase AA', BB', CC', DD' gegensinnig um den Statorkern 3 eine Magnetfeldpolarität in NN und SS Richtung bilden. Die Doppelung in den Bezeichnungen „NN“ und „SS“ ist darin begründet, dass zwei Magnetkreise vorliegen und jeder der beiden Buchstaben einen der beiden Magnetkreise betrifft.
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1a zeigt das Transformatorersatzschaltbild, die beiden Wicklungen AA', BB', CC', DD' einer Phase werden jeweils über eine Lithiumionenbatterie Batt_1, Batt_2, Batt_3, Batt_4 und über jeweils eine Vollbrückenschaltung v1, v2, v3, v4 mit Strom versorgt. Schalter der Vollbrückenschaltungen v1, v2, v3, v4 werden über eine nicht dargestellte bekannte Vollbrücken-Steuerung geschaltet.
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1b zeigt ein magnetisches Gesamtfeld, das sich im Wesentlichen aus zwei magnetischen Teilfeldern zusammensetzt, wobei ein erstes Teilfeld durch die Wicklungen A, B, C, D und ein zweites Teilfeld durch die Wicklungen A', B', C', D' gebildet wird und die beiden magnetischen Teilfelder gegenläufig entlang des Statorkernes 3 verlaufen und beide magnetischen Teilfelder in NN und SS Richtung über einen gemeinsamen Rotorzweig 1 jeweils miteinander geschlossen sind.
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Die vier Blockbatterien weisen jeweils eine Spannung von U=60V auf. Diese Spannung entspricht der Fahrzeugnennspannung. Die Maschinenspannung beträgt UM=240V. Im Ersatzschaltbild der Maschine werden die acht Einzelwicklungen mit jeweils Uw=30V versorgt. Dieses Verfahren ist deutlich effizienter als die bekannten Standardlösungen, wo UM=240V an zwei in Reihe liegende Einzelwicklungen Uw=120V geschaltet sind.
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Das Transformatorersatzschaltbild der 4-Phasen 8/10 Reluktanzmaschine im rechten Teil der 2a ist durch einen dreischenkligen Transformator 10 gebildet, wobei der Rotorzweig 10 in dem dargestellten Zustand über den ersten und sechsten Rotorpol r1, r6 verläuft und den Mittelschenkel im Transformatorersatzschaltbild ausbildet. Die beiden magnetischen Teilkreise sind durch jeweils vier Wicklungen A, B, C, D bzw. A', B', C', D', die gruppenweise jeweils in gleicher Richtung bestromt werden und die toroidal um jeweils einen seitlichen Schenkel des Transformatorersatzschaltbildes gewickelt sind, ausgebildet. Gemäß 2a sind die Wicklungen A, B, C, D in einer Richtung bestromt, während die Wicklungen A', B', C', D' in einer anderen Richtung bestromt werden, sodass sich zwei entgegengesetzte magnetische Teilflüsse gemäß 2b ausbilden. Die vier Batterien Batt_1, Batt_2, Batt_3, Batt_4 weisen unterschiedliche Füllstände auf, sodass die magnetischen Flüsse der Wicklungen A, B, C, D, A', B', C', D', die durch die jeweilige Batterie Batt_1, Batt_2, Batt_3, Batt_4 hervorgerufen werden, entsprechend unterschiedlich sind. Weil die Wicklungen A, B, C, D, A', B', C', D' magnetisch durch den Stator 2 gekoppelt sind, findet ein induktiver Ladungsausgleich zwischen den einzelnen Batterien Batt_1, Batt_2, Batt_3, Batt 4 statt. Die Batterien Batt_1, Batt_2, Batt_3, Batt_4 werden „balanciert“. Damit ist gemeint: Die jeweilige Batterie Batt_1, Batt_2, Batt_3, Batt_4 mit der höchsten Quellspannung gibt mehr Energie im Einspeisepuls EP ab und die mit der geringsten Quellspannung nimmt mit jedem Rückspeisepuls RP mehr Energie auf. Damit führt jeder Puls zur Egalisierung der unterschiedlichen Ladezustände der Batterien.
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In den 3, 3a ist der durch das Umpolen der Wicklungen DD' um einen Rotordrehwinkel von αr = 9° im Uhrzeigersinn gedrehte Rotor 1 dargestellt. Die Phase mit den Wicklungen DD' wird über die vierte Batterie Batt_4 und die zugehörige Vollbrückenschaltung v4 gesteuert, wobei im Gegensatz zu der Stellung gemäß 2a die vierte Vollbrückenschaltung v4 umgeschaltet ist und dadurch der magnetische Fluss in den Wicklungen DD' in der 3b gegenüber den Flussrichtungen in der 2b umgekehrt ist. Dadurch werden die beiden magnetischen Teilfelder jeweils um 45° im Uhrzeigersinn gedreht und es bildet sich ein neuer Rotorzweig 4 über die Rotorpole r10 und r5 und zwischen den beiden Statorpolen s8 und s4 aus. Durch den Polaritätswechsel der Wicklungen DD' wird der Rotor 1 somit hier um den Rotordrehwinkel αr = 9° im Uhrzeigersinn gedreht.
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Ein kompletter elektrischer Umlauf des Magnetfeldes über einen Gesamtmagnetfelddrehwinkel αs = 360°, d. h. bis der Nordpol wieder auf dem Statorpol s1 angeordnet ist, bewirkt eine Drehung des Rotors um einen Rotordrehwinkel von αr = 72°. Daher sind bei der 4-Phasen 8/10 Reluktanzmaschine fünf magnetische Umläufe im Stator 2 erforderlich, um einen Rotorumlauf von αr=360° zu bewirken. Im Transformatorersatzschaltbild der 3a wechseln die Wicklungen DD' den Transformatorzweig durch die Umpolung der vierten Vollbrückenschaltung v4. Die beiden neuen Teilmagnetfelder durch die Wicklungen ABCD' bzw. A'B'C'D sind weiterhin spiegelsymmetrisch entlang des neuen Rotorzweiges 4 ausgebildet.
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Weil alle Phasen AA', BB', CC', DD' gleichzeitig genutzt werden, ist nicht nur die Energieeffizienz gegenüber einer herkömmlichen 4-Phasen 8/10 Reluktanzmaschine höher, sondern die erfindungsgemäße 4-Phasen 8/10 Reluktanzmaschine ist in der Lage, die vier wieder aufladbaren Batterien Batt_1, Batt_2, Batt_3, Batt_4 im normalen Fahrbetrieb zusätzlich auszubalancieren.
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Die Anzahl der einzelnen Lithiumzellen einer Lithiumionenbatterie Batt_1, Batt_2, Batt_3, Batt_4 kann auf eine gegenüber dem Stand der Technik geringere Batteriespannung Ubatt reduziert werden. Wenn beispielsweise bei Einhaltung einer Sicherheitsspannung im Kraftfahrzeug auf Ubatt=60 V könnte bei einer 6-Phasen Reluktanzmaschine eine Leistung hervorgebracht werden, wie sie bei einer herkömmlichen 6-Phasen Reluktanzmaschine für Ubatt = 360 V konzipiert wäre.
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In den 4a und 4b ist eine alternative Ausführungsform der erfindungsgemäßen 4-Phasen 8/10 Reluktanzmaschine dargestellt, dabei sind vier einzelne Batterien Batt_1, Batt_2, Batt_3, Batt 4 vorhanden, wobei jede der Batterien Batt_1, Batt_2, Batt_3, Batt_4, mit zwei Vollbrückenschaltungen v1, v2, v3, v4, v5, v6, v7, v8 verbunden ist, die jeweils eine der acht Wicklungen A, B, C, D, A', B', C', D' steuert. Auch hier ist die Schaltersteuerung der acht Vollbrückenschaltungen v1, v2, v3, v4, v5, v6, v7, v8 nicht dargestellt. Bei der Verwendung von acht statt vier Vollbrückenschaltungen v1, v2, v3, v4, v5, v6, v7, v8 muss jede der Vollbrückenschaltungen v1, v2, v3, v4, v5, v6, v7, v8 vorteilhafterweise nur einen halben Dauerstrom ID tragen.
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Vorteilhafterweise können bei der Ausführungsform gemäß den
4a,
4b durch versetztes Schalten der Phasen D zu D', C zu C', B zu B', A zu A' bei einem rechtsdrehenden Rotor 1 die Drehmomentspitzen reduziert werden, sodass ein gleichmäßiges Drehmoment auf den Rotor 1 ausgeübt wird. Der Betrieb der Motorsteuerung mit acht Vollbrückenschaltungen v1, v2, v3, v4, v5, v6, v7, v8 hat den Vorteil, dass im Stillstand gemäß
5a,
5b ein effektiveres Balancieren durchgeführt werden kann, wenn die acht Wicklungen A, B, C, D, A', B', C', D' so geschaltet werden, dass der magnetische Fluss einen magnetischen Kreis entlang des Statorkernes 3 ausbildet. Das Prinzip des Balancierens der Batterien Batt_1, Batt_2, Batt_3, Batt_4 ist beispielsweise aus der
DE 10 2011 014 924 A1 bekannt.
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In den 6a, 6b ist die mit acht Vollbrückenschaltungen v1, v2, v3, v4, v5, v6, v7, v8 angesteuerte 4-Phasen 8/10 Reluktanzmaschine dargestellt, wobei links wiederum das Transformatorersatzschaltbild und rechts der Schnitt durch den Stator 2 mit Rotor 1 und den beiden magnetischen Teilkreisen dargestellt ist. Jede der Vollbrückenschaltungen v1, v2, v3, v4, v5, v6, v7, v8 ist an eine separate Batterie Batt_1, Batt_2, Batt_3, Batt_4, Batt_5, Batt_6, Batt 7, Batt_8 angeschlossen. Die magnetischen Teilkreise verlaufen gegenläufig.
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Bei einer Batteriespannung z.B. UBatt_i=18 Zellen * 3,6 V=64,8 V, i=1, ... 8, einer einzelnen Batterie, bestehend aus 18 Zellen, ergibt sich durch den Stator 2 ein magnetischer Fluss, der einer Batteriespannung U einer herkömmlichen 4-Phasen 8/10 Reluktanzmaschine im Standardbetrieb von U=8x64,8=518V entspricht. Durch die Verwendung separater Batterien Batt_1, Batt_2, Batt_3, Batt_4, Batt_5, Batt_6,Batt 7, Batt_8 und die Versorgung jeder Wicklung A, B, C, D, A', B', C', D' mit jeweils einer Batterie Batt_1, Batt_2, Batt_3, Batt_4, Batt_5, Batt_6,Batt 7, Batt_8 ist es möglich, die herkömmlicherweise notwendige hohe Batteriespannung U in acht kleinere Batteriespannungen UBatt_1, UBatt_2, UBatt_3, UBatt_4, UBatt_5, UBatt_6, UBatt_7, UBatt_8 zu zerlegen. Die Leistung der 4-Phasen 8/10 Reluktanzmaschine bleibt jedoch im Wesentlichen erhalten.
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Im Umkehrschluss wird die Leistung der Antriebseinheit erhöht. Durch die höhere Anzahl der Batterien, bei Verwendung einer Fahrzeugnennspannung z.B. UB=64,8V mit IB=200A (8x), in diesem Fall also von vier Batterien auf acht Batterien verdoppelt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es somit, die Fahrzeugnennspannung U deutlich herabzusetzen bei gleichzeitig gleichbleibender Wicklungsspannung in der Reluktanzmaschine. Der Vorteil der geringeren Fahrzeugnennspannung ist mit einer deutlichen Kostenersparnis verbunden.
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Die 6a, 6b zeigen die 4-Phasen 8/10 Reluktanzmaschine in einer ersten Stellung, während die 7a und 7b die 4-Phasen 8/10 Reluktanzmaschine nach Umschalten sowohl der Stromrichtung der Wicklung D' als auch der Stromrichtung der Wicklung D zeigen, sodass entsprechend den 3, 3a im Vergleich zu den 2, 2a ein Weiterdrehen des Rotors 1 um den Rotordrehwinkel αr = 9° stattfindet. In dem Beispiel ist zu erkennen, dass nach dem Umschalten der Phase DD' die Batterien Batt_1, Batt_2, Batt_ 3, Batt_8 sowie Batt_5, Batt_6,Batt_7, Batt 4 jeweils einen magnetischen Kreis bilden. Durch das Verschieben der magnetischen Kreise werden die Batterien der Gruppen Batt_1, Batt_2, Batt_3 Batt_4 und Batt_5, Batt_6,Batt_7, Batt_8 balanciert.
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Die 10a, 10b zeigen den Schaltplan der 4-Phasen 8/10 Reluktanzmaschine mit vier Batterien Batt_1, Batt_2, Batt_3, Batt_4. An jede der Batterien Batt_1, Batt_2, Batt_3, Batt_4 ist eine Vollbrückenschaltung v1, v2, v3, v4 angeschlossen und jede der Vollbrückenschaltungen v1, v2, v3, v4 ist mit zwei sich gegenüberliegenden Wicklungen AA`, BB', CC', DD' verbunden. Hier werden vier Lithiumionenbatterien Batt_1, Batt_2, Batt_3, Batt_4 mit jeweils Batterieeinzelzellen verwendet. Jede der Phasen weist zwei Wicklungen AA', BB', CC', DD' auf und vier MOSFET Vollbrückenschaltungen v1, v2, v3, v4, welche für die geringere Fahrzeugnennspannung z.B. U=60V ausgelegt werden müssen.
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Die 8a zeigt den Ausfall der Batterie 4, die Neuausrichtung auf Rotorzeig 4 und 8b z.B. eine fortlaufende Drehrichtung nach rechts, sodass sich bei Ausfall einer Phase z.B. DD' eine geänderte magnetische Ausrichtung αr½ =4,5° einstellt, N auf αs=0° und N auf αs=45°, S auf αs=180° und S auf αs=225° und damit αr =½ Rotorzahnwinkel nach rechts, vor dem nächsten Phasenwechsel der Phase CC` eine eindeutige Ausrichtung zum nächsten Rotorzahn r9 ergibt. Das ergibt ein „redundantes Verhalten“ bei Ausfall einer Phase. Der Ausfall hat jedoch eine Drehmomentschwankung zur Folge, welche durch eine Anhebung des Stromprofils in den intakten Phasen in diesem Zeitintervall reduziert werden kann.
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Die 8a, 8b machen ebenfalls deutlich, dass im normalem Betrieb das Ausschalten der Phase DD' bereits eine halbe Drehwinkeländerung αr½ =4,5° von αr =9° des Rotors zur Folge hat. Nach Wechsel der Polarität in Phase DD' erfolgt ein kompletter Drehwinkel αr=9° zum Statorpol S8, falls Phase DD' ordnungsgemäß arbeitet. Dieses zeigt, dass schrittweise die Entmagnetisierung αr=½ Rotordrehwinkel und die Aufmagnetisierung αr=½. Rotordrehwinkel den Gesamtdrehwinkel um αr=9°, einen kompletten Rotordrehwinkel ändern.
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Die 8a 8b zeigen ebenfalls, dass die Ummagnetisierung einer einzelnen Phase deutlich energieeffizienter ist, als in Standardschaltungen der Reluktanzmaschinen, welche über eine Einzelpolschaltung magnetisiert. Hier wird jeweils der komplette magnetische Kreis aufmagnetisiert, welches ebenfalls eine komplette Entmagnetisierung und deutlich höhere Verluste zur Folge hat.
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Die 8c zeigt den Ausfall der Vollbrücke 4, eine fehlende Aufmagnetisierung durch Phase DD'. Beim Totalausfall ist die magnetische Ausrichtung der Rotorzweige 4 wie in 8a, beim Teilausfall kann es Zwischenzustände geben, die nicht weiter erläutert werden.
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Die 9a und 9b zeigen z.B. eine fortlaufende Drehrichtung nach rechts, im Anschluss an 8b und 8d mit fehlender Einspeisung der Phase DD', es folgt ein redundantes Verhalten nach dem Polaritätswechsel in den Wicklungen C und C' auf Rotorzahn r9 und r4.
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Die 10a und 10b zeigen ein Ansteuermuster für ein links und rechts drehendes Magnetfeld. Daneben ist in einem Prinzipschaltbild eine Treiberschaltung mit Treibern T1-T4 dargestellt mit Ansteuermuster für Links-und Rechtslauf.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rotor
- 2
- Stator
- 3
- Statorkern
- 4
- Rotorzweig
- 10
- dreischenkliger Transformator
- ID
- Dauerstrom
- U
- Batteriespannung
- Uw
- Wicklungsspannung
- UM
- Maschinenspannung
- EP
- Einspeisepuls
- RP
- Rückspeisepuls
- Batt_1
- Batterie
- Batt_2
- Batterie
- Batt_3
- Batterie
- Batt 4
- Batterie
- Batt_5
- Batterie
- Batt_6
- Batterie
- Batt_7
- Batterie
- Batt_8
- Batterie
- UBatt_1
- Batteriespannung
- UBatt_2
- Batteriespannung
- UBatt_3
- Batteriespannung
- UBatt_4
- Batteriespannung
- UBatt_5
- Batteriespannung
- UBatt_6
- Batteriespannung
- UBatt_7
- Batteriespannung
- UBatt_8
- Batteriespannung
- A, A', B, B' C, C', D, D'
- Wicklungen
- s1, s2, s3, s4, s5, s6, s7, s8
- Statorpole
- r1, r2, r3, r4, r5, r6, r7, r8, r9, r10
- Rotorpole
- v1, v2, v3, v4, v5, v6, v7, v8
- Vollbrückenschaltungen
- αr
- Rotordrehwinkel
- αs
- Magnetfelddrehwinkel