DE102016215296A1 - POWERED SYNCHRONOUS ELECTRIC MOTOR - Google Patents
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- H02P25/022—Synchronous motors
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen stromerregten Synchron-Elektromotor, insbesondere Traktionsmotor für ein Kraftfahrzeug und ein Fahrzeug mit einem solchen Motor. Der Elektromotor hat einen Rotor, der mindestens eine kurzgeschlossene Leiterschleife aufweist, und einem Stator, der eine Mehrzahl von ringförmig angeordneten Elektromagneten aufweist, Insbesondere können dies drei Elektromagnete oder Polpaare aus je zwei gegenüberliegenden Elektromagneten sein. Des Weiteren hat der Elektromotor eine Stromversorgungsvorrichtung, die konfiguriert ist, zur Erzeugung eines umlaufenden magnetischen Drehfelds in den Elektromagneten des Stators einen mehrphasigen, insbesondere dreiphasigen, Wechselstrom zu bewirken. Dabei entspricht jede Phase einer Drehfeld-Wechselstromkomponente, die mit einer jeweiligen Erreger-Wechselstromkomponente so moduliert ist, dass transformatorisch in der mindestens einen kurzgeschlossenen Leiterschleife des Rotors ein Erregerstrom induziert wird, der im Zusammenwirken mit dem durch die Drehfeld-Wechselstromkomponenten generierten Drehfeld ein auf den Rotor wirkendes Drehmoment erzeugt, um diesen zu veranlassen, synchron mit dem Umlauf des Drehfelds zu rotieren.The invention relates to a current-excited synchronous electric motor, in particular traction motor for a motor vehicle and a vehicle with such a motor. The electric motor has a rotor having at least one short-circuited conductor loop, and a stator having a plurality of annularly arranged electromagnets. In particular, these may be three electromagnets or pole pairs of two opposing electromagnets. Furthermore, the electric motor has a power supply device that is configured to cause a multi-phase, in particular three-phase, alternating current to generate a rotating rotating magnetic field in the electromagnets of the stator. In this case, each phase of a rotating field AC component which is modulated with a respective exciter AC component so that an exciting current is induced in the transformer induced in the at least one shorted conductor loop of the rotor, which in cooperation with the rotating field AC components generated by a rotating field on the Rotor acting torque generated to cause it to rotate synchronously with the rotation of the rotating field.
Description
Die Erfindung betrifft einen stromerregten Synchron-Elektromotor, insbesondere einen Traktionsmotor für ein Kraftfahrzeug, sowie ein Fahrzeug mit einem solchen stromerregten Synchron-Elektromotor. The invention relates to a current-excited synchronous electric motor, in particular a traction motor for a motor vehicle, as well as a vehicle with such a current-excited synchronous electric motor.
Elektromotoren dienen der Erzeugung einer Bewegung, insbesondere einer Rotationsbewegung, aus elektrischer Energie. Dabei wird eine Achse durch ein Drehmoment in Rotation versetzt, welches aufgrund der Kraft eines Magnetfelds auf einen stromdurchflossenen Leiter wirkt. Aufgrund des hohen Wirkungsgrads und ihrer guten Umweltverträglichkeit sind Elektromotoren auch als Antriebe im Automobilbereich von Interesse. Dabei sind verschiedene Typen von Elektromotoren, welche auf jeweils unterschiedlichen Funktionsprinzipien basieren, bekannt. Electric motors serve to generate a movement, in particular a rotational movement, from electrical energy. In this case, an axis is rotated by a torque, which acts due to the force of a magnetic field on a current-carrying conductor. Due to the high degree of efficiency and their good environmental compatibility, electric motors are also of interest as drives in the automotive sector. Various types of electric motors, which are based on different functional principles, are known.
Synchronmotoren, in denen ein konstant magnetisierter Rotor (Läufer), d.h. ein Rotor, dessen Polung sich nicht ändert, einem sich drehenden Magnetfeld eines Stators folgt, weisen eine zu dem Drehfeld synchrone Bewegung auf, d.h. die Drehzahl des Drehfelds entspricht im Betrieb der Drehzahl des Rotors. Das Magnetfeld des Rotors wird dabei in der Regel durch einen Permanentmagnet oder durch eine über Schleifringe bzw. Bürsten kontaktierte Spule erzeugt. Synchronous motors in which a magnetization rotor (rotor), i. a rotor whose polarity does not change, follows a rotating magnetic field of a stator, have a synchronous to the rotating field motion, i. the speed of the rotating field during operation corresponds to the speed of the rotor. The magnetic field of the rotor is generated in the rule by a permanent magnet or by a contacted via slip rings or brush coil.
Asynchronmotoren weisen dagegen einen passiven Rotor (Läufer) auf, d.h. einen kurzgeschlossenen Käfig, der insbesondere mehrere gekoppelte kurzgeschlossene Leiterschleifen aufweisen kann, deren Flächennormale im Wesentlichen radial auf der Rotationsachse des Rotors stehen. In dem passiven Rotor wird durch ein vom Stator erzeugtes magnetisches Drehfeld, welches in der Regel durch einen Drehstrom erzeugt wird, ein Stromfluss induziert, solange sich der magnetische Fluss des Drehfelds durch die Käfigmaschen des Rotors ändert. Dies ist dann der Fall, wenn der Rotor dem drehenden Magnetfeld des Stators systematisch nachläuft, was als asynchrone Bewegung bezeichnet wird. Im motorischen Betrieb des Asynchronmotors liegt die Drehzahl des Drehfelds über der Drehzahl des Rotors. In contrast, asynchronous motors have a passive rotor (rotor), i. a short-circuited cage, which may in particular have a plurality of coupled shorted conductor loops whose surface normal are substantially radially on the axis of rotation of the rotor. In the passive rotor, a current flow is induced by a magnetic rotating field generated by the stator, which is usually generated by a three-phase current, as long as the magnetic flux of the rotating field changes through the cage meshes of the rotor. This is the case when the rotor systematically trails the rotating magnetic field of the stator, which is referred to as asynchronous motion. In motor operation of the asynchronous motor, the speed of the rotating field is above the speed of the rotor.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, die Leistungsfähigkeit und Langlebigkeit von Elektromotoren weiter zu verbessern. It is an object of the invention to further improve the performance and longevity of electric motors.
Diese Aufgabe wird gelöst von einem stromerregten Synchron-Elektromotor gemäß Anspruch 1 sowie einem Fahrzeug gemäß Anspruch 11 mit einem solchen stromerregten Synchron-Elektromotor. This object is achieved by a current-excited synchronous electric motor according to claim 1 and a vehicle according to claim 11 with such a current-excited synchronous electric motor.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft einen stromerregten Synchron-Elektromotor, insbesondere einen Traktionsmotor für ein Kraftfahrzeug. Der Elektromotor hat einen Rotor, der mindestens eine kurzgeschlossene Leiterschleife aufweist, und einem Stator, der eine Mehrzahl von ringförmig angeordneten Elektromagneten (U, V, W) aufweist, Insbesondere können dies drei Elektromagnete oder Polpaare aus je zwei gegenüberliegenden Elektromagneten sein. Des Weiteren hat der Elektromotor eine Stromversorgungsvorrichtung, die konfiguriert ist, zur Erzeugung eines umlaufenden magnetischen Drehfelds in den Elektromagneten des Stators einen mehrphasigen, insbesondere dreiphasigen, Wechselstrom zu bewirken. Dabei entspricht jede Phase einer Drehfeld-Wechselstromkomponente, die mit einer jeweiligen Erreger-Wechselstromkomponente so moduliert ist, dass transformatorisch in der mindestens einen kurzgeschlossenen Leiterschleife des Rotors ein Erregerstrom induziert wird, der im Zusammenwirken mit dem durch die Drehfeld-Wechselstromkomponenten generierten Drehfeld ein auf den Rotor wirkendes Drehmoment erzeugt, um diesen zu veranlassen, synchron mit dem Umlauf des Drehfelds zu rotieren. A first aspect of the invention relates to a current-excited synchronous electric motor, in particular a traction motor for a motor vehicle. The electric motor has a rotor having at least one shorted conductor loop, and a stator having a plurality of annularly arranged electromagnets (U, V, W). In particular, these may be three electromagnets or pole pairs of two opposing electromagnets. Furthermore, the electric motor has a power supply device that is configured to cause a multi-phase, in particular three-phase, alternating current to generate a rotating rotating magnetic field in the electromagnets of the stator. In this case, each phase of a rotating field AC component which is modulated with a respective exciter AC component so that an exciting current is induced in the transformer induced at least one shorted conductor loop of the rotor, which in cooperation with the rotating field AC components generated by a rotating field on the Rotor acting torque generated to cause it to rotate synchronously with the rotation of the rotating field.
Unter einer "kurzgeschlossenen Leiterschleife" im Sinne der Erfindung ist eine aus einem elektrisch leitfähigen Material, insbesondere einem Metall, bevorzugt Kupfer, gebildete, Struktur zu verstehen, die in sich geschlossen ist, so dass in ihr ein Ringstrom fließen kann. So ist etwa ein Stück Metalldraht, dessen beide Enden sich leitend berühren bzw. miteinander verbunden sind eine kurzgeschlossene Leiterschleife im Sinne der Erfindung. A "short-circuited conductor loop" in the sense of the invention means a structure formed from an electrically conductive material, in particular a metal, preferably copper, which is self-contained, so that a ring current can flow in it. For example, a piece of metal wire whose two ends are in a conductive contact or connected to one another is a short-circuited conductor loop in the sense of the invention.
Unter „konfiguriert“ ist im Sinne der Erfindung zu verstehen, dass die entsprechende Vorrichtung bereits eingerichtet ist oder einstellbar – d.h. konfigurierbar – ist, eine bestimmte Funktion zu erfüllen. Die Konfiguration kann dabei beispielsweise über eine entsprechende Einstellung von Parametern eines Prozessablaufs oder von Schaltern oder ähnlichem zur Aktivierung bzw. Deaktivierung von Funktionalitäten bzw. Einstellungen erfolgen. Insbesondere kann die Vorrichtung mehrere vorbestimmte Konfigurationen oder Betriebsmodi aufweisen, so dass das konfigurieren mittels einer Auswahl einer dieser Konfigurationen bzw. Betriebsmodi erfolgen kann. For the purposes of the invention, "configured" is to be understood as meaning that the corresponding device is already set up or can be set - i. configurable - is to fulfill a specific function. The configuration can take place, for example, via a corresponding setting of parameters of a process sequence or of switches or the like for activating or deactivating functionalities or settings. In particular, the device may have a plurality of predetermined configurations or modes of operation so that the configuration may be done by selecting one of these configurations or modes of operation.
Bei einem solchen stromerregten Synchron-Elektromotor kann anhand des modulierten magnetischen Drehfelds (nachfolgend abkürzend als "moduliertes Drehfeld" bezeichnet) ein Erregerstrom in der Leiterschleife durch Induktion, d.h. vorteilhaft kontaktlos, erzeugt werden. Der Erregerstrom bewirkt im Zusammenspiel mit dem Drehfeld ein Drehmoment auf den Rotor. Das Zusammenwirken von Erregerstrom und Drehfeld wird von einer magnetischen Erregung (magnetisches H-Feld) vermittelt, die von dem Erregerstrom in der kurzgeschlossenen Leiterschleife des Rotors erzeugt wird. Der dadurch in Rotation versetzte Rotor folgt dem Drehfeld synchron, d.h. die Drehzahl des Drehfelds entspricht der Drehzahl des Rotors. Unter Last läuft der Rotor dem Drehfeld um einen Winkel (sog. Polradwinkel) hinterher. With such a current-excited synchronous electric motor, an excitation current in the conductor loop can be generated by induction, ie, advantageously without contact, on the basis of the modulated magnetic rotating field (hereinafter abbreviated to "modulated rotating field"). The exciter current, in interaction with the rotating field, causes a torque on the rotor. The interaction of exciting current and rotating field is mediated by a magnetic excitation (magnetic H-field), which of the excitation current is generated in the short-circuited conductor loop of the rotor. The thus offset in rotation rotor follows the rotating field synchronously, ie, the speed of the rotating field corresponds to the speed of the rotor. Under load the rotor follows the rotating field by an angle (so-called rotor angle).
Da der Erregerstrom bzw. die magnetische Erregung in der mindestens einen kurzgeschlossenen Leiterschleife des Rotors transformatorisch, d.h. kontaktlos bzw. induktiv, erzeugt wird, kann auf Schleifkontakte, insbesondere Bürsten, die Materialverschleiß und Leistungsverluste durch Reibung bewirken, verzichtet werden. Ebenso kann auf Permanentmagnete, die eine konstante magnetische Erregung aufweisen, verzichtet werden, so dass bei Permanentmagnetmotoren auftretende vibrations- oder temperaturbedingte Degradation vermieden wird. Auch benötigt der vorgeschlagene stromerregte Motor keine seltenen Erden mehr als Magnetmaterial und das Trägheitsmoment seines Rotors lässt sich bei gleicher Leistungsfähigkeit verringern, so dass er sich leichter und schneller in Rotation versetzen lässt. Since the excitation current or the magnetic excitation in the at least one short-circuited conductor loop of the rotor is transforming, i. contactless or inductive, is generated, can be on sliding contacts, especially brushes that cause material wear and power losses due to friction omitted. Likewise, it is possible to dispense with permanent magnets which have a constant magnetic excitation, so that vibration or temperature-related degradation occurring in permanent magnet motors is avoided. Also, the proposed energized motor does not require rare earths more than magnetic material and the moment of inertia of its rotor can be reduced while maintaining the same performance, making it easier and faster to rotate.
Insgesamt ermöglicht die Erfindung einen verbesserten Elektromotor, dessen Rotor bei hoher Effizienz synchron mit dem Drehfeld des Stators läuft und auch die o.g. bei Permanentmagneten auftretende Nachteile vermeidet. Overall, the invention enables an improved electric motor whose rotor runs synchronously with the rotating field of the stator at high efficiency and also the o.g. avoids disadvantages occurring in permanent magnets.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen des Elektromotors und deren Weiterbildungen beschrieben, die jeweils, soweit dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen wird, beliebig miteinander sowie mit den im Weiteren beschriebenen anderen Aspekten der Erfindung kombiniert werden können. In the following, preferred embodiments of the electric motor and their developments will be described, which, unless expressly excluded, may be combined as desired with one another as well as with the other aspects of the invention described below.
Gemäß verschiedener bevorzugter Ausführungsformen kann jede Phase insbesondere durch Modulation einer sinusförmigen Drehfeld-Wechselstromkomponente mit einer ebenfalls sinusförmigen Erreger-Wechselstromkomponente anderer, insbesondere höherer Frequenz, definiert sein. Daneben gibt es insbesondere auch die Möglichkeit eine oder beide der genannten Wechselstromkomponenten pulsförmig auszugestalten. Die Modulationsfrequenz der Modulation, bei der es sich insbesondere um eine Amplitudenmodulation (insbesondere im Sinne einer Multiplikation der Drehfeld-Wechselstromkomponente mit der Erreger-Wechselstromkomponente) handeln kann, kann sowohl größer als auch kleiner als die Drehfrequenz des Drehfelds sein. Bevorzugt ist die Modulationsfrequenz von der Drehzahl des stromerregten synchronElektromotors, d.h. von der Drehfrequenz des Drehfelds, abhängig gewählt. Insbesondere ist die Modulationsfrequenz bei geringen Drehzahlen des Motors, bevorzugt unter 5000 Umdrehungen/min, besonders bevorzugt unter 3000 Umdrehungen/min, größer als die Drehfrequenz des Drehfelds. Entsprechend ist die Modulationsfrequenz bei hohen Drehzahlen des Motors, bevorzugt über 5000 Umdrehungen/min, besonders bevorzugt über 7000 Umdrehungen/min, kleiner als die Drehfrequenz des Drehfelds. Da die Modulationsfrequenz unabhängig von der Drehfrequenz des Drehfelds ist, kann ein großer Drehzahlbereich abgedeckt werden. Gleichzeitig wird ein gutes Anlaufverhalten gewährleistet. According to various preferred embodiments, each phase may in particular be defined by modulation of a sinusoidal rotating field alternating current component with a likewise sinusoidal excitation alternating current component of another, in particular higher frequency. In addition, there is the possibility in particular of designing one or both of the mentioned AC components pulse-shaped. The modulation frequency of the modulation, which may in particular be an amplitude modulation (in particular in the sense of a multiplication of the rotating field alternating current component with the excitation alternating current component), may be both larger and smaller than the rotational frequency of the rotating field. Preferably, the modulation frequency is dependent on the speed of the current-excited synchronous electric motor, i. of the rotational frequency of the rotating field, depending selected. In particular, the modulation frequency at low rotational speeds of the motor, preferably below 5000 revolutions / min, more preferably below 3000 revolutions / min, greater than the rotational frequency of the rotating field. Accordingly, the modulation frequency at high rotational speeds of the motor, preferably over 5000 revolutions / min, more preferably above 7000 revolutions / min, is smaller than the rotational frequency of the rotating field. Since the modulation frequency is independent of the rotation frequency of the rotating field, a large speed range can be covered. At the same time a good start-up behavior is guaranteed.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Elektromagnete des Stators jeweils zu Polpaaren gruppiert, wobei die beiden Elektromagnete eines Polpaares einander bezüglich der Drehachse des Rotors gegenüberliegen. Bevorzugt beträgt die Anzahl der Polpaare mindestens drei. Dadurch kann bei einem von der Stromversorgungsvorrichtung entsprechend gesteuertem Stromfluss ein besonders rund laufendes magnetisches Drehfeld und eine entsprechend gleichmäßigere bzw. ruhigere Bewegung des Rotors erzeugt werden. According to a further preferred embodiment, the electromagnets of the stator are each grouped into pole pairs, wherein the two electromagnets of a pole pair opposite each other with respect to the axis of rotation of the rotor. Preferably, the number of pole pairs is at least three. As a result, in the case of a current flow controlled in accordance with the power supply device, a particularly circular rotating magnetic field and a correspondingly more even or calmer movement of the rotor can be generated.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Stromversorgungsvorrichtung des Weiteren konfiguriert, zur Erzeugung des modulierten umlaufenden magnetischen Drehfelds für jede der Phasen des Drehfelds während des Auftretens einer ersten Polarität der entsprechenden Drehfeld-Wechselstromkomponente die Phasenlage der Erreger-Wechselstromkomponente um 180° relativ zu ihrer Phasenlage zu verschieben, die während des Auftretens der entgegensetzten, zweiten Polarität der Drehfeld-Wechselstromkomponente vorliegt. Auf diese Weise kann insbesondere die Effizienz und Laufruhe des Motors optimiert werden. According to another preferred embodiment, the power supply device is further configured to generate the modulated rotating magnetic rotating field for each of the phases of the rotating field during the occurrence of a first polarity of the corresponding rotating field AC component, the phase angle of the exciting AC component by 180 ° relative to its phase position shift, which occurs during the occurrence of the opposite, second polarity of the rotating field AC component. In this way, in particular the efficiency and smoothness of the engine can be optimized.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Elektromagneten des Stators mittels einer Schaltung mit mehreren Schaltungsästen so verschaltet, dass jeder Schaltungsast zu einer Phase des Drehfelds korrespondiert und einen der Elektromagnete bzw. im Falle von Polpaaren eines der Polpaare sowie wenigstens einen Schalter zu deren Ansteuerung enthält. Die Schaltung kann insbesondere eine Sternschaltung mit den "Strahlen" des Sterns als Schaltungsäste oder eine Dreiecksschaltung mit den Schenkeln des Dreiecks als Schaltungsäste sein. According to a further preferred embodiment, the electromagnets of the stator are connected by means of a circuit with a plurality of circuit branches, that each circuit branch corresponds to a phase of the rotating field and one of the electromagnets or in the case of pole pairs of one of the pole pairs and at least one switch for driving them. In particular, the circuit may be a star connection with the "rays" of the star as circuit branches or a triangular circuit with the legs of the triangle as circuit branches.
In einer bevorzugten Weiterbildung dazu ist die Stromversorgungsvorrichtung des Weiteren konfiguriert, jeder Phase des modulierten Drehfelds mit einer Bias-Komponente zu versehen, so dass die resultierende Phase des modulierten Drehfeldes unipolar ist. Die Bias-Komponente kann insbesondere mittels des Betrags der Drehfeld-Wechselstromkomponente definiert und dem modulierten Drehfeld additiv hinzugefügt sein. Zudem sind die Schaltungsäste parallel geschaltet, und weisen jeweils nur einen Schalter zur Ansteuerung des jeweiligen Elektromagneten bzw. Polpaares des jeweiligen Astes auf. Diese Schaltung kann auch als Sternschaltung betrachtet werden, bei der der Sternpunkt auf ein festes Potential, insbesondere auf Masse, gelegt ist. Dadurch ist die Verschaltung besonders einfach, da hier die Stromversorgung jedes der Elektromagneten über nur jeweils einen Schalter genügt. Somit ist die Stromversorgungsvorrichtung dazu eingerichtet, den Stromfluss in den Elektromagneten des Stators mittels einer Anzahl an Schaltern zu bewirken, die nur der Anzahl der Elektromagnete entspricht. Durch die Beschränkung auf einen Schalter pro Phase kann zudem der Leistungsverlust in der Stromversorgungsvorrichtung gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Synchronmotoren, die pro Phase regelmäßig über wenigstens zwei Schalter angesteuert werden, im Wesentlichen halbiert werden. Außerdem kann auf das Umpolen der Elektromagnete des Stators verzichtet werden, da nur noch eine einzige Polarität auftritt. In a preferred development, the power supply device is further configured to provide a bias component to each phase of the modulated rotating field such that the resulting phase of the modulated rotating field is unipolar. In particular, the bias component can be defined by means of the amount of the rotating field AC component and additively added to the modulated rotating field. In addition, the circuit branches are connected in parallel, and have only each a switch for controlling the respective electromagnet or pole pair of the respective branch. This circuit can also be considered as a star connection, in which the neutral point is set to a fixed potential, in particular to ground. As a result, the interconnection is particularly simple, since here the power supply of each of the electromagnets via only one switch is sufficient. Thus, the power supply device is adapted to cause the flow of current in the electromagnet of the stator by means of a number of switches, which corresponds only to the number of electromagnets. By limiting it to one switch per phase, moreover, the power loss in the power supply device can be substantially halved compared to synchronous motors known from the prior art, which are regularly driven per phase by at least two switches. In addition, can be dispensed with the polarity reversal of the electromagnets of the stator, since only a single polarity occurs.
In einer alternativen Weiterbildung sind die Elektromagnete bzw. gegebenenfalls Polpaare des Stators in einer Sternschaltung mit offenem Sternpunkt verschaltet. Es werden bevorzugt drei Halb-Brücken für die jeweiligen Phasenstränge verwendet und die Spannung an den Phasen wird jeweils umgepolt. Ähnliches gilt, wenn gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung anstelle einer Sternschaltung eine Dreiecksschaltung zum Einsatz kommt. In an alternative development, the electromagnets or optionally pole pairs of the stator are connected in a star connection with an open star point. Three half bridges are preferably used for the respective phase strands, and the voltage across the phases is reversed in each case. The same applies if, according to a further preferred development, a triangular circuit is used instead of a star connection.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist eine Mehrzahl der Leiterschleifen derart im Rotor angeordnet, dass eine Mehrzahl von magnetischen Erregungen, die von den in der Mehrzahl der Leiterschleifen jeweils induzierten Erregerströmen erzeugt werden, d.h. die entsprechenden Magnetfeld (H-Feld)-Vektoren, im Wesentlichen gleichgerichtet sind. Dadurch kann eine gesamte magnetische Erregung, die sich aus der Mehrzahl von magnetischen Erregungen zusammensetzt, vorteilhaft erhöht werden, so dass das auf den Rotor wirkende Drehmoment erhöht wird. Vorteilhaft wird dadurch ein Nachlaufen des Rotors hinter dem Drehfeld bei einem unter Last stehenden Rotor vermieden oder zumindest vermindert. According to a further preferred embodiment, a plurality of the conductor loops are arranged in the rotor such that a plurality of magnetic excitations, which are generated by the exciter currents respectively induced in the plurality of conductor loops, i. the corresponding magnetic field (H field) vectors are substantially rectified. Thereby, an entire magnetic excitation composed of the plurality of magnetic excitations can be advantageously increased, so that the torque acting on the rotor is increased. Advantageously, a run-on of the rotor behind the rotating field in a rotor under load is avoided or at least reduced.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist ein Spalt zwischen dem Stator und dem Rotor vorgesehen, dessen maximale Breite kleiner als 5 mm, bevorzugt kleiner als 3 mm, besonders bevorzugt kleiner als 2 mm, insbesondere kleiner als 1 mm ist. Dadurch wird ein Streuen des Drehfelds zwischen dem Stator und dem Rotor und der damit verbundene Leistungsverlust zuverlässig vermieden oder zumindest vermindert. According to a further preferred embodiment, a gap is provided between the stator and the rotor whose maximum width is less than 5 mm, preferably less than 3 mm, more preferably less than 2 mm, in particular less than 1 mm. As a result, scattering of the rotating field between the stator and the rotor and the associated power loss is reliably avoided or at least reduced.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Rotor als Innenläufer ausgebildet. Dabei sind die mindestens drei Elektromagnete derart ringförmig angeordnet, insbesondere um eine Rotationsachse des Rotors, dass die mindestens eine kurzgeschlossene Leiterschleife im Inneren des durch die Elektromagnete begrenzten Volumens rotieren kann. Dadurch können besonders hohe Drehzahlen erreicht werden. According to a further preferred embodiment, the rotor is designed as an internal rotor. In this case, the at least three electromagnets are arranged in such a ring, in particular about an axis of rotation of the rotor, that the at least one short-circuited conductor loop can rotate inside the limited by the electromagnet volume. As a result, particularly high speeds can be achieved.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Rotor als Außenläufer ausgebildet. Dabei sind die mindestens drei ringförmig angeordneten Elektromagnete bevorzugt in der Mitte des Motors, insbesondere um eine Rotationsachse des Rotors, angeordnet, während die mindestens eine kurzgeschlossene Leiterschleife um die mindestens drei ringförmig angeordneten Elektromagnete herumlaufen kann. Dadurch ist das auf den Rotor wirkende Drehmoment besonders groß. According to a further preferred embodiment, the rotor is designed as an external rotor. In this case, the at least three annularly arranged electromagnets are preferably arranged in the middle of the motor, in particular about an axis of rotation of the rotor, while the at least one short-circuited conductor loop can run around the at least three annularly arranged electromagnets. As a result, the torque acting on the rotor is particularly large.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Stromversorgungsvorrichtung des Weiteren dazu konfiguriert, die Leistung des stromerregten Synchron-Elektromotors durch eine Pulsweitenmodulation der Erreger-Wechselstromkomponente zu steuern. Zur Pulsweitenmodulation kann die Stromversorgungsvorrichtung insbesondere einen Halbleiterschalter aufweisen. Dadurch kann die Leistung des stromerregten Synchron-Elektromotors bei geringer Verlustleistung, insbesondere gegenüber einer ohmschen, d.h. auf Widerstand basierenden, Steuerung, stufenlos eingestellt, insbesondere reduziert, werden. According to another preferred embodiment, the power supply device is further configured to control the power of the current-excited synchronous electric motor by a pulse width modulation of the exciting AC component. For pulse width modulation, the power supply device may in particular comprise a semiconductor switch. Thereby, the power of the current-excited synchronous electric motor with low power loss, in particular with respect to a resistive, i. based on resistance, control, continuously adjusted, in particular reduced.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Drehfrequenz fD des Drehfelds zumindest während des Anfahrens des Synchron-Elektromotors kleiner ist als die Frequenz der modulierenden Erreger-Wechselstromkomponente. Dadurch wird sichergestellt, dass auch bei zunächst sehr kleiner Drehfrequenz des Rotors eine magnetische Erregung in der mindestens einen kurzgeschlossenen Leiterschleife erzeugt wird, die beim Zusammenwirken mit dem zunächst nur langsam drehenden Drehfeld ein Drehmoment auf den Rotor ausübt. Insbesondere kann dadurch auch in einem zunächst stehenden oder nur langsam rotierenden Rotor die nötige magnetische Erregung erzeugt werden. Bevorzugt wird dabei die Leistung des Motors gesteuert, insbesondere im Bedarfsfall reduziert, indem die Erreger-Wechselstromkomponente mit einer Pulsweitenmodulation entsprechend moduliert wird. According to a further preferred embodiment, the rotational frequency f D of the rotating field is at least during the start of the synchronous electric motor is smaller than the frequency of the modulating exciter AC component. This ensures that magnetic excitation is generated in the at least one short-circuited conductor loop, even if the rotor's rotational frequency is initially very small, which exerts a torque on the rotor when interacting with the rotating field, which initially only rotates slowly. In particular, the necessary magnetic excitation can thereby be generated in an initially stationary or only slowly rotating rotor. Preferably, the power of the motor is controlled, in particular reduced if necessary, by the exciter AC component is modulated with a pulse width modulation accordingly.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Stromversorgungsvorrichtung des Weiteren einen generatorischen Betriebsmodus auf, in dem sie konfiguriert ist, in den Elektromagneten des Stators einen mit einer Erreger-Wechselstromkomponente modulierten, insbesondere amplitudenmodulierten, Stromfluss so zu bewirken, dass dadurch in der mindestens einen kurzgeschlossenen Leiterschleife des Rotors ein Erregerstrom induziert wird, der beim Zusammenwirken mit einer durch ein externes Drehmoment erzeugten Rotation des Rotors in den Elektromagneten des Stators einen abgreifbaren Stromfluss induziert und der stromerregte Synchron-Elektromotor somit als Generator wirkt. Dadurch kann der stromerregte Synchron-Elektromotor besonders flexibel eingesetzt werden. Insbesondere kann der stromerregte Synchron Elektromotor vorteilhaft als Traktionsmotor in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden, wo er die Effizienz des elektrischen Fahrzeugantriebs insbesondere durch Rekuperation erhöht. According to a further preferred embodiment, the power supply device furthermore has a generator operating mode in which it is configured to cause a current flow modulated with an exciter AC component, in particular amplitude-modulated, in the electromagnets of the stator such that in the at least one short-circuited one Conductor loop of the rotor, an excitation current is induced, which induces a tangible current flow in cooperation with a generated by an external torque rotation of the rotor in the electromagnet of the stator and the current-excited synchronous electric motor thus acts as a generator. As a result, the current-excited synchronous electric motor can be used particularly flexibly. In particular, the current-excited synchronous electric motor can be advantageously used as a traction motor in a motor vehicle, where it increases the efficiency of the electric vehicle drive, in particular by recuperation.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, mit einem Elektromotor gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung. Die in Bezug auf den ersten Aspekt der Erfindung und dessen vorteilhafte Ausgestaltung beschriebenen Merkmale und Vorteile gelten auch für den zweiten und dritten Aspekt der Erfindung und deren vorteilhafte Ausgestaltungen sowie umgekehrt. A second aspect of the invention relates to a vehicle, in particular a motor vehicle, with an electric motor according to the first aspect of the invention. The features and advantages described in relation to the first aspect of the invention and its advantageous embodiment also apply to the second and third aspects of the invention and their advantageous embodiments and vice versa.
Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren. Other features, advantages and applications of the invention will become apparent from the following description taken in conjunction with the figures.
Dabei zeigt: Showing:
Der in
Die Elektromagnete U, V, W sind schematisch als Wicklungen um einen Kern
Der Rotor
Die Leiterschleifen
Der Rotor
Zwischen dem Rotor
Im Betrieb des stromerregten Synchron-Elektromotors
Die Leiterschleifen
Der Rotor
In
In
Während vorausgehend wenigstens eine beispielhafte Ausführungsform beschrieben wurde, ist zu bemerken, dass eine große Anzahl von Variationen dazu existiert. Es ist dabei auch zu beachten, dass die beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen nur nichtlimitierende Beispiele darstellen, und es nicht beabsichtigt ist, dadurch den Umfang, die Anwendbarkeit oder die Konfiguration der hier beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren zu beschränken. Vielmehr wird die vorausgehende Beschreibung dem Fachmann eine Anleitung zu Implementierung mindestens einer beispielhaften Ausführungsform liefern, wobei sich versteht, dass verschiedene Änderungen in der Funktionsweise und der Anordnung der in einer beispielhaften Ausführungsform beschriebenen Elemente vorgenommen werden können, ohne dass dabei von dem in den angehängten Ansprüchen jeweils festgelegten Gegenstand sowie seinen rechtlichen Äquivalenten abgewichen wird. While at least one exemplary embodiment has been described above, it should be understood that a large number of variations exist. It should also be understood that the described exemplary embodiments are nonlimiting examples only and are not intended to thereby limit the scope, applicability, or configuration of the devices and methods described herein. Rather, the foregoing description will provide those skilled in the art with guidance for implementing at least one example embodiment, it being understood that various changes in the operation and arrangement of the elements described in an exemplary embodiment may be made without departing from the scope of the appended claims deviated from, and its legal equivalents.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1 1
- stromerregter Synchron-Elektromotor energized synchronous electric motor
- 2 2
- Stator stator
- 3 3
- Rotor rotor
- 4 4
- kurzgeschlossene Leiterschleifen short circuited conductor loops
- 5 5
- Kern core
- 6 6
- Rotationsachse axis of rotation
- 7 7
- Spalt gap
- 8 8th
- Stromversorgungsvorrichtung Power supply apparatus
- 9, 9‘, 9‘‘ 9, 9 ', 9' '
- Schalter switch
- 10 10
- Neutralpunkt neutral point
- U, V, W AND MANY MORE
- Elektromagnete electromagnets
- IH I H
- Erregerstrom im Rotor Excitation current in the rotor
- IE I E
- Erreger-Wechselstromkomponente IE im Stator Exciter AC component I E in the stator
- ID I D
- Drehfeld-Wechselstromkomponente ID im Stator Rotary field AC component I D in the stator
- IMD I MD
- modulierter Wechselstrom im Stator modulated alternating current in the stator
- H, H‘, H‘‘H, H ', H' '
- magnetische Erregung magnetic arousal
- B B
- magnetische Flussdichte durch Leiterschleifen des Rotors magnetic flux density through conductor grinding of the rotor
- L1, L2, L3 L 1 , L 2 , L 3
- Induktivitäten der Elektromagnete Inductors of the electromagnets
Claims (11)
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102016215296.3A DE102016215296A1 (en) | 2016-08-17 | 2016-08-17 | POWERED SYNCHRONOUS ELECTRIC MOTOR |
Publications (1)
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DE102016215296A1 true DE102016215296A1 (en) | 2018-02-22 |
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ID=61082711
Family Applications (1)
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