-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Synchronmaschinensystem gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Fahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 13.
-
Elektrofahrzeuge oder Hybridfahrzeuge weisen elektrische Antriebsmaschinen auf. Bei solchen elektrischen Maschinen kann es sich um stromerregte Synchronmaschinen handeln, die auf ihrem Rotor eine Erregerspule zur Erzeugung eines Magnetfeldes tragen. Der magnetische Fluss im Rotor entsteht durch einen durch die Erregerspule fließenden Gleichstrom. Der Gleichstrom wird von einer Leistungselektronik geregelt. Die Erregung der auf dem Rotor angeordneten Erregerspule kann bürstenlos erfolgen. In einem Notfall muss die in der Erregerspule gespeicherte Energie möglichst schnell abgebaut werden („Entregung“).
-
1 zeigt ein aus dem Stand der Technik bekanntes Konzept der „Entregung“ stromerregter Synchronmotoren. Im normalen Betrieb sind die Schalter S11 und S12 geschlossen und die Erregerspule Ro1 des Rotors wird mit Gleichstrom von einer Energiespeichereinrichtung versorgt. Werden die Schalter S11 und S12 geöffnet, fließt der Rotorstrom IRo1 über die Diode D13, den Rotor Ro1 und die Diode D14 wieder zurück in die Quelle bzw. den Zwischenkreiskondensator ZK1. Da die Energie des Rotors durch den Zwischenkreiskondensator ZK1 gespeichert wird, sinkt der Rotorstrom und ist der Rotor daher entregt bzw. entmagnetisiert.
-
Außerdem kann eine Stromänderung im Stator eine Spannung am Rotor induzieren. Wenn es im Stator zu einer starken Stromänderung kommt, wird eine starke Spannung im Rotor induziert. Dies führt dazu, dass der Strom im Rotor möglicherweise auch kurzzeitig in eine umgekehrte Richtung fließen kann. Die Dioden D11 und D12 dienen dazu, dass der Rotorstrom kurzzeitig in die umgekehrte Richtung fließt, wenn im Stator eine starke Stromänderung kommt. In dem Fall fließt der Strom über die Dioden D12, den Rotor und D11 zurück zum Zwischenkreiskondensator ZK1. Dabei besteht aber die Gefahr, dass der Zwischenkreiskondensator ZK1 durch die Energie des Rotors überladen wird und die Spannung UZK1 zu groß wird, dass der Zwischenkreiskondensator ZK1 zerstört wird.
-
Zusätzliche Schaltungen zur Entmagnetisierung des Rotors würden aber zum einen den schaltungstechnischen Aufwand erhöhen und lassen sich zum anderen auf Grund des zur Verfügung stehenden Platzes z.B. innerhalb der Leistungselektronik oder innerhalb eines Synchronmaschinensystems nur schlecht realisieren. Außerdem sollten die Kosten eines Synchronmaschinensystems nicht deutlich erhöht werden.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Synchronmaschinensystem zu schaffen, die mit geringem schaltungstechnischen Aufwand eine schnelle Entmagnetisierung der Erregerspule des Rotors ermöglicht und die einen guten Schutz des Zwischenkreiskondensators vor dem Rotorstrom bietet.
-
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
-
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen, wobei auch Kombinationen der einzelnen Anspruchsmerkmale untereinander möglich sind.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Das erfindungsgemäße Synchronmaschinensystem für ein Fahrzeug weist eine Synchronmaschine und eine Schaltung zur Entmagnetisierung eines Rotors der Synchronmaschine auf. Die Schaltung zur Entmagnetisierung des Rotors leitet beim Abbau der in einer Erregerspule des Rotors gespeicherten Energie einen Rotorstrom in einen Schaltungszweig, in dem mindestens ein zur Entmagnetisierung vorgesehenes Bauelement angeordnet ist, wobei das mindestens eine Bauelement ab einem vorgegebenen Spannungswert seinen Widerstand verringert.
-
Die Schaltung dient zur Entmagnetisierung des Rotors der Synchronmaschine, wobei die Schaltung z.B. in einer Leistungselektronik, die die Synchronmaschine steuert, angeordnet werden kann. Da das mindestens eine Bauelement ab einem vorgegebenen Spannungswert seinen Widerstand verringert, kann ab einem vorgegebenen Wert einer an der Erregerspule des Rotors anliegenden bzw. von einer Erregerspule des Rotors erzeugten Spannung der Rotorstrom sich durch das mindestens eine Bauelement abbauen. Daher kann die gesamte oder ein Großteil der im Rotor (d.h. in der Erregerspule des Rotors) gespeicherten Energie in dem mindestens einen Bauelement vernichtet werden, ohne die Gefahr, den Kondensator bzw. den Zwischenkreiskondensator zu überladen.
-
Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist das Synchronmaschinensystem einen Zwischenkreis auf, der mindestens eine Energiespeichereinrichtung aufweist. die Energiespeichereinrichtung dient dazu, den Rotor zu versorgen. Bei der Energiespeichereinrichtung kann es sich um einen Kondensator bzw. eine Kondensatoranordnung („Zwischenkreiskondensator“) handeln.
-
Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist das Synchronmaschinensystem eine Leistungselektronik auf, die die Synchronmaschine steuern kann. Die Schaltung kann innerhalb der Leistungselektronik angeordnet werden.
-
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist die an dem Rotor erzeugte Spannung bei Abbau der Energie des Rotors an den Schaltungszweig derart angelegt, dass der Rotorstrom über das mindestens eine Bauelement fließt.
-
Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist das mindestens eine Bauelement mindestens eine Suppressordiode und/oder mindestens einen Varistor und/oder mindestens eine Zenerdiode auf. Vorzugsweise kann das mindestens eine Bauelement durch eine Suppressordiode oder einen Varistor oder eine Zenerdiode gebildet werden.
-
Wie alle Halbleiterdioden leiten die Suppressordiode und die Zenerdiode den Strom in einer Richtung bei relativ geringem Spannungsabfall, z.B. 0,7 V. Im Gegensatz zu gewöhnlichen Halbleiterdioden sind die Suppressordiode und die Zenerdioden so ausgebildet, dass sie den Strom in der umgekehrten Richtung erst bei einem deutlich höheren Spannungsabfall, z.B.3 V–100 V, leiten können. Da die Dauer der Entmagnetisierung des Rotors vom Spannungsabfall des Bauelements abhängt, kann die im Rotor gespeicherte Energie durch das Bauelement wegen des hohen Spannungsabfalls des Bauelements (in der umgekehrten Richtung) schnell vernichtet werden.
-
Wenn es im Stator zu einer starken Stromänderung kommt, wird eine starke Spannung im Rotor induziert. Dies führt dazu, dass der Rotorstrom möglicherweise auch kurzzeitig in eine umgekehrte Richtung fließen kann. Das mindestens eine Bauelement kann auch dazu dienen, dass der Rotorstrom in die umgekehrte Richtung fließt.
-
Nach einer Weiterbildung der Erfindung sind in dem Schaltungszweig mehrere Reihenschaltungen vorgesehen, die jeweils das mindestens eine Bauelement aufweisen, und wobei die Reihenschaltungen zueinander parallel geschaltet sind.
-
Die mindestens eine Reihenschaltung kann eine oder mehrere Bauelemente aufweisen. Das Bauelement kann eine oder mehrere Zenerdiode aufweisen. Das Bauelement kann eine oder mehrere Suppressordiode aufweisen. Außerdem kann das Bauelement einen oder mehreren Varistoren aufweisen.
-
Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist das Synchronmaschinensystem einen ersten Schalter auf, wobei der erste Schalter bei Abbau der Energie des Rotors geöffnet ist. Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist der erste Schalter mit der mindestens einen Energiespeichereinrichtung in Reihe geschaltet, wobei ein durch den Rotor und die mindestens eine Energiespeichereinrichtung gebildeter Stromkreis getrennt ist, wenn der erste Schalter geöffnet ist.
-
Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist die mindestens eine Energiespeichereinrichtung einen Kondensator auf.
-
Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist das Synchronmaschinensystem eine erste Diode auf, die parallel zum ersten Schalter geschaltet ist, wobei die Kathode der ersten Diode mit einem Pluspol des Kondensators elektrisch verbunden ist.
-
Die erste Diode kann in Verbindung mit dem mindestens einen Bauelement dazu dienen, dass der Rotorstrom kurzzeitig in eine umgekehrte Richtung zurück zum Zwischenkreiskondensator fließt.
-
Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist die Schaltung einen zweiten Schalter auf, der parallel zum Schaltungszweig geschaltet ist.
-
Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist das Synchronmaschinensystem eine zweite Diode auf, wobei bei Abbau der Energie des Rotors der Rotorstrom über die zweite Diode zurück zum Rotor fließt. Wenn der zweite Schalter geschlossen ist, ist der Schaltungszweig kurzgeschlossen und kann der Rotorstrom über den zweiten Schalter und die zweite Diode fließen.
-
Des Weiteren schlägt die vorliegende Erfindung ein Fahrzeug vor, das ein oben genanntes Synchronmaschinensystem umfasst.
-
Der Strom kann in dem Bauelement wegen des hohen Spannungsabfalls des Bauelements relativ schnell abgebaut werden. Dadurch wird die im Rotor enthaltene Energie in das mindestens eine Bauelement vernichtet, ohne die Gefahr, dass die Energiespeichereinrichtung (Zwischenkreiskondensator) überladen wird. Die vorliegende Erfindung ermöglicht daher im Notfall eine schnelle Momentenfreiheit des Antriebs, ohne Hochvoltkomponenten zu beschädigen.
-
Da bei der Erfindung keine zusätzliche Entmagnetisierungsschaltung notwendig ist und das Bauelement (z.B. die Zenerdiode) kostengünstig ist, bietet die Erfindung eine sehr kostengünstige Lösung zur Entmagnetisierung des Rotors. Des Weiteren benötigt das erfindungsgemäße Synchronmaschinensystem keinen weiteren Bauraum.
-
Im Folgenden wird die Erfindung im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
-
1 eine aus dem Stand der Technik bekannte Entmagnetisierungsschaltung; und
-
2 ein Synchronmaschinensystem mit einer Schaltung zur Entmagnetisierung des Rotors der Synchronmaschine gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
-
Die nachfolgend erläuterten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.
-
2 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltung zur Entmagnetisierung des Rotors. Der Rotor Ro2 ist hier als Serienschaltung eines Widerstandes und einer Induktivität bzw. Spule dargestellt. Ein hier nicht näher dargestellter Zwischenkreis weist einen als Energiespeichereinrichtung bzw. Spannungspuffer fungierenden Kondensator ZK2 auf. Der Kondensator ZK2 versorgt den Rotor Ro2. Der Pluspol des Kondensators ZK2 ist durch den Schalter S21 mit dem Rotor Ro2 verbunden. Der Rotor Ro2 ist durch den Schalter S22 mit dem Minuspol des Kondensators ZK2 verbunden.
-
Die Schaltung zur Entmagnetisierung ist durch eine Parallelschaltung einer Zenerdiode D22 und eines Schalters S22 gebildet. Der Rotor Ro2, die Schaltung zur Entmagnetisierung und eine Diode D23 bilden einen Entmagnetisierung-Stromkreis. Die Diode D23 ist parallel zu einem durch den Kondensator ZK2 und den Schalter S21 gebildeten Schaltungszweig geschaltet.
-
Im normalen Betrieb der Synchronmaschine sind die Schalter S21 und S22 geschlossen. Wenn der Schalter S21 geschlossen ist, wird die Spule des Rotors Ro2 mit einem Strom vom Kondensator ZK2 versorgt. Der Strom fließt dabei vom Kondensator ZK2 über den geschlossenen Schalter S21, den Rotor Ro2 und den geschlossenen Schalter S22 zurück zu dem Kondensator ZK2. Dadurch kann die von dem Strom durchflossene Spule des Rotors Ro2 ein Magnetfeld erzeugen.
-
In dem stromdurchflossenen Zustand der Spule erzeugt diese ein Magnetfeld, das im Motorbetrieb der Synchronmaschine mit einem Drehmagnetfeld, das von um den Rotor herum angeordneten Spulen eines Stators der Synchronmaschine erzeugt wird, derart wechselwirkt, dass der Rotor rotiert und das Kraftfahrzeug antreibt.
-
Bricht die Energieversorgung der Spule des Rotors Ro2 durch z.B. Öffnen der Schalter S21 und S22 zusammen, ist es wünschenswert, dass sich der Rotor Ro2 bzw. die Spule des Rotors Ro2 möglichst schnell „entregt“, d.h. dass die in der Erregerspule des Rotors gespeicherte Energie in möglichst kurzer Zeit (z.B. 10–150 Millisekunden) abgebaut wird.
-
Wie in 2 dargestellt, wird beim Öffnen des Schalters S21 gleichzeitig auch der Schalter S22 geöffnet. Da der Schalter S21 geöffnet ist, kann der Rotor Ro2 nicht mehr mit einem Strom vom Kondensator ZK2 versorgt werden. Da der Schalter S22 offen ist, fließt ein Rotorstrom IRo2 über den Rotor Ro2, die Zenerdiode D22 und eine Diode D23, wodurch sich die in der Erregerspule des Rotors gespeicherte Energie abbaut.
-
Die Diode D23 ist die Freilaufdiode, durch sie fließt der Strom, wenn der Schalter S21 offen ist. In dem Fall wird die Induktivität im Rotor Ro2 den Rotorstrom IRo2 weiterfließen lassen. Da der Rotorstrom IRo2 nicht durch den Schalter S21 fließen kann, fließt er stattdessen über die Diode D23. Daher schützt die Diode D23 die Diode D21 vor einer durch den Rotor generierte hohe Spannung.
-
Die Zenerdiode D22 übernimmt die Funktion zur schnellen Entregung bzw. Entmagnetisierung des Rotors Ro2. Es ist bekannt, dass eine Zenerdiode den Strom in einer ersten Richtung wie eine normale Diode bei geringem Spannungsabfall (z.B. 0,7 Volt) leitet. Im Gegensatz zu gewöhnlichen Halbleiterdioden ist eine Zenerdiode so ausgebildet, dass sie den Strom in einer zweiten, der ersten Richtung entgegengesetzten Richtung leiten kann, jedoch bei einer deutlich höheren Durchbruchspannung bzw. bei einem deutlich höheren Spannungsabfall (z.B. 3 Volt–120 Volt), was dazu führt, dass sich die in der Erregerspule des Rotors gespeicherte Energie relativ schnell abbauen lässt.
-
Die Zenerdiode D22 ist derart in dem Schaltungszweig angeordnet, dass sie einen Rotorstrom IRo2 unterhalb einer sich aus der Zenerdiode D22 ergebenden Durchbruchspannung sperrt. Die Kathode der Zenerdiode D22 ist mit dem Rotor Ro2 elektrisch verbunden, wobei die Zenerdiode D22 ab einem Wert (sogenannte Durchbruchspannung der Zenerdiode D22) der an den Rotor Ro2 erzeugten Spannung URo2 seinen Widerstand verringert, so dass beim Abbau der Energie des Rotors Ro2 der Rotorstrom IRo2 über die Zenerdiode D22 fließen kann. Diese Durchbruchspannung der Zenerdiode D22 führt zu einem relativ großen Spannungsabfall, z.B. 10 Volt–100 Volt. Da die Zenerdiode D22 ab dieser Durchbruchspannung seinen Widerstand verringert, kann der Rotorstrom IRo2 über die Zenerdiode D22 fließen und durch die Zenerdiode D22 abgebaut werden. Die im Rotor Ro2 gespeicherte Energie kann daher durch die Zenerdiode D22 schnell vernichtet werden, weshalb es zu einer schnellen Entmagnetisierung bzw. Entregung des Rotors Ro2 kommt.
-
Im Vergleich zu dem in 1 gezeigten Stand der Technik ist es auch vorteilhaft, dass die Diode D14, die dazu dient, dass der Rotorstrom IRo1 zurück zum Kondensator ZK1 fließt, nicht mehr notwendig ist.
-
Eine Entmagnetisierungszeit hängt von einem Spannungsabfall bzw. der Durchbruchspannung der Zenerdiode D22 ab. Je größer die Durchbruchspannung der Zenerdiode D22 ist, desto schneller verläuft die Entmagnetisierung des Rotors. Wenn beispielsweise der Rotorstrom IRo2 10 A ist und die Zenerdiode D22 eine Durchbruchspannung von 50 V aufweist, dauert die Entmagnetisierung ca. 35 Millisekunden. Wenn der Rotorstrom IRo2 10 A ist und die Zenerdiode D22 eine Durchbruchspannung von 100 V aufweist, dauert die Entmagnetisierung ca. 20 Millisekunden.
-
Eine Diode D21 ist parallel zum Schalter S21 geschaltet, wobei die Kathode der Diode D21 mit dem Pluspol des Kondensators ZK2 elektrisch verbunden ist. Der Schalter S22 ist parallel zum Schaltungszweig bzw. zur Zenerdiode D22 geschaltet, wobei der Schaltungszweig kurzgeschlossen ist, wenn der Schalter S22 geschlossen ist.
-
Wenn ein Fehler im Elektroantrieb ist, dann hört der Inverter auf zu arbeiten und geht in einen sicheren Zustand, bei dem Wicklungen des Stators kurzgeschlossen werden. Bei diesem Kurzschluss entstehen kurzzeitig hohe, schwingende Ströme im Stator (nicht gezeigt), die eine Spannung im Rotor induzieren. Bei einer Notabschaltung der Synchronmaschine könnte möglicherweise passieren, dass der Strom im Rotor kurzzeitig in die umgekehrte Richtung fließt, wenn es zu einer starken Stromänderung im Stator kommt.
-
Wenn der Schalter S21 und der Schalter S22 geöffnet sind, können die Diode D21 und die Zenerdiode D22 auch dazu dienen, dass der Rotorstrom IRo2 kurzzeitig in die umgekehrte Richtung (von der Zenerdiode D22 zum Rotor Ro2) fließt. Wenn der Rotorstrom IRo2 kurzzeitig in eine umgekehrte Richtung fließt, fließt der Rotorstrom IRo2 über die Zenerdiode D22, den Rotor Ro2 und die Diode D21 wieder zurück in den Kondensator ZK2. In dem Fall weist die Zenerdiode D22 einen kleineren Spannungsabfall von 0,7 Volt auf. Da die Energie des Rotors durch den Kondensator ZK2 gespeichert werden kann, sinkt der Rotorstrom IRo2 in diesem umgekehrten Zustand. Da der Rotorstrom IRo2 nur kurzzeitig in die umgekehrte Richtung fließt, wird der Kondensator ZK2 nicht überladen.
-
Die Spannung, die im Rotor durch eine Stromänderung des Stators induziert wird, ist möglicherweise nicht mehr auf die Zwischenkreisspannung beschränkt. Daher ist vorteilhaft, dass der Rotorstrom IRo2 über die Zenerdiode D22, den Rotor Ro2 und die Diode D21 wieder zurück in den Kondensator ZK2 fließt, um eine Zerstörung der elektrischen Komponenten zu vermeiden.
-
Wenn die Zenerdiode D22 nicht die gesamte Energie vernichten kann und/oder die Zenerdiode D22 viel Energie aufgenommen hat, kann der Schalter S22 geschlossen werden während der Schalter S21 noch geöffnet ist. Da in diesem Fall die Zenerdiode D22 kurzgeschlossen ist, findet die Entmagnetisierung dann nur durch die Diode D23 und den Widerstand des Rotors Ro2 langsam statt. Dadurch kann eine Zerstörung der Zenerdiode D22 wegen einer Überlastung der Zenerdiode D22 vermieden werden. Die Schaltung zur Entmagnetisierung kann mehrfach zwischen den zwei obengenannten Zuständen gewechselt werden, um die Zenerdiode D22 während der Entmagnetisierung des Rotors zu schützen.
-
Der Schaltungszweig der Schaltung zur Entmagnetisierung kann eine Reihenschaltung aus mehreren Zenerdioden D22 aufweisen. Darüber hinaus können mehrere Reihenschaltungen aus mehreren Zenerdioden D22 in dem Schaltungszweig angeordnet sind, wobei die Reihenschaltungen zueinander parallel geschaltet sind.
-
Anstelle der Zenerdiode ist ein Varistor oder eine Suppressordiode auch ein geeignetes Bauelement, das zur Entmagnetisierung des Rotors dienen kann. Während eine Suppressordiode in einer ersten Richtung wie eine normale Diode ab einer Spannung von ca. 0,7 Volt den Strom leitet, sperrt die Suppressordiode in entgegengesetzter Richtung bis zu ihrer Durchbruchspannung (z.B. 10 Volt–800 Volt). Wie die Zenerdiode besteht auch ein Varistor aus einem Halbleitermaterial (z.B. Zinkoxid). Der Varistor hat eine symmetrische Strom-Spannungs-Kennlinie aber keine gleichrichtende Wirkung wie eine Zenerdiode. Wenn eine Gleichrichterfunktion vom Varistor (sogenannte bi-direktionaler Varistor) benötigt ist, kann eine gewöhnliche Diode parallel zum Varistor geschaltet werden, sodass die Diode in eine Richtung ab eine Spannung von ca. 0,7 Volt und der Varistor in die andere Richtung ab eine Spannung von ca. 200 Volt leitet.
