DE102017006127A1 - Avionics or automotive powertrain with electric machine - Google Patents
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Abstract
Ein Avionik- oder Automotive-Antriebsstrang hat eine elektrische Maschine, die einen Ständer und einen relativ zum Ständer drehbaren Läufer aufweist, wobei der Ständer eine oder mehrere Ständerwicklungen aufweist und der Läufer eine oder mehrere Läuferwicklungen aufweist, und dem Ständer eine erste, mit dem Ständer feststehende Transformatorwicklung zugeordnet ist, die mit einer zweiten, mit dem Läufer drehbaren Transformatorwicklung magnetisch gekoppelt ist, wobei die erste Transformatorwicklung und die zweite Transformatorwicklung zur Energieübertragung von der ersten zur zweiten Transformatorwicklung über einen zwischen ihnen befindlichen Spalt eingerichtet sind, und wobei die zweite Transformatorwicklung mit der Eingangsseite einer der Transformatorwicklung nachgeschalteten Gleichrichterstufe elektrisch verbunden ist, deren Ausgangsseite mit einer oder mehreren der Läuferwicklungen elektrisch verbunden ist, um diese mit einem sekundären Erregerstrom zu speisen. An avionics or automotive powertrain has an electric machine having a stator and a rotor rotatable relative to the stator, the stator having one or more stator windings and the rotor having one or more rotor windings, and the stator a first, with the stator associated with fixed transformer winding, which is magnetically coupled to a second, rotatable with the rotor transformer winding, wherein the first transformer winding and the second transformer winding for transmitting energy from the first to the second transformer winding via a gap therebetween are arranged, and wherein the second transformer winding with the input side of a rectifier stage connected downstream of the transformer winding is electrically connected, whose output side is electrically connected to one or more of the rotor windings in order to supply them with a secondary exciter current.
Description
Einleitungintroduction
Hier wird ein Avionik- oder Automotive-Antriebsstrang mit elektrischer Maschine beschrieben, sowie eine solche elektrische Maschine. Details hierzu sind in den Ansprüchen definiert; auch die Beschreibung und die Zeichnung enthalten relevante Angaben zum Antriebsstrang und zur Funktionsweise sowie der elektrischen Maschine und zu deren Varianten.Here is an avionics or automotive powertrain with electric machine described, and such an electric machine. Details are defined in the claims; The description and the drawing also contain relevant information on the powertrain and how it works as well as the electrical machine and its variants.
Technischer HintergrundTechnical background
Unter einer elektrischen Maschine wird hierbei eine elektrische Maschine in Form einer Innen- oder Außenläufermaschine verstanden. Eine elektrische Maschine kann hierbei sowohl ein elektrischer Motor als auch ein elektrischer Generator sein. Derzeit werden in Avionik- oder Automotive-Anwendungen im Antriebsstrang bis zu mehreren hundert Kilowatt vielfach permanenterregte elektrische Maschinen eingesetzt. Allerdings sind diese aufgrund der darin verbauten Selten-Erden-Permanentmagnete (NdFeB, SmCo, etc) relativ teuer. Als Vorteile der Permanentmagneterregung gegenüber der elektrischen Erregung gelten: kleinerer Außendurchmesser bei gleicher Nennleistung, geringeres Volumen und Gewicht bei gleicher Nennleistung, einfacherer Aufbau, höherer Wirkungsgrad, da keine Erregerverluste, kostengünstigere Fertigung, bessere Dynamik da kein Erreger-Feldaufbau.An electric machine is understood to be an electric machine in the form of an internal or external rotor machine. An electric machine can be both an electric motor and an electric generator. Currently, up to several hundred kilowatts of permanent-magnet electric machines are often used in avionics or automotive applications in the powertrain. However, these are relatively expensive due to the rare earth permanent magnets (NdFeB, SmCo, etc) installed therein. As advantages of the permanent magnet excitation against the electrical excitation apply: smaller outer diameter at the same nominal power, lower volume and weight at the same nominal power, simpler structure, higher efficiency, since no pathogen losses, less expensive production, better dynamics because no pathogen field structure.
Allerdings ist die Verfügbarkeit von Selten-Erden-Permanentmagnetmaterial eingeschränkt und schränkt insofern einen Einsatz im großen Stil bei Avionik- oder Automotive-Anwendungen ein. Andere Ansätze in Avionik- oder Automotive-Anwendungen setzen auf Asynchronmaschinen, bei denen die Erregungsenergie in den Läufer mittels Bürsten-Schleifring-Anordnungen eingespeist wird.However, the availability of rare-earth permanent magnet material is limited and thus limits its use on a large scale in avionics or automotive applications. Other approaches in avionics or automotive applications rely on asynchronous machines in which the excitation energy is fed into the rotor by means of brush-slip ring assemblies.
Derzeit kommen zum Beispiel in Automotive-Anwendungen abhängig von dem Zweck des Fahrzeuges unterschiedliche Elektromotoren zum Einsatz. Dabei spielen die Systemkosten, der verfügbare Bauraum, geforderte Funktionen sowie der Wirkungsgrad eine Rolle. Bisher werden in in Automotive-Anwendungen hauptsächlich Asynchronmaschinen und permanenterregte Synchronmaschinen verwendet. Asynchronmaschinen sind sehr robust und kostengünstig. Permanenterregte Synchronmaschinen eignen sich durch ihre vergleichsweise geringe Baulänge vorzugsweise für die direkte Integration in die Getriebeglocke des Antriebsstrangs. Dazu bieten sie einen hohen Wirkungsgrad und werden häufig bei Mild- und Vollhybrid-Modellen eingesetzt. So ist in neueren Modellen des Toyota Prius als Elektromotor / Generator eine 60 kW-Synchronmaschine eingesetzt, und die ZF AG bietet unter der Bezeichnung SG 325 L 32 eine permanenterregte Synchronmaschine für einen Parallel-HybridAntrieb mit 12 KW Leistung an.Currently, for example, different electric motors are used in automotive applications depending on the purpose of the vehicle. The system costs, the available space, required functions and the efficiency play a role. So far, in automotive applications mainly asynchronous and permanent magnet synchronous machines are used. Asynchronous machines are very robust and cost-effective. Permanently excited synchronous machines are by their comparatively short length preferably for direct integration into the transmission bell of the drive train. They offer high efficiency and are often used in mild and full hybrid models. For example, a 60 kW synchronous machine is used as the electric motor / generator in newer models of the Toyota Prius, and the ZF AG offers under the designation SG 325 L 32 a permanent-magnet synchronous machine for a 12 kW parallel hybrid drive.
Zugrundeliegendes ProblemUnderlying problem
Für Elektromobilitätsanwendungen im Avionik- oder Automotive-Bereich soll ein kostengünstiger und zuverlässiger Antriebsstrang mit einer elektrischen Maschine vorgeschlagen werden.For electromobility applications in the avionics or automotive sector, a cost-effective and reliable powertrain with an electric machine is to be proposed.
Vorgeschlagene LösungSuggested solution
Zur Lösung wird ein Avionik- oder Automotive-Antriebsstrang mit einer elektrischen Maschine vorgeschlagen, die einen Ständer und einen relativ zum Ständer drehbaren Läufer aufweist, wobei der Ständer eine oder mehrere Ständerwicklungen aufweist und der Läufer eine oder mehrere Läuferwicklungen aufweist, und dem Ständer eine erste, mit dem Ständer feststehende Transformatorwicklung zugeordnet ist, die mit einer zweiten, mit dem Läufer drehbaren Transformatorwicklung magnetisch gekoppelt ist, wobei die erste Transformatorwicklung und die zweite Transformatorwicklung zur Energieübertragung von der ersten zur zweiten Transformatorwicklung über einen zwischen ihnen befindlichen Spalt eingerichtet sind, und wobei die zweite Transformatorwicklung mit der Eingangsseite einer der Transformatorwicklung nachgeschalteten Gleichrichterstufe elektrisch verbunden ist, deren Ausgangsseite mit einer oder mehreren der Läuferwicklungen elektrisch verbunden ist, um diese mit einem sekundären Erregerstrom zu speisen.To solve the problem, an avionics or automotive powertrain having an electric machine is proposed which comprises a stator and a rotor rotatable relative to the stator, the stator having one or more stator windings and the rotor having one or more rotor windings, and a first stator , associated with the stator fixed transformer winding, which is magnetically coupled to a second, rotatable with the rotor transformer winding, wherein the first transformer winding and the second transformer winding are arranged for transmitting energy from the first to the second transformer winding via a gap between them, and wherein the second transformer winding is electrically connected to the input side of a rectifier stage connected downstream of the transformer winding, the output side of which is electrically connected to one or more of the rotor windings in order to connect them to a secondary winding n excitation current to feed.
Bei einer Avionik- oder Automotive-Antriebsstrang mit einer derartigen fremderregten elektrischen Maschine wird einerseits dem Ständer Antriebsenergie zugeführt und andererseits dem Läufer elektrische Erregungsenergie zugeführt. Bei einer fremderregten (Gleichstrom-)Maschine werden Ständer- und (Läufer-)Erregerwicklung aus unterschiedlichen Spannungsquellen gespeist.In an avionics or automotive powertrain having such a separately excited electrical machine, on the one hand power is supplied to the stator and, on the other hand, the rotor is supplied with electrical excitation energy. In a separately excited (DC) machine stator and (rotor) excitation winding are fed from different voltage sources.
Dies ist im Unterschied zu sehen etwa zu einer permanenterregten elektrischen Maschine, bei der der Läufer mit Permanentmagneten bestückt ist, deren magnetisches Feld - im Motorbetriebsfall - in Wechselwirkung tritt mit dem durch die Ständerbestromung hervorgerufenen magnetischen Feld, um so eine Rotation des Läufers zu bewirken; im Generatorbetriebsfall ruft eine Rotation des Läufers eine an den Anschlüssen der Ständerwicklung abgreifbare elektrische Leistung hervor.This is in contrast to see about to a permanent-magnet electric machine in which the rotor is equipped with permanent magnets whose magnetic field - in the engine operation case - interacts with the caused by the stator current magnetic field, so as to cause a rotation of the rotor; In the generator operating case, a rotation of the rotor causes a tappable at the terminals of the stator winding electrical power.
Die hier vorgestellte Anordnung bietet einen Avionik- oder Automotive-Antriebsstrang für den Massenmarkt der Elektromobilität. Dieser Antriebsstrang kommt ohne teure und schwer verfügbaren Selten-Erden-Permanentmagnete in der elektrischen Maschine aus; dieser Antriebsstrang ist auch verschleißarm, dauerfest und effizient zu betreiben. Insbesondere auch beim reinen Elektroantrieb ist ein hoher Wirkungsgrad über einen weiten Bereich von Drehmoment und Drehzahl erzielbar, was eine effiziente Nutzung der Batterie erlaubt.The arrangement presented here offers an avionics or automotive powertrain for the mass market of electromobility. This powertrain comes without expensive and hard to get Rare-earth permanent magnets in the electric machine off; This powertrain is also low-wear, durable and efficient to operate. In particular, in pure electric drive high efficiency over a wide range of torque and speed can be achieved, which allows efficient use of the battery.
Aus dem Kraftwerksbau sind zwar fremderregte Maschinen bekannt, bei denen auf der Generatorwelle ein Erregergenerator bürstenlos mit elektrischer Erregungsenergie gespeist wird. So werden etwa dreiphasige Synchrongeneratoren zur Erzeugung elektrischer Energie und in Großkraftwerken eingesetzt. Hier sind die Ständerwicklungen entweder als konzentrierte oder als verteilte Wicklung ausgeführt. Drei räumlich um 120° am Umfang versetzte Wicklungen dienen zur Erzeugung eines rotierenden Magnetfelds. Die Ständerwicklungen werden dazu von drei um 120° phasenverschobenen, sinusförmigen Strömen durchflossen. Auf dem Läufer ist ein Elektromagnet aufgebracht. Die Energieversorgung des Elektromagneten erfolgt in der Regel über Schleifringe oder bürstenlos über den Erregergenerator. Sofern der Läufer und das Ständerfeld keine Relativgeschwindigkeit zueinander aufweisen, also synchron sind, kann ein Drehmoment mit einem Mittelwert ungleich null gebildet werden. Der Winkel zwischen Läufer und Ständerfeld ist ausschlaggebend für die Höhe des Drehmoments. Die fremderregte Synchronmaschine ist zwar ein robuster Maschinentyp mit einem guten Wirkungsgrad und einer guten Leistungsdichte. Allerdings sind diese Großkraftwerks-Anordnungen nicht als Antriebe einen Avionik- oder Automotive-Antriebsstrang für den Massenmarkt der Elektromobilität übertragbar. Konventionelle Gleichstrommaschinen erzeugen auch an ihren Bürsten ein sog. Bürstenfeuer, welches die Hauptursache für hochfrequente Störungen ist. Dieses Bürstenfeuer begrenzt auch die maximale Drehzahl, da die Bürsten bei hohen Drehzahlen heiß werden und besonders schnell verschleißen. Weiterhin bewirken hohe Drehzahlen auch höhere Induktionsspannungen, die bis hin zum umlaufenden Bürstenfeuer führen können.From the power plant construction, although foreign-excited machines are known in which on the generator shaft, an exciter generator brushless is fed with electrical excitation energy. For example, three-phase synchronous generators are used to generate electrical energy and in large power plants. Here, the stator windings are designed either as a concentrated or distributed winding. Three windings offset by 120 ° around the circumference serve to generate a rotating magnetic field. The stator windings are traversed by three sinusoidal currents phase-shifted by 120 °. On the runner an electromagnet is applied. The power supply of the electromagnet is usually via slip rings or brushless on the exciter generator. If the rotor and the stator field have no relative speed to one another, ie are synchronous, a torque with a mean value not equal to zero can be formed. The angle between rotor and stator field is decisive for the amount of torque. Although the externally excited synchronous machine is a robust machine type with a good efficiency and a good power density. However, these large power station assemblies are not transferable as drives to an avionics or automotive powertrain for the mass market of electric mobility. Conventional DC machines also generate a so-called brush fire on their brushes, which is the main cause of high-frequency interference. This brush fire also limits the maximum speed since the brushes get hot at high speeds and wear very quickly. Furthermore, high speeds cause higher induction voltages, which can lead to the surrounding brush fire.
Der Avionik- oder Automotive-Antriebsstrang der hier offenbarte Art vermeidet die Nachteile eines Schleifringübertragers und verwendet eine berührungslose Übertragung für die Erregungsenergie der (Läufer-)Erregerwicklung. Diese berührungslose Übertragung ist wesentlich einfacher gestaltet ist als die bekannten Erregungsgeneratoren. Diese Übertragung wird durch einen ringförmigen Übertrager oder Transformator realisiert, dessen eine Seite rotierend ausgestaltet ist. Die feststehende Primärseite des Transformators kann durch einer pulsweitenmodulierten Halb- oder Vollbrückenschaltung gespeist sein. Die rotierende Sekundärseite des Transformators kann über eine Gleichrichterschaltung die Erregerwicklung speist. Durch eine entsprechend hoch gewählte Übertragungsfrequenz kann die Übertragung sehr kompakt gestaltet sein. Bei Verwendung von Ferritmaterial in den Übertragungskernen des Übertragers kann eine Übertragungsfrequenz größer 100kHz gewählt werden. So werden einerseits die mit Verschleiß und drehzahlabhängigem Kontaktwiderstand behafteten Schleifringe vermieden und andererseits die komplexen und sehr viel Bauraum benötigenden Erregergeneratoren vermieden. Bei einem Innenläufer kann der Übertrager axial neben dem Ständer und radial unter dem Wickelkopf des Ständers angeordnet sein. Auf der Läuferseite wird der Erregerstrom mittels Dioden gleichgerichtet.The avionics or automotive powertrain of the type disclosed herein avoids the disadvantages of a slip ring transmitter and uses non-contact transmission for the excitation energy of the (rotor) field winding. This non-contact transmission is designed much simpler than the known excitation generators. This transmission is realized by an annular transformer or transformer, one side of which is designed to rotate. The fixed primary side of the transformer can be fed by a pulse width modulated half or full bridge circuit. The rotating secondary side of the transformer can feed the exciter winding via a rectifier circuit. By a correspondingly high selected transmission frequency, the transmission can be made very compact. When using ferrite material in the transmission cores of the transformer, a transmission frequency greater than 100kHz can be selected. Thus, on the one hand avoided the wear and speed-dependent contact resistance afflicted slip rings and on the other hand, the complex and very much space-consuming excitation generators needed. In an internal rotor, the transformer can be arranged axially next to the stator and radially below the winding head of the stator. On the rotor side of the exciter current is rectified by means of diodes.
In einer Variante des hier vorgestellten Antriebsstrangs sind die erste und die zweite Transformatorwicklung einem jeweiligen ersten und zweiten weichmagnetischen Übertragungskern zugeordnet.In a variant of the drive train presented here, the first and second transformer windings are assigned to a respective first and second soft-magnetic transmission core.
In einer weiteren Variante des Antriebsstrangs sind die ersten und zweiten weichmagnetischen Übertragungskerne magnetisch gekoppelt und enthalten ferrithaltiges Material.In a further variant of the drive train, the first and second soft-magnetic transmission cores are magnetically coupled and contain ferrite-containing material.
In einer weiteren Variante des Antriebsstrangs bilden der der erste und zweite weichmagnetische Übertragungskern zusammen mit der ersten und der zweiten Transformatorwicklung einen Übertrager mit einer stehenden und eine rotierenden Seite, bei dem die beiden Seiten durch den zwischen ihnen befindlichen (kreis(ring)förmigen oder zylindermantelförmigen) Spalt getrennt sind.In a further variant of the drive train, the first and second soft-magnetic transmission cores together with the first and second transformer windings form a transformer with a stationary and a rotating side, in which the two sides are located between them (circular ring-shaped or cylinder-shell-shaped ) Gap are separated.
In einer weiteren Variante des Antriebsstrangs sind einander zugewandte Mantel- oder Stirnflächen der beiden Seiten des Übertragers jeweils mit einem korrespondierenden Relief zum Beispiel in Form von abwechselnden Stegen und Nuten strukturiert. Dies ruft eine sich wiederholende Änderung der Reluktanz hervor, abhängig davon, in welchem Maß die Stege und Nuten zu einander fluchten. Diese sich wiederholende Reluktanzänderung führt zu einer in gleichem Maß schwankenden Stromaufnahme der ersten und der zweiten Transformatorwicklung. Diese schwankende Stromaufnahme kann zur Positionsbestimmung des Läufers mittels einer nicht weiter veranschaulichten Auswerteelektronik ausgewertet werden.In a further variant of the drive train mutually facing mantle or end faces of the two sides of the transformer are each structured with a corresponding relief, for example in the form of alternating webs and grooves. This causes a repetitive change in reluctance, depending on the degree to which the lands and grooves are aligned. This repetitive reluctance change results in a similar amount of current consumption of the first and second transformer windings. This fluctuating current consumption can be evaluated for determining the position of the rotor by means of a not further illustrated evaluation.
In einer weiteren Variante des Antriebsstrangs ist die erste Transformatorwicklung mit einer Erregerschaltung elektrisch verbunden, welche dazu eingerichtet ist, die erste Transformatorwicklung mit einem primären Erregerstrom zu speisen.In a further variant of the drive train, the first transformer winding is electrically connected to an exciter circuit, which is set up to feed the first transformer winding with a primary exciter current.
In einer weiteren Variante des Antriebsstrangs ist die Erregerschaltung dazu eingerichtet, die erste Transformatorwicklung mit einem primären Erregerstrom mit einer Frequenz zwischen etwa 50 kHz und etwa 5 MHz zu speisen und die Pulsweite des primären Erregerstroms zu variieren. Die Läufertemperatur wird in einer anderen, hier nicht weiter veranschaulichten Variante über den temperaturabhängigen Widerstand der Erregerwicklung ermittelt werden, da ein höherer Widerstand zu einem höheren Spannungsbedarf in der Primärwicklung führt. Dieser höhere Spannungsbedarf kann über das Einschaltverhältnis in der Pulsweitenmodulation durch die Erregerschaltung
Figurenlistelist of figures
Weitere Ziele, Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von nicht einschränkend zu verstehenden Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen. Dabei zeigen alle beschriebenen und / oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den hier offenbarten Gegenstand, auch unabhängig von ihrer Gruppierung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehungen. Die Abmessungen und Proportionen der in den Fig. gezeigten Komponenten sind hierbei nicht unbedingt maßstäblich; sie können bei zu implementierenden Ausführungsformen vom hier Veranschaulichten abweichen.Other objects, features, advantages and applications will be apparent from the following description of non-limiting embodiments to be understood with reference to the accompanying drawings. All the described and / or illustrated features alone or in any combination show the subject matter disclosed herein, also irrespective of their grouping in the claims or their relationships. The dimensions and proportions of the components shown in the figures are not necessarily to scale; they may differ from what is illustrated here in embodiments to be implemented.
Dabei zeigen
-
1 eine schematische Darstellung einer Variante eines Automotive-Antriebsstrangs mit einer elektrischen Maschine, -
2 eine erste schematische perspektivische Darstellung eines Übertragers,
-
1 a schematic representation of a variant of an automotive powertrain with an electric machine, -
2 a first schematic perspective view of a transformer,
Detaillierte Beschreibung der ZeichnungDetailed description of the drawing
Ein in
Die elektrische Maschine
In der hier gezeigten Variante ist zur Speisung einer Erregerspannung
Die Erregerschaltung
Die zweite Transformatorwicklung
Der Übertrager
Die vorangehend beschriebenen Varianten sowie deren Aufbau- und Betriebsaspekte dienen lediglich dem besseren Verständnis der Struktur, der Funktionsweise und der Eigenschaften; sie schränken die Offenbarung nicht etwa auf die Ausführungsbeispiele ein. Die Fig. sind teilweise schematisch, wobei wesentliche Eigenschaften und Effekte zum Teil deutlich vergrößert dargestellt sind, um die Funktionen, Wirkprinzipien, technischen Ausgestaltungen und Merkmale zu verdeutlichen. Dabei kann jede Funktionsweise, jedes Prinzip, jede technische Ausgestaltung und jedes Merkmal, welches/welche in den Fig. oder im Text offenbart ist / sind, mit allen Ansprüchen, jedem Merkmal im Text und in den anderen Fig., anderen Funktionsweisen, Prinzipien, technischen Ausgestaltungen und Merkmalen, die in dieser Offenbarung enthalten sind oder sich daraus ergeben, frei und beliebig kombiniert werden, so dass alle denkbaren Kombinationen der beschriebenen Varianten zuzuordnen sind. Dabei sind auch Kombinationen zwischen allen einzelnen Ausführungen im Text, das heißt in jedem Abschnitt der Beschreibung, in den Ansprüchen und auch Kombinationen zwischen verschiedenen Varianten im Text, in den Ansprüchen und in den Fig. umfasst. Auch die Ansprüche limitieren nicht die Offenbarung und damit die Kombinationsmöglichkeiten aller aufgezeigten Merkmale untereinander. Alle offenbarten Merkmale sind explizit auch einzeln und in Kombination mit allen anderen Merkmalen hier offenbart.The variants described above, as well as their construction and operating aspects serve merely to better understand the structure, the mode of operation and the properties; they do not restrict the revelation to the exemplary embodiments. The figures are partially schematic, wherein essential properties and effects are shown partially enlarged significantly to illustrate the functions, principles of operation, technical features and features. In this case, every mode of operation, every principle, every technical embodiment and every feature which is / are disclosed in the figures or in the text, with all claims, every feature in the text and in the other figures, other modes of operation, principles, technical embodiments and features contained in this disclosure or resulting from it, are freely and arbitrarily combined, so that all conceivable combinations of the variants described are assigned. In this case, combinations between all individual versions in the text, that is to say in every section of the description, in the claims and also combinations between different variants in the text, in the claims and in the figures. Also, the claims do not limit the disclosure and thus the combination options of all identified features with each other. All disclosed features are also explicitly disclosed individually and in combination with all other features herein.
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