DE102017108142A1

DE102017108142A1 - Vorrichtung und verfahren zur steuerung von elektrischen antrieben mit rekonfigurierbarer wicklung

Info

Publication number: DE102017108142A1
Application number: DE102017108142.9A
Authority: DE
Inventors: Chandra S. Namuduri; Lei Hao
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2016-04-22
Filing date: 2017-04-17
Publication date: 2017-10-26
Also published as: CN107306104B; CN107306104A; US20170310263A1; US9882521B2

Abstract

Elektrisches Antriebssystem für eine dreiphasige PM-Elektromaschine. Das Antriebssystem beinhaltet eine geteilte Statorwicklung für jede Phase der Maschine, mit einem ersten Wicklungsabschnitt und einem zweiten Wicklungsabschnitt und eine Wechselrichterschaltung, die ein Paar Wechselrichterschalter für jede Phase der Maschine beinhaltet, wobei das Paar von Wechselrichterschaltern für jede Phase mit dem ersten und dem zweiten Wicklungsabschnitt für diese Phase im Stator elektrisch gekoppelt ist. Das Antriebssystem beinhaltet auch ein Schaltsystem mit einer Umschaltung, wobei die Umschaltung eine Vielzahl von Schalteranordnungen zum Umschalten zwischen einem Vollwicklungssteuermodus und einem Halbwicklungssteuerungsmodus beinhaltet, wobei jede Schalteranordnung eine erste Wechselstromumschalteinrichtung und eine zweite Wechselstromumschalteinrichtung beinhaltet und wobei jede Schalteranordnung mit dem Paar von Wechselrichterschaltern und den ersten und zweiten Wicklungsabschnitten für eine bestimmte Phase elektrisch gekoppelt ist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf ein Antriebssystem für eine elektrische Maschine und insbesondere auf ein Antriebssystem für eine dreiphasige Permanentmagnet (PM) elektrische Wechselstrommaschine mit geteilten Statorwicklungen, wobei das Antriebssystem die geteilten Wicklungen zwischen einem Vollwicklungsmodus und einem Halbwicklungsmodus umschaltet, um die EMF zu reduzieren und das Drehmoment und die Leistung der Maschine bei höheren Maschinendrehzahlen zu erhöhen.
Erläuterung des Standes der Technik
Für Automobilantriebssysteme, wie beispielsweise für Hybridfahrzeuge, Elektrofahrzeuge, Brennstoffzellenfahrzeuge usw. und für Stromerzeugungsanwendungen, ist eine elektrische Maschine mit einem breiten Drehzahlbereich unerlässlich. Um das Drehmoment/Ampereverhältnis zu maximieren, ist eine elektrische Maschine typischerweise so konstruiert, dass sie so hoch wie möglich ein induziertes Spannungs-zu-Drehzahl-Verhältnis aufweist. Da jedoch die induzierte Spannung proportional ist, insbesondere wenn die Geschwindigkeit der Maschine zunimmt, steigt auch die von der Maschine erzeugte rückwärtige elektromagnetische Kraft (EMK) mit zunehmender Maschinendrehzahl an, bis sie die Zwischenkreisspannung erreicht, im Allgemeinen eine Batteriespannung, was zu einem Verlust der EMK führt, um den Strom im Motor anzutreiben, der die Drehzahl der Maschine begrenzt.
Es ist in der Technik bekannt, die Statorwicklungen für jede Phase einer elektrischen Maschine in zwei geteilte Wicklungen zu trennen, um die rückwärtige elektromagnetische Kraft EMK bei hoher Maschinendrehzahl zu reduzieren. Schalter sind vorgesehen und werden so gesteuert, dass die geteilten Wicklungen für jede Phase für niedrige Maschinendrehzahlen elektrisch in Reihe geschaltet sind und parallel geschaltet sind, wenn die Drehzahl der Maschine den Punkt erreicht, an dem die rückwärtige EMK das Maschinendrehmoment reduziert. Durch die Bereitstellung von doppelt so vielen Wicklungen im Stator und die Schalter, die zum Umschalten zwischen einer elektrischen Serienkonfiguration und einer parallelen Konfiguration erforderlich sind, Lösung für die Wicklung der Rekonfiguration die Anzahl der erforderlichen Wechselstromschalter auf neun und die Gesamtzahl der Maschine führt zu zehn für eine dreiphasige Maschine. Ferner besteht das Potential für die Zirkulation von Strömen in der parallelen Konfiguration aufgrund von Diskrepanzen der EMK Spulen. Außerdem müssen Spulen in demselben Statorschlitz für den parallelen Betrieb sein, und die untere Spuleninduktivität im Parallelbetrieb kann höhere Schaltfrequenzen benötigen, um die Stromwelligkeit zu reduzieren.
Die US-Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 2014/0239876 an Hao et al., veröffentlicht am 28. August 2014, die dem Anmelder dieser Anmeldung übertragen wurde, offenbart ein elektrisches Antriebssystem für eine dreiphasige PM-Elektromaschine, wobei jede Phase der Maschine eine Statorwicklung aufweist, die in einen ersten Wicklungsabschnitt und einen zweiten Wicklungsabschnitt getrennt ist, und zwei Schalter in einem Wechselrichter, der elektrisch mit den Wicklungsabschnitten gekoppelt ist. Das Antriebssystem beinhaltet eine Schalteranordnung für jede Phase, die elektrisch mit den Wechselrichterschaltern und den ersten und zweiten Wicklungsabschnitten gekoppelt ist, wobei die Schalteranordnung mindestens zwei Schaltzustände beinhaltet. Ein erster Schaltzustand der Schalteranordnung verbindet den ersten Wicklungsabschnitt und den zweiten Wicklungsabschnitt in Reihe mit den Wechselrichterschaltern elektrisch und einen zweiten Schaltzustand, der elektrisch mit dem zweiten Wicklungsabschnitt mit den Wechselrichterschaltern gekoppelt ist und den ersten Wicklungsabschnitt elektrisch von den Wechselrichterschaltern trennt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung offenbart und beschreibt ein elektrisches Antriebssystem für eine dreiphasige PM-Elektromaschine, wobei die Maschine einen Stator und einen Rotor beinhaltet. Das Antriebssystem beinhaltet eine geteilte Statorwicklung für jede Phase der Maschine, wobei jede Statorwicklung einen ersten Wicklungsabschnitt und einen zweiten Wicklungsabschnitt beinhaltet und eine Wechselrichterschaltung ein Paar Wechselrichterschalter für jede Phase der Maschine beinhaltet, das Paar von Wechselrichterschaltern für jede Phase mit dem ersten und dem zweiten Wicklungsabschnitt für diese Phase im Stator elektrisch gekoppelt ist. Das Antriebssystem beinhaltet auch ein siliziumgesteuertes Gleichrichter-Schaltsystem (SCR) mit einem Schaltkreis, wobei der Schaltkreis eine Vielzahl von Schalteranordnungen zum Umschalten zwischen einem Vollwicklungssteuermodus und einem Halbwicklungssteuerungsmodus beinhaltet, jede Schalteranordnung eine erste Wechselstromumschalteinrichtung und eine zweite Wechselstromumschalteinrichtung beinhaltet und wobei jede Schalteranordnung mit dem Paar von Wechselrichterschaltern und den ersten und zweiten Wicklungsabschnitten für eine bestimmte Phase elektrisch verbunden ist. Das Antriebssystem beinhaltet auch eine Steuerung, die auf ein Drehmomentbefehlssignal und ein Maschinendrehzahlsignal anspricht, wobei die Steuerung die Wechselrichterschalter und den Schaltkreis steuert.
Zusätzliche Eigenschaften der vorliegenden Erfindung gehen aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung und den hinzugefügten Ansprüchen in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen hervor.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine weggebrochene Endansicht einer PM-Elektromaschine mit einem Stator und einem Rotor;
2 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Sechs-Blei-Sechs-AC-Schaltungs-Antriebssystems, für eine PM-Elektromaschine mit antiparallelen SCR AC-Leistungsschaltern;
3 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Neun-Blei-Vier-AC-Schaltungs-Antriebssystems für eine PM-Elektromaschine, die antiparallele SCR-Wechselstrom-Schalteinrichtungen verwendet;
4 ist ein schematisches Diagramm einer SCR-RC-Dämpfungsschaltung;
5 ist ein schematisches Blockdiagramm eines SCR-Antriebssystems für die in 2 gezeigten Leistungsschalter;
6 ist ein schematisches Blockdiagramm eines SCR-Antriebssystems für die in 3 gezeigten Leistungsschalter;
7 ist ein schematisches Diagramm einer Anti-Serien-IGBT-Wechselstrom-Schaltvorrichtung, die in den Antriebssystemen, wie in den 2 und 3 gezeigt, verwendet werden kann;
8 ist ein schematisches Diagramm einer antiparallelen RB-IGBT-Wechselstrom-Schaltvorrichtung, die in den Antriebssystemen, wie in den 2 und 3 gezeigt, verwendet werden kann;
9 ein Steuerschema zum Umschalten zwischen einem Vollwicklungsmodus und einem Halbwicklungsmodus für eine symmetrische Wicklungskonfiguration einer Dreiphasen-PM-Maschine unter Verwendung der SCR-Antriebssysteme zeigt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die nachfolgende Erläuterung der Ausführungsformen der Erfindung, die auf ein elektrisches Antriebssystem für eine dreiphasige PM-Elektromaschine gerichtet sind, ist lediglich exemplarisch und soll in keiner Weise die Erfindung oder ihre Anwendungen oder Verwendungen einschränken. Das Antriebssystem der Erfindung weist zum Beispiel insbesondere eine dreiphasige PM-Elektromaschine auf, die an einem Fahrzeug anwendbar ist. Jedoch wird, wie Fachleute auf dem Gebiet erkennen werden, das Antriebssystem der Erfindung für andere Maschinen Anwendung finden.
1 ist eine weggebrochene Endansicht einer herkömmlichen PM-Dreiphasen-Elektromaschine 10. Die Elektromaschine 10 beinhaltet eine zentrale Welle 12, die von einem zylindrischen Rotor 14 umgeben und an diesem befestigt ist. Der Rotor 14 beinhaltet eine Vielzahl von Permanentmagneten 16, die um einen äußeren Umfang des Rotors 14 herum angeordnet sind. Die Maschine 10 beinhaltet auch einen zylindrischen Stator 18, der Statorzähne 20 aufweist, die dazwischen Schlitze 22 definieren, wobei Statorwicklungen 24 um die Zähne 20 durch die Schlitze 22 gewickelt sind. Ein Luftspalt 26 trennt den Rotor 14 vom Stator 18 und lässt ihn relativ dazu drehen.
Wie Fachleuten auf dem Gebiet hinreichend bekannt ist, wird ein Wechselstrom an der richtigen Phase an die Statorwicklungen 24 geliefert, sodass das durch den durch die Wicklungen 24 fließenden Strom erzeugte Magnetfeld mit dem vom Permanentmagnet 16 erzeugten Magnetfeld in einer Weise zusammenwirkt, die bewirkt, dass sich der Rotor 14 relativ zum Stator 18 dreht und somit bewirkt, dass sich die Welle 12 mit der Verrichtung der physischen Arbeit dreht. Ein Flusspfad um die Wicklungen 24 durchdringt den Rotor 14, den Permanentmagneten 16, den Luftspalt 26 und den Stator 18, um einen geschlossenen Schleifenpfad zu bilden und die Statorwicklungen 24 zu verbinden. Die induzierte Spannung des Stators 18 ist proportional zum Gesamtfluss, der die Statorwicklungen 24 verbindet. Die Wechselwirkung des magnetischen Flusses zwischen dem Permanentmagneten 16 mit dem Stromfluss in den Wicklungen 24 erzeugt das Drehmoment, das die Maschine 10 antreibt.
2 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Antriebssystems 30 für eine dreiphasige PM-Elektromaschine, wie beispielsweise die Maschine 10, wobei Wicklungen für einen Stator 32 der Maschine gezeigt sind. Die Wicklungen beinhalten geteilte Statorwicklungen mit Wicklungsabschnitten 34 und 36 für die erste Maschinenphase, Wicklungsabschnitte 38 und 40 für die zweite Maschinenphase und Wicklungsabschnitte 42 und 44 für die dritte Maschinenphase.
Das Antriebssystem 30 beinhaltet eine Wechselrichter/Gleichrichterschaltung 50, die eine Vielzahl von MOSFET- oder IGBT-Schaltern aufweist, die selektiv ein- und ausgeschaltet werden, um eine AC- und DC-Inversion und Rektifikation zwischen einer Fahrzeugbatterie (nicht gezeigt), die mit den Knoten 52 und 54 und den Wicklungsabschnitten 34–44 im Stator 32 gekoppelt ist, bereitzustellen. Insbesondere beinhaltet die Schaltung 50 Schalter 56 und 58 zum Steuern der ersten Phasenwicklungsabschnitte 34 und 36, der Schalter 60 und 62 zum Steuern der zweiten Phasenwicklungsabschnitte 38 und 40 und der Schalter 64 und 66 zum Steuern der dritten Phasenwicklungsabschnitte 42 und 44 Die Schaltung 50 wandelt den Gleichstrom von der Batterie in einen Wechselstrom um, wenn die Maschine als Motor arbeitet, um beispielsweise das Fahrzeug zu starten. Die Schaltung 50 beinhaltet auch eine Vielzahl von Dioden 68, die den von den Wicklungsabschnitten 34–44 erzeugten Wechselstrom zu einem Gleichstrom rektifizieren, um die Batterie aufzuladen. Die Schalter 56–66 werden durch eine Steuerung 80 auf sechs Leitungen 70 geschaltet, wobei die Steuerung 80 ein Drehmomentbefehlssignal auf der Leitung 82 und ein Maschinengeschwindigkeitssignal auf der Leitung 84 empfängt, um die gewünschte AC/DC-Inversion oder DC/AC-Umwandlung in einer Weise bereitzustellen, die von Fachleuten auf dem Gebiet gut verstanden wird.
Das Antriebssystem 30 beinhaltet auch ein siliziumgesteuertes Gleichrichter-Schaltsystem 90 (SCR), das die Stromsignale von der Wechselrichterschaltung 50 schaltet, sodass alle Wicklungsabschnitte 34–44 mit dem Wechselrichter 50 bei niedrigen Maschinendrehzahlen elektrisch gekoppelt sind und nur die Wicklungsabschnitte 36, 40 und 44 mit der Schaltung 50 bei hohen Maschinendrehzahlen elektrisch gekoppelt sind. Wie vorstehend erläutert, wird durch Verringern der Anzahl von Statorwicklungen bei hohen Maschinendrehzahlen die rückwärtige EMK der Maschine reduziert, indem der magnetische Fluss verringert wird, wenn die rückwärtige EMK signifikant genug ist, um die Maschinendrehzahl zu reduzieren, indem der Stromfluss durch die Statorwicklungen in ähnlicher Weise begrenzt wird, wie in der vorstehend erwähnten '876-Anmeldung offenbart.
Um diese Wicklungskonfigurationsoperation vorzusehen, beinhaltet das Schaltsystem 90 eine Umschaltschaltung 92 mit einer ersten Schalteranordnung 120 zum Umschalten der ersten Phasenwicklungsabschnitte 34 und 36, eine zweite Schalteranordnung 122 zum Umschalten der zweiten Phasenwicklungsabschnitte 38 und 40 und eine dritte Schalteranordnung 124 zum Umschalten der dritten Phasenwicklungsabschnitte 42 und 44. Die erste Schalteranordnung 120 beinhaltet Wechselstromschaltereinrichtungen 94 und 96, die mit den Knoten A2 bzw. A1 verbunden sind, um die ersten Phasenwicklungsabschnitte 34 und 36 zwischen dem Vollwicklungsmodus und dem Halbwicklungsmodus zu schalten. Die zweite Schalteranordnung 122 beinhaltet Wechselstromschaltereinrichtungen 98 und 100, die mit den Knoten B2 bzw. B1 verbunden sind, um die ersten Phasenwicklungsabschnitte 38 und 40 zwischen dem Vollwicklungsmodus und dem Halbwicklungsmodus zu schalten. Die dritte Schalteranordnung 124 beinhaltet Wechselstromschaltereinrichtungen 102 und 104, die mit den Knoten C1 bzw. C2 verbunden sind, um die ersten Phasenwicklungsabschnitte 42 und 44 zwischen dem Vollwicklungsmodus und dem Halbwicklungsmodus zu schalten. Jede der Schalteinrichtung 94, 96, 98, 100, 102 und 104 beinhalten jeweils ein Paar gegenüberliegender Thyristorschalter 106 und 108, die eine niedrige Einschaltspannung, beispielsweise 1–1,5 Volt, bereitstellen, sind sehr robust, bieten eine hohe Überlastfähigkeit und haben weniger als eine 10 ms Schaltzeit.
Die Schalteinrichtungen 94, 96, 98, 100, 102 und 104 werden durch eine SCR-Treiberschaltung 110 gesteuert, die Befehle von der Steuerung 80 empfängt, um zwischen dem Vollwicklungsmodus, der durch einen Befehl auf der Leitung 112 wird, und dem Halbwicklungsmodus, der durch einen Befehl auf der Leitung 114 bereitgestellt wird, umzuschalten. Sechs Steuerleitungen 116 sind mit der Schalteinrichtung 92 gekoppelt, um die Schalteinrichtungen 96, 100 und 102 in den Vollwicklungsmodus zu schalten, und sechs Steuerleitungen 118 sind mit der Schalteinrichtung 92 verbunden, um die Schalteinrichtungen 94, 98 und 104 in den Halbwicklungsmodus zu schalten. Eine ausführlichere Erläuterung dessen, wie die SCR-Treiberschaltung 110 die Schalteinrichtungen 94 bis 104 steuert, um den Vollwicklungsmodus zu liefern, und der Halbwicklungsmodus ist nachfolgend bereitgestellt.
Die m SCR-Antriebssystem 90 gezeigte Wickelschaltungstopologie erfordert sechs Leitungen, die zwischen den Schaltvorrichtungen 94, 96, 98, 100, 102 und 104 und den Knoten A1, A2, B1, B2, C1 und C2 gekoppelt sind. Alternative Ausführungsformen können innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung verwendet werden, die den gleichen Typ an Wechselstromumschaltung zwischen dem Vollwicklungsmodus und dem Halbwicklungsmodus bereitstellen, jedoch weniger Schalter und/oder weniger Leitungen benötigen.
3 ist ein schematisches Diagramm eines Antriebssystems 130 mit einer Wickelschalttopologiearchitektur, die neun Zuleitungen und vier Wechselstromschaltereinrichtungen verwendet, wobei gleiche Elemente zum Antriebssystem 30 die gleiche Referenznummer aufweisen. Die Steuerung 80 und das Schaltsystem 90 wurden aus Gründen der Klarheit aus 3 entfernt. Bei dieser Ausführungsform wurden die sechs Wechselstromschalteinrichtungen 94, 96, 98, 100, 102 und 104 durch vier Wechselstromschalteinrichtungen ersetzt, nämlich eine zwischen den Knoten B1 und B2 elektrisch gekoppelte Wechselstromschalteinrichtung 132, eine zwischen den Knoten C1 und C2 elektrisch gekoppelte Wechselstromschalteinrichtung 134, eine zwischen den Knoten B2 und B3 elektrisch gekoppelte Wechselstromschalteinrichtung 136 und eine Wechselstromschalteinrichtung 138, die, wie gezeigt, zwischen den Knoten C2 und C3 elektrisch gekoppelt ist. In dieser Ausführungsform beträgt die Anzahl der Steuerleitungen 116 und 118 jeweils vier. Für den Vollwicklungsmodus werden die Wechselstromschalteinrichtungen 134 und 138 eingeschaltet und die Wechselstromschalteinrichtungen 132 und 136 werden ausgeschaltet. Dies erzeugt im Wesentlichen einen Neutralpunkt, der die Knoten C1, C2 und C3 miteinander verbindet, wobei die Wicklungsabschnitte 34 und 36 durch die Knoten A1, B1 und C1, die Wicklungsabschnitte 38 und 40 durch die Knoten A2, B2 und C2 und die Wicklungsabschnitte 42 und 44 durch die Knoten A3, B3 und C3 den durch die Schaltung 50 erzeugten Strom führen. Für den Halbwicklungsmodus werden die Wechselstromschalteinrichtungen 132 und 136 eingeschaltet und die Wechselstromschalteinrichtungen 134 und 138 werden ausgeschaltet. Dies erzeugt im Wesentlichen einen Neutralpunkt, der die Knoten B1, B2 und B3 miteinander verbindet, wobei nur der Wicklungsabschnitt 34 durch die Knoten A1 und B1, der Wicklungsabschnitt 38 durch die Knoten A2 und B2 und der Wicklungsabschnitt 42 durch die Knoten A3 und B3 den von der Schaltung 50 erzeugten Strom führen, und wobei der Wicklungsabschnitt 36 durch die Knoten B1 und C1, der Wicklungsabschnitt 40 durch die Knoten B2 und C2 und der Wicklungsabschnitt 44 durch die Knoten B3 und C3 offen sind und keinen Strom führen, da die Schalteinrichtungen 134 und 138 ausgeschaltet sind. Genauere Erörterungen dessen, wie die SCR-Treiberschaltung 110 die Schalteinrichtungen 132–138 steuert, um den Vollwicklungsmodus bereitzustellen, und der Halbwicklungsmodus sind nachfolgend dargestellt.
Für die vorstehend erläuterten Ausführungsformen, die das SCR-Antriebssystem verwenden, können Schaltkreiselemente erforderlich sein, um die Änderung der Spannung dV/dt und der maximalen Spannung Vmax der Wechselstromschalter zu begrenzen. 4 schematisches Diagramm einer SCR-Dämpfungsschaltung 170, die eine Wechselstromschalteinrichtung 172 des vorstehenden erläuterten Typs und Schaltungselementen zur Begrenzung der Änderung der Spannung dV/dt und der maximalen Spannung Vmax aufweist. Die Dämpfungsschaltung 170 könnte als Teil jeder der Wechselstromschalteinrichtungen in der SCR-Treiberschaltung im System 30 oder 130 beinhaltet sein. Die Dämpfungsschaltung 170 beinhaltet einen Widerstand 174 und einen Kondensator 176, die eine RC-Schaltung definieren, die beispielsweise die Änderung der Spannung dV/dt auf weniger als 1 kV/μs begrenzt. Bei dieser Ausführungsform ist der Widerstand 174 ein niederinduktiver Widerstand, wie beispielsweise L_s < 0,4 µH, und der Kondensator 176 ist ein Dämpfungskondensator für hohe Druckbelastung, der bewirkt, dass die Änderung der Spannung dV/dt größer als 2 kV/μs ist. Die Spannungsänderungsrate dV/dt kann durch eine Ersatzschaltung definiert werden als:
wobei R der Widerstand des Widerstands 174 ist, V ist die Spannung über dem Schalter 172, L ist die Induktivität des Widerstands 174, I_RM ist der Stromfluss durch den Widerstand 174 und den Kondensator 176, und τ ist die Zerfallszeitkonstante des SCR-Sperrverzögerungsstroms von seinem Spitzenwert von I_RM.
Die Dämpfungsschaltung 170 beinhaltet auch einen Metalloxidvaristor (MOV) 178, der eine Spannungsklemme zur Begrenzung der maximalen Spannung Vmax bereitstellt und in einer Ausführungsform die SCR-Spannung auf unter 1,2 kV begrenzt. Zusätzlich können die Wechselstromschalteinrichtungen an einer auf eine flüssigkeitsgekühlte kalte Platte montiert werden, um die Temperatur unter 0,01 °C/W zu halten.
5 ist ein Blockdiagramm eines SCR-Antriebssystems 180, das als die Treiberschaltung 110 für die in 2 gezeigte Wechselstromschaltanordnung verwendet werden kann. Das System 180 beinhaltet eine isolierte zwölf Ausgangsleistungsversorgung 182, die 12 VDC auf der Leitung 184 empfängt und stellt in diesem Beispiel, 3,3 Volt an 1 Watt pro Strom für jede Ausgangsleitung 186 bereit. Das Antriebssystem 180 beinhaltet auch einen isolierten Treiber mit dem Logik-Eingangsblock 188, der zwölf Eingänge empfängt, wobei jeder Eingang einen der Thyristorschalter 106 und 108 in den Schalteinrichtungen 94–104 einschaltet. Insbesondere empfängt der Block 188 eine Gruppe 190 von Eingängen 192, die den Halbwicklungsmodus steuern, wobei jeder der Eingänge 192 einen bestimmten der Thyristorschalter 106 und 108 in jeder der Schalteinrichtungen 94, 98 und 104 einschaltet und eine Gruppe 194 von Eingängen 196, die den Vollwicklungsmodus steuern, wobei jeder der Eingänge 196 einen der Thyristorschalter 106 und 108 in jedem der Schalter 96, 100 und 102 einschaltet. Die Signale vom Logikeingangsblock 188 werden dann zu einem Gate-Treiber-Ausgangsblock 198 mit zwölf Ausgängen übertragen, welche die Wechselstromschalteinrichtungen 94, 96, 98, 100, 102 und 104 steuern, um zwischen dem Vollwicklungsmodus und dem Halbwicklungsmodus umzuschalten, wie bereits erwähnt.
Ein ähnlicher Typ eines SCR-Treibersystems kann für die in 3 gezeigte Wicklungstopologie vorgesehen sein, welche die vier Wechselstromschalter 132–138 beinhaltet. 6 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Antriebssystems 200, das diese Konstruktion zeigt, wobei gleiche Elemente am Antriebssystem 180 mit der gleichen Referenznummer identifiziert sind. In dieser Ausführungsform wird die Stromversorgung 182 durch eine isolierte acht Ausgangsleistungsversorgung 202 ersetzt, wobei der isolierte Treiber mit dem Logikeingangsblock 188 durch einen isolierten Treiber mit dem Logikeingangsblock 204 ersetzt, und der Gate-Treiber-Ausgangsblock 198 wird durch einen Gate-Treiber-Ausgangsblock 206 mit acht Ausgängen ersetzt. Eine Gruppe 208 von Eingängen 210 steuert den Halbwicklungsmodus, wobei jeder der Eingänge 210 einen der Thyristorschalter 106 oder 108 in den Schalteinrichtungen 132 und 136 einschaltet und eine Gruppe 212 der Eingänge 214 den Vollwicklungsmodus steuert, wobei jeder der Eingänge 214 einen der Thyristorschalter 106 oder 108 in den Schalteinrichtungen 134 und 138 einschaltet.
In den vorstehend erläuterten Ausführungsformen verwenden die Schalteinrichtungen 94, 96, 98, 100, 102, 104, 132, 134, 136 und 138 SCR-Schalter. In alternativen Ausführungsformen können die Thyristorschalter 106 und 108 durch isolierte Gate-Bipolartransistor-Schalter (IGBT) ersetzt werden. 7 ist zum Beispiel ein schematisches Diagramm einer Wechselstromschaltung 150, die zwei Anti-Serien-Schalter 152 und 154 IGBT und zwei gegenüberliegende Dioden 156 und 158 aufweist, die wie gezeigt elektrisch gekoppelt sind, die anstelle der Wechselstromschalteinrichtungen 94, 96, 98, 100, 102, 104, 132, 134, 136 und 138 verwendet werden können.
Alternativ ist 8 ein schematisches Diagramm einer Wechselstromschaltung 160, die zwei antiparallele Rückwärtsblockierungs-Schalter 162 und 164 (RB)-IBGT aufweist, die wie gezeigt elektrisch gekoppelt sind, die anstelle der Wechselstromschalteinrichtungen 94, 96, 98, 100, 102, 104, 132, 134, 136 und 138 verwendet werden können.
9 ist ein Flussdiagramm 220, das ein Steuerschema zum Umschalten zwischen einem Vollwicklungssteuermodus und einem Halbwicklungssteuermodus für eine symmetrische Wicklungsumwandlung einer Dreiphasen-PM-Elektromaschine unter Verwendung der vorstehend diskutierten SCR-Antriebssysteme zeigt. Bei Box 222 liest der Algorithmus die Motordrehzahl- und Drehmomentbefehlssignale, die der Steuerung 80 auf den Leitungen 82 bzw. 84 zugeführt werden, und identifiziert beliebige Diagnosemühecodes, welche die Maschinenleistung und den Betrieb beeinträchtigen können. Der Algorithmus bestimmt dann, ob alle möglichen Fehler für die Wechselrichterschaltung 50 am Entscheidungspfad 224 klar sind, und falls nicht, werden die an die Wechselrichterschalter 56–66 bei Box 226 gesendeten Gate-Signale deaktiviert und darauf gewartet, dass die Fehler bei Box 228 zurückgesetzt werden.
Sind alle der Wechselrichterschaltungsfehler am Entscheidungspfad 224 klar, so liest der Algorithmus ein Wicklungskonfigurationsbit an Box 230, um zu bestimmen, ob die Motordrehzahl- und die Drehmomentbefehlssignale den vollen Statorwicklungsmodus oder den Halbstatorwicklungsmodus erfordern, wobei das Wicklungskonfigurationsbit durch Lesen einer externen digitalen Halogenwicklungseingangs-/Ausgangsleitung eingestellt werden kann oder auf der Grundlage des Drehzahl- und Drehmomentfehlers der Maschine bestimmt wird. Sobald das Wicklungskonfigurationsbit bei Box 230 ausgelesen wurde, bestimmt der Algorithmus, ob das Wicklungskonfigurationsbit auf den Vollwicklungsmodus beim Entscheidungspfad 232 gesetzt ist, und wenn dies der Fall ist, wird ein Schaltersteuerschema für den Vollwicklungsmodus bereitgestellt. Insbesondere bestimmt der Algorithmus zuerst, ob die Wicklungskonfiguration gerade vom Halbwicklungsmodus zum Vollwicklungsmodus beim Entscheidungspfad 234 übergegangen ist, was bedeutet, dass sich der Wicklungssteuermodus bei der vorherigen Abtastzeit im Halbwicklungsmodus befand. Wenn die Wicklungskonfiguration am Entscheidungspfad 234 nicht vom Halbwicklungsmodus zum Vollwicklungsmodus übergeht, verwendet der Algorithmus die Schaltsteuerung für einen korrekten direkten Achsenstrom I_d, einen Quadraturachsenstrom I_q und die aktuelle Stromschleifenverstärkung K_ip und K_ii für volle Statorwicklungen in Box 236, wobei die Stromschleifenverstärkung K_ip und K_ii für den direkten Achsen- und Quadraturachsenstrom eingestellt und die Ströme I_d und I_q werden aus Nachschlagetabellen bereitgestellt. Es wird von Fachleuten auf dem Gebiet verstanden, dass K_ip und K_ii in der direkten Achsen- und Quadraturachsenstromsteuerung unterschiedlich sind. Der direkte Achsenstrom I_d, der Quadraturachsenstrom I_q und die Stromschleifenverstärkung K_ip und K_ii sind bekannte Variablen für die PID-Steuerung. Die Ausgabebefehle für die Ströme I_d und I_q für den Vollwicklungsmodus auf der Grundlage der Drehzahl- und Drehmomentbefehle werden dann bei Box 238 bereitgestellt, und der Algorithmus kehrt zu Box 222 zurück, um die Motordrehzahl und die Drehmomentbefehlssignale zu lesen.
Wenn die Wicklungskonfiguration vom Halbwicklungsmodus zum Vollwicklungsmodus zum Entscheidungspfad 234 übergeht, setzt der Algorithmus zuerst den direkten Achsenstrom I_d und den Quadraturachsenstrom I_q bei Box 240 auf null und wartet dann, dass der Phasenstrom in jeder der Statorwicklungen kleiner als ein vorbestimmter Minimalstrom ε bei Box 242 ist. Der Algorithmus deaktiviert auch die Wechselrichterschaltsignale und die an den Gate-Anschlüssen der Thyristorschalter vorgesehenen Halbwicklungsschaltsignale in den Wechselstromschalteinrichtungen bei Box 244. Der Algorithmus wartet dann auf eine vorgegebene Zeitverzögerung TVerzögerung die typischerweise eine Kalibrierungsnummer von 1 ms bis 10 ms bei Box 246 ist, und setzt dann den direkten Achsenstrom I_d, den Quadraturachsenstrom I_q und die Stromschleifenverstärkungen K_ip und K_ii für den Vollwicklungsmodus bei Box 248. Der Algorithmus aktiviert dann die Wechselrichterschaltsignale und die Vollwicklungsmodus-Schaltsignale, die an den Gate-Anschlüssen der Thyristorschalter in den Wechselstromschalteinrichtungen bei Box 250 vorgesehen sind, gibt den direkten Achsenstrombefehl und den Quadraturachsenstrombefehl bei Box 238 für den Vollwicklungsmodus aus.
Wenn das Wicklungskonfigurationsbit für den Vollwicklungsmodus beim Entscheidungspfad 232 nicht gesetzt ist, bestimmt der Algorithmus, ob das Wicklungskonfigurationsbit für den Halbwicklungsmodus beim Entscheidungspfad 252 kehrt er zu Box 222 zurück, um den Motordrehzahl- und Drehmomentbefehl auszulesen.
Wenn das Wicklungskonfigurationsbit auf den Halbwicklungsmodus beim Entscheidungspfad 252 gesetzt ist, stellt der Algorithmus ein Schaltsteuerschema für den Halbwicklungsmodus bereit. Insbesondere bestimmt der Algorithmus zuerst, ob die Wicklungskonfiguration gerade vom Vollwicklungsmodus zum Halbwicklungsmodus beim Entscheidungspfad 254 übergegangen ist, was bedeutet, dass sich der Wicklungssteuermodus bei der vorherigen Abtastzeit im Vollwicklungsmodus befand. Wenn der Wicklungsmodus nicht vom Vollwicklungsmodus auf den Halbwicklungsmodus beim Entscheidungspfad 254 übergeht, dann verwendet der Algorithmus Schaltsteuerungen für den direkten Achsenstrom I_d, den Quadraturachsenstrom I_q und die Stromschleifenverstärkungen K_ip und K_ii für Halbstatorwicklungen bei Box 256, wobei die Stromschleifenverstärkungen K_ip und K_ii für die Direktachsen- und Quadraturachsenstromsteuerung von den partiellen Statorwicklungen und die Ströme I_d und I_q werden aus den Nachschlagetabellen bereitgestellt. Es versteht sich, dass die Verstärkungen K_ip und K_ii hierin in der direkten Achsen- und Quadraturachsenstromsteuerung der partiellen Statorwicklung unterschiedlich sind, aber auch unterschiedlich für die Verstärkung der d-Achsen- oder q-Achsen-Stromregelung der vollen Statorwicklung. Die Ausgabebefehle für die Ströme I_d und I_q für den Halbwicklungsmodus auf der Grundlage der Drehzahl- und Drehmomentbefehle werden dann bei Box 258 bereitgestellt, und der Algorithmus kehrt zu Box 222 zurück, um die Motordrehzahl und die Drehmomentbefehlssignale zu lesen.
Wenn die Wicklungskonfiguration vom Halbwicklungsmodus zum Vollwicklungsmodus zum Entscheidungspfad 254 übergeht, setzt der Algorithmus zuerst den direkten Achsenstrombefehl und den Quadraturachsenstrombefehl bei Box 260 auf null und wartet dann, dass der Phasenstrom in jeder der Statorwicklungen kleiner als ein vorbestimmter Minimalstrom ε bei Box 262 ist. Der Algorithmus deaktiviert auch die Wechselrichterschaltsignale und die an den Gate-Anschlüssen der Thyristorschalter vorgesehenen Vollwicklungsschaltsignale in den Wechselstromschalteinrichtungen bei Box 264. Der Algorithmus wartet dann auf die vorgegebene Zeitverzögerung TVerzögerung und setzt dann den direkten Achsenstrom I_d, den Quadraturachsenstrom I_q und die Stromschleifenverstärkungen K_ip und K_ii für den Vollwicklungsmodus bei Box 268. Der Algorithmus aktiviert dann die Wechselrichterschaltsignale und die Halbwicklungsmodus-Schaltsignale, die an den Gate-Anschlüssen der Thyristorschalter in den Wechselstromschalteinrichtungen bei Box 270 vorgesehen sind, gibt den direkten Achsenstrombefehl und den Quadraturachsenstrombefehl bei Box 258 für den Halbwicklungsmodus aus.
Wie Fachleuten hinreichend bekannt ist, können sich die hierin zur Beschreibung der Erfindung erörterten mehreren und unterschiedlichen Schritte und Verfahren auf Vorgänge beziehen, die von einem Computer, einem Prozessor oder anderen Geräten zur elektronischen Berechnung verwendet werden, die Daten unter Zuhilfenahme elektrischer Vorgänge manipulieren und/oder verändern. Diese Computer und elektronischen Geräte können unterschiedliche flüchtige und/oder nichtflüchtige Speicher beinhalten, zu denen ein nichtflüchtiges computerlesbares Medium mit einem ausführbaren darauf gespeicherten Programm einschließlich verschiedenen Codes oder ausführbaren Anweisungen gehört, die in der Lage sind, von Computern oder Prozessoren ausgeführt zu werden, wobei der Speicher und/oder das computerlesbare Medium alle Formen und Arten an Speichern und sonstigen computerlesbaren Medien beinhalten kann.
Die vorangegangene Abhandlung offenbart und beschreibt lediglich beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Der Fachmann erkennt leicht aus einer derartigen Erörterung und aus den zugehörigen Zeichnungen und Patentansprüchen, dass verschiedene Änderungen, Abwandlungen und Variationen darin ohne Abweichung von dem Erfindungsgedanken und dem Schutzumfang der Erfindung, wie in den folgenden Patentansprüchen definiert ist, durchgeführt werden können.

Claims

Antriebssystem für eine Mehrphasen-Permanentmagnet-Elektromaschine (PM), wobei die Maschine einen Stator und einen Rotor beinhaltet, wobei das Antriebssystem umfasst: eine geteilte Statorwicklung für jede Phase der Maschine, wobei jede Statorwicklung einen ersten Wicklungsabschnitt und einen zweiten Wicklungsabschnitt beinhaltet; eine Wechselrichterschaltung, die ein Paar Wechselrichterschalter für jede Phase der Maschine beinhaltet, wobei das Paar von Wechselrichterschaltern für jede Phase mit den ersten und zweiten Wicklungsabschnitten für diese Phase im Stator elektrisch gekoppelt ist; ein Schaltsystem, das eine Umschaltung beinhaltet, wobei die Umschaltschaltung eine Vielzahl von Schalteranordnungen zum Umschalten zwischen einem Vollwicklungssteuermodus und einem Halbwicklungssteuermodus, wobei jede Schalteranordnung mit dem Paar von Wechselrichterschaltern und den ersten und zweiten Wicklungsabschnitten für eine bestimmte Phase elektrisch gekoppelt ist und wobei jede Schalteranordnung eine erste Wechselstromschalteinrrichtung und eine zweite Wechselstromschalteinrichtung beinhaltet; und eine Steuerung, die auf ein Drehmomentbefehlssignal und ein Maschinendrehzahlsignal anspricht, wobei die Steuerung die Wechselrichterschalter und die Umschaltschaltung steuert.
Antriebssystem nach Anspruch 1, worin die elektrische Maschine eine dreiphasige Maschine ist und die Umschaltschaltung drei Schalteranordnungen beinhaltet und worin die erste Wechselstromschalteinrichtung elektrisch mit den Wechselrichterschaltern und mit sowohl dem ersten als auch dem zweiten Wicklungsabschnitt verbunden ist, um den Vollwicklungssteuermodus bereitzustellen, und die zweite Wechselstromschalteinrichtung ist elektrisch mit den Wechselrichterschaltern und nur mit dem ersten Wicklungsabschnitt verbunden, um den Halbwicklungssteuerungsmodus für jede Phase bereitzustellen.
Antriebssystem nach Anspruch 1, worin die elektrische Maschine eine dreiphasige Maschine ist und die Umschaltschaltung zwei Schalteranordnungen beinhaltet, eine erste Schalteranordnung eine erste Wechselstromschalteinrichtung beinhaltet, die elektrisch zwischen den ersten und zweiten Wicklungsabschnitten einer ersten Wicklung und ersten und zweiten Wicklungsabschnitten einer zweiten Wicklung gekoppelt ist, und eine zweite Wechselstromschalteinrichtung, die elektrisch mit dem ersten Wicklungsabschnitt der ersten Wicklung und dem ersten Wicklungsabschnitt der zweiten Wicklung gekoppelt ist, und eine zweite Schalteranordnung, die eine Wechselstromschalteinrichtung beinhaltet, die elektrisch zwischen den ersten und zweiten Wicklungsabschnitten der zweiten Wicklung und den ersten und zweiten Wicklungsabschnitten einer dritten Wicklung gekoppelt ist, und eine zweite Wechselstromschalteinrichtung, die elektrisch mit dem ersten Wicklungsabschnitt der zweiten Wicklung und dem ersten Wicklungsabschnitt der dritten Wicklung gekoppelt ist.
Antriebssystem nach Anspruch 1, worin jede Wechselstromschalteinrichtung erste und zweite gegenüberliegende Thyristorschalter beinhaltet.
Antriebssystem nach Anspruch 1, worin das Schaltsystem ist ein siliziumgesteuertes Gleichrichter-Schaltsystem ist und die Schalteranordnungen siliziumgesteuerte Gleichrichter-Schaltungsanordnungen sind.
Antriebssystem nach Anspruch 5, worin jede Wechselstromschaltereinrichtung gegenüberliegende antiparallele, siliziumgesteuerte Gleichrichterdiodenschalter.
Antriebssystem nach Anspruch 1, worin jede Wechselstromschalteinrichtung ein Paar antiparallele isolierte Gate-Bipolartransistoren beinhaltet.
Antriebssystem nach Anspruch 1, worin jede Wechselstromschalteinrichtung ein Paar antiparallele, rückwärts blockierenden isolierte Gate-Bipolartransistoren beinhaltet.
Antriebssystem nach Anspruch 1, worin jede Wechselstromschalteinrrichtung eine parallel geschaltete Dämpfungsschaltung über die Schalteinrichtung beinhaltet, um so eine Spannungsänderung an der Schalteinrichtung zu begrenzen und eine maximale Spannung über die Schalteinrichtung zu begrenzen.
Antriebssystem nach Anspruch 9, worin die Dämpfungsschaltung eine RC-Schaltung beinhaltet, welche die Änderung der Spannung und einen Metalloxidvaristor begrenzt, der die maximale Spannung begrenzt.