DE102017118342A1

DE102017118342A1 - Steuerung für einen Drehstrommotor

Info

Publication number: DE102017118342A1
Application number: DE102017118342.6A
Authority: DE
Inventors: Thomas Kristof; Dirk Herke
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2017-08-11
Filing date: 2017-08-11
Publication date: 2019-02-14
Also published as: KR102172189B1; JP6773731B2; CN109391212A; CN109391212B; US10651773B2; JP2019037122A; KR20190017673A; US20190052215A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines Drehstrommotors, wobei der Drehstrommotor einen drehbar gelagerten Läufer und einen Ständer mit einer ersten Gruppe von Spulen und einer zweiten Gruppe von Spulen aufweist, wobei jede der Spulen bei Ansteuerung mit einem Wechselstrom ein oszillierendes Magnetfeld erzeugt, wobei die Phasen der Wechselströme so gewählt sind, dass die Überlagerung der Magnetfelder der ersten Gruppe von Spulen ein magnetisches Drehfeld erzeugt, das mit einer Umlaufrichtung rotiert und die Überlagerung der Magnetfelder der zweiten Gruppe von Spulen ein magnetisches Drehfeld erzeugt, das entgegen der Umlaufrichtung rotiert. Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein System aus einem Drehstrommotor und einem Wechselrichter zur Durchführung des Steuerungsverfahrens.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines Drehstrommotors, wobei der Drehstrommotor einen drehbar gelagerten Läufer und einen Ständer mit einer ersten Gruppe von Spulen und einer zweiten Gruppe von Spulen aufweist, wobei jede der Spulen bei Ansteuerung mit einem Wechselstrom ein oszillierendes Magnetfeld erzeugt.
Drehstrommotoren sind aus dem Stand der Technik in vielfältigen Ausführungsformen bekannt. Allen ist gemeinsam, dass in ihnen Spulen im Ständer angeordnet sind, die mit phasenversetzten Wechselströmen betrieben werden, so dass sich um jede Spule ein oszillierendes Magnetfeld bildet. Die geometrische Anordnung der Spulen und die zugehörigen Phasen sind dabei so gewählt, dass sich die Magnetfelder aller Spulen zu einem rotierenden Magnetfeld überlagern, das auf den Läufer ein Drehmoment ausübt.
Eine gängige Ausführung ist dabei der Drehstrommotor mit drei Phasen, bei dem die Spulen am Ständer so angeordnet sind, dass die von den Spulen erzeugten Magnetfelder in einem Winkel von 120° zueinander angeordnet sind und die zugehörigen Phasen um 120° zueinander verschoben sind. Die oszillierenden Einzelfelder überlagern sich dabei zum einen Drehfeld, bei dem die Feldamplitude konstant bleibt und mit der Frequenz des angelegten Drehstroms rotiert. Berechnungsmethoden mit denen sich aus einer allgemeinen geometrischen Anordnung von Spulen und den zugehörigen Phasen das resultierende Drehfeld ermitteln lässt, sind dem Fachmann aus der Literatur (z.B. Rolf Fischer „Elektrische Maschinen“, Abschnitt 4.2) bekannt.
In vielen Fällen stellt die primäre Spannungsquelle eine Gleichspannung bereit, die erst mittels eines Wechselrichters in die erforderlichen Wechselspannungen umgewandelt werden muss. Eine solche Situation liegt insbesondere bei Elektromotoren vor, die von einer Batterie gespeist werden, wie es zum Beispiel bei Elektrofahrzeugen der Fall ist. Eine gängige Form dieser Umwandlung besteht darin, dass die gewünschte Wechselspannung durch Pulsweitenmodulation generiert wird, wobei sich durch eine entsprechende Steuerung des Modulators die Form des Spannungsverlaufs und seine Phase und Frequenz in einem weiten Bereich kontrolliert einstellen lässt.
Eine weitere Bauform ist ein Drehstrommotor mit sechs Phasen. Dazu sind aus den Druckschriften US 2007120520 , WO 2014132385 und WO 2014207858 Ausführungen mit zwei Sätzen von dreiphasigen Wicklungen und Invertern zur Erzeugung von rotierenden Feldern bekannt. Die Druckschrift US 20090033251 offenbart einen Elektromotor, bei dem sechs Phasen mittels eines Wechselrichters erzeugt werden, um das im Motor erzeugte Drehmoment zu steuern. Die Druckschrift US 20160365821 behandelt einen Elektromotor mit zwei Sätzen von dreiphasigen Wicklungen, der in sechs Phasen betrieben werden kann.
Diese Ausführungsformen sind darauf ausgelegt, die Umsetzung von elektrischer in kinetische Energie möglichst effizient durchzuführen.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Steuerungsverfahren zur Verfügung zu stellen, durch den die elektrische Leistung in gezielter Weise ganz oder teilweise in Wärme umgesetzt wird.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Steuern eines Drehstrommotors gelöst, wobei der Drehstrommotor einen drehbar gelagerten Läufer und einen Ständer mit einer ersten Gruppe von Spulen und einer zweiten Gruppe von Spulen aufweist, wobei jede der Spulen bei Ansteuerung mit einem Wechselstrom ein oszillierendes Magnetfeld erzeugt, wobei die Phasen der Wechselströme so gewählt sind, dass die Überlagerung der Magnetfelder der ersten Gruppe von Spulen ein magnetisches Drehfeld erzeugt, das mit einer Umlaufrichtung rotiert und die Überlagerung der Magnetfelder der zweiten Gruppe von Spulen ein magnetisches Drehfeld erzeugt, das entgegen der Umlaufrichtung rotiert.
Durch dieses Verfahren ist es möglich, die Ansteuerung der Motorspulen so zu gestalten, dass sich der Anteil der elektrischen Energie, der in Wärme umgewandelt wird und der Anteil, der die Drehbewegung des Motors treibt, in kontrollierter Weise eingestellt werden kann. Dadurch ist es vorteilhaft möglich, Wärme zu erzeugen, ohne dass ein separater Heizmechanismus notwendig ist. In einem Fahrzeug kann die erzeugte Wärme dann zum Beispiel dem Heiz-/Kühlsystem zugeführt werden.
Um die räumliche Anordnung der Spulen und das zeitliche Verhalten der zu den Spulen gehörigen Wechselströme eindeutig zu beschreiben, wird im Folgenden angenommen, dass für die Anordnung der Spulen ein Durchlaufsinn festgelegt ist, so dass die Orientierungen der durch die Spulen erzeugten Magnetfelder in diesem Durchlaufsinn eine definierte Abfolge von Winkeln bilden und die Phasen der zu den Spulen gehörenden Wechselströme analog eine definierte Abfolge von Phasenwinkeln bilden. Wenn die Phasenwinkel im Durchlaufsinn positiv gegeneinander verschoben sind, also jede Phase ihrem Vorgänger zeitlich vorauseilt, entsteht ein Drehfeld, das entgegengesetzt zum Durchlaufsinn rotiert. Sind die Phasenwinkel im Durchlaufsinn negativ gegeneinander verschoben, entsteht dagegen ein Drehfeld, das im Durchlaufsinn rotiert. Die Festlegung dieses Durchlaufsinns ist dabei beliebig und dient lediglich dazu einen Bezugsrahmen für eine eindeutige Beschreibung zu schaffen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Verfahren zum Betrieb eines aus dem Stand der Technik bekannten Sechs-Phasen-Motors verwendet, bei dem die sechs Wechselströme jeweils um 60° zueinander verschoben sind und jeweils sechs, in Winkelschritten von 60° zueinander angeordnete Spulen betreiben. Um die erfindungsgemäße Ansteuerung zu realisieren, werden die sechs Spulen in zwei Gruppen zu unterteilt, so dass die Spulen innerhalb jeder Gruppe jeweils um 120° zueinander gedreht angeordnet sind. Für die erfindungsgemäße Steuerung genügt es nun, die Ansteuerung der ersten Gruppe unverändert zu lassen und die Phasenabfolge der zweiten Gruppe umzukehren. Dadurch erzeugt die zweite Gruppe ein Drehfeld, das in eine gegenüber dem Drehfeld der ersten Gruppe entgegengesetzte Richtung rotiert. Sind die Amplituden aller Wechselströme gleich, üben die beiden Drehfelder entgegengesetzte Drehmomente auf den Läufer aus, die sich gegenseitig aufheben. Die elektrische Leistung wird daher nicht in Bewegung umgesetzt sondern stattdessen in Wärme umgewandelt.
Weitere Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich durch Verallgemeinerung des beschriebenen Sechs-Phasen-Systems. Dabei sind 2n Spulen in gleichmäßigen Winkelschritten von 180°/n zueinander angeordnet und werden so in zwei Gruppen aus jeweils n Spulen aufgeteilt, dass die Spulen jeder Gruppe in Winkelschritten von 360°/n zueinander angeordnet sind. Die Spulen der ersten Gruppe werden mit Wechselströmen betrieben, die zueinander positiv phasenverschoben sind, während die Spulen der zweiten Gruppe mit zueinander negativ phasenverschobenen Wechselströmen betrieben werden. Der weiter oben beschriebene Betrieb eines Sechs-Phasen-Motors entspricht dabei dem Spezialfall n=3.
Des Weiteren sind auch Ausführungsformen der Erfindung möglich, in denen mehrere Spulen zum selben Leitungsstrang gehören und dementsprechend mit demselben Wechselstrom angesteuert werden. Dadurch ergibt sich eine geometrische Anordnung von n Spulen und m≤n zugehörigen Phasenwinkeln. Die n Spulen sind wiederum in zwei Gruppen aufgeteilt, die nicht notwendigerweise die gleiche Anzahl von Spulen umfassen. Die Möglichkeiten, die Wechselströme den Spulen so zuzuordnen, dass die resultierenden Magnetfelder der beiden Gruppen gegenläufig rotieren, lassen sich nur schwer in systematischer Weise beschreiben aber können vom Fachmann mittels der eingangs erwähnten Berechnungsverfahren problemlos ermittelt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden die beiden Gruppen mit Wechselströmen angesteuert, die innerhalb der ersten Gruppe zueinander positiv phasenverschoben sind und innerhalb der zweiten Gruppe zueinander negativ phasenverschoben sind. Dabei sind die Amplituden der Wechselströme jeweils innerhalb einer Gruppe gleich, unterscheiden sich jedoch zwischen den beiden Gruppen. Dadurch werden zwei entgegengesetzt rotierende Drehfelder erzeugt, wobei die Stärke des ersten und zweiten Feldes jeweils zeitlich konstant ist und sich zyklisch in der Richtung ändert, das erste Drehfeld dabei jedoch eine größere oder kleinere Feldstärkt aufweist als das zweite Drehfeld. In der Überlagerung heben sich die Drehmomente der beiden Drehfelder nicht gegenseitig auf, sondern erzeugen in der Differenz ein Restdrehmoment, während ein Teil der elektrischen Leistung in Wärme umgewandelt wird. Bei solch einer Überlagerung der beiden Drehfelder ergibt sich im Allgemeinen ein sogenanntes elliptisches Drehfeld, das mit konstanter Rate rotiert und dadurch das Restdrehmoment erzeugt, dessen Feldamplitude aber zeitlich variiert, so dass sich ein pulsierender Verlauf des Restdrehmoments ergibt.
Weitere Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich durch Verallgemeinerungen, bei denen eine allgemeine Anzahl n von Spulen mit m≤n Wechselströmen betrieben wird, die jeweils m Amplituden aufweisen. Auch hier lassen sich die Möglichkeiten, die Ströme und Spulen so einander zuzuordnen, dass die beiden Gruppen gegenläufig rotierende Magnetfelder erzeugen, nicht in bündiger Weise darstellen, können aber vom Fachmann mittels der eingangs erwähnten Berechnungsverfahren ermittelt werden.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein System aus einem Drehstrommotor und einem Wechselrichter zur Durchführung des Steuerungsverfahrens nach Anspruch 1. Mit dem erfindungsgemäßen System lassen sich alle Ausführungsformen des Steuerungsverfahrens durchführen, wodurch das System auch die an entsprechender Stelle genannten Vorteile der jeweiligen Ausführungsform aufweist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems aus Drehstrommotor und Wechselrichter ist der Wechselrichter so konfiguriert, dass er von einer Gleichspannung gespeist wird und daraus durch Pulsweitenmodulation eine Mehrzahl von zueinander phasenverschobenen Wechselspannungen erzeugt. Diese Wechselspannungen liegen dann erfindungsgemäß derart an den Spulen an, dass die dadurch erzeugten Magnetfelder der ersten Gruppe von Spulen sich zu einem Drehfeld überlagern, das zum Drehfeld der zweiten Gruppe gegenläufig rotiert.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Wechselrichter so konfiguriert, dass sich die Amplituden und Phasen der erzeugten Wechselspannungen in variabler Weise einstellen lassen. Dadurch lässt sich ein allgemeines Steuerungsverfahren realisieren, bei dem die Spulen durch gezielt aufeinander abgestimmte Spannungsverläufe so angesteuert werden, dass sich die induzierten Magnetfelder zu einem gewünschten Gesamtfeld überlagern.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems aus Drehstrommotor und Wechselrichter, weist der Drehstrommotor eine Vorrichtung auf, mit der sich die Drehbewegung des Läufers arretieren lässt. Mögliche Formen dieser Vorrichtung sind zum Beispiel eine Bremse oder Feststellbremse. Dadurch ist es vorteilhaft möglich, die Drehbewegung auf mechanische Weise zu unterbinden, so dass auch in dem Fall, in dem das Steuerungsverfahren die Drehmomente nicht exakt ausbalanciert, die elektrische Leistung ausschließlich in Wärme umgewandelt wird, ohne dass zusätzlich Bewegung erzeugt wird.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Zeichnungen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen anhand der Zeichnungen. Die Zeichnungen illustrieren dabei lediglich beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung, welche den Erfindungsgedanken nicht einschränken.

1 illustriert schematisch eine Steuerung eines Drehstrommotors mit sechs Phasen gemäß einer Ausführungsform nach dem Stand der Technik.
2 illustriert schematisch eine Steuerung eines Drehstrommotors mit sechs Phasen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

In 1 ist eine Steuerung 1 eines Drehstrommotors nach dem Stand der Technik dargestellt. Die Skizze bildet dabei lediglich die Art und Weise ab, wie die sechs Spulen 5 mit den einzelnen Phasen des sechsphasigen Drehstroms angesteuert werden, ohne dass daraus die geometrische Anordnung der Spulen 5 ersichtlich ist. In der Abbildung sind die jeweils drei Spulen 5 der ersten Gruppe 6 und zweiten Gruppe 7 mittels einer Dreieckschaltung in Reihe geschaltet. Die sechs Spulen 5 bilden dabei zusammen eine (nicht dargestellte) räumliche Anordnung, bei der die Spulen 5 der ersten Gruppe 6 und der zweiten Gruppe 7 wechselweise aufeinander folgen und bei Betrieb mit Wechselstrom sechs um jeweils 60° versetzte oszillierende Magnetfelder erzeugen. Bei jeweils zwei um 60° versetzten Magnetfeldern ist dabei der zeitliche Verlauf der Magnetfeldoszillationen um 60° phasenverschoben. Die Magnetfelder der ersten Gruppe 6 überlagern sich dadurch zu einem Gesamtmagnetfeld, dessen Richtung im dargestellten ersten Umlaufsinn 8 rotiert, wobei die Feldstärke zeitlich konstant bleibt. Die Magnetfelder der zweiten Gruppe 7 überlagern sich zu einem Gesamtmagnetfeld, das ebenfalls im ersten Umlaufsinn 8 rotiert. Dadurch überlagern sich die Drehfelder der beiden Gruppen 6, 7 derart, dass sich wiederum ein im ersten Umlaufsinn 8 rotierendes Gesamtdrehfeld ausbildet. Das Gesamtdrehfeld induziert in den Windungen des (nicht dargestellten) Läufers einen Strom, dessen Magnetfeld dem äußeren Gesamtdrehfeld entgegenwirkt. Dadurch entsteht ein Drehmoment zwischen Läufer und Spulen 5, das den Läufer in Drehung versetzt. Da in dieser Anordnung die Magnetfelder aller Spulen 5 das Gesamtdrehfeld verstärken, ergibt sich ein maximales Drehmoment und damit verbunden eine maximale Umsetzung der elektrischen Leistung in Bewegung.
In 2 ist eine Steuerung 1 eines Drehstrommotors gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. Wie bei 1 bildet auch hier die Skizze die Zuordnung der Phasen zu den Spulen 5 ab, ohne dass die räumliche Anordnung der Spulen 5 aus der Zeichnung zu ersehen ist. Die sechs Spulen 5 erzeugen eine um jeweils 60° zueinander versetzte Abfolge von Magnetfeldern. Die erste Gruppe 6 umfasst davon drei Spulen 5 mit zugehörigen Magnetfeldern, die um 120° zueinander versetzt angeordnet sind und deren zeitliche Verläufe zueinander positiv um 120° phasenverschoben sind. Die zweite Gruppe 7 umfasst die restlichen drei Spulen 5, deren Magnetfelder ebenfalls um 120° zueinander versetzt angeordnet sind und deren zeitliche Verläufe zueinander negativ um 120° phasenverschoben sind. Dadurch überlagern sich die Magnetfelder der ersten Gruppe 6 derart, dass ein Drehfeld entsteht, das im abgebildeten ersten Umlaufsinn 8 rotiert. Die Magnetfelder der zweiten Gruppe 7 überlagern sich dagegen so, dass das resultierende Drehfeld im abgebildeten zweiten Umlaufsinn 9 rotiert. Das im ersten Umlaufsinn 8 rotierende Drehfeld und das im zweiten Umlaufsinn 9 rotierende Drehfeld überlagern sich zu einem Gesamtdrehfeld, das nicht rotiert, sondern in einer definierten Richtung ausgerichtet ist, wobei die Feldstärke zeitlich oszilliert. Durch diese Oszillationen werden in den Windungen des Läufers Ströme induziert, die den Läufer jedoch nicht wie beim Drehfeld in Rotation versetzen sondern lediglich die elektrische Leistung in ohmsche Wärme umwandeln. Anders gesprochen üben die gegenläufig rotierenden Drehfelder zwei einander entgegengesetzte Drehmomente auf den Läufer aus, die sich gegenseitig aufheben, so dass die verbrauchte Leistung in Wärme umgewandelt wird, ohne dass der Läufer in Drehung versetzt wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2007120520 [0005]
WO 2014132385 [0005]
WO 2014207858 [0005]
US 20090033251 [0005]
US 20160365821 [0005]

Claims

Verfahren (1) zum Steuern eines Drehstrommotors, wobei der Drehstrommotor einen drehbar gelagerten Läufer und einen Ständer mit einer ersten Gruppe von Spulen (6) und einer zweiten Gruppe von Spulen (7) aufweist, wobei jede der Spulen (5) bei Ansteuerung mit einem Wechselstrom ein oszillierendes Magnetfeld erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasen der Wechselströme so gewählt sind, dass die Überlagerung der Magnetfelder der ersten Gruppe von Spulen (6) ein magnetisches Drehfeld erzeugt, das mit einer Umlaufrichtung (8) rotiert und die Überlagerung der Magnetfelder der zweiten Gruppe von Spulen (7) ein magnetisches Drehfeld erzeugt, das entgegen der Umlaufrichtung (8) rotiert.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Wechselströme zur Ansteuerung der ersten Gruppe von Spulen (6) eine konstante erste Amplitude aufweisen, die Wechselströme zur Ansteuerung der zweiten Gruppe von Spulen (7) eine konstante zweite Amplitude aufweisen und das Verhältnis von erster und zweiter Amplitude auf mindestens zwei verschiedene Werte eingestellt werden kann.
System aus Drehstrommotor und Wechselrichter zur Durchführung des Steuerungsverfahrens (1) nach Anspruch 1, wobei der Drehstrommotor einen drehbar gelagerten Läufer und einen Ständer mit einer ersten Gruppe von Spulen (6) und einer zweiten Gruppe von Spulen (7) aufweist, wobei jede der Spulen (5) bei Ansteuerung mit einem vom Wechselrichter erzeugten Wechselstrom ein oszillierendes Magnetfeld erzeugt, wobei die Phasen der Wechselströme so gewählt sind, dass die Überlagerung der Magnetfelder der ersten Gruppe von Spulen (6) ein magnetisches Drehfeld erzeugt, das mit einer Umlaufrichtung (8) rotiert und die Überlagerung der Magnetfelder der zweiten Gruppe von Spulen (7) ein magnetisches Drehfeld erzeugt, das entgegen der Umlaufrichtung (8) rotiert, so konfiguriert, dass sich eine gezielte Ansteuerung der Spulen (5) gemäß eines Verfahrens nach Anspruch 1 durchführen lässt.
System nach Anspruch 3, wobei der Wechselrichter die Wechselströme durch Pulsbreitenmodulation aus einer angelegten Gleichspannung erzeugt.
System nach Anspruch 3 oder 4, wobei der Drehstrommotor eine Vorrichtung aufweist, mit der sich die Drehbewegung des Läufers arretieren lässt.