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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, sowie ein Verfahren zu deren Betrieb. Insbesondere betrifft die Erfindung eine flussumschaltbare permanenterregte Synchronmaschine, sowie ein Verfahren zu deren Betrieb.
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Elektrische Maschinen mit Stator und Rotor sind sowohl für den Einsatz als Motor als auch als Generator bekannt. Es gibt auch elektrische Maschinen, die sowohl als Motor als auch als Generator eingesetzt werden können. Bekannte flussumschaltbare permanenterregte Synchronmaschinen verfügen über ein in den Stator integriertes Spulensystem, das dazu vorgesehen ist, den magnetischen Fluss im Rotor einzustellen. Hierzu muss der in dem Spulensystem erzeugte magnetische Fluss aber den Luftspalt zwischen Stator und Rotor überwinden. Um dem hierfür erforderlichen Magnetisierungsbedarf zu entsprechen, müssen Leistungselektronik in der elektrischen Maschine und/oder die Wicklungen im genannten Spulensystem entsprechend groß dimensioniert werden. Zur korrekten Steuerung des Stromes in dem Spulensystem ist eine genaue Erfassung der Rotorlage erforderlich, um den Strom genau in der d-Achse einzuprägen; hierbei bezieht sich die d-Achse auf die d-Komponente („direct current“) des Stroms, welche zusammen mit der q-Komponente („quadrature current“) die beiden Komponenten des Statorstroms bildet, die sich durch eine bekannte Park-Transformation aus den Strömen in den Statorphasen ergeben. Die Ermittlung der Rotorlage erfordert mitunter Gebersysteme, welche einen Zusatzaufwand für die elektrische Maschine bedeuten. Bekannte flussumschaltbare permanenterregte Synchronmotoren reduzieren den permanentmagnetischen Fluss mit kurzen Stromimpulsen in der d-Achse. In Abhängigkeit von der Motorauslegung kann auf diese Weise ein erheblich reduzierter Strombelag in der Motorwicklung realisiert werden, wodurch sich erhebliche Wirkungsgradverbesserungen insbesondere im zyklusrelevanten Teillastbereich (Realzyklus, WLTP) erzielen lassen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine elektrische Maschine bereitzustellen, bei der die Beeinflussung des magnetischen Flusses des Rotors mit gegenüber dem Stand der Technik verringertem Aufwand möglich ist. Insbesondere sollen magnetische Streuverluste vermieden werden.
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Ebenso soll ein entsprechendes Verfahren zum Betrieb der elektrischen Maschine angegeben werden.
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Diese Aufgabe wird hinsichtlich der elektrischen Maschine gelöst durch eine elektrische Maschine gemäß Anspruch 1, und hinsichtlich des Verfahrens durch ein Verfahren gemäß Anspruch 7. Die Unteransprüche enthalten jeweils vorteilhafte Ausgestaltungen.
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Die erfindungsgemäße elektrische Maschine weist einen Stator und einen Rotor auf. Der Rotor umfasst dabei Dauermagnete. Erfindungsgemäß ist eine Spule vorgesehen, die einen Dauermagneten des Rotors umschließt. Durch die Spule ist ein elektrischer Strom führbar, wodurch der magnetische Fluss des Dauermagneten veränderbar ist.
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Da die Spule um einen Dauermagneten des Rotors verläuft, braucht der von der Spule erzeugte magnetische Fluss nicht den Luftspalt zwischen Stator und Rotor zu überwinden, sondern kann direkt auf den Dauermagneten einwirken. Durch die Positionierung der Spule direkt um den Dauermagneten kann durch die Spule präzise auf den Dauermagneten eingewirkt werden. Die Wirkung des Magnetfeldes der Spule auf den Dauermagneten ist ferner unabhängig von der Rotorlage, da die Spule relativ zum Rotor ruht. In Ausführungsformen ist daher auch ein Gebersystem für die Rotorlage entbehrlich.
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Die Erfindung ist grundsätzlich anwendbar auf elektrische Maschinen, die Innenläufer sind, als auch auf solche, die Außenläufer sind.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sind mehrere Dauermagnete des Rotors jeweils durch eine Spule umschlossen, durch welche jeweils ein Strom führbar ist. Die vorgenannten Vorteile gelten entsprechend für jeden der jeweils durch eine Spule umschlossenen Dauermagnete des Rotors. Insbesondere kann der Strom in jeder dieser Spulen unabhängig von den Strömen in den anderen Spulen steuerbar sein, wodurch eine individuelle Anpassung des Flusses jedes einzelnen der jeweils durch eine Spule umschlossenen Dauermagnete des Rotors an die jeweiligen Betriebserfordernisse möglich ist. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist jeder Dauermagnet des Rotors durch eine Spule umschlossen, durch welche jeweils ein Strom führbar ist.
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In einer Ausführungsform erfolgt die Stromversorgung einer Spule durch Schleifkontakte. Beispielsweise können jeder Spule zwei Schleifkontakte zugeordnet sein, welche jeweils mit einem Paar Schleifringen zusammenwirken. Je nach gewünschtem Stromverlauf durch die Spule kann an die Schleifringe eine entsprechende Spannung gelegt werden. Hier wäre für jede Spule ein Paar Schleifringe erforderlich. Die Anzahl der Schleifringe kann verringert werden, wenn die Schleifkontakte mehrerer Spulen mit demselben Paar Schleifringe zusammenwirken, was etwa möglich ist, wenn der Stromverlauf durch diese Spulen jeweils gleichartig sein soll.
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In einer anderen Ausführungsform ist einer Spule ein Kondensator als Energiespeicher zugeordnet; der Kondensator ist induktiv aufladbar. Bevorzugt ist jeder Spule jeweils ein solcher Kondensator zugeordnet. Zur induktiven Aufladung des Kondensators kann insbesondere eine Ladeeinrichtung verwendet werden, welche relativ zum Stator ruht. Diese Ladeeinrichtung enthält einen Magneten. Läuft, bei Drehung des Rotors, die Spule mit dem Kondensator an dem Magneten vorbei, so kann das Magnetfeld des Magneten der Ladeeinrichtung zur induktiven Aufladung des Kondensators genutzt werden. Ist in der Spule ein Stromfluss erforderlich, so kann der Kondensator über die Spule entladen werden, ganz oder teilweise. Die Entladung des Kondensators kann beispielsweise elektronisch gesteuert werden. Es ist auch denkbar, dass mehreren Spulen gemeinsam ein Kondensator zugeordnet ist, der induktiv aufladbar ist. Bei der Entladung des Kondensators kann bevorzugt, etwa elektronisch, gesteuert werden, wie der Kondensator über die einzelnen Spulen, denen er zugeordnet ist, entladen wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Maschine bezieht sich auf eine Maschine der oben beschriebenen Art. Erfindungsgemäß werden dabei die Spulen abhängig von der Betriebssituation der elektrischen Maschine bestromt, also mit Strom versorgt. Ist jeder Dauermagnet des Rotors mit einer Spule versehen, so kann der Fluss jedes Dauermagneten unabhängig von den anderen Dauermagneten gesteuert werden. Somit ist eine hochflexible Anpassung der elektrischen Maschine an die jeweilige Betriebssituation möglich.
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In einer Ausführungsform werden die Spulen im Grundstellbereich oder im Feldschwächbereich der elektrischen Maschine bestromt, um den Fluss der Dauermagnete vorübergehend, oder auch permanent, zu reduzieren.
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In einer anderen Ausführungsform werden die Spulen bestromt, um den Fluss der Dauermagnete vorübergehend zu reduzieren, um einen Umschaltvorgang zwischen Wicklungsabschnitten in der elektrischen Maschine, zum Beispiel zwischen Abschnitten von Statorwicklungen, in vorteilhafter Weise durchzuführen. Insbesondere kann so erreicht werden, dass der Umschaltvorgang strom- und spannungslos erfolgt, oder zumindest bei Strömen und Spannungen, die gegenüber den Werten von Strom und Spannung im normalen Betrieb reduziert sind. Diese Ausführungsform kann vorteilhaft eingesetzt werden bei der Änderung der Verschaltung von Wicklungsabschnitten einer elektrischen Maschine, die Wicklungsabschnitte aufweist, welche, etwa durch ein mechanisches Element, in unterschiedlicher Weise verschaltbar sind. Eine solche elektrische Maschine ist etwa in der parallelen Anmeldung „ELEKTRISCHE MASCHINE UND VERFAHREN ZU DEREN BETRIEB“ beschrieben. Insbesondere kann die vorübergehende Reduktion der Magnetisierung von Dauermagneten über mehrere Umdrehungen des Rotors hingezogen werden, wodurch eine zugkraftunterbrechungsfreie Umschaltung ermöglicht wird.
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In einer weiteren Ausführungsform werden die Spulen um die Dauermagnete verwendet, um eine Rotorlage, also eine Drehwinkelposition des Rotors, zu ermitteln. Zu diesem Zweck kann auch Strom durch die Spulen geschickt werden, oder es wird lediglich ein in den Spulen induzierter Stromfluss festgestellt.
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Der Stromverlauf durch die Spulen kann grundsätzlich gepulst sein, beispielsweise, ohne aber darauf beschränkt zu sein, in Folge einer Kondensatorentladung; die Pulse können beispielsweise die Form einer Sinushalbwelle oder einen gänzlich aperiodischen Verlauf haben. In diesem Fall ist der Energieeintrag in die Spulen verhältnismäßig gering, und entsprechend ist die Erwärmung des Spulensystems gering. Bei gepulstem Stromverlauf in den Spulen ist wegen der nur kurzzeitigen Belastung (typischerweise wenige Millisekunden) unter thermischen Gesichtspunkten eine vergleichsweise hohe Stromdichte möglich, wodurch geringe Anforderungen an den Mehraufwand der Leiter entstehen. Es ist etwa nicht erforderlich, die Leiter aus Kupfer herzustellen, stattdessen können die Leiter beispielsweise aus Aluminium gebildet sein.
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Allerdings ist auch eine Flusserzeugung in den Spulen durch Gleichstrom möglich; hier ist besonders auf eine Ausführung der Spulen mit geringem elektrischem Widerstand zu achten, um eine stärkere Erwärmung der Spulen zu vermeiden.
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Nachfolgend werden die Erfindung und ihre Vorteile unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
- 1 zeigt im Ausschnitt Stator und Rotor einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine.
- 2 zeigt im Ausschnitt Stator und Rotor einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine.
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Die Zeichnungen stellen lediglich Ausführungsbeispiele dar; die Zeichnungen sind nicht als Beschränkung der Erfindung auf die gezeigten Ausführungsbeispiele aufzufassen.
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1 zeigt einen Ausschnitt aus einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine 1. In Ausschnitt gezeigt sind Stator 2 mit Statorwicklungen 21, sowie Rotor 3 mit Dauermagneten 31. Die Dauermagnete 31 sind in dieser Ausführungsform im Inneren eines Rotorblechpakets 33 angeordnet. Jeder Dauermagnet 31 wird jeweils von einer Spule 32 umschlossen. Fließt in der Spule 32 Strom, so entsteht im Spuleninneren ein Magnetfeld, durch welches die magnetische Polarisation der Dauermagnete 31 beeinflusst werden kann. Jede der Spulen 32 kann einzeln angesteuert werden, d.h. durch jede der Spulen 32 im Rotor 3 kann unabhängig von anderen Spulen 32 im Rotor 3 ein Strom getrieben werden.
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Pfeile 4 veranschaulichen das lokale Magnetfeld. Außerdem sind noch magnetische Flusslinien 5 gezeigt.
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2 zeigt einen Ausschnitt aus einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine 1. In Ausschnitt gezeigt sind Stator 2 mit Statorwicklungen 21, sowie der Rotor 3 mit Dauermagneten 31; dargestellt ist ein Dauermagnet 31. Die Dauermagnete 31 sind dem Stator 2 benachbart, aber radial innerhalb eines Rotorblechpakets 33 angeordnet. Jeder Dauermagnet 31 wird jeweils von einer Spule 32 umschlossen. Fließt in der Spule 32 Strom, so entsteht im Spuleninneren ein Magnetfeld, durch welches die magnetische Polarisation der Dauermagnete 31 beeinflusst werden kann. Jede der Spulen 32 kann einzeln angesteuert werden, d.h. durch jede der Spulen 32 im Rotor 3 kann unabhängig von anderen Spulen 32 im Rotor 3 ein Strom getrieben werden.
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1 und 2 zeigen jeweils eine elektrische Maschine 1, welche ein Außenläufer ist. Dies ist ausdrücklich keine Einschränkung der Erfindung. Wie bereits gesagt, ist die Erfindung auch auf Innenläufer anwendbar.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- elektrische Maschine
- 2
- Stator
- 3
- Rotor
- 4
- Pfeile (Magnetfeld)
- 5
- magnetische Flusslinie
- 21
- Statorwicklung
- 31
- Dauermagnet
- 32
- Spule
- 33
- Rotorblechpaket
