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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verdichter für einen Kraftfahrzeugverbrennungsmotor aufweisend eine geschaltete Reluktanzmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur Steuerung eines Schaltkreises einer Motorphase eines geschalteten Reluktanzmotors eines Verdichters eines Kraftfahrzeuges mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 12.
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Geschaltete Reluktanzmotoren werden häufig als Antriebsmaschinen in elektrischen Antriebssystemen eingesetzt, da sie kostengünstig einzusetzen und robust im Betrieb sind. Dabei wird üblicherweise eine Umrichtertopologie mit asymmetrischen Halbbrücken eingesetzt, welche mit den Phasen des Motors ohne Sternpunkt verschaltet wird. Es ist auch bekannt, geschaltete Reluktanzmotoren in Turboladern in Kraftfahrzeugen einzusetzen.
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Die klassische Wechselrichtertopologie für dreisträngige geschaltete Reluktanzmotoren besteht aus sechs Leistungsschaltern. Sie setzt sich aus drei voneinander unabhängigen asymmetrischen H-Brücken zusammen. Der obere Leistungsschalter jeder H-Brücke in Verbindung mit der unteren Diode sorgt für die Regelung des Stromes im angeschlossenen Wicklungsstrang. Der untere Leistungsschalter in Verbindung mit der oberen Diode ermöglicht beim Übergang von einem Motorstrang auf einen anderen eine schnelle Abkommutierung gegen die volle Versorgungsgleichspannung.
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Bei der Auslegung von geschalteten Reluktanzmaschinen ist ein Kompromiss zu treffen, zwischen hohem Drehmoment im unteren Drehzahlbereich und maximaler Drehzahl. Bei Turboladern in Kraftfahrzeugen ist es gewünscht, die Zeitdauer vom Start zum Erreichen der Nenndrehzahl möglichst gering zu halten, um einen möglichst effektiven Betrieb des Antriebs mit Start-Stop-Automatik moderner Kraftfahrzeuge zu gewährleisten. Um die Trägheiten der Systeme zu überwinden und eine solche kurze Zeitdauer zu gewährleisten, ist ein hohes Anlaufmoment notwendig. Im stationären Betrieb hingegen sind die zu erbringenden Drehmomente gering, da nur noch die Reibung und der zu erbringende Luftdruck den Motor des Turboladers belasten, wobei hier sehr hohe Drehzahlen notwendig sind.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 43 30 386 A1 ist ein geschalteter Reluktanzmotor bekannt, der eine in der Mitte der Phasenwicklung anliegende Anzapfung aufweist, welche einerseits über einen Freilauf-Halbschalter mit einem ersten Pol und andererseits über einen zusätzlichen Schalttransistor mit dem anderen Pol der Gleichspannungsquelle verbunden ist. Bei Erreichen eines vorbestimmten Drehmomentes wird die halbe Anzahl an Polwicklungen mittels des Schalters abgetrennt, so dass ein höheres Drehmoment erzielt werden kann.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Verdichter für einen Kraftfahrzeugverbrennungsmotor aufweisend eine geschaltete Reluktanzmaschine anzugeben, die in einfacher Weise ein breites Drehzahlband und ein hohes Anlaufmoment bereitstellt.
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Diese Aufgabe wird von einem Verdichter für einen Kraftfahrzeugverbrennungsmotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und von einem Verfahren zur Steuerung eines Schaltkreises einer Motorphase eines geschalteten Reluktanzmotors eines Verdichters mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst.
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Demnach ist ein Verdichter für einen Kraftfahrzeugverbrennungsmotor mit einem geschalteten Reluktanzmotor für ein Kraftfahrzeug vorgesehen, der
- - einen ferromagnetischen Rotor,
- - einen Stator mit Statorpolen, wobei ein jeder Statorpol eine Wicklung mit wenigstens einem Wicklungsstrang aufweist, wobei wenigstens zwei Wicklungsstränge eines Statorpols oder wenigstens zwei auf diametral entgegensetzten Statorpolen angeordnete Wicklungsstränge zu einer Motorphase zugeordnet sind, wobei die wenigstens zwei Wicklungsstränge zwischen einer ersten mit einer Gleichspannungsquelle verbundenen Versorgungsleitung und einer zweiten mit einem Masseanschluss verbundenen Versorgungsleitung angeordnet sind und jedem Wicklungsstrang ein oberer elektronischer Schalter (high-side) und ein unterer elektronischer Schalter (low-side) mit jeweils einer parallel angeordneten Freilaufdiode zugeordnet sind,
- - und eine Steuereinrichtung, die in Abhängigkeit von der Stellung des Rotors die elektronischen Schalter der Schaltkreise steuert, aufweist, wobei die wenigstens zwei Wicklungsstränge einer Motorphase in einem gemeinsamen Schaltkreis über einen Querzweig zusammengeschaltet sind, derart, dass die wenigstens zwei Wicklungsstränge einer Motorphase zwischen einer Parallelschaltung und Reihenschaltung mittels der Steuerung der elektronischen Schalter umschaltbar sind.
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Dadurch, dass die Wicklungsstränge sowohl in Parallelschaltung als auch in Reihenschaltung nur durch Umschaltung der elektronischen Schalter betrieben werden können, kann der Verdichter einen effektiven Betrieb mit Start-Stop-Automatik gewährleisten. Die Windungsanzahl kann bei gleicher Windungsanzahl pro Wicklungsstrang um den Faktor zwei variiert werden. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass die Windungszahl pro Wicklungsstrang unterschiedlich ist.
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Vorzugsweise weist die Steuereinrichtung eine Steuereinheit, insbesondere einen Mikroprozessor oder einen FPGA auf, der nach Erreichen einer vorbestimmten Drehzahl des Reluktanzmotors ein Umschalten von Reihenschaltung zu Parallelschaltung bewirkt. Bei hohen Drehzahlen werden die Wicklungsstränge somit bevorzugt in Parallelschaltung betrieben. Es ist auch denkbar das Umschalten vom Drehmoment des Reluktanzmotors oder von einem vorgegebenen Drehzahlgradienten abhängig zu machen.
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In einer Ausführungsform sind zwei Wicklungsstränge einer Motorphase symmetrisch verschaltet. Dabei ist es vorteilhaft, wenn jeder Wicklungsstrang einer Motorphase in einer asymmetrischen Halbbrücke angeordnet ist. Die asymmetrische Halbbrücke weist die beiden elektronischen Schalter und die beiden Freilaufdioden auf. Der Querzweig verbindet die beiden asyymetrischen Halbbrücken und in dem Querzweig ist eine Diode angeordnet, die in Sperrichtung gepolt ist. Für die Verschaltung von zwei Wicklungssträngen ist somit nur eine einzige zusätzliche Diode notwendig. Der Schaltkreis ist beliebig skalierbar. Bei zwei Wicklungssträngen pro Phase sind insgesamt nur vier elektronische Schalter vorgesehen, zwei pro Wicklungsstrang. Die Anzahl der elektronischen Schalter erhöht sich auf n*2 für n Wicklungsstränge pro Phase.
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Vorzugsweise erstreckt sich der Querzweig von einem ersten Verbindungpunkt eines ersten Wicklungsstranges mit einem unteren elektronischen Schalter und einer oberen Freilaufdiode zu einem zweiten Verbindungspunkt eines zweiten Wicklungsstranges mit einem oberen elektronischen Schalter, wobei eine untere Freilaufdiode parallel zu dem unteren elektronischen Schalter zwischen der Diode und dem zweiten Verbindungspunkt und der zweiten Versorgungsleitung angeordnet ist.
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In einer weiteren Ausführungsform sind die beiden Wicklungsstränge einer Motorphase asymmetrisch verschaltet. Dabei ist es vorteilhaft, wenn zwei Wicklungsstränge einer Motorphase ein Wicklungsstrangpaar bilden, wobei einer der Wicklungsstränge eines Wicklungspaares in einer asymmetrischen Halbbrücke aufweisend die beiden elektronischen Schalter und die beiden Freilaufdioden angeordnet ist und der zweite Wicklungsstrang in einer symmetrischen Halbbrücke angeordnet ist, wie sie in Drehfeldmaschinen eingesetzt wird. In anderen Worten parallel zu der asymmetrischen Halbbrücke ist ein dritter, oberer und ein vierter, unterer elektronischer Schalter in Reihe zwischen den beiden Versorgungsleitungen angeordnet, wobei dem dritten und vierten elektronischen Schalter eine Freilaufdiode zugeordnet ist und wobei der dritte und vierte elektronische Schalter mit den Freilaufdioden über einen Mittelabgriff jeweils zwischen den elektronischen Schaltern und den Freilaufdioden verbunden sind, und wobei die dadurch gebildeten beiden Knoten wiederrum mit einem dritten Knoten, der zwischen dem unteren elektronischen Schalter des ersten Wicklungsstrangs und dem ersten Wicklungsstrang ausgebildet ist, über den Querzweig verbunden sind, wobei in dem Querzweig der zweite Wicklungsstrang angeordnet ist. Durch Steuerung der elektronischen Schalter kann zwischen Parallel- und Reihenschaltung der Wicklungsstränge geschaltet werden. Durch die beschriebene Verknüpfung der beiden Wicklungsstränge sind keine zusätzlichen elektronischen Bauteile notwendig. Der Schaltkreis ist beliebig skalierbar. Bei zwei Wicklungssträngen pro Phase sind insgesamt nur vier elektronische Schalter vorgesehen, zwei pro Wicklungsstrang. Die Anzahl der elektronischen Schalter erhöht sich auf n+x mit n>=x>=2 für n Wicklungsstränge pro Phase.
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Die elektronischen Schalter können ganz allgemein beispielsweise MOSFET-Schalter oder bipolare Transistoren, insbesondere IGBT-Schalter sein.
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Bevorzugt weist der Verdichter ein Verdichterlaufrad auf, das verdrehfest an einer Rotorwelle des geschalteten Reluktanzmotors angebracht ist.
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Bei dem Verdichter kann es sich um einen elektromotorisch getriebenen Verdichter eines Zusatzaufladeaggregates handeln. Das Zusatzaufladeaggregat ist zusätzlich zu einem Turbolader im Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors vorgesehen.
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Es kann aber auch sein, dass der Verdichter Teil eines elektrisch unterstützten Abgasturboladers ist.
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Weiterhin ist ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Verdichter vorgesehen. Beispielsweise kann eine Motorbaugruppe mit einer turboaufgeladenen Brennkraftmaschine als Antrieb eines Kraftfahrzeugs, wie z. B. eines PKWs, einen solchen Verdichter als Teil eines elektrisch unterstützten Turboladerd aufweisen. Bei der Brennkraftmaschine kann es sich um einen Otto- oder Dieselmotor handeln. Es ist auch denkbar, dass der Verbrennungsmotor ein selbstzündender Benzinmotor ist. Der elektrisch unterstützte Turbolader kann auch zur Luftversorgung einer Brennstoffzelle verwendet werden. Der elektrisch unterstützte Turbolader weist den Verdichter auf, der durch einen Einlass einströmende Luft verdichtet und die verdichtete Luft durch einen Auslass wieder abgibt, die dann als Verbrennungsluft der Brennkraftmaschine des Kraftfahrzeugs, zugeführt wird. Der Verdichter bzw. das Verdichterlaufrad des Verdichters wird in diesem Fall von dem Reluktanzmotor angetrieben. Durch den Einsatz des Elektromotors des elektrisch unterstützten Abgasturboladers ist es möglich, auch dann besonders hohe Drehzahlen des Verdichterrads zu realisieren, wenn kein Abgas zum Antreiben der Turbine des Turboladers zur Verfügung steht.
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Der Verdichter kann auch rein elektrisch betrieben sein und als Zusatzaufladeaggregat dienen und ergänzend zu einem Turbolader als Vor- oder Nachschaltkomponente im Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors angeordnet sein.
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Zudem ist ein Verfahren zur Steuerung eines Schaltkreises einer Motorphase eines geschalteten Reluktanzmotors eines Verdichters vorgesehen, wobei der geschaltete Reluktanzmotor aufweist
- - einen ferromagnetischen Rotor,
- - einen Stator mit Statorpolen, wobei die Statorpole jeweils eine Wicklung mit wenigstens einem Wicklungsstrang aufweist, wobei wenigstens zwei Wicklungsstränge eines Statorpols oder wenigstens zwei auf diametral entgegensetzten Statorpolen angeordnete Wicklungsstränge zu einer Motorphase zugeordnet sind, wobei die wenigstens zwei Wicklungsstränge zwischen einer ersten mit einer Gleichspannungsquelle verbundenen Versorgungsleitung und einer zweiten mit einem Masseanschluss verbundenen Versorgungsleitung angeordnet sind und jedem Wicklungsstrang ein oberer elektronischer Schalter (high-side) und ein unterer elektronischer Schalter (low-side) mit jeweils einer parallel angeordneten Freilaufdiode zugeordnet sind,
- - und eine Steuereinrichtung, die in Abhängigkeit von der Stellung des Rotors die elektronischen Schalter der Schaltkreise steuert, wobei die wenigstens zwei Wicklungsstränge einer Motorphase in einem gemeinsamen Schaltkreis über einen Querzweig zusammengeschaltet sind, wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte umfasst:
- - Wahlweise Betreiben des Schaltkreises in Reihenschaltung der wenigstens zwei Wicklungsstränge einer Motorphase oder Betreiben des Schaltkreises in Parallelschaltung der wenigstens zwei Wicklungsstränge einer Motorphase durch gezieltes Ein- und Ausschalten der elektronischen Schalter.
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Die Windungsanzahl kann so durch Ein- und Ausschalten der elektronischen Schalter der H-Brücken variiert werden. Die Anzahl der Windungen pro Wicklung kann gleich oder unterschiedlich sein, je Anwendungsfall. Sind die Windungsstränge in Reihe geschaltet, wird ein höherer induzierter Fluss und somit ein höheres Drehmoment ermöglicht. Bei einer Parallelschaltung hingegen ist die Induktivität verringert und somit auch die induzierte Gegenspannung.
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In einem Ausführungsbeispiel ist in dem Querzweig eine Diode angeordnet, die in Sperrichtung gepolt ist. Das Verfahren umfasst in diesem Fall folgende Verfahrensschritte:
- - Wahlweise Betreiben des Schaltkreises in Reihenschaltung, indem der untere elektronische Schalter eines ersten Wicklungsstranges und der obere elektronische Schalter eines zweiten Wicklungsstranges einer gemeinsamen Motorphase ausgeschaltet werden und die anderen zwei elektronische Schalter eingeschaltet werden, und der Strom über den ersten Wicklungsstrang, den Querzweig und über den zweiten Wicklungsstrang fließt, so dass der Wicklungsstrom beider in Reihe geschalteten Wicklungsstränge ansteigt; oder
- - Betreiben des Schaltkreises in Parallelschaltung, indem alle elektronischen Schalter der wenigstens zwei Wicklungsstränge einer Motorphase eingeschaltet werden und der Strom parallel durch die beiden Wicklungsstränge fließt.
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In einer anderen Ausführungsform bilden zwei Wicklungsstränge einer Motorphase ein Wicklungsstrangpaar, wobei einer der Wicklungsstränge eines Wicklungspaares in einer asymmetrischen Halbbrücke aufweisend die beiden elektronischen Schalter und die beiden Freilaufdioden angeordnet ist und ein zweiter Wicklungsstrang in einer symmetrischen Halbbrücke angeordnet ist. Parallel zu der asymmetrischen Halbbrücke sind dabei ein dritter und ein vierter elektronischer Schalter in Reihe zwischen den Versorgungsleitungen angeordnet, wobei dem dritten und vierten elektronischen Schalter eine Freilaufdiode zugeordnet ist und wobei der dritte und vierte elektronische Schalter mit den Freilaufdioden über einen Mittelabgriff jeweils zwischen den elektronischen Schaltern und den Freilaufdioden verbunden sind, und wobei die dadurch gebildeten beiden Knoten wiederrum mit einem dritten Knoten, der zwischen dem unteren elektronischen Schalter des ersten Wicklungsstrangs und dem ersten Wicklungsstrang ausgebildet ist, über den Querzweig verbunden sind, wobei in dem Querzweig der zweite Wicklungsstrang angeordnet ist. In diesem Fall umfasst das Verfahren folgende Verfahrensschritte:
- - Wahlweise Betreiben des Schaltkreises in Reihenschaltung, indem ein oberer elektronischer Schalter des ersten Wicklungsstranges und ein unterer, vierter elektronische Schalter eingeschaltet und die anderen zwei elektronischen Schalter ausgeschaltet sind und der Strom über den oberen elektronischen Schalter in den ersten Wicklungsstrang und dann über den Querzweig und den zweiten Wicklungsstrang und den vierten elektronischen Schalter fließt, so dass der Wicklungsstrom beider in Reihe geschalteten Wicklungsstränge ansteigt; oder
- - Betreiben des Schaltkreises in Parallelschaltung, indem die beiden oberen elektronischen Schalter und der dem ersten Wicklungsstrang zugeordnete untere elektronische Schalter eingeschaltet sind und der untere, vierte elektronische Schalter ausgeschaltet ist, so dass der Strom parallel durch die beiden oberen elektronischen Schalter, die beiden Wicklungsstränge und dann durch den unteren elektronischen Schalter des ersten Wicklungsstranges fließt.
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Vorzugsweise weist die Steuereinrichtung eine Steuereinheit, insbesondere einen Mikroprozessor oder einen FPGA auf, der nach Erreichen einer vorbestimmten Drehzahl des Reluktanzmotors ein Umschalten von Reihenschaltung zu Parallelschaltung bewirkt. Bei hohen Drehzahlen werden die Wicklungsstränge somit bevorzugt in Parallelschaltung betrieben. Es ist auch denkbar das Umschalten vom Drehmoment des Reluktanzmotors oder von einem vorgegebenen Drehzahlgradienten abhängig zu machen.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile sind dabei figurübergreifend mit denselben Bezugszeichen versehen. Es zeigen:
- 1: eine Schaltungsanordnung einer symmetrischen Verschaltung einer Phase einer schaltbaren Reluktanzmaschine eines Verdichters eines Kraftfahrzeugverbrennungsmotors in Reihenschaltung,
- 2: eine Schaltungsanordnung der Verschaltung der 1 in Parallelschaltung,
- 3: eine Schaltungsanordnung einer asymmetrischen Verschaltung einer Phase einer schaltbaren Reluktanzmaschine eines Verdichters eines Kraftfahrzeugverbrennungsmotors in Reihenschaltung, sowie
- 4: eine Schaltungsanordnung der Verschaltung der 3 in Parallelschaltung.
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Die 1 bis 4 zeigen eine Schaltungsanordnung einer mehrphasigen Reluktanzmaschine eines Verdichters eines Kraftfahrzeugverbrennungsmotors, von der aus Gründen der Übersichtlichkeit nur eine einzige Phase dargestellt ist. Jede Phase weist wenigstens zwei Wicklungsstränge 1,2 auf.
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Die 1 und 2 zeigen eine erste Ausführungsform. Das Leistungsstellglied eines jeden Wicklungsstrangs L1,L2 besteht aus einer asymmetrischen H-Brücke mit zwei elektronischen Schaltern Q1,Q2,Q3,Q4, insbesondere Leistungshalbleiterschaltern, die beispielsweise aus einem Gleichspannungszwischenkreis gespeist werden können, der wiederum durch eine Gleichspannungsquelle, beispielsweise eine Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeuges mit elektrischer Gleichspannung versorgt wird. Eine erste Versorgungsleitung 3 ist mit der Gleichspannungsquelle verbunden. Eine zweite Versorgungsleitung 4 ist mit einem Masseanschluss verbunden. Zwischen den Versorgungsleitungen 3,4 sind die Wicklungsstränge L1,L2 angeordnet. Jedem Wicklungsstrang L1,L2 ist ein oberer elektronischer Schalter Q1,Q3 (high-side) und ein unterer elektronischer Schalter Q2,Q4 (low-side) zugeordnet. Jedem elektronischen Schalter Q1,Q2,Q3,Q4 ist eine Freilaufdiode D1,D2,D3,D4 zugeordnet, die jeweils parallel zu dem entsprechenden elektronischen Schalter Q1,Q2,Q3,Q4 verschaltet ist, so dass bei ausgeschalteten elektronischen Schaltern Q1,Q2,Q3,Q4 eines Wicklungsstranges L1,L2 der Strom über die beiden Freilaufdioden D1,D2,D3,D4 fließt. Die wenigstens zwei asymmetrischen H-Brücken einer Phase sind miteinander verbunden. Zwischen zwei asymmetrischen H-Brücken ist dafür ein Querzweig 5 vorgesehen, in dem eine Diode D5 angeordnet ist. Die Diode D5 ist in Bezug auf die Gleichspannungsquelle in Durchlassrichtung gepolt, entgegengesetzt zu den Freilaufdioden D1,D2,D3,D4. Der Querzweig 5 streckt sich von einem ersten Verbindungpunkt 6 eines ersten Wicklungsstranges L2 mit einem unteren elektronischen Schalter Q4 und einer oberen Freilaufdiode D3 zu einem zweiten Verbindungspunkt 7 eines zweiten Wicklungsstranges L1 mit einem oberen elektronischen Schalter Q1, wobei eine untere Freilaufdiode D1 parallel zu dem unteren elektronischen Schalter Q2 zwischen der Diode D5 und dem zweiten Verbindungspunkte 7 und der zweiten Versorgungsleitung 4 angeordnet ist.
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Die Diode D5 erlaubt es, dass mittels der elektronischen Schalter Q1,Q2,Q3,Q4 zwischen Reihenschaltung und Parallelschaltung der Wicklungsstränge L1,L2 umgeschaltet werden kann.
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In der 1 ist die Reihenschaltung der Wicklungsstränge L1,L2 mit der zuvor beschriebenen symmetrischen Verschaltung dargestellt. Die Pfeile symbolisieren den Stromfluss. In diesem Zustand sind der untere elektronische Schalter Q4 des ersten Wicklungsstranges L2 und der obere elektronische Schalter Q1 des zweiten Wicklungsstranges L1 ausgeschaltet und die anderen zwei elektronische Schalter Q3,Q2 eingeschaltet. Der Strom fließt über den ersten Wicklungsstrang L2, den Querzweig 5 und über den zweiten Wicklungsstrang L1, so dass der Wicklungsstrom beider in Reihe geschalteten Wicklungsstränge L1,L2 ansteigt. Sind hingegen alle vier elektronischen Schalter Q1,Q2,Q3,Q4 eingeschaltet, wie in 2 dargestellt, fließt der Strom parallel durch die beiden Wicklungsstränge L1,L2.
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Die 3 und 4 zeigen eine zweite Ausführungsform mit einer asymmetrischen Verschaltung der Phase. Ein erster Wicklungsstrang L2 ist, wie zuvor beschrieben, mit zwei elektronischen Schaltern Q3,Q4 und zwei Freilaufdioden D3,D4 zwischen den Versorgungsleitungen 3,4 in einer asymmetrischen Halbbrücke angeordnet. Parallel zu dieser Anordnung ist eine symmetrische Halbbrücke mit einem zweiten Wicklungsstrang L1 vorgesehen. In dieser symmetrischen Halbbrücke sind ein dritter und ein vierter elektronischer Schalter Q1,Q2 in Reihe zwischen den Versorgungsleitungen 3,4 angeordnet, wobei jedem dieser beiden elektronischen Schalter Q1,Q2 eine Freilaufdiode D1,D2 zugeordnet ist. Der dritte und vierte elektronische Schalter Q1,Q2 sind mit den Freilaufdioden D1,D2 über einen Mittelabgriff jeweils zwischen den elektronischen Schaltern Q1,Q2 und den Freilaufdioden D1,D2 verbunden. Die dadurch entstehenden beiden Knoten 8,9 sind wiederrum mit einem dritten Knoten 10, der zwischen dem unteren elektronischen Schalter Q4 des ersten Wicklungsstrangs L2 und dem ersten Wicklungsstrang L2 ausgebildet ist, über einen Querzweig 5 verbunden. In dem Querzweig 5 ist der zweite Wicklungsstrang L1 angeordnet.
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Diese asymmetrische Verschaltung der zwei Wicklungsstränge L1,L2 erlaubt es, dass mittels der elektronischen Schalter Q1,Q2,Q3,Q4 ebenfalls zwischen Reihenschaltung und Parallelschaltung der Wicklungsstränge L1,L2 umgeschaltet werden kann. In der 3 ist die Reihenschaltung der Wicklungsstränge dargestellt. In diesem Zustand sind ein oberer elektronischer Schalter Q3 des ersten Wicklungsstranges L2 und ein unterer, vierter elektronische Schalter Q2 eingeschaltet und die anderen zwei elektronischen Schalter Q1,Q4 ausgeschaltet. Der Strom fließt über den oberen elektronischen Schalter Q3 in den ersten Wicklungsstrang L2 und dann über den Querzweig 5 bzw. zweiten Wicklungsstrang L1 und den vierten elektronischen Schalter Q2, so dass der Wicklungsstrom beider in Reihe geschalteten Wicklungsstränge L1,L2 ansteigt. In einem weiteren Schaltungszustand, wie in 4 dargestellt, sind die beiden oberen elektronischen Schalter Q1,Q3 und der dem ersten Wicklungsstrang L2 zugeordnete untere elektronische Schalter Q4 eingeschaltet. Der untere, vierte elektronische Schalter Q2 ist ausgeschaltet. Der Strom fließt parallel durch die beiden oberen elektronischen Schalter Q1,Q3, die beiden Wicklungsstränge L1,L2 und dann durch den unteren elektronischen Schalter Q4 des ersten Wicklungsstranges L2. Für die asymmetrische Anordnung werden lediglich in Summe vier Dioden für zwei Wicklungsstränge benötigt.
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Die Wicklung einer Phase der Maschine weist zwei oder mehr Wicklungsstränge auf, die symmetrisch um den Umfang des Stators angeordnet und auf hervorstehende Pole gewickelt sind. Die wenigstens zwei Wicklungsstränge, aus denen sich eine Phasenwicklung zusammensetzt, sind wie zuvor beschrieben, miteinander verschaltet, so dass sie in Reihe oder parallel geschaltet werden können.
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Die Wicklungsanzahl der Wicklungsstränge kann unterschiedlich sein. Im Rahmen der Erfindung kann es sich bei den Wicklungssträngen auch um Polwicklungspaare handeln, wobei die Wicklungsstränge dabei eine gleiche Wicklungsanzahl haben. Hierbei sind die Statorpolwicklungspaare von jedem Paar entgegengesetzter Statorpole zusammen geschaltet.
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Die elektronischen Schalter können ganz allgemein beispielsweise MOSFET-Schalter oder bipolare Transistoren, insbesondere IGBT-Schalter sein.
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Das Umschalten von Reihenschaltung zu Parallelschaltung erfolgt bevorzugt, wenn eine Nenndrehzahl überschritten wird, welche jedoch auch vom Drehzahlgradienten oder der Last abhängig gemacht werden kann. Sind die Windungsstränge in Reihe geschaltet, wird ein höherer induzierter Fluss und somit ein höheres Drehmoment ermöglicht. Bei einer Parallelschaltung hingegen ist die Induktivität verringert und somit auch die induzierte Gegenspannung.
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In Kraftfahrzeug-Turboladern, bei denen ein breites Drehzahlband und ein hohes Anlaufmoment gefordert sind, kann das Verhältnis von Drehzahlband, Anlaufmoment und Maschinenvolumen verbessert werden, wodurch ein effektiver Betrieb mit Start-Stop-Automatik im Stadtverkehr ermöglicht wird.
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Bei hohen Leistungen, bei denen die elektrischen Schalter gedoppelt werden, um die erforderliche Leistung zu erbringen, können die elektrischen Schalter genutzt werden, um die zuvor beschriebene Verschaltung der Wicklungsstränge ohne zusätzliche Schalter umzusetzen.
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Die symmetrische Verschaltung eignet sich vor allem für Systeme mit hohen Sicherheitsanforderungen, da sie eine hohe Redundanz bietet. Bei Ausfall eines Wicklungsstranges kann der übrige Strang betrieben werden, wodurch ein Notlauf mit halber Phasenleistung ermöglicht wird. Die asymmetrische Verschaltung hingegen zeichnet sich durch eine höhere Effizienz und geringe Kosten aus, da auf die zusätzliche Diode verzichtet werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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