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Die Erfindung betrifft eine fremd- oder stromerregte Synchronmaschine, insbesondere zum Antrieb eines Fahrzeugs.
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Ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug weist zumindest eine elektrische Maschine, z.B. eine strom- und/oder fremderregte Synchronmaschine, auf. Ferner weist das Fahrzeug einen Spannungsumrichter auf, der eingerichtet ist, auf Basis einer Gleichspannung eine Wechselspannung zum Betrieb des Stators der elektrischen Maschine zu generieren. Des Weiteren kann das Fahrzeug eine Erregereinheit (auf Englisch exciter module) aufweisen, die eingerichtet ist, den Gleichstrom zur Erzeugung des Magnetfelds des Rotors der elektrischen Maschine zu erzeugen.
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Während des Betriebs der elektrischen Maschine kann es zur Übertragung von Spannungsflanken von dem Stator auf den Rotor der elektrischen Maschine kommen, was zu Beeinträchtigungen von Bauteilen auf der Rotorseite der elektrischen Maschine führen kann. Das vorliegende Dokument befasst sich mit der technischen Aufgabe, einen effizienten und zuverlässigen Schutz von Bauteilen auf der Rotorseite einer strom- bzw. fremderregten Synchronmaschine bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird durch den unabhängigen Anspruch gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen werden u.a. in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. Es wird darauf hingewiesen, dass zusätzliche Merkmale eines von einem unabhängigen Patentanspruch abhängigen Patentanspruchs ohne die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs oder nur in Kombination mit einer Teilmenge der Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs eine eigene und von der Kombination sämtlicher Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs unabhängige Erfindung bilden können, die zum Gegenstand eines unabhängigen Anspruchs, einer Teilungsanmeldung oder einer Nachanmeldung gemacht werden kann. Dies gilt in gleicher Weise für in der Beschreibung beschriebene technische Lehren, die eine von den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche unabhängige Erfindung bilden können.
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Gemäß einem Aspekt wird eine Vorrichtung zum Betrieb einer fremderregten Synchronmaschine beschrieben. Die Synchronmaschine umfasst einen Stator mit ein oder mehreren Statorspulen, z.B. mit drei Statorspulen, und einen Rotor mit einer Rotorspule. Die fremderregte Synchronmaschine kann derart ausgebildet sein, dass eine von dem Umrichter bewirkte Spannungsspitze von einer Statorspule des Stators auf die Rotorspule des Rotors der fremderregten Synchronmaschine übertragen wird. Insbesondere kann die fremderregte Synchronmaschine derart ausgebildet sein, dass die ein oder mehreren Statorspulen des Stators und die Rotorspule des Rotors der fremderregten Synchronmaschine (jeweils) einen Transformator mit einem Übertragungsfaktor bilden. Der Übertragungsfaktor kann 50 oder höher, oder 100 oder höher, oder 1000 oder höher sein.
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Die Vorrichtung umfasst einen Umrichter, der eingerichtet ist, eine Wechselspannung für den Stator, insbesondere für die ein oder mehreren Statorspulen, der Synchronmaschine zu generieren. Insbesondere kann eine mehrphasige (insbesondere eine dreiphasige) Wechselspannung mit zwei oder mehr Phasen für die entsprechenden zwei oder mehr Statorspulen generiert werden. Der Umrichter kann für jede Phase jeweils eine Halbbrücke mit Schaltelementen umfassen, wobei eine Halbbrücke eingerichtet ist, auf Basis einer Gleichspannung eine Wechselspannung zu generieren.
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Des Weiteren umfasst die Vorrichtung eine Erregereinheit, die eingerichtet ist, eine Erregerspannung für den Rotor, insbesondere für die Rotorspule, der Synchronmaschine zu generieren. Die Erregereinheit kann einen Gleichspannungswandler mit ein oder mehreren Schaltelementen umfassen. Die Erregereinheit kann über eine EMV-Filtereinheit zur Erfüllung von EMV (Elektromagnetische Verträglichkeit)-Anforderungen und über ein oder mehrere (insbesondere über zwei) Schleifringe des Rotors mit der Rotorspule des Rotors verbunden sein.
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Die Vorrichtung umfasst ferner zumindest eine Schutzeinheit, die eingerichtet ist, eine Überspannung und/oder eine Spannungsspitze, insbesondere eine von dem Umrichter bewirkte Überspannung und/oder Spannungsspitze, zu dämpfen und/oder zu begrenzen (z.B. auf einen bestimmten Spannungs-Schwellenwert zu begrenzen). Eine Schutzeinheit kann insbesondere eingerichtet sein, die am Ausgang der Schutzeinheit bereitgestellte Spannung (auf einen bestimmten Spannungs-Schwellenwert) zu begrenzen. Insbesondere kann eine Schutzeinheit eingerichtet sein, eine am Eingang der Schutzeinheit anliegende Spannung bis zu einem bestimmten Spannungs-Schwellenwert im Wesentlichen unverändert am Ausgang der Schutzeinheit bereitzustellen. Andererseits kann eine am Eingang der Schutzeinheit anliegende Spannung, die über dem Spannungs-Schwellenwert liegt, auf den Spannungs-Schwellenwert begrenzt werden. Eine Schutzeinheit kann somit eingerichtet sein, zu bewirken, dass eine die Schutzeinheit durchlaufende Spannung einen bestimmten Spannungs-Schwellenwert nicht überschreitet.
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In einem bevorzugten Beispiel umfasst eine Schutzeinheit: eine Snubber-Schaltung; und/oder eine Avalanche-Diode; und/oder eine Zener-Diode. Alternativ oder ergänzend kann die Schutzeinheit eine oder mehrere Dioden umfassen, die eingerichtet sind, die Spannungsspitze auf die Zwischenkreisspannung an dem Eingang der Erregereinheit zu begrenzen.
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Zumindest eine Schutzeinheit der Vorrichtung zwischen der Erregereinheit und dem Rotor angeordnet sein. Durch die Anordnung zumindest einer Schutzeinheit auf der Rotorseite kann eine besonders effiziente und präzise Begrenzung von Spannungen und/oder Strömen bewirkt werden.
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Die in diesem Dokument beschriebene Vorrichtung ermöglicht es somit, in effizienter, zuverlässiger und präziser Weise Überspannungen und/oder Überströme zu vermeiden, insbesondere Überspannungen und/oder Überströme die ausgehend von der Statorseite auf der Rotorseite induziert werden oder Überspannungen und/oder Überströme, die direkt auf der Rotorseite entstehen. So können Beeinträchtigungen von Bauteilen auf der Rotorseite in effizienter und zuverlässiger Weise vermieden werden.
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Wie bereits oben dargelegt, kann die Vorrichtung zumindest einen zwischen der Erregereinheit, insbesondere zwischen der EMV-Filtereinheit, und der Rotorspule des Rotors angeordneten Schleifring umfassen. Des Weiteren kann die Vorrichtung eine zwischen dem Schleifring und der Rotorspule angeordnete Schutzeinheit umfassen (die sich typischerweise mit dem Rotor dreht). Die Schutzeinheit kann somit in unmittelbarer Nähe zu der Rotorspule angeordnet sein, wodurch ein besonders zuverlässiger Schutz von Bauteilen auf der Rotorseite ermöglicht wird.
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Alternativ oder ergänzend kann die Vorrichtung eine zwischen der Erregereinheit, insbesondere zwischen der EMV Filtereinheit, und dem Schleifring angeordnete Schutzeinheit umfassen. Die EMV-Filtereinheit der Vorrichtung kann über eine Leitung mit dem Schleifring des Rotors verbunden sein. Die Schutzeinheit kann dann an dem, dem Schleifring zugewandten, Ende der Leitung angeordnet sein. Die Schutzeinheit kann somit in unmittelbarer Nachbarschaft zu den ein oder mehreren Schleifringen des Rotors angeordnet sein (ohne sich mit dem Rotor zu drehen). So kann in besonders effizienter Weise ein zuverlässiger Schutz von Bauteilen auf der Rotorseite ermöglicht werden (insbesondere ohne Verwendung einer sich mit dem Rotor drehenden Schutzeinheit).
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Alternativ oder ergänzend kann die Vorrichtung eine zwischen der Erregereinheit und der EMV-Filtereinheit angeordnete Schutzeinheit umfassen. So kann die Schutzeinheit in besonders effizienter Weise bereitgestellt werden.
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Die Erregereinheit weist typischerweise einen Gleichspannungswandler mit ein oder mehreren Schaltelementen auf. Die Schaltelemente können eine Halbbrücke oder eine Vollbrücke bilden. Der Gleichspannungswandler kann eingerichtet sein, die Zwischenkreisspannung an dem Eingang der Erregereinheit in eine Rotorspannung an dem Rotor der Synchronmaschine zu wandeln. Dabei kann die Zwischenkreisspannung auf eine reduzierte Rotorspannung gewandelt werden. Ferner kann der Gleichspannungswandler eingerichtet sein, die Rotorspannung (bzw. eine Spannung am Ausgang des Gleichspannungswandlers, aus der die Rotorspannung generiert wird) auf einen bestimmten Sollwert einzustellen, insbesondere zu regeln.
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Die Vorrichtung kann eine zwischen dem Gleichspannungswandler der Erregereinheit und dem Rotor der Synchronmaschine, insbesondere zwischen dem Gleichspannungswandler und der EMV-Filtereinheit der Vorrichtung, angeordnete Schutzeinheit umfassen. So kann ein besonders effizienter und zuverlässiger Schutz von Bauteilen auf der Rotorseite ermöglicht werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein (Kraft-) Fahrzeug (insbesondere ein Personenkraftwagen oder ein Lastkraftwagen oder ein Bus oder ein Motorrad) beschrieben, das die in diesem Dokument beschriebene Vorrichtung zum Betrieb einer fremderregten Synchronmaschine umfasst. Das Fahrzeug umfasst ferner zumindest eine fremderregte Synchronmaschine, die eingerichtet ist, das Fahrzeug anzutreiben.
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Es ist zu beachten, dass die in diesem Dokument beschriebenen Vorrichtungen und Systeme sowohl alleine, als auch in Kombination mit anderen in diesem Dokument beschriebenen Vorrichtungen und Systemen verwendet werden können. Des Weiteren können jegliche Aspekte der in diesem Dokument beschriebenen Vorrichtungen und Systemen in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden.
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Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigen
- 1 ein beispielhaftes Fahrzeug mit einer elektrischen Antriebsmaschine; und
- 2 eine beispielhafte Vorrichtung zum Betrieb einer fremderregten Synchronmaschine.
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Wie eingangs dargelegt, befasst sich das vorliegende Dokument damit, einen effizienten und zuverlässigen Schutz der Rotorseite einer fremderregten Synchronmaschine bereitzustellen. In diesem Zusammenhang zeigt 1 ein beispielhaftes Fahrzeug 100 mit einer fremderregten Synchronmaschine 104. Das Fahrzeug 100 umfasst einen elektrischen Energiespeicher 101 zur Speicherung von elektrischer Energie für den Betrieb der Synchronmaschine 104. Des Weiteren umfasst das Fahrzeug 100 einen Umrichter 102, der eingerichtet ist, auf Basis der elektrischen Energie (insbesondere auf Basis eines Gleichstroms und/oder einer Gleichspannung) aus dem elektrischen Energiespeicher 101 einen Wechselstrom (insbesondere einen mehrphasigen Strom, etwa einen Drehstrom) und/oder eine Wechselspannung für den Stator, insbesondere für ein oder mehrere Statorspulen des Stators, der Synchronmaschine 104 zu generieren.
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Das Fahrzeug 100 umfasst ferner eine Erregereinheit 103, die eingerichtet ist, auf Basis des Gleichstroms und/oder der Gleichspannung aus dem elektrischen Energiespeicher 101 einen Gleichstrom und/oder eine Gleichspannung für den Rotor, insbesondere für die Rotorspule des Rotors, der Synchronmaschine 104 zu generieren. Zu diesem Zweck umfasst die Erregereinheit 103 typischerweise einen geschalteten Spannungswandler.
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2 zeigt weitere Details einer Vorrichtung 200 zum Betrieb einer fremderregten Synchronmaschine 104. Insbesondere zeigt 2 die ein oder mehreren Statorspulen 215 des Stators 212 und die Rotorspule 216 des Rotors 211 der Synchronmaschine 104. Des Weiteren zeigt 2 den Umrichter 102 der eingerichtet ist, auf Basis der über einen Zwischenkreiskondensator 202 bereitgestellten Gleichspannung 201 die Wechselspannungen für die ein oder mehreren Statorspulen 215 zu generieren. Ferner zeigt 2 die Erregereinheit 103, die eingerichtet ist, auf Basis der Gleichspannung 201 die Spannung für die Rotorspule 216 zu generieren. Die von der Erregereinheit 103 bereitgestellte Gleichspannung liegt dabei an Schleifringen 214 des Rotors 211 an.
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Es wird somit eine stromerregte Synchronmaschine 104 gezeigt, die auf der Statorseite mit einem Spannungsumrichter 102 und auf der Rotorseite mit einem Excitermodul bzw. mit einer Erregereinheit 103 betrieben wird. Der Spannungsumrichter 104 kann drei Halbbrücken umfassen, die jeweils zwei Schaltelemente, insbesondere IGBTs (Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode), aufweisen, um die Spannung am Ausgang der jeweiligen Halbbrücke zwischen Ground und der Zwischenkreisspannung am Zwischenkreiskondensator 202 zu schalten. So kann mittels Pulsweitenmodulation (PWM) durch jede Halbbrücke jeweils eine Wechselspannung generiert werden.
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Die Erregereinheit 103 kann ebenfalls Schaltelemente, insbesondere zumindest zwei IGBTs aufweisen, um eine Rotorspannung für den Rotor 211 mit einem Wert zwischen Ground und der Zwischenkreisspannung zu stellen.
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Aufgrund der Topologie der stromerregten Synchronmaschine 104 können Spannungsflanken, welche durch Umschaltvorgänge im Spannungsumrichter 102 entstehen, mit einem Übertragungsfaktor auf die Rotorseite übertragen werden.
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Die Übertragung erfolgt dabei über den durch die ein oder mehreren Statorspulen 215 und durch die Rotorspule 216 gebildeten Transformator 213. Der Transformator 213 weist einen Übertragungsfaktor auf, der von dem Verhältnis der Anzahl von Windungen der Rotorspule 216 und der Anzahl von Windungen der einzelnen Statorspulen 215 abhängt. Der Übertragungsfaktor kann 50 oder höher, oder 100 oder höher, oder 1000 oder höher sein.
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Abhängig von dem Übertragungsfaktor des Transformators 213 können durch eine Spannungsflanke auf der Statorseite relativ hohe Spannungen in den Rotorwicklungen 216 und folglich an den Klemmen auf der Rotorseite induziert werden. Dies kann zu einer Schädigung von ein oder mehreren Bauteilen der Erregereinheit 103 und/oder zu einer Schädigung der Isolation der Rotorwicklungen 216 führen.
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Um die Erregereinheit 103 und die Schleifringe 214 zu schützen, kann eine Funkenstrecke an den Klemmen des Rotors 211 angeschlossen werden. Dies kann jedoch dazu führen, dass wenn die Funkenstrecke gezündet wird, im geregelten Betrieb Überströme in der Erregereinheit 103 auftreten.
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Die in 2 dargestellte Vorrichtung 200 umfasst eine Schutzeinheit 220, die eingerichtet ist, in effizienter und zuverlässiger Weise eine Schädigung der an den Rotor 211 angebundenen Bauteile durch eine Überspannung und/oder durch einen Überstrom zu vermeiden. Die Schutzeinheit 220 ist in dem in 2 dargestellten Beispiel zwischen dem Rotor 211 und der Erregereinheit 103 angeordnet. Die Schutzeinheit 220 kann eingerichtet sein, Spannungsspitzen zu dämpfen. Die Schutzeinheit 220 kann z.B. eine Snubber-Schaltung und/oder eine Avalanche-Diode umfassen.
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Die Schutzeinheit 220 kann auf der Rotorseite angeordnet sein, insbesondere
- • zwischen den Schleifringen 214 und der Rotorspule 216;
- • zwischen einer EMV (Elektromagnetische Verträglichkeit) Filtereinheit 203 und den Schleifringen 214; und/oder
- • zwischen der Erregereinheit 103 und der EMV-Filtereinheit 203.
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Die Erregereinheit 103 umfasst typischerweise einen Gleichspannungswandler, der eingerichtet ist, die Zwischenkreisspannung 201 in eine (meist reduzierte) Spannung für den Rotor 211 der Synchronmaschine 104 zu wandeln. Der Gleichspannungswandler kann ein oder mehrere Brücken mit (Halbleiter-) Schaltelementen umfassen, die betrieben werden können, um eine bestimmte Sollspannung am Ausgang des Gleichspannungswandlers bereitzustellen.
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Die Vorrichtung 200 kann eine Schutzeinheit 220 umfassen, die zwischen dem Gleichspannungswandler, insbesondere zwischen den ein oder mehreren Brücken des Gleichspannungswandlers, und der EMV-Filtereinheit 203 angeordnet ist, um einen effizienten Schutz vor Überspannungen und/oder Überströmen bereitzustellen.
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Bevorzugt ist die Schutzeinheit 220 möglichst nah an der Rotorspule 216 angeordnet, um einen möglichst umfassenden Schutz der Bauteile auf der Rotorseite zu gewährleisten.
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Alternativ oder ergänzend kann eine Schutzeinheit 220 auf der Statorseite angeordnet sein, um Spannungsspitzen direkt an der Quelle zu dämpfen. Insbesondere kann jeweils eine Schutzeinheit 220 zwischen den Schaltelementen einer Halbbrücke des Umrichters 102 und der damit assoziierten Statorspule 215 angeordnet sein.
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Durch die in diesem Dokument beschriebenen Maßnahmen, insbesondere durch die Bereitstellung einer Schutzeinheit 220 zur Dämpfung und/oder zur Begrenzung von Spannungsspitzen, kann ein effizienter und zuverlässiger Schutz von Bauteilen auf der Rotorseite einer fremderregten Synchronmaschine 104 ermöglicht werden.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere ist zu beachten, dass die Beschreibung und die Figuren nur beispielhaft das Prinzip der vorgeschlagenen Vorrichtungen und Systeme veranschaulichen sollen.
