DE102022212659A1

DE102022212659A1 - Synchronous machine and vehicle

Info

Publication number: DE102022212659A1
Application number: DE102022212659.9A
Authority: DE
Inventors: Stephan Demmerer; Christian Gürlich; Matthias Winkel
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2022-11-28
Filing date: 2022-11-28
Publication date: 2024-05-29

Abstract

Es wird eine Synchronmaschine vorgeschlagen. Die Synchronmaschine umfasst einen Stator und einen Rotor, der axial zum Stator beabstandet angeordnet ist. Der Rotor umfasst eine Wicklung, die ausgebildet ist, einen Drehstrom zu führen. Der Drehstrom erzeugt ein magnetisches Drehfeld. Das Drehfeld ist axial zu einer Rotationsachse des Rotors ausgerichtet. Der Rotor ist ausgebildet, sich abhängig vom Drehfeld um die Rotationsachse zu drehen.A synchronous machine is proposed. The synchronous machine comprises a stator and a rotor which is arranged axially spaced from the stator. The rotor comprises a winding which is designed to carry a three-phase current. The three-phase current generates a magnetic rotating field. The rotating field is aligned axially to a rotation axis of the rotor. The rotor is designed to rotate about the rotation axis depending on the rotating field.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Synchronmaschine sowie auf ein Fahrzeug.The present invention relates to a synchronous machine and to a vehicle.

Eine herkömmliche Synchronmaschine ist so konzipiert, dass beim Betrieb der Synchronmasche eine Wicklung im Stator einen Drehstrom führt und damit ein magnetisches Drehfeld erzeugt. Das Drehfeld steht in Wechselwirkung mit einem Magnetfeld des Rotors, das beispielsweise durch eine gleichstromgespeiste Wicklung im Rotor erzeugt wird. Diese Wechselwirkung führt zu einer Drehbewegung des Rotors. Konstruktionsbedingt kann für die Wicklung des Stators ein betragsmäßig höherer Strom als für die Wicklung des Rotors vorgesehen sein. Dies kann bei Versorgung der Synchronmaschine aus einer Gleichstromquelle zu hohen Verlusten bei Umwandlung des Gleichstroms in den Drehstrom sowie zu hohen Eisenverlusten im Stator führen.A conventional synchronous machine is designed in such a way that when the synchronous machine is operating, a winding in the stator carries a three-phase current and thus generates a rotating magnetic field. The rotating field interacts with a magnetic field of the rotor, which is generated, for example, by a winding in the rotor fed with direct current. This interaction leads to a rotary movement of the rotor. Due to the design, a higher current can be provided for the stator winding than for the rotor winding. If the synchronous machine is supplied from a direct current source, this can lead to high losses when converting the direct current into three-phase current and to high iron losses in the stator.

Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Synchronmaschine bereitzustellen.Against this background, it is an object of the present invention to provide an improved synchronous machine.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch eine Synchronmaschine sowie ein Fahrzeug gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Weitere Aspekte sowie Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der folgenden Beschreibung sowie in den Figuren beschrieben.The object of the invention is achieved by a synchronous machine and a vehicle according to the independent claims. Further aspects and developments of the invention are described in the dependent claims, the following description and in the figures.

Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung eine Synchronmaschine. Die Synchronmaschine umfasst einen Stator und einen Rotor, der axial zum Stator beabstandet angeordnet ist. Der Rotor umfasst eine Wicklung, die ausgebildet ist, einen Drehstrom zu führen. Der Drehstrom erzeugt ein magnetisches Drehfeld. Das Drehfeld ist axial zu einer Rotationsachse des Rotors ausgerichtet. Der Rotor ist ausgebildet, sich abhängig vom Drehfeld um die Rotationsachse zu drehen. Die erfindungsgemäße Synchronmaschine kann eine „Rotorregelung“ ermöglichen, d.h., eine Rotation des Rotors kann über einen Drehstrom im Rotor geregelt werden. Im Gegensatz zu herkömmlichen Synchronmaschinen kann die erfindungsgemäße Synchronmaschine durch die Axialflussbauweise eine höhere Drehmomentdichte und eine höhere Energieeffizienz erreichen. According to a first aspect, the invention relates to a synchronous machine. The synchronous machine comprises a stator and a rotor which is arranged axially spaced from the stator. The rotor comprises a winding which is designed to carry a three-phase current. The three-phase current generates a magnetic rotating field. The rotating field is aligned axially to a rotation axis of the rotor. The rotor is designed to rotate about the rotation axis depending on the rotating field. The synchronous machine according to the invention can enable "rotor control", i.e. a rotation of the rotor can be controlled via a three-phase current in the rotor. In contrast to conventional synchronous machines, the synchronous machine according to the invention can achieve a higher torque density and higher energy efficiency due to the axial flux design.

In manchen Ausführungsbeispielen dreht sich der Rotor entsprechend einer Drehzahl des Drehfeldes relativ zum Stator um die Rotationsachse. Die Rotation des Rotors kann also über das Drehfeld geregelt werden.In some embodiments, the rotor rotates around the rotation axis relative to the stator according to a speed of the rotating field. The rotation of the rotor can therefore be controlled via the rotating field.

In manchen Ausführungsbeispielen ist die Synchronmaschine eine Axialflussmaschine. Dadurch kann die Synchronmaschine sehr flach gebaut werden. Der Rotor kann den gesamten Durchmesser der Synchronmaschine nutzen, was bei gleicher Kraft und Energieverbrauch zu einer höheren Hebelwirkung als bei Radialflussmaschinen führen kann, d.h., die Drehmomentdichte kann höher sein. Außerdem können Eisenverluste und Wärmeverluste durch diesen Aufbau verringert werden.In some embodiments, the synchronous machine is an axial flux machine. This allows the synchronous machine to be built very flat. The rotor can use the entire diameter of the synchronous machine, which can lead to a higher leverage effect than with radial flux machines with the same power and energy consumption, i.e. the torque density can be higher. In addition, iron losses and heat losses can be reduced by this design.

In manchen Ausführungsbeispielen umfasst der Stator einen Permanentmagneten oder eine zweite Wicklung zur Erzeugung eines Erregermagnetfeldes. Der Rotor ist ausgebildet, sich abhängig vom Erregermagnetfeld um die Rotationsachse zu drehen. Während im Rotor das Drehfeld erzeugt werden kann, kann also im Stator ein konstantes Erregermagnetfeld erzeugt werden.In some embodiments, the stator comprises a permanent magnet or a second winding for generating an excitation magnetic field. The rotor is designed to rotate about the axis of rotation depending on the excitation magnetic field. While the rotating field can be generated in the rotor, a constant excitation magnetic field can be generated in the stator.

Im Falle des Permanentmagneten kann die erfindungsgemäße Synchronmaschine eine bessere Kühlung des Magnets erlauben, da dieser im Stator platziert ist. Daher kann der Magnet von außen durch ein Kühlsystem besser erreichbar sein oder Wärme aus dem Stator besser abgeführt werden. Damit lässt sich wiederum ein kostengünstigerer Magnet mit geringerer Hitzebeständigkeit verwenden. Beispielsweise kann auf einen Magnet zurückgegriffen werden, der nicht oder nur in geringem Maße aus schweren seltenen Erden besteht.In the case of the permanent magnet, the synchronous machine according to the invention can allow better cooling of the magnet because it is placed in the stator. The magnet can therefore be more easily accessible from the outside through a cooling system or heat can be better dissipated from the stator. This in turn allows a more cost-effective magnet with lower heat resistance to be used. For example, a magnet can be used that does not consist of heavy rare earths or only consists of them to a small extent.

Im Falle der zweiten Wicklung kann das Erregermagnetfeld durch eine Einspeisung von Gleichstrom in die dritte Wicklung erzeugt werden. Dies kann vor allem von Vorteil sein, wenn das Erregermagnetfeld regelbar sein soll.In the case of the second winding, the excitation magnetic field can be generated by feeding direct current into the third winding. This can be particularly advantageous if the excitation magnetic field is to be controllable.

In manchen Ausführungsbeispielen umfasst der Stator eine zweite Wicklung, die ausgebildet ist, einen zweiten Drehstrom zu führen. Der zweite Drehstrom erzeugt ein zweites magnetisches Drehfeld. Der Rotor ist ausgebildet, sich abhängig vom zweiten Drehfeld um die Rotationsachse zu drehen. Dadurch kann die Synchronmaschine eine Doppelregelung der Rotation des Rotors über das Drehfeld und das zweite Drehfeld ermöglichen.In some embodiments, the stator comprises a second winding that is designed to carry a second three-phase current. The second three-phase current generates a second magnetic rotating field. The rotor is designed to rotate about the rotation axis depending on the second rotating field. The synchronous machine can therefore enable double control of the rotation of the rotor via the rotating field and the second rotating field.

In manchen Ausführungsbeispielen umfasst die Synchronmaschine ferner eine Regelungsschaltung, die ausgebildet ist, den Drehstrom abhängig von mindestens einem aus einer Solldrehzahl und einem Solldrehmoment des Rotors zur Erzeugung des Drehfeldes zu regeln. Parameter der Rotation des Rotors können sich also über den Drehstrom im Rotor einstellen lassen.In some embodiments, the synchronous machine further comprises a control circuit that is designed to control the three-phase current depending on at least one of a target speed and a target torque of the rotor for generating the rotating field. Parameters of the rotation of the rotor can therefore be set via the three-phase current in the rotor.

In manchen Ausführungsbeispielen ist die Regelungsschaltung ausgebildet, mindestens eines aus einer Stärke, einer Richtung und einer Frequenz des Drehstroms zur Erzeugung des Drehfeldes zu regeln. Die Synchronmaschine kann dadurch verschiedene Parameter des Drehstroms regeln, was zusammen mit einem optionalen, anpassbaren Erregerstrom oder zweiten Drehstrom eine dynamische Drehzahl- und Drehmomentregelung des Rotors ermöglicht.In some embodiments, the control circuit is designed to control at least one of a strength, a direction and a frequency of the three-phase current to generate the rotating field. The synchronous machine can thereby control various parameters of the three-phase current, which together with an optional, adjustable excitation current or second three-phase current enables dynamic speed and torque control of the rotor.

In manchen Ausführungsbeispielen ist die Regelungsschaltung ferner ausgebildet, den zweiten Drehstrom abhängig von mindestens einem aus einer Solldrehzahl und einem Solldrehmoment des Rotors zur Erzeugung des zweiten Drehfeldes zu regeln.In some embodiments, the control circuit is further configured to control the second three-phase current as a function of at least one of a target speed and a target torque of the rotor for generating the second rotating field.

Dadurch kann die Regelungsschaltung mehr mögliche Parameter zum Einstellen eines gewünschten Betriebspunkt der Synchronmaschine haben und damit weitere Regelparameter, wie eine Energieeffizienz eines Stromrichters, der den Drehstrom und/oder den zweiten Drehstrom bereitstellt, bei der Regelung berücksichtigen. Die Regelungsschaltung kann bei der Erzeugung des Drehfeldes eine Einhaltung konstruktionsbedingter Vorgaben für den Drehstrom oder den zweiten Drehstrom oder ein Erreichen von Betriebsoptima im Kennfeld der Synchronmaschine erleichtern.This means that the control circuit can have more possible parameters for setting a desired operating point of the synchronous machine and can therefore take other control parameters, such as the energy efficiency of a power converter that provides the three-phase current and/or the second three-phase current, into account in the control. When generating the rotating field, the control circuit can make it easier to comply with design-related specifications for the three-phase current or the second three-phase current or to achieve optimum operating conditions in the characteristic field of the synchronous machine.

Zum Beispiel kann die Regelungsschaltung ausgebildet sein, eine Frequenz des Drehstroms auf einen Wert zu regeln, der mindestens gleich groß ist wie eine Frequenz des zweiten Drehstroms. Dies kann vorteilhaft sein, wenn die Drehzahlregelung des Rotors hauptsächlich durch den Drehstrom im Rotor erfolgen soll, etwa wenn der zweite Drehstrom im Stator eine höhere Stromstärke aufweist und daher eine Rotorregelung mit geringerem Aufwand zu realisieren ist. Eine Drehrichtung des Drehfeldes kann gegensinnig oder gleichsinnig zu einer Drehrichtung des zweiten Drehfeldes sein. Zum Beispiel kann die Regelungsschaltung die Drehzahl des Rotors durch gegensinniges Umlaufen des Drehfeldes zum zweiten Drehfeld verringern und sie durch gleichsinniges Umlaufen vergrößern. Dadurch hat die Regelungsschaltung mehr Regelungsmöglichkeiten beim Einstellen der Drehzahl des Rotors.For example, the control circuit can be designed to regulate a frequency of the three-phase current to a value that is at least as high as a frequency of the second three-phase current. This can be advantageous if the speed control of the rotor is to be carried out primarily by the three-phase current in the rotor, for example if the second three-phase current in the stator has a higher current strength and rotor control can therefore be implemented with less effort. A direction of rotation of the rotating field can be opposite or in the same direction as a direction of rotation of the second rotating field. For example, the control circuit can reduce the speed of the rotor by rotating the rotating field in the opposite direction to the second rotating field and increase it by rotating it in the same direction. This gives the control circuit more control options when setting the speed of the rotor.

Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Fahrzeug. Das Fahrzeug umfasst mindestens ein Rad und eine erfindungsgemäße Synchronmaschine, die ausgebildet ist, das Rad anzutreiben. Die erfindungsgemäße Synchronmaschine kann Bauraum im Fahrzeug einsparen, einen Energieverbrauch des Fahrzeugs senken und ein Maximaldrehmoment erhöhen.According to a second aspect, the invention relates to a vehicle. The vehicle comprises at least one wheel and a synchronous machine according to the invention, which is designed to drive the wheel. The synchronous machine according to the invention can save installation space in the vehicle, reduce energy consumption of the vehicle and increase maximum torque.

Einige Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Figuren beschrieben. Es zeigen:

1a, 1 b und 1c ein Ausführungsbeispiel einer Synchronmaschine mit gleichstromgespeistem Stator, wechselstromgespeistem Stator beziehungsweise permanenterregtem Stator; und
2 ein Ausführungsbeispiel eines Fahrzeugs.

Some embodiments of the present invention are described below with reference to the accompanying figures. They show:

1a , 1 b and 1c an embodiment of a synchronous machine with a direct current-fed stator, an alternating current-fed stator or a permanently excited stator; and
2 an embodiment of a vehicle.

1a, 1 b und 1c zeigen eine Längsschnittansicht eines Ausführungsbeispiels einer Synchronmaschine 100. In 1a, 1 b und 1c ist lediglich ein schematischer Aufbau der Synchronmaschine 100 dargestellt. Sonstige Bestandteile der Synchronmaschine 100 wie Blechpakete und Kühlung, Details zum Aufbau, Anschluss und zur Verschaltung der Wicklungen sowie Peripherie wie Leistungselektronik sind nicht dargestellt. Im Folgenden wird ein Betrieb der Synchronmaschine 100 als Motor beschrieben. Es sei angemerkt, dass ein dementsprechender Betrieb als Generator mit dem hier beschriebenen Aufbau der Synchronmaschine 100 ebenfalls realisiert werden kann. 1a , 1 b and 1c show a longitudinal sectional view of an embodiment of a synchronous machine 100. In 1a , 1 b and 1c only a schematic structure of the synchronous machine 100 is shown. Other components of the synchronous machine 100 such as laminated cores and cooling, details on the structure, connection and wiring of the windings as well as peripherals such as power electronics are not shown. The following describes the operation of the synchronous machine 100 as a motor. It should be noted that a corresponding operation as a generator can also be realized with the structure of the synchronous machine 100 described here.

Die Synchronmaschine 100 umfasst einen Stator 110 und einen Rotor 120, der axial zum Stator 110 beabstandet angeordnet ist. Stator 110 und Rotor 120 sind rotationssymmetrisch zu einer Rotationsachse 130 aufgebaut. Stator 110 und Rotor 120 können etwa scheibenförmig aufgebaut sein. In 1 ist eine solche Scheibenform des Stators 110 und des Rotors 120 lediglich beispielhaft in einer Seitenansicht dargestellt. Stator 110 und Rotor 120 umgreifen die Rotationsachse 130 radial. Der Stator 110 kann als feststehende Komponente der Synchronmaschine 100 betrachtet werden, wohingegen der Rotor 120 drehbar um die Rotationsachse 130 bezüglich dem Stator 110 gelagert ist. Die Rotationsachse 130 verläuft durch eine Welle 140, die mit dem Rotor 120 gekoppelt ist.The synchronous machine 100 comprises a stator 110 and a rotor 120, which is arranged axially spaced from the stator 110. The stator 110 and rotor 120 are constructed rotationally symmetrically to a rotation axis 130. The stator 110 and rotor 120 can be constructed approximately in the shape of a disk. In 1 Such a disk shape of the stator 110 and the rotor 120 is shown merely as an example in a side view. The stator 110 and the rotor 120 surround the rotation axis 130 radially. The stator 110 can be considered a fixed component of the synchronous machine 100, whereas the rotor 120 is mounted so as to be rotatable about the rotation axis 130 with respect to the stator 110. The rotation axis 130 runs through a shaft 140 which is coupled to the rotor 120.

Der Rotor 120 umfasst eine Wicklung 150, die ausgebildet ist, einen Drehstrom zu führen. Der Drehstrom erzeugt ein magnetisches Drehfeld. Das Drehfeld ist als jegliches Magnetfeld, das sich fortlaufend um die Rotationsachse 130 dreht, zu verstehen. Der Drehstrom ist ein mehrphasiger Wechselstrom wie etwa ein Zweiphasen- oder Dreiphasenwechselstrom. Das heißt, die Wicklung 150 ist eine Drehstromwicklung, deren Spulenanordnung sich zum Führen des Drehstroms eignet. Beispielsweise kann die zweite Wicklung 150 relativ zur Rotationsachse 130 gleichmäßig über den Rotorumfang verteilte Leiter umfassen, die zu mehreren räumlich versetzten Wicklungssträngen zusammengeschaltet sind. Die Wicklungsstränge können denselben Spulenaufbau und die gleiche Gesamtwindungszahl haben. Die Wicklungsstränge können im Falle eines Dreiphasenwechselstroms zueinander 120° relativ zur Rotationsachse 130 versetzt angeordnet sein. Im letztgenannten Fall kann in jedem der drei Wicklungsstränge ein Wechselstrom mit 120° Phasenversatz zum Wechselstrom der jeweils zwei anderen Wicklungsstränge fließen.The rotor 120 comprises a winding 150 which is designed to carry a three-phase current. The three-phase current generates a rotating magnetic field. The rotating field is to be understood as any magnetic field which continuously rotates around the rotation axis 130. The three-phase current is a multi-phase alternating current such as a two-phase or three-phase alternating current. This means that the winding 150 is a three-phase winding whose coil arrangement is suitable for carrying the three-phase current. For example, the second winding 150 can comprise conductors which are evenly distributed over the circumference of the rotor relative to the rotation axis 130 and which are connected together to form several spatially offset winding strands. The winding strands can have the same coil structure and the same total number of turns. In the case of a three-phase alternating current, the winding strands can be arranged offset from one another by 120° relative to the rotation axis 130. In the latter case, an alternating current with a phase shift of 120° to the alternating current of the other two winding phases can flow in each of the three winding phases.

Die Wicklung 150 kann sich etwa entlang der Rotationsachse 130 über zumindest einen Großteil der Länge des Rotors 120 erstrecken. Die Wicklung 150 ist in 1a, 1b und 1c als zwei Leiterabschnitte 152 und 154 dargestellt. Der Leiterabschnitt 152 ist in der oberen Hälfte des in 1a, 1b und 1c gezeigten Längsschnitts der Synchronmaschine 100 angeordnet, der Leiterabschnitt 154 ist in der unteren Hälfte angeordnet.The winding 150 may extend approximately along the rotation axis 130 over at least a large part of the length of the rotor 120. The winding 150 is in 1a , 1b and 1c as two conductor sections 152 and 154. The conductor section 152 is in the upper half of the 1a , 1b and 1c shown longitudinal section of the synchronous machine 100, the conductor section 154 is arranged in the lower half.

Das Drehfeld ist axial zur Rotationsachse 130 ausgerichtet, d.h., eine Hauptrichtung von Magnetfeldlinien des Drehfelds verläuft axial (parallel) zur Rotationsachse 130. Der Rotor 120 kann etwa durch das Drehfeld entlang des Rotorumfangs magnetische Pole aufweisen, die sich entsprechend des Drehstroms bilden. Der Rotor 120 ist ausgebildet, sich abhängig vom Drehfeld um die Rotationsachse 130 zu drehen. Der Rotor 120 kann durch seine Drehstrom-Bestromung also als Elektromagnet fungieren, der durch magnetische Krafteinwirkung auf den Rotor 120 eine Rotation des Rotors 120 bewirken kann.The rotating field is aligned axially to the rotation axis 130, i.e., a main direction of magnetic field lines of the rotating field runs axially (parallel) to the rotation axis 130. The rotor 120 can have magnetic poles along the circumference of the rotor, for example due to the rotating field, which are formed in accordance with the three-phase current. The rotor 120 is designed to rotate around the rotation axis 130 depending on the rotating field. The rotor 120 can therefore function as an electromagnet due to its three-phase current supply, which can cause the rotor 120 to rotate by exerting magnetic force on the rotor 120.

Beispielsweise dreht sich der Rotor 120 entsprechend einer Drehzahl des Drehfeldes relativ zum Stator 110 um die Rotationsachse 130. Die Rotation des Rotors 120 kann also über das Drehfeld geregelt werden. Die Synchronmaschine 100 kann somit eine „Rotorregelung“ ermöglichen.For example, the rotor 120 rotates around the rotation axis 130 relative to the stator 110 in accordance with a rotational speed of the rotating field. The rotation of the rotor 120 can therefore be controlled via the rotating field. The synchronous machine 100 can thus enable “rotor control”.

Insbesondere kann die Synchronmaschine 100 eine Axialflussmaschine (z.B. ein Scheibenläufermotor) sein. Eine solche Axialflussmaschine zeichnet sich durch ihre axiale Ausrichtung (parallel zur Rotationsachse 130) der Magnetfelder aus. Dadurch kann die Synchronmaschine 100 sehr flach gebaut werden. Der Rotor 120 kann den gesamten Durchmesser der Synchronmaschine 100 nutzen, was bei gleicher Kraft und Energieverbrauch zu einer höheren Hebelwirkung als bei Radialflussmaschinen führen kann, d.h., die Drehmomentdichte kann höher sein.In particular, the synchronous machine 100 can be an axial flux machine (e.g. a disc motor). Such an axial flux machine is characterized by its axial alignment (parallel to the rotation axis 130) of the magnetic fields. This allows the synchronous machine 100 to be built very flat. The rotor 120 can use the entire diameter of the synchronous machine 100, which can lead to a higher leverage than with radial flux machines with the same power and energy consumption, i.e. the torque density can be higher.

Die Synchronmaschine 100 kann eine Axialflussanordnung mit der oben beschriebenen Rotorregelung kombinieren.The synchronous machine 100 can combine an axial flux arrangement with the rotor control described above.

Der Stator 110 umfasst eine magnetfelderzeugende Komponente 160. In 1a umfasst die magnetfelderzeugende Komponente 160 eine zweite Wicklung zur Erzeugung eines Erregermagnetfeldes. Die zweite Wicklung ist in 1a als zwei Leiterabschnitte 161 und 162 angedeutet. Die zweite Wicklung kann einen Gleichstrom führen, der das Erregermagnetfeld erzeugt. Das Erregermagnetfeld ist ein in seiner Polung und Magnetfeldstärke über den Gleichstrom regelbares Magnetfeld. Die zweite Wicklung kann etwa mehrere Wicklungsabschnitte umfassen, die gleichmäßig über den Statorumfang verteilt sind und sich entlang der Rotationsachse 130 über zumindest einen Großteil der Länge des Stators 110 erstrecken. Benachbarte Wicklungsabschnitte können eine unterschiedliche Polung aufweisen, um abwechselnd einen magnetischen Südpol und Nordpol entlang des Rotorumfangs zum Rotor 120 hin auszubilden. Alternativ kann die zweite Wicklung um die Rotationsachse 130 herumgewickelt sein. Im Stator 120 kann ein konstantes Erregermagnetfeld erzeugt werden. Der Rotor 120 ist dabei ausgebildet, sich abhängig vom Erregermagnetfeld um die Rotationsachse 130 zu drehen.The stator 110 includes a magnetic field generating component 160. In 1a the magnetic field generating component 160 comprises a second winding for generating an excitation magnetic field. The second winding is in 1a indicated as two conductor sections 161 and 162. The second winding can carry a direct current that generates the excitation magnetic field. The excitation magnetic field is a magnetic field whose polarity and magnetic field strength can be regulated via the direct current. The second winding can comprise several winding sections that are evenly distributed over the stator circumference and extend along the rotation axis 130 over at least a large part of the length of the stator 110. Adjacent winding sections can have a different polarity in order to alternately form a magnetic south pole and north pole along the rotor circumference towards the rotor 120. Alternatively, the second winding can be wound around the rotation axis 130. A constant excitation magnetic field can be generated in the stator 120. The rotor 120 is designed to rotate around the rotation axis 130 depending on the excitation magnetic field.

In 1c umfasst die magnetfelderzeugende Komponente 160 Permanentmagneten 165 und 166 zur Erzeugung des Erregermagnetfeldes. Im letztgenannten Fall kann die Synchronmaschine 100 durch eine Platzierung der Magneten 165 und 166 im Stator 110 eine bessere Kühlung erlauben. Die Magneten 165 und 166 können damit von außen durch ein Kühlsystem besser erreichbar sein oder deren Wärme kann aus dem Stator 110 besser abgeführt werden. Damit lässt sich wiederum eine kostengünstigere Ausführung mit geringerer Hitzebeständigkeit verwenden. Beispielsweise kann auf Magneten zurückgegriffen werden, die nicht oder nur in geringem Maße aus schweren seltenen Erden bestehen.In 1c the magnetic field generating component 160 comprises permanent magnets 165 and 166 for generating the excitation magnetic field. In the latter case, the synchronous machine 100 can allow better cooling by placing the magnets 165 and 166 in the stator 110. The magnets 165 and 166 can thus be more easily accessible from the outside through a cooling system or their heat can be better dissipated from the stator 110. This in turn allows a more cost-effective design with lower heat resistance to be used. For example, magnets can be used that do not consist of heavy rare earths or only consist of them to a small extent.

In 1b umfasst die magnetfelderzeugende Komponente 160 eine zweite Wicklung, die ausgebildet ist, einen zweiten Drehstrom zu führen. Die zweite Wicklung ist in 1b als zwei Leiterabschnitte 163 und 164 angedeutet. Der zweite Drehstrom erzeugt ein zweites magnetisches Drehfeld. Bei der dritten Wicklung handelt es sich demnach um eine Drehstromwicklung. Der Rotor 120 ist ausgebildet, sich abhängig vom zweiten Drehfeld um die Rotationsachse 130 zu drehen. Dadurch kann die Synchronmaschine 100 eine Doppelregelung der Rotation des Rotors 120 über das Drehfeld und das zweite Drehfeld ermöglichen.In 1b the magnetic field generating component 160 comprises a second winding which is designed to carry a second three-phase current. The second winding is in 1b indicated as two conductor sections 163 and 164. The second three-phase current generates a second magnetic rotating field. The third winding is therefore a three-phase current winding. The rotor 120 is designed to rotate about the rotation axis 130 depending on the second rotating field. As a result, the synchronous machine 100 can enable double control of the rotation of the rotor 120 via the rotating field and the second rotating field.

Das Drehfeld kann beispielsweise eine erste Drehzahl aufweisen, mit der sich das Drehfeld relativ zum Rotor 120 um die Rotationsachse 130 dreht. Das zweite Drehfeld kann beispielsweise eine zweite Drehzahl aufweisen, mit der sich das zweite Drehfeld relativ zum Stator 110 um die Rotationsachse 130 dreht. Die erste Drehzahl kann gleich, kleiner oder größer zur zweiten Drehzahl sein. Beispielsweise kann sich eine Drehzahl des Rotors 120 aus der ersten Drehzahl des Drehfeldes und der zweiten Drehzahl des zweiten Drehfeldes ergeben, z.B., kann das Drehfeld eine Grunddrehzahl vorgeben, während über das zweite Drehfeld eine Delta-Drehzahl eingestellt werden kann. Der Rotor 120 kann sich dadurch auf eine höhere Maximaldrehzahl regeln lassen.The rotating field can, for example, have a first speed at which the rotating field rotates relative to the rotor 120 about the rotation axis 130. The second rotating field can, for example, have a second speed at which the second rotating field rotates relative to the stator 110 about the rotation axis 130. The first speed can be equal to, smaller than, or larger than the second speed. For example, a speed of the rotor 120 can result from the first speed of the rotating field and the second speed of the second rotating field, e.g., the rotating field can specify a base speed, while a delta speed can be set via the second rotating field. The rotor 120 can therefore be regulated to a higher maximum speed.

Eine Drehrichtung des Drehfeldes kann gegensinnig zu einer Drehrichtung des zweiten Drehfeldes sein. Eine Drehzahl des Rotors 120 kann dadurch kleiner sein als die des Drehfeldes mit der größeren Drehzahl unter dem Drehfeld und dem zweiten Drehfeld. Beispielsweise kann sich die Drehzahl des Rotors 120 aus einer Differenz der ersten und der zweiten Drehzahl ergeben. Eine gegensinnige Drehrichtung kann also für eine Verringerung der Drehzahl des Rotors 120 oder eine Erhöhung eines Drehmoments des Rotors 120 vorteilhaft sein.A direction of rotation of the rotating field can be opposite to a direction of rotation of the second rotating field. A speed of the rotor 120 can therefore be lower than that of the rotating field with the higher speed among the rotating field and the second rotating field. For example, the speed of the rotor 120 can result from a difference between the first and the second speed. An opposite direction of rotation can therefore be advantageous for reducing the speed of the rotor 120 or increasing a torque of the rotor 120.

Die Rotation des Rotors 120 kann sich aus einem Zusammenspiel von Rotor- und Statorregelung ergeben. Es können sich hierbei Vorteile bei der Ummagnetisierung (Umpolung) des Drehfelds ergeben. Eine Magnetisierung im Rotor 120 oder im Stator 110 kann sich während eines Durchlaufs des Drehfelds beziehungsweise des zweiten Drehfelds ändern. Somit kann eine Häufigkeit der Ummagnetisierung im Stator 110 oder im Rotor 120 reduziert werden. Daraus entstehende Magnetisierungsverluste können auf Stator 110 und Rotor 120, z.B. je nach energieeffizienterer Konfiguration, verteilt werden.The rotation of the rotor 120 can result from an interaction between rotor and stator control. This can result in advantages in the remagnetization (polarity reversal) of the rotating field. A magnetization in the rotor 120 or in the stator 110 can change during a pass of the rotating field or the second rotating field. This can reduce the frequency of remagnetization in the stator 110 or in the rotor 120. The resulting magnetization losses can be distributed between the stator 110 and the rotor 120, e.g. depending on the more energy-efficient configuration.

Konstruktionsbedingt kann für die zweite Wicklung des Stators 110 ein betragsmäßig höherer Strom als für die Wicklung 150 des Rotors 120 vorgesehen sein. Da die zweite Wicklung mit Gleichstrom oder mit einem Drehstrom niedrigerer Stromstärke gespeist werden kann, kann eine aufwendigere Stromregelung für den Statorstrom entfallen. Stattdessen kann eine Regelung der Rotation des Rotors 120 hauptsächlich über den niedrigeren Drehstrom im Rotor 120 erfolgen. Es können damit in einem Stromrichter zur Umwandlung eines Versorgungsgleichstroms in den Drehstrom günstige und energieeffiziente MOSFET-Halbleiterbausteine (Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor), z.B. mit Galliumnitrid verwendet werden anstelle von IGBTs (Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode) oder MOSFETS mit teuren SiC-Chips (Siliziumkarbid).Due to the design, a higher current can be provided for the second winding of the stator 110 than for the winding 150 of the rotor 120. Since the second winding can be fed with direct current or with a three-phase current of lower current intensity, a more complex current control for the stator current can be omitted. Instead, the rotation of the rotor 120 can be controlled mainly via the lower three-phase current in the rotor 120. In a power converter, inexpensive and energy-efficient MOSFET semiconductor components (metal oxide semiconductor field effect transistors), e.g. with gallium nitride, can be used to convert a supply direct current into three-phase current instead of IGBTs (bipolar transistors with insulated gate electrodes) or MOSFETS with expensive SiC chips (silicon carbide).

Die Synchronmaschine 100 kann ferner eine Regelungsschaltung 170 umfassen, die ausgebildet ist, den Drehstrom abhängig von mindestens einem aus einer Solldrehzahl und einem Solldrehmoment des Rotors 120 zur Erzeugung des Drehfeldes zu regeln. Die Rotation des Rotors 120 kann sich also über den Drehstrom im Rotor einstellen lassen. Beispielsweise kann die Regelungsschaltung 170 ausgebildet sein, mindestens eines aus einer Stärke, einer Richtung und einer Frequenz des Drehstroms zur Erzeugung des Drehfeldes zu regeln. Die Regelungsschaltung 170 kann also verschiedene Parameter des Drehstroms regeln, was zusammen mit einem optionalen, anpassbaren Erregerstrom oder einem regelbaren, zweiten Drehstrom im Stator 110 eine dynamische Drehzahl- und Drehmomentregelung des Rotors 120 ermöglicht.The synchronous machine 100 can further comprise a control circuit 170 which is designed to control the three-phase current depending on at least one of a target speed and a target torque of the rotor 120 for generating the rotating field. The rotation of the rotor 120 can therefore be adjusted via the three-phase current in the rotor. For example, the control circuit 170 can be designed to control at least one of a strength, a direction and a frequency of the three-phase current for generating the rotating field. The control circuit 170 can therefore control various parameters of the three-phase current, which together with an optional, adjustable excitation current or a controllable, second three-phase current in the stator 110 enables dynamic speed and torque control of the rotor 120.

In manchen Ausführungsbeispielen ist die Regelungsschaltung 170 ausgebildet, den zweiten Drehstrom abhängig von mindestens einem aus einer Solldrehzahl und einem Solldrehmoment des Rotors 120 zur Erzeugung des zweiten Drehfeldes zu regeln. Dadurch kann die Regelungsschaltung 170 mehr mögliche Parameter zum Einstellen eines gewünschten Betriebspunkt der Synchronmaschine 100 haben und damit weitere Regelparameter, wie eine Energieeffizienz eines Stromrichters, der den Drehstrom und/oder den zweiten Drehstrom bereitstellt, bei der Regelung berücksichtigen. Die Regelungsschaltung 170 kann bei der Erzeugung des Drehfeldes eine Einhaltung konstruktionsbedingter Vorgaben für den Drehstrom oder den zweiten Drehstrom oder ein Erreichen von Betriebsoptima im Kennfeld der Synchronmaschine 100 erleichtern.In some embodiments, the control circuit 170 is designed to control the second three-phase current depending on at least one of a target speed and a target torque of the rotor 120 to generate the second rotating field. As a result, the control circuit 170 can have more possible parameters for setting a desired operating point of the synchronous machine 100 and can therefore take into account other control parameters, such as the energy efficiency of a power converter that provides the three-phase current and/or the second three-phase current, during the control. When generating the rotating field, the control circuit 170 can facilitate compliance with design-related specifications for the three-phase current or the second three-phase current or the achievement of operating optima in the characteristic map of the synchronous machine 100.

Zum Beispiel kann die Regelungsschaltung 170 ausgebildet sein, eine Frequenz des Drehstroms auf einen Wert zu regeln, der mindestens gleich groß ist wie eine Frequenz des zweiten Drehstroms. Dies kann vorteilhaft sein, wenn die Drehzahlregelung des Rotors 120 hauptsächlich durch den Drehstrom im Rotor 120 erfolgen soll, etwa wenn der zweite Drehstrom im Stator 110 eine höhere Stromstärke aufweist und daher eine Rotorregelung mit geringerem Aufwand zu realisieren ist.For example, the control circuit 170 can be designed to control a frequency of the three-phase current to a value that is at least as high as a frequency of the second three-phase current. This can be advantageous if the speed control of the rotor 120 is to be carried out primarily by the three-phase current in the rotor 120, for example if the second three-phase current in the stator 110 has a higher current intensity and therefore rotor control can be implemented with less effort.

Eine Drehrichtung des Drehfeldes kann gegensinnig oder gleichsinnig zu einer Drehrichtung des zweiten Drehfeldes sein. Zum Beispiel kann die Regelungsschaltung 170 die Drehzahl des Rotors 120 durch gegensinniges Umlaufen des Drehfeldes zum zweiten Drehfeld verringern und sie durch gleichsinniges Umlaufen vergrößern. Dadurch hat die Regelungsschaltung 170 mehr Regelungsmöglichkeiten beim Einstellen der Drehzahl des Rotors 120.A direction of rotation of the rotating field can be opposite or in the same direction as a direction of rotation of the second rotating field. For example, the control circuit 170 can reduce the speed of the rotor 120 by rotating the rotating field in the opposite direction to the second rotating field and increase it by rotating it in the same direction. This gives the control circuit 170 more control options when setting the speed of the rotor 120.

Die Synchronmaschine 100 umfasst ferner einen Drehstromanschluss 180, der elektrisch leitend mit der Wicklung 150 verbunden ist. Der Drehstromanschluss 180 ist in 1a, 1b und 1c mit der Welle 140 an einem rechten Ende des Rotors 120 verbunden.The synchronous machine 100 further comprises a three-phase connection 180, which is electrically connected to the winding 150. The three-phase connection 180 is in 1a , 1b and 1c connected to the shaft 140 at a right end of the rotor 120.

Die Synchronmaschine 100 kann eine Stromübertragungseinrichtung umfassen, die ausgebildet ist, den Drehstrom über den Drehstromanschluss 180 durch die Wicklung 150. Die Stromübertragungseinrichtung kann beispielsweise mehrere elektrische Leiter umfassen, die die Wicklung 150 mit einer (steuerbaren) Stromquelle verbinden. Die Stromübertragungseinrichtung kann einen Schleifkontakt und Gleitlager oder eine induktive Kopplung zum Drehstromanschluss 180 umfassen.The synchronous machine 100 can comprise a power transmission device that is designed to transmit the three-phase current via the three-phase connection 180 through the winding 150. The power transmission device can, for example, comprise a plurality of electrical conductors that connect the winding 150 to a (controllable) power source. The power transmission device can comprise a sliding contact and plain bearings or an inductive coupling to the three-phase connection 180.

2 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Fahrzeugs 200. Allgemein kann ein Fahrzeug als eine Vorrichtung aufgefasst werden, das einen oder mehrere Motoren sowie eines oder mehrere davon angetriebene Räder umfasst. Bei dem Fahrzeug 200 kann es sich sowohl um ein Personen- als auch um ein Nutzfahrzeug handeln. Zum Beispiel kann das Fahrzeug 200 ein Personenkraftwagen, ein Lastkraftwagen, ein Motorrad oder ein Traktor sein. Das Fahrzeug 200 umfasst zumindest ein Rad 210, das drehbar auf einer Abtriebswelle 220 gelagert ist. 2 shows a schematic representation of an embodiment of a vehicle 200 according to the invention. In general, a vehicle can be understood as a device that comprises one or more engines and one or more wheels driven by them. The vehicle 200 can be both a passenger vehicle and a commercial vehicle. For example, the vehicle 200 can be a passenger car, a truck, a motorcycle or a tractor. The vehicle 200 comprises at least one wheel 210 that is rotatably mounted on an output shaft 220.

Das Fahrzeug 200 umfasst ferner eine erfindungsgemäße Synchronmaschine 230, beispielsweise die mit Bezugnahme auf 1 beschriebene Synchronmaschine 100. Der Rotor der Synchronmaschine 230 ist ausgebildet, das Rad 210 anzutreiben.The vehicle 200 further comprises a synchronous machine 230 according to the invention, for example the one described with reference to 1 described synchronous machine 100. The rotor of the synchronous machine 230 is designed to drive the wheel 210.

Beispielsweise kann das Fahrzeug 200 eine Gleichstromquelle, z.B. eine Batterie, umfassen, die die Synchronmaschine 230 mit elektrischer Energie versorgt. Das Fahrzeug 200 kann einen Stromrichter umfassen. Eine Regelungsschaltung der Synchronmaschine 230 kann - basierend auf einer Sollwertvorgabe für eine Drehzahl oder ein Drehmoment des Rotors der Synchronmaschine 230 - einen Regelwert für den Stromrichter vorgeben, um den Versorgungsgleichstrom in den Drehstrom mit definierten Werten für Frequenz, Phase oder Stromstärke und optional in den zweiten Drehstrom und/oder in den Gleichstrom im Stator umzuwandeln.For example, the vehicle 200 can include a direct current source, e.g. a battery, which supplies the synchronous machine 230 with electrical energy. The vehicle 200 can include a power converter. A control circuit of the synchronous machine 230 can - based on a setpoint value for a speed or a torque of the rotor of the synchronous machine 230 - specify a control value for the power converter in order to convert the supply direct current into the three-phase current with defined values for frequency, phase or current intensity and optionally into the second three-phase current and/or into the direct current in the stator.

Aufgrund des Drehfelds, das durch den Drehstrom erzeugt wird, wirkt eine magnetische Kraft auf eine Antriebswelle 240. Eine Drehbewegung der Antriebswelle 240 um die Rotationsachse des Rotors kann sich entweder direkt oder über ein optionales Getriebe 250 auf die Abtriebswelle 220 des Rades 210 übertragen.Due to the rotating field generated by the three-phase current, a magnetic force acts on a drive shaft 240. A rotary movement of the drive shaft 240 about the rotation axis of the rotor can be transmitted to the output shaft 220 of the wheel 210 either directly or via an optional gear 250.

Das Fahrzeug 200 kann einen energieeffizienteren Betrieb und eine dynamischere Regelung der Synchronmaschine 230 ermöglichen. Die axiale Bauweise der Synchronmaschine 230 kann Bauraum und Gewicht des Fahrzeugs 200 einsparen, einen Energieverbrauch des Fahrzeugs 200 senken sowie dessen Maximaldrehmoment erhöhen.The vehicle 200 can enable more energy-efficient operation and more dynamic control of the synchronous machine 230. The axial design of the synchronous machine 230 can save space and weight of the vehicle 200, reduce energy consumption of the vehicle 200 and increase its maximum torque.

BezugszeichenReference symbol

100100: SynchronmaschineSynchronous machine
110110: Statorstator
120120: Rotorrotor
130130: RotationsachseRotation axis
140140: WelleWave
150150: WicklungWinding
152, 154152, 154: Leiterabschnitt der WicklungConductor section of the winding
160160: magnetfelderzeugende Komponentemagnetic field generating component
161, 162161, 162: Leiterabschnitt der zweiten WicklungConductor section of the second winding
163, 164163, 164: Leiterabschnitt der zweiten WicklungConductor section of the second winding
165, 166165, 166: PermanentmagnetePermanent magnets
170170: RegelungsschaltungControl circuit
180180: DrehstromanschlussThree-phase connection
200200: Fahrzeugvehicle
210210: Radwheel
220220: AbtriebswelleOutput shaft
230230: SynchronmaschineSynchronous machine
240240: Antriebswelledrive shaft
250250: Getriebetransmission

Claims

Synchronous machine (100), comprising: a stator (110); and a rotor (120) which is arranged axially spaced from the stator (110) and comprises a winding which is designed to carry a three-phase current, wherein the three-phase current generates a magnetic rotating field, wherein the rotating field is aligned axially with respect to a rotation axis (130) of the rotor (120), and wherein the rotor (120) is designed to rotate about the rotation axis (130) depending on the rotating field.

Synchronous machine (100) according to Claim 1 , wherein the rotor (120) rotates about the rotation axis (130) according to a speed of the rotating field relative to the stator (110).

Synchronous machine (100) according to one of the preceding claims, wherein the synchronous machine (100) is an axial flux machine.

Synchronous machine (100) according to one of the preceding claims, wherein the stator (110) comprises a permanent magnet or a second winding for generating an excitation magnetic field, and wherein the rotor (120) is designed to rotate about the rotation axis (130) depending on the excitation magnetic field.

Synchronous machine (100) according to one of the Claims 1 until 3 , wherein the stator (110) comprises a second winding which is designed to carry a second three-phase current, wherein the second three-phase current generates a second rotating magnetic field, and wherein the rotor (120) is designed, to rotate around the rotation axis (130) depending on the second rotating field.

Synchronous machine (100) according to one of the preceding claims, further comprising a control circuit (170) which is designed to control the three-phase current as a function of at least one of a target speed and a target torque of the rotor (120) for generating the rotating field.

Synchronous machine (100) according to Claim 6 , wherein the control circuit (170) is designed to control at least one of a strength, a direction and a frequency of the three-phase current for generating the rotating field.

Synchronous machine (100) according to one of the Claims 6 or 7 and Claim 5 , wherein the control circuit (170) is further designed to control the second three-phase current depending on at least one of a target speed and a target torque of the rotor (120) for generating the second rotating field.

Vehicle (200) comprising: at least one wheel (210); and a synchronous machine (230) according to one of the Claims 1 until 8th , wherein the synchronous machine (230) is designed to drive the at least one wheel (210).