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Technisches Gebiets
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Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein Induktionsmotoren und insbesondere einen Neunphasen-Induktionsmotor zur Verwendung als Starter und als Drehstromgenerator.
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Hintergrund
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Maschinen, wie beispielsweise etwa Schleppfahrzeuge vom Raupentyp und andere geländegängige Fahrzeuge wie Bau-, Landwirtschafts- und Bergbaumaschinen, werden verwendet, um eine Reihe von Aufgaben zu erfüllen. Um diese Aufgaben effektiv auszuführen, erfordern solche Maschinen eine Leistungsquelle, die beträchtliche Leistung an ein Antriebssystem bereitstellt. Die Leistungsquelle kann einen Motor wie beispielsweise etwa einen Turbinenmotor, Dieselmotor, Benzinmotor oder Erdgasmotor umfassen, der betrieben wird, um einen Drehmomentausgang in einem Bereich von Drehzahlen zu erzeugen. Dieses Drehmoment wird in der Regel über das Antriebssystem an eine oder mehrere Traktionseinrichtungen über ein Getriebe geliefert, das mit dem Motor wirkverbunden ist.
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Um solche Maschinen zu starten, wird ein Startermotor mit der Fähigkeit, eine große Menge an Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen zu liefern, benötigt. Oft kann die Menge an elektrischer Leistung, die erforderlich ist, um einen Startermotor für eine relativ kurze Zeitperiode zu betreiben, die verfügbare Leistung in einer mobilen Energiespeichervorrichtung wie etwa einer Batterie beträchtlich erschöpfen. Um eine ausreichende Leistung in der Batterie für mehrere Startvorgänge der Leistungsquelle aufrecht zu erhalten, wird oft ein elektrischer Generator, wie etwa ein Drehstromgenerator, bereitgestellt, um die elektrische Leistung zu erzeugen, die zur Wiederaufladung der Batterie erforderlich ist. Wenn ein Induktionsmotor sowohl als Startermotor als auch als Drehstromgenerator verwendet wird, um elektrische Leistung zu erzeugen, muss der Induktionsmotor in der Lage sein, bei niedrigeren Drehzahlen und höherem Drehmoment zu arbeiten, wenn die Maschine gestartet wird, und auch bei höheren Drehzahlen und niedrigerem Drehmoment, während er noch ausreichende Leistung in seiner Eigenschaft als ein Drehstromgenerator oder Generator erzeugt.
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Ein beispielhafter Induktionsmotor, der sowohl als Starter als auch als Drehstromgenerator verwendet wird, ist in
US 5 977 679 A beschrieben.
US 5 977 679 A beschreibt einen Induktionsmotor umfassend einen Ständer, der einen zylindrischen Kern mit einer Vielzahl von inneren und äußeren Schlitzen und einer Vielzahl von ringförmigen Spulen aufweist, die um den Kern gewickelt und in die inneren und äußeren Schlitze eingelegt sind. Die Konstruktion des Induktionsmotors in
US 5 977 679 A soll eine beliebige Kombination der Anzahl der Pole und Phasen des Motors ermöglichen, und somit einen glatten Drehmomentbetrieb in dem Drehstromgenerator-Modus erlauben.
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Obwohl der in
US 5 977 679 A offenbarte Induktionsmotor bestimmte Vorteile bieten kann, indem er es erlaubt, dass ein Induktionsmotor sowohl in einem Startermodus und als Drehstromgenerator verwendet werden kann, weist der Motor immer noch eine Reihe von Nachteilen auf. Zum Beispiel muss, damit der Induktionsmotor in
US 5 977 679 A vom Motoranlass- in den Drehstromgenerator-Modus übergeht, die Anzahl von Phasen geändert werden, um eine Veränderung in der Anzahl der Pole zu berücksichtigen. Diese erforderliche Änderung der Anzahl von Phasen führt auch zu einer beträchtlichen Zunahme der elektronischen Komplexität eines Inverters, der mit den Spulen des Motors verbunden ist, um einen Mehrphasenbetrieb zu erlauben.
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Weiterhin zeigt
US 5 053 689 A ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Verbesserung der Leistung von Mehrphasen-Wechselstrommaschinen. Diese werden sowohl mit einer Grundfrequenz als auch mit einer ungeraden Harmonischen der Grundfrequenz angeregt. Die ungerade harmonische Flusswelle wird phasengesteuert, um mit den sonst vom Rotor erzeugten harmonischen Flusswellen zu interagieren. Das Zusammenspiel der harmonischen Flusswellen verbessert das Kippmoment, den Leistungsfaktor und den Wirkungsgrad der Mehrphasen-Wechselstrommaschine.
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Außerdem offenbart
US 7 075 265 B2 eine elektrische rotierende Maschine mit hoher Phasenfolge und verteilten Wicklungen, wobei die rotierende Induktionsmaschine, die fünf oder mehr verschiedene Phasen beinhaltet, Wicklungen aufweist, die gemäß einer Sinc-Funktion mit einer Cutoff-Frequenz verteilt sind, die niederwertige, räumliche Oberschwingungen zulassen, aber den Fluss von räumlichen Oberschwingungen höherer Ordnung verhindert. Dabei ist die Maschine mit Antriebsmitteln verbunden, die in der Lage sind, die dritte Harmonische in die Maschine einzuspeisen. Weiterhin sind die Wicklungen mit dem Antriebsmittel über eine Maschenverbindung verbunden und die Maschine weist fünf Phasen auf. Die offenbarten Systeme und Verfahren zielen darauf ab, eines oder mehrere der oben dargelegten Probleme zu überwinden.
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Zusammenfassung
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch einen elektrischen Induktionsmotor nach Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren zum Konfigurieren eines neunphasigen elektrischen Induktionsmotors nach Anspruch 10 gelöst. Die Unteransprüche beziehen sich auf bevorzugte Ausführungen der Erfindung.
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In einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist ein elektrischer Induktionsmotor dazu ausgestaltet, neun separate Stromeingänge an neun separaten Anschlussklemmen von neun Ausgangsphasen eines neunphasigen Inverters zu empfangen. Der Motor umfasst des Weiteren neun Wicklungen, die mit den neun separaten Anschlussklemmen verbunden sind, und eine Vielzahl von Schützen. Jeder der Vielzahl von Schützen ist dazu ausgestaltet, selektiv in einem Kreis geöffnet oder geschlossen zu werden, der neun Wicklungen umfasst, um selektiv die neun Wicklungen in einer Gitterkonfiguration oder einer Sternkonfiguration miteinander zu verbinden. Jede der neun Wicklungen ist dazu ausgestaltet, selektiv zwischen zwei der neun separaten Stromeingänge verbunden zu werden, mit einer Phasenwinkeldifferenz zwischen den zwei separaten Stromeingängen von 40 Grad. Jeder der Vielzahl von Schützen ist des Weiteren dazu ausgestaltet, selektiv geöffnet oder geschlossen zu werden, um einen Spannenwert für die Gitterkonfiguration von zwei herzustellen, wobei zwei die Anzahl der Inverterausgangsphasen zwischen einer Anschlussklemme einer der neun Wicklungen und einer Anschlussklemme einer weiteren der neun Wicklungen ist, die mit der einen der neun Wicklungen verbunden ist. Der Motor ist des Weiteren dazu ausgestaltet, selektiv eine erste der Harmonischen einer Treiberwellenform, die durch den neunphasigen Inverter erzeugt wird, und eine zweite, unterschiedliche der Harmonischen der Treiberwellenform, die durch den neunphasigen Inverter erzeugt wird, zu empfangen.
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In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung wird ein Verfahren zum Konfigurieren eines neunphasigen elektrischen Induktionsmotors mit neun Wicklungen und einer Vielzahl von Schützen offenbart, die in einem Kreis angeordnet sind, der die neun Wicklungen umfasst. Das Verfahren umfasst das selektive Öffnen oder Schließen eines jeden der Vielzahl von Schützen, um selektiv die neun Wicklungen in einer Gitterkonfiguration oder einer Sternkonfiguration miteinander zu verbinden. Das Verfahren umfasst des Weiteren das selektive Verbinden jeder der neun Wicklungen zwischen zwei von neun separaten Stromeingängen von neun Ausgangsphasen eines neunphasigen Inverters, mit einer Phasenwinkeldifferenz zwischen den zwei separaten Stromeingängen von 40 Grad. Das Verfahren umfasst des Weiteren das selektive Öffnen oder Schließen eines jeden der Vielzahl von Schützen, um einen Spannenwert für die Gitterkonfiguration von zwei zu ergeben, wobei zwei die Anzahl der Inverterausgangsphasen zwischen einer Anschlussklemme einer der neun Wicklungen und einer Anschlussklemme einer weiteren der neun Wicklungen ist, die mit der einen der neun Wicklungen verbunden ist. Das Verfahren umfasst auch das selektive Empfangen einer ersten der Harmonischen einer Treiberwellenform, die durch den neunphasigen Inverter erzeugt wird, und einer zweiten, unterschiedlichen der Harmonischen der Treiberwellenform, die durch den neunphasigen Inverter erzeugt wird.
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In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung wird ein elektrisches System für eine Maschine offenbart. Das elektrische System umfasst einen neunphasigen Inverter und einen neunphasigen Induktionsmotor, der dazu ausgestaltet ist, neun separate Stromeingänge an neun separaten Anschlussklemmen von neun Ausgangsphasen des neunphasigen Inverters zu empfangen. Der neunphasige Induktionsmotor umfasst neun Wicklungen und eine Vielzahl von Schützen. Jeder der Vielzahl von Schützen ist dazu ausgestaltet, selektiv in einem Kreis geöffnet oder geschlossen zu werden, der neun Wicklungen umfasst, um selektiv die neun Wicklungen in einer Gitterkonfiguration oder einer Sternkonfiguration miteinander zu verbinden. Jede der neun Wicklungen ist dazu ausgestaltet, selektiv zwischen zwei der neun separaten Stromeingänge verbunden zu werden, mit einer Phasenwinkeldifferenz zwischen den zwei separaten Stromeingängen von 40 Grad. Jeder der Vielzahl von Schützen ist des Weiteren dazu ausgestaltet, selektiv geöffnet oder geschlossen zu werden, um einen Spannenwert für die Gitterkonfiguration von zwei herzustellen, wobei zwei die Anzahl der Inverterausgangsphasen zwischen einer Anschlussklemme einer der neun Wicklungen und einer Anschlussklemme einer weiteren der neun Wicklungen ist, die mit der einen der neun Wicklungen verbunden ist. Der Motor ist des Weiteren dazu ausgestaltet, selektiv eine erste der Harmonischen einer Treiberwellenform, die durch den neunphasigen Inverter erzeugt wird, und eine zweite, unterschiedliche der Harmonischen der Treiberwellenform, die durch den neunphasigen Inverter erzeugt wird, zu empfangen.
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Figurenliste
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- 1 ist ein elektrisches Schema einer beispielhaften Verschaltungskonfiguration für einen neunphasigen elektrischen Induktionsmotor mit dem Spannenwert 2, wobei die Wicklungen in einer Gitterkonfiguration verbunden sind, und mit einer beispielhaften Abbildung von zwei Harmonischen der Treiberwellenform.
- 2 ist eine schematische Veranschaulichung der konfigurierbaren Wicklungen, die einem neunphasigen elektrischen Induktionsmotor mit Spannenwert 2 zugeordnet sind, der durch eine erste oder grundharmonische Wellenform angesteuert wird.
- 3 ist eine schematische Veranschaulichung der konfigurierbaren Wicklungen, die einem neunphasigen elektrischen Induktionsmotor mit Spannenwert 2 zugeordnet sind, der durch eine fünfte harmonische Wellenform angesteuert wird.
- 4 ist ein elektrisches Schema einer beispielhaften Verschaltungskonfiguration für einen neunphasigen elektrischen Induktionsmotor mit dem Spannenwert 2, wobei die Wicklungen in einer Sternkonfiguration verbunden sind.
- 5 ist ein Flussdiagramm, das ein beispielhaftes Verfahren zum Konfigurieren eines neunphasigen elektrischen Induktionsmotors mit dem Spannenwert 2 veranschaulicht.
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Detaillierte Beschreibung
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1 ist ein elektrisches Schema einer möglichen Konfiguration der elektrischen Verbindungen zwischen den Wicklungen in einem elektrischen Induktionsmotor, der zur Verwendung sowohl als Startermotor als auch als Drehstromgenerator in einer Maschine geeignet ist. Die Maschine, in welcher der elektrische Induktionsmotor verwendet werden kann, könnte eine beliebige Maschine umfassen, die eine Betriebsart ausführt, die mit einer Industrie, wie beispielsweise Bergbau, Bau, Landwirtschaft, Transport, oder einer anderen Industrie, die in der Technik bekannt ist, in Verbindung steht.
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Die Wicklungen des Induktionsmotors sind in einer Form, die üblicherweise als Gitterkonfiguration bekannt, ist in dem Schaltdiagramm von 1 gezeigt. In der in 1 dargestellten Implementierung können die Wicklungen auf einen ringförmigen Ständer (zusätzliche Merkmale des Ständers sind zur besseren Verdeutlichung weggelassen) eines neunphasigen elektrischen Induktionsmotors gewickelt sein. Ein Läufer (nicht dargestellt) kann drehbar innerhalb des ringförmigen Ständers montiert sein. Die Wicklungen L1 - L9 an dem Ständer in der beispielhaften, in 1 dargestellten Implementierung sind durch die Widerstände R1 - R9 dargestellt, die mit Induktanzen in Reihe verschaltet sind. Der Fachmann wird erkennen, dass die Darstellungen von Widerständen und Induktanzen in 1 symbolisch für beispielhafte elektrische Eigenschaften der Wicklungen L1 - L9 sind und nicht einschränkend sein sollen. Ein neunphasiger Inverter kann jeden von neun separaten Stromeingängen I1 - I9 (in 1 jeder symbolisch durch eine Spannungsquelle dargestellt, die parallel mit einem Widerstand geschaltet ist) an neun separate Anschlussklemmen an dem elektrischen Induktionsmotor liefern. Der neunphasige Induktionsmotor kann dazu ausgestaltet sein, die neun Stromeingänge an den neun Anschlussklemmen von neun Ausgangsphasen des neunphasigen Inverters zu empfangen. Der Motor kann des Weiteren eine Vielzahl von Schaltern oder Schützen (nicht dargestellt) umfassen. Jeder der Vielzahl von Schaltern oder Schützen kann dazu ausgestaltet sein, selektiv in einem Kreis geöffnet oder geschlossen zu werden, der die neun Wicklungen umfasst, um selektiv die neun Wicklungen entweder in der Gitterkonfiguration (in 1 dargestellt) oder einer Sternkonfiguration (in 4 dargestellt) miteinander zu verbinden. In der Gitterkonfiguration von 1 kann jede der neun Wicklungen dazu ausgestaltet sein, selektiv zwischen zwei der neun separaten Stromeingänge verbunden zu werden, mit einer Phasenwinkeldifferenz zwischen den zwei separaten Stromeingängen von 40 Grad. Zum Beispiel ist die Wicklung L1 zwischen der Stromeingangsquelle 11 und der Stromeingangsquelle 13 verbunden dargestellt. Die Wicklung L2 ist zwischen der Stromeingangsquelle 12 und der Stromeingangsquelle 14 verbunden dargestellt. Der Spannenwert für die Gitterkonfiguration in 1 ist zwei, wobei zwei die Anzahl der Inverterausgangsphasen zwischen einer Anschlussklemme einer der neun Wicklungen und einer Anschlussklemme einer weiteren der neun Wicklungen ist, die mit der einen der neun Wicklungen verbunden ist.
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Im Gegensatz zu der neunphasigen Gitterkonfiguration von 1 veranschaulicht 4 eine Variation mit einem neunphasigen Induktionsmotor, bei dem die Wicklungen in einer Sternkonfiguration verschaltet sind. In der neunphasigen Sternkonfiguration ist jede der Wicklungen L1 - L9 an einem Ende mit einer anderen Anschlussklemme verbunden, die dazu ausgestaltet ist, eine Spannung VI - V9 von dem neunphasigen Inverter zu empfangen. In der Sternkonfiguration ist das entgegengesetzte Ende jeder der Wicklungen an einen neutralen Punkt angeschlossen, der allen neun Wicklungen gemeinsam ist. Im Gegensatz zu der Gitterkonfiguration von 1 liefert die Sternkonfiguration von 4 denselben Strom durch alle Wicklungen. Die Sternkonfiguration kann daher einen höheren Stromfluss durch jede der Wicklungen erlauben, da der Strom zwischen den Wicklungen nicht geteilt wird. Die Gitterkonfiguration kann einen niedrigeren Stromfluss durch jede Wicklung und eine höhere Spannung über jede der Wicklungen liefern.
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Die rechte Seite von 1 veranschaulicht beispielhafte Graphen von zwei unterschiedlichen Harmonischen einer Treiberwellenform, die durch einen neunphasigen Inverter auf jeden der neun Stromeingänge I1 - I9 angewendet werden kann, die auf der linken Seite von 1 gezeigt sind. Wie in der Legende auf der linken Seite von 1 angegeben, kann eine beispielhafte Implementierung das selektive Empfangen einer 5ten Harmonischen der Treiberwellenform umfassen, die von dem Inverter an die Stromeingänge eines neunphasigen Induktionsmotors mit Gitterkonfiguration und einem Spannenwert von 2 geliefert wird. Die beispielhafte Implementierung kann auch das selektive Empfangen einer ersten Grundharmonischen der Treiberwellenform umfassen, die an die Stromeingänge eines neunphasigen Induktionsmotors mit Gitterkonfiguration und einem Spannenwert von 2 geliefert wird. Jede der Harmonischen der Treiberwellenform, die durch einen Inverter geliefert wird, ist eine zusammengesetzte Frequenz des Signals, die ein ganzzahliges Vielfaches der Grundfrequenz der Treiberwellenform ist. Die Anzahl der magnetischen Pole, die erzeugt werden, wenn Strom durch die Wicklungen strömt, verändert sich, wenn sich die Harmonischen der Treiberwellenform verändern. Verschiedene alternative Implementierungen können das selektive Empfangen einer ersten der Harmonischen der Treiberwellenform für bestimmte gewünschte Anwendungen des Induktionsmotors, und einer zweiten, unterschiedlichen Harmonischen für andere Anwendungen umfassen. Wie noch detaillierter beschrieben wird, kann eine erste Anwendung eine Anwendung mit niedriger Drehzahl und hohem Drehmoment umfassen, etwa den Betrieb des Induktionsmotors als Starter. Eine zweite Anwendung kann eine Anwendung mit hoher Drehzahl und niedrigem Drehmoment umfassen, etwa den Betrieb des Induktionsmotors als Drehstromgenerator oder Generator.
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In den beispielhaften Implementierungen, auf die 1 Bezug nimmt, führt eine erste harmonische Wellenform, die an die Wicklungen eines neunphasigen Induktionsmotors mit Gitterkonfiguration und einem Spannenwert von 2 zu zwei magnetischen Polen führen. Eine fünfte harmonische Wellenform, die an die Wicklungen desselben Motors angelegt wird, führt zur Erzeugung von zehn magnetischen Polen. Die zusätzlichen Pole werden als Ergebnis der Multiplikation der Anzahl von Sinuswellenspitzen, die durch die harmonische Treiberwellenform in einer ersten Grundharmonischen erzeugt wird, mit der Anzahl der Harmonischen erzeugt. Zum Beispiel erzeugt eine fünfte Harmonische fünfmal mehr Sinuswellenspitzen über dieselbe Zeitperiode als die erste oder Grundharmonische erzeugt. Daher führt das Ansteuern des Induktionsmotors mit einer höheren Harmonischen zur Erhöhung der Anzahl der magnetischen Pole, die durch den Fluss von Strom durch die Wicklungen des Motors erzeugt wird. Eine Erhöhung der Anzahl der Pole führt wiederum zu einer Erhöhung des Drehmoments, das durch den Induktionsmotor produziert wird. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die produzierte Menge an Drehmoment proportional zu der Menge an Strom ist, die durch die Wicklungen fließt. Wie in den Legenden von 1 dargestellt, nimmt die Menge an Strom, der durch die Wicklungen fließt, und daher die erzeugte Menge an Drehmoment zu, wenn die Treiberwellenform von einer ersten Harmonischen auf eine fünfte Harmonische geschaltet wird. In einer beispielhaften Implementierung gleicht insbesondere der Wicklungsstrom (auch synonym mit einem Phasenstrom), wenn eine erste Harmonische der Treiberwellenform an die Stromeingänge des neunphasigen Motors angelegt wird, dem Inverterstrom geteilt durch 1,28, während der Wicklungsstrom, wenn eine fünfte Harmonische der Treiberwellenform angelegt wird, dem Inverterstrom geteilt durch 0,68 gleicht.
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Der Vorteil der Veränderung der Harmonischen der Treiberwellenform, die von dem Inverter an den Motor angelegt wird, und dadurch der Veränderung der Anzahl magnetischer Pole, die von dem durch die Wicklungen fließenden Strom erzeugt werden, besteht darin, dass die Menge an Drehmoment, das von dem Motor produziert wird, durch elektronisches Verändern der Treiberwellenform verändert werden kann, die von dem Inverter synthetisiert wird. Dies bedeutet, dass keine physischen Veränderungen an dem Motor, wie Öffnen und Schließen von Schaltern oder Schützen erfolgen müssen, um eine gewünschte Veränderung des Ausgangsdrehmoments zu erzielen. In ähnlicher Weise kann die Veränderung der Harmonischen der Treiberwellenform, die von dem Inverter an den Motor angelegt wird, und die Veränderung der Anzahl magnetischer Pole dadurch, eine erhöhte Drehzahl des Motors und niedrigere Drehmomente ermöglichen. Die Spannung über jede der Wicklungen des Motors ist proportional zu der Drehzahl des Motors. Wie in den Legenden von 1 gezeigt, nimmt die Spannung über jede der Wicklungen und damit die Drehzahl des Läufers zu, wenn die Treiberwellenform von einer fünften Harmonischen auf eine erste Harmonische geschaltet wird. Insbesondere gleicht die Wicklungsspannung (synonym mit Phasenspannung), wenn eine fünfte Harmonische der Treiberwellenform angelegt wird, der Inverterspannung geteilt durch 1,46, während die Wicklungsspannung, wenn eine erste Harmonische der Treiberwellenform angelegt wird, der Inverterspannung geteilt durch 0,777 gleicht. Darüber hinaus können Veränderungen in den Harmonischen der Treiberwellenform, die durch den Inverter geliefert wird, auf glatte Weise erzielt werden, indem nacheinander die verschiedenen Beimischungen harmonischer Komponenten durchlaufen werden. Als Ergebnis gibt es keine plötzlichen Übergänge in der Ansteuerung, wenn zwischen den Betriebszuständen mit unterschiedlichen Harmonischen umgeschaltet wird.
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2 stellt eine diagrammatische Veranschaulichung der konfigurierbaren Wicklungen bereit, die dem neunphasigen Induktionsmotor mit Spannenwert 2 zugeordnet sind, wenn der Motor durch die erste Grundharmonische der Treiberwellenform, die durch den Inverter erzeugt wird, angesteuert wird. Der illustrierte Querschnitt zeigt nur die obere Hälfte der Ständerwicklungen, wobei die untere Hälfte (nicht dargestellt) ein Spiegelbild der oberen Hälfte darstellt. Wie in 2 dargestellt ist das Ergebnis der Ansteuerung des Motors mit der ersten Harmonischen der Treiberwellenform, die durch den Inverter erzeugt wird, die Erzeugung von zwei magnetischen Polen. Die geringe Anzahl magnetischer Pole führt dazu, dass jede der Wicklungen eine höhere Spannung sieht, als dies bei mehr Polen der Fall wäre, und daher nimmt die Drehzahl des Motors zu, während der Drehmomentausgang abnimmt (die Spannung über die Wicklungen ist proportional zur Drehzahl des Motors, während das Drehmoment proportional zur Anzahl der Pole ist).
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In einer beispielhaften Implementierung kann ein neunphasiger Induktionsmotor mit Gitterkonfiguration und einem Spannenwert von 2, der durch die erste Harmonische der Treiberwellenform des neunphasigen Inverters angesteuert wird, einen Inverterstrom von ungefähr 43 Ampere und eine Inverterspannung von ungefähr 33,9 Volt empfangen. Die Spannungen über jede der Wicklungen wären ungefähr 43,6 Volt, und der Strom, der durch jede der Wicklungen fließt, wäre ungefähr 33,5 Ampere. Wenn derselbe Motor dann durch die fünfte Harmonische der Treiberwellenform des neunphasigen Inverters angesteuert wird, steigt die Anzahl magnetischer Pole, die durch den Fluss von Strom durch die Wicklungen erzeugt wird, um einen Faktor fünf auf 10 Pole an. Die Querschnittansicht von 3 zeigt die obere Hälfte des Ständers und die Hälfte der 10 Pole. Der Inverterstrom für die fünfte Harmonische würde auf ungefähr 720 Ampere steigen, wobei der Strom, der durch jede der Wicklungen fließt, ungefähr 1020 Ampere beträgt. Die Inverterspannung für die fünfte Harmonische wäre ungefähr 26,8 Volt, während die Spannung über jede der Wicklungen ungefähr 18 Volt wäre. Die Zunahme der Anzahl magnetischer Pole als Ergebnis der Umschaltung von der ersten Harmonischen der Treiberwellenform des neunphasigen Inverters auf die fünfte Harmonische erhöht die Menge an Strom, der durch jede Wicklung fließt (von ungefähr 33,5 Ampere auf ungefähr 1020 Ampere). Der Motor ist in der Lage, mit dem höheren Wicklungsstrom beträchtlich mehr Drehmoment zu erzeugen, wenn auch mit niedrigeren Drehzahlen (ungefähr 100 U/min). In der beispielhaften, oben erläuterten Implementierung kann das durchschnittliche Drehmoment, das durch einen neunphasigen Motor mit Gitterkonfiguration und Spannenweite 2 mit der ersten Harmonischen angesteuert wird, ungefähr -7,62 Newtonmeter betragen, während das durchschnittliche Drehmoment, das durch denselben Motor mit der fünften Harmonischen erzeugt wird, ungefähr 559 Newtonmeter. Die Drehzahl des Motors kann von ungefähr 15.000 U/min für den neunphasigen Induktionsmotor mit Gitterkonfiguration und Spanne von 2 mit zwei magnetischen Polen (durch die erste Harmonische angesteuert) auf ungefähr 100 U/min mit den 10 Polen (durch die fünfte Harmonische angesteuert) abfallen.
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Die Impedanz der Kreise, die schematisch in 1 und 4 dargestellt sind, verändert sich, wenn sich die mechanische Last und Drehgeschwindigkeit des elektrischen Induktionsmotors verändert. Impedanz ist ein Maß für den Widerstand, den der Kreis einem Strom entgegensetzt, wenn eine Spannung angelegt wird. Änderungen der Harmonischen der Treiberwellenform, die an die Kreise angelegt wird, verändern auch die Impedanz, und zwar als Ergebnis der oben erläuterten Veränderungen der Anzahl der Pole, die bei jeder der verschiedenen Harmonischen erzeugt werden. Die Menge an Drehmoment (Last), die der Motor erzeugen kann, ist proportional zu der Menge an Strom, der durch jede der Wicklungen fließt, und proportional zu der Anzahl magnetischer Pole. Die Drehgeschwindigkeit des Motors ist proportional zu der Spannung, die über jede der Wicklungen geliefert wird. Daher kann die Gitterkonfiguration von 1 für einen neunphasigen Induktionsmotor mit Spanne 2, der bei einer fünften Harmonischen der Treiberwellenform des Inverters angesteuert wird, implementiert werden, wenn eine Drehung des Motors mit geringer Drehzahl und hohem Ausgang von Drehmoment gewünscht wird, etwa beim Starten der Maschine.
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Wenn der Motor im Drehstromgenerator- oder Generatormodus verwendet wird, kann der Motor mit höheren Drehzahlen als im Startermodus und einem niedrigeren Drehmomentausgang betrieben werden, während er noch immer dieselbe oder im Wesentlichen dieselbe Leistungsabgabe liefert. Wie oben erläutert können in einer beispielhaften Implementierung die Drehzahlen von ungefähr 100 U/min beim Starten auf bis zu 15.000 U/min im Generatormodus ansteigen. Um die bevorzugte Konfiguration für die hohen Drehzahl- und niedrigen Drehmomentanforderungen in einem Generatorbetriebsmodus zu erreichen, kann der neunphasige Induktionsmotor mit Gitterkonfiguration und Spanne 2 dazu ausgestaltet sein, selektiv die erste Grundharmonische der Treiberwellenform, die durch den neunphasigen Inverter erzeugt wird, zu empfangen. Die Anzahl magnetischer Pole, die durch den Fluss von Strom durch die Wicklungen erzeugt wird, kann von zehn Polen, wenn die fünfte Harmonische der Treiberwellenform an die Wicklungen angelegt wird, wie in 3 dargestellt, auf zwei Pole verringert werden, wenn die erste Grundharmonische angelegt wird, wie in 2 dargestellt. Diese Verringerung der Anzahl der Pole führt dazu, dass eine höhere Spannung an jede der Wicklungen geliefert wird, ohne die gesamte Inverterspannung beträchtlich zu erhöhen. In der beispielhaften, oben erläuterten Implementierung kann die Inverterspannung von ungefähr 26,8 Volt auf ungefähr 33,9 Volt ansteigen, wenn von der fünften Harmonischen auf die erste Harmonische geschaltet wird (eine Erhöhung um 26,5 %), während die Spannung über jede der einzelnen Wicklungen von ungefähr 18 Volt auf ungefähr 43,6 Volt ansteigen kann (eine Erhöhung um 142 %). Wenn die Harmonische der Treiberwellenform (und die Anzahl der Pole) dieselbe bleiben würde, wenn die Drehzahl des Motors von 100 U/min auf 15.000 U/min erhöht wird, würde dies zu einer beträchtlichen Erhöhung der Inverterspannung führen.
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Im Fall eines neunphasigen Induktionsmotors mit Spanne 2 könnte eine Erhöhung der Drehzahl des Motors von 100 U/min auf 15.000 U/min ohne entsprechende Verringerung der Harmonischen der Treiberwellenform und Verringerung in der Anzahl der Pole zu einer Erhöhung in einer Gleichspannung an dem Inverter von mehreren hundert Volt führen. Diese Erhöhung kann auch dazu führen, dass die Sicherheitsvorschriften erfordern, dass eine Bedienperson der Maschine für den Hochspannungsbetrieb qualifiziert sein muss. Die Verringerung der Anzahl der Pole beim Schalten von einer höheren Harmonischen (z. B. der fünften Harmonischen) auf eine niedrigere Harmonische (z. B. die erste Harmonische) in Übereinstimmung mit verschiedenen Implementierungen dieser Offenbarung ermöglicht den Betrieb mit höherer Drehzahl und niedrigerem Drehmoment ohne eine beträchtliche Erhöhung der Inverterspannung (z. B. die oben erläuterte Erhöhung um 26,5 %). Die Verringerung der Anzahl der Pole kann auch zu einer beträchtlichen Verringerung der Menge an Strom führen, der durch jede der Wicklungen fließt. Wie oben im Hinblick auf diese beispielhafte Implementierung für einen neunphasigen Induktionsmotor mit Gitterkonfiguration und einem Spannenwert von 2 erläutert, kann der Strom, der durch die Wicklungen fließt, wenn der Motor durch die fünfte Harmonische der Treiberwellenform angesteuert wird, ungefähr 1020 Ampere betragen. Dieser Strom kann auf ungefähr 33,5 Ampere sinken, wenn der Motor durch die erste Harmonische der Treiberwellenform angesteuert wird und die Drehzahl auf 15.000 U/min erhöht wird. Dies kann die Effizienz des Motors als Ergebnis der gleichzeitigen Verringerung von ohmschen Verlusten erhöhen, die bei höheren Stromflüssen gemäß dem Ohm'sehen Gesetz auftreten: P = I2R.
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Ein neunphasiger Inverter (nicht dargestellt), der mit dem Induktionsmotor an jedem von neun Anschlüssen verbunden ist, kann in der Lage sein, einen Wechselstrom variabler Spannung und variabler Frequenz an den Motor zu liefern. Der Inverter kann auch mit dem Induktionsmotor verwendet werden, wenn der Induktionsmotor als ein Wechselstromgenerator arbeitet. Der Inverter kann einen einzelnen Mikroprozessor oder mehrere Mikroprozessoren zusammen mit Hardware verkörpern, die andere elektronische Komponenten umfasst, etwa Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) und Komparatorschaltungen, die in PWM-Schaltungen, Firmware und Software implementiert sind, sowie verschiedene Kombinationen aller oben genannten. Verschiedene andere bekannte Schaltungen können dem Inverter zugeordnet sein, darunter Leistungsversorgungsschaltungen, Signalaufbereitungsschaltungen, Elektromagnet-Treiberschaltungen, Kommunikationsschaltungen und andere geeignete Schaltungen.
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Das Flussdiagramm, das in 5 dargestellt ist, veranschaulicht ein beispielhaftes Verfahren zum Konfigurieren des Induktionsmotors, der in den 1 bis 3 dargestellt ist; 5 wird im folgenden Abschnitt im Detail beschrieben.
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Gewerbliche Anwendbarkeit
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Der offenbarte neunphasige Induktionsmotor der Spanne 2 mit konfigurierbaren Wicklungen kann sowohl als Starter als auch als Drehstromgenerator oder Generator für elektrische Leistung verwendet werden. Auch Induktionsmotoren mit weniger oder mehr Phasen als der neunphasige Induktionsmotor können in Übereinstimmung mit den in dieser Offenbarung dargelegten Prinzipien verwendet werden. Wenn er als Starter verwendet wird, muss der Induktionsmotor ausreichendes Drehmoment erzeugen, um den Motor der Maschine zu starten, an der er montiert ist. Die Menge an Drehmoment, die der Motor erzeugen kann, kann proportional zu der Menge an Strom, der durch jede der Wicklungen fließt, und proportional zu der Anzahl magnetischer Pole sein. Das produzierte Drehmoment kann auch proportional zu der Anzahl magnetischer Pole sein, die von dem durch die Wicklungen des Motors fließenden Strom erzeugt werden. In einer beispielhaften Implementierung kann ein neunphasiger Inverter, der mit einem neunphasigen Induktionsmotor verbunden ist, dazu ausgestaltet sein, ein oder mehrere Signale zu empfangen, die eine Anforderung angeben, den Induktionsmotor zu betätigen, um einen Antriebsmotor zu starten. Der Inverter kann dann diese Signale verarbeiten und entsprechende Signale an die neun Anschlüsse des neunphasigen Induktionsmotors senden. Der Induktionsmotor kann dazu ausgestaltet sein, das eine oder die mehreren Signale von dem Inverter zu empfangen und das eine oder die mehreren Signale zu verarbeiten, um selektiv jeden der Vielzahl von Schützen zu öffnen oder zu schließen, um eine Gitterkonfiguration oder eine Sternkonfiguration herzustellen.
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Der Induktionsmotor kann des Weiteren dazu ausgebildet sein, das eine oder die mehreren Signale von dem Inverter zu empfangen, die eine Anforderung angeben, den Induktionsmotor zu betätigen, um einen Antriebsmotor zu starten, und das eine oder die mehreren Signale zu verarbeiten, um selektiv die fünfte Harmonische der Treiberwellenform, die durch den neunphasigen Inverter erzeugt wird, zu empfangen.
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Der Induktionsmotor kann gemäß verschiedener Implementierungen dieser Offenbarung auch als Drehstromgenerator zur Erzeugung elektrischer Leistung verwendet werden. Im Drehstromgenerator-Betriebsmodus kann der Induktionsmotor in der Lage sein, höhere Drehzahlen (z. B., 15.000 U/min) als beim Starten des Antriebsmotors (z. B., 100 U/min) zu bewältigen, aber gleichzeitig weniger Drehmoment als beim Starten des Antriebsmotors zu erzeugen. Ein Kompromiss zwischen höherem Strom und niedrigerer Spannung an jeder der Wicklungen während des Starter-Modus und höherer Spannung und niedrigerem Strom an jeder der Wicklungen während des Drehstromgenerator-Modus führt dazu, dass die Gesamtleistung, die verbraucht oder von dem Motor produziert wird, ungefähr gleich bleibt.
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Die Spannung über jede der Wicklungen des Motors ist proportional zu der Drehzahl des Motors. Daher übersetzen sich höhere Drehzahlen in höhere Spannungen über jede der Wicklungen. Eine Verringerung der Anzahl magnetischer Pole des Motors (z. B. von 10 Polen auf 2 Pole) ergibt eine höhere Spannung über jede der Wicklungen, ohne eine Erhöhung der Gesamtspannung über jedes Paar von Anschlüssen, die mit einem Inverter verbunden sind. In derselben beispielhaften Implementierung, die oben in Bezug auf die Verwendung des Induktionsmotors in einem Starter-Modus erläutert wurde, kann der neunphasige Inverter, der mit dem Induktionsmotor verbunden ist, auch dazu ausgestaltet sein, ein oder mehrere Signale zu empfangen, die eine Anforderung angeben, den Induktionsmotor als Drehstromgenerator zur Erzeugung von Elektrizität zu betreiben. Der Inverter kann dann diese Signale verarbeiten und entsprechende Signale an die neun Anschlüsse des neunphasigen Induktionsmotors senden. Der Induktionsmotor kann dazu ausgestaltet sein, das eine oder die mehreren Signale von dem Inverter zu empfangen und das eine oder die mehreren Signale zu verarbeiten, um selektiv jeden der Vielzahl von Schützen zu öffnen oder zu schließen, um entweder die Gitterkonfiguration oder die Sternkonfiguration herzustellen.
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Der Induktionsmotor kann des Weiteren dazu ausgebildet sein, das eine oder die mehreren Signale von dem Inverter zu empfangen, die eine Anforderung angeben, den Induktionsmotor als Drehstromgenerator zu betreiben, um Elektrizität zu erzeugen, und das eine oder die mehreren Signale zu verarbeiten, um selektiv die erste oder Grundharmonische der Treiberwellenform, die durch den neunphasigen Inverter erzeugt wird, zu empfangen.
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5 veranschaulicht ein beispielhaftes Verfahren zum Konfigurieren des in 1 bis 3 dargestellten Induktionsmotors. Der erste Schritt besteht darin, zu bestimmen, ob der Antriebsmotor läuft (Schritt: 500). Wenn der Antriebsmotor nicht läuft (Schritt: 500 = Nein), kann der Induktionsmotor dann, wenn ein Startbefehl empfangen wird (Schritt 502), in eine Gitterkonfiguration mit einem vorbestimmten Spannenwert (z. B. 9 Phasen, Spanne 2) geschaltet werden, wie in 1 dargestellt, indem der Schaltpfad verändert wird, durch welchen Strom durch die Wicklungen des Motors fließt (Schritt: 504).
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Neben der Schaltung des Induktionsmotors in die in 1 dargestellte Gitterkonfiguration kann die Harmonische der Treiberwellenform, die durch den Inverter an die Gitterkonfiguration angelegt wird, auf die fünfte Harmonische geändert werden, um die Anzahl magnetischer Pole auf 10 Pole zu erhöhen (Schritt: 506). Wie oben erläutert übersetzt sich die höhere Anzahl der Pole in ein höheres Drehmoment und eine niedrigere Drehzahl, was für den Starter-Betriebsmodus geeignet ist.
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Wenn der Antriebsmotor läuft (Schritt: 500 = Ja), kann der Induktionsmotor in eine Gitterkonfiguration mit einem vorbestimmten Spannenwert (z. B. 9 Phasen, Spanne 2) geschaltet werden, indem der Schaltpfad verändert wird, durch welchen Strom durch die Wicklungen des Motors fließt (Schritt: 512). Obwohl die in 5 dargestellte beispielhafte Implementierung das Schalten des Schaltpfades des Induktionsmotors in eine Gitterkonfiguration umfasst, können alternative Implementierungen das Schalten der Schaltung in eine Sternkonfiguration umfassen.
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Neben der Schaltung des Induktionsmotors in die etwa in 1 dargestellte Gitterkonfiguration kann die Harmonische der Treiberwellenform, die durch den Inverter an die Gitterkonfiguration angelegt wird, auf die erste oder Grundharmonische geändert werden, um die Anzahl magnetischer Pole auf 2 Pole zu verringern (Schritt: 514). Die verringerte Anzahl der Pole kann viel höhere Drehzahlen bei niedrigerem Drehmomentausgang mit verringerten ohmschen Verlusten ermöglichen, als Ergebnis der geringeren Menge an Strom, der durch die Wicklungen fließt.
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Dem Fachmann wird klar sein, dass verschiedene Modifikationen und Abwandlungen an dem Induktionsmotor der vorliegenden Offenbarung vorgenommen werden können. Weitere Ausführungsformen des Induktionsmotors und Verfahren zum Konfigurieren des Induktionsmotors werden dem Fachmann klar sein, wenn er die Beschreibung und praktische Ausführung der hierin offenbarten Verfahren in Betracht zieht. Die Beschreibung und die Beispiele sollen als rein beispielhaft betrachtet werden, wobei der wahre Schutzbereich der vorliegenden Offenbarung durch die folgenden Ansprüche und deren Äquivalente beschrieben wird.
