DE112019002040T5

DE112019002040T5 - Bürstenlose selbsterregte synchronmaschine mit feldwicklung

Info

Publication number: DE112019002040T5
Application number: DE112019002040.4T
Authority: DE
Inventors: Heath F. Hofmann
Original assignee: University of Michigan
Current assignee: University of Michigan
Priority date: 2018-04-17
Filing date: 2019-04-17
Publication date: 2021-01-07
Also published as: GB202016240D0; GB2587926B; CN112136269B; US20190319567A1; GB2587926A; WO2019204501A1; CN112136269A; US10770999B2

Abstract

Es wird eine bürstenlose selbsterregte Synchronmaschine mit Feldwicklung vorgestellt. Der Wechselstrom-Stator ist mit vier oder mehr Phasen konfiguriert, um bei unterschiedlichen räumlichen Harmonischen unabhängige Magnetfelder zu erzeugen. Wicklungen in dem Rotor sind konfiguriert, um mit den unterschiedlichen räumlichen Harmonischen magnetisch zu koppeln, die von dem Wechselstrom-Stator erzeugt werden. Genauer gesagt koppelt ein oszillierendes Feld, das von dem Stator erzeugt wird, magnetisch mit der Erregungswicklung an dem Rotor. Dies induziert eine Wechselstrom-Spannung, die zu einem Strom führt, der durch die Feldwicklung des Rotors fließt. Die Größe des Feldstromes wird daher durch die Größe des oszillierenden Feldes gesteuert. Der Wechselstrom-Stator erzeugt auch ein magnetisches Feld bei einer unterschiedlichen räumlichen Harmonischen, das magnetisch mit der Feldwicklung des Rotors koppelt. Diese Komponente interagiert mit dem Feldstrom, um ein Drehmoment zu erzeugen. Mit diesem Ansatz wird die Leistungsdichte der elektrischen Maschine signifikant erhöht, und zwar verglichen mit herkömmlichen Feldwicklungs-Konstruktionen.

Description

QUERBEZUG ZU VERWANDTEN ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der US-Patentanmeldung mit der Nr. 16/385,556 , die am 16. April 2019 eingereicht wurde, die wiederum die Vorteile der provisorischen US-Anmeldung mit der Nr. 62/658,850 beansprucht, die am 17. April 2018 eingereicht wurde. Die gesamten Offenbarungsinhalte der obigen Anmeldungen sind vorliegend durch Bezugnahme enthalten.
GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft elektrische Synchronmaschinen mit Feldwicklungen („synchronous field-winding electric machines“).
HINTERGRUND
Elektrische Maschinen, die in Antriebsanwendungen mit variablen Drehzahlen verwendet werden, wie der Antrieb von elektrischen Hybridfahrzeugen, sollten geringe Kosten und eine hohe Leistungsdichte haben bzw. bereitstellen. In Antrieben mit variablen Drehzahlen werden typischerweise vier Topologien von elektrischen Maschinen verwendet: Induktion, Reluktanz, Permanentmagnet (PM) und Synchron-Feldwicklungen. Diese fundamentalen Topologien können miteinander kombiniert werden. Ein Schlüsselbeispiel ist die Maschine mit innerem Permanentmagnet („interior permanent magnet“ (IPM)), die die Topologien von Reluktanz und Permanentmagnet kombiniert.
Permanentmagnetmaschinen und Feldwicklungsmaschinen unterscheiden sich von Induktions- und Reluktanzmaschinen dahingehend, dass der Rotor der Maschine eine unabhängige magnetische Erregung hat. Dies ermöglicht es diesen Topologien, dass sie höhere Drehmomentdichten haben. Unter gewissen vereinfachenden Annahmen (z.B. ein lineares magnetisches Verhalten) kann beispielsweise gezeigt werden, dass eine Synchronmaschine mit Feldwicklung („synchronous field-winding machine“) ein 30 % höheres Drehmoment erzeugen kann als eine Induktionsmaschine, und zwar für einen gegebenen Betrag von I2R-Verlusten in dem Stator und dem Rotor. Im Gegensatz hierzu erzeugt die Feldwicklungs-Maschine für ein gegebenes Drehmoment 30 % weniger Leitungsverluste als eine Induktionsmaschine.
Permanentmagnet- und Feldwicklungsmaschinen sind auch beide dazu in der Lage, einen einheitlichen Leistungsfaktor („unity power factor“) zu erreichen, im Gegensatz zu Induktanz- und Reluktanzmaschinen, wo ein maximaler Leistungsfaktor von 0,8 üblich ist. In Anwendungen zum Antrieb mit variabler Geschwindigkeit bzw. variabler Drehzahl („variable-speed drive“, VSD) bedeutet ein einheitlicher bzw. Einheitsleistungsfaktor, dass der VSD seine Spitzenleistungsfähigkeit (auf der Grundlage seiner Spannungs- und Strombegrenzungen) an die Maschine bereitstellen kann. Für eine gegebene Nennleistung („power rating“) der Maschine führt dies zu verringerten Kosten des VSD, da Transistoren mit niedrigeren Strom- und/oder Spannungs-Leistungsangaben („ratings“) verwendet werden können.
Schließlich ermöglicht die unabhängige Erregung der Synchron-Feldwicklung- und gewisser Permanentmagnet-Maschinen Konstruktionen, dass diese Maschinen eine konstante Leistung über einen weiten Drehzahlbereich erzielen („Constant Power over a Wide Speed Range“,CPWSR). Im Ergebnis stechen von den existierenden Maschinentopologien die Permanentmagnet- und Feldwicklungs-Maschinen als am wünschenswertesten hervor.
Permanentmagnet-Maschinen mit Seltene-Erde-Magneten sind bei hoch-performanten Anwendungen die Topologie der Wahl gewesen, da die Magnete magnetische Felder ohne die Leitungsverluste von Feldwicklungen erzeugen. Die Kosten von Seltene-Erde-Materialien haben sich jedoch als hoch volatil herausgestellt, was Interesse an der Entwicklung alternativer Technologien geweckt hat.
Die Betriebsweise von Synchron-Feldwicklungs-Maschinen bzw. Synchronmaschinen mit Feldwicklung ist ähnlich jener von Permanentmagnet-Maschinen, mit der Ausnahme davon, dass Elektromagnete anstelle von Permanentmagneten an dem Rotor existieren. Da die Hauptmaterialien in Feldwicklungsmaschinen Eisen und Kupfer sind, sind diese relativ kostengünstig.
Herkömmlicherweise treten die Feldwicklungs-Ströme von Synchron-Feldwicklungs-Maschinen in den Rotor über die Verwendung von Schleifringen ein. Dieser Ansatz ist jedoch nicht wünschenswert, und zwar aufgrund der Notwendigkeit eines rotierenden mechanischen Kontaktes, der Abnutzung unterworfen ist, aufgrund der Notwendigkeit für eine Hilfsschaltung zur Erzeugung und Steuerung des Feldwicklungs-Stromes, und aufgrund von zusätzlichem Raumbedarf, zusätzlicherMasse und zusätzlichenKosten, die sowohl mit dem Schleifring als auch mit der Hilfsschaltung einhergehen. Zur Übertragung der elektrischen Leistung, die von den Elektromagneten verbraucht wird, sind auch Dreh-Transformatoren oder bürstenlose Erreger („exciter“) verwendet worden. Dies erfordert jedoch einen derartigen Transformator als auch eine Leistungselektronikschaltung, die Leistung zu dem Rotor überträgt, was Kosten, Masse und Raumbedarf auch negativ beeinflusst.
Der vorliegende Abschnitt liefert Hintergrundinformation betreffend die vorliegende Offenbarung, wobei es sich hierbei nicht notwendigerweise um Stand der Technik handelt.
ÜBERBLICK
Der vorliegende Abschnitt stellt einen allgemeinen Überblick über die Offenbarung dar und ist keine umfassende Offenbarung mit ihrem gesamten Schutzbereich oder mit allen ihren Merkmalen.
Es wird eine elektrische Synchronmaschine mit Feldwicklung bzw. eine synchrone Feldwicklungs-Elektromaschine vorgestellt. Die elektrische Maschine beinhaltet einen Rotor und einen Wechselstrom-Stator („AC stator“), der benachbart zu und interoperabel mit dem Rotor angeordnet ist. In einer Ausführungsform ist der Wechselstrom-Stator mit vier oder mehr Phasen konfiguriert, um bei zwei oder mehr räumlichen Harmonischen („spatial harmonics“) unabhängige Magnetfelder zu erzeugen. Der Rotor beinhaltet eine Erregungswicklung und eine Feldwicklung. Die Feldwicklung ist elektrisch mit der Erregungswicklung gekoppelt. Die Erregungswicklung und die Feldwicklung sind so konfiguriert, dass sie mit den zwei oder mehr räumlichen Harmonischen des Wechselstrom-Ansteuersignals magnetisch koppeln, derart, dass die Erregungswicklung unabhängig von der Feldwicklung erregbar ist, und zwar durch unterschiedliche räumliche Harmonische des Wechselstrom-Ansteuersignals. Beispielsweise ist die Erregungswicklung dazu konfiguriert, mit einer gegebenen räumlichen Harmonischen der zwei oder mehr räumlichen Harmonischen des Wechselstrom-Ansteuersignals magnetisch zu koppeln, wohingegen die Feldwicklung dazu konfiguriert ist, mit einer anderen Harmonischen der zwei oder mehr räumlichen Harmonischen des Wechselstrom-Ansteuersignals magnetisch zu koppeln, derart, dass die gegebene Harmonische sich von der anderen Harmonischen unterscheidet. Ein Controller ist elektrisch mit Wicklungen des Wechselstrom-Stators gekoppelt und steuert die Magnetfelder bei den zwei oder mehr räumlichen Harmonischen unabhängig voneinander.
Während des Betriebs wird das Drehmoment der elektrischen Maschine als eine Funktion eines Stromes in der Feldwicklung und eines Stromes in dem Stator bestimmt, der die räumliche Harmonische erzeugt, die magnetisch mit der Feldwicklung koppelt.
In einer Ausführungsform ist der Wechselstrom-Stator mit fünf Wicklungen konfiguriert, und die Erregungswicklung ist ferner als eine Wicklung mit drei Phasen bzw. als dreiphasige Wicklung definiert. Die Feldwicklung kann elektrisch mittels einer Gleichrichterschaltung mit der Erregungswicklung gekoppelt sein, und der Controller kann über eine Inverter-Schaltung („inverter circuit“) mit den Wicklungen des Wechselstrom-Stators elektrisch gekoppelt sein.
In einigen Ausführungsformen ist die Erregungswicklung dazu konfiguriert, mit einer gegebenen Harmonischen der Magnetfelder zu koppeln, die von dem Wechselstrom-Stator erzeugt werden, und die Feldwicklung ist dazu konfiguriert, mit einer anderen Harmonischen magnetisch zu koppeln, die das Dreifache der gegebenen Harmonischen ist.
In einem weiteren Aspekt ist der Controller dazu konfiguriert, Messungen eines Stromes in Wicklungen des Stators zu empfangen und die Strommessungen in d-q-Ströme zu wandeln bzw. zu konvertieren, und zwar mittels bzw. unter Verwendung einer d/q-Transformation. Der Controller berechnet daraufhin eine Differenz zwischen den d-q-Strömen und einem Satz von Referenzströmen, wandelt die Differenzen in Spannungen um und erzeugt Befehlsspannungen für den Wechselstrom-Stator, und zwar unter Verwendung einer inversen d-q-Transformation („direct-quadrature-zero“).
Weitere Anwendungsgebiete ergeben sich aus der hier bereitgestellten Beschreibung. Die Beschreibung und genaue Beispiele dieses Überblicks sollen lediglich Illustrationszwecken dienen und sollen den Schutzbereich der vorliegenden Offenbarung nicht einschränken.
Figurenliste
Die vorliegend beschriebenen Zeichnungen dienen lediglich dem Zweck der Darstellung von ausgewählten Ausführungsformen und nicht von sämtlichen möglichen Implementierungen, und sollen den Schutzbereich der vorliegenden Offenbarung nicht einschränken.

1 ist ein Diagramm einer elektrischen Maschine, die über eine Schnittstelle mit einem Controller verbunden ist;
2A ist eine Querschnittsansicht einer beispielhaften Ausführungsform eines Stators, der koaxial zu einem Rotor angeordnet ist;
2B ist eine schematische Darstellung einer beispielhaften Statorschaltung zur Verwendung mit der elektrischen Maschine, die in 2A gezeigt ist;
2C ist eine schematische Darstellung einer beispielhaften Rotorschaltung zur Verwendung mit der elektrischen Maschine, die in 2A gezeigt ist;
3A ist ein Beispiel einer alternativen Ausführungsform für die Stator- und Rotor-Anordnung;
3B ist eine schematische Darstellung einer beispielhaften Rotorschaltung zur Verwendung mit der elektrischen Maschine, die in 3A gezeigt ist;
4 ist ein Diagramm einer Rückkopplungs-Steuertechnik bzw. Regelungs-Steuertechnik, die verwendet wird, um die elektrische Maschine zu steuern; und
5 ist ein Diagramm, das ein Beispiel eines Steueralgorithmus zeigt, der von dem Controller implementiert ist.

In den diversen Ansichten der Zeichnungen bezeichnen einander entsprechende Bezugszeichen einander entsprechende Teile .
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Beispielhafte Ausführungsformen werden nunmehr vollständiger unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
1 zeigt eine elektrische Maschine 10, die elektrisch mit einem Controller 14 gekoppelt ist. Die elektrische Maschine 10 beinhaltet einen Rotor und einen Stator. Der Stator ist benachbart zu dem Rotor angeordnet und interoperiert mit dem Rotor bzw. steht in Wechselwirkung mit dem Rotor. In einer Ausführungsform ist der Stator koaxial zu dem Rotor angeordnet, obgleich andere Anordnungen, einschließlich einer Anordnung Seite an Seite, in den Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung fallen. Eine elektrische Maschine ist ein generischer Ausdruck für Maschinen, die elektromagnetische Kräfte verwenden, einschließlich von elektrischen Motoren und Generatoren, jedoch nicht beschränkt hierauf.
Genauer gesagt ist der Stator mit vier oder mehr Phasen konstruiert, die unabhängige Magnetfelder bei zwei oder mehr räumlichen Harmonischen erzeugen können. Der Rotor beinhaltet eine Erregungswicklung und eine Feldwicklung. Die Feldwicklung ist elektrisch mit der Erregungswicklung gekoppelt, beispielsweise über eine Gleichrichterschaltung. Andere Mittel zum Übertragen der elektrischen Leistung von der Erregungswicklung auf die Feldwicklung sollen durch die vorliegende Offenbarung ebenfalls in Erwägung gezogen sein. Nachstehend werden unterschiedliche beispielhafte Ausführungsformen für den Stator und den Rotor weiter beschrieben.
Bei dieser elektrischen Maschine 10 sind die Rotorwicklungen so gewickelt, dass sie mit den unterschiedlichen räumlichen Harmonischen koppeln, die von den Statorwicklungen erzeugt werden. Unter Verwendung von feldorientierten Steuertechniken wird ein Magnetfeld von den Statorwicklungen bei einer gegebenen räumlichen Harmonischen erzeugt, die der Erregungswicklung zugeordnet ist und die in Bezug auf die Erregungswicklung rotiert. Dies induziert eine Wechselstrom-Spannung in der Erregungswicklung des Rotors, die in eine Gleichstrom-Spannung gleichgerichtet wird, und folglich in einen Strom, und zwar in der Feldwicklung des Rotors. Die Größe des Gleichstrom-Feldstromes wird daher durch die Größe des rotierenden Feldes gesteuert. Der Wechselstrom-Stator erzeugt auch eine Magnetfeldkomponente bei der räumlichen Harmonischen, die der Feldwicklung zugeordnet ist. Diese Komponente interagiert mit dem Feldwicklungs-Strom, wodurch ein Drehmoment erzeugt wird. Mit anderen Worten ist die Erregungswicklung des Rotors unabhängig von der Feldwicklung des Rotors erregbar, und zwar durch unterschiedliche räumliche Harmonische des Wechselstrom-Ansteuersignals. Bei diesem Ansatz ist die Leistungsdichte der Synchronmaschine mit Feldwicklung bzw. der Synchron-Feldwicklungs-Maschine signifikant erhöht, und zwar verglichen mit herkömmlichen Feldwicklungs-Konstruktionen.
Der Controller 14 reguliert bzw. steuert den Strom, der den Wicklungen des Stators zugeführt wird, und zwar gemäß einem Steueralgorithmus, der nachstehend beschrieben wird. In einer beispielhaften Ausführungsform ist der Controller 14 als ein Mikrocontroller implementiert. Es versteht sich, dass die Logik für den Steueralgorithmus in Hardware-Logik, in Software-Logik oder in einer Kombination von Hardware- und Software-Logik implementiert werden kann. In dieser Hinsicht kann der Controller 14 ein digitaler Signalprozessor (DSP), ein Mikroprozessor, ein Mikrocontroller oder eine andere programmierbare Vorrichtung sein oder einen digitaler Signalprozessor (DSP), einen Mikroprozessor, einen Mikrocontroller oder eine andere programmierbare Vorrichtung enthalten, die mit Software programmiert wird, die die oben beschriebenen Verfahren implementiert. Es versteht sich, dass der Controller in einer Alternative durch andere Logikbauteile aufgebaut ist oder andere Logikbauteile beinhaltet, wie einen feldprogrammierbaren Gate-Array („Field Programmable Gate Array“, FPGA), ein komplex programmierbares Logikbauteil („complex programmable logic device“, CPLD), oder eine applikationsspezifische integrierte Schaltung („ASIC“).
2A stellt eine beispielhafte Ausführungsform eines Stators 21 dar, der koaxial zu einem Motor 24 angeordnet ist. In diesem Beispiel hat der Stator eine verteilte Anordnung („distributed arrangement“) mit 5 Phasen, 2 Polen und einer einzelnen Schicht. Genauer gesagt ist der Stator 21 mit fünf Phasen konfiguriert: einer a-Phasen-Wicklung, einer b-Phasen-Wicklung, einer c-Phasen-Wicklung, einer d-Phasen-Wicklung und einer e-Phasen-Wicklung, die an einem Statorkern 22 installiert sind. Jede Wicklung ist in zwei einander gegenüberliegende Schlitze gewickelt, die in einer inneren Umfangsfläche des Statorkerns 22 gebildet sind. Für Konstruktionen mit höheren Polzahlen werden durch die vorliegende Offenbarung auch andere Wicklungsanordnungen in Betracht gezogen. Während für den Stator eine verteilte Anordnung gezeigt ist, ist in anderen Ausführungsformen eine konzentrierte Anordnung für den Stator geeignet.
Unter Bezugnahme auf 2B sind die Statorwicklungen 25 miteinander verbunden, und zwar beispielsweise in einer Stern-Konfiguration, obgleich durch die vorliegende Offenbarung auch andere Konfigurationen angedacht bzw. ins Auge gefasst sind. An die Statorwicklungen 25 wird eine Spannung mittels einer Inverter-Schaltung 23 angelegt. Insbesondere ist die Inverter-Schaltung 23 eine fünf-phasige Inverterschaltung, die fünf Paare von Transistoren verwendet, wobei jedes Transistorpaar zwischen einer Spannungsquelle angeschlossen ist. Steuersignale werden an die Gate-Terminals der Transistoren angelegt, und zwar mittels des Controllers 14 in Übereinstimmung mit einem Steueralgorithmus, wodurch die Spannungen erzeugt werden, die an die jeweiligen Wicklungen des Stators 21 angelegt werden. Die Inverter-Schaltung 23 ist illustrativ dargestellt und soll nicht einschränkend sein.
Unter fortgesetzter Bezugnahme auf 2A und 2C beinhaltet der Rotor 24 eine Erregungswicklung 26 und eine Feldwicklung 28. Die Erregungswicklung 26 ist gebildet durch verteilte Transformatorwicklungen mit 3 Phasen, 2 Polen und einer einzelnen Schicht („3-phase, 2-pole, single-layer distributed transformer windings“), wobei die drei Phasen eine a-Phasenwicklung, eine b-Phasenwicklung und eine c-Phasenwicklung beinhalten. Jede Wicklung ist in zwei gegenüberliegende Schlitze gewickelt, die an einer äußeren Umfangsfläche des Rotors 24 gebildet sind. Die Feldwicklung 28 ist eine 1-phasige, 6-polige konzentrierte oder verteilte Feldwicklung. Die Feldwicklung 28 ist in Schlitze gewickelt, die zwischen jeweiligen Schlitzen für die Erregungswicklungen angeordnet sind. Das heißt, die Erregungswicklung hat ein 2-poliges Wicklungsschema, und die Feldwicklung hat ein 6-poliges Wicklungsschema. Andere Möglichkeiten beinhalten, sind jedoch nicht beschränkt auf eine 4-polige Erregungswicklung und eine 12-polige Feldwicklung; eine 6-polige Erregungswicklung und eine 18-polige Feldwicklung, etc.
Eine schematische Darstellung einer beispielhaften Rotorschaltung ist in 2C gezeigt. In diesem Beispiel ist die Feldwicklung 28 elektrisch mittels einer Gleichrichterschaltung 27 mit den Erregungswicklungen 26 gekoppelt. Insbesondere ist die Gleichrichterschaltung 27 ein dreiphasiger Dioden-Gleichrichter. Das heißt, die Gleichrichterschaltung 27 ist weiter durch drei Paare von Dioden definiert. Für jede Phase ist eine erste Diode elektrisch zwischen einer gegebenen Phase und dem positiven Terminal der Feldwicklung gekoppelt, und ist eine zweite Diode elektrisch zwischen der gegebenen Phase und einem negativen Terminal der Feldwicklung gekoppelt. Andere Anordnungen für eine Gleichrichterschaltung oder alternative Koppelschaltungen fallen ebenfalls in den Schutzbereich der vorliegenden Offenbarung.
3 stellt eine weitere beispielhafte Ausführungsform für den Stator 21 und den Rotor 24 dar. In diesem Beispiel verwendet der Stator eine 5-phasige, 2-polige Konstruktion; dahingegen hat die Erregungswicklung des Rotors eine einphasige, sechs-polige Konstruktion, und die Feldwicklung hat eine einphasige, zwei-polige Konstruktion. In einigen Ausführungsformen kann der Rotor 24 Permanentmagnete zusätzlich zu der Erregungswicklung und der Feldwicklung beinhalten. Andere Anordnungen für den Stator 21 und den Rotor 24 fallen auch in den Rahmen der breiteren Aspekte der vorliegenden Offenbarung.
Unter fortgesetzter Bezugnahme auf die Ausführungsform, die in 2 gezeigt ist, ist der Drehmomentausgang der elektrischen Maschine 10 gegeben durch: $τ_{e m} = \frac{5 N_{p}}{4} M_{a f} i_{f} i_{q 3},$
wobei N_p die Anzahl der Pole ist, wobei M_af die wechselseitige Induktanz („mutual inductance“) zwischen der Feldwicklung und Ankerwicklungen des Stators ist und wobei if der Feldstrom ist. Wie nachstehend erläutert, können i_d1 und i_q1 dazu verwendet werden, um Spannungen in die Erregungswicklung zu induzieren, die dann gleichgerichtet werden, um den Feldstrom zu erzeugen, wobei i_q3 dazu verwendet wird, um mit dem resultierenden Feldstrom ein Drehmoment zu erzeugen, wobei i_d3 dazu verwendet werden kann, eine Feldschwächung bei hohen Drehzahlen zu erzielen (kollektiv als die d-q-Ströme bezeichnet). Es ist anzumerken, dass diese Ströme in eingeschwungenem Zustand konstant sein werden, was die Regulierung bzw. Steuerung vereinfacht.
Um die d-q-Ströme zu regulieren bzw. zu steuern und um ein gewünschtes Drehmoment zu erreichen, kann eine Rückkopplungs-Steuertechnik bzw. Regelungs-Steuertechnik verwendet werden, wie sie in 4 gezeigt ist. Ein Strom in den Statorwicklungen wird gemessen und dient als ein Eingang für den Steueralgorithmus. Diese Strommessungen werden in d-q-Ströme konvertiert, beispielsweise unter Verwendung einer d/q-Transformation („direct-quadrature-zero“). Die konvertierten d-q-Ströme werden von den Referenzströmen subtrahiert, um ein Fehlersignal zu erzeugen, das als Eingang für den Rückkopplungs-Controller bzw. den Regler 43 dient. D-q-Spannungen werden von dem Rückkopplungs-Controller 43 ausgegeben. Die d-q-Spannungen können dann in Befehlsspannungen für die Inverter-Schaltung konvertiert werden, und zwar beispielsweise unter Verwendung einer inversen d/q-Transformation 44. Auf diese Art und Weise sind die Befehlsspannungen jene Spannungen, die an jeweilige Statorwicklungen angelegt werden, um die Soll- oder gewünschten d-q-Ströme zu erreichen bzw. zu erzielen.
5 stellt den Steueralgorithmus mit größerer Genauigkeit dar. Nochmals, der Steueralgorithmus wird an die fünf-phasige elektrische Maschine angelegt, die in 2 gezeigt ist. Die fundamentale räumliche Harmonische, die von dem Stator erzeugt wird, wird dazu verwendet, um die Erregungswicklung des Rotors zu erregen, und die dritte räumliche Harmonische, die von dem Stator erzeugt wird, interagiert mit dem Feldstrom, um Drehmoment zu erzeugen. Es ist anzumerken, dass der i_d1- und der i_q1-Strom auch ein kleines Drehmoment erzeugen, und zwar über ihre Interaktion mit den Erregungswicklungen.
Während des Betriebs kann der Strom in den Statorwicklungen unter Verwendung eines Erfassungswiderstandes oder unter Verwendung anderer bekannter Stromerfassungsverfahren gemessen werden. In einem Beispiel wird dieser gemessene Strom transformiert in zwei Sätze von α-β-Strömen, und zwar ein Satz für jede räumliche Harmonische, und einen „Zero-sequence“-Strom entsprechend dem Mittelwert der Phasenströme. Eine Clarke-Transformation kann wie folgt verwendet werden: $| [\begin{matrix} i_{α 1} \\ i_{β 1} \\ i_{α 3} \\ \begin{matrix} i_{β 3} \\ i_{0} \end{matrix} \end{matrix}] = \frac{2}{5} [\begin{matrix} cos (\frac{2 π * 0}{5}) & cos (\frac{2 π * 1}{5}) & cos (\frac{2 π * 2}{5}) & cos (\frac{2 π * 3}{5}) & cos (\frac{2 π * 4}{5}) \\ sin (\frac{2 π * 0}{5}) & sin (\frac{2 π * 1}{5}) & sin (\frac{2 π * 2}{5}) & sin (\frac{2 π * 3}{5}) & sin (\frac{2 π * 4}{5}) \\ cos (\frac{2 π * 0}{5}) & cos (\frac{2 π * 3}{5}) & cos (\frac{2 π * 6}{5}) & cos (\frac{2 π * 9}{5}) & cos (\frac{2 π * 12}{5}) \\ sin (\frac{2 π * 0}{5}) & sin (\frac{2 π * 3}{5}) & sin (\frac{2 π * 6}{5}) & sin (\frac{2 π * 9}{5}) & sin (\frac{2 π * 12}{5}) \\ \frac{1}{2} & \frac{1}{2} & \frac{1}{2} & \frac{1}{2} & \frac{1}{2} \end{matrix}] | [\begin{matrix} \begin{matrix} i_{a} \\ i_{b} \end{matrix} \\ i_{c} \\ i_{d} \\ i_{e} \end{matrix}]$
Der Zero-Sequence-Strom i_φ wird vorzugsweise auf Null begrenzt, und zwar aufgrund der Wicklungskonfiguration.
Die zwei Sätze von α-β-Strömen werden wiederum unter Verwendung einer Park-Transformation in unterschiedliche synchrone Referenzrahmen mit unterschiedlichen elektrischen Frequenzen transformiert, und zwar wie folgt: $\begin{array}{l} [\begin{matrix} i_{d 1} \\ i_{q 1} \end{matrix}] = [\begin{matrix} \begin{matrix} cos (θ_{s 1}) & sin (θ_{s 1}) \end{matrix} \\ \begin{matrix} -sin (θ_{s 1}) & cos (θ_{s 1}) \end{matrix} \end{matrix}] [\begin{matrix} i_{α 1} \\ i_{β 1} \end{matrix}], \\ [\begin{matrix} i_{d 3} \\ i_{q 3} \end{matrix}] = [\begin{matrix} \begin{matrix} cos (θ_{s 3}) & sin (θ_{s 3}) \end{matrix} \\ \begin{matrix} -sin (θ_{s 3}) & cos (θ_{s 3}) \end{matrix} \end{matrix}] [\begin{matrix} i_{α 3} \\ i_{β 3} \end{matrix}] \\ \frac{d θ_{s 1}}{d t} = ω_{s 1}, \\ \frac{d θ_{s 3}}{d t} = ω_{s 3} \end{array}$
In diesem Beispiel ist θ_s3 der elektrische Rotorwickel oder die Anzahl der Polpaare mal dem gemessenen Rotorwinkel, und dessen Ableitung ω_s3 ist die elektrische Rotordrehzahl bzw. die -geschwindigkeit. Die Frequenz ω_s1 ist verantwortlich zum Erregen der Erregungswicklung und kann gewählt werden, um die Gesamtspannungen und -ströme innerhalb der Inverter-Grenzen zu halten. θ_s3 wird aus der gemessenen Rotorposition berechnet. In einer Ausführungsform wird ω_s1 so gewählt, dass Spannungs- und Stromgrenzen eingehalten werden, und θ_s1 wird bestimmt, indem ω_s1 integriert wird. Die konvertierten d-q-Ströme werden von den Referenz-d-q-Strömen subtrahiert, um ein Fehlersignal zu erzeugen. Das Fehlersignal ist ein Eingang für einen Proportional-Integral-Controller, der d-q-Spannungen ausgibt. Die zwei Sätze von d-q-Spannungen werden in ihre α-β-Werte konvertiert, und zwar unter Verwendung einer inversen Park-Transformation wie folgt: $\begin{array}{l} [\begin{matrix} ν_{α 1} \\ ν_{β 1} \end{matrix}] = [\begin{matrix} \begin{matrix} cos (θ_{s 1}) & -sin (θ_{s 1}) \end{matrix} \\ \begin{matrix} sin (θ_{s 1}) & cos (θ_{s 1}) \end{matrix} \end{matrix}] [\begin{matrix} ν_{d 1} \\ ν_{q 1} \end{matrix}], \\ [\begin{matrix} ν_{α 3} \\ ν_{β 3} \end{matrix}] = [\begin{matrix} \begin{matrix} cos (θ_{s 3}) & -sin (θ_{s 3}) \end{matrix} \\ \begin{matrix} sin (θ_{s 3}) & cos (θ_{s 3}) \end{matrix} \end{matrix}] [\begin{matrix} ν_{d 3} \\ ν_{q 3} \end{matrix}] \end{array}$
Die zwei Sätze von α-β-Spannungen werden dann verwendet, um Tastzyklen („duty cycles“) zu bestimmen, die die entsprechenden 5-phasigen Spannungen erzeugen, und zwar in einem Mittelwertsinn („average-value sense“). Diese 5-phasigen Spannungen sind durch eine inverse Clarke-Transformation gegeben, und zwar wie folgt: $[\begin{matrix} v_{a} \\ v_{b} \\ v_{c} \\ \begin{matrix} v_{d} \\ v_{e} \end{matrix} \end{matrix}] = [\begin{matrix} 1 & 0 & 1 & 0 & 1 \\ cos (\frac{2 π * 2}{5}) & cos (\frac{2 π * 2}{5}) & sin (\frac{2 π * 3}{5}) & c o s (\frac{2 π * 3}{5}) & 1 \\ sin (\frac{2 π * 2}{5}) & sin (\frac{2 π * 2}{5}) & cos (\frac{2 π * 6}{5} d u r c h) & sin (\frac{2 π * 6}{5}) & 1 \\ cos (\frac{2 π * 3}{5}) & cos (\frac{2 π * 3}{5}) & cos (\frac{2 π * 9}{5}) & cos (\frac{2 π * 9}{5}) & 1 \\ sin (\frac{2 π * 3}{5}) & sin (\frac{2 π * 4}{5}) & sin (\frac{2 π * 12}{5}) & sin (\frac{2 π * 12}{5}) & 1 \end{matrix}] [\begin{matrix} \begin{matrix} v_{α 1} \\ v_{β 1} \end{matrix} \\ v_{α 3} \\ v_{β} \\ v_{0} \end{matrix}],$
wobei v₀ die Zero-Sequenz-Spannung ist, die als ein Freiheitsgrad verwendet werden kann, um dazu beizutragen, innerhalb der Spannungsbeschränkungen bzw. Spannungsgrenzen des Inverters zu bleiben. Um die Referenz- oder gewünschten d-q-Ströme zu erhalten, werden die 5-phasigen Spannungen an die entsprechenden Statorwicklungen angelegt. Der Controller 14 bildet eine Schnittstelle mit der Inverter-Schaltung 23, um die Spannungen zu erzeugen, die an die Statorwicklungen angelegt werden.
Der oben beschriebene Steueralgorithmus ist lediglich illustrativ bzw. beispielhaft und soll keine Beschränkung auf Steueralgorithmen darstellen, die mit den vorgeschlagenen elektrischen Maschinen verwendet werden können. Durch Tauschen bzw. Wechseln der fundamentalen und der dritten Harmonischen kann der Steueralgorithmus zur Verwendung mit jener elektrischen Maschine angepasst werden, diein 3 gezeigt ist. Eine Fachperson versteht, wie diese Steuerprinzipien auf andere Stator- und Rotoranordnungen zu erstrecken sind.
Die vorstehende Beschreibung der Ausführungsformen ist zum Zwecke der Illustration und der Beschreibung bereitgestellt. Sie soll nicht abschließend sein oder die Offenbarung beschränken. Individuelle Elemente oder Merkmale einer bestimmten Ausführungsform sind generell nicht beschränkend für jene bestimmte Ausführungsform, sind stattdessen, wo anwendbar, austauschbar und können in einer ausgewählten Ausführungsform verwendet werden, selbst wenn diese nicht spezifisch gezeigt oder beschrieben ist. Das Gleiche kann auch auf viele Arten und Wege variiert werden. Derartige Variationen sollen nicht so betrachtet werden, dass sie von der Offenbarung abweichen, und sämtliche derartige Modifikationen sollen in dem Schutzbereich der vorliegenden Offenbarung enthalten sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 16/385556 [0001]
US 62/658850 [0001]

Claims

Elektrische Maschine mit: einem Rotor; einem Wechselstrom-Stator, der benachbart zu und interoperabel mit dem Rotor angeordnet ist, wobei der Wechselstrom-Stator mit vier oder mehr Phasen konfiguriert ist, um bei zwei oder mehr räumlichen Harmonischen unabhängig magnetische Felder zu erzeugen; wobei der Rotor eine Erregungswicklung und eine Feldwicklung beinhaltet und die Feldwicklung elektrisch mit der Erregungswicklung gekoppelt ist, wobei die Erregungswicklung und die Feldwicklung dazu konfiguriert sind, die zwei oder mehr räumlichen Harmonischen des Wechselstrom-Ansteuersignals magnetisch zu koppeln, derart, dass die Erregungswicklung durch unterschiedliche räumliche Harmonische des Wechselstrom-Ansteuersignals unabhängig von der Feldwicklung erregbar ist; und einem Controller, der mit Wicklungen des Wechselstrom-Stators elektrisch gekoppelt ist und die magnetischen Felder bei den zwei oder mehr räumlichen Harmonischen unabhängig steuert.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1, wobei das Drehmoment der elektrischen Maschine als eine Funktion eines Stromes in der Feldwicklung und eines Stromes in dem Stator bestimmt ist, der die räumliche Harmonische erzeugt, die magnetisch mit der Feldwicklung koppelt.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1, wobei die Erregungswicklung dazu konfiguriert ist, magnetisch mit einer gegebenen Harmonischen der Magnetfelder zu koppeln, die von dem Wechselstrom-Stator erzeugt werden, und wobei die Feldwicklung dazu konfiguriert ist, magnetisch mit einer anderen Harmonischen zu koppeln, die das Dreifache der gegebenen Harmonischen ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1, wobei der Wechselstrom-Stator Wicklungen beinhaltet, die angeordnet sind, um ein Wechselstrom-Ansteuersignal zu erzeugen.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1, wobei der Wechselstrom-Stator mit fünf Wicklungen konfiguriert ist und wobei die Erregungswicklung ferner als eine dreiphasige Wicklung definiert ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1, wobei die Feldwicklung elektrisch mittels einer Gleichrichterschaltung mit der Erregungswicklung gekoppelt ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1, wobei der Controller elektrisch über eine Inverter-Schaltung mit den Wicklungen des Wechselstrom-Stators gekoppelt ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1, wobei der Controller dazu konfiguriert ist, Messungen eines Stromes in Wicklungen des Stators zu empfangen und die Strommessungen in d-q-Ströme zu wandeln, und zwar unter Verwendung einer d/q-Transformation.
Elektrische Maschine nach Anspruch 8, wobei der Controller eine Differenz zwischen den d-q-Strömen und einem Satz von Referenzströmen berechnet, die Differenzen in Spannungen wandelt und Befehlsspannungen für den Wechselstromstator erzeugt, und zwar unter Verwendung einer inversen d/q-Transformation.
Elektrische Maschine mit: einem Rotor; einem Wechselstrom-Stator, der benachbart zu und interoperabel mit dem Rotor angeordnet ist, wobei der Wechselstrom-Stator Wicklungen aufweist, die angeordnet sind, um bei zwei oder mehr räumlichen Harmonischen unabhängig Magnetfelder zu erzeugen; wobei der Rotor eine Erregungswicklung und eine Feldwicklung aufweist und die Feldwicklung elektrisch mittels einer Gleichrichterschaltung mit der Erregungswicklung gekoppelt ist, derart, dass die Erregungswicklung dazu konfiguriert ist, magnetisch mit einer gegebenen räumlichen Harmonischen der zwei oder mehr räumlichen Harmonischen des Wechselstrom-Ansteuersignals zu koppeln, und dass die Feldwicklung dazu konfiguriert ist, magnetisch mit einer anderen Harmonischen der zwei oder mehr räumlichen Harmonischen des Wechselstrom-Ansteuersignals zu koppeln, wobei die gegebene Harmonische sich von der anderen Harmonischen unterscheidet; und einem Controller, der elektrisch über eine Inverter-Schaltung mit Wicklungen des Wechselstrom-Stators gekoppelt ist und die magnetischen Felder an den zwei oder mehr räumlichen Harmonischen unabhängig steuert.
Elektrische Maschine nach Anspruch 10, wobei das Drehmoment der elektrischen Maschine als eine Funktion eines Stromes in der Feldwicklung und eines Stromes in dem Stator bestimmt ist, der die räumliche Harmonische erzeugt, die magnetisch mit der Feldwicklung koppelt.
Elektrische Maschine nach Anspruch 10, wobei die Erregungswicklung dazu konfiguriert ist, magnetisch mit einer gegebenen Harmonischen der Magnetfelder zu koppeln, die von dem Wechselstrom-Stator erzeugt werden, und wobei die Feldwicklung dazu konfiguriert ist, magnetisch mit einer anderen Harmonischen zu koppeln, die das Dreifache der gegebenen Harmonischen ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 10, wobei die Erregungswicklung eine 2-Pol-Wicklungsanordnung hat und wobei die Feldwicklung eine 6-Pol-Wicklungsanordnung hat.
Elektrische Maschine nach Anspruch 10, wobei die Erregungswicklung eine 4-Pol-Wicklungsanordnung hat und wobei die Feldwicklung eine 12-Pol-Wicklungsanordnung hat.
Elektrische Maschine nach Anspruch 10, wobei der Wechselstrom-Stator eine 4-Pol-Wicklungsanordnung hat.
Elektrische Maschine nach Anspruch 10, wobei der Controller dazu konfiguriert ist, Messungen eines Stromes in Wicklungen des Stators zu empfangen und die Strommessungen in d-q-Ströme zu wandeln, und zwar unter Verwendung einer d/q-Transformation.
Elektrische Maschine nach Anspruch 16, wobei der Controller eine Differenz zwischen den d-q-Strömen und einem Satz von Referenzströmen berechnet, die Differenzen in Spannungen wandelt und Befehlsspannungen für den Wechselstrom-Stator unter Erzeugung einer inversen d/q-Transformation erzeugt.