DE19544307C1 - Circuit arrangement for feeding 2-phase electrical machine e.g. for city bus of the future - Google Patents
Circuit arrangement for feeding 2-phase electrical machine e.g. for city bus of the futureInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Speisung einer elektrischen Maschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.The invention relates to a circuit arrangement for feeding a electrical machine according to the preamble of claim 1.
Transversalflußmaschinen (TFM) wie sie beispielsweise aus der DE 35 36 538 A1 bekanntgeworden sind, sind spezielle elektrische Maschinen, die in ihrer Grundform einphasige Energiewandler darstellen. Die Hauptkomponenten einer solchen Transversalflußmaschine sind der stillstehende Ständer und ein darin drehbar angeordneter Läufer. Die für einen gewünschten Betriebspunkt der Transversalflußmaschine notwendige elektrische Energie kann auf verschiedene Art und Weise beispielsweise einem Wechselrichter derart aufbereitet werden, daß eine Spannung variabler Amplitude, Frequenz- und Phasenlage an die Maschinenklemmen gelegt wird. Die Transversalflußmaschine erzeugt dann ein Drehmoment, das in erster Näherung sinusförmig zwischen einem Maximalwert und Null periodisch mit dem elektrischen Drehwinkel schwingt. Maschinen mit einem derartigen Verhalten können weder selbständig anlaufen noch sind sie für den Einsatz als Antriebsaggregate geeignet. Gemäß der DE 37 05 089 A1 können zwei Transversalflußgrundmaschinen mechanisch miteinander gekoppelt und so zu einer zweiphasigen elektrischen Maschine kombiniert werden. Diese Maschinen werden so geregelt, daß im Zusammenwirken beider Maschinenteile ein von der Winkellage des Rotors unabhängiges mechanisches Drehmoment erzeugt wird. Ein derartiger aus zwei gleichartigen Teilmaschinen (elektrischen Phasen) aufgebauter Motor bildet für eine Vielzahl von Anwendungsfällen ein wirtschaftliches Optimum bezüglich Bauraum, Gewicht und Kosten. So ist beispielsweise die Verwendung einer zweiphasigen Transversalflußmaschine als elektrischer Einzelradantrieb für Citybusse der Zukunft vorgesehen (siehe auch "Elektrischer Einzelradantrieb für Citybusse der Zukunft", in: Der Nahverkehr 6- 1994, Alba-Fachverlag, Düsseldorf).Transverse flux machines (TFM), such as those described in DE 35 36 538 A1 have become known, are special electrical machines that in their Represent basic form single-phase energy converters. The main components such a transverse flux machine are the stationary stand and a rotor rotatably arranged therein. The for a desired operating point the transverse flux machine necessary electrical energy can different ways such as an inverter be prepared that a voltage of variable amplitude, frequency and Phase position is placed on the machine terminals. The Transverse flux machine then generates a torque that is in the first Approximation periodically with a sinusoidal between a maximum value and zero the electrical angle of rotation swings. Machines with such Behavior can neither start independently nor are they for use suitable as drive units. According to DE 37 05 089 A1, two Transverse flow basic machines mechanically coupled with each other and so too a two-phase electrical machine can be combined. This Machines are regulated so that the interaction of both Machine parts independent of the angular position of the rotor mechanical torque is generated. One of two similar sub-machines (electrical phases) built motor An economical optimum for a variety of applications in terms of installation space, weight and costs. For example, the Use of a two-phase transverse flux machine as an electrical one Independent wheel drive intended for city buses of the future (see also "Electric single wheel drive for city buses of the future", in: Nahverkehr 6- 1994, Alba specialist publishing house, Düsseldorf).
Der zur Energieversorgung einer der beiden Motorphasen notwendige Wechselrichter-Leistungsteil, wie er aus der DE 37 05 089 A1 bekanntgeworden ist, ist derart aufgebaut, daß zwischen den Potentialschienen eines Konstantspannungs-Zwischenkreises zwei schaltbare Gleichrichterhalbbrücken angeordnet sind und die Motorwicklungen an den Wechselspannungsanschlüssen der Gleichrichterhalbbrücken angeschlossen sind.The one necessary to supply energy to one of the two motor phases Inverter power section as it became known from DE 37 05 089 A1 is constructed in such a way that a Constant voltage intermediate circuit two switchable rectifier half bridges are arranged and the motor windings on the AC voltage connections of the rectifier half-bridges connected are.
Nachteilig an dieser Anspeisung speziell einer zweiphasigen Transversalflußmaschine gemäß dem Stand der Technik ist, daß hierfür immer vier Wechselrichterhalbbrücken erforderlich sind.A disadvantage of this feed, especially a two-phase one Transversal flux machine according to the prior art is that for this always four inverter half bridges are required.
Weiterer Nachteil ist, daß Spezialkabel verwendet werden müssen.Another disadvantage is that special cables must be used.
Aus der dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zugrundeliegenden DE 42 32 134 A1 und der EP 04 99 470 A2 sind Schaltungsanordnungen zum Speisen zweiphasiger Motoren mit einem dreiphasigen Wechselrichter bekannt geworden, wobei die Phasenwicklungen mit ihrem einen Anschluß jeweils mit einem Wechselrichter-Phasenanschluß und mit ihren anderen Anschlüssen gemeinsam mit einem dritten Wechselrichter-Phasenanschluß verbunden sind.From the underlying on which the preamble of claim 1 is based DE 42 32 134 A1 and EP 04 99 470 A2 Circuit arrangements for feeding two-phase motors with one three-phase inverter became known, the phase windings with one connection each with an inverter phase connection and with their other connections together with a third Inverter phase connection are connected.
Gemäß der DE 42 32 134 Al wurde, um bei einer derartigen Anspeisung für eine gleichmäßige Ventilauslastung im Wechselrichter zu sorgen, ein spezielles und sehr aufwendiges Ansteuerverfahren verwendet.According to DE 42 32 134 Al, in order for such a feed for to ensure even valve utilization in the inverter special and very complex control method used.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung anzugeben, die eine Speisung einer zweiphasigen Maschine durch ein dreiphasiges Umrichterleistungsteil bei möglichst gleichmäßiger Auslastung der Ventilzweige bei üblicher 120° phasenversetzter Umrichteransteuerung ermöglicht, ohne daß hierfür ein aufwendiges Ansteuerverfahren eingesetzt werden muß.The object of the invention is to provide a circuit arrangement which Feeding of a two-phase machine by a three-phase Inverter power section with as uniform a load as possible Valve branches with conventional 120 ° phase-shifted converter control enables without using a complex control method must become.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst.According to the invention, this object is achieved by the features of claim 1 solved.
Die dreiphasige Anspeisung einer Transversalflußmaschine überwindet nicht nur die oben geschilderten Nachteile des Standes der Technik sondern hat darüber hinaus noch weitere Vorteile. So kann durch die dreiphasige Anspeisung eine bestimmte Leistung über drei anstatt wie bisher über vier Zweige geschickt werden. Auf diese Art und Weise werden die Ventile des Wechselrichters besser ausgenutzt.The three-phase feed of a transverse flux machine does not overcome only has the disadvantages of the prior art described above but furthermore other advantages. So through the three-phase Feeding a certain output over three instead of four as before Branches are sent. In this way, the valves of the Inverter better exploited.
Des weiteren kann gegenüber der bisherigen Anspeisung einer Transversalflußmaschine vorteilhafterweise bei gleicher anliegender Klemmspannung bei einer dreiphasigen Anspeisung ein größerer Drehzahlbereich ausgenutzt werden.Furthermore, one can Transversal flux machine advantageously with the same applied Clamp voltage with a three-phase supply a larger one Speed range can be used.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous developments of the invention are the subject of Subclaims.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen ohne Beschränkung der Allgemeinheit beschrieben.The invention is described below using exemplary embodiments without Limitation of generality described.
Es zeigt:It shows:
Fig. 1 die Schaltungsanordnung zur Speisung einer zweiphasigen elektrischen Maschine mittels eines dreiphasigen Umrichterleistungsteils. Fig. 1 shows the circuit arrangement for feeding a two-phase electrical machine by means of a three-phase converter power part.
In der Figur ist die Schaltungsanordnung zur Speisung einer zweiphasigen elektrischen Maschine, im vorliegenden Fall einer Transversalflußmaschine 1 durch Anschaltung an ein dreiphasiges Umrichterleistungsteil 30 dargestellt. Transversalflußmaschinen sind elektrische Maschinen mit einer speziellen Art der Führung des magnetischen Flusses. Bei konventionellen Maschinen mit longitudinalem Magnetkreis wird der magnetische Fluß aus dem Luftspalt über den Statorzahn und das Joch dem im Umfangsrichtung benachbarten Pol zugeführt; der Fluß wird zwischen zwei Polen in Umfangsrichtung geführt, also in Richtung der Bewegung des Rotors. In der transversalen Anordnung wird dagegen der magnetische Fluß um 90° gedreht und in einer Ebene quer (transversal) zur Bewegungsrichtung zum axial benachbarten Pol geführt. Der Rotor besteht aus einem oder mehreren Ringen von in Umfangsrichtung alternierend magnetisierten Permanentmagneten mit dazwischenliegenden Weicheisenelementen. Die Statorbaugruppe einer Phase trägt U-förmige, geblechte Weicheisenelemente, in deren Aussparung eine Ringwicklung liegt. Das vereinfachte Ersatzschaltbild einer solchen Phase besteht aus einer Wechselspannungsquelle mit eingeprägter sinusförmiger Spannung und der Hauptinduktivität.The figure shows the circuit arrangement for supplying a two-phase electrical machine, in the present case a transverse flux machine 1, by connection to a three-phase converter power unit 30 . Transverse flux machines are electrical machines with a special way of guiding the magnetic flux. In conventional machines with a longitudinal magnetic circuit, the magnetic flux from the air gap is fed via the stator tooth and the yoke to the pole adjacent in the circumferential direction; the flow is conducted between two poles in the circumferential direction, that is in the direction of the movement of the rotor. In the transverse arrangement, on the other hand, the magnetic flux is rotated by 90 ° and guided in a plane transverse (transverse) to the direction of movement to the axially adjacent pole. The rotor consists of one or more rings of permanent magnets alternately magnetized in the circumferential direction with soft iron elements lying between them. The stator assembly of one phase carries U-shaped, laminated soft iron elements, in the recess of which there is a ring winding. The simplified equivalent circuit diagram of such a phase consists of an AC voltage source with an impressed sinusoidal voltage and the main inductance.
Mehrphasige Maschinen, wie sie aus der DE 35 36 538 und DE 37 05 089 bekanntgeworden sind, und deren Offenbarungsgehalt in diese Anmeldung voll umfänglich mit aufgenommen werden soll, erhält man auf einfache Art und Weise durch Zusammensetzen der zuvor in Kürze beschriebenen Einphasenmodule.Multi-phase machines, such as those from DE 35 36 538 and DE 37 05 089 have become known, and their disclosure content in this application is to be included in full extent in a simple manner and manner by assembling the single-phase modules previously described shortly.
Als besonders vorteilhaft für verschiedene Anwendungsgebiete haben sich zweiphasige Transversalflußmaschinen herausgestellt. Diese setzen sich aus zwei mechanisch nebeneinander angeordneten Phasen, einer ersten Phase 32 und einer zweiten Phase 33, zusammen. Bei dem Umrichterleistungsteil handelt es sich um einen Wechselrichter herkömmlicher Bauart, wie er bei der Speisung von üblichen Dreiphasenwechselstrommaschinen Verwendung findet. Solche Dreiphasenwechselrichter, die in großer Stückzahl kostengünstig gefertigt werden, sind aus einer Vielzahl von Schriften, beispielsweise aus dem Lehrbuch "Leistungselektronik, Technische Elektronik, Band 2" von Prof. Dr. Ing. Klaus Bystron, Karl Hanser-Verlag München, Wien, 1979 bekannt.Two-phase transverse flux machines have proven to be particularly advantageous for various fields of application. These are composed of two mechanically arranged phases, a first phase 32 and a second phase 33 . The converter power section is an inverter of conventional design, as used in the supply of conventional three-phase AC machines. Such three-phase inverters, which are inexpensive to manufacture in large numbers, are from a large number of documents, for example from the textbook "Power Electronics, Technical Electronics, Volume 2" by Prof. Dr. Ing. Klaus Bystron, Karl Hanser-Verlag Munich, Vienna, 1979 known.
Die zweiphasige Transversalflußmaschine mit der ersten Phase 32 und der zweiten Phase 33 kann vorzugsweise vier Außenanschlüsse 34, 35, 36, 37 umfassen. Diese Anschlüsse der Transversalflußmaschine 1 sind wie folgt an die drei Anschlüsse R, S, T des Standardumrichterleistungsteils angeschlossen:The two-phase transverse flux machine with the first phase 32 and the second phase 33 can preferably comprise four external connections 34 , 35 , 36 , 37 . These connections of the transverse flux machine 1 are connected to the three connections R, S, T of the standard converter power section as follows:
Anschluß 35 der ersten Phase ist mit Anschluß R des Umrichters über eine Leitung 40 verbunden. Der Anschluß 37 der zweiten Phase ist über Leitung 41 an Anschluß T des Umrichters 30 angeschaltet. Die Anschlüsse 34 und 36 der ersten und der zweiten Phase werden im Punkt 42 auf gemeinsames Potential gelegt und über Leitung 43 mit Anschluß S des Dreiphasenumrichters 30 verbunden.Terminal 35 of the first phase is connected to terminal R of the converter via a line 40 . The connection 37 of the second phase is connected via line 41 to connection T of the converter 30 . The connections 34 and 36 of the first and the second phase are connected to common potential at point 42 and connected via connection 43 to connection S of the three-phase converter 30 .
Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der die Anschlüsse 34 und 36 nicht als Außenanschlüsse der Transversalflußmaschine ausgeführt sind, sondern als Festverdrahtung der Anschlüsse 34 und 36 auf einen gemeinsamen Außenanschluß 42.An embodiment is particularly preferred in which the connections 34 and 36 are not designed as external connections of the transverse flux machine, but rather as hard wiring of the connections 34 and 36 to a common external connection 42 .
Selbstverständlich ist es auch möglich, in einer gegenüber der zuvor dargestellten etwas verschlechterten Ausführungsform den Anschluß 35 und 36 der TFM auf gemeinsames Potential zu legen und an den Anschluß S des Dreiphasenumrichters anzuschalten. In diesem Fall muß aber Anschluß 34 mit dem Anschluß R und Anschluß 36 mit dem Anschluß T des Dreiphasenumrichters verbunden werden. Of course, it is also possible, in a somewhat worse embodiment compared to the embodiment shown above, to connect the connections 35 and 36 of the TFM to a common potential and to connect them to the connection S of the three-phase converter. In this case, however, connection 34 must be connected to connection R and connection 36 to connection T of the three-phase converter.
Ein besonderer Vorteil der Speisung eines zweiphasigen Wicklungssystems durch ein dreiphasiges Standardumrichterleistungsteil ist auch darin zu sehen, daß Standarddrehstromkabel mit der hinlänglich bekannten Belegung der einzelnen Leitungen verwendet werden können.A particular advantage of feeding a two-phase winding system a three-phase standard converter power section also shows that that standard three-phase cables with the well-known assignment of individual lines can be used.
Die zweiphasige Transversalflußmaschine 1 selbst ist bei dreiphasiger Speisung derart ausgelegt daß jede Wicklung einer Phase Na, Nb in zwei Teilwicklungen Na(1), Na(2) sowie Nb(1) und Nb(2) aufgeteilt ist. Erfindungsgemäß erfolgt die Verschaltung der Teilwicklungen der unterschiedlichen Phasen der zweiphasigen Transversalflußmaschine bei Anschaltung an einen dreiphasigen Leistungsumrichter wie folgt:The two-phase transverse flux machine 1 itself is designed with three-phase supply such that each winding of a phase N a , N b is divided into two partial windings N a (1), N a (2) and N b (1) and N b (2). According to the invention, the partial windings of the different phases of the two-phase transverse flux machine are connected as follows when connected to a three-phase power converter:
Die erste Teilwicklung der ersten Phase Na(1) wird mit der zweiten Teilwicklung der zweiten Phase Nb(2) in Reihe geschaltet und die erste Teilwicklung der zweiten Phase Nb(1) wird mit der zweiten Teilwicklung der ersten Phase Na(2) in Reihe geschaltet.The first partial winding of the first phase N a (1) is connected in series with the second partial winding of the second phase N b (2) and the first partial winding of the second phase N b (1) is connected to the second partial winding of the first phase N a (1) 2) connected in series.
Unter den Randbedingungen eines möglichst gleichbleibenden
Drehmomentverlaufes über der Zeit bei einer zweiphasigen
Transversalflußmaschine, die eine Verschiebung der Durchflutung von 90° der
einzelnen Phasen zueinander erfordert (s.a. Elektrischer Einzelradantrieb für
Citybusse der Zukunft a.a.O.), und für den Fall eines symmetrischen
Dreiphasensystems mit gleich großen Strangströmen (siehe auch Dubbel,
Taschenbuch für den Maschinenbau, Seiten V8 bis V9, Springer-Verlag, Berlin
1995) hat sich gezeigt, daß bei vorgegebener Gesamtwindungszahl zur
Erreichung einer gewünschten Durchflutung die folgenden
Teilwindungszahlen zu einem optimalen Betriebsverhalten führen:
Windungszahl der ersten Teilwicklung der ersten Phase: Wa(1) = Wacos(15°),
Windungszahl der zweiten Teilwicklung der ersten Phase: Wa(2) = Wasin(15°),
Windungszahl der ersten Teilwicklung der zweiten Phase: Wb(1) = Wbcos(15°),
Windungszahl der zweiten Teilwicklung der zweiten Phase: Wb(2) = Wbsin(15°).Under the boundary conditions of a torque curve that remains as constant as possible over time in a two-phase transverse flux machine that requires a displacement of the flow of 90 ° of the individual phases to one another (see also electric single-wheel drive for city buses of the future cited above), and in the case of a symmetrical three-phase system with equally large phase currents (see also Dubbel, paperback for mechanical engineering, pages V8 to V9, Springer-Verlag, Berlin 1995) it has been shown that for a given total number of turns to achieve a desired flow, the following partial turn numbers lead to optimal operating behavior:
Number of turns of the first partial winding of the first phase: W a (1) = W a cos (15 °),
Number of turns of the second partial winding of the first phase: W a (2) = W a sin (15 °),
Number of turns of the first partial winding of the second phase: W b (1) = W b cos (15 °),
Number of turns of the second partial winding of the second phase: W b (2) = W b sin (15 °).
Bevorzugt sind die Gesamtwindungszahlen der ersten und der zweiten Phase gleich groß, es gilt also Wa = Wb.The total number of turns of the first and the second phase are preferably of the same size, that is to say W a = W b .
Die vorliegende Erfindung zeigt somit erstmals eine Schaltungsanordnung für eine zweiphasige Transversalflußmaschine, die von einem dreiphasigen Umrichter gespeist wird.The present invention thus shows for the first time a circuit arrangement for a two-phase transverse flux machine by a three-phase Converter is fed.
Claims (7)
jede Wicklung der beiden Phasen (Na, Nb) der elektrischen Maschine in je zwei Teilwicklungen unterteilt ist, und
die erste Teilwicklung der ersten Phase (Na(1)) mit der zweiten Teilwicklung der zweiten Phase (Nb(2)) der elektrischen Maschine und
die zweite Teilwicklung der ersten Phase (Na(2)) mit der ersten Teilwicklung der zweiten Phase (Nb(1)) der elektrischen Maschine in Reihe geschaltet ist.1. Circuit arrangement for feeding a two-phase electrical machine, the two-phase electrical machine ( 1 ) being connected to a three-phase converter power unit ( 30 ), the phase windings of which have one connection to a phase connection and the other connection to the third phase connection three-phase converter power section ( 30 ) is switched on, characterized in that
each winding of the two phases (N a , N b ) of the electrical machine is divided into two partial windings, and
the first partial winding of the first phase (N a (1)) with the second partial winding of the second phase (N b (2)) of the electrical machine and
the second partial winding of the first phase (N a (2)) is connected in series with the first partial winding of the second phase (N b (1)) of the electrical machine.
die Windungszahl der ersten Teilwicklung der ersten Phase (Wa(1)) gleich der ersten Teilwicklung der zweiten Phase (Wb(1)) der elektrischen Maschine und
die Windungszahl der zweiten Teilwicklung der ersten Phase (Wa(2)) gleich der zweiten Teilwicklung der zweiten Phase (Wb(2)) der elektrischen Maschine sind.2. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that
the number of turns of the first partial winding of the first phase (W a (1)) is equal to the first partial winding of the second phase (W b (1)) of the electrical machine and
the number of turns of the second partial winding of the first phase (W a (2)) is equal to the second partial winding of the second phase (W b (2)) of the electrical machine.
die Windungszahl der ersten Teilwicklung (Wa(1), Wb(1)) der elektrischen Maschine die Gesamtwindungszahl der jeweiligen Phase (Wa, Wb) der elektrischen Maschine * cos (15°) und
die Windungszahl der zweiten Teilwicklung (Wa(2), Wb(2)) der elektrischen Maschine die Gesamtwindungszahl der jeweiligen Phase (Wa, Wb) der elektrischen Maschine * sin (15°) ist.3. Circuit arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that for each phase
the number of turns of the first partial winding (W a (1), W b (1)) of the electrical machine the total number of turns of the respective phase (W a , W b ) of the electrical machine * cos (15 °) and
the number of turns of the second partial winding (W a (2), W b (2)) of the electrical machine is the total number of turns of the respective phase (W a , W b ) of the electrical machine * sin (15 °).
Priority Applications (3)
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 8100 | Publication of the examined application without publication of unexamined application | ||
| D1 | Grant (no unexamined application published) patent law 81 | ||
| 8364 | No opposition during term of opposition | ||
| 8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
Owner name: VOITH TURBO BETEILIGUNGS GMBH, 89522 HEIDENHEIM, D |
|
| 8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
Owner name: VOITH TURBO GMBH & CO. KG, 89522 HEIDENHEIM, DE |
|
| R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |
Effective date: 20130601 |