DE3616221A1

DE3616221A1 - Electrical machine

Info

Publication number: DE3616221A1
Application number: DE19863616221
Authority: DE
Inventors: Bernhard Dipl Ing Schwarz; Rainer Dr Ing Wuerslin
Original assignee: Mueller Arnold Co KG GmbH
Current assignee: Mueller Arnold Co KG GmbH
Priority date: 1986-05-14
Filing date: 1986-05-14
Publication date: 1987-11-19

Abstract

An electrical machine, for example a synchronous or an asynchronous machine, is specified which has a multi-phase armature winding (which has p pairs of poles) and at least one electronic actuating element for controlling the armature currents. In order to multiply the output power of the power-electronic components with the same multiplication of the number of semiconductor valves for the actuating elements, the ends of the multi-phase winding parts which in each case form one pair of poles are passed to the exterior and are supplied via in each case one electronic actuating element.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung.The invention relates to an electrical machine the specified in the preamble of claim 1 Genus.

Die Speisung elektrischer Maschinen über leistungselektronische Stellglieder gewinnt in zunehmendem Maße an Bedeutung. Dies gilt für einfache Antriebe kleiner Leistung, wie z. B. Pumpen oder Lüfter, für extrem hochwertige Antriebe kleiner und mittlerer Leistung, z. B. in Werkzeugmaschinen, sowie für Antriebe größter Leistung, z. B. in Lokomotiven. Mit zunehmender Ausgangsleistung der leistungselektronischen Stellglieder müssen jedoch in der Regel Einbußen hinsichtlich Qualität der Stellglieder, insbesondere aufgrund einer aus Verlustleistungsgründen sowie halbleitertechnologisch erforderlichen Reduktion der Schaltfrequenz, hingenommen werden. Diese Tatsache schlägt sich in einer höheren thermischen Beanspruchung sowie schlechteren dynamischen Eigenschaften solcher elektrischer Maschinen nieder. Der Ausweg über eine direkte Parallelschaltung von Ausgangsklemmen der leistungselektronischen Stellglieder ist im allgemeinen nicht möglich, da die erforderlichen Symmetrie- und Schutzeinrichtungen einen relativ hohen gerätetechnischen Aufwand bedingen.The supply of electrical machines via power electronics Actuators are gaining increasing Measure of importance. This applies to simple drives small power, such as B. pumps or fans for extremely high quality drives small and medium Performance, e.g. B. in machine tools, and for drives greatest performance, e.g. B. in locomotives. With increasing Output power of the power electronics Actuators, however, generally have to suffer losses with regard to the quality of the actuators, in particular due to a loss of power as well semiconductor technology required reduction of Switching frequency, are accepted. this fact translates into higher thermal stress as well as poorer dynamic properties of such electrical machines. The way out via a direct parallel connection of output terminals the power electronic actuators generally not possible because of the required Symmetry and protection devices a relative high equipment costs.

Bei einer bekannten elektrischen Maschine der eingangs genannten Art speist man zur Erhöhung der Antriebsleistung bei gegebener Schaltleistung der einzelnen Halbleiterventile eines als Pulswechselrichter ausgebildeten Stellgliedes die einzelnen Phasen ohne elektrische Verbindung untereinander innerhalb der Maschine jeweils über einen 4-Quadrantensteller. Die damit verbundene Verdopplung der Anzahl der Halbleiterventile (bei einer dreiphasigen Maschine 12 anstelle von 6 Halbleiterventilen) führt jedoch nur auf eine Ausgangsleistung des leistungselektronischen Stellgliedes, die um den Faktor höher ist.In a known electrical machine of the beginning mentioned type one feeds to increase the drive power given the switching capacity of the individual Semiconductor valves one as a pulse inverter trained actuator the individual phases without electrical Connection among themselves within the Machine each via a 4-quadrant controller. The related doubling of the number of Semiconductor valves (in a three-phase machine 12 instead of 6 semiconductor valves) leads only to an output power of the power electronic Actuator, which is higher by a factor.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer elektrischen Maschine der eingangs genannten Art eine zur Vervielfachung der Anzahl der für die leistungselektronischen Stellglieder erforderlichen Halbleiterventile proportionale Vervielfachung der Ausgangsleistung der leistungselektronischen Komponente zu erzielen.The invention has for its object in a electrical machine of the type mentioned to multiply the number of for the power electronics Actuators required semiconductor valves proportional multiplication of the output power the power electronic component achieve.

Die Aufgabe ist bei einer elektrischen Maschine der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Gattung erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichenteil des Anspruchs 1 gelöst. The task is with an electrical machine genus defined in the preamble of claim 1 According to the invention by the features in the label part of claim 1 solved.

Bei der erfindungsgemäßen Ausbildung der elektrischen Maschine steigt die Ausgangsleistung der leistungselektronischen Komponente proportional mit der Zahl der Stellglieder. Die einzelnen Stellglieder können damit optimal nach thermischer Beanspruchung und Schaltfrequenz ausgelegt werden. Die erforderliche Ausgangsleistung der Leistungselektronik wird dann durch die Vervielfachung der Stellglieder erzielt. Die Windungszahl der Polpaare der Ankerwicklung ist dabei der Ausgangsspannung des zugehörigen elektrischen Stellgliedes angepaßt.In the inventive design of the electrical Machine increases the output power of the power electronics Component proportional to the number the actuators. The individual actuators can thus optimal after thermal stress and Switching frequency can be designed. The required Output power of the power electronics is then achieved by multiplying the actuators. The number of turns of the pole pairs of the armature winding is thereby the output voltage of the associated electrical Adjusted actuator.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen 2-5.Advantageous embodiments of the invention result itself from the further claims 2-5.

Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels im folgenden näher beschrieben. Dabei zeigt die Zeichnung ein schematisches Schaltbild einer von einem Dreiphasennetz gespeisten dreiphasigen elektrischen Maschine.The invention is based on one in the drawing illustrated embodiment in the following described. The drawing shows a schematic Circuit diagram of one of a three phase network powered three-phase electrical machine.

Die in der Zeichnung schematisch dargestellte elektrische Dreiphasenmaschine kann als Synchron- oder Asynchronmaschine ausgebildet sein. Sie weist in bekannter Weise einen Stator oder Ständer 10 und einen im Ständer 10 rotierenden Rotor oder Läufer 11 auf. Der Ständer 10 trägt eine dreiphasige Ankerwicklung 12, die im Beispiel vierpolig ausgebildet ist. Allgemein kann die Dreiphasenwicklung p Polpaare aufweisen, wobei p eine ganze Zahl größer Null ist. Die von der Ankerwicklung 12 gebildeten Polpaare sind strichliniert symbolisch angedeutet und mit 13 und 14 bezeichnet. The electrical three-phase machine shown schematically in the drawing can be designed as a synchronous or asynchronous machine. In a known manner, it has a stator or stator 10 and a rotor or rotor 11 rotating in the stator 10 . The stator 10 carries a three-phase armature winding 12, which in the example has a four-pole design. In general, the three-phase winding can have p pole pairs, where p is an integer greater than zero. The pole pairs formed by the armature winding 12 are symbolically indicated by dashed lines and designated by 13 and 14 .

Die Ankerwicklung 12 ist in herkömmlicher Weise ausgebildet und kann eine Wellen- oder Schleifwicklung, eine Ein- oder Zweischichtwicklung sein. Die drei Wicklungsphasen sind mit 121, 122 und 123 bezeichnet, wobei der Wicklungsteil aus den Phasenteilwicklungen 121′, 122′, und 123′ das eine Polpaar 13 und der Wicklungsteil aus den Phasenteilwicklungen 121″, 122″ und 123″ das andere Polpaar 14 bilden. Bei der im Beispiel gezeigten vierpoligen Ankerwicklung 12 sind die Enden der Wicklung nach außen geführt und mit jeweils einem elektronischen Stellglied 15 bzw. 16 verbunden. Bei einer mehrpoligen Ankerwicklung werden jeweils die Enden der ein Polpaar bildenden mehrphasigen Wicklungsteile nach außen geführt und wiederum an einem Stellglied angeschlossen. Bei einer 2-p-poligen Ankerwicklung sind somit p elektronische Stellglieder vorhanden, wobei jeweils ein Stellglied mit den Enden eines ein Polpaar bildenden Wicklungsteiles verbunden ist. Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, ist die Ankerwicklung 12 zwischen den Polpaaren 13 und 14 in die Wicklungsteile 121′, 122′ und 123′ einerseits und 121″, 122″ und 123″ andererseits aufgetrennt. Innerhalb der einzelnen Polpaare sind die Wicklungsphasen miteinander im Stern verbunden, so daß jede der beiden Wicklungsteile 121′, 122′, 123′ bzw. 121″, 122″, 123″ in Stern geschaltet ist. Da die Sternpunkte im zeitlichen Mittel auf gleichem Potential liegen, ist jedoch ein Auftrennen der Sternpunkte zwischen den Polpaaren nicht unbedingt erforderlich.The armature winding 12 is designed in a conventional manner and can be a wave or grinding winding, a one or two-layer winding. The three winding phases are denoted by 121, 122 and 123 , the winding part of the phase part windings 121 ', 122', and 123 ' forming one pole pair 13 and the winding part of the phase part windings 121 ″, 122 ″ and 123 ″ forming the other pole pair 14 . In the four-pole armature winding 12 shown in the example, the ends of the winding are led outwards and connected to an electronic actuator 15 and 16 , respectively. In the case of a multi-pole armature winding, the ends of the multi-phase winding parts forming a pole pair are led outwards and in turn connected to an actuator. In the case of a 2- p- pole armature winding, there are p electronic actuators, one actuator being connected to the ends of a winding part forming a pole pair. As can be seen from the drawing, the armature winding 12 between the pole pairs 13 and 14 is separated into the winding parts 121 ', 122' and 123 ' on the one hand and 121 ″, 122 ″ and 123 ″ on the other. Within the individual pole pairs, the winding phases are connected to each other in a star, so that each of the two winding parts 121 ′, 122 ′, 123 ′ or 121 ″, 122 ″, 123 ″ is connected in a star. Since the star points are at the same potential over time, it is not absolutely necessary to separate the star points between the pole pairs.

Die beiden elektronischen Stellglieder 15, 16 sind aus einem Gleichspannungs-Zwischenkreis 17 gespeist, der an einem Drehstromnetz 18 angeschlossen ist. Sind bei einer 2-p-poligen Ankerwicklung p Stellglieder vorhanden, so können diese Stellglieder alle an dem gleichen Gleichspannungs-Zwischenkreis 17 angeschlossen werden, aber auch mit jeweils einem separaten Gleichspannungs-Zwischenkreis 17 verbunden sein.The two electronic actuators 15, 16 are fed from a DC intermediate circuit 17 , which is connected to a three-phase network 18 . If there are p actuators in a 2- p- pole armature winding, these actuators can all be connected to the same direct voltage intermediate circuit 17 , but can also be connected to a separate direct voltage intermediate circuit 17 .

Jedes Stellglied 15, 16 ist als dreiphasiger Pulswechselrichter mit insgesamt sechs Leistungstransistoren ausgebildet, wobei jeweils zwei Transistoren in Reihe und drei Transistorpaare zueinander und zu dem Ausgang des Gleichspannungs-Zwischenkreises 17 parallel geschaltet sind. An dem Verbindungspunkt der beiden Transistoren eines Transistorpaares ist jeweils das Wicklungsende einer Wicklungsphase angeschlossen.Each actuator 15, 16 is designed as a three-phase pulse inverter with a total of six power transistors, two transistors in series and three pairs of transistors being connected in parallel to one another and to the output of the DC link 17 . The winding end of a winding phase is connected to the connection point of the two transistors of a transistor pair.

Die Pulswechselrichter 15, 16 werden von einer Steuer- oder Regeleinrichtung in Form eines Mikrocomputers 18 gesteuert. Die Steuersignale für die einzelnen Pulswechselrichter 15, 16 bzw. für deren Leistungstransistoren werden aus der Drehzahl oder der Momentanstellung des Läufers 11 oder aus der Größe der in den Wicklungsphasen fließenden Ankerströme abgeleitet. Der Mikrocomputer 18 kann neben der Drehzahl- und/ oder Lagerregelung des Läufers 11 noch zusätzliche Aufgaben, z. B. bei einer Asynchronmaschine die Flußführung, wahrnehmen.The pulse inverters 15, 16 are controlled by a control or regulating device in the form of a microcomputer 18 . The control signals for the individual pulse inverters 15, 16 or for their power transistors are derived from the speed or the instantaneous position of the rotor 11 or from the size of the armature currents flowing in the winding phases. The microcomputer 18 can in addition to the speed and / or position control of the rotor 11 , additional tasks such. B. perceive the flow guidance in an asynchronous machine.

Eine Erhöhung der Polpaarzahl p einer Maschine hat, bei gegebener Drehzahl, eine gleiche Erhöhung der elektrischen Kreisfrequenz zur Folge. Infolgedessen ergeben sich auch höhere Eisenverluste, welche einer wesentlichen Erhöhung der Polpaarzahl entgegenstehen. Dieses Problem kann durch Modifikation der im Kennzeichenteil des Anspruchs 1 angegebenen Ausführungsform der elektrischen Maschine gemäß Anspruch 2 gelöst werden.An increase in the number of pole pairs p of a machine, at a given speed, results in an equal increase in the electrical angular frequency. As a result, there are also higher iron losses, which prevent a substantial increase in the number of pole pairs. This problem can be solved by modifying the embodiment of the electrical machine according to claim 2 specified in the characterizing part of claim 1.

Anstatt eine Trennung der Teilwicklungen 13, 14 derart vorzunehmen, daß sich hierdurch getrennte Polpaare ausbilden, können diese Teilwicklungen 13, 14 auch unmittelbar in den gleichen Nuten des Stators parallel, jedoch ohne elektrische Verbindung untereinander geführt werden. Diese Teilwicklungen können dann wiederum jeweils über ein leistungelektronisches Stellglied gespeist werden. Aufgrund der sehr guten magnetischen Kopplung zwischen den Teilwicklungen, welche sich bei dieser Ausführungsform ergibt, muß hier ein besonderes Augenmerk auf eine möglichst gleichmäßige Taktung der Pulswechselrichter gelegt werden. Selbstverständlich ist auch eine Kombination der beiden beschriebenen Ausführungsformen der Wicklung einer Maschine denkbar.Instead of separating the partial windings 13, 14 in such a way that separate pole pairs are formed in this way, these partial windings 13, 14 can also be guided in parallel directly in the same slots of the stator, but without an electrical connection to one another. These partial windings can then in turn be fed via a power electronic actuator. Because of the very good magnetic coupling between the partial windings, which results in this embodiment, special attention must be paid here to clocking the pulse-controlled inverters as evenly as possible. Of course, a combination of the two described embodiments of the winding of a machine is also conceivable.

Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel einer Dreiphasenmaschine beschränkt. Wegen der wachsenden Bedeutung pulswechselrichtergespeister dreiphasiger Synchron- und Asynchronmaschinen wurde die Beschreibung auf diesen Maschinentyp abgestellt. Grundsätzlich kann die Maschine m- phasig und 2-p-polig sein, wobei m und p ganze Zahlen und größer als 1 sind.The invention is not limited to the described embodiment of a three-phase machine. Because of the growing importance of pulse-inverter-fed three-phase synchronous and asynchronous machines, the description was based on this type of machine. Basically, the machine can be m- phase and 2- p -pole, where m and p are integers and greater than 1.

Claims

1. Electrical machine with a p- pole multiphase armature winding, where p is an integer greater than zero, in particular a three-phase asynchronous or synchronous machine, characterized in that the connecting terminals of the multiphase winding parts ( 121 ′, 121 ″, 122 ', 122 ″, 123', 123 ″ ) are guided to the outside and fed via an electronic actuator ( 15, 16 ), the individual pole pairs ( 13, 14 ) preferably having no electrical connection with one another within the machine.

2. Machine according to claim 1, characterized in that the winding ( 12 ) of the machine is carried out by at least two parallel, preferably mutually insulated conductors and that the resulting at least two identical partial windings each have a power electronic actuator ( 15, 16 ) are fed.

3. Machine according to claim 1 or 2, characterized in that the actuators ( 15, 16 ) are designed as multi-phase pulse inverters, the number of phases of which is equal to that of the armature winding ( 12 ).

4. Machine according to claim 1, 2 or 3, characterized in that said actuators ( 15, 16 ) are all fed from a single or in groups from a common intermediate circuit ( 17 ).

5. Machine according to one of claims 1 to 4, characterized in that the control signals for the power electronic actuators ( 15, 16 ), preferably their setpoints for the machine currents or their switching states from a common control or regulating device, preferably a microcomputer control system ( 18 ) can be specified for a position and / or speed control.