DE4205778A1 - Rotatorisch elektrische maschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine rotatorische elektrische Maschine gemäß dem Gattungsbegriff des Patentanspruchs 1.

Derartige Maschinen, die sowohl als Motor und auch als Generator betrieben werden können, sind beispielsweise aus den Veröffentlichungen EP 00 94 978 B1, EP 01 59 005 A2 und EP 03 31 180 A1 bekannt. Sie bestehen im wesentlichen aus zwei zueinander rotierbaren Funktionsteilen, von denen eines mit einer Vielzahl wechselweise gepolter und besonders hochleistungsfähiger ringförmig zueinander angeordneter Permanentmagneten bestückt ist. Vorzugsweise wird dieses Funktionsteil als außenliegender Rotor ausgebildet. Das andere Funktionsteil (vorzugsweise innenliegender Stator) ist mit einer Vielzahl von Spulen ausgestattet, die Elektromagnetpole bilden und in entsprechender Weise passend zu den Permanentmagneten ebenfalls ringförmig zueinander angeordnet sind. Zwischen den sich gegenüberliegenden Oberflächen der Permanentmagnete und der Spulen besteht ein Luftspalt. Die Anzahl der Permanentmagnetpole ist von der der Elektromagnetpole vorzugsweise verschieden, um ein günstiges Anlaufverhalten im Motorbetrieb zu gewährleisten, da dann im Stillstand Permanentmagnetpole und Elektromagnetpole zueinander unterschiedliche Positionen einnehmen. Zweckmäßigerweise sind mehr Permanentmagnetpole vorgesehen als Elektromagnetpole. Die zum Betrieb der elektrischen Maschine erforderliche Kommutierung des den Spulen zuzuführenden (im Motorbetrieb) oder von diesen abzuführenden (im Generatorbetrieb) Stroms wird von einer Leistungselektronikeinheit vorgenommen, die von einer elektronischen Steuerung geführt wird. Zu diesem Zweck können die Spulen einzeln oder auch in Gruppen gemeinsam angesteuert werden. Eine einzeln angesteuerte Spule und auch eine Gruppe gemeinsam angesteuerter Spulen werden im folgenden auch mit dem Begriff Teilmaschine bezeichnet.

Der tatsächliche Wirkungsgrad einer solchen elektrischen Maschine hängt außer von dem aktuellen Drehmoment wesentlich davon ab, mit welcher Drehzahl diese Maschine gerade betrieben wird. Liegt die Drehzahl in der Nähe der Nenndrehzahl, also in der Nähe des Auslegepunktes, dann können Wirkungsgradwerte von weit über 90% erreicht werden. Bei kleinen Drehzahlen und auch bei niedrigen Drehmomentwerten sinkt der Wirkungsgrad aber erheblich ab und kann beispielsweise unter 50% liegen.

Während bei vielen elektromotorischen Anwendungen (z. B. Spindelantriebe an Werkzeugmaschinen) mit im wesentlichen konstanten Drehzahlen gerechnet werden kann, ist beispielsweise bei einem elektromotorischen Antrieb für ein Straßenfahrzeug aufgrund der ständig wechselnden Verkehrssituationen von extrem häufigen Veränderungen der Antriebsdrehzahlen auszugehen entsprechend den erforderlichen Veränderungen der Fahrzeuggeschwindigkeit. Insbesondere im Stadtverkehr kommt es zu häufigen Anfahrvorgängen und fortlaufend zu Geschwindigkeiten, die nur einen Bruchteil der Höchstgeschwindigkeit ausmachen, auf die der Fahrzeugantrieb ausgelegt worden ist. Der oder die elektrischen Antriebsmotoren des Fahrzeuges müssen also häufig entsprechend gedrosselt betrieben werden. Erreicht wird dies durch entsprechende Veränderung der Höhe und/oder der zeitlichen Dauer (Tastverhältnis) des durch die Spulen fließenden Stroms. Dabei werden sämtliche Spulen des Elektromotors bei einer Umdrehung in der gleichen Weise mit Strom versorgt. Dies hat zur Folge, daß im praktischen Fall eine solche elektrische Maschine während eines Großteils ihrer Einsatzzeit mit einem Wirkungsgrad betrieben wird, der deutlich unter dem liegt, der sich bei Nennbetriebsbedingungen (Auslegepunkt der elektrischen Maschine) erzielen ließe.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine elektrische Maschine der gattungsgemäßen Art so zu verbessern, daß sie bei Teillastbetrieb mit einem höheren Wirkungsgrad arbeitet, d. h. daß die Verminderung des Wirkungsgrades gegenüber den Nennbetriebsbedingungen weniger deutlich ausfällt.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2-7 angegeben.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß der Wirkungsgrad einer gattungsgemäßen elektrischen Maschine sich abgesehen von den mechanischen Verlusten zusammensetzt aus den Einzelwirkungsgraden jeder einzelnen Spule bzw. jeder Gruppe von Spulen, die jeweils mit gleichem Strom beaufschlagt werden, und daß im Teillastbetrieb ein bestimmtes Drehmoment bei einer bestimmten Drehzahl auf unterschiedliche Weise (innerhalb baulich bedingter Grenzen) realisiert werden kann: Es können alle Spulen mit entsprechend niedrigem Strom oder weniger Spulen mit einem höheren Strom betrieben werden. Die Erfindung nutzt diese Erkenntnis in der Weise, daß sie in der elektronischen Steuerung der rotatorischen elektrischen Maschine ein Optimierungsprogramm vorsieht, welches im Teillastbetrieb die Abschaltung eines Teils der vorhandenen Spulen (Teilmaschinen) bewirkt, mit der Maßgabe, daß möglichst nur genau so viele Spulen in Betrieb gehalten werden, daß sie zusammen die angeforderte Leistung gerade dann erbringen, wenn sie mit einem Strom beaufschlagt werden, bei dem der Wirkungsgrad der Spule oder Teilmaschine bei der gegebenen Drehzahl jeweils am höchsten oder nahezu am höchsten ist, d. h. innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbandes liegt. Anstatt also alle vorhandenen Spulen/Teilmaschinen mit jeweils schlechtem Einzelwirkungsgrad und somit die gesamte Maschine mit schlechtem Gesamtwirkungsgrad zu betreiben, sieht das Optimierungsprogramm eine gezielte Abschaltung eines Teils der Spulen vor und betreibt die elektrische Maschine (Generator oder Motor) nur mit dem anderen Teil der Spulen bzw. Teilmaschinen, allerdings mit einem bei der jeweiligen Drehzahl maximalen oder nahezu maximalen Einzelwirkungsgrad und folglich mit bestmöglichem Gesamtwirkungsgrad.

Anhand der Fig. 1-3 wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 den Prinzipaufbau einer rotatorischen elektrischen Maschine mit Leistungselektronik und

Fig. 2 +3 Drehzahl-Drehmoment-Kennfelder einer Spule.

Die in Fig. 1 als Schnittbild exemplarisch dargestellte elektrische Maschine 1, die als Generator und auch als Motor arbeiten kann, besitzt einen äußeren zylinderförmigen Rotor 2, in dessen Innerem koaxial ein ebenfalls im wesentlichen zylinderförmiger Stator 5 angeordnet ist. Der Rotor 2 ist an seiner inneren Mantelfläche mit einer Vielzahl (in diesem Beispiel insgesamt 16) von flachen Permanentmagneten mit sehr hoher Feldstärke bestückt, wobei die Polung der Magnete in Umfangsrichtung ständig wechselt, d. h. neben einem Nordpol 3 ist jeweils ein Südpol 4 angeordnet und umgekehrt. Der Stator 5 weist eine Vielzahl (in diesem Beispiel insgesamt 12) von Elektromagnetpolen auf, die durch Spulen 6 gebildet sind und in entsprechender Weise ringförmig an der Außenmantelfläche des "Statorzylinders" angeordnet sind. Die Magnetpole der Permanentmagneten (Nordpole 3 und Südpole 4) liegen den Spulen 6 unter Belassung eines Luftspaltes jeweils gegenüber. Zur Erzeugung ihrer Magnetfelder werden die Spulen 6 von einer Leistungselektronikeinheit 7 mit Strom versorgt, wobei die Bemessung des Stroms nach Zeitpunkt, Dauer und Stromstärke von einer elektronischen Steuerung 8 vorgegeben wird. Die benötigte elektrische Energie wird der Leistungselektronikeinheit 7 von einem nicht näher dargestellten Gleichstrom-Versorgungskreis zugeführt.

Die elektrische Verbindung zwischen den Spulen 6 und der Leistungselektronikeinheit 7 ist in Fig. 1 nur für eine Spule 6 exemplarisch angedeutet. Grundsätzlich ist es möglich, alle einzelnen Spulen 6 unabhängig voneinander anzusteuern; es können aber auch Gruppen von Spulen 6 zusammen angesteuert werden, so daß man im Hinblick auf die getrennte Stromversorgung bei einzelnen Spulen 6 oder Gruppen von Spulen 6 jeweils von einer Teilmaschine sprechen kann. Das bedeutet, daß die elektrische Maschine 1 mit einer oder auch mehreren stromversorgten Teilmaschinen betrieben werden kann, während die übrigen Teilmaschinen abgeschaltet sind, aber sich selbstverständlich mit derselben Drehzahl drehen, da Stator und Rotor von jeder Teilmaschine jeweils ein einziges gemeinsames Funktionsteil bilden.

Im Hinblick auf eine gleichmäßige Beanspruchung der mechanischen Lager der elektrischen Maschine 1 und auf die Gleichmäßigkeit der Antriebs- oder Bremskraft der Maschine 1 empfiehlt es sich, die zu einer Teilmaschine zusammengefaßten Spulen 6 symmetrisch zueinander anzuordnen. So können beispielsweise jeweils die beiden einander diametral gegenüberliegenden Spulen 6 eine Teilmaschine bilden, so daß die elektrische Maschine 1 in Fig. 1 insgesamt sechs getrennt voneinander ansteuerbare Teilmaschinen hätte, die mit unabhängigen Strömen beaufschlagbar wären.

Zur Erläuterung der unterschiedlichen Strategien im Hinblick auf die erfindungsgemäße Zu- oder Abschaltung einzelner Teilmaschienen während des Betriebs zum Zwecke der Anpassung der aktuellen Leistung an die jeweils geforderte Leistung bei möglichst hohem Wirkungsgrad, ist in den Fig. 2 und 3 jeweils das Drehzahl-Drehmoment-Kennfeld einer einzelnen Spule (bzw. einer einzelnen Teilmaschine) exemplarisch dargestellt. Die Hyperbeln konstanter mechanischer Leistung sind gestrichelt und die Kurven konstanten Wirkungsgrades als durchgezogene Linien wiedergegeben. Man erkennt sehr deutlich, daß im niedrigen Drehzahlbereich (z. B. unter 600 min^-1) mit abnehmender Drehzahl n der Wirkungsgrad drastisch sinkt.

Bei vorgegebener Drehzahl n gibt es jeweils genau ein Drehmoment M_o, mit welchem die Teilmaschine mit dem höchstmöglichen Wirkungsgrad betrieben wird. Dies entspricht dem Berührungspunkt einer vertikalen Linie (Tangente) mit der jeweiligen Wirkungsgradkurve. Die Verbindungslinie aller dieser Berührungspunkte ist in Fig. 2 als Linie M_o eingezeichnet worden. Die Linie M_o gibt also an, bei welchem Drehmoment die Teilmaschine bei einer gewählten Drehzahl mit dem jeweils höchstmöglichen Wirkungsgrad betrieben werden kann. Da das Drehmoment und der durch die Spulen der Teilmaschine geführte Strom miteinander korrelieren, kann die Linie M_o auch als Bemessungsgrundlage für die Ermittlung des bei der gegebenen Drehzahl optimalen Spulenstroms angesehen werden, um einen höchstmöglichen Wirkungsgrad zu erzielen.

Die Erfindung sieht nun vor, daß eine bei gegebener Drehzahl geforderte Leistung der elektrischen Maschine 1 so erbracht wird, daß nur ein Teil der in der elektrischen Maschine vorhandenen Spulen 6 oder Teilmaschinen betrieben wird, und zwar mit dem Bestreben, daß möglichst jede von ihnen mit optimalem oder nahezu optimalem Spulenstrom beaufschlagt wird, also bei der vorliegenden Drehzahl den maximal möglichen Wirkungsgrad hat. Hierzu wird das von der elektrischen Maschine 1 insgesamt zu liefernde Drehmoment aufgeteilt auf die erforderliche Anzahl an Teilmaschinen. Wenn beispielsweise bei einer Drehzahl von n=670 min^-1 ein Drehmoment von 60 Nm erzeugt werden soll, so könnte dieses von n_i=4 Spulen geleistet werden, die entsprechend dem durch ein Kreuz markierten Punkt auf der Linie M_o bei dem höchstmöglichen Einzelwirkungsgrad von ca. 87% jeweils einen Anteil von 15 Nm liefern. Bei Vernachlässigung mechanischer Verluste kann der Gesamtwirkungsgrad der elektrischen Maschine 1 unter diesen Bedingungen dementsprechend ebenfalls mit etwa 87% angenommen werden.

Um dieses Ergebnis mit der bisher üblichen Betriebsweise gemäß dem Stand der Technik zu vergleichen, wird eine elektrische Maschine angenommen, die derjenigen der Fig. 1 entspricht, also insgesamt 12 Spulen am Stator aufweist. Um mit diesen 12 Spulen ebenfalls ein Gesamtdrehmoment von 60 Nm zu erzeugen, hätte der Spulenstrom im Mittel soweit gedrosselt werden müssen, daß jede Spule jeweils 5 Nm erzeugt. Bei einer Drehzahl von n=670 min^-1 würde dies entsprechend dem Drehzahl-Drehmoment-Kennfeld von Fig. 2 zu einem Einzelwirkungsgrad und in erster Näherung auch zu einem Gesamtwirkungsgrad von etwa 77% führen. Der Wirkungsgrad läge also um rund 10%-Punkte tiefer als bei der erfindungsgemäßen Betriebsweise.

Es ist klar, daß entsprechend der Zahl einzelner Spulen 6 bzw. Teilmotoren nur endlich viele Drehmomentabstufungen bei jeder Drehzahl zur Verfügung stehen, bei denen tatsächlich mit dem jeweils maximal möglichen Wirkungsgrad gearbeitet werden kann (Optimumstufen). Für die praktische Anwendung müssen sich jedoch völlig beliebige Drehmomentwerte (innerhalb gegebener Grenzen) einstellen lassen. Daher wird erfindungsgemäß durch das Programm der elektronischen Steuerung 8 der elektrischen Maschine 1 ein begrenztes Abweichen von den optimalen Betriebsbedingungen zugelassen. Hierzu sind insbesondere zwei Strategien als bevorzugt vorgesehen.

Die erste dieser Strategien ist in Fig. 2 angedeutet. Demgemäß werden bei einer Drehmomentanforderung, die nicht einer der möglichen Optimumstufen entspricht, zunächst n_i Spulen 6 (bzw. Teilmaschinen) unter den der gegebenen Drehzahl n entsprechenden optimalen Bedingungen betrieben, wobei gilt:

M_o = f(n)

n_i × M_o <M(n_i + 1) × M_o.

Um den Unterschiedsbetrag zwischen dem Wert n_i×M_o und dem tatsächlich geforderten Drehmoment M zu überbrücken, wird noch eine weitere Spule 6 (bzw. Teilmaschine) in Betrieb gesetzt, wobei diese allerdings im Regelfall nicht auf dem Optimalpunkt betrieben wird, sondern wie in Fig. 2 angedeutet unterhalb der Linie M_o. Wenn das geforderte Drehmoment weiter erhöht werden soll, geschieht dies durch Erhöhung des von dieser nicht optimal betriebenen Spule gelieferten Drehmoments, bis deren Betriebspunkt die Linie M_o erreicht. Für eine weitere Erhöhung des Drehmoments der elektrischen Maschine 1 wird danach eine weitere Spule 6 (bzw. Teilmaschine) in Betrieb gesetzt, bis ggf. alle vorhandenen Spulen 6 (bzw. Teilmaschinen) in dieser Weise arbeiten. Erst wenn eine noch darüber hinausgehende Drehmomentanforderung vorliegt, wird der Spulenstrom wie im Stand der Technik üblich bis zu den bauartbedingten Grenzen in jeweils gleicher Weise an allen Spulen erhöht, wobei selbstverständlich Wirkungsgradeinbußen unvermeidlich sind. Bei einer Verminderung der Drehmomentanforderung sieht das Programm der elektronischen Steuerung 8 der elektrischen Maschine 1 in umgekehrter Weise eine entsprechende gezielte Abschaltung einzelner Spulen 6 (bzw. Teilmaschinen) unter Beibehaltung des optimalen Betriebs an n_i-1-Spulen (bzw. Teilmaschinen) vor, wenn n_i-Spulen noch in Betrieb sind.

Die vorstehend beschriebene Art der Steuerung der elektrischen Maschine 1 hat den Vorteil, daß die einzelnen Spulen 6 kontinuierlich zu- bzw. abgeschaltet werden und fast alle in Betrieb befindlichen Spulen 6 stets auf der idealen Linie M_o arbeiten. Lediglich eine Spule 6 (bzw. Teilmaschine) muß mehr oder weniger weit vom Optimalpunkt entfernt betrieben werden.

Eine zweite bevorzugte Strategie zur exakten Anpassung der Leistung bzw. des Drehmoments M an den jeweils geforderten Wert unter Wahrung eines möglichst günstigen Wirkungsgrades der elektrischen Maschine 1 bei der vorliegenden Drehzahl n ist in Fig. 3 angedeutet. In diesem Fall sieht das Optimierungsprogramm der elektronischen Steuerung 8 vor, daß generell alle in Betrieb befindlichen Spulen 6 (bzw. Teilmaschinen) stets mit untereinander gleichen Strömen beaufschlagt werden. Die Variationsbreite des Stroms ist jedoch in der Weise beschränkt, daß das von den in Betrieb gesetzten Spulen 6 (bzw. Teilmaschinen) erzeugte Drehmoment M höchstens um einen maximalen Abweichungsbetrag ΔM oberhalb oder unterhalb des optimalen Drehmoments M_o liegt. Übersteigt das angeforderte Drehmoment M das von den n_i betriebenen Spulen 6 erzeugte Drehmoment n_i×(M_o+ΔM), so wird eine weitere Spule 6 zugeschaltet, wobei diese von vornherein mit mindestens einem solchen Strom betrieben wird, daß das von dieser Spule 6 erzeugte Drehmoment M_o-ΔM beträgt, also auch die zugeschaltete Spule 6 mit der Nummer n_i+1 in einem dem jeweiligen (drehzahlabhängigen) Betriebsoptimum angenäherten Bereich arbeitet. Um eine ausgeprägt ruckartige Drehmomenterhöhung durch das Zuschalten einer weiteren Spule 6 zu vermeiden, muß das Drehmoment der bisher in Betrieb befindlichen n_i Spulen 6 in der Summe um etwa den Betrag des Drehmoments der Spule 6 mit der Nummer n_i+1 vermindert werden durch eine entsprechende Drosselung des Spulenstroms. Wenn das Prinzip stets gleichartiger Strombeaufschlagung aller in Betrieb befindlichen Spulen 6 (bzw. Teilmaschinen) ohne Übergangsbereich beibehalten werden soll, dann bedeutet dies, daß mit Zuschaltung der zusätzlichen Spule 6 alle n_i+1 Spulen das Drehmoment M_o-ΔM erzeugen, so daß für den Umschaltzeitpunkt gilt:

n_i × (M_o + ΔM) = (n_i + 1) × (M_o - ΔM)

daraus ergibt sich:

ΔM = M_o/2n_i + 1

das bedeutet, daß das Toleranzband, innerhalb dessen Abweichungen vom jeweils optimalen Betriebspunkt durch die elektronische Steuerung 8 zugelassen werden, mit zunehmender Anzahl n_i eingeschalteter Spulen 6 immer feiner wird. Auch bei dieser Verfahrensweise gilt, daß bei einer weiteren Erhöhung des angeforderten Drehmoments M, wenn alle Spulen 6 eingeschaltet sind und bereits mit einem Drehmoment M_o+ΔM betrieben werden, die Spulenströme in der bisher bekannten Weise gleichmäßig bis zur maximalen Belastung unter Hinnahme der unvermeidbaren Wirkungsgradverluste erhöht werden. Bei Verminderung der Drehmomentanforderung wird das beschriebene Verfahren von der elektronischen Steuerung 8 in entsprechend umgekehrter Weise für die Abschaltung einzelner Spulen 6 (bzw. Teilmaschinen) angewandt.

Der Vorteil dieser Strategie ist insbesondere darin zu sehen, daß der Aufwand für die Leistungselektronikeinheit 7 vereinfacht wird, weil alle eingeschalteten Spulen 6 in der gleichen Weise mit Strom versorgt werden. Dagegen ist es als nachteilig anzusehen, daß die Steuerung unstetig ist durch das plötzliche Einschalten einer neuen Spule 6 bei gleichzeitiger plötzlicher Reduzierung des Spulenstroms in den anderen in Betrieb befindlichen Spulen 6, so daß Komforteinbußen auftreten könnten.

Selbstverständlich lassen sich weitere Strategien im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorstellen, insbesondere solche, die Elemente der beiden beschriebenen miteinander kombinieren. Beispielsweise könnte auch mit einem Toleranzband konstanter oder nur von der Drehzahl abhänginger Breite gearbeitet werden. Dabei könnte die Zuschaltung einer weiteren Spule 6 beispielsweise wie bei Fig. 2 in einer kontinuierlichen Weise erfolgen, wenn man eine Übergangsphase vorsieht, in der der Strom der zugeschalteten Spule 6 allmählich erhöht und der der anderen in Betrieb befindlichen allmählich gemeinsam abgesenkt wird, bis alle auf demselben Wert angelangt sind.

Die bisherigen Erläuterungen der Erfindung gingen davon aus, daß die einzeln ansteuerbaren Teilmaschinen der elektrischen Maschine 1 konstruktiv untereinander gleich ausgebildet sind. Dies ist jedoch keine Voraussetzung für die Anwendung des Grundgedankens der Erfindung. Es kann durchaus vorteilhaft sein, über elektrisch oder auch konstruktiv auf unterschiedliche Leistungen ausgelegte Teilmaschinen zu verfügen, um eine besonders gute Anpassung an das jeweils geforderte Leistungsniveau sicherzustellen.

Ein Vorteil einer Vielzahl untereinander gleichartiger Teilmaschinen liegt darin, daß diese im Betrieb in beliebiger Weise untereinander austauschbar sind. Dadurch kann von der elektronischen Steuerung 8 nicht nur eine gleichmäßige Beanspruchung im zeitlichen Mittel gewährleistet werden, indem sie die Auswahl in Betrieb zu nehmender Teilmaschinen nach deren bisheriger Beanspruchung trifft oder während des Betriebs zyklisch einzelne Teilmaschinen außer Betrieb nimmt und ersatzweise dafür andere einsetzt. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn die Beanspruchung der Teilmaschinen z. B. durch Temperatursensoren erfaßt werden kann, so daß letztlich die Erwärmung der Teilmaschinen möglichst niedrig gehalten wird.

Die unterschiedlichen Ströme, mit denen die Spulen 6 beaufschlagt werden müssen, um jeweils einen optimalen Wirkungsgrad zu erzielen, werden (z. B. in Form von Tabellen oder Berechnungsalgorithmen) in einem Speicher der elektronischen Steuerung 8 als Funktion von der Drehzahl n der elektrischen Maschine 1 und evtl. auch von der Temperatur der Spulen 6 abgelegt.

Die bereits vorstehend erwähnte "symmetrische" Inbetriebnahme von Spulen 6 kann selbst dann erreicht werden, wenn als einzeln ansteuerbare Einheiten lediglich Teilmaschinen vorhanden sind, deren Spulen 6 nicht symmetrisch (in bezug auf die Drehachse der elektrischen Maschine) ausgerichtet sind. Dies ist dann möglich, wenn mehrere (untereinander gleiche) Teilmaschinen, die zueinander eine symmetrische Lage aufweisen, gemeinsam in Betrieb genommen werden.

Der Vorteil der erfindungsgemaßen Lösung liegt insbesondere in der Energieeinsparung beim Betrieb gattungsgemäßer Maschinen im Teillastbetrieb mit niedrigen Drehmomenten und/oder niedrigen Drehzahlen. Darüber hinaus ergeben sich Einsparungen durch eine mögliche Verkleinerung der Kapazität des erforderlichen Kühlsystems für die elektrische Maschine und deren Leistungselektronik.

Claims (7)

1. Rotatorische elektrische Maschine (1) mit zwei relativ zueinander rotierbaren Funktionsteilen (2, 5), zwischen deren einander zugewandten Oberflächen ein Luftspalt besteht, wobei eines der Funktionsteile (2) mit einer Vielzahl von Dauermagnetpolen (3, 4) in ringförmiger Anordnung und abwechselnder Polung bestückt ist und das andere Funktionsteil (5) mit einer Vielzahl von ringförmig zueinander angeordneten Elektromagnetpolwicklungen (Spulen 6) versehen ist und ferner die Spulen (6) einzeln oder in unabhängigen Gruppen (Teilmaschinen) durch eine von einer elektronischen Steuerung (8) geführte Leistungselektronikeinheit (7) hinsichtlich des durch die Spulen (6) jeweils fließenden Stroms gesteuert sind (elektronische Kommutierung), dadurch gekennzeichnet, daß in der elektronischen Steuerung (8) ein Optimierungsprogramm hinterlegt ist, welches den aktuellen Wirkungsgrad der elektrischen Maschine (1) bei der jeweils angeforderten Leistung im Teillastbetrieb tendenziell in der Weise maximiert, daß gerade nur so viele (n_i) Teilmaschinen betrieben werden, wie zur Erzeugung der angeforderten Leistung notwendig sind, wenn mindestens n_i-1 Teilmaschinen von den n_i in Betrieb befindlichen Teilmaschinen jeweils mit einem solchen Strom betrieben werden, bei dem unter Berücksichtigung der Drehzahl der elektrischen Maschine (1) der Einzelwirkungsgrad der in Betrieb befindlichen Teilmaschinen jeweils maximal ist oder um höchstens eine vorgegebene Toleranzbreite von diesem maximalen Einzelwirkungsgrad abweicht.

2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (6) einer Teilmaschine jeweils symmetrisch zueinander angeordnet sind.

3. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilmaschinen der elektrischen Maschine (1) konstruktiv auf zueinander verschieden hohe Leistungen ausgelegt sind.

4. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Maschine (1) mit Einrichtungen zur Erfassung der Temperatur in den Spulen (6) ausgestattet ist.

5. Elektrische Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Programm der Steuerung (8) vorsieht, bei Vorhandensein einzelner abgeschalteter Spulen (6) diese im zeitlichen Wechsel in Betrieb zu nehmen und statt dessen in Betrieb befindliche Spulen (6) abzuschalten, sobald letztere eine vorgegebene Betriebstemperatur überschritten haben.

6. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Programm der Steuerung (8) vorsieht, daß bei n_i in Betrieb befindlichen Teilmaschinen, die jeweils mit einem bei der vorliegenden Drehzahl der elektrischen Maschine (1) dem maximalen Einzelwirkungsgrad der Teilmaschine entsprechendem Strom (optimaler Strom) betrieben werden, im Falle einer Erhöhung der angeforderten Leistung unter Beibehaltung der optimalen Ströme in den n_i Teilmaschinen eine weitere Teilmaschine zugeschaltet und zunächst mit einem Strom betrieben wird, der geringer ist als der rechnerische optimale Strom der zugeschalteten Teilmaschine und im Falle einer Verminderung der angeforderten Leistung zunächst in entsprechend umgekehrtem Sinn eine Verminderung des Stroms an einer der n_i Teilmaschinen bei unverändertem Strom der anderen n_i-1 Teilmaschinen erfolgt.

7. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Programm der Steuerung (8) vorsieht, daß alle n_i in Betrieb befindlichen Teilmaschinen jeweils mit gleichem Strom betrieben werden, wobei eine Toleranzbreite für eine zulässige Abweichung des Stroms nach oben und unten von dem Strom vorgegeben ist, bei dem die Teilmaschinen bei der vorliegenden Drehzahl der elektrischen Maschine (1) jeweils ihren höchsten Einzelwirkungsgrad erreichen, und daß bei einer Erhöhung der angeforderten Leistung über die bei voller Ausnutzung der Toleranzbreite von den n_i Teilmaschinen erzeugbaren Leistung hinaus zunächst eine Teilmaschine zugeschaltet wird und alle n_i+1 Teilmaschinen zunächst mit einem solchen untereinander jeweils gleichen und innerhalb der Toleranzbreite liegenden Strom betrieben werden, daß die Leistung der elektrischen Maschine (1) derjenigen vor der Zuschaltung der Teilmaschine entspricht und daß dann der Strom aller n_i+1 eingeschalteten Teilmaschinen zur Erreichung der geforderten erhöhten Leistung innerhalb der Toleranzbreite erhöht wird und bei Verminderung der angeforderten Leistung entsprechend umgekehrt verfahren wird.