DE69501700T2

DE69501700T2 - Geschaltete Reluktanzgeneratoren

Info

Publication number: DE69501700T2
Application number: DE69501700T
Authority: DE
Inventors: Rex Davis
Original assignee: Switched Reluctance Drives Ltd
Current assignee: Nidec SR Drives Ltd
Priority date: 1994-08-31
Filing date: 1995-07-28
Publication date: 1998-06-25
Anticipated expiration: 2015-07-29
Also published as: JP3811516B2; GB9417523D0; KR100364980B1; TW288223B; JPH08191599A; EP0702450A3; EP0702450B1; KR960009336A; CA2156891A1; DE69501700D1; EP0702450A2; US5705918A; SG38860A1; ES2113712T3

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf geschaltete Reduktanzgeneratorsysteme und Verfahren zum Betrieb geschalteter Reduktanzgeneratoren.
Geschaltete Reduktanzgeneratoren (SR), wie z.B. SR-Motoren, verwenden elektronische Schaltkreise. Diese Schaltkreise injizieren Energie von einer Spannungsquelle in eine oder mehrere Phasenwicklungen über einen vorbestimmten Bereich eines Rotorwinkels und empfangen von der Phasenwicklung (Wicklungen) über einen späteren Bereich eines Rotorwinkels eine größere Quantität an Energie zurück, als diejenige, die vorher injiziert wurde. Diese zusätzliche Energie ist mechanische Energie, die dem Generatorrotor durch Beaufschlagen mit einem Drehmoment in Richtung der Rotation aufgegeben wird.
Die Induktanz einer Phasenwicklung varüert je nach dem Grad der Überlagerung zwischen den Statorpolen der Phasenwicklung und den Rotorpolen, während diese rotieren. Wenn vordergründig Wicklungsstrom auftritt, während die Wicklungsinduktanz zunimmt (d.h. wenn die Überlagerung zunimmt), tendiert die magnetische Kraft an den Rotorpolen dazu, die Überlagerung zu vergrößern. Dies ist die Basis des Motorantriebes.
Wenn der Wicklungsstrom vordergründig auftritt, während die Wicklungsinduktanz abnimmt (d.h. wenn die Überlagerung abnimmt), wirkt die magnetische Kraft der Separation der Rotor- und Statorpole entgegen. Diese Separation entgegen der magnetischen Kraft erfordert das Zuführen von mechanischer Energie an den Rotor, die in der Maschine in elektrische Energie in der Form eines zunehmenden Wicklungsstromes umgewandelt wird. Um Generation zu erzielen, muß ein Strom in den Wicklungen hergestellt werden, während die Induktanz so hoch ist, daß die entgegenwirkende magnetische Kraft während der Polseparation groß ist.
Sowohl für den Motorantrieb als auch den Generatorbetrieb kann dieselbe Konfiguration eines bekannten elektronischen Schaltkreises eingesetzt werden, durch Einstellung des Bereiches des Rotorwinkels, über den Energie in die Wicklungen eingeführt wird und über den man Energie von den Wicklungen erhält. Beispiele von elektronischen Schaltkreisen des Standes der Technik sind in den Figuren 1 und 2 gezeigt. Die Figur 1 zeigt eine Maschine mit N Phasenwicklungen, wobei jede Phasenwicklung zwei separate Sektionen umfaßt, die in einer Weise zusammengewunden sind, die soweit wie möglich eine Leckinduktanz zwischen diesen reduziert. Einer dieser Sektionen wird verwendet, um Energie in die Maschine zu injizieren und die andere, um von der Maschine zurückgeführte Energie zu empfangen.
Figur 2, obwohl diese zwei parallele Wicklungssektionen zur Klärung des Vergleiches von I²R Wicklungsverlusten zwischen den Figuren 1 und 2 zeigt, kann ebensogut die einzelne Sektion für jede Wicklung verwenden. In Figur 2 müssen beide Schalter innerhalb eines jeden der zwei Schaltkreise geschlossen sein, um Energie von der Versorgung in die Wicklung zu injizieren und beide Schalter müssen offen sein, damit die Versorgung Energie von den Wicklungen empfängt. Eine vorteilhafte dritte Schaltkonfiguration besteht, wenn nur ein Schalter geschlossen ist. Bei dieser Konfiguration kann der Wicklungsstrom frei durch einen Schalter und eine Diode zirkulieren. Dies ist als "freewheeling" bekannt. In dieser Einstellung kann Energie zwischen den mechanischen Teilen, einschließlich des Rotors und dem elektrischen Schaltkreis, übertragen werden, jedoch nicht zu oder von der elektrischen Versorgung.
Es ergibt sich, daß die Verwendung des Begriffes "elektrische Versorgung" eine elektrische Speichereinrichtung bezeichnet, die in der Lage ist, sowohl Energie in den Generator zu injizieren und zu absorbieren als auch durch diesen erzeugte Energie zu speichern. Die eigentliche Einrichtung zur Injektion von Energie in den Generator und die Einrichtung zur Absorption der Energie, egal ob zur Speicherung oder zur direkten Verwendung, können natürlich separate und unterschiedliche Einheiten sein. Aus Gründen der Einfachheit wird die Bezeichnung "Last" im folgenden verwendet, um sowohl die elektrische Versorgung und damit verbundene Speichereinrichtungen wie auch andere separate oder kombinierte Einrichtungen zu bezeichnen, durch die Energie sowohl zu als auch von dem Generator fließt.
Da in dem Schaltkreis nach Figur 1 Strom in nur eine Wicklungssektion fließt, außer während einer kurzen Periode, während welcher der Strom von einer Sektion zur anderen übertragen wird, übersteigt die Summe der Effektivströme (RMS) für die beiden Sektionen jeweils separat den RMS-Wert der Summe der Ströme zusammen. Dies bedeutet, daß die I²R Wicklungsverluste für Figur 1 größer sind als diejenigen für die Anordnung, wie in Figur 4 gezeigt, in der die zwei Sektionen permanent parallel miteinander verbunden wurden und zusätzliche elektronische Schaltkreise hinzugefügt wurden, um für die Injektion und den Empfang der Wicklungsenergie zu sorgen.
Andere Schaltkreiskonfigurationen sind vorgeschlagen worden. Diese haben im allgemeinen das Ziel, die absolute Zahl der elektronischen Schalter von zweien pro Phase (wie in Figur 2 gezeigt) auf eine kleinere Gesamtzahl zu reduzieren, jedoch immer mehr als eine pro Phase (wie in Figur 1 gezeigt), wahrend sie nach wie vor versuchen, zwei Wicklungssektionen für jede Phase zu vermeiden, wie in Figur 1 gezeigt. Für Generatorzwecke fällt der Winkelbereich, über den eine Energieinjektion auftritt, mit der Phasenwicklung zusammen, die eine relativ hohe Induktanz hat (resultierend aus einer wesentlichen Winkelüberlagerung zwischen den Statorpolen dieser Phase und den nächsten Rotorpolen in einem Phaseninduktanzzyklus). Dies steht in Kontrast zu Motorbetriebzwecken, bei denen die Phasenwicklung, welche Energie aus der elektrischen Versorgung erhält, im allgemeinen eine relativ geringe Induktanz hat (resultierend aus einer geringen oder nicht vorhandenen Winkelüberlagerungen zwischen den Statorpolen dieser Phase und den nächsten Rotorpolen in einem Phaseninduktanzzyklus).
Ein anderer Schaltkreis für einen geschalteten Reduktanzgenerator wurde in der EP-A-0 564067 vorgeschlagen, wobei eine erste Spannung während eines ersten Teiles des Phaseninduktanzzyklus über die Phasenwicklung geschaltet wird und eine zweite Spannung während des zweiten Teiles des Phaseninduktanzzyklus über die Phasenwicklung geschaltet wird.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen geschalteten Reduktanzgenerator vorzusehen, bei dem der Anteil des Phaseninduktanzzyklus, in dem unerwühschtes Drehmoment erzeugt wird, reduziert wird, um die Maschine im Generatorbetrieb effizienter zu machen.
Nach Maßgabe der vorliegenden Erfmdung ist ein geschaltetes Reduktanzgeneratorsystem vorgesehen, mit einem Rotor, einem Stater, der zumindest eine Phasenwicklung hat, Schalteinrichtungen, Einrichtung zur Energieversorgung der Phasenwicklung, entsprechend der Betätigung der Schalteinrichtungen, Einrichtungen zur Rotation des Rotors relativ zu dem Stator und Steuerungseinrichtungen, verwendbar zur Steuerung der Schalteinrichtungen, wobei die Steuerungseinrichtungen angeordnet sind, um die Schalteinrichtungen zu betätigen, zur Schaltung einer ersten Spannung von der Einrichtung zur Energieversorgung über zumindest einen Teil der Phasenwicklung, um ein Anwachsen des Flusses bei einer ersten Rate während eines ersten Teiles eines Phaseninduktanzzyklus hervorzurufen und die so angeordnet sind, um die Schalteinrichtungen zu betätigen, zur Schaltung einer zweiten Spannung über die Phasenwicklung, wobei das System dadurch gekennzeichnet ist, daß die Kontrolleinrichtungen so angeordnet sind, um die zweite Spannung über die Phasenwicklung zu schalten, um eine Flußabnahme bei einer zweiten Rate hervorzurufen, wobei die zweite Rate der Abnahme langsamer ist als die erste Rate des Anwachsens des Flusses, wobei die Rotation des Rotors eine Erzeugung von Energie bei der zweiten Spannung von der Phasenwicklung während des zweiten Teiles des Phaseninduktanzzyklus hervorruft.
In einer Form der Erfindung ist die erste Spannung größer als die zweite Spannung. Die Einrichtungen zur Energieversorgung können auch Einrichtungen zur Absorptionen der erzeugten Energie sein und können durch eine elektrische Energiespeichereinrichtung gebildet sein. In diesem Falle kann das System auch Spannungsverstärkungseinrichtungen umfassen, um die bei der zweiten Spannung aufgenommene und bei der ersten Spannung abgegebene Spannung zu verstärken, wobei diese Verstärkungseinrichtungen zusätzliche Schalteinrichtungen umfassen.
In einer alternativen Form der Erfindung können die erste und zweite Spannung im wesentlichen gleich sein. Die Rate des Flußwachstums wird durch Anlegen der Spannung an einen der zwei Teile der Phasenwicklung bestimmt und die Rate der Flußabnahme wird durch ein folgendes Anlegen der einen oder anderen der Spannungen über die größere Induktanz der zwei Teile der Phasenwicklung bestimmt, um eine Flußabnahme bei der langsameren Rate zu erzeugen.
Vorzugsweise sind die zwei Teile der Phasenwicklung eng magnetisch gekoppelt. Sie können in Serie geschaltet sein. Vorzugsweise sind die zwei Teile der Phasenwicklung doppeladrig gewickelt.
Ebenfalls nach Maßgabe der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Betrieb eines geschalteten Reduktanzgenerators vorgesehen, mit einem Rotor und einem Stator, der zumindest eine Statorwicklung hat, wobei das Verfahren umfaßt:
Rotation des Rotors;
Schalten einer ersten Spannung über zumindest einen Teil der Phasenwicklung während eines ersten Teiles eines Phaseninduktanzzyklus, um ein Flußwachstum bei einer ersten Rate während des ersten Teiles des Phaseninduktanzzyklus hervorzurufen;
Schalten einer zweiten Spannung über die Phasenwicklung während eines zweiten Teiles des Phaseninduktanzzyklus;
wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch Schalten einer zweiten Spannung über die Phasenwicklung während eines zweiten Teiles des Phaseninduktanzzyklus, um eine Flußabnahme bei einer zweiten Phasen hervorzurufen, wobei die zweite Rate der Abnahme langsamer ist als die erste Rate des Flußwachstums während des zweiten Teiles des Phaseninduktanzzyklus.
In einer Form des Verfahrens ist die erste Spannung größer als die zweite Spannung.
Alternativ dazu können die ersten und zweiten Spannungen im wesentlichen die gleiche Spannung sein. Dieser Aspekt des Verfahrens kann das Anlegen der einen Spannung an einen von zwei Teilen der Phasenwicklung wahrend des ersten Teiles des Phaseninduktanzzyklus umfassen; und Anlegen der Spannung an beide Teile der Phasenwicklung wahrend des zweiten Teiles des Phaseninduktanzzyklus.
Der Zeitraum der Energieinjektion in den Generator von der elektrischen Versorgung ist verbunden mit dem Aufbau einer Magnetflußverbindung mit einer Phasenwicklung durch die Verbindung der Versorgungsspannung über die gesamte oder einen Teile der Phasenwicklung. Die Rückgewinnung der Energie durch die Versorgung ist verbunden mit der Abnahme der Magnetflußverbindung und der Leitung ausschließlich der Dioden, die mit der Wicklung verbunden sind. Es ist vorteilhaft, den Fluß schneller als seine Abnahme zunehmen zu lassen, da die Minimierung der Zeitlänge, in der der Fluß vorliegt, wahrend die Phaseninduktanz zununmt, die Erzeugung von unerwünschtem (Motorbetrieb) Drehmoment minimiert.
Die vorliegende Erfindung kann in verschiedenen Weisen umgesetzt werden, von denen einige nun in beispielhafter Weise mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden. Darin zeigt:
Figur 1 und 2 Schaltkreisdiagramme von bekannten geschalteten Reduktanzgeneratorschaltkreisen;
Figur 3 ein Schaltkreisdiagramm einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
Figuren 4 und 5 Schaltkreisdiagramme von alternativen Spannungsverstärkern für den Einsatz in dem Schaltkreis nach Figur 3;
Figur 6 ein Schaltkreisdiagramm einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
Figuren 7 und 8 Schaltkreisdiagramme von alternativen Spannungsverstärkern für den Einsatz in dem Schaltkreis nach Figur 6;
Figur 9 ein Schaltkreisdiagramm einer dritten Ausführungsform der Erfindung; und
Figur 10 ein Schemadiagramm eines Generatorsystemes, bei dem die Erfindung eingeschlossen sein kann.
Allgemein bezugnehmend auf die Figuren 3 bis 9 sieht eine Konfiguration eines elektronischen Schaltkreises für einen geschalteten Reduktanzgenerator in einer ersten bestimmten Form der Erfindung eine höhere Spannungsquelle zum Zwecke der Energieinjektion in die Generatorwicklungen vor, als die Spannung der Last, welche die elektrische Speicherfähigkeit vorsieht, in die die Wicklungen Energie zurückgeben, wobei die zurückgegebene Energie die injizierte Energie übersteigt. Eine Eigenschaft dieser Art der Erfindung ist das Vorsehen eines Schaltkreises als Teil des elektronischen Schaltkreises, welcher Energie von der Last bei einer geringeren Spannung aufnimmt und diese in eine höhere Spannung zur Injektion in die Generatorwicklungen für ein Flußwachstum bei einer größeren Rate aufgrund der höheren Spannung umwandelt. Die geringere Spannung wird über die Wicklungen während der Flußabnahme angelegt, so daß die Abnahme allmählicher erfolgt. Dieser Schaltkreis nimmt vorzugsweise die Form des bekannten Verstärkungskonverters an, unter Verwendung einer Hochfrequenzschaltung und Energiespeichertechnologie.
Mit Bezug insbesondere auf Figur 3 ist ein Schaltkreis für einen geschalteten Reduktanzgenerator 9 mit jeder der drei Phasenwicklungen 10, 12 und 14 des geschalteten Reduktanzgenerators verbunden. Jede der Phasenwicklungen ist an einem Stator montiert und definiert Statorpole, die durch Erregung der geschalteten Wicklungen mit einer magnetischen Polarität induziert werden. Ein Rotor wird innerhalb des Stators durch einen externen Antrieb rotiert, der mit einer Rotorwelle verbunden ist, welche die Einrichtung bildet, durch die der Rotor rotiert wird.
Jede Phasenwicklung 10, 12, 14 hat jeweils einen Schalter 16, 18, 20, der an einem Ende seriell verbunden ist. Die anderen Enden der Phasenwicklungen des Generators 9 sind im allgemeinen mit einem ersten Terminal 22 eines Vers igi kungskonverters 24 verbunden. Die Schalter sind im allgemeinen mit einem zweiten Terminal 26 des Verstärkungskonverters 24 verbunden. Eine Generatorlast 28 einschließlich einer elektrischen Speichereinrichtung dient als Energiesenke für den Generator und als Quelle der Erregungsenergie für die Wicklung. Die Last 28 hat ein Positivterminal, das auch mit dem ersten Terminal 22 des Verstärkungskonverters 24 verbunden ist und dadurch mit den anderen Enden der allgemein verbundenen Wicklungen. Ein Negativterminal der Last 28 ist mit einem dritten Terminal 30 des Verstärkungskonverters 24 verbunden. Rezfrkulierende Dioden 32, 34, 36 sind jeweils verbunden, zur Leitung von dem Negativterminal der Last 28 zu dem einen Ende der damit verbundenen Phasenwicklung 10, 12, 14.
Der Verstärkungskonverter 24 kann beispielsweise die in den Figuren 4 oder 5 gezeigte Form annehmen. In Figur 4 ist ein Verstärkungstransistor 40 mit dem dritten Terminal 80 verbunden sowie mit einer Verstärkungsdiode 42, die zur Leitung zum zweiten Terminal 26 verbunden ist. Ein Induktor 43 bildet eine Verbindung von zwischen dem seriell verbundenen Verstärkungstransistor 40 und der Diode 42 zu dem ersten Terminal 22. Ein erster Kondensator 44 ist über den seriell verbundenen Verstärkungstransistor 40 und die Verstärkerdiode 42 verbunden, d.h. zwischen den zweiten und dritten Terminals 36. Ein zweiter Kondensator 46 ist zwischen den ersten und dritten Terminals 22 und 43 des Verstärkungskonverters 24 verbunden.
In Figur 5 gleicht der Verstärkungskonverter dem in Figur 4, wobei jedoch der erste Kondensator zwischen den ersten und zweiten Terminals 22 und 26 verbunden ist. Dies ist wiederum ein bekannter Verstärkungskonverterschaltkreis und wird hier nicht in weiterem Detail beschrieben.
Die Schalter 16, 18 und 10, schematisch in Figur 3 gezeigt, sind typischerweise elektronische Schalteinrichtungen, d.h. Transistoren, wie z.B. isolierte Gatebipolartransitoren (IGBTs) oder ähnliche Leistungshalbleitereinrichtungen, die dem Fachmann bekannt sind.
Der Verstärkungskonverter 24 wird eingesetzt, um eine höhere Spannung vorzusehen, welche während eines ersten Teiles des Phaseninduktanzzyklus an die Phasenwicklung gegeben wird, als die ansonsten von der Last 28 erhältllche Spannung. Der Transistor 40 wird bei hoher Frequenz geschaltet, typischerweise um 10 bis 100 kHz.
Wenn die Transistoren 40 des Verstärkungskonverters leiten, wird Energie von der Last 28 an den Induktor 43 übertragen, geglättet durch den zweiten Kondensator 46. Wenn der Transistor 40 dann nicht leitend wird, wird Energie bei einer verstärkten Spannung (im Falle des Schaltkreises nach Figur 4) von dem Induktor 43 und der Last 28 über die Diode 42 an den ersten Kondensator 44 übertragen und dann an die drei Schalter 16, 18, 20, welche Energie in die Generatorwicklungen 10, 12, 14 injizieren. Die Schalter 16, 18, 20 werden bei geeigneten Rotationswinkeln des Rotors in Übereinstimmung mit der bekannten Zeiteinteilungspraxis geschalteter Reduktanzgeneratoren betätigt.
In dem Fall nach Figur 5 wird die Energie in dem Induktor 43 an den ersten Kondensator 44 übertragen, aber die in die Generatorwicklungen injizierte Energie wird auch von dem ersten Kondensator 44 und der Last 28 abgeleitet, geglättet durch den zweiten Kondensator 46.
Die zunächst in jede der Generatorwicklungen 10, 12, 14 während der Leitung der korrespondierenden Schalter 16, 18, 20 bei der verstärkten Spannung injizierte Energie wird durch die SR-Generatorwirkung als Resultat der mechanischen Leistungsrotation des Rotors des SR-Generators verstärkt. Auf diese Weise übersteigt die über die damit zusammenhängende Diode 32, 34, 36 an die Last 28 zurückgegebene Energie, die vorher von der Last 28 an der Lastversorgungsspannung gezogene injizierte Energie, wenn einer der Schalter 16, 18, 20 während des Phaseninduktanzzyklus geöffnet wird. Über einen oder mehrere volle Zyklen des SR- Generators ist die Überschußenergie zur Versorgung der Last 28 als elektrische Energiespeichereinrichtung und/oder als Senke der elektrischen Energie verfügbar.
Eine andere Ausführungsform der ersten Form der Erfindung ist in Figur 6 zusammen mit alternativen Verstärkungskonverterschaltkreisen in Figur 7 und 8 gezeigt. In Übereinstimmung mit den Figuren 3 bis 5 haben gleiche Komponenten entsprechende Bezugszeichen. Der Schaltkreis nach Figur 6 ist letztendlich eine Neuanordnung des Schaltkreises in Figur 3.
In Figur 6 fließt der Strom durch die Wicklungen 10, 12, 14 in entgegengesetzter Richtung zu dem in den Wicklungen in der Anordnung nach Figur 3. Die Polarität der Last 28 ist umgekehrt und die Leitrichtung der Dioden 32, 34, 36 sowie der Schalter 16, 18, 20 ist umgekehrt, d.h. alle Polaritäten und Stromrichtungen sind umgekehrt. Die Leistung des Schaltkreises der Figur 6 ist im wesentlichen gleich deijenigen der Figur 3 und wird hier nicht im größeren Detail beschrieben.
Gemäß einer zweiten bestimmten Form der Erfindung ist ein SR-Generator mit drei Phasenwicklungen vorgesehen, von denen jede aus zwei Sektionen gemacht ist, die magnetisch eng gekoppelt sind und die so verbunden sind, daß, wenn ein Strom durch beide Sektionen einer Phasenwicklung hindurchgeht, der durch jede Sektion produzierte Fluß in dieselbe Richtung geht. Der Schaltkreis dieser bestimmten Form der Erfindung ist in Figur 9 gezeigt.
In Figur 9 ist jede der drei Phasenwicklungen aus einer ersten und zweiten seriell verbundenen Wicklungssektion 50, 54 und 58 gemacht; und 52, 56 und 60. Eine Last 62 hat ein Negativterminal, das mit einem Ende von jedem der ersten Schalter 64, 66, 68 verbunden ist, die jeweils zwischen jedem korrespondierenden Paar der Wicklungssektionen verbunden sind. Ähnlich ist jeder der drei zweiten Schalter 70, 72 und 74 jeweils mit dem gegenüberliegenden Ende der korrespondierenden ersten Wicklung 50, 54, 58 verbunden. Jede der drei Dioden 76, 78 und 80 ist jeweils zur Leitung von dem Negativterminal der Last 62 zum gegenüberliegenden Ende der korrespondierenden ersten Wicklung 50, 54, 58 verbunden. Das Positivterminal der Last 62 ist mit jedem der drei weiteren Dioden 82, 84 und 86 verbunden, die auch jeweils mit den gegenüberliegenden Enden der korrespondierenden zweiten Wicklungssektionen 52, 56 und 60 verbunden sind.
Wie bei der vorhergehenden Form der Erfindung sind die Schalter 64 bis 74 elektronische Schalteinrichtungen, die Transistoren, wie z.B. IGBTs oder ähnliches einsetzen.
Die Konfiguration der Figur 9 macht es möglich, Energie von der Last 62 in eine Sektion jeder Phasenwicklung über vorgeschriebene Bereiche des Rotorwinkels zu injizieren, wie oben diskutiert, und macht die Rückgabe der Energie von beiden Sektionen jeder Phasenwicklung über einen späteren Bereich der Rotorwinkelbewegung möglich, wobei die zurückgeführte Energie die injizierte Energie als Resultat des mechanischen Rotationsmomentes des Rotors des SR-Generators übersteigt. Der Schaltkreis der Figur 9 ist so konfiguriert, daß die volle Spannung der Last 62 an eine Sektion einer der Phasen während der Energieinjektion angelegt wird, aber die zwei Sektionen einer Phase in Serie über die Last 62 verbunden sind, wenn Energie zurückgeführt wird.
Energie von der Last 62 wird in die ersten Wicklungssektionen 50, 54 und 58 durch Schließen der Paare von Schaltern 70 und 64 injiziert; 62 und 66; 74 und 68, wodurch in den korrespondierenden Wicklungssektionen ein Strom erzeugt wird, der von der Last 62 fließt. Wenn das Paar von Schaltern 70 und 64, 72 und 66, 74 und 68, die mit jeder Phase verbunden sind, geöffnet werden, werden die in den Wicklungssektionen 50, 54, 58 fließenden Ströme teilweise an die zweiten Wicklungssektionen 52, 56, 60 jeweils übertragen, so daß der mit jeder Phase verbundene Fluß im wesentlichen unverändert ist. Der in den zwei Wicklungssektionen fließende Strom nimmt dann durch die Wirkung des SR-Generators zu, so daß mehr Energie über die Dioden 76 und 82, 78 und 84, 80 und 86 an die Last 62 zurückgegeben wird, als wahrend der Energieinjektion entnommen wird, als ein Resultat des mechanischen Rotationsmomentes des Rotors des SR-Generators.
Die Spannung von der Last 62, die an die erste Wicklungssektion angelegt wird, bestimmt alleine eine relativ hohe Rate des Flußwachstums, aufgrund der geringeren Induktanz. Wenn die Last 62 über die Phasenwicklung insgesamt angelegt wird, bestimmt dieselbe Spannung eine geringere Rate der Flußabnahme aufgrund der vergrößerten Induktanz.
In einer besonders nützlichen Form haben die zwei Sektionen einer jeden Phasenwicklung gleiche Anzahlen an Wicklungen und sind in mehradriger Weise gewunden, um die magnetische Kopplung zwischen den zwei Sektionen einer Phase zu maximieren. Die resultierende enge Kopplung unterstützt die Übertragung von Strom zwischen den zwei Sektionen.
In Übereinstimmung mit den typischen Schaltkreisen des Standes der Technik sind zwei aktive Schalter in dieser Ausführungsform für jede Phasenwicklung vorgesehen. Nachdem Energie in eines der Wicklungspaare injiziert wurde, z.B. 50/52, wie oben beschrieben, ist es möglich, Energie zwischen dem Rotor und der Wicklung in einem freidrehenden Modus zu übertragen, durch Abschalten einer der verbundenen Schalter, ohne daß Strom an die Last 62 oder von dieser geleitet wird und den zweiten Schalter nach einer Verzögerung abzuschalten, die einem Bruchteil des Phaseninduktanzzeitraumes entspricht. Diese Betätigung von Schaltern im freidrehenden Modus nach der Energieinjektion jedoch vor der Rückgabe von Energie an die Last schafft einen Extragrad an Freiheit für die Steuerung des SR- Generators, insbesondere bei geringer Geschwindigkeit.
Aus Gründen der Klarheit zeigt die Figur 10 ein geschaltetes Reduktanzgeneratorsystem, bei dem die Erfmdung einsetzbar ist. Das System besteht aus einem Hauptantrieb 90 (z.B. einer Verbrennungskraftmaschine), die mit der Welle eines Rotors 92 verbunden ist, welche Teil der geschalteten Reduktanzmaschine 94 ist. In dieser Ausführungsform ist eine Dreiphasenmaschine dargestellt. Diese wird durch einen Schaltkreis 96 gesteuert, der die Energie in den Dreiphasenwicklungen über Verbindungen 98 unter Steuerung eines Controllers 100 steuert. Die Energieversorgung und Rückgabe, welche durch den Schaltkreis gesteuert wird, erfolgt zu und von einer herkömmlichen Batterieeinheit 102, die als Last dient.
Bei geringer Geschwindigkeit kann die Energieinjektion durch Verwendung des Schaltkreises der Figur 9 wie oben beschrieben durchgeführt werden. Die an die Last zurückgegebene Energie (d.h. die erzeugte Energie) kann abwechselnde Perioden freien Drehens und Energierückgabe in einem Phaseninduktanzzyklus umfassen. Während der freidrehenden Periode nimmt der Wicklungsstrom zu, wobei Energie von dem Rotor abgezogen wird. Während der Energierückgabe wird Energie mit einem zusätzlichen Beitrag des Rotors an die Last zurückgegeben. Die Verwendung von abwechselnden Perioden freien Drehens und Energierückgabe können als "Chopping" bezeichnet werden. Bei geringen Geschwindigkeiten kann der Chopping-Modus eingesetzt werden, um den Zeitraum zu vergrößern, in dem Strom von dem Generatorsystem abgezogen werden kann, wodurch der verlängerte Zeitraum ein größerer Bruchteil des Phaseninduktanzzyklus sein kann.
Im allgemeinen vergrößert die Erfindung den Anteil eines Phaseninduktanzzeitraumes, der zur Erzeugung zur Verfügung steht und reduziert den Anteil, in dem ein Motorbetrieb erfolgt. Während die Erfindung in Verbindung mit den beispielhaften Ausführungsformen, die oben diskutiert wurden, beschrieben wurde, werden die Fachleute daher erkennen, daß viele Variationen erstellt werden können, ohne die vorliegende Erfindung zu verlassen. Dementsprechend wurde die obige Beschreibung verschiedener Ausführungsformen in beispielhafter Weise und nicht aus Gründen der Begrenzung gemacht. Die vorliegende Erfindung soll nur durch den Schutzbereich der folgenden Ansprüche beschränkt werden.

Claims

1. Geschaltetes Reduktanzgeneratorsystem mit einem Rotor; einem Stator mit zumindest einer Phasenwicklung, Schalteinrichtungen, Einrichtungen zur Energieversorgung der Phasenwicklung gemäß der Betätigung der Schalteinrichtungen, Einrichtungen zur Rotation des Rotors relativ zum Stator und Steuereinrichtungen, die zur Steuerung der Schalteinrichtungen verwendbar sind, wobei die Steuereinrichtungen zur Betätigung der Schalteinrichtungen angeordnet sind, um eine erste Spannung von den Einrichtungen zur Energieversorgung über zumindest einen Teil der Phasenwicklung zu schalten, um ein Flußwachstum bei einer ersten Rate während eines ersten Teiles eines Phaseninduktanzzyklus zu verursachen und die so angeordnet sind, um die Schalteinrichtungen zu betätigen, um eine zweite Spannung über die Phasenwicklung zu schalten; wobei das System dadurch gekennzeichnet ist, daß die Steuereinrichtungen zur Schaltung der zweiten Spannung über die Phasenwicklung angeordnet ist, um eine Flußabnahme bei einer zweiten Rate zu verursachen, wobei die zweite Rate der Abnahme langsamer ist als die erste Rate des Flußwachstums, wobei die Rotation des Rotors eine Energieabgabe bei der zweiten Spannung von der Phasenwicklung während des zweiten Teiles des Phaseninduktanzzyklus verursacht.

2. System nach Anspruch 1, bei dem die erste Spannung größer ist als die zweite Spannung.

3. System nach Anspruch 1 oder 2, einschließlich einer Spannungsverstärkungseinrichtung, die zur Aufnahme der bei der zweiten Spannung erzeugten Energie angeordnet ist sowie zur Verstärkung derselben auf eine andere Spannung.

4. System nach Anspruch 3, in dem die Spannungsverstärkungseinrichtungen zur Verstärkung der bei der zweiten Spannung erzeugten Energie auf die erste Spannung angeordnet sind.

5. System nach Anspruch 1, in dem die Phasenwicklung angezapft ist, so daß die erste Spannung an emen ersten Teil der Phasenwicklung und die zweite Spannung über den ersten und zweiten Teil der Phasenwicklung angelegt ist.

6. System nach Anspruchs, in dem die erste und zweite Spannung im wesentlichen gleich sind.

7. System nach Anspruch 5 oder 6, in dem der erste und zweite Teil der Phasenwicklung zur engen magnetischen Kopplung angeordnet sind.

8. System nach Anspruch 6 oder 7, in dem der erste und zweite Teil der Phasenwicklung in Serie verbunden sind.

9. System nach Anspruch 7 oder 8, in dem der erste und zweite Teil der Phasenwicklung mehradrig gewunden sind.

10. System nach einem der Ansprüche 1 bis 9, in dem die Einrichtungen zur Energieversorgung eine elektrische Speichereinrichtung umfassen.

11. System nach Anspruch 10, in dem elektrische Speichereinrichtung auch zur Absorption der bei der zweiten Spannung generierten Energie angeordnet ist.

12. Verfahren zum Betrieb eines geschalteten Reduktanzgenerators, mit einem Rotor und einem Stator, der zumindest eine Statorwicklung hat, wobei das Verfahren umfaßt:

Rotation des Rotors;

Schalten einer ersten Spannung über zumindest einen Teil der Phasenwicklung während eines ersten Teiles eines Phaseninduktanzzyklus, um ein Flußwachstum bei einer ersten Rate während des ersten Teiles des Phaseninduktanzzyklus hervorzurufen;

Schalten einer zweiten Spannung über die Phasenwicklung während eines zweiten Teiles des Phaseninduktanzzyklus; wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch das Schalten einer zweiten Spannung über die Phasenwicklung während eines zweiten Teiles des Phaseninduktanzzyklus, um eine Flußabnahme bei einer zweiten Rate hervorzurufen, wobei die zweite Rate der Abnahme langsamer ist als die erste Rate des Flußwachstums während des zweiten Teiles des Phaseninduktanzzyklus.

13. Verfahren nach Anspruch 12, in dem die erste Spannung größer ist als die zweite Spannung.

14. Verfahren nach Anspruch 13, einschließlich der Verstärkung der zweiten Spannung auf die erste Spannung.

15. Verfahren nach Anspruch 12, einschließlich des Anlegens der ersten Spannung an einen der zwei Teile der Phasenwicklung während des ersten Teiles des Phaseninduktanzzyklus und Anlegen der zweiten Spannung an beide Teile der Phasenwicklung während des zweiten Teiles des Phaseninduktanzzyklus.

16. Verfahren nach Anspruch 15, in dem die erste und zweite Spannung im wesentlichen gleich sind.