DE8325880U1

DE8325880U1 - Multiphase electric machine

Info

Publication number: DE8325880U1
Application number: DE8325880U
Authority: DE
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Publication date: 1984-05-24

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen Berlin und München VPA 83 G 8 5 2 2 06SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Our reference Berlin and Munich VPA 83 G 8 5 2 2 06

Elektrische MehrphasenmaschineMultiphase electric machine

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Mehr-Phasenmaschine mit elektronisch über eine mit steuerbaren Halbleitern bestückte Schaltvorrichtung kommutierten Wicklungssträngen einer Arbeitswicklung und mit jedem Wicklungsstrang zugeordnetem Freilaufkrei?; eine derartige elektrische Mehrphasenmaschine ist z.B. aus der DE-OS 15 13 389 bekannt.The invention relates to a multi-phase electrical machine with electronically commutated via a switching device equipped with controllable semiconductors Winding phases of a working winding and free-wheeling circuit assigned to each winding phase ?; one Such an electric multiphase machine is known from DE-OS 15 13 389, for example.

Bei dem bekannten, als Dreiphasen-Synchronmotor ausgeführten Antrieb ist jeweils parallel zu jedem der drei Wicklungsstränge ein zusätzlicher, zumindest eine weitere gesonderte Diode enthaltender Freilaufstrompfad zur Weiterführung des Freilaufstroms in dem jeweiligen Wicklungsstrang nach Abschaltung des diesem Wicklungsstrang zugeordneten Transistors angeschlossen.In the known, designed as a three-phase synchronous motor drive is parallel to each of the three Winding strands an additional free-wheeling current path containing at least one further separate diode for continuation of the freewheeling current in the respective winding phase after the winding phase assigned to this winding phase has been switched off Transistor connected.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Aufwand für die die WickLungsstränge kommutierende Schaltvorrichtung weiter zu mindern, Die Lösung dieser Aufgabe gelingt bei einer elektrischen Mehrphasenmaschine der eingangs genannten Art durch die Lehre des Patentanspruchs 1; der Gegenstand des Anspruchs 2 kennzeichnet eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung.The object of the present invention is to reduce the expenditure for the switching device commutating the winding strands The solution to this problem is achieved in the case of an electrical multiphase machine as described at the beginning mentioned type by the teaching of claim 1; the subject matter of claim 2 characterizes an advantageous Embodiment of the invention.

Durch die erfindungsgemäß vorgesehene Anzahl und Anordnung der Wicklungsstränge der Arbeitswicklung im Zusammenhang mit den die Wicklungsstränge dieser Arbeitswicklung ansteuernden MOS-Transistoren v.lrd die Weiterführung des abklingenden Stroms in den einzelnen, zuvor jeweils abgeschalteten Wicklungssträngen über die anDue to the number and arrangement of the winding phases of the working winding provided according to the invention with the MOS transistors v.lrd controlling the winding phases of this working winding, the continuation of the decaying current in the individual, previously disconnected winding phases via the

Bk 2 Bim / 05.09.1983Bk 2 Bim / 09/05/1983

• · I• · I

- 2 - VPA 83 G 8 5 2 2 DE- 2 - VPA 83 G 8 5 2 2 DE

sich vorhandenen Inversdioden der MOS-Transistoren der jeweils elektrisch um 180° versetzten Strangstromkreise ermöglicht, wobei in besonders einfacher Weise die magnetisch zu koppelnden Wicklungsstränge in die gleichen Nuten eingebracht werden. Gesondert anzuschließende und mit zusätzlichen Dioden bzw. Transistoren zu bestückende FreilaufStromkreise erübrigen sich, so daß im Vergleich zu bekannten Schaltungen etwa die Hälfte der ansonsten notwendigen Leistungselektronik und ein wesentlicher Teil der Steuerelektronik bei trotzdem gewährleisteter Betriebssicherheit der elektrischen Mehrphasenmaschine (Asynchron./Synchronmaschine) entfallen kann.existing inverse diodes of the MOS transistors of the string circuits, each electrically offset by 180 ° allows, in a particularly simple manner, the magnetically coupled winding phases in the same Grooves are introduced. Separately to be connected and to be equipped with additional diodes or transistors Freewheel circuits are unnecessary, so that in comparison to known circuits about half of the otherwise necessary power electronics and an essential one Part of the control electronics with nevertheless guaranteed operational safety of the electrical multiphase machine (Asynchronous / synchronous machine) can be omitted.

The invention is described schematically in the following airhand

dargestellten Ausführungsbeispiels in der Zeichnung näher |illustrated embodiment in more detail in the drawing |

erläutert; darin zeigen |explained; show in it |

Fig. 1 eine stirnseitige Draufsicht auf einen mit zwei . Wicklungssträngen einer insgesamt 4-strängigen | Arbeitswicklung belegten Sektorstatör eines sta- § torerregten, nach dem Reluktanzprinzip arbeitenden i Synchron-Motor-Generators,Fig. 1 is an end plan view of one with two. Winding strands of a total of 4 strands | Job development was documented by sector steward § Tor-excited synchronous motor generator working according to the reluctance principle,

Fig. 2 die rotorseitige Draufsicht auf den Sektorstator gemäß Fig. 1,2 shows the top view of the sector stator on the rotor side according to Fig. 1,

3 shows one for controlling the working winding

insgesamt vier Wicklungssträngen vorgesehene, mit MOS-Transistoren bestückte Taktgeber-Schaltvorrichtung. A total of four winding strands, equipped with MOS transistors, clock switching device.

Die vorliegende Erfindung wird anhand einer Kommutie- 2 rungssteuerung für eine statorerregte Synchronmaschine i beschrieben, die als Motor-Generator, insbesondere mit § Schwungmassen-Rotor, in einem Kraftfahrzeug einsetzbar ist. Bei einem bekannten Kfz-Motor-Generator (DE-OS 29 17 139) bildet die der Kurbelwelle zu- bzw. abkuppelbare Schwungmasse gleichzeitig den wicklungslosen, nach dem Reluktanzprinzip arbeitenden Rotor des fThe present invention will be described i based on a commutation controller for an approximately 2 statorerregte synchronous machine, which is used as a motor-generator, in particular § flywheel masses rotor, in a motor vehicle. In a known motor vehicle engine generator (DE-OS 29 17 139), the flywheel mass which can be coupled or uncoupled from the crankshaft simultaneously forms the winding-free rotor of the f, which operates on the reluctance principle

I I · ·I I · ·

ι ti*ι ti *

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- 3 - VPA 83 G 8 5 2 2 DE- 3 - VPA 83 G 8 5 2 2 DE

Motor-Generators? der nicht näher beschriebene Stator soll an der Brennkraftmaschine bzw. am Getriebegehäuse befestigt werden. Die Schwungmasse ist durch eine zusätzliche Kupplung von der Kurbelwelle abkuppelbar und Im abgekuppelten Zustand relativ zur Kurbelwelle drehbar. Bei kurzzeitigen Stillständen, wie z.B. bei Ampelstopps od.dgl., wird die Schwungmasse von der Brennkraftmaschine abgekuppelt, so daß die Schwungmasse auch bei abgestellter Brennkraftmaschine weiter rotieren kann. Beim anschließenden Wiederanfahren wird die Schwungmasse zum Starten der Brennkraftmaschine wieder angekuppelt. Zusätzlich ist vorgesehen, daß die Schwungmasse bei kurzzeitigen Stillständen des Kraftfahrzeuges durch den Motor-Generator auf einer bestimmten Drehzahl gehalten wird, die ausreicht, um nach dem Wiederankuppeln an die Brennkraftmaschine deren Start gewährleisten zu können. In den Betriebszuständen, in denen die Brennkraftmaschine in Betrieb ist, wird der Motor-Generator auf Generatorbetrieb umgeschaltet und speist elektrischeMotor generator? the stator not described in detail is to be attached to the internal combustion engine or to the gearbox housing. The flywheel is through an additional The clutch can be uncoupled from the crankshaft and rotatable relative to the crankshaft in the uncoupled state. In the event of brief standstills, such as stopping at traffic lights or the like, the centrifugal mass is taken from the internal combustion engine uncoupled so that the flywheel continues to rotate even when the internal combustion engine is switched off can. When the engine is then restarted, the flywheel is used again to start the internal combustion engine coupled. In addition, it is provided that the flywheel mass in the event of brief stoppages of the motor vehicle is kept at a certain speed by the motor-generator, which is sufficient for after reconnection to be able to guarantee the start of the internal combustion engine. In the operating states in which the internal combustion engine is in operation, the motor-generator is switched to generator mode and supplies electricity

Output e.g. back into the vehicle battery.

Fig. 1 zeigt in einer axialen stirnseitigen Draufsicht einen einzelnen Sektorstator SS, der an dem Motorkuppelgehäuse einer Kfz-Verbrennungsmaschine befestigt ist und sich über einen Winkel von ca. 70° über den Umfang der als Rotor mitbenutzten Kupplungsscheibe der Verbrennungsmaschine erstreckt. Der Sektorstator SS besteht aus zwei in axialem Abstand hintereir.ander angeordneten, magnetisch gegeneinander isolierten Sektorstator-Elementen.Fig. 1 shows in an axial end-face plan view of a single sector stator SS, which is attached to the motor dome housing a motor vehicle internal combustion engine is attached and extends over an angle of about 70 ° over the circumference of the As a rotor also used clutch disc of the internal combustion engine extends. The sector stator SS consists of two at an axial distance one behind the other, magnetically isolated sector stator elements.

Each sector stator element is - as in particular from

Fig. 2 ersichtlich - mit insgesamt acht Zähnen SZl - SZ8 bzw. SZ9 - SZ16 versehen. Die Zähne SZl - SZ8 des ersten Sektorstator-Elementes sind axial fluchtend zu den Zähnen SZ9 - SZ16 des zweiten Sektorstator-Elementes angeordnet.Fig. 2 can be seen - provided with a total of eight teeth SZl - SZ8 or SZ9 - SZ16. The teeth SZl - SZ8 of the first Sector stator elements are axially aligned with the teeth SZ9 - SZ16 of the second sector stator element.

Die Zähne SZl - SZ8 bzw. SZ9 - SZ16 jedes Sektorstator-Elementes sind gleichmäßig über jedes Sektorstator-The teeth SZl - SZ8 or SZ9 - SZ16 of each sector stator element are uniform over each sector stator

- 4 - VPA 83 G 8 5 2 2 OE- 4 - VPA 83 G 8 5 2 2 OE

Element und gleichartig in beiden Sektorstator-Elementen verteilt angeordnet. Die Statorzahnteilung ist mit bezeichnet. Es sind zumindest zwei Sektorstatoren der in Fig. 1 dargestellten Art am Bohrungsumfang vorgesehen, wobei die beiden Sektorstatoren um ein ungerades Viel" faches der halben Statorzahnteilung cL von Ihrer genauen Diametrallage abweichen.Element and similarly arranged distributed in both sector stator elements. The stator tooth pitch is denoted by. At least two sector stators of the type shown in FIG. 1 are provided on the circumference of the bore, the two sector stators deviating from their exact diametrical position by an odd multiple of half the stator tooth pitch cL.

A 4-strand winding is used as the working winding

jeweils um 90° el. gegeneinander versetzten Wicklungssträngen Sl, S2, S3, S4 gleicher Spulenweite vorgesehen. Die gesamte Arbeitswicklung des Wotor-'Generators besteht somit aus einer geraden Zahl von Strängen, wobei jeweils die halbe Zahl der Stränge je einem der beiden Sektor-Statoren zugeordnet ist. In Fig. 2 ist die Wicklungsanordnung sämtlicher vier Stränge Sl - S4 angegeben, wobei sich die in Klammern angegebenen Anschlüsse auf die Wicklung des zweiten, hier nicht dargestellten Sektorstators beziehen, der bis auf die zuvor genannte Abweichung zu dem ersten, in Fig. i dargestellten Sektorstator gegenüberliegend am Bohrungsumfang angeordnet ist. Die Wicklungsstränge^vSl und S3 sind also gemäß Fig. 2 um die Zähne SZi - SZ16 des ersten Sektorstator-Elementes und die Stränge S2 und S4 entsprechend um die hier nicht dargestellten Zähne des zweiten Sektorstators nach dem in Fig. 2 dargestellten Wicklungsprinzip gewickelt. Es ergibt sich weiterhin, daß die Wicklungen der Stränge Sl und S3 einerseits sowie der Stränge S2 und S4 andererseits jeweils in gleichen Nuten angeordnet und somit eng miteinander magnetisch gekoppelt sind. Aufgrund der gegeneinander versetzten Anordnung der beiden Sektorstatoren wird jeweils in den Strängen 52 und S4 im zweiten Sektorstator eine um 90° el. versetzte Spannung gegenüber den Wicklungsstrangen Sl und S3 im ersten Sektorstator induziert.Windings Sl, S2, S3, S4 of the same coil width offset from one another by 90 ° el. The entire working winding of the Wotor generator thus consists of an even number of strands, with half the number of strands being assigned to one of the two sector stators. In FIG. 2, the winding arrangement of all four strands Sl - indicated S4, wherein the terminals indicated in parentheses refer to the winding of the second, not shown here sector stator, i illustrated the exception of the aforementioned deviation to the first, in Fig. Sector stator is arranged opposite on the circumference of the bore. The winding ^{strands v} Sl and S3 are thus wound around the teeth SZi - SZ16 of the first sector stator element according to FIG. 2 and the strands S2 and S4 are accordingly wound around the teeth of the second sector stator, not shown here, according to the winding principle shown in FIG. It also emerges that the windings of strands S1 and S3 on the one hand and strands S2 and S4 on the other hand are each arranged in the same slots and are thus magnetically coupled closely to one another. Due to the mutually offset arrangement of the two sector stators, a voltage offset by 90 ° el. Is induced in the strands 52 and S4 in the second sector stator in relation to the winding strands S1 and S3 in the first sector stator.

- 5 - VPA 83 G 8 5 2 2 DE- 5 - VPA 83 G 8 5 2 2 DE

Die vorgenannte Ausführung gilt mit ihren Zahl- und Winkelangaben natürlich für die bisher vorzugsweise betrachtete 4-strängige Ausführung mit einer elektrischen Verschiebung von 90° el. Man kann diese grundsätzliche Lösung auch auf andere, insbesondere 6-strängige Anordnungen übertragen, bei denen dann entsprechend mehr Sektorstatoren der zuvor beschriebenen Form notwendig werden und die unter Beachtung der allgemein bekannten Regeln für eine Drehfelderzeugung im Sinne möglichst insgesamt geringer radialer magnetischer Zugbelastungen sämtlicher Sektorstatoren mit einem gegenseitigen Umfangsversatzwinkel: F - c£ ' (n i l/m) angeordnet sind? dabei gilt: oO = 360⁰/2pj η = natürliche Zahlj m = Strang-(Phasen) Zahl; ρ = Polpaarzahl.The aforementioned version with its number and angle information naturally applies to the previously preferred 4-leg version with an electrical displacement of 90 ° el Sector stators of the form described above become necessary and which, taking into account the generally known rules for generating a rotating field in the sense of the lowest possible total radial magnetic tensile loads of all sector stators, are arranged with a mutual circumferential offset angle: F - c £ ' (nil / m)? where: oO = 360 ⁰ / 2pj η = natural numberj m = string (phase) number; ρ = number of pole pairs.

Jedes Sektorstator-Element eines jeden Sektorstators mündet in einem radial überstehenden Polschenkel, der jeweils von einem konzentrierten Erregerwicklungsteil umschlungen ist, der vorteilhafterweise als radial aufsteckbare Formspule ausgebildet ist. In Fig. 1 ist nur der vordere Polschenkel PSl des einen Sekt.orstators ersichtlich. Die Erregerwicklungsteile sind derart an eine, gegebenenfalls steuerbare Gleichspannung angeschlossen, daß sich in den beiden zwischen den Sektor· stator-Elementen eines Sektorstatois liegenden Spulenselten die gleiche Stromrichtung ergibt. Die Polenden der beiden Polschenkel jedes Sektorstators sind jeweils durch ein Rückschlußjoch J verbunden.Each sector stator element of each sector stator opens into a radially protruding pole leg, the is wrapped in each case by a concentrated field winding part, which is advantageously as radially plug-on Form coil is formed. In Fig. 1 only the front pole leg PSl of one Sekt.orstators evident. The excitation winding parts are connected to an optionally controllable DC voltage, that there is seldom the same current direction in the two coils located between the sector stator elements of a sector stator. The Poles the two pole legs of each sector stator are each connected by a yoke J.

Als Rotor ist, in hier nicht näher dargestellter Weise, der äußere Umfang des Kupplungs-Schwungrades der Verbrennungsmaschine derart mitbenutzt, daß am Umfang der Kupplungs-Schwungscheibe zwei den aus den Zähnen der Sektorstatoren gebildeten Zahnreihen zugeordnete Zahnreihen vorgesehen sind, von denen in Fig. 1 die ZähneIn a manner not shown here, the rotor is the outer circumference of the clutch flywheel of the internal combustion engine shared in such a way that on the circumference of the clutch flywheel two from the teeth of the Tooth rows associated with sector stators formed rows of teeth are provided, of which the teeth in FIG. 1

- 6 - VPA 83 G 8 5 2 2 OE- 6 - VPA 83 G 8 5 2 2 OE

RZl - RZ5 der vorderen und die Zähne RZ6 - RZ9 der hinteren Zahnreihe dargestellt sind. Beide Zahnreihen stehen in magnetisch leitender Verbindung, indem sie Teile der massiven Stahl-Kupplungs-Schwungscheibe sind. Die Rotorzähne RZl - RZ5 bzw. RZ6 - RZ9 der beiden gleichartig über den gesamten Umfang gezahnten Rotorzahnreihe sind gegeneinander um die Hälfte des Zahnabstandes einer Rotorzahnreihe nach dem Prinzip "Zahn auf Lücke" versetzt. Jede Rotorzahnreihe ist über ihren Umfang mit einer gleichmäßigen Zahnteilung 2oU = 2 * (p = Polpaarzahl der Stator-Arbeitswicklung) versehen, derart daß beide Zahnreihen der Kupplungs-Schwungscheibe über den gesamten Umfang je für sich eine mit dem Doppelten der Zahnteilung des Sektorstators übereinstimmenden Zahnteilung aufweisen, wobei jedoch die Zähne der einen Zahnreihe gegenüber den Zähnen der anderen Zahnreihe um eine halbe Zahnteilung gegeneinander versetzt sind, so daß in der Axialsicht die Zähne beider Zahnreihen wechselweise im Abstand am Umfang aufeinander folgen.RZl - RZ5 of the front and the teeth RZ6 - RZ9 of the rear row of teeth are shown. Both rows of teeth are in a magnetically conductive connection as they are part of the massive steel clutch flywheel. The rotor teeth RZl - RZ5 or RZ6 - RZ9 of the two rows of rotor teeth, which are toothed similarly over the entire circumference, are offset from one another by half the tooth spacing of a row of rotor teeth according to the "tooth on gap" principle. Each rotor tooth row is provided with a uniform tooth pitch 2oU = 2 * (p = number of pole pairs of the stator working winding) over its circumference, so that both tooth rows of the clutch flywheel over the entire circumference each have a tooth pitch corresponding to twice the tooth pitch of the sector stator have, but the teeth of one row of teeth are offset from the teeth of the other row of teeth by half a tooth pitch so that in the axial view the teeth of both rows of teeth alternately follow one another at a distance on the circumference.

Fig. 3 zeigt als Schaltvorrichtung zur Kommutierung der Wicklungsstränge Sl - S4 der Arbeitswicklung eine mit MOS-Transistoren Tl - T4 bestückte Taktgeberschaltung TG. Dazu ist zunächst in Reihe mit jedem Wicklungsstrang Sl - S4 jeweils ein steuerbares Halbleiterelement in Form eines MOS-Transistors Tl - T4 geschaltet. Diese Reihenschaltung liegt an der im Motorbetrieb speisenden und im Generatorbetrieb gespeisten Gleichspannungsquelle PN. U.a. zur Erzielung möglichst kleiner Spannungsabfälle in der Kommutierung ist jeweils nur eine einzige Halbleiterstrecke in jedem Stromkreis wirksam; in vorteilhafter Weise wird diese Halbleiterstrecke sowohl für die Wicklungsfortschaltung der Wicklungsstränge Sl - S4 als auch zur Strombegrenzung der in diesen Wicklungssträngen fließenden Ströme benutzt.3 shows a switching device for commutating the winding phases S1-S4 of the working winding MOS transistors Tl - T4 equipped clock circuit TG. To do this, it is first in series with each winding phase Sl - S4 each connected a controllable semiconductor element in the form of a MOS transistor Tl - T4. These The series circuit is connected to the DC voltage source which feeds in motor operation and which is fed in generator operation PN. Among other things, to achieve the smallest possible voltage drops in the commutation, only a single semiconductor path is required effective in every circuit; This semiconductor path is advantageously used both for the winding increment the winding phases S1 - S4 as well as to limit the current flowing in these winding phases Used currents.

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- 7 - VPA 83G 8 5 22DE- 7 - VPA 83G 8 5 22DE

Die Weiterführung des Stromes in den einzelnen Wicklungssträngen Sl - S4 nach dem Ausschalten der MOS-Transistoren Tl - T4 wird nun erfindungsgemäß nicht in Form von zusätzlichen, im vorliegenden Fall an sich vorzusehenden, synchron zu den MOS-Transistoren Tl - T4 vom gleichen Taktgeber durchlässig zu schaltenden Freilauftransistoren sondern erfindungsgemäß durch die Inversdioden Dl- D4 in den MOS-Transistoren Tl - T4 der elektrisch jeweils um 180° versetzten Strangstromkreise gewährleistet, wobei diese um 180° gegeneinander versetzten Strangstromkreise Sl und S3 bzw. S2 und S4 durch die erfindungsgemäße Anordnung in den gleichen Nuten magnetisch eng miteinander gekoppelt sind. Die Inversdioden begrenzen dabei die Spannungsbeanspruchung des jeweils gerade schaltenden MOS-Transistors auf etwa den doppelten Wert der Speisespannung, also auf den Wert, der als reguläre Sperrspannung sowieso unvermeidlich ist.The continuation of the current in the individual winding phases S1 - S4 after switching off the MOS transistors According to the invention, T1-T4 is not in the form of additional, in the present case per se to be provided, synchronous to the MOS transistors Tl - T4 from the same clock generator to be switched permeable free-wheeling transistors but according to the invention by the inverse diodes Dl-D4 in the MOS transistors Tl-T4 electrically guaranteed by 180 ° shifted string circuits, whereby these are offset by 180 ° from each other String circuits Sl and S3 or S2 and S4 by the arrangement according to the invention in the same grooves are magnetically closely coupled to each other. The inverse diodes limit the voltage stress of the the MOS transistor that is currently switching to about twice the value of the supply voltage, i.e. to the value which is unavoidable as a regular reverse voltage anyway.

Die in Fig. 3 als Beispielsfall einer Kommutierung eingezeichneten Strompfade zeigen mit ausgezogener Kontur den Betriebsstrom I_ß bei eingeschaltetem und an das speisende Netz angeschlossenem Wicklungsstrang Sl und mit gestrichelter Kontur den an die Abschaltung des MOS-Transistors Tl anschließenden Freilaufstrom LThe current paths shown in Fig. 3 as an example of a commutation show with a solid contour the operating current I _ß when the winding phase S1 is switched on and connected to the feeding network, and with a dashed contour the freewheeling current L following the disconnection of the MOS transistor T1

TR*TR *

2 Schutzansprüche2 claims for protection

3 Figuren3 figures

Claims

• Unsef1 _, - ^ "^. "TPA" 85 <· 8522 DE protection claim (instead of the previous claims 1, 2)

1. Multi-phase electric machine with one of several Winding strands existing work winding and each work winding a Stron idling circuit, characterized by the following features: 5

a) The work winding is as an even-numbered strand, in particular 4-strand working winding formed with two winding strands each offset from one another by 180 "el.

b) two each offset by 180 ° el Winding sections are arranged in the same slots;

c) only one equipped with MOS transistors is used for commutation and current free-wheeling of the winding phases Switching device provided, the inverse diodes of the MOS transistors also being used as freewheeling means.

Bk 2 Bih / 11/18/1983