EP1530819A1 - Einrichtung und verfahren zum schalten von strömen in einer statorwicklung einer generator-elektromotor-kombination - Google Patents

Einrichtung und verfahren zum schalten von strömen in einer statorwicklung einer generator-elektromotor-kombination

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EP1530819A1
EP1530819A1 EP03793676A EP03793676A EP1530819A1 EP 1530819 A1 EP1530819 A1 EP 1530819A1 EP 03793676 A EP03793676 A EP 03793676A EP 03793676 A EP03793676 A EP 03793676A EP 1530819 A1 EP1530819 A1 EP 1530819A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
capacitor
winding
stator winding
decoupling element
voltage
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP03793676A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Sven Martin
Bernd-Guido Schulze
Oliver Rauch
Markus Billmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Volkswagen AG
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Siemens AG
Volkswagen AG
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Siemens Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Volkswagen AG, Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Publication of EP1530819A1 publication Critical patent/EP1530819A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of DC power input into DC power output
    • H02M3/02—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC
    • H02M3/04—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters
    • H02M3/10—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/156—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
    • H02M3/158—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for switching currents in a stator winding of a generator-electric motor combination.
  • the generator-electric motor combination has a housing in which a rotor and a stator of both the generator and the electric motor are arranged, which have a hollow cylindrical generator rotor attached to an input shaft and a hollow cylindrical motor attached to an output shaft -Rotor, wherein the rotors are axially adjacent to one another and have permanent magnets of alternating polarity distributed on the inside in the circumferential direction, and the one hollow cylindrical stator arranged within the hollow cylindrical rotors with at least one winding, which depends on the position of the permanent magnets of the two Rotors are connected to each other.
  • stator winding is short-circuited or switched to high impedance by alternately switching power semiconductors of a half-bridge of the known device, which act as switching elements, depending on the pole position of the electric motor.
  • a disadvantage of the known device is that when the current in the stator winding is switched off, the energy stored in the inductance is inevitably lost. It is also disadvantageous that the switching elements are endangered by the extremely high voltage peaks that occur when switching off.
  • a disadvantage of this circuit is that the time constant of the energy store for charging and discharging depends on the size of the capacitor for a given inductance. On the one hand there is a need for a large capacity to reduce the peak voltage and on the other hand the capacity should be small in order to switch steep pulses due to a low time constant.
  • the invention is therefore based on the technical problem of creating a device for switching currents in a stator winding of a generator-electric motor combination and of providing an associated method by means of which steep rising and falling edges are stored while temporarily storing the electrical energy from the inductance can be switched.
  • At least one switchable decoupling element is arranged between the winding and the capacitor, the decoupling element being conductive in a non-working cycle when the device or winding is switched off, so that voltage peaks are limited by the capacitor and the energy stored in the inductance is charged to the charge current Capacitor can be buffered and the temporarily stored energy can be fed back into the stator winding as a working current in the working cycle, the decoupling element being activated during the regeneration in such a way that the capacitor voltage does not drop below a specified voltage value.
  • the idea on which this invention is based is not to completely discharge and recharge the capacitor with every work cycle, but to keep its voltage as constant and high as possible depending on the load point during operation of the machine.
  • the decoupling element is only switched on according to one of certain functions. For example, this can be a certain period of time.
  • the minimum charging voltage of the capacitor is determined, for example, and the time constant RC is used to calculate how long the discharge may take so that the capacitor voltage does not drop below the specified voltage value.
  • Another option is there in measuring the capacitor voltage and generating a control signal for the decoupling element from this measurement signal.
  • the decoupling element is designed as a switch with a freewheeling diode connected in parallel.
  • the switch is only closed briefly to discharge the capacitor.
  • a charging current can flow through the freewheeling diode in the event of voltage peaks by switching off the stator winding, so that the decoupling element is quasi self-controlling when charging.
  • the specified voltage value for the capacitor is preferably to be kept greater than / equal to the voltage at the decoupling element in the non-operating cycle in order to avoid charging in this operating state. Due to the pole position of the two rotors in the non-working cycle, the induced voltages add up there and represent the largest possible voltage value at the decoupling element outside the switching phases, so that an unwanted charging of the capacitor is avoided in every operating state (working cycle or non-working cycle).
  • At least one switching element with a freewheeling diode connected in parallel is preferably assigned to each end of the winding, so that the current direction in the winding can be switched depending on the desired direction of rotation.
  • the switching elements are designed as transistors, these preferably being designed as iGBTs.
  • the stator winding comprises a plurality of mutually independent stator windings which are formed with a common capacitor.
  • the pulsating moment can be made more uniform, and because of working on a common capacitor, this can be made smaller or the voltage surge on the capacitor can be reduced. since the windings acting as partial motors are not in the same operating or Switching state, so that the energy can be switched directly from one sub-motor to another sub-motor directly via decoupling elements without charging or discharging the capacitor.
  • Fig. 3 shows a circuit arrangement according to FIG. 1 with several sub-motors and
  • Fig. 4 shows a circuit arrangement according to Fig. 2 with several sub-motors.
  • the circuit arrangement comprises a stator winding 1 with an inductance L, at the end of which a switching element T1 or T2 with a freewheeling diode D1 or D2 connected in parallel is arranged.
  • the stator winding 1 is connected to a capacitor C via a decoupling element 2 connected as a center tap.
  • the decoupling element 2 comprises a switching element T3 with a freewheeling diode D3 connected in parallel.
  • the stator winding 1 is ideally short-circuited or switched to high impedance, the direction of rotation of the combination being changeable via the current direction in the stator winding 1.
  • the switching element T1 is permanently blocked in this operating mode, whereas the switching element T2 is opened and closed in a pulsed manner, the change in current being only trapezoidal due to the inductance L.
  • the two diodes D1 and D2 are reversed and prevent further current flow.
  • This large dl S ⁇ / dt causes a large U s ⁇ across the stator winding 1. If U S ⁇ / 2 is greater than the voltage U c across the capacitor C, the freewheeling diode D3 of the decoupling element 2 conducts.
  • the capacitor C in turn limits the rate of change the voltage on the coil, since the voltage on the capacitor C cannot change suddenly due to energetic reasons.
  • the voltage peaks are damped due to the current change at the inductor L and the energy stored in the inductor L flows in the form of a charging current via the freewheeling diode D3 into the capacitor C and charges it.
  • Due to the center tap the inductance is shared. Since the two partial coils L1, L2 each have only half of the turns of the stator winding, the inductance of a partial coil L1, L2 is only L / 4 of the stator winding, so that the
  • Capacitor C buffered. If the voltage U S ⁇ / 2 at L2 drops below that
  • Discharge current is fed in according to the sign.
  • Capacitor C is not completely discharged, but only up to a voltage U c > U S ⁇ / 2 in the non-working cycle.
  • the basic idea here is that the capacitor voltage U c im
  • the freewheeling diode D3 thus ensures that no energy flow to the capacitor C takes place during operation, which would increase the reactive power of the machine. In the non-work cycle it is through the
  • the control of the switching element T3 can be designed differently. It is thus possible to measure the capacitor voltage U c and to open the switching element T3 accordingly when a defined voltage value is reached. On the other hand, a time can also be determined on the basis of the RC time constant for which the switching element is closed, the time being determined in such a way that the capacitor voltage U c is sufficiently high in every operating case.
  • the further advantage is that the circuit arrangement works in a self-regulating manner. If, for example, more energy is temporarily stored in the capacitor C when the stator winding is switched off than can be fed back into the operating cycle in the next switching operation, the capacitor voltage U c increases . However, an increase in U c automatically leads to a larger l c the next time it is fed in, ie the capacitor C feeds back more energy when U c increases. Self-destruction of the capacitor C is thus counteracted.
  • FIG. 2 An alternative circuit arrangement is shown in FIG. 2, in which the stator winding 1 is arranged in a bridge circuit. Instead of the one decoupling element 2, two decoupling elements are each arranged at the ends of the stator winding 1. In principle, the same applies here as has already been carried out for the circuit according to FIG. 1, but here U c greater than / equal to the full phase voltage U S ⁇ should be selected.
  • the mode of operation of the circuit is that, depending on the desired direction of rotation, the switching element T1 or T2 is permanently open in the working cycle, whereas the other switching element T2 or T1 is switched in pulse form. In contrast, all switching elements are open in the non-working cycle. When switching off, the capacitor C is charged via the diagonal freewheeling diode D3 or D4.
  • the switching element T2 If, for example, the switching element T2 is clocked, the current flows via the freewheeling diode D3 when T2 is switched off. To discharge the capacitor C, the switching element T3 is then closed briefly.
  • the advantage of the bridge circuit compared to the center tap is in particular that coupling losses between the two coil halves are avoided, as they occur with the center tap according to FIG. 1.
  • 3 shows a circuit arrangement according to FIG. 1 for five sub-motors 11, 12, 13, 14, 15, that is to say five independent windings on the stator, which are preferably wound onto the stator at an equidistant distance from one another. As can be seen from FIG. 3, all sub-motors 11-15 can work on a common capacitor C, which would not be possible, for example, in DE 198 53 516 A1.
  • Another advantage is that not all sub-motors 11-15 are in the same operating state. By moving the permanent magnets past the different windings of the sub-motors 11-15, for example, a sub-motor is in the transition from the work cycle to the non-work cycle, the other sub-motors still being in the work cycle. This means that part of the energy stored in the inductance can be fed directly as working current into the sub-motors that are still in the working cycle, without temporarily storing them in the capacitor. On the one hand, this allows the capacitor C to be dimensioned smaller and the voltage swing across the capacitor C is reduced.
  • FIG. 4 shows a circuit arrangement according to FIG. 2 for five sub-motors 11-15, which can also work on a common capacitor C, so that reference can be made to the embodiment of FIG. 3.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Control Of Eletrric Generators (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung und ein Verfahren zum Schalten von Strömen in einer Statorwicklung (1) einer Generator-Elektromotor-Kombination, wobei die Statorwicklung (1) mindestens eine Wicklung aufweist, die durch mindestens eine Einrichtung (T1, D1; T2, D2) kurzschliessbar oder hochohmig schaltbar ist, wobei die mindestens eine Wicklung mit einem Kondensator (C) verbunden ist, mittels dessen Spannungsspitzen aufgrund von Schaltvorgängen reduzierbar sind und in der Statorwicklung gespeicherte Energie zwischenspeicherbar ist, wobei zwischen der Wicklung und dem Kondensator (C) mindestens ein schaltbares Entkopplungselement (2) angeordnet ist, wobei über das Entkopplungselement (2) die zwischenzuspeichernde Energie aufgrund der Abschaltung der Einrichtung in einen Nicht-Arbeitstakt als Ladestrom auf den Kondensator ableitbar ist und die zwischengespeicherte Energie als Arbeitsstrom im Arbeitstakt in die Statorwicklung (1) rückspeisbar ist, wobei das Entkopplungselement (2) zeitlich bei der Rückspeisung derart angesteuert wird, dass die Kondensatorspannung UC nicht unter einen festgelegten Spannungswert sinkt.

Description

Einrichtung und Verfahren zum Schalten von Strömen in einer Statorwicklung einer Generator-Elektromotor-Kombination
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung und ein Verfahren zum Schalten von Strömen in einer Statorwicklung einer Generator-Elektromotor-Kombination.
Eine derartige Generator-Elektromotor-Kombination ist aus der DE 44 08 719 C1 bekannt. Hierbei ist vorgesehen, dass die Generator-Elektromotor-Kombination ein Gehäuse aufweist, in dem ein Rotor und ein Stator sowohl des Generators als auch des Elektromotors angeordnet sind, die einen an einer Eingangswelle befestigten hohlzylindrischen Generator-Rotor und einen an einer Ausgangswelle befestigten hohlzylindrischen Motor-Rotor aufweist, wobei die Rotoren axial nebeneinander liegen und an ihrer Innenseite in Umfangsrichtung verteilt Permanent-Magnete wechselnder Polarität aufweisen, und die einen innerhalb der hohlzylindrischen Rotoren angeordneten hohlzylindrischen Stator mit wenigstens einer Wicklung, die abhängig von der Stellung der Permanent-Magnete der beiden Rotoren zueinander geschaltet werden, besitzt. Hierbei wird die Statorwicklung je nach gewünschter Kraftrichtung des Elektromotors durch wechselseitiges Schalten von als Schaltelemente fungierenden Leistungshalbleitern einer Halbbrücke der bekannten Einrichtung je nach der Pollage des Elektromotors kurzgeschlossen oder hochohmig geschaltet.
Nachteilig an der bekannten Einrichtung ist, dass beim Abschalten des Stromes in der Statorwicklung die in der Induktivität gespeicherte Energie zwangsläufig verlorengeht. Außerdem ist nachteilig, dass durch die beim Abschalten entstehenden extrem hohen Spannungsspitzen die Schaltelemente gefährdet werden.
Zur Lösung dieses Problems ist es aus der DE 198 53 516 A1 bekannt, die Wicklung mit einer Induktivität durch mindestens eine Anzapfung in zwei Wicklungsteile aufzuteilen, wobei in die Anzapfung ein Kondensator geschaltet ist, der bei einer Beaufschlagung durch einen hochfrequenten Abschaltstrom die beiden Wicklungsteile der Wicklung zumindest teilweise elektrisch trennt. Dadurch wird die in der Induktivität gespeicherte Energie im Kondensator zwischengespeichert und im Arbeitstakt, wenn die Wicklung wieder kurzgeschlossen wird, in die Wicklung zurückgespeist. Neben der Energiezwischenspeicherung begrenzt der Kondensator die am Halbleiterschaltelement auftretende Spitzenspannung nach der Formel I2 • L/2 = U2 • C/2, da die Spannung am Kondensator nicht springen kann. Ein zusätzlich in den Kondensatorzweig eingebauter Schalter verhindert ein unerwünschtes Aufladen des Kondensators im Nicht-Arbeitstakt (Wicklung hochohmig geschaltet) sowie ein Schwingen des Stromes infolge der Schwingeigenschaften des LC-Kreises.
Nachteilig an dieser Schaltung ist, dass die Zeitkonstante des Energiespeichers zum Auf- und Entladen bei gegebener Induktivität von der Größe des Kondensators abhängig ist. Dabei besteht einerseits das Bedürfnis nach einer großen Kapazität, um die Spitzenspannung zu reduzieren und andererseits soll die Kapazität klein sein, um durch eine geringe Zeitkonstante steile Pulse zu schalten.
Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, eine Einrichtung zum Schalten von Strömen in einer Statorwicklung einer Generator-Elektromotor-Kombination zu schaffen sowie ein zugehöriges Verfahren zur Verfügung zu stellen, mittels derer unter Zwischenspeicherung der elektrischen Energie aus der Induktivität steilere Anstiegs- und Abfallflanken geschaltet werden können.
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 10. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Hierzu ist zwischen der Wicklung und dem Kondensator mindestens ein schaltbares Entkopplungselement angeordnet, wobei das Entkopplungselement bei Abschaltung der Einrichtung bzw. Wicklung in einen Nicht-Arbeitstakt leitend ist, sodass Spannungsspitzen durch den Kondensator begrenzt werden und die in der Induktivität gespeicherte Energie als Ladestrom auf den Kondensator zwischenspeicherbar ist und die zwischengespeicherte Energie als Arbeitsstrom im Arbeitstakt in die Statorwicklung rückspeisbar ist, wobei das Entkopplungselement zeitlich bei der Rückspeisung derart angesteuert wird, dass die Kondensatorspannung nicht unter einen festgelegten Spannungswert sinkt. Die dieser Erfindung zugrunde liegende Idee ist, den Kondensator nicht bei jedem Arbeitstakt komplett zu entladen und wieder aufzuladen, sondern während des Betriebes der Maschine dessen Spannung je nach dem Lastpunkt möglichst konstant und hoch zu halten. Dies geschieht dadurch, dass das Entkopplungsglied nur nach einer von bestimmten Funktionen leitend geschaltet wird. Dies kann beispielsweise eine bestimmte Zeitspanne sein. Hierzu wird beispielsweise die minimale Ladespannung des Kondensators bestimmt und anhand der Zeitkonstanten RC berechnet, wie lange die Entladung dauern darf, damit die Kondensatorspannung nicht unter den vorgegebenen Spannungswert sinkt. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Kondensatorspannung zu messen und aus diesem Messsignal ein Steuersignal für das Entkopplungselement zu generieren. Die Höhe der Überspannung an den Einrichtungen zum Kurzschließen oder hochohmig Schalten der Wicklung bestimmt sich wie in der DE 198 53 516 A1 gemäß der Formel I2 • L/2 = U2 • C/2 und kann durch ein großes C klein gehalten werden. Dieses große C hat aber praktisch keinen negativen Einfluss mehr auf die Zeitkonstante des Stromes nach dem Aus- bzw. Einschalten der Statorwicklung, da der Kondensator nicht vollständig entladen wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Entkopplungselement als Schalter mit parallel geschalteter Freilaufdiode ausgebildet. Dabei wird der Schalter nur zum Entladen des Kondensators kurzzeitig geschlossen. Über die Freilaufdiode kann hingegen bei Spannungsspitzen durch Abschaltung der Statorwicklung ein Ladestrom auf den Kondensator fließen, sodass das Entkopplungselement im Ladefall quasi selbststeuernd ist.
Vorzugsweise ist der festgelegte Spannungswert für den Kondensator größer/gleich der Spannung am Entkopplungselement im Nicht-Arbeitstakt zu halten, um ein Laden in diesem Betriebszustand zu vermeiden. Aufgrund der Pollage der beiden Rotoren im Nicht-Arbeitstakt addieren sich dort die induzierten Spannungen und stellen den größtmöglichen Spannungswert am Entkopplungselement außerhalb der Schaltphasen dar, sodass somit ein ungewolltes Laden des Kondensators in jedem Betriebszustand (Arbeitstakt oder Nicht-Arbeitstakt) vermieden wird.
Um eine beliebige Drehrichtung der beiden Rotoren zu ermöglichen, ist vorzugsweise jedem Ende der Wicklung mindestens ein Schaltelement mit parallel geschalteter Freilaufdiode zugeordnet, sodass die Stromrichtung in der Wicklung je nach gewünschter Drehrichtung umschaltbar ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Schaltelemente als Transistoren ausgebildet, wobei diese vorzugsweise als iGBTs ausgebildet sind.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Statorwicklung mehrere voneinander unabhängige Statorwicklungen, die mit einem gemeinsamen Kondensator ausgebildet sind. Hierdurch kann das pulsierende Moment vergleichmäßigt werden, wobei aufgrund des Arbeitens auf einem gemeinsamen Kondensator dieser kleiner dimensionierbar ist bzw. der Spannungsschub am Kondensator erniedrigt werden kann, da sich die als Teilmotoren wirkenden Wicklungen nicht jeweils im gleichen Betriebsbzw. Schaltzustand befinden, sodass die Energie teilweise direkt über Entkopplungsglieder von einem Teilmotor zu einem anderen Teilmotor geschaltet werden kann, ohne den Kondensator auf- bzw. zu entladen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Die Fig. zeigen:
Fig. 1 eine Schaltungsanordnung mit einem Mittenabgriff einer Statorwicklung,
Fig. 2 eine Schaltungsanordnung mit einer Brückenschaltung für eine Statorwicklung,
Fig. 3 eine Schaltungsanordnung nach Fig. 1 mit mehreren Teilmotoren und
Fig. 4 eine Schaltungsanordnung nach Fig. 2 mit mehreren Teilmotoren.
Die Schaltungsanordnung umfasst eine Statorwicklung 1 mit einer Induktivität L, an deren Ende jeweils ein Schaltelement T1 bzw. T2 mit einer parallelgeschalteten Freilaufdiode D1 bzw. D2 angeordnet ist. Über ein als Mittenabgriff geschaltetes Entkopplungselement 2 ist die Statorwicklung 1 mit einem Kondensator C verbunden. Das Entkopplungselement 2 umfasst ein Schaltelement T3 mit parallelgeschalteter Freilaufdiode D3.
Zum Betrieb der Generator-Elektromotor-Kombination wird die Statorwicklung 1 idealerweise impulsartig kurzgeschlossen bzw. hochohmig geschaltet, wobei über die Stromrichtung in der Statorwicklung 1 die Drehrichtung der Kombination veränderbar ist. Zur detaillierten Beschreibung des Grundprinzips einer derartigen Generator- Elektromotor-Kombination wird auf die DE 44 08 719 C1 bzw. die DE 198 53 516 A1 Bezug genommen.
Soll nun beispielsweise der Strom in der Statorwicklung 1 wie in der Fig. 1 eingezeichnet fließen, so wird in dieser Betriebsweise das Schaltelement T1 permanent gesperrt, wohingegen das Schaltelement T2 impulsförmig auf- und zugesteuert wird, wobei aufgrund der Induktivität L die Stromänderung nur trapezförmig ist. Beim Sperren von T2 sind die beiden Dioden D1 und D2 gegeneinander verpolt und verhindern einen weiteren Stromfluss. Dieses große dlSτ/dt bewirkt ein großes Usτ über der Statorwicklung 1. Ist dabei USτ/2 größer als die Spannung Uc am Kondensator C, so leitet die Freilaufdiode D3 des Entkopplungselementes 2. Der Kondensator C begrenzt wiederum die Änderungsgeschwindigkeit der Spannung an der Spule, da die Spannung am Kondensator C sich aus energetischen Gründen nicht sprunghaft ändern kann. Somit werden die Spannungsspitzen aufgrund der Stromänderung an der Induktivität L gedämpft und die in der Induktivität L gespeicherte Energie fließt in Form eines Ladestromes über die Freilaufdiode D3 in den Kondensator C und lädt diesen auf. Aufgrund des Mittenabgriffs wird die Induktivität geteilt. Da die beiden Teilspulen L1 , L2 jeweils nur die Hälfte der Windungen der Statorwicklung aufweisen, ist darüber hinaus die Induktivität einer Teilspule L1 , L2 nur L/4 der Statorwicklung, sodass die
Spannungsänderung ebenfalls nach der Beziehung UST/2 = L2 — begrenzt wird. Der dt
Grund hierfür ist der quadratische Zusammenhang zwischen Induktivität L und
Windungszahl N. Die in der anderen Induktivität L1 gespeicherte Energie wird dann als
Spannung in die Induktivität L2 transformiert und ebenfalls als Ladestrom im
Kondensator C zwischengespeichert. Sinkt die Spannung USτ/2 an L2 unter die
Kondensatorspannung Uc, so sperrt die Diode D3 und entkoppelt somit zusammen mit dem gesperrten Schaltelement T3 den Kondensator C von der Statorwicklung 1. Diese im Nicht-Arbeitstakt (lSτ = 0) zwischengespeicherte Energie soll im Arbeitstakt, wenn das
Schaltelement T2 wieder geschlossen wird, zurückgespeist werden. Hierzu wird nun das
Schaltelement T3 geschlossen, sodass sich der Kondensator C entlädt, wobei der
Entladestrom vorzeichengerecht eingespeist wird. Erfindungsgemäß wird nun der
Kondensator C nicht vollständig entladen, sondern nur bis zu einer Spannung Uc > USτ/2 im Nicht-Arbeitstakt. Der Grundgedanke dabei ist, dass die Kondensatorspannung Uc im
Betriebsfall der Maschine (Arbeitstakt oder Nicht-Arbeitstakt) stets größer/gleich als die
Strangspannung am Entkopplungselement ist. Somit ist durch die Freilaufdiode D3 sichergestellt, dass im Betriebsfall kein Energiefluss zum Kondensator C stattfindet, der die Blindleistung der Maschine erhöhen würde. In dem Nicht-Arbeitstakt ist die durch die
Permanentmagneten beiden Rotoren induzierte Strangspannung am größten, da sich diese vorzeichengleich addieren, sodass daher vorzugsweise Uc auf die
Strangspannung im Nicht-Arbeitstakt angepasst wird. Prinzipiell wird das Schaltverhalten aber bereits verbessert, wenn die Kondensatorspannung Uc nicht unter irgendeinen festen Spannungswert entladen wird, wobei dann jedoch die Blindleistung zunimmt. Die Vorteile dieser Schaltungsanordnung ist die Zwischenspeicherung der induktiven Energie mit einer Begrenzung der Spannungsspitzen, wobei jedoch sehr steile trapezförmige Flanken erreichbar sind, da der Kondensator C nur mit einem geringen Spannungshub geladen bzw. entladen wird.
Die Ansteuerung des Schaltelementes T3 kann dabei verschieden ausgebildet sein. So ist es möglich, die Kondensatorspannung Uc zu messen und das Schaltelement T3 entsprechend bei Erreichen eines festgelegten Spannungswertes zu öffnen. Andererseits kann auch eine Zeit anhand der RC-Zeitkonstanten festgelegt werden, für die das Schaltelement geschlossen wird, wobei die Zeit derart bestimmt wird, dass in jedem Betriebsfall die Kondensatorspannung Uc ausreichend hoch ist. Dabei kommt der weitere Vorteil zum Tragen, dass die Schaltungsanordnung selbstregelnd arbeitet. Wird beispielsweise beim Abschalten der Statorwicklung mehr Energie im Kondensator C zwischengespeichert, als im nächsten Schaltvorgang in den Arbeitstakt rückspeisbar ist, so steigt die Kondensatorspannung Uc an. Ein Ansteigen von Uc führt jedoch automatisch beim nächsten Einspeisen zu einem größeren lc, d.h. der Kondensator C speist mehr Energie zurück, wenn Uc steigt. Somit wird einer Selbstzerstörung des Kondensators C entgegengewirkt.
In der Fig. 2 ist eine alternative Schaltungsanordnung dargestellt, bei der die Statorwicklung 1 in einer Brückenschaltung angeordnet ist. Anstelle des einen Entkopplungselementes 2 sind hier zwei Entkopplungselemente jeweils an den Enden der Statorwicklung 1 angeordnet. Prinzipiell gilt hier das Gleiche, was bereits zur Schaltung gemäß Fig. 1 ausgeführt wurde, wobei hier jedoch Uc größer/gleich der vollen Strangspannung USτ gewählt werden sollte. Die Arbeitsweise der Schaltung dabei ist, dass je nach gewünschter Drehrichtung im Arbeitstakt das Schaltelement T1 oder T2 permanent geöffnet ist, wohingegen das andere Schaltelemente T2 bzw. T1 pulsförmig geschaltet wird. Im Nicht-Arbeitstakt hingegen sind alle Schaltelemente offen. Beim Abschaltvorgang wird der Kondensator C jeweils über die diagonale Freilaufdiode D3 bzw. D4 geladen. Wird beispielsweise das Schaltelement T2 getaktet, so fließt beim Abschalten von T2 der Strom über die Freilaufdiode D3. Zum Entladen des Kondensators C wird dann entsprechend das Schaltelement T3 kurzzeitig geschlossen. Der Vorteil der Brückenschaltung gegenüber dem Mittelabgriff ist insbesondere, dass Kopplungsverluste zwischen den beiden Spulenhälften vermieden werden, wie sie beim Mittenabgriff gemäß Fig. 1 auftreten. In der Fig. 3 ist eine Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 für fünf Teilmotoren 11 , 12,13, 14, 15 dargestellt, also fünf unabhängige Wicklungen auf dem Stator, die vorzugsweise im äquidistanten Abstand voneinander auf den Stator gewickelt sind. Wie aus der Fig. 3 zu entnehmen ist, können dabei alle Teilmotoren 11 - 15 auf einem gemeinsamen Kondensator C arbeiten, was beispielsweise in der DE 198 53 516 A1 nicht möglich wäre. Ein weiterer Vorteil ist, dass nicht jeweils alle Teilmotoren 11 - 15 sich im gleichen Betriebszustand befinden. Durch die Bewegung der Permanentmagneten vorbei an den unterschiedlichen Wicklungen der Teilmotoren 11 - 15 befindet sich beispielsweise ein Teilmotor im Übergang von Arbeitstakt in den Nicht-Arbeitstakt, wobei die anderen Teilmotoren noch im Arbeitstakt sich befinden. Somit kann ein Teil der in der Induktivität gespeicherten Energie direkt als Arbeitsstrom in die noch im Arbeitstakt befindlichen Teilmotoren eingespeist werden, ohne diese im Kondensator zwischenzuspeichem. Dadurch kann einerseits der Kondensator C kleiner dimensioniert werden und der Spannungshub am Kondensator C wird verringert.
In der Fig. 4 ist entsprechend eine Schaltungsanordnung gemäß Fig. 2 für fünf Teilmotoren 11 - 15 dargestellt, die ebenfalls auf einen gemeinsamen Kondensator C arbeiten können, sodass auf die Ausführung zu Fig. 3 Bezug genommen werden kann.

Claims

PAT E N TAN S P R Ü C H E
1 ) Einrichtung zum Schalten von Strömen in einer Statorwicklung (1 ) einer Generator-Elektromotor-Kombination, wobei die Statorwicklung (1) mindestens eine Wicklung aufweist, die durch mindestens eine Einrichtung (T1 , D1 ; T2, D2) kurzschließbar oder hochohmig schaltbar ist, wobei die mindestens eine Wicklung mit einem Kondensator (C) verbunden ist, mittels dessen Spannungsspitzen aufgrund von Schaltvorgängen reduzierbar sind und in der Statorwicklung gespeicherte Energie zwischenspeicherbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Wicklung und dem Kondensator (C) mindestens ein schaltbares Entkopplungselement (2) angeordnet ist, wobei über das Entkopplungselement (2) die zwischenzuspeichernde Energie aufgrund der Abschaltung der Einrichtung in einen Nicht-Arbeitstakt als Ladestrom auf den Kondensator ableitbar ist und die zwischengespeicherte Energie als Arbeitsstrom im Arbeitstakt in die Statorwicklung (1) rückspeisbar ist, wobei das Entkopplungselement (2) zeitlich bei der Rückspeisung derart angesteuert wird, dass die Kondensatorspannung Uc nicht unter einen festgelegten Spannungswert sinkt.
2) Einrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Entkopplungselement (2) als Schalter (T3, T4) mit parallel geschalteter Freilaufdiode (D3, D4) ausgebildet ist.
3) Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der festgelegte Spannungswert für die Kondensatorspannung Uc größer/gleich der Spannung am Entkopplungselement (2) im Nicht-Arbeitstakt liegt.
4) Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass an jedem Ende der Wicklung mindestens ein Schaltelement (T1 , T2) mit parallelgeschalteter Freilaufdiode (D1 , D2) angeordnet ist.
5) Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Entkopplungselement (2) als Mittenabgriff an der Wicklung geschaltet ist. 6) Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklung in einer Brückenschaltung angeordnet ist, wobei in einem Zweig der Brücke zwei Entkopplungselemente (T3, D3; T4, D4) und in dem anderen Zweig die beiden Schaltelemente (T1 , T2) mit parallelgeschalteten Freilaufdioden (D1 , D2) angeordnet sind.
7) Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltelemente (T1 , T2, T3, T4) als Transistoren ausgebildet sind.
8) Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Transistoren als iGBTs ausgebildet sind.
9) Einrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorwicklung (1 ) mehrere voneinander unabhängige Wicklungen als Teilmotoren (11 - 15) umfasst, die mit einem gemeinsamen Kondensator (C) ausgebildet sind.
10) Verfahren zum Schalten von Strömen in einer Statorwicklung einer Generator- Elektromotor-Kombination, wobei die Statorwicklung (1) mindestens eine Wicklung aufweist, die durch mindestens eine Einrichtung (T1, D1 ; T2, D2) kurzschließbar oder hochohmig schaltbar ist, wobei die mindestens eine Wicklung über ein schaltbares Entkopplungselement (2) mit einem Kondensator (C) verbunden ist, wobei über das Entkopplungselement (2) in der Statorwicklung gespeicherte Energie beim hochohmigen Schalten der Wicklung durch einen Ladestrom auf den Kondensator in diesem zwischengespeichert wird und die gespeicherte Energie als Arbeitsstrom im Arbeitstakt in die Statorwicklung über das durchgeschaltete Entkopplungselement (2) zurückgespeist wird, wobei der Kondensator (C) immer nur bis zu einer Kondensatorspannung (Uc) größer/gleich einen festgelegten Spannungswert entladen wird.
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