WO1995018925A1

WO1995018925A1 - Verfahren und steuergerät zur steuerung einer elektrischen drehfeldmaschine mit spezialwicklung zur kombinierten erzeugung eines drehmoments und einer querkraft in derselben

Info

Publication number: WO1995018925A1
Application number: PCT/IB1995/000019
Authority: WO
Inventors: Reto Schöb
Original assignee: Sulzer Electronics Ag; Lust Antriebstechnik Gmbh
Priority date: 1994-01-10
Filing date: 1995-01-10
Publication date: 1995-07-13
Also published as: EP0739457A1; EP0739457B1; DE59501650D1; BR9506476A; JP3701307B2; JPH09507377A

Abstract

Es wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung einer elektrischen Drehfeldmaschine mit Spezialwicklung zur kombinierten Erzeugung eines Drehmoments und einer Querkraft in derselben angegeben. Dabei wird über den Strom einer Steuerwicklung der Drehfeldmaschine die auf den Rotor derselben wirkende Querkraft in Betrag und Richtung gesteuert. Dazu wird der von einer Antriebswicklung generierte Fluss der Maschine in Betrag und Richtung sowie die momentbildende Komponente des Antriebsstroms erfasst. Aus diesen Grössen lässt sich der Sollwert des Steuerstromvektors in einem mit dem Maschinenfluss mitdrehenden Koordinatensystem über eine Entkopplungsgleichung genau berechnen. Durch Vektordrehung um den Flusswinkel und einen konstanten Winkel, der die Lage der Wicklungsachsen von Antriebs- und Steuerwicklung berücksichtigt, lässt sich der Sollwert des Steuerstromvektors ins Ständerkoordinatensystem der Steuerwicklung transformieren. Aufgrund dieses Steuerstromvektors werden die Sollströme der einzelnen Wicklungsstränge bestimmt. Diese Ströme werden von einem Stromspeisegerät in die Wicklung eingeprägt. Der Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass durch Berücksichtigung aller in der Maschine wirkenden magnetischen Kräfte, die Maxwellkräfte wie auch die Lorenzkräft sowie durch Erfassen des Antriebsflusses und der momentbildenden Stromkomponente, die auf den Rotor wirkende Querkraft sehr genau und in jedem Zustand der Maschine, insbesondere auch im Stillstand und im Feldschwächbereich, gesteuert werden kann.

Description

Verfahren und Steuergerät zur Steuerung einer elektrischen Drehfeldmaschine mit Spezialwicklung zur kombinierten Erzeugung eines Drehmoments und einer Querkraft in derselben

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Antriebs- und Regelungstechnik.

Sie geht von einem Verfahren zur Steuerung einer Drehfeldmaschine mit Spezialwicklung zur kombinierten Erzeugung eines Drehmoments und einer auf den Rotor wirkenden Querkraft nach dem Oberbegriff des ersten Anspruchs aus. Im weiteren betrifft sie ein Steuergerät für eine Drehfeldmaschine mit Spezialwicklung.

Die Voraussetzungen, unter welchen in elektrischen Maschinen einseitige magnetische Züge auftreten, sind schon zu Beginn dieses Jahrhunderts untersucht worden. Sie werden zum Beispiel im dreibändigen Grundlagenwerk von H. Sequenz "Die Wicklungen elektrischer Maschinen", Springer Verlag Wien, 1950 wie auch im Lehrbuch von Th. Bödefeld und H. Sequenz, sechste Auflage, Springer- Verlag Wien, 1962 beschrieben. Nach Sequenz treten einseitige magnetische Zugkräfte nur dann auf, wenn das resultierende Durchflutungsvieleck zentrisch vmsymmetrisch ist und sich erst nach dem Durchlaufen des ganzen Ankerumfangs schliesst. Die über den gesamten Umfang verteilten radialen Maxwellkräfte heben sich dann in ihrer vektoriellen Summe nicht auf, so dass eine Zugkraft resultiert. Im Grundlagenwerk von H. Sequenz sind zwei Fälle beschrieben, welche eine zentrische Unsymmetrie des Durchflutungsvielecks bewirken: - wenn die Ständer- oder Läuferdrehfelder Oberwellen enthalten, deren Polpaardifferenzen untereinander oder zur Grundwelle gleich eins sind;

- wenn in polumschaltbaren Drehfeldmachinen zwei Ständer- Wicklungen betrieben werden, deren Polpaardifferenz gleich eins ist.

Lange Zeit wurden einseitige magnetische Züge von Elektromaschinenbauem ausschliesslich als unerwünschte Störkräfte betrachtet und durch geeignete Massnahmen bekämpft. Erstmals hat P. K. Hermann versucht, die in einer elektrischen Maschine wirkenden einseitigen magnetischen Züge zu nutzen. In den deutschen Patentanmeldungen:

DE-OS 24 57 084.1-32 DE-OS 24 06 790.1-32

beschreibt er ein radiales aktives magnetisches Lager, das auf einseitigen magnetischen Zug¬ kräften basiert. Er schlägt ein Steuerverfahren vor, bei dem zwei Ständer- Wicklungen einer Drehfeldmaschine mit einer Polpaarzahldifferenz von eins mit Drehströmen derselben Frequenz gespeist werden, wobei der Speisestrom der einen Wicklung, die im folgenden Steuerwicklung genannt wird, aus dem Speisestrom der anderen Wicklung, im folgenden Antriebswicklung genannt, durch Amplitudenmodulation abgeleitet wird. Die Phasenlage zwischen den Strömen der beiden Wicklungen, im folgenden Steuer- und Antriebsstrom genannt, wird mittels einer Phasenjustiereinrichtung abgestimmt.

Ein Nachteil dieser Steuerung liegt darin, dass die Richtung und der Betrag der über den Steuer¬ strom gesteuerten magnetischen Zugkraft, im folgenden Maxwell-Querkraft genannt, vom Last¬ zustand und von der Drehzahl der Maschine abhängt. Im weiteren bleiben bei der bescliriebenen Steuerung die, bei der Kombination von zwei Wicklungssystemen mit einer Polpaarzahldifferenz von eins ebenfalls auftretenden Lorentz-Querkräfte, unberücksichtigt. Diese können sich daher als Störkräfte bemerkbar machen.

Ein Vorschlag, diese bei der Kombination von zwei Wicklungssystemen mit einer Polpaar¬ zahldifferenz von eins auftretenden Lorentz-Querkräfte zu nutzen, stammt von J. Bichsel. In seiner Dissertation "Beiträge zum lagerlosen Elektromotor", ETH Zürich, 1990 und in den schweizerischen Patentgesuchen:

Nr. 04 049/90-2 Nr. 04 050/90-2 Nr. 04 051/90-0 Nr. 04 052/90-2

- 2 - T REGEL 26 beschreibt er Magnetlageranordnungen, die auf der Wirkung von Lorentz-Querkräften basieren. Er beschreibt auch ein auf dem Prinzip der Flussorientierung basierendes Steuerverfahren für eine Synchronmaschine, dass es erlaubt, unabhängig vom Betriebspunkt der Maschine eine Lorentz-Querkraft in Betrag und Richtung einzustellen.

Ein Nachteil des Steuerverfahrens besteht darin, dass es Maxwell-Querkräfte unberücksichtigt lässt. Zudem lässt sich das Verfahren nicht auf die Induktionsmaschine übertragen, da dort keine nutzbare Lorentz-Querkraft erzeugt werden kann.

Zur Realisierung des erfindungsgemässen Steuerverfahrens ist die Kenntnis des Antriebsfluss- betrags, des Antriebsflusswinkels und des drehmomentbildenden Antriebsständerstroms in der Drehfeldmaschine notwendig. Unter der Bezeichnung "Feldorientierte Regelung oder Steuerung der Synchron- und Asynchronmaschine" sind Verfahren zur Bestimmung dieser Grossen in gros- ser Zahl in der Literatur beschreiben. Die Grundlagen der feldorientierten Regelung gehen auf F. Blaschke zurück (Das Verfahren der Feldorientierung zur Regelung der Asynchronmaschine, Siemens Forsch.- u. Entwickl.- Berichte Nr. 1/72, Siemens AG Erlangen, 1972 und das Verfahren der Feldorientierung zur Regelung der Drehfeldmaschine, Dissertation TU Braunschweig 1974). Eine gute Übersicht über die verschiedensten Verfahren zur feldorientier¬ ten Regelung der Asynchronmaschine bietet die Dissertation von W. Zägelin ( Drehzahlregelung des Asynchronmotors unter Verwendung eines Beobachters mit geringer Parameteremp¬ findlichkeit, Dissertation Universität Erlangen, 1984). Beispiele für feldorientierte Regelungen von Synchronmaschinen sind in Orik, B. : Regelung einer permanentmagneterregten Syn¬ chronmaschine mit einem Mikrorechner, Automatisierungstechnik at., 33. Jahrgang, Heft 3/85; in Schwarz, B. : Beiträge zu reaktionsschnellen und hochgenauen Drehstrom-Positioniersyste¬ men, Dissertation Universität Stuttgart 1986 und in Lobe, W. : Digitale Drehzahl- und Lagere¬ gelung eines Synchron-Servoantriebs mit selbsteinstellender Zustandsregelung, etzArchiv Band 11, Heft 4/89 zu finden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Steuerverfahren und eine Steuereinrichtung für eine Drehfeldmaschine mit einer pj -polpaarigen und einer (p₂ = P_] ± 1) -polpaarigen Wicklung zur Bildung eines auf den Rotor der Maschine wirkenden Querkraftvektors anzugeben, bei wel¬ chem die o.g. Nachteile des Standes der Technik vermieden werden sollen. Insbesondere sollen vom Steuerverfahren alle in der Maschine auftretenden Querkräfte, die Maxwell-Querkraft und die Lorentz-Querkraft berücksichtigt werden. Das Steuerverfahren soll zudem für jeden Betriebs¬ zustand der Maschine die exakte Steuerung des Querkraftvektors erlauben.

Diese Aufgabe wird bei einem Steuerverfahren der eingangs genannten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten Anspruchs, bei einem Steuergerät der eingangs genannten Art, durch die Merkmale des 10. Anspruchs gelöst.

- 3 - ERSATZBLÄTT (REGEL 26) Das Verfahren basiert auf der Analyse aller in einer elektrischen Drehfeldmaschine wirkenden magnetischen Querkräfte: der Maxwell-Querkraft und der Lorentz-Querkraft.

Maxwell-Kräfte sind Kräfte, die in einem magnetischen Kreis an den Grenzflächen zwischen Stoffen mit unterschiedlichen Permeabilitäten auftreten. In einer Maschine mit ferromagnetischem Rotor greifen die Maxwell-Kräfte senkrecht am Rotor an. Da sich diese bei exakt zentrischer Anordnung des Rotors und bei sinusförmiger Induktionsverteilung in ihrer Summe aufheben, werden sie normalerweise gar nicht beachtet. Erst bei einer Verlagerung des Rotors aus dem Zentrum oder bei einer unsymmetrischen Induktionsverteilung resultiert eine Maxwell-Querkraft. Eine solche Asymmetrie der Induktionsverteilung kann erreicht werden, wenn dem pi -polpaarigen, sinusförmig verteilten Antriebsmagnetfeld ein (p₂ = P_j ± l)-pol- paariges ebenfalls sinusförmig verteiltes Steuermagnetfeld überlagert wird (vergl. Fig 1). Die beiden Magnetfelder lassen sich durch Flussvektoren beschreiben. Φ_j zeigt in die Richtung der maximalen Induktion des Antriebsmagnetfelds und Φ₂ zeigt in die Richtung der maximalen

Induktion des Steuermagnetfelds. Der Betrag der Maxwell-Querkraft ist proportional zum Produkt der Flussbeträge. Werden die Vektoren in ihren elektrischen Ebenen (Φ_j im p_j- polpaarigen System und Φ₂ im p₂-polpaarigen System) betrachtet, so ist die Richtung der Maxwell-Querkraft nur von der relativen Lage der beiden Flussvektoren zu einander abhängig. Für den Fall p₂ = Pi + 1 zeigt der Maxwell-Querkraftvektor gerade in die Richtung des Steuerflussvektors Φ₂, relativ zum Antriebsflussvektor Φ_j (vergl. Fig 3). Für den Fall p2 = Pι ~ l muss der Maxwell-Querkraftvektor noch zusätzlich an der 1 -Achse gespiegelt werden (vergl. Fig 2) .

Der Steuerfluss ist proportional zum Magnetisierungsstrom in der Steuerwicklung (Magnetisierungsstromanteil des Steuerstroms). Falls angenommen werden kann, dass kein p₂- polpaariger Rotorstrom fliesst, ist dieser praktisch identisch mit dem Steuerstrom. Somit ist die Querkraft direkt über den Steuerstromvektor i^ einstellbar. Die Maxwell-Querkraft lässt sich also als Vektorgleichung von ig₂ ^unc^ Φi schreiben. Im praktischen Umgang mit der Glei¬ chung ist es einfacher, wenn an Stelle des Antriebsflussvektor Φ_j , der mit der p_j -polpaarigen

Antriebswicklung verkettete Flussvektor Ψ_j ' verwendet wird.

Die Maxwell-Querkraft wird also in Vektorkomponenten dargestellt durch die folgende Glei¬ chung beschrieben.

-p _ , rcPιP₂L₂ :(p₂) . x-μ(Pι) , ;(P₂) . vt/CPih ^rMχ - ⁺ 41rμ₀w,w₂ ^S2d d ^{+ 1}S2q q )

-p _ ■ πp)P₂L₂ ⁽p₂) χτ .Pι) :(P₂) _. ψ(Pιh _ _{n +} *My ~ ^± 41rμ₀w₁w₂ ¹S2q Md *S2d q ) ^~ Pl -

- 4 -

ERSATZBLÄIT (REGEL 26 Die gewählte Vektorkomponentendarstellung lehnt sich an die bekannte und weit verbreitete Vektordarstellung der elektrischen Maschine (Zweiachsendarstellung, dq-Darstellung) an. Bei dieser Darstellungsart wird zur einfacheren Beschreibung mittels ebener Vektoren, eine m- phasige Maschine mit der Polpaarzahl p auf eine 2-phasige Ersatzmaschine mit der Polpaarzahl 1 abgebildet. Da aber zur Querkraftbildung in einer Drehfeldmaschine zwei Wicklungen mit einer Polpaardifferenz von 1 notwendig sind, und im Gegensatz zur Beschreibung der Drehmomentbildung ebenfalls die geometrischen Strom- und Flussverteilungen in der Maschine von Interesse sind, ist es für die Beschreibung der Querkraftbildung wichtig, dass die durch die Abbildung von der realen Maschine auf die Ersatzmaschine verloren gegangene Information der geometrischen Wicklungsverteilung durch Kennzeichnung der Abbildungsebene und Definition der Lage der Wicklungsachsen ersetzt wird. In den folgenden Gleichungen ist deshalb die Abbildungsebene bei allen Vektorgrössen angegeben (hochgestellt in Klammern). Die geometrische Lage der Wicklungen ist so definiert, dass ihre d-Achsen mit der geometrischen x- Achse zusammenfallen. Die Kennzeichnung der Phasenzahlen der Wicklungen ist nicht notwendig, da diese keinen Einfluss auf die geometrische Strom- und Flussverteilung in der Maschine haben.

Nun ist aus dem Stand der Technik bekannt, dass in einer Drehfeldmaschine ebenfalls Lorentz- Querkräfte erzeugt werden können. Lorentz-Kräfte sind Kräfte, die auf einen stromdurchflosse- nen Leiter in einem Magnetfeld wirken. Bei sinusförmiger Strom- und Induktionsverteilung in der Maschine greifen diese radial am Rotor an und bewirken ein Drehmoment. Durch Kombination einer p_j -polpaarigen Induktionsverteilung und einer (p₂ = p_j ± 1) -polpaarigen Stromverteilung ist es nun möglich eine Lorentz-Querkraft zu erzeugen (vergl. Fig 4). Analog der Maxwell-Querkraft, lässt sich die Lorentz-Querkraft durch Vektoren beschreiben. Es sind dies der Stromvektor I und der Flussvektor Φ. Der Betrag der Lorentz-Querkraft ist proportional zum Produkt von Strom- und Flussbetrag. Werden die Vektoren in ihren elektrischen Ebenen betrachtet, so ist die Richtung der Lorentz-Querkraft ebenfalls nur von der relativen Lage der beiden Vektoren zu einander abhängig. Für den Fall p₂ = pj + 1 zeigt der Lorentz- Querkraftvektor gerade in die Richtung des Stromvektors, relativ zum Flussvektor (vergl. Fig 6). Für den Fall p₂ = p_j - 1 muss der Lorentz-Querkraftvektor noch zusätzlich an der 2- Achse gespiegelt werden (vergl. Fig 5) .

Analog zur Maxwell-Querkraft kann somit in der Drehfeldmaschine eine Lorentz-Querkraft er¬ zeugt werden, die vom Antriebsfluss und vom Steuerstrom abhängt. Diese wird im folgenden als Lorentz-Nutzkraft bezeichnet und ist durch die folgende Vektorkomponentengleichung definiert:

- 5 -

ERSATZBLÄrT (REGEL 26) Analog zur Maxwell-Querkraft kann somit in der Drehfeldmaschine eine Lorentz-Querkraft er¬ zeugt werden, die vom Antriebsfluss und vom Steuerstrom abhängt. Diese wird im folgenden als Lorentz-Nutzkraft bezeichnet und ist durch die folgende Vektorkomponentengleichung definiert:

^rLx ~ - 2rw, V¹S2d Md ^{+ 1}S2q Mq )

Auf der Ausnutzung dieser Lorentz-Nutzkraft basieren die zum Stand der Technik gehörenden Vorschläge von Bichsel zur Querkraft-Erzeugung in der elektrischen Maschine. Da aber der Steuerstrom in der Steuerwicklung immer auch einen Steuerfluss verursacht, ist die Lorentz- Nutzkraft immer von einer Lorentz-Querkraft begleitet, die aus diesem Steuerfluss und dem Antriebsstrom resultiert. Sie wird im folgenden Lorentz-Störkraft genannt, da sie je nach Bauart der Maschine die gewünschte Lorentz-Nutzkraft schwächt und ebenfalls unkontrollierbare, vom drehmomentbildenden Antriebsstrom abhängige Komponenten beinhaltet.

bestimmt ist und der Lorentz-Störkraft nach der Gleichung

-P _ _g: p₁w_I/-⁽Pι⁾ . vι ⁽P ⁾ , ;⁽Pι⁾ . ^rSx ~ ⁺ 2rw₂ V^JSld M>d ^{+ x}Slq

-p _ |_n _ _n + ^f Sy -

|P2 ~ Pl ^±

Die obigen Gleichungen gelten in einem beliebigen Maschinenkoordinatensystem. Werden nun die obigen Querkraftgleichungen in einem Koordinatensystem (F) dargestellt, das mit dem in der Pl -Ebene gemessenen Argument des Antriebsflussvektors ψ -' umläuft, verschwindet die Querkomponente des Antriebsflusses Ψ_jq ¹ und damit der zweite Term in den Nutzkraftglei¬ chungen. Im Falle der Asynchronmaschine heben sich zudem der erste Term der Lorentz- Nutzkraftgleichung und der Lorentz-Störkraftgleichung auf. Im Falle der selbstgeführten Syn¬ chronmaschine, verschwindet die d-Komponente des Ständerstromes isid ■ Die Querkraftglei¬ chung laut somit im Koordinatensystem (F) :

i7 _ κ . j(F.P₂) . ψ _ κ T . ;⁽F>P2) . j(F,Pι) ^rx ^~ ^Fx *S2d M ^Sx^ ^:S2q ^lq r_y - JS._Fy l_S2q Υ_} J _Syi-2 lS2d ^XSlq

oder

- 6 -

ERSÄΓZBLÄΓT (REGEL 26)

Die Nutzkraftkonstanten K_Fx, K_Fy und die Störkraftkonstanten K_Sx, K_Sy sind je nach Wick¬ lungskombination (p₂ = P_i + oder p₂ = Pi — ) und Maschinentyp (Synchronmaschine oder Asynchronmaschine) unterschiedlich definiert. Mit der Maxwell-Kraftkonstante K-M ⁼ _4l '^P w ' ^{( er} Lorentz-Störkraftkonstante K_s = ^~^ - und der Lorentz- Nutzkraftkonstante KL , die für die Synchronmaschine zu K_L = ₂vlv ^unc^ ^^r die Asynchronmaschine zu K_L = 0 wird, gilt für den Fall P₂ = Pi + : KF_X ⁼ K-py = K_M + K_L und Ks_x = K_Sy = Kg und für den Fall p₂ = Pi — : ^KFx ^{= K}M " ^K _L ' ^κFx = - K_M + K_L und K_Sx = - K_s , K_Sy = K_s.

Wie die obige Vektorgleichung zeigt, ist die Darstellung der insgesamt in der Maschine wirkenden Querkräfte im Koordinatensystem (F) sehr einfach.

Kern des erfϊndungsgemässen Steuerverfahrens ist es also, dass die Bestimmung des Steuerstromvektors in eben diesem Koordinatensystem (F) in der p₂-Ebene erfolgt und durch eine Koordinatentransformation anschliessend ins Ständerkoordinatensystem überführt wird.

Eine Verdrehung der beiden Wicklungssysteme zu einander um den Winkel α._{j 2} und gegenüber der geometrischen x-Achse um den Winkel α₀ kann durch eine zusätzliche Drehung des Steuer¬ stromvektors um den Winkel P_Q = 0t₀ + _p &_{1 2} berücksichtigt werden. Die Bestimmung des Steuerstromvektors in der p -Ebene erfolgt dann in einem mit dem Winkel p ^P2) = P ² + Y_g umlaufenden Koordinatensystem (T).

Falls in der obigen Gleichung der Antriebsfluss konstant gehalten wird, ist der Nutzanteil der Querkraft direkt proportional zum Steuerstrom. Da die Störkraft im allgemeinen klein ist und falls in der Maschine kein Drehmoment aufgebaut wird, sogar ganz verschwindet, kann der Steuersollstromvektor in diesem Fall durch einfache Multiplikation des Sollkraftvektors mit einer Konstante bestimmt werden. Eine Änderung des Flussbetrages kann durch Parameteradaption berücksichtigen werden.

Einem weiteren Erfindungsgedanken entspricht nun die Idee, den Steuerstromsollvektor über eine Entkopplungsgleichung zu bestimmen.

Nach dem Steuerstrom aufgelöst, lauten die Kraftkomponentengleichungen:

- 7 - ERSATZBLÄTT (REGEL 26) •*<?,p₂) ₌

^S2d

(Mit einem * werden in den Gleichungen die Sollgrössen markiert). Aufgrund des gewünschten

Kraftvektors F = , und mittels Kenntnis der in Flusskoordinaten des Antriebsflusses

•_ \ _ (_F p \

Ψl ' , in der pi-Ebene betrachteten Maschinengrössen i_sι' ' und Ψ_j, lässt sich laufend der

Steuersollstromvektor i_S2 in Flusskoordinaten der p₂-Ebene berechnen. Eine Verdrehung der beiden Wicklungssysteme zu einander um den Winkel α,_{j 2} und gegenüber der geometrischen x- Achse um den Winkel OC₀ kann wie gesagt durch eine zusätzliche Drehung des Steuerstromvek¬ tors um den Winkel P_Q ^{= α}o ⁺ _p ^α12 berücksichtigt werden. Die Berechnung des Steuer¬ sollstromvektors in der P2-Ebene erfolgt dann in einem mit dem Winkel p ^Pl) = P_Q ² + y^ umlaufenden Koordinatensystem (T) nach der folgenden Entkopplungsgleichung:

i*(T,p₂) ₌ F_χ ^,K_FyΨ_{1 +}F;K_SxL₂g'⁾ *_(T)P2) ₌ F_y ^,K_FxΨ,₊F_x'K_SyL₂g'⁾ ^S2d K_Fx KK_Fy ΨΨ,² - KK_Sx KK_Sy lL2₂;ι⁽ _s ^F _lq ^,pl ⁾² ' ^S2q _{V Fx} vK_Fy αΨ/,2 -K v_Sx vK_SyL τ 2₂ι-⁽ _sF_lq.Pι '>²

Der so im Koordinatensystem (T) berechnete Steuersollstromvektor kann durch Drehung um p ins Statorkoordinatensystem der p₂-polpaarigen Wicklung transformiert werden:

Der so erhaltene Steuersollstromvektor i_S2 wird als Sollwertvektor eines Stromspeisegerätes verwendet, das die Steuerwicklung mit dem Steuerstrom is2 speist.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel zeichnet sich dadurch aus, dass die Drehzahl und/oder das Drehmoment der Maschine wie bei einer konventionellen Drehfeldmaschine über die Antriebs¬ wicklung mittels eines allgemein bekannten, beliebigen Steuer- oder Regelverfahrens wie bei¬ spielsweise über eine Kennliniensteuerung oder eine feldorientierte Regelung, gesteuert oder geregelt wird, die aufgrund dieser Steuerung der Antriebswicklung resultierenden

Maschinengrössen i_sl' ' und Ψ_} wie auch das Argument des Antriebsflussvektors Ψ_j ' , γ^ ' laufend durch direkte Messimg, durch Berechnung aus einfach messbaren Maschinengrössen wie beispielsweise Ständerspannungen, Ständerströme, Rotordrehzahl, Rotordrehwinkel... über die Maschinengleichungen oder mittels eines Zustandsbeobachters sowie durch Berechnung aus

- 8 - ERSATZBLÄTT (REGEL 26) Messgrössen und Antriebssollwerten bestimmt werden, mit Hilfe dieser, aufgrund der Querkraftsollwerte über die oben definierten Entkopplungsgleichungen die Berechnung des Steuerstromvektors i_S2 in einem mit dem Winkel Y_g umlaufenden und um den konstanten Winkel Po gedrehten Koordinatensystem (T) erfolgt, dieser Steuerstromvektor is₂ ^T'^P2) laufend durch eine Drehtransformation um den Winkel p^(Pz) = pQ^Pz) + Ys ⁱⁿ Ständerkoordinaten transformiert wird und der so resultierende Steuerstromvektor i_S2 '^P2 als Stromsollwert für ein Stromspeisegerät verwendet wird, das die Steuerwicklung mit dem Steuerstrom ig speist.

Weitere Ausfuhrungsbeispiele für das Verfahren ergeben sich aus den entsprechenden Unteran¬ sprüchen.

Der Kern des erfindungsgemässen Steuergerätes besteht darin, dass im Steuergerät erste Mittel vorhanden sind, welche aus Messgrössen und/oder Sollgrössen des Antriebs den Antriebsfluss in Betrag und Phase sowie den momentbildenden Anteil des Antriebswicklungsstroms bestimmen, und zweite Mittel aufgrund dieser Grossen und eines Sollquerkraftvektors mittels dem erfin¬ dungsgemässen Steuerverfahren den Sollwert des Steuerstromvektors i_S2 ' bestimmen. Vierte Mittel sind vorgesehen um aus dem Sollwert des Steuerstromvektors i_S2 ' die Sollwerte der πi2 Phasenströme der Steuerwicklung durch 2 zu m₂ -Phasentransformation zu berechnen. Fünfte Mittel sind vorgesehen, die aufgrund der Phasenstromsollwerte die m₂ Stränge der Steuerwicklung mit Strömen speisen. Zudem sind dritte Mittel vorgesehen, welche die Antriebswicklung nach einem an sich beliebigen Steuer- oder Regelverfahren speisen, und sicher stellen, dass in all jenen Betriebszuständen, in denen auf den Rotor eine Querkraft wirken soll, ein minimaler Antriebsfluss vorhanden ist.

Der Vorteil des erfindungsgemässen Verfahrens bzw. des Steuergerätes besteht insgesamt darin, dass die auf den Rotor der Drehfeldmaschine wirkende Querkraft genauer als beim Stand der Technik und in jedem antriebsseitigen Betriebszustand der Maschine, insbesondere auch im Still¬ stand des Rotors und im Feldschwächbereich, eingestellt werden kann, da der antriebsseitige Betriebszustand der Maschine erfasst wird und sowohl die in der Maschine wirkenden Lorentz- Querkräfte wie auch die Maxwell-Querkräfte durch das Steuerverfahren berücksichtigt werden.

- 9 - ERSATZBLÄTT (REGEL 26) Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausfiihrungsbeispielen im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 Durch Überlagerung eines magnetischen Antriebsfeldes mit der Polpaarzahl pi mit einem Steuerfeld der Polpaarzahl p₂ = pi ± 1 kann in einer Drehfeldmaschine eine auf den Rotor wirkende Maxwell-Querkraft erzeugt werden, die je nach der gegenseitigen Lage der Felder in eine beliebige Richtung zeigen kann . Dieser Sachverhalt ist hier qualitativ für den Fall Pi = 1 und P2 = 2 dargestellt. Das Steuerfeld mit der Polpaarzahl 2 schwächt das Antriebsfeld mit der Polpaarzahl 1 in gewissen Bereichen und verstärkt es auf der Gegenseite. Durch diese Unsymmetrie wird die Maxwell-Querkraft erzeugt. Sie zeigt hier immer in die Richtung des in der P2-Ebene betrachteten Steuerflussvektors Φ₂, relativ zum in der p_j -Ebene betrachteten Antriebsflussvektor Φ_j. Oben zeigen sowohl Antriebsflussvektor als auch Steuerflussvektor geometrisch wie elektrisch in 1- Richtung, womit auch die Maxwell-Querkraft in 1 -Richtung zeigt. Unten zeigt der Antriebsflussvektor wiederum in 1 -Richtung. Der Steuerflussvektor zeigt nun aber geometrisch 45° nach oben, und elektrisch, in der 2-polpaarigen Ebene, somit in 2- Richtung, womit auch die Maxwell-Querkraft in 2-Richtιmg zeigt.

Fig. 2 Veranschaulicht für den allgemeinen Fall P2 = Pι - l_. dass die Maxwell-Querkraft immer in die an der 1 -Achse gespiegelte Richtung des in der p₂-Ebene betrachteten Steuerflussvektors Φ₂ , relativ zum in der pj -Ebene betrachteten Antriebsflussvektor Φ_l zeigt.

Fig. 3 Veranschaulicht für den allgemeinen Fall P2 = Pι + l_. dass die Maxwell-Querkraft immer in die Richtung des in der p₂-Ebene betrachteten Steuerflussvektors Φ , relativ zum in der p_j -Ebene betrachteten Antriebsflussvektor Φ_j zeigt.

Fig. 4 Durch Überlagerung eines magnetischen Magnetfeldes mit der Polpaarzahl p_t mit einer Stromverteilung der Polpaarzahl p₂ = Pi ± 1 kann in einer Drehfeldmaschine eine auf den Rotor wirkende Lorentz-Querkraft erzeugt werden, die je nach der gegenseitigen Lage der Felder in eine beliebige Richtung zeigen kann . Dieser Sachverhalt ist hier qualitativ für den Fall Pi = 1 und p₂ = 2 dargestellt. Die Stromverteilung mit der Polpaarzahl 2 bewirkt im Magnetfeld mit der Polpaarzahl 1 radial am Rotor angreifende Lorentz-Kräfte, die in ihrer Summe eine Lorentz-Querkraft ergeben. Sie zeigt hier immer in die Richtung des in der p₂-Ebene betrachteten Stromvektors I, relativ zum in der pi -Ebene betrachteten Flussvektor Φ. Oben zeigen sowohl Flussvektor Φ als auch Stromvektor geometrisch wie elektrisch in 1 -Richtung, womit auch die Lorentz- Querkraft in 1 -Richtung zeigt. Unten zeigt der Flussvektor wiederum in 1 -Richtung. Der Stromvektor zeigt nun aber geometrisch 45° nach oben, und elektrisch, in der 2- polpaarigen Ebene, somit in 2-Richtung, womit auch die Lorentz-Querkraft in 2- Richtung zeigt.

Fig. 5 Veranschaulicht für den allgemeinen Fall P2 = Pι ^_ l _. dass die Lorentz-Querkraft immer in die an der 2-Achse gespiegelte Richtung des in der p2-Ebene betrachteten Stromvektors I, relativ zum in der pi -Ebene betrachteten Flussvektor Φ zeigt.

Fig. 6 Veranschaulicht für den allgemeinen Fall P2 = Pι + l_. dass die Lorentz-Querkraft immer in die Richtung des in der p₂-Ebene betrachteten Stromvektors I , relativ zum in der pi -Ebene betrachteten Flussvektor Φ zeigt.

Fig. 7 Zeigt das Ersatzschaltbild einer Drehfeldmaschine mit einer p_] -polpaarigen Antriebs¬ wicklung und einer (p₂ = Pi ± 1) -polpaarigen Steuerwicklung.

Fig. 8 Signalflussplan des Kerns des erfindungsgemässen Steuerverfahrens.

Fig. 9 Signalflussplan einer Asynchronmaschine mit einer pi -polpaarigen Antriebswicklung und einer (p₂ = Pi ± 1) -polpaarigen Steuerwicklung gemäss Fig. 7 in Vektorkom¬ ponenten-Darstellung.

Fig. 10 Signalflussplan einer Synchronmaschine mit einer p_t -polpaarigen Antriebswicklung und einer (p₂ = p_} ± 1) -polpaarigen Steuerwicklung gemäss Fig. 7 in Vektorkom¬ ponenten-Darstellung.

Fig. 11 Das Prinzipschaltbild eines erfindungsgemässen Steuergerätes zur Steuerung einer elek¬ trischen Drehfeldmaschine mit Spezialwicklung zur kombinierten Erzeugung eines Drehmoments und einer Querkraft in derselben nach Fig. 7.

Fig. 12 Signalflussplan eines erfindungsgemässen Verfahrens zur Berechnung des Steuerstro¬ mes einer Drehfeldmaschine nach Fig. 7, das eine vollständige Entkopplung der Querkraftbildung von der Drehmomentbildung erlaubt und die Maxwell-Nutzkraft, die Lorentz-Nutzkraft sowie die Lorentz-Störkraft berücksichtigt.

Fig. 13 Signalflussplan eines erfindungsgemässen Verfahrens zur Berechnung des Steuerstro¬ mes einer Drehfeldmaschine nach Fig. 7, das eine teilweise Entkopplung der Quer-

- 11 - ERSATZBLÄIT (REGEL 26) kraftbildung von der Drehmomentbildung erlaubt und nur die Maxwell-Nutzkraft sowie die Lorentz-Nutzkraft berücksichtigt.

Fig. 14 Signalflussplan eines erfindungsgemässen Verfahrens zur Berechnung des Steuerstro¬ mes einer Asynchronmaschine nach Fig. 9, das auf der Kombination des Verfahrens nach Fig. 12 mit einer "Feldorientierten Regelung" des Antriebsstromes beruht.

Fig. 15 Signalflussplan eines erfindungsgemässen Verfahrens zur Berechnung des Steuerstro¬ mes einer Asynchronmaschine nach Fig. 9, das auf der Kombination des Verfahrens nach Fig. 13 mit einer "Feldorientierten Regelung" des Antriebsstromes beruht.

Fig. 16 Signalflussplan eines erfindungsgemässen Verfahrens zur Berechnung des Steuerstro¬ mes einer Asynchronmaschine nach Fig. 9, das auf der Kombination des Verfahrens nach Fig. 12 mit einer "Feldorientierten Steuerung" des Antriebsstromes beruht.

Fig. 17 Signalflussplan eines erfindungsgemässen Verfahrens zur Berechnung des Steuerstro¬ mes einer Asynchronmaschine nach Fig. 9, das auf der Kombination des Verfahrens nach Fig. 13 mit einer "Feldorientierten Steuerung" des Antriebsstromes beruht.

Fig. 18 Signalflussplan eines erfindungsgemässen Verfahrens zur Berechnung des Steuerstro¬ mes einer Synchronmaschine nach Fig. 10, das auf der Kombination des Verfahrens nach Fig. 12 mit einer "Feldorientierten Regelung" des Antriebsstromes beruht.

Fig. 19 Signalflussplan eines erfindungsgemässen Verfahrens zur Berechnung des Steuerstro¬ mes einer Synchronmaschine nach Fig. 10, das auf der Kombination des Verfahrens nach Fig. 13 mit einer "Feldorientierten Regelung" des Antriebsstromes beruht.

Fig. 20 Signalflussplan eines erfindungsgemässen Verfahrens zur Berechnung des Steuerstro¬ mes einer Synchronmaschine nach Fig. 10, das auf der Kombination des Verfahrens nach Fig. 12 mit einer "Feldorientierten Steuerung" des Antriebsstromes beruht.

Fig. 21 Signalflussplan eines erfindungsgemässen Verfahrens zur Berechnung des Steuerstro¬ mes einer Synchronmaschine nach Fig. 10, das auf der Kombination des Verfahrens nach Fig. 13 mit einer "Feldorientierten Steuerung" des Antriebsstromes beruht.

Fig.22 Signalflussplan eines erfindungsgemässen Verfahrens zur Regelung der Querkraft einer Drehfeldmaschine nach Fig. 7. Fig. 23 Signalflussplan eines erfindungsgemässen Verfahrens zur Regelung der Rotor-Querlage einer Drehfeldmaschine nach Fig. 7.

Fig. 24 "Lagerlose Drehfeldmaschine", bestehend aus zwei Teilmaschinen nach Fig. 7, bei der sowohl die Drehmomentbildung als auch die radiale aktive magnetische Lagerung des Rotors durch die Teilmaschinen erfolgt.

Fig.25 "Lagerlose Drehfeldmaschine", bestehend aus zwei Teilmaschinen nach Fig. 7, deren Rotor konisch geformt ist und bei der sowohl die Drehmomentbildung als auch die ra¬ diale und axiale aktive magnetische Lagerung des Rotors durch die Teilmaschinen er¬ folgt.

Fig.26 Konventionell gelagerte Drehfeldmaschine nach Fig. 7, in der Querkräfte auf den Rotor ausgeübt werden können.

Fig. 27 Schematische Darstellung der Beeinflussungsmöglichkeit der Rotordurchbiegung in einer Maschine, in der zusätzlich zum Drehmoment eine Querkraft aufgebracht werden kann.

Die verwendeten Bezugszeichen und deren Bedeutung sind in der Bezugszeichnungsliste zusammengefasst aufgelistet. Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

- 13 - Seit langem ist bekannt (z. B. aus H. Sequenz "Die Wicklungen elektrischer Maschinen", Springer Verlag Wien, 1950), dass in einer Drehfeldmaschine durch zwei kombinierte Wick¬ lungen mit den Polpaarzahlen p und p ± 1 auf den Rotor wirkende Querkräfte erzeugt werden können. Eine solche Drehfeldmaschine kann durch das Symbol in Figur 7 dargestellt werden. Die Antriebs wicklung (4) mit der Polpaarzahl pi, die Steuerwicklung (5) mit der Polpaarzahl p₂ = P_l ± und der Rotor (6) der Drehfeldmaschine (3) werden durch konzentrische Kreise symbolisiert. Der Signalflussplan einer solchen Drehfeldmaschine mit Antriebs- und Steuer¬ wicklung ist für den Fall der Asynchronmaschine in Figur 9 und für den Fall der Synchron¬ maschine in Figur 10 dargestellt. Der hier interessierende, für die Querkraftbildung verant¬ wortliche Block (18) ist für beide Maschinentypen derselbe.

Ein Steuerverfahren nach einer ersten Referenz (Hermann) geht von einem Maschinenmodell aus, das nur Maxwell-Kräfte berücksichtigt und die Drehfeldmaschine nur im stationären Betrieb betrachtet. Die Antriebswicklung hängt an einem starren, dreiphasigen Drehstromnetz. Zur Steuerung des Querkraftvektors werden bei Hermann die Phasenströme (i_§2) der Steuerwicklung mittels Amplitudenmodulation aus den Antriebsströmen (i_§ι) abgeleitet. Über eine Phasenjustiereinrichtung wird die Phase zwischen den Antriebsströmen und den Steuerströmen für einen fixen Arbeitspunkt fest eingestellt. Bei diesem fixen Arbeitspunkt ist der Betrag des Maschinenflusses Ψ_j konstant und der Flusswinkel γ^ ist starr mit der Phase der Antriebsströme verbunden. Da die in Figur 9 und Figur 10 berücksichtigte Kreuzkopplung zwischen den Steuerstromkomponenten (is_2d » ^_S2q ^>2 ) ^un(^ den Querkraftkomponenten (F_x , F_y) , die aufgrund von Lorentzkräften zustande kommt ist proportional zur momentbildenden Antriebsstromkomponente ig_iά und relativ schwach. Für einen fixen Arbeitspunkt ist die auf den Rotor wirkende Querkraft also mit einem Steuerverfahren nach Hermann steuerbar. Bei einem dynamischen Betrieb der Drehfeldmaschine (Laständerung, Drehzahländerung) ist mit diesem Verfahren eine Steuerung der Querkraft jedoch nicht möglich.

Das Steuerverfahren nach einer zweiten Referenz (Bichsel) geht von einem Maschinenmodell aus, das nur Lorentz-Kräfte berücksichtigt. Eine exakte Steuerung der Querkraft ist mit diesem Verfahren nicht möglich, da im Allgemeinen die nicht berücksichtigten Maxwell-Querkräfte weit grösser sind als die Lorentz-Querkräfte.

Nach der Erfindung wird nun ein Steuerverfahren vorgeschlagen, das von dem in Figur 9 und Figur 10 dargestellten Modell zur Querkraftbildung (18), das sowohl Maxwell-Querkräfte als auch Lorentz-Querkräfte sowie beliebige Betriebszustände der Maschine berücksichtigt (nicht nur stationärer Fall), ausgeht. Der Kern dieses Steuerverfahrens ist in Figur 8 dargestellt. In einem ersten Schritt wird der für eine gewünschte Kraftwirkung notwendige Steuerstrom, der in der Figur durch die Vektorkomponenten i_S2d'^P2 und is_2q dargestellt ist, in einem mit dem

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ERSÄTZBLÄ1T (REGEL 26) Flussvektor umlaufenden und zusätzlich um einen festen Winkel gedrehten Koordinatensystem (T), bestimmt. In einem zweiten Schritt wird der so berechnete Steuerstromsollvektor durch Drehung um den Winkel p^^P2 ins Statorkoordinatensystem transformiert (17). Der

Transformationswinkel p ^P2 = P_Q ⁺ Y_S ^^ laufend aus dem im

Statorkoordinatensystem, in der pi -Ebene gemessenen Argument des Flussvektors Y_g ^P ' und einem festen Drehwinkel P_Q , der die Verdrehung der beiden Wicklungssysteme zu einander und gegenüber der geometrischen x-Achse berücksichtigt, gebildet. Der konstante Anteil des

Drehwinkels, Po ist durch die Beziehung P_Q ^{2 =} 0to ⁺ _p ^α12 definiert, wobei α₀ einer allfälligen Verdrehung der d-Achse der Antriebswicklung gegenüber der x-Achse des geometrischen Koordinatensystems und Cti ₂ einer allfälligen Verdrehung der d- Achsen von

Antriebs- und Steuerwicklung untereinander entspricht.

Die Bestimmung des Steuerstroms im Koordinatensystem (T), aufgrund der gewünschten Quer¬ kraft ist auf vielfältige Weise denkbar. Im einfachsten Fall, wenn die Lorentzstörkrafte klein sind und wenn der Flussbetrag konstant gehalten wird, ist der Steuerstrom direkt proportional zur ge¬ wünschten Querkraft und kann somit aus dieser durch Multiplikation mit einer konstanten Grosse gewonnen werden. Dieser einfachste Fall ist auch in Figur 8 dargestellt. Für eine Wicklung mit P2 = Pi + 1 haben die beiden Konstanten F_x und Fy positives Vorzeichen und den selben Betrag. Für P2 = Pi - 1 hat F_x positives und Fy negatives Vorzeichen. Eine Änderung des Flusses kann durch Adaption der Konstanten berücksichtigt werden.

Einem weiteren Erfindungsgedanken entspricht die genaue Berechnung des Steuerstromes im Koordinatensystem (T), mittels Kenntnis der für die Kopplung zwischen der Drehmomentbildung in der Drehfeldmaschine (unterer Block in Figur 9 und 10) und der Querkraftbildung (18) verantwortlichen Grossen Ψ_j und igiά • Eine Möglichkeit zur Bestimmung des Steuerstromes in vektorieller Form ist in Figur 12 dargestellt. Die Berechnung des Steuerstromsollvektors i_S2 ' (dargestellt durch die Vektorkomponenten is2d ' is2_q ) erfolgt hier komponentenweise mittels einer Entkopplungsgleichung (16a):

j* ,P₂)

^S2d

aus dem gewünschten Kraftvektor F mit Hilfe der in Flusskoordinaten in der p_}-

Ebene betrachteten, momentbildenden Antriebsstromkomponente i_sι' ' , aus dem Antriebsfluss

- 15 - ERSArZBLAπ (REGEL 26) betrag Ψj und aus den Maschinenparametern L₂ , K_Fx , K_Fy , Kg_x , und K_§y . Diese sind für den Fall p₂ = p_j + durch die Beziehungen K_Fx = K_Fy = K_M + K_L und K_Sx = K_Sy = K_s und für den Fall p₂ = Pi — durch die Beziehungen K_Fx =

+ KL und Kg_x = - K_s , Kg_y = K_§ definiert.

Der Einfluss der Lorentz-Störkraft (zu i_gι'^Pl proportionaler Anteil in (18) ist meistens klein, verglichen mit der maximalen Maxwell-Querkraft. Er kann deshalb in vielen Anwendungsfallen (z. B. im Falle einer der Querkraftsteuerung überlagerten Querkraftregelung) vernachlässigt wer¬ den. Der erste Berechnungsschritt (16a) kann dann wesentlich vereinfacht werden, da die durch die Lorentz-Störkraft bedingte Kreuzkopplung nicht mehr kompensiert werden muss. Der Signal¬ flussplan eines solchermassen vereinfachten Verfahrens ist in Figur 13 (10b) abgebildet. Wäh¬ rend die Koordinatentransformation (17) gleich bleibt, wird die Entkopplung (16b) auf eine komponentenweise Division durch den Flussbetrag reduziert. Sie lautet: *(T,p₂) _ F_x ^* .*(T,p₂) _ F; S2d - _KFχΨ] ^{» 1}S2q - κ_FyΨ. ^•

Der nach obigen Methoden berechnete Sollwert des Steuerstromvektors wird einem Strom¬ speisegerät (z. B. Stromrichter) zugeführt, dass die m₂-phasige (die Strangzahl ist beliebig wähl¬ bar) Steuerwicklung der Drehfeldmaschine mit dem m -phasigen Steuerstrom i_§2 (Figur 9 und 10) speist. Die Antriebswicklung kann mit Drehströmen beliebiger Frequenz (auch Frequenz 0) gespeist werden. Das heisst, die Antriebswicklung kann sowohl an einem starren Drehstromnetz als auch an einer Drehstromquelle mit variabler Frequenz und Amplitude betrieben werden. Be¬ sonders interessant ist natürlich der Betrieb an einem Umrichter. Das für den Antrieb der Maschine gewählte Steuerverfahren kann an sich beliebig sein (Kennliniensteuerung, feldorientierte Steuerung oder Regelung usw. ). Die einzige Bedingung an das Verfahren ist, dass es sicherstellen muss, dass in denjenigen Betriebsfallen, in denen Querkräfte erzeugt werden sollen, ein minimaler Maschinenfluss vorhanden ist.

Die gerätetechnische Realisierung des Steuerverfahrens ist mit einem Steuergerät denkbar, das schematisch in Figur 11 dargestellt ist. Das Steuergerät (9) besteht aus einem Signalverarbei¬ tungsmodul (15), einem m₂-phasigen Stromspeisemodul (11) zur Speisung der Steuerwicklung und einem mi-phasigen Regel- und Speisemodul zur Speisung der Antriebswicklung (12). Das Stromspeisemodul (11) hat die Aufgabe die Steuerwicklung mit m₂ Phasenströmen so zu speisen, dass der Istwert des Statorstromvektors möglichst dem vom Signalverarbeitungsmodul vorgegebenen Sollwert entspricht. Diese Aufgabe kann beispielsweise von einem m₂-phasigen, stromeinprägenden Umrichter (Spa-tmungs-^schenkreisumrichter mit Stromregler oder Stromzwischenkreisumrichter) oder von einem m -kanaligen Linearstromverstärker erfüllt werden. Als Regel- und Speisemodul zur Speisung der Antriebswicklung (12) kann ebenfalls ein m_j -phasiger Umrichter oder ein _\ -phasiger Linearverstärker verwendet werden, der mit einem nach einem beliebigen Verfahren arbeitenden Antriebsregler kombiniert ist. Das Signalverarbeitungsmodul (15) wird am einfachsten mit einem Digitalrechner, beispielsweise mit einem Signalprozessorsystem realisiert. Es besteht aus zwei Teilmodulen: In Block (10) wird der Signallaufplan (10a) in Figur 12 oder (10b) in Figur 13 realisiert. In Block (13) werden die Grossen Ψ_j , γ^ ' und [, mit Hilfe der Maschinengleichungen aus Mess- und/oder

Sollgrössen (mit * bezeichnet) bestimmt. Die Blöcke (10) und (13) können als Teilprogramme auf dem selben Mikrorechner implementiert sein, sie können als Programme auf verschiedenen Prozessoren laufen oder sie können ganz oder teilweise durch eine spezialisierte digitale oder analoge Signalverarbeitungshardware realisiert sein.

Obwohl für die Steuerung der Antriebswicklung ein beliebiges Steuerverfahren möglich ist, ist es sinnvoll, den Antrieb feldorientiert zu steuern oder zu regeln. Da ja für das erfindungsgemässe Verfahren zur Steuerung der Querkraft der Flussvektor in Betrag und Phase ohnehin bekannt sein muss, ist der zusätzliche Aufwand für eine feldorientierte Antriebsregelung nur noch gering. Die Figuren 14 bis 21 zeigen verschiedene Ausführungsbeispiele sowohl für die Asynchronmaschine als auch für die Synchronmaschine.

Figur 14 zeigt das Beispiel der Kombination einer feldorientierten Drehmomentregelung einer Asynchronmaschine (13a) mit der erfindungsgemässen Querkraftsteuerung mit vollständiger Entkopplung, welche die Lorentz-Störkraft berücksichtigt (16a). Die Magnetiesierungskomponente des Antriebsstroms i_sιd und sein drehmomentbildender Anteil i_siq werden hier in einem auf den Flusszeiger orientierten, mit Y_g umlaufenden

Koordinatensystem (F) in der pi -Ebene geregelt. So ist eine Entkopplung von Drehmoment- und Flussbildung gewährleistet, wodurch eine sehr dynamische Drehmomenteinstellung über i_sι erreicht wird. Anschliessend wird über eine Koordinatendrehung um Y_g ^Pl der Antriebsstrom ins Ständerkoordinatensystem transformiert. Die Grossen Ψ_j , Y_g und i_§i_q ^P werden hier sowohl für feldorientierte Drehmoment-Regelung als auch für das Querkraftsteuerverfahren gemeinsam genutzt. Der Vorteil dieser Kombination für die Querkraftsteuerung liegt in der genauen Regelung des Flussbetrages auf einen vorgegebenen Wert. Die feldorientierte Antriebsregelung lässt sich natürlich auch mit der vereinfachten erfindungsgemässen Querkraftsteuerung mit nur teil weiser Entkopplung, welche die Lorentz-Störkraft nicht berücksichtigt (16b), kombinieren. Dieses Beispiel ist in Figur 15 dargestellt. Im Unterschied zu Figur 14 wird hier i<siq nicht für die Querkraftsteuerung benötigt. Im übrigen gilt auch hier das zu Figur 14 gesagte. Eine Vereinfachung gegenüber den Steuerverfahren in Figur 14 und 15 ergibt sich daraus, dass der Antriebsfluss nicht geregelt, sondern nur feldorientiert gesteuert wird. Figur 16 zeigt das Beispiel der Kombination einer möglichen feldorientierten Drehmomentsteuerung der Asynchronmaschine (13b) mit der erfindungsgemässen Querkraftsteuerung mit vollständiger

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ERSÄΓZBLÄΓT (REGEL 26) Entkopplung, welche die Lorentz-Störkraft berücksichtigt (16a). Im Gegensatz zur feldorientierten Regelung werden hier die Magnetiesierungskomponente des Antriebsstroms i_sld und sein drehmomentbildender Anteil i_sl im antriebsflussorientierten, umlaufenden

Koordinatensystem (F) nicht geregelt, sondern gesteuert. Die wesentlichste Vereinfachung ergibt sich daraus, dass der Flussvektor in Betrag und Richtung nicht bestimmt werden muss. Es wird nur ein Modellwert des Flusswinkels (γ_s ) für die Transformation des Steuerstroms vom umlaufenden Koordinatensystem (F) ins Ständer-Koordinatensystem benutzt. Der Modellwert Y_s kann aufgrund von Sollgrössen (z.B. Mi_sojj, Ψι_sou) und eventuell einfach erfassbaren

*/p \

Messgrössen (z.B. ω_m, γ_m) aus dem Maschinenmodell bestimmt werden. γ_s wird auch für die Koordinatentransformation im Querkraftsteuerverfahren verwendet. An der Stelle der Grossen Ψ_j , i_g^ werden die Steuergrössen Ψj , i_§ι_q' benutzt. Die feldorientierte

Antriebssteuerung lässt sich natürlich auch mit der vereinfachten erfindungsgemässen Querkraftsteuerung mit nur teilweiser Entkopplung, welche die Lorentz-Störkraft nicht berücksichtigt (16b), kombinieren. Dieses Beispiel ist in Figur 17 dargestellt. Im Unterschied zu Figur 16 wird hier igι_q' nicht für die Querkraftsteuerung benötigt. Im übrigen gilt auch hier das zu Figur 16 gesagte.

Im Unterschied zu Asynchronmotoren, werden Synchronmotoren normalerweise feldorientiert gesteuert. Da der Fluss bei der Synchronmaschine fest mit dem Rotor verkoppelt ist, kann der Flusswinkel Y_g ganz einfach aus dem mechanischen Rotorwinkels γ_m durch Multiplikation mit pi bestimmt werden. Figur 18 zeigt das Beispiel der Kombination einer feldorientierten Drehmomentregelung einer Synchronmaschine (13c) mit der erfindungsgemässen Querkraftsteuerung mit vollständiger Entkopplung, welche die Lorentz-Störkraft berücksichtigt (16a). Bei der Synchronmaschine wird der Antriebsfluss über einen Gleichstrom in der Rotorwicklung oder mit Permanentmagneten auf dem Rotor erzeugt. Ψ_j wird deshalb als Maschinenparameter der Querkraftsteuerung zugeführt. Der Antriebsstrom hat bei der Synchronmaschine nur einen drehmomentbildenden Anteil und entspricht somit direkt i_sl .

Dieser kann gemessen und ins Flusskoordinatensystem (F) transformiert werden. Die Transformation nach (F) ist gleichwertig mit der Betragsbildung. Der Antriebsstrom iςß wird dann sowohl für die Drehmomentregelung als auch für die Querkraftsteuerung verwendet. Der Antriebsflusswinkel wird hier wie gesagt über den mechanischen Rotorwinkel bestimmt. Die feldorientierte Antriebsregelung der Synchronmaschine lässt sich natürlich auch mit der vereinfachten erfindungsgemässen Querkraftsteuerung mit nur teilweiser Entkopplung, welche die Lorentz-Störkraft nicht berücksichtigt (16b), kombinieren. Dieses Beispiel ist in Figur 19 dargestellt. Im Unterschied zu Figur 18 wird hier i_§iq nicht für die Querkraftsteuerung benötigt. Im übrigen gilt auch hier das zu Figur 18 gesagte. Viel häufiger als die feldorientierte Drehmomentregelung ist die feldorientierte Drehmomentsteuerung der Synchronmaschine, da ja in der Praxis dem Drehmomentregelkreis meistens ein Drehzahlregelkreis überlagert wird. Figur 20 zeigt das Beispiel der Kombination einer feldorientierten Drehmomentregelung einer Synchronmaschine (13c) mit der erfindungsgemässen Querkraftsteuerung mit vollständiger Entkopplung, welche die Lorentz- Störkraft berücksichtigt (16a). Der Antriebsstrom wird nun direkt proportional zum Drehmoment und umgekehrt proportional zum Antriebsfluss gesteuert. Dieser Steuerwert wird ebenfalls vom Querkraftsteuerverfahren verwendet. Als Messgrösse wird nur noch der mechanische Rotorwinkel γ_m benötigt. Aus diesem wird Y_g ¹ abgeleitet und sowohl der Drehmomentsteuerung als auch der Querkraftsteuerung zugeführt. Die feldorientierte -Antriebssteuerung der Synchronmaschine lässt sich natürlich auch mit der vereinfachten erfindungsgemässen Querkraftsteuerung mit nur teilweiser Entkopplung, welche die Lorentz- Störkraft nicht berücksichtigt (16b), kombinieren. Dieses Beispiel ist in Figur 21 dargestellt. Im Unterschied zu Figur 20 wird hier der Antriebsstrom nicht für die Querkraftsteuerung benötigt. Im übrigen gilt auch hier das zu Figur 20 gesagte.

Ist eine sehr genaue Einstellung der auf den Rotor wirkenden Querkraft gefordert, so kann es sinnvoll sein, diese nicht zu steuern, sondern zu regeln. Dazu wird die Querkraft in einer oder in zwei Richtungen mittels Kraftsensoren (Beispielsweise mit an einem Biegebalken oder in einer Qraftmessdose montierten Dehnmessstreifen oder mit piezoelektrischen Sensoren) gemessen. Soll die Querkraft nur in einer Richtung geregelt werden, so wird diese am einfachsten in derselben Richtung gemessen, in der sie geregelt wird. Der Messwert wird vom Sollwert subtrahiert und die so gebildete Regelabweichung einem Eingrössenregler zugeführt. Der Reglerausgang wird in eine x- und y- Komponente zerlegt (falls die Richtung der Sollkraft mit der x- oder y- Achse übereinstimmt, kann auf eine Zerlegung in Komponenten verzichtet wer- den) und der Querkraftsteuerung nach Anspruch 1 oder 2 (F_x und F_y ) zugeführt. Wird die Kraft in zwei Richtungen gemessen (vorzugsweise senkrecht aufeinanderstellend), so kann daraus der ebene Istkraftvektor bestimmt werden. Die beiden Vektorkomponenten (F_x und F_y ) werden von ihren Sollwertern subtrahiert und die Regelabweichungen zwei unabhängigen Reglern zugeführt.

* *

Die Reglerausgänge werden mit den Eingängen (F_x und F_y ) der Querkraftsteuerung verbunden. Figur 22 zeigt das Bockschema der Querkraftregelung.

- 19 - ERSÄrZBLATr (REGEL 26) Ist der Rotor in einer oder in mehreren Richtungen (der Querschnittsebene) verschiebbar, so kann mit Hilfe von Querkräften auch seine Lage beeinflusst werden. Wird die Rotorlage mittels Sensoren, oder über einen Beobachter bestimmt, so kann diese geregelt werden. Figur 23 zeigt das Blockschema einer möglichen Querschubregelung für zwei Achsen. Die Rotorlage (x,y) wird durch Lagesensoren oder über einen Beobachter bestimmt. Bei der Darstellung in Figur 23 liegt der Koordinatenursprung im Zentrum der Maschine. Die Istlage wird von der Sollage (x_soπ, y_son) subtrahiert und die Regeldifferenz einem Regler zugeführt. Die Regelung kann wie in Figur 23 dargestellt am einfachsten komponentenweise erfolgen. Als Regler kommen zum Beispiel PD-

Regler, PID-Regler oder Zustandsregler mit Zustandsbeobachter in Frage. Der Reglerausgang

* * wird mit dem Eingang (F_x und F_y ) der Querkraftsteuerung (10) verbunden. Das Stromsteuer¬ gerät (11) steuert dann in bekannter Weise die Drehfeldmaschine mit Spezialwicklung (3) nach Figur 9 oder 10. Der in (3) nicht dargestellte Zusammenhang zwischen Querkraft und Rotorlage (Doppelintegrator) und der aufgrund einer Verlagerung des Rotors aus dem Zentrum wirkende magnetische Zug (positive Rückführung) sind in Figur 23 extern ergänzt worden. Mit der beschriebenen Querschubregelung lassen sich zwei Freiheitsgrade des Rotors regeln. Als Anwendungsbeispiel ist die Realisierung eines Radialmagnetlagers in der Drehfeldmaschine denkbar. Zwei solche Drehfeldmaschinen mit Querschubregelung können zu einer "lagerlosen Maschine" kombiniert werden, das heisst zu einer Maschine bei der über die Antriebswicklungen ein Drehmoment und über die beiden Steuerwicklungen magnetische Radiallagerkräfte erzeugt werden. Die axiale Position des Rotors kann über ein zusätzliches Axialmagnetlager oder über eine konische Formgebung des Rotors stabilisiert werden. Der prinzipielle Aufbau einer solchen "lagerlosen" Drehfeldmaschine ist in Figur 24 abgebildet. Werden die beiden Teilmaschinen wie in Figur 25 gezeichnet mit konischen Rotoren ausgerüstet, so kann über die Antriebsflussvertei¬ lung zwischen den beiden Teilmaschinen ebenfalls die Axiallage bestimmt werden. Aufgrund der selben Lagerkraftwirkung besitzt ein solcher lagerlose Motor prinzipiell die gleichen Eigenschaf¬ ten wie der konventionell aktiv magnetisch gelagerte Antrieb. Diese ergeben sich aus der Berüh¬ rungsfreiheit der Lagerung und der Möglichkeit zu Stelleingriffen über die Regelung. So ist die magnetische Lagerung verschleiss-, wartungs-, und schmiermittelfrei. Die maximal zulässige Drehzahl wird nur durch die Fliehkraftbeanspruchung des Rotors begrenzt. Über die Regelung kann die Lagercharakteristik, das heisst die Steifigkeit und die Dämpfung, während des Betriebs eingestellt und an sich ändernde Bedingungen angepasst werden. Eine Kompensation von Unwuchtkräften ist ebenso denkbar wie die aktive Dämpfung von Biegeschwingungen des Ro¬ tors. Mit einem Integralanteil des Reglers lässt sich stationär eine unendlich grosse Steifigkeit erreichen. Innerhalb der Grenzen des Luftspalts kann die Position wie auch der Neigungswinkel des Rotors während des Betriebs eingestellt und verändert werden.

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ERSAΓZBLÄΓT ( EGEL 26) Die lagerlose Maschine eröffnet aber noch weitere Vorteile. Da die magnetischen Querkräfte über den ganzen Rotor verteilt angreifen und nicht nur an den beiden Enden wie bei der konventionellen Lagerung, steht ein effizientes Mittel zur Beeinflussung der Rotordynamik zur Verfügung. Auch sind die erreichbaren Lagerkräfte sehr gross, da die gesamte Oberfläche des Maschinenrotors für die Kraftbildung zur Verfügimg steht. Ganz neue Perspektiven eröffnen sich in der Kombination konventionell gelagerter Maschinen (Kugellager, Luftlager, Magnetlager, hydrostatische und hydrodynamische Lager) mit einem lagerlosen Motor. Eine solche Maschine ist schematisch in Figur 26 dargestellt. Durch die Möglichkeit, auf den Rotor wirkende Querkräfte mit beliebiger Richtung und Amplitude dynamisch einstellen zu können, ergeben sich neue Lösungsansätze zur Dämpfung von Rotorschwingungen, zur Beeinflussung der Lagercharakteristik, zur Entlastung der konventionellen Lager oder zur Beeinflussung der Durchbiegung des Rotors. Letztere Anwendung ist schematisch in Figur 27 dargestellt.

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ERSÄΓZBLÄΓT (REGEL 26) Bezugszeichenliste

1 Antriebswicklungsgrösse (Indizes) Steuerwicklungsgrösse (Indizes)

3 Drehfeldmaschine mit einer pi -polpaarigen Antriebswicklung und einer (p₂ = p_j ± 1) -polpaarigen Steuerwicklung

3a Asynchronmaschine zur Querkraft- und Drehmomentbildung

3b Synchronmaschine zur Querkraft- und Drehmomentbildung

4 Steuerwicklung

5 Antriebswicklung

6 Rotor

7 Flussmesssonden

9 Steuergerät

10 Steuerstromberechnung

10a Steuerstromberechnimg mit vollständiger Entkopplung

10b Steuerstromberechnung mit teilweiser Entkopplung

11 Stromspeisegerät für Steuerwicklung

12 zweite Mittel

13 Flussberechnung- und Transformation

14 Antriebsgrössen

15 erste Mittel

16a vollständige Entkopplung

16b teilweise Entkopplung

17 Koordinatentransformation (T->S)

d Direkt-Komponente (dq-Darstellung)

E Querkraftvektor

F_x x-Komponente des Querkraftvektors

Fy y-Komponente des Querkraftvektors

(F) Antriebsflussorientiertes Koordinatensystem

Beispiel: i_sι' ' bezeichnet die Quer-Komponente des Antriebsstromvektors in

Antriebsflusskoordinaten in der pi -Ebene dargestellt

K_L Lorentz-Nutzkraftraftkonstante: für Synchronmaschine K_L = ^ ² , für Asynchronmaschine K_L = 0

K_M Maxwell-Kraftkonstante: K_M = ₄₁ ^P ^, ^

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ERSArZBLÄ-T (REGEL 26) K_s Lorentz-Störkraftkonstante K_s = ₂^^w'

K_Fx Kraftkonstante in x-Richtung

K_Fy Kraftkonstante in y-Richtung

K_§x Störkraftkonstante in x-Richtung

Kgy Störkraftkonstante in y-Richtung i _§ ^Pl Antriebsstromvektor in der p i -Ebene dargestellt i_§ ^p _d Direkt-Komponente des Antriebsstromvektors in der pi -Ebene dargestellt i_§ ^Pl _q Quer-Komponente des Antriebsstromvektors in der pi -Ebene dargestellt i&2² Steuerstromvektor in der p₂-Ebene dargestellt i_j ^_j Direkt-Komponente des Steuerstromvektors in der p₂-Ebene dargestellt

*S2q Quer-Komponente des Steuerstromvektors in der p₂-Ebene dargestellt

1 Länge des Rotors

L_j Hauptinduktivität der Antriebswicklung

Li Hauptinduktivität der Steuerwicklung m Phasenzahl, Strangzahl m_g Masse des Rotors

M Drehmoment

Mj inneres Maschinendrehmoment

ML Lastdrehmoment p Polpaarzahl

Pl Polpaarzahl der Antriebswicklung p₂ Polpaarzahl der Steuerwicklung

(p i ) Abbildungsebene mit der Poplaarzahl p i

(p₂) Abbildungsebene mit der Poplaarzahl p₂ q Quer-Komponente (dq-Darstellung)

R Rotor r Radius des Rotors

S Stator

(S) Statororientiertes Koordinatensystem

Beispiel: i g₂'^P2 bezeichnet den Steuerstromvektor in Statorkoordinaten, in der

Pl -Ebene dargestellt

(T) mit dem Winkel p umlaufendes Koordinatensystem

Beispiel: i_§2 bezeichnet den Steuerstromvektor in einem mit dem Winkel p ^P2 umlaufenden Koordinatensystem, in der pi -Ebene dargestellt

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ERSffZBLÄTT (REGEL 26) i Windungszahl der Antriebs wicklung 2 Windungszahl der Steuerwicklung

X,Y Achsen des geometrischen Koorninatensystems (Indizes) x,y Auslenkung des Rotors in x,y-Richtung

* Sollgrössen, Steuergrössen

Beispiel: i_s2 '^P2 bezeichnet den Sollwert des Steuerstromvektors in

Statorkoordinaten, in der pi -Ebene dargestellt α₀ Verdrehung der d- Achse der Antriebswicklung gegenüber der x-Achse des geometrischen Koordinatensystems Ot_{i 2} Verdrehung der d- Achsen von Antriebs- und Steuerwicklung γ_m mechanischer Rotorwinkel γ _g Argument des Antriebsflussvektors, in der p j -Ebene dargestellt μ₀ magnetische Feldkonstannte im Vakuum π Kreiskonstannte

Ψ_l Betrag des Antriebsflusses

Ψ_l Antriebsflussvektor in der p i -Ebene dargestellt p<-P₂ Verdrehung des zur Berechnung des Steuerstromsollvektors verwendeten

Koordinatensystems (T) gegenüber dem Statorkoordinatensystem in der P2-Ebene gemessen Zeitinvarianter Anteil von p ² ω_m mechanische Drehfrequenz

Ü)R Rotor-Drehfrequenz (Schlupffrequenz)

- 24 - ERSArZBLArT (REGEL 26)

Claims

PATENTANSPRUECHE

1. Verfahren zur Steuerung einer Drehfeldmaschine mit Ständerwicklung zur kombinierten Erzeugung eines Drehmoments und einer Querkraft F welche senkrecht auf den Rotor wirkt und in Betrag und Richtung beliebig eingestellt werden kann, wobei

a) die Ständerwicklung eine Antriebswicklung mit der Polpaarzahl pi und eine Steuerwicklung mit der Polpaarzahl p₂ = Pi ± umfasst, b) die Steuerwicklung mit einem Steuerstrom i_S2 unabhängig vom Antriebsstrom i_Sj der Antriebswicklung gespeist wird, dadurch gekennzeichnet, dass das in der pi -Ebene dargestellte Argument des Antriebsflusses Y_g ¹ bestimmt wird, der für eine gewünschte Querkraft F^* notwendige, in der p₂-Ebene betrachtete Steuer¬ strom i_S2 '^P2) in einem mit dem Winkel Y_g ¹ umlaufenden Koordinatensystem (T) bestimmt wird,

-25- ERSArZBLÄTr (REGEL 26) dieser Steuerstrom i_S2 '^P2 durch eine Koordinatendrehung um den Winkel p^(.?2) ₌ p^'-' -)- ^W i_{n e}i_n ständerfestes Koordinatensystem (S) transformiert wird, wobei durch den konstanten Winkel p_Q ² ' eine allfallige Verdrehung der Steuerwick ing und der Antriebswicklung im Ständer berücksichtigt wird.

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerstrom i_S2 '^P2^ im Koordinatensystem (T) als Vektor

komponentenweise und nach der Vorschrift

i) dem gewünschten Kraftvektor F

ii) der in Flusskoordinaten in der pi -Ebene betrachteten, momentbildenden

Antriebsstromkomponente i_slq ' iii) dem Antriebsflussbetrag Ψi und iiii) den Maschinenparametem L2 , K_Fx , K_Fy , K_§x , und K_§y .bestimmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeic hnet, dass der Steuerstrom i_S2 '^P2 ' im Koordinatensystem (T) als Vektor

komponentenweise und nach der vereinfachten Vorschrift

:*(T,p₂) _ F_x i*(T,P₂) ₌ ^FY ^xS2d ~ _{κ Ψ} ^lS2q F K_FyΨ,

mit

-26- ERSATZBLÄ-T (REGEL 26) i) dem gewünschten Kraftvektor F

ii) dem Antriebsflussbetrag Ψj und iii) den Maschinenparametern K_Fx und K_Fy bestimmt wird.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erfindungsgemässen Querkraftvektorsteuerung eine Querkraftvektorregelung überlagert ist, wobei der Istwert des Querkraftvektors durch Kraftsensoren direkt messtechnisch erfasst oder über eine Einrichtung zur Parameteridentifikation wie einen Zustandsbeobachter aus anderen Messgrössen bestimmt und anschliessend mit dem Sollwert verglichen wird, die so gewonnene Regelabweichung einem Regler zugeführt wird und der Reglerausgang mit dem Steuereingang des erfindungsgemässen Verfahrens zur Querkraftsteuerung verbunden wird.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erfindungsgemässen Querkraftvektorsteuerung eine Regelung der Rotorlage überlagert ist, wobei der- Istwert der Lage (in x- und y-Richtung) durch Distanz¬ sensoren direkt messtechnisch erfasst oder über eine Einrichtung zur Parameter¬ identifikation wie einen Zustandsbeobachter aus anderen Messgrössen bestimmt und anschliessend mit dem Sollwert verglichen (in x- und y-Richtung) wird, die so gewonnene Regelabweichung (in x- und y-Richtung) einem Regler zugeführt wird und der Reglerausgang mit dem Steuereingang des erfindungsgemässen Verfahrens zur Querkraftsteuerung verbunden wird.

-27-

ERSATZB TT (REGEL 26) 6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Grossen Antriebsflussbetrag Ψ_j, Antriebsflussargument Y_g ¹ und momentbildender Antriebsstrom i_sι ' mit Hilfe von Maschinengleichungen aus

Messgrössen und/oder beobachteten Grossen und/oder entsprechenden Sollwerten berechnet werden oder dass die Grossen Antriebsflussbetrag Ψ_j und das Antriebs¬ flussargument Y_g ¹ über Flussmessung oder Teilflussmessung bestimmt werden.

7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe der erfindungsgemässen Querkraftvektorsteuerung auf den Rotor Kräfte ausgeübt werden, über welche die Durchbiegung des Rotors statisch und/oder dynamisch beeinflusst wird.

8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe der erfindungsgemässen Querkraftvektorsteuerung auf den Rotor Kräfte ausgeübt werden, über welche Eigenschwingungen des Rotors passiv und/oder aktiv bedämpft, angeregt oder in irgend einer Weise beeinflusst werden.

9. Vorrichtung (9) zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stromspeisemodul (11) zur Speisung der Steuerwicklung und ein

Speisemodul (12) zur Speisung der Antriebswicklung vorgesehen ist, ein Signalverarbeitungsmodul (15) vorgesehen ist, in welchem i) aufgrund von Messgrössen und/oder Steuergrössen die Grossen Y_g , Ψ_j und eventuell i_sl ' bestimmt werden (13) und ii) daraus der Steuerstromsollwert i_S bestimmt wird, sowie der derart bestimmte Steuerstrom i_S2 ² ' als Sollwert des Stromspeisemoduls der

Steuerwicklung dient.

-28- ERSATZBLÄTT (REGEL 26) 10. Vorrichtung (9) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Speisemodul der Antriebswicklung (12) eine Steuervorrichtung umfasst, durch welche das Drehmoment oder die Drehzahl sowie der Antriebsfluss der Maschine beliebig eingestellt werden können.

11. Vorrichtung (9) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung entweder nach dem Kennlimensteuerverfahren, oder nach einem feldorientierten Steuer- oder Regelverfahren arbeitet.

12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Vorrichtung nach Anspruch 9 bis 11 zusätzliche Mittel zur Querkraftvektorregelung vorhanden sind, welche Mittel umfassen:

- Kraftsensoren oder einen Zustandsbeobachter zur Bestimmung des Querkraft- Istwertes und

- einen Regler zur Regelung der Querkraft.

13. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Vorrichtung nach Anspruch 9 bis 12 zusätzliche Mittel zur Querkraftvektorregelung vorhanden sind, welche Mittel umfassen:

- Lagesensoren oder einen Zustandsbeobachter zur Bestimmung der Rotorlage und

- einen Regler zur Regelung der Rotorlage.

-29- ERSÄΓZBLÄΓT (REGEL 26) 14. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichne , dass in einer Vorrichtung nach Anspruch 9 bis 13 zusätzliche Mittel zur Steuerung oder zur Regelung der Durchbiegung des Rotors vorhanden sind, welche Mittel umfassen:

- Lagesensoren oder einen Zustandsbeobachter zur Bestimmung der Durchbiegung des Rotors und

- einen Regler zur Regelung der Durchbiegung des Rotors.

15. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichn et, dass in einer Vorrichtung nach Anspruch 9 bis 14 zusätzliche Mittel zur Bedämpfimg von Eigenschwingungen des Rotors vorhanden sind, welche Mittel umfassen:

- Sensoren oder einen Zustandsbeobachter zur Bestimmung von Schwingungen des Rotors und

- einen Regler zur Ausregelung der Rotorschwingungen.

-30- ERSArZBLAtT (REGEL 26)