WO2006000192A2 - Elektromotorischer antrieb für ein fahrzeug - Google Patents

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WO2006000192A2
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motor
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rotor
coils
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Hans Hermann Rottmerhusen
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Audi Ag
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P25/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details
    • H02P25/02—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details characterised by the kind of motor
    • H02P25/08—Reluctance motors
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/24—Arrangements for stopping

Definitions

  • the invention relates to an electric motor drive for a vehicle according to claims 1 and 2.
  • a traction drive for a battery-powered electrically powered industrial truck is known in which a reluctance motor is used as traction motor.
  • This traction motor should also be operable in braking mode.
  • a corresponding description for the technical solution of the braking operation can not be inferred from this document.
  • FIG. 6a shows a stand on which a three-strand winding is arranged as a diameter winding.
  • all three winding phases are simultaneously applied to a current source.
  • a disadvantage of such a design of the reluctance motor is, in particular, the complex wiring of the winding strands.
  • pp 1067-1075 describes a reluctance motor in which the stator has six stator teeth and about each St S ⁇ tooth a coil of the three-phase stator winding is arranged an ⁇ , and the winding strands a Brückenschal ⁇ device is assigned, The stator winding is controlled via a half-bridge circuit in such a way that an equally strong pole field is generated on each of two adjoining stator teeth during motor operation, wherein the pole fields each have mutually opposite pole fields.
  • the invention has for its object to provide a elektromo ⁇ toric drive for a vehicle, which has a high energy density of the stator teeth by means of appropriate arrangement of the winding strands on the stator and in each case a torque is present on the entire rotor circumference, and the high starting and torque achieved in both directions with a continuous torque in je ⁇ the rotor position of a rotor revolution, and thus the braking energy of the engine via the electronic Steuer ⁇ device of the engine in the power source is fed.
  • the solution according to the invention has the advantages that an elec ⁇ tromotorischer drive for a vehicle was created in which the coils of the winding strands are arranged on the stator so that a high field density at each Läufer ⁇ step is achieved at the respective stator teeth and on entire rotor circumference a high uniform torque in each rotor position of a rotor revolution is present.
  • Such an electromotive drive is furthermore distinguished by a quiet running behavior with low noise development, and is advantageously used as a hybrid drive or as a main drive, wherein the braking torque can be sensitively adjusted via an electronic control device and the braking energy is fed into the power source is fed.
  • FIG. 1 is an axial plan view of a representation of the stator and rotor of a reluctance motor
  • Figure 2 is an axial plan view of a stand and rotor of another reluctance motor
  • Fig. 3 in axial plan view of a representation of the stator and rotor of a series motor
  • Fig. 4 and 5 in axial plan view representations of Stän ⁇ and runners of further series motors
  • Fig. 6.7 u.8 circuit arrangements of the electronic Steu ⁇ er worn for commutation of Reluctance motor and the series motor.
  • FIG. 1 shows in an axial plan view a view of a reluctance motor of a special type with the strands 1, 2, 3 of the field winding on the stator 4 and with an 8-pole rotor 5 on the shaft 6.
  • the stator has a four-pole design of the winding strands 1 , 2.3 twelve stator teeth 7 directed towards the rotor 5, and the winding coils each contain four coils, each labeled with a, b, c, d.
  • the coils of the winding strands wrap around each three stator teeth 7, wherein the four coils of a winding strand are arranged next to one another on the stator, in that the one coil side of a coil and the one coil side of the adjacent coil are each in a common groove ,
  • the winding strands are connected to a current source in such a way that pole formation takes place towards the rotor on every third stator tooth 7, in that the field of the coils a, b, c, d of two winding strands is superimposed to two-thirds, for which purpose the reluctance motor is assigned a standard circuit arrangement of the electronic control device for a reluctance motor.
  • FIG. 1 shows the pole formation shown at N and S on the stator at the application of the winding strands 2 and 3 to a power source.
  • Such an arrangement of the winding strands on the stator results in a very high energy density at the respective stator teeth and a uniform torque during a rotor revolution, and good cooling of the coils via the winding heads is achieved here
  • the motor is designed to be at least four-pole, and depending on the size of the motor, a higher number of pole pairs must be selected.
  • the winding strands are connected to a current source such that pole formation takes place towards the rotor on two adjoining stator teeth which each have the same pole formation by the field of the coils a, b, c, d of two winding strands in each case superimposed to one-third, and the winding strands is held in a star connection, to which the reluctance motor is assigned a bridge circuit of the electronic control device.
  • a circular rotary field is formed on the stator during the commutation of the winding strands, wherein a torque is applied to each stator tooth, and the motor is characterized by a smooth and quiet rotational behavior.
  • FIG. 2 shows this rotor position.
  • the central pole formation of the respective pole fields is marked with an x, wherein for the next rotor step for the renewed central pole formation y, the corresponding polarization is already present at the respective stator tooth.
  • a reluctance motor of the previously described type according to FIGS. 1 and 2 can also be operated in a shunt and is used both as a hybrid motor and for a main drive for a vehicle in that the rotor 5 is provided with a corresponding excitation winding which during of the braking operation is supplied via slip rings with a controllable excitation current, in this case, the coils of the winding strands can 1,2,3 also only one stator tooth 7 wrap around.
  • FIGS. 3 and 4 each show such a series-connected motor.
  • the rotor 8 has four rotor teeth 9, on which the coils 10 of the excitation winding are arranged, and the coils 10 of the field winding each wrap around a rotor tooth.
  • the field winding is connected to slip rings, which are arranged on the shaft 11 of the rotor 8.
  • the arrangement of the coils a, b, c, d of the winding strands 1,2,3 for the series motor corresponds to the arrangement of the coils of the winding strands in the reluctance motor, Fig. 1 u. 2, wherein the winding strands in a Erasmusnschlußmo ⁇ tor is always kept in a star connection.
  • the coils a, b, c, d of the winding strands 1, 2, 3 each have three stator teeth 7, in this case the winding strands are connected to a current source in such a way that the coils a, b , c, d each overlap one third and occupy the pole formation shown in Fig. 3 on the stand.
  • FIG. 1 The arrangement of the coils a, b, c, d of the winding strands 1,2,3 for the series motor corresponds to the arrangement of the coils of the winding strands in the reluctance motor, Fig. 1 u. 2, wherein
  • the coils a, b, c, d of the winding strands 1, 2, 3 each have two stator teeth 7.
  • the arrangement of the coils of the winding strands corresponds to the arrangement of the coils of the winding strands in the case of the reluctance motor , where no superimposition of the coils is present, the Poltechnisch to the runner takes place at each St S ⁇ tooth.
  • the winding phases of the series-wound motor according to FIGS. 3 and 4 are always energized via a bridge circuit in such a way that a circular rotary field is formed on the stator.
  • a series-wound motor according to FIGS. 3 and 4 is also characterized by a quiet, quiet rotational behavior, and a very high starting torque and a uniform torque are achieved with each rotor position of one rotor revolution.
  • FIG. 5 shows an axial top view of a view of a further series-wound motor with the strands 1, 2, 3 of the field winding on the stator 4.
  • the coils of the winding strands surround a stator tooth 7.
  • the rotor 8 The winding strands are also connected in star, the winding strands being assigned a bridge circuit of the electronic control device, and a circular rotary field is formed on the stator.
  • a series-wound motor of the type described above according to FIGS. 3, 4 and 5 can also be operated in a shunt and is used particularly advantageously in a hybrid drive for a vehicle because very high braking torques are achieved with such a motor in that the engine operation is canceled and the generator operation is initiated and regeneration of the braking energy to the power source takes place.
  • the motors described above can also be designed with an arbitrary number of pole pairs.
  • the above-mentioned motors of the special kind can be operated with the same circuit arrangement of the electronic control device.
  • FIG. 6, 7 and 8 show a circuit arrangement of the electronic control device for commutating the winding strands of the reluctance motor or of the series-wound motor.
  • the winding strands 1,2,3 are each connected to the one end to a transistor-equipped half-bridge 12 and the other end of the winding strands are connected in a star. So that a fault can be detected quickly at the half bridges of the electronic control device or in the motor, a measuring shunt can be connected in each case between the half bridges 12 and the winding strands 1, 2, 3, or a potential tap 13 is in each case located at the half bridges 12.
  • the motor Upon detection of a fault on the half bridges 12 or in the engine by the control unit 14 the motor is separated from the power source either by means of a relay 15 or by a short-circuiting of the power source to a fuse device 16 by means of a thyristor 17.
  • a short-circuiting of the current source by a thyristor is not required in the event of a fault on the bridge circuit, since the current source can short-circuit directly across the half bridges, in the case of a defect of the half bridges.
  • FIG. 6 shows a circuit arrangement for a reluctance motor, the winding strands 1, 2, 3 being held in a star connection.
  • an excitation winding 18 which is connected in shunt by the Er ⁇ exciting winding the half-bridges 12 is connected in parallel and the field winding 18, a transistor 19 is connected downstream.
  • a sensitive braking operation of the reluctance motor is controllable, and the braking current is fed via the freewheeling diodes of the half bridges 12 in the current sourceIch ⁇ .
  • the exciter winding 20 of the rotor of the series-connected motor is connected upstream of the half-bridges, and the exciter winding can be connected in shunt during a braking operation by connecting a transistor 22 in front of a diode 21 connected downstream of the excitation winding 20 to draw in the current source is connected and the Erreger ⁇ winding after the excitation winding downstream Dio ⁇ de 21 a freewheeling diode 23 is connected in parallel.
  • a sensitive braking operation is controllable, and the braking current is the freewheeling diodes of the Half bridges and the freewheeling diode 23 of the field winding fed into the power source.
  • 8 shows a circuit arrangement for a series-connected motor, which can be operated both in series and in the secondary circuit by connecting a transistor 22 to the return conductor of the current source before a diode 21 connected downstream of the excitation winding 20 and a wide-open circuit Transistor 24 is connected in parallel with a free-wheeling diode of the field winding 20 after the diode 21 connected downstream of the field winding.
  • the motor can be operated as a series-wound motor or as a shunt motor and fed into the current source during braking operation.
  • transistors In order to detect a fault at the half-bridges or in the motor, it is also preferable to use transistors in which self-detection of the functionality of the transistors in the transistors is integrated, or the functionality is monitored by the control unit 15.

Abstract

Es wird ein elektromotorischer Antrieb für ein Fahrzeug als Hauptantrieb oder als Hybridantrieb vorgeschlagen, und der Elektromotor des Antriebs ist ein Reluktanzmotor oder ein Reihenschlußmotor einer besonderen Art, wobei der Läufer des Reluktanzmotors und des Reihenschlußmotors mit einer Erregerwicklung versehen ist, und der Erregerwicklung ist ein Transistor zugeordnet, mit dem zur Steuerung des Erre­gerstroms ein feinfühliger Bremsbetrieb des Motors durchge­führt werden kann, und der Bremsstrom in die Stromquelle eingespeist wird, indem der Motorbetrieb im Generatorbe­trieb umgeschaltet ist.

Description

Elektromotorischer Antrieb für ein Fahrzeug
Die Erfindung betrifft einen elektromotorischen Antrieb für ein Fahrzeug nach den Patentansprüchen 1 und 2.
Bei Kraftfahrzeugen kommen immer häufiger Elektromotoren zur Unterstützung des Antriebes (Hybridantrieb) oder als Hauptantrieb zur Anwendung. Solche elektromotorischen Antriebe benötigen ein sehr hohes Anlauf- und Drehmoment in beide Drehrichtungen. Ein elek¬ tronisch kommutierter PM-Motor verfügt über solche Voraus¬ setzungen. Ein mit Permanentmagneten bestückter Motor ist kostenauf¬ wendig in der Herstellung, und durch die Permanentmagnete in der Leistungsaufnahme begrenzt.
Aus der DE 102 15 126 Al ist ein Fahrantrieb für ein batte- rie-elektrisch angetriebenes Flurförderfahrzeug bekannt, bei dem als Fahrmotor ein Reluktanzmotor verwendet wird. Dieser Fahrmotor soll auch im Bremsbetrieb betreibbar sein. Eine entsprechende Beschreibung für die technische Lösung des Bremsbetriebes ist aus dieser Schrift nicht entnehmbar.
Aus der WO 97/01 882 Al ist ein bürstenloser Elektromotor bekannt. Dieser weist einen Stator mit mehreren Ständerzäh¬ nen auf, die mit Spulen von Wicklungssträngen bewickelt sind. Der Rotor besteht aus einem Leitstückteil, das von einer feststehenden Spule erregt wird. Sowohl die Spulen des Ständers als auch die Erregerspule für den Rotor werden von einer elektronischen Steuereinrichtung mit Strom ver¬ sorgt, wobei die Erregerspule sowohl im Motor- als auch im Generatorbetrieb bestromt wird. Ein solcher Motor ist im engeren Sinn kein Reluktanzmotor. Aus der DE 199 19 684 Al ist ein Reluktanzmotor bekannt, dessen Rotor durch eine statorseitige Wicklung, die in Rei¬ he zu den elektronischen Schaltern der Kommutierungsschal¬ tung liegt, magnetisiert wird. Ausführungen, diese Konfigu- rationen auch im Bremsbetrieb zu nutzen, fehlen in dieser Schrift völlig.
Das Dokument von Müller: Elektris.che Fahrzeugantriebe, 1960, S. 44, 45 beschreibt, daß ein Reihenschlußmotor beim Nutzbremsen ein instabiles Verhalten zeigt, und als Abhilfe wird die Fremderregung der Feldwicklung in diesem Betriebs¬ zustand mittels eines Erregerumformers oder einer Batterie oder einer Zuglichtmaschine vorgeschlagen.
Das Dokument von SenGupta, S.; Bhadra, S.N.; Chattopadhyay, A.K. : „An inverter-fed-self-controlled λbrushless' DC se- ries motor with the field winding in the DC link", Proceed- ings of the 1996 International Conference on Power Elec¬ tronics, Drives and Energy Systems for Industrial Growth, 1996, Volume: 1, 8-11 Jan. 1996 Pages: 367-372 beschreibt einen elektronisch kommutierten Reihenschlußmotor, der ei¬ nen Ständer mit einer dreisträngigen Wicklung aufweist. Der Läufer trägt eine Erregerwicklung, und zur Kommutierung der Wicklungsstränge ist eine elektronische Steuereinrichtung vorhanden.
Das Dokument von W.A.M. Ghoneim, J.E. Fletcher and B.W. Williams: „Linear analysis of two-, three- and four-phase switched reluctance machines with variable pitched winding configurations", IEE Proc.-Electr. Power Appl., Vol. 150, No. 3, May 2003, S. 319-343 beschreibt einen Reluktanzmo¬ tor, der einen Ständer mit drei Wicklungssträngen aufweist, die auf sechs Ständerzähnen angeordnet sind und aus jeweils zwei Spulen bestehen, und der Läufer ist vierpolig ausge- bildet. Die Spulen der Wicklungsstränge umschlingen jeweils zwei Ständerzähne (z.B. Cl-Cl'', C4-C4' ...in Fig. 5a) . Die Wicklungsstränge werden entweder über drei unsymmetrische H-Brücken (Abschnitt 5.2.2a auf S.328), einer H-Brücke und zwei unsymmetrischen H-Brücken (Abschnitt 5.2.2b) oder zwei H-Brücken und einer unsymmetrischen H-Brücke angesteuert, und es werden entsprechend der Fig. 5a alle drei Wicklungs¬ stränge gleichzeitig an eine Stromquelle gelegt. Fig. 6a zeigt einen Ständer an denen eine dreisträngige Wicklung als Durchmesserwicklung angeordnet ist. Auch hier werden entsprechend der Fig. 6a alle drei Wicklungsstränge gleich¬ zeitig an eine Stromquelle gelegt. Von Nachteil bei einer derartigen Auslegung des Reluktanz- rαotors ist besonders die aufwendige Beschaltung der Wick¬ lungsstränge.
Das Dokument von Jin-Woo Ahn, Seok-Gyu Oh, Jae-Won Moon, Young-Moon Hwang: „A Three-Phase Switched Reluctance Motor With Two-Phase Excitation", IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS, Vol. 35, No. 5, September/October 1999, S. 1067-1075 beschreibt einen Reluktanzmotor, bei dem der Ständer sechs Ständerzähne aufweist und um jeden Ständer¬ zahn ist eine Spule der dreisträngigen Ständerwicklung an¬ geordnet, und den Wicklungssträngen ist eine Brückenschal¬ tung zugeordnet, wobei die Wicklungsstränge in eine Stern- Schaltung gehalten sind. Die Ständerwicklung wird über eine Halbbrückenschaltung so angesteuert, daß während des Motor¬ betriebes jeweils an zwei nebeneinander liegenden Ständer¬ zähnen ein gleichstarkes Polfeld erzeugt wird, wobei die Polfelder jeweils zueinander ungleichnamige Polfelder auf- weisen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektromo¬ torischen Antrieb für ein Fahrzeug zu schaffen, der mittels entsprechender Anordnung der Wicklungsstränge am Ständer eine hohe Energiedichte an den Ständerzähnen aufweist und jeweils am gesamten Läuferumfang ein Drehmoment vorhanden ist, und der ein hohes Anlauf- und Drehmoment in beide Drehrichtungen bei einem kontinuierlichen Drehmoment in je¬ der Läuferstellung einer Läuferumdrehung erzielt, und womit die Bremsenergie des Motors über die elektronische Steuer¬ einrichtung des Motors in die Stromquelle gespeist wird.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 2 gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Die erfindungsgemäße Lösung hat die Vorteile, daß ein elek¬ tromotorischer Antrieb für ein Fahrzeug geschaffen wurde, bei der die Spulen der Wicklungsstränge am Ständer so ange- ordnet sind, daß eine hohe Felddichte bei jedem Läufer¬ schritt an den jeweiligen Ständerzahnen erzielt wird und am gesamten Läuferumfang ein hohes gleichmäßiges Drehmoment in jeder Läuferstellung einer Läuferumdrehung vorhanden ist. Ein solcher elektromotorischer Antrieb zeichnet sich wei- terhin durch ein ruhiges Laufverhalten bei geringer Ge¬ räuschentwicklung aus, und findet vorteilhaft als Hybridan¬ trieb oder als Hauptantrieb Anwendung, wobei das Bremsmo¬ ment über eine elektronische Steuereinrichtung feinfühlig einstellbar ist und die Bremsenergie in die Stromquelle ge- speist wird.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert.
Dabei zeigt:
Fig. 1 in axialer Draufsicht eine Darstellung vom Ständer und Läufer eines Reluktanzmotors, Fig. 2 in axialer Draufsicht eine Darstellung vom Ständer und Läufer eines weiteren Reluktanzmotors, Fig. 3 in axialer Draufsicht eine Darstellung vom Ständer und Läufer eines Reihenschlußmotors, Fig. 4 und 5 in axialer Draufsicht Darstellungen vom Stän¬ der und Läufer weiterer Reihenschlußmotoren, Fig. 6,7 u.8 Schaltungsanordnungen der elektronischen Steu¬ ereinrichtung zur Kommutierung des Reluktanzmotors und des Reihenschlußmotors.
Fig. 1 zeigt in axialer Draufsicht eine Ansicht eines Re- luktanzmotors einer besonderen Art mit den Strängen 1,2,3 der Feldwicklung am Ständer 4 und mit einem achtpoligen Läufer 5 an der Welle 6. Der Ständer besitzt bei einer vierpoligen Auslegung der Wicklungsstränge 1,2,3 zwölf zum Läufer 5 gerichtete Ständerzähne 7, und die Wicklungssträn- ge beinhalten jeweils vier Spulen, die jeweils mit a,b,c,d gekennzeichnet sind. Die Spulen der Wicklungsstränge um¬ schlingen jeweils drei Ständerzähne 7, wobei die vier Spu¬ len eines Wicklungsstranges nebeneinander am Ständer ange¬ ordnet sind, indem die eine Spulenseite einer Spule und die eine Spulenseite der benachbarten Spule sich jeweils in ei¬ ner gemeinsamen Nut befinden. Die Wicklungsstränge werden einerseits derart an eine Stromquelle gelegt, daß eine Polbildung zum Läufer hin je¬ weils an jedem dritten Ständerzahn 7 erfolgt, indem das Feld der Spulen a,b,c,d von zwei Wicklungssträngen sich je¬ weils zu zweidrittel überlagert, wozu dem Reluktanzmotor eine standardgemäße Schaltungsanordnung der elektronischen Steuereinrichtung für einen Reluktanzmotor zugeordnet ist. Fig. 1 zeigt die mit N und S dargestellte Polbildung am Ständer bei der Anlegung der Wicklungsstränge 2 und 3 an einer Stromquelle. Durch eine solche Anordnung der Wick¬ lungsstränge am Ständer wird eine sehr hohe Energiedichte an den jeweiligen Ständerzähnen und ein gleichmäßiges Dreh¬ moment während einer Läuferumdrehung erzielt und eine gute Kühlung der Spulen über die Wickelköpfe erreicht, hierbei sollte der Motor mindestens vierpolig ausgelegt sein, und je nach Größe des Motors ist eine höhere Polpaarzahl zu wählen. Andererseits werden die Wicklungsstränge so an eine Strom- quelle gelegt, daß eine Polbildung zum Läufer hin jeweils an zwei benachbarten Ständerzähnen erfolgt, die jeweils ne¬ beneinander die gleiche Polbildung aufweisen, indem das Feld der Spulen a,b,c,d von zwei Wicklungssträngen sich je¬ weils zu eindrittel überlagert, und die Wicklungsstränge in eine Sternschaltung gehalten ist, wozu dem Reluktanzmotor eine Brückenschaltung der elektronischen Steuereinrichtung zugeordnet ist. Bei einer solchen Anlegung der Wicklungs¬ stränge an eine Stromquelle wird während der Kommutierung der Wicklungsstränge ein Kreisdrehfeld am Ständer gebildet, wobei an jedem Ständerzahn ein Drehmoment anliegt, und der Motor sich durch ein ruhiges und leises Drehverhalten aus¬ zeichnet.
Fig. 2 zeigt in axialer Draufsicht eine Ansicht des Reluk- tanzmotors, bei dem die Spulen a,b,c,d der Wicklungsstränge 1,2,3 jeweils zwei Ständerzähne 7 umschlingen, und der Zwi¬ schenraum von der einen Spule zu der nächsten Spule eines Wicklungsstrangs beträgt jeweils einen Ständerzahn, und die Wicklungsstränge sind in einer Sternschaltung gehalten, wo- bei die Polbildung zum Läufer hin jeweils an jedem Ständer¬ zahn erfolgt mit einer zentralen Polbildung der jeweiligen Polfelder. Die Polbildung ist mit N und S gekennzeichnet. Auch hier wird am Ständer während der Kommutierung der Wicklungsstränge mittels einer Brückenschaltung der elek- tronischen Steuereinrichtung ein Kreisdrehfeld gebildet. Bei dieser Anordnung der Spulen der Wicklungsstränge am Ständer erfolgt keine Überlagerung der Spulen a,b,c,d und während der Umschaltung von dem einen Läuferschritt zum nächsten Läuferschritt liegt an jedem Läuferzahn ein Dreh- moment an, Fig. 2 zeigt diese Läuferstellung. Die zentrale Polbildung der jeweiligen Polfelder ist mit einem x gekennzeichnet, wobei für den nächsten Läufer¬ schritt für die erneute zentrale Polbildung y die entspre¬ chende Polarisierung jeweils an dem jeweiligen Ständerzahn bereits vorhanden ist. Durch eine solche Anordnung der Spulen a,b,c,d der Wick¬ lungsstränge 1,2,3 am Ständer und der entsprechende Be- schaltung, wird ein hohes Anlaufmoment und ein gleichmäßi¬ ges Drehmoment bei jeder Läuferstellung einer Läuferumdre- hung erreicht, hierdurch wird ein ruhiges Laufverhalten des Motors erzielt.
Eine derartige Anordnung der Wicklungsstränge an einem Ständer bei einem Reluktanzmotor bewirkt eine sehr hohe Energiedichte an den jeweiligen Ständerzähnen, womit ein hohes Anlaufmoment und ein hohes Drehmoment am Läufer er¬ zielt wird, und somit kommt ein solcher Reluktanzmotor vor¬ teilhaft bei einem Fahrzeug zur Anwendung.
Ein Reluktanzmotor der zuvor beschriebenen Art entsprechend der Fig. 1 und 2 kann auch in Nebenschluß betrieben werden und kommt sowohl als Hybridmotor als auch für einen Haupt¬ antrieb für ein Fahrzeug zur Anwendung, indem der Läufer 5 mit einer entsprechenden Erregerwicklung versehen ist, die während des Bremsbetriebes über Schleifringe mit einem steuerbaren Erregerstrom versorgt wird, hierbei können die Spulen der Wicklungsstränge 1,2,3 auch lediglich jeweils nur einen Ständerzahn 7 umschlingen.
Einen Ständeraufbau nach den Fig. 1 und 2 mit der entspre¬ chenden Anordnung der Wicklungsstränge am Ständer für einen Reluktanzmotor kommt auch vorteilhaft bei einem Reihen¬ schlußmotor zur Anwendung. Fig. 3 und 4 zeigen jeweils einen solchen Reihenschlußmo¬ tor. Der Läufer 8 besitzt vier Läuferzähne 9, an denen die Spulen 10 der Erregerwicklung angeordnet sind, und die Spu¬ len 10 der Erregerwicklung umschlingen jeweils einen Läu- ferzahn. Die Erregerwicklung ist an Schleifringen ange¬ schlossen, die auf der Welle 11 des Läufers 8 angeordnet sind. Die Anordnung der Spulen a,b,c,d der Wicklungsstränge 1,2,3 für den Reihenschlußmotor entspricht der Anordnung der Spulen der Wicklungsstränge beim Reluktanzmotor, Fig. 1 u. 2, wobei die Wicklungsstränge bei einem Reihenschlußmo¬ tor stets in einer Sternschaltung gehalten ist. Wie in Fig. 3 dargestellt, umschlingen die Spulen a,b,c,d der Wick¬ lungsstränge 1,2,3 jeweils drei Ständerzähne 7, hierbei werden die Wicklungsstränge derart an eine Stromquelle ge- legt, daß sich die Spulen a,b,c,d jeweils zu einem Drittel überlagern und die in Fig. 3 dargestellte Polbildung am Ständer einnehmen. In der Fig. 4 umschlingen die Spulen a,b,c,d der Wicklungs¬ stränge 1,2,3 jeweils zwei Ständerzahne 7. Auch hier ent- spricht die Anordnung der Spulen der Wicklungsstränge der Anordnung der Spulen der Wicklungsstränge beim Reluktanzmo¬ tor, wobei keine Überlagerung der Spulen vorhanden ist, die Polbildung zum Läufer hin erfolgt jeweils an jedem Ständer¬ zahn. Die Wicklungsstränge des Reihenschlußmotors nach Fig. 3 und 4 werden stets so über eine Brückenschaltung be- stromt, daß ein Kreisdrehfeld am Ständer gebildet wird. Auch ein Reihenschlußmotor nach Fig. 3 und 4 zeichnet sich durch ein ruhiges leises Drehverhalten aus, und es wird ein sehr hohes Anlaufmoment und ein gleichmäßiges Drehmoment bei jeder Läuferstellung einer Läuferumdrehung erreicht.
Fig. 5 zeigt in axialer Draufsicht eine Ansicht eines wei¬ teren Reihenschlußmotors mit den Strängen 1,2,3 der Feld¬ wicklung am Ständer 4. Die Spulen der Wicklungsstränge um- schlingen hier jeweils einen Ständerzahn 7. Der Läufer 8 _ Q _ entspricht dem Läufer nach der Fig. 3 und 4. Auch hier sind die Wicklungsstränge in Stern geschaltet, wobei den Wick¬ lungssträngen eine Brückenschaltung der elektronischen Steuereinrichtung zugeordnet sind, und am Ständer wird ein Kreisdrehfeld gebildet.
Ein Reihenschlußmotor der zuvor beschriebenen Art entspre¬ chend der Fig. 3, 4 und 5 kann auch in Nebenschluß betrie¬ ben werden und kommt besonders vorteilhaft bei einem Hy- bridantrieb für ein Fahrzeug zur Anwendung, weil mit einem solchen Motor sehr hohe Bremsmomente erzielt werden, indem der Motorbetrieb aufgehoben und der Generatorbetrieb einge¬ leitet wird und eine Rückspeisung der Bremsenergie zur Stromquelle erfolgt.
Die zuvor beschriebenen Motoren können auch mit einer be¬ liebigen Polpaarzahl ausgelegt sein.
Die vorstehend aufgeführten Motoren der besonderen Art kön- nen mit der gleichen Schaltungsanordnung der elektronischen Steuereinrichtung betrieben werden.
Fig. 6, 7 und 8 zeigt eine Schaltungsanordnung der elektro¬ nischen Steuereinrichtung zur Kommutierung der Wicklungs- stränge des Reluktanzmotors oder des Reihenschlußmotors. Die Wicklungsstränge 1,2,3 sind jeweils mit dem einem Ende an einer transistorbestückten Halbbrücke 12 angeschlossen und mit dem anderen Ende sind die Wicklungsstränge in Stern geschaltet. Damit ein Fehlerfall an den Halbbrücken der elektronischen Steuereinrichtung oder im Motor schnell er¬ kannt werden kann, kann ein Meßshunt jeweils zwischen den Halbbrücken 12 und den Wicklungssträngen 1,2,3 geschaltet sein, oder an den Halbbrücken 12 befindet sich jeweils ein Potentialabgriff 13. Bei Erkennung eines Fehlerfalles an den Halbbrücken 12 oder im Motor durch die Steuereinheit 14 wird der Motor entweder mittels eines Relais 15 oder durch eine Kurzschließung der Stromquelle nach einer Sicherungs¬ einrichtung 16 mittels eines Thyristors 17 von der Strom¬ quelle getrennt. Für den Reluktanzmotors ist eine Kurz- Schließung der Stromquelle durch einen Thyristor bei einem Fehlerfall an der Brückenschaltung nicht erforderlich, da die Stromquelle sich unmittelbar über die Halbbrücken, bei einem Defekt der Halbbrücken, kurzschließen kann.
Im Einzelnen zeigt Fig. 6 eine Schaltungsanordnung für ei¬ nen Reluktanzmotor, wobei die Wicklungsstränge 1,2,3 in ei¬ ne Sternschaltung gehalten ist. Für den Bremsbetrieb und der Einspeisung des Bremsstroms in die Stromquelle ist der Läufer des Reluktanzmotors mit einer Erregerwicklung 18 versehen, die in Nebenschluß geschaltet ist, indem die Er¬ regerwicklung den Halbbrücken 12 parallel geschaltet ist und der Erregerwicklung 18 ein Transistor 19 nachgeschaltet ist. Mit dem Transistor 19 zur Steuerung des Erregerstroms der Erregerwicklung 18 ist ein feinfühliger Bremsbetrieb des Reluktanzmotors steuerbar, und der Bremsstrom wird über die Freilaufdioden der Halbbrücken 12 in die Stromquelle einge¬ speist. Fig. 7 zeigt eine Schaltungsanordnung für einen Reihen- schlußmotor. Die Erregerwicklung 20 des Läufers des Reihen¬ schlußmotors ist den Halbbrücken vorgeschaltet, und die Er¬ regerwicklung kann während eines Bremsbetriebes in Neben¬ schluß geschaltet werden, indem vor einer der Erregerwick¬ lung 20 nachgeschalteten Diode 21 zum Rückschluß der Strom- quelle ein Transistor 22 geschaltet ist und der Erreger¬ wicklung nach der der Erregerwicklung nachgeschalteten Dio¬ de 21 eine Freilaufdiode 23 parallel geschaltet ist. Mit dem Transistor 22 zur Steuerung des Erregerstroms für die Erregerwicklung ist ein feinfühliger Bremsbetrieb steu- erbar, und der Bremsstrom wird über die Freilaufdioden der Halbbrücken und der Freilaufdiode 23 der Erregerwicklung in die Stromquelle gespeist. Fig. 8 zeigt eine Schaltungsanordnung für einen Reihen¬ schlußmotor, der sowohl in Reihenschluß als auch in Neben- Schluß betrieben werden kann, indem vor einer der Erreger¬ wicklung 20 nachgeschalteten Diode 21 zum Rückleiter der Stromquelle ein Transistor 22 geschaltet ist und ein weite¬ rer Transistor 24 mit einer Freilaufdiode der Erregerwick¬ lung 20 nach der der Erregerwicklung nachgeschalteten Diode 21 parallel geschaltet ist. Mit einer solchen Schaltungsanordnung kann der Motor als Reihenschlußmotor oder als Nebenschlußmotor betrieben wer¬ den und eine Einspeisung in die Stromquelle während des Bremsbetriebes erfolgen.
Bei den zuvor vorgeschlagenen elektromotorischen Antrieben für ein Fahrzeug ist im Fehlerfall durch Trennung von der Stromquelle der Reluktanzmotor und der Reihenschlußmotor als Generator wirkungslos, und der Läufer dieser Motoren übt dann auch kein Bremsmoment aus, da der Läufer nicht mit Permanentmagneten belegt ist. Wohingegen ein Motor mit ei¬ nem Permanentmagneten bestückten Läufer auch dann noch ein Bremsmoment ausübt, wenn der Motor von der Stromquelle ge¬ trennt ist.
Zur Erkennung eines Fehlerfalles an den Halbbrücken oder im Motor können auch vorzugsweise Transistoren zum Einsatz kommen, bei denen eine Selbsterkennung der Funktionsfähig¬ keit der Transistoren in den Transistoren integriert ist, oder die Funktionsfähigkeit wird mit der Steuereinheit 15 überwacht.

Claims

Patentansprüche
1. Antrieb für ein Fahrzeug als Hauptantrieb oder als Hy- bridantrieb, mit einem Elektromotor mit einem Ständer (4) und einem Läufer (5) und einer mit einer Stromquelle ver¬ bindbaren elektronischen Steuereinrichtung zur Kommutierung der Wicklungsstränge des Elektromotors, wobei der Elektromotor ein Reluktanzmotor einer besonderen Art ist, bei dessen Ständer (4) die Spulen (a,b,c,d) der Wick¬ lungsstränge (1,2,3) jeweils mehrere Ständerzahne (7) oder einen Ständerzahn umschlingen, der Läufer (5) des Reluktanzmotors für den Bremsbetrieb mit einer Erregerwicklung (18) versehen ist, und die elektronische Steuereinrichtung eine der Anzahl der Wicklungsstränge (1,2,3) entsprechende Anzahl von Halbbrük- ken (12) mit Freilaufdioden aufweist, und wobei die Erregerwicklung (18) des Läufers (5) über einen Transi¬ stor (19) im Bremsbetrieb mit der Stromquelle verbindbar ist und so durch Steuerung des Erregerstroms der Erreger¬ wicklung (18) ein feinfühliger Bremsbetrieb des Reluktanz¬ motors durchführbar ist und der in den Wicklungssträngen (1,2,3) entstehende Bremsstrom über die Freilaufdioden der Halbbrücken (12) in die Stromquelle eingespeist wird.
2. Antrieb für ein Fahrzeug als Hauptantrieb oder als Hy¬ bridantrieb, mit einem Elektromotor mit einem Ständer (4) und einem Läufer (8) und einer mit einer Stromquelle ver¬ bindbaren elektronischen Steuereinrichtung zur Kommutierung der Wicklungsstränge des Elektromotors, wobei der Elektromotor ein Reihenschlußmotor einer besonderen Art ist, bei dessen Ständer (4) die Spulen (a,b,c,d) der Wick¬ lungsstränge (1,2,3) jeweils mehrere Ständerzähne (7) oder einen Ständerzahn umschlingen, der Läufer (8) eine Erregerwicklung (20) mit Spulen (10) die jeweils einen Läuferzahn (9) umschlingen, aufweist, die elektronische Steuereinrichtung eine der Anzahl der Wicklungsstränge (1,2,3) entsprechende Anzahl von Halbbrük- ken (12) mit Freilaufdioden aufweist und die Erregerwicklung (20) einerseits mit einem Pol der Stromquelle und andererseits über eine in Durchlaßrichtung gepolte Diode (21) mit einem ersten Speisepunkt der Halb¬ brücken (12) der elektronischen Steuereinrichtung, deren zweiter Speisepunkt mit dem anderen Pol der Stromquelle verbunden ist, in Reihe geschaltet ist, und wobei der mit der Diode (21) verbundene Anschluß der Erregerwick¬ lung (20) des Läufers (8) über einen Transistor (22) im Bremsbetrieb mit dem anderen Pol der Stromquelle verbindbar ist und so durch Steuerung des Erregerstroms der Erreger¬ wicklung (20) ein feinfühliger Bremsbetrieb des Elektromo¬ tors durchführbar ist und der in den Wicklungssträngen (1,2,3) entstehende Bremsstrom über die Freilaufdioden der Halbbrücken (12) und eine parallel zu der Diode (21) und der Erregerwicklung (20) geschaltete Freilaufdiode (23) in die Stromquelle eingespeist wird.
3. Elektromotorischer Antrieb nach Anspruch 2, daß der Reihenschlußmotor sowohl in Reihenschluß als auch in Nebenschluß betreibbar ist, indem vor einer der Erreger¬ wicklung (20) nachgeschalteten Diode (21) parallel zu den Halbbrücken (12) ein Transistor (22) geschaltet ist, und ein Relais mit einer Freilaufdiode (23) oder ein Transistor (24) mit einer Freilaufdiode der Erregerwicklung (20) par- allel geschaltet ist.
4. Elektromotorischer Antrieb nach Anspruch 1 und 2, daß die Spulen (a,b,c,d) der Wicklungsstränge (1,2,3) je¬ weils drei Ständerzähne (7) umschlingen, wobei die Spulen der Wicklungsstränge jeweils nebeneinander am Ständer ange- ordnet sind, indem die eine Spulenseite einer Spule und die eine Spulenseite der benachbarten Spulen eines Wicklungs¬ stranges sich jeweils in einer gemeinsamen Nut befinden.
5. Elektromotorischer Antrieb nach Anspruch 1, 2 und 4, daß die Wicklungsstränge (1,2,3) des Reluktanzmotors oder des Reihenschlußmotors derart an eine Stromquelle gelegt sind, daß die Polbildung zum Läufer hin jeweils an zwei be¬ nachbarten Ständerzähnen mit jeweils der gleichen Polbil- düng erfolgt, und die Schaltungsanordnung der elektroni¬ schen Steuereinrichtung eine Brückenschaltung beinhaltet, und die Wicklungsstränge eine Sternschaltung aufweist und am Ständer ein Kreisdrehfeld erzeugt wird.
6. Elektromotorischer Antrieb nach Anspruch 1 und 4, daß die Wicklungsstränge (1,2,3) des Reluktanzmotors derart an eine Stromquelle gelegt sind, daß eine Polbildung zum Läufer hin jeweils an jedem dritten Ständerzahn (7) er¬ folgt, indem eine standardgemäße Schaltungsanordnung für einen Reluktanzmotor der elektronischen Steuereinrichtung zugeordnet ist.
7. Elektromotorischer Antrieb nach Anspruch 1 und 2, daß die Spulen (a,b,c,d) der Wicklungsstränge (1,2,3) je- weils zwei Ständerzähne umschlingen und die Wicklungssträn¬ ge in einer Sternschaltung gehalten sind, wobei die Polbil¬ dung zum Läufer hin jeweils an jedem Ständerzahn erfolgt mit einer zentralen Polbildung der jeweiligen Polfelder und am Ständer ein Kreisdrehfeld gebildet wird.
8. Elektromotorischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1-7, daß zur Erkennung eines Fehlerfalles an der Halbbrücken¬ schaltung Transistoren zum Einsatz kommen, bei denen eine Selbsterkennung der Funktionsfähigkeit der Transistoren in den Transistoren integriert ist, oder die Funktionsfähig¬ keit der Transistoren mit der Steuereinheit überwacht wird.
9. Elektromotorischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1-8, daß zur Erkennung eines Fehlerfalles in der elektronischen Steuereinrichtung und im Elektromotor in der Schaltungsan¬ ordnung Meßshunts angeordnet sind.
10.Elektromotorischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1-8, daß zur Erkennung eines Fehlerfalles in der elektronischen Steuereinrichtung und im Elektromotor in der Schaltungsan¬ ordnung Potentialabgriffe angeordnet sind.
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