WO2007093487A2 - Permanently excited synchronous machine and method and apparatus for operating said machine - Google Patents

Permanently excited synchronous machine and method and apparatus for operating said machine Download PDF

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WO2007093487A2
WO2007093487A2 PCT/EP2007/050715 EP2007050715W WO2007093487A2 WO 2007093487 A2 WO2007093487 A2 WO 2007093487A2 EP 2007050715 W EP2007050715 W EP 2007050715W WO 2007093487 A2 WO2007093487 A2 WO 2007093487A2
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permanent
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Marco Falco
Ralf Kruse
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/22Rotating parts of the magnetic circuit
    • H02K1/27Rotor cores with permanent magnets
    • H02K1/2706Inner rotors
    • H02K1/272Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis
    • H02K1/274Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets
    • H02K1/2753Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets the rotor consisting of magnets or groups of magnets arranged with alternating polarity
    • H02K1/276Magnets embedded in the magnetic core, e.g. interior permanent magnets [IPM]

Definitions

  • the invention relates to a permanent-magnet Syn ⁇ chronmaschine with a stator winding to produce a rotating field having stator which surrounds a rotor, a permanent magnetic material having rotor forming an air gap. It further relates to a method and an apparatus for operating a variably permanent-magnet synchronous machine, in particular in a hybrid vehicle.
  • a rotating magnetic field or stator rotating field In such a synchronous machine with a stator-side, usually three-stranded and operated with a three-phase sinusoidal AC stator or rotating field winding occurs in the air gap between the stator and the permanent-magnet rotor a rotating magnetic field or stator rotating field.
  • This stand-side rotating field be ⁇ is of alternating magnetic north and south poles, which rotate along the air gap. The total number of all north and south poles indicates the so-called pole number (2p) or pole pair number (p). Due to the interaction between the stator rotating field and a rotor rotating field or exciting field generated by the permanent-magnet rotor, the torque of the synchronous machine is created.
  • the permanent-magnet synchronous machine is operated at variable speed, for example in conjunction with a frequency converter and a pulse width modulation.
  • the synchronous machine rotates with synchro ⁇ ner speed by the rotor rotating at a speed of rotating field of the stator corresponding speed.
  • Speed is determined by the frequency of the applied stator voltages and thus the stator currents, the Speed and the stator frequency are linked directly proportional to each other via the number of pole pairs.
  • stator As a result of the interaction between the stator and the rotor rotating field induces a voltage in the winding phases of the stator winding, which is proportional to the stator voltage Fre acid sequence and is capable of flux linkage in the air gap. This in turn results from a superposition of the stator flux linkage and the rotor flux linkage. At high speeds and thus high stator frequencies, this resulting flux linkage must be correspondingly small so that the maximum permissible induced voltage is not exceeded. At high speeds, the synchronous machine is therefore in the so-called field weakening range.
  • the invention has for its object to provide a permanent ⁇ excited synchronous machine whose permanent magnetic field is variable while avoiding the disadvantages mentioned. Furthermore, a method and an apparatus for operating, in particular for the control or regulation, of a variably permanent-magnet synchronous machine are to be specified.
  • the permanent magnets are buried in the rotor or fermaterial lauter arranged.
  • variable permanenterreg ⁇ ter motor or VP-motor is the aforementioned object according to the invention achieved by the Merkma ⁇ le of claims 22 and 25 respectively.
  • the invention is based on the one hand based on the consideration that the instantaneous water-side permanent magnetic field particularly reli ⁇ can be varied transparent when an undesirable affect Fluxing of the magnetization state of the rotor side Mag ⁇ netmaterials is avoided by the stator or rotor rotating field or at least as low as possible.
  • the invention is based on the recognition that, on the one hand, based on a rotor-fixed coordinate system, the so-called dq coordinate system, only the longitudinal current oriented in the direction of magnetization of the rotor, ie in the direction of the longitudinal axis or the d-axis, as field strengthening or field weakening or. generally as field-forming - current is effective.
  • Both the leading to the field weakening negative longitudinal current and the leading to a field enhancement positive longitudinal current influences as ⁇ at the air gap induction, but not the torque , Conversely, the cross flow affects the torque, but not the excitation field.
  • stator winding is always generates a spatially sinusoidal magnetic field in the air gap, with the result that a light generated by cross-flow air gap field the Mag ⁇ net gleich of the rotor and used particularly in areas affected for remagnetization provided permanent magnets.
  • This undesirable effect is also adversely affected the extent or enhanced magnetic materials used as the giearmen the possible benefit or ener ⁇ magnetic reversal, as particularly AlNiCo or FeCrCo, in addition to a ver high remanence ⁇ same manner also have a relatively small coercive field strength.
  • ⁇ be particularly suitable is a ner at certain or pre give ⁇ radial thickness of the rotor material in radial direction possible liehst deep in the rotor or rotor of the synchronous machine ver ⁇ lowered arrangement of the permanent magnets.
  • the radial extent or dimension of the permanent magnets is smaller than the radial material thickness or dimension of the rotor, which is otherwise soft or ferromagnetic, for example, with Blechchtribu- or dynamo sheet-like yokes.
  • the permanent magnets are located with the air gap in the spaced-apart top or surface in the rotor material.
  • the permanent magnets sunk in the rotor material are square or preferably rectangular in shape, a particularly uniform magnetization and demagnetization of the entire rotor-side magnet volume or material is made possible. It is also recognized that a particularly uniform magnetization of all radial magnetic layers of the permanent magnets is observed.
  • the rectangular permanent magnets are preferably recessed with the rotor axis and the air ⁇ gap-facing longitudinal sides in the rotor material.
  • corresponding recesses for receiving the respective permanent magnets see pre ⁇ , that is incorporated in particular in the Läuferjoche. Since the radial extent of these recesses open towards the air gap is greater than the radial thickness of the permanent magnets and these are guided against the bottom or bottom of the respective recesses, a permanent magnet-free space remains between the magnet surface or upper side and the air gap.
  • the recesses are expediently carried out in stages to form two circumferentially differently wide spaces.
  • the provided along the circumference of the rotor permanent magnets WEI sen in terms of material expediently A possible ⁇ lichst low coercive field strength on at the same time as high as possible remanence. Due to this combination of geometry and material, the permanent magnets magnetized in the circumferential direction always enable the rotor field to exit the rotor block in the same way.
  • Preferred magnetic materials are AlNiCo or FeCrCo.
  • river barriers are provided in the runners.
  • the flow barriers serve to reduce a transverse inductance in order to be able to impress the transverse currents necessary for a sufficiently high torque over the entire speed range into the stator winding.
  • the number of flow barriers expediently distributed uniformly around the circumference of the rotor corresponds to the number of permanent magnets, with each respective permanent magnet being provided with a flow barrier on both sides.
  • the shape of the flow barriers can be rectangular.
  • triangular flow barriers are advantageous.
  • the flux barriers with their triangular tip are directed towards the air gap and used in these herebymäßi ⁇ gate directly adjacent in the rotor or in the rotor ⁇ material or in the Läuferjoche.
  • variable-permanent-magnet synchronous machine whose stator winding is designed as a so-called Bruchlochwicklung.
  • a broken hole winding has, in contrast to a Ganzlochwicklung with a full number of holes a broken number of holes.
  • the number of holes is the number of stator slots per pole and phase winding.
  • a two-pole synchronous machine with three-phase stator winding can, for. B. have twelve (12) stator slots and therefore per pole two (2) stator slots per winding strand.
  • the number of holes in this case would have the value two (2), which corresponds to a Ganzlochwicklung.
  • the number of holes has a fractional value of, for example, two and a half (2.5) when the stator has a total of fifteen stator slots and therefore seven and a half (7.5) stator slots per pole.
  • variable permanent-magnet synchronous machine is operated ⁇ preference by means of the so-called field-oriented control.
  • This type of control is oriented on the rotor field and thus with respect to the rotor-fixed dq-coordinates on the d-axis.
  • Field-oriented control controls the already magnetized synchronous machine initially solely on the basis of a torque-forming current component, ie by means of the cross ⁇ stream according to its magnitude and sign.
  • the winding phases of the stator winding are specified in accordance with a desired operating parameter, in particular a desired torque value, manipulated variables for the phase voltages for generating the corresponding rotary field.
  • stator winding is in addition to the torque-forming cross-flow a field forming pulse-shaped longitudinal current imprinted in two stages to magnetize the permanent magnets.
  • the longitudinal flow is initially adjusted such that the permanent magnets are at least approximately completely magnetized. Only in a second stage is then the targeted Ab- or magnetic reversal of the permanent magnets. Under re-magnetization here is only the up or demagnetize, but not understood a polarity reversal of the permanent magnets.
  • the generating of the permanent magnet to the magnetic field depends in the simplest case only by the speed of the rotor from, and with too ⁇ participating speed decreases the required level of magnetization.
  • the field-oriented control is thus ⁇ attracted to a rotor-fixed dq coordinate system in addition to the torque-forming cross-current required for a field weakening as required longitudinal flow depending on the current speed of the rotor for adjusting the corresponding magnetization levels of the permanent magnets gesteu ⁇ ert
  • fully magnetized permanent magnets are demagnetized correspondingly both with rising or increasing speed and with decreasing or decreasing speed.
  • the magnetization state of the permanent magnets of the rotor can be targeted, ie ver ⁇ comparatively precise and in particular reproducible ⁇ sets by the two- or multi-stage imprint of short-term current pulses in the stator winding.
  • the permanent magnets can be used as needed a field weakening or field enhancement by targeted adjustment of the direction and height of the magnetic field generated by the negative or positive longitudinal flow in the second or further stage or be magnetized.
  • the invention is based on the realization that the space required for a given level of magnetization of a variably magnetizable permanent or permanent magnet magnetizing current is dependent on the previous state of magnetization of this magnet.
  • a magnetization field strength diagram BH
  • the remanence determines the coercive field strength required for demagnetization and thus magnetization reversal of the magnet and this in turn is different at different remanences, the required field strength of an external magnetic field depends on the initial state of the magnet. Consequently, on the one hand, different longitudinal currents would be required for mutually different initial magnetization or initial states of the magnet in order to achieve the same final magnetization level to be set. On the other hand, a certain longitudinal current would result in different reactions of the magnet with different initial magnetization or initial states from each other.
  • the synchronous machine has a particularly high efficiency in all operating or load ranges.
  • We are ⁇ sentliche reasons for this is that virtually no zusharmli ⁇ chen loss flows through Feldschwetzströme or negative longitudinal ⁇ and no rotor losses occur.
  • the DC or DC power consumption at the start of the internal combustion engine of a corresponding hybrid vehicle is particularly low.
  • the Syn ⁇ chronmaschine is therefore particularly advantageous also in a 14V electrical system and thereby both as a variable permanent-magnet motor and as a variable permanent-magnet generator can be used.
  • the synchronous machine according to the invention is furthermore distinguished by a high degree of robustness, especially since the AlNiCo which is preferably used for the rotor-side permanent magnets.
  • Magnetic material is resistant to corrosion and to a tempera ture of about 500 ⁇ 0 C temperature resistant. Also, neither overvoltages in the event of a fault nor unwanted irreversible demagnetizations of the permanent magnets are to be expected. Since the lauter can be fer moreover completely demagnetized in case of need, a particularly high degree of assembly and was ⁇ is given tung friendliness.
  • FIG. 2 shows a synchronous machine according to FIG. 1 with triangular flow barriers in the rotor
  • FIG 3 is a synchronous machine according to FIG 2 with Bruchloch ⁇ winding and rectangular flow barriers
  • FIG. 4 shows a block diagram of the overall structure of an electric drive with a variably permanent- magnet synchronous motor (VP motor) in a hybrid vehicle
  • FIG. 5 is a block diagram of a variable permanenterreg ⁇ th synchronous machine as a motor with a VP-Re ⁇ gel means, 6 shows in a current-time diagram the current and time ratios of short-time magnetization or demagnetization pulses,
  • FIG. 9 shows in a representation according to FIG. 8 the hysteresis curves of two partially magnetized magnetic layers of the magnetic material.
  • the 1 and 2 schematically in cross-section dargestell ⁇ te permanent-magnet synchronous machine 1 has a stator 2 in the exemplary embodiment twelve stator slots (+ U, + V, + W), in which a three-phase rotating field winding with corre sponding ⁇ assignment of the stator slots to the three winding strands U, V and W of the rotating field or stator winding is inserted.
  • a positive current means a cross in the plus-signed ladder stator slots + U, + V, + W.
  • a cross means that it flows into the picture or drawing plane. the current, while a point illustrates a flowing out of the image or Zei ⁇ chenebene stream.
  • stator winding U, V, W When supplied with a three-phase sinusoidal alternating current, the stator winding U, V, W generates a circulating in the air gap 3 between the stator 2 and a rotor 4 magnetic field or stator rotating field.
  • This stator rotating field consists of alternating magnetic north poles N and south poles S, which rotate along the air gap 3.
  • the rotary field generated by the stator 2 surrounds the current-carrying conductors of the stator windings U, V, W on the right, so that at the time considered on the machine top of the synchronous machine 1, a stator south pole S and on the machine base a stator north pole N is obtained ,
  • the stator south pole S is distributed as a half-sine wave over the machine upper side
  • the stator north pole N is distributed as a sinusoidal half-wave over the machine underside.
  • the rotor 4 is equipped with permanent or permanent magnet 6.
  • two Dau ⁇ ermagnete 6 arranged opposite each other on the rotor side are sunk in the runner material otherwise existing, for example, as a laminated core 4 ⁇ , and thus sunk into the rotor 4.
  • corresponding recesses 7 are provided in the rotor 4 or rotor material, into which the permanent magnets 6 are inserted.
  • Each having a north pole and a south pole having Treasuremag ⁇ numeral 6 are in the embodiment of rectangular shape with a ⁇ hand to the air gap 3 and on the other hand to the rotor axis 8 oriented toward the longitudinal sides.
  • the permanent magnets 6 are used to form a radial distance c to the air gap 3 in the permanent magnet rotor material 4 ⁇ .
  • the radial thickness or extent d of the permanent magnet 6 is smaller than the depth or groove depth a of the respective recess 7.
  • the radial depth a of the recesses 7 is about twice as large as the radial thickness d of the respective permanent magnet. 6
  • the recesses or grooves 7 are formed in stages to form two receiving spaces, wherein the Treasuremag ⁇ designated 6 in the air gap 3 facing away, radially inward receiving space of the respective receiving groove 7 einre.
  • the remaining in the recesses 7 permanent magnet 6 remaining receiving space 9 in the recesses 7 between the respective permanent magnet 6 and the air gap 3 is filled by a magnetic cover 10 made of non-magnetic or non-magnetic material.
  • a magnetic cover 10 made of non-magnetic or non-magnetic material.
  • VP motor variably per ⁇ manenterregter motor
  • good remagnetization of the permanent magnets 6 as magnetic material AlNiCo materials and FeCrCo alloys are particularly advantageous.
  • These magnetic ⁇ materials typically have a high remanence Iindutation at the same magnitude very low pERSonal zitivfeidStore.
  • the stator rotating field and the rotor rotating ⁇ field occur during operation of the synchronous machine 1 in mutual interaction, so that a torque is generated.
  • torque generation can be explained with respect to stator 2 such that the magnetic rotor field generates Lorentz forces due to its effect on the current-carrying conductors of winding phases U, V, W of the stator winding, which in total sum the torque on stator 2 cause. See as a result of the alternating ⁇ operation principle according to the Newton's law, "action est reac- tion" a torque acts the same height in the reverse Rich ⁇ processing on the rotor. 4
  • both permanent magnets 6 have their north pole on the right side of the figure and their south pole on the left side of the figure.
  • the runner 4 provided with the permanent magnets 6 thus generates at the time in the representations according to FIGS. 1 to 3, on the right, a north pole N and on the left a south pole S.
  • the field of the rotor north pole N acts on the right side of the synchronous machine 1 in FIG with + U designated ⁇ Neten head of the corresponding phase winding U a.
  • the force effect is accordingly a downwardly directed force on the stator winding in the direction of the arrow 5. Overall, this causes a torque on the stator 2 in a mathematically negative sense.
  • the following explanations also refer to the rotor-fixed dq coordinate system, which is indicated on the rotor axis 8 in FIGS. 1 to 3, and which rotates with the rotor 4.
  • the drawn d-axis or the longitudinal axis is always in the direction of the rotor field, ie in the direction of the rotor ⁇ North pole N.
  • the q-axis or the transverse axis is perpendicular to the d axis.
  • the illustrated three-phase St Sstromvertei ⁇ ment is therefore also referred to as a positive q-current or positive cross-current I q .
  • a positive cross current (+) I q thus generates a positive motor torque M, while a negative cross current (-) I q generates a braking regenerative torque.
  • a required torque M is to be generated by means of the transverse current I q , which is accordingly also referred to as a torque-generating current.
  • the transverse current I q which is accordingly also referred to as a torque-generating current.
  • non-magnetic or non-magnetic flow barriers 12 are inserted into the rotor 4, ie in its rotor material.
  • the use of the flow barriers 12 and the lowering of the transverse inductance thereby achieved mean that the synchronous machine is also at medium and high rotational speeds 1 sufficiently high cross currents I q can be imprinted to achieve the desired torques M.
  • the rectangular shape of the permanent magnets 6 allows - in contrast to trapezoidal spoke magnets - a uniform magnetization and demagnetization of the entire magnet volume of the permanent magnets 6 of the rotor 4.
  • fully magnetized rotor 4 are consequently magnetized all magnet regions of the permanent magnets 6 and therefore also of the rotor material. This is particularly advantageous with regard to the height of the runner field and the achievable torque M.
  • the radial or relatively deep recessed arrangement of the permanent magnets 6 in the rotor material or in the rotor 4 ensures reliable protection of the permanent magnet 6 against unwanted magnetization reversal by the armature transverse field, ie by the transverse field of the stator 2.
  • the Magnetab ⁇ covers 10, their use is essentially constructive, have virtually no influence on the electro ⁇ magnetic performance of the synchronous machine. 1
  • the flow barriers 12 are rectangular, in the embodiment of FIG 2, the flow barriers 12 are triangular. In this case, the respective ge triangular tip 13 to the air gap 3 out. Also conceivable are other variants and geometric shapes of the river barriers 12. Also, the river barriers 12 can be omitted.
  • the synchronous machine 1 is designed with a break hole winding on the stator side.
  • the stator 2 shown there has a total of fifteen stator slots ⁇ U, ⁇ V, ⁇ W and therefore 7.5 stator slots per pole.
  • the embodiment of the synchronous machine 1 with such a break hole winding is particularly advantageous when used in a hybrid vehicle or motor vehicle.
  • FIG. 4 shows in a block diagram a regulation or control structure for operating a motor, also known as VP-variable below a permanently excited synchronous machine 1 in a hybrid application.
  • the VP motor 1 is operated via a device 14 for controlling or control of a vehicle electrical system battery 15 of the vehicle with a battery voltage of, for example, 14V.
  • a battery voltage of, for example, 14V By the arrow 16 15 optionally connected further Ver ⁇ consumers are indicated to this battery.
  • the rotor 4 is preferably in accordance with the embodiments of
  • Magne ⁇ th 6 is made of AlNiCo magnet material than sogenann ⁇ ter 14V integrated starter-generator (14 V ISG) with VP-motor 1.
  • the expediently electronic control or Rege- The device 14 comprises a three-phase inverter 17, which is connected to the battery 15 via a smoothing capacitor 18 on the input or DC side. On the output side, the inverter 17 is at output or Motor terminals 19 out, to which the VP motor 1 is connected.
  • a control or regulation unit 20 is supplied by a coupled to the VP motor 1 position sensor 21 information regarding the position of the rotor 4 (rotor position) as rotor position signal ⁇ .
  • the Re ⁇ gel unit 20 receives the phase currents i ⁇ , i v, iw than corresponding actual values (FIG 5). Since the VP-motor 1 performs excluded in a star connection (Fig 1), the measurement of two phase currents from ⁇ is sufficient, because the third phase current can be calculated from the other two phase currents.
  • control unit 20 communicates in a manner not shown with a superordinate control or regulation unit of the hybrid vehicle, which is referred to below as the central vehicle control, via a field bus 22, for example via a so-called CAN bus (Controller Area Network).
  • the central vehicle control unit provides the control unit 20 with a torque setpoint value M w and the control unit 20 then provides the corresponding torque or the corresponding torque actual value M actual (FIG. 5) to the shaft (not shown) of the engine 1.
  • the ISG system shown in FIG. 4 supplies current status messages, in particular in the form of parameters, such as the current temperature of the stator windings U, V, W, to the higher-level vehicle control system via the fieldbus 22.
  • the variables entered there are to be regarded as time variables and thus as instantaneous values.
  • the control unit 20 predefines the three manipulated variables U ⁇ JS , u V s and u ws for the three stator voltages of the respective stator windings U, V and W.
  • These manipulated variables u us, u V s and u are ws direction by means of a ⁇ A 23 to the pulse width modulation (PWM) in the actual borrowed, current or instantaneous stator voltages u ⁇ , Uv or u w .
  • PWM pulse width modulation
  • this conversion takes place via a power electronic converter 24 connected downstream of the PWM device 23, also referred to below as power electronics.
  • the stator voltages u ⁇ , u v , u w are applied to the output or motor terminals 19 of the VP motor 1 , so that appropriate strand currents ig, i v and i w in the respective winding strands U, V and W set.
  • the three phase currents i ⁇ , i v and i w are 25, two phase currents using current transformer - in the execution example ⁇ the phase currents i v and i w - measured.
  • the third phase current i ⁇ is calculated by means of negative addition from the two other phase currents i v , i w .
  • the control unit 20 thus has available the phase currents i ⁇ , i v and i w as well as the rotor position angle ⁇ measured by means of the position sensor 21. As a further input quantity, the control unit 20 receives the torque setpoint M w via the fieldbus 22. A positive sign of this desired value ⁇ M w signifies motor operation, while a negative sign of this target value M w regenerative operation of the synchronous machine 1 means.
  • the central component of the control unit 20 is the feldorien ⁇ oriented control, that is a control or function block 26 to the so-called field-oriented control.
  • Field orientation means at the rotor field and thus oriented at the d-axis.
  • the field-oriented control 26 thus operates in the runner-fixed dq coordinates.
  • the position sensor 21 shows the position or angular position of the d-axis and thus the position of the rotor field on the basis of the position angle ⁇ .
  • all the electric and magnetic time quantities at a synchronous speed n rotate, during this time sizes resting relative to the dq coordinate system. The reason for this is that this dq coordinate system also rotates at synchronous speed n.
  • this dq coordinate system also rotates at synchronous speed n.
  • constant values are obtained for steady-state operation, where a steady-state constant torque M lst is equivalent to a constant cross-flow i q .
  • a positive or negative longitudinal current (+) i d or (-) i d is given for a short time.
  • a corresponding current pulse i d for the up, down or remagnetization of the permanent magnets 6 of the VP motor 1 is relatively high in magnitude, the time duration t of this pulse i d is so short that the required energy is negligible.
  • the VP motor 1 is operated essentially only with the torque-forming transverse current i q . This leads to a considerable increase in the system efficiency ⁇ degree at medium and high speeds n.
  • An evaluation device 27 determines by means of a special control algorithm ⁇ of the torque command value M w hand corresponding setpoints idw i qw and for the pulse-shaped axis current i d and the cross Ström i q.
  • the control algorithm of the evaluation device 27 takes into account in particular the actual values i d and i q of the longitudinal or transverse flow.
  • the field-oriented control 26 On the basis of a comparison of the current setpoints i dw and i q "with the associated actual values i d and i q, the field-oriented control 26 outputs desired values for the longitudinal voltage u d or the transverse voltage u q .
  • These setpoint values u ⁇ d and Rotorlagewin kels ⁇ ⁇ ws means of coordinate transformation in the manipulated variables Uus, Uvs and u of the three stator voltages u q with the aid converted.
  • the permanent magnetic rotor field ie the magnetic ⁇ field of the rotor 4 can be adjusted in its height.
  • the Ver ⁇ position of the rotor field is carried out essentially as a function of the speed n of the synchronous machine or the VP motor 1. While at comparatively low speeds n ⁇ to nl (FIG 7), the VP motor 1 operates with maximum rotor field, is with increasing speed nl, n2, n3 the rotor field by reversal magnetization of the permanent magnets 6 increasingly from ⁇ lowered.
  • the current speed n of the VP motor 1 can be determined from the change in the rotor position ⁇ .
  • the remagnetization of the permanent magnets 6 is carried out according to the illustration of FIG 7, preferably in discrete stages.
  • 7 shows the magnetization level of the rotor 4 shows ⁇ n as a function of speed.
  • the quantity indicated on the ordinate (y-axis) magnetization level ⁇ au ⁇ is ßer Halb certain speed ranges .DELTA.n lowered stepwise or raised.
  • the magnetization level ⁇ o indicates the fully magnetized state of magnetization of the permanent magnets 6 and thus of the permanent magnetic rotor 4.
  • the magnetization levels .psi.i, ⁇ 2 ⁇ 3 indicate increasingly redu at ⁇ ed states of magnetization of the permanent magnets.
  • the Um ⁇ magnetization between these magnetization states or levels is effected by the short-term, pulse-like longitudinal currents i d in the existing three-phase stator winding U, V, W.
  • These winding-specific Ummagnetleitersströme or longitudinal currents i d differ in their spatial phase position - and thus in their phase relative to the detected by the position sensor 21 angular position ⁇ of the rotor 4 - of the torque-forming cross currents i q in the stator windings U, V, W of the stator.
  • the VP motor 1 thus operates at comparatively low rotational speeds n in the range between n ⁇ and nl (n ⁇ ⁇ n ⁇ nl) with fully magnetized permanent magnet 6.
  • middle rotational speed ranges between n1 and n2 or between n2 and n3 (nl ⁇ n ⁇ n3) and at relatively high speeds in excess of n3 (n> n3) of the ar- VP-1 beitet motor with a comparatively low Magneti ⁇ s istsmillion of the permanent magnets. 6
  • the mode of action of the reset function for compensating for the reminder effect can be illustrated with reference to the BH diagrams shown in FIGS. 8 and 9 with the hysteresis curves of the AlNiCo magnetic material of the permanent magnets 6 shown therein in detail.
  • the numerals (1) and (1 *) in FIG 8 are different starting states of magnetization or indicated levels of such a magnetic material is ⁇ .
  • Their retentivity or Remanzindutation is along the magnetic induction B indicating ordinate (y-axis) as well ⁇ magnitude and in terms of the sub direction different.
  • the same longitudinal current i d would lead to different magnetization states of the permanent magnets 6.
  • the control unit 20 in order to avoid this the, in the first stage by means of the control unit 20 to the next ⁇ a pulse-like direct-axis current i d - m a x set, leading to a fully magnetized state of the permanent magnets. 6
  • the magnetization state indicated by the numeral (2) in the first stage, regardless of the initial state (1) and (1 * ), the magnetization state indicated by the numeral (2) always sets in.
  • this reset function leads also to the fact that single or in different magnetization states radial magnetic layers of the permanent magnets 6 by the initiated during the first stage magnetization or longitudinal current i d - m a x all the magnetic layers of the permanent magnet 6 are converted into an at least approximately the same fully magnetized magnetization state.
  • the initial and final magnetization states under ⁇ different radial magnetic layers are in turn indicated by the numerals (1) and (2).
  • all the magnetic layers reach the permanent magnets 6 independently of the output state (1) or (2) along the longitudinal Hystereseverlaufes when the current i d - m a x on the corresponding Hystereseline the state of complete magnetization. If the initiated during the first stage axis current i d - m a x after the In ⁇ pulse duration off t, so reach the different magnetic layer in the second quadrant of the BH diagram of Figure 9 again by the numerals (1) and (2) indicated

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Abstract

In a permanently excited synchronous machine (1) with a stator (2) which surrounds a rotor (4), which has permanent-magnet rotor material, so as to form an air gap (3), a number of permanent magnets (6) which can be magnetized and demagnetized by means of a field-forming longitudinal current (id) are arranged in a recessed fashion in the rotor (4) or in the rotor material (4'). During operation of the synchronous machine (1), the longitudinal current (id) is impressed on the stator winding in at least two stages in order to set the magnetization state of the rotor-end permanent magnets (6), with the permanent magnets (6) being at least approximately fully magnetized in a first stage, and with the permanent magnets (6) being demagnetized or unmagnetized in a second stage.

Description

Beschreibungdescription
Permanenterregte Synchronmaschine sowie Verfahren und Vor- richtung zu deren BetriebPermanent-magnet synchronous machine and method and device for its operation
Die Erfindung bezieht sich auf eine permanenterregte Syn¬ chronmaschine mit einem eine Ständerwicklung zur Erzeugung eines Drehfeldes aufweisenden Ständer, der unter Bildung ei- nes Luftspaltes einen ein dauermagnetisches Läufermaterial aufweisenden Läufer umgibt. Sie bezieht sich weiter auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben einer variabel permanenterregten Synchronmaschine, insbesondere in einem Hybrid-Fahrzeug.The invention relates to a permanent-magnet Syn ¬ chronmaschine with a stator winding to produce a rotating field having stator which surrounds a rotor, a permanent magnetic material having rotor forming an air gap. It further relates to a method and an apparatus for operating a variably permanent-magnet synchronous machine, in particular in a hybrid vehicle.
Bei einer derartigen Synchronmaschine mit einer ständerseiti- gen, üblicherweise dreisträngigen und mit einem dreiphasigen sinusförmigen Wechselstrom betriebenen Ständer- oder Drehfeldwicklung tritt im Luftspalt zwischen dem Ständer und dem permanenterregten Läufer ein umlaufendes magnetisches Feld oder Ständerdrehfeld auf. Dieses ständerseitige Drehfeld be¬ steht aus einander abwechselnden magnetischen Nord- und Südpolen, die entlang des Luftspaltes rotieren. Die Gesamtzahl aller Nord- und Südpole gibt dabei die so genannte Polzahl (2p) oder Polpaarzahl (p) an. Durch die Wechselwirkung zwischen dem Ständerdrehfeld und einem vom permanenterregten Läufer erzeugten Läuferdrehfeld oder Erregerfeld entsteht das Drehmoment der Synchronmaschine.In such a synchronous machine with a stator-side, usually three-stranded and operated with a three-phase sinusoidal AC stator or rotating field winding occurs in the air gap between the stator and the permanent-magnet rotor a rotating magnetic field or stator rotating field. This stand-side rotating field be ¬ is of alternating magnetic north and south poles, which rotate along the air gap. The total number of all north and south poles indicates the so-called pole number (2p) or pole pair number (p). Due to the interaction between the stator rotating field and a rotor rotating field or exciting field generated by the permanent-magnet rotor, the torque of the synchronous machine is created.
Die permanenterregte Synchronmaschine wird, beispielsweise in Verbindung mit einem Frequenzumrichter und einer Pulsweitenmodulation, geregelt mit variabler Drehzahl betrieben. Im stationären Betrieb rotiert die Synchronmaschine mit synchro¬ ner Drehzahl, indem sich der Läufer mit einer der Drehzahl des Ständerdrehfeldes entsprechenden Drehzahl dreht. DieseThe permanent-magnet synchronous machine is operated at variable speed, for example in conjunction with a frequency converter and a pulse width modulation. In stationary operation, the synchronous machine rotates with synchro ¬ ner speed by the rotor rotating at a speed of rotating field of the stator corresponding speed. These
Drehzahl wird durch die Frequenz der angelegten Ständerspannungen und damit der Ständerströme vorgegeben, wobei die Drehzahl und die Ständerfrequenz über die Polpaarzahl direkt proportional miteinander verknüpft sind.Speed is determined by the frequency of the applied stator voltages and thus the stator currents, the Speed and the stator frequency are linked directly proportional to each other via the number of pole pairs.
Infolge der Wechselwirkung zwischen dem Ständerdrehfeld und dem Läuferdrehfeld wird in den Wicklungssträngen der Ständerwicklung eine Spannung induziert, die proportional zur Fre¬ quenz der Ständerspannung und zur Flussverkettung im Luftspalt ist. Diese wiederum resultiert aus einer Überlagerung der Ständerflussverkettung und der Läuferflussverkettung. Bei hohen Drehzahlen und damit hohen Ständerfrequenzen muss diese resultierende Flussverkettung entsprechend klein sein, damit die maximal zulässige induzierte Spannung nicht überschritten wird. Bei hohen Drehzahlen befindet sich die Synchronmaschine demzufolge im so genannten Feldschwächbereich.As a result of the interaction between the stator and the rotor rotating field induces a voltage in the winding phases of the stator winding, which is proportional to the stator voltage Fre acid sequence and is capable of flux linkage in the air gap. This in turn results from a superposition of the stator flux linkage and the rotor flux linkage. At high speeds and thus high stator frequencies, this resulting flux linkage must be correspondingly small so that the maximum permissible induced voltage is not exceeded. At high speeds, the synchronous machine is therefore in the so-called field weakening range.
Bei einer permanenterregten Synchronmaschine mit Selten-Erd- oder Ferrit-Magneten als lauferseitigem Magnetmaterial ist die Läuferflussverkettung betriebspunktunabhängig annähernd konstant, da die Permanent- oder Dauermagnete näherungsweise ein stets gleich hohes Feld erzeugen. Um bei hohen Drehzahlen die gewünschte Feldschwächung zu erreichen, muss ständersei- tig ein entsprechendes Gegenfeld vorgegeben werden. Dies wie¬ derum kann durch Kompensation oder Schwächung des Erregerfeldes erreicht werden, indem den Ständerwicklungen ein entspre- chender feldschwächender Strom aufgeprägt wird.In a permanent-magnet synchronous machine with rare-earth or ferrite magnets as the rotor-side magnetic material, the rotor flux linkage is virtually constant regardless of operating point, since the permanent magnets or permanent magnets produce an approximately always high field. In order to achieve the desired field weakening at high speeds, a corresponding opposing field must be specified on the stand side. This as ¬ derum can be achieved by compensating or weakening of the exciter field by the stator windings is impressed A corresponding field-weakening current.
Aus der DE 33 34 149 Al ist es bekannt, bei einer Synchronma¬ schine mit mittels AlNiCo-Magneten permanenterregtem Läufer der Ständerwicklung über einen Umrichter kurzzeitig einen Strom - den so genannten (negativen) Längsstrom - zuzuführen. Die dadurch in der Längsrichtung - und damit entlang der Maschinelängsachse - hervorgerufene Durchflutung bewirkt eine irreversible Änderung des Magnetisierungszustandes der läu- ferseitigen Dauermagnete. Durch Aufprägung kurzzeitiger Stromimpulse können die Dauermagnete des Läufers ab- bzw. aufmagnetisiert werden. Ein entmagnetisierender Längsstrom führt dabei zu einem relativ schwachen Erregerfeld der Synchronmaschine, so dass diese auch mit hohen Drehzahlen ver- gleichsweise verlustarm und sicher betrieben werden kann. Zu kleineren Drehzahlen hin wird dementsprechend ein aufmagneti- sierender Längsstrom erzeugt, der das Erregerfeld entspre¬ chend stärkt, so dass bei niedrigen Drehzahlen ein möglichst großes Drehmoment erzeugt wird.From DE 33 34 149 Al it is known, in a Synchronma ¬ machine with permanently energized by AlNiCo magnets rotor of the stator winding via a converter for a short time a current - the so-called (negative) longitudinal flow - supply. The resulting in the longitudinal direction - and thus along the machine longitudinal axis - caused flooding an irreversible change in the magnetization state of the rotor-side permanent magnets. By impressing short-term current pulses, the permanent magnets of the rotor can be magnetized or magnetized. A demagnetizing longitudinal current leads to a relatively weak field of excitation of the synchronous machine, so that these also operate at high speeds. can be operated with low losses and safe. At lower speeds, a longitudinal aufmagneti- sierender current is generated accordingly, of the exciter field entspre ¬ is accordingly strengthened so as to produce, at low speeds a large torque as possible.
Zwar sind bei der bekannten Anordnung bereits aus einem Werkstoff vergleichsweise kleiner Koerzitivfeidstärke bestehende Teilmagnete, insbesondere AlNiCo-Magnete, vorgesehen. Dennoch hat sich herausgestellt, dass mit dieser bekannten Anordnung zumindest im Feldschwächbereich unerwünschte Störeffekte, wie insbesondere unkalkulierbare Pendeldrehmomente oder Geräusch¬ anregungen auftreten können.Although in the known arrangement already consisting of a material of relatively small Koerzitivfeidstärke part magnets, in particular AlNiCo magnets, provided. Nevertheless, it has been found that with this known arrangement, at least in the field weakening range, undesired interference effects, such as, in particular, incalculable oscillating torques or noise ¬ stimulations can occur.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine permanenter¬ regte Synchronmaschine anzugeben, deren Permanentmagnetfeld unter Vermeidung der genannten Nachteile variierbar ist . Des Weiteren sollen ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben, insbesondere zur Steuerung oder Regelung, einer variabel permanenterregten Synchronmaschine angegeben werden.The invention has for its object to provide a permanent ¬ excited synchronous machine whose permanent magnetic field is variable while avoiding the disadvantages mentioned. Furthermore, a method and an apparatus for operating, in particular for the control or regulation, of a variably permanent-magnet synchronous machine are to be specified.
Bezüglich der permanenterregten Synchronmaschine wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des An¬ spruchs 1. Hierzu sind die Dauermagneten im Läufer oder Läu- fermaterial versenkt angeordnet.With respect to the permanent magnet synchronous machine, this object is achieved by the features of at ¬ entitlement 1. For this purpose, the permanent magnets are buried in the rotor or fermaterial lauter arranged.
Bezüglich des Verfahrens und der Vorrichtung zum Betreiben einer solchen, nachfolgend auch als variabel permanenterreg¬ ter Motor oder VP-Motor bezeichneten Synchronmaschine wird die genannte Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkma¬ le der Ansprüche 22 bzw. 25.With respect to the method and apparatus for operating such, synchronous machine, hereinafter also referred to as variable permanenterreg ¬ ter motor or VP-motor is the aforementioned object according to the invention achieved by the Merkma ¬ le of claims 22 and 25 respectively.
Vorteilhafte Varianten, Ausgestaltungen und/oder Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.Advantageous variants, embodiments and / or developments are the subject of the respective subclaims.
Der Erfindung liegt dabei einerseits die Überlegung zugrunde, dass das lauferseitige Permanentmagnetfeld besonders zuver¬ lässig variiert werden kann, wenn eine unerwünschte Beein- flussung des Magnetisierungszustands des lauferseitigen Mag¬ netmaterials durch das Ständer- oder Ankerdrehfeld vermieden wird oder zumindest möglichst gering ist.The invention is based on the one hand based on the consideration that the instantaneous water-side permanent magnetic field particularly reli ¬ can be varied transparent when an undesirable affect Fluxing of the magnetization state of the rotor side Mag ¬ netmaterials is avoided by the stator or rotor rotating field or at least as low as possible.
Diesbezüglich geht die Erfindung von der Erkenntnis aus, dass einerseits - bezogen auf ein läuferfestes Koordinatensystem, das so genannte d-q-Koordinatensystem - lediglich der in Magnetisierungsrichtung des Läufers, d.h. in Richtung der Längsachse oder d-Achse orientierte Längsstrom als feldstärkender oder feldschwächender - bzw. allgemein als feldbildender - Strom wirksam ist. Demgegenüber stellt der in Richtung der hierzu senkrechten Querachse bzw. q-Achse orientierte Quer¬ strom den drehmomentbildenden Strom dar. Sowohl der zur Feldschwächung führende negative Längsstrom als auch der zu einer Feldverstärkung führende positive Längsstrom beeinflusst da¬ bei die Luftspaltinduktion, nicht jedoch das Drehmoment. Umgekehrt beeinflusst der Querstrom das Drehmoment, nicht aber das Erregerfeld.In this regard, the invention is based on the recognition that, on the one hand, based on a rotor-fixed coordinate system, the so-called dq coordinate system, only the longitudinal current oriented in the direction of magnetization of the rotor, ie in the direction of the longitudinal axis or the d-axis, as field strengthening or field weakening or. generally as field-forming - current is effective. However, any of the torque-forming current in the direction of the perpendicular to this cross-axis or q-axis oriented transverse ¬ stream. Both the leading to the field weakening negative longitudinal current and the leading to a field enhancement positive longitudinal current influences as ¬ at the air gap induction, but not the torque , Conversely, the cross flow affects the torque, but not the excitation field.
Andererseits erzeugt die Ständerwicklung stets ein räumlich sinusförmiges, magnetisches Feld im Luftspalt mit der Folge, dass auch ein vom Querstrom erzeugtes Luftspaltfeld den Mag¬ netzustand des Läufers und insbesondere dort eingesetzte, zur Ummagnetisierung vorgesehene Dauermagnete beeinflusst. Dieser unerwünschte Effekt wird zudem insoweit negativ beeinflusst oder verstärkt, als die zur möglichst leistungs- oder ener¬ giearmen Ummagnetisierung eingesetzten Magnetwerkstoffe, wie insbesondere AlNiCo oder FeCrCo, zusätzlich zu einer ver¬ gleichsweise hohen Remanenz eine ebenfalls vergleichsweise kleine Koerzitivfeidstärke aufweisen. Daher erfolgt bereits bei einer relativ geringen querstrombedingten Feldstärke oder Feldstärkeänderung eine ungewollte und unerwünschte sowie insbesondere nicht oder nur unzureichend kontrollierbare Be¬ einflussung bzw. Änderung des Magnetisierungszustandes der läuferseitig eingesetzten Magnete.On the other hand, the stator winding is always generates a spatially sinusoidal magnetic field in the air gap, with the result that a light generated by cross-flow air gap field the Mag ¬ netzustand of the rotor and used particularly in areas affected for remagnetization provided permanent magnets. This undesirable effect is also adversely affected the extent or enhanced magnetic materials used as the giearmen the possible benefit or ener ¬ magnetic reversal, as particularly AlNiCo or FeCrCo, in addition to a ver high remanence ¬ same manner also have a relatively small coercive field strength. Therefore, already at a relatively low cross-flow induced field strength or change in field strength as well as an unwanted and undesired particular not or only insufficiently controllable Be ¬ takes place influencing or changing the state of magnetization of the magnets on the rotor side used.
Betroffen von dieser unerwünschten Beeinflussung durch den Querstrom sind erkanntermaßen im Wesentlichen die äußeren, dem Luftspalt zugewandten und damit dem Ständer nächstgelege¬ nen Regionen der lauferseitigen Permanentmagnete oder -pole. Deshalb würden sich bis zum Luftspalt hin erstreckende Dauer¬ magnete zu einer ungewollten querstrombedingten Feldschwä- chung führen.Affected by this undesirable influence by the cross flow are recognized to be essentially the outer, the air gap facing and thus the stator next to him ge ¬ nen regions of the rotor-side permanent magnets or poles. Therefore would be up to the air gap extending permanent magnets ¬ lead to an unwanted cross-flow related field weakening.
Zudem zeigen Untersuchungen, dass einerseits die bei einer Speichengeometrie mit trapezförmigen Dauermagneten zwangsläu¬ fig vergleichsweise schmalen inneren Magnetbereiche leichter abmagnetisiert werden können als die bei dieser Geometrie dann vergleichsweise breiten äußeren Magnetbereiche der läu- ferseitigen Dauermagnete. Dabei sind bereits relativ kleine Längsströme für eine Beeinflussung der radial innen liegenden Magnetbereiche ausreichend. Andererseits können bei maximalem Läuferfeld nur die radial außen liegenden Magnetbereiche voll aufmagnetisiert werden, während die innen liegenden Magnetbe¬ reiche dann nur teilmagnetisiert sind. Dies würde aufgrund der dadurch bedingten uneffektiven Nutzung des Magnetmaterials zu einem entsprechend verringerten Drehmoment der Syn- chronmaschine führen. Da gerade die vergleichsweise gut auf- magnetisierbaren äußeren Magnetbereiche aufgrund deren Nähe zum Luftspalt einem vom Querstrom erzeugten Ständer- oder Ankerquerfeld empfindlich stark ausgesetzt sind, ist eine unge¬ wollte querstrombedingte Feldschwächung oder Abmagnetisierung der Dauermagnete praktisch unvermeidbar.Furthermore, studies show that on the one hand fig comparatively narrow at a spoke geometry with trapezoidal permanent magnets inevitably ¬ inner magnetic regions are more easily demagnetized than the then comparatively wide in this geometry outer magnetic regions of the lauter ferseitigen permanent magnets. In this case, relatively small longitudinal currents are already sufficient for influencing the radially inner magnetic regions. On the other hand, only the radially outer magnetic regions can be fully magnetized at maximum rotor field, while the inner Magnetbe ¬ rich then only partially magnetized. This would lead to a correspondingly reduced torque of the synchronous machine due to the resulting ineffective use of the magnetic material. Since it is the relatively well up magnetizable outer magnetic areas are sensitive heavily exposed to the air gap generated by a cross-flow stator or armature transverse field due to the vicinity thereof, is a unge ¬ wanted crossflow conditional field weakening or demagnetization of the permanent magnets practically unavoidable.
Dieser unerwünschte Effekt einer ungewollten Abmagnetisierung der Dauermagnete durch das Ankerquerfeld kann durch eine geo¬ metrische Ausgestaltung oder Anordnung der Dauermagnete ver- mieden werden, bei der zwar die erkanntermaßen leichte Abmagnetisierung genutzt, gleichzeitig aber die Beeinflussung durch das Ankerquerfeld möglichst gering gehalten wird. Hier¬ zu besonders geeignet ist eine bei bestimmter oder vorgegebe¬ ner radialer Dicke des Läufermaterials in Radialrichtung mög- liehst tief im Läufer oder Rotor der Synchronmaschine ver¬ senkte Anordnung der Dauermagnete. Unter versenkter Anordnung der Dauermagneten im Läufer bzw. im Läufermaterial wird hierbei verstanden, dass - in Radialrichtung des Läufers betrach- tet - einerseits die radiale Ausdehnung oder Abmessung der Dauermagnete kleiner ist als die radiale Materialdicke bzw. Abmessung des Läufers, der ansonsten weich- oder ferromagne- tisch, beispielsweise mit blechpaket- oder dynamoblechartigen Jochen ausgeführt ist. Andererseits liegen die Dauermagneten mit zum Luftspalt hin beabstandeter Oberseite oder Oberfläche im Läufermaterial ein.This unwanted effect of an unwanted demagnetization of the permanent magnets by the armature transverse field can be avoided by a geo ¬ metric design or arrangement of the permanent magnets, in which although the known slight demagnetization used, but at the same time the influence of the armature transverse field is kept as low as possible. Here ¬ be particularly suitable is a ner at certain or pre give ¬ radial thickness of the rotor material in radial direction possible liehst deep in the rotor or rotor of the synchronous machine ver ¬ lowered arrangement of the permanent magnets. Under sunk arrangement of the permanent magnet in the rotor or in the rotor material is understood here that - in the radial direction of the rotor consider- tet - on the one hand, the radial extent or dimension of the permanent magnets is smaller than the radial material thickness or dimension of the rotor, which is otherwise soft or ferromagnetic, for example, with Blechchpaket- or dynamo sheet-like yokes. On the other hand, the permanent magnets are located with the air gap in the spaced-apart top or surface in the rotor material.
Sind dabei die im Läufermaterial versenkten Dauermagnete quadratisch oder bevorzugt rechteckförmig ausgebildet, so wird eine besonders gleichmäßige Auf- und Abmagnetisierung des gesamten läuferseitigen Magnetvolumens oder -materials ermöglicht. Dabei ist zudem erkanntermaßen auch eine besonders gleichmäßige Magnetisierung aller radialen Magnetlagen der Dauermagnete festzustellen. Die rechteckförmigen Dauermagnete liegen bevorzugt mit zur Läuferachse und zum Luft¬ spalt weisenden Längsseiten im Läufermaterial versenkt ein.If the permanent magnets sunk in the rotor material are square or preferably rectangular in shape, a particularly uniform magnetization and demagnetization of the entire rotor-side magnet volume or material is made possible. It is also recognized that a particularly uniform magnetization of all radial magnetic layers of the permanent magnets is observed. The rectangular permanent magnets are preferably recessed with the rotor axis and the air ¬ gap-facing longitudinal sides in the rotor material.
Hierzu sind im Läufer bzw. im Läufermaterial entsprechende Ausnehmungen zur Aufnahme der jeweiligen Dauermagnete vorge¬ sehen, d. h. insbesondere in die Läuferjoche eingebracht. Da die radiale Ausdehnung dieser zum Luftspalt hin offenen Ausnehmungen größer ist als die radiale Dicke der Dauermagnete und diese gegen den Boden oder Grund der jeweiligen Ausneh- mung geführt sind, verbleibt zwischen der Magnetoberfläche bzw. -Oberseite und dem Luftspalt ein dauermagnetfreier Raum. Die Ausnehmungen sind dabei zweckmäßigerweise unter Bildung zweier in Umfangsrichtung unterschiedlich breiter Räume stufig ausgeführt.For this purpose, in the rotor or in the rotor material corresponding recesses for receiving the respective permanent magnets see pre ¬, that is incorporated in particular in the Läuferjoche. Since the radial extent of these recesses open towards the air gap is greater than the radial thickness of the permanent magnets and these are guided against the bottom or bottom of the respective recesses, a permanent magnet-free space remains between the magnet surface or upper side and the air gap. The recesses are expediently carried out in stages to form two circumferentially differently wide spaces.
Bei in den radial innen liegenden, vergleichsweise breiten Raum der Ausnehmung eingesetztem Dauermagnet kann in den radial außen liegenden, vergleichsweise schmalen Raum dieser Ausnehmung eine kappen- oder stopfenartige Abdeckung aus nichtmagnetischem Material eingesetzt werden. Dadurch sind die Ausnehmungen mittels entsprechender Magnetabdeckungen verschlossen. Die insbesondere aus konstruktiven und bei ho¬ hen Drehzahlen aus geräuschtechnischen Gründen vorteilhaften Magnetabdeckungen haben praktisch keinen Einfluss auf das e- lektromagnetische Betriebsverhalten der Synchronmaschine.When in the radially inner, comparatively wide space of the recess inserted permanent magnet can be used in the radially outer, relatively narrow space of this recess a cap or plug-like cover made of non-magnetic material. As a result, the recesses are closed by means of appropriate magnetic covers. The advantageous in particular from constructive and ho ¬ hen speeds from noise engineering reasons Magnetic covers have practically no influence on the electromagnetic behavior of the synchronous machine.
Die entlang des Läuferumfangs vorgesehenen Dauermagnete wei- sen hinsichtlich des Materials zweckmäßigerweise eine mög¬ lichst geringe Koerzitivfeidstärke bei gleichzeitig möglichst hoher Remanenz auf. Durch diese Geometrie-Material- Kombination ermöglichen die in Umfangsrichtung magnetisierten Dauermagnete ein Austreten des Läuferfeldes stets in gleicher Weise blockartig aus dem Läufer. Bevorzugte Magnetmaterialien sind AlNiCo oder FeCrCo.The provided along the circumference of the rotor permanent magnets WEI sen in terms of material expediently A possible ¬ lichst low coercive field strength on at the same time as high as possible remanence. Due to this combination of geometry and material, the permanent magnets magnetized in the circumferential direction always enable the rotor field to exit the rotor block in the same way. Preferred magnetic materials are AlNiCo or FeCrCo.
In einer zweckmäßigen Weiterbildung sind im Läufer so genannte Flusssperren vorgesehen. Die Flusssperren dienen zur Ab- Senkung einer Querinduktivität, um die für ein hinreichend hohes Drehmoment notwendigen Querströme über den gesamten Drehzahlbereich in die Ständerwicklung einprägen zu können. Die Anzahl der zweckmäßigerweise gleichmäßig am Umfang des Läufers verteilt angeordneten Flusssperren entspricht der An- zahl der Dauermagnete, wobei beidseitig jedes Dauermagneten jeweils eine Flusssperre vorgesehen ist. Die Form der Fluss¬ sperren kann rechteckig sein. Im Hinblick auf eine Erhöhung des Luftspaltfeldes sind jedoch dreieckförmige Flusssperren vorteilhaft. Dabei sind die Flusssperren mit deren Dreiecks- spitze zum Luftspalt hin gerichtet und an diesen zweckmäßi¬ gerweise direkt angrenzend in den Läufer oder in das Läufer¬ material bzw. in die Läuferjoche eingesetzt.In an expedient development so-called river barriers are provided in the runners. The flow barriers serve to reduce a transverse inductance in order to be able to impress the transverse currents necessary for a sufficiently high torque over the entire speed range into the stator winding. The number of flow barriers expediently distributed uniformly around the circumference of the rotor corresponds to the number of permanent magnets, with each respective permanent magnet being provided with a flow barrier on both sides. The shape of the flow barriers can be rectangular. In view of an increase in the air gap field, however, triangular flow barriers are advantageous. Here, the flux barriers with their triangular tip are directed towards the air gap and used in these zweckmäßi ¬ gerweise directly adjacent in the rotor or in the rotor ¬ material or in the Läuferjoche.
Gemäß einer bevorzugten Variante der variabel permanenterreg- ten Synchronmaschine ist deren Ständerwicklung als so genannte Bruchlochwicklung ausgeführt. Eine solche Bruchlochwicklung hat im Gegensatz zu einer Ganzlochwicklung mit ganzer Lochzahl eine gebrochene Lochzahl. Unter der Lochzahl wird die Anzahl der Ständernuten je Pol und Wicklungsstrang ver- standen. Eine zweipolige Synchronmaschine mit dreisträngiger Ständerwicklung kann z. B. zwölf (12) Ständernuten und demnach pro Pol zwei (2) Ständernuten je Wicklungsstrang aufweisen. Die Lochzahl hätte in diesem Fall den Wert zwei (2), was einer Ganzlochwicklung entspricht. Bei einer Bruchlochwicklung hat demgegenüber die Lochzahl einen gebrochenen Wert von beispielsweise zweieinhalb (2,5), wenn der Ständer insgesamt fünfzehn Ständernuten und demnach siebeneinhalb (7,5) Stän- dernuten pro Pol aufweist.According to a preferred variant of the variable-permanent-magnet synchronous machine whose stator winding is designed as a so-called Bruchlochwicklung. Such a broken hole winding has, in contrast to a Ganzlochwicklung with a full number of holes a broken number of holes. The number of holes is the number of stator slots per pole and phase winding. A two-pole synchronous machine with three-phase stator winding can, for. B. have twelve (12) stator slots and therefore per pole two (2) stator slots per winding strand. The number of holes in this case would have the value two (2), which corresponds to a Ganzlochwicklung. In the case of a broken hole winding, on the other hand, the number of holes has a fractional value of, for example, two and a half (2.5) when the stator has a total of fifteen stator slots and therefore seven and a half (7.5) stator slots per pole.
Die Verwendung bzw. der Einsatz einer Bruchlochwicklung führt zu einer maßgeblichen Reduzierung so genannter Rastmomente, was insbesondere bei einem variabel permanent erregten Motor bei dessen Einsatz in einem Hybrid-Fahrzeug besonders vor¬ teilhaft ist. Derartige (stromlose) Rast- oder Nutrastmomente können zu unerwünscht hohen Drehmomentschwankungen und zu entsprechenden Drehzahlschwankungen führen, wenn sich der Läufer im Betrieb praktisch auf die Ständerzähne ausrichtet.The use or the use of a fractional-slot winding leads so-called cogging torques to a significant reduction, in part by way especially in a variable permanent-magnet motor with its use in a hybrid vehicle, especially before ¬. Such (dead) latching or Nutrastmomente can lead to undesirably high torque fluctuations and corresponding speed fluctuations when the runner practically aligns in operation on the stator teeth.
Grund hierfür ist, dass insbesondere bei einem mit Speichen¬ magneten ausgeführten dauermagnetischen Läufer die magnetische Permeabilität entlang des Läufer- oder Luftspaltumfangs starke Schwankungen zeigt, indem ferromagnetische Eisenberei- che sehr hoher Permeabilität mit Magnet- und/oder Flusssper¬ renbereichen sehr niedriger Permeabilität wechseln. Dieser bei einer Ganzlochwicklung auftretende Effekt ist bei einer Bruchlochwicklung erheblich reduziert.The reason is that, particularly when a magnet with spokes ¬ executed permanent magnet rotor, the magnetic permeability along the rotor or air gap periphery strong fluctuations shows by ferromagnetic Eisenberei- che very high permeability to magnetic and / or Flusssper ¬ very renbereichen low permeability change. This occurring in a Ganzlochwicklung effect is significantly reduced at a Bruchlochwicklung.
Die variabel permanenterregte Synchronmaschine wird vorzugs¬ weise mittels der so genannten feldorientierten Regelung betrieben. Diese Art der Regelung ist am Läuferfeld und damit in Bezug auf die läuferfesten d-q-Koordianten an der d-Achse orientiert. Die feldorientierte Regelung steuert die bereits magnetisierte Synchronmaschine zunächst allein anhand einer drehmomentbildenden Stromkomponente, d. h. mittels des Quer¬ stroms nach dessen Betrag und Vorzeichen. Dazu werden den Wicklungssträngen der Ständerwicklung nach Maßgabe eines Soll-Betriebsparameters, insbesondere eines Drehmoment- Sollwertes, Stellgrößen für die Strangspannungen zur Erzeugung des entsprechenden Drehfeldes vorgegeben. Ist aufgrund der aktuellen Drehzahl des Läufers und damit der Synchronmaschine eine Änderung des Magnetisierungszustandes der Dauermagnete oder des Grades der Magnetisierung des Läu¬ fers bzw. des Läufermaterials beispielsweise im Hinblick auf eine Feldschwächung notwendig, so wird der Ständerwicklung zusätzlich zum drehmomentbildenden Querstrom ein feldbildender impulsförmiger Längsstrom zur Magnetisierung der Dauermagnete zweistufig aufgeprägt.The variable permanent-magnet synchronous machine is operated ¬ preference by means of the so-called field-oriented control. This type of control is oriented on the rotor field and thus with respect to the rotor-fixed dq-coordinates on the d-axis. Field-oriented control controls the already magnetized synchronous machine initially solely on the basis of a torque-forming current component, ie by means of the cross ¬ stream according to its magnitude and sign. For this purpose, the winding phases of the stator winding are specified in accordance with a desired operating parameter, in particular a desired torque value, manipulated variables for the phase voltages for generating the corresponding rotary field. Is due to the current speed of the rotor and of the synchronous machine changing the state of magnetization of the permanent magnets or the degree of magnetization of the Läu ¬ fers or the rotor material necessary, for example with respect to a field weakening, the stator winding is in addition to the torque-forming cross-flow a field forming pulse-shaped longitudinal current imprinted in two stages to magnetize the permanent magnets.
Dabei wird in einer ersten Stufe der Längsstrom zunächst derart eingestellt, dass die Dauermagnete zumindest annähernd vollständig aufmagnetisiert werden. Erst in einer zweiten Stufe erfolgt dann die gezielte Ab- oder Ummagnetisierung der Dauermagnete. Unter Ummagnetisierung wird hierbei nur das auf- oder abmagnetisieren, nicht aber eine Umpolung der Dauermagnete verstanden.In this case, in a first stage, the longitudinal flow is initially adjusted such that the permanent magnets are at least approximately completely magnetized. Only in a second stage is then the targeted Ab- or magnetic reversal of the permanent magnets. Under re-magnetization here is only the up or demagnetize, but not understood a polarity reversal of the permanent magnets.
Im Hinblick auf die für einen möglichst optimierten Betrieb der Synchronmaschine nachzubildende Feldschwächung hängt das von den Dauermagneten zu erzeugende Magnetfeld im einfachsten Fall lediglich von der Drehzahl des Läufers ab, wobei mit zu¬ nehmender Drehzahl das erforderliche Magnetisierungsniveau abnimmt. Mittels der feldorientierten Regelung wird somit be¬ zogen auf ein läuferfestes d-q-Koordinatensystem zusätzlich zum drehmomentbildenden Querstrom der für eine bedarfsweise Feldschwächung erforderliche Längsstrom in Abhängigkeit von der aktuellen Drehzahl des Läufers zur Einstellung des entsprechenden Magnetisierungsniveaus der Dauermagnete gesteu¬ ert. Hierzu werden die in der ersten Stufe zunächst voll auf- magnetisierten Dauermagnete sowohl bei steigender oder zunehmender Drehzahl als auch bei fallender bzw. abnehmender Drehzahl entsprechend abmagnetisiert .In view of the possible be simulated for an optimized operation of the synchronous machine field weakening the generating of the permanent magnet to the magnetic field depends in the simplest case only by the speed of the rotor from, and with too ¬ participating speed decreases the required level of magnetization. By means of the field-oriented control is thus ¬ attracted to a rotor-fixed dq coordinate system in addition to the torque-forming cross-current required for a field weakening as required longitudinal flow depending on the current speed of the rotor for adjusting the corresponding magnetization levels of the permanent magnets gesteu ¬ ert In the first stage, fully magnetized permanent magnets are demagnetized correspondingly both with rising or increasing speed and with decreasing or decreasing speed.
Somit kann durch die zwei- oder mehrstufige Aufprägung kurz- zeitiger Stromimpulse in der Ständerwicklung der Magnetisierungszustand der Dauermagnete des Läufers gezielt, d.h. ver¬ gleichsweise genau und insbesondere reproduzierbar einge¬ stellt werden. Dabei können die Dauermagnete je nach Bedarf einer Feldschwächung oder Feldverstärkung durch gezielte Einstellung der Richtung und Höhe des vom negativen oder positiven Längsstrom in der zweiten oder weiteren Stufe erzeugten Magnetfeldes ab- bzw. aufmagnetisiert werden.Thus, the magnetization state of the permanent magnets of the rotor can be targeted, ie ver ¬ comparatively precise and in particular reproducible ¬ sets by the two- or multi-stage imprint of short-term current pulses in the stator winding. The permanent magnets can be used as needed a field weakening or field enhancement by targeted adjustment of the direction and height of the magnetic field generated by the negative or positive longitudinal flow in the second or further stage or be magnetized.
Bezüglich dieses Aspektes des mindestens zweistufigen Ummag- netisierungskonzeptes zum Betreiben der variabel permanenter¬ regten Synchronmaschine geht die Erfindung von der Erkenntnis aus, dass der für ein bestimmtes Magnetisierungsniveau eines variabel magnetisierbaren Permanent- oder Dauermagneten erforderliche Magnetisierungsstrom abhängig ist vom vorherigen Magnetisierungszustand dieses Magneten. Entlang der typischen Hysteresekurve im Magnetisierungs-Feldstärke-Diagramm (B-H- Diagramm) eines solchen Magneten, beispielsweise aus AlNiCo- oder FeCrCo-Material, spiegelt sich dieser als Erinnerungs- Effekt bezeichnete vorherige Magnetisierungs- oder Ausgangs¬ zustand in der jeweiligen Remanenz wieder. Da innerhalb der magnetspezifischen Hysterese die Remanenz ihrerseits die zur Entmagnetisierung und damit zur Ummagnetisierung des Magneten erforderliche Koerzitivfeidstärke vorgibt und diese wiederum bei verschiedenen Remanenzen unterschiedlich ist, hängt auch die erforderliche Feldstärke eines äußeren Magnetfeldes vom Ausgangszustand des Magneten ab. Demzufolge wären einerseits bei voneinander verschiedenen ursprünglichen Magnetisierungs- bzw. Ausgangszuständen des Magneten zur Erzielung des gleichen einzustellenden Endmagnetisierungsniveaus dem Betrage nach unterschiedliche Längsströme erforderlich. Andererseits würde ein bestimmter Längsstrom bei voneinander verschiedenen ursprünglichen Magnetisierungs- bzw. Ausgangszuständen zu un- terschiedlichen Reaktionen des Magneten führen.With respect to this aspect of the at least two-stage Ummag- netisierungskonzeptes for operating the variable permanent ¬ excited synchronous machine, the invention is based on the realization that the space required for a given level of magnetization of a variably magnetizable permanent or permanent magnet magnetizing current is dependent on the previous state of magnetization of this magnet. Along the typical hysteresis curve in the magnetization field strength diagram (BH) plot of such a magnet, for example, AlNiCo or FeCrCo material, this is reflected as a reminder effect designated previous magnetization or output ¬ state in the respective remanence again. Since, within the magnet-specific hysteresis, the remanence in turn determines the coercive field strength required for demagnetization and thus magnetization reversal of the magnet and this in turn is different at different remanences, the required field strength of an external magnetic field depends on the initial state of the magnet. Consequently, on the one hand, different longitudinal currents would be required for mutually different initial magnetization or initial states of the magnet in order to achieve the same final magnetization level to be set. On the other hand, a certain longitudinal current would result in different reactions of the magnet with different initial magnetization or initial states from each other.
In der speziellen Anwendung derartiger variabel magnetisier- barer Dauermagnete zur Erzeugung eines bedarfsweise veränder¬ baren Läuferfeldes einer Synchronmaschine tritt dieser Erin- nerungs-Effekt zudem mit in unterschiedlichen radialen Lagen des Dauermagneten verschiedenen Remanenzen oder Ausgangszuständen auf. Hinsichtlich dieses Aspektes liegt der Erfindung die Überle¬ gung zugrunde, dass ein bestimmter Längsstrom zu einer definierten Reaktion des Magneten führen würde, wenn der Erinnerungs-Effekt neutralisiert werden kann. Dies wiederum ist da- durch erreichbar, wenn unabhängig vom ursprünglichen Magnetisierungszustand zunächst ein definierter Ausgangszustand des Magneten hergestellt werden kann. In einem solchen definierten Ausgangszustand befindet sich der Magnet erkanntermaßen, wenn dieser vollständig aufmagnetisiert, d. h. entlang der Hysterese zumindest annähernd im Bereich der maximalen Magne¬ tisierung ist. Ausgehend von diesem gesättigten Magnetisierungszustand verhält sich der Magnet infolge eines Ab- oder Ummagnetisierungsvorgangs hinsichtlich der Remanenz und der Keorzitivfeidstärke bei gleichem Längsstrom stets gleich.In the particular application of such variably magnetizable Barer permanent magnets for generating a required, Variegated ¬ cash rotor field of a synchronous machine this occurs Erin- nerungs effect also with in different radial positions of the permanent magnets different remanences or output states on. With regard to this aspect of the invention is to supply Überle ¬ basis that a certain longitudinal flow would lead to a defined reaction of the magnet when the reminder effect can be neutralized. This, in turn, can be achieved if initially a defined starting state of the magnet can be established independently of the original magnetization state. In such a defined initial state, the magnet is known to be completely magnetized, ie along the hysteresis is at least approximately in the range of maximum Magne ¬ tion. Based on this saturated magnetization state, the magnet always behaves the same with respect to the remanence and the Keorzitivfeidstärke at the same longitudinal flow due to a Ab- or Ummagnetisierungsvorgangs.
Daher wird in einer ersten Stufe oder in einem ersten Schritt zunächst der definierte Ausgangszustand durch einen entspre¬ chenden Längsstromimpuls hergestellt. Erkanntermaßen sind dann, insbesondere bei einem rechteckigen Dauermagneten, auch alle radialen Magnetlagen unabhängig von deren jeweiligem Abstand zum Luftspalt oder zum Ständer der Synchronmaschine gleichermaßen im Zustand vollständiger Magnetisierung. Anschließend kann in einer nachfolgenden zweiten Stufe oder in mehreren aufeinander folgenden Stufen der für eine besonders effektive Betriebsweise der Synchronmaschine erforderliche Magnetisierungszustand der lauferseitigen variabel magneti- sierbaren Dauermagnete präzise eingestellt werden.Therefore, it is prepared first the defined initial state by an entspre ¬ sponding longitudinal current pulse in a first stage or in a first step. As is known, all radial magnetic layers are then equally in a state of complete magnetization, regardless of their respective distance from the air gap or the stator of the synchronous machine, in particular in the case of a rectangular permanent magnet. Subsequently, in a subsequent second stage or in several successive stages, the magnetization state of the rotor-side variably magnetizable permanent magnets required for a particularly effective mode of operation of the synchronous machine can be set precisely.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesonde- re darin, dass durch die versenkte geometrische Anordnung der Dauermagnete im Läufer oder Läufermaterial ein sich zwar hinsichtlich der Amplitude in wünschenswerter Art und Weise proportional zum Magnetisierungsniveau oder -zustand verändern¬ des, nicht jedoch in unerwünschter Weise seine Kurvenform än- derndes Läuferfeld einstellbar ist. Insbesondere wird eine kontrolliert steuerbare Feldschwächung bei allen Drehzahlen ermöglicht. Dabei werden einerseits eine unerwünschte Drehmo¬ mentbeeinflussung und andererseits eine nicht oder nur unzu- länglich kontrollierbare oder eine ungewollte Ummagnetisie- rung der lauferseitigen Dauermagnete vermieden.The advantages achieved with the invention consist insbesonde- re fact that by the recessed geometrical arrangement of the permanent magnets in the rotor or rotor material is an Although in amplitude desirably manner proportional to the magnetization level or state change ¬ of, but not undesirably its curve shape changing rotor field is adjustable. In particular, a controlled controllable field weakening at all speeds is possible. In this case, an undesired Drehmo ¬ element influencing the other hand, on the one hand a non or only insufficient long-term controllable or unintended Ummagnetisie- tion of the rotor-side permanent magnets avoided.
Durch die geometrische Ausgestaltung des Läufers mit versenk- ter Anordnung der zweckmäßigerweise rechteckförmigen Dauermagnete wird insgesamt eine besonders hohe Ausnutzung der Synchronmaschine in allen Betriebsbereichen, d.h. ein besonders hohes auf die Baugröße bezogenes Drehmoment erreicht. Durch diese spezielle geometrische Anordnung des magnetischen Kreises mit läuferseitig versenkten Dauermagneten kann zudem ein maximales Drehmoment bei gleichzeitig minimalem Einsatz von Magnetmaterial erzielt werden.Due to the geometric design of the rotor with recessed arrangement of the expediently rectangular permanent magnets overall a particularly high utilization of the synchronous machine in all operating ranges, i. achieved a particularly high on the size of the torque. By this special geometric arrangement of the magnetic circuit with rotor-side sunken permanent magnets can also be achieved maximum torque while minimizing the use of magnetic material.
Auch verfügt die Synchronmaschine in allen Betriebs- oder Lastbereichen über einen besonders hohen Wirkungsgrad. We¬ sentliche Gründe hierfür sind, dass praktisch keine zusätzli¬ chen Verluste durch Feldschwächströme oder negative Längs¬ ströme und keine Läuferverluste auftreten.Also, the synchronous machine has a particularly high efficiency in all operating or load ranges. We are ¬ sentliche reasons for this is that virtually no zusätzli ¬ chen loss flows through Feldschwächströme or negative longitudinal ¬ and no rotor losses occur.
Insbesondere bei Hybridanwendungen ist die Gleichstrom- oder DC-Aufnahmeleistung beim Start des Verbrennungsmotors eines entsprechenden Hybridfahrzeugs besonders gering. Die Syn¬ chronmaschine ist daher besonders vorteilhaft auch in einem 14V-Bordnetz und dabei sowohl als variabel permanenterregter Motor als auch als variabel permanenterregter Generator einsetzbar .In particular, in hybrid applications, the DC or DC power consumption at the start of the internal combustion engine of a corresponding hybrid vehicle is particularly low. The Syn ¬ chronmaschine is therefore particularly advantageous also in a 14V electrical system and thereby both as a variable permanent-magnet motor and as a variable permanent-magnet generator can be used.
Die erfindungsgemäße Synchronmaschine zeichnet sich ferner durch eine hohe Robustheit aus, zumal das für die läufersei- tigen Dauermagnete bevorzugt eingesetzte AlNiCo-The synchronous machine according to the invention is furthermore distinguished by a high degree of robustness, especially since the AlNiCo which is preferably used for the rotor-side permanent magnets.
Magnetmaterial korrosionsbeständig und bis zu einer Tempera¬ tur von etwa 5000C temperaturbeständig ist. Auch sind weder Überspannungen im Fehlerfall noch unerwünschte irreversible Abmagnetisierungen der Dauermagneten zu erwarten. Da der Läu- fer darüber hinaus im Bedarfsfall vollständig abmagnetisiert werden kann, ist ein besonders hohes Maß an Montage- und War¬ tungsfreundlichkeit gegeben. Da der den Erinnerungs-Effekt nach Art einer Reset-Funktion neutralisierende Ausgangszustand vollständiger Magnetisie¬ rung, insbesondere auch für alle Magnetlagen der läuferseiti- gen Dauermagnete, sowohl unabhängig von der Form der Dauer- magnete als auch unabhängig davon ist, ob und ggf. wie tief die Dauermagneten in den Läufer versenkt sind, ist dieses zweistufige Regelungskonzept prinzipiell auch bei solchen va¬ riabel permanent erregten Synchronmaschinen vorteilhaft einsetzbar, die mit bis an den Luftspalt geführten Speichenmag- neten oder mit auf den Läufer aufgesetzten variabel magneti- sierbaren Dauermagneten oder Oberflächenmagneten ausgeführt sind. Das Verfahren und die Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 22 bzw. 25 stellt demnach auch eine selbstständige Erfindung dar .Magnetic material is resistant to corrosion and to a tempera ture of about 500 ¬ 0 C temperature resistant. Also, neither overvoltages in the event of a fault nor unwanted irreversible demagnetizations of the permanent magnets are to be expected. Since the lauter can be fer moreover completely demagnetized in case of need, a particularly high degree of assembly and was ¬ is given tung friendliness. Since the reminder effect by way of a reset function tion neutralizing output state of complete magnetization ¬, in particular for all the magnetic layers of the läuferseiti- gen permanent magnets, both regardless of the shape of the permanent magnets is provided as well as whether and if so how deep, the permanent magnets are sunk into the rotor, this two-stage control concept is in principle also advantageously used in such va ¬ riabel permanently excited synchronous machines with running up to the air gap Speichenmag- neten or with attached to the rotor variable magnetizable permanent magnet or surface magnet are. The method and the device according to claims 22 and 25 accordingly also constitutes an independent invention.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:Embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to a drawing. Show:
FIG 1 schematisch in einem Querschnitt eine zweipolige (p = 1) variabel permanenterregte Synchronmaschine mit dreisträngiger Ständerwicklung und mit im Läufer versenkten rechteckförmigen Dauermagneten,1 shows schematically in a cross section a two-pole (p = 1) variable permanent magnet synchronous machine with three-phase stator winding and with sunken in the rotor rectangular permanent magnet,
FIG 2 eine Synchronmaschine gemäß FIG 1 mit dreieckförmi- gen Flusssperren im Läufer ,2 shows a synchronous machine according to FIG. 1 with triangular flow barriers in the rotor,
FIG 3 eine Synchronmaschine gemäß FIG 2 mit Bruchloch¬ wicklung und rechteckförmigen Flusssperren,3 is a synchronous machine according to FIG 2 with Bruchloch ¬ winding and rectangular flow barriers,
FIG 4 in einem Blockschaltbild die Gesamtstruktur eines elektrischen Antriebs mit variabel permanenterreg¬ tem Synchronmotor (VP-Motor) in einem Hybridfahrzeug,4 shows a block diagram of the overall structure of an electric drive with a variably permanent- magnet synchronous motor (VP motor) in a hybrid vehicle,
FIG. 5 ein Blockschaltbild einer variabel permanenterreg¬ ten Synchronmaschine als VP-Motor mit einer Re¬ geleinrichtung, FIG 6 in einem Strom-Zeit-Diagramm die Strom- und Zeit- Verhältnisse kurzeitiger Magnetisierungs- oder Ent- magnetisierungsimpulse,FIG. 5 is a block diagram of a variable permanenterreg ¬ th synchronous machine as a motor with a VP-Re ¬ gel means, 6 shows in a current-time diagram the current and time ratios of short-time magnetization or demagnetization pulses,
FIG 7 in einem Magnetisierungs-Drehzahl-Diagramm die Abhängigkeit des Magnetisierungszustands läuferseiti- ger Dauermagnete von der Arbeits- oder Maschinendrehzahl des VP-Motors,7 shows in a magnetization-speed diagram the dependence of the magnetization state of rotor-side permanent magnets on the working or engine speed of the VP motor,
FIG 8 in einem B-H-Diagramm äußere und innere Hysterese¬ verläufe eines magnetisierten AlNiCo-Materials, und8 shows in a BH diagram outer and inner hysteresis ¬ courses of a magnetized AlNiCo material, and
FIG 9 in einer Darstellung gemäß FIG 8 die Hystereseverläufe zweier partiell magnetisierter Magnetlagen des Magnetmaterials.9 shows in a representation according to FIG. 8 the hysteresis curves of two partially magnetized magnetic layers of the magnetic material.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding parts are provided in all figures with the same reference numerals.
Die in den FIG 1 und 2 schematisch im Querschnitt dargestell¬ te permanenterregte Synchronmaschine 1 weist einen Ständer 2 mit im Ausführungsbeispiels zwölf Ständernuten (+U,+V, +W) auf, in die eine dreisträngige Drehfeldwicklung mit entspre¬ chender Zuordnung der Ständernuten zu den drei Wicklungs- strängen U, V und W der Drehfeld- oder Ständerwicklung eingelegt ist.The 1 and 2 schematically in cross-section dargestell ¬ te permanent-magnet synchronous machine 1 has a stator 2 in the exemplary embodiment twelve stator slots (+ U, + V, + W), in which a three-phase rotating field winding with corre sponding ¬ assignment of the stator slots to the three winding strands U, V and W of the rotating field or stator winding is inserted.
Bei sinusförmig eingeschwungenem, stationären Betrieb führt im in den FIG 1 bis 3 betrachteten Zeitpunkt der Wicklungs- sträng U gerade maximalen positiven Strom, während die anderen beiden Wicklungsstränge V und W gerade jeweils den halben negativen Strom führen. Dies ist in dem linken Abbildungsausschnitt der FIG 1 anhand der dortigen topographischen Darstellung der in Stern geschalteten drei Wicklungsstränge U, V, W veranschaulicht. Dabei bedeutet ein positiver Strom ein Kreuz in den mit einem Pluszeichen versehenen Hinleiter-Ständernuten +U,+V, +W. Des Weiteren bedeutet ein Kreuz konventionsgemäß einen in die Bild- oder Zeichenebene hineinfließen- den Strom, während ein Punkt einen aus der Bild- bzw. Zei¬ chenebene herausfließenden Strom veranschaulicht. Durch vergleichsweise strichstarke Kreuze und Punkte ist ein ver¬ gleichsweise hoher Strombetrag markiert, während vergleichs- weise dünne Kreuze und Punkte einen entsprechend niedrigenIn steady-state sinusoidal steady state operation, in the timing considered in FIGS. 1 to 3, the winding strands U currently lead to the maximum positive current, while the other two winding strands V and W are each leading to half the negative current. This is illustrated in the left-hand illustration section of FIG. 1 on the basis of the topographical representation of the three winding phases U, V, W connected in star there. Here, a positive current means a cross in the plus-signed ladder stator slots + U, + V, + W. Furthermore, according to convention, a cross means that it flows into the picture or drawing plane. the current, while a point illustrates a flowing out of the image or Zei ¬ chenebene stream. By relatively high-strength crosses and points Ver ¬ comparatively high amount of current is marked, while comparatively thin crosses and points a correspondingly low
Strombetrag markieren. Insgesamt zeigt sich somit für den be¬ trachteten Zeitpunkt im Ständer 2 eine näherungsweise sinus¬ förmige Stromverteilung entlang des Umfangs der Synchronma¬ schine 1.Mark the amount of electricity. Overall, thus shows for the sought time ¬ be in the stator 2, an approximately sinusoidal current distribution ¬ shaped along the circumference of the synchronous machine. 1
Bei Speisung mit einem dreiphasigen sinusförmigen Wechselstrom erzeugt die Ständerwicklung U, V, W ein im Luftspalt 3 zwischen dem Ständer 2 und einem Läufer 4 umlaufendes magnetisches Feld oder Ständerdrehfeld. Dieses Ständerdrehfeld be- steht aus einander abwechselnden magnetischen Nordpolen N und Südpolen S, die entlang des Luftspaltes 3 rotieren. Die Pol¬ zahl 2p, die bei der erfindungsgemäßen Synchronmaschine 1 praktisch beliebig sein kann, ist hinsichtlich einer besseren Übersichtlichkeit in den in den FIG 1 bis 3 gezeigten Aus- führungsbeispielen 2p = 2. Die Polpaarzahl ist demnach p = 1.When supplied with a three-phase sinusoidal alternating current, the stator winding U, V, W generates a circulating in the air gap 3 between the stator 2 and a rotor 4 magnetic field or stator rotating field. This stator rotating field consists of alternating magnetic north poles N and south poles S, which rotate along the air gap 3. The pole number 2p ¬ which may be practically any case of the inventive synchronous machine 1 is, with regard to exemplary embodiments of clarity in the examples shown in Figures 1 to 3 Training 2p = 2. The number of pole pairs is p = accordingly. 1
Das vom Ständer 2 erzeugte Drehfeld umschließt die strom- durchflossenen Leiter der Ständerwicklungen U, V, W rechtswendig, so dass zum betrachteten Zeitpunkt an der Maschinen- Oberseite der Synchronmaschine 1 ein Ständer-Südpol S und an der Maschinenunterseite ein Ständer-Nordpol N erhalten wird. Die beiden Ständerpole S und N, die nicht punktuell auf die Maschinenoberseite bzw. auf die Maschinenunterseite konzen¬ triert sind, umspannen sinusförmig entsprechend dem zugehö- rigen Ständerstrombelag ±U,±V,±W jeweils eine Polteilung, was bei der vorliegenden Polzahl 2p = 2 dem halben Umfang der Synchronmaschine 1 entspricht. Vorliegend ist demnach der Ständersüdpol S als Sinushalbwelle über die Maschinenober¬ seite verteilt, während der Ständernordpol N als Sinushalb- welle über die Maschinenunterseite verteilt ist.The rotary field generated by the stator 2 surrounds the current-carrying conductors of the stator windings U, V, W on the right, so that at the time considered on the machine top of the synchronous machine 1, a stator south pole S and on the machine base a stator north pole N is obtained , The two stator poles S and N, the concentrated non-selectively on the machine upper side and on the machine base ¬ are trated, encompass sinusoidal corresponding to the zugehö- ring stator current lining ± U, ± V, ± W in each case one pole pitch, which in the present poles 2p = 2 corresponds to half the circumference of the synchronous machine 1. In the present case, therefore, the stator south pole S is distributed as a half-sine wave over the machine upper side, while the stator north pole N is distributed as a sinusoidal half-wave over the machine underside.
Der Läufer 4 ist mit Permanent- oder Dauermagneten 6 bestückt. Die in den Ausführungsbeispielen nach den FIG 1 bis 3 jeweils zwei lauferseitig gegenüberliegend angeordneten Dau¬ ermagnete 6 sind in dem ansonsten beispielsweise aus als Blechpaket ausgeführten LäuferJochen 4 λ bestehenden Läufermaterial und damit im Läufer 4 versenkt angeordnet. Dazu sind im Läufer 4 bzw. Läufermaterial entsprechende Ausnehmungen 7 vorgesehen, in die die Dauermagnete 6 eingesetzt sind. Die jeweils einen Nordpol und einen Südpol aufweisenden Dauermag¬ nete 6 sind im Ausführungsbeispiel rechteckförmig mit einer¬ seits zum Luftspalt 3 und andererseits zur Läuferachse 8 hin ausgerichteten Längsseiten.The rotor 4 is equipped with permanent or permanent magnet 6. In the embodiments of FIGS 1 to 3 in each case two Dau ¬ ermagnete 6 arranged opposite each other on the rotor side are sunk in the runner material otherwise existing, for example, as a laminated core 4 λ , and thus sunk into the rotor 4. For this purpose, corresponding recesses 7 are provided in the rotor 4 or rotor material, into which the permanent magnets 6 are inserted. Each having a north pole and a south pole having Dauermag ¬ numeral 6 are in the embodiment of rectangular shape with a ¬ hand to the air gap 3 and on the other hand to the rotor axis 8 oriented toward the longitudinal sides.
Die Dauermagnete 6 sind unter Bildung eines radialen Abstandes c zum Luftspalt 3 in das dauermagnetische Läufermaterial 4λ eingesetzt. Die radiale Dicke oder Ausdehnung d der Dauer- magnete 6 ist dabei kleiner als die Tiefe oder Nuttiefe a der jeweiligen Ausnehmung 7. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die radiale Tiefe a der Ausnehmungen 7 etwa doppelt so groß wie die radiale Dicke d des jeweiligen Dauermagneten 6. Die Ausnehmungen oder Aufnahmenuten 7 sind unter Bildung zweier Aufnahmeräume stufig ausgebildet, wobei die Dauermag¬ nete 6 im dem Luftspalt 3 abgewandten, radial innen liegenden Aufnahmeraum der jeweiligen Aufnahmenut 7 einliegen.The permanent magnets 6 are used to form a radial distance c to the air gap 3 in the permanent magnet rotor material 4 λ . The radial thickness or extent d of the permanent magnet 6 is smaller than the depth or groove depth a of the respective recess 7. In the present embodiment, the radial depth a of the recesses 7 is about twice as large as the radial thickness d of the respective permanent magnet. 6 The recesses or grooves 7 are formed in stages to form two receiving spaces, wherein the Dauermag ¬ designated 6 in the air gap 3 facing away, radially inward receiving space of the respective receiving groove 7 einliegen.
Der bei in die Ausnehmungen 7 eingesetzten Dauermagneten 6 verbleibende Aufnahmeraum 9 in den Ausnehmungen 7 zwischen dem jeweiligen Dauermagneten 6 und dem Luftspalt 3 ist durch eine Magnetabdeckung 10 aus nicht- oder unmagnetischem Material ausgefüllt. Indem der jeweilige magnetfreie Aufnahmeraum 9 mittels der entsprechenden Magnetabdeckung 10 vollständig ausgefüllt ist, sind die Ausnehmungen 7, in denen die Dauermagnete 6 versenkt eingesetzt sind, vollständig verschlossen. Da zudem der Aufnahmeraum 9 in Umfangsrichtung des Läufers 4 schmaler ist als der innen liegende Aufnahmeraum der Ausnehmung 7, ist der dort versenkt eingesetzte Dauermagnet 6 form- schlüssig und sicher gehalten.The remaining in the recesses 7 permanent magnet 6 remaining receiving space 9 in the recesses 7 between the respective permanent magnet 6 and the air gap 3 is filled by a magnetic cover 10 made of non-magnetic or non-magnetic material. By the respective magnet-free receiving space 9 is completely filled by means of the corresponding magnetic cover 10, the recesses 7, in which the permanent magnets 6 are inserted sunk, completely closed. In addition, since the receiving space 9 in the circumferential direction of the rotor 4 is narrower than the inner receiving space of the recess 7, the permanent magnet 6 sunk into it is held positively and securely.
Für die Ausführung der Synchronmaschine 1 als variabel per¬ manenterregter Motor (VP-Motor) sind zur Erzielung eines ho- hen Drehmomentes M bei gleichzeitig guter Ummagnetisierbar- keit der Dauermagnete 6 als Magnetmaterial AlNiCo-Werkstoffe und FeCrCo-Legierungen besonders vorteilhaft. Diese Magnet¬ werkstoffe verfügen typischerweise über eine hohe Remanenz- Iinduktion bei gleichzeitig betragsmäßig sehr niedriger Koer- zitivfeidstärke .For the execution of the synchronous machine 1 as a variably per ¬ manenterregter motor (VP motor) are to achieve a ho torque M and, at the same time, good remagnetization of the permanent magnets 6 as magnetic material AlNiCo materials and FeCrCo alloys are particularly advantageous. These magnetic ¬ materials typically have a high remanence Iinduktion at the same magnitude very low pERSonal zitivfeidstärke.
Die Dauermagnete 6 erzeugen ein lauferseitiges Drehfeld mit gleicher Polzahl 2p = 2 bzw. gleicher Polpaarzahl p = 1 wie das Ständerdrehfeld. Das Ständerdrehfeld und das Läuferdreh¬ feld treten während des Betriebs der Synchronmaschine 1 in gegenseitige Wechselwirkung, so dass ein Drehmoment entsteht. Mittels des Lorentz' sehen Kraftgesetzes lässt sich bezüglich des Ständers 2 die Drehmomententstehung derart erklären, dass das magnetische Läuferfeld infolge dessen Wirkung auf die stromdurchflossenen Leiter der Wicklungsstränge U, V, W der Ständerwicklung Lorentzkräfte erzeugt, die in der Summe das Drehmoment auf den Ständer 2 bewirken. Infolge des Wechsel¬ wirkungsprinzips nach dem Newton' sehen Axiom "actio est reac- tio" wirkt ein Drehmoment gleicher Höhe in umgekehrter Rich¬ tung auf den Läufer 4.The permanent magnets 6 generate a rotor side rotating field with the same number of poles 2p = 2 and the same pole pair number p = 1 as the stator rotating field. The stator rotating field and the rotor rotating ¬ field occur during operation of the synchronous machine 1 in mutual interaction, so that a torque is generated. By means of Lorentz's law of force, torque generation can be explained with respect to stator 2 such that the magnetic rotor field generates Lorentz forces due to its effect on the current-carrying conductors of winding phases U, V, W of the stator winding, which in total sum the torque on stator 2 cause. See as a result of the alternating ¬ operation principle according to the Newton's law, "action est reac- tion" a torque acts the same height in the reverse Rich ¬ processing on the rotor. 4
Zum in den FIG 1 bis 3 dargestellten Zeitpunkt liegen bei beiden Dauermagneten 6 deren Nordpol auf der rechten Figu- renseite und deren Südpol auf der linken Figurenseite. Der mit den Dauermagneten 6 versehene Läufer 4 erzeugt somit im betrachteten Zeitpunkt in den Darstellungen gemäß den FIG 1 bis 3 rechts einen Nordpol N und links einen Südpol S. Das Feld des Läufernordpols N wirkt auf der in der Darstellung rechten Seite der Synchronmaschine 1 auf die mit +U bezeich¬ neten Leiter des entsprechenden Wicklungsstrangs U ein. Die Kraftwirkung ist demgemäß eine nach unten gerichtete Lo- rentzkraft auf die Ständerwicklung in Pfeilrichtung 5. Insgesamt bewirkt dies ein Drehmoment auf den Ständer 2 im ma- thematisch negativen Sinn. Infolge des Wechselwirkungsprinzips "actio est reactio" ist dies gleichbedeutend mit einem Drehmoment im mathematisch positiven Sinn und damit in Richtung der Pfeile 11 entgegen dem Uhrzeigersinn auf den Läufer 4. Bei ebenfalls mathematisch positiver Drehrichtung befindet sich die Synchronmaschine 1 im motorischen Betrieb.For the time shown in FIGS. 1 to 3, both permanent magnets 6 have their north pole on the right side of the figure and their south pole on the left side of the figure. The runner 4 provided with the permanent magnets 6 thus generates at the time in the representations according to FIGS. 1 to 3, on the right, a north pole N and on the left a south pole S. The field of the rotor north pole N acts on the right side of the synchronous machine 1 in FIG with + U designated ¬ Neten head of the corresponding phase winding U a. The force effect is accordingly a downwardly directed force on the stator winding in the direction of the arrow 5. Overall, this causes a torque on the stator 2 in a mathematically negative sense. As a result of the interaction principle "actio est reactio" this is synonymous with a torque in the mathematically positive sense and thus in the direction of the arrows 11 in the counterclockwise direction of the rotor 4. In also mathematically positive direction of rotation, the synchronous machine 1 is in motor operation.
Die nachfolgenden Ausführungen nehmen Bezug auch auf das in den FIG 1 bis 3 an der Läuferachse 8 angedeutete läuferfeste d-q-Koordinatensystem, das mit dem Läufer 4 rotiert . Die eingezeichnete d-Achse oder Längsachse zeigt dabei stets in Richtung des Läuferfeldes, d.h. in Richtung des Läufernord¬ pols N. Die q-Achse oder Querachse steht senkrecht zur d- Achse. Zum betrachteten Zeitpunkt magnetisieren die während des Betriebs der Synchronmaschine 1 eingestellten drei Stän¬ derstrangströme den Ständer 2 in Richtung der positiven q- Achse auf. Die dargestellte dreiphasige Ständerstromvertei¬ lung wird daher auch als positiver q-Strom oder positiver Querstrom Iq bezeichnet. Ein positiver Querstrom (+) Iq erzeugt demnach ein positives motorisches Drehmoment M, während ein negativer Querstrom (-) Iq ein bremsendes generatorisches Drehmoment erzeugt .The following explanations also refer to the rotor-fixed dq coordinate system, which is indicated on the rotor axis 8 in FIGS. 1 to 3, and which rotates with the rotor 4. The drawn d-axis or the longitudinal axis is always in the direction of the rotor field, ie in the direction of the rotor ¬ North pole N. The q-axis or the transverse axis is perpendicular to the d axis. At the time considered to be magnetized during operation of the synchronous machine 1 three Stän ¬ derstrangströme the stator 2 in the direction of the positive q-axis. The illustrated three-phase Ständerstromvertei ¬ ment is therefore also referred to as a positive q-current or positive cross-current I q . A positive cross current (+) I q thus generates a positive motor torque M, while a negative cross current (-) I q generates a braking regenerative torque.
Infolge der versenkten Anordnung der aus dem Magnetwerkstoff AlNiCo oder FeCrCo bestehenden Dauermagnete 6 im Läufer 4 wird erreicht, dass ein vom Querstrom Iq erzeugtes Feld im Luftspalt 3 die Dauermagnete 6, d.h. deren Magnetisierungs¬ zustand praktisch nicht beeinflusst. Grund hierfür ist, dass vom Querstrom Iq erzeugte Ständerfeld im Wesentlichen in die den Läufer-Magneten 6 benachbarten Läufer joche 4λ eintritt. Zur Ummagnetisierung der Dauermagnete 6 soll das Magnetfeld des Läufers 4 zweckmäßigerweise jedoch ausschließlich auf Grund des Längsstroms Id beeinflusst werden. Dieser nachfol- gend auch als Magnetisierungsstrom bezeichnete Längsstrom Id stellt somit den feldbildenden Strom dar.As a result of the sunk arrangement of the existing of the magnetic material AlNiCo or FeCrCo permanent magnets 6 in the rotor 4 is achieved that generated by the cross-current I q field in the air gap 3, the permanent magnets 6, ie their magnetization ¬ state practically not affected. The reason for this is that the stator field generated by the transverse current I q essentially enters the rotor yoke 4 λ adjacent to the rotor magnet 6. For magnetic reversal of the permanent magnets 6, however, the magnetic field of the rotor 4 is expediently to be influenced exclusively on the basis of the longitudinal current I d . This longitudinal flow I d , which is also referred to below as the magnetizing current, thus represents the field-forming current.
Dem gegenüber soll ein gefordertes Drehmoment M mittels des Querstroms Iq erzeugt werden, der demnach auch als drehmo- mentbildender Strom bezeichnet wird. Durch die versenkte An¬ ordnung der Dauermagnete 6 aus dem genannten Magnetwerkstoff AlNiCo bzw. FeCrCo wird deren Magnetisierungsniveau oder - dert oder beeinflusst. Durch die Anordnungs- und Werkstoff- Kombination der Dauermagnete 6 wird daher eine besonders ex¬ akte und nahezu ausschließlich längsstromgesteuerte Ein¬ stellung von deren Magnetisierungsniveau bzw. -zustand er- reicht .On the other hand, a required torque M is to be generated by means of the transverse current I q , which is accordingly also referred to as a torque-generating current. By the recessed An ¬ 6 arrangement of the permanent magnets of said magnetic material AlNiCo or FeCrCo is the magnetization level or - changed or influenced. By the arrangement and combination of materials of the permanent magnets 6, therefore, a particularly ex ¬ file and almost exclusively along current controlled ¬ A position of the magnetization level or state ER ranges.
Um eine möglichst kleine Querinduktivität zu erhalten, sind in den Läufer 4, d.h. in dessen Läufermaterial nicht- oder unmagnetische Flusssperren 12 eingesetzt. Diese Flusssperren 12 liegen dabei zwischen den Dauermagneten 6. Die Anzahl s der Flusssperren 12 entspricht mit s = 2 der Anzahl der Dauermagnete 6. Durch den Einsatz der Flusssperren 12 und die dadurch erzielte Absenkung der Querinduktivität sind auch bei mittleren und hohen Drehzahlen n der Synchronmaschine 1 hin- reichend hohe Querströme Iq zur Erzielung der gewünschten Drehmomente M einprägbar.In order to obtain the smallest possible transverse inductance, non-magnetic or non-magnetic flow barriers 12 are inserted into the rotor 4, ie in its rotor material. The number s of the flow barriers 12 corresponds to the number of permanent magnets 6 with s = 2. The use of the flow barriers 12 and the lowering of the transverse inductance thereby achieved mean that the synchronous machine is also at medium and high rotational speeds 1 sufficiently high cross currents I q can be imprinted to achieve the desired torques M.
Die Rechteckform der Dauermagnete 6 ermöglicht - im Gegensatz zu trapezförmigen Speichenmagneten - eine gleichmäßige Auf- und Abmagnetisierung des gesamten Magnetvolumens der Dauermagnete 6 des Läufers 4. Beim voll aufmagnetisierten Läufer 4 sind demzufolge alle Magnetbereiche der Dauermagnete 6 und demnach auch des Läufermaterials voll aufmagnetisiert . Dies ist besonders vorteilhaft im Hinblick auf die Höhe des Läu- ferfeldes und des erreichbaren Drehmomentes M.The rectangular shape of the permanent magnets 6 allows - in contrast to trapezoidal spoke magnets - a uniform magnetization and demagnetization of the entire magnet volume of the permanent magnets 6 of the rotor 4. When fully magnetized rotor 4 are consequently magnetized all magnet regions of the permanent magnets 6 and therefore also of the rotor material. This is particularly advantageous with regard to the height of the runner field and the achievable torque M.
Die in Radialrichtung relativ oder möglichst tiefe versenkte Anordnung der Dauermagnete 6 im Läufermaterial bzw. im Läufer 4 gewährleistet einen zuverlässigen Schutz der Dauermagneten 6 vor einer ungewollten Ummagnetisierung durch das Ankerquerfeld, d. h. durch das Querfeld des Ständers 2. Die Magnetab¬ deckungen 10, deren Einsatz im Wesentlichen konstruktiv bedingt ist, haben praktisch keinen Einfluss auf das elektro¬ magnetische Betriebsverhalten der Synchronmaschine 1.The radial or relatively deep recessed arrangement of the permanent magnets 6 in the rotor material or in the rotor 4 ensures reliable protection of the permanent magnet 6 against unwanted magnetization reversal by the armature transverse field, ie by the transverse field of the stator 2. The Magnetab ¬ covers 10, their use is essentially constructive, have virtually no influence on the electro ¬ magnetic performance of the synchronous machine. 1
Während bei der Ausführungsform nach FIG 3 die Flusssperren 12 rechteckförmig sind, sind bei der Ausführungsform nach FIG 2 die Flusssperren 12 dreieckförmig. Dabei weist die jeweili- ge Dreiecksspitze 13 zum Luftspalt 3 hin. Denkbar sind auch andere Varianten und geometrische Formen der Flusssperren 12. Auch können die Flusssperren 12 entfallen.While in the embodiment of FIG 3, the flow barriers 12 are rectangular, in the embodiment of FIG 2, the flow barriers 12 are triangular. In this case, the respective ge triangular tip 13 to the air gap 3 out. Also conceivable are other variants and geometric shapes of the river barriers 12. Also, the river barriers 12 can be omitted.
Bei der Ausführungsform nach FIG 3 ist die Synchronmaschine 1 ständerseitig mit einer Bruchlochwicklung ausgeführt. Dies bedeutet, dass im Unterschied zu den Ausführungsformen nach den FIG 1 und 2, bei denen unter Bildung einer Ganzlochwicklung die Lochzahl q = 2 ganzzahlig mit je Wicklungsstrang je- weils zwei Nuten pro Pol ist, bei der Ausführungsform nach FIG 3 eine gebrochene Lochzahl q = 2,5 vorliegt. Der dort dargestellte Ständer 2 hat insgesamt fünfzehn Ständernuten ±U, ±V, ±W und demnach 7,5 Ständernuten pro Pol. Die Ausführung der Synchronmaschine 1 mit einer solchen Bruchloch- wicklung ist insbesondere bei Einsatz in einem Hybridfahrzeug oder -kraftfahrzeug besonders vorteilhaft.In the embodiment according to FIG. 3, the synchronous machine 1 is designed with a break hole winding on the stator side. This means that, in contrast to the embodiments according to FIGS. 1 and 2, in which the number of holes q = 2 is integral with each winding strand, in each case two slots per pole, in the embodiment according to FIG. 3 a broken number of holes q = 2.5. The stator 2 shown there has a total of fifteen stator slots ± U, ± V, ± W and therefore 7.5 stator slots per pole. The embodiment of the synchronous machine 1 with such a break hole winding is particularly advantageous when used in a hybrid vehicle or motor vehicle.
FIG 4 zeigt in einem Blockschaltbild eine Regelungs- oder Steuerungs-Struktur zum Betreiben einer nachfolgend auch als VP-Motor bezeichneten variabel permanent erregter Synchronma¬ schine 1 in einer Hybridanwendung. Der VP-Motor 1 wird über eine Einrichtung 14 zur Regelung oder Steuerung von einer Bordnetzbatterie 15 des Fahrzeugs mit einer Batteriespannung von beispielsweise 14V betrieben. Durch den Pfeil 16 sind an diese Batterie 15 gegebenenfalls angeschlossene weitere Ver¬ braucher angedeutet .4 shows in a block diagram a regulation or control structure for operating a motor, also known as VP-variable below a permanently excited synchronous machine 1 in a hybrid application. The VP motor 1 is operated via a device 14 for controlling or control of a vehicle electrical system battery 15 of the vehicle with a battery voltage of, for example, 14V. By the arrow 16 15 optionally connected further Ver ¬ consumers are indicated to this battery.
Gemäß dieser in FIG 5 vergleichsweise detailliert dargestell¬ ten Gesamtstruktur arbeitet die Synchronmaschine 1, deren Läufer 4 vorzugsweise gemäß den Ausführungsformen nach denAccording to this comparatively detailed dargestell ¬ in FIG 5 th overall structure of the synchronous machine works 1, the rotor 4 is preferably in accordance with the embodiments of
FIG 1 bis 3 mit in das Läufermaterial versenkten Dauermagne¬ ten 6 aus AlNiCo-Magnetmaterial ausgeführt ist, als sogenann¬ ter 14V-integrierter-Starter-Generator (14V-ISG) mit VP-Motor 1. Die zweckmäßigerweise elektronische Steuer- oder Rege- lungseinrichtung 14 umfasst einen dreiphasigen Wechselrichter 17, der eingangs- oder gleichstromseitig über einen Glät- tungskondensator 18 an die Batterie 15 angeschlossen ist. Ausgangsseitig ist der Wechselrichter 17 an Ausgangs- oder Motorklemmen 19 geführt, an die der VP-Motor 1 angeschlossen ist.Figures 1 to 3 with recessed in the rotor material duration Magne ¬ th 6 is made of AlNiCo magnet material than sogenann ¬ ter 14V integrated starter-generator (14 V ISG) with VP-motor 1. The expediently electronic control or Rege- The device 14 comprises a three-phase inverter 17, which is connected to the battery 15 via a smoothing capacitor 18 on the input or DC side. On the output side, the inverter 17 is at output or Motor terminals 19 out, to which the VP motor 1 is connected.
Einer Regelung oder Regeleinheit 20 werden von einem mit dem VP-Motor 1 gekoppelten Lagegeber 21 Informationen hinsichtlich der Lage des Läufers 4 (Rotorlage) als Rotorlagesignal θ zugeführt . Als weitere Eingangsinformation erhält die Re¬ geleinheit 20 die Strangströme iσ, iv, iw als entsprechende Istwerte (FIG 5) . Da der VP-Motor 1 in Sternschaltung ausge- führt ist (FIG 1), ist die Messung zweier Strangströme aus¬ reichend, da der dritte Strangstrom aus den beiden anderen Strangströmen berechnet werden kann. Die Regeleinheit 20 kommuniziert zudem in nicht näher dargestellter Art und Weise mit einer nachfolgend als zentrale Fahrzeugsteuerung bezeich- neten übergeordneten Steuer- oder Regelungseinheit des Hybridfahrzeugs über einen Feldbus 22, beispielsweise über einen sogenannten CAN-Bus (Controller Area Network) . Die zentrale Fahrzeugsteuerung gibt der Regeleinheit 20 einen Drehmoment- Sollwert Mw vor und die Regeleinheit 20 stellt dann das ent- sprechende Drehmoment oder den entsprechenden Drehmoment- Istwert Mlst (FIG 5) an der (nicht dargestellten) Welle des Motors 1 bereit.A control or regulation unit 20 is supplied by a coupled to the VP motor 1 position sensor 21 information regarding the position of the rotor 4 (rotor position) as rotor position signal θ. As additional input information, the Re ¬ gel unit 20 receives the phase currents i σ, i v, iw than corresponding actual values (FIG 5). Since the VP-motor 1 performs excluded in a star connection (Fig 1), the measurement of two phase currents from ¬ is sufficient, because the third phase current can be calculated from the other two phase currents. In addition, the control unit 20 communicates in a manner not shown with a superordinate control or regulation unit of the hybrid vehicle, which is referred to below as the central vehicle control, via a field bus 22, for example via a so-called CAN bus (Controller Area Network). The central vehicle control unit provides the control unit 20 with a torque setpoint value M w and the control unit 20 then provides the corresponding torque or the corresponding torque actual value M actual (FIG. 5) to the shaft (not shown) of the engine 1.
Das in FIG 4 dargestellte ISG-System liefert umgekehrt über den Feldbus 22 aktuelle Statusmeldungen, insbesondere in Form von Kenngrößen, wie beispielsweise die aktuelle Temperatur der Ständerwicklungen U, V, W, an die übergeordnete Fahrzeugsteuerung .Conversely, the ISG system shown in FIG. 4 supplies current status messages, in particular in the form of parameters, such as the current temperature of the stator windings U, V, W, to the higher-level vehicle control system via the fieldbus 22.
Bei der nachfolgend auch anhand des Blockschaltbildes gemäß FIG 5 näher erläuterten Funktionsweise der Regelung sind die dort eingetragenen Größen als Zeitgrößen und somit als Augenblickswerte anzusehen. Die Regeleinheit 20 gibt ausgangssei- tig die drei Stellgrößen UτJS, uVs und uws für die drei Ständer- Spannungen der jeweiligen Ständerwicklungen U, V bzw. W vor. Diese Stellgrößen uus, uVs und uws werden mittels einer Ein¬ richtung 23 zur Pulsweitenmodulation (PWM) in die tatsäch- liehen, aktuellen oder augenblicklichen Ständerspannungen uσ, Uv bzw. uw umgewandelt.In the operation of the control, which is explained in greater detail below with reference to the block diagram of FIG. 5, the variables entered there are to be regarded as time variables and thus as instantaneous values. On the output side, the control unit 20 predefines the three manipulated variables Uτ JS , u V s and u ws for the three stator voltages of the respective stator windings U, V and W. These manipulated variables u us, u V s and u are ws direction by means of a ¬ A 23 to the pulse width modulation (PWM) in the actual borrowed, current or instantaneous stator voltages u σ , Uv or u w .
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel erfolgt diese Umwandlung über einen der PWM-Einrichtung 23 nachgeschalteten, nachfolgend auch als Leistungselektronik bezeichneten leistungselektronischen Umrichter 24. Die Ständerspannungen uσ, uv, uw wiederum werden an die Ausgangs- bzw. Motorklemmen 19 des VP- Motors 1 angelegt, so dass sich entsprechende Strangströme ig, iv und iw in den jeweiligen Wicklungssträngen U, V bzw. W einstellen. Von den drei Strangströmen iσ, iv und iw werden mittels Stromwandler 25 zwei Strangströme - im Ausführungs¬ beispiel die Strangströme iv und iw - gemessen. Der dritte Strangstrom iσ wird mittels negativer Addition aus den beiden anderen Strangströmen iv, iw berechnet.In the present exemplary embodiment, this conversion takes place via a power electronic converter 24 connected downstream of the PWM device 23, also referred to below as power electronics. The stator voltages u σ , u v , u w are applied to the output or motor terminals 19 of the VP motor 1 , so that appropriate strand currents ig, i v and i w in the respective winding strands U, V and W set. Of the three phase currents i σ, i v and i w are 25, two phase currents using current transformer - in the execution example ¬ the phase currents i v and i w - measured. The third phase current i σ is calculated by means of negative addition from the two other phase currents i v , i w .
Als Eingangsgrößen stehen der Regeleinheit 20 somit die Strangströme iσ, iv und iw sowie der mittels des Lagegebers 21 gemessene Rotorlagewinkel θ zur Verfügung. Als weitere Ein- gangsgröße erhält die Regeleinheit 20 über den Feldbus 22 den Drehmoment-Sollwert Mw. Ein positives Vorzeichen dieses Soll¬ wertes Mw bedeutet motorischen Betrieb, während ein negatives Vorzeichen dieses Sollwertes Mw generatorischen Betrieb der Synchronmaschine 1 bedeutet.The control unit 20 thus has available the phase currents i σ , i v and i w as well as the rotor position angle θ measured by means of the position sensor 21. As a further input quantity, the control unit 20 receives the torque setpoint M w via the fieldbus 22. A positive sign of this desired value ¬ M w signifies motor operation, while a negative sign of this target value M w regenerative operation of the synchronous machine 1 means.
Zentraler Bestandteil der Regeleinheit 20 ist die feldorien¬ tierte Regelung, d. h. ein Regelungs- oder Funktionsbaustein 26 zur sogenannten feldorientierten Regelung. Feldorientierung bedeutet dabei am Läuferfeld und somit an der d-Achse orientiert. Die feldorientierte Regelung 26 arbeitet demnach in den läuferfesten d-q-Koordinaten . Hierfür zeigt der Lagegeber 21 anhand des Lagewinkels θ die Lage oder Winkellage der d-Achse und damit die Lage des Läuferfeldes an. Im sta¬ tionären Betrieb rotieren dann alle elektrischen und magne- tischen Zeitgrößen mit synchroner Drehzahl n, während diese Zeitgrößen relativ zum d-q-Koordinatensystem stillstehen. Grund hierfür ist, dass dieses d-q-Koordinatensystem ebenfalls mit synchroner Drehzahl n rotiert. In den d-q-Koordi- naten ergeben sich für den stationären Betrieb demnach Gleichgrößen, wobei ein stationäres konstantes Drehmoment Mlst gleichdeutend ist mit einem konstanten Querstrom iq.The central component of the control unit 20 is the feldorien ¬ oriented control, that is a control or function block 26 to the so-called field-oriented control. Field orientation means at the rotor field and thus oriented at the d-axis. The field-oriented control 26 thus operates in the runner-fixed dq coordinates. For this purpose, the position sensor 21 shows the position or angular position of the d-axis and thus the position of the rotor field on the basis of the position angle θ. In the sta tionary ¬ operation then all the electric and magnetic time quantities at a synchronous speed n rotate, during this time sizes resting relative to the dq coordinate system. The reason for this is that this dq coordinate system also rotates at synchronous speed n. In the dq coordinate Therefore, constant values are obtained for steady-state operation, where a steady-state constant torque M lst is equivalent to a constant cross-flow i q .
Zur Stärkung oder Schwächung des Permanent-Magnetfeldes des Läufers 4 des VP-Motors 1 wird kurzzeitig ein positiver oder negativer Längsstrom (+)id bzw. (-)id vorgegeben. Obwohl ein entsprechender Stromimpuls id zur Auf-, Ab- oder Ummagneti- sierung der Dauermagneten 6 des VP-Motors 1 betragsmäßig re- lativ hoch ist, ist die Zeitdauer t dieses Impulses id derart kurz, dass die erforderliche Energie vernachlässigbar ist.To strengthen or weaken the permanent magnetic field of the rotor 4 of the VP motor 1, a positive or negative longitudinal current (+) i d or (-) i d is given for a short time. Although a corresponding current pulse i d for the up, down or remagnetization of the permanent magnets 6 of the VP motor 1 is relatively high in magnitude, the time duration t of this pulse i d is so short that the required energy is negligible.
Für eine Überführung der Dauermagnete 6 in deren voll auf- magnetisierten Magnetisierungszustand kann die Magnetisie- rungsenergie bis unterhalb von 30Ws bei einer aktiven Im¬ pulsdauer t von etwa t = 5ms reduziert werden. Insgesamt wird der VP-Motor 1 - mit Ausnahme einiger weniger Magnetisie- rungs- und Entmagnetisierungs-Impulse id - im Wesentlichen lediglich mit dem drehmomentbildenden Querstrom iq betrieben. Dies führt zu einer erheblichen Erhöhung des System-Wirkungs¬ grades bei mittleren und hohen Drehzahlen n.For transfer of the permanent magnets 6 in their fully up magnetized magnetization state of the magnetization can approximate energy to below 30Ws with an active pulse duration in ¬ t of t = about 5 ms can be reduced. Overall, with the exception of a few magnetization and demagnetization pulses i d , the VP motor 1 is operated essentially only with the torque-forming transverse current i q . This leads to a considerable increase in the system efficiency ¬ degree at medium and high speeds n.
Innerhalb der Regeleinheit 20 werden anhand des Rotorlage¬ winkels θ und der drei Strangströme iσ, iv, iw mittels Koor- dinatentransformation der aktuelle Längsstrom id und der aktuelle Querstrom iq berechnet. Eine Auswerteeinrichtung 27 ermittelt mittels eines speziellen Regelungsalgorithmus an¬ hand des Drehmoment-Sollwertes Mw entsprechende Sollwerte idw und iqw für den impulsförmigen Längsstrom id bzw. den Quer- ström iq. Der Regelungsalgorithmus der Auswerteeinrichtung 27 berücksichtigt dabei insbesondere die Istwerte id und iq des Längs- bzw. Querstroms. Die feldorientierte Regelung 26 gibt auf Grund eines Vergleiches der Strom-Sollwerte idw und iq„ mit den zugehörigen Istwerten id und iq Sollwerte für die Längsspannung ud bzw. die Querspannung uq aus. Diese Soll¬ werte ud und uq werden unter Zuhilfenahme des Rotorlagewin¬ kels θ mittels Koordinatentransformation in die Stellgrößen Uus, Uvs und uws der drei Ständerspannungen umgewandelt. Die Koordinatentransformation zur Bestimmung des aktuellen Längsstroms id sowie des aktuellen Querstroms iq - und damit der entsprechenden Istwerte id bzw. iq - erfolgt mittels des Funktionsbausteins 28. Die Koordinatentransformation zur Be¬ stimmung der Stellgrößen UτJS, uVs und uws erfolgt mittels des Funktionsbausteins 29.Within the control unit 20 based on the rotor position angle θ ¬ and the three phase currents i σ, i v, iw by means of coordination dinatentransformation the current-axis current i d and the current cross-current i q calculated. An evaluation device 27 determines by means of a special control algorithm ¬ of the torque command value M w hand corresponding setpoints idw i qw and for the pulse-shaped axis current i d and the cross Ström i q. The control algorithm of the evaluation device 27 takes into account in particular the actual values i d and i q of the longitudinal or transverse flow. On the basis of a comparison of the current setpoints i dw and i q "with the associated actual values i d and i q, the field-oriented control 26 outputs desired values for the longitudinal voltage u d or the transverse voltage u q . These setpoint values u ¬ d and Rotorlagewin kels ¬ θ ws means of coordinate transformation in the manipulated variables Uus, Uvs and u of the three stator voltages u q with the aid converted. The coordinate transformation for determining the current longitudinal current i d and the current cross-current i q - and thus of the corresponding actual values i d and i q - by means of the function block 28 the coordinate transformation to Be ¬ humor of the manipulated variables Uτ JS, u V s and u ws takes place by means of the function module 29.
Da der Läufer 4 auf Grund des AlNiCo-Magnetwerkstoffs der Dauermagnete 6 relativ einfach auf- und abmagnetisierbar ist, kann das permanentmagnetische Läuferfeld, d. h. das Magnet¬ feld des Läufers 4 in dessen Höhe verstellt werden. Die Ver¬ stellung des Läuferfeldes erfolgt dabei im Wesentlichen in Abhängigkeit von der Drehzahl n der Synchronmaschine bzw. des VP-Motors 1. Während bei vergleichsweise kleinen Drehzahlen nθ bis nl (FIG 7) der VP-Motor 1 mit maximalem Läuferfeld arbeitet, wird mit steigender Drehzahl nl, n2, n3 das Läuferfeld durch Ummagnetisierung der Dauermagnete 6 zunehmend ab¬ gesenkt. Die aktuelle Drehzahl n des VP-Motors 1 kann aus der Änderung der Rotorlage θ ermittelt werden.Since the rotor 4 is due to the AlNiCo magnetic material of the permanent magnets 6 relatively easy to abmagnetisierbar and demagnetizable, the permanent magnetic rotor field, ie the magnetic ¬ field of the rotor 4 can be adjusted in its height. The Ver ¬ position of the rotor field is carried out essentially as a function of the speed n of the synchronous machine or the VP motor 1. While at comparatively low speeds nθ to nl (FIG 7), the VP motor 1 operates with maximum rotor field, is with increasing speed nl, n2, n3 the rotor field by reversal magnetization of the permanent magnets 6 increasingly from ¬ lowered. The current speed n of the VP motor 1 can be determined from the change in the rotor position θ.
Die Ummagnetisierung der Dauermagnete 6 erfolgt gemäß der Darstellung nach FIG 7 vorzugsweise in diskreten Stufen. Figur 7 zeigt dabei das Magnetisierungsniveau Ψ des Läufers 4 als Funktion der Drehzahl n. Dabei wird das auf der Ordinate (y-Achse) quantitativ angegebene Magnetisierungsniveau Ψ au¬ ßerhalb bestimmter Drehzahlbereiche Δn stufenartig abgesenkt bzw. angehoben. Dabei gibt das Magnetisierungsniveau Ψo den voll aufmagnetisierten Magnetisierungszustand der Dauer- magnete 6 und damit des permanent magnetischen Läufers 4 an. Die Magnetisierungsniveaus Ψi, Ψ2, Ψ3 geben zunehmend redu¬ zierte Magnetisierungszustände der Dauermagnete 6 an. Die Um¬ magnetisierung zwischen diesen Magnetisierungszuständen oder -niveaus erfolgt durch die kurzzeitigen, impulsartigen Längs- ströme id in der bereits vorhandenen dreiphasigen Ständerwicklung U, V, W. Diese wicklungsspezifischen Ummagnetisierungsströme oder Längsströme id unterscheiden sich in deren räumlicher Phasenlage - und damit in deren Phasenlage relativ zur durch den Lagegeber 21 erfassten Winkelposition θ des Läufers 4 - von den drehmomentbildenden Querströmen iq in den Ständerwicklungen U, V, W des Ständers 2. Die drehmomentbildenden Querströme iq erzeugen dabei ein Magnetfeld senkrecht zur Magne¬ tisierungsrichtung des Läufers 4, während die ummagnetisie- renden feldbildenden Längsströme Id in Richtung des Läufers 4 magnetisieren und dadurch das Permanent-Magnetfeld des Läu¬ fers 4 (Läuferfeld) gezielt beeinflussen. Ein negativer Längsstrom (-)Id führt dabei zur Abmagnetisierung der Dauer¬ magnete 6, während ein positiver Längsstrom (+)Id zur Auf¬ magnetisierung der Dauermagnete 6 und damit des Läufers 4 führt. Mit zunehmender Drehzahl n werden somit die Dauermagnete 6 zunehmend abmagentisiert, so dass mit steigender Drehzahl n eine entsprechende Feldschwächung erreicht wird.The remagnetization of the permanent magnets 6 is carried out according to the illustration of FIG 7, preferably in discrete stages. 7 shows the magnetization level of the rotor 4 shows Ψ n as a function of speed. In this case, the quantity indicated on the ordinate (y-axis) magnetization level Ψ au ¬ is ßerhalb certain speed ranges .DELTA.n lowered stepwise or raised. In this case, the magnetization level Ψo indicates the fully magnetized state of magnetization of the permanent magnets 6 and thus of the permanent magnetic rotor 4. The magnetization levels .psi.i, Ψ 2 Ψ 3 indicate increasingly redu at ¬ ed states of magnetization of the permanent magnets. 6 The Um ¬ magnetization between these magnetization states or levels is effected by the short-term, pulse-like longitudinal currents i d in the existing three-phase stator winding U, V, W. These winding-specific Ummagnetisierungsströme or longitudinal currents i d differ in their spatial phase position - and thus in their phase relative to the detected by the position sensor 21 angular position θ of the rotor 4 - of the torque-forming cross currents i q in the stator windings U, V, W of the stator. 2 the torque-forming cross-currents i q thereby produce a magnetic field perpendicular to Magne ¬ tisierungsrichtung of the rotor 4, while the ummagnetisie- in power field-forming longitudinal currents I magnetize d in the direction of the rotor 4, and thereby the permanent magnetic field of the Läu ¬ fers 4 (rotor field) selectively influenced. A negative longitudinal current (-) I d leads to the demagnetization of the duration ¬ magnets 6, while a positive longitudinal current (+) I d to ¬ magnetization of the permanent magnet 6 and thus the rotor 4 leads. As the rotational speed n increases, the permanent magnets 6 are thus increasingly removed, so that a corresponding field weakening is achieved with increasing rotational speed n.
Gemäß der Darstellung nach FIG 7 arbeitet der VP-Motor 1 dem- nach bei vergleichsweise niedrigen Drehzahlen n im Bereich zwischen nθ und nl (nθ < n < nl) mit voll aufmagnetisierten Dauermagneten 6. In mittleren Drehzahlbereichen zwischen nl und n2 oder zwischen n2 und n3 (nl < n < n3) sowie bei vergleichsweise hohen Drehzahlen oberhalb von n3 (n > n3) ar- beitet der VP-Motor 1 mit vergleichsweise niedrigem Magneti¬ sierungsniveau der Dauermagnete 6.According to the illustration in FIG. 7, the VP motor 1 thus operates at comparatively low rotational speeds n in the range between nθ and nl (nθ <n <nl) with fully magnetized permanent magnet 6. In middle rotational speed ranges between n1 and n2 or between n2 and n3 (nl <n <n3) and at relatively high speeds in excess of n3 (n> n3) of the ar- VP-1 beitet motor with a comparatively low Magneti ¬ sierungsniveau of the permanent magnets. 6
Zur Kompensation des sogenannten Erinnerungs-Effektes der Dauermagnete 6 und damit des permanentmagnetischen Läufers 4 erfolgt mittels des Regelalgorithmus der Auswerteeinrichtung 27 eine mindestens zweistufige Einstellung des Magnetisie¬ rungszustandes der Dauermagnete 6 in Abhängigkeit von der ak¬ tuellen Drehzahl n. Dazu wird in einer ersten Stufe ein im- pulsförmiger Längsstrom id von der Regeleinheit 20 betrags- mäßig derart eingestellt und den Wicklungssträngen U, V, W des Ständers 2 aufgeprägt, dass die Dauermagnete 6 zunächst zu¬ mindest annähernd vollständig aufmagnetisiert werden. Dies entspricht einer Reset-Funktion, die stets zu einem defi- nierten Ausgangszustand des Magnetisierungsniveaus der Dauer¬ magnete 6 des Läufers 4 führt. Erst in einer darauffolgenden Stufe wird mindestens ein weiterer impulsartiger Längsstrom id den Wicklungssträngen U, V, W des Ständers 2 aufgeprägt, um die Dauermagnete 6 und damit den Läufer 4 entsprechend dem gewünschten oder erforderlichen Grad der Feldschwächung oder Feldverstärkung in Abhängigkeit von der aktuellen Drehzahl n umzumagnetisieren, d. h. ab- bzw. aufzumagnetisieren .To compensate for the so-called memory effect of the permanent magnets 6 and thus of the permanent magnetic rotor 4 is carried out by means of the control algorithm of the evaluation 27 an at least two-stage setting of Magnetisie ¬ tion state of the permanent magnets 6 in response to the ak ¬ tual speed n. This is in a first stage an amplitude-shaped longitudinal flow i d of the control unit 20 such set and the winding strands U, V, W of the stator 2 imprinted that the permanent magnets 6 are first at least approximately fully magnetized ¬ . This corresponds to a reset function which always leads to a definite nierten initial state of the magnetization level of the duration ¬ magnets 6 of the rotor 4 leads. Only in a subsequent stage, at least one further pulse-like longitudinal current i d the winding strands U, V, W of the stator 2 impressed to the permanent magnets 6 and thus the rotor 4 according to the desired or required degree of field weakening or field gain as a function of the current speed n umzumagnetisieren, ie off or aufzumagnetisieren.
Die Wirkungsweise der Reset-Funktion zur Kompensation des Erinnerungs-Effektes lässt sich anhand der in den FIG 8 und 9 dargestellten B-H-Diagramme mit den darin ausschnittsweise dargestellten Hystereseverläufen des AlNiCo-Magnetmaterials der Dauermagnete 6 veranschaulichen. Durch die Ziffern (1) und (1*) in FIG 8 sind unterschiedliche Ausgangszustände oder Magnetisierungsniveaus eines solchen Magnetwerkstoffes ange¬ deutet. Deren Remanenz oder Remanzinduktion ist entlang der die magnetische Induktion B angebenden Ordinate (y-Achse) so¬ wohl betragsmäßig als auch hinsichtlich der Richtung unter- schiedlich. Eine Ummagnetisierung erfordert daher auch verschiedene Koerzitivfeidstärken und demzufolge unterschiedli¬ che Feldstärken H eines auf die AlNiCo-Dauermagneten 6 wirkenden äußeren Magnetfeldes, d. h. des auf den Läußer 4 und damit auf die Dauermagnete 6 wirkenden Ständerdrehfeldes des VP-Motors 1.The mode of action of the reset function for compensating for the reminder effect can be illustrated with reference to the BH diagrams shown in FIGS. 8 and 9 with the hysteresis curves of the AlNiCo magnetic material of the permanent magnets 6 shown therein in detail. By the numerals (1) and (1 *) in FIG 8 are different starting states of magnetization or indicated levels of such a magnetic material is ¬. Their retentivity or Remanzinduktion is along the magnetic induction B indicating ordinate (y-axis) as well ¬ magnitude and in terms of the sub direction different. Therefore, a magnetization reversal requires various Koerzitivfeidstärken and consequently differing ¬ che field strength H of a force acting on the AlNiCo permanent magnet 6 external magnetic field, that is, the forces acting on the Läußer 4 and thus to the permanent magnets 6 stator rotating field of the VP-motor. 1
Ausgehend von diesen unterschiedlichen Ausgangszuständen würde derselbe Längsstrom id zu verschiedenen Magnetisie- rungszuständen der Dauermagnete 6 führen. Um dies zu vermei- den, wird in der ersten Stufe mittels der Regeleinheit 20 zu¬ nächst ein impulsartiger Längsstrom id-max eingestellt, der zu einem voll aufmagnetisierten Zustand der Dauermagnete 6 führt. Dadurch stellt sich in der ersten Stufe unabhängig vom Ausgangszustand (1) und (1*) stets der mit der Ziffer (2) an- gedeutete Magnetisierungszustand ein. Wird dieser Längsstrom id-max nach Ablauf einer entsprechend eingestellten Im¬ pulsdauer t abgeschaltet, stellt sich der mit der Ziffer (4) angedeutete Magnetisierungszustand unabhängig vom Ausgangs¬ zustand (1) oder (1*) des Dauermagneten 6 ein.Based on these different output states, the same longitudinal current i d would lead to different magnetization states of the permanent magnets 6. In order to avoid this the, in the first stage by means of the control unit 20 to the next ¬ a pulse-like direct-axis current i d - m a x set, leading to a fully magnetized state of the permanent magnets. 6 As a result, in the first stage, regardless of the initial state (1) and (1 * ), the magnetization state indicated by the numeral (2) always sets in. If this axis current i d - m a x after a set corresponding to the pulse-duration-off ¬ t, arises of the numeral (4) indicated magnetization state regardless of the starting state ¬ (1) or (1 * ) of the permanent magnet 6 a.
Mittels dieser Reset-Funktion während der ersten Stufe der Aufprägung eines impulsförmigen Längsstroms id auf die Stän¬ derwicklung U, V, W kann praktisch jeder beliebige Arbeitspunkt, beispielsweise auch ein durch die Ziffer (3) angedeu¬ tete Arbeitspunkt über den durch die Ziffer (5) angedeuteten Magnetisierungszustand mit einem definierten entmagnetisie- renden Längsstrom id während der zweiten Stufe erreicht werden .By means of this reset function during the first step of impressing a pulse-shaped longitudinal current i d to the STAs ¬ of winding U, V, W can be virtually any desired operating point, for example, a angedeu ¬ by the numeral (3) preparing operating on the by the numeral (5) indicated magnetization state can be achieved with a defined demagnetizing longitudinal flow i d during the second stage.
Wie durch die Darstellung gemäß FIG 9 veranschaulicht, führt diese Reset-Funktion zudem dazu, dass auch bei verschiedenen Magnetisierungszuständen einzelner radialer Magnetlagen der Dauermagneten 6 durch den während der ersten Stufe initiierten Magnetisierungs- oder Längsstrom id-max alle Magnetlagen des Dauermagneten 6 in einen zumindest annähernd gleichen voll aufmagnetisierten Magnetisierungszustand überführt wer- den. Die Ausgangs- und Endmagnetisierungszustände unter¬ schiedlicher radialer Magnetlagen sind wiederum durch die Ziffern (1) und (2) angedeutet. So erreichen alle Magnetlagen des Dauermagneten 6 unabhängig von deren Ausgangszustand (1) oder (2) entlang des Hystereseverlaufes bei eingeschaltetem Längsstrom id-max auf der entsprechenden Hystereselinie den Zustand vollständiger Magnetisierung. Wird der während der ersten Stufe initiierte Längsstrom id-max nach Ablauf der Im¬ pulsdauer t abgeschaltet, so erreichen die unterschiedlichen Magnetlage die im zweiten Quadranten des B-H-Diagramms nach FIG 9 wiederum durch die Ziffern (1) und (2) angedeutetenAs shown by the illustration according illustrates FIG 9, this reset function leads also to the fact that single or in different magnetization states radial magnetic layers of the permanent magnets 6 by the initiated during the first stage magnetization or longitudinal current i d - m a x all the magnetic layers of the permanent magnet 6 are converted into an at least approximately the same fully magnetized magnetization state. The initial and final magnetization states under ¬ different radial magnetic layers are in turn indicated by the numerals (1) and (2). Thus, all the magnetic layers reach the permanent magnets 6 independently of the output state (1) or (2) along the longitudinal Hystereseverlaufes when the current i d - m a x on the corresponding Hystereselinie the state of complete magnetization. If the initiated during the first stage axis current i d - m a x after the In ¬ pulse duration off t, so reach the different magnetic layer in the second quadrant of the BH diagram of Figure 9 again by the numerals (1) and (2) indicated
Magnetisierungszustände entlang desselben Verlaufs der maxi¬ malen äußeren Hysterese (Reset erfolgt) . Demzufolge werden mittels eines definierten Längsstroms id während der zweiten Stufe für alle Magnetlagen des Dauermagneten 6 unterschied- liehe, aber reproduzierbare Magnetisierungszustände unabhän¬ gig vom Ausgangszustand erreicht. Die beschriebene Regelungsstrategie mit zweistufiger Aufprä¬ gung eines den Magnetisierungszustand eines variabel perma- netmagnetischen Läufers 4 ändernden impulsförmigen Längsstroms id auf die Ständerwicklung U, V, W einer Synchronmaschi- ne 1 führt auch bereits dann zu einem erheblich verbesserten Betriebsverhalten bei mittleren und hohen Drehzahlen n, wenn die lauferseitigen Dauermagnete nicht oder vergleichsweise wenig tief im Läufer oder Läufermaterial versenkt angeordnet sind. Die beschriebene zweistufige Regelungsstrategie eignet sich daher vorteilhafterweise auch bei anderen Ausführungen des Läufers, beispielsweise mit Oberflächenmagneten oder mit trapezförmigen Speichenmagneten. Magnetization states along the same course of the maxi ¬ outer outer hysteresis (reset done). Accordingly, by means of a defined longitudinal current i d during the second stage for all magnetic layers of the permanent magnet 6 different borrowed, but reproducible magnetization states inde ¬ independently achieved from the initial state. The control strategy described with two-stage Aufprä ¬ tion of the magnetization state of a variable permagnetagnetic rotor 4 changing pulse-shaped longitudinal current i d on the stator winding U, V, W synchronous machine 1 leads already to a significantly improved performance at medium and high speeds n, when the rotor-side permanent magnets are not or relatively little sunk in the rotor or rotor material arranged. The described two-stage control strategy is therefore advantageously also in other embodiments of the rotor, for example with surface magnets or with trapezoidal spoke magnets.

Claims

Patentansprüche claims
1. Permanenterregte Synchronmaschine (1) mit einem eine Ständerwicklung zur Erzeugung eines Drehfeldes aufweisen- den Ständer (2), der unter Bildung eines Luftspaltes (3) einen ein dauermagnetisches Läufermaterial aufweisenden Läufer (4) umgibt, in den eine Anzahl von mittels eines feldbildenden Längsstroms (id) auf- und abmagnetisierbare Dauermagnete (6) integriert sind, wobei die Dauermagnete (6) im Läufer (4) bzw. im Läufermaterial (4λ) versenkt angeordnet sind.1. Permanent-magnet synchronous machine (1) with a stator winding for producing a rotating field exhibiting the stator (2), which forms an air gap (3) a permanent magnetic rotor material having rotor (4), in which a number of means of a field-forming Longitudinal current (i d ) are integrated and demagnetizable permanent magnets (6), wherein the permanent magnets (6) in the rotor (4) or in the rotor material (4 λ ) are arranged sunk.
2. Synchronmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauermagnete (6) im Läu- fermaterial (4λ) speichenartig angeordnet sind.2. Synchronous machine according to claim 1, characterized in that the permanent magnets (6) in the finer material (4 λ ) are arranged like a spoke.
3. Synchronmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauermagnete (6) eine gegenüber der radialen Läufermaterialdicke (a) kleine ra- diale Abmessung (d) aufweisen.3. Synchronous machine according to claim 1 or 2, characterized in that the permanent magnets (6) have a relation to the radial rotor material thickness (a) small radial dimension (d).
4. Synchronmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauermagnete (6) unter Bildung eines radialen Abstandes (c) zum Luftspalt (3) in das dauermagnetische Läufermaterial (4λ) eingesetzt sind.4. Synchronous machine according to one of claims 1 to 3, characterized in that the permanent magnets (6) to form a radial distance (c) to the air gap (3) in the permanent-magnetic rotor material (4 λ ) are used.
5. Synchronmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauermagnete (6) vier¬ eckig, insbesondere rechteckförmig oder quadratisch, sind.5. Synchronous machine according to one of claims 1 to 4, characterized in that the permanent magnets (6) are four ¬ angular, in particular rectangular or square.
6. Synchronmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauermagnete (6) mit de¬ ren Längsseite dem Luftspalt (3) zugewandt sind.6. Synchronous machine according to claim 4, characterized in that the permanent magnets (6) with de ¬ ren longitudinal side facing the air gap (3).
7. Synchronmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauermagnete (6) zum Luftspalt (3) hin verdeckt sind. 7. Synchronous machine according to one of claims 1 to 6, characterized in that the permanent magnets (6) to the air gap (3) are concealed out.
8. Synchronmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauermagneten (6) mit¬ tels nichtmagnetischer Abdeckungen (10) verdeckt sind.8. Synchronous machine according to claim 7, characterized in that the permanent magnets (6) are covered with ¬ means of non-magnetic covers (10).
9. Synchronmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Läufermaterial (4λ) eine der Anzahl der Dauermagnete (6) entsprechende Anzahl von sich entlang des Umfangs des Läufers (4) erstreckenden Aufnahmenuten (7) zur Aufnahme der Dauermagnete (6) vorgesehen sind.9. Synchronous machine according to one of claims 1 to 8, characterized in that in the rotor material (4 λ ) one of the number of permanent magnets (6) corresponding number of along the circumference of the rotor (4) extending receiving grooves (7) for receiving the permanent magnets (6) are provided.
10. Synchronmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die lichte Weite der Auf- nahmenuten (7) im Bereich des Nutbodens größer oder gleich der lichten Weite im Bereich der dem Luftspalt (3) zugewandten Nutöffnung ist .10. Synchronous machine according to claim 9, characterized in that the clear width of the receiving grooves (7) in the region of the groove bottom is greater than or equal to the clear width in the region of the air gap (3) facing slot opening.
11. Synchronmaschine nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmenuten (7) unter Bildung zweier Aufnahmeräume stufig ausgebildet sind, wo¬ bei die Dauermagnete (6) im dem Luftspalt (3) abgewandten Aufnahmeraum der jeweiligen Aufnahmenut (7) einliegen.11. Synchronous machine according to claim 9 or 10, characterized in that the receiving grooves (7) are formed stepwise to form two receiving spaces, where ¬ in the permanent magnets (6) in the air gap (3) facing away from the receiving space of the respective receiving groove (7) einliegen.
12. Synchronmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass am Umfang des Läufers (4) eine Anzahl von Flusssperren (12) zur Absenkung einer Querinduktivität angeordnet sind.12. Synchronous machine according to one of claims 1 to 11, characterized in that on the circumference of the rotor (4) a number of flow barriers (12) are arranged for lowering a transverse inductance.
13. Synchronmaschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Flusssperren (12) recht- eckförmig sind.13. Synchronous machine according to claim 12, characterized in that the flow barriers (12) are rectangular.
14. Synchronmaschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Flusssperren (12) drei- eckförmig sind. 14. Synchronous machine according to claim 12, characterized in that the flow barriers (12) are triangular-shaped.
15. Synchronmaschine nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Flusssperren (12) mit zum Luftspalt (3) hin gerichteter, vorzugsweise an diesen unmittelbar angrenzender, Dreieckspitze (13) im Läufer (4) angeordnet sind.15. Synchronous machine according to claim 14, characterized in that the flow barriers (12) with the air gap (3) directed towards, preferably at this immediately adjacent, triangular tip (13) in the rotor (4) are arranged.
16. Synchronmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetmaterial der Dau¬ ermagnete (6) AlNiCo oder FeCrCo ist.16. Synchronous machine according to one of claims 1 to 15, characterized in that the magnetic material of the Dau ¬ ermagnete (6) AlNiCo or FeCrCo is.
17. Synchronmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Polzahl (2p) ent¬ sprechende Anzahl von Dauermagneten (6) am Umfang des Läufers (4) verteilt angeordnet ist.17. Synchronous machine according to one of claims 1 to 16, characterized in that one of the number of poles (2p) ent ¬ speaking number of permanent magnets (6) distributed on the circumference of the rotor (4) is arranged.
18. Synchronmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 17, gekennzeichnet durch zwischen den Dauermagneten (6) angeordnete Blechpakete oder Läufer joche (4λ) zur Führung des magnetischen Flusses.18. Synchronous machine according to one of claims 1 to 17, characterized by between the permanent magnet (6) arranged laminated cores or rotor yokes (4 λ ) for guiding the magnetic flux.
19. Synchronmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauermagnete (6) in Richtung des Umfang des Läufers (4) magnetisiert sind.19. Synchronous machine according to one of claims 1 to 18, characterized in that the permanent magnets (6) are magnetized in the direction of the circumference of the rotor (4).
20. Synchronmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Ständerwicklung als Bruchlochwicklung ausgeführt ist.20. Synchronous machine according to one of claims 1 to 19, characterized in that the stator winding is designed as a broken hole winding.
21. Verwendung einer variabel permanenterregten Synchronma- schine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 20 als Motor zur Drehmomenterzeugung oder als Generator zur Leistungserzeugung in einem Hybrid-Fahrzeug.21. Use of a variably permanent-magnet synchronous machine (1) according to one of claims 1 to 20 as a motor for generating torque or as a generator for generating power in a hybrid vehicle.
22. Verfahren zum Betreiben einer variabel permanenterregten Synchronmaschine (1), insbesondere nach einem der Ansprü¬ che 1 bis 20, mit einem Ständer (2) mit einer ein Drehfeld erzeugenden Ständerwicklung (U, V, W), und mit einem Läufer (4) mit integrierten Dauermagneten (6), wobei der Ständerwicklung zur Einstellung des Magnetisierungszustandes der lauferseitigen Dauermagnete (6) ein insbesondere impulsartiger Längsstrom (id) mindestens zweistufig aufgeprägt wird, - wobei in einer ersten Stufe die Dauermagnete (6) zu¬ mindest annähernd vollständig aufmagnetisiert werden, und wobei in einer zweiten Stufe die Dauermagnete (6) um- magnetisiert oder zumindest teilweise abmagnetisiert werden.22. A method for operating a variably permanent magnet synchronous machine (1), in particular according to one of Ansprü ¬ che 1 to 20, with a stator (2) having a rotating field generating stator winding (U, V, W), and with a rotor (4 ) with integrated permanent magnets (6), wherein the stator winding for setting the magnetization state of the rotor-side permanent magnets (6) a particular pulse-like longitudinal flow (i d ) is impressed at least two stages, - wherein in a first stage, the permanent magnets (6) to ¬ at least approximately completely magnetized, and wherein in a second Stage the permanent magnets (6) re-magnetized or at least partially demagnetized.
23. Verfahren nach Anspruch 22, bei dem mittels feldorientierter Regelung (26) bezogen auf ein läuferfestes d-q- Koordinatensystem ein drehmomentbildender Querstrom (iq) und/oder ein zur Magnetisierung der Dauermagnete (6) dienender feldbildender Längsstrom (id) zur bedarfsweisen Feldschwächung oder Feldverstärkung eingestellt wird.23. The method of claim 22, wherein by means of field-oriented control (26) based on a rotor-fixed dq coordinate system, a torque-forming cross-flow (i q ) and / or a magnetization of the permanent magnets (6) serving field-forming longitudinal flow (i d ) for field weakening as needed or field gain is set.
24. Verfahren nach Anspruch 22 oder 23, bei dem in der zwei- ten Stufe der Grad der Magnetisierung der Dauermagnete24. The method of claim 22 or 23, wherein in the second stage the degree of magnetization of the permanent magnets
(6) in Abhängigkeit von mindestens einem Betriebspara¬ meter, insbesondere eines Soll-Drehmomentes (Mw) , der Drehzahl (n) und/oder des Lagewinkels (θ) des Läufers(6) depending on at least one Betriebspara ¬ meter, in particular a desired torque (M w ), the rotational speed (n) and / or the attitude angle (θ) of the rotor
(4), eingestellt wird.(4).
25. Vorrichtung zum Betreiben, zur Regelung oder zur Steuerung einer variabel permanenterregten Synchronmaschine (1), insbesondere eines VP-Motors in einem Hybrid-Fahr- zeug, - mit einem eine Ständerwicklung mit einer Anzahl von Wicklungssträngen (U, V, W) aufweisenden Ständer (2), mit einem mit variabel magnetisierbaren Dauermagneten (6) versehenen Läufer (4), und mit einer Regeleinheit (20), die mittels feldorien- tierter Regelung (26) und eines einen mindestens zwei¬ stufigen impulsartigen Längsstrom (id) einstellenden Regelalgorithmus (27) anhand von Eingangsinformationen für die Rotorlage (θ) des Läufers (4) und für die Ist- Werte (iu, iv,iw) von Strangströmen der Ständerwicklung unter Vorgabe eines Drehmoment-Sollwertes (Mw) Stell¬ größen (uus, Uvs, uws) zur Einstellung von Spannungswerten (Ug, Uv bzw. uw) für die Wicklungsstränge (U, V, W) er- zeugt .25. Apparatus for operating, regulating or controlling a variably permanently excited synchronous machine (1), in particular a VP motor in a hybrid vehicle, having a stator winding with a number of winding strands (U, V, W) stand (2), with a provided with variably magnetizable permanent magnet (6) rotor (4), and with a control unit (20) by means of feldorien--oriented control (26) and a one of at least two ¬-stage pulse-like longitudinal current (i d) adjusting control algorithm (27) based on input information for the rotor position (θ) of the rotor (4) and for the actual Values (i u, i v, i w) of phase currents of the stator winding by presetting a desired torque value (M w) adjusting ¬ sizes (UUS, Uvs, u ws) for setting voltage values (Ug, U v and u w) the winding strands (U, V, W) generate.
26. Vorrichtung nach Anspruch 25, bei der der Regelalgorithmus (27) anhand des Drehmoment-Sollwertes (Mw) sowie des Istwertes (id) des feldbildenden Längsstroms und eines Istwertes (iq) eines drehmomentbildenden Querstroms einen Sollwert (idw) für den Längsstrom und einen Sollwert (iq„) für den Querstrom ermittelt.26. The apparatus of claim 25, wherein the control algorithm (27) based on the torque setpoint (M w ) and the actual value (i d ) of the field-forming longitudinal current and an actual value (i q ) of a torque-forming cross-flow setpoint (i dw ) for determines the longitudinal flow and a setpoint (i q ") for the cross flow.
27. Vorrichtung nach Anspruch 25 oder 26, bei der die feld- orientierte Regelung (26) anhand eines Vergleichs des27. The apparatus of claim 25 or 26, wherein the field-oriented control (26) based on a comparison of
Istwertes (id) und des Sollwertes (idw) des Längsstroms einerseits und anhand eines Vergleichs des Istwertes (iq) und des Sollwertes (iq„) des Querstroms andererseits Sollwerte (ud,uq) für die Längs- bzw. Querspannung aus- gibt.Actual value (i d) and the reference value (IDW) of the longitudinal current on the one hand and on the basis of a comparison of the actual value (i q), and the nominal value (i q ") of the cross current on the other hand set values (u d, u q) for the longitudinal and transverse voltage output.
28. Vorrichtung nach Ansprüche 27, bei der ein Funktionsbau¬ stein (29) zur Koordinatentransformation anhand der Rotorlage (θ) den Sollwert (ud) für die Längsspannung bzw. den Sollwert (uq) für die Querspannung in die Stellgrößen (uus, Uvs? UWS) umwandelt.28. Device according to claim 27, wherein a function block ¬ (29) for coordinate transformation based on the rotor position (θ) the setpoint value (u d ) for the longitudinal voltage or the desired value (u q ) for the transverse voltage in the manipulated variables (uus, Uvs? U WS ).
29. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 25 bis 28, bei der ein Funktionsbaustein (28) zur Koordinatentransformation anhand der Rotorlage (θ) und der Ist-Werte (iu,iv,iw) der Strangströme den Längsstrom-Istwert (id) bzw. den Quer¬ strom-Istwert (iq) bestimmt.29. Device according to one of claims 25 to 28, wherein a function block (28) for coordinate transformation based on the rotor position (θ) and the actual values (i u , i v , i w ) of the phase currents, the longitudinal current actual value (i d ) and the cross ¬ actual current value (i q) is determined.
30. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 25 bis 29, mit einer Einrichtung (23) zur Pulsweitenmodulation (PWM) und mit einem leistungselektronischen Umrichter (24) zur Umwandlung der Stellgrößen (uuS,Uvs/UBS) in die Spannungswerte30. Device according to one of claims 25 to 29, comprising means (23) for pulse width modulation (PWM) and with a power electronic converter (24) for converting the manipulated variables (uu S , Uvs / U BS ) in the voltage values
(Ug, Uv, Uw) . (Ug, Uv, Uw).
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