WO2015176936A2 - Rotor für eine synchronmaschine - Google Patents

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WO2015176936A2
WO2015176936A2 PCT/EP2015/059465 EP2015059465W WO2015176936A2 WO 2015176936 A2 WO2015176936 A2 WO 2015176936A2 EP 2015059465 W EP2015059465 W EP 2015059465W WO 2015176936 A2 WO2015176936 A2 WO 2015176936A2
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rotor
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Falko Friese
Daniel Ruppert
Berthold Schinnerl
Nuno Miguel Silva Cerqueira
Christoph Sudan
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Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
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    • H02P9/10—Control effected upon generator excitation circuit to reduce harmful effects of overloads or transients, e.g. sudden application of load, sudden removal of load, sudden change of load
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    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
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Definitions

  • the invention relates to a rotor for a synchronous machine, in particular for a synchronous machine which drives a motor vehicle or forms part of a range extender, and a corresponding synchronous machine.
  • Such electrical machines may be externally-excited synchronous machines which carry an exciter coil on their rotor for generating a necessary magnetic field.
  • the energization of the excitation coil arranged on the rotor can be achieved brushlessly by transferring energy to the rotor via an inductive rotary transformer (rotating transformer) and supplying the exciter coil with the transmitted energy for generating the magnetic field.
  • an AC voltage generated at a coil is converted by the rectifier in a voltage applied to the exciter coil DC voltage or rectified on the rotor.
  • a rapid de-energizing or demagnetizing the excitation coil is desirable to achieve a safe state.
  • a third-excited synchronous machine with a demagnetization circuit arranged on the corresponding rotor is known.
  • the demagnetization circuit ensures after switching off the Drehübertragers for a quick demagnetization of the excitation coil, however, is circuitous consuming,
  • the inventors have recognized that in addition to the high-speed demagnetization, protection of the rectifier against induced voltages generated at the exciter coil, which occur due to undesired electromagnetic interactions between the stator and the rotor, is desirable.
  • At least the object of the present invention is to provide a rotor which is alternative to the prior art or an alternative synchronous machine
  • the rotor comprises an exciting coil for generating a magnetic field necessary for rotating the rotor in a stator of the synchronous machine, and a supply circuit capable of being fed without contact energy such that the supply circuit couples the exciting coil to generate the magnetic field Energy supplied.
  • the supply circuit includes, for example, a secondary side of an inductive rotary transformer and a rectifier, which generates a through the secondary side of the rotary transformer AC voltage in a voltage applied to the excitation coil DC voltage converts.
  • a primary side of the rotary transformer is arranged on the stator, in which the rotor according to the invention is used, wherein the energy necessary for excitation of the excitation coil or for generating the magnetic field is inductively transmitted to the rotor or the supply circuit containing the secondary side is supplied.
  • a demagnetization circuit is provided for demagnetizing the excitation coil, the demagnetization circuit, when the energizing coil of the excitation coil breaks down, diverts a current generated by the excitation coil or flowing through the excitation coil into a circuit branch in which at least one component provided for demagnetizing the excitation coil is arranged which also performs a protective function for protecting the supply circuit from an induction voltage generated at the exciter coil.
  • the circuit complexity can be kept low.
  • the at least one component preferably assumes the protective function for protecting the supply circuit from the induction voltage during the energy supply of the excitation coil taken over by the supply circuit and also during / after the energy supply of the excitation coil that is taken over by the supply circuit collapses.
  • the at least one component is a component which reduces its resistance from a value of the induction voltage, wherein the demagnetization circuit is arranged, upon collapse of the power supply of the excitation coil taken over by the supply circuit, the voltage generated by the exciter coil or the voltage jumping at the exciter coil to invert and to be applied to the circuit branch such that the current flowing through the exciting coil flows through the device.
  • a very simple passive uni-directional device such as a suppressor diode, a Zener diode or a varistor can serve both for faster demagnetization and for the protection of the supply circuit or the rectifier.
  • the demagnetization circuit has a bridge-like circuit, which is composed of two series circuits and the exciter coil in the bridge branch, wherein the two series circuits are each formed of a switch connected in series with a diode.
  • the demagnetization circuit is preferably set up such that upon collapse of the power supply of the exciter coil, the switches are switched and the diodes invert the voltage generated by the exciter coil.
  • the switching of these switches leads, in particular, to the bypassing of the current generated / flowing through the exciter coil into the circuit branch in which the at least one component is arranged.
  • the switches may be formed of transistors, for example of field effect, bipolar or IGB transistors (insulated gate bipolar transistors). These transistors preferably have antiparallel diodes (intrinsic or separately provided) which are parallel to the corresponding source-drain channels or emitter-collector junctions.
  • the switching of the switches is in the case of bipolar transistors by driving the corresponding base terminals and in the case of Field effect transistors or IGBTs performed by driving the corresponding gate terminals.
  • the demagnetization circuit is preferably arranged such that the switches are closed during the power supply of the excitation coil by the supply circuit and are opened when the power supply collapses.
  • the exciting current flowing through the exciting coil can only flow through the diodes, whereby the voltage generated at the exciting coil is inverted and applied to the component.
  • the demagnetization circuit comprises at least one driver circuit which drives the switches.
  • the driver circuit includes amaschineerticiansschaitung, the energy - for example, contactless - can be supplied so that the Schwarzerstrasschaitung a comparator with energy.
  • the comparator outputs an output signal for driving the switches.
  • the power supply of the comparator also forms the input signal of the comparator.
  • the driver circuit is constructed, for example, from an auxiliary coil of the secondary side of the rotary transformer and one of the auxiliary coil associated rectifier, or by an optocoupler.
  • the breakdown of the power supply of the comparator by the Schwarzerstrasschaitung leads to such an output signal of the comparator, that the switches of the demagnetization circuit are switched accordingly.
  • the driver circuit is preferably set up in such a way that the driver supply circuit charges a memory unit which supplies the energy to the comparator when the power supply of the comparator, which is taken over by the driver supply circuit, collapses Maintains comparator until the comparator has output the output signal to control or switch the switch.
  • the comparator is formed of a Schmitt trigger, and both the memory unit and an input threshold of the Schmitt trigger, at which the voltage supplied by the driver supply circuit drops, each have a capacitor, wherein the driver circuit is dimensioned such that a Time constant for discharging the capacitor of the input threshold is smaller than a time constant for discharging the capacitor of the storage unit.
  • the comparator thus works at least until the capacitor of the input threshold is discharged and there is a switching of the switch.
  • This design of the driver ensures a very sharp, fast and clean switching of the switch.
  • the at least one component is at least one unidirectional suppressor diode and / or at least one unidirectional varistor and / or at least one unidirectional zener diode.
  • the at least one component is preferably formed from an array of zener diodes and / or suppressor diodes and / or varistors.
  • a plurality of series circuits of a plurality of components are arranged, wherein the series circuits are connected in parallel to each other.
  • the power to be recorded is better distributed to a plurality of components present in the array or the series connection.
  • the at least one component arranged in the circuit branch may be a bi-directional component which, when the power supply taken over by the supply circuit breaks down from a value of a voltage generated by the field coil and from a value of an inverse polarity induction voltage generated at the field coil reduced. Breaks the one hand, for example, in an emergency shutdown of the synchronous machine, the energy supply of the excitation coil together, the voltage generated by the excitation coil jumps to a value corresponding to the value at which the bi-directional device reduces its resistance. This leads to a large current change of the current flowing through the exciter coil and thus to a rapid de-energizing or demagnetization of the exciter coil.
  • the resistance of the bi-directional device decreases correspondingly and absorbs the current flowing through the exciting coil.
  • the supply circuit or the rectifier is thus protected.
  • the at least one component is at least one bi-directional suppressor diode and / or at least one bi-directional varistor and / or at least one bi-directional zener diode.
  • a plurality of series circuits of a plurality of bi-directional components are arranged, wherein the series circuits are connected in parallel to each other.
  • the demagnetization circuit includes, for example, a switch in the form of a transistor which is held in its closed (conducting) state during energization of the excitation coil and is switched to its open (non-conducting) state upon breakdown of the power supply, resulting in diverting through the Excitation coil generated or flowing through the excitation coil current leads.
  • the drive signal of the transistor supplies, for example, an auxiliary coil of the rotary transformer, a transistor separately assigned rotary transformer or optocouplers.
  • the invention also relates to a synchronous machine for a motor vehicle having a rotor explained above.
  • a synchronous machine for a motor vehicle having a rotor explained above.
  • Fig. 1 shows a first embodiment of a rotor according to the invention or a synchronous machine according to the invention and the corresponding electronics, which assumes both a function for rapid demagnetization and to protect a rectifier;
  • Fig. 2 shows the structure of a driver circuit for driving a switch of a demagnetization circuit and corresponding signal waveforms of the driver circuit.
  • Fig. 3A schematically shows a waveform of an AC voltage generated on a secondary side of an inductive rotary transformer
  • Fig. 3B shows a waveform of a voltage output from a rectifier
  • Fig. 3C shows the waveform of an output voltage of the drive circuits shown in Fig. 1;
  • Fig. 3D shows a waveform of the current flowing through the exciting coil
  • Fig. 4 shows schematically a second preferred embodiment of a rotor according to the invention or a synchronous machine according to the invention and the corresponding electronics, which assumes both a function for rapid demagnetization and for the protection of a rectifier.
  • Fig. 1 shows a first embodiment of a rotor according to the invention or a synchronous machine according to the invention and the corresponding electronics.
  • the synchronous machine is preferably installed in a motor vehicle and forms, for example, the unit for driving the motor vehicle or is part of a range extender ("rlinde extender").
  • the electronics are provided in particular for the brushless excitation of an exciter coil LER arranged on the rotor.
  • the stator electronics arranged on the stator include an inverter 1 S which converts an AC voltage supplied from a power source (not shown), for example, a vehicle battery, which is preferably in a range of 250V to 450V to an AC voltage.
  • a power source for example, a vehicle battery, which is preferably in a range of 250V to 450V to an AC voltage.
  • a coil L1 S which forms a primary side of a rotary transformer is connected to the inverter 1 S.
  • the rotor of the synchronous machine rotor electronics which includes a supply circuit 1 R with a coil L1 R and a rectifier 2R, wherein the coil L1 R forms the secondary side of the rotary transformer.
  • the rectifier 2R is preferably composed of two series circuits a two diodes D1 R, D4R and D2R, D3R, ergo a total of four diodes D1 R to D4R, the rotor-side coil L1 R between the diodes D1 R, D4R and D2R, D3R at the node X2, X4 is connected to the rectifier 2R.
  • the cathodes of the diodes D1 R and D2R are connected to the node X1 and are at this potential.
  • the anodes of the diodes D3R and D4R are connected to the node X3 and are at the corresponding potential.
  • the rectifier 2R may also have a smoothing capacitor C1 R.
  • the rectifier 2R can also be realized by a different rectifier.
  • the supply circuit 1 R can be fed without power (brushless) to supply power and excitation of the excitation coil LER.
  • the energy is transmitted in the circuit shown in Fig. 1 by induction. This is due to the stator coil L1 S - the primary side of the rotary transformer - an AC voltage, the coil US builds a changing magnetic field through the AC thus occurring, which passes through the arranged on the rotor coil L1 R - the secondary side of the rotary transformer.
  • the change of the through the coil L1 S magnetic field generated results in a change of the magnetic flux density of the cross-sectional area of the coil L1 R passing through the magnetic flux, whereby an alternating voltage U A ci by induction of the coil L1 R respectively, applied to the node X2, X4 / occurs.
  • This AC voltage U A ci is rectified by the rectifier 2R, wherein the rectified voltage across the excitation coil LER drops in the form of the voltage U L shown and leads to a current flow l er through the excitation coil LER.
  • the transistors T1 R, T2R explained below are in their closed (conductive) states, collector-emitter junction conductive, switched and ideally can be considered as short circuits.
  • the demagnetization circuit of the rotor electronics has a bridge-type circuit 4R formed from two series circuits, a series circuit 3R constructed from suppressor diodes DZR1, and driver circuits G1, G2.
  • the series circuit 3R is located in a circuit branch in parallel with the rectifier 2R of the supply circuit 1R.
  • the suppressor diodes DZR1 are in the circuit branch such that they block a current flow from node X1 to node X3 below a breakdown voltage resulting from series circuit 3R.
  • the excitation coil LER is located in the bridge branch, i. at the nodes X5, X6 of the bridge-type circuit 4R.
  • a first series connection of the bridge-type circuit 4R comprises a diode D5R and a transistor T1R, which is preferably an IGB transistor.
  • the cathode of the diode D5R is at the potential of the node X1 and is connected with its anode to the collector of the transistor T1 R.
  • the emitter of the transistor T1 R is at the potential of the node X3.
  • Another diode D7R is connected in anti-parallel between the collector and emitter of the transistor T1 R.
  • a second series circuit of the bridge-type circuit 4R also includes a transistor T2R, which is preferably constructed of an identical IGB transistor, and a diode D6R which is preferably identical to the diode D5R.
  • the collector of the transistor T2R is at the potential of the node X1 and is connected with its emitter to the cathode of the diode D6R.
  • the anode of diode D6R is at the potential of node X3.
  • another diode D8R is connected in anti-parallel between the collector and emitter of the transistor T2R.
  • the suppressor diodes DZR1 take over the following function for fast de-energizing or demagnetizing the exciter coil LER.
  • the breakdown of the power supply of the excitation coil LER by the supply circuit 1 R is, as will be explained in more detail below, recognized by the driver circuits G1 and G2.
  • the driver circuits G1, G2 control the transistors T1 R, T2R in such a way that the transistors T1 R, T2R are switched or opened and the corresponding collector-emitter channels assume their non-conducting state.
  • the field coil LER When the power supply to the field coil LER is turned off, the field coil LER is known to generate reverse polarity voltage due to its endeavor to maintain current flow. Since the transistors T1 R, T2R are in their open (non-conducting) states or are off, flowing the exciting current l or via the diodes D5R, D6R, and therefore the voltage generated by the exciter coil LER is inverted, and at the series circuit 3R with the same polarity as that applied by the rectifier 2R during the power supply voltage U zk applied. The exciting coil LER generates a voltage having a value corresponding to the value of the breakdown voltage of the series circuit 3R.
  • stator coils L2S, L3S, L4S are activated during operation of the synchronous machine in such a way that there is a strong change in the rotational magnetic field, induction voltage can cause such high induction voltage on the exciter coil LER that the rectifier 2R would be damaged without additional protective measures , The same can occur with strong electrical repercussions on the stator coils during generator operation.
  • Such an induction voltage has a reverse polarity to the voltage generated at demagnetization of the excitation coil.
  • the series circuit 3R which is parallel to the excitation coil LER, is also provided. If the value of an induction voltage generated at the exciter coil LER exceeds the value of a breakdown voltage resulting from the series connection 3R of the suppressor diodes DZR1, the suppressor diodes DZR1 break down and absorb the corresponding current. As a result, the rectifier 2R is thus protected from damage by the induction voltage.
  • the series circuit 3R serves both to protect the supply circuit 1R and to demagnetize the exciting coil LER.
  • a demagnetization circuit can be created which simultaneously performs several functions without additional circuitry.
  • the transistors T1 R, T2R have the anti-parallel diodes D7R, D8R.
  • the series circuit 3R constructed from the suppressor diodes also protects the supply circuit 1R from too high an induction voltage without the danger that the induction voltage will be the bridge-like Circuit 4R itself damages.
  • the driver circuits G1, G2 are connected to auxiliary coils L2R, L3R of the supply circuit 1R belonging to the secondary side of the rotary transmitter.
  • auxiliary coils L2R, L3R As well as in the case of the coil L1 R, energy can be transmitted to the rotor without contact (brushless) for supplying the driver circuits G1, G2.
  • the driver circuit G1 is preferably constructed identically.
  • the driver circuit G2 includes a driver supply circuit 1T constructed of the auxiliary coil L2R and a rectifier. As already mentioned, power can be inductively supplied to this driver supply circuit 1T such that the driver supply circuit 1T energizes the driver circuit.
  • the rectifier like the rectifier 2R, is made up of four diodes D1T-D4T, with the auxiliary coil L2R connected between the diodes.
  • the auxiliary coil L2R supplies an alternating voltage U A C2, which is rectified by the rectifier.
  • the Rectifier can also be constructed differently.
  • the driver circuit G1 is constructed identically. The only difference is that the driver circuit G1 is connected to the auxiliary coil L3R and is supplied / driven by the corresponding AC voltage U A c3.
  • a protective diode D5T in the form of a Zener diode, to which the voltage output by the rectifier is applied via a further diode D6T, is provided. If the voltage output by the rectifier exceeds the breakdown voltage of the zener diode D5T, it breaks through and protects the driver circuit G2 from damage.
  • a storage capacitor C1T which stores so much energy that, after the voltage supplied from the driver supply circuit 1T collapses, the operation of the drive circuit is maintained for a certain time.
  • the driver circuit G2 moreover includes a comparator 3T in the form of a Schmitt trigger whose output is connected to a driver stage 4T in the form of a push-pull stage.
  • An input threshold 2T of the Schmitt trigger 3T is constructed by a diode D7T, a voltage divider formed from resistors R1 T, R2T and a further capacitor C2T.
  • the input threshold 2T ie during the supply of the driver circuit G2 by the driver supply circuit 1T, the DC voltage output by the rectifier is applied to the input threshold 2T.
  • the capacitor C1T and after the breakdown of the Zener diode D7T capacitor C2T charged whereby the Schmitt trigger 3T drives the driver stage 4T such that an applied to the gate terminal of the transistor T2R output voltage U G i the transistor T2R in its closed ( conductive) state switches.
  • Fig. 2 also shows the voltage curve of the supplied from the auxiliary coil L2R AC voltage U A c2, through the rectifier is rectified, and the waveform of the T2R the triggering output voltage UQ of the driver circuit G2.
  • the signal curves are identical in the driver circuit G1.
  • the supplied by the auxiliary coil L2R AC voltage U A ci has a periodic waveform with a preferred frequency in a range of 10 to 50kHz and is applied to the rectifier.
  • the output voltage UGI applied to the gate terminal of the transistor T2R and driving the transistor has such a value as long as the power supply of the drive circuit is maintained so that the transistor T2R is in its closed state (collector-emitter junction conductive) is located.
  • the transistor T2R switches after a short delay time of the order of a few, in particular one to two, periods of the AC voltage U A c2 delivered by the auxiliary coil L2R into its open state (collector-emitter junction non-conductive) ,
  • the duration for this switching operation is consequently in a range of 20 s to 200 s and is considerably shorter than the time constant for demagnetization of the exciter coil LER via the rectifier.
  • the DC voltage output by the rectifier is applied to the storage capacitor C1T via the diode D6T and charges it during the power supply of the driver circuit G2.
  • the DC voltage output by the rectifier not only forms the supply voltage of the driver circuit G2, but also the input signal of the input threshold 2T.
  • the input signal of the input threshold 2T immediately changes.
  • the diode D6T prevents the voltage supplied by the storage capacitor C1T from being applied to the input threshold 2T.
  • the Schmitt trigger 3T is preferably a non-inverting Schmitt trigger, wherein the voltage drop across the capacitor C2T is applied to a non-inverting input of an operational amplifier belonging to the Schmitt trigger 3T.
  • the operational amplifier outputs a corresponding output signal, which is supplied via the push-pull driver stage 4T to the gate terminal of the transistor T2R and drives the transistor T2R ,
  • the capacitor C2T Upon breakdown of the power supply of the driver G2, the capacitor C2T discharges very rapidly, which leads to a very rapid change of the output signal of the operational amplifier and for driving or switching of the transistor T2R.
  • the storage capacitor C1T maintains the power supply of the driver G2 until the transistor T2R has switched.
  • the input sulfur 2T is dimensioned by suitable selection of the resistors R1T, R2T and the capacitor C2T such that the time constant for discharging the capacitor C2T is on the order of a few, in particular one to two, periods (20ps to 200ps) of that supplied by the auxiliary coil L2R AC voltage U A c2 and is simultaneously smaller than a time constant for discharging the storage capacitor C1T,
  • both driver circuits G1, G2 are identical, the driver circuit G1 being driven or fed by the auxiliary coil L3R supplying the alternating voltage U A C3.
  • FIG. 3A shows the signal curve of the AC voltage U A ci supplied by the coil L 1.
  • the alternating voltage shown in FIG. 3A breaks down at the instant t 1.
  • the rectifier 2R are up to the time t1, one of the AC voltage U A ci corresponding DC voltage which has a certain through the smoothing capacitor C1 R tempered ripple
  • Fig. 3C shows the driving voltages of the transistors T1 R, T2R; and Fig. 3D shows the current flowing through the exciting coil current l it.
  • the time for detecting the breakdown of the power supply is only a few periods of the AC voltage U A ci or U A c2, U A c3- This is also apparent from FIG. 3C, after which this time the transistors driving the voltages UGI, UG2 have dropped to zero volts.
  • the voltage generated and leaking across the exciter coil LER is present after switching of the transistors T1 R, T2R on the series circuit 3R formed by the suppressor diodes DZR1. Due to the tendency of the exciting coil LER to maintain the exciting current, the voltage generated by the exciting coil LER increases until it reaches a value of the breakdown voltage of the series circuit 3R. This can be seen by the waveform of Fig. 3B between times t2 and t3. This voltage increase is a rapid change in current flowing through the excitation coil current LER f he accompanied "what can be seen again from Fig. 3D.
  • the strong current change of the excitation current I he is synonymous with a fast de-energizing or demagnetizing the excitation coil LER.
  • Fig. 4 shows schematically a second embodiment of a rotor according to the invention and a synchronous machine according to the invention and a corresponding electronics. Elements identical to those of the first preferred embodiment have identical reference numerals and will not be explained again.
  • the AC voltage U A ci shown in Fig. 4 is rectified by the rectifier 2R, wherein the rectified voltage across the excitation coil LER in the form of the voltage U L drops and leads to a current flow through the excitation coil LER.
  • the transistor T1 R ' is in normal operation, i. during operation of the rotary transformer or during the power supply of the excitation coil LER taken over by the supply circuit 1 R, switched to its closed state (collector-emitter junction conductive) and can be ideally considered as a short circuit.
  • the circuit arranged on the rotor comprises a demagnetization circuit, which, for example, provides an emergency shutdown for rapid demagnetization of the exciter coil LER.
  • the demagnetizing circuit has a plurality of bi-directional suppressor diodes 3R disposed in a circuit branch parallel to the exciting coil LER, the transistor T1R 'and a driver circuit 4R'.
  • the transistor T1 R ' which is preferably an IGBT or may also be a field-effect transistor or bipolar transistor, is driven by the driver circuit 4R', the driver circuit 4R 'for this purpose having the auxiliary coil L2R, a rectifier and a voltage divider.
  • the auxiliary coil L2R also generates an AC voltage by induction, which is rectified by the rectifier.
  • the auxiliary level L2R is connected to the nodes X5, X6.
  • the rectifier in this case is a simple half-wave rectifier with a diode D5R 'and a smoothing capacitor C1 R'.
  • the rectified voltage is applied via the voltage divider formed from resistors R1 R, R2R for driving the transistor T1 R 'to the corresponding gate terminal.
  • the applied DC voltage switches the transistor T1 R 1 in its closed state, in which the collector-emitter junction is conductive.
  • the driver circuit 4R ' is preferably so constructed and can be configured differently if necessary.
  • the auxiliary coil L2R can be omitted and the AC voltage can be tapped off at the coil L1 R.
  • the drive signal of the transistor T1 R 'could be transmitted optically between the stator and the rotor.
  • the demagnetization circuit furthermore also includes the aforementioned series-connected bidirectional suppressor diodes DZR1 ', which are arranged in the circuit branch lying parallel to the exciter coil LER.
  • the bi-directional suppressor diodes DZR1 ' block in both directions unless a voltage drop across the suppressor diodes DZR1' corresponds to a certain breakdown voltage.
  • the power supply through the vehicle battery for example, by breaking one of their terminals, interrupted, breaks the AC voltage U A ci at the auxiliary coil L2R and thus the DC voltage across the transistor T1 R * together.
  • the transistor T1 R ' thus passes into the open (non-conducting) state, that is, the collector-emitter junction of the transistor T1 R' blocks.
  • the current flow through the exciting coil LER is interrupted, and therefore, the voltage on the exciting coil LER reverses due to the tendency of the exciting coil LER to maintain the current flow, and increases abruptly.
  • the voltage across the exciting coil LER increases abruptly to such a value, which corresponds to the value of the resulting from the series connection of suppressor diodes DZR1' breakdown voltage and in which there is a breakthrough of suppressor diodes DZR.
  • the voltage generated by the exciting coil LER rises, the amount of change in the current I ar flowing through the exciting coil LER increases.
  • the suppressor diode DZR1 makes the time constant at which the current through the excitation coil decays very small.
  • the result is a faster demagnetization of the excitation coil LER compared to the same circuit without demagnetization circuit, in which the time constant, with which the current through the excitation coil LER abates, by the very low forward resistances of the forward-biased diodes D1 R to D4R and the ohmic resistance of the excitation coil LER is determined.
  • the suppressor diodes DZR1 ' also assume a protective function to protect the supply circuit 1R or the rectifier 2R, as explained below, from an induction voltage which is too high at the excitation coil LER.
  • the bidirectional suppressor diodes DZR1 ' are also poled in the reverse direction with respect to the DC voltage generated by the rectifier 2R so that no current flows through the suppressor diodes DZR1' when the DC voltage is properly generated by the rectifier 2R.
  • stator coils (not shown in FIG. 4) are activated during operation of the synchronous machine in such a way that there is a strong change in the rotational magnetic field, induction voltage can produce such a high induction voltage on the exciter coil LER that the rectifier 2R - without additional protective measures - would be harmed. The same can occur with strong electrical repercussions on the stator coils during generator operation.
  • Such an induction voltage has a reverse polarity to the voltage generated at demagnetization of the excitation coil.
  • the bidirectional suppressor diodes DZR1 are provided with their blocking effect with respect to a current from the node X1 to the node X3. If the induction voltage generated at the excitation coil LER assumes a value which corresponds to the value of the breakdown voltage resulting from the series connection of the suppressor diodes DZR1 ', the suppressor diodes DZR1' break down and absorb the current generated by the exciter coil or flowing through the exciter coil.
  • the rectifier is thus relieved and protected from damage.
  • the energy absorbed by the suppressor diodes DZR1 ' is converted into heat and released to the environment. If the induction voltage generated at the exciter coil LER decreases as the change of the magnetic field of the magnetic field decays, suppress the suppressor diodes DZR1 ' again and the entire rotor circuit returns to normal operation.
  • a series connection of uni-directional or bi-directional suppressor diodes DZR1 is preferably provided in the circuit branch parallel to the excitation coil LER, although series circuits may also be made of uni- / bi-directional zener diodes or uni- / bi-directional varistors, for example be used.
  • the (bi) directional devices i. Suppressor diodes, zener diodes or varistors, combined in an array of a plurality of parallel series circuits ä n components to form an assembly.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen für eine Synchronmaschine eines Kraftfahrzeuges, wobei der Rotor aufweist: eine Erregerspule (LER) zur Erzeugung eines Magnetfeldes, das für ein Rotieren des Rotors in einem Stator der Synchronmaschine notwendig ist; eine Versorgungsschaitung (1R), der Energie kontaktlos derart zugeführt werden kann, dass die Versorgungsschaltung (1R) die Erregerspule (LER) zur Erzeugung des Magnetfeldes mit der Energie versorgt; und eine Entmagnetisierungsschaltung zur Entmagnetisierung der Erregerspute, die bei Zusammenbrechen der Energieversorgung der Erregerspuie (LER) einen durch die Erregerspute (LER) fließenden Strom in einen Schaltungszweig umleitet, in dem mindestens ein zur Entmagnetisierung vorgesehenes Bauelement (DZR1) angeordnet ist, wobei das mindestens eine Bauelement (DZR1) auch eine Schutzfunktion zum Schutz der Versorgungsschaltung vor einer an der Erregerspule (LER) erzeugten Induktionsspannung übernimmt,

Description

Rotor für eine Synchronmaschine
Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine Synchronmaschine, insbesondere für eine Synchronmaschine, die ein Kraftfahrzeug antreibt oder einen Teil eines Reichweitenverlängerers („Range extender") bildet, sowie eine entsprechende Synchronmaschine.
Aus Umweltschutzgründen und aufgrund immer knapper werdender fossiler Brennstoffe geht in der Kraftfahrzeugindustrie der Trend dahin, Fahrzeuge zumindest zusätzlich oder auch vollständig durch eine elektrische Maschine anzutreiben.
Bei solchen elektrischen Maschinen kann es sich um fremderregte Synchronmaschinen handeln, die auf ihrem Rotor zur Erzeugung eines notwendigen Magnetfeldes eine Erregerspule tragen. Die Erregung der auf dem Rotor angeordneten Erregerspule kann bürstenlos erfoigen, indem über einen induktiven Drehübertrager (drehenden Transformator) Energie auf den Rotor übertragen wird und die Erregerspule mit der übertragenen Energie zur Erzeugung des Magnetfeldes versorgt wird. Hierbei wird auf dem Rotor eine an einer Spule erzeugte Wechselspannung durch einen Gleichrichter in eine an der Erregerspule anliegende Gleichspannung gewandelt bzw. gleichgerichtet.
Bei Abschaltung des Drehübertragers, beispielsweise bei einer Notabschaltung, ist zur Erreichung eines sicheren Zustandes eine schnelle Entregung bzw. Entmagnetisierung der Erregerspule wünschenswert. In diesem Zusammenhang ist aus dem Dokument WO2012/ 23847A2 eine fremderregte Synchronmaschine mit einer auf dem entsprechenden Rotor angeordneten Entmagnetisierungsschaltung bekannt. Die Entmagnetisierungsschaltung sorgt zwar nach Abschalten des Drehübertragers für eine schnelle Entmagnetisierung der Erregerspule, ist allerdings schaltungstechnisch aufwendig,
Die Erfinder haben erkannt, dass neben der schneiten Entmagnetisierung auch ein Schutz des Gleichrichters vor an der Erregerspule erzeugten Induktionsspannungen, die durch unerwünschte elektromagnetische Wechselwirkungen zwischen Stator und Rotor auftreten, erstrebenswert ist.
Zusätzliche Schaltungen würden aber zum einen den schaltungstechnischen Aufwand erhöhen und ließen sich zum anderen auf Grund des auf dem Rotor begrenzt zur Verfügung stehenden Platzes nur schlecht realisieren. Darüber hinaus erhöhten sich mit zusätzlichen Schaltungen auch die Kosten des Rotors im entsprechenden zunehmenden Maße,
Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der Erfindung, einen Rotor sowie eine Synchronmaschine zu schaffen, die einen zuverlässigen und robusten Betrieb einer Synchronmaschine unter geringem schaltungstechnischem Aufwand ermöglichen.
Zumindest ist es Ziel der vorliegenden Erfindung, einen zum Stand der Technik alternativen Rotor bzw. eine alternative Synchronmaschine vorzusehen,
Die vorgenannte Aufgabe wird mit einem Rotor gemäß Anspruch 1 und einer Synchronmaschine gemäß Anspruch 13 gelöst. Weitere bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche,
Gemäß der Erfindung umfasst der Rotor eine Erregerspule zur Erzeugung eines Magnetfeldes, das für ein Rotieren des Rotors in einem Stator der Synchronmaschine notwendig ist, und eine Versorgungsschaltung, der Energie kontaktlos derart zugeführt werden kann, dass die Versorgungsschaltung die Erregerspule zur Erzeugung des Magnetfeldes mit der Energie versorgt.
Die Versorgungsschaltung beinhaltet beispielsweise eine Sekundärseite eines induktiven Drehübertragers und einen Gleichrichter, der eine durch die Sekundärseite des Drehübertragers erzeugte Wechselspannung in eine an der Erregerspule anliegende Gleichspannung wandelt. Eine Primärseite des Drehübertragers wird am Stator, in den der erfindungsgemäße Rotor eingesetzt ist, angeordnet, wobei die zur Erregung der Erregerspule bzw. zur Erzeugung des Magnetfeldes notwendige Energie induktiv auf den Rotor übertragen bzw. der die Sekundärseite enthaltenden Versorgungsschaltung zugeführt wird.
Eine Entmagnetisierungsschaltung ist zur Entmagnetisierung der Erregerspule vorgesehen, wobei die Entmagnetisierungsschaltung bei Zusammenbrechen der Energieversorgung der Erregerspule durch die Versorgungsschaltung einen von der Erregerspule erzeugten bzw. durch die Erregerspule fließenden Strom in einen Schaltungszweig umleitet, in dem mindestens ein zur Entmagnetisierung der Erregerspule vorgesehenes Bauelement angeordnet ist, das auch eine Schutzfunktion zum Schutz der Versorgungsschaltung vor einer an der Erregerspule erzeugten Induktionsspannung übernimmt.
Da das Bauelement in dem Schaltungszweig sowohl zur Funktion der Entmagnetisierung als auch zur Funktion des Schutzes der Versorgungsschaltung vor zu hohen Induktionsspannungen beiträgt, kann der schaltungstechnische Aufwand gering gehalten werden.
Bevorzugt übernimmt das mindestens eine Bauelement die Schutzfunktion zum Schutz der Versorgungsschaltung vor der Induktionsspannung während der durch die Versorgungsschaltung übernommenen Energieversorgung der Erregerspule als auch bei/nach Zusammenbrechen der durch die Versorgungsschaltung übernommenen Energieversorgung der Erregerspule.
Weiterhin bevorzugt ist das mindestens eine Bauelement ein Bauelement, das ab einem Wert der Induktionsspannung seinen Widerstand verringert, wobei die Entmagnetisierungsschaltung eingerichtet ist, bei Zusammenbrechen der durch die Versorgungsschaltung übernommenen Energieversorgung der Erregerspule die durch die Erregerspule erzeugte Spannung bzw. die an der Erregerspule springende Spannung zu invertieren und an den Schaltungszweig derart anzulegen, dass der durch die Erregerspule fließende/erzeugte Strom durch das Bauelement fließt.
Durch das Invertieren der bei Zusammenbrechen der Energieversorgung an der Erregerspule erzeugten Spannung liegt diese Spannung mit der gleichen Polarität wie die unerwünschte Induktionsspannung an dem Bauelement an und führt zu der Verringerung des Widerstandes des Bauelements. Insoweit kann ein sehr einfaches passives uni-direktionales Bauelement, wie eine Suppressordiode, eine Zenerdiode oder auch ein Varistor sowohl zur schnelleren Entmagnetisierung als auch zum Schutz der Versorgungsschaltung bzw. des Gleichrichters dienen.
Beispielsweise weist die Entmagnetisierungsschaltung eine brückenartige Schaltung auf, die aus zwei Reihenschaltungen und der Erregerspule im Brückenzweig aufgebaut ist, wobei die zwei Reihenschaltungen jeweils aus einem mit einer Diode in Reihe geschalteten Schalter ausgebildet sind.
Die Entmagnetisierungsschaltung ist bevorzugt derart eingerichtet, dass bei Zusammenbrechen der Energieversorgung der Erregerspule die Schalter geschaltet werden und die Dioden die durch die Erregerspule erzeugte Spannung invertieren.
Das Schalten dieser Schalter führt insbesondere zu dem Umleiten des durch die Erregerspule erzeugten/fließenden Stromes in den Schaltungszweig, in dem das mindestens eine Bauelement angeordnet ist.
Die Schalter können aus Transistoren, beispielsweise aus Feldeffekt-, Bipolar- oder IGB-Transistoren (insulated gate bipolar transistors) ausgebildet sein. Bevorzugt weisen diese Transistoren antiparallele Dioden (intrinsische oder separat vorgesehene) auf, die parallel zu den entsprechenden Source-Drain-Kanälen bzw. Emitter-Kollektor-Übergängen liegen.
Das Schalten der Schalter wird im Fall von Bipolartransistoren durch Ansteuern der entsprechenden Basisanschlüsse und im Fall von Feldeffekttransistoren bzw. IGBTs durch Ansteuern der entsprechenden Gate-Anschlüsse durchgeführt.
Die Entmagnetisierungsschaltung ist bevorzugt derart eingerichtet, dass die Schalter während der Energieversorgung der Erregerspule durch die Versorgungsschaltung geschlossen sind und bei Zusammenbrechen der Energieversorgung geöffnet werden.
Durch das Öffnen der entsprechenden Schalter kann der durch die Erregerspule fließende Erregerstrom nur noch durch die Dioden fließen, wodurch die an der Erregerspule erzeugte Spannung invertiert wird und an dem Bauelement anliegt.
Bevorzugt umfasst die Entmagnetisierungsschaltung mindestens eine Treiberschaltung, die die Schalter ansteuert. Die Treiberschaltung beinhaltet eine Treiberversorgungsschaitung, der Energie - beispielsweise auch kontaktlos - derart zugeführt werden kann, dass die Treiberversorgungsschaitung einen Komparator mit Energie versorgt. In Abhängigkeit davon, ob die Treiberversorgungsschaitung den Komparator mit Energie versorgt oder die Energieversorgung durch die Treiberversorgungsschaitung zusammengebrochen ist, gibt der Komparator ein Ausgangssignal zur Ansteuerung der Schalter aus. Insoweit bildet die Energieversorgung des Komparators auch das Eingangssignal des Komparators.
Die Treiberschaltung ist beispielsweise aus einer Hilfsspule der Sekundärseite des Dreh Übertragers und einem der Hilfsspule zugeordneten Gleichrichter, oder auch durch einen Optokoppler aufgebaut. Das Zusammenbrechen der Energieversorgung des Komparators durch die Treiberversorgungsschaitung führt zu einem derartigen Ausgangssignal des Komparators, dass die Schalter der Entmagnetisierungsschaltung entsprechend geschaltet werden.
Bevorzugt ist die Treiberschaltung derart eingerichtet, dass die Treiberversorgungsschaitung eine Speichereinheit auflädt, die die Energieversorgung des Komparators bei Zusammenbrechen der durch die Treiberversorgungsschaitung übernommenen Energieversorgung des Komparators so lange aufrechterhält, bis der Komparator das Ausgangssignal zur Ansteuerung bzw. Schalten der Schalter ausgegeben hat.
Bevorzugt ist der Komparator aus einem Schmitt-Trigger gebildet, und sowohl die Speichereinheit als auch eine Eingangsschwelle des Schmitt- Triggers, an denen die von der Treiberversorg ungsschaitung gelieferte Spannung abfällt, weisen jeweils einen Kondensator auf, wobei die Treiberschaltung derart dimensioniert ist, dass eine Zeitkonstante zum Entladen des Kondensators der Eingangsschwelle kleiner ist als eine Zeitkonstante zum Entladen des Kondensators der Speichereinheit.
Der Komparator arbeitet hierdurch zumindest solange, bis der Kondensator der Eingangsschwelle entladen ist und es zu einem Schalten der Schalter kommt.
Durch diese Ausgestaltung des Treibers wird ein überaus scharfes, schnelles und sauberes Schalten der Schalter gewährleistet.
Beispielsweise ist das mindestens eine Bauelement mindestens eine uni-direktionale Suppressordiode und/oder mindestens ein uni-direktionaler Varistor und/oder mindestens eine uni-direktionale Zenerdiode.
Bevorzugt ist das mindestens eine Bauelement aus einem Array aus Zenerdioden und/oder Suppressordioden und/oder Varistoren gebildet.
Bevorzugt ist in dem Schaltungszweig eine Vielzahl von Reihenschaltungen aus mehreren Bauelementen angeordnet, wobei die Reihenschaltungen zueinander parallel geschaltet sind.
Hierdurch wird die aufzunehmende Leistung besser auf mehrere in dem Array bzw. der Reihenschaltung vorhandenen Bauelemente verteilt.
Allerdings kann das in dem Schaltungszweig angeordnete mindestens eine Bauelement ein bi-direktionales Bauelement sein, das bei Zusammenbrechen der durch die Versorgungsschaltung übernommenen Energieversorgung ab einem Wert einer durch die Erregerspule erzeugten Spannung und ab einem Wert einer an der Erregerspule erzeugten Induktionsspannung mit umgekehrter Polarität seinen Widerstand verringert. Bricht einerseits beispielsweise bei einer Notabschaltung der Synchronmaschine die Energieversorgung der Erregerspule zusammen, springt die durch die Erregerspule erzeugte Spannung auf einen Wert, der dem Wert entspricht, bei dem das bi-direktionale Bauelement seinen Widerstand verringert. Dies führt zu einer großen Stromänderung des durch die Erregerspule fließenden Stromes und damit zu einer schnellen Entregung bzw. Entmagnetisierung der Erregerspule.
Tritt andererseits beispielsweise eine den Wert aufweisende Induktionsspannung umgekehrter Polarität an der Erregerspule auf, die durch eine elektromagnetische Wechselwirkung zwischen Stator und Rotor bedingt ist, verringert sich der Widerstand des bi-direktionalen Bauelementes entsprechend und nimmt den durch die Erregerspule fließenden/erzeugten Strom auf. Die Versorgungsschaltung bzw. der Gleichrichter ist damit geschützt.
Beispielsweise ist das mindestens eine Bauelement mindestens eine bi-direktionale Suppressordiode und/oder mindestens ein bi-direktionaler Varistor und/oder mindestens eine bi-direktionale Zenerdiode.
Bevorzugt ist in dem Schaltungszweig eine Vielzahl von Reihenschaltungen aus mehreren bi-direktionalen Bauelementen angeordnet, wobei die Reihenschaltungen zueinander parallel geschaltet sind.
Die Entmagnetisierungsschaltung beinhaltet beispielsweise einen Schalter in Form von einem Transistor, der während der Energieversorgung der Erregerspule in seinem geschlossenen (leitenden) Zustand gehalten wird und bei Zusammenbrechen der Energieversorgung in seinen geöffneten (nicht leitenden) Zustand geschaltet wird, was zu einem Umleiten des durch die Erregerspule erzeugten bzw. durch die Erregerspule fließenden Stromes führt. Das Ansteuersignal des Transistors liefert beispielsweise eine Hilfsspule des Drehübertragers, ein dem Transistor gesondert zugeordneter Drehübertrager oder auch Optokoppler.
Die Erfindung betrifft ebenfalls eine Synchronmaschine für ein Kraftfahrzeug, welche einen im Vorhergehenden erläuterten Rotor aufweist. Unter Bezug auf die beigefügten Figuren werden nunmehr bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung erläutert.
Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Rotors bzw. einer erfindungsgemäßen Synchronmaschine und die entsprechende Elektronik, die sowohl eine Funktion zur schnellen Entmagnetisierung als auch zum Schutz eines Gleichrichters übernimmt;
Fig. 2 zeigt den Aufbau einer Treiberschaltung zur Ansteuerung eines Schalters einer Entmagnetisierungsschaltung sowie entsprechende Signalverläufe der Treiberschaltung.
Fig. 3A zeigt schematisch einen Signalverlauf einer an einer Sekundärseite eines induktiven Drehübertragers erzeugten Wechselspannung;
Fig. 3B zeigt einen Signalverlauf einer von einem Gleichrichter ausgegebenen Spannung;
Fig. 3C zeigt den Signalverlauf einer Ausgangsspannung der in Fig. 1 gezeigten Treiberschaltungen; und
Fig. 3D zeigt einen Signalverlauf des durch die Erregerspule fließenden Stromes;
Fig. 4 zeigt schematisch eine zweite bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Rotors bzw. einer erfindungsgemäßen Synchronmaschine und die entsprechende Elektronik, die sowohl eine Funktion zur schnellen Entmagnetisierung als auch zum Schutz eines Gleichrichters übernimmt.
(erste Ausführungsform)
Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Rotors bzw. einer erfindungsgemäßen Synchronmaschine sowie die entsprechende Elektronik. Die Synchronmaschine ist bevorzugt in einem Kraftfahrzeug verbaut und bildet beispielsweise das Aggregat zum Antrieb des Kraftfahrzeuges oder ist Teil eines Reichweitenverlängerers („ränge extender"). Die Elektronik ist insbesondere zur bürstenlosen Erregung einer auf dem Rotor angeordneten Erregerspule LER vorgesehen.
Die am Stator angeordnete Statorelektronik umfasst einen Wechselrichter 1 S, der eine von einer Spannungsquelle (nicht gezeigt), beispielsweise einer Fahrzeugbatterie, gelieferte Gleichspannung, die bevorzugt in einem Bereich von 250V bis 450V liegt, in eine Wechselspannung wandelt/wechselrichtet.
Eine Spule L1 S, die eine Primärseite eines Drehübertragers bildet, ist an den Wechselrichter 1 S angeschlossen.
Auf dem Rotor der Synchronmaschine ist eine Rotorelektronik vorgesehen, die eine Versorgungsschaltung 1 R mit einer Spule L1 R und einem Gleichrichter 2R beinhaltet, wobei die Spule L1 R die Sekundärseite des Drehübertragers bildet.
Der Gleichrichter 2R ist bevorzugt aus zwei Reihenschaltungen a zwei Dioden D1 R, D4R und D2R, D3R, ergo insgesamt vier Dioden D1 R bis D4R aufgebaut, wobei die rotorseitige Spule L1 R zwischen den Dioden D1 R, D4R und D2R, D3R an den Knoten X2, X4 an den Gleichrichter 2R angeschlossen ist. Die Kathoden der Dioden D1 R und D2R sind an den Knoten X1 angeschlossen bzw. liegen auf diesem Potential. Die Anoden der Dioden D3R und D4R sind an den Knoten X3 angeschlossen bzw. liegen auf dem entsprechenden Potential. Optional kann der Gleichrichter 2R noch einen Glättungskondensator C1 R aufweisen.
Der Gleichrichter 2R kann allerdings auch durch einen andersartigen Gleichrichter verwirklicht sein.
Der Versorgungsschaltung 1 R kann Energie zur Versorgung und Erregung der Erregerspule LER kontaktlos (bürstenlos) zugeführt werden. Die Energie wird in der in Fig. 1 gezeigten Schaltung durch Induktion übertragen. Hierfür liegt an der statorseitigen Spule L1 S - der Primärseite des Drehübertragers - eine Wechselspannung an, wobei durch den damit auftretenden Wechselstrom die Spule U S ein sich änderndes Magnetfeld aufbaut, das die auf dem Rotor angeordnete Spule L1 R - der Sekundärseite des Drehübertragers - durchsetzt. Die Änderung des durch die Spule L1 S erzeugten Magnetfeldes führt zu einer Änderung der magnetischen Flussdichte des die Querschnittsfläche der Spule L1 R durchsetzenden magnetischen Flusses, wodurch eine Wechselspannung UAci durch Induktion an der Spule L1 R bzw, an den Knoten X2, X4 anliegt/auftritt.
Diese Wechselspannung UAci wird durch den Gleichrichter 2R gleichgerichtet, wobei die gleichgerichtete Spannung an der Erregerspule LER in Form der gezeigten Spannung UL abfällt und zu einem Stromfluss ler durch die Erregerspule LER führt. Die im Folgenden noch erläuterten Transistoren T1 R, T2R sind in dem normalen Betrieb, d.h. während des Betriebes des Drehübertragers bzw. während der durch die Versorgungsschaltung 1 R übernommenen Energieversorgung der Erregerspule LER, in ihre geschlossenen (leitenden) Zustände, Kollektor- Emitter-Übergang leitend, geschaltet und können idealisiert als Kurzschlüsse betrachtet werden.
In dem stromdurchflossenen Zustand der Erregerspule LER erzeugt diese das Magnetfeld, das im Motorbetrieb der Synchronmaschine mit einem Drehmagnetfeld, das von den um den Rotor herum angeordneten Statorspulen L2S, L3S, L4S erzeugt wird, derart wechselwirkt, dass der Rotor rotiert und das Kraftfahrzeug antreibt. Wird die Synchronmaschine als Teil eines Reichweitenverlängerers eingesetzt, und der Rotor im Generatorbetrieb durch einen Verbrennungsmotor rotiert/angetrieben, führt das zu einer Induktion an den Statorspulen L2S, L3S, L4S und zur Erzeugung einer Ausgangswechselspannung an den Statorspulen L2S, L3S, L4S. Die Ausgangswechselspannung wird gleichgerichtet und liegt an einer Fahrzeugbatterie zum Laden der Fahrzeugbatterie an.
Die Entmagnetisierungsschaltung der Rotorelektronik weist eine aus zwei Reihenschaltungen gebildete brückenartige Schaltung 4R, eine aus Suppressordioden DZR1 aufgebaute Reihenschaltung 3R und Treiberschaltungen G1 , G2 auf.
Die Reihenschaltung 3R befindet sich in einem Schaltungszweig parallel zu dem Gleichrichter 2R der Versorgungsschaltung 1 R. Die Suppressordioden DZR1 liegen derart in dem Schaltungszweig, dass sie einen Stromfiuss vom Knoten X1 zum Knoten X3 unterhalb einer sich aus der Reihenschaltung 3R ergebenden Durchbruchspannung sperren.
In dem normalen Betrieb der auf dem Rotor vorgesehenen Elektronik fließt durch den parallel zur Erregerspule LER liegenden Schaltungszweig im Wesentlichen kein Strom, weil sich die Transistoren T1 R, T2R in geschlossenen (leitenden) Zuständen befinden und die Erregerspule LER gegenüber den Suppressordioden DZR1 einen sehr geringen Widerstand hat.
Die Erregerspule LER liegt im Brückenzweig, d.h. an den Knoten X5, X6 der brückenartigen Schaltung 4R.
Eine erste Reihenschaltung der brückenartigen Schaltung 4R umfasst eine Diode D5R und einen Transistor T1 R, der bevorzugt ein IGB-Transistor ist. Die Kathode der Diode D5R liegt auf dem Potenzial des Knotens X1 und ist mit ihrer Anode an den Kollektor des Transistors T1 R angeschlossen. Der Emitter des Transistors T1 R liegt auf dem Potenzial des Knotens X3. Eine weitere Diode D7R ist antiparallel zwischen Kollektor und Emitter des Transistors T1 R geschaltet.
Eine zweite Reihenschaltung der brückenartigen Schaltung 4R beinhaltet ebenfalls einen Transistor T2R, der bevorzugt aus einem identischen IGB-Transistor aufgebaut ist, und eine bevorzugt zu der Diode D5R identische Diode D6R. In der zweiten Reihenschaltung liegt der Kollektor des Transistors T2R auf dem Potenzial des Knotens X1 und ist mit seinem Emitter an der Kathode der Diode D6R angeschlossen. Die Anode der Diode D6R liegt auf dem Potenzial des Knotens X3. Wie auch bei dem Transistor T1 R ist eine weitere Diode D8R antiparallel zwischen Kollektor und Emitter des Transistors T2R geschaltet.
Im Brückenzweig, d.h, jeweils zwischen der Diode D5R, D6R und dem entsprechenden Transistor T1 R, T2R, liegt die Erregerspule LER.
Die Suppressordioden DZR1 übernehmen folgende Funktion zur schnellen Entregung bzw. Entmagnetisierung der Erregerspule LER.
Bricht die Energieversorgung der Erregerspule LER durch die Versorgungsschaltung 1 R z.B. bei einer Notabschaltung des Wechselrichters 1 S zusammen, ist es wünschenswert, dass sich die Erregerspule LER möglichst schnell entregt bzw. entmagnetisiert. Das Zusammenbrechen der Energieversorgung der Erregerspule LER durch die Versorgungsschaltung 1 R wird, wie im Folgenden noch genauer erläutert wird, durch die Treiberschaltungen G1 und G2 erkannt. Die Treiberschaltungen G1 , G2 steuern in diesem Fall die Transistoren T1 R, T2R derart an, dass die Transistoren T1 R, T2R schalten bzw. geöffnet werden und damit die entsprechenden Kollektor-Emitter-Kanäle ihren nichtleitenden Zustand einnehmen.
Bei Abschalten der Energieversorgung der Erregerspule LER erzeugt die Erregerspule LER bekanntermaßen aufgrund ihres Bestrebens, den Stromfluss aufrechtzuerhalten, eine Spannung umgekehrter Polarität. Da die Transistoren T1 R, T2R sich in ihren geöffneten (nichtleitenden) Zuständen befinden bzw. ausgeschaltet sind, fließt der Erregerstrom lor über die Dioden D5R, D6R, weshalb die durch die Erregerspule LER erzeugte Spannung invertiert wird und an der Reihenschaltung 3R mit der gleichen Polarität wie die der von dem Gleichrichter 2R während der Energieversorgung ausgegebenen Spannung Uzk anliegt. Die Erregerspule LER erzeugt eine Spannung mit einem solchen Wert, der dem Wert der Durchbruchspannung der Reihenschaltung 3R entspricht. Mit dieser Spannung geht eine große Stromänderung des durch die Erregerspule LER fließenden Stromes ler einher, weshalb es zu einer schnellen Entmagnetisierung bzw. Entregung der Erregerspule LER kommt. Insoweit wird durch das Schalten der Transistoren T R, T2R der Erreg erstrom in den Spannungszweig, in dem sich die Suppressordioden DZR1 befinden, umgeleitet. Die Entmagnetisierung der Erregerspule LER ist wesentlich schneller gegenüber derselben Rotorelektronik ohne Entmagnetisierungsschaltung, bei der die Zeitkonstante, mit der der Strom durch die Erregerspule LER abklingt, nur durch die sehr geringen Durchlasswiderstände der in Durchlassrichtung gepolten Dioden D1 R bis D4R und den ohmschen Widerstand der Erregerspule LER bestimmt würde. Darüber hinaus übernehmen die Suppressordioden DZR1 noch folgende Schutzfunktion.
Im Normalbetrieb - während des Betriebes des Drehübertragers bzw. der Energieversorgung der Erregerspule durch die Versorgungsschaltung 1 R - befinden sich die Transistoren T1 R, T2R in einem geschlossenen Zustand, in dem die Kollektor-Emitter-Übergänge der Transistoren sich in ihren leitenden Zuständen befinden und idealisiert als Kurzschlüsse betrachtet werden können. Ein Erregerstrom ler fließt während des Normalbetriebes durch die Erregerspule LER, wodurch diese ein für eine Rotation des Rotors notwendiges Magnetfeld aufbaut.
Werden während des Betriebes der Synchronmaschine die Statorspulen L2S, L3S, L4S derart angesteuert, dass es zu einer starken Änderung des Drehmagnetfeldes kommt, kann an der Erregerspule LER durch Induktion eine so starke Induktionsspannung entstehen, dass der Gleichrichter 2R - ohne zusätzliche Schutzmaßnahmen - geschädigt würde. Selbiges kann bei starken elektrischen Rückwirkungen auf die Statorspulen im Generatorbetrieb auftreten. Eine solche Induktionsspannung hat eine umgekehrte Polarität zu der bei Entmagnetisierung an der Erregerspule erzeugten Spannung.
Sollte eine solche Induktionsspannung auftreten, ist es notwendig, den die Erregerspule LER versorgenden Gleichrichter 2R vor einer Schädigung zu schützen. Hierfür ist die Reihenschaltung 3R, die parallel zu der Erregerspule LER liegt, ebenfalls vorgesehen. Übersteigt der Wert einer an der Erregerspule LER erzeugten Induktionsspannung den Wert einer sich aus der Reihenschaltung 3R der Suppressordioden DZR1 ergebenden Durchbruchspannung, brechen die Suppressordioden DZR1 durch und nehmen den entsprechenden Strom auf. Der Gleichrichter 2R ist hierdurch folglich vor einer Schädigung durch die Induktionsspannung geschützt.
Wie aus dem Vorhergehenden ersichtlich wird, dient die Reihenschaltung 3R sowohl zum Schutz der Versorgungsschaltung 1 R als auch zur Entmagnetisierung bzw. Entregung der Erregerspule LER. Insoweit kann eine Entmagnetisierungsschaltung geschaffen werden, die gleichzeitig mehrere Funktionen übernimmt, ohne dass zusätzlicher Schaltungsaufwand entsteht.
Wie in Fig, 1 gezeigt ist, weisen die Transistoren T1 R, T2R die antiparallelen Dioden D7R, D8R auf. Wenn sich die Transistoren T1 R, T2R in ihren offenen Zuständen während der Entmagnetisierung der Erregerspule LER befinden, schützt die aus den Suppressordioden aufgebaute Reihenschaltung 3R ebenfalls die Versorgungsschaltung 1 R vor einer zu hohen Induktionsspannung, ohne dass die Gefahr besteht, dass die Induktionsspannung die brückenartige Schaltung 4R selbst schädigt. Tritt nämlich während der Entmagnetisierung bzw. Entregung der Erregerspule LER eine Induktionsspannung an der Erregerspule LER auf, kann der entsprechende Strom über die antiparallelen Dioden D7R, D8R in Richtung der Suppressordioden DZR1 fließen, ohne dass die Gefahr einer Schädigung der Elemente der brückenartigen Schaltung 4R besteht.
Zur Erkennung, ob die Energieversorgung der Erregerspule LER durch die Versorgungsschaltung 1 R zusammenbricht oder nicht, sind die Treiberschaltungen G1 , G2 an Hilfsspulen L2R, L3R der Versorgungsschaltung 1 R, die zur Sekundärseite des Drehüberträgers gehören, angeschlossen. Durch diese Hilfsspulen L2R, L3R kann wie auch bei der Spule L1 R Energie zur Versorgung der Treiberschaltungen G1 , G2 auf den Rotor kontaktlos (bürstenlos) übertragen werden.
Unter Bezug auf Fig. 2 wird nunmehr der genaue Aufbau der in Fig. 1 gezeigten Treiberschaltung G2 erläutert. Die Treiberschaltung G1 ist bevorzugt identisch aufgebaut.
Die Treiberschaltung G2 beinhaltet eine Treiberversorgungsschaltung 1T, die aus der Hilfsspule L2R und einem Gleichrichter aufgebaut ist. Wie bereits erwähnt, kann dieser Treiberversorgungsschaltung 1T induktiv Energie derart zugeführt werden, dass die Treiberversorgungsschaltung 1T die Treiberschaltung mit Energie versorgt. Der Gleichrichter ist wie auch der Gleichrichter 2R aus vier Dioden D1T - D4T aufgebaut, wobei die Hilfsspule L2R zwischen den Dioden angeschlossen ist Die Hilfsspule L2R liefert eine Wechselspannung UAC2, die durch den Gleichrichter gleichgerichtet wird. Der Gleichrichter kann auch andersartig aufgebaut sein. Wie erwähnt, ist die Treiberschaltung G1 identisch aufgebaut. Unterschied ist lediglich, dass die Treiberschaltung G1 an die Hilfsspule L3R angeschlossen ist und durch die entsprechende Wechselspannung UAc3 versorgt/angesteuert wird.
Zum Schutz der Treiberschaltung G2 vor einer zu hohen von dem Gleichrichter ausgegebenen Spannung ist eine Schutzdiode D5T in Form von einer Zenerdiode, an der die vom Gleichrichter ausgegebene Spannung über eine weitere Diode D6T anliegt, vorgesehen. Übersteigt die von dem Gleichrichter ausgegebene Spannung die Durchbruchspannung der Zenerdiode D5T, bricht diese durch und schützt die Treiberschaltung G2 vor einer Schädigung.
Parallel zu der Zenerdiode D5T liegt ein Speicherkondensator C1T, der so viel Energie speichert, dass nach Zusammenbrechen der von der Treiberversorgungsschaltung 1T gelieferten Spannung das Arbeiten der Treiberschaltung für eine bestimmte Zeit aufrechterhalten wird.
Neben den erläuterten Schaltungselementen beinhaltet die Treiberschaltung G2 darüberhinaus einen Komparator 3T in Form eines Schmitt-Triggers, dessen Ausgang an eine Treiberstufe 4T in Form einer - Push-Pull-Stufe angeschlossen ist.
Eine Eingangsschwelle 2T des Schmitt-Triggers 3T ist durch eine Diode D7T, einem aus Widerständen R1 T, R2T gebildeten Spannungsteiler und einem weiteren Kondensator C2T aufgebaut. Während des Normalbetriebes, d.h. während der Versorgung der Treiberschaltung G2 durch die Treiberversorgungsschaltung 1T liegt an der Eingangsschwelle 2T die von dem Gleichrichter ausgegebene Gleichspannung an. Hierbei werden der Kondensator C1T und nach Durchbruch der Zenerdiode D7T der Kondensator C2T aufgeladen, wodurch der Schmitt-Trigger 3T die Treiberstufe 4T derart ansteuert, dass eine an dem Gate-Anschluss des Transistors T2R anliegende Ausgangsspannung UGi den Transistor T2R in seinen geschlossenen (leitenden) Zustand schaltet.
Fig. 2 zeigt ebenfalls den Spannungsverlauf der von der Hilfsspule L2R gelieferten Wechselspannung UAc2, die durch den Gleichrichter gleichgerichtet wird, und den Signalverlauf der den Schalter T2R ansteuernden Ausgangsspannung UQ der Treiberschaltung G2. Die Signalverläufe sind in der Treiberschaltung G1 identisch.
Die von der Hilfsspule L2R gelieferte Wechselspannung UAci hat einen periodischen Verlauf mit einer bevorzugten Frequenz in einem Bereich von 10 bis 50kHz und liegt an dem Gleichrichter an.
Wie den Signalverläufen aus Fig. 2 entnommen werden kann, hat die an dem Gate-Anschluss des Transistors T2R anliegende und den Transistor ansteuernde Ausgangsspannung UGI , solange wie die Energieversorgung der Treiberschaltung aufrecht erhalten wird, einen solchen Wert, dass der Transistor T2R sich in seinem geschlossenen Zustand (Kollektor-Emitter- Übergang leitend) befindet.
Bricht die Energieversorgung der Treiberschaltung G2 zusammen, schaltet der Transistor T2R nach einer kurzen Verzögerungszeit in der Größenordnung von wenigen, insbesondere ein bis zwei, Perioden der von der Hilfsspule L2R gelieferten Wechselspannung UAc2 in seinen geöffneten Zustand (Kollektor-Emitter-Übergang nichtleitend). Die Dauer für diesen Schaltvorgang liegt folglich in einem Bereich von 20 s bis 200 s und ist wesentlich kürzer als die Zeitkonstante zur Entmagnetisierung der Erregerspule LER über den Gleichrichter. Der Schaltvorgang wird im Folgenden genauer erläutert.
Die von dem Gleichrichter ausgegebene Gleichspannung liegt über die Diode D6T an dem Speicherkondensator C1T an und lädt diesen während der Energieversorgung der Treiberschaltung G2 auf.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, bildet die von dem Gleichrichter ausgegebene Gleichspannung nicht nur die Versorgungsspannung der Treiberschaltung G2, sondern auch das Eingangssignal der Eingangsschwelle 2T.
Bricht die Energieversorgung der Treiberschaltung G2 und damit die von dem Gleichrichter gelieferte Gleichspannung zusammen, ändert sich folglich unmittelbar das Eingangssignal der Eingangsschwelle 2T. Die Diode D6T verhindert, dass die von dem Speicherkondensator C1T gelieferte Spannung an der Eingangsschwelle 2T anliegt.
Der Schmitt-Trigger 3T ist bevorzugt ein nicht-invertierender Schmitt- Trigger, wobei die über den Kondensator C2T abfallende Spannung an einem nicht-invertierenden Eingang eines dem Schmitt-Trigger 3T zugehörenden Operationsverstärkers anliegt.
Solange die Energieversorgung der Treiberschaltung G2 aufrechterhalten bleibt und sich der Kondensator C2T in einem geladenen Zustand befindet, gibt der Operationsverstärker ein entsprechendes Ausgangssignal aus, das über die Push-Pull-Treiberstufe 4T dem Gate- Anschluss des Transistors T2R zugeführt wird und den Transistor T2R ansteuert.
Bei Zusammenbrechen der Energieversorgung des Treibers G2 entlädt sich der Kondensator C2T sehr schnell, was zu einer überaus schnellen Änderung des Ausgangssignals des Operationsverstärkers und zum Ansteuern bzw. Schalten des Transistors T2R führt. Der Speicherkondensator C1T hält die Energieversorgung des Treibers G2 solange aufrecht, bis der Transistor T2R geschaltet hat. Die Eingangsschwefle 2T ist durch geeignete Auswahl der Widerstände R1T, R2T und des Kondensators C2T so dimensioniert, dass die Zeitkonstante zur Entladung des Kondensators C2T in der Größenordnung von wenigen, insbesondere ein bis zwei, Perioden (20ps bis 200ps) der von der Hilfsspule L2R gelieferten Wechselspannung UAc2 liegt und gleichzeitig kleiner ist als eine Zeitkonstante zur Entladung des Speicherkondensators C1T,
Wie bereits erwähnt, sind beide Treiberschaltungen G1 , G2 identisch, wobei die Treiberschaltung G1 von der die Wechselspannung UAC3 liefernden Hilfsspule L3R angesteuert bzw. gespeist wird.
Unter Bezug auf Fig. 3A - 3D werden im Folgenden noch verschiedene Signalverläufe erläutert.
Fig. 3A zeigt den Signalverlauf der von der Spule L1 R gelieferten Wechselspannung UAci - Die in Fig. 3A gezeigte Wechselspannung bricht zum Zeitpunkt t1 zusammen. Wie aus Fig. 3B ersichtlich ist, gibt der Gleichrichter 2R bis zu dem Zeitpunkt t1 eine der Wechselspannung UAci entsprechende Gleichspannung aus, die eine gewisse durch den Glättungskondensator C1 R gemilderte Welligkeit aufweist
Fig. 3C zeigt die Ansteuerspannungen der Transistoren T1 R, T2R; und Fig. 3D zeigt den durch die Erregerspule fließenden Strom ler.
Bricht die Energieversorgung der Rotorelektronik zum Zeitpunkt t1 zusammen, wird dies durch die Hilfsspulen L2R, L3R und die entsprechenden Treiberschaltungen G1 , G2 erkannt. Wie bereits unter Bezug auf Fig. 2 erläutert wurde, beträgt die Zeit zur Erkennung des Zusammenbruches der Energieversorgung nur wenige Perioden der Wechselspannung UAci bzw. UAc2, UAc3- Das wird auch durch Fig. 3C ersichtlich, wonach nach Ablauf dieser Zeit die die Transistoren ansteuernden Spannungen UGI , UG2 auf null Volt abgesunken sind.
Die an der Erregerspule LER erzeugte und springende Spannung liegt, wie unter Bezug auf Fig. 1 erläutert, nach Schalten der Transistoren T1 R, T2R an der aus den Suppressordioden DZR1 gebildeten Reihenschaltung 3R an. Aufgrund des Bestrebens der Erregerspule LER, den Erregerstrom aufrechtzuerhalten, erhöht sich die durch die Erregerspule LER erzeugte Spannung so weit, bis sie einen Wert der Durchbruchspannung der Reihenschaltung 3R erreicht. Dies wird durch den Signalverlauf aus Fig. 3B zwischen den Zeitpunkten t2 und t3 ersichtlich. Mit dieser Spannungserhöhung geht eine schnelle Stromänderung des durch die Erregerspule LER fließenden Stromes fer einher» was wiederum aus Fig. 3D ersichtlich ist. Die starke Stromänderung des Erregerstromes ler ist gleichbedeutend mit einer schnellen Entregung bzw. Entmagnetisierung der Erregerspule LER.
(zweite Ausführungsform)
Fig. 4 zeigt schematisch eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Rotors und einer erfindungsgemäßen Synchronmaschine sowie eine entsprechende Elektronik. Elemente, die mit solchen der ersten bevorzugten Ausführungsform identisch sind, haben identische Bezugszeichen und werden nicht nochmals erläutert.
Die in Fig. 4 gezeigte Wechselspannung UAci wird durch den Gleichrichter 2R gleichgerichtet, wobei die gleichgerichtete Spannung an der Erregerspule LER in Form der gezeigten Spannung UL abfällt und zu einem Stromfluss durch die Erregerspule LER führt.
Der im Folgenden noch erläuterte Transistor T1 R' ist in dem normalen Betrieb, d.h. während des Betriebes des Dreh Übertragers bzw. während der durch die Versorgungsschaltung 1 R übernommenen Energieversorgung der Erregerspule LER, in seinen geschlossenen Zustand (Kollektor-Emitter- Übergang leitend) geschaltet und kann idealisiert als Kurzschluss betrachtet werden.
In dem stromdurchflossenen Zustand der Erregerspule LER erzeugt diese das Magnetfeld, das im Motorbetrieb der Synchronmaschine mit einem Drehmagnetfeld, das von den um den Rotor herum angeordneten Statorspulen L2S, L3S, L4S (in Fig. 4 nicht gezeigt) erzeugt wird, derart wechselwirkt, dass der Rotor rotiert und das Kraftfahrzeug antreibt. Wird die Synchronmaschine als Teil eines Reichweitenverlängerers eingesetzt, und der Rotor im Generatorbetrieb durch einen Verbrennungsmotor rotiert/angetrieben, führt das zu einer Induktion an den Statorspulen und zur Erzeugung einer Ausgangswechselspannung an den Statorspulen. Die Ausgangswechselspannung wird gleichgerichtet und liegt an einer Fahrzeugbatterie zum Laden der Fahrzeugbatterie an.
Die auf dem Rotor angeordnete Schaltung umfasst eine Entmagnetisierungsschaltung, die beispielsweise bei einer Notabschaltung für eine schnelle Entmagnetisierung der Erregerspule LER sorgt. Die Entmagnetisierungsschaltung weist eine Vielzahl von bi-direktionalen Suppressordioden 3R\ die in einem parallel zu der Erregerspule LER liegenden Schaltungszweig angeordnet sind, den Transistor T1 R' und eine Treiberschaltung 4R' auf. Der Transistor T1 R', der bevorzugt ein IGBT ist oder aber auch ein Feldeffekttransistor oder Bipolartransistor sein kann, wird von der Treiberschaltung 4R' angesteuert, wobei die Treiberschaltung 4R' hierfür die Hilfsspule L2R, einen Gleichrichter und einen Spannungsteiler aufweist.
Wie die Spule L1 R erzeugt auch die Hilfsspule L2R durch Induktion eine Wechselspannung, die durch den Gleichrichter gewandeit/gleichgerichtet wird. Die Hilfsspufe L2R ist an den Knoten X5, X6 angeschlossen. Bei dem Gleichrichter handelt es sich in diesem Fall um einen einfachen Einweggleichrichter mit einer Diode D5R' und einem Glättungskondensator C1 R'. Die gleichgerichtete Spannung liegt über den aus Widerständen R1 R, R2R gebildeten Spannungsteiler zur Ansteuerung des Transistors T1 R' an dem entsprechenden Gate-Anschluss an. Die anliegende Gleichspannung schaltet den Transistor T1 R1 in seinen geschlossenen Zustand, in dem der Kollektor-Emitter-Übergang leitend ist. Die Treiberschaltung 4R' ist lediglich bevorzugt so aufgebaut und kann bei Bedarf auch anders ausgestaltet werden. Beispielsweise kann die Hilfsspule L2R weggelassen werden und die Wechselspannung mit an der Spule L1 R abgegriffen werden. Darüber hinaus könnte das Ansteuersignal des Transistors T1 R' optisch zwischen Stator und Rotor übertragen werden.
Die Entmagnetisierungsschaltung umfasst weiterhin auch die erwähnten in Reihe geschalteten bidirektionalen Suppressordioden DZR1 ', die in dem parallel zur Erregerspule LER liegenden Schaltungszweig angeordnet sind. Die bi-direktionalen Suppressordioden DZR1' sperren in beiden Richtungen, solange nicht eine über den Suppressordioden DZR1 ' abfallende Spannung einer bestimmten Durchbruchspannung entspricht.
Für die Entmagnetisierung ist lediglich die Sperrwirkung der bidirektionalen Suppressordioden DZR1 ' bezüglich eines Stromflusses vom Knoten X3 zum Knoten X1 von Bedeutung.
In dem normalen Betrieb der auf dem Rotor vorgesehenen Elektronik fließt durch den parallel zur Erregerspule LER liegenden Schaltungszweig im Wesentlichen kein Strom, weil sich der Transistor T1 R' in seinem geschlossenen (leitenden) Zustand befindet und die Erregerspule LER gegenüber den Suppressordioden DZR1 ' einen sehr geringen Widerstand hat.
Wie aus der Fig. 4 ersichtlich ist und im Folgenden erläutert wird, lässt sich der durch die Erregerspule LER fließende Strom ler durch Schalten des Transistors T1 R' in den zu der Erregerspule LER parallel liegenden Schaltungszweig umleiten.
Wird beispielsweise bei einem Unfall die Spannungsversorgung durch die Fahrzeugbatterie, beispielsweise durch Absprengen einer ihrer Klemmen, unterbrochen, bricht die Wechselspannung UAci an der Hilfsspule L2R und damit die Gleichspannung an dem Transistor T1 R* zusammen. Der Transistor T1 R' geht hierdurch in den geöffneten (nichtleitenden) Zustand über, das heißt der Kollektor-Emitter-Übergang des Transistors T1 R' sperrt.
Durch das Schalten des Transistors T1 R' wird der Stromfluss durch die Erregerspule LER unterbrochen, weshalb sich die Spannung an der Erregerspule LER aufgrund des Bestrebens der Erregerspule LER, den Stromfluss aufrechtzuerhalten, umkehrt und sprungartig erhöht. Aufgrund der Sperrwirkung der bi-direktionalen Suppressordioden DZR1 ' und dem damit verbundenen anfänglichen hohen Widerstand erhöht sich die Spannung an der Erregerspule LER sprungartig bis zu einem solchen Wert, der dem Wert der sich aus der Reihenschaltung der Suppressordioden DZR1 ' ergebenden Durchbruchspannung entspricht und bei dem es zu einem Durchbruch der Suppressordioden DZR kommt. Gleichermaßen erhöht sich mit dem Anstieg der von der Erregerspule LER erzeugten Spannung der Betrag der Änderung des durch die Erregerspule LER fließenden Stromes lar. Anders ausgedrückt ist durch die Suppressordioden DZR1 ' die Zeitkonstante, mit der der Strom durch die Erregerspule abklingt, sehr klein. Folge ist eine schnellere Entmagnetisierung der Erregerspule LER gegenüber derselben Schaltung ohne Entmagnetisierungsschaltung, bei der die Zeitkonstante, mit der der Strom durch die Erregerspule LER abklingt, durch die sehr geringen Durchlasswiderstände der in Durchlassrichtung gepolten Dioden D1 R bis D4R und den ohmschen Widerstand der Erregerspule LER bestimmt wird. Neben der für die Entmagnetisierung erläuterten Funktion übernehmen die Suppressordioden DZR1 ' auch eine im Folgenden erläuterte Schutzfunktion zum Schutz der Versorgungsschaltung 1 R bzw. des Gleichrichters 2R vor einer zu hohen an der Erregerspule LER erzeugten Induktionsspannung. Die bidirektionalen Suppressordioden DZR1 ' sind, wie erläutert, auch bezüglich der durch den Gleichrichter 2R erzeugten Gleichspannung in Sperrrichtung gepolt, so dass es bei bestimmungsgemäßer Erzeugung der Gleichspannung durch den Gleichrichter 2R zu keinem Stromfluss durch die Suppressordioden DZR1 ' kommt.
Werden während des Betriebes der Synchronmaschine die Statorspulen (in Fig. 4 nicht gezeigt) derart angesteuert, dass es zu einer starken Änderung des Drehmagnetfeides kommt, kann an der Erregerspule LER durch Induktion eine so starke Induktionsspannung entstehen, dass der Gleichrichter 2R - ohne zusätzliche Schutzmaßnahmen - geschädigt würde. Selbiges kann bei starken elektrischen Rückwirkungen auf die Statorspulen im Generatorbetrieb auftreten. Eine solche Induktionsspannung hat eine umgekehrte Polarität zu der bei Entmagnetisierung an der Erregerspule erzeugten Spannung.
Zur Verhinderung einer Schädigung des Gleichrichters 2R sind die bidirektionalen Suppressordioden DZR1 mit ihrer Sperrwirkung bezüglich eines Stromes vom Knoten X1 zum Knoten X3 vorgesehen. Nimmt die an der Erregerspule LER erzeugte Induktionsspannung einen solchen Wert an, der dem Wert der sich aus der Reihenschaltung der Suppressordioden DZR1 ' ergebenden Durchbruchspannung entspricht brechen die Suppressordioden DZR1 ' durch und nehmen den durch die Erregerspule erzeugten bzw. durch die Erregerspule fließenden Strom auf.
Der Gleichrichter wird somit entlastet und vor Schädigungen geschützt. Die durch die Suppressordioden DZR1 ' aufgenommene Energie wird in Wärme umgewandelt und an die Umgebung abgegeben. Nimmt die an der Erregerspule LER erzeugte Induktionsspannung bei Abklingen der Änderung des Drehmagnetfeldes ab, sperren die Suppressordioden DZR1' wieder und die gesamte Rotorschaltung kehrt in ihren normalen Betrieb zurück.
In beiden bevorzugten Ausführungsformen ist in dem zu der Erregerspule LER parallel liegenden Schaltungszweig bevorzugt eine Reihenschaltung aus uni-direktionalen oder bi-direktionalen Suppressordioden DZR1 vorgesehen, allerdings können auch Reihenschaltungen beispielsweise aus uni-/bi-direktionalen Zenerdioden oder uni-/bi-direktionalen Varistoren verwendet werden.
Ganz bevorzugt werden die (bi)direktionalen Bauelemente, d.h. Suppressordioden, Zenerdioden oder Varistoren, in einem Array aus einer Vielzahl von parallelen Reihenschaltungen ä n Bauelementen zu einer Baugruppe zusammengefasst.
Wie aus den obigen Erläuterungen verständlich wird, kann neben der Funktion zur schnelleren Entmagnetisierung noch eine Schutzfunktion realisiert werden, ohne dass sich der schaltungstechnische Aufwand erhöht.
Gegenüber einer Rotorelektronik, bei der die Entmagnetisierungsscha!tung und eine Schutzschaltung zum Schutz der Versorgungsschaltung vor einer Induktionsspannung getrennt voneinander realisiert würden, wird eine erhebliche Platzersparnis und eine erhebliche Reduzierung des Bestückungsaufwands bzw. der Anzahl notwendiger Baufeile erzielt.

Claims

Patentansprüche
1 . Rotor für eine Synchronmaschine eines Kraftfahrzeuges, wobei der Rotor aufweist:
eine Erregerspule (LER) zur Erzeugung eines Magnetfeldes, das für ein Rotieren des Rotors in einem Stator der Synchronmaschine notwendig ist;
eine Versorgungsschaltung (1 R), der Energie kontaktlos derart zugeführt werden kann, dass die Versorgungsschaltung (1 R) die Erregerspule (LER) zur Erzeugung des Magnetfeldes mit der Energie versorgt; und eine Entmagnetisierungsschaltung zur Entmagnetisierung der Erregerspule, die bei Zusammenbrechen der Energieversorgung der Erregerspule (LER) einen durch die Erregerspule (LER) fließenden Strom in einen Schaltungszweig umleitet, in dem mindestens ein zur Entmagnetisierung vorgesehenes Bauelement (DZR1 ) angeordnet ist, wobei
das mindestens eine Bauelement (DZR1) auch eine Schutzfunktion zum Schutz der Versorgungsschaltung vor einer an der Erregerspule (LER) erzeugten Induktionsspannung übernimmt.
2. Rotor gemäß Anspruch 1 , wobei
das mindestens eine Bauelement (DZR1 ) die Schutzfunktion zum Schutz der Versorgungsschaltung vor der Induktionsspannung während der durch die Versorgungsschaltung (1 R) übernommenen Energieversorgung der Erregerspule (LER) als auch bei/nach Zusammenbrechen der durch die Versorgungsschaltung (1 R) übernommenen Energieversorgung der Erregerspule (LER) übernimmt. Rotor gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei
das mindestens eine Bauelement (DZR1 ) ein Bauelement ist, das ab einem Wert der Induktionsspannung seinen Widerstand verringert; und die Entmagnetisierungsschaltung eingerichtet ist, bei Zusammenbrechen der Energieversorgung der Erregerspule (LER) durch die Versorgungsschaltung die durch die Erregerspule (LER) erzeugte Spannung zu invertieren und an den Schaltungszweig derart anzulegen, dass der durch die Erregerspule (LER) erzeugte Strom durch das Bauelement (DZR1) fließt.
Rotor gemäß Anspruch 3, wobei
die Entmagnetisierungsschaltung eine brückenartige Schaltung, die aus zwei Reihenschaltungen und der Erregerspule (LER) im Brückenzweig aufgebaut ist, aufweist, wobei die zwei Reihenschaltungen jeweils aus einem mit einer Diode (D5R, D6R) in Reihe geschalteten Schalter (T1 R, T2R) ausgebildet sind; und
die Entmagnetisierungsschaltung derart eingerichtet ist, dass bei Zusammenbrechen der Energieversorgung der Erregerspule (LER) durch die Versorgungsschaltung (1 R) die Schalter (T1 R, T2R) geschaltet werden und die Dioden (D5R, D6R) die durch die Erregerspule (LER) erzeugte Spannung invertieren.
Rotor gemäß Anspruch 4, wobei
die Entmagnetisierungsschaltung derart eingerichtet ist, dass die Schalter (T1 R, T2R) während der Energieversorgung der Erregerspule (LER) durch die Versorgungsschaltung (1 R) geschlossen sind und bei Zusammenbrechen der Energieversorgung geöffnet werden,
Rotor gemäß einem der Ansprüche 4 oder 5, wobei
die Entmagnetisierungsschaltung mindestens eine Treiberschaltung (G1 ,
G2) aufweist, die die Schalter (T1 R, T2R) ansteuert; wobei die Treiberschaltung (G1 , G2) eine Treiberversorgungsschaltung (1T) aufweist, der Energie derart zugeführt werden kann, dass die Treiberversorgungsschaltung (1T) einen Komparator (3T) mit Energie versorgt, und
der Komparator (3T) in Abhängigkeit davon, ob die Treiberversorgungsschaltung (1T) den Komparator (3T) mit Energie versorgt oder die Energieversorgung durch die Treiberversorgungsschaltung (1 R) zusammengebrochen ist, ein Äusgangssignal zur Ansteuerung der Schalter (T1 R, T2R) ausgibt,
7. Rotor gemäß Anspruch 6, wobei
die Treiberschaltung (G1 , G2) derart eingerichtet ist, dass die Treiberversorgungsschaltung (1T) eine Speichereinheit auflädt, die bei Zusammenbrechen der Energieversorgung des Komparators (3T) durch die Treiberversorgungsschaltung (1T) die Energieversorgung des Komparators (3T) solange aufrechterhält, bis der Komparator (3T) das Ausgangssignal zur Ansteuerung der Schalter (T1 R, T2R) ausgegeben hat,
8. Rotor gemäß einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei
der Komparator (3T) ein Schmitt-Trigger ist, und sowohl die Speichereinheit einen Kondensator (C1T) als auch eine Eingangsschelle (2T) des Schmitt-Triggers einen Kondensator (C2T) aufweist, wobei die Treiberschaltung (G1 , G2) derart dimensioniert ist, dass eine Zeitkonstante zum Entladen des Kondensators (C2T) der Eingangsschwelle (2T) kleiner ist als eine Zeitkonstante zum Entladen des Kondensators (C1 T) der Speichereinheit.
9. Rotor gemäß Anspruch 8, wobei das mindestens eine Bauelement aus einer Vielzahl von Reihenschaltungen aus Zenerdioden und/oder Suppressordioden und/oder Varistoren gebildet ist und die Reihenschaltungen zueinander parallel geschaltet sind.
10. Rotor gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei
der Schaltungszweig parallel zu der Erregerspute liegt und das mindestens eine Bauelement ein bi-direktionales Bauelement (DZR1 ') ist, das bei Zusammenbrechen der durch die Versorgungsschaltung (1 R) übernommenen Energieversorgung der Erregerspule (LER) ab einem Wert einer durch die Erregerspule (LER) erzeugten Spannung und ab einem Wert einer an der Erregerspule (LER) erzeugten Induktionsspannung mit umgekehrter Polarität seinen Widerstand verringert.
1 1 . Rotor gemäß Anspruch 10, wobei
das mindestens eine Bauelement (DZR1 !) mindestens eine bidirektionale Suppressordiode und/oder mindestens ein bi-direktionaler Varistor und/oder mindestens eine bi-direktionale Zenerdiode ist.
12. Rotor gemäß Anspruch 10 oder 1 1 , wobei in dem Schaltungszweig eine Vielzahl von Reihenschaltungen aus mehreren bi-direktionalen Bauelementen (DZR1 ') angeordnet ist und die Reihenschaltungen zueinander parallel geschaltet sind.
13. Synchronmaschine für ein Kraftfahrzeug, wobei die Synchronmaschine einen Rotor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 12 aufweist.
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