WO2020016074A1 - Drive unit - Google Patents

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WO2020016074A1
WO2020016074A1 PCT/EP2019/068521 EP2019068521W WO2020016074A1 WO 2020016074 A1 WO2020016074 A1 WO 2020016074A1 EP 2019068521 W EP2019068521 W EP 2019068521W WO 2020016074 A1 WO2020016074 A1 WO 2020016074A1
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WO
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motors
drive unit
coupling
permanently excited
asynchronous
Prior art date
Application number
PCT/EP2019/068521
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German (de)
French (fr)
Inventor
Dominik Grauvogl
Josef Laumer
Thomas Knorr
Original Assignee
Vitesco Technologies GmbH
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Publication date
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02PCONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P21/00Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation
    • H02P21/34Arrangements for starting
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K16/00Machines with more than one rotor or stator
    • H02K16/02Machines with one stator and two or more rotors
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/10Structural association with clutches, brakes, gears, pulleys or mechanical starters
    • H02K7/116Structural association with clutches, brakes, gears, pulleys or mechanical starters with gears
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02PCONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P1/00Arrangements for starting electric motors or dynamo-electric converters
    • H02P1/16Arrangements for starting electric motors or dynamo-electric converters for starting dynamo-electric motors or dynamo-electric converters
    • H02P1/54Arrangements for starting electric motors or dynamo-electric converters for starting dynamo-electric motors or dynamo-electric converters for starting two or more dynamo-electric motors
    • H02P1/56Arrangements for starting electric motors or dynamo-electric converters for starting dynamo-electric motors or dynamo-electric converters for starting two or more dynamo-electric motors simultaneously
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    • H02PCONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P25/00Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details
    • H02P25/02Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details characterised by the kind of motor
    • HELECTRICITY
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    • H02PCONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P5/00Arrangements specially adapted for regulating or controlling the speed or torque of two or more electric motors
    • H02P5/74Arrangements specially adapted for regulating or controlling the speed or torque of two or more electric motors controlling two or more ac dynamo-electric motors
    • H02P5/747Arrangements specially adapted for regulating or controlling the speed or torque of two or more electric motors controlling two or more ac dynamo-electric motors mechanically coupled by gearing

Definitions

  • the invention relates to a drive unit, in particular for a vehicle, a vehicle with such a drive unit, a method for operating a drive unit and a computer program element.
  • the synchronous motors are characterized in that the rotating field in the stator is synchronous with the speed of the rotor.
  • the synchronous motors require a position encoder in order to record the current rotor position.
  • the rotating field of the stator is asynchronous to the speed of the rotor, the rotating field of the stator is faster or slower. This difference in speed is called slip.
  • the resulting slip induces a voltage in the rotor of the asynchronous motor, which generates a current flow when the rotor rods are short-circuited, which in turn leads to an output torque.
  • Synchronous motors typically have the best efficiency at low speeds (30% of the maximum speed) and higher torques (60% of the maximum torque).
  • Asynchronous motors have the best efficiency at higher speeds (50% of the maximum speed) and lower torques (20% of the maximum torque).
  • the combination of the two motor types can improve the efficiency of the drive system, since the optimal combination of asynchronous motor and Synchronous motor can be selected. This can be particularly advantageous in the case of highly dynamic and constantly changing load requirements, such as when driving a vehicle.
  • Vehicles are operated over a large speed range (starting up to driving on the motorway) and load range (rolling away and full load acceleration). Furthermore, high demands are placed on efficiency in vehicles, since this can increase the range of the vehicle without having to install additional heavy batteries.
  • a first aspect of the invention relates to a drive unit.
  • the drive unit has at least two permanently excited synchronous motors, at least two asynchronous motors and a gear unit.
  • the two permanently excited synchronous motors are coupled to one another via a first coupling.
  • the two asynchronous motors are coupled to one another via a second coupling.
  • the gear unit has the first coupling and the second coupling and the gear unit is set up to transmit the rotation of the two permanently excited synchronous motors and the rotation of the two asynchronous motors to a common output shaft.
  • the two permanently excited synchronous motors and the two asynchronous motors have a common stator.
  • the four motors have a common stator, the advantages of the two motor types can be combined in one drive unit. Material and installation space can be reduced and at the same time the efficiency or efficiency of the drive unit can be increased. Furthermore, the drive unit can be controlled by only one converter unit.
  • the torque generated by the two permanently excited synchronous motors and the two asynchronous motors can be transmitted to a common output shaft by means of a gear unit.
  • the gear unit can have a first coupling and a second coupling, which are rigid or fixed or connected to one another via a coupling.
  • the first coupling can couple the two permanently excited synchronous motors to one another and the second coupling can couple the two asynchronous motors to one another.
  • the first and the second coupling can, for example, have a gear pair or a friction gear pair. It should be noted that the first coupling, the second coupling and the output shaft rotate in the same direction.
  • a synchronous rotation is understood to mean a rotation with the same speed and the same direction of rotation.
  • An opposite rotation is a rotation at the same speed but in the opposite direction.
  • three, four or more permanently excited synchronous motors and three, four or more asynchronous motors can also be arranged in a common stator.
  • the common stator has six stator windings. Due to the advantageous arrangement of the four motors with a common stator, the number can be increased
  • Stator windings can be reduced from 12 (three per motor) to six. This saves space, material and costs. Furthermore, by using a common stator magnetically active material can be saved, especially in the corners of the stator.
  • the drive unit also has a converter unit.
  • the converter unit is set up to supply the two permanently excited synchronous motors and the two asynchronous motors with current and to control the drive unit according to the current operating point.
  • the control of the drive unit can thus be selected depending on the operating point, e.g. Control like a synchronous motor (synchronous motor control) or like an asynchronous motor (asyn chronomotor control). Furthermore, depending on the operating point, it can also be decided which motor type is suitable, permanently excited synchronous motor or asynchronous motor. It should be noted that only one converter unit is required for the drive unit. This can have three phases, wherein two coils can be assigned to one phase. Furthermore, it should be noted that the converter unit can have a processor and a memory in order to determine the controlled variables / signals as a function of the desired operating point.
  • the rotors of the two permanently excited synchronous motors and the rotors of the two asynchronous motors are arranged in a diamond shape in the common stator. Furthermore, the rotors of the two permanently excited synchronous motors and the rotors of the two asynchronous motors are each arranged opposite in the common stator.
  • the two permanently excited synchronous motors and the two asynchronous motors can be arranged in a diamond shape in the common stator. Especially when the two are permanently excited Synchronous motors and the two asynchronous motors have different maximum powers, there are other necessary rotor diameters, which may require the diamond-shaped arrangement. Furthermore, the diamond-shaped arrangement of the motors allows the first coupling and the second coupling to be better integrated into the drive unit. Furthermore, the two permanently excited synchronous motors are arranged opposite one another and the two asynchronous motors are arranged opposite one another.
  • the magnetic flux through the common stator means that the motors arranged opposite each other rotate in the same direction, but neighboring motors rotate in opposite directions. In this case, the two permanently excited synchronous motors rotate in the same direction and the two asynchronous motors rotate in the same direction, but the two permanently excited synchronous motors rotate in opposite directions with respect to the two asynchronous motors.
  • the first coupling and the second coupling are a gear pair.
  • Friction wheels are used. It should also be noted that the first coupling can be an external gear and the second coupling can be an internal gear. As a result, the first coupling and the second coupling can rotate in the same direction, although the two permanently excited synchronous motors rotate in opposite directions to the two asynchronous motors.
  • the first coupling and the second coupling rotate in the same direction.
  • the translation between the two permanent magnet synchronous motors and the first coupling can be the same as the translation between the two asynchronous motors and the second coupling so that the first coupling and the second coupling rotate in unison.
  • the two permanently excited synchronous motors and the two asynchronous motors rotate in the same direction.
  • the permanently excited synchronous motors rotate in opposite directions with respect to the asynchronous motors. This is caused by the magnetic flux through the common stator. It is therefore expedient for the same motor types to be arranged opposite one another, so that the same motor types each rotate in the same direction. This can be particularly useful when designing the two permanent magnet synchronous motors and the two asynchronous motors with different maximum powers.
  • the converter unit is set up to regulate the drive unit like a permanently excited synchronous motor while the drive unit is starting up.
  • the converter unit is also set up to control the drive unit like an asynchronous motor from a first predefined speed or a predefined first operating point.
  • the common stator and a converter unit enable the drive unit to be controlled like a permanent-magnet synchronous motor when starting up, starting up or starting up.
  • a field synchronous with the position of the rotor of the motors can be generated in the stator.
  • the current rotor position of the two permanently excited synchronous motors can be detected by a position encoder. Due to the common stator and the mechanical coupling via the gear unit, the two asynchronous motors are also subjected to a synchronous rotating field at their speed. This means that they rotate synchronously, but without outputting any significant torque. In other words, the torque is output at this operating point at the common drive shaft in particular through the two permanently excited synchronous motors.
  • the converter unit can begin to transfer the control to the control of an asynchronous motor.
  • an asynchronous rotating field is then generated in relation to the rotor speed of the motors.
  • the output torque and the speed on the common output shaft are kept constant, but the torque is generated more and more by the two asynchronous motors, for example by increasing slip.
  • the converter unit can then completely change the control to an asynchronous motor control.
  • the control can be switched to asynchronous motor control from a second predefined speed or a second predefined operating point. It should be noted that the control can also be switched back to the synchronous motor control if the predefined speed or the predefined operating point is undershot.
  • the gear ratio between the permanently excited synchronous motors and the first coupling is equal to the gear ratio between the asynchronous motors and the second coupling.
  • the ratio between the output radius of the two permanently excited synchronous motors and the radius of the first coupling can be equal to the ratio between the output radius of the two asynchronous motors and the radius of the second coupling.
  • the gear unit has a fixed or rigid connection between the first coupling and the second coupling in order to transmit the rotation of the two synchronous motors excited by man and the two asynchronous motors to the common output shaft.
  • the transmission unit also has a clutch, the clutch being set up to decouple the first coupling from the output shaft so that the permanently excited synchronous machines can be decoupled.
  • the asynchronous motors have a higher maximum power than the permanently excited synchronous motors.
  • the drive unit can thus be better adapted to the respective application.
  • the two permanently excited synchronous motors can be designed smaller than the two asynchronous motors.
  • the two permanently excited synchronous motors can be used in particular for starting a vehicle and the two asynchronous motors can be used in higher speed ranges.
  • the power ratio between the two asynchronous motors and the two permanently excited synchronous motors is 5: 1. It should be noted that other power ratios such as 2: 1, 3: 1 or 1: 2 can also be selected. This depends in particular on the intended application.
  • the converter unit, the two permanently excited synchronous motors, the two asynchronous motors and the gear unit are arranged in a common housing.
  • the drive unit can thus be made compact and space-saving.
  • Another aspect of the invention relates to a vehicle with a drive device described above and below.
  • the vehicle is, for example, a
  • Motor vehicle such as a car, bus or truck, or else around a rail vehicle, a ship, an aircraft, such as a helicopter or plane, or for example a bicycle.
  • a further aspect of the invention relates to a method for operating a drive unit which has at least two permanently excited synchronous motors and at least two asynchronous motors, the two permanently excited synchronous motors and the two asynchronous motors having a common stator, comprising the following steps:
  • Another aspect of the invention relates to a program element which, when executed on a converter unit for operating a drive unit, instructs the drive unit to carry out the method described above and below.
  • Another aspect of the invention relates to a computer-readable medium on which a program element is stored which, when it is executed on a converter unit for operating a drive unit, guides the drive unit to carry out the method described above and below.
  • FIG. 1 shows a schematic view of a drive unit according to an embodiment.
  • FIG. 2 shows an equivalent circuit diagram of a drive unit according to an embodiment.
  • FIG 3 shows a sectional view of a drive unit according to an embodiment.
  • FIG. 4 shows a common stator with four rotors according to one embodiment.
  • Fig. 5 shows a block diagram for a control of a drive unit according to an embodiment.
  • FIG. 6 shows a vehicle with a drive unit according to an embodiment.
  • FIG. 7 shows a flowchart for a method for operating a Drive unit according to one embodiment.
  • the drive unit 1 shows a schematic view of the drive unit 1, in particular for a vehicle.
  • the drive unit 1 has at least two permanently excited synchronous motors 11, 12, at least two asynchronous motors 13, 14, a gear unit 20 and a converter unit 30.
  • the converter unit 30, the motors 11, 12, 13, 14 and the gear unit 20 can be arranged in a common housing 10, whereby the drive unit 1 can be made compact.
  • the two permanently excited synchronous motors 11, 12 are connected to one another via a first coupling. Furthermore, the two permanently excited synchronous motors 11, 12 rotate in the same direction.
  • the asynchronous motors 13, 14 are connected to one another via a second coupling, and the asynchronous motors 13, 14 also rotate in the same direction.
  • the first coupling and the second coupling can have a pair of gearwheels or a pair of friction wheels.
  • the transmission unit 20 has the first coupling and the second coupling and transmits the rotation of the permanently excited synchronous motors 11, 12 and the rotation of the asynchronous motors 13, 14 to a common output shaft 21.
  • the transmission unit 20 can rigidly or respectively the first coupling with the second coupling . firmly connect so that the first coupling and the second coupling rotate in the same direction.
  • the gear unit 20 can have a clutch between the Provide drive shaft 21 and the first coupling so that the two permanently excited synchronous motors 11, 12 can be decoupled from the output shaft 21.
  • the converter unit 30 is set up to supply the two permanently excited synchronous motors 11, 12 and the two asynchronous motors 13, 14 with current and to regulate them in accordance with the current operating point of the drive unit 1.
  • the converter unit 30 can control the drive unit 1 during startup like a permanently excited synchronous motor, the asynchronous motors running synchronously and without torque.
  • the converter unit 30 is also set up to regulate the drive unit 1 like an asynchronous motor from a predefined speed or a predefined operating point.
  • the predefined speed or the predefined operating point can, in particular, depend on the dimensions of the two permanently excited synchronous motors 11, 12 and the two asynchronous motors 13, 14, for example the two asynchronous motors 13, 14 can be dimensioned larger than the two permanently excited synchronous motors 11, 12.
  • the drive unit 1 can be further adapted to the later intended use. For example, a maximum power between the two permanently excited synchronous motors 11, 12 and the two asynchronous motors 13, 14 is seen in a ratio of 1: 5.
  • Fig. 2 shows an electrical equivalent circuit of the drive unit 1.
  • the dark boxes each symbolize a coil of the drive unit 1. Due to the advantageous arrangement of the four rotors (two permanently excited synchronous motors and two asynchronous motors), the number of coils can be reduced from 12 to six. Furthermore, these six coils can be controlled by the converter unit via three phase-shifted electrical lines. In other words, the four rotors of the motors can be controlled over three phases. To do this, two coils are connected to one phase.
  • Fig. 3 shows a cross section through the gear unit 20 or through the output shafts of the motors 11, 12, 13, 14. In the middle you can see the first coupling 25, which couples the two permanent magnet synchronous motors 11, 12 together.
  • the first coupling 25 can be a gear wheel or a friction wheel.
  • Fig. 3 the respective direction of rotation of the components is symbolized by the curved arrows.
  • the first coupling rotates clockwise, so the two permanently excited synchronous motors 11, 12 rotate counterclockwise.
  • four black points can be seen on the first coupling 25, which represent mounting points 27 for a flange of the output shaft.
  • the two permanently excited synchronous motors 11, 12 are arranged opposite one another.
  • An outer ring 26 can also be seen in FIG. 3. This represents the second coupling 26, which may have internal teeth, for example.
  • the second coupling 26 couples the two asynchronous motors 13, 14 to one another. Also on the second coupling four mounting points 27 are provided for the flange of the drive shaft.
  • the first coupling 25 and the second coupling 26 can be connected to one another via this flange, so that these drive the output shaft together.
  • the second coupling 26 rotates in the same way as the first coupling 25 (clockwise).
  • the two asynchronous motors 13, 14 rotate in Fig. 3 clockwise and thus in opposite directions to the permanent magnet synchronous motors 11, 12.
  • the transmission ratio between the two permanently excited synchronous motors 11, 12 and the first coupling 25 be equal to the gear ratio between the two asynchronous motors 13, 14 and the second coupling 26.
  • the straight arrows 11a, 13a, 25a, 26a in FIG. 3 represent the radii of the respective component.
  • the couplings 25, 26 are friction wheels, that the ratio between the radius of the permanently excited synchronous motor 11a and the radius of the first coupling 25a is equal to the ratio between the radius of the asynchronous motor 13a and the radius of the second coupling 26a.
  • Fig. 4 shows the common stator 15 and the four motors 11, 12, 13, 14.
  • the permanent magnet synchronous motors 11, 12 and the asynchronous motors 13, 14 are arranged opposite each other.
  • the four motors 11, 12, 13, 14 are arranged roughly ten-shaped.
  • the individual motors 11, 12, 13, 14 are magnetically connected to one another.
  • the magnetic flux is represented in FIG. 4 by the arrows within the common stator 15.
  • the six coils 16 can be seen, which are controlled by the converter unit in such a way that a rotating field is created and the motors 11, 12, 13, 14 rotate accordingly.
  • the coils 16 are each connected to form coil pairs, so that only three phases have to be regulated by the converter unit.
  • the respective opposite motors 11, 12, 13, 14, that is to say the permanently excited synchronous motors 11, 12 and the asynchronous chronomotors 13, 14, rotate in the same direction.
  • the current controller 31 receives, as input variables, the phase currents which are output to the stator, the setpoint specification 36 and the magnetization current for the two asynchronous motors 13, 14 of the magnetization current controller 37. As an output, the current controller 31 outputs voltage specifications. These are converted by the pulse generation 32 into pulses for pulse width modulation. These pulses drive the converter 33, which applies the corresponding voltage to the phases at a predetermined frequency Control of the motors 11, 12, 13, 14 outputs.
  • the current rotor position of the permanently excited synchronous motors 11, 12 is detected by the position sensor 38 and the speed n and the electrical stator resistance g are calculated therefrom in a calculation module 34.
  • the calculation module 34 together with the module 35 forms the machine model for the asynchronous motor control.
  • the speed n then goes into the setpoint specification 36 and the magnetizing current controller 37.
  • the drive unit starts up or starts up, it is controlled like a permanently excited synchronous motor.
  • the setpoint of the dq currents is thus based on the current speed and the torque setpoint.
  • the stator frequency and the stator angle are equal to the rotor position angle of the two permanently excited synchronous motors 11, 12.
  • the two asynchronous motors 13, 14 rotate synchronously and without torque.
  • the control is transferred to an asynchronous motor control.
  • the speed and the required torque remain the same, but the torque is generated by the two asynchronous motors 13, 14.
  • Different dq currents result and, with the change in the machine model, a different stator frequency.
  • a slip to the mechanical speed is necessary at this point, but the feed frequency can be changed very quickly.
  • Fig. 6 shows a vehicle 2 with a drive unit 1 described above and below.
  • the drive unit 1 can be arranged on the front axle and / or the rear axle of the vehicle 2 in order to drive the vehicle 2.
  • the permanently excited synchronous motors can be used primarily for propulsion, ie the drive unit is regulated like a permanently excited synchronous motor (synchronous rotating field). In other words, at low Speeds and comparatively high moments.
  • the asynchronous motors can be transferred, ie the drive unit is regulated like an asynchronous motor (asynchronous rotating field).
  • the permanently excited synchronous motors and the asynchronous motors can have different maximum powers, so that the two permanently excited synchronous motors can be designed smaller than the two asynchronous motors.
  • the advantages of both motor types can be combined, so that the efficiency of the drive unit can be increased.
  • material can be saved on the stator by the combination of the motors and by a common stator.
  • the number of coils of the stator can also be reduced compared to individual motors. In other words, space, material and energy can be saved. The range of the vehicle can thus be increased.
  • step S1 the drive unit is regulated by a converter unit such as a permanently excited synchronous motor, ie a rotating field that is synchronous with the speed is generated in the stator.
  • step S1 the drive unit is located in particular when starting up, ie at low speeds, for example when starting a vehicle.
  • step S2 the control is transferred from a synchronous motor control to an asynchronous motor control. This transfer takes place as soon as a first predefined speed or a first predefined operating point of the drive unit is reached.
  • step S3 the drive unit becomes like Asynchronous motor controlled, especially at higher speeds and low torques.
  • the asynchronous motor control takes place in particular when a second predefined speed or a second predefined operating point is reached.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Electric Propulsion And Braking For Vehicles (AREA)
  • Control Of Multiple Motors (AREA)

Abstract

The invention relates to a drive unit (1). The drive unit (1) has at least two permanently excited synchronous motors (11, 12), at least two asynchronous motors (13, 14) and a transmission unit (20). The two permanently excited synchronous motors (11, 12) are coupled to one another by means of a first coupling (25). The two asynchronous motors (13, 14) are coupled to one another by means of a second coupling (26). The transmission unit (20) comprises the first coupling (25) and the second coupling (26), and the transmission unit (20) is designed to transfer the rotation of the two permanently excited synchronous motors (11, 12) and the rotation of the two asynchronous motors (13, 14) to a common output shaft (21). The two permanently excited synchronous motors (11, 12) and the two asynchronous motors (13, 14) have a common stator.

Description

Beschreibung description
Antriebseinheit drive unit
Die Erfindung betrifft eine Antriebseinheit, insbesondere für ein Fahrzeug, ein Fahrzeug mit einer solchen Antriebseinheit , ein Verfahren zum Betrieb einer Antriebseinheit und ein Compu terprogrammelement . The invention relates to a drive unit, in particular for a vehicle, a vehicle with such a drive unit, a method for operating a drive unit and a computer program element.
Bei dreiphasigen elektrischen Motoren existieren im Wesentlichen zwei verschiedene Motortypen. Zum einen die Synchronmotoren und zum anderen die Asynchronmotoren (Induktionsmotoren). Die Synchronmotoren zeichnen sich dadurch aus, dass das Drehfeld im Stator synchron zu der Drehzahl des Rotors ist. Für eine Regelung benötigen die Synchronmotoren einen Lagegeber, um die aktuelle Rotorlage zu erfassen. Bei Asynchronmotoren ist das Drehfeld des Stators asynchron zu der Drehzahl des Rotors, das Drehfeld des Stators ist schneller oder langsamer. Dieser Unterschied in den Drehzahlen wird als Schlupf bezeichnet. Durch den entstehenden Schlupf wird eine Spannung in den Rotor des Asynchronmotors induziert, wodurch bei kurzgeschlossenen Rotorstäben ein Stromfluss generiert wird, welcher wiederum zu einem Aus gangsdrehmoment führt. Insbesondere hinsichtlich der Effizienz bzw. dem Wirkungsgrad, dem Bauraum, des Materialeinsatzes und den Kosten weisen die beiden Motortypen teilweise unterschiedliche Eigenschaften auf. Synchronmotoren weisen typischerweise den besten Wirkungsgrad bei niedrigen Drehzahlen (30% der maximalen Drehzahl) und höheren Drehmomenten (60% des maximalen Dreh moments) auf. Asynchronmotoren hingehen weisen den besten Wirkungsgrad bei höheren Drehzahlen (50% der maximalen Drehzahl) und niedrigeren Drehmomenten (20% des maximalen Drehmoments) auf. Durch die Kombination der beiden Motortypen kann der Wirkungsgrad des Antriebssystems verbessert werden, da für jeden Betriebspunkt die optimale Kombination aus Asynchronmotor und Synchronmotor ausgewählt werden kann. Dies kann insbesondere bei hochdynamischen und stätig wechselnden Lastanforderungen vorteilhaft sein, wie z.B. beim Antrieb eines Fahrzeugs. With three-phase electric motors, there are essentially two different motor types. On the one hand the synchronous motors and on the other hand the asynchronous motors (induction motors). The synchronous motors are characterized in that the rotating field in the stator is synchronous with the speed of the rotor. For control purposes, the synchronous motors require a position encoder in order to record the current rotor position. In asynchronous motors, the rotating field of the stator is asynchronous to the speed of the rotor, the rotating field of the stator is faster or slower. This difference in speed is called slip. The resulting slip induces a voltage in the rotor of the asynchronous motor, which generates a current flow when the rotor rods are short-circuited, which in turn leads to an output torque. In particular with regard to the efficiency or the efficiency, the installation space, the use of materials and the costs, the two engine types sometimes have different properties. Synchronous motors typically have the best efficiency at low speeds (30% of the maximum speed) and higher torques (60% of the maximum torque). Asynchronous motors have the best efficiency at higher speeds (50% of the maximum speed) and lower torques (20% of the maximum torque). The combination of the two motor types can improve the efficiency of the drive system, since the optimal combination of asynchronous motor and Synchronous motor can be selected. This can be particularly advantageous in the case of highly dynamic and constantly changing load requirements, such as when driving a vehicle.
Fahrzeuge werden über einen großen Drehzahlbereich (Anfahren bis Autobahnfahrt) und Lastbereich (Dahinrollen und Volllastbe schleunigung) betrieben. Ferner werden bei Fahrzeugen hohe Anforderungen an die Effizienz gestellt, da hierdurch die Reichweite des Fahrzeugs erhöht werden kann ohne weitere schwere Batterien oder Akkus verbauen zu müssen. Vehicles are operated over a large speed range (starting up to driving on the motorway) and load range (rolling away and full load acceleration). Furthermore, high demands are placed on efficiency in vehicles, since this can increase the range of the vehicle without having to install additional heavy batteries.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen effizienten und ressourcenschonenden Antrieb bereitzustellen. It is an object of the invention to provide an efficient and resource-saving drive.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen An sprüche gelöst. Ausführungsformen und Weiterbildungen sind den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Figuren zu entnehmen . This object is achieved by the subject of the independent claims. Embodiments and developments can be found in the dependent claims, the description and the figures.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Antriebseinheit. Die Antriebseinheit weist wenigstens zwei permanenterregte Synchronmotoren, wenigstens zwei Asynchronmotoren und eine Getriebeeinheit auf. Die zwei permanenterregten Synchronmotoren sind über eine erste Kopplung miteinander gekoppelt. Die zwei Asynchronmotoren sind über eine zweite Kopplung miteinander gekoppelt. Die Getriebeeinheit weist die erste Kopplung und die zweite Kopplung auf und die Getriebeeinheit ist dazu einge richtet, die Rotation der zwei permanenterregten Synchronmotoren und die Rotation der zwei Asynchronmotoren auf eine gemeinsame Abtriebswelle zu übertragen. Die zwei permanenterregten Syn chronmotoren und die zwei Asynchronmotoren weisen einen ge meinsamen Stator auf. A first aspect of the invention relates to a drive unit. The drive unit has at least two permanently excited synchronous motors, at least two asynchronous motors and a gear unit. The two permanently excited synchronous motors are coupled to one another via a first coupling. The two asynchronous motors are coupled to one another via a second coupling. The gear unit has the first coupling and the second coupling and the gear unit is set up to transmit the rotation of the two permanently excited synchronous motors and the rotation of the two asynchronous motors to a common output shaft. The two permanently excited synchronous motors and the two asynchronous motors have a common stator.
Durch die Kombination von wenigstens zwei permanenterregten Synchronmotoren und wenigstens zwei Asynchronmotoren, wobei die vier Motoren einen gemeinsamen Stator aufweisen, können die Vorteile der beiden Motortypen in einer Antriebseinheit kom biniert werden. Hierbei kann Material und Bauraum reduziert werden und gleichzeitig kann die Effizienz bzw. Wirkungsgrad der Antriebseinheit gesteigert werden. Ferner kann die Antriebs einheit durch lediglich eine Umrichtereinheit angesteuert werden. Durch eine Getriebeeinheit kann das durch die zwei permanenterregten Synchronmotoren und die zwei Asynchronmotoren erzeugte Drehmoment auf eine gemeinsame Abtriebswelle übertragen werden. Die Getriebeeinheit kann hierbei eine erste Kopplung und eine zweite Kopplung aufweisen, welche starr bzw. fest oder über eine Kupplung miteinander verbunden sind. Die erste Kopplung kann hierbei die zwei permanenterregten Synchronmotoren miteinander koppeln und die zweite Kopplung kann die zwei Asynchronmotoren miteinander koppeln. Die erste und die zweite Kopplung können beispielsweise eine Zahnradpaarung oder eine Reibradpaarung aufweisen. Es sei angemerkt, dass sich die erste Kopplung, die zweite Kopplung und die Abtriebswelle gleichläufig drehen. By combining at least two permanently excited synchronous motors and at least two asynchronous motors, the four motors have a common stator, the advantages of the two motor types can be combined in one drive unit. Material and installation space can be reduced and at the same time the efficiency or efficiency of the drive unit can be increased. Furthermore, the drive unit can be controlled by only one converter unit. The torque generated by the two permanently excited synchronous motors and the two asynchronous motors can be transmitted to a common output shaft by means of a gear unit. The gear unit can have a first coupling and a second coupling, which are rigid or fixed or connected to one another via a coupling. The first coupling can couple the two permanently excited synchronous motors to one another and the second coupling can couple the two asynchronous motors to one another. The first and the second coupling can, for example, have a gear pair or a friction gear pair. It should be noted that the first coupling, the second coupling and the output shaft rotate in the same direction.
Unter einer gleichläufigen Drehung ist eine Drehung mit gleicher Drehzahl und gleicher Drehrichtung zu verstehen. Eine gegen läufige Drehung ist eine Drehung mit gleicher Drehzahl jedoch der gegenläufigen Drehrichtung. A synchronous rotation is understood to mean a rotation with the same speed and the same direction of rotation. An opposite rotation is a rotation at the same speed but in the opposite direction.
Alternativ oder zusätzlich können auch drei, vier oder mehr permanenterregte Synchronmotoren und drei, vier oder mehr Asynchronmotoren in einem gemeinsamen Stator angeordnet sein. Alternatively or additionally, three, four or more permanently excited synchronous motors and three, four or more asynchronous motors can also be arranged in a common stator.
Gemäß einer Ausführungsform weist der gemeinsame Stator sechs Statorwicklungen auf. Durch die vorteilhafte Anordnung der vier Motoren mit einem gemeinsamen Stator kann die Anzahl an According to one embodiment, the common stator has six stator windings. Due to the advantageous arrangement of the four motors with a common stator, the number can be increased
Statorwicklungen von 12 (drei pro Motor) auf sechs reduziert werden. Somit können Bauraum, Material und Kosten gespart werden. Ferner kann durch die Verwendung eines gemeinsamen Stators magnetisch aktives Material eingespart werden, insbesondere in den Ecken des Stators. Stator windings can be reduced from 12 (three per motor) to six. This saves space, material and costs. Furthermore, by using a common stator magnetically active material can be saved, especially in the corners of the stator.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Antriebseinheit ferner eine Umrichtereinheit auf. Die Umrichtereinheit ist dazu eingerichtet, die zwei permanenterregten Synchronmotoren und die zwei Asynchronmotoren mit Strom zu versorgen und die An triebseinheit entsprechend des aktuellen Betriebspunktes zu regeln . According to one embodiment, the drive unit also has a converter unit. The converter unit is set up to supply the two permanently excited synchronous motors and the two asynchronous motors with current and to control the drive unit according to the current operating point.
Somit kann die Regelung der Antriebseinheit abhängig vom Be triebspunkt gewählt werden, z.B. Regelung wie ein Synchronmotor (Synchronmotorregelung) oder wie ein Asynchronmotor (Asyn chronmotorregelung) . Des Weiteren kann auch abhängig vom Be triebspunkt entschieden werden, welcher Motortyp geeignet ist, permanenterregter Synchronmotor oder Asynchronmotor. Es sei angemerkt, dass für die Antriebseinheit lediglich eine Um richtereinheit benötigt wird. Diese kann drei Phasen aufweisen, wobei jeweils zwei Spulen einer Phase zugeordnet sein können. Des Weiteren sei angemerkt, dass die Umrichtereinheit einen Pro zessor und einen Speicher aufweisen kann, um die Regelgrö ßen/Signale in Abhängigkeit des gewünschten Betriebspunktes zu bestimmen . The control of the drive unit can thus be selected depending on the operating point, e.g. Control like a synchronous motor (synchronous motor control) or like an asynchronous motor (asyn chronomotor control). Furthermore, depending on the operating point, it can also be decided which motor type is suitable, permanently excited synchronous motor or asynchronous motor. It should be noted that only one converter unit is required for the drive unit. This can have three phases, wherein two coils can be assigned to one phase. Furthermore, it should be noted that the converter unit can have a processor and a memory in order to determine the controlled variables / signals as a function of the desired operating point.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die Rotoren der zwei permanenterregten Synchronmotoren und die Rotoren der zwei Asynchronmotoren rautenförmig in dem gemeinsamen Stator an geordnet. Ferner sind die Rotoren der zwei permanenterregte Synchronmotoren und die Rotoren der zwei Asynchronmotoren jeweils gegenüber in dem gemeinsamen Stator angeordnet. According to a further embodiment, the rotors of the two permanently excited synchronous motors and the rotors of the two asynchronous motors are arranged in a diamond shape in the common stator. Furthermore, the rotors of the two permanently excited synchronous motors and the rotors of the two asynchronous motors are each arranged opposite in the common stator.
In dem gemeinsamen Stator können die zwei permanenterregten Synchronmotoren und die zwei Asynchronmotoren rautenförmig angeordnet sein. Insbesondere wenn die zwei permanenterregten Synchronmotoren und die zwei Asynchronmotoren unterschiedliche Maximalleistungen aufweisen, ergeben sich andere nötige Ro tordurchmesser, wodurch die rautenförmige Anordnung erfor derlich sein kann. Des Weiteren können durch die rautenförmige Anordnung der Motoren die erste Kopplung und die zweite Kopplung besser in die Antriebseinheit integriert werden. Ferner sind die zwei permanenterregten Synchronmotoren gegenüber einander angeordnet und die zwei Asynchronmotoren sind gegenüber einander angeordnet. Durch den magnetischen Fluss durch den gemeinsamen Stator ergibt sich, dass sich die jeweils gegenüber angeordneten Motoren gleichläufig drehen, jedoch drehen sich benachbarte Motoren gegenläufig. In diesem Fall drehen sich die zwei permanenterregten Synchronmotoren gleichläufig und es drehen sich die zwei Asynchronmotoren gleichläufig, jedoch drehen sich die zwei permanenterregten Synchronmotoren gegenläufig in Bezug zu den zwei Asynchronmotoren. The two permanently excited synchronous motors and the two asynchronous motors can be arranged in a diamond shape in the common stator. Especially when the two are permanently excited Synchronous motors and the two asynchronous motors have different maximum powers, there are other necessary rotor diameters, which may require the diamond-shaped arrangement. Furthermore, the diamond-shaped arrangement of the motors allows the first coupling and the second coupling to be better integrated into the drive unit. Furthermore, the two permanently excited synchronous motors are arranged opposite one another and the two asynchronous motors are arranged opposite one another. The magnetic flux through the common stator means that the motors arranged opposite each other rotate in the same direction, but neighboring motors rotate in opposite directions. In this case, the two permanently excited synchronous motors rotate in the same direction and the two asynchronous motors rotate in the same direction, but the two permanently excited synchronous motors rotate in opposite directions with respect to the two asynchronous motors.
Gemäß einer Ausführungsform sind die erste Kopplung und die zweite Kopplung eine Zahnradpaarung. Jedoch können auch According to one embodiment, the first coupling and the second coupling are a gear pair. However, too
Reibräder eingesetzt werden. Ferner sei angemerkt, dass die erste Kopplung eine Außenradverzahnung sein kann und die zweite Kopplung eine Innenradverzahnung sein kann. Hierdurch kann eine gleichläufige Drehung der ersten Kopplung und der zweiten Kopplung erreicht werden, obwohl sich die zwei permanenterregten Synchronmotoren gegenläufig zu den zwei Asynchronmotoren drehen. Friction wheels are used. It should also be noted that the first coupling can be an external gear and the second coupling can be an internal gear. As a result, the first coupling and the second coupling can rotate in the same direction, although the two permanently excited synchronous motors rotate in opposite directions to the two asynchronous motors.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform drehen sich die erste Kopplung und die zweite Kopplung gleichläufig. According to a further embodiment, the first coupling and the second coupling rotate in the same direction.
Es sei angemerkt, dass die Übersetzung zwischen den zwei permanenterregten Synchronmotoren und der ersten Kopplung gleich zu der Übersetzung zwischen den zwei Asynchronmotoren und der zweiten Kopplung sein kann, damit sich die erste Kopplung und die zweite Kopplung gleichläufig drehen. Gemäß einer Ausführungsform drehen sich die zwei permanent erregten Synchronmotoren und die zwei Asynchronmotoren gleichläufig. Die permanenterregten Synchronmotoren drehen sich gegenläufig in Bezug auf die Asynchronmotoren. Dies wird durch den magnetischen Fluss durch den gemeinsamen Stator hervor gerufen. Somit erfolgt sinnvollerweise eine gegenüberliegende Anordnung der gleichen Motortypen, sodass sich die gleichen Motortypen jeweils gleichläufig drehen. Dies kann insbesondere bei einer Auslegung der die zwei permanenterregten Synchron motoren und die zwei Asynchronmotoren mit unterschiedlichen Maximalleistungen sinnvoll sein. It should be noted that the translation between the two permanent magnet synchronous motors and the first coupling can be the same as the translation between the two asynchronous motors and the second coupling so that the first coupling and the second coupling rotate in unison. According to one embodiment, the two permanently excited synchronous motors and the two asynchronous motors rotate in the same direction. The permanently excited synchronous motors rotate in opposite directions with respect to the asynchronous motors. This is caused by the magnetic flux through the common stator. It is therefore expedient for the same motor types to be arranged opposite one another, so that the same motor types each rotate in the same direction. This can be particularly useful when designing the two permanent magnet synchronous motors and the two asynchronous motors with different maximum powers.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Umrichtereinheit dazu eingerichtet, während des Anlaufens der Antriebseinheit die Antriebseinheit wie einen permanenterregten Synchronmotor zu regeln. Die Umrichtereinheit ist ferner dazu eingerichtet, ab einer ersten vordefinierten Drehzahl oder einem vordefinierten ersten Betriebspunkt die Antriebseinheit wie einen Asyn chronmotor zu regeln. According to one embodiment, the converter unit is set up to regulate the drive unit like a permanently excited synchronous motor while the drive unit is starting up. The converter unit is also set up to control the drive unit like an asynchronous motor from a first predefined speed or a predefined first operating point.
Durch den gemeinsamen Stator und eine Umrichtereinheit kann die Regelung der Antriebseinheit beim Hochlauf, beim Anlaufen bzw. beim Anfahren wie ein permanenterregter Synchronmotor erfolgen. Mit anderen Worten kann ein zur Position des Rotors der Motoren synchrones Feld in dem Stator erzeugt werden. Es sei angemerkt, dass die aktuelle Rotorlage der zwei permanenterregten Syn chronmotoren durch einen Lagegeber erfasst werden kann. Durch den gemeinsamen Stator und die mechanische Kopplung über die Ge triebeeinheit werden die zwei Asynchronmotoren ebenfalls mit einem synchronen Drehfeld zu deren Drehzahl beaufschlagt. Somit drehen diese synchron mit, jedoch ohne ein nennenswertes Drehmoment auszugeben. Mit anderen Worten, erfolgt die Dreh momentausgabe in diesem Betriebspunkt an der gemeinsamen Ab- triebswelle insbesondere durch die zwei permanenterregten Synchronmotoren. Sobald eine erste vordefinierte Drehzahl oder einem vordefinierten Betriebspunkt (Drehzahl, Drehmoment und Dynamik) erreicht ist, kann die Umrichtereinheit damit beginnen die Regelung an die Regelung eines Asynchronmotors zu übergeben. Insbesondere wird dann ein asynchrones Drehfeld in Bezug auf die Rotordrehzahl der Motoren erzeugt. Zunächst wird das ausgegebene Drehmoment und die Drehzahl an der gemeinsamen Abtriebswelle konstant gehalten, jedoch erfolgt die Erzeugung des Drehmoments zunehmen durch die zwei Asynchronmotoren, z.B. durch steigenden Schlupf. Anschließend kann die Umrichtereinheit die Regelung komplett auf eine Asynchronmotorregelung umstellen. Insbe sondere kann die Regelung ab einer zweiten vordefinierten Drehzahl oder einem zweiten vordefinierten Betriebspunkt auf die Asynchronmotorregelung umgestellt werden . Es sei angemerkt, dass die Regelung auch wieder zurück auf die Synchronmotorregelung umgestellt werden kann, wenn die vordefinierte Drehzahl oder der vordefinierte Betriebspunkt unterschritten wird. The common stator and a converter unit enable the drive unit to be controlled like a permanent-magnet synchronous motor when starting up, starting up or starting up. In other words, a field synchronous with the position of the rotor of the motors can be generated in the stator. It should be noted that the current rotor position of the two permanently excited synchronous motors can be detected by a position encoder. Due to the common stator and the mechanical coupling via the gear unit, the two asynchronous motors are also subjected to a synchronous rotating field at their speed. This means that they rotate synchronously, but without outputting any significant torque. In other words, the torque is output at this operating point at the common drive shaft in particular through the two permanently excited synchronous motors. As soon as a first predefined speed or a predefined operating point (speed, torque and dynamics) is reached, the converter unit can begin to transfer the control to the control of an asynchronous motor. In particular, an asynchronous rotating field is then generated in relation to the rotor speed of the motors. First, the output torque and the speed on the common output shaft are kept constant, but the torque is generated more and more by the two asynchronous motors, for example by increasing slip. The converter unit can then completely change the control to an asynchronous motor control. In particular, the control can be switched to asynchronous motor control from a second predefined speed or a second predefined operating point. It should be noted that the control can also be switched back to the synchronous motor control if the predefined speed or the predefined operating point is undershot.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Übersetzungsverhältnis zwischen den permanenterregten Synchronmotoren und der ersten Kopplung gleich zu dem Übersetzungsverhältnis zwischen den Asynchronmotoren und der zweiten Kopplung. Bei Verwendung von Reibrädern kann das Verhältnis zwischen dem Abtriebsradius der zwei permanenterregten Synchronmotoren und dem Radius der ersten Kopplung gleich zu dem Verhältnis zwischen dem Abtriebsradius der zwei Asynchronmotoren und dem Radius der zweiten Kopplung sein. According to one embodiment, the gear ratio between the permanently excited synchronous motors and the first coupling is equal to the gear ratio between the asynchronous motors and the second coupling. When using friction wheels, the ratio between the output radius of the two permanently excited synchronous motors and the radius of the first coupling can be equal to the ratio between the output radius of the two asynchronous motors and the radius of the second coupling.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Getriebeeinheit eine feste bzw. starre Verbindung zwischen der ersten Kopplung und der zweiten Kopplung auf, um die Rotation der zwei per manenterregten Synchronmotoren und der zwei Asynchronmotoren auf die gemeinsame Abtriebswelle zu übertragen. Gemäß einer Ausführungsform weist die Getriebeeinheit ferner eine Kupplung auf, wobei die Kupplung dazu eingerichtet ist, die erste Kopplung von der Abtriebswelle abzukoppeln, sodass die permanenterregten Synchronmaschinen abkoppelbar sind. According to a further embodiment, the gear unit has a fixed or rigid connection between the first coupling and the second coupling in order to transmit the rotation of the two synchronous motors excited by man and the two asynchronous motors to the common output shaft. According to one embodiment, the transmission unit also has a clutch, the clutch being set up to decouple the first coupling from the output shaft so that the permanently excited synchronous machines can be decoupled.
Somit kann der Einfluss der zwei permanenterregten Synchron motoren auf das Ausgangsdrehmoment an der gemeinsamen Ab triebswelle unterbunden werden, wenn die Antriebseinheit durch die Umrichtereinheit wie ein Asynchronmotor geregelt wird. Thus, the influence of the two permanently excited synchronous motors on the output torque on the common drive shaft can be prevented if the drive unit is controlled by the converter unit like an asynchronous motor.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Asynchronmotoren eine höhere maximale Leistung als die permanenterregten Synchron motoren auf. Somit kann die Antriebseinheit besser auf den jeweiligen Einsatzzweck angepasst werden. Beispielseise können die zwei permanenterregten Synchronmotoren kleiner als die zwei Asynchronmotoren ausgelegt werden. Die zwei permanenterregten Synchronmotoren können insbesondere für das Anfahren eines Fahrzeugs genutzt werden und die zwei Asynchronmotoren können in höheren Drehzahlbereichen genutzt werden. According to one embodiment, the asynchronous motors have a higher maximum power than the permanently excited synchronous motors. The drive unit can thus be better adapted to the respective application. For example, the two permanently excited synchronous motors can be designed smaller than the two asynchronous motors. The two permanently excited synchronous motors can be used in particular for starting a vehicle and the two asynchronous motors can be used in higher speed ranges.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Leistungsverhältnis zwischen den zwei Asynchronmotoren und den zwei permanenter regten Synchronmotoren 5:1. Es sei angemerkt, dass auch andere Leistungsverhältnisse wie beispielsweise 2:1, 3:1 oder 1:2 gewählt werden können. Dies hängt insbesondere von dem ge wünschten Einsatzzweck ab. According to a further embodiment, the power ratio between the two asynchronous motors and the two permanently excited synchronous motors is 5: 1. It should be noted that other power ratios such as 2: 1, 3: 1 or 1: 2 can also be selected. This depends in particular on the intended application.
Gemäß einer Ausführungsform sind die Umrichtereinheit, die zwei permanenterregten Synchronmotoren, die zwei Asynchronmotoren und die Getriebeeinheit in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind. Somit kann die Antriebseinheit kompakt und platzsparend ausgeführt werden. According to one embodiment, the converter unit, the two permanently excited synchronous motors, the two asynchronous motors and the gear unit are arranged in a common housing. The drive unit can thus be made compact and space-saving.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einer vorhergehend und nachfolgend beschriebenen Antriebsvorrichtung. Another aspect of the invention relates to a vehicle with a drive device described above and below.
Bei dem Fahrzeug handelt es sich beispielsweise um ein The vehicle is, for example, a
Kraftfahrzeug, wie Auto, Bus oder Lastkraftwagen, oder aber auch um ein Schienenfahrzeug, ein Schiff, ein Luftfahrzeug, wie Helikopter oder Flugzeug, oder beispielsweise um ein Fahrrad. Motor vehicle, such as a car, bus or truck, or else around a rail vehicle, a ship, an aircraft, such as a helicopter or plane, or for example a bicycle.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Antriebseinheit, welche wenigstens zwei perma nenterregte Synchronmotoren und wenigstens zwei Asynchronmo toren aufweist, wobei die zwei permanenterregten Synchronmotoren und die zwei Asynchronmotoren einen gemeinsamen Stator auf weisen, die folgenden Schritte aufweisend: A further aspect of the invention relates to a method for operating a drive unit which has at least two permanently excited synchronous motors and at least two asynchronous motors, the two permanently excited synchronous motors and the two asynchronous motors having a common stator, comprising the following steps:
- Regeln der Antriebseinheit wie einen permanenterregten Synchronmotor während des Anlaufens der Antriebseinheit;  - Regulation of the drive unit such as a permanent magnet synchronous motor during the start of the drive unit;
- Übergeben der Regelung wie in einen permanenterregten Synchronmotor (Synchronmotorregelung) zu der Regelung wie einen Asynchronmotor (Asynchronmotorregelung) sobald eine erste vordefinierte Drehzahl oder ein erster vordefinierter Be triebspunkt erreicht ist; und  - Pass the control as in a permanently excited synchronous motor (synchronous motor control) to the control as an asynchronous motor (asynchronous motor control) as soon as a first predefined speed or a first predefined operating point is reached; and
- Regeln der Antriebseinheit wie einen Asynchronmotor, wenn eine zweite vordefinierte Drehzahl oder ein zweiter vordefi nierte Betriebspunkt erreicht ist.  - Control the drive unit like an asynchronous motor when a second predefined speed or a second predefined operating point is reached.
Bei der Übergabe wird das Drehmoment und die Drehzahl an der gemeinsamen Ausgangswelle konstant gehalten, jedoch wird es nun von den Asynchronmotoren erzeugt. Dieser transiente Betrieb bzw. das Übergeben ist schnell möglich. During the transfer, the torque and speed on the common output shaft are kept constant, but they are now generated by the asynchronous motors. This transient operation or transfer is quickly possible.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Programmelement, das, wenn es auf einer Umrichtereinheit zum Betrieb einer Antriebseinheit ausgeführt wird, die Antriebseinheit anleitet, das vorhergehend und nachfolgend beschriebene Verfahren durchzuführen . Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein computerlesbares Medium, auf dem ein Programmelement gespeichert ist, das, wenn es auf einer Umrichtereinheit zum Betrieb einer Antriebseinheit ausgeführt wird, die Antriebseinheit anleitet, das vorhergehend und nachfolgend beschriebene Verfahren durchzuführen. Another aspect of the invention relates to a program element which, when executed on a converter unit for operating a drive unit, instructs the drive unit to carry out the method described above and below. Another aspect of the invention relates to a computer-readable medium on which a program element is stored which, when it is executed on a converter unit for operating a drive unit, guides the drive unit to carry out the method described above and below.
Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele und der Figuren. Further features, advantages and possible uses of the invention result from the following description of the exemplary embodiments and the figures.
Die Figuren sind schematisch und nicht maßstabsgetreu. Sind in der nachfolgenden Beschreibung der Figuren gleiche Bezugszeichen angegeben, so bezeichnen diese gleiche oder ähnliche Elemente. The figures are schematic and not to scale. If the same reference numerals are given in the following description of the figures, they denote the same or similar elements.
Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht einer Antriebseinheit gemäß einer Ausführungsform. 1 shows a schematic view of a drive unit according to an embodiment.
Fig. 2 zeigt ein Ersatzschaltbild einer Antriebseinheit gemäß einer Ausführungsform. 2 shows an equivalent circuit diagram of a drive unit according to an embodiment.
Fig. 3 zeigt eine Schnittansicht einer Antriebseinheit gemäß einer Ausführungsform. 3 shows a sectional view of a drive unit according to an embodiment.
Fig. 4 zeigt einen gemeinsamen Stator mit vier Rotoren gemäß einer Ausführungsform. 4 shows a common stator with four rotors according to one embodiment.
Fig. 5 zeigt ein Blockschaltbild für eine Regelung einer An triebseinheit gemäß einer Ausführungsform. Fig. 5 shows a block diagram for a control of a drive unit according to an embodiment.
Fig. 6 zeigt ein Fahrzeug mit einer Antriebseinheit gemäß einer Ausführungsform. 6 shows a vehicle with a drive unit according to an embodiment.
Fig. 7 zeigt ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum Betrieb einer Antriebseinheit gemäß einer Ausführungsform. 7 shows a flowchart for a method for operating a Drive unit according to one embodiment.
Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht der Antriebseinheit 1, insbesondere für ein Fahrzeug. Die Antriebseinheit 1 weist wenigstens zwei permanenterregte Synchronmotoren 11, 12, we nigstens zwei Asynchronmotoren 13, 14, eine Getriebeeinheit 20 und eine Umrichtereinheit 30 auf. Die Umrichtereinheit 30, die Motoren 11, 12, 13, 14 und die Getriebeeinheit 20 können in einem gemeinsamen Gehäuse 10 angeordnet sein, wodurch die An triebseinheit 1 kompakt ausgeführt werden kann. Die Motoren 11,1 shows a schematic view of the drive unit 1, in particular for a vehicle. The drive unit 1 has at least two permanently excited synchronous motors 11, 12, at least two asynchronous motors 13, 14, a gear unit 20 and a converter unit 30. The converter unit 30, the motors 11, 12, 13, 14 and the gear unit 20 can be arranged in a common housing 10, whereby the drive unit 1 can be made compact. The engines 11,
12, 13, 14 weisen jeweils einen Rotor auf. Die Motoren 11, 12,12, 13, 14 each have a rotor. The motors 11, 12,
13, 14 weisen ferner einen gemeinsamen Stator auf. Somit kann aktives Material im Stator eingespart werden. Des Weiteren kann durch die Kombination von permanenterregten Synchronmotoren 11, 12 und Asynchronmotoren 13, 14 die Effizienz bzw. der Wir kungsgrad der Antriebseinheit 1 erhöht werden, da je nach aktuellen Betriebspunkt die permanenterregten Synchronmotoren 11, 12 oder die Asynchronmotoren 13, 14 geregelt werden können, wodurch die Vorteile beider Motortypen kombiniert werden können. Die zwei permanenterregten Synchronmotoren 11, 12 sind über eine erste Kopplung miteinander verbunden. Des Weiteren drehen sich die beiden permanenterregten Synchronmotoren 11, 12 gleich läufig. Die Asynchronmotoren 13, 14 sind über eine zweite Kopplung miteinander verbunden und auch die Asynchronmotoren 13, 14 drehen sich gleichläufig. Die erste Kopplung und die zweite Kopplung können ein Zahnradpaar oder ein Reibradpaar aufweisen. Die Getriebeeinheit 20 weist die erste Kopplung und die zweite Kopplung auf und überträgt die Rotation der permanenterregten Synchronmotoren 11, 12 und die Rotation der Asynchronmotoren 13, 14 auf eine gemeinsame Abtriebswelle 21. Hierbei kann die Getriebeeinheit 20 die erste Kopplung mit der zweiten Kopplung starr bzw. fest verbinden, sodass sich die erste Kopplung und die zweite Kopplung gleichläufig drehen. Alternativ oder zusätzlich kann die Getriebeeinheit 20 eine Kupplung zwischen der Ab- triebswelle 21 und der ersten Kopplung vorsehen, sodass die zwei permanenterregten Synchronmotoren 11, 12 von der Abtriebswelle 21 abkoppelbar sind. Die Umrichtereinheit 30 ist dazu einge richtet, die zwei permanenterregten Synchronmotoren 11, 12 und die zwei Asynchronmotoren 13, 14 mit Strom zu versorgen und diese entsprechend dem aktuellen Betriebspunkt der Antriebseinheit 1 zu regeln. Hierbei kann die Umrichtereinheit 30 die An triebseinheit 1 während des Anlaufend wie einen permanenterregte Synchronmotor regeln, wobei die Asynchronmotoren drehzahl synchron und momentenfrei mitlaufen. Die Umrichtereinheit 30 ist ferner dazu eingerichtet ab einer vordefinierten Drehzahl oder einem vordefinierten Betriebspunkt die Antriebseinheit 1 wie einen Asynchronmotor zu regeln. Die vordefinierte Drehzahl bzw. der vordefinierte Betriebspunkt kann insbesondere von der Dimensionierung der zwei permanenterregten Synchronmotoren 11, 12 und der zwei Asynchronmotoren 13, 14 abhängen, beispielsweise können die zwei Asynchronmotoren 13, 14 größer Dimensioniert sein als die zwei permanenterregten Synchronmotoren 11, 12. Somit kann die Antriebseinheit 1 weiter auf den späteren Verwendungszweck angepasst werden. Beispielsweise ist eine maximale Leistung zwischen den zwei permanenterregten Synchronmotoren 11, 12 und den zwei Asynchronmotoren 13, 14 im Verhältnis von 1:5 vor gesehen . 13, 14 also have a common stator. This saves active material in the stator. Furthermore, by combining permanent-magnet synchronous motors 11, 12 and asynchronous motors 13, 14, the efficiency or efficiency of the drive unit 1 can be increased, since, depending on the current operating point, the permanent-magnet synchronous motors 11, 12 or the asynchronous motors 13, 14 can be regulated , which allows the advantages of both engine types to be combined. The two permanently excited synchronous motors 11, 12 are connected to one another via a first coupling. Furthermore, the two permanently excited synchronous motors 11, 12 rotate in the same direction. The asynchronous motors 13, 14 are connected to one another via a second coupling, and the asynchronous motors 13, 14 also rotate in the same direction. The first coupling and the second coupling can have a pair of gearwheels or a pair of friction wheels. The transmission unit 20 has the first coupling and the second coupling and transmits the rotation of the permanently excited synchronous motors 11, 12 and the rotation of the asynchronous motors 13, 14 to a common output shaft 21. Here, the transmission unit 20 can rigidly or respectively the first coupling with the second coupling . firmly connect so that the first coupling and the second coupling rotate in the same direction. Alternatively or additionally, the gear unit 20 can have a clutch between the Provide drive shaft 21 and the first coupling so that the two permanently excited synchronous motors 11, 12 can be decoupled from the output shaft 21. The converter unit 30 is set up to supply the two permanently excited synchronous motors 11, 12 and the two asynchronous motors 13, 14 with current and to regulate them in accordance with the current operating point of the drive unit 1. Here, the converter unit 30 can control the drive unit 1 during startup like a permanently excited synchronous motor, the asynchronous motors running synchronously and without torque. The converter unit 30 is also set up to regulate the drive unit 1 like an asynchronous motor from a predefined speed or a predefined operating point. The predefined speed or the predefined operating point can, in particular, depend on the dimensions of the two permanently excited synchronous motors 11, 12 and the two asynchronous motors 13, 14, for example the two asynchronous motors 13, 14 can be dimensioned larger than the two permanently excited synchronous motors 11, 12. Thus the drive unit 1 can be further adapted to the later intended use. For example, a maximum power between the two permanently excited synchronous motors 11, 12 and the two asynchronous motors 13, 14 is seen in a ratio of 1: 5.
Fig. 2 zeigt ein elektrisches Ersatzschaltbild der Antriebs einheit 1. Die dunklen Kästchen symbolisieren hierbei jeweils eine Spule der Antriebseinheit 1. Durch die vorteilhafte An ordnung der vier Rotoren (zwei permanenterregte Synchronmotoren und zwei Asynchronmotoren) kann die Spulenanzahl von 12 auf sechs reduziert werden. Ferner sind diese sechs Spulen über drei phasenversetze elektrische Leitungen durch die Umrichtereinheit ansteuerbar. Mit anderen Worten könne die vier Rotoren der Motoren über drei Phasen gesteuert werden. Hierzu werden jeweils zwei Spulen an eine Phase angeschlossen. Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch die Getriebeeinheit 20 bzw. durch die Ausgangswellen der Motoren 11, 12, 13, 14. In der Mitte ist die erste Kopplung 25 zu sehen, welche die zwei perma nenterregten Synchronmotoren 11, 12 miteinander koppelt. Die erste Kopplung 25 kann ein Zahnrad oder ein Reibrad sein. In Fig. 3 wird durch die gebogenen Pfeile die jeweilige Drehrichtung der Komponenten symbolisiert. Die erste Kopplung dreht sich im Uhrzeigersinn, somit drehen sich die zwei permanenterregten Synchronmotoren 11, 12 gegen den Uhrzeigersinn. Des Weiteren sind auf der ersten Kopplung 25 vier schwarze Punkte zu erkennen, welche Montagepunkte 27 für einen Flansch der Abtriebswelle darstellen. Des Weiteren sind die zwei permanenterregten Synchronmotoren 11, 12 gegenüber angeordnet. Fig. 2 shows an electrical equivalent circuit of the drive unit 1. The dark boxes each symbolize a coil of the drive unit 1. Due to the advantageous arrangement of the four rotors (two permanently excited synchronous motors and two asynchronous motors), the number of coils can be reduced from 12 to six. Furthermore, these six coils can be controlled by the converter unit via three phase-shifted electrical lines. In other words, the four rotors of the motors can be controlled over three phases. To do this, two coils are connected to one phase. Fig. 3 shows a cross section through the gear unit 20 or through the output shafts of the motors 11, 12, 13, 14. In the middle you can see the first coupling 25, which couples the two permanent magnet synchronous motors 11, 12 together. The first coupling 25 can be a gear wheel or a friction wheel. In Fig. 3, the respective direction of rotation of the components is symbolized by the curved arrows. The first coupling rotates clockwise, so the two permanently excited synchronous motors 11, 12 rotate counterclockwise. Furthermore, four black points can be seen on the first coupling 25, which represent mounting points 27 for a flange of the output shaft. Furthermore, the two permanently excited synchronous motors 11, 12 are arranged opposite one another.
Ferner ist in Fig. 3 ein äußerer Ring 26 zu erkennen. Diese stellt die zweite Kopplung 26 dar, welche beispielsweise eine In nenverzahnung aufweisen kann. Die zweite Kopplung 26 koppelt die zwei Asynchronmotoren 13, 14 miteinander. Auch auf der zweiten Kopplung sind vier Montagepunkte 27 für den Flansch der Ab triebswelle vorgesehen. Über diesen Flansch können die erste Kopplung 25 und die zweite Kopplung 26 miteinander verbunden sein, sodass diese gemeinsam die Abtriebswelle antreiben. Somit dreht sich die zweite Kopplung 26 gleichläufig wie die erste Kopplung 25 (im Uhrzeigersinn) . Die zwei Asynchronmotoren 13, 14 drehen sich in Fig. 3 im Uhrzeigersinn und somit gegenläufig zu den permanenterregten Synchronmotoren 11, 12. Durch die Ver bindung der ersten Kopplung 25 mit der zweiten Kopplung 26 muss das Übersetzungsverhältnis zwischen den zwei permanenterregten Synchronmotoren 11, 12 und der ersten Kopplung 25 gleich zu dem Übersetzungsverhältnis zwischen den zwei Asynchronmotoren 13, 14 und der zweiten Kopplung 26 sein. Die geraden Pfeile 11a, 13a, 25a, 26a in Fig. 3 stellen die Radien der jeweiligen Komponente dar. Somit muss gelten, falls es sich bei den Kopplungen 25, 26 um Reibräder handelt, dass das Verhältnis zwischen dem Radius des permanenterregten Synchronmotors 11a und dem Radius der ersten Kopplung 25a gleich zu dem Verhältnis zwischen dem Radius des Asynchronmotors 13a und dem Radius der zweiten Kopplung 26a ist. An outer ring 26 can also be seen in FIG. 3. This represents the second coupling 26, which may have internal teeth, for example. The second coupling 26 couples the two asynchronous motors 13, 14 to one another. Also on the second coupling four mounting points 27 are provided for the flange of the drive shaft. The first coupling 25 and the second coupling 26 can be connected to one another via this flange, so that these drive the output shaft together. Thus, the second coupling 26 rotates in the same way as the first coupling 25 (clockwise). The two asynchronous motors 13, 14 rotate in Fig. 3 clockwise and thus in opposite directions to the permanent magnet synchronous motors 11, 12. By connecting the first coupling 25 to the second coupling 26, the transmission ratio between the two permanently excited synchronous motors 11, 12 and the first coupling 25 be equal to the gear ratio between the two asynchronous motors 13, 14 and the second coupling 26. The straight arrows 11a, 13a, 25a, 26a in FIG. 3 represent the radii of the respective component. Thus, the following must apply if the couplings 25, 26 are friction wheels, that the ratio between the radius of the permanently excited synchronous motor 11a and the radius of the first coupling 25a is equal to the ratio between the radius of the asynchronous motor 13a and the radius of the second coupling 26a.
Fig. 4 zeigt den gemeinsamen Stator 15 und die vier Motoren 11, 12, 13, 14. Die permanenterregten Synchronmotoren 11, 12 und die Asynchronmotoren 13, 14 sind jeweils gegenüberliegend ange ordnet. Insgesamt sind die vier Motoren 11, 12, 13, 14 rau tenförmig angeordnet. Über den gemeinsamen Stator 15 sind die einzelnen Motoren 11, 12, 13, 14 magnetisch miteinander ver bunden. Der magnetische Fluss wird in Fig. 4 durch die Pfeile innerhalb des gemeinsamen Stators 15 dargestellt. Ferner sind die sechs Spulen 16 zu erkennen, welche durch die Umrichtereinheit derart gesteuert werden, dass ein Drehfeld entsteht und sich die Motoren 11, 12, 13, 14 entsprechend drehen. Die Spulen 16 sind jeweils zu Spulenpaaren zusammengeschalten, sodass lediglich drei Phasen von der Umrichtereinheit geregelt werden müssen. Des Weiteren ist erkennbar, dass durch die geometrische Anordnung die jeweils gegenüberliegenden Motoren 11, 12, 13, 14, also jeweils die permanenterregten Synchronmotoren 11, 12 und die Asyn chronmotoren 13, 14, sich gleichläufig drehen. Fig. 4 shows the common stator 15 and the four motors 11, 12, 13, 14. The permanent magnet synchronous motors 11, 12 and the asynchronous motors 13, 14 are arranged opposite each other. Overall, the four motors 11, 12, 13, 14 are arranged roughly ten-shaped. Via the common stator 15, the individual motors 11, 12, 13, 14 are magnetically connected to one another. The magnetic flux is represented in FIG. 4 by the arrows within the common stator 15. Furthermore, the six coils 16 can be seen, which are controlled by the converter unit in such a way that a rotating field is created and the motors 11, 12, 13, 14 rotate accordingly. The coils 16 are each connected to form coil pairs, so that only three phases have to be regulated by the converter unit. Furthermore, it can be seen that, due to the geometric arrangement, the respective opposite motors 11, 12, 13, 14, that is to say the permanently excited synchronous motors 11, 12 and the asynchronous chronomotors 13, 14, rotate in the same direction.
Fig. 5 zeigt einen Regelkreis bzw. ein Blockschaltbild für die Regelung der Antriebseinheit. Dieser Regelkreis kann durch die Umrichtereinheit 30 durchgeführt werden. Der Stromregler 31 erhält als Eingangsgrößen die Phasenströme, welche an den Stator ausgegeben werden, die Sollwertvorgabe 36 und den Magneti sierungsstrom für die zwei Asynchronmotoren 13, 14 des Mag netisierungsstromreglers 37. Als Ausgabe gibt der Stromregler 31 Spannungsvorgaben aus. Diese werden durch die Pulserzeugung 32 in Pulse für eine Pulsweitenmodulation umgewandelt. Diese Pulse steuern den Stromrichter 33 an, welcher die entsprechende Spannung mit einer vorgegebenen Frequenz auf die Phasen zur Ansteuerung der Motoren 11, 12, 13, 14 ausgibt. Die Aktuelle Rotorlage der permanenterregten Synchronmotoren 11, 12 wird durch den Lagegeber 38 erfasst und in einem Berechnungsmodul 34 wird daraus die Drehzahl n und den elektrischen Statorwiderstand g berechnet. Das Berechnungsmodul 34 bildet zusammen mit dem Modul 35 das Maschinenmodell für die Asynchronmotorregelung. Die Drehzahl n geht anschließend in die Sollwertvorgabe 36 und den Magnetisierungsstromregler 37. Beim Hochlauf bzw. Anfahren der Antriebseinheit wird diese wie ein permanenterregter Syn chronmotor geregelt. Somit erfolgt die Sollwertvorgabe der dq-Ströme anhand der aktuellen Drehzahl und dem Drehmoment sollwert. Somit sind die Statorfrequenz und der Statorwinkel gleich zu dem Rotorlagewinkel der zwei permanenterregten Synchronmotoren 11, 12. In diesen Betriebspunkt drehen sich die zwei Asynchronmotoren 13, 14 synchron und momentenfrei mit. Ab einer ersten vordefinierten Drehzahl oder einem ersten vor definierten Betriebspunkt erfolgt die Übergabe der Regelung auf eine Asynchronmotorreglung. Dabei bleiben zunächst die Drehzahl sowie das geforderte Moment gleich, jedoch erfolgt die Erzeugung des Drehmoments durch die zwei Asynchronmotoren 13, 14. Es ergeben sich unterschiedliche dq-Ströme und mit dem Wechsel des Maschinenmodells auch eine unterschiedliche Statorfrequenz. Für die zwei Asynchronmotoren 13, 14 ist in diesem Punkt ein Schlupf zur mechanischen Drehzahl nötig, die Änderung der Speisefrequenz ist aber sehr schnell möglich. 5 shows a control circuit or a block diagram for the control of the drive unit. This control loop can be carried out by the converter unit 30. The current controller 31 receives, as input variables, the phase currents which are output to the stator, the setpoint specification 36 and the magnetization current for the two asynchronous motors 13, 14 of the magnetization current controller 37. As an output, the current controller 31 outputs voltage specifications. These are converted by the pulse generation 32 into pulses for pulse width modulation. These pulses drive the converter 33, which applies the corresponding voltage to the phases at a predetermined frequency Control of the motors 11, 12, 13, 14 outputs. The current rotor position of the permanently excited synchronous motors 11, 12 is detected by the position sensor 38 and the speed n and the electrical stator resistance g are calculated therefrom in a calculation module 34. The calculation module 34 together with the module 35 forms the machine model for the asynchronous motor control. The speed n then goes into the setpoint specification 36 and the magnetizing current controller 37. When the drive unit starts up or starts up, it is controlled like a permanently excited synchronous motor. The setpoint of the dq currents is thus based on the current speed and the torque setpoint. Thus, the stator frequency and the stator angle are equal to the rotor position angle of the two permanently excited synchronous motors 11, 12. At this operating point, the two asynchronous motors 13, 14 rotate synchronously and without torque. From a first predefined speed or a first pre-defined operating point, the control is transferred to an asynchronous motor control. Initially, the speed and the required torque remain the same, but the torque is generated by the two asynchronous motors 13, 14. Different dq currents result and, with the change in the machine model, a different stator frequency. For the two asynchronous motors 13, 14, a slip to the mechanical speed is necessary at this point, but the feed frequency can be changed very quickly.
Fig. 6 zeigt ein Fahrzeug 2 mit einer vorhergehend und nachfolgend beschriebenen Antriebseinheit 1. Die Antriebseinheit 1 kann an der Vorderachse und/oder der Hinterachse des Fahrzeugs 2 an geordnet sein, um das Fahrzeug 2 anzutreiben. Ferner können beim Anfahren des Fahrzeugs 2 primär die permanenterregten Syn chronmotoren für den Vortrieb verwendet werden, d.h. die An triebseinheit wird wie ein permanenterregter Synchronmotor geregelt (synchrones Drehfeld) . Mit anderen Worten bei niedrigen Drehzahlen und vergleichsweise hohen Momenten. Sobald das Fahrzeug 2 eine gewisse Geschwindigkeit erreicht hat und/oder die Lasten abnehmen, kann auf die Asynchronmotoren übergeben werden, d.h. die Antriebseinheit wird wie ein Asynchronmotor geregelt (asynchrones Drehfeld) . Ferner können die permanenterregten Synchronmotoren und die Asynchronmotoren unterschiedliche maximale Leistungen aufweisen, sodass die zwei permanenterregten Synchronmotoren kleiner ausgelegt werden können als die zwei Asynchronmotoren. Durch die Kombination der beiden Motortypen (permanenterregten Synchronmotor und Asynchronmotor) können die Vorteile von beiden Motortypen kombiniert werden, sodass der Wirkungsgrad der Antriebseinheit erhöht werden kann. Ferner kann durch die Kombination der Motoren und durch einen gemeinsamen Stator Material am Stator eingespart werden. Auch kann die Spulenanzahl des Stators im Vergleich zu einzelnen Motoren reduziert werden. Mit anderen Worten kann Bauraum, Material und Energie gespart werden. Somit kann die Reichweite des Fahrzeugs erhöht werden. Fig. 6 shows a vehicle 2 with a drive unit 1 described above and below. The drive unit 1 can be arranged on the front axle and / or the rear axle of the vehicle 2 in order to drive the vehicle 2. Furthermore, when the vehicle 2 is started up, the permanently excited synchronous motors can be used primarily for propulsion, ie the drive unit is regulated like a permanently excited synchronous motor (synchronous rotating field). In other words, at low Speeds and comparatively high moments. As soon as the vehicle 2 has reached a certain speed and / or the loads decrease, the asynchronous motors can be transferred, ie the drive unit is regulated like an asynchronous motor (asynchronous rotating field). Furthermore, the permanently excited synchronous motors and the asynchronous motors can have different maximum powers, so that the two permanently excited synchronous motors can be designed smaller than the two asynchronous motors. By combining the two motor types (permanent-magnet synchronous motor and asynchronous motor), the advantages of both motor types can be combined, so that the efficiency of the drive unit can be increased. Furthermore, material can be saved on the stator by the combination of the motors and by a common stator. The number of coils of the stator can also be reduced compared to individual motors. In other words, space, material and energy can be saved. The range of the vehicle can thus be increased.
Fig. 7 zeigt ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum Betrieb einer Antriebseinheit, welche wenigstens zwei permanenterregte Synchronmotoren und wenigstens zwei Asynchronmotoren aufweist, wobei die zwei permanenterregten Synchronmotoren und die zwei Asynchronmotoren einen gemeinsamen Stator aufweisen. In einem Schritt S1 wird die Antriebseinheit durch eine Umrichtereinheit wie ein permanenterregter Synchronmotor geregelt, d.h. es wird ein drehzahlsynchrones Drehfeld im Stator erzeugt. In Schritt S1 befindet sich die Antriebseinheit insbesondere beim Anlaufen, also bei niedrigen Drehzahlen, z.B. beim Anfahren eines Fahrzeugs. In Schritt S2 wird die Regelung von einer Syn chronmotorregelung an eine Asynchronmotorregelung übergeben. Diese Übergabe erfolgt sobald eine erste vordefinierte Drehzahl oder ein erster vordefinierter Betriebspunkt der Antriebseinheit erreicht ist. In Schritt S3 wird die Antriebseinheit wie ein Asynchronmotor geregelt, insbesondere bei höheren Drehzahlen und niedrigen Momenten. Die Asynchronmotorregelung erfolgt ins besondere, wenn eine zweite vordefinierte Drehzahl oder ein zweiter vordefinierte Betriebspunkt erreicht ist. 7 shows a flowchart for a method for operating a drive unit which has at least two permanently excited synchronous motors and at least two asynchronous motors, the two permanently excited synchronous motors and the two asynchronous motors having a common stator. In a step S1, the drive unit is regulated by a converter unit such as a permanently excited synchronous motor, ie a rotating field that is synchronous with the speed is generated in the stator. In step S1, the drive unit is located in particular when starting up, ie at low speeds, for example when starting a vehicle. In step S2, the control is transferred from a synchronous motor control to an asynchronous motor control. This transfer takes place as soon as a first predefined speed or a first predefined operating point of the drive unit is reached. In step S3, the drive unit becomes like Asynchronous motor controlled, especially at higher speeds and low torques. The asynchronous motor control takes place in particular when a second predefined speed or a second predefined operating point is reached.

Claims

Patentansprüche claims
1. Antriebseinheit (1), aufweisend: 1. Drive unit (1), comprising:
- wenigstens zwei permanenterregte Synchronmotoren (11, - at least two permanently excited synchronous motors (11,
12) ; 12);
- wenigstens zwei Asynchronmotoren (13, 14); und  - at least two asynchronous motors (13, 14); and
- eine Getriebeeinheit (20);  - a gear unit (20);
wobei die zwei permanenterregten Synchronmotoren (11, 12) über eine erste Kopplung (25) miteinander gekoppelt sind,  the two permanently excited synchronous motors (11, 12) being coupled to one another via a first coupling (25),
wobei die zwei Asynchronmotoren (13, 14) über eine zweite Kopplung (26) miteinander gekoppelt sind,  the two asynchronous motors (13, 14) being coupled to one another via a second coupling (26),
wobei die Getriebeeinheit (20) die erste Kopplung (25) und die zweite Kopplung (26) aufweist und dazu eingerichtet ist, die Rotation der zwei permanenterregten Synchronmotoren (11, 12) und die Rotation der zwei Asynchronmotoren (13, 14) auf eine ge meinsame Abtriebswelle (21) zu übertragen,  wherein the gear unit (20) has the first coupling (25) and the second coupling (26) and is set up to rotate the two permanently excited synchronous motors (11, 12) and the rotation of the two asynchronous motors (13, 14) to transmit common output shaft (21),
wobei die zwei permanenterregten Synchronmotoren (11, 12) und die zwei Asynchronmotoren (13, 14) einen gemeinsamen Stator aufweisen .  the two permanently excited synchronous motors (11, 12) and the two asynchronous motors (13, 14) having a common stator.
2. Antriebseinheit (1) gemäß Anspruch 1, ferner eine Um richtereinheit (30) aufweisend, 2. Drive unit (1) according to claim 1, further comprising a converter unit (30),
wobei die Umrichtereinheit (30) dazu eingerichtet ist, die zwei permanenterregten Synchronmotoren (11, 12) und die zwei wherein the converter unit (30) is set up to control the two permanently excited synchronous motors (11, 12) and the two
Asynchronmotoren (13, 14) mit Strom zu versorgen und die An triebseinheit (1) entsprechend des aktuellen Betriebspunktes zu regeln . To supply asynchronous motors (13, 14) with power and to control the drive unit (1) according to the current operating point.
3. Antriebseinheit (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, 3. Drive unit (1) according to claim 1 or 2,
wobei die Rotoren der zwei permanenterregten Synchron motoren (11, 12) und die Rotoren der zwei Asynchronmotoren (13, 14) rautenförmig in dem gemeinsamen Stator angeordnet sind und wobei die Rotoren der zwei permanenterregte Synchronmotoren (11, 12) und die Rotoren der zwei Asynchronmotoren (13, 14) jeweils gegenüber in dem gemeinsamen Stator angeordnet sind. wherein the rotors of the two permanently excited synchronous motors (11, 12) and the rotors of the two asynchronous motors (13, 14) are arranged in a diamond shape in the common stator, and wherein the rotors of the two permanently excited synchronous motors (11, 12) 12) and the rotors of the two asynchronous motors (13, 14) are arranged opposite each other in the common stator.
4. Antriebseinheit (1) gemäß einem der vorhergehenden An sprüche, 4. Drive unit (1) according to one of the preceding claims,
wobei die erste Kopplung (25) und die zweite Kopplung (26) eine Zahnradpaarung sind.  wherein the first coupling (25) and the second coupling (26) are a gear pair.
5. Antriebseinheit (1) gemäß einem der vorhergehenden An sprüche, 5. Drive unit (1) according to one of the preceding claims,
wobei sich die erste Kopplung (25) und die zweite Kopplung (26) gleichläufig drehen.  wherein the first coupling (25) and the second coupling (26) rotate in the same direction.
6. Antriebseinheit (1) gemäß einem der vorhergehenden An sprüche, 6. Drive unit (1) according to one of the preceding claims,
wobei sich die zwei permanenterregten Synchronmotoren (11, 12) gleichläufig drehen und wobei sich die zwei Asynchronmotoren (13, 14) gleichläufig drehen,  the two permanently excited synchronous motors (11, 12) rotating in unison and the two asynchronous motors (13, 14) rotating in unison,
wobei sich die permanenterregten Synchronmotoren (11, 12) gegenläufig in Bezug auf die Asynchronmotoren (13, 14) drehen.  the permanent magnet synchronous motors (11, 12) rotating in opposite directions with respect to the asynchronous motors (13, 14).
7. Antriebseinheit (1) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei die Umrichtereinheit (30) dazu eingerichtet ist, während des Anlaufens der Antriebseinheit die Antriebseinheit (1) wie einen permanenterregten Synchronmotor zu regeln, wobei die Umrichtereinheit (30) ferner dazu eingerichtet ist, ab einer ersten vordefinierten Drehzahl oder einem vordefinierten ersten Betriebspunkt die Antriebseinheit (1) wie einen Asynchronmotor zu regeln. 7. Drive unit (1) according to one of claims 2 to 6, wherein the converter unit (30) is set up to regulate the drive unit (1) during the start-up of the drive unit like a permanently excited synchronous motor, wherein the converter unit (30) is also set up to do so is to regulate the drive unit (1) like an asynchronous motor from a first predefined speed or a predefined first operating point.
8. Antriebseinheit (1) gemäß einem der vorhergehenden An sprüche, 8. Drive unit (1) according to one of the preceding claims,
wobei das Übersetzungsverhältnis zwischen den perma nenterregten Synchronmotoren (11, 12) und der ersten Kopplung (25) gleich zu dem Übersetzungsverhältnis zwischen den Asyn chronmotoren (13, 14) und der zweiten Kopplung (26) ist. wherein the transmission ratio between the permanent magnet synchronous motors (11, 12) and the first coupling (25) is equal to the gear ratio between the Asyn chronmotoren (13, 14) and the second coupling (26).
9. Antriebseinheit (1) gemäß einem der vorhergehenden An sprüche, 9. Drive unit (1) according to one of the preceding claims,
wobei die Getriebeeinheit (20) eine feste bzw. starre Verbindung zwischen der ersten Kopplung (25) und der zweiten Kopplung (26) aufweist, um die Rotation der zwei permanent erregten Synchronmotoren (11, 12) und der zwei Asynchronmotoren (13, 14) auf die gemeinsame Abtriebswelle (21) zu übertragen.  wherein the gear unit (20) has a fixed or rigid connection between the first coupling (25) and the second coupling (26) in order to rotate the two permanently excited synchronous motors (11, 12) and the two asynchronous motors (13, 14) to be transmitted to the common output shaft (21).
10. Antriebseinheit (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Getriebeeinheit (20) ferner eine Kupplung aufweist, wobei die Kupplung dazu eingerichtet ist, die erste Kopplung (25) von der Abtriebswelle (21) abzukoppeln, sodass die permanenterregten Synchronmaschinen (11, 12) abkoppelbar sind. 10. Drive unit (1) according to one of claims 1 to 8, wherein the transmission unit (20) further comprises a clutch, the clutch being set up to decouple the first coupling (25) from the output shaft (21), so that the permanently excited synchronous machines (11, 12) can be uncoupled.
11. Antriebseinheit (1) gemäß einem der vorhergehenden An sprüche, 11. Drive unit (1) according to one of the preceding claims,
wobei die Asynchronmotoren (13, 14) eine höhere maximale Leistung als die permanenterregten Synchronmotoren (11, 12) aufweisen .  the asynchronous motors (13, 14) having a higher maximum power than the permanently excited synchronous motors (11, 12).
12. Antriebseinheit (1) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 11, wobei die Umrichtereinheit (30) , die zwei permanenterregten12. Drive unit (1) according to one of claims 2 to 11, wherein the converter unit (30), the two permanently excited
Synchronmotoren (11, 12), die zwei Asynchronmotoren (13, 14) und die Getriebeeinheit (20) in einem gemeinsamen Gehäuse (10) angeordnet sind. Synchronous motors (11, 12), the two asynchronous motors (13, 14) and the gear unit (20) are arranged in a common housing (10).
13. Fahrzeug (2) mit einer Antriebseinheit (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche. 13. Vehicle (2) with a drive unit (1) according to one of the preceding claims.
14. Verfahren zum Betrieb einer Antriebseinheit, welche we nigstens zwei permanenterregte Synchronmotoren und wenigstens zwei Asynchronmotoren aufweist, wobei die zwei permanenterregten Synchronmotoren und die zwei Asynchronmotoren einen gemeinsamen Stator aufweisen, die folgenden Schritte aufweisend: 14. Method for operating a drive unit, which we at least two permanent magnet synchronous motors and at least has two asynchronous motors, the two permanently excited synchronous motors and the two asynchronous motors having a common stator, comprising the following steps:
- Regeln (Sl) der Antriebseinheit wie einen permanent erregten Synchronmotor während des Anlaufens der Antriebs einheit;  - Rules (Sl) of the drive unit such as a permanently excited synchronous motor during startup of the drive unit;
-Übergeben (S2) der Regelung wie in einen permanenterregten Synchronmotor zu der Regelung wie einen Asynchronmotor sobald eine erste vordefinierte Drehzahl oder ein erster vordefinierter Betriebspunkt erreicht ist; und  Transfer (S2) the control as in a permanently excited synchronous motor to the control as an asynchronous motor as soon as a first predefined speed or a first predefined operating point is reached; and
- Regeln (S3) der Antriebseinheit wie einen Asynchronmotor, wenn eine zweite vordefinierte Drehzahl oder ein zweiter vordefinierte Betriebspunkt erreicht ist.  - Controlling (S3) the drive unit like an asynchronous motor when a second predefined speed or a second predefined operating point is reached.
15. Computerprogrammelement, das, wenn es auf einer Umrich tereinheit zum Betrieb einer Antriebseinheit ausgeführt wird, die Antriebseinheit anleitet, das Verfahren gemäß Anspruch 14 durchzuführen . 15. Computer program element which, when executed on a converter unit for operating a drive unit, guides the drive unit to carry out the method according to claim 14.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2567859A1 (en) * 2011-09-06 2013-03-13 Siemens Aktiengesellschaft Drive with motors with different torque characteristics
DE102013213847A1 (en) * 2013-07-16 2015-01-22 Zf Friedrichshafen Ag Electric machine and arrangement of electrical machines
WO2018006109A1 (en) * 2016-07-04 2018-01-11 Technische Universität Wien Electrical machine system

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10110903A1 (en) * 2000-04-07 2001-10-11 Volkswagen Ag Electrical machine e.g. starter/generator unit for motor vehicle, has second stator located rigidly in housing that interacts with rotor by induction

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2567859A1 (en) * 2011-09-06 2013-03-13 Siemens Aktiengesellschaft Drive with motors with different torque characteristics
DE102013213847A1 (en) * 2013-07-16 2015-01-22 Zf Friedrichshafen Ag Electric machine and arrangement of electrical machines
WO2018006109A1 (en) * 2016-07-04 2018-01-11 Technische Universität Wien Electrical machine system

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