WO2023117242A1 - Inductive transformer system for transmitting electrical energy into an excitation winding of a rotor - Google Patents

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WO2023117242A1
WO2023117242A1 PCT/EP2022/082612 EP2022082612W WO2023117242A1 WO 2023117242 A1 WO2023117242 A1 WO 2023117242A1 EP 2022082612 W EP2022082612 W EP 2022082612W WO 2023117242 A1 WO2023117242 A1 WO 2023117242A1
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hybrid
rotor
coil
phase
transformer
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PCT/EP2022/082612
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Inventor
Patrick Fruehauf
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Robert Bosch Gmbh
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K3/00—Details of windings
    • H02K3/04—Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors
    • H02K3/28—Layout of windings or of connections between windings
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P9/00—Arrangements for controlling electric generators for the purpose of obtaining a desired output
    • H02P9/14—Arrangements for controlling electric generators for the purpose of obtaining a desired output by variation of field
    • H02P9/26—Arrangements for controlling electric generators for the purpose of obtaining a desired output by variation of field using discharge tubes or semiconductor devices
    • H02P9/30—Arrangements for controlling electric generators for the purpose of obtaining a desired output by variation of field using discharge tubes or semiconductor devices using semiconductor devices
    • H02P9/302—Brushless excitation

Definitions

  • the invention is based on a stator and a rotor of an electrically excited synchronous machine, an electrically excited synchronous machine.
  • An electrically excited synchronous machine is already known from US20050218740 A1, which includes a stator that has a multiphase stator winding with multiple phase strands and a primary part of an inductive transmission system for transmitting electrical energy into an excitation winding of a rotor of the synchronous machine.
  • the primary part of the inductive transmitter system includes a primary transmitter winding.
  • the electrically excited synchronous machine of US20050218740 A1 comprises a rotor, which has an excitation winding for generating a rotor field for excitation of the synchronous machine and a secondary part of an inductive transmission system for transmitting electrical energy into the excitation winding of the rotor, the secondary part of the inductive transmission system having at least a secondary transformer winding for providing a transformer AC voltage and at least one rectifier circuit acting as a rectifier for rectifying the transformer AC voltage into a secondary DC voltage for the field winding.
  • the disadvantage is that the primary and secondary parts of the inductive transmission system are arranged as a transmission unit in a cavity in the rotor.
  • the transmitter unit requires a comparatively large amount of space and, as an additional component, generates additional costs.
  • the transmitter unit includes an exciter stator and an exciter rotor, which interact inductively as a transformer.
  • the stator according to the invention of an electrically excited synchronous machine with the characterizing features of claim 1 has the advantage that space is saved for the primary part of the inductive transmission system and the manufacturing costs of the stator are reduced. According to the invention, this is achieved in that the primary transformer winding is formed by a hybrid strand of the stator winding, which serves both to generate a rotary field of a three-phase system for driving the rotor and to generate a transformer field of the transformer system. In other words, the primary transformer winding is a part of the stator winding or is integrated in the stator winding. The stator winding thus acts as the primary transformer winding, so that no additional winding is required in the stator.
  • the hybrid strand of the stator winding is at least one of the phase strands that are connected in a star or delta connection, with both a phase current of the three-phase system and a primary transformer current of the transformer system being able to be fed into the hybrid strand, with the primary transformer current and the phase current can be fed in together as a total current in the case of a star connection and separately in the case of a delta connection.
  • the primary transformer current is fed in together with the phase current lu as a total current.
  • the primary transformer winding can be designed as part of the stator winding or integrated in the stator winding without the three-phase system and the transformer system interfering with one another or having a negative influence. It is also advantageous if, in the case of a star connection, the hybrid string has two parallel hybrid substrings, each with a separate phase connection, with a first total current being able to be fed into one hybrid substring and a second total current being able to be fed into the other hybrid substring. The hybrid strand is thus divided into two parallel hybrid sub-strands.
  • a modified phase current can be fed into the hybrid strand compared to the other phase strands, which results from superimposing the primary transformer current of the transformer system on half a phase current of the three-phase system and is therefore a summation current.
  • the total currents for the two hybrid sub-strings are generated by an inverter.
  • the phase connections of the hybrid subphases can have a lower current carrying capacity than the phase connections of the other phase strands, in particular half the current carrying capacity.
  • the superimposition to form the summation currents takes place in software for controlling the inverter.
  • the two total currents fed into the hybrid sub-phases are designed in such a way that the sum of the primary transformer current components at a star point of the star connection is zero, so that the other phases of the three-phase system are unaffected. This can be achieved because the primary transformer currents in the two hybrid sub-strings are in phase opposition and have the same amplitude.
  • the hybrid strand has two hybrid substrings connected in series, with the phase voltages of the three-phase system being able to be applied to delta points of the delta circuit and with the primary transformer current being able to be fed in at an additional node between the two hybrid substrings, for example by applying a total voltage to the additional node, which is sufficient as a manipulated variable to regulate the transformer current.
  • the primary transformer current is provided by an inverter at an additional transformer-inverter output of the inverter, with the current carrying capacity of the transformer-inverter output corresponding to the transformer current.
  • the phase currents of the three-phase system are superimposed with the primary transformer current in the stator winding. The superposition of the transformer current has no influence on the voltages to be set at the delta points. It is also advantageous if
  • the respective hybrid sub-strand has a number of series-connected, in particular identical, coil groups, the number of coil groups corresponding in particular to a number of pole pairs of the transformer field and/or in particular half a number of pole pairs of the rotating field, and/or
  • the coil groups of the same hybrid sub-string are each electrically connected by a coil group connector, the jump width of which is designed in such a way that between two electrically connected coil groups of the respective hybrid sub-string there is a coil group of the other hybrid sub-string, and/or
  • each coil group has at least one coil pair, in particular a plurality of coil pairs connected in series, the number of coil pairs corresponding to a number of holes q in the stator, which in particular is equal to two, the coil pairs of one of the coil groups being electrically connected by a coil pair connector whose pitch corresponds in particular to a pole width of the stator poles minus one or plus one stator slot, and/or
  • Each pair of coils has two series-connected coils which, in particular, have opposite winding directions with regard to the current flow and, in particular, are of the same design with regard to the number of turns, a coil width and/or a conductor cross-section, with the two coils of the respective coil pair being electrically connected via a coil connector , whose jump width corresponds in particular to the pole width of the stator poles.
  • the stator winding includes standard winding elements and can therefore be manufactured inexpensively.
  • the hybrid string runs through stator slots that are assigned to the electrical phase of the hybrid string and represent hybrid slots
  • hybrid grooves are mixed hybrid grooves, half of which each contain electrical conductors from the two hybrid sub-strands of the hybrid strand,
  • the other half of the hybrid grooves are unmixed hybrid grooves that only have electrical conductors from the same hybrid sub-strand of the hybrid strand,
  • the mixed hybrid slots are provided as groups of adjacent stator slots, the number of mixed hybrid slots per group corresponding to a number of holes q, which is in particular two, - the unmixed hybrid slots are provided as groups of adjacent stator slots, the number of unmixed hybrid slots per group corresponding to a number of holes q, which in particular is equal to two.
  • the mixed grooves are magnetically effectively inactive when the hybrid sub-strands are energized with currents that have opposite signs to one another, since the conductors assigned to the two hybrid sub-strands are spatially at least essentially congruent, but of currents with different signs are traversed, whereby the total flux caused by you is close to zero.
  • the mutually facing coil sides of the two coils of the respective coil pair of one of the coil groups are arranged in the same hybrid slot and fully occupy them with, in particular, alternating slot position occupancy to form one of the unmixed hybrid slots, and/or
  • the hybrid slots half occupied by one of the coil groups are each fully occupied by one coil side of a coil of a respective adjacent coil group to form one of the mixed hybrid slots, and/or
  • Adjacent coil groups are assigned to different hybrid sub-strands.
  • the sum of the ampere-turns generated by the energized hybrid sub-strings corresponds to a field with a number of poles identical to the number of poles of the rotating field of the synchronous machine, but the difference in the ampere-turns generated by the energized hybrid sub-strings corresponds to a field with one pole number corresponds to half the number of poles of the synchronous machine rotating field.
  • the hybrid sub-strings are energized with currents that are formed by superimposing DC and differential components, the fields with the number of poles of the rotary system and half the number of poles of the rotary system can be controlled independently of one another, which means that a transformer function can be superimposed on the three-phase synchronous machines system is possible.
  • the rotor according to the invention of the electrically excited synchronous machine has an excitation winding for generating a rotor field for exciting the synchronous machine and a secondary part of the inductive transmission system for transmitting electrical energy into the excitation winding of the rotor, the secondary part of the inductive transmission system having at least one secondary transmission winding for providing a transformer AC voltage and at least one rectifier circuit acting as a rectifier, in particular a bridge circuit, for rectifying the transformer AC voltage into a secondary DC voltage for the field winding.
  • the rotor according to the invention with the characterizing features of claim 7 has the advantage that space for the secondary part of the inductive transmission system is saved and the manufacturing costs of the rotor are reduced. According to the invention, this is achieved in that the rotor has rotor teeth and in that rotor slots are formed between the rotor teeth and are designed to accommodate the field winding and to accommodate the at least one secondary transformer winding.
  • two secondary transformer windings are provided, the first secondary transformer winding being arranged in a first set of rotor slots and the second secondary transformer winding being arranged in a second set of rotor slots, the first set and the second set of rotor slots being circumferential are offset from one another with respect to a rotor axis, with the respective secondary transformer winding in each case comprising one or more coils connected in series or in parallel, each of which encloses a certain number of rotor teeth, the number of enclosed rotor teeth resulting in particular from an odd number multiplied by two and is in particular two or six.
  • the first rotor embodiment has the advantage that the secondary transformer winding is angle-coupled to the transformer field generated by the stator, so that a Energy transfer from the stator to the rotor is possible, with the rotor transformer winding as an AC voltage or.
  • AC power source works.
  • the rotor includes two secondary transformer windings that are offset from each other by an odd number of rotor teeth (corresponding to a 90° or 270° offset electrically with respect to the transformer field).
  • the rotor-side transformer winding is therefore effectively 2-phase, whereby in each rotor angle bearing at least one of the two secondary transformer windings is magnetically coupled to the stator-side transformer field, whereby a transformer-type energy transmission to the rotor is possible in every rotor angular position. In this way, so-called dead spots with regard to the rotor angle are avoided.
  • the field winding has at least one field winding, which in each case comprises two first pairs of coils connected in series, with the secondary transformer winding being formed by a partial phase of the respective field of excitation, which is interposed between the two first pairs of coils of the respective field of excitation and each comprising a secondary hybrid coil assembly each having two AC outputs, a DC input and a DC output.
  • the second rotor embodiment has the advantage that the secondary transformer winding of the rotor is integrated or formed in part of the field winding.
  • the partial strand of the respective exciter strand with the hybrid coil arrangement is used both for the electrical excitation of the synchronous machine and for the secondary transmission of the transformer system.
  • Both the excitation direct current and the transformer alternating current flow through the hybrid coil arrangements, which means that the conductor cross-section is better used over time, which means that with the same overall rotor excitation there is less power loss on the rotor, which leads to less heating of the rotor Rotor and thus leads to a higher system efficiency and a higher continuous output.
  • space is saved on the rotor for the secondary transformer winding, which can be used, for example, to increase the number of turns or the conductor cross-section of the other windings. It is advantageous if
  • the respective secondary hybrid coil arrangement has two parallel-connected second coil pairs, each of which comprises two second single-tooth coils, each for generating a transformer AC voltage through inductive interaction with a primary part of the transformer system, the two second single-tooth coils in particular with regard to a number of turns and a conductor cross-section are formed the same, and / or
  • An intermediate node is provided between the second single-tooth coils of the respective second coil pairs to form one of the AC voltage outputs, and/or
  • the AC voltage outputs of the respective secondary hybrid coil arrangement are each electrically connected to an AC voltage input of the rectifier circuit, with in particular two rectifier circuits being provided for each hybrid coil arrangement, and/or
  • the respective rectifier circuit has two DC voltage outputs for generating a potential difference between the ends of the respective excitation branch, with a positive DC voltage potential with respect to the intermediate nodes of the respective hybrid coil arrangement at one of the two ends of the respective excitation branch and at the other of the two ends a negative DC voltage potential can be generated with respect to the intermediate nodes of the respective hybrid coil arrangement, the absolute values of the two opposite DC voltage potentials being in particular the same size.
  • the rotor winding consists only of single-tooth coils, which are easy to manufacture and offer more freedom in system design than coils that enclose several teeth.
  • the single tooth coils can be clipped onto the rotor teeth as they do not overlap with other coils.
  • single-tooth coils have the shortest conductor length in relation to the number of turns or the lowest winding head portion, which means that a winding with a low ohmic resistance is possible, which leads to less heating of the rotor and thus to a higher system efficiency and higher continuous power leads.
  • the field winding has two field strands which are connected in parallel by means of strand connectors and each have the secondary hybrid coil arrangement.
  • the hybrid coil arrangement of the first exciter strand consists of single-tooth coils which are offset by an odd number of rotor teeth from the single-tooth coils of the hybrid coil arrangement of the second exciter strand, which corresponds to an offset of 90° or 270° electrically with respect to the transformer field.
  • the hybrid coil configurations are therefore effectively 2-phase together, which means that in every rotor angular position at least one of the two secondary hybrid coil configurations is magnetically coupled to the stator-side transformer field, which means that in every rotor angular position a transformational energy transmission to the rotor is possible and thus dead centers regarding rotor angle can be avoided.
  • the first pairs of coils each have two first single-tooth coils and the first single-tooth coils of the first coil pairs are in particular of the same design with regard to a number of turns and a conductor cross-section.
  • an identical magnetic current is provided from rotor tooth to rotor tooth, with the current density in the conductors being constant. This leads to an even distribution of the ohmic power loss on the rotor, which means that hotspots can be avoided or mitigated. This enables a lower thermal load on the rotor and a higher continuous output.
  • At least one first single-tooth coil and at least one second single-tooth coil is provided on each of the rotor teeth, with the number of turns of the second single-tooth coils being in particular smaller than the number of turns of the first single-tooth coils, in particular such that a required transformer AC voltage can be generated.
  • the ohmic resistance of the winding arrangement and the transformer voltage present on the rotor can be matched to one another and optimized, in particular taking into account the rectifying semiconductor elements of the rectifier circuit, with an optimum between current and voltage being sought. It is also advantageous that
  • the two single-tooth coils of at least one, in particular each, of the first and/or second coil pairs are each distributed over two different rotor teeth, between which there is a certain number of rotor slots, which results from an odd number multiplied by two and, for example, two or six is, and/or
  • the two second coil pairs of the respective hybrid coil arrangement for parallel connection are each electrically connected by two coil pair connectors, wherein the second single-tooth coils facing the same coil pair connector are distributed from different second coil pairs of the respective hybrid coil arrangement to two different rotor teeth, between which a specific number of rotor slots is an odd number multiplied by two, such as two or six.
  • respective single-tooth coils are formed which are respectively complementary to certain other single-tooth coils of the excitation circuit.
  • a series connection of one of the single-tooth coils with a single-tooth coil complementary to it has no AC voltage induced by the primary transformer field at the ends of the series connection, since the induced AC voltages of the two complementary single-tooth coils compensate each other.
  • the AC voltages induced in the single-tooth coils of the first coil pairs and second coil pairs by the stator-side transformer field are identical in terms of shape and amplitude, but differ in sign (i.e. they are in phase opposition or the electrical phase shift is 180°), so that the induced AC voltages in the Series connection to the coil pair voltage added results in zero.
  • the voltage that can be measured between two ends of one of the second coil pairs has no voltage component induced by the primary transformer field, so that there is no induced AC voltage component between the direct current input and direct current output of the respective hybrid coil arrangement and for the respective hybrid coil arrangement between its direct current input and output, a series connection of an inductance with an ohmic resistance can be assumed as a simplified equivalent circuit diagram.
  • the hybrid coil arrangement can therefore be energized with direct current for rotor excitation be used in that the DC voltage outputs of the rectifier circuit are or will be connected to the string connectors of the excitation circuit.
  • the invention is also based on an electrically excited synchronous machine with a stator according to the invention and a rotor according to the invention.
  • the electrically excited synchronous machine according to the invention has the advantage that space is saved for the inductive transmission system and the manufacturing costs of the synchronous machine are reduced.
  • the inductive transmission system requires no additional component, in particular no transformer.
  • the number of poles of the inductive transmission system corresponds at least effectively to half the number of poles of the three-phase system.
  • an 8-pole three-phase system and a 4-pole transformer system is provided.
  • the currents are superimposed to form a stator flux, which corresponds to a superimposition of a field of a three-phase system and a field of a transformer system with different numbers of pole pairs.
  • the invention also relates to a control device for controlling the synchronous machine according to the invention.
  • the control device includes an inverter for providing phase voltages for supplying energy to the phase connections of the stator winding of the stator according to the invention and a control unit for controlling the inverter.
  • the invention also relates to a method for operating a synchronous machine according to the invention with a control device, the control device controlling the inverter for operating the synchronous machine in such a way that the inverter
  • phase voltages for the hybrid sub-strings of the hybrid string and two phase voltages for the other phase strings are provided, the phase voltages for the hybrid sub-strings being superimposed on a phase voltage to generate the Three-phase system are formed with a transformer voltage of the transformer system to generate phase currents in the hybrid sub-phases;
  • phase voltages are provided for application to the delta points of the delta connection and a total voltage for application to the additional node, the phase voltages forming a three-phase rotary AC voltage system for generating the three-phase system and the total voltage as a superimposition of a hybrid strand mean voltage of the rotary -AC voltage system is formed with a transformer voltage of the transformer system to generate the primary transformer current and the total currents in the hybrid sub-strings.
  • FIG. 1 shows a system view of an electrically excited synchronous machine according to the invention
  • FIG. 2 shows the stator winding according to FIG. 1 in a star connection with a hybrid strand according to the invention
  • FIG. 4A shows a phase diagram with a time profile of the phase currents flowing in the stator winding for the star connection according to FIG. 2, FIG three-dimensional view of the hybrid strand according to the invention according to FIG. 2 or FIG. 3 as a winding,
  • FIG. 6 shows a further three-dimensional view of the hybrid strand according to the invention according to FIG. 2 or FIG. 3 as a winding
  • FIGS. 5 and 6 show one of several coil groups for forming the hybrid strand according to the invention according to FIGS. 5 and 6,
  • FIG. 7B another view of the coil group according to FIG. 7A, 8 shows one of two pairs of coils to form the coil group according to FIG.
  • FIGS. 5 and 6 shows an arrangement of the conductors of the hybrid strand according to the invention according to FIGS. 5 and 6 in stator slots of the stator, shown in a linear development
  • FIG. 9B shows a view of the conductors of the hybrid strand according to the invention according to FIG. 9A with the respective signs of the three-phase current component of the three-phase system in the respective conductors,
  • FIG. 9C shows a view of the conductors of the hybrid strand according to the invention according to FIG. 9A with the respective signs of the transmitter current component of the transmitter system in the respective conductors,
  • Fig. 10A in a cumulative diagram a flux generated by the total current per machine pole
  • Fig. 10B in a diagram, a magnetic flux per machine pole generated exclusively by the phase current component in the respective total current
  • FIG. 11 the rotor exciter circuit according to the first rotor design, FIG according to Fig.11 on the rotor teeth of the rotor of the synchronous machine,
  • FIG. 13 shows another system view of the electrically excited synchronous machine with a star-connected stator winding according to the invention and a rotor exciter circuit according to the first rotor embodiment according to FIG. 1 and FIG. 11,
  • FIG. 14 an alternative rotor exciter circuit according to a second rotor embodiment
  • FIG. 15 shows the distribution of the coils of the rotor exciter circuit according to the second rotor embodiment according to FIG. 14 on the rotor teeth of the rotor of the synchronous machine according to FIG. 1 and FIG
  • FIG. 16 shows a further system view of the electrically excited synchronous machine with a star-connected stator winding according to the invention and a rotor exciter circuit according to the second rotor embodiment according to FIG. 1 and FIG. Description of the exemplary embodiments
  • FIG. 1 shows a system view of an electrically excited synchronous machine 1.
  • the synchronous machine 1 comprises a stator 10 with a stator winding 11 according to the invention in a star connection or delta connection and a rotor 30 according to the invention which can be rotated about a rotor axis 29 according to a first rotor embodiment according to FIGS. 11 to 13 or according to a second rotor embodiment according to FIG 14 to 16.
  • the stator winding 11 is shown as an example in a star connection and the rotor 30 of the first rotor embodiment is shown as an example.
  • the electrically excited synchronous machine 1 has an inductive transmission system 2 according to the invention for transmitting electrical energy into an excitation winding 32 of the rotor 30 of the synchronous machine 1.
  • a primary part 3 of the inductive transmission system 2, which includes a primary transmission winding 4, is formed on the stator 10.
  • a secondary part 5 of the inductive transmission system 2 is provided on the rotor 30 .
  • the stator winding 11 of the stator 10 is multi-phase, for example three-phase, and has a plurality of phase strands 12 which are each assigned to one of the electrical phases U, V, W and each have a phase connection 14 to an inverter 7 at one of the two ends.
  • the electrical phases U or U1,U2,V,W are supplied by the inverter ? provided, which is controlled by a control unit 8.
  • the primary transformer winding 4 is formed by a hybrid strand of the stator winding 11, which serves both to generate a rotary field of a three-phase system 6 for driving the rotor 30 of the synchronous machine 1 and to generate a transformer field of the inductive transformer system 2.
  • the number of poles of the inductive transmission system 2 effectively corresponds to at least half the number of poles of the three-phase system 6. Therefore, the synchronous machine 1 shown in FIG the three-phase system 6 shown with eight poles, for example.
  • FIG. 2 shows the stator winding 11 of the stator 10 according to FIG. 1 with a hybrid phase 13 according to the invention.
  • FIG. 3 shows an alternative stator winding 11 in a delta connection with an alternative hybrid phase 13 according to the invention.
  • the hybrid strand 13 of the stator winding 11 is at least one of the phase strands 12, which can be connected in a star connection according to FIG. 2 or in a delta connection according to FIG. Both a phase current of the three-phase system 6 assigned to the hybrid strand and a primary transformer current Itransf of the transformer system 2 can be fed into the hybrid strand 13 in a superimposed manner.
  • the transformer current Itransf is superimposed on the phase current lu in a hybrid phase, ie the electrical phase of the hybrid strand 13 .
  • a hybrid phase ie the electrical phase of the hybrid strand 13 .
  • This is, for example, a so-called anti-phase (push-pull) superimposition.
  • the hybrid phase is phase II, for example.
  • the primary transformer current Itransf can be an alternating current or a direct current.
  • the currents are superimposed to form a stator flux, which corresponds to a superimposition of a field of the three-phase system 6 and a field of the transformer system 2 with different numbers of pole pairs.
  • the primary transformer current Itransf can be fed in as a total current together with the phase current lu in the case of the star connection according to FIG. 2 and separately in the case of the delta connection according to FIG.
  • the hybrid phase 13 of the stator winding 11 has two parallel hybrid partial phases 13.1, 13.2.
  • the hybrid sub-strings 13.1, 13.2 each have a separate phase connection 14.1, 14.2 to the inverter 7 at one of the two ends and at the other of the two ends a connection to a star point 15 of the star connection.
  • the remaining phase strands 12 of phases V and W are also connected to the neutral point 15 with one of their ends.
  • a first phase current l Su mi flows in one hybrid sub-string 13.1 due to the current being fed in, which results from an additive superimposition of the primary transformer current Itransf of the transformer system 2 on one half of the phase current lu of the three-phase system 6 assigned to the hybrid string 13.
  • a second phase current Isum2 which results from a subtractive superimposition of the primary transformer current Itransf of the transformer system 2 on one half of the phase current lu of the three-phase system 6 assigned to the hybrid phase 13, flows in the other hybrid partial phase 13.2 due to the current feed.
  • phase current component in the phase current l Su mi is a current with half the amplitude compared to the other phase currents l v w to be fed in.
  • the transformer current components of the two phase currents Isumi,lsum2 have an identical form and amplitude, but different signs and cancel each other out at the neutral point.
  • the remaining phase strands V, W are not influenced by the transformer current component.
  • Isum2 (Iv + Iw) / 2 - Itransf
  • the inverter ? has four inverter outputs 7.1 according to FIG.
  • a control device 9 is provided for the operation of the electrically excited synchronous machine 1 according to FIG.
  • the control unit 8 controls the inverter 7 for the operation of the synchronous machine 1 in such a way that the inverter 7 in the case of a star connection provides two phase voltages for the hybrid sub-phases 13.1, 13.2 of the hybrid phase 13 and two phase voltages for the remaining phase phases 12.
  • the phase voltages for the hybrid sub-strings 13.1, 13.2 are each formed as a superimposition of one of the phase voltages of a three-phase AC voltage system for generating the three-phase system 6 with a transformer voltage of the transformer system 2 for generating the phase currents l SU mi,lsum2 in the hybrid sub-strings 13.1, 13.2.
  • the hybrid strand 13 according to Figure 2 is divided into two parallel hybrid sub-strands 13.1, 13.2, each of which has a number of turns whose value corresponds, for example, to the number of turns of the remaining phase strands 12, so that the amplitude of the induced by the magnetic flux of the rotor Voltage in the phase strands 12 and hybrid sub-strands 13.1,13.2 is the same.
  • the hybrid strand 13 has two hybrid sub-strands 13.1, 13.2 connected in series.
  • the ones from the inverter? Coming phase voltages U', V', W' of the three-phase system 6 can be applied to delta points 16 of the delta circuit.
  • the triangular points 16.1, 16.2 are provided at the two ends of the hybrid strand 13.
  • the primary transformer current Itransf can be fed in at an additional node 17 between the two hybrid sub-strands 13.1, 13.2.
  • the primary transformer current Itransf is divided into two halves at the additional node 17 and flows through the two hybrid sub-strands 13.1, 13.2 to the triangle points 16.1, 16.2.
  • a first phase current I Su mi flows in one hybrid sub-phase 13.1, which results from an additive superimposition of half of the transformer current ltransf/2 on the phase current lu.
  • a second phase current Isum2 flows, which results from a subtractive superimposition of half of the transformer current ltransf/2 on the phase current lu.
  • phase currents l Sumi , Isum2 result from the formulas:
  • Isum1 III + ltransf/2
  • Isum2 lu " lfransf/2
  • the primary transformer current Itranst of the transformer system 2 can be fed in by applying a voltage to the additional node 17 which is formed as an additive superimposition of the transformer voltage Utranst on a hybrid phase mean voltage.
  • the hybrid strand mean voltage has a voltage value that corresponds to a mean value of the two voltages of the three-phase AC voltage system present at the triangle points 16.1 16.2.
  • the inverter 7 has four inverter outputs 7.1 according to FIG.
  • the control unit 8 controls the inverter 7 for the operation of the synchronous machine 1 such that in the case of the delta connection, the inverter 7 provides three phase voltages for application to the delta points 16 of the delta connection and a total voltage for application to the additional node 17 .
  • the three phase voltages form a three-phase AC voltage system to generate the three-phase system 6.
  • the total voltage is formed as a superimposition of the hybrid strand mean voltage of the three-phase AC voltage system with a transformer voltage of the transformer system 2 to generate the primary transformer current Itransf and the phase currents l SU mi,lsum2 in the hybrid strands 13.1, 13.2.
  • the two series-connected hybrid subphases 13.1, 13.2 each have a number of turns whose value corresponds, for example, to half the number of turns of the other phase strands.
  • the series connection of the hybrid sub-strands 13.1, 13.2 to form the hybrid strand 13 has a number of turns whose value corresponds, for example, to the number of turns in the remaining phase strands 12, so that the amplitude of the voltage induced by the magnetic flux of the rotor 30 in the phase strands 12 and the hybrid strand 13 is the same size.
  • FIG. 4A shows a phase diagram with a time profile of the phase currents Isumi, lsum2, lv, lw flowing in the stator winding 11 for the star connection according to FIG.
  • the phase diagram shows an example of the phase currents in the case of sinusoidal phase currents of a three-phase system 6 in a star connection according to FIG. 2 with a 120° phase shift.
  • the primary transformer current Itransf which is superimposed on the phase current lu in U1 and U2, is a sinusoidal current with a higher frequency than the frequency of the phase currents of the three-phase system 6.
  • the amplitude of the primary transformer current Itransf of the transformer system 2 is smaller as the amplitude of the phase current lu of the three-phase system 6 assigned to the hybrid strand 13.
  • the three-phase components of the phase currents l Su mi and Isum2 of the hybrid sub-phases 13.1, 13.2 have a lower amplitude than the three-phase components of the phase currents l v and l w of the other phase phases 12, since, as described above, they result from a superimposition of the primary transformer current Itransf of the transformer system 2 result in one half of the phase current lu of the three-phase system 6 assigned to the hybrid strand 13 .
  • the contribution of the hybrid line 13 to the three-phase current flow with half the three-phase current component in two hybrid sub-lines 13.1, 13.2 has the same amplitude as the contribution of the other phases to the three-phase current flow.
  • FIG. 4B shows a phase diagram with a time profile of the phase currents Isumi,lsum2,lv,lw flowing in the stator winding 11 for the delta circuit according to FIG.
  • the diagram shows an example of the phase currents in the case of sinusoidal phase currents of a three-phase system 6 in a delta connection according to FIG. 3 with a 120° phase shift.
  • the primary transformer current Itransf which is superimposed on the phase currents l SU mi , lsum2, is a sinusoidal current with a higher frequency than the frequency of the phase currents of the three-phase system 6.
  • the amplitude of the primary transformer current Itransf of the transformer system 2 is smaller than the amplitude of the phase current lu of the three-phase system 6 assigned to the hybrid strand 13.
  • the phase currents coming from the inverter 7 are generally not identical to the phase currents, the fundamental wave components of the phase currents coming from the inverter 7 and the fundamental wave components of the phase currents in particular having a phase shift of 30° electrically and the fundamental wave amplitudes of the Inverter 7 coming phase currents by a factor, which results from the value of a square root of three, is greater than the fundamental amplitude of the phase currents.
  • FIG. 5 shows a three-dimensional view of the hybrid strand 13 according to the invention according to FIG. 2 or FIG. 3 as a winding.
  • the respective hybrid sub-strand 13.1, 13.2 has a number of series-connected, in particular identical, coil groups 20, the number of coil groups corresponding in particular to a pole pair number of the transmitter field and/or in particular half a pole pair number of the rotating field. According to the exemplary embodiment in FIG. 5, the number of coil groups per hybrid sub-strand 13.1, 13.2 is equal to two.
  • the coil groups 20 of the same hybrid sub-string 13.1, 13.2 are each electrically connected by a coil group connector 21, the jump width of which is designed in such a way that between two electrically connected coil groups 20 of the respective hybrid sub-string 13.1, 13.2 there is one coil group 20 of the other hybrid sub-string 13.1, 13.2.
  • the hybrid sub-strands 13.1, 13.2 each have the same number of turns, for example.
  • phase strands 12 of phases V and W which are not shown in FIG. 5, each have the same number of turns and, for example, double the current-carrying capacity compared to the hybrid sub-phases 13.1, 13.2.
  • the double current-carrying capacity is achieved by the phase strands 12 of the phases V and W having a double conductor cross-section with respect to the hybrid sub-strands 13.1, 13.2 or as a parallel connection of two sub-strands are formed which compared to the hybrid sub-strands 13.1, 13.2 have the same conductor cross-section feature.
  • each of the partial strands connected in parallel must not have any voltage component induced by the primary transformer field, since otherwise circulating currents can flow which can counteract the transformer field.
  • This can be achieved by forming each of the partial strands as a series connection of a specific number of coil groups 20 adjacent in the circumferential direction, which is identical to half the number of pole pairs of the three-phase system 6 and is, for example, two.
  • a partial phase formed in this way also includes a corresponding complementary coil for each coil, which compensates for the voltage components induced by the primary transformer field, so that phase strands 12 of phases V and W are permeable to the transformer field despite being connected in parallel.
  • FIG. 6 shows a further three-dimensional view of the hybrid strand according to the invention according to FIG. 2 or FIG. 3 as a winding.
  • FIG. 7A shows one of several coil groups for forming the hybrid strand according to the invention according to FIG. 5 and FIG. FIG. 7B shows another view of the coil group according to FIG. 7A.
  • Each coil group 20 of the respective hybrid sub-strand 13.1, 13.2 has at least one pair of coils 22, in particular a plurality of pairs of coils 22 connected in series, the number of coil pairs corresponding to a number of holes q in the stator 10, which according to the embodiment is equal to two, for example.
  • the number of holes q corresponds to the number of stator slots per number of poles and phase strand.
  • the coil pairs 22 of one of the coil groups 20 are each electrically connected by a coil pair connector 23 whose pitch corresponds, for example, to a pole pitch (determined in the number of stator slots) of the stator poles minus one or plus one stator slot.
  • the pole width of the stator poles results from the number of stator slots in the stator divided by the number of stator poles in the stator.
  • the coil width SW can correspond to the pole width.
  • FIG. 8 shows one of two pairs of coils to form the coil group according to FIG.
  • Each pair of coils 22 has two series-connected coils 24 which, in particular, have an opposite winding direction with regard to the current flow and, in particular, are of the same design with regard to a number of turns, a coil width SW (distance between the coil sides 24.1 of the same coil 24 located in the stator slots) and/or a conductor cross-section are.
  • the two coils 24 of the respective pair of coils 22 are each electrically connected via a coil connector 25, the jump width of which corresponds to the pole width of the stator poles.
  • FIG. 9A shows an arrangement of the conductors of the hybrid strand 13 according to the invention according to FIG. 5 and FIG. 6 in stator slots 26 of the stator 10, shown in a linear development.
  • the hybrid string 13 runs through stator slots 26 which are assigned to the electrical phase of the hybrid string 13 and represent hybrid slots 27 . Only the hybrid slots 27 of the stator 10 are shown in FIG. 9A.
  • hybrid grooves 27 are mixed hybrid grooves 27m, half of which each contain electrical conductors from the two hybrid sub-strands 13.1, 13.2 of the hybrid strand 13.
  • the other half of the hybrid grooves 27 are unmixed hybrid grooves 27u, which only have electrical conductors from the same hybrid sub-strand 13.1, 13.2 of the hybrid strand 13.
  • the first hybrid partial line 13.1 is designated U1 and the second hybrid partial line 13.2 is designated U2.
  • the hybrid grooves 27 it is indicated which of the hybrid partial strands 13.1, 13.2 lies in the respective hybrid groove 27.
  • each of the stator slots 26 is assigned a consecutive number.
  • the hybrid partial strands 13.1, 13.2 each have two coil groups 20, with the individual conductor of the hybrid partial strand 13.1, 13.2 belonging either to a first coil group G1 of the two coil groups 20 or to the second coil group G2 of the two coil groups 20.
  • the mixed hybrid slots 27m are provided as groups of adjacent stator slots 26, the number of mixed hybrid slots 27m per group corresponding to a number of holes q, which according to the embodiment is equal to two, for example.
  • the unmixed hybrid slots 27u are provided as groups of adjacent stator slots 26, the number of unmixed hybrid slots 27u per group corresponding to a number of holes q, which, according to the embodiment, is equal to two, for example.
  • the mutually facing coil sides 24.1 of the two coils 24 of the respective coil pair 22 of one of the coil groups 20 are each arranged in the same hybrid slot 27 and occupy them with, for example, alternating slot position occupancy to form one of the unmixed hybrid slots 27u.
  • FIG. 9B shows a view of the conductors of the hybrid strand according to the invention according to FIG. 9A with the respective signs of the three-phase current component of the three-phase system 6 in the respective conductors.
  • FIG. 9C shows a view of the conductors of the hybrid strand according to the invention according to FIG. 9A with the respective signs of the transmitter current component of the transmitter system in the respective conductors.
  • FIG. 10A shows a magnetic flux generated by the respective cumulative current I Sumi , Isum2 for each machine pole as an example for a stator with eight poles.
  • the flux generated by the total currents I Sumi, Isum2 in the conductors of the hybrid strands 13.1 and 13.2 according to FIG. 10A can be split into two parts, namely a phase current part and a transformer current part, which are shown separately in FIG .
  • FIG. 10B shows a magnetic flux per machine pole generated exclusively by the phase current component in the respective summation current Isumi, Isum2, which belongs to the three-phase system 6.
  • the flux generated by the phase current components has eight poles with an amplitude that is proportional to the phase current component of the three-phase system 6 .
  • Fig.lOC shows in a diagram exclusively by the transmitter system 2 associated transmitter current component in the respective Total current l Su mi, Isum2 generated flux per machine pole.
  • the flux generated by the transformer current components has four poles with an amplitude that is proportional to the transformer current component of the transformer system 2 .
  • Each coil group 20 extends over two adjacent machine poles.
  • the secondary part 5 of the inductive transmission system 2 is described below for two different rotor designs:
  • a rotor exciter circuit 31 is provided on the rotor 30 , which includes the exciter winding 32 for generating a rotor field for exciting the synchronous machine 1 and a secondary part 5 of the inductive transmission system 2 for transmitting electrical energy into the exciter winding 32 of the rotor 30 .
  • the secondary part 5 of the inductive transformer system 2 comprises at least one secondary transformer winding 33 for providing a transformer AC voltage and at least one rectifier circuit 34 acting as a rectifier, for example a bridge circuit, for rectifying the transformer AC voltage into a secondary DC voltage for the field winding 32.
  • the rectifier circuit 34 each includes, for example, one or more, for example two, components 34.1 acting as rectifiers.
  • the rectifier circuit 34 has an AC voltage input 40 and two DC voltage outputs 41 for feeding the field winding 32 with direct current or for connecting to the two ends of the field winding 32.
  • the rotor 30 of the electrically excited synchronous machine 1 has rotor teeth 35 and that between the rotor teeth 35 rotor grooves 36 are formed, which for receiving the field winding 32 and for receiving the at least one secondary Transformer winding 33 is formed and, for example, is open in the radial direction towards the stator 10 .
  • FIG 11 shows the rotor excitation circuit 31 according to the first rotor embodiment.
  • two secondary transformer windings 33 are provided for the rotor excitation circuit 31, the first secondary transformer winding 33.1 being arranged in a first set 37.1 of rotor slots 36 and the second secondary transformer winding 33.2 being arranged in a second set 37.2 of rotor slots 36.
  • the first set 37.1 and the second set 37.2 of rotor slots 36 are offset from one another in the circumferential direction with respect to the rotor axis 29, in particular by an odd number of rotor slots 36, for example by one rotor slot 36. This achieves an offset of 90° electrically with respect to the transformer field .
  • the secondary transformer winding 33 with the two transformer windings 33.1, 33.2 is therefore effectively 2-phase.
  • Each secondary transformer winding 33.1, 33.2 comprises a coil 38 or a plurality of coils 38 electrically connected in series or in parallel.
  • the field winding 32 according to the first embodiment of the rotor comprises a plurality of coils 39 which can be connected in series or in parallel.
  • two rectifier circuits 34 are provided for each secondary transformer winding 33.1, 33.2, with the ends of the respective secondary transformer winding 33.1, 33.2 of the rotor 30 being connected to the two AC voltage inputs 40 of the two rectifier circuits 34.
  • FIG. 12 shows the distribution of the coils 38, 39 of the rotor excitation circuit 31 according to the first rotor embodiment according to FIG. 11 on the rotor teeth 35 of the rotor 30 of the synchronous machine 1.
  • the coils 38 of the respective secondary transformer winding 33.1, 33.2 each enclose a specific number of rotor teeth 35 adjacent in the circumferential direction, which corresponds to the coil width SW of the coils 38, the number of enclosed rotor teeth 35 increasing results in particular from an odd number multiplied by two and, according to FIG. 12, is equal to two, for example. Since the coils 38 of the respective secondary transformer winding 33.1, 33.2 each enclose an even number of rotor teeth 35, no voltage is induced in the respective secondary transformer winding 33.1, 33.2 by the synchronous flux (which has an alternating sign from rotor tooth 35 to rotor tooth 35).
  • the coils 39 of the excitation winding 32 are each designed as a single-tooth coil, for example, and thus enclose only one of the rotor teeth 35.
  • FIG. 13 shows a further system view of the electrically excited synchronous machine 1 with a stator winding according to the invention in a star connection and a rotor exciter circuit 31 according to the first rotor embodiment according to FIG. 1 and FIG.
  • FIG. 14 shows an alternative rotor excitation circuit 31 according to a second rotor embodiment.
  • the second rotor design differs from the first rotor design in that secondary transformer windings 33 of the rotor 30 are provided which, in contrast to the first rotor design, are not separate windings but are integrated or formed in part of the field winding 32 .
  • the exciter winding 32 has at least one exciter branch 32.1, which in each case comprises two first coil pairs 42 electrically connected in series.
  • the first pairs of coils 42 each have two first single-tooth coils 42.1, which are, for example, identical in terms of a number of turns and a conductor cross-section.
  • the secondary transformer winding 33 is formed by a hybrid partial strand 44 of the respective exciter strand 32.1, which is interposed between the two first coil pairs 42 of the respective exciter strand 32.1 and each includes a secondary hybrid coil arrangement 45.
  • the respective Hybrid coil arrangement 45 has two AC voltage outputs 46, a DC input 47 and a DC output 48.
  • the respective secondary hybrid coil arrangement 45 comprises two parallel-connected second coil pairs 43, each comprising two second single-tooth coils 43.1, each for generating a transformer AC voltage through inductive interaction with a primary part 3 of the transformer system 2.
  • the two second single-tooth coils 43.1 are, for example, identical in terms of a number of turns and a conductor cross-section.
  • the two first single-tooth coils 42.1 of one, for example each of the first coil pairs, are designed to be complementary to one another.
  • the two second single-tooth coils 43.1 of one, for example each of the second coil pairs 43 are designed to be complementary to one another.
  • Two of the single-tooth coils 42,43 are said to be mutually complementary if they are arranged on two different rotor teeth 35 between which lies a certain number of rotor slots 36, which results from an odd number multiplied by two and amounts to, for example, two or six, which corresponds to a phase angle of 180° electrically in relation to the transmitter field.
  • the AC voltages induced by the primary transmitter field in mutually complementary single-tooth coils 42.1, 43.1 are identical in form and amplitude, but have different signs.
  • a series circuit of one of the single-tooth coils 42.1, 43.1 with a single-tooth coil 42.1, 43.1 complementary to it has no AC voltage induced by the primary transformer field at the ends of the series circuit, since the induced AC voltages of the two complementary single-tooth coils 42.1, 43.1 compensate each other.
  • the voltage that can be measured between two ends of one of the first coil pairs 42 therefore has no voltage component induced by the primary transformer field, so that no alternating current is caused either, and therefore represents an inductive-resistive load for the excitation current supply.
  • the between two ends of one of the second Coil pairs 43 measurable voltage also has no induced by the primary transformer field voltage component, so that between DC input 47 and DC output 48 of the respective Hybrid coil arrangement 45 no induced AC voltage component is present and the respective hybrid coil arrangement 45 between its DC input 47 and its DC output 48 represents an inductive-resistive load.
  • An intermediate node 50 for forming one of the AC voltage outputs 46 is provided between the second single-tooth coils 43.1 of the respective second coil pairs 43 of the respective hybrid coil arrangement 45.
  • the two AC voltage outputs 46 of the respective secondary hybrid coil arrangement 45 are each electrically connected to the AC voltage input 40 of the respective rectifier circuit 34 .
  • two rectifier circuits 34 are provided for each hybrid coil arrangement 45.
  • the hybrid coil arrangement 45 can in each case be used as an AC voltage source in that its opposite-phase intermediate nodes 50 are connected to AC voltage inputs 40 of the two rectifier circuits 34 .
  • the respective rectifier circuit 34 has the two DC voltage outputs 41 in each case for generating or applying a potential difference between the ends of the respective exciter strand 32.1.
  • a positive DC potential with respect to the intermediate node 50 of the respective hybrid coil arrangement 45 can be generated at one of the two ends of the respective exciter strand 32.1, and a negative DC voltage potential with respect to the intermediate node 50 of the respective hybrid coil arrangement 45 can be generated at the other of the two ends.
  • the magnitudes of the two opposing DC voltage potentials are, in particular, the same.
  • the field winding 32 has, for example, two field strands 32.1, which are connected in parallel by means of two strand connectors 51 and each have the secondary hybrid coil arrangement 45.
  • the respective exciter strand 32.1 has an even number of single-tooth coils 42,43.
  • 14 shows the first single-tooth coils 42.1 with the letter E for "excitation winding" and a tooth number, the tooth number indicating that rotor tooth 35 on which the respective first single-tooth coil 42.1 is provided.
  • the second single-tooth coils 43.1 are denoted by the letter H for "hybrid strand” and the respective tooth number, with the tooth number indicating that rotor tooth 35 on which the respective second single-tooth coil 43.1 is provided.
  • the rotor teeth 35 of the rotor 30 are numbered consecutively in the circumferential direction with respect to the rotor axis 29 .
  • the respective end of the coil for all single-tooth coils 42.1, 43.1 is marked with a dot and the respective beginning of the coil is marked without a dot.
  • the coil end of the respective coil 42.1, 43.1 can be, for example, the last or the first conductor that is inserted into the respective rotor slot 36.
  • the conductors of the coils 42.1, 43.1 shown symbolically in FIG. 14 all run in the same direction around the rotor teeth 35, i.e. from the respective coil end clockwise when viewed from the radial outside of the respective rotor tooth 35 for all coils 42.1, 43.1 or for all coils 42.1, 43.1 counterclockwise.
  • the coils 42.1,43.1 of the rotor teeth 35 with an odd number are in Fig.14 opposite the coils 42.1,43.1 of the Rotor teeth 35 with an even number are connected with reverse polarity, so that the excitation current runs around the rotor teeth 35 following the coil conductor of the respective coil with an alternating direction of rotation from rotor tooth 35 to rotor tooth 35 .
  • the magnetic field with from rotor tooth 35 to rotor tooth 35 alternating
  • the direction of magnetization can also be generated by coils 42.1, 43.1 with the winding direction alternating from rotor tooth 35 to rotor tooth 35, with the coils 42.1, 43.1 then not having to be polarized with respect to the coil end.
  • the two single-tooth coils 42.1,43.1, at least one, in particular each, of the first and/or second coil pairs 42,43 are each distributed over two different rotor teeth 35 in such a way that there is a certain number of rotor slots 36 between the rotor teeth 35, which consist of a Multiplying an odd number by two gives (i.e. 2, 6, 10, etc.) and is, for example, two or six.
  • the two second coil pairs 43 of the respective hybrid coil arrangement 45 are each electrically connected by two coil pair connectors 52 for parallel connection.
  • the second single-tooth coils 43.1 facing the same coil pair connector 52 from different second coil pairs 43 of the respective hybrid coil arrangement 45 are, for example, also complementary to one another and are therefore distributed over two different rotor teeth 35 in such a way that there is a specific number of rotor slots 36 between these different rotor teeth 35, which results from multiplying an odd number by two (i.e. 2, 6, 10, etc.) and is, for example, two or six.
  • One of the two coil pair connectors 52 of the hybrid coil arrangement 45 forms the direct current input 47 and the other of the two coil pair connectors 52 forms the direct current output 48 of the hybrid coil arrangement 45.
  • the coil pair connectors 52 each form two second single-tooth coils 43.1, which are complementary to one another. and a first single tooth coil 42.1 electrically connected.
  • first single-tooth coils 42.1 of the first coil pairs 42 located in one of the excitation branches 32.1 are arranged on even-numbered rotor teeth 35 and the second single-tooth coils 43.1 of the second coil pairs 43 of the same exciter branch 32.1 are arranged on odd-numbered rotor teeth 35, or vice versa.
  • FIG. 15 shows the distribution of the coils 42.1, 43.1 of the rotor exciter circuit 31 according to the second rotor embodiment according to FIG. 14 on the rotor teeth 35 of the rotor 30 of the synchronous machine 1 according to FIG. 1 and FIG , 43.1 with respect to the rotor axis 29 radially one above the other.
  • At least one first single-tooth coil 42.1 and at least one second single-tooth coil 43.1 are provided on each of the rotor teeth 35 of the rotor 30.
  • a number of turns of the second single-tooth coils 43.1 is, for example, smaller than a number of turns of the first single-tooth coils 42.1, for example in such a way that a required transformer AC voltage can be generated.
  • the single-tooth coils 43.1 of the hybrid strand, marked with the letter H, are located radially on the inside and the single-tooth coils 42.1 of the field winding, marked with the letter E, are located radially on the outside.
  • An inverted arrangement with the single-tooth coils 43.1 of the hybrid strand radially on the outside and the single-tooth coils 42.1 of the field winding radially on the inside is also possible.
  • the individual tooth coils 42.1, 43.1 can also be arranged in multiple layers one above the other with respect to an axis of the respective rotor tooth.
  • FIG. 16 shows a further system view of the electrically excited synchronous machine 1 with a stator winding 11 according to the invention in a star connection and a rotor exciter circuit 31 according to the second rotor embodiment according to FIG. 1 and FIG.

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Abstract

The invention relates to a stator (10) of an electrically excited synchronous machine (1), said stator comprising a multiphase stator winding (11) and a primary part (3) of an inductive transformer system (2) for transmitting electrical energy into an excitation winding (32) of a rotor (30) of the synchronous machine (1), the primary part (3) of the inductive transformer system (2) having a primary transformer winding (4) which is formed by a hybrid strand (13) of the stator winding (11), which hybrid strand serves both to generate a rotating field of a three-phase system (6) for driving the rotor (30) and to generate a transformer field of the transformer system (2). The invention also relates to a rotor (30) of an electrically excited synchronous machine (1), said rotor comprising an exciter winding (32) for generating a rotor field in order to excite the synchronous machine (1) and comprising a secondary part (5) of an inductive transformer system (2) for transmitting electrical energy into the exciter winding (32) of the rotor (30), the secondary part (5) of the inductive transformer system (2) comprising at least one secondary transformer winding (33) for providing a transformer AC voltage, the rotor (30) having rotor teeth (35), and rotor grooves (36), which are designed to receive the exciter winding and to receive the at least one secondary transformer winding (33), being formed between the rotor teeth (35). The invention also relates to an electrically excited synchronous machine (1) comprising a stator (10) according to the invention and a rotor (30) according to the invention.

Description

Beschreibung Description
Titel title
Induktives Übertragersystem zur Übertragung von elektrischer Energie in eine Erregerwicklung eines Rotors Inductive transmission system for the transmission of electrical energy into an excitation winding of a rotor
Stand der Technik State of the art
Die Erfindung geht aus von einem Stator und einem Rotor einer elektrisch erregten Synchronmaschine, von einer elektrisch erregten Synchronmaschine. The invention is based on a stator and a rotor of an electrically excited synchronous machine, an electrically excited synchronous machine.
Es ist schon eine elektrisch erregte Synchronmaschine aus der US20050218740 A1 bekannt, die einen Stator umfasst, der eine mehrphasige Statorwicklung mit mehreren Phasensträngen und einen primären Teil eines induktiven Übertragersystems zur Übertragung von elektrischer Energie in eine Erregerwicklung eines Rotors der Synchronmaschine aufweist. Der primäre Teil des induktiven Übertragersystems umfasst eine primäre Übertragerwicklung. An electrically excited synchronous machine is already known from US20050218740 A1, which includes a stator that has a multiphase stator winding with multiple phase strands and a primary part of an inductive transmission system for transmitting electrical energy into an excitation winding of a rotor of the synchronous machine. The primary part of the inductive transmitter system includes a primary transmitter winding.
Weiterhin umfasst die elektrisch erregte Synchronmaschine der US20050218740 A1 einen Rotor, der eine Erregerwicklung zum Erzeugen eines Rotorfelds zur Erregung der Synchronmaschine und einen sekundären Teil eines induktiven Übertragersystems zur Übertragung von elektrischer Energie in die Erregerwicklung des Rotors aufweist, wobei der sekundäre Teil des induktiven Übertragersystems zumindest eine sekundäre Übertragerwicklung zum Bereitstellen einer Übertrager-Wechselspannung und zumindest eine als Gleichrichter wirkende Gleichrichterschaltung zum Gleichrichten der Übertrager- Wechselspannung in eine sekundäre Gleichspannung für die Erregerwicklung umfasst. Furthermore, the electrically excited synchronous machine of US20050218740 A1 comprises a rotor, which has an excitation winding for generating a rotor field for excitation of the synchronous machine and a secondary part of an inductive transmission system for transmitting electrical energy into the excitation winding of the rotor, the secondary part of the inductive transmission system having at least a secondary transformer winding for providing a transformer AC voltage and at least one rectifier circuit acting as a rectifier for rectifying the transformer AC voltage into a secondary DC voltage for the field winding.
Nachteilig ist, dass der primäre und sekundäre Teil des induktiven Übertragersystems als Übertragereinheit in einem Hohlraum des Rotors angeordnet sind. Die Übertragereinheit erfordert einen vergleichsweise großen Bauraum und erzeugt als zusätzliches Bauteil zusätzliche Kosten. Die Übertragereinheit umfasst einen Erreger-Stator und einen Erreger-Rotor, die als Transformator induktiv Zusammenwirken. The disadvantage is that the primary and secondary parts of the inductive transmission system are arranged as a transmission unit in a cavity in the rotor. The transmitter unit requires a comparatively large amount of space and, as an additional component, generates additional costs. The The transmitter unit includes an exciter stator and an exciter rotor, which interact inductively as a transformer.
Vorteile der Erfindung Advantages of the Invention
Der erfindungsgemäße Stator einer elektrisch erregten Synchronmaschine mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass Bauraum für den primären Teil des induktiven Übertragersystems eingespart und die Herstellungskosten des Stators verringert werden. Dies wird erfindungsgemäß erreicht, indem die primäre Übertragerwicklung durch einen Hybridstrang der Statorwicklung gebildet ist, der sowohl der Erzeugung eines Drehfelds eines Drehstromsystems für den Antrieb des Rotors als auch der Erzeugung eines Übertragerfeldes des Übertragersystems dient. Mit anderen Worten ausgedrückt ist die primäre Übertragerwicklung also ein Teil der Statorwicklung bzw. in der Statorwicklung integriert. Die Statorwicklung wirkt also als primäre Übertragerwicklung, so dass keine zusätzliche Wicklung im Stator erforderlich ist. The stator according to the invention of an electrically excited synchronous machine with the characterizing features of claim 1 has the advantage that space is saved for the primary part of the inductive transmission system and the manufacturing costs of the stator are reduced. According to the invention, this is achieved in that the primary transformer winding is formed by a hybrid strand of the stator winding, which serves both to generate a rotary field of a three-phase system for driving the rotor and to generate a transformer field of the transformer system. In other words, the primary transformer winding is a part of the stator winding or is integrated in the stator winding. The stator winding thus acts as the primary transformer winding, so that no additional winding is required in the stator.
Durch die in den Unteransprüchen 2 bis 6 aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Stators der elektrisch erregten Synchronmaschine möglich. Advantageous further developments and improvements of the stator of the electrically excited synchronous machine specified in claim 1 are possible as a result of the measures listed in dependent claims 2 to 6 .
Besonders vorteilhaft ist, wenn der Hybridstrang der Statorwicklung zumindest einer der Phasenstränge ist, die in einer Sternschaltung oder Dreiecksschaltung verschaltet sind, wobei in den Hybridstrang sowohl ein Phasenstrom des Drehstromsystems als auch ein primärer Übertragerstrom des Übertragersystems einspeisbar ist, wobei der primäre Übertragerstrom und der Phasenstrom im Falle der Sternschaltung zusammen als Summenstrom und im Falle der Dreieckschaltung jeweils separat einspeisbar sind. Anders ausgedrückt wird der primäre Übertragerstrom im Falle der Sternschaltung also zusammen mit dem Phasenstrom lu als Summenstrom eingespeist. Auf diese Weise kann die primäre Übertragerwicklung als ein Teil der Statorwicklung ausgebildet werden bzw. in der Statorwicklung integriert sein, ohne dass sich das Drehstromsystem und das Übertragersystem gegenseitig stören bzw. negativ beeinflussen. Weiterhin vorteilhaft ist, wenn im Falle der Sternschaltung der Hybridstrang zwei parallele Hybrid-Teilstränge mit jeweils separatem Phasenanschluss aufweist, wobei in den einen Hybrid-Teilstrang ein erster Summenstrom und in den anderen Hybrid-Teilstrang ein zweiter Summenstrom einspeisbar ist. Der Hybridstrang ist somit in zwei parallele Hybrid-Teilstränge aufgeteilt. Auf diese Weise kann im Falle der Sternschaltung in den Hybridstrang ein gegenüber den anderen Phasensträngen abgewandelter Phasenstrom eingespeist werden, der sich durch Überlagerung des primären Übertragerstroms des Übertragersystems auf einen halben Phasenstrom des Drehstromsystems ergibt und somit ein Summenstrom ist. Die Summenströme für die beiden Hybrid-Teilstränge werden durch einen Inverter erzeugt. Die Phasenanschlüsse der Hybrid-Teilstränge können gegenüber den Phasenanschlüssen der anderen Phasenstränge eine geringere Stromtragfähigkeit aufweisen, insbesondere die Hälfte der Stromtragfähigkeit. Die Überlagerung zur Bildung der Summenströme erfolgt in einer Software zur Steuerung des Inverters. Die beiden in die Hybrid-Teilstränge eingespeisten Summenströme sind derart ausgebildet, dass die Summe der primären-Übertragerstrom-Anteile an einem Sternpunkt der Sternschaltung null ist, so dass die übrigen Phasen des Drehstromsystems unbeeinflusst sind. Dies kann erreicht werden, da die primären Übertragerströme in den beiden Hybrid- Teilsträngen gegenphasig und von der Amplitude her gleich sind. It is particularly advantageous if the hybrid strand of the stator winding is at least one of the phase strands that are connected in a star or delta connection, with both a phase current of the three-phase system and a primary transformer current of the transformer system being able to be fed into the hybrid strand, with the primary transformer current and the phase current can be fed in together as a total current in the case of a star connection and separately in the case of a delta connection. In other words, in the case of a star connection, the primary transformer current is fed in together with the phase current lu as a total current. In this way, the primary transformer winding can be designed as part of the stator winding or integrated in the stator winding without the three-phase system and the transformer system interfering with one another or having a negative influence. It is also advantageous if, in the case of a star connection, the hybrid string has two parallel hybrid substrings, each with a separate phase connection, with a first total current being able to be fed into one hybrid substring and a second total current being able to be fed into the other hybrid substring. The hybrid strand is thus divided into two parallel hybrid sub-strands. In this way, in the case of a star connection, a modified phase current can be fed into the hybrid strand compared to the other phase strands, which results from superimposing the primary transformer current of the transformer system on half a phase current of the three-phase system and is therefore a summation current. The total currents for the two hybrid sub-strings are generated by an inverter. The phase connections of the hybrid subphases can have a lower current carrying capacity than the phase connections of the other phase strands, in particular half the current carrying capacity. The superimposition to form the summation currents takes place in software for controlling the inverter. The two total currents fed into the hybrid sub-phases are designed in such a way that the sum of the primary transformer current components at a star point of the star connection is zero, so that the other phases of the three-phase system are unaffected. This can be achieved because the primary transformer currents in the two hybrid sub-strings are in phase opposition and have the same amplitude.
Sehr vorteilhaft ist es, wenn im Falle der Dreieckschaltung der Hybridstrang zwei in Reihe geschaltete Hybrid-Teilstränge aufweist, wobei die Phasenspannungen des Drehstromsystems an Dreieckspunkten der Dreieckschaltung anlegbar sind und wobei der primäre Übertragerstrom an einem Zusatzknoten zwischen den zwei Hybrid-Teilsträngen einspeisbar ist, beispielsweise durch Anlegen einer Summenspannung am Zusatzknoten, welche als Stellgröße zum Regeln des Übertragerstroms ausreicht. Der primäre Übertragerstrom wird durch einen Inverter an einem zusätzlichen Übertrager-Inverterausgang des Inverters bereitgestellt, wobei die Stromtragfähigkeit des Übertrager-Inverterausganges dem Übertragerstrom entspricht. Die Überlagerung der Strangströme des Drehstromsystems mit dem primären Übertragerstrom erfolgt in der Statorwicklung. Die Überlagerung des Übertragerstromes hat keinen Einfluss auf die einzustellenden Spannungen an den Dreieckspunkten. Auch vorteilhaft ist, wenn It is very advantageous if, in the case of a delta connection, the hybrid strand has two hybrid substrings connected in series, with the phase voltages of the three-phase system being able to be applied to delta points of the delta circuit and with the primary transformer current being able to be fed in at an additional node between the two hybrid substrings, for example by applying a total voltage to the additional node, which is sufficient as a manipulated variable to regulate the transformer current. The primary transformer current is provided by an inverter at an additional transformer-inverter output of the inverter, with the current carrying capacity of the transformer-inverter output corresponding to the transformer current. The phase currents of the three-phase system are superimposed with the primary transformer current in the stator winding. The superposition of the transformer current has no influence on the voltages to be set at the delta points. It is also advantageous if
- der jeweilige Hybrid-Teilstrang jeweils eine Anzahl von in Reihe geschalteten, insbesondere gleichen, Spulengruppen aufweist, wobei die Anzahl von Spulengruppen insbesondere einer Polpaarzahl des Übertragerfeldes und/oder insbesondere einer halben Polpaarzahl des Drehfeldes entspricht, und/oder- the respective hybrid sub-strand has a number of series-connected, in particular identical, coil groups, the number of coil groups corresponding in particular to a number of pole pairs of the transformer field and/or in particular half a number of pole pairs of the rotating field, and/or
- die Spulengruppen desselben Hybrid-Teilstrangs jeweils durch einen Spulengruppenverbinder elektrisch verbunden sind, dessen Sprungweite jeweils derart ausgebildet ist, dass zwischen zwei elektrisch verbundenen Spulengruppen des jeweiligen Hybrid-Teilstrangs jeweils eine Spulengruppe des anderen Hybrid-Teilstrangs liegt, und/oder - the coil groups of the same hybrid sub-string are each electrically connected by a coil group connector, the jump width of which is designed in such a way that between two electrically connected coil groups of the respective hybrid sub-string there is a coil group of the other hybrid sub-string, and/or
- jede Spulengruppe zumindest ein Spulenpaar, insbesondere mehrere in Reihe geschaltete Spulenpaare, aufweist, wobei die Spulenpaar-Anzahl einer Lochzahl q des Stators entspricht, die insbesondere gleich zwei ist, wobei die Spulenpaare einer der Spulengruppen jeweils durch einen Spulenpaarverbinder elektrisch verbunden sind, dessen Spungweite insbesondere einer Polweite der Statorpole minus einer oder plus einer Statornut entspricht, und/oder - each coil group has at least one coil pair, in particular a plurality of coil pairs connected in series, the number of coil pairs corresponding to a number of holes q in the stator, which in particular is equal to two, the coil pairs of one of the coil groups being electrically connected by a coil pair connector whose pitch corresponds in particular to a pole width of the stator poles minus one or plus one stator slot, and/or
- jedes Spulenpaar zwei in Reihe geschaltete Spulen aufweist, die bezüglich des Stromverlaufs insbesondere eine entgegengesetzte Windungsrichtung haben und insbesondere hinsichtlich einer Windungszahl, einer Spulenweite und/oder einem Leiterquerschnitt gleich ausgebildet sind, wobei die beiden Spulen des jeweiligen Spulenpaars jeweils über einen Spulenverbinder elektrisch verbunden sind, dessen Sprungweite insbesondere der Polweite der Statorpole entspricht. Auf diese Weise wird erreicht, dass die Statorwicklung Standard- Wicklungselemente umfasst und daher kostengünstig gefertigt werden kann. Each pair of coils has two series-connected coils which, in particular, have opposite winding directions with regard to the current flow and, in particular, are of the same design with regard to the number of turns, a coil width and/or a conductor cross-section, with the two coils of the respective coil pair being electrically connected via a coil connector , whose jump width corresponds in particular to the pole width of the stator poles. In this way it is achieved that the stator winding includes standard winding elements and can therefore be manufactured inexpensively.
Desweiteren vorteilhaft ist, wenn It is also advantageous if
- der Hybridstrang durch Statornuten verläuft, die der elektrischen Phase des Hybridstrangs zugeordnet sind und Hybridnuten darstellen, - the hybrid string runs through stator slots that are assigned to the electrical phase of the hybrid string and represent hybrid slots,
- die eine Hälfte der Hybridnuten gemischte Hybridnuten sind, die jeweils zur Hälfte elektrische Leiter aus den beiden Hybrid-Teilsträngen des Hybridstrangs enthalten, - half of the hybrid grooves are mixed hybrid grooves, half of which each contain electrical conductors from the two hybrid sub-strands of the hybrid strand,
- die andere Hälfte der Hybridnuten ungemischte Hybridnuten sind, die nur elektrische Leiter aus demselben Hybrid-Teilstrang des Hybridstrangs aufweisen,- the other half of the hybrid grooves are unmixed hybrid grooves that only have electrical conductors from the same hybrid sub-strand of the hybrid strand,
- die gemischten Hybridnuten als Gruppen von benachbarten Statornuten vorgesehen sind, wobei die Anzahl der gemischten Hybridnuten pro Gruppe einer Lochzahl q entspricht, die insbesondere gleich zwei ist, - die ungemischten Hybridnuten als Gruppen von benachbarten Statornuten vorgesehen sind, wobei die Anzahl der ungemischten Hybridnuten pro Gruppe einer Lochzahl q entspricht, die insbesondere gleich zwei ist. - the mixed hybrid slots are provided as groups of adjacent stator slots, the number of mixed hybrid slots per group corresponding to a number of holes q, which is in particular two, - the unmixed hybrid slots are provided as groups of adjacent stator slots, the number of unmixed hybrid slots per group corresponding to a number of holes q, which in particular is equal to two.
Auf diese Weise wird erreicht, dass die gemischten Nuten bei Bestromung der Hybid-Teilstränge mit Strömen, die zueinander gegensätzliche Vorzeichen haben, magnetisch effektiv unwirksam sind, da die den beiden Hybrid- Teilsträngen zugeordneten Leiter räumlich zumindest im wesentlichen deckungsgleich sind, aber von Strömen mit verschiedenen Vorzeichen durchflossen werden, wodurch die von Ihnen in Summe verursachte Durchflutung nahe Null ist. In this way it is achieved that the mixed grooves are magnetically effectively inactive when the hybrid sub-strands are energized with currents that have opposite signs to one another, since the conductors assigned to the two hybrid sub-strands are spatially at least essentially congruent, but of currents with different signs are traversed, whereby the total flux caused by you is close to zero.
Darüber hinaus vorteilhaft ist, wenn In addition, it is advantageous if
- die einander zugewandten Spulenseiten der beiden Spulen des jeweiligen Spulenpaares eines der Spulengruppen in derselben Hybridnut angeordnet sind und diese mit insbesondere abwechselnder Nutlagenbelegung voll belegen zur Bildung einer der ungemischten Hybridnuten, und/oder - the mutually facing coil sides of the two coils of the respective coil pair of one of the coil groups are arranged in the same hybrid slot and fully occupy them with, in particular, alternating slot position occupancy to form one of the unmixed hybrid slots, and/or
- die einander abgewandten Spulenseiten der beiden Spulen des jeweiligen Spulenpaares eines der Spulengruppen die jeweiligen Hybridnuten nur zur Hälfte belegen, und/oder - the opposite coil sides of the two coils of the respective coil pair of the coil groups occupy only half of the respective hybrid slots, and/or
- die durch eine der Spulengruppen zur Hälfte belegten Hybridnuten jeweils durch eine Spulenseite einer Spule einer jeweils benachbarten Spulengruppe voll belegt sind zur Bildung einer der gemischten Hybridnuten, und/oder - the hybrid slots half occupied by one of the coil groups are each fully occupied by one coil side of a coil of a respective adjacent coil group to form one of the mixed hybrid slots, and/or
- benachbarte Spulengruppen unterschiedlichen Hybrid-Teilsträngen zugeordnet sind. - Adjacent coil groups are assigned to different hybrid sub-strands.
Auf diese Weise wird erreicht, dass die Summe der durch die bestromten Hybrid- Teilstränge erzeugten Durchflutung einem Feld mit einer Polzahl identisch mit der Polzahl des Synchronmaschinen-Drehfeldes entspricht, die Differenz der durch die bestromten Hybrid-Teilstränge erzeugten Durchflutung jedoch einem Feld mit einer Polzahl identisch mit der Hälfte der Polzahl des Synchronmaschinen- Drehfeldes entspricht. Bei einer Bestromung der Hybrid-Teilstränge mit Stömen, die durch Überlagerung von Gleich- und Differenz-Anteilen gebildet sind, sind die Felder mit Drehsystem-Polzahl und halber-Drehsystem-Polzahl unabhängig voneinander steuerbar, wodurch eine Überlagerung einer Transformatorfunktion über das Drehstrom-Synchronmaschinen-System möglich ist. Der erfindungsgemäße Rotor der elektrisch erregten Synchronmaschine weist eine Erregerwicklung zum Erzeugen eines Rotorfelds zur Erregung der Synchronmaschine und einen sekundären Teil des induktiven Übertragersystems zur Übertragung von elektrischer Energie in die Erregerwicklung des Rotors auf, wobei der sekundäre Teil des induktiven Übertragersystems zumindest eine sekundäre Übertragerwicklung zum Bereitstellen einer Übertrager- Wechselspannung und zumindest eine als Gleichrichter wirkende Gleichrichterschaltung, insbesondere Brückenschaltung, zum Gleichrichten der Übertrager-Wechselspannung in eine sekundäre Gleichspannung für die Erregerwicklung umfasst. In this way it is achieved that the sum of the ampere-turns generated by the energized hybrid sub-strings corresponds to a field with a number of poles identical to the number of poles of the rotating field of the synchronous machine, but the difference in the ampere-turns generated by the energized hybrid sub-strings corresponds to a field with one pole number corresponds to half the number of poles of the synchronous machine rotating field. When the hybrid sub-strings are energized with currents that are formed by superimposing DC and differential components, the fields with the number of poles of the rotary system and half the number of poles of the rotary system can be controlled independently of one another, which means that a transformer function can be superimposed on the three-phase synchronous machines system is possible. The rotor according to the invention of the electrically excited synchronous machine has an excitation winding for generating a rotor field for exciting the synchronous machine and a secondary part of the inductive transmission system for transmitting electrical energy into the excitation winding of the rotor, the secondary part of the inductive transmission system having at least one secondary transmission winding for providing a transformer AC voltage and at least one rectifier circuit acting as a rectifier, in particular a bridge circuit, for rectifying the transformer AC voltage into a secondary DC voltage for the field winding.
Der erfindungsgemäße Rotor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 7 hat den Vorteil, dass Bauraum für den sekundären Teil des induktiven Übertragersystems eingespart und die Herstellungskosten des Rotors verringert werden. Dies wird erfindungsgemäß erreicht, indem der Rotor Rotorzähne aufweist und indem zwischen den Rotorzähnen Rotornuten gebildet sind, die zur Aufnahme der Erregerwicklung und zur Aufnahme der zumindest einen sekundären Übertragerwicklung ausgebildet sind. The rotor according to the invention with the characterizing features of claim 7 has the advantage that space for the secondary part of the inductive transmission system is saved and the manufacturing costs of the rotor are reduced. According to the invention, this is achieved in that the rotor has rotor teeth and in that rotor slots are formed between the rotor teeth and are designed to accommodate the field winding and to accommodate the at least one secondary transformer winding.
Durch die in den Unteransprüchen 8 bis 14 aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 7 angegebenen Rotors der elektrisch erregten Synchronmaschine möglich. Advantageous further developments and improvements of the rotor of the electrically excited synchronous machine specified in claim 7 are possible as a result of the measures listed in dependent claims 8 to 14 .
Nach einem vorteilhaften ersten Rotor-Ausführungsbeispiel sind zwei sekundäre Übertragerwicklungen vorgesehen, wobei die erste sekundäre Übertragerwicklung in einem ersten Satz von Rotornuten und die zweite sekundäre Übertragerwicklung in einem zweiten Satz von Rotornuten angeordnet ist, wobei der erste Satz und der zweite Satz von Rotornuten in Umfangsrichtung bezüglich einer Rotorachse zueinander versetzt sind, wobei die jeweilige sekundäre Übertragerwicklung jeweils eine oder mehrere in Reihe oder parallel geschaltete Spulen umfasst, die jeweils eine bestimmte Anzahl von Rotorzähnen umschließen, wobei die Anzahl von umschlossenen Rotorzähnen sich insbesondere aus einer ungeraden Zahl multipliziert mit zwei ergibt und insbesondere zwei oder sechs beträgt. Das erste Rotor-Ausführungsbeispiel hat den Vorteil, dass die sekundäre Übertragerwicklung mit dem vom Stator erzeugten Übertragerfeld winkelabhängig gekoppelt ist, so dass eine Energieübertragung vom Stator auf den Rotor möglich ist, wobei die Rotor- Übertragerwicklung als Wechselspannungs-bzw. Wechselstromquelle wirkt. Der Rotor umfasst zwei sekundäre Übertragerwicklungen, die zueinander um eine ungerade Anzahl von Rotorzähnen versetzt sind (was einem Versatz von 90° oder 270° elektrisch bezüglich des Übertragerfeldes entspricht). Die rotorseitige Übertragerwicklung ist daher effektiv 2-phasig, wodurch in jeder Rotor- Winkellager mindestens eine der beiden sekundären Übertragerwicklungen in magnetischer Kopplung zum statorseitigen Übertragerfeld steht, wodurch in jeder Rotor-Winkellage eine transformatorische Energieübertragung zum Rotor möglich ist. Somit werden sogenannte Totpunkte bezüglich Rotorwinkel vermieden. According to an advantageous first embodiment of the rotor, two secondary transformer windings are provided, the first secondary transformer winding being arranged in a first set of rotor slots and the second secondary transformer winding being arranged in a second set of rotor slots, the first set and the second set of rotor slots being circumferential are offset from one another with respect to a rotor axis, with the respective secondary transformer winding in each case comprising one or more coils connected in series or in parallel, each of which encloses a certain number of rotor teeth, the number of enclosed rotor teeth resulting in particular from an odd number multiplied by two and is in particular two or six. The first rotor embodiment has the advantage that the secondary transformer winding is angle-coupled to the transformer field generated by the stator, so that a Energy transfer from the stator to the rotor is possible, with the rotor transformer winding as an AC voltage or. AC power source works. The rotor includes two secondary transformer windings that are offset from each other by an odd number of rotor teeth (corresponding to a 90° or 270° offset electrically with respect to the transformer field). The rotor-side transformer winding is therefore effectively 2-phase, whereby in each rotor angle bearing at least one of the two secondary transformer windings is magnetically coupled to the stator-side transformer field, whereby a transformer-type energy transmission to the rotor is possible in every rotor angular position. In this way, so-called dead spots with regard to the rotor angle are avoided.
Nach einem vorteilhaften zweiten Rotor-Ausführungsbeispiel weist die Erregerwicklung zumindest einen Erregerstrang auf, der jeweils zwei in Reihe geschaltete erste Spulenpaare umfasst, wobei die sekundäre Übertragerwicklung durch einen Teilstrang des jeweiligen Erregerstrangs gebildet ist, der jeweils zwischen den zwei ersten Spulenpaaren des jeweiligen Erregerstrangs zwischengeschaltet ist und jeweils eine sekundäre Hybrid-Spulenanordnung umfasst, die jeweils zwei Wechselspannungs-Ausgänge, einen Gleichstrom- Eingang und einen Gleichstrom-Ausgang aufweist. According to an advantageous second exemplary embodiment of the rotor, the field winding has at least one field winding, which in each case comprises two first pairs of coils connected in series, with the secondary transformer winding being formed by a partial phase of the respective field of excitation, which is interposed between the two first pairs of coils of the respective field of excitation and each comprising a secondary hybrid coil assembly each having two AC outputs, a DC input and a DC output.
Das zweite Rotor-Ausführungsbeispiel hat den Vorteil, dass die sekundäre Übertragerwicklung des Rotors in einem Teil der Erregerwicklung integriert oder ausgebildet ist. Der Teilstrang des jeweiligen Erregerstrangs mit der Hybrid- Spulenanordnung dient sowohl der elektrischen Erregung der Synchronmaschine als auch der sekundären Übertragung des Übertragersystems. Die Hybrid- Spulenanordnungen werden also sowohl vom Erreger-Gleichstrom als auch vom Übertrager- Wechselstrom durchflossen, wodurch der Leiterquerschnitt im zeitlichen Mittel besser genutzt wird, wodurch bei gleicher Gesamt-Rotor- Erregung eine geringere Verlustleistung am Rotor anfällt, was zu einer geringeren Erwärmung des Rotors und damit zu einem höheren System- Wirkungsgrad und einer höheren Dauerleistung führt. Außerdem wird Bauraum am Rotor für die sekundäre Übertragerwicklung eingespart, welcher beispielsweise genutzt werden kann, um die Windungszahl oder den Leiterquerschnitt der übrigen Wicklungen zu vergrößern. Vorteilhaft ist, wenn The second rotor embodiment has the advantage that the secondary transformer winding of the rotor is integrated or formed in part of the field winding. The partial strand of the respective exciter strand with the hybrid coil arrangement is used both for the electrical excitation of the synchronous machine and for the secondary transmission of the transformer system. Both the excitation direct current and the transformer alternating current flow through the hybrid coil arrangements, which means that the conductor cross-section is better used over time, which means that with the same overall rotor excitation there is less power loss on the rotor, which leads to less heating of the rotor Rotor and thus leads to a higher system efficiency and a higher continuous output. In addition, space is saved on the rotor for the secondary transformer winding, which can be used, for example, to increase the number of turns or the conductor cross-section of the other windings. It is advantageous if
- die jeweilige sekundäre Hybrid-Spulenanordnung jeweils zwei parallel geschaltete zweite Spulenpaare aufweist, die jeweils zwei zweite Einzelzahnspulen jeweils zur Erzeugung einer Übertrager-Wechselspannung durch induktives Zusammenwirken mit einem primären Teil des Übertragersystems umfassen, wobei die zwei zweiten Einzelzahnspulen hinsichtlich einer Windungszahl und einem Leiterquerschnitt insbesondere gleich ausgebildet sind, und/oder - the respective secondary hybrid coil arrangement has two parallel-connected second coil pairs, each of which comprises two second single-tooth coils, each for generating a transformer AC voltage through inductive interaction with a primary part of the transformer system, the two second single-tooth coils in particular with regard to a number of turns and a conductor cross-section are formed the same, and / or
- zwischen den zweiten Einzelzahnspulen der jeweiligen zweiten Spulenpaare jeweils ein Zwischenknoten zur Bildung eines der Wechselspannungs-Ausgänge vorgesehen ist, und/oder - An intermediate node is provided between the second single-tooth coils of the respective second coil pairs to form one of the AC voltage outputs, and/or
- die Wechselspannungs-Ausgänge der jeweiligen sekundären Hybrid- Spulenanordnung jeweils mit einem Wechselspannungs-Eingang der Gleichrichterschaltung elektrisch verbunden ist, wobei insbesondere zwei Gleichrichterschaltungen je Hybrid-Spulenanordnung vorgesehen sind, und/oder- The AC voltage outputs of the respective secondary hybrid coil arrangement are each electrically connected to an AC voltage input of the rectifier circuit, with in particular two rectifier circuits being provided for each hybrid coil arrangement, and/or
- die jeweilige Gleichrichterschaltung jeweils zwei Gleichspannungs-Ausgänge zum Erzeugen einer Potentialdifferenz zwischen den Enden des jeweiligen Erregerstrangs aufweist, wobei an einem der beiden Enden des jeweiligen Erregerstrangs ein positives Gleichspannungs-Potential bezüglich der Zwischenknoten der jeweiligen Hybrid-Spulenanordnung und an dem anderen der beiden Enden ein negatives Gleichspannungs-Potential bezüglich der Zwischenknoten der jeweiligen Hybrid-Spulenanordnung erzeugbar ist, wobei die Beträge der beiden entgegengesetzten Gleichspannungs-Potentiale insbesondere gleich groß sind. - the respective rectifier circuit has two DC voltage outputs for generating a potential difference between the ends of the respective excitation branch, with a positive DC voltage potential with respect to the intermediate nodes of the respective hybrid coil arrangement at one of the two ends of the respective excitation branch and at the other of the two ends a negative DC voltage potential can be generated with respect to the intermediate nodes of the respective hybrid coil arrangement, the absolute values of the two opposite DC voltage potentials being in particular the same size.
Auf diese Weise wird erreicht, dass die Rotorwicklung nur aus Einzelzahnspulen besteht, die einfach zu fertigen sind und mehr Freiheit bei der Systemauslegung bieten als Spulen, die mehrere Zähne umschließen. Die Einzelzahnspulen können auf die Rotorzähne aufgesteckt werden, da sie nicht mit anderen Spulen überlappen. Des Weiteren haben Einzelzahnspulen von allen nutzbaren Wicklungen die geringste Leiterlänge bezogen auf die Windungszahl bzw. den geringsten Wickelkopfanteil, wodurch eine Wicklung mit geringem ohmschen Widerstand möglich ist, was zu einer geringeren Erwärmung des Rotors und damit zu einem höheren System-Wirkungsgrad und einer höheren Dauerleistung führt. Außerdem vorteilhaft ist, wenn die Erregerwicklung zwei Erregerstränge aufweist, die mittels von Strangverbindern parallel verschaltet sind und jeweils die sekundäre Hybrid-Spulenanordnung aufweisen. Die Hybrid-Spulenanordnung des ersten Erregerstranges besteht aus Einzelzahnspulen, die um eine ungerade Anzahl von Rotorzähnen zu den Einzelzahnspulen der Hybrid-Spulenanordnung des zweiten Erregerstrangs versetzt sind, was einem Versatz von 90° oder 270° elektrisch bezüglich des Übertragerfeldes entspricht. Die Hybrid- Spulenanordnungen sind daher zusammen effektiv 2-phasig, wodurch in jeder Rotor-Winkellage mindestens eine der beiden sekundären Hybrid- Spulenanordnungen in magnetischer Kopplung zum statorseitigen Übertragerfeld steht, wodurch in jeder Rotor-Winkellage eine transformatorische Energieübertragung zum Rotor möglich ist und somit Totpunkte bezüglich Rotorwinkel vermieden werden. In this way it is achieved that the rotor winding consists only of single-tooth coils, which are easy to manufacture and offer more freedom in system design than coils that enclose several teeth. The single tooth coils can be clipped onto the rotor teeth as they do not overlap with other coils. Furthermore, of all usable windings, single-tooth coils have the shortest conductor length in relation to the number of turns or the lowest winding head portion, which means that a winding with a low ohmic resistance is possible, which leads to less heating of the rotor and thus to a higher system efficiency and higher continuous power leads. It is also advantageous if the field winding has two field strands which are connected in parallel by means of strand connectors and each have the secondary hybrid coil arrangement. The hybrid coil arrangement of the first exciter strand consists of single-tooth coils which are offset by an odd number of rotor teeth from the single-tooth coils of the hybrid coil arrangement of the second exciter strand, which corresponds to an offset of 90° or 270° electrically with respect to the transformer field. The hybrid coil configurations are therefore effectively 2-phase together, which means that in every rotor angular position at least one of the two secondary hybrid coil configurations is magnetically coupled to the stator-side transformer field, which means that in every rotor angular position a transformational energy transmission to the rotor is possible and thus dead centers regarding rotor angle can be avoided.
Weiter vorteilhaft ist, wenn die ersten Spulenpaare jeweils zwei erste Einzelzahnspulen aufweisen und die ersten Einzelzahnspulen der ersten Spulenpaare hinsichtlich einer Windungszahl und einem Leiterquerschnitt insbesondere gleich ausgebildet sind. Auf diese Weise wird erreicht, dass bei der Erregung mit Gleichstrom eine von Rotorzahn zu Rotorzahn identische Durchflutung bereitgestellt wird, wobei die Stromdichte in den Leitern konstant ist. Dies führt zu einer gleichmäßigen Verteilung der ohmschen Verlustleistung auf dem Rotor, wodurch Hotspots vermieden oder entschärft werden können. Dies ermöglicht eine geringere thermische Belastung des Rotors und eine höhere Dauerleistung. It is also advantageous if the first pairs of coils each have two first single-tooth coils and the first single-tooth coils of the first coil pairs are in particular of the same design with regard to a number of turns and a conductor cross-section. In this way it is achieved that, when excited with direct current, an identical magnetic current is provided from rotor tooth to rotor tooth, with the current density in the conductors being constant. This leads to an even distribution of the ohmic power loss on the rotor, which means that hotspots can be avoided or mitigated. This enables a lower thermal load on the rotor and a higher continuous output.
In vorteilhafter Weise ist an jedem der Rotorzähne jeweils zumindest eine erste Einzelzahnspule und zumindest eine zweite Einzelzahnspule vorgesehen, wobei eine Windungszahl der zweiten Einzelzahnspulen insbesondere kleiner ist als eine Windungszahl der ersten Einzelzahnspulen, insbesondere derart, dass eine erforderliche Übertrager-Wechselspannung erzeugbar ist. Auf diese Weise wird erreicht, dass der ohmsche Widerstand der Wicklungsanordnung und die am Rotor vorhandene Übertragerspannung aufeinander abgestimmt und optimiert werden können, insbesondere unter Berücksichtigung der gleichrichtenden Halbleiterelemente der Gleichrichterschaltung, wobei ein Optimum zwischen Strom und Spannung angestrebt wird. Außerdem vorteilhaft ist, dass Advantageously, at least one first single-tooth coil and at least one second single-tooth coil is provided on each of the rotor teeth, with the number of turns of the second single-tooth coils being in particular smaller than the number of turns of the first single-tooth coils, in particular such that a required transformer AC voltage can be generated. In this way it is achieved that the ohmic resistance of the winding arrangement and the transformer voltage present on the rotor can be matched to one another and optimized, in particular taking into account the rectifying semiconductor elements of the rectifier circuit, with an optimum between current and voltage being sought. It is also advantageous that
- die beiden Einzelzahnspulen zumindest eines, insbesondere jedes, der ersten und/oder zweiten Spulenpaare jeweils auf zwei unterschiedliche der Rotorzähne verteilt sind, zwischen denen eine bestimmte Anzahl von Rotornuten liegt, die sich aus einer ungeraden Zahl multipliziert mit zwei ergibt und beispielsweise zwei oder sechs beträgt, und/oder - the two single-tooth coils of at least one, in particular each, of the first and/or second coil pairs are each distributed over two different rotor teeth, between which there is a certain number of rotor slots, which results from an odd number multiplied by two and, for example, two or six is, and/or
- die zwei zweiten Spulenpaare der jeweiligen Hybrid-Spulenanordnung zur Parallelschaltung jeweils durch zwei Spulenpaarverbinder elektrisch verbunden sind, wobei die demselben Spulenpaarverbinder zugewandten zweiten Einzelzahnspulen aus unterschiedlichen zweiten Spulenpaaren der jeweiligen Hybrid-Spulenanordnung auf zwei unterschiedliche Rotorzähne verteilt sind, zwischen denen eine bestimmte Anzahl von Rotornuten liegt, die sich aus einer ungeraden Zahl multipliziert mit zwei ergibt und beispielsweise zwei oder sechs beträgt. - the two second coil pairs of the respective hybrid coil arrangement for parallel connection are each electrically connected by two coil pair connectors, wherein the second single-tooth coils facing the same coil pair connector are distributed from different second coil pairs of the respective hybrid coil arrangement to two different rotor teeth, between which a specific number of rotor slots is an odd number multiplied by two, such as two or six.
Auf diese Weise werden jeweils Einzelzahnspulen gebildet, die jeweils komplementär zu bestimmten anderen Einzelzahnspulen der Erregerschaltung sind. Eine Reihenschaltung einer der Einzelzahnspulen mit einer zu ihr komplementären Einzelzahnspule hat an den Enden der Reihenschaltung jeweils keine durch das primäre Übertragerfeld induzierte Wechselspannung, da sich die induzierten Wechselspannungen der beiden komplementären Einzelzahnspulen kompensieren. In this way, respective single-tooth coils are formed which are respectively complementary to certain other single-tooth coils of the excitation circuit. A series connection of one of the single-tooth coils with a single-tooth coil complementary to it has no AC voltage induced by the primary transformer field at the ends of the series connection, since the induced AC voltages of the two complementary single-tooth coils compensate each other.
Die in den Einzelzahnspulen von ersten Spulenpaaren bzw. zweiten Spulenpaaren durch das statorseitige Übertragerfeld induzierten Wechselspannungen sind bezüglich Form und Amplitude identisch, unterscheiden sich aber im Vorzeichen (sind also gegenphasig bzw. die elektrische Phasenverschiebung beträgt 180°), so dass die induzierten Wechselspannungen in der Reihenschaltung zur Spulenpaar-Spannung addiert null ergeben. Die zwischen zwei Enden eines der zweiten Spulenpaare messbare Spannung hat keinen durch das primäre Übertragerfeld induzierten Spannungsanteil, so dass zwischen Gleichstrom-Eingang und Gleichstrom- Ausgang der jeweiligen Hybrid-Spulenanordnung kein induzierter Wechselspannungsanteil vorhanden ist und für die jeweilige Hybrid- Spulenanordnung zwischen ihrem Gleichstrom-Eingang und -Ausgang eine Reihenschaltung einer Induktivität mit einem ohmschen Widerstand als vereinfachtes Ersatzschaltbild angenommen werden kann. Die Hybrid- Spulenanordnung kann daher mit Gleichstrom bestromt zur Rotorerregung genutzt werden, indem die Gleichspannungs-Ausgänge der Gleichrichterschaltung mit den Strangverbindern der Erregerschaltung verbunden sind bzw. werden. The AC voltages induced in the single-tooth coils of the first coil pairs and second coil pairs by the stator-side transformer field are identical in terms of shape and amplitude, but differ in sign (i.e. they are in phase opposition or the electrical phase shift is 180°), so that the induced AC voltages in the Series connection to the coil pair voltage added results in zero. The voltage that can be measured between two ends of one of the second coil pairs has no voltage component induced by the primary transformer field, so that there is no induced AC voltage component between the direct current input and direct current output of the respective hybrid coil arrangement and for the respective hybrid coil arrangement between its direct current input and output, a series connection of an inductance with an ohmic resistance can be assumed as a simplified equivalent circuit diagram. The hybrid coil arrangement can therefore be energized with direct current for rotor excitation be used in that the DC voltage outputs of the rectifier circuit are or will be connected to the string connectors of the excitation circuit.
Die Erfindung geht weiterhin aus von einer elektrisch erregten Synchronmaschine mit einem erfindungsgemäßen Stator und einem erfindungsgemäßen Rotor. Die erfindungsgemäße elektrisch erregte Synchronmaschine hat den Vorteil, dass Bauraum für das induktive Übertragersystems eingespart und die Herstellungskosten der Synchronmaschine verringert werden. The invention is also based on an electrically excited synchronous machine with a stator according to the invention and a rotor according to the invention. The electrically excited synchronous machine according to the invention has the advantage that space is saved for the inductive transmission system and the manufacturing costs of the synchronous machine are reduced.
Das induktive Übertragersystem erfordert erfindungsgemäß kein zusätzliches Bauteil, insbesondere keinen Transformator. According to the invention, the inductive transmission system requires no additional component, in particular no transformer.
Die Polzahl des induktiven Übertragersystems entspricht erfindungsgemäß zumindest effektiv der Hälfte der Polzahl des Drehstromsystems. Beispielsweise ist ein 8-poliges Drehstromsystem und ein 4-poliges Übertragersystem vorgesehen. According to the invention, the number of poles of the inductive transmission system corresponds at least effectively to half the number of poles of the three-phase system. For example, an 8-pole three-phase system and a 4-pole transformer system is provided.
Erfindungsgemäß erfolgt eine Überlagerung der Ströme zu einer Statordurchflutung, die einer Überlagerung eines Feldes eines Drehstromsystems und eines Feldes eines Übertragersystems mit verschiedenen Polpaarzahlen entspricht. According to the invention, the currents are superimposed to form a stator flux, which corresponds to a superimposition of a field of a three-phase system and a field of a transformer system with different numbers of pole pairs.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Steuereinrichtung zum Steuern der erfindungsgemäßen Synchronmaschine. Die Steuereinrichtung umfasst einen Inverter zum Bereitstellen von Phasenspannungen zur Energieversorgung der Phasenanschlüsse der Statorwicklung des erfindungsgemäßen Stators und ein Steuergerät zum Steuern des Inverters. The invention also relates to a control device for controlling the synchronous machine according to the invention. The control device includes an inverter for providing phase voltages for supplying energy to the phase connections of the stator winding of the stator according to the invention and a control unit for controlling the inverter.
Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Verfahren zum Betrieb einer erfindungsgemäßen Synchronmaschine mit einer Steuereinrichtung, wobei das Steuergerät den Inverter für den Betrieb der Synchronmaschine derart ansteuert, dass vom Inverter The invention also relates to a method for operating a synchronous machine according to the invention with a control device, the control device controlling the inverter for operating the synchronous machine in such a way that the inverter
- im Falle der Sternschaltung zwei Phasenspannungen für die Hybrid-Teilstränge des Hybridstrangs und zwei Phasenspannungen für die übrigen Phasenstränge bereitgestellt werden, wobei die Phasenspannungen für die Hybrid-Teilstränge jeweils als Überlagerung einer Phasenspannung zur Erzeugung des Drehstromsystems mit einer Übertragerspannung des Übertragersystems gebildet werden zur Erzeugung von Strangströmen in den Hybrid-Teilsträngen;- In the case of the star connection, two phase voltages for the hybrid sub-strings of the hybrid string and two phase voltages for the other phase strings are provided, the phase voltages for the hybrid sub-strings being superimposed on a phase voltage to generate the Three-phase system are formed with a transformer voltage of the transformer system to generate phase currents in the hybrid sub-phases;
- im Falle der Dreieckschaltung drei Phasenspannungen zum Anlegen an die Dreieckspunkte der Dreieckschaltung und eine Summenspannung zum Anlegen an den Zusatzknoten bereitgestellt werden, wobei die Phasenspannungen ein dreiphasiges Dreh-Wechselspannungssystem zur Erzeugung des Drehstromsystems bilden und wobei die Summenspannung als Überlagerung einer Hybridstrang-Mittelspannung des Dreh-Wechselspannungssystems mit einer Übertragerspannung des Übertragersystems gebildet wird zur Erzeugung des primären Übertragerstromes und der Summenströme in den Hybrid- Teilsträngen. - In the case of the delta connection, three phase voltages are provided for application to the delta points of the delta connection and a total voltage for application to the additional node, the phase voltages forming a three-phase rotary AC voltage system for generating the three-phase system and the total voltage as a superimposition of a hybrid strand mean voltage of the rotary -AC voltage system is formed with a transformer voltage of the transformer system to generate the primary transformer current and the total currents in the hybrid sub-strings.
Zeichnung drawing
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Exemplary embodiments of the invention are shown in simplified form in the drawing and explained in more detail in the following description.
Fig.1 zeigt eine Systemansicht einer erfindungsgemäßen elektrisch erregten Synchronmaschine, 1 shows a system view of an electrically excited synchronous machine according to the invention,
Fig.2 die Statorwicklung nach Fig.1 in Sternschaltung mit einem erfindungsgemäßen Hybridstrang, 2 shows the stator winding according to FIG. 1 in a star connection with a hybrid strand according to the invention,
Fig.3 eine alternative Statorwicklung in Dreieckschaltung mit einem erfindungsgemäßen alternativen Hybridstrang, 3 shows an alternative stator winding in a delta connection with an alternative hybrid strand according to the invention,
Fig.4A ein Phasendiagramm mit einem zeitlichen Verlauf der in der Statorwicklung fließenden Strangströme für die Sternschaltung nach Fig.2, Fig.4B ein Phasendiagramm mit einem zeitlichen Verlauf der in der Statorwicklung fließenden Strangströme für die Dreieckschaltung nach Fig.3, Fig.5 eine dreidimensionale Ansicht des erfindungsgemäßen Hybridstrangs nach Fig.2 oder Fig.3 als Wicklung, 4A shows a phase diagram with a time profile of the phase currents flowing in the stator winding for the star connection according to FIG. 2, FIG three-dimensional view of the hybrid strand according to the invention according to FIG. 2 or FIG. 3 as a winding,
Fig.6 eine weitere dreidimensionale Ansicht des erfindungsgemäßen Hybridstrangs nach Fig.2 oder Fig.3 als Wicklung, 6 shows a further three-dimensional view of the hybrid strand according to the invention according to FIG. 2 or FIG. 3 as a winding,
Fig.7A eine von mehreren Spulengruppen zur Bildung des erfindungsgemäßen Hybridstrangs nach Fig.5 und Fig.6, 7A shows one of several coil groups for forming the hybrid strand according to the invention according to FIGS. 5 and 6,
Fig.7B eine weitere Ansicht der Spulengruppe nach Fig.7A, Fig.8 eines von zwei Spulenpaaren zur Bildung der Spulengruppe nach Fig.7, 7B another view of the coil group according to FIG. 7A, 8 shows one of two pairs of coils to form the coil group according to FIG.
Fig.9A eine Anordnung der Leiter des erfindungsgemäßen Hybridstrangs nach Fig.5 und Fig.6 in Statornuten des Stators, dargestellt in einer linearen Abwicklung, 9A shows an arrangement of the conductors of the hybrid strand according to the invention according to FIGS. 5 and 6 in stator slots of the stator, shown in a linear development,
Fig.9B eine Ansicht der Leiter des erfindungsgemäßen Hybridstrangs nach Fig.9A mit den jeweiligen Vorzeichen des Drehstromanteils des Drehstromsystems in den jeweiligen Leitern, 9B shows a view of the conductors of the hybrid strand according to the invention according to FIG. 9A with the respective signs of the three-phase current component of the three-phase system in the respective conductors,
Fig.9C eine Ansicht der Leiter des erfindungsgemäßen Hybridstrangs nach Fig.9A mit den jeweiligen Vorzeichen des Übertragerstromanteils des Übertragersystems in den jeweiligen Leitern, 9C shows a view of the conductors of the hybrid strand according to the invention according to FIG. 9A with the respective signs of the transmitter current component of the transmitter system in the respective conductors,
Fig.lOA in einem Summen-Diagramm eine durch den Summenstrom erzeugte Durchflutung je Maschinenpol, Fig. 10A in a cumulative diagram a flux generated by the total current per machine pole,
Fig.lOB in einem Diagramm eine ausschließlich durch den Phasenstromanteil im jeweiligen Summenstrom erzeugte Durchflutung je Maschinenpol, Fig. 10B in a diagram, a magnetic flux per machine pole generated exclusively by the phase current component in the respective total current,
Fig.lOC in einem Diagramm eine ausschließlich durch den Übertragerstromanteil im jeweiligen Summenstrom erzeugte Durchflutung je Maschinenpol, Fig.11 die Rotor-Erregerschaltung gemäß der ersten Rotor-Ausführung, Fig.12 die Verteilung der Spulen der Rotor-Erregerschaltung gemäß der ersten Rotor-Ausführung nach Fig.11 auf die Rotorzähne des Rotors der Synchronmaschine, 1C a diagram showing a flux per machine pole generated exclusively by the transformer current component in the respective total current, FIG. 11 the rotor exciter circuit according to the first rotor design, FIG according to Fig.11 on the rotor teeth of the rotor of the synchronous machine,
Fig.13 eine weitere Systemansicht der elektrisch erregten Synchronmaschine mit einer erfindungsgemäßen Statorwicklung in Sternschaltung und einer Rotor- Erregerschaltung nach der ersten Rotor-Ausführung gemäß Fig.1 und Fig.11 , Fig.14 eine alternative Rotor-Erregerschaltung gemäß einer zweiten Rotor- Ausführung, 13 shows another system view of the electrically excited synchronous machine with a star-connected stator winding according to the invention and a rotor exciter circuit according to the first rotor embodiment according to FIG. 1 and FIG. 11, FIG. 14 an alternative rotor exciter circuit according to a second rotor embodiment ,
Fig.15 die Verteilung der Spulen der Rotor-Erregerschaltung gemäß der zweiten Rotor-Ausführung nach Fig.14 auf die Rotorzähne des Rotors der Synchronmaschine nach Fig.1 und Fig.14 und 15 shows the distribution of the coils of the rotor exciter circuit according to the second rotor embodiment according to FIG. 14 on the rotor teeth of the rotor of the synchronous machine according to FIG. 1 and FIG
Fig.16 eine weitere Systemansicht der elektrisch erregten Synchronmaschine mit einer erfindungsgemäßen Statorwicklung in Sternschaltung und einer Rotor- Erregerschaltung nach der zweiten Rotor-Ausführung gemäß Fig.1 und Fig.14. Beschreibung der Ausführungsbeispiele 16 shows a further system view of the electrically excited synchronous machine with a star-connected stator winding according to the invention and a rotor exciter circuit according to the second rotor embodiment according to FIG. 1 and FIG. Description of the exemplary embodiments
Fig.1 zeigt eine Systemansicht einer elektrisch erregten Synchronmaschine 1. 1 shows a system view of an electrically excited synchronous machine 1.
Die erfindungsgemäße Synchronmaschine 1 umfasst einen Stator 10 mit einer erfindungsgemäßen Statorwicklung 11 in Sternschaltung oder Dreieckschaltung und einen um eine Rotorachse 29 drehbaren erfindungsgemäßen Rotor 30 gemäß einer ersten Rotor-Ausführung nach Fig.11 bis Fig.13 oder gemäß einer zweiten Rotor-Ausführung nach Fig. 14 bis Fig.16. In Fig.1 ist beispielhaft die Statorwicklung 11 in Sternschaltung und beispielhaft der Rotor 30 der ersten Rotor-Ausführung dargestellt. The synchronous machine 1 according to the invention comprises a stator 10 with a stator winding 11 according to the invention in a star connection or delta connection and a rotor 30 according to the invention which can be rotated about a rotor axis 29 according to a first rotor embodiment according to FIGS. 11 to 13 or according to a second rotor embodiment according to FIG 14 to 16. In FIG. 1, the stator winding 11 is shown as an example in a star connection and the rotor 30 of the first rotor embodiment is shown as an example.
Die elektrisch erregte Synchronmaschine 1 hat ein erfindungsgemäßes induktives Übertragersystem 2 zur Übertragung von elektrischer Energie in eine Erregerwicklung 32 des Rotors 30 der Synchronmaschine 1. Am Stator 10 ist ein primärer Teil 3 des induktiven Übertragersystems 2 ausgebildet, der eine primäre Übertragerwicklung 4 umfasst. Am Rotor 30 ist ein sekundärer Teil 5 des induktiven Übertragersystems 2 vorgesehen. The electrically excited synchronous machine 1 has an inductive transmission system 2 according to the invention for transmitting electrical energy into an excitation winding 32 of the rotor 30 of the synchronous machine 1. A primary part 3 of the inductive transmission system 2, which includes a primary transmission winding 4, is formed on the stator 10. A secondary part 5 of the inductive transmission system 2 is provided on the rotor 30 .
Primärer Teil des induktiven Übertragersystems Primary part of the inductive transmitter system
Zunächst wird der primäre Teil 3 des induktiven Übertragersystems 2 beschrieben: First, the primary part 3 of the inductive transmitter system 2 is described:
Die Statorwicklung 11 des Stators 10 ist mehrphasig, beispielsweise dreiphasig, und weist mehrere Phasenstränge 12 auf, die jeweils einer der elektrischen Phasen U,V,W zugeordnet sind und jeweils an einem der beiden Enden einen Phasenanschluss 14 zu einem Inverter 7 haben. Die elektrischen Phasen U bzw.U1,U2,V,W werden von dem Inverter ? bereitgestellt, der von einem Steuergerät 8 gesteuert ist. The stator winding 11 of the stator 10 is multi-phase, for example three-phase, and has a plurality of phase strands 12 which are each assigned to one of the electrical phases U, V, W and each have a phase connection 14 to an inverter 7 at one of the two ends. The electrical phases U or U1,U2,V,W are supplied by the inverter ? provided, which is controlled by a control unit 8.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die primäre Übertragerwicklung 4 durch einen Hybridstrang der Statorwicklung 11 gebildet ist, der sowohl der Erzeugung eines Drehfelds eines Drehstromsystems 6 für den Antrieb des Rotors 30 der Synchronmaschine 1 als auch der Erzeugung eines Übertragerfeldes des induktiven Übertragersystems 2 dient. Die Polzahl des induktiven Übertragersystems 2 entspricht erfindungsgemäß zumindest effektiv der Hälfte der Polzahl des Drehstromsystems 6. Daher ist die in Fig.1 links unten dargestellte Synchronmaschine 1 in Fig.1 bezüglich des Übertragersystems 2 mit beispielsweise vier Polen und in Fig.1 rechts unten bezüglich des Drehstromsystems 6 mit beispielsweise acht Polen dargestellt. According to the invention, it is provided that the primary transformer winding 4 is formed by a hybrid strand of the stator winding 11, which serves both to generate a rotary field of a three-phase system 6 for driving the rotor 30 of the synchronous machine 1 and to generate a transformer field of the inductive transformer system 2. According to the invention, the number of poles of the inductive transmission system 2 effectively corresponds to at least half the number of poles of the three-phase system 6. Therefore, the synchronous machine 1 shown in FIG the three-phase system 6 shown with eight poles, for example.
Fig.2 zeigt die Statorwicklung 11 des Stators 10 nach Fig.1 mit einem erfindungsgemäßen Hybridstrang 13. Fig.3 zeigt eine alternative Statorwicklung 11 in Dreieckschaltung mit einem erfindungsgemäßen alternativen Hybridstrang 13. 2 shows the stator winding 11 of the stator 10 according to FIG. 1 with a hybrid phase 13 according to the invention. FIG. 3 shows an alternative stator winding 11 in a delta connection with an alternative hybrid phase 13 according to the invention.
Der Hybridstrang 13 der Statorwicklung 11 ist zumindest einer der Phasenstränge 12, die nach Fig.2 in einer Sternschaltung oder nach Fig.3 in einer Dreiecksschaltung verschaltet sein können. In den Hybridstrang 13 ist sowohl ein dem Hybridstrang zugeordneter Phasenstrom des Drehstromsystems 6 als auch ein primärer Übertragerstrom Itransf des Übertragersystems 2 in überlagerter Weise einspeisbar. The hybrid strand 13 of the stator winding 11 is at least one of the phase strands 12, which can be connected in a star connection according to FIG. 2 or in a delta connection according to FIG. Both a phase current of the three-phase system 6 assigned to the hybrid strand and a primary transformer current Itransf of the transformer system 2 can be fed into the hybrid strand 13 in a superimposed manner.
Der Übertragerstrom Itransf wird in einer Hybridphase, also der elektrischen Phase des Hybridstrangs 13, dem Phasenstrom lu überlagert. Dabei handelt es sich beispielsweise um eine sogenannte gegenphasige (Push-Pull) Überlagerung. Die Hybridphase ist in dem Ausführungsbeispiel beispielsweise die Phase II. Der primäre Übertragerstrom Itransf kann ein Wechselstrom oder ein Gleichstrom sein. Erfindungsgemäß erfolgt eine Überlagerung der Ströme zu einer Statordurchflutung, die einer Überlagerung eines Feldes des Drehstromsystems 6 und eines Feldes des Übertragersystems 2 mit verschiedenen Polpaarzahlen entspricht. The transformer current Itransf is superimposed on the phase current lu in a hybrid phase, ie the electrical phase of the hybrid strand 13 . This is, for example, a so-called anti-phase (push-pull) superimposition. In the exemplary embodiment, the hybrid phase is phase II, for example. The primary transformer current Itransf can be an alternating current or a direct current. According to the invention, the currents are superimposed to form a stator flux, which corresponds to a superimposition of a field of the three-phase system 6 and a field of the transformer system 2 with different numbers of pole pairs.
Der primäre Übertragerstrom Itransf ist im Falle der Sternschaltung nach Fig.2 als Summenstrom zusammen mit dem Phasenstrom lu und im Falle der Dreieckschaltung nach Fig.3 jeweils separat einspeisbar. The primary transformer current Itransf can be fed in as a total current together with the phase current lu in the case of the star connection according to FIG. 2 and separately in the case of the delta connection according to FIG.
Im Falle der Sternschaltung nach Fig.2 weist der Hybridstrang 13 der Statorwicklung 11 zwei parallele Hybrid-Teilstränge 13.1 ,13.2 auf. Die Hybrid- Teilstränge 13.1,13.2 haben jeweils an einem der beiden Enden einen separaten Phasenanschluss 14.1 ,14.2 zum Inverter 7 und am anderen der beiden Enden eine Verbindung zu einem Sternpunkt 15 der Sternschaltung. Die übrigen Phasenstränge 12 der Phasen V und W sind ebenfalls mit einem ihrer Enden an den Sternpunkt 15 angeschlossen. In the case of the star connection according to FIG. 2, the hybrid phase 13 of the stator winding 11 has two parallel hybrid partial phases 13.1, 13.2. The hybrid sub-strings 13.1, 13.2 each have a separate phase connection 14.1, 14.2 to the inverter 7 at one of the two ends and at the other of the two ends a connection to a star point 15 of the star connection. The remaining phase strands 12 of phases V and W are also connected to the neutral point 15 with one of their ends.
In dem einen Hybrid-Teilstrang 13.1 fließt aufgrund der Stromeinspeisung ein erster Strangstrom lSumi, der sich durch eine additive Überlagerung des primären Übertragerstroms Itransf des Übertragersystems 2 auf eine Hälfte des dem Hybridstrang 13 zugeordneten Phasenstroms lu des Drehstromsystems 6 ergibt. In dem anderen Hybrid-Teilstrang 13.2 fließt aufgrund der Stromeinspeisung ein zweiter Strangstrom Isum2, der sich durch eine subtraktive Überlagerung des primären Übertragerstroms Itransf des Übertragersystems 2 auf eine Hälfte des dem Hybridstrang 13 zugeordneten Phasenstroms lu des Drehstromsystems 6 ergibt. A first phase current l Su mi flows in one hybrid sub-string 13.1 due to the current being fed in, which results from an additive superimposition of the primary transformer current Itransf of the transformer system 2 on one half of the phase current lu of the three-phase system 6 assigned to the hybrid string 13. A second phase current Isum2, which results from a subtractive superimposition of the primary transformer current Itransf of the transformer system 2 on one half of the phase current lu of the three-phase system 6 assigned to the hybrid phase 13, flows in the other hybrid partial phase 13.2 due to the current feed.
Dabei ist der Phasenstromanteil im Strangstrom lSumi gegenüber den übrigen einzuspeisenden Phasenströmen lv w ein Strom mit halber Amplitude. In this case, the phase current component in the phase current l Su mi is a current with half the amplitude compared to the other phase currents l v w to be fed in.
Für die Sternschaltung ergeben sich der erste Strangstrom lSumi und der zweite Strangstrom Isum2 aus den Formeln: For the star connection, the first phase current l Su mi and the second phase current Isum2 result from the formulas:
Isum1 = lu/2 + Itransf Isum1 = lu/2 + Itransf
Isum2= lu/2 - Itransf Isum2 = lu/2 - Itransf
Die Übertragerstromanteile der beiden Strangströme Isumi,lsum2 haben eine identische Form und Amplitude, jedoch verschiedene Vorzeichen und löschen sich am Sternpunkt aus. Die übrigen Phasenstränge V,W werden dadurch vom Übertragerstromanteil nicht beeinflusst. The transformer current components of the two phase currents Isumi,lsum2 have an identical form and amplitude, but different signs and cancel each other out at the neutral point. The remaining phase strands V, W are not influenced by the transformer current component.
Am Sternpunkt gilt: At the star point:
Isuml + Isum2 + lv + Iw = lu/2 + Itransf + lu/2 - Itransf + lv + Iw = lu + lv + Iw = 0 Isuml + Isum2 + lv + Iw = lu/2 + Itransf + lu/2 - Itransf + lv + Iw = lu + lv + Iw = 0
Daher gilt auch: Therefore also applies:
Isuml = (Iv+ Iw) / 2 + Itransf Isuml = (Iv + Iw) / 2 + Itransf
Isum2= (Iv+ Iw) / 2 - Itransf Der Inverter ? hat gemäß Fig.2 vier Inverterausgänge 7.1 , nämlich zwei Inverterausgänge 7.1 für die Phasenströme lv und Iw und zwei Inverterausgänge 7.1 für die beiden Ströme lSUmi und lSUm2der Hybrid-Teilstränge 13.1, 13.2. Isum2 = (Iv + Iw) / 2 - Itransf The inverter ? has four inverter outputs 7.1 according to FIG.
Zum Betrieb der elektrisch erregten Synchronmaschine 1 nach Fig.2 ist eine Steuereinrichtung 9 vorgesehen, die den Inverter 7 und das Steuergerät 8 umfasst. Das Steuergerät 8 steuert den Inverter 7 für den Betrieb der Synchronmaschine 1 derart an, dass vom Inverter 7 im Falle der Sternschaltung zwei Phasenspannungen für die Hybrid-Teilstränge 13.1 ,13.2 des Hybridstrangs 13 und zwei Phasenspannungen für die übrigen Phasenstränge 12 bereitgestellt werden. Die Phasenspannungen für die Hybrid-Teilstränge 13.1, 13.2 werden jeweils als Überlagerung eines der Phasenspannungen eines dreiphasigen Dreh- Wechselspannungssystems zur Erzeugung des Drehstromsystems 6 mit einer Übertragerspannung des Übertragersystems 2 gebildet zur Erzeugung der Strangströme lSUmi,lsum2 in den Hybrid-Teilsträngen 13.1 ,13.2. A control device 9 is provided for the operation of the electrically excited synchronous machine 1 according to FIG. The control unit 8 controls the inverter 7 for the operation of the synchronous machine 1 in such a way that the inverter 7 in the case of a star connection provides two phase voltages for the hybrid sub-phases 13.1, 13.2 of the hybrid phase 13 and two phase voltages for the remaining phase phases 12. The phase voltages for the hybrid sub-strings 13.1, 13.2 are each formed as a superimposition of one of the phase voltages of a three-phase AC voltage system for generating the three-phase system 6 with a transformer voltage of the transformer system 2 for generating the phase currents l SU mi,lsum2 in the hybrid sub-strings 13.1, 13.2.
Der Hybridstrang 13 nach Fig.2 ist in zwei parallele Hybrid-Teilstränge 13.1,13.2 aufgeteilt, welche jeweils über eine Windungszahl verfügen, deren Wert beispielsweise jeweils der Windungszahl der übrigen Phasenstränge 12 entspricht, so dass die Amplitude der durch den magnetischen Fluss des Rotors induzierten Spannung in den Phasensträngen 12 und Hybrid-Teilsträngen 13.1,13.2 gleich groß ist. The hybrid strand 13 according to Figure 2 is divided into two parallel hybrid sub-strands 13.1, 13.2, each of which has a number of turns whose value corresponds, for example, to the number of turns of the remaining phase strands 12, so that the amplitude of the induced by the magnetic flux of the rotor Voltage in the phase strands 12 and hybrid sub-strands 13.1,13.2 is the same.
Im Falle der Dreieckschaltung nach Fig.3 weist der Hybridstrang 13 zwei in Reihe geschaltete Hybrid-Teilstränge 13.1,13.2 auf. Die vom Inverter ? kommenden Phasenspannungen U‘,V‘,W‘ des Drehstromsystems 6 sind an Dreieckspunkten 16 der Dreieckschaltung anlegbar. An den beiden Enden des Hybridstrangs 13 sind die Dreieckspunkte 16.1 ,16.2 vorgesehen. In the case of the delta connection according to FIG. 3, the hybrid strand 13 has two hybrid sub-strands 13.1, 13.2 connected in series. The ones from the inverter? Coming phase voltages U', V', W' of the three-phase system 6 can be applied to delta points 16 of the delta circuit. The triangular points 16.1, 16.2 are provided at the two ends of the hybrid strand 13.
Der primäre Übertragerstrom Itransf ist an einem Zusatzknoten 17 zwischen den zwei Hybrid-Teilsträngen 13.1,13.2 einspeisbar. Der primäre Übertragerstrom Itransf teilt sich am Zusatzknoten 17 in zwei Hälften auf und fließt jeweils durch die beiden Hybrid-Teilstränge 13.1 ,13.2 zu den Dreieckspunkten 16.1,16.2 ab. Dadurch fließt in dem einen Hybrid-Teilstrang 13.1 ein erster Strangstrom lSumi , der sich durch eine additive Überlagerung der Hälfte des Übertragerstromes ltransf/2 auf den Phasenstrom lu ergibt. In dem anderen Hybrid-Teilstrang 13.2 fließt dadurch ein zweiter Strangstrom Isum2, der sich durch eine subtraktive Überlagerung der Hälfte des Übertragerstromes ltransf/2 auf den Phasenstrom lu ergibt. The primary transformer current Itransf can be fed in at an additional node 17 between the two hybrid sub-strands 13.1, 13.2. The primary transformer current Itransf is divided into two halves at the additional node 17 and flows through the two hybrid sub-strands 13.1, 13.2 to the triangle points 16.1, 16.2. As a result, a first phase current I Su mi flows in one hybrid sub-phase 13.1, which results from an additive superimposition of half of the transformer current ltransf/2 on the phase current lu. In the other hybrid sub-strand 13.2 As a result, a second phase current Isum2 flows, which results from a subtractive superimposition of half of the transformer current ltransf/2 on the phase current lu.
Für die Dreieckschaltung ergeben sich die Strangströme lSumi, Isum2 also aus den Formeln: For the delta circuit, the phase currents l Sumi , Isum2 result from the formulas:
Isum1 = III + ltransf/2 Isum2= lu " lfransf/2 Isum1 = III + ltransf/2 Isum2 = lu " lfransf/2
Der primäre Übertragerstrom Itranst des Übertragersystems 2 kann eingespeist werden, indem an den Zusatzknoten 17 eine Spannung angelegt wird, die als additive Überlagerung der Übertragerspannung Utranst auf eine Hybridstrang- Mittelspannung gebildet wird. Die Hybridstrang-Mittelspannung hat einen Spannungswert, der einem Mittelwert aus den beiden an den Dreieckspunkten 16.1 16.2 anliegenden Spannungen des Dreh-Wechselspannungssystems entspricht. The primary transformer current Itranst of the transformer system 2 can be fed in by applying a voltage to the additional node 17 which is formed as an additive superimposition of the transformer voltage Utranst on a hybrid phase mean voltage. The hybrid strand mean voltage has a voltage value that corresponds to a mean value of the two voltages of the three-phase AC voltage system present at the triangle points 16.1 16.2.
Der Inverter 7 hat gemäß Fig.3 vier Inverterausgänge 7.1 , nämlich drei Inverterausgänge 7.1 für die Ströme zum Einspeisen an den Dreieckspunkten 16 und einen Inverterausgang 7.1 für den primären Übertragerstrom Itransf zum Einspeisen am Zusatzknoten 17. The inverter 7 has four inverter outputs 7.1 according to FIG.
Zum Betrieb der elektrisch erregten Synchronmaschine 1 nach Fig.3 ist die Steuereinrichtung 9 vorgesehen, die den Inverter 7 und das Steuergerät 8 umfasst. Das Steuergerät 8 steuert den Inverter 7 für den Betrieb der Synchronmaschine 1 derart an, dass vom Inverter 7 im Falle der Dreieckschaltung drei Phasenspannungen zum Anlegen an die Dreieckspunkte 16 der Dreieckschaltung und eine Summenspannung zum Anlegen an den Zusatzknoten 17 bereitgestellt werden. Die drei Phasenspannungen bilden ein dreiphasiges Dreh-Wechselspannungssystem zur Erzeugung des Drehstromsystems 6. Die Summenspannung wird als Überlagerung der Hybridstrang-Mittelspannung des Dreh-Wechselspannungssystems mit einer Übertragerspannung des Übertragersystems 2 gebildet zur Erzeugung des primären Übertragerstromes Itransf und der Strangströme lSUmi,lsum2 in den Hybrid- Teilsträngen 13.1 ,13.2. Im Falle der Dreieckschaltung weisen die zwei in Reihe geschalteten Hybrid- Teilstränge 13.1 ,13.2 jeweils eine Windungszahl, deren Wert beispielsweise jeweils der Hälfte der Windungszahl der übrigen Phasenstränge entspricht. Die Reihenschaltung der Hybrid-Teilstränge 13.1,13.2 zum Hybridstrang 13 verfügt über eine Windungszahl, deren Wert beispielsweise der Windungszahl der übrigen Phasenstränge 12 entspricht, so dass die Amplitude der durch den magnetischen Fluss des Rotors 30 induzierten Spannung in den Phasensträngen 12 und dem Hybridstrang 13 gleich groß ist. To operate the electrically excited synchronous machine 1 according to FIG. The control unit 8 controls the inverter 7 for the operation of the synchronous machine 1 such that in the case of the delta connection, the inverter 7 provides three phase voltages for application to the delta points 16 of the delta connection and a total voltage for application to the additional node 17 . The three phase voltages form a three-phase AC voltage system to generate the three-phase system 6. The total voltage is formed as a superimposition of the hybrid strand mean voltage of the three-phase AC voltage system with a transformer voltage of the transformer system 2 to generate the primary transformer current Itransf and the phase currents l SU mi,lsum2 in the hybrid strands 13.1, 13.2. In the case of the delta connection, the two series-connected hybrid subphases 13.1, 13.2 each have a number of turns whose value corresponds, for example, to half the number of turns of the other phase strands. The series connection of the hybrid sub-strands 13.1, 13.2 to form the hybrid strand 13 has a number of turns whose value corresponds, for example, to the number of turns in the remaining phase strands 12, so that the amplitude of the voltage induced by the magnetic flux of the rotor 30 in the phase strands 12 and the hybrid strand 13 is the same size.
Fig.4A zeigt ein Phasendiagramm mit einem zeitlichen Verlauf der in der Statorwicklung 11 fließenden Strangströme Isumi , lsum2, lv, lw für die Sternschaltung nach Fig.2. Das Phasendiagramm zeigt beispielhaft die Strangströme im Falle sinusförmiger Phasenströme eines dreiphasigen Drehstromsystems 6 in Sternschaltung nach Fig. 2 mit 120° Phasenverschiebung. FIG. 4A shows a phase diagram with a time profile of the phase currents Isumi, lsum2, lv, lw flowing in the stator winding 11 for the star connection according to FIG. The phase diagram shows an example of the phase currents in the case of sinusoidal phase currents of a three-phase system 6 in a star connection according to FIG. 2 with a 120° phase shift.
Bei dem primären Übertragerstrom Itransf, der auf den Phasenstrom lu in U1 und U2 überlagert wird, handelt es sich um einen sinusförmigen Strom mit einer höheren Frequenz als die Frequenz der Phasenströme des Drehstromsystems 6. Die Amplitude des primären Übertragerstroms Itransf des Übertragersystems 2 ist dagegen kleiner als die Amplitude des dem Hybridstrang 13 zugeordneten Phasenstroms lu des Drehstromsystems 6. The primary transformer current Itransf, which is superimposed on the phase current lu in U1 and U2, is a sinusoidal current with a higher frequency than the frequency of the phase currents of the three-phase system 6. The amplitude of the primary transformer current Itransf of the transformer system 2, on the other hand, is smaller as the amplitude of the phase current lu of the three-phase system 6 assigned to the hybrid strand 13.
Die Drehstromanteile der Strangströme lSumi und Isum2 der Hybrid-Teilstränge 13.1,13.2 haben gegenüber den Drehstromanteilen der Strangströme lv und lw der anderen Phasenstränge 12 eine geringere Amplitude, da sie sich wie zuvor beschrieben aus einer Überlagerung des primären Übertragerstroms Itransf des Übertragersystems 2 auf eine Hälfte des dem Hybridstrang 13 zugeordneten Phasenstroms lu des Drehstromsystems 6 ergeben. Der Beitrag des Hybridstranges 13 zur Drehstrom-Durchflutung mit einem halben Drehstromanteil in zwei Hybrid-Teilsträngen 13.1 ,13.2 verfügt über die gleiche Amplitude wie der Beitrag der übrigen Phasen zur Drehstrom-Durchflutung. The three-phase components of the phase currents l Su mi and Isum2 of the hybrid sub-phases 13.1, 13.2 have a lower amplitude than the three-phase components of the phase currents l v and l w of the other phase phases 12, since, as described above, they result from a superimposition of the primary transformer current Itransf of the transformer system 2 result in one half of the phase current lu of the three-phase system 6 assigned to the hybrid strand 13 . The contribution of the hybrid line 13 to the three-phase current flow with half the three-phase current component in two hybrid sub-lines 13.1, 13.2 has the same amplitude as the contribution of the other phases to the three-phase current flow.
Bei der Sternschaltung nach Fig. 2 sind die vom Inverter 7 kommenden Phasenströme identisch mit den Strangströmen. Fig.4B zeigt ein Phasendiagramm mit einem zeitlichen Verlauf der in der Statorwicklung 11 fließenden Strangströme Isumi,lsum2,lv,lw für die Dreieckschaltung nach Fig.3. Das Diagramm zeigt beispielhaft die Strangströme im Falle sinusförmiger Phasenströme eines dreiphasigen Drehstromsystems 6 in Dreieckschaltung nach Fig. 3 mit 120° Phasenverschiebung. In the star connection according to FIG. 2, the phase currents coming from the inverter 7 are identical to the phase currents. FIG. 4B shows a phase diagram with a time profile of the phase currents Isumi,lsum2,lv,lw flowing in the stator winding 11 for the delta circuit according to FIG. The diagram shows an example of the phase currents in the case of sinusoidal phase currents of a three-phase system 6 in a delta connection according to FIG. 3 with a 120° phase shift.
Beim primären Übertragerstrom Itransf, welcher auf die Strangströme lSUmi , lsum2 überlagert wird, handelt es sich um einen sinusförmigen Strom mit einer höheren Frequenz als die Frequenz der Phasenströme des Drehstromsystems 6. Die Amplitude des primären Übertragerstroms Itransf des Übertragersystems 2 ist dagegen kleiner als die Amplitude des dem Hybridstrang 13 zugeordneten Phasenstroms lu des Drehstromsystems 6. The primary transformer current Itransf, which is superimposed on the phase currents l SU mi , lsum2, is a sinusoidal current with a higher frequency than the frequency of the phase currents of the three-phase system 6. The amplitude of the primary transformer current Itransf of the transformer system 2, on the other hand, is smaller than the amplitude of the phase current lu of the three-phase system 6 assigned to the hybrid strand 13.
Bei der Dreieckschaltung nach Fig. 3 sind die vom Inverter 7 kommenden Phasenströme im allgemeinen nicht identisch mit den Strangströmen, wobei die Grundwellenanteile der vom Inverter 7 kommenden Phasenströme und die Grundwellenanteile der Strangströme insbesondere eine Phasenverschiebung von 30° elektrisch haben und wobei die Grundwellenamplituden der vom Inverter 7 kommenden Phasenströme um einen Faktor, der sich aus dem Wert einer Quadratwurzel von Drei ergibt, größer ist als die Grundwellenamplitude der Strangströme. In the delta circuit according to Fig. 3, the phase currents coming from the inverter 7 are generally not identical to the phase currents, the fundamental wave components of the phase currents coming from the inverter 7 and the fundamental wave components of the phase currents in particular having a phase shift of 30° electrically and the fundamental wave amplitudes of the Inverter 7 coming phase currents by a factor, which results from the value of a square root of three, is greater than the fundamental amplitude of the phase currents.
Fig.5 zeigt eine dreidimensionale Ansicht des erfindungsgemäßen Hybridstrangs 13 nach Fig.2 oder Fig.3 als Wicklung. FIG. 5 shows a three-dimensional view of the hybrid strand 13 according to the invention according to FIG. 2 or FIG. 3 as a winding.
Der jeweilige Hybrid-Teilstrang 13.1 ,13.2 weist jeweils eine Anzahl von in Reihe geschalteten, insbesondere gleichen, Spulengruppen 20 auf, wobei die Anzahl von Spulengruppen insbesondere einer Polpaarzahl des Übertragerfeldes und/oder insbesondere einer halben Polpaarzahl des Drehfeldes entspricht. Nach dem Ausführungsbeispiel in Fig.5 ist die Anzahl der Spulengruppen pro Hybrid- Teilstrang 13.1,13.2 gleich dem Wert zwei. The respective hybrid sub-strand 13.1, 13.2 has a number of series-connected, in particular identical, coil groups 20, the number of coil groups corresponding in particular to a pole pair number of the transmitter field and/or in particular half a pole pair number of the rotating field. According to the exemplary embodiment in FIG. 5, the number of coil groups per hybrid sub-strand 13.1, 13.2 is equal to two.
Die Spulengruppen 20 desselben Hybrid-Teilstrangs 13.1,13.2 sind jeweils durch einen Spulengruppenverbinder 21 elektrisch verbunden, dessen Sprungweite jeweils derart ausgebildet ist, dass zwischen zwei elektrisch verbundenen Spulengruppen 20 des jeweiligen Hybrid-Teilstrangs 13.1,13.2 jeweils eine Spulengruppe 20 des anderen Hybrid-Teilstrangs 13.1 ,13.2 liegt. Die Hybrid-Teilstränge 13.1,13.2 haben gemäß dem Ausführungsbeispiel beispielsweise jeweils eine gleiche Windungszahl. The coil groups 20 of the same hybrid sub-string 13.1, 13.2 are each electrically connected by a coil group connector 21, the jump width of which is designed in such a way that between two electrically connected coil groups 20 of the respective hybrid sub-string 13.1, 13.2 there is one coil group 20 of the other hybrid sub-string 13.1, 13.2. According to the exemplary embodiment, the hybrid sub-strands 13.1, 13.2 each have the same number of turns, for example.
Die in Fig.5 nicht dargestellten übrigen Phasenstränge 12 der Phasen V und W haben im Vergleich zu den Hybrid-Teilsträngen 13.1 ,13.2 beispielsweise jeweils eine gleiche Windungszahl und beispielsweise eine doppelte Stromtragfähigkeit. Die doppelte Stromtragfähigkeit wird erreicht, indem die Phasenstränge 12 der Phasen V und W über einen doppelten Leiterquerschnitt bezüglich der Hybrid- Teilstränge 13.1 ,13.2 verfügen oder als Parallelschaltung von zwei Teilsträngen gebildet werden, die gegenüber den Hybrid-Teilsträngen 13.1 ,13.2 über einen gleichen Leiterquerschnitt verfügen. Falls die Phasenstränge 12 der Phasen V und W als Parallelschaltung aufgebaut sind, dürfen die parallel verschalteten Teilstränge keinen durch das primäre Übertragerfeld induzierten Spannungsanteil besitzen, da sonst Kreisströme fließen können, welche dem Übertragerfeld entgegenwirken können. Dies kann erreicht werden, indem jeder der Teilstränge als Reihenschaltung von einer bestimmten Anzahl von in Umfangsrichtung benachbarter Spulengruppen 20 gebildet wird, welche Identisch mit der Hälfte der Polpaarzahl des Drehstromsystems 6 ist und beispielsweise zwei ist. Ein auf diese Weise gebildeter Teilstrang beinhaltet zu jeder Spule auch eine entsprechende komplementäre Spule, wodurch sich die durch das primäre Übertragerfeld induzierten Spannungsanteile kompensieren, so dass die Phasenstränge 12 der Phasen V und W trotz Parallelschaltung durchlässig für das Übertragerfeld sind. The remaining phase strands 12 of phases V and W, which are not shown in FIG. 5, each have the same number of turns and, for example, double the current-carrying capacity compared to the hybrid sub-phases 13.1, 13.2. The double current-carrying capacity is achieved by the phase strands 12 of the phases V and W having a double conductor cross-section with respect to the hybrid sub-strands 13.1, 13.2 or as a parallel connection of two sub-strands are formed which compared to the hybrid sub-strands 13.1, 13.2 have the same conductor cross-section feature. If the phase strands 12 of phases V and W are constructed as a parallel connection, the partial strands connected in parallel must not have any voltage component induced by the primary transformer field, since otherwise circulating currents can flow which can counteract the transformer field. This can be achieved by forming each of the partial strands as a series connection of a specific number of coil groups 20 adjacent in the circumferential direction, which is identical to half the number of pole pairs of the three-phase system 6 and is, for example, two. A partial phase formed in this way also includes a corresponding complementary coil for each coil, which compensates for the voltage components induced by the primary transformer field, so that phase strands 12 of phases V and W are permeable to the transformer field despite being connected in parallel.
Fig.6 zeigt eine weitere dreidimensionale Ansicht des erfindungsgemäßen Hybridstrangs nach Fig.2 oder Fig.3 als Wicklung. FIG. 6 shows a further three-dimensional view of the hybrid strand according to the invention according to FIG. 2 or FIG. 3 as a winding.
Fig.7A zeigt eine von mehreren Spulengruppen zur Bildung des erfindungsgemäßen Hybridstrangs nach Fig.5 und Fig.6. Fig.7B zeigt eine weitere Ansicht der Spulengruppe nach Fig.7A. FIG. 7A shows one of several coil groups for forming the hybrid strand according to the invention according to FIG. 5 and FIG. FIG. 7B shows another view of the coil group according to FIG. 7A.
Jede Spulengruppe 20 des jeweiligen Hybrid-Teilstrangs 13.1 ,13.2 weist zumindest ein Spulenpaar 22, insbesondere mehrere in Reihe geschaltete Spulenpaare 22, auf, wobei die Spulenpaar-Anzahl einer Lochzahl q des Stators 10 entspricht, die gemäß der Ausführung beispielsweise gleich zwei ist. Die Lochzahl q entspricht der Anzahl der Statornuten pro Polzahl und Phasenstrang. Each coil group 20 of the respective hybrid sub-strand 13.1, 13.2 has at least one pair of coils 22, in particular a plurality of pairs of coils 22 connected in series, the number of coil pairs corresponding to a number of holes q in the stator 10, which according to the embodiment is equal to two, for example. The number of holes q corresponds to the number of stator slots per number of poles and phase strand.
Die Spulenpaare 22 einer der Spulengruppen 20 sind jeweils durch einen Spulenpaarverbinder 23 elektrisch verbunden, dessen Spungweite beispielsweise einer Polweite (bestimmt in Anzahl der Statornuten) der Statorpole minus einer oder plus einer Statornut entspricht. Die Polweite der Statorpole ergibt sich aus der Anzahl der Statornuten des Stators geteilt durch die Anzahl der Statorpole des Stators. Insbesondere kann die Spulenweite SW der Polweite entsprechen. The coil pairs 22 of one of the coil groups 20 are each electrically connected by a coil pair connector 23 whose pitch corresponds, for example, to a pole pitch (determined in the number of stator slots) of the stator poles minus one or plus one stator slot. The pole width of the stator poles results from the number of stator slots in the stator divided by the number of stator poles in the stator. In particular, the coil width SW can correspond to the pole width.
Fig.8 zeigt eines von zwei Spulenpaaren zur Bildung der Spulengruppe nach Fig.7. FIG. 8 shows one of two pairs of coils to form the coil group according to FIG.
Jedes Spulenpaar 22 weist zwei in Reihe geschaltete Spulen 24 auf, die bezüglich des Stromverlaufs insbesondere eine entgegengesetzte Windungsrichtung haben und insbesondere hinsichtlich einer Windungszahl, einer Spulenweite SW (Abstand der in Statornuten liegenden Spulenseiten 24.1 derselben Spule 24 voneinander) und/oder einem Leiterquerschnitt gleich ausgebildet sind. Each pair of coils 22 has two series-connected coils 24 which, in particular, have an opposite winding direction with regard to the current flow and, in particular, are of the same design with regard to a number of turns, a coil width SW (distance between the coil sides 24.1 of the same coil 24 located in the stator slots) and/or a conductor cross-section are.
Die beiden Spulen 24 des jeweiligen Spulenpaars 22 sind jeweils über einen Spulenverbinder 25 elektrisch verbunden, dessen Sprungweite der Polweite der Statorpole entspricht. The two coils 24 of the respective pair of coils 22 are each electrically connected via a coil connector 25, the jump width of which corresponds to the pole width of the stator poles.
Fig.9A zeigt eine Anordnung der Leiter des erfindungsgemäßen Hybridstrangs 13 nach Fig.5 und Fig.6 in Statornuten 26 des Stators 10, dargestellt in einer linearen Abwicklung. 9A shows an arrangement of the conductors of the hybrid strand 13 according to the invention according to FIG. 5 and FIG. 6 in stator slots 26 of the stator 10, shown in a linear development.
Der Hybridstrang 13 verläuft durch Statornuten 26, die der elektrischen Phase des Hybridstrangs 13 zugeordnet sind und Hybridnuten 27 darstellen. In Fig.9A sind nur die Hybridnuten 27 des Stators 10 dargestellt. The hybrid string 13 runs through stator slots 26 which are assigned to the electrical phase of the hybrid string 13 and represent hybrid slots 27 . Only the hybrid slots 27 of the stator 10 are shown in FIG. 9A.
Die eine Hälfte der Hybridnuten 27 sind gemischte Hybridnuten 27m, die jeweils zur Hälfte elektrische Leiter aus den beiden Hybrid-Teilsträngen 13.1 ,13.2 des Hybridstrangs 13 enthalten. Die andere Hälfte der Hybridnuten 27 sind ungemischte Hybridnuten 27u, die nur elektrische Leiter aus demselben Hybrid- Teilstrang 13.1 ,13.2 des Hybridstrangs 13 aufweisen. One half of the hybrid grooves 27 are mixed hybrid grooves 27m, half of which each contain electrical conductors from the two hybrid sub-strands 13.1, 13.2 of the hybrid strand 13. The other half of the hybrid grooves 27 are unmixed hybrid grooves 27u, which only have electrical conductors from the same hybrid sub-strand 13.1, 13.2 of the hybrid strand 13.
In Fig.9A ist der erste Hybrid-Teilstrang 13.1 als U1 und der zweite Hybrid- Teilstrang 13.2 als U2 bezeichnet. Oberhalb der Hybridnuten 27 ist angegeben, welcher der Hybrid-Teilstränge 13.1 ,13.2 in der jeweiligen Hybridnut 27 liegt. Außerdem ist jeder der Statornuten 26 eine fortlaufende Nummer zugeordnet.In FIG. 9A, the first hybrid partial line 13.1 is designated U1 and the second hybrid partial line 13.2 is designated U2. Above the hybrid grooves 27 it is indicated which of the hybrid partial strands 13.1, 13.2 lies in the respective hybrid groove 27. In addition, each of the stator slots 26 is assigned a consecutive number.
Die Leiter des Hybrid-Teilstrangs 13.1 bzw. U1 sind schraffiert und die Leiter des Hybrid-Teilstrangs 13.2 bzw. U2 unschraffiert und in weiß dargestellt. Nach dem Ausführungsbeispiel weisen die Hybrid-Teilstränge 13.1,13.2 jeweils zwei Spulengruppen 20 auf, wobei der einzelne Leiter des Hybrid-Teilstrangs 13.1 ,13.2 entweder einer ersten Spulengruppe G1 der zwei Spulengruppen 20 oder der zweiten Spulengruppe G2 der zwei Spulengruppen 20 angehört. The conductors of the hybrid sub-section 13.1 or U1 are hatched and the conductors of the hybrid sub-section 13.2 or U2 are unshaded and shown in white. According to the exemplary embodiment, the hybrid partial strands 13.1, 13.2 each have two coil groups 20, with the individual conductor of the hybrid partial strand 13.1, 13.2 belonging either to a first coil group G1 of the two coil groups 20 or to the second coil group G2 of the two coil groups 20.
Die gemischten Hybridnuten 27m sind als Gruppen von benachbarten Statornuten 26 vorgesehen, wobei die Anzahl der gemischten Hybridnuten 27m pro Gruppe einer Lochzahl q entspricht, die nach der Ausführung beispielsweise gleich zwei ist. Ebenso sind die ungemischten Hybridnuten 27u als Gruppen von benachbarten Statornuten 26 vorgesehen sind, wobei die Anzahl der ungemischten Hybridnuten 27u pro Gruppe einer Lochzahl q entspricht, die nach der Ausführung beispielsweise gleich zwei ist. The mixed hybrid slots 27m are provided as groups of adjacent stator slots 26, the number of mixed hybrid slots 27m per group corresponding to a number of holes q, which according to the embodiment is equal to two, for example. Likewise, the unmixed hybrid slots 27u are provided as groups of adjacent stator slots 26, the number of unmixed hybrid slots 27u per group corresponding to a number of holes q, which, according to the embodiment, is equal to two, for example.
Die einander zugewandten Spulenseiten 24.1 der beiden Spulen 24 des jeweiligen Spulenpaares 22 eines der Spulengruppen 20 sind jeweils in derselben Hybridnut 27 angeordnet und belegen diese mit beispielsweise abwechselnder Nutlagenbelegung voll zur Bildung einer der ungemischten Hybridnuten 27u. The mutually facing coil sides 24.1 of the two coils 24 of the respective coil pair 22 of one of the coil groups 20 are each arranged in the same hybrid slot 27 and occupy them with, for example, alternating slot position occupancy to form one of the unmixed hybrid slots 27u.
Die einander abgewandten Spulenseiten 24.1 der beiden Spulen 24 des jeweiligen Spulenpaares 22 eines der Spulengruppen 20 belegen die jeweiligen Hybridnuten 27 jeweils nur zur Hälfte. Die auf diese Weise durch eine der Spulengruppen 20 nur zur Hälfte belegten Hybridnuten 27 sind jeweils durch eine Spulenseite 24.1 einer Spule 24 einer jeweils benachbarten Spulengruppe 20 voll belegt zur Bildung einer der gemischten Hybridnuten 27m. Dabei sind in Umfangsrichtung gesehen benachbarte Spulengruppen 20 des Hybridstrangs 13 unterschiedlichen Hybrid-Teilsträngen 13.1,13.2 zugeordnet. Fig.9B zeigt eine Ansicht der Leiter des erfindungsgemäßen Hybridstrangs nach Fig.9A mit den jeweiligen Vorzeichen des Drehstromanteils des Drehstromsystems 6 in den jeweiligen Leitern. The coil sides 24.1 of the two coils 24 of the respective coil pair 22 of one of the coil groups 20 facing away from one another occupy only half of the respective hybrid slots 27. The hybrid grooves 27 that are only half occupied by one of the coil groups 20 in this way are each fully occupied by a coil side 24.1 of a coil 24 of a respective adjacent coil group 20 to form one of the mixed hybrid grooves 27m. Seen in the circumferential direction, adjacent coil groups 20 of the hybrid strand 13 are assigned to different hybrid sub-strands 13.1, 13.2. FIG. 9B shows a view of the conductors of the hybrid strand according to the invention according to FIG. 9A with the respective signs of the three-phase current component of the three-phase system 6 in the respective conductors.
Fig.9C zeigt eine Ansicht der Leiter des erfindungsgemäßen Hybridstrangs nach Fig.9A mit den jeweiligen Vorzeichen des Übertragerstromanteils des Übertragersystems in den jeweiligen Leitern. FIG. 9C shows a view of the conductors of the hybrid strand according to the invention according to FIG. 9A with the respective signs of the transmitter current component of the transmitter system in the respective conductors.
Bei Leitern des ersten Hybrid-Teilstrangs 13.1 , die in einer Gruppe von ungemischten Hybridnuten 27u angeordnet sind und eine additive Übertragerstrom-Überlagerung erfahren, ist das Vorzeichen des Drehstromanteils und das Vorzeichen des Übertragerstromanteils gleich. Bei Leitern des zweiten Hybrid-Teilstrangs 13.2, die in einer Gruppe von ungemischten Hybridnuten 27u angeordnet sind und eine subtraktive Übertragerstrom-Überlagerung erfahren, ist das Vorzeichen des Drehstromanteils gegenüber dem Vorzeichen des Übertragerstromanteils unterschiedlich. In the case of conductors of the first hybrid sub-strand 13.1, which are arranged in a group of unmixed hybrid slots 27u and experience an additive transformer current superimposition, the sign of the three-phase current component and the sign of the transformer current component are the same. In the case of conductors of the second hybrid sub-strand 13.2, which are arranged in a group of unmixed hybrid slots 27u and experience a subtractive transformer current superimposition, the sign of the three-phase current component is different from the sign of the transformer current component.
In Gruppen von gemischten Hybridnuten 27m ist der Beitrag der Übertragerstromanteile Itransf zum Summenstrom nahe Null vor. In groups of mixed hybrid slots 27m, the contribution of the transformer current components Itransf to the total current is close to zero.
Fig.lOA zeigt in einem Summen-Diagramm eine durch den jeweiligen Summenstrom lSumi , Isum2 erzeugte Durchflutung je Maschinenpol beispielhaft für einen Stator mit acht Polen. Die durch die Summenströme lSumi , Isum2 in den Leitern der Hybridstränge 13.1 und 13.2 erzeugte Durchflutung nach Fig.lOA kann in zwei Anteile, nämlich einen Phasenstromanteil und einen Übertragerstromanteil, aufgesplittet werden, die in Fig.10B und Fig.lOC separat dargestellt sind. In a cumulative diagram, FIG. 10A shows a magnetic flux generated by the respective cumulative current I Sumi , Isum2 for each machine pole as an example for a stator with eight poles. The flux generated by the total currents I Sumi, Isum2 in the conductors of the hybrid strands 13.1 and 13.2 according to FIG. 10A can be split into two parts, namely a phase current part and a transformer current part, which are shown separately in FIG .
Fig.lOB zeigt in einem Diagramm eine ausschließlich durch den zum Drehstromsystem 6 gehörigen Phasenstromanteil im jeweiligen Summenstrom Isumi , Isum2 erzeugte Durchflutung je Maschinenpol. Die durch die Phasenstromanteile erzeugte Durchflutung besitzt acht Pole mit einer Amplitude, die proportional zum Phasenstromanteil des Drehstromsystems 6 ist. In a diagram, FIG. 10B shows a magnetic flux per machine pole generated exclusively by the phase current component in the respective summation current Isumi, Isum2, which belongs to the three-phase system 6. The flux generated by the phase current components has eight poles with an amplitude that is proportional to the phase current component of the three-phase system 6 .
Fig.lOC zeigt in einem Diagramm eine ausschließlich durch den zum Übertragersystem 2 gehörigen Übertragerstromanteil im jeweiligen Summenstrom lSumi, Isum2 erzeugte Durchflutung je Maschinenpol. Die durch die Übertragerstromanteile erzeugte Durchflutung besitzt vier Pole mit einer Amplitude, die proportional zum Übertragerstromanteil des Übertragersystems 2 ist. Fig.lOC shows in a diagram exclusively by the transmitter system 2 associated transmitter current component in the respective Total current l Su mi, Isum2 generated flux per machine pole. The flux generated by the transformer current components has four poles with an amplitude that is proportional to the transformer current component of the transformer system 2 .
Jede Spulengruppe 20 erstreckt sich über zwei benachbarte Maschinenpole. Each coil group 20 extends over two adjacent machine poles.
Sekundärer Teil des induktiven Übertragersystems Secondary part of the inductive transmission system
Im Folgenden wird der sekundäre Teil 5 des induktiven Übertragersystems 2 für zwei verschiedene Rotor-Ausführungen beschrieben: The secondary part 5 of the inductive transmission system 2 is described below for two different rotor designs:
Am Rotor 30 ist eine Rotor-Erregerschaltung 31 vorgesehen, die die Erregerwicklung 32 zum Erzeugen eines Rotorfelds zur Erregung der Synchronmaschine 1 und einen sekundären Teil 5 des induktiven Übertragersystems 2 zur Übertragung von elektrischer Energie in die Erregerwicklung 32 des Rotors 30 umfasst. A rotor exciter circuit 31 is provided on the rotor 30 , which includes the exciter winding 32 for generating a rotor field for exciting the synchronous machine 1 and a secondary part 5 of the inductive transmission system 2 for transmitting electrical energy into the exciter winding 32 of the rotor 30 .
Der sekundäre Teil 5 des induktiven Übertragersystems 2 umfasst zumindest eine sekundäre Übertragerwicklung 33 zum Bereitstellen einer Übertrager- Wechselspannung und zumindest eine als Gleichrichter wirkende Gleichrichterschaltung 34, beispielsweise eine Brückenschaltung, zum Gleichrichten der Übertrager-Wechselspannung in eine sekundäre Gleichspannung für die Erregerwicklung 32. Die Gleichrichterschaltung 34 umfasst jeweils beispielsweise ein oder mehrere, beispielsweise zwei, als Gleichrichter wirkende Komponenten 34.1. The secondary part 5 of the inductive transformer system 2 comprises at least one secondary transformer winding 33 for providing a transformer AC voltage and at least one rectifier circuit 34 acting as a rectifier, for example a bridge circuit, for rectifying the transformer AC voltage into a secondary DC voltage for the field winding 32. The rectifier circuit 34 each includes, for example, one or more, for example two, components 34.1 acting as rectifiers.
Die Gleichrichterschaltung 34 hat jeweils einen Wechselspannungs-Eingang 40 sowie zwei Gleichspannungs-Ausgänge 41 zum Speisen der Erregerwicklung 32 mit Gleichstrom bzw. zum Anschließen an die beiden Enden der Erregerwicklung 32. The rectifier circuit 34 has an AC voltage input 40 and two DC voltage outputs 41 for feeding the field winding 32 with direct current or for connecting to the two ends of the field winding 32.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Rotor 30 der elektrisch erregten Synchronmaschine 1 Rotorzähne 35 aufweist und dass zwischen den Rotorzähnen 35 Rotornuten 36 gebildet sind, die zur Aufnahme der Erregerwicklung 32 und zur Aufnahme der zumindest einen sekundären Übertragerwicklung 33 ausgebildet und in radialer Richtung zum Stator 10 hin beispielsweise offen ausgeführt sind. According to the invention it is provided that the rotor 30 of the electrically excited synchronous machine 1 has rotor teeth 35 and that between the rotor teeth 35 rotor grooves 36 are formed, which for receiving the field winding 32 and for receiving the at least one secondary Transformer winding 33 is formed and, for example, is open in the radial direction towards the stator 10 .
Fig.11 zeigt die Rotor-Erregerschaltung 31 gemäß der ersten Rotor-Ausführung. 11 shows the rotor excitation circuit 31 according to the first rotor embodiment.
Nach der ersten Rotor-Ausführung sind für die Rotor-Erregerschaltung 31 zwei sekundäre Übertragerwicklungen 33 vorgesehen, wobei die erste sekundäre Übertragerwicklung 33.1 in einem ersten Satz 37.1 von Rotornuten 36 und die zweite sekundäre Übertragerwicklung 33.2 in einem zweiten Satz 37.2 von Rotornuten 36 angeordnet ist. Dabei sind der erste Satz 37.1 und der zweite Satz 37.2 von Rotornuten 36 in Umfangsrichtung bezüglich der Rotorachse 29 zueinander versetzt, insbesondere um eine ungerade Anzahl von Rotornuten 36, beispielsweise um eine Rotornut 36. Dadurch wird ein Versatz von 90° elektrisch bezüglich des Übertragerfeldes erreicht. Die sekundäre Übertragerwicklung 33 mit den beiden Übertragerwicklungen 33.1 ,33.2 ist daher effektiv 2-phasig. According to the first rotor embodiment, two secondary transformer windings 33 are provided for the rotor excitation circuit 31, the first secondary transformer winding 33.1 being arranged in a first set 37.1 of rotor slots 36 and the second secondary transformer winding 33.2 being arranged in a second set 37.2 of rotor slots 36. The first set 37.1 and the second set 37.2 of rotor slots 36 are offset from one another in the circumferential direction with respect to the rotor axis 29, in particular by an odd number of rotor slots 36, for example by one rotor slot 36. This achieves an offset of 90° electrically with respect to the transformer field . The secondary transformer winding 33 with the two transformer windings 33.1, 33.2 is therefore effectively 2-phase.
Die jeweilige sekundäre Übertragerwicklung 33.1,33.2 umfasst jeweils eine Spule 38 oder mehrere elektrisch in Reihe oder parallel geschaltete Spulen 38. Each secondary transformer winding 33.1, 33.2 comprises a coil 38 or a plurality of coils 38 electrically connected in series or in parallel.
Die Erregerwicklung 32 gemäß der ersten Rotor-Ausführung umfasst mehrere Spulen 39, die in Reihe oder parallel geschaltet sein können. The field winding 32 according to the first embodiment of the rotor comprises a plurality of coils 39 which can be connected in series or in parallel.
Beispielsweise sind je sekundäre Übertragerwicklung 33.1 ,33.2 zwei Gleichrichterschaltungen 34 vorgesehen, wobei die Enden der jeweiligen sekundären Übertragerwicklung 33.1 ,33.2 des Rotors 30 an den beiden Wechselspannungs-Eingängen 40 der zwei Gleichrichterschaltungen 34 angeschlossen sind. For example, two rectifier circuits 34 are provided for each secondary transformer winding 33.1, 33.2, with the ends of the respective secondary transformer winding 33.1, 33.2 of the rotor 30 being connected to the two AC voltage inputs 40 of the two rectifier circuits 34.
Fig.12 zeigt die Verteilung der Spulen 38,39 der Rotor-Erregerschaltung 31 gemäß der ersten Rotor-Ausführung nach Fig.11 auf die Rotorzähne 35 des Rotors 30 der Synchronmaschine 1. 12 shows the distribution of the coils 38, 39 of the rotor excitation circuit 31 according to the first rotor embodiment according to FIG. 11 on the rotor teeth 35 of the rotor 30 of the synchronous machine 1.
Die Spulen 38 der jeweiligen sekundären Übertragerwicklung 33.1 ,33.2 umschließen jeweils eine bestimmte Anzahl von in Umfangsrichtung benachbarten Rotorzähnen 35, was der Spulenweite SW der Spulen 38 entspricht, wobei die Anzahl von umschlossenen Rotorzähnen 35 sich insbesondere aus einer ungeraden Zahl multipliziert mit zwei ergibt und gemäß Fig.12 beispielsweise gleich zwei ist. Da die Spulen 38 der jeweiligen sekundären Übertragerwicklung 33.1 ,33.2 jeweils eine gerade Anzahl von Rotorzähnen 35 umschließen, wird in der jeweiligen sekundären Übertragerwicklung 33.1 ,33.2 durch den Synchronfluss (welcher von Rotorzahn 35 zu Rotorzahn 35 ein abwechselndes Vorzeichen hat) keine Spannung induziert. The coils 38 of the respective secondary transformer winding 33.1, 33.2 each enclose a specific number of rotor teeth 35 adjacent in the circumferential direction, which corresponds to the coil width SW of the coils 38, the number of enclosed rotor teeth 35 increasing results in particular from an odd number multiplied by two and, according to FIG. 12, is equal to two, for example. Since the coils 38 of the respective secondary transformer winding 33.1, 33.2 each enclose an even number of rotor teeth 35, no voltage is induced in the respective secondary transformer winding 33.1, 33.2 by the synchronous flux (which has an alternating sign from rotor tooth 35 to rotor tooth 35).
Die Spulen 39 der Erregerwicklung 32 sind beispielsweise jeweils als Einzelzahnspule ausgebildet und umschließen somit jeweils nur einen der Rotorzähne 35. The coils 39 of the excitation winding 32 are each designed as a single-tooth coil, for example, and thus enclose only one of the rotor teeth 35.
Fig.13 zeigt eine weitere Systemansicht der elektrisch erregten Synchronmaschine 1 mit einer erfindungsgemäßen Statorwicklung in Sternschaltung und einer Rotor-Erregerschaltung 31 nach der ersten Rotor- Ausführung gemäß Fig.1 und Fig.11. 13 shows a further system view of the electrically excited synchronous machine 1 with a stator winding according to the invention in a star connection and a rotor exciter circuit 31 according to the first rotor embodiment according to FIG. 1 and FIG.
Fig.14 zeigt eine alternative Rotor-Erregerschaltung 31 gemäß einer zweiten Rotor-Ausführung. 14 shows an alternative rotor excitation circuit 31 according to a second rotor embodiment.
Die zweite Rotor-Ausführung unterscheidet sich gegenüber der ersten Rotor- Ausführung darin, dass sekundäre Übertragerwicklungen 33 des Rotors 30 vorgesehen sind, die im Gegensatz zur ersten Rotor-Ausführung keine separaten Wicklungen sind, sondern in einem Teil der Erregerwicklung 32 integriert oder ausgebildet sind. The second rotor design differs from the first rotor design in that secondary transformer windings 33 of the rotor 30 are provided which, in contrast to the first rotor design, are not separate windings but are integrated or formed in part of the field winding 32 .
Die Erregerwicklung 32 weist zumindest einen Erregerstrang 32.1 auf, der jeweils zwei elektrisch in Reihe geschaltete erste Spulenpaare 42 umfasst. Die ersten Spulenpaare 42 haben jeweils zwei erste Einzelzahnspulen 42.1 , die hinsichtlich einer Windungszahl und einem Leiterquerschnitt beispielsweise gleich ausgebildet sind. The exciter winding 32 has at least one exciter branch 32.1, which in each case comprises two first coil pairs 42 electrically connected in series. The first pairs of coils 42 each have two first single-tooth coils 42.1, which are, for example, identical in terms of a number of turns and a conductor cross-section.
Die sekundäre Übertragerwicklung 33 ist durch einen Hybrid-Teilstrang 44 des jeweiligen Erregerstrangs 32.1 gebildet, der jeweils zwischen den zwei ersten Spulenpaaren 42 des jeweiligen Erregerstrangs 32.1 zwischengeschaltet ist und jeweils eine sekundäre Hybrid-Spulenanordnung 45 umfasst. Die jeweilige Hybrid-Spulenanordnung 45 hat jeweils zwei Wechselspannungs-Ausgänge 46, einen Gleichstrom-Eingang 47 und einen Gleichstrom-Ausgang 48. The secondary transformer winding 33 is formed by a hybrid partial strand 44 of the respective exciter strand 32.1, which is interposed between the two first coil pairs 42 of the respective exciter strand 32.1 and each includes a secondary hybrid coil arrangement 45. the respective Hybrid coil arrangement 45 has two AC voltage outputs 46, a DC input 47 and a DC output 48.
Die jeweilige sekundäre Hybrid-Spulenanordnung 45 umfasst jeweils zwei parallel geschaltete zweite Spulenpaare 43, die jeweils zwei zweite Einzelzahnspulen 43.1 umfassen, jeweils zur Erzeugung einer Übertrager- Wechselspannung durch induktives Zusammenwirken mit einem primären Teil 3 des Übertragersystems 2. The respective secondary hybrid coil arrangement 45 comprises two parallel-connected second coil pairs 43, each comprising two second single-tooth coils 43.1, each for generating a transformer AC voltage through inductive interaction with a primary part 3 of the transformer system 2.
Die zwei zweiten Einzelzahnspulen 43.1 sind hinsichtlich einer Windungszahl und einem Leiterquerschnitt beispielsweise gleich ausgebildet. The two second single-tooth coils 43.1 are, for example, identical in terms of a number of turns and a conductor cross-section.
Die beiden ersten Einzelzahnspulen 42.1 eines, beispielsweise jedes der ersten Spulenpaare, sind komplementär zueinander ausgeführt. Ebenso sind die beiden zweiten Einzelzahnspulen 43.1 eines, beispielsweise jedes der zweiten Spulenpaare 43, komplementär zueinander ausgeführt. Zwei der Einzelzahnspulen 42,43 werden als zueinander komplementär bezeichnet, falls sie an zwei verschiedenen Rotorzähnen 35 angeordnet sind, zwischen denen eine bestimmte Anzahl von Rotornuten 36 liegt, die sich aus einer ungeraden Zahl multipliziert mit zwei ergibt und beispielsweise zwei oder sechs beträgt, was einem Phasenwinkel von 180° elektrisch bezogen auf das Übertragerfeld entspricht. Die vom primären Übertragerfeld in zueinander komplementären Einzelzahnspulen 42.1,43.1 induzierten Wechselspannungen sind nach Form und Amplitude identisch, im Vorzeichen jedoch verschieden. Eine Reihenschaltung einer der Einzelzahnspulen 42.1 ,43.1 mit einer zu ihr komplementären Einzelzahnspule 42.1 ,43.1 hat an den Enden der Reihenschaltung jeweils keine durch das primäre Übertragerfeld induzierte Wechselspannung, da sich die induzierten Wechselspannungen der beiden komplementären Einzelzahnspulen 42.1,43.1 kompensieren. Die zwischen zwei Enden eines der ersten Spulenpaare 42 messbare Spannung hat also jeweils keinen durch das primäre Übertragerfeld induzierten Spannungsanteil, so dass auch kein Wechselstrom verursacht wird, und stellt für die Erregerstromversorgung daher eine induktiv-ohmsche Last dar. Die zwischen zwei Enden eines der zweiten Spulenpaare 43 messbare Spannung hat ebenso keinen durch das primäre Übertragerfeld induzierten Spannungsanteil, so dass zwischen Gleichstrom-Eingang 47 und Gleichstrom-Ausgang 48 der jeweiligen Hybrid-Spulenanordnung 45 kein induzierter Wechselspannungsanteil vorhanden ist und die jeweilige Hybrid-Spulenanordnung 45 zwischen ihrem Gleichstrom- Eingang 47 und ihrem Gleichstrom-Ausgang 48 eine induktiv-ohmische Last darstellt. The two first single-tooth coils 42.1 of one, for example each of the first coil pairs, are designed to be complementary to one another. Likewise, the two second single-tooth coils 43.1 of one, for example each of the second coil pairs 43, are designed to be complementary to one another. Two of the single-tooth coils 42,43 are said to be mutually complementary if they are arranged on two different rotor teeth 35 between which lies a certain number of rotor slots 36, which results from an odd number multiplied by two and amounts to, for example, two or six, which corresponds to a phase angle of 180° electrically in relation to the transmitter field. The AC voltages induced by the primary transmitter field in mutually complementary single-tooth coils 42.1, 43.1 are identical in form and amplitude, but have different signs. A series circuit of one of the single-tooth coils 42.1, 43.1 with a single-tooth coil 42.1, 43.1 complementary to it has no AC voltage induced by the primary transformer field at the ends of the series circuit, since the induced AC voltages of the two complementary single-tooth coils 42.1, 43.1 compensate each other. The voltage that can be measured between two ends of one of the first coil pairs 42 therefore has no voltage component induced by the primary transformer field, so that no alternating current is caused either, and therefore represents an inductive-resistive load for the excitation current supply. The between two ends of one of the second Coil pairs 43 measurable voltage also has no induced by the primary transformer field voltage component, so that between DC input 47 and DC output 48 of the respective Hybrid coil arrangement 45 no induced AC voltage component is present and the respective hybrid coil arrangement 45 between its DC input 47 and its DC output 48 represents an inductive-resistive load.
Zwischen den zweiten Einzelzahnspulen 43.1 der jeweiligen zweiten Spulenpaare 43 der jeweiligen Hybrid-Spulenanordnung 45 ist jeweils ein Zwischenknoten 50 zur Bildung eines der Wechselspannungs-Ausgänge 46 vorgesehen. Die beiden Wechselspannungs-Ausgänge 46 der jeweiligen sekundären Hybrid-Spulenanordnung 45 sind jeweils mit dem Wechselspannungs-Eingang 40 der jeweiligen Gleichrichterschaltung 34 elektrisch verbunden. Beispielsweise sind zwei Gleichrichterschaltungen 34 je Hybrid-Spulenanordnung 45 vorgesehen. An intermediate node 50 for forming one of the AC voltage outputs 46 is provided between the second single-tooth coils 43.1 of the respective second coil pairs 43 of the respective hybrid coil arrangement 45. The two AC voltage outputs 46 of the respective secondary hybrid coil arrangement 45 are each electrically connected to the AC voltage input 40 of the respective rectifier circuit 34 . For example, two rectifier circuits 34 are provided for each hybrid coil arrangement 45.
Die Hybrid-Spulenanordnung 45 kann jeweils als Wechselspannungsquelle genutzt werden, indem deren gegenphasige Zwischenknoten 50 mit Wechselspannungs-Eingängen 40 der zwei Gleichrichterschaltungen 34 verbunden sind. The hybrid coil arrangement 45 can in each case be used as an AC voltage source in that its opposite-phase intermediate nodes 50 are connected to AC voltage inputs 40 of the two rectifier circuits 34 .
Die jeweilige Gleichrichterschaltung 34 weist jeweils die zwei Gleichspannungs- Ausgänge 41 auf zum Erzeugen oder Anlegen einer Potentialdifferenz zwischen den Enden des jeweiligen Erregerstrangs 32.1. An einem der beiden Enden des jeweiligen Erregerstrangs 32.1 ist ein positives Gleichspannungs-Potential bezüglich der Zwischenknoten 50 der jeweiligen Hybrid-Spulenanordnung 45 und an dem anderen der beiden Enden ein negatives Gleichspannungs-Potential bezüglich der Zwischenknoten 50 der jeweiligen Hybrid-Spulenanordnung 45 erzeugbar. Die Beträge der beiden entgegengesetzten Gleichspannungs- Potentiale sind insbesondere gleich groß. The respective rectifier circuit 34 has the two DC voltage outputs 41 in each case for generating or applying a potential difference between the ends of the respective exciter strand 32.1. A positive DC potential with respect to the intermediate node 50 of the respective hybrid coil arrangement 45 can be generated at one of the two ends of the respective exciter strand 32.1, and a negative DC voltage potential with respect to the intermediate node 50 of the respective hybrid coil arrangement 45 can be generated at the other of the two ends. The magnitudes of the two opposing DC voltage potentials are, in particular, the same.
Die Erregerwicklung 32 hat beispielsweise zwei Erregerstränge 32.1, die mittels von zwei Strangverbindern 51 parallel verschaltet sind und jeweils die sekundäre Hybrid-Spulenanordnung 45 aufweisen. The field winding 32 has, for example, two field strands 32.1, which are connected in parallel by means of two strand connectors 51 and each have the secondary hybrid coil arrangement 45.
Der jeweilige Erregerstrang 32.1 verfügt jeweils über eine gerade Anzahl von Einzelzahnspulen 42,43. ln Fig.14 sind die ersten Einzelzahnspulen 42.1 mit dem Buchstaben E für „Erregerwicklung“ und einer Zahn-Nummer bezeichnet, wobei die Zahn-Nummer denjenigen Rotorzahn 35 angibt, an dem die jeweilige erste Einzelzahnspule 42.1 vorgesehen ist. Die zweiten Einzelzahnspulen 43.1 sind mit dem Buchstaben H für „Hybridstrang“ und der jeweiligen Zahn-Nummer bezeichnet, wobei die Zahn- Nummer denjenigen Rotorzahn 35 angibt, an dem die jeweilige zweite Einzelzahnspule 43.1 vorgesehen ist. Die Rotorzähne 35 des Rotors 30 sind in Umfangsrichtung bezüglich der Rotorachse 29 fortlaufend nummeriert. The respective exciter strand 32.1 has an even number of single-tooth coils 42,43. 14 shows the first single-tooth coils 42.1 with the letter E for "excitation winding" and a tooth number, the tooth number indicating that rotor tooth 35 on which the respective first single-tooth coil 42.1 is provided. The second single-tooth coils 43.1 are denoted by the letter H for "hybrid strand" and the respective tooth number, with the tooth number indicating that rotor tooth 35 on which the respective second single-tooth coil 43.1 is provided. The rotor teeth 35 of the rotor 30 are numbered consecutively in the circumferential direction with respect to the rotor axis 29 .
Weiterhin ist in Fig.14 und Fig.16 für alle Einzelzahnspulen 42.1 ,43.1 das jeweilige Spulenende mit einem Punkt und der jeweilige Spulenanfang ohne Punkt gekennzeichnet. Das Spulenende der jeweiligen Spule 42.1,43.1 kann beispielsweise der letzte oder der erste Leiter sein, der in die jeweilige Rotornut 36 eingelegt wird. Furthermore, in FIG. 14 and FIG. 16, the respective end of the coil for all single-tooth coils 42.1, 43.1 is marked with a dot and the respective beginning of the coil is marked without a dot. The coil end of the respective coil 42.1, 43.1 can be, for example, the last or the first conductor that is inserted into the respective rotor slot 36.
Die Leiter der in Fig. 14 symbolisch dargestellten Spulen 42.1,43.1 verlaufen alle gleichsinnig um die Rotorzähne 35, also vom jeweiligen Spulenende mit Blick von radial außen auf den jeweiligen Rotorzahn 35 bei allen Spulen 42.1 ,43.1 im Uhrzeigersinn oder bei allen Spulen 42.1 ,43.1 gegen den Uhrzeigersinn. Da der Rotor zur Erregung aber ein magnetisches Feld mit von Rotorzahn 35 zu Rotorzahn 35 abwechselnder Magnetisierungsrichtung (abwechselnd Nord-Süd) erzeugen muss, sind in Fig.14 die Spulen 42.1,43.1 der Rotorzähne 35 mit ungerader Nummer gegenüber den Spulen 42.1,43.1 der Rotorzähne 35 mit gerader Nummer verpolt angeschlossen, so dass der Erregerstrom dem Spulenleiter derjeweiligen Spule folgend mit von Rotorzahn 35 zu Rotorzahn 35 abwechselnder Drehrichtung um die Rotorzähne 35 verläuft. Das magnetische Feld mit von Rotorzahn 35 zu Rotorzahn 35 abwechselnderThe conductors of the coils 42.1, 43.1 shown symbolically in FIG. 14 all run in the same direction around the rotor teeth 35, i.e. from the respective coil end clockwise when viewed from the radial outside of the respective rotor tooth 35 for all coils 42.1, 43.1 or for all coils 42.1, 43.1 counterclockwise. However, since the rotor for excitation has to generate a magnetic field with the magnetization direction alternating from rotor tooth 35 to rotor tooth 35 (alternating north-south), the coils 42.1,43.1 of the rotor teeth 35 with an odd number are in Fig.14 opposite the coils 42.1,43.1 of the Rotor teeth 35 with an even number are connected with reverse polarity, so that the excitation current runs around the rotor teeth 35 following the coil conductor of the respective coil with an alternating direction of rotation from rotor tooth 35 to rotor tooth 35 . The magnetic field with from rotor tooth 35 to rotor tooth 35 alternating
Magnetisierungsrichtung kann ebenso durch Spulen 42.1 ,43.1 mit von Rotorzahn 35 zu Rotorzahn 35 abwechselndem Wickelsinn erzeugt werden, wobei die Spulen 42.1,43.1 dann bezüglich Spulenende nicht verpolt werden müssen. The direction of magnetization can also be generated by coils 42.1, 43.1 with the winding direction alternating from rotor tooth 35 to rotor tooth 35, with the coils 42.1, 43.1 then not having to be polarized with respect to the coil end.
Die beiden Einzelzahnspulen 42.1,43.1 zumindest eines, insbesondere jedes, der ersten und/oder zweiten Spulenpaare 42,43 sind jeweils auf zwei unterschiedliche der Rotorzähne 35 derart verteilt, dass zwischen den Rotorzähnen 35 eine bestimmte Anzahl von Rotornuten 36 liegt, die sich aus einer Multiplikation einer ungeraden Zahl mit zwei ergibt (also 2, 6, 10 usw.) und beispielsweise zwei oder sechs beträgt. Die zwei zweiten Spulenpaare 43 der jeweiligen Hybrid-Spulenanordnung 45 sind zur Parallelschaltung jeweils durch zwei Spulenpaarverbinder 52 elektrisch verbunden. Die demselben Spulenpaarverbinder 52 zugewandten zweiten Einzelzahnspulen 43.1 aus unterschiedlichen zweiten Spulenpaaren 43 der jeweiligen Hybrid-Spulenanordnung 45 sind beispielsweise ebenso komplementär zueinander und daher auf zwei unterschiedliche Rotorzähne 35 derart verteilt, dass zwischen diesen unterschiedlichen Rotorzähnen 35 eine bestimmte Anzahl von Rotornuten 36 liegt, die sich aus einer Multiplikation einer ungeraden Zahl mit zwei ergibt (also 2, 6, 10 usw.) und beispielsweise zwei oder sechs beträgt. The two single-tooth coils 42.1,43.1, at least one, in particular each, of the first and/or second coil pairs 42,43 are each distributed over two different rotor teeth 35 in such a way that there is a certain number of rotor slots 36 between the rotor teeth 35, which consist of a Multiplying an odd number by two gives (i.e. 2, 6, 10, etc.) and is, for example, two or six. The two second coil pairs 43 of the respective hybrid coil arrangement 45 are each electrically connected by two coil pair connectors 52 for parallel connection. The second single-tooth coils 43.1 facing the same coil pair connector 52 from different second coil pairs 43 of the respective hybrid coil arrangement 45 are, for example, also complementary to one another and are therefore distributed over two different rotor teeth 35 in such a way that there is a specific number of rotor slots 36 between these different rotor teeth 35, which results from multiplying an odd number by two (i.e. 2, 6, 10, etc.) and is, for example, two or six.
Einer der beiden Spulenpaarverbinder 52 der Hybrid-Spulenanordnung 45 bildet den Gleichstrom-Eingang 47 und der andere der beiden Spulenpaarverbinder 52 den Gleichstrom-Ausgang 48 der Hybrid-Spulenanordnung 45. Durch die Spulenpaarverbinder 52 werden jeweils zwei zweite Einzelzahnspulen 43.1 , die komplementär zueinander sind, und eine erste Einzelzahnspule 42.1 elektrisch verbunden. One of the two coil pair connectors 52 of the hybrid coil arrangement 45 forms the direct current input 47 and the other of the two coil pair connectors 52 forms the direct current output 48 of the hybrid coil arrangement 45. The coil pair connectors 52 each form two second single-tooth coils 43.1, which are complementary to one another. and a first single tooth coil 42.1 electrically connected.
Beispielsweise sind die in einem der Erregerstränge 32.1 liegenden ersten Einzelzahnspulen 42.1 der ersten Spulenpaare 42 auf geradzahligen Rotorzähnen 35 und die zweiten Einzelzahnspulen 43.1 der zweiten Spulenpaare 43 desselben Erregerstrangs 32.1 auf ungeradzahligen Rotorzähnen 35 angeordnet, oder umgekehrt. For example, the first single-tooth coils 42.1 of the first coil pairs 42 located in one of the excitation branches 32.1 are arranged on even-numbered rotor teeth 35 and the second single-tooth coils 43.1 of the second coil pairs 43 of the same exciter branch 32.1 are arranged on odd-numbered rotor teeth 35, or vice versa.
Fig.15 zeigt die Verteilung der Spulen 42.1 ,43.1 der Rotor-Erregerschaltung 31 gemäß der zweiten Rotor-Ausführung nach Fig.14 auf die Rotorzähne 35 des Rotors 30 der Synchronmaschine 1 gemäß Fig.1 und Fig.14 mit einer Anordnung der Einzelzahnspulen 42.1 ,43.1 bezüglich der Rotorachse 29 radial übereinander. 15 shows the distribution of the coils 42.1, 43.1 of the rotor exciter circuit 31 according to the second rotor embodiment according to FIG. 14 on the rotor teeth 35 of the rotor 30 of the synchronous machine 1 according to FIG. 1 and FIG , 43.1 with respect to the rotor axis 29 radially one above the other.
An jedem der Rotorzähne 35 des Rotors 30 ist jeweils zumindest eine erste Einzelzahnspule 42.1 und zumindest eine zweite Einzelzahnspule 43.1 vorgesehen. Dabei ist eine Windungszahl der zweiten Einzelzahnspulen 43.1 beispielsweise kleiner als eine Windungszahl der ersten Einzelzahnspulen 42.1 , beispielsweise derart, dass eine erforderliche Übertrager-Wechselspannung erzeugbar ist. At least one first single-tooth coil 42.1 and at least one second single-tooth coil 43.1 are provided on each of the rotor teeth 35 of the rotor 30. In this case, a number of turns of the second single-tooth coils 43.1 is, for example, smaller than a number of turns of the first single-tooth coils 42.1, for example in such a way that a required transformer AC voltage can be generated.
Die mit dem Buchstaben H gekennzeichneten Einzelzahnspulen 43.1 des Hybridstranges befinden sich radial innen und die mit Buchstaben E gekennzeichneten Einzelzahnspulen 42.1 der Erregerwicklung befinden sich radial außen. Auch eine umgekehrte Anordnung mit den Einzelzahnspulen 43.1 des Hybridstranges radial außen und den Einzelzahnspulen 42.1 der Erregerwicklung radial innen ist möglich. Die Einzelzahnspulen 42.1 ,43.1 können alternativ auch mehrlagig bezüglich einer Achse des jeweiligen Rotorzahns übereinander angeordnet werden. The single-tooth coils 43.1 of the hybrid strand, marked with the letter H, are located radially on the inside and the single-tooth coils 42.1 of the field winding, marked with the letter E, are located radially on the outside. An inverted arrangement with the single-tooth coils 43.1 of the hybrid strand radially on the outside and the single-tooth coils 42.1 of the field winding radially on the inside is also possible. Alternatively, the individual tooth coils 42.1, 43.1 can also be arranged in multiple layers one above the other with respect to an axis of the respective rotor tooth.
Fig.16 zeigt eine weitere Systemansicht der elektrisch erregten Synchronmaschine 1 mit einer erfindungsgemäßen Statorwicklung 11 in Sternschaltung und einer Rotor-Erregerschaltung 31 nach der zweiten Rotor- Ausführung gemäß Fig.1 und Fig.14. 16 shows a further system view of the electrically excited synchronous machine 1 with a stator winding 11 according to the invention in a star connection and a rotor exciter circuit 31 according to the second rotor embodiment according to FIG. 1 and FIG.

Claims

- 33 - Ansprüche - 33 - Claims
1. Stator (10) einer elektrisch erregten Synchronmaschine (1), mit einer mehrphasigen Statorwicklung (11) umfassend mehrere Phasenstränge (12) und mit einem primären Teil (3) eines induktiven Übertragersystems (2) zur Übertragung von elektrischer Energie in eine Erregerwicklung (32) eines Rotors (30) der Synchronmaschine (1), wobei der primäre Teil (3) des induktiven Übertragersystems (2) eine primäre Übertragerwicklung (4) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die primäre Übertragerwicklung (4) durch einen Hybridstrang (13) der Statorwicklung (11) gebildet ist, der sowohl der Erzeugung eines Drehfelds eines Drehstromsystems (6) für den Antrieb des Rotors (30) als auch der Erzeugung eines Übertragerfeldes des Übertragersystems (2) dient. 1. Stator (10) of an electrically excited synchronous machine (1), with a multi-phase stator winding (11) comprising a plurality of phase strands (12) and with a primary part (3) of an inductive transmission system (2) for the transmission of electrical energy in an excitation winding ( 32) of a rotor (30) of the synchronous machine (1), the primary part (3) of the inductive transmission system (2) having a primary transmission winding (4), characterized in that the primary transmission winding (4) is formed by a hybrid strand (13) the stator winding (11) is formed, which serves both to generate a rotary field of a three-phase system (6) for driving the rotor (30) and to generate a transformer field of the transformer system (2).
2. Stator nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Hybridstrang (13) der Statorwicklung (11) zumindest einer der Phasenstränge (12) ist, die in einer Sternschaltung oder Dreiecksschaltung verschaltet sind, wobei in den Hybridstrang (13) sowohl ein Phasenstrom des Drehstromsystems (6) als auch ein primärer Übertragerstrom des Übertragersystems (2) einspeisbar ist, wobei der primäre Übertragerstrom und der Phasenstrom im Falle der Sternschaltung als Summenstrom und im Falle der Dreieckschaltung jeweils separat einspeisbar sind. 2. Stator according to Claim 1, characterized in that the hybrid strand (13) of the stator winding (11) is at least one of the phase strands (12) which are connected in a star connection or delta connection, with both a phase current of the Three-phase system (6) and a primary transformer current of the transformer system (2) can be fed, the primary transformer current and the phase current being fed separately in the case of the star connection as a total current and in the case of the delta connection.
3. Stator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass 3. Stator according to claim 2, characterized in that
■ im Falle der Sternschaltung der Hybridstrang (13) zwei parallele Hybrid- Teilstränge (13.1,13.2) mit jeweils separatem Phasenanschluss (14.1,14.2) aufweist, wobei in den einen Hybrid-Teilstrang (13.1) ein erster Summenstrom (Isumi) und in den anderen Hybrid-Teilstrang (13.2) ein zweiter Summenstrom (Isum2) einspeisbar ist, ■ in the case of the star connection of the hybrid strand (13) has two parallel hybrid sub-strands (13.1,13.2), each with a separate phase connection (14.1,14.2), with one hybrid sub-strand (13.1) having a first total current (Isumi) and the a second total current (Isum2) can be fed into another hybrid sub-string (13.2),
- im Falle der Dreieckschaltung der Hybridstrang (13) zwei in Reihe geschaltete Hybrid-Teilstränge (13.1,13.2) aufweist, wobei die Phasenspannungen des Drehstromsystems (6) an Dreieckspunkten (16) der Dreieckschaltung anlegbar sind, wobei der primäre Übertragerstrom (Itranst) an einem Zusatzknoten (17) zwischen den zwei Hybrid-Teilsträngen (13.1,13.2) einspeisbar ist. - 34 - - In the case of a delta connection, the hybrid strand (13) has two hybrid sub-strands (13.1, 13.2) connected in series, with the phase voltages of the three-phase system (6) being able to be applied to delta points (16) of the delta connection, with the primary transformer current (Itranst) being applied an additional node (17) between the two hybrid strands (13.1, 13.2) can be fed. - 34 -
4. Stator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass 4. Stator according to claim 3, characterized in that
- der jeweilige Hybrid-T eilstrang (13.1,13.2) jeweils eine Anzahl von in Reihe geschalteten, insbesondere gleichen, Spulengruppen (20) aufweist, wobei die Anzahl von Spulengruppen (20) insbesondere einer Polpaarzahl des Übertragerfeldes und/oder insbesondere einer halben Polpaarzahl des Drehfeldes entspricht, und/oder - the respective hybrid partial strand (13.1, 13.2) has a number of series-connected, in particular identical, coil groups (20), the number of coil groups (20) in particular corresponding to a number of pole pairs of the transmitter field and/or in particular half a number of pole pairs of the Rotating field corresponds, and / or
- die Spulengruppen (20) desselben Hybrid-Teilstrangs (13.1,13.2) jeweils durch einen Spulengruppenverbinder (21) elektrisch verbunden sind, dessen Sprungweite insbesondere jeweils derart ausgebildet ist, dass zwischen zwei elektrisch verbundenen Spulengruppen (20) des jeweiligen Hybrid-Teilstrangs- the coil groups (20) of the same hybrid sub-string (13.1, 13.2) are each electrically connected by a coil group connector (21), the jump width of which is in particular designed in such a way that between two electrically connected coil groups (20) of the respective hybrid sub-string
(13.1 ,13.2) jeweils eine Spulengruppe (20) des anderen Hybrid-Teilstrangs(13.1, 13.2) each have a coil group (20) of the other hybrid sub-strand
(13.1 ,13.2) liegt, und/oder (13.1, 13.2) and/or
- jede Spulengruppe (20) zumindest ein Spulenpaar (22), insbesondere mehrere in Reihe geschaltete Spulenpaare (22), aufweist, wobei die Spulenpaar-Anzahl einer Lochzahl q des Stators (10) entspricht, die insbesondere gleich zwei ist, wobei die Spulenpaare (22) einer der Spulengruppen (20) jeweils durch einen Spulenpaarverbinder (23) elektrisch verbunden sind, dessen Spungweite insbesondere einer Polweite der Statorpole minus einer oder plus einer Statornut entspricht, und/oder - Each coil group (20) has at least one pair of coils (22), in particular a plurality of pairs of coils (22) connected in series, the number of coil pairs corresponding to a number of holes q in the stator (10), which is in particular equal to two, the pairs of coils ( 22) one of the coil groups (20) are each electrically connected by a coil pair connector (23), the pitch of which corresponds in particular to a pole pitch of the stator poles minus one or plus one stator slot, and/or
- jedes Spulenpaar (22) zwei in Reihe geschaltete Spulen (24) aufweist, die bezüglich des Stromverlaufs insbesondere eine entgegengesetzte Windungsrichtung haben und insbesondere hinsichtlich einer Windungszahl, einer Spulenweite (SW) und/oder einem Leiterquerschnitt gleich ausgebildet sind, wobei die beiden Spulen (24) des jeweiligen Spulenpaars (22) jeweils über einen Spulenverbinder (25) elektrisch verbunden sind, dessen Sprungweite insbesondere der Polweite der Statorpole entspricht. - Each pair of coils (22) has two series-connected coils (24) which, with regard to the current path, have in particular opposite winding directions and, in particular, are of the same design with regard to the number of turns, a coil width (SW) and/or a conductor cross-section, the two coils ( 24) of the respective pair of coils (22) are each electrically connected via a coil connector (25), the jump width of which corresponds in particular to the pole width of the stator poles.
5. Stator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass 5. Stator according to one of the preceding claims, characterized in that
- der Hybridstrang (13) durch Statornuten (26) verläuft, die der elektrischen Phase des Hybridstrangs (13) zugeordnet sind und Hybridnuten (27) darstellen,- the hybrid strand (13) runs through stator slots (26) which are assigned to the electrical phase of the hybrid strand (13) and represent hybrid slots (27),
- die eine Hälfte der Hybridnuten (27) gemischte Hybridnuten (27m) sind, die jeweils zur Hälfte elektrische Leiter aus den beiden Hybrid-Teilsträngen- Half of the hybrid grooves (27) are mixed hybrid grooves (27m), half of which are electrical conductors from the two hybrid sub-strands
(13.1 ,13.2) des Hybridstrangs (13) enthalten, - die andere Hälfte der Hybridnuten (27) ungemischte Hybridnuten (27u) sind, die nur elektrische Leiter aus demselben Hybrid-Teilstrang (13.1 ,13.2) des Hybridstrangs (13) aufweisen, (13.1, 13.2) of the hybrid strand (13) contain, - The other half of the hybrid grooves (27) are unmixed hybrid grooves (27u), which only have electrical conductors from the same hybrid partial strand (13.1, 13.2) of the hybrid strand (13),
- die gemischten Hybridnuten (27m) als Gruppen von benachbarten Statornuten (26) vorgesehen sind, wobei die Anzahl der gemischten Hybridnuten (27m) pro Gruppe einer Lochzahl q entspricht, die insbesondere gleich zwei ist, - the mixed hybrid slots (27m) are provided as groups of adjacent stator slots (26), the number of mixed hybrid slots (27m) per group corresponding to a number of holes q, which in particular is equal to two,
- die ungemischten Hybridnuten (27u) als Gruppen von benachbarten Statornuten (26) vorgesehen sind, wobei die Anzahl der ungemischten Hybridnuten (27u) pro Gruppe einer Lochzahl q entspricht, die insbesondere gleich zwei ist. - the unmixed hybrid slots (27u) are provided as groups of adjacent stator slots (26), the number of unmixed hybrid slots (27u) per group corresponding to a number of holes q, which in particular is equal to two.
6. Stator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass 6. Stator according to claim 5, characterized in that
- die einander zugewandten Spulenseiten (24.1) der beiden Spulen (24) des jeweiligen Spulenpaares (22) eines der Spulengruppen (20) in derselben Hybridnut (27) angeordnet sind und diese mit insbesondere abwechselnder Nutlagenbelegung voll belegen zur Bildung einer der ungemischten Hybridnuten (27u), und/oder - the mutually facing coil sides (24.1) of the two coils (24) of the respective coil pair (22) of one of the coil groups (20) are arranged in the same hybrid slot (27) and occupy this fully with, in particular, alternating slot position occupancy to form one of the unmixed hybrid slots (27u ), and or
- die einander abgewandten Spulenseiten (24.1) der beiden Spulen (24) des jeweiligen Spulenpaares (22) eines der Spulengruppen (20) die jeweiligen Hybridnuten (27) nur zur Hälfte belegen, und/oder - the opposite coil sides (24.1) of the two coils (24) of the respective coil pair (22) of one of the coil groups (20) occupy only half of the respective hybrid grooves (27), and/or
- die durch eine der Spulengruppen (20) zur Hälfte belegten Hybridnuten (27) jeweils durch eine Spulenseite (24.1) einer Spule (24) einer jeweils benachbarten Spulengruppe (20) voll belegt sind zur Bildung einer der gemischten Hybridnuten (27m), und/oder - the hybrid grooves (27) half occupied by one of the coil groups (20) are each fully occupied by a coil side (24.1) of a coil (24) of a respective adjacent coil group (20) to form one of the mixed hybrid grooves (27m), and/ or
- benachbarte Spulengruppen (20) unterschiedlichen Hybrid-Teilsträngen (13.1 ,13.2) zugeordnet sind. - Adjacent coil groups (20) are assigned to different hybrid sub-strands (13.1, 13.2).
7. Rotor (30) einer elektrisch erregten Synchronmaschine (1), mit einer Erregerwicklung (32) zum Erzeugen eines Rotorfelds zur Erregung der Synchronmaschine (1) und mit einem sekundären Teil (5) eines induktiven Übertragersystems (2) zur Übertragung von elektrischer Energie in die Erregerwicklung (32) des Rotors (30), wobei der sekundäre Teil (5) des induktiven Übertragersystems (2) zumindest eine sekundäre Übertragerwicklung (33) zum Bereitstellen einer Übertrager-Wechselspannung und zumindest eine als Gleichrichter wirkende Gleichrichterschaltung (34), insbesondere Brückenschaltung, zum Gleichrichten der Übertrager-Wechselspannung in eine sekundäre Gleichspannung für die Erregerwicklung (32) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (30) Rotorzähne (35) aufweist und dass zwischen den Rotorzähnen (35) Rotornuten (36) gebildet sind, die zur Aufnahme der Erregerwicklung und zur Aufnahme der zumindest einen sekundären Übertragerwicklung (33) ausgebildet sind. 7. Rotor (30) of an electrically excited synchronous machine (1), with an excitation winding (32) for generating a rotor field for exciting the synchronous machine (1) and with a secondary part (5) of an inductive transmission system (2) for transmitting electrical energy into the excitation winding (32) of the rotor (30), the secondary part (5) of the inductive transmitter system (2) having at least one secondary transmitter winding (33) for providing a transmitter AC voltage and at least one rectifier circuit (34) acting as a rectifier, in particular Bridge circuit for rectifying the transformer AC voltage into a secondary DC voltage for the field winding (32), characterized in that the rotor (30) has rotor teeth (35) and in that between the rotor teeth (35) rotor slots (36) are formed, which are designed to accommodate the field winding and to accommodate the at least one secondary transformer winding (33).
8. Rotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwei sekundäre Übertragerwicklungen (33) vorgesehen sind, wobei die erste sekundäre Übertragerwicklung (33.1) in einem ersten Satz (37.1) von Rotornuten (36) und die zweite sekundäre Übertragerwicklung (33.2) in einem zweiten Satz (37.2) von Rotornuten (36) angeordnet ist, wobei der erste Satz (37.1) und der zweite Satz (37.2) von Rotornuten (36) in Umfangsrichtung bezüglich einer Rotorachse (29) versetzt sind, wobei die jeweilige sekundäre Übertragerwicklung (33) jeweils eine oder mehrere Spulen (38) umfasst, die jeweils eine bestimmte Anzahl von Rotorzähnen (35) umschließen, wobei die Anzahl von umschlossenen Rotorzähnen (35) sich insbesondere aus einer ungeraden Zahl multipliziert mit zwei ergibt und insbesondere zwei oder sechs beträgt. 8. Rotor according to claim 7, characterized in that two secondary transformer windings (33) are provided, the first secondary transformer winding (33.1) in a first set (37.1) of rotor slots (36) and the second secondary transformer winding (33.2) in one second set (37.2) of rotor slots (36), the first set (37.1) and the second set (37.2) of rotor slots (36) being offset in the circumferential direction with respect to a rotor axis (29), the respective secondary transformer winding (33 ) each comprises one or more coils (38), each enclosing a specific number of rotor teeth (35), the number of enclosed rotor teeth (35) resulting in particular from an odd number multiplied by two and in particular being two or six.
9. Rotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Erregerwicklung (32) zumindest einen Erregerstrang (32.1) aufweist, der jeweils zwei in Reihe geschaltete erste Spulenpaare (42) umfasst, wobei die sekundäre Übertragerwicklung (33) durch einen Hybrid-Teilstrang (44) des jeweiligen Erregerstrangs (32.1) gebildet ist, der jeweils zwischen den zwei ersten Spulenpaaren (42) des jeweiligen Erregerstrangs (32.1) zwischengeschaltet ist und jeweils eine sekundäre Hybrid-Spulenanordnung (45) umfasst, die jeweils zwei Wechselspannungs-Ausgänge (46), einen Gleichstrom-Eingang (47) und einen Gleichstrom-Ausgang (48) aufweist. 9. Rotor according to claim 7, characterized in that the exciter winding (32) has at least one exciter phase (32.1), which in each case comprises two series-connected first pairs of coils (42), the secondary transformer winding (33) being replaced by a hybrid partial phase ( 44) of the respective exciter strand (32.1), which is interposed between the two first coil pairs (42) of the respective exciter strand (32.1) and each includes a secondary hybrid coil arrangement (45), each of which has two AC voltage outputs (46) Having a direct current input (47) and a direct current output (48).
10. Rotor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass 10. Rotor according to claim 9, characterized in that
- die jeweilige sekundäre Hybrid-Spulenanordnung (45) jeweils zwei parallel geschaltete zweite Spulenpaare (43) aufweist, die jeweils zwei zweite Einzelzahnspulen (43.1) umfassen, jeweils zur Erzeugung einer Übertrager- Wechselspannung durch induktives Zusammenwirken mit einem primären Teil (3) des Übertragersystems (2), wobei die zwei zweiten Einzelzahnspulen (43.1) - 37 - hinsichtlich einer Windungszahl und einem Leiterquerschnitt insbesondere gleich ausgebildet sind, und/oder - the respective secondary hybrid coil arrangement (45) has two second coil pairs (43) connected in parallel, each of which comprises two second single-tooth coils (43.1), each for generating a transformer AC voltage through inductive interaction with a primary part (3) of the transformer system (2), whereby the two second single-tooth coils (43.1) - 37 - are in particular identical in terms of a number of turns and a conductor cross-section, and/or
- zwischen den zweiten Einzelzahnspulen (43.1) der jeweiligen zweiten Spulenpaare (43) jeweils ein Zwischenknoten (50) zur Bildung eines der Wechselspannungs-Ausgänge (46) vorgesehen ist, und/oder - an intermediate node (50) is provided between the second single-tooth coils (43.1) of the respective second coil pairs (43) to form one of the AC voltage outputs (46), and/or
- die Wechselspannungs-Ausgänge (46) der jeweiligen sekundären Hybrid- Spulenanordnung (45) jeweils mit einem Wechselspannungs-Eingang (40) der Gleichrichterschaltung (34) elektrisch verbunden ist, wobei insbesondere zwei Gleichrichterschaltungen (34) je Hybrid-Spulenanordnung (45) vorgesehen sind, und/oder - the AC voltage outputs (46) of the respective secondary hybrid coil arrangement (45) are each electrically connected to an AC voltage input (40) of the rectifier circuit (34), with in particular two rectifier circuits (34) being provided for each hybrid coil arrangement (45). are, and/or
- die jeweilige Gleichrichterschaltung (34) jeweils zwei Gleichspannungs- Ausgänge (41) zum Erzeugen einer Potentialdifferenz zwischen den Enden des jeweiligen Erregerstrangs (32.1) aufweist, wobei an einem der beiden Enden des jeweiligen Erregerstrangs (32.1) ein positives Gleichspannungs-Potential bezüglich der Zwischenknoten (50) der jeweiligen Hybrid-Spulenanordnung (45) und an dem anderen der beiden Enden ein negatives Gleichspannungs-Potential bezüglich der Zwischenknoten (50) der jeweiligen Hybrid-Spulenanordnung (45) erzeugbar ist, wobei die Beträge der beiden entgegengesetzten Gleichspannungs-Potentiale insbesondere gleich groß sind. - the respective rectifier circuit (34) has two DC voltage outputs (41) for generating a potential difference between the ends of the respective excitation branch (32.1), with a positive DC voltage potential with respect to the intermediate node at one of the two ends of the respective excitation branch (32.1). (50) of the respective hybrid coil arrangement (45) and at the other of the two ends a negative DC voltage potential with respect to the intermediate nodes (50) of the respective hybrid coil arrangement (45) can be generated, with the magnitudes of the two opposite DC voltage potentials in particular are the same size.
11 . Rotor nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Erregerwicklung (32) zwei Erregerstränge (32.1) aufweist, die mittels von Strangverbindern (51) parallel verschaltet sind und jeweils die sekundäre Hybrid-Spulenanordnung (45) aufweisen. 11 . Rotor according to one of Claims 9 or 10, characterized in that the field winding (32) has two field strands (32.1) which are connected in parallel by means of strand connectors (51) and each have the secondary hybrid coil arrangement (45).
12. Rotor nach einem der Ansprüche 9 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Spulenpaare (42) jeweils zwei erste Einzelzahnspulen (42.1) aufweisen, die ersten Einzelzahnspulen (42.1) der ersten Spulenpaare (42) hinsichtlich einer Windungszahl und einem Leiterquerschnitt insbesondere gleich ausgebildet sind. 12. Rotor according to one of Claims 9 to 11, characterized in that the first coil pairs (42) each have two first single-tooth coils (42.1), the first single-tooth coils (42.1) of the first coil pairs (42) having the same number of turns and a conductor cross-section in particular are trained.
13. Rotor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass an jedem der Rotorzähne (35) jeweils zumindest eine erste Einzelzahnspule (42.1) und zumindest eine zweite Einzelzahnspule (43.1) vorgesehen ist, wobei eine - 38 - 13. Rotor according to claim 12, characterized in that at least one first single-tooth coil (42.1) and at least one second single-tooth coil (43.1) is provided on each of the rotor teeth (35), wherein a - 38 -
Windungszahl der zweiten Einzelzahnspulen (43.1) insbesondere kleiner ist als eine Windungszahl der ersten Einzelzahnspulen (42.1), insbesondere derart, dass eine erforderliche Übertrager-Wechselspannung erzeugbar ist. The number of turns of the second single-tooth coils (43.1) is in particular smaller than the number of turns of the first single-tooth coils (42.1), in particular such that a required transformer AC voltage can be generated.
14. Rotor nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass 14. Rotor according to one of claims 9 to 13, characterized in that
- die beiden Einzelzahnspulen (42.1 ,43.1) zumindest eines, insbesondere jedes, der ersten und/oder zweiten Spulenpaare (42,43) jeweils auf zwei unterschiedliche der Rotorzähne (35) verteilt sind, zwischen denen eine bestimmte Anzahl von Rotornuten (36) liegt, die sich insbesondere aus einer ungeraden Zahl multipliziert mit zwei ergibt und insbesondere zwei oder sechs beträgt, und/oder - the two single-tooth coils (42.1, 43.1) of at least one, in particular each, of the first and/or second coil pairs (42,43) are each distributed over two different rotor teeth (35), between which there is a certain number of rotor slots (36). , which results in particular from an odd number multiplied by two and is in particular two or six, and/or
- die zwei zweiten Spulenpaare (43) der jeweiligen Hybrid-Spulenanordnung (45) zur Parallelschaltung jeweils durch zwei Spulenpaarverbinder (52) elektrisch verbunden sind, wobei die demselben Spulenpaarverbinder (52) zugewandten zweiten Einzelzahnspulen (43.1) aus unterschiedlichen zweiten Spulenpaaren (43) der jeweiligen Hybrid-Spulenanordnung (45) auf zwei unterschiedliche Rotorzähne (35) verteilt sind, zwischen denen eine bestimmte Anzahl von Rotornuten (36) liegt, die sich insbesondere aus einer ungeraden Zahl multipliziert mit zwei ergibt und insbesondere zwei oder sechs beträgt. - the two second coil pairs (43) of the respective hybrid coil arrangement (45) are electrically connected by two coil pair connectors (52) for parallel connection, the second single-tooth coils (43.1) facing the same coil pair connector (52) consisting of different second coil pairs (43) of the respective hybrid coil arrangement (45) are distributed over two different rotor teeth (35), between which there is a specific number of rotor slots (36), which results in particular from an odd number multiplied by two and is in particular two or six.
15. Elektrisch erregte Synchronmaschine (1) mit einem Stator (10) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6 und mit einem Rotor (30) nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 14. 15. Electrically excited synchronous machine (1) with a stator (10) according to one or more of claims 1 to 6 and with a rotor (30) according to one or more of claims 7 to 14.
16. Synchronmaschine (1) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Polzahl des induktiven Übertragersystems (2) zumindest effektiv der Hälfte der Polzahl des Drehstromsystems (6) entspricht. 16. Synchronous machine (1) according to claim 15, characterized in that the number of poles of the inductive transmission system (2) corresponds at least effectively to half the number of poles of the three-phase system (6).
17. Steuereinrichtung (9) zum Steuern der elektrisch erregten Synchronmaschine nach einem der Ansprüche 15 oder 16, mit einem Inverter (7) zum Bereitstellen von Phasenspannungen zur Energieversorgung der Phasenanschlüsse (14,14.1,14.2) der Statorwicklung (11) des Stators (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, und mit einem Steuergerät (8) zum Steuern des Inverters (7). - 39 - 17. Control device (9) for controlling the electrically excited synchronous machine according to one of Claims 15 or 16, with an inverter (7) for providing phase voltages for supplying energy to the phase connections (14,14.1,14.2) of the stator winding (11) of the stator (10 ) according to any one of claims 1 to 6, and having a control unit (8) for controlling the inverter (7). - 39 -
18. Verfahren zum Betrieb einer elektrisch erregten Synchronmaschine nach Anspruch 16 mit einer Steuereinrichtung (9) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (8) den Inverter (7) für den Betrieb der Synchronmaschine (1) derart ansteuert, dass vom Inverter (7) 18. A method for operating an electrically excited synchronous machine according to claim 16 with a control device (9) according to claim 17, characterized in that the control unit (8) controls the inverter (7) for the operation of the synchronous machine (1) such that the inverter (7)
- im Falle der Sternschaltung zwei Phasenspannungen für die Hybrid-Teilstränge (13.1 ,13.2) des Hybridstrangs (13) und zwei Phasenspannungen für die übrigen Phasenstränge (12) bereitgestellt werden, wobei die Phasenspannungen für die Hybrid-Teilstränge (13.1 , 13.2) jeweils als Überlagerung einer Phasenspannung zur Erzeugung des Drehstromsystems (6) mit einer Übertragerspannung des Übertragersystems (2) gebildet werden zur Erzeugung von Strangströmen (Isumi,lsum2) in den Hybrid-Teilsträngen (13.1 ,13.2), - In the case of the star connection, two phase voltages for the hybrid sub-strings (13.1, 13.2) of the hybrid string (13) and two phase voltages for the other phase strings (12) are provided, with the phase voltages for the hybrid sub-strings (13.1, 13.2) each as Superposition of a phase voltage to generate the three-phase system (6) with a transformer voltage of the transformer system (2) are formed to generate phase currents (Isumi, lsum2) in the hybrid sub-phases (13.1, 13.2),
- im Falle der Dreieckschaltung drei Phasenspannungen zum Anlegen an die Dreieckspunkte (16) der Dreieckschaltung und eine Summenspannung zum Anlegen an den Zusatzknoten (17) bereitgestellt werden, wobei die Phasenspannungen ein dreiphasiges Dreh-Wechselspannungssystem zur Erzeugung des Drehstromsystems (6) bilden und wobei die Summenspannung als Überlagerung einer Hybridstrang-Mittelspannung des Dreh- Wechselspannungssystems mit einer Übertragerspannung des Übertragersystems (2) gebildet wird zur Erzeugung des primären Übertragerstromes (Itransf) und der Summenströme (lSumi,lsum2) in den Hybrid- Teilsträngen (13.1 ,13.2). - in the case of the delta connection, three phase voltages are provided for application to the delta points (16) of the delta connection and a total voltage for application to the additional node (17), the phase voltages forming a three-phase AC voltage system for generating the three-phase system (6) and the Sum voltage is formed as a superimposition of a hybrid string mean voltage of the three-phase AC voltage system with a transformer voltage of the transformer system (2) to generate the primary transformer current (Itransf) and the total currents (l S umi, lsum2) in the hybrid sub-strings (13.1, 13.2).
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