DE102008024278A1

DE102008024278A1 - Elektrodynamikmaschinensteuerung

Info

Publication number: DE102008024278A1
Application number: DE102008024278A
Authority: DE
Inventors: David G. Rockeford Halsey
Original assignee: Hamilton Sundstrand Corp
Current assignee: Hamilton Sundstrand Corp
Priority date: 2007-05-22
Filing date: 2008-05-20
Publication date: 2008-11-27
Also published as: US20080290764A1; US7782007B2; JP2008295293A

Abstract

Eine elektrodynamische Maschine hat eine Wicklung und eine Schaltanordnung, die die Wicklung effektiv in individuell steuerbare Teile unterteilt. In einem ersten Betriebszustand fließt Strom auf eine von der Schaltanordnung gesteuerte Weise durch die gesamte Wicklung. In einem zweiten Zustand beschränkt die Schaltanordnung den Stromfluss auf nur einen Teil der Wicklung. Der zweite Zustand reduziert die induktive Kapazität der Wicklung effektiv.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf elektrodynamische Maschinen, wie z. B. elektrische Motoren oder Generatoren. Insbesondere bezieht sich diese Erfindung auf die Leistungssteuerung für solche Vorrichtungen.
Ein Typ von elektrodynamischer Maschine ist ein Traktionsmotor. Traktionsmotoren müssen oft in einem sehr großen Geschwindigkeits- und Drehmomentbereich arbeiten. Bei Niedriggeschwindigkeitsbetrieb können sehr große Drehmomente erforderlich sein, um die Last zu beschleunigen. Bei Hochgeschwindigkeitsbetrieb können niedrigere Drehmomente erforderlich sein, kann aber die Last trotzdem hohe Leistung erfordern.
Wenn der Motor ein geschalteter Reluktanz-Traktionsmotor ist, der für einen Betrieb mit hohem Drehmoment und niedriger Geschwindigkeit konstruiert ist, hat er typischerweise eine große Magnetstruktur. Ein solcher Motor ist möglicherweise nicht in der Lage, bestimmte Leistungsanforderungen für Hochgeschwindigkeitsbetrieb zu erfüllen, da sich der Phasenstrom in der großen Magnetstruktur nicht schnell genug erhöhen kann.
Es ist wünschenswert, einen Motor für verschiedene Zustände verwenden zu können. Es wäre zum Beispiel vorteilhaft, eine schnelle Stromerhöhung in einem geschalteten Reluktanzmotor für Betriebszustände mit hoher Geschwindigkeit und hoher Leistung zu erleichtern.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine beispielhafte offenbarte elektrodynamische Maschine weist eine Wicklung und eine der Wicklung zugeordnete Schaltanordnung auf. Die Schaltanordnung erlaubt in einem ersten Zustand einen Stromfluss durch die gesamte entsprechende Wicklung und beschränkt in einem zweiten, anderen Zustand den Stromfluss auf nur einen Teil der entsprechenden Wicklung.
In einem Beispiel weist die Schaltanordnung eine Mehrzahl von Schaltern und mindestens eine Kopplung mit der Wicklung auf, die selektiv einen Strompfad schafft, der einen Teil der Wicklung umfasst und einen anderen Teil der Wicklung umgeht.
Das Erlauben von Stromfluss durch eine gesamte Wicklung in einem ersten Zustand und das Beschränken von Stromfluss auf nur einen Teil der entsprechenden Wicklung in einem zweiten, anderen Zustand variiert effektiv die induktive Leistungsfähigkeit der Wicklung. Die variierte induktive Kapazität der Wicklung erleichtert eine Änderung in dem Stromfluss. Wenn der Teil der Wicklung, durch den Strom fließt, verringert wird, nimmt der Ausgangsstrom zu.
In einem anderen Beispiel weist die Maschine eine Mehrzahl von Wicklungen und eine entsprechende Mehrzahl von Schaltanordnungen auf. Jede Schaltanordnung und deren zugeordnete Wicklung entsprechen einer unterschiedlichen Phase der elektrodynamischen Maschine.
Die verschiedenen Merkmale und Vorteile dieser Erfindung werden dem Fachmann aus der folgenden detaillierten Beschreibung ersichtlich. Die der detaillierten Beschreibung beiliegenden Zeichnungen können kurz wie folgend beschrieben werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt schematisch ausgewählte Teile einer elektrodynamischen Maschine.
2 zeigt schematisch eine Schaltanordnung, die einer einzelnen Phase der elektrodynamischen Maschine aus 1 zugeordnet ist, in einem ersten Betriebszustand.
3 zeigt schematisch das Beispiel aus 2 in einem zweiten Betriebszustand.
4 zeigt schematisch eine andere beispielhafte Ausführungsform.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
1 ist eine schematische Ansicht ausgewählter Teile einer elektrodynamischen Maschine 20. In einem Beispiel weist die Maschine 20 einen Traktionsmotor auf. Es können auch andere Motor- oder Generatorkonfigurationen verwendet werden. Von einer Mehrzahl von Wicklungen 22, 24 und 26 hat jede eine ihr zugeordnete Schaltanordnung 28, 30 und 32. Jede Schaltanordnung und deren zugeordnete Wicklung entsprechen einer Phase der beispielhaften elektrodynamischen Maschine 20.
2 zeigt eine Phase der elektrodynamischen Maschine 20, die die Wicklung 24 und die Schaltanordnung 30 aufweist. In diesem Beispiel weist die Schaltanordnung 30 ein erstes Segment 40, ein zweites Segment 42 und ein drittes Segment 44 auf. Jedes Segment ist parallel zu den anderen Segmenten verdrahtet. Das erste Segment 40 ist mit einem Ende 46 der Wicklung 24 gekoppelt. Das erste Segment 40 weist einen ersten Teil auf, der einen Schalter 48 zwischen dem Ende 46 der Wicklung 24 und einer Energieversorgung 49 aufweist. Das erste Segment 40 hat einen zweiten Teil, der eine Diode 50 aufweist, die so ausgerichtet ist, das Stromfluss nur von einer Masseverbindung zum Ende 46 der Wicklung 24 hin erlaubt ist.
Das dritte Segment 44 ist mit einem entgegengesetzten Ende 47 der Wicklung 24 gekoppelt. Das zweite Segment 42 ist elektrisch über eine Stelle 52 der Wicklung 24 gekoppelt, die zwischen den Enden ist. Diese Kopplungsstelle 52 unterteilt die Wicklung 24 effektiv in einen ersten Teil 24A und einen zweiten Teil 24B, von denen sich jeder auf einer Seite der Stelle 52 befindet. Die beispielhafte Wicklung ist effektiv in zwei Teile 24A und 24B unterteilt. Die Wicklung 24 ist eine durchgehende Wicklung. Die Teile 24A und 24B brauchen nicht zwei individuelle Wicklungen zu sein.
In einigen Beispielen bilden die Teile 24A und 24B jeweils etwa eine Hälfte der Wicklung 24. Es kann eine Vielzahl von Größenbeziehungen zwischen den Teilen 24A und 24B verwendet werden. Mit dieser Beschreibung wird der Fachmann in der Lage sein, die Konfiguration zu wählen, die seinem Bedarf am besten entgegenkommt.
Das zweite Segment 42 weist einen ersten Teil auf, der einen mit der Wicklung 24 verbundenen Schalter 54 zwischen der Stelle 52 und der Energieversorgung 49 aufweist. Ein zweiter Teil des zweiten Segments 42 weist eine Diode 56 und einen Schalter 58 auf, die zwischen die Stelle 52 und Masse geschaltet sind. Die Diode 56 ist so ausgerichtet, dass nur Stromfluss von Masse zu der Wicklung 24 an der Stelle 52 auf der Wicklung erlaubt wird.
Das dritte Segment 44 weist parallel zu dem ersten Segment 40 und dem zweiten Segment 42 einen ersten Teil mit einer Diode 62 auf, die so ausgerichtet ist, dass Stromfluss von dem Ende 47 zu der Energieversorgung 49 hin erlaubt wird. Ein zweiter Teil weist einen Schalter 64 auf, der zwischen das Ende 47 auf der Seite 24B der Wicklung 24 und Masse geschaltet ist.
Während eines in 2 gezeigten ersten Betriebszustands, der mindestens Niedriggeschwindigkeitsmaschinenbetrieb in einem Beispiel entspricht, werden die Schalter 54 und 58 offen gehalten und fließt kein Strom durch das zweite Segment 42. Aus diesem Grund ist das zweite Segment 42 in diesem ersten Betriebszustand effektiv eine offene Schaltung und hat keine Auswirkung auf die Leistungsfähigkeit der Wicklung 24. In diesem ersten Betriebszustand fließt Strom durch die gesamte Wicklung 24 zwischen den Enden 46 und 47. Die Schalter 48 und 64 werden verwendet, um den Phasenstrom auf eine bekannte Weise zu steuern, um einen erwünschten Betrieb der dargestellten Phase der elektrodynamischen Maschine 20 zu erreichen.
Bei hohen Geschwindigkeiten ist die Erhöhung des Phasenstroms der Wicklung 24 in diesem Beispiel auf Grund der induktiven Leistungsfähigkeit der Wicklung 24 schwierig. Aus diesem Grund wäre es schwierig, in der beispielhaften Maschine hohe Leistung bei hohen Geschwindigkeiten zu erreichen, wenn nur der erste Zustand der Schaltanordnung 30 verwendet würde. Die Schaltanordnung 30 ist in einem zweiten Zustand nützlich zum Beschränken des Stromflusses auf nur einen Teil der Wicklung 24 (z. B. den Teil 24A oder 24B), wodurch die induktive Leistungsfähigkeit der Wicklung effektiv reduziert wird, was das Liefern von hoher Leistung sogar bei hohen Geschwindigkeiten erlaubt.
Ein beispielhafter zweiter Betriebszustand, der nützlich für Hochgeschwindigkeits- und Hochleistungsmaschinenbetrieb ist, ist in 3 gezeigt. In diesem Beispiel fließt Strom nur durch den Teil 24B der Wicklung 24 von der Stelle 52 zu dem Ende 60. Der Schalter 48 wird offen gehalten, so dass kein Strom durch das erste Segment 40 fließt. Der Schalter 58 wird geschlossen gehalten. Der offene Schalter 48 und die Dioden 50 und 56 stellen sicher, dass kein Strom durch den Teil 24A der Wicklung 24 fließt. Durch das Beschränken eines Stromflusses auf nur den zweiten Teil 24B der Wicklung wird die induktive Leistungsfähigkeit der Wicklung 24 in diesem Betriebszustand effektiv reduziert und der Gesamtphasenstrom erhöht. Der höhere Phasenstrom ermöglicht es der elektrodynamischen Maschine die erforderliche höhere Leistung zu liefern. Die Schalter 54 und 64 werden auf eine bekannte Weise gesteuert, um im zweiten Betriebszustand einen erwünschten Phasenstrom in dem Teil 24B zu erreichen.
In einem anderen in 4 gezeigten Beispiel ist der Schalter 58 nicht enthalten. Diese spezielle Ausführungsform erlaubt Weichtakten in einem zweiten Betriebszustand unter Verwendung der Schalter 54 und 64 und bekannter Techniken.
In einem anderen Beispiel weist die Schaltanordnung 30 mindestens ein weiteres Segment auf und ist die Wicklung 24 in mindestens drei Teile unterteilt. Das würde das Liefern von sogar noch mehr Strom ermöglichen, da die induktive Leistungsfähigkeit der Wicklung weiter beschränkt werden könnte, indem nur ein noch kleinerer Teil der Wicklung durchströmt wird. In einigen Beispielen ist die Wicklung in vier oder mehr Segmente unterteilt.
Die vorhergehende Beschreibung ist eher beispielhafter als einschränkender Natur. Dem Fachmann können Variationen und Modifikationen der offenbarten Beispiele ersichtlich werden, die nicht notwendigerweise vom Wesen dieser Erfindung abweichen. Der gesetzliche Schutzbereich dieser Erfindung kann nur durch das Studieren der folgenden Ansprüche bestimmt werden.

Claims

Elektrodynamische Maschine, aufweisend: eine Wicklung; und eine der Wicklung zugeordnete Schaltanordnung, wobei die Schaltanordnung in einem ersten Zustand einen Stromfluss durch mindestens einen ersten Teil der Wicklung erlaubt und in einem zweiten, anderen Zustand einen Stromfluss auf nur einen zweiten, kleineren Teil der Wicklung beschränkt.
Maschine nach Anspruch 1, aufweisend eine Mehrzahl von Wicklungen und eine entsprechende Mehrzahl von Schaltanordnungen.
Maschine nach Anspruch 1, wobei die Schaltanordnung eine Mehrzahl von Schaltern und mindestens eine Kopplung aufweist, die einen Strompfad zum Umfassen des zweiten Teils der Wicklung und Umgehen eines anderen Teils der Wicklung schafft.
Maschine nach Anspruch 3, wobei die Schaltanordnung eine Mehrzahl von selektiv gesteuerten Schaltern aufweist, die Stromfluss in dem ersten und dem zweiten Zustand erlauben bzw. beschränken.
Maschine nach Anspruch 4, wobei die Schaltanordnung eine Mehrzahl von Dioden zum selektiven Steuern des Stromflusses durch die Wicklung und die Schaltanordnung aufweist.
Maschine nach Anspruch 3, wobei die mindestens eine Kopplung an einer Stelle zwischen Enden der Wicklung mit der Wicklung verbunden ist.
Maschine nach Anspruch 1, wobei die Schaltanordnung aufweist: ein erstes Segment, aufweisend einen ersten Teil mit einem ersten Schalter, der mit einem Ende der Wicklung verbunden ist, wobei der erste Schalter selektiv in dem ersten Zustand geschlossen ist und in dem zweiten Zustand offen gehalten wird; und einen zweiten Teil, der Stromfluss nur in eine Richtung zu der Wicklung hin erlaubt; ein zweites Segment parallel zu dem ersten Segment, aufweisend einen ersten Teil mit einem zweiten Schalter, der an einer Stelle zwischen Enden der Wicklung mit der Wicklung verbunden ist; und einen zweiten Teil, der Stromfluss nur in eine Richtung zu der Wicklung hin erlaubt; ein drittes Segment parallel zu dem ersten und dem zweiten Segment, aufweisend einen ersten Teil, der mit einem entgegengesetzten Ende der Wicklung verbunden ist, was Stromfluss nur weg von der Wicklung erlaubt; und einen zweiten Teil, der einen dritten Schalter aufweist, der mit dem entgegengesetzten Ende der Wicklung verbunden ist.
Maschine nach Anspruch 7, wobei der zweite Teil des zweiten Segments einen Schalter aufweist.
Maschine nach Anspruch 7, wobei der zweite Teil des ersten Segments, der zweite Teil des zweiten Segments und der erste Teil des dritten Segments jeweils mindestens eine Diode aufweisen, die so ausgerichtet ist, dass Stromfluss in eine Richtung erlaubt wird.
Maschine nach Anspruch 1, wobei der erste Zustand einem Niedriggeschwindigkeitsmaschinenbetrieb entspricht.
Maschine nach Anspruch 1, wobei der zweite Zustand einem Hochgeschwindigkeitsmaschinenbetrieb entspricht.
Verfahren zum Steuern einer elektrodynamischen Maschine, aufweisend: Erlauben von Stromfluss durch eine gesamte Wicklung in einem ersten Zustand; und Beschränken von Stromfluss auf nur einen Teil der Wicklung in einem zweiten, anderen Zustand.
Verfahren nach Anspruch 12, aufweisend das Beschränken von Stromfluss auf nur einen Teil der Mehrzahl von Wicklungen zur gleichen Zeit.
Verfahren nach Anspruch 12, aufweisend das selektive Steuern einer Mehrzahl von Schaltern in einer Schaltanordnung, um den Stromfluss in dem ersten und dem zweiten Zustand zu erlauben bzw. zu beschränken.
Verfahren nach Anspruch 12, aufweisend das Erlauben des Stromflusses durch die gesamte Wicklung bei Niedriggeschwindigkeitsmaschinenbetrieb.
Verfahren nach Anspruch 12, aufweisend das Beschränken des Stromflusses auf nur einen Teil der Wicklung bei Hochgeschwindigkeitsmaschinenbetrieb.