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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrisches Antriebssystem umfassend eine fremderregte Synchronmaschine, wobei die fremderregte Synchronmaschine einen Stator und einen dem Stator zugeordneten Rotor aufweist, wobei der Stator zumindest drei Phasenwicklungen und der Rotor zumindest zwei Rotorpole mit jeweils einem ersten Polende und einem zweiten Polende aufweist und eine Steuereinheit.
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Stand der Technik
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Elektrische Synchronmaschinen können als rotierende elektrische Maschinen sowohl als Motor als auch als Generator betrieben werden. Entsprechende Synchronantriebe können vielfältig in unterschiedlichsten technischen Bereichen, so auch der Kraftfahrzeugtechnik eingesetzt werden. Eine solche Synchronmaschine weist grundsätzlich einen Stator mit Statorwicklungen, sogenannte Phasenwicklungen, auf, die im Bereich des Rotors ein magnetisches Drehfeld erzeugen. Eine entsprechende Ansteuerung der Phasenwicklungen bewirkt, dass das magnetische Feld rotiert. Ein im Drehfeld befindlicher Rotor mit magnetischen Polen, die entweder als Permanentmagnete (permanentmagneterregte Synchronmaschine) und/oder als elektrisch erregte Magnete (fremderregte Synchronmaschine) ausgebildet sein können, dreht sich synchron mit der Drehzahl des durch den Stator erzeugten Drehfeldes.
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Bei zumindest teilweisem Antrieb eines Kraftfahrzeugs mittels einer motorisch betriebenen elektrischen Maschine, beispielsweise einer Synchronmaschine, besteht allgemein die Notwendigkeit zur Anpassung der Betriebsparameter des Elektromotors an die Fahrsituation. Bei niedrigen Geschwindigkeiten soll ein hohes Drehmoment bereitstehen, um so beispielsweise an starken Steigungen und Anfahrten beschleunigen zu können. Gleichzeitig soll das Kraftfahrzeug eine möglichst hohe Endgeschwindigkeit erreichen können. Diese Anforderungen, nämlich ein hohes Drehmoment und eine hohe Endgeschwindigkeit, sind gegensätzlich, denn um eine möglichst hohe Endgeschwindigkeit zu erreichen muss der Elektromotor eine möglichst geringe elektromagnetische Gegenkraft erzeugen und um ein hohes Drehmoment zu erzeugen muss der Elektromotor eine möglichst hohe elektromagnetische Gegenkraft erzeugen.
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Um diesem Konflikt entgegenzustehen kann beispielsweise ein mechanisches Getriebe verwendet werden. Dieses verursacht jedoch neben dem zusätzlich benötigten Bauraum, zusätzliche Kosten sowie ein erhöhtes Gewicht.
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Bei permanenterregten elektrischen Maschinen sind die magnetischen Pole des Rotors durch die Magnete vorgegeben und können nur durch aufwendige Magnetisierungsströme geändert werden.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung den Stand der Technik, insbesondere im Hinblick auf elektrische Synchronmaschinen, zu verbessern.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch ein elektrisches Antriebssystem umfassend eine fremderregte Synchronmaschine, wobei die fremderregte Synchronmaschine einen Stator und einen dem Stator zugeordneten Rotor aufweist, wobei der Stator zumindest drei Phasenwicklungen und der Rotor zumindest zwei Rotorpole mit jeweils einem ersten Polende und einem zweiten Polende aufweist und eine Steuereinheit, wobei die Steuereinheit derart ausgebildet ist, dass während dem Betrieb der fremderregten Synchronmaschine die Rotorpole getrennt voneinander mit Gleichstrom gespeist werden und die Stromrichtung dabei variabel einstellbar ist.
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Erfindungsgemäß umfasst das elektrische Antriebssystem eine fremderregte Synchronmaschine und eine Steuereinheit.
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Unter der Begrifflichkeit „fremderregte Synchronmaschine“ ist zum einen eine Synchronmaschine zu verstehen, deren Rotorpole als elektrisch erregte Magnete ausgebildet sind und zum anderen hybride Versionen, deren Rotorpole aus Permanentmagneten und elektrisch erregten Magneten ausgebildet sind.
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Entsprechend der vorliegenden Erfindung weist die fremderregte Synchronmaschine einen Stator und einem dem Stator zugeordneten Rotor auf.
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Erfindungsgemäß weist der Stator zumindest drei Phasenwicklungen auf und der Rotor zumindest zwei Rotorpole mit jeweils einem ersten Polende und einem zweiten Polende auf.
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Die Steuereinheit ist entsprechend der vorliegenden Erfindung derart ausgebildet, dass während dem Betrieb der fremderregten Synchronmaschine die Rotorpole getrennt voneinander mit Gleich- oder Wechselstrom gespeist werden und die Stromrichtung dabei variabel einstellbar ist.
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Werden die Rotorpole mit Wechselstrom beaufschlagt so kann dieser beispielsweise über einen Gleichrichter gleichgerichtet werden.
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Durch den erfindungsgemäßen Aufbau des elektrischen Antriebssystems wird durch zwei getrennte Rotorwicklungen und deren Ansteuerung eine besonders kosten- und bauraumeffiziente polumschaltbare fremderregte Synchronmaschine ausgebildet.
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Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung sowie den beigefügten Zeichnungen angegeben.
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Besonders bevorzugt umfasst die Steuereinheit eine Halbleiterbrückenschaltung, die der Anzahl an Rotorpolen vermehrt um mindestens eins entsprechend viele Halbbrücken aufweist, wobei die ersten Polenden der Rotorpole jeweils steuerwirksam mit jeweils einem Halbbrücken der Steuereinheit verbunden sind und sämtliche zweiten Polenden der Rotorpole in Sternschaltung mit einer gemeinsamen Halbbrücke steuerwirksam verbunden sind.
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Bevorzugt sind sowohl die Ströme wie auch die Stromrichtung in den Rotorpolen über die Pulsweite der drei Halbbrücken getrennt voneinander regelbar.
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In einer bevorzugten Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung weist das elektrische Antriebsystem einen Kühlkreislauf auf, wobei der Kühlkreislauf derart ausgeführt ist, dass primär, d.h. zuerst, die Sternschaltung am gemeinsamen Halbbrückenzweig gekühlt wird.
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Figurenliste
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Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
- Fig. zeigt schematisch einen Rotor einer fremderregten Synchronmaschine sowie eine Halbleiterbrückenschaltung einer Steuereinheit.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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Das elektrische Antriebssystem weist eine fremderregte Synchronmaschine und eine Steuereinheit auf.
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Die fremderregte Synchronmaschine umfasst einen Stator und einen dem Stator zugeordneten Rotor 1. Die fremderregte Synchronmaschine kann dabei mit einem innenlaufenden Rotor 1, einem außenlaufenden Rotor 1 oder auch als Axialflussmaschine ausgeführt sein.
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In dem in Fig. dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Rotor 1 zwei Rotorpole 2, 3, nämlich einen ersten Rotorpol 2 und einen zweiten Rotorpol 3, auf. Die Rotorpole 2, 3 werden durch elektrisch erregte Magnete ausgebildet. Jeder der beiden Rotorpole 2, 3 weist ein erstes Polende 4 und ein zweites Polende 5 auf.
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Die Steuereinheit weist eine Ansteuerelektronik und eine Halbleiterbrückenschaltung 6 auf. Die in Fig. schematisch dargestellte Halbleiterbrückenschaltung 6 ist als dreiphasige Vollbrücke ausgebildet. Die Vollbrücke weist eine erste Halbbrücke 7, eine zweite Halbbrücke 8 und eine dritte Halbbrücke 9 auf. Die erste Halbbrücke 7 weist ein erstes steuerbares Halbleiterelement 11 und ein zweites steuerbares Halbleiterelement 12 auf. Das erste steuerbare Halbleiterelement 11 und das zweite steuerbare Halbleiterelement 12 sind zueinander in Reihe geschaltet und über die Ansteuerelektronik jeweils ansteuerbar. In den beiden weiteren Halbbrücken 8, 9 befinden sich ebenfalls jeweils zwei in Reihe geschaltete steuerbare Halbleiterelemente 11, 12. Alle steuerbaren Halbleiterelemente 11, 12 sind bevorzugt identisch ausgeführt, können jedoch auch unterschiedlich ausgeführt sein.
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Die drei Halbbrücken 7, 8, 9 weisen jeweils einen Mittelabgriff 13 auf. Der Mittelabgriff 13 der ersten Halbbrücke 7 ist mit dem ersten Polende 4 des ersten Rotorpols 2 verbunden. Der Mittelabgriff 13 der zweiten Halbbrücke 8 ist mit dem ersten Polende 4 des zweiten Rotorpols 3 verbunden. Der Mittelabgriff 13 der dritten Halbbrücke 9 ist in Sternschaltung 10 mit dem zweiten Polende 5 des ersten Rotorpols 2 und dem zweiten Polende 5 des zweiten Rotorpols 3 verbunden.
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Parallel zu den Halbbrücken 7, 8, 9 der dreiphasigen Vollbrücke ist ein Zwischenkreiskondensator angeschlossen, der einen Energiespeicher des Zwischenkreises bildet und im Bedarfsfall zu entladen ist (nicht dargestellt).
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Die ersten Polenden 4 der Rotorpole 2, 3 stellen jeweils die Eingangsseite des jeweiligen Rotorpols 2, 3 dar. Somit ist die Eingangsseite jedes Rotorpols 2, 3 eine Halbbrücke 7, 8 der Halbleiterbrückenschaltung 6 der Steuereinheit zugeordnet, welche schaltbar den einzelnen Rotorpolen 2, 3 einen Strom oder einen Stromverlauf einprägen.
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Während dem Betrieb der fremderregten Synchronmaschine können die beiden Rotorpole 2, 3 getrennt voneinander mit Gleichstrom gespeist werden und die Stromrichtung ist dabei variabel einstellbar. Derart wird eine wahlweise Rotorpolumschaltung realisiert. Der Strom wird dabei geregelt über eine Pulsweiten-Ansteuerung der jeweiligen Halbbrücke 7, 8, 9 in den jeweiligen Rotorpol 2, 3 eingeprägt. Die Einstellung erfolgt dabei über die gewählten Pulsmuster der ersten Halbbrücke 7 und der zweiten Halbbrücke 8. Das Pulsmuster der dritten Habbrücke 9 wird im Normalfall auf 50% gewählt, kann aber je nach Betriebspunkt angepasst werden. So können also über die Pulsweite der drei Halbbrücken 7, 8, 9 die Ströme und die Stromrichtung in den zwei Rotorpolen 2, 3 getrennt voneinander geregelt werden.
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Durch eine Veränderung der Bestromungsrichtung (positiv oder negativ) eines der beiden Rotorpole 2, 3 (in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel in Fig. sind es zwei Rotorpole 2, 3, es können jedoch auch mehrere sein) kann die Polpaarzahl des Rotors 1 und somit die elektromagnetische Gegenkraft der fremderregten Synchronmaschine verändert werden. Die beiden Rotorpole 2, 3 können entweder so bestromt werden, dass sich entweder ein Polpaar (Polzahl zwei) oder zwei Polpaare (Polzahl vier) ergeben. Im Falle von einem Polpaar liefert die fremderregte Synchronmaschine das halbe Drehmoment, jedoch die nahezu doppelte Drehzahl (hohe Endgeschwindigkeit). Im Falle von zwei Polpaaren liefert die fremderregte Synchronmaschine die halbe Drehzahl, jedoch das doppelte Drehmoment (hohes Drehmoment bei konstanter Frequenz des Statorstromes).
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Für das in Fig. dargestellte Ausführungsbeispiel verändert eine Umschaltung von zwei Polpaaren auf ein Polpaar während dem Betrieb der Synchronmaschine somit das Drehzahl-/Drehmoment-Verhalten der Synchronmaschine. So kann beispielsweise in Betriebssituationen mit geringer Drehzahlanforderung, jedoch hoher Drehmomentanforderung auf Polpaarzahl zwei geschaltet werden - derart wird ein hohes Drehmoment beispielsweise zum Anfahren eines Kraftfahrzeugs erreicht. In Betriebssituationen mit geringer Drehmomentanforderung, jedoch hoher Drehzahlanforderung kann auf Polpaarzahl eins umgeschaltet werden - derart wird eine hohe Drehzahl erreicht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rotor
- 2
- Erster Rotorpol
- 3
- Zweiter Rotorpol
- 4
- Erstes Polende
- 5
- Zweites Polende
- 6
- Halbleiterbrückenschaltung
- 7
- Erste Halbbrücke
- 8
- Zweite Halbbrücke
- 9
- Dritte Halbbrücke
- 10
- Sternschaltung
- 11
- Erstes Halbleiterelement
- 12
- Zweites Halbleiterelement
- 13
- Mittelabgriff
