MULTI-PHASE ELECTRIC MACHINE

Abstract: 1. Electric polyphase machine having winding phases, electronically commutated by means of a switching device provided with controllable semiconductors (T1-T4), of a working winding having an even number of phases, more particularly 4 phases, comprising pairs of winding phases (S1 ; S3 and S2 ; S4 respectively) which can be fed in phase opposition to one another and are magnetically closely coupled together and, associated with each winding phase, a free-wheeling circuit containing at least one diode (inverse diodes D1-D4), there being provided for the current free-wheeling of a winding phase to be disconnected the current path via the diode of the controllable semiconductor for the winding phase which is magnetically closely coupled to the winding phase just disconnected and is offset by 180 electrical degrees in relation to the latter, characterised in that MOS transistors (T1-T4) are provided as controllable semiconductors for the four winding phases (S1 ; S3 and S2 ; S4), and the inverse diodes of the said MOS transistors are respectively utilised as diode of the free-wheeling circuit.

Description: Elektrische Mehrphasenmaschine Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Mehrphasenmaschine mit elektronisch über eine mit steuerbaren Halbleitern bestückte Schaltvorrichtung kommutierten Wicklungssträngen einer Arbeitswicklung und mit jedem Wicklungsstrang zugeordnetem Freilaufkreis; eine derartige elektrische Mehrphasenmaschine ist z.B. aus der DE-OS 15 13 389 bekannt. Bei dem bekannten, als Dreiphasen-Synchronmotor ausgeführten Antrieb ist jeweils parallel zu jedem der drei Wicklungsstränge ein zusätzlicher, zumindest eine weitere gesonderte Diode enthaltender Freilaufstrompfad zur Weiterführung des Freilaufstroms in dem jeweiligen Wicklungsstrang nach Abschaltung des diesem Wicklungsstrang zugeordneten Transistors angeschlossen. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Aufwand für die die Wicklungsstränge kommutierende Schaltvorrichtung weiter zu mindern. Die Lösung dieser Aufgabe gelingt bei einer elektrischen Mehrphasenmaschine der eingangs genannten Art durch die Lehre des Patentanspruchs 1; der Gegenstand des Anspruchs 2 kennzeichnet eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung. Durch die erfindungsgemäss vorgesehene Anzahl und Anordnung der Wicklungsstränge der Arbeitswicklung im Zusammenhang mit den die Wicklungsstränge dieser Arbeitswicklung ansteuernden MOS-Transistoren wird die Weiterführung des abklingenden Stroms in den einzelnen, zuvor jeweils abgeschalteten Wicklungssträngen über die an sich vorhandenen Inversdioden der MOS-Transistoren der jeweils elektrisch um 1800 versetzten Strangstromkreise ermöglicht, wobei in besonders einfacher Weise die magnetisch zu koppelnden Wicklungsstränge in die gleichen Nuten eingebracht werden. Gesondert anzuschliessende und mit zusätzlichen Dioden bzw. Transistoren zu bestückende Freilaufstromkreise erübrigen sich, so dass im Vergleich zu bekannten Schaltungen etwa die Hälfte der ansonsten notwendigen Leistungselektronik und ein wesentlicher Teil der Steuerelektronik bei trotzdem gewährleisteter Betriebssicherheit der elektrischen Mehrphasenmaschine (Asynchron-/Synchronmaschine) entfallen kann. Die Erfindung wird im folgenden anhand eines schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels in der Zeichnung näher erläutert; darin zeigen Fig. 1 eine stirnseitige Draufsicht auf einen mit zwei Wicklungssträngen einer insgesamt 4-strängigen Arbeitswicklung belegten Sektorstator eines sta torerregten, nach dem Reluktanzprinzip arbeitenden Synchron-Motor-Generators, Fig. 2 die rotorseitige Draufsicht auf den Sektorstator gemäss Fig. 1, Fig. 3 eine zur Ansteuerung der Arbeitswicklung mit insgesamt vier Wicklungssträngen vorgesehene, mit MOS-Transistoren bestückte Taktgeber-Schaltvor richtung. Die vorliegende Erfindung wird anhand einer Kommutierungssteuerung für eine statorerregte Synchronmaschine beschrieben, die als Motor-Generator, insbesondere mit Schwungmassen-Rotor, in einem Kraftfahrzeug einsetzbar ist. Bei einem bekannten Kfz-Motor-Generator (DE-OS 29 17 139) bildet die der Kurbelwelle zu- bzw. abkuppelbare Schwungmasse gleichzeitig den wicklungslosen, nach dem Reluktanzprinzip arbeitenden Rotor des Motor-Generators; der nicht näher beschriebene Stator soll an der Brennkraftmaschine bzw. am Getriebegehäuse befestigt werden. Die Schwungmasse ist durch eine zusätzliche Kupplung von der Kurbelwelle abkuppelbar und im abgekuppelten Zustand relativ zur Kurbelwelle drehbar. Bei kurzzeitigen Stillständen, wie z.B. bei Ampelstopps od.dgl., wird die Schwungmasse von der Brennkraftmaschine abgekuppelt, so dass die Schwungmasse auch bei abgestellter Brennkraftmaschine weiter rotieren kann. Beim anschliessenden Wiederanfahren wird die Schwungmasse zum Starten der Brennkraftmaschine wieder angekuppelt. Zusätzlich ist vorgesehen, dass die Schwungmasse bei kurzzeitigen Stillständen des Kraftfahrzeuges durch den Motor-Generator auf einer bestimmten Drehzahl gehalten wird, die ausreicht, um nach dem Wiederankuppeln an die Brennkraftmaschine deren Start gewährleisten zu können. In den Betriebszuständen, in denen die Brennkraftmaschine in Betrieb ist, wird der Motor-Generator auf Generatorbetrieb umgeschaltet und speist elektrische Leistung z.B. in die Fahrzeugbatterie zurück. Fig. 1 zeigt in einer axialen stirnseitigen Draufsicht einen einzelnen Sektorstator SS, der an dem Motorkuppelgehäuse einer Kfz-Verbrennungsmaschine befestigt ist und sich über einen Winkel von ca. 700 über den Umfang der als Rotor mitbenutzten Kupplungsscheibe der Verbrennungsmaschine erstreckt. Der Sektorstator SS besteht aus zwei in axialem Abstand hintereinander angeordneten, magnetisch gegeneinander isolierten Sektorstator-Elementen. Jedes Sektorstator-Element ist - wie insbesondere aus Fig. 2 ersichtlich - mit insgesamt acht Zähnen SZ1 - SZ8 bzw. SZ9 - SZ16 versehen. Die Zähne SZ1 - SZ8 des ersten Sektorstator-Elementes sind axial fluchtend zu den Zähnen SZ9 - SZ16 des zweiten Sektorstator-Elementes angeordnet. Die Zähne SZ1 - SZ8 bzw. SZ9 - SZ16 jedes Sektorstator Elementes sind gleichmässig über jedes Sektorstator Element und gleichartig in beiden Sektorstator-Elementen verteilt angeordnet. Die Statorzahnteilung ist mit oU bezeichnet. Es sind zumindest zwei Sektorstatoren der in Fig. 1 dargestellten Art am Bohrungsumfang vorgesehen, wobei die beiden Sektorstatoren um ein ungerades Vielfaches der halben Statorzahnteilung dX von ihrer genauen Diametrallage abweichen. Als Arbeitswicklung ist eine 4-strängige Wicklung mit jeweils um 900 el. gegeneinander versetzten Wicklungssträngen S1, S2, S3, S4 gleicher Spulenweite vorgesehen. Die gesamte Arbeitswicklung des Motor-Generators besteht somit aus einer geraden Zahl von Strängen, wobei jeweils die halbe Zahl der Stränge je einem der beiden Sektorstatoren zugeordnet ist. In Fig. 2 ist die Wicklungsanordnung sämtlicher vier Stränge S1 - S4 angegeben, wobei sich die in Klammern angegebenen Anschlüsse auf die Wicklung des zweiten, hier nicht dargestellten Sektorstators beziehen, der bis auf die zuvor genannte Abweichung zu dem ersten, in Fig. 7 dargestellten Sektorstator gegen überliegend am Bohrungsumfang angeordnet ist. Die Wicklungsstränge S1 und S3 sind also gemäss Fig. 2 um die Zähne SZ1 - SZ16 des ersten Sektorstator-Elementes und die Stränge S2 und S4 entsprechend um die hier nicht dargestellten Zähne des zweiten Sektorstators nach dem in Fig. 2 dargestellten Wicklungsprinzip gewickelt. Es ergibt sich weiterhin, dass die Wicklungen der Stränge S1 und S3 einerseits sowie der Stränge S2 und S4 andererseits jeweils in gleichen Nuten angeordnet und somit eng miteinander magnetisch gekoppelt sind. Aufgrund der gegeneinander versetzten Anordnung der beiden Sektorstatoren wird jeweils in den Strängen S2 und S4 im zweiten Sektorstator eine um 900 el. versetzte Spannung gegenüber den Wicklungssträngen S1 und S3 im ersten Sektorstator induziert. Die vorgenannte Ausführung gilt mit ihren Zahl- und Winkelangaben natürlich für die bisher vorzugsweise betrachtete 4-strängige Ausführung mit einer elektrischen Verschiebung von 900 el. Man kann diese grundsätzliche Lösung auch auf andere, insbesondere 6-strängige Anordnungen übertragen, bei denen dann entsprechend mehr Sektorstatoren der zuvor beschriebenen Form notwendig werden und die unter Beachtung der allgemein bekannten Regeln für eine Drehfelderzeugung im Sinne möglichst insgesamt geringer radialer magnetischer Zugbelastungen sämtlicher Sektorstatoren mit einem gegenseitigen Um fangsversatzwinkel: #=o & to¯¯(n t l/m) angeordnet sind; dabei gilt: ob = 3600/2p; n = natürliche Zahl; m = Strang-(Phasen) Zahl; p = Polpaarzahl. Jedes Sektorstator-Element eines jeden Sektorstators mündet in einem radial überstehenden Polschenkel, der jeweils von einem konzentrierten Erregerwicklungsteil umschlungen ist, der vorteilhafterweise als radial aufsteckbare Formspule ausgebildet ist. In Fig. 1 ist nur der vordere Polschenkel PS1 des einen Sektorstators ersichtlich. Die Erregerwicklungsteile sind derart an eine, gegebenenfalls steuerbare Gleichspannung angeschlossen, dass sich in den beiden zwischen den Sektorstator-Elementen eines Sektorstators liegenden Spulenseiten die gleiche Stromrichtung ergibt. Die Polenden der beiden Polschenkel jedes Sektorstators sind jeweils durch ein Rückschlussjoch J verbunden. Als Rotor ist, in hier nicht näher dargestellter Weise, der äussere Umfang des Kupplungs-Schwungrades der Verbrennungsmaschine derart mitbenutzt, dass am Umfang der Kupplungs-Schwungscheibe zwei den aus den Zähnen der Sektorstatoren gebildeten Zahnreihen zugeordnete Zahnreihen vorgesehen sind, von denen in Fig. 1 die Zähne RZ1 - RZ5 der vorderen und die Zähne RZ6 - RZ9 der hinteren Zahnreihe dargestellt sind. Beide Zahnreihen stehen in magnetisch leitender Verbindung, indem sie Teile der massiven Stahl-Kupplungs-Schwungscheibe sind. Die Rotorzähne RZ1 - RZ5 bzw. RZ6 - RZ9 der beiden gleichartig über den gesamten Umfang gezahnten Rotorzahnreihe sind gegeneinander um die Hälfte des Zahnabstandes einer Rotorzahnreihe nach dem Prinzip Zahn auf Lücke" versetzt. Jede Rotorzahnreihe ist über ihren Umfang mit einer gleichmässigen Zahnteilung 2#= 2 * -360 (p = Polpaar 2p zahl der Stator-Arbeitswicklung) versehen, derart dass beide Zahnreihen der Kupplungs-Schwungscheibe über den gesamten Umfang je für sich eine mit dem Doppelten der Zahnteilung des Sektorstators übereinstimmenden Zahnteilung aufweisen, wobei jedoch die Zähne der einen Zahnreihe gegenüber den Zähnen der anderen Zahnreihe um eine halbe Zahnteilung gegeneinander versetzt sind, so dass in der Axialsicht die Zähne beider Zahnreihen wechselweise im Abstand am Umfang aufeinander folgen. Fig. 3 zeigt als Schaltvorrichtung zur Kommutierung der Wicklungsstränge 51 - S4 der Arbeitswicklung eine mit MOS-Transistoren T1 - T4 bestückte Taktgeberschaltung TG. Dazu ist zunächst in Reihe mit jedem Wicklungsstrang S1 - S4 jeweils ein steuerbares Halbleiterelement im Form eines MOS-Transistors T1 - T4 geschaltet. Diese Reihenschaltung liegt an der im Motorbetrieb speisenden und im Generatorbetrieb gespeisten Gleichspannungsquelle PN. U.a. zur Erzielung möglichst kleiner Spannungsabfälle in der Kommutierung ist jeweils nur eine einzige Halbleiterstrecke in jedem Stromkreis wirksam; in vorteilhafter Weise wird diese Halbleiterstrecke sowohl für die Wicklungsfortschaltung der Wicklungsstränge S1 - S4 als auch zur Strombegrenzung der in diesen Wicklungssträngen flie ssenden Ströme benutzt. Die Weiterführung des Stromes in den einzelnen Wicklungssträngen S1 - S4 nach dem Ausschalten der MOS Transistoren T1 - T4 wird nun erfindungsgemäss nicht in Form von zusätzlichen, im vorliegenden Fall an sich vorzusehenden, synchron zu den MOS-Transistoren T1 - T4 vom gleichen Taktgeber durchlässig zu schaltenden Freilauftransistoren sondern erfindungsgemäss durch die Inversdioden D1- D4 in den MOS-Transistoren T1 - T4 der elektrisch jeweils um 1800 versetzten Strangstromkreise gewährleistet, wobei diese um 1800 gegeneinander versetzten Strangstromkreise S1 und S3 bzw. S2 und S4 durch die erfindungsgemässe Anordnung in den gleichen Nuten magnetisch eng miteinander gekoppelt sind. Die Inversdioden begrenzen dabei die Spannungsbeanspruchung des jeweils gerade schaltenden MOS-Transistors auf etwa den doppelten Wert der Speisespannung, also auf den Wert, der als reguläre Sperrspannung sowieso unvermeidlich ist. Die in Fig. 3 als Beispielsfall einer Kommutierung eingezeichneten Strompfade zeigen mit ausgezogener Kontur den Betriebsstrom 1B bei eingeschaltetem und an das speisende Netz angeschlossenem Wicklungsstrang S1 und mit gestrichelter Kontur den an die Abschaltung des MOS-Transistors T1 anschliessenden Freilaufstrom IFR. 2 Patentansprüche 3 Figuren

Claims: Patentansprüche 1. Elektrische Mehrphasenmaschine mit elektronisch über eine mit steuerbaren Halbleitern bestückte Schaltvorrichtung kommutierten Wicklungssträngen einer Arbeitswicklung und mit jedem Wicklungsstrang zugeordnetem Freilaufkreis, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass eine geradzahlig strängige, insbesondere 4-strängige, Arbeitswicklung mit je zwei in Gegenphase zueinander speisbaren und magnetisch eng miteinander gekoppelten Wicklungssträngen (S1 und S3 bzw. S2 und S4) und bei Verwendung von MOS-Transistoren (T1-T4) als steuerbaren Halbleitern zum Strom-Freilauf eines abzuschalten den Wicklungsstranges der Strompfad über die Inversdiode des MOS-Transistors für den Wicklungsstrang vorgesehen ist, der mit dem gerade abgeschalteten Wicklungsstrang magnetisch eng gekoppelt und gegenüber diesem um 1800 elektrisch versetzt ist. 2. Mehrphasenmotor nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die jeweils in Gegenphase zueinander speisbaren Wicklungsstränge (S1; S3 bzw. S2;S4) durch Anordnung in gleichen Nuten magnetisch eng miteinander gekoppelt sind.

Inventors: FISCHER, HERBERT, DIPL.-ING., FREISE, WERNER, PROF.DR.-ING.
Applicants: SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT BERLIN UND MUNCHEN
Application year: 1984
Main classification: H02P6
IPC codes: H02P6, H02P8, H02P9, H02K29