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DE19917419A1 - Electrical spur rotation has polyphase machine with switches either in parallel or series activating the rotational speed to the output terminals of the static converter - Google Patents

Electrical spur rotation has polyphase machine with switches either in parallel or series activating the rotational speed to the output terminals of the static converter

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Abstract

The electrical spur rotation comprises phase windings of the polyphase machine existing in amounts to the switches (1,2) either in parallel or series. This switches the rotational speed to the output terminals of a static converter (4,5).

Description

Moderne elektrische Antriebe für Drehzahlbereiche konstanter Leistung - insbesondere von Fahrzeugen aber auch von Werkzeugmaschinen - bestehen aus elektromechanischen Energiewandlern, d. h. elektrischen Maschinen unterschiedlicher Bauart, sowie einem Stromrichter, welcher die elektrische Energie eines Netzes oder Fahrdrahtes mit annähernd konstanter Spannung und Frequenz in eine solche von, mit der Drehzahl der Maschine veränderlichen Frequenz und Spannung umwandelt.Modern electric drives for speed ranges of constant power - especially from Vehicles but also machine tools - consist of electromechanical Energy converters, d. H. electrical machines of different types, as well as one Power converter, which approximates the electrical energy of a network or contact wire constant voltage and frequency in such a, with the speed of the machine variable frequency and voltage converts.

Um die im Stromrichter zu installierende Leistung bei gegebenem, maximalen Drehmoment (M1 in Fig. 1) sowie Höchstdrehzahl (n3 in Fig. 1) für einen bestimmten Drehzahlbereich mit annähernd konstanter Antriebsleistung (P = konst. in Fig. 1) in Grenzen zu halten, bzw. zu minimieren, wird das induzierende Luftspaltfeld in der Maschine annähernd umgekehrt proportional der ansteigenden Drehzahl (bei annähernd gleichbleibendem Strombelag) geschwächt, sodaß die Klemmenspannung im theoretischen Grenzfall bis zur Höchstdrehzahl in ihrer Höhe gleichbleibt.In order to limit the power to be installed in the converter for a given maximum torque (M 1 in FIG. 1) and maximum speed (n 3 in FIG. 1) for a specific speed range with approximately constant drive power (P = constant in FIG. 1) To maintain or minimize, the inducing air gap field in the machine is weakened approximately inversely proportional to the increasing speed (with approximately the same amount of current), so that the terminal voltage in the theoretical limit case remains the same up to the maximum speed.

Ein Nachteil in Bezug auf den Energieverbrauch besteht für diese Betriebsweise darin, daß die Kupferverluste im gesamten Bereich der Feldschwächung (Drehzahlbereich konstanter Leistung) auf Höhe des Maximalwertes bleiben - auch wenn das erzeugte Drehmoment auf einen Bruchteil absinkt.A disadvantage in terms of energy consumption for this mode of operation is that the copper losses in the entire field weakening range (speed range more constant Power) remain at the maximum value - even if the torque generated is on drops a fraction.

Erfindungsgemäß kann der Energieverbrauch zufolge Maschinenverlustleistung entscheidend verringert werden, wenn ab einer Drehzahl nx (Fig. 1) die Zuordnung von Maschinenwindungsspannung und Stromrichterklemmenspannung durch zusätzliches Umschalten mit Hilfe eines (zusätzlichen) mechanischen oder elektronischen Schalters3 in Fig. 2 verändert wird, wie folgendes vereinfachte Beispiel zeigt:According to the invention, the energy consumption due to machine power loss can be decisively reduced if the assignment of the machine winding voltage and the converter terminal voltage is changed from an engine speed n x ( FIG. 1) by additional switching with the aid of an (additional) mechanical or electronic switch 3 in FIG. 2, as follows simplified example shows:

Jede Phasenwicklung einer mehrphasigen Maschine besteht nach Fig. 2 z. B. aus zwei gleichen, parallel oder in Reihe schaltbaren Teilen 1 und 2, welche im Drehzahlbereich n1 bis nx (Fig. 1) in Reihe an die Stromrichterausgangsklemmen 4 und 5 geschaltet seien, (Schalterstellung 6), wobei nx = 2 n1 beträgt; wird das Luftspaltfeld umgekehrt proportional der Maschinendrehzahl verändert, so erreicht es bei der doppelten Grunddrehzahl (2 n1) die Hälfte seines Maximalwertes. Each phase winding of a multi-phase machine is shown in FIG . B. from two identical parts 1 and 2 which can be connected in parallel or in series and which are connected in series in the speed range n 1 to n x ( FIG. 1) to the converter output terminals 4 and 5 (switch position 6 ), where n x = 2 n is 1 ; If the air gap field is changed inversely proportional to the machine speed, it reaches half of its maximum value at twice the basic speed (2 n 1 ).

Nachdem das erforderliche Drehmoment gleichfalls auf die Hälfte des Maximalwertes abgesunken ist kann der Betrieb auch in Schalterstellung 7 nach Fig. 2 erfolgen, wozu das Maschinenfeld wieder auf den Maximalwert angehoben wird: durch Wegschalten einer Wicklungshälfte werden also die Kupferverluste auf die Hälfte reduziert.After the required torque has also dropped to half the maximum value, operation can also take place in switch position 7 according to FIG. 2, for which purpose the machine field is raised again to the maximum value: by switching off one winding half, the copper losses are reduced to half.

Dieses Wegschalten von Wicklungsteilen kann im Drehzahlbereich n1 bis n3 (Fig. 1) einmal oder auch mehrmals - für viele Antriebsdrehzahlen entsprechend n1 ≦ nx ≦ n3 - erfolgen, wobei die Kupferverluste im Verhältnis n1/nx reduziert werden.This disconnection of winding parts can take place in the speed range n 1 to n 3 ( FIG. 1) one or more times - for many drive speeds corresponding to n 1 ≦ n x ≦ n 3 - the copper losses being reduced in the ratio n 1 / n x .

Darüberhinaus gibt es für bestimmte Phasenzahlen bzw. Anzahl von Wicklungsabschnitten die Möglichkeit, unter Nutzung sämtlicher Wicklungsteile durch Umschalten die Anzahl in Reihe geschalteter Wicklungselemente zu reduzieren: in obigem Beispiel werden demnach die beiden Wicklungshälften 1 und 2 bezogen auf die Stromrichterausgangsklemmen 4 und 5 (Fig. 3) für Drehzahlen bis n = nx in Reihe und darüber parallel geschaltet (Fig. 3), wodurch sich die Kupferverluste auf ein Viertel verringern (allgemein quadratisch mit dem Verhältnis n1/nx). Derselbe Effekt (wie durch das Weg- oder Umschalten der Wicklung) ergibt sich auch für den Fall, daß der Wechselrichter aus mehreren parallel oder in Reihe schaltbaren Teilstromrichtern besteht, indem die Anzahl der bezüglich der Ausgangsspannung in Reihe geschalteten Teilstromrichter bei Drehzahlen n < n1, durch Umschalten erhöht wird.In addition, for certain phase numbers or number of winding sections, there is the possibility, using all winding parts, to reduce the number of winding elements connected in series by switching: in the above example, the two winding halves 1 and 2 are therefore related to the converter output terminals 4 and 5 ( Fig. 3) for speeds up to n = n x connected in series and above in parallel ( FIG. 3), which reduces the copper losses to a quarter (generally square with the ratio n 1 / n x ). The same effect (as by switching off or switching the winding) also results in the case that the inverter consists of several partial converters which can be connected in parallel or in series, in that the number of partial converters connected in series with respect to the output voltage at speeds n <n 1 , is increased by switching.

Bei vielen Anwendungen - z. B. Fahrzeugantriebe - liegt der überwiegende Anteil an der Betriebsdauer im oberen Drehzahlbereich, in welchem die Stromwärmeverluste gemäß vorliegender Erfindung durch zusätzliches Um- oder Wegschalten von Wicklungsteilen auf einen Bruchteil reduziert und somit der Energieverbrauch erheblich gesenkt werden kann. Darüber hinaus ergibt sich durch das zusätzliche Weg- bzw. Umschalten der Vorteil, daß bei gegebenem Drehzahlbereich annähernd konstanter Leistung das Verhältnis von Maximal- zu Minimalfeld entsprechend reduziert wird und damit der Stromrichteraufwand und/oder der Aufwand für die Feldschwächung in der Maschine verringert werden kann.In many applications - e.g. B. Vehicle drives - is the predominant part of the Operating time in the upper speed range, in which the current heat losses according to present invention by additional switching or switching of winding parts reduced a fraction and thus the energy consumption can be significantly reduced. In addition, the additional switching or switching has the advantage that at given speed range of approximately constant power the ratio of maximum to Minimal field is reduced accordingly and thus the converter effort and / or Effort for weakening the field in the machine can be reduced.

Besonders vorteilhaft kann sich die Anwendung vorliegender Erfindung im Falle einer Anordnung sehr intensiver Wärmeabfuhr (z. B. Flüssigkeitskühlung in der elektrischen Maschine) auswirken:The application of the present invention can be particularly advantageous in the case of a Arrangement of very intensive heat dissipation (e.g. liquid cooling in the electrical Machine):

Gegenüber einer herkömmlichen Luftkühlung können bei gleicher Leistungsfähigkeit (Drehmoment-/Drehzahlbereich, in welchem der Antrieb betrieben werden kann) Abmessungen und Masse der Maschine verringert werden, ohne daß wegen der erhöhten Maschinenverlustleistung der Energieverbrauch im oberen Drehzahlbereich ansteigen muß.Compared to conventional air cooling, the same performance can be achieved (Torque / speed range in which the drive can be operated) Dimensions and mass of the machine can be reduced without increasing because of the Machine power loss the energy consumption must increase in the upper speed range.

Claims (12)

1. Energiesparender elektrischer Antrieb, insbesondere für Fahrzeuge bestehend aus einer, in der Größe des Luftspaltfeldes steuerbaren einphasigen oder mehrphasigen elektrischen Maschine, einer mechanischen oder elektronischen Schaltvorrichtung (Schalter) und einem Stromrichter, wobei die Maschinenwicklung aus mehreren parallel oder in Reihe schaltbaren Teilwicklungen und/oder der Stromrichter aus mehreren, bezüglich der Ausgangsspannung parallel oder in Reihe schaltbaren Teilstromrichtern besteht, dadurch gekennzeichnet, daß im Drehzahlbereich mit annähernd konstanter Antriebsleistung die Größe des Luftspaltfeldes mit zunehmender Drehzahl verringert und zusätzlich durch - vorzugsweise stromloses - Umschalten (Umgruppieren) die Zuordnung von Teilstromrichtern zu Wicklungs­ abschnitten, in einer oder mehreren Stufen, so geändert wird, daß die Anzahl in Reihe geschalteter Wicklungsabschnitte (mit konstanter Windungszahl) im Verhältnis zur Anzahl in Reihe geschalteter Teilstromrichter (mit konstanter Ausgangsspannung) mit zunehmender Drehzahl abnimmt.1.Energy-saving electric drive, in particular for vehicles, consisting of a single-phase or multi-phase electrical machine which can be controlled in the size of the air gap field, a mechanical or electronic switching device (switch) and a converter, the machine winding consisting of a plurality of partial windings which can be connected in parallel or in series and / or the converter consists of several partial converters which can be switched in parallel or in series with respect to the output voltage, characterized in that the size of the air gap field decreases with increasing speed in the speed range with approximately constant drive power and additionally by - preferably currentless - switching (regrouping) the assignment of partial converters to sections, in one or more stages, is changed so that the number of winding sections connected in series (with constant number of turns) in relation to the number of partial currents connected in series michter (with constant output voltage) decreases with increasing speed. 2. Energiesparender elektrischer Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein bestimmter Anteil von Wicklungsabschnitten mit ansteigender Drehzahl weggeschaltet (stromlos gemacht) wird.2. Energy-saving electric drive according to claim 1, characterized in that a certain portion of winding sections switched off with increasing speed (de-energized). 3. Energiesparender Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Wicklungselemente der gesamten Wicklung derart umgeschaltet werden, daß sich die Anzahl parallel geschalteter Wicklungselemente mit ansteigender Drehzahl erhöht und die Anzahl in Reihe geschalteter Wicklungselemente verringert.3. Energy-saving drive according to claim 1, characterized in that the individual Winding elements of the entire winding can be switched such that the number winding elements connected in parallel increased with increasing speed and the number in Row of switched winding elements reduced. 4. Energiesparender Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Teilstromrichter derart umgeschaltet werden, daß sich die Anzahl der in Reihe geschalteten Teilstromrichter mit steigender Drehzahl erhöht.4. Energy-saving drive according to claim 1, characterized in that the individual Partial converter can be switched so that the number of series connected Partial converter increased with increasing speed. 5. Energiesparender Antrieb nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Induktionsmaschine mit Kurzschlußläufer verwendet wird.5. Energy-saving drive according to claim 1, 2, 3 or 4, characterized in that a Induction machine with squirrel-cage rotor is used. 6. Energiesparender Antrieb nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine im Läufer elektrisch erregte Synchronmaschine verwendet wird.6. Energy-saving drive according to claim 1, 2, 3 or 4, characterized in that a electrically excited synchronous machine is used in the rotor. 7. Energiesparender Antrieb nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Reluktanzmaschine verwendet wird.7. Energy-saving drive according to claim 1, 2, 3 or 4, characterized in that a Reluctance machine is used. 8. Energiesparender Antrieb nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine dauermagneterregte Synchronmaschine verwendet wird. 8. Energy-saving drive according to claim 1, 2, 3 or 4, characterized in that a permanent magnet synchronous machine is used.   9. Energiesparender Antrieb nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß es sich um eine Maschinenausführung mit Innenläuferanordnung handelt.9. Energy-saving drive according to claim 1 to 8, characterized in that it is a machine version with an inner rotor arrangement. 10. Energiesparender Antrieb nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß es sich um eine Maschinenausführung mit Außenläuferanordnung handelt.10. Energy-saving drive according to claim 1 to 8, characterized in that it is is a machine version with external rotor arrangement. 11. Energiesparender Antrieb nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß es sich um eine Maschinenausführung mit Doppelständeranordnung handelt, welche 2 konzentrische Statoren aufweist, die einen rohrförmigen (relativ dünnwandigen) Rotor innen und außen unter Bildung jeweils eines dazwischenliegenden Luftspaltes umgeben.11. Energy-saving drive according to claim 1 to 8, characterized in that it is is a machine version with a double column arrangement, which is 2 concentric Has stators that have a tubular (relatively thin-walled) rotor inside and outside Formation of an air gap between them. 12. Energiesparender Antrieb nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschine im Ständer mit Flüssigkeit gekühlt wird.12. Energy-saving drive according to claim 1 to 11, characterized in that the Machine in the stand is cooled with liquid.
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