DE102011055137A1 - Hybrid-Synchronmaschine - Google Patents

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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02K21/00Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets
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    • H02K21/04Windings on magnets for additional excitation ; Windings and magnets for additional excitation
    • H02K21/046Windings on magnets for additional excitation ; Windings and magnets for additional excitation with rotating permanent magnets and stationary field winding
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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Abstract

Synchronmaschine (1), insbesondere Synchronmotor zum Antrieb eines Fahrzeugs, umfassend einen Stator (3) mit einer Statorwicklung, einen Rotor (5) mit Permanentmagneten (14), die einen die Statorwicklung durchsetzenden Magnetfluss erzeugen, wobei der Rotor (5) weiterhin eine Felderregerwicklung (12) umfasst, und umfassend eine berührungslose Energieübertragungseinrichtung für eine berührungslose Energieübertragung zur Energieversorgung der Felderregerwicklung (12) mit einem mit dem Rotor (5) drehfest verbundenen ersten Übertragungselement (21) und einem feststehenden zweiten Übertragungselement (22).

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft eine Synchronmaschine, insbesondere einen Synchronmotor zum Antrieb eines Fahrzeugs mit einem Stator und einem Rotor, welcher neben einem Permanentmagneten eine Felderregerwicklung umfasst. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Synchronmaschine und eine Verwendung nach den nebengeordneten Ansprüchen.
  • Stand der Technik
  • Aus dem Stand der Technik sind elektrische Maschinen bekannt, welche einen Rotor aufweisen, der mit einem Permanentmagneten bestückt ist. Solche elektrischen Maschinen bieten unter anderem den Vorteil, dass keine Übertragung von elektrischer Energie mittels Bürsten von einer feststehenden Energieversorgung auf den Rotor notwendig ist. Nachteilig an solchen Maschinen ist allerdings, dass sie nur in einem bestimmten Drehzahlbereich ohne Feldschwächung eingesetzt werden können und dass sie insbesondere einen engen Kennzahlbereich mit gutem Wirkungsgrad aufweisen. Weiterhin ist nachteilig, dass solche permanentmagnetisch erregten Synchronmaschinen im Falle eines Kurzschlusses einen Kurzschlussstrom aufweisen, welcher zur Zerstörung der Maschine führen kann. Weiterhin kann bei Anwendungen in Fahrzeugen das Kurzschlussmoment in bestimmten Fahrsituationen, beispielsweise bei schneller Fahrt, unerwünscht sein, sodass Auskupplungssysteme notwendig werden.
  • Elektrisch erregte Synchronmaschinen mit einer auf dem Rotor angebrachten Wicklung weisen den Nachteil auf, dass Schleifringe oder Bürsten notwendig sind, um die elektrische Energie auf den Rotor zu übertragen. Weiterhin können Erwärmungen verschiedener Bauteile oder äußere Beschleunigungen, z.B. Fahren über Schlaglöcher oder eine Rüttelstrecke, dazu führen, dass die Bürsten abheben. Zusätzlich ist die Kraftdichte solcher elektrisch erregten Synchronmaschinen geringer als bei permanentmagnetisch erregten Synchronmaschinen. Nachteilig sind zusätzlich der Abrieb der Bürsten und die Rotorerwärmung.
  • Asynchronmaschinen haben bei einer Anwendung in Fahrzeugen grundsätzlich das Problem einer geringen Effizienz, einer geringen Kraftdichte und einer maßgeblichen Rotorerwärmung. Reluktanzmaschinen weisen in der Regel eine noch geringere Kraftdichte auf.
  • Aus der DE 101 24 436 A1 ist ein Gleichstromantrieb bekannt, welcher eine Kombination einer permanentmagnetisch erregten und einer elektrisch erregten Synchronmaschine darstellt. So umfasst der Rotor Permanentmagneten und eine Felderregerwicklung. Unerwünscht bleibt jedoch die Notwendigkeit einer Übertragung elektrischer Energie mit Rotorschleifringen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Synchronmaschine, insbesondere einen Synchronmotor zum Antrieb eines Fahrzeugs, anzugeben, welcher die Nachteile aus dem Stand der Technik behebt oder zumindest lindert. Weiterhin ist es Aufgabe, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren anzugeben. Insbesondere soll eine im Fahrzeugbereich unproblematisch einsetzbare Synchronmaschine angegeben werden.
  • Die Aufgabe wird mit einer Synchronmaschine nach dem Anspruch 1, einem Verfahren nach dem Anspruch 9 und einer Verwendung nach dem Anspruch 13 gelöst.
  • Durch das Vorsehen einer berührungslosen Energieübertragung wird es möglich, die spezifischen Vorteile einer Kombination einer Permanenterregung mit einer elektrischen Erregung insbesondere auch im Fahrzeugbereich unproblematisch einzusetzen, da auf Bürsten oder Schleifringüberträger unter Umständen vollständig verzichtet werden kann. Es ist jedoch nicht ausgeschlossen, zusätzlich zu der berührungslosen Energieübertragungseinrichtung einen Schleifringübertrager beispielweise zur Informationsübertragung zu nutzen.
  • Durch den Einsatz der elektrischen Erregung in Kombination mit der Permanentmagneterregung ergeben sich verschiedene Vorteile, beispielweise kann das Magnetfeld des Rotors je nach Betriebssituation verstärkt oder geschwächt werden bis hin zu einer vollständigen Auslöschung des Permanentmagnetfeldes. Dies ist insbesondere vorteilhaft im Hinblick auf Kurzschlusssituationen, sodass die spezifischen Kurzschlussproblematiken der Synchronmaschine wie bspw. ein hohes Bremsmoment vermieden werden können. Vorzugsweise ist die Synchronmaschine derart ausgeführt, dass durch die elektrische Erregung mit der Statorwicklung das Luftspaltfeld der Erregung zumindest derart klein gehalten werden kann, dass ein maximal zulässiges Kurzschluss-Bremsmoment im Falle eines Kurzschlusses eingehalten wird. Die Statorwicklung ist vorzugsweise mehrsträngig ausgeführt. Dies ermöglicht die Erzeugung eines optimierten Magnetfeldes.
  • Bei bevorzugten Ausführungsformen wird die Energie für die Energieversorgung der Felderregerwicklung vollständig berührungslos übertragen. Mit dem Begriff „Energieversorgung“ ist, soweit nicht anders angegeben, auch umfasst, dass auch Energie entzogen wird. Allgemein weisen Ausführungsformen den Vorteil auf, dass durch permanentmagnetische Erregung ein hoher Wirkungsgrad und eine Kraftdichte erreicht werden. Durch eine zusätzliche positive elektrische Erregung mit der Felderregerwicklung wird der die Statorwicklung durchsetzende Magnetfluss weiter verstärkt, sodass eine noch höhere Kraftdichte ermöglicht wird, kurzzeitig sogar über das thermisch dauerhaft zulässige Maß hinaus. Dies ist insbesondere mit Ausführungsbeispielen der Erfindung unproblematisch, da eine solche positive Erregung der Felderregerwicklung im Gegensatz zu einer Permanentmagneterregung jederzeit kurzfristig wieder abschaltbar ist. Bei Fahrsituationen wie beispielsweise das Anfahren am Berg oder an einer Bordsteinkante ist diese Eigenschaft für die Anwendung im Fahrzeugbereich von großem Interesse.
  • Die permanentmagnetische Erregung ermöglicht einen Normalbetrieb mit gutem Wirkungsgrad ohne Erwärmung des Rotors. Allgemein sind die Wirkungsgrade von Ausführungsbeispielen in weiten Bereichen sehr gut, sodass größere Reichweiten mit Fahrzeugen, welche durch diese Ausführungsformen angetrieben werden, erreicht werden. Ein weiterer Vorteil im Zusammenhang mit dem Auftreten eines Kurzschlusses in der Erregerwicklung ist, dass die Maschine unter Auslassen einer Felderregung mit der Felderregerwicklung weiter betrieben werden kann, da die permanentmagnetische Erregung immer noch zur Verfügung steht. Für einen solchen Notbetrieb ist die Leistung zwar unter Umständen reduziert, allerdings ist die Möglichkeit des Notbetriebs deutlich positiver einzuschätzen als die Fahruntüchtigkeit des Fahrzeugs.
  • Weitere Vorteile der Erfindung sind, dass durch den Verzicht auf schleifende Kontakte kein Abrieb anfällt und dass eine Rotorerwärmung allenfalls geringfügig auftritt. Ausführungsformen der Erfindung kombinieren die positiven Eigenschaften einer permanentmagnetisch erregten Synchronmaschine mit den positiven Eigenschaften einer elektrisch erregten Synchronmaschine.
  • Vorzugsweise umfasst die Synchronmaschine eine berührungslose Energieübertragungseinrichtung mit einem mit dem Rotor drehfest verbundenen ersten Übertragungselement und einem feststehenden zweiten Übertragungselement, die jeweils eine Spule zur drahtlosen Energieübertragung umfassen. Die Spule eines Übertragungselements oder die Spulen beider Übertragungselemente sind vorzugsweise jeweils rotationssymmetrisch. Dies bietet den Vorteil eines einfachen Aufbaus und einer effizienten Energieübertragung. Vorzugsweise weisen die Spulen einen maximalen Abstand von maximal 2 mm und bevorzugter maximal 1 mm Abstand in Achsrichtung der Maschine auf. Ein besonders bevorzugter Bereich für den Abstand beträgt 0,2 mm bis 0,8 mm oder 0,3 mm bis 0,7 mm. Die Spulen der Übertragungselemente, d.h. die Übertragungsspulen, sind typischerweise koaxial zu der Drehachse der Synchronmaschine angeordnet. Vorzugsweise sind die Übertragungsspulen in Achsrichtung parallel zueinander angeordnet.
  • Vorzugsweise sind die Übertragungselemente mit dem Rotor in axialer Richtung in einer Reihe angeordnet. Dies bedeutet, dass in Richtung der Achse der Synchronmaschine zunächst das zweite Übertragungselement, dann das erste Übertragungselement, dann der Rotor angeordnet sind. Dies bietet den Vorteil eines kompakten Aufbaus der Synchronmaschine und die Möglichkeit, rotationssymmetrische Spulen parallel und koaxial zu der Drehachse der Synchronmaschine anzuordnen. Daneben können andere Anordnungen im Rahmen von typischen Ausführungsbeispielen sinnvoll sein.
  • Vorzugsweise umfasst die Felderregerwicklung Rotor-Spulen, welche die Permanentmagnetpole der Permanentmagnete umschließen. Vorzugsweise entspricht die Anzahl der Rotorspulen der Anzahl der Permanentmagnete. Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen ist der Rotor analog zu einer elektrisch erregten Synchronmaschine aufgebaut, wobei in die Zähne jeweils ein Permanentmagnet eingebracht wird. Der Zahn wird im Anschluss mit der elektrischen Felderregerwicklung umschlossen. Ein beispielhafter Aufbau kann der DE 101 24 436 A1 entnommen werden.
  • Bevorzugte Ausführungsformen umfassen einen Wechselrichter, welcher mit dem zweiten Übertragungselement elektrisch verbunden und eingerichtet ist, eine Wechselspannung mit einer Frequenz zu erzeugen, welche zumindest fünfmal so groß ist wie die maximale Nenndrehzahl der Maschine. Bevorzugter beträgt die Frequenz zumindest das Siebenfache der Nenndrehzahl der Maschine, oder zumindest das Zehnfache der Nenndrehzahl der Maschine. Große Faktoren zwischen der Frequenz der Wechselspannung und der Nenndrehzahl bieten den Vorteil, dass eine Rotation des Rotors mit dem ersten Übertragungselement gegenüber dem zweiten Übertragungselement eine vergleichsweise geringe Frequenz gegenüber der Übertragungsfrequenz aufweist. Auf diese Weise wird die Energieübertragung von dem zweiten Übertragungselement zu dem ersten Übertragungselement nicht oder allenfalls nur geringfügig beeinträchtigt.
  • Vorzugsweise ist der Wechselrichter feststehend ausgeführt, das heißt fest mit dem Teil der Synchronmaschine verbunden, welcher auch den Stator trägt.
  • Vorzugsweise ist der Wechselrichter dazu eingerichtet, um über die Energieübertragungseinrichtung die Felderregerwicklung positiv oder negativ zu bestromen. Dabei bedeutet der Ausdruck „positiv oder negativ zu bestromen“ vorzugsweise, dass wahlweise sowohl eine Energieentnahme von magnetischer Feldenergie über die Felderregerwicklung als auch ein Energieeintrag über die Felderregerwicklung in die Synchronmaschine möglich ist.
  • Vorzugsweise wird die Energieübertragung über die Übertragungselemente getaktet, sodass wahlweise nur positive Halbwellen, nur negative Halbwellen oder auch Zwischenwerte übertragen werden können. Dadurch wird erreicht, dass die Felderregerwicklung sowohl positiv als auch negativ, das heißt mit einem positiven Erregerstrom oder einem negativen Erregerstrom bestromt werden kann. Werden sämtliche positiven Halbwellen vollständig übertragen, so wird ein maximaler positiver Erregerstrom erreicht, werden hingegen sämtliche negative Halbwellen vollständig übertragen, wird ein maximaler negativer Erregerstrom erreicht. Durch die Taktung können Zwischenwerte übertragen werden. Bei hohen Drehzahlen wird vorzugsweise ein vergleichsweise geringer negativer Erregerstrom, allgemein ein negativer Erregerstrom verwendet, sodass die Synchronmaschine durch die Erregung der Felderregerwicklung feldgeschwächt betrieben wird. Mit konstanter Leistung sind auf diese Weise höhere Drehzahlen erreichbar. Eine geringfügige Erwärmung des Rotors kann dabei in Kauf genommen werden, da die direkte Feldschwächung deutlich effizienter ist als eine vom Stator aus betriebene Feldschwächung durch eine Speisung eines negativen d-Stroms in den Stator.
  • Vorzugsweise umfasst die Synchronmaschine eine drehfest mit dem Rotor verbundene Kontrolleinheit und eine mit der Kontrolleinheit verbundene drahtlose Schnittstelle, welche zur berührungslosen Übertragung von Informationen zu einer feststehenden Empfangseinheit oder berührungslosen Übertragung von Steuerbefehlen zu einem Steuermodul der Kontrolleinheit eingerichtet ist. Durch das Vorsehen der drahtlosen Schnittstelle und der Kontrolleinheit können verschiedene Betriebszustände der Synchronmaschine eingestellt werden, wobei auch unterschiedliche Bestromungen der Felderregerwicklung möglich sind, ohne dass Schleifringüberträger oder Ähnliches vorgesehen werden müssen.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Synchronmaschine in einer der oben beschriebenen erfindungsgemäßen oder bevorzugten Ausführungsformen, wobei die Felderregerwicklung in Abhängigkeit einer Steueranforderung oder eines Betriebszustands der Synchronmaschine bestromt wird. Vorzugsweise umfassen solche Verfahren beispielsweise, dass bei einer Feststellung eines Betriebszustandes mit einem Kurzschluss der Statorwicklung die Felderregerwicklung derart bestromt wird, dass der Magnetfluss der Permanentmagneten reduziert oder zumindest im Wesentlichen neutralisiert wird. Eine solche Bestromung kann auch als „negative Bestromung“ bezeichnet werden und hebt die Wirkung des Magnetflusses auf den Stator zumindest teilweise auf. Vorzugsweise erfolgt die Bestromung der Felderregerwicklung derart, dass ein maximal zulässiges Kurzschlussbremsmoment erreicht oder unterschritten wird. Es ist bei Ausführungsformen vorteilhaft, eine negative Bestromung bei einem Kurzschluss insbesondere in Abhängigkeit von Betriebsparametern der Synchronmaschine wie der Drehzahl oder der Temperatur der Statorwicklung vorzunehmen. Auf diese Weise ist es möglich, insbesondere die Drehmomentspitze des Kurzschlussmoments zu schwächen.
  • Vorteilhafterweise kann bei einer Steueranforderung für ein Maximalmoment die Felderregerwicklung über ein dauerhaft maximal zulässiges Maß bestromt werden. Das dauerhaft maximal zulässige Maß für eine Bestromung ergibt sich üblicherweise aus thermischen Anforderungen. Es wird ausgenutzt, dass eine kurzzeitige Überlastung beziehungsweise eine kurzzeitige Bestromung über ein dauerhaft maximal zulässiges Maß hinaus durch Wärmekapazitätseffekte aufgefangen werden. Eine solche Bestromung bietet Vorteile, da beispielsweise bei einer Bordsteinüberfahrt beim Einparken eines Fahrzeugs nur für sehr kurze Zeit, beispielsweise lediglich für maximal 5 Sekunden, ein solcher Überstrom benötigt wird. Anschließend kann die Felderregerwicklung für einen bestimmten Zeitraum, beispielsweis mindestens 10 Sekunden, unbestromt bleiben, um ein Abkühlen zu ermöglichen.
  • Vorzugsweise wird bei einer Steueranforderung für eine Drehzahl, welche über einer Grenzdrehzahl liegt, insbesondere einer Grenzdrehzahl, die mindestens 20% oder 30% der Nenndrehzahl beträgt, die Felderregerwicklung über die Energieübertragungseinrichtung negativ bestromt. Dabei bedeutet wiederum „negativ bestromt“, dass durch die Bestromung der Felderregerwicklung das Magnetfeld der Permanentmagnete reduziert wird. Dies bietet den Vorteil, dass bei höheren Drehzahlen der Antrieb mit einem geringen Energieaufwand betrieben wird, so dass der Wirkungsgrad deutlich verbessert wird.
  • Ein weiterer Aspekt betrifft die Verwendung einer Synchronmaschine in einer der oben beschriebenen erfindungsgemäßen oder bevorzugten Ausführungsformen zum Antrieb eines Fahrzeugs, insbesondere im Zusammenhang mit den beschriebenen Verfahrensmerkmalen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Ausführungsformen werden nachfolgend anhand einiger Figuren erläutert, wobei die Zeichnungen der Figuren zeigen:
  • 1 zeigt schematisch den Aufbau eines ersten Ausführungsbeispiels in einer Schnittansicht;
  • 2 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild der Ausführungsform der 1;
  • 3 zeigt beispielhaft den Aufbau eines Rotors des Ausführungsbeispiels der 1.
  • Beschreibung von Ausführungsbeispielen
  • In der 1 ist schematisch ein Ausführungsbeispiel einer Synchronmaschine 1 gezeigt. Bei der Beschreibung der 1 und der nachfolgenden Figuren werden für verschiedene Teile der Synchronmaschine 1 Bezugszeichen verwendet, wobei für gleiche Teile in den verschiedenen Figuren gleiche Bezugszeichen verwendet werden. Bei den einzelnen Figuren werden unter Umständen nicht alle Teile noch einmal erläutert.
  • Die Synchronmaschine 1 verfügt über einen ortsfesten Stator 3 und einen Rotor 5, welcher auf einer drehbar gelagerten Welle 7 angeordnet ist. Auf der Welle 7 ist weiterhin eine Kontrolleinheit 10 angeordnet, welche insbesondere dazu eingerichtet ist, eine Felderregerwicklung 12 des Rotors 5 zu bestromen. Die Felderregerwicklung 12 ist auf dem Rotor 5 gemeinsam mit Permanentmagneten 14 angeordnet, wobei der Aufbau in der 1 schematisiert dargestellt ist.
  • Weiterhin ist auf der Welle 7 ein erstes Übertragungselement 21 angeordnet, mit welchem eine Energieübertragung und ggf. eine Informationsübertragung von und zu einem zweiten Übertragungselement 22 möglich ist. Das zweite Übertragungselement 22 ist feststehend angeordnet wie der Stator 3. Das erste Übertragungselement 21 umfasst eine erste Übertragungsspule 23 und das zweite Übertragungselement 22 umfasst eine zweite Übertragungsspule 24. Die Übertragungsspulen 23 und 24 sind konzentrisch angeordnet, insbesondere auch konzentrisch zur Drehachse der Welle 7. Der axiale Abstand der Übertragungsspulen 23 und 24 beträgt 0,5 mm, wobei „axial“ sich regelmäßig auf die Longitudinalachse der Welle 7 bezieht. Durch den geringen Abstand ist es möglich, mit den beiden Übertragungsspulen 23 und 24 Energie sowohl auf den Rotor 5 zu übertragen als auch Energie von dem Rotor 5 zu entnehmen. Hierzu ist das erste Übertragungselement 21 mit der ersten Übertragungsspule 23 elektrisch mit der Kontrolleinheit 10 verbunden, welche die über die Übertragungselemente 21 und 22 übertragene Energie für eine positive oder negative Bestromung der Felderregerwicklung 12 nutzt.
  • Zusammen bilden das erste Übertragungselement 21 und das zweite Übertragungselement 22 eine Energieübertragungseinrichtung für eine berührungslose Energieübertragung zur Energieversorgung der Felderregerwicklung. Die Wicklungen der Übertragungsspulen 23 und 24 sind koaxial zu der Drehachse der Synchronmaschine beziehungsweise der Welle 7 der Synchronmaschine 1 ausgerichtet.
  • Das zweite Übertragungselement 22 und die zweite Übertragungsspule 24 sind mit einem ersten Wechselrichter 30 verbunden, welcher derart eingestellt wird, dass eine Energieübertragung über die Übertragungselemente 21 und 22 möglich ist. Weiterhin ist ein zweiter Wechselrichter 32 zur Versorgung des Stators 3 vorgesehen. Weitere Einzelheiten der Stromsteuerung und der Signalverarbeitung der Synchronmaschine 1 werden im Zusammenhang mit der 2 erläutert.
  • In der 2 ist schematisch ein Blockschaltbild der Synchronmaschine 1 der 1 gezeigt. Die Spulen des Stators 3 werden durch den zweiten Wechselrichter 32 mit Energie versorgt. Die Felderregerwicklung 12 wird ausgehend von dem ersten Wechselrichter 30 mit Energie versorgt. Dabei wird zunächst die Energie über die Übertragungsspulen 23 und 24 auf den rotierenden Teil der Synchronmaschine 1 übertragen. Dort wird die übertragene Energie auch zur Energieversorgung der Kontrolleinheit 10 verwendet. Die Kontrolleinheit 10 umfasst eine Energieversorgungseinheit 34, welche Energie zur Versorgung von Modulen der Kontrolleinheit 10 bereitstellt.
  • Mit der Energieversorgungseinheit 34 wird auch ein Steuermodul 36 mit Energie versorgt, welches Steuerbefehle an ein Leistungsmodul 38 sendet. Das Leistungsmodul 38 ist dazu eingerichtet, die Felderregerwicklung 12 zu bestromen. Dabei bedeutet der Begriff „bestromen“, dass der Felderregerwicklung 12 sowohl Energie zugeführt als auch entnommen werden kann. Das Leistungsmodul 38 ist dazu eingerichtet, die entnommene Energie über die erste Übertragungsspule 23 wieder zurück in Richtung des ersten Wechselrichters 30 zu führen oder Energie von der ersten Übertragungsspule 23 zu der Felderregerwicklung 12 gesteuert zu übertragen.
  • Das Steuermodul 36 erhält drahtlos Steuerbefehle über eine drahtlose Schnittstelle 40. Die drahtlose Schnittstelle 40 kann beispielsweise dadurch eingerichtet werden, dass den Übertragungsspulen 23 und 24 hochfrequente Signale eingeprägt werden, sodass neben der Energieübertragung auch in einem Hochfrequenzbereich die Übertragung von Steuerbefehlen möglich ist.
  • Die Kontrolleinheit 10 umfasst außerdem eine Informationsübertragungseinrichtung 42, welche über einen oder mehrere Sensoren 44 Informationen über den Rotor, wie beispielsweise die Rotorlage oder die Rotortemperatur, erfasst. Die Informationsübertragungseinrichtung 42 übermittelt diese Informationen über die drahtlose Schnittstelle 40 an eine Empfangseinheit 46, in welcher die Informationen zur Weiterverarbeitung aufbereitet werden.
  • Der Rotor typischer Ausführungsformen der Erfindung ist vorteilhafterweise aufgebaut wie ein Rotor typischer Ausführungsformen einer elektrisch erregten Synchronmaschine, wobei in die Zähne jeweils ein Permanentmagnet eingebracht ist. Die Zähne werden jeweils durch die elektrische Erregerwicklung umschlossen. In der 3 ist ein möglicher Aufbau eines Rotors im Querschnitt gezeigt.
  • In 3 ist beispielhaft der Aufbau eines Rotors schematisch im Schnitt gezeigt. Am Rotor 5 sind Permanentmagnete 14 angeordnet, welche von Leitern oder Rotor-Spulen der Felderregerwicklung 12 jeweils umschlossen sind. Weitere Information zum Aufbau eines vergleichbaren Rotors, auch zum Aufbau des Stators können der DE 101 24 436 A1 entnommen werden, wobei im Gegensatz zu der Offenbarung in dieser Schrift bei der vorliegenden Erfindung die Energieübertragung auf den Rotor vollständig berührungslos erfolgt.
  • Der Umfang der Erfindung ist nicht auf beschriebene Ausführungsbeispiele beschränkt sondern wird vielmehr durch die Ansprüche bestimmt.
  • Bezugszeichenliste
  • 1
    Synchronmaschine
    3
    Stator
    5
    Rotor
    7
    Welle
    10
    Kontrolleinheit
    12
    Felderregerwicklung
    14
    Permanentmagneten
    21
    erstes Übertragungselement
    22
    zweites Übertragungselement
    23
    erste Übertragungsspule
    24
    zweite Übertragungsspule
    30
    erster Wechselrichter
    32
    zweiter Wechselrichter
    34
    Energieversorgungseinheit
    36
    Steuermodul
    38
    Leistungsmodul
    40
    drahtlose Schnittstelle
    42
    Informationsübertragungseinrichtung
    44
    Sensor
    46
    Empfangseinheit
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 10124436 A1 [0005, 0015, 0039]

Claims (13)

  1. Synchronmaschine (1), insbesondere Synchronmotor zum Antrieb eines Fahrzeugs, umfassend: – einen Stator (3) mit einer Statorwicklung, – einen Rotor (5) mit Permanentmagneten (14), die einen die Statorwicklung durchsetzenden Magnetfluss erzeugen, – wobei der Rotor (5) weiterhin eine Felderregerwicklung (12) umfasst, gekennzeichnet durch eine berührungslose Energieübertragungseinrichtung mit einem mit dem Rotor (5) drehfest verbundenen ersten Übertragungselement (21) und einem feststehenden zweiten Übertragungselement (22) für eine berührungslose Energieübertragung zur Energieversorgung der Felderregerwicklung (12).
  2. Synchronmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungselemente (21, 22) jeweils zumindest eine Spule (23, 24) zur drahtlosen Energieübertragung umfassen.
  3. Synchronmaschine (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungen der Spulen (23, 24) koaxial zu der Drehachse der Synchronmaschine (1) angeordnet sind.
  4. Synchronmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungselemente (21, 22) mit dem Rotor (5) in axialer Richtung in einer Reihe angeordnet sind.
  5. Synchronmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Felderregerwicklung (12) Rotor-Spulen umfasst, welche die Permanentmagnetpole der Permanentmagneten umschließen.
  6. Synchronmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen mit dem zweiten Übertragungselement (22) elektrisch verbundenen Wechselrichter (30), der eingerichtet ist, eine Wechselspannung mit einer Frequenz zu erzeugen, welche zumindest fünf Mal so groß wie die maximale Nenndrehzahl der Synchronmaschine (1) ist.
  7. Synchronmaschine (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter (30) eingerichtet ist, um über die Energieübertragungseinrichtung (21, 22) die Felderregerwicklung (12) positiv und negativ zu bestromen.
  8. Synchronmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine drehfest mit dem Rotor (5) verbundene Kontrolleinheit (10) und gekennzeichnet durch eine mit der Kontrolleinheit (10) verbundene drahtlose Schnittstelle (40), welche zur berührungslosen Übertragung von Information zu einer feststehenden Empfangseinheit (46) und/oder berührungslosen Übertragung von Steuerbefehlen zu einem Steuermodul (36) der Kontrolleinheit (10) eingerichtet ist.
  9. Verfahren zum Betreiben einer Synchronmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit den Schritten: – Bestromen der Statorwicklung (3), – Bestromen der Felderregerwicklung (12) in Abhängigkeit einer Steueranforderung und/oder eines Betriebszustandes der Synchronmaschine (1).
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Feststellung eines Betriebszustandes mit einem Kurzschluss der Statorwicklung (3) die Felderregerwicklung (12) insbesondere in Abhängigkeit von Betriebsparametern der Synchronmaschine derart bestromt wird, dass der Magnetfluss der Permanentmagneten (14) reduziert und/oder zumindest im Wesentlichen neutralisiert wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Steueranforderung für ein Maximalmoment die Felderregerwicklung (12) über ein dauerhaft maximal zulässiges Maß hinaus bestromt wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Steueranforderung für eine Drehzahl, welche über einer Grenzdrehzahl liegt, die Felderregerwicklung (12) über die Energieübertragungseinrichtung (21, 22) negativ bestromt wird.
  13. Verwendung einer Synchronmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zum Antrieb eines Fahrzeugs.
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