DE102014209607A1

DE102014209607A1 - Rotor für eine Synchronmaschine

Info

Publication number: DE102014209607A1
Application number: DE102014209607.3A
Authority: DE
Inventors: Daniel Ruppert; Berthold Schinnerl; Nuno Miguel Silva Cerqueira; Christoph Sudan; Falko Friese
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2014-05-21
Filing date: 2014-05-21
Publication date: 2015-11-26
Also published as: US10862374B2; CN106105015B; WO2015176936A2; WO2015176936A3; US20170070126A1; CN106105015A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen für eine Synchronmaschine eines Kraftfahrzeuges, wobei der Rotor aufweist: eine Erregerspule (LER) zur Erzeugung eines Magnetfeldes, das für ein Rotieren des Rotors in einem Stator der Synchronmaschine notwendig ist; eine Versorgungsschaltung (1R), der Energie kontaktlos derart zugeführt werden kann, dass die Versorgungsschaltung (1R) die Erregerspule (LER) zur Erzeugung des Magnetfeldes mit der Energie versorgt; und eine Entmagnetisierungsschaltung zur Entmagnetisierung der Erregerspule, die bei Zusammenbrechen der Energieversorgung der Erregerspule (LER) einen durch die Erregerspule (LER) fließenden Strom in einen Schaltungszweig umleitet, in dem mindestens ein zur Entmagnetisierung vorgesehenes Bauelement (DZR1) angeordnet ist, wobei das mindestens eine Bauelement (DZR1) auch eine Schutzfunktion zum Schutz der Versorgungsschaltung vor einer an der Erregerspule (LER) erzeugten Induktionsspannung übernimmt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine Synchronmaschine, insbesondere für eine Synchronmaschine, die ein Kraftfahrzeug antreibt oder einen Teil eines Reichweitenverlängerers („Range extender”) bildet, sowie eine entsprechende Synchronmaschine.
Aus Umweltschutzgründen und aufgrund immer knapper werdender fossiler Brennstoffe geht in der Kraftfahrzeugindustrie der Trend dahin, Fahrzeuge zumindest zusätzlich oder auch vollständig durch eine elektrische Maschine anzutreiben.
Bei solchen elektrischen Maschinen kann es sich um fremderregte Synchronmaschinen handeln, die auf ihrem Rotor zur Erzeugung eines notwendigen Magnetfeldes eine Erregerspule tragen. Die Erregung der auf dem Rotor angeordneten Erregerspule kann bürstenlos erfolgen, indem über einen induktiven Drehübertrager (drehenden Transformator) Energie auf den Rotor übertragen wird und die Erregerspule mit der übertragenen Energie zur Erzeugung des Magnetfeldes versorgt wird. Hierbei wird auf dem Rotor eine an einer Spule erzeugte Wechselspannung durch einen Gleichrichter in eine an der Erregerspule anliegende Gleichspannung gewandelt bzw. gleichgerichtet.
Bei Abschaltung des Drehübertragers, beispielsweise bei einer Notabschaltung, ist zur Erreichung eines sicheren Zustandes eine schnelle Entregung bzw. Entmagnetisierung der Erregerspule wünschenswert. In diesem Zusammenhang ist aus dem Dokument WO 2012/123847 A2 eine fremderregte Synchronmaschine mit einer auf dem entsprechenden Rotor angeordneten Entmagnetisierungsschaltung bekannt. Die Entmagnetisierungsschaltung sorgt zwar nach Abschalten des Drehübertragers für eine schnelle Entmagnetisierung der Erregerspule, ist allerdings schaltungstechnisch aufwendig.
Die Erfinder haben erkannt, dass neben der schnellen Entmagnetisierung auch ein Schutz des Gleichrichters vor an der Erregerspule erzeugten Induktionsspannungen, die durch unerwünschte elektromagnetische Wechselwirkungen zwischen Stator und Rotor auftreten, erstrebenswert ist.
Zusätzliche Schaltungen würden aber zum einen den schaltungstechnischen Aufwand erhöhen und ließen sich zum anderen auf Grund des auf dem Rotor begrenzt zur Verfügung stehenden Platzes nur schlecht realisieren. Darüber hinaus erhöhten sich mit zusätzlichen Schaltungen auch die Kosten des Rotors im entsprechenden zunehmenden Maße.
Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der Erfindung, einen Rotor sowie eine Synchronmaschine zu schaffen, die einen zuverlässigen und robusten Betrieb einer Synchronmaschine unter geringem schaltungstechnischem Aufwand ermöglichen.
Zumindest ist es Ziel der vorliegenden Erfindung, einen zum Stand der Technik alternativen Rotor bzw. eine alternative Synchronmaschine vorzusehen.
Die vorgenannte Aufgabe wird mit einem Rotor gemäß Anspruch 1 und einer Synchronmaschine gemäß Anspruch 13 gelöst. Weitere bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Gemäß der Erfindung umfasst der Rotor eine Erregerspule zur Erzeugung eines Magnetfeldes, das für ein Rotieren des Rotors in einem Stator der Synchronmaschine notwendig ist, und eine Versorgungsschaltung, der Energie kontaktlos derart zugeführt werden kann, dass die Versorgungsschaltung die Erregerspule zur Erzeugung des Magnetfeldes mit der Energie versorgt.
Die Versorgungsschaltung beinhaltet beispielsweise eine Sekundärseite eines Induktiven Drehübertragers und einen Gleichrichter, der eine durch die Sekundärseite des Drehübertragers erzeugte Wechselspannung in eine an der Erregerspule anliegende Gleichspannung wandelt. Eine Primärseite des Drehübertragers wird am Stator, in den der erfindungsgemäße Rotor eingesetzt ist, angeordnet, wobei die zur Erregung der Erregerspule bzw. zur Erzeugung des Magnetfeldes notwendige Energie induktiv auf den Rotor übertragen bzw. der die Sekundärseite enthaltenden Versorgungsschaltung zugeführt wird.
Eine Entmagnetisierungsschaltung ist zur Entmagnetisierung der Erregerspule vorgesehen, wobei die Entmagnetisierungsschaltung bei Zusammenbrechen der Energieversorgung der Erregerspule durch die Versorgungsschaltung einen von der Erregerspule erzeugten bzw. durch die Erregerspule fließenden Strom in einen Schaltungszweig umleitet, in dem mindestens ein zur Entmagnetisierung der Erregerspule vorgesehenes Bauelement angeordnet ist, das auch eine Schutzfunktion zum Schutz der Versorgungsschaltung vor einer an der Erregerspule erzeugten Induktionsspannung übernimmt.
Da das Bauelement in dem Schaltungszweig sowohl zur Funktion der Entmagnetisierung als auch zur Funktion des Schutzes der Versorgungsschaltung vor zu hohen Induktionsspannungen beiträgt, kann der schaltungstechnische Aufwand gering gehalten werden.
Bevorzugt übernimmt das mindestens eine Bauelement die Schutzfunktion zum Schutz der Versorgungsschaltung vor der Induktionsspannung während der durch die Versorgungsschaltung übernommenen Energieversorgung der Erregerspule als auch bei/nach Zusammenbrechen der durch die Versorgungsschaltung übernommenen Energieversorgung der Erregerspule.
Weiterhin bevorzugt ist das mindestens eine Bauelement ein Bauelement, das ab einem Wert der Induktionsspannung seinen Widerstand verringert, wobei die Entmagnetisierungsschaltung eingerichtet ist, bei Zusammenbrechen der durch die Versorgungsschaltung übernommenen Energieversorgung der Erregerspule die durch die Erregerspule erzeugte Spannung bzw. die an der Erregerspule springende Spannung zu invertieren und an den Schaltungszweig derart anzulegen, dass der durch die Erregerspule fließende/erzeugte Strom durch das Bauelement fließt.
Durch das Invertieren der bei Zusammenbrechen der Energieversorgung an der Erregerspule erzeugten Spannung liegt diese Spannung mit der gleichen Polarität wie die unerwünschte Induktionsspannung an dem Bauelement an und führt zu der Verringerung des Widerstandes des Bauelements. Insoweit kann ein sehr einfaches passives uni-direktionales Bauelement, wie eine Suppressordiode, eine Zenerdiode oder auch ein Varistor sowohl zur schnelleren Entmagnetisierung als auch zum Schutz der Versorgungsschaltung bzw. des Gleichrichters dienen.
Beispielsweise weist die Entmagnetisierungsschaltung eine brückenartige Schaltung auf, die aus zwei Reihenschaltungen und der Erregerspule im Brückenzweig aufgebaut ist, wobei die zwei Reihenschaltungen jeweils aus einem mit einer Diode in Reihe geschalteten Schalter ausgebildet sind.
Die Entmagnetisierungsschaltung ist bevorzugt derart eingerichtet, dass bei Zusammenbrechen der Energieversorgung der Erregerspule die Schalter geschaltet werden und die Dioden die durch die Erregerspule erzeugte Spannung invertieren.
Das Schalten dieser Schalter führt insbesondere zu dem Umleiten des durch die Erregerspule erzeugten/fließenden Stromes in den Schaltungszweig, in dem das mindestens eine Bauelement angeordnet ist.
Die Schalter können aus Transistoren, beispielsweise aus Feldeffekt-, Bipolar- oder IGB-Transistoren (insulated gate bipolar transistors) ausgebildet sein. Bevorzugt weisen diese Transistoren antiparallele Dioden (intrinsische oder separat vorgesehene) auf, die parallel zu den entsprechenden Source-Drain-Kanälen bzw. Emitter-Kollektor-Übergängen liegen.
Das Schalten der Schalter wird im Fall von Bipolartransistoren durch Ansteuern der entsprechenden Basisanschlüsse und im Fall von Feldeffekttransistoren bzw. IGBTs durch Ansteuern der entsprechenden Gate-Anschlüsse durchgeführt.
Die Entmagnetisierungsschaltung ist bevorzugt derart eingerichtet, dass die Schalter während der Energieversorgung der Erregerspule durch die Versorgungsschaltung geschlossen sind und bei Zusammenbrechen der Energieversorgung geöffnet werden.
Durch das Öffnen der entsprechenden Schalter kann der durch die Erregerspule fließende Erregerstrom nur noch durch die Dioden fließen, wodurch die an der Erregerspule erzeugte Spannung invertiert wird und an dem Bauelement anliegt.
Bevorzugt umfasst die Entmagnetisierungsschaltung mindestens eine Treiberschaltung, die die Schalter ansteuert. Die Treiberschaltung beinhaltet eine Treiberversorgungsschaltung, der Energie – beispielsweise auch kontaktlos – derart zugeführt werden kann, dass die Treiberversorgungsschaltung einen Komparator mit Energie versorgt. In Abhängigkeit davon, ob die Treiberversorgungsschaltung den Komparator mit Energie versorgt oder die Energieversorgung durch die Treiberversorgungsschaltung zusammengebrochen ist, gibt der Komparator ein Ausgangssignal zur Ansteuerung der Schalter aus. Insoweit bildet die Energieversorgung des Komparators auch das Eingangssignal des Komparators.
Die Treiberschaltung ist beispielsweise aus einer Hilfsspule der Sekundärseite des Drehübertragers und einem der Hilfsspule zugeordneten Gleichrichter, oder auch durch einen Optokoppler aufgebaut. Das Zusammenbrechen der Energieversorgung des Komparators durch die Treiberversorgungsschaltung führt zu einem derartigen Ausgangssignal des Komparators, dass die Schalter der Entmagnetisierungsschaltung entsprechend geschaltet werden.
Bevorzugt ist die Treiberschaltung derart eingerichtet, dass die Treiberversorgungsschaltung eine Speichereinheit auflädt, die die Energieversorgung des Komparators bei Zusammenbrechen der durch die Treiberversorgungsschaltung übernommenen Energieversorgung des Komparators so lange aufrechterhält, bis der Komparator das Ausgangssignal zur Ansteuerung bzw. Schalten der Schalter ausgegeben hat.
Bevorzugt ist der Komparator aus einem Schmitt-Trigger gebildet, und sowohl die Speichereinheit als auch eine Eingangsschwelle des Schmitt-Triggers, an denen die von der Treiberversorgungsschaltung gelieferte Spannung abfällt, weisen jeweils einen Kondensator auf, wobei die Treiberschaltung derart dimensioniert ist, dass eine Zeitkonstante zum Entladen des Kondensators der Eingangsschwelle kleiner ist als eine Zeitkonstante zum Entladen des Kondensators der Speichereinheit.
Der Komparator arbeitet hierdurch zumindest solange, bis der Kondensator der Eingangsschwelle entladen ist und es zu einem Schalten der Schalter kommt.
Durch diese Ausgestaltung des Treibers wird ein überaus scharfes, schnelles und sauberes Schalten der Schalter gewährleistet.
Beispielsweise ist das mindestens eine Bauelement mindestens eine uni-direktionale Suppressordiode und/oder mindestens ein uni-direktionaler Varistor und/oder mindestens eine uni-direktionale Zenerdiode,
Bevorzugt ist das mindestens eine Bauelement aus einem Array aus Zenerdioden und/oder Suppressordioden und/oder Varistoren gebildet.
Bevorzugt ist in dem Schaltungszweig eine Vielzahl von Reihenschaltungen aus mehreren Bauelementen angeordnet, wobei die Reihenschaltungen zueinander parallel geschaltet sind.
Hierdurch wird die aufzunehmende Leistung besser auf mehrere in dem Array bzw. der Reihenschaltung vorhandenen Bauelemente verteilt.
Allerdings kann das in dem Schaltungszweig angeordnete mindestens eine Bauelement ein bi-direktionales Bauelement sein, das bei Zusammenbrechen der durch die Versorgungsschaltung übernommenen Energieversorgung ab einem Wert einer durch die Erregerspule erzeugten Spannung und ab einem Wert einer an der Erregerspule erzeugten Induktionsspannung mit umgekehrter Polarität seinen Widerstand verringert.
Bricht einerseits beispielsweise bei einer Notabschaltung der Synchronmaschine die Energieversorgung der Erregerspule zusammen, springt die durch die Erregerspule erzeugte Spannung auf einen Wert, der dem Wert entspricht, bei dem das bi-direktionale Bauelement seinen Widerstand verringert. Dies führt zu einer großen Stromänderung des durch die Erregerspule fließenden Stromes und damit zu einer schnellen Entregung bzw. Entmagnetisierung der Erregerspule.
Tritt andererseits beispielsweise eine den Wert aufweisende Induktionsspannung umgekehrter Polarität an der Erregerspule auf, die durch eine elektromagnetische Wechselwirkung zwischen Stator und Rotor bedingt ist, verringert sich der Widerstand des bi-direktionalen Bauelementes entsprechend und nimmt den durch die Erregerspule fließenden/erzeugten Strom auf. Die Versorgungsschaltung bzw. der Gleichrichter ist damit geschützt.
Beispielsweise ist das mindestens eine Bauelement mindestens eine bi-direktionale Suppressordiode und/oder mindestens ein bi-direktionaler Varistor und/oder mindestens eine bi-direktionale Zenerdiode.
Bevorzugt ist in dem Schaltungszweig eine Vielzahl von Reihenschaltungen aus mehreren bi-direktionalen Bauelementen angeordnet, wobei die Reihenschaltungen zueinander parallel geschaltet sind.
Die Entmagnetisierungsschaltung beinhaltet beispielsweise einen Schalter in Form von einem Transistor, der während der Energieversorgung der Erregerspule in seinem geschlossenen (leitenden) Zustand gehalten wird und bei Zusammenbrechen der Energieversorgung in seinen geöffneten (nicht leitenden) Zustand geschaltet wird, was zu einem Umleiten des durch die Erregerspule erzeugten bzw. durch die Erregerspule fließenden Stromes führt. Das Ansteuersignal des Transistors liefert beispielsweise eine Hilfsspule des Drehübertragers, ein dem Transistor gesondert zugeordneter Drehübertrager oder auch Optokoppler.
Die Erfindung betrifft ebenfalls eine Synchronmaschine für ein Kraftfahrzeug, welche einen im Vorhergehenden erläuterten Rotor aufweist.
Unter Bezug auf die beigefügten Figuren werden nunmehr bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung erläutert.
1 zeigt eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Rotors bzw. einer erfindungsgemäßen Synchronmaschine und die entsprechende Elektronik, die sowohl eine Funktion zur schnellen Entmagnetisierung als auch zum Schutz eines Gleichrichters übernimmt;
2 zeigt den Aufbau einer Treiberschaltung zur Ansteuerung eines Schalters einer Entmagnetisierungsschaltung sowie entsprechende Signalverläufe der Treiberschaltung.
3A zeigt schematisch einen Signalverlauf einer an einer Sekundärseite eines induktiven Drehübertragers erzeugten Wechselspannung;
3B zeigt einen Signalverlauf einer von einem Gleichrichter ausgegebenen Spannung;
3C zeigt den Signalverlauf einer Ausgangsspannung der in 1 gezeigten Treiberschaltungen; und
3D zeigt einen Signalverlauf des durch die Erregerspule fließenden Stromes;
4 zeigt schematisch eine zweite bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Rotors bzw. einer erfindungsgemäßen Synchronmaschine und die entsprechende Elektronik, die sowohl eine Funktion zur schnellen Entmagnetisierung als auch zum Schutz eines Gleichrichters übernimmt.
(erste Ausführungsform)
1 zeigt eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Rotors bzw. einer erfindungsgemäßen Synchronmaschine sowie die entsprechende Elektronik. Die Synchronmaschine ist bevorzugt in einem Kraftfahrzeug verbaut und bildet beispielsweise das Aggregat zum Antrieb des Kraftfahrzeuges oder ist Teil eines Reichweitenverlängerers („range extender”).
Die Elektronik ist insbesondere zur bürstenlosen Erregung einer auf dem Rotor angeordneten Erregerspule LER vorgesehen.
Die am Stator angeordnete Statorelektronik umfasst einen Wechselrichter 1S, der eine von einer Spannungsquelle (nicht gezeigt), beispielsweise einer Fahrzeugbatterie, gelieferte Gleichspannung, die bevorzugt in einem Bereich von 250 V bis 450 V liegt, in eine Wechselspannung wandelt/wechselrichtet.
Eine Spule L1S, die eine Primärseite eines Drehübertragers bildet, ist an den Wechselrichter 1S angeschlossen.
Auf dem Rotor der Synchronmaschine ist eine Rotorelektronik vorgesehen, die eine Versorgungsschaltung 1R mit einer Spule L1R und einem Gleichrichter 2R beinhaltet, wobei die Spule L1R die Sekundärseite des Drehübertragers bildet.
Der Gleichrichter 2R ist bevorzugt aus zwei Reihenschaltungen a zwei Dioden D1R, D4R und D2R, D3R, ergo insgesamt vier Dioden D1R bis D4R aufgebaut, wobei die rotorseitige Spule L1R zwischen den Dioden D1R, D4R und D2R, D3R an den Knoten X2, X4 an den Gleichrichter 2R angeschlossen ist. Die Kathoden der Dioden D1R und D2R sind an den Knoten X1 angeschlossen bzw. liegen auf diesem Potential. Die Anoden der Dioden D3R und D4R sind an den Knoten X3 angeschlossen bzw. liegen auf dem entsprechenden Potential. Optional kann der Gleichrichter 2R noch einen Glättungskondensator C1R aufweisen.
Der Gleichrichter 2R kann allerdings auch durch einen andersartigen Gleichrichter verwirklicht sein.
Der Versorgungsschaltung 1R kann Energie zur Versorgung und Erregung der Erregerspule LER kontaktlos (bürstenlos) zugeführt werden. Die Energie wird in der in 1 gezeigten Schaltung durch Induktion übertragen. Hierfür liegt an der statorseitigen Spule L1S – der Primärseite des Drehübertragers – eine Wechselspannung an, wobei durch den damit auftretenden Wechselstrom die Spule L1S ein sich änderndes Magnetfeld aufbaut, das die auf dem Rotor angeordnete Spule L1R – der Sekundärseite des Drehübertragers – durchsetzt. Die Änderung des durch die Spule L1S erzeugten Magnetfeldes führt zu einer Änderung der magnetischen Flussdichte des die Querschnittsfläche der Spule L1R durchsetzenden magnetischen Flusses, wodurch eine Wechselspannung U_AC1 durch Induktion an der Spule L1R bzw. an den Knoten X2, X4 anliegt auftritt.
Diese Wechselspannung U_AC1 wird durch den Gleichrichter 2R gleichgerichtet, wobei die gleichgerichtete Spannung an der Erregerspule LER in Form der gezeigten Spannung U_L abfällt und zu einem Stromfluss I_er durch die Erregerspule LER führt. Die im Folgenden noch erläuterten Transistoren T1R, T2R sind in dem normalen Betrieb, d. h. während des Betriebes des Drehübertragers bzw. während der durch die Versorgungsschaltung 1R übernommenen Energieversorgung der Erregerspule LER, in ihre geschlossenen (leitenden) Zustände, Kollektor-Emitter-Übergang leitend, geschaltet und können idealisiert als Kurzschlüsse betrachtet werden.
In dem stromdurchflossenen Zustand der Erregerspule LER erzeugt diese das Magnetfeld, das im Motorbetrieb der Synchronmaschine mit einem Drehmagnetfeld, das von den um den Rotor herum angeordneten Statorspulen L2S, L3S, L4S erzeugt wird, derart wechselwirkt, dass der Rotor rotiert und das Kraftfahrzeug antreibt. Wird die Synchronmaschine als Teil eines Reichweitenverlängerers eingesetzt, und der Rotor im Generatorbetrieb durch einen Verbrennungsmotor rotiert/angetrieben, führt das zu einer Induktion an den Statorspulen L2S, L3S, L4S und zur Erzeugung einer Ausgangswechselspannung an den Statorspulen L2S, L3S, L4S. Die Ausgangswechselspannung wird gleichgerichtet und liegt an einer Fahrzeugbatterie zum Laden der Fahrzeugbatterie an.
Die Entmagnetisierungsschaltung der Rotorelektronik weist eine aus zwei Reihenschaltungen gebildete brückenartige Schaltung 4R, eine aus Suppressordioden DZR1 aufgebaute Reihenschaltung 3R und Treiberschaltungen G1, G2 auf.
Die Reihenschaltung 3R befindet sich in einem Schaltungszweig parallel zu dem Gleichrichter 2R der Versorgungsschaltung 1R. Die Suppressordioden DZR1 liegen derart in dem Schaltungszweig, dass sie einen Stromfluss vom Knoten X1 zum Knoten X3 unterhalb einer sich aus der Reihenschaltung 3R ergebenden Durchbruchspannung sperren.
In dem normalen Betrieb der auf dem Rotor vorgesehenen Elektronik fließt durch den parallel zur Erregerspule LER liegenden Schaltungszweig im Wesentlichen kein Strom, weil sich die Transistoren T1R, T2R in geschlossenen (leitenden) Zuständen befinden und die Erregerspule LER gegenüber den Suppressordioden DZR1 einen sehr geringen Widerstand hat.
Die Erregerspule LER liegt im Brückenzweig, d. h. an den Knoten X5, X6 der brückenartigen Schaltung 4R.
Eine erste Reihenschaltung der brückenartigen Schaltung 4R umfasst eine Diode D5R und einen Transistor T1R, der bevorzugt ein IGB-Transistor ist. Die Kathode der Diode D5R liegt auf dem Potenzial des Knotens X1 und ist mit ihrer Anode an den Kollektor des Transistors T1R angeschlossen. Der Emitter des Transistors T1R liegt auf dem Potenzial des Knotens X3. Eine weitere Diode D7R ist antiparallel zwischen Kollektor und Emitter des Transistors T1R geschaltet.
Eine zweite Reihenschaltung der brückenartigen Schaltung 4R beinhaltet ebenfalls einen Transistor T2R, der bevorzugt aus einem identischen IGB-Transistor aufgebaut ist, und eine bevorzugt zu der Diode D5R identische Diode D6R. In der zweiten Reihenschaltung liegt der Kollektor des Transistors T2R auf dem Potenzial des Knotens X1 und ist mit seinem Emitter an der Kathode der Diode D6R angeschlossen. Die Anode der Diode D6R liegt auf dem Potenzial des Knotens X3. Wie auch bei dem Transistor T1R ist eine weitere Diode D8R antiparallel zwischen Kollektor und Emitter des Transistors T2R geschaltet.
Im Brückenzweig, d. h. jeweils zwischen der Diode D5R, D6R und dem entsprechenden Transistor T1R, T2R, liegt die Erregerspule LER.
Die Suppressordioden DZR1 übernehmen folgende Funktion zur schnellen Entregung bzw. Entmagnetisierung der Erregerspule LER.
Bricht die Energieversorgung der Erregerspule LER durch die Versorgungsschaltung 1R z. B. bei einer Notabschaltung des Wechselrichters 1S zusammen, ist es wünschenswert, dass sich die Erregerspule LER möglichst schnell entregt bzw. entmagnetisiert. Das Zusammenbrechen der Energieversorgung der Erregerspule LER durch die Versorgungsschaltung 1R wird, wie im Folgenden noch genauer erläutert wird, durch die Treiberschaltungen G1 und G2 erkannt. Die Treiberschaltungen G1, G2 steuern in diesem Fall die Transistoren T1R, T2R derart an, dass die Transistoren T1R, T2R schalten bzw. geöffnet werden und damit die entsprechenden Kollektor-Emitter-Kanäle ihren nichtleitenden Zustand einnehmen.
Bei Abschalten der Energieversorgung der Erregerspule LER erzeugt die Erregerspule LER bekanntermaßen aufgrund ihres Bestrebens, den Stromfluss aufrechtzuerhalten, eine Spannung umgekehrter Polarität. Da die Transistoren T1R, T2R sich in ihren geöffneten (nichtleitenden) Zuständen befinden bzw. ausgeschaltet sind, fließt der Erregerstrom I_er über die Dioden D5R, D6R, weshalb die durch die Erregerspule LER erzeugte Spannung invertiert wird und an der Reihenschaltung 3R mit der gleichen Polarität wie die der von dem Gleichrichter 2R während der Energieversorgung ausgegebenen Spannung U_zk anliegt. Die Erregerspule LER erzeugt eine Spannung mit einem solchen Wert, der dem Wert der Durchbruchspannung der Reihenschaltung 3R entspricht. Mit dieser Spannung geht eine große Stromänderung des durch die Erregerspule LER fließenden Stromes I_er einher, weshalb es zu einer schnellen Entmagnetisierung bzw. Entregung der Erregerspule LER kommt. Insoweit wird durch das Schalten der Transistoren T1R, T2R der Erregerstrom in den Spannungszweig, in dem sich die Suppressordioden DZR1 befinden, umgeleitet. Die Entmagnetisierung der Erregerspule LER ist wesentlich schneller gegenüber derselben Rotorelektronik ohne Entmagnetisierungsschaltung, bei der die Zeitkonstante, mit der der Strom durch die Erregerspule LER abklingt, nur durch die sehr geringen Durchlasswiderstände der in Durchlassrichtung gepolten Dioden D1R bis D4R und den ohmschen Widerstand der Erregerspule LER bestimmt würde.
Darüber hinaus übernehmen die Suppressordioden DZR1 noch folgende Schutzfunktion.
Im Normalbetrieb – während des Betriebes des Drehübertragers bzw. der Energieversorgung der Erregerspule durch die Versorgungsschaltung 1R – befinden sich die Transistoren T1R, T2R in einem geschlossenen Zustand, in dem die Kollektor-Emitter-Übergänge der Transistoren sich in ihren leitenden Zuständen befinden und idealisiert als Kurzschlüsse betrachtet werden können. Ein Erregerstrom I_er fließt während des Normalbetriebes durch die Erregerspule LER, wodurch diese ein für eine Rotation des Rotors notwendiges Magnetfeld aufbaut.
Werden während des Betriebes der Synchronmaschine die Statorspulen L2S, L3S, L4S derart angesteuert, dass es zu einer starken Änderung des Drehmagnetfeldes kommt, kann an der Erregerspule LER durch Induktion eine so starke Induktionsspannung entstehen, dass der Gleichrichter 2R – ohne zusätzliche Schutzmaßnahmen – geschädigt würde. Selbiges kann bei starken elektrischen Rückwirkungen auf die Statorspulen im Generatorbetrieb auftreten. Eine solche Induktionsspannung hat eine umgekehrte Polarität zu der bei Entmagnetisierung an der Erregerspule erzeugten Spannung.
Sollte eine solche Induktionsspannung auftreten, ist es notwendig, den die Erregerspule LER versorgenden Gleichrichter 2R vor einer Schädigung zu schützen. Hierfür ist die Reihenschaltung 3R, die parallel zu der Erregerspule LER liegt, ebenfalls vorgesehen. Übersteigt der Wert einer an der Erregerspule LER erzeugten Induktionsspannung den Wert einer sich aus der Reihenschaltung 3R der Suppressordioden DZR1 ergebenden Durchbruchspannung, brechen die Suppressordioden DZR1 durch und nehmen den entsprechenden Strom auf. Der Gleichrichter 2R ist hierdurch folglich vor einer Schädigung durch die Induktionsspannung geschützt.
Wie aus dem Vorhergehenden ersichtlich wird, dient die Reihenschaltung 3R sowohl zum Schutz der Versorgungsschaltung 1R als auch zur Entmagnetisierung bzw. Entregung der Erregerspule LER. Insoweit kann eine Entmagnetisierungsschaltung geschaffen werden, die gleichzeitig mehrere Funktionen übernimmt, ohne dass zusätzlicher Schaltungsaufwand entsteht.
Wie in 1 gezeigt ist, weisen die Transistoren T1R, T2R die antiparallelen Dioden D7R, D8R auf. Wenn sich die Transistoren T1R, T2R in ihren offenen Zuständen während der Entmagnetisierung der Erregerspule LER befinden, schützt die aus den Suppressordioden aufgebaute Reihenschaltung 3R ebenfalls die Versorgungsschaltung 1R vor einer zu hohen Induktionsspannung, ohne dass die Gefahr besteht, dass die Induktionsspannung die brückenartige Schaltung 4R selbst schädigt. Tritt nämlich während der Entmagnetisierung bzw. Entregung der Erregerspule LER eine Induktionsspannung an der Erregerspule LER auf, kann der entsprechende Strom über die antiparallelen Dioden D7R, D8R in Richtung der Suppressordioden DZR1 fließen, ohne dass die Gefahr einer Schädigung der Elemente der brückenartigen Schaltung 4R besteht.
Zur Erkennung, ob die Energieversorgung der Erregerspule LER durch die Versorgungsschaltung 1R zusammenbricht oder nicht, sind die Treiberschaltungen G1, G2 an Hilfsspulen L2R, L3R der Versorgungsschaltung 1R, die zur Sekundärseite des Drehüberträgers gehören, angeschlossen. Durch diese Hilfsspulen L2R, L3R kann wie auch bei der Spule L1R Energie zur Versorgung der Treiberschaltungen G1, G2 auf den Rotor kontaktlos (bürstenlos) übertragen werden.
Unter Bezug auf 2 wird nunmehr der genaue Aufbau der in 1 gezeigten Treiberschaltung G2 erläutert. Die Treiberschaltung G1 ist bevorzugt identisch aufgebaut.
Die Treiberschaltung G2 beinhaltet eine Treiberversorgungsschaltung 1T, die aus der Hilfsspule L2R und einem Gleichrichter aufgebaut ist. Wie bereits erwähnt, kann dieser Treiberversorgungsschaltung 1T induktiv Energie derart zugeführt werden, dass die Treiberversorgungsschaltung 1T die Treiberschaltung mit Energie versorgt. Der Gleichrichter ist wie auch der Gleichrichter 2R aus vier Dioden D1T–D4T aufgebaut, wobei die Hilfsspule L2R zwischen den Dioden angeschlossen ist. Die Hilfsspule L2R liefert eine Wechselspannung U_AC2, die durch den Gleichrichter gleichgerichtet wird. Der Gleichrichter kann auch andersartig aufgebaut sein. Wie erwähnt, ist die Treiberschaltung G1 identisch aufgebaut. Unterschied ist lediglich, dass die Treiberschaltung G1 an die Hilfsspule L3R angeschlossen ist und durch die entsprechende Wechselspannung U_AC3 versorgt/angesteuert wird.
Zum Schutz der Treiberschaltung G2 vor einer zu hohen von dem Gleichrichter ausgegebenen Spannung ist eine Schutzdiode D5T in Form von einer Zenerdiode, an der die vom Gleichrichter ausgegebene Spannung über eine weitere Diode D6T anliegt, vorgesehen. Übersteigt die von dem Gleichrichter ausgegebene Spannung die Durchbruchspannung der Zenerdiode D5T, bricht diese durch und schützt die Treiberschaltung G2 vor einer Schädigung.
Parallel zu der Zenerdiode D5T liegt ein Speicherkondensator C1T, der so viel Energie speichert, dass nach Zusammenbrechen der von der Treiberversorgungsschaltung 1T gelieferten Spannung das Arbeiten der Treiberschaltung für eine bestimmte Zeit aufrechterhalten wird.
Neben den erläuterten Schaltungselementen beinhaltet die Treiberschaltung G2 darüberhinaus einen Komparator 3T in Form eines Schmitt-Triggers, dessen Ausgang an eine Treiberstufe 4T in Form einer – Push-Pull-Stufe angeschlossen ist.
Eine Eingangsschwelle 2T des Schmitt-Triggers 3T ist durch eine Diode D7T, einem aus Widerständen R1T, R2T gebildeten Spannungsteiler und einem weiteren Kondensator C2T aufgebaut. Während des Normalbetriebes, d. h. während der Versorgung der Treiberschaltung G2 durch die Treiberversorgungsschaltung 1T liegt an der Eingangsschwelle 2T die von dem Gleichrichter ausgegebene Gleichspannung an. Hierbei werden der Kondensator C1T und nach Durchbruch der Zenerdiode D7T der Kondensator C2T aufgeladen, wodurch der Schmitt-Trigger 3T die Treiberstufe 4T derart ansteuert, dass eine an dem Gate-Anschluss des Transistors T2R anliegende Ausgangsspannung U_G1 den Transistor T2R in seinen geschlossenen (leitenden) Zustand schaltet.
2 zeigt ebenfalls den Spannungsverlauf der von der Hilfsspule L2R gelieferten Wechselspannung U_AC2, die durch den Gleichrichter gleichgerichtet wird, und den Signalverlauf der den Schalter T2R ansteuernden Ausgangsspannung U_G1 der Treiberschaltung G2. Die Signalverläufe sind in der Treiberschaltung G1 identisch.
Die von der Hilfsspule L2R gelieferte Wechselspannung U_AC1 hat einen periodischen Verlauf mit einer bevorzugten Frequenz in einem Bereich von 10 bis 50 kHz und liegt an dem Gleichrichter an.
Wie den Signalverläufen aus 2 entnommen werden kann, hat die an dem Gate-Anschluss des Transistors T2R anliegende und den Transistor ansteuernde Ausgangsspannung U_G1, solange wie die Energieversorgung der Treiberschaltung aufrecht erhalten wird, einen solchen Wert, dass der Transistor T2R sich in seinem geschlossenen Zustand (Kollektor-Emitter-Übergang leitend) befindet.
Bricht die Energieversorgung der Treiberschaltung G2 zusammen, schaltet der Transistor T2R nach einer kurzen Verzögerungszeit in der Größenordnung von wenigen, insbesondere ein bis zwei, Perioden der von der Hilfsspule L2R gelieferten Wechselspannung U_AC2 in seinen geöffneten Zustand (Kollektor-Emitter-Übergang nichtleitend). Die Dauer für diesen Schaltvorgang liegt folglich in einem Bereich von 20 μs bis 200 μs und ist wesentlich kürzer als die Zeitkonstante zur Entmagnetisierung der Erregerspule LER über den Gleichrichter. Der Schaltvorgang wird im Folgenden genauer erläutert.
Die von dem Gleichrichter ausgegebene Gleichspannung liegt über die Diode D6T an dem Speicherkondensator C1T an und lädt diesen während der Energieversorgung der Treiberschaltung G2 auf.
Wie aus 2 ersichtlich ist, bildet die von dem Gleichrichter ausgegebene Gleichspannung nicht nur die Versorgungsspannung der Treiberschaltung G2, sondern auch das Eingangssignal der Eingangsschwelle 2T.
Bricht die Energieversorgung der Treiberschaltung G2 und damit die von dem Gleichrichter gelieferte Gleichspannung zusammen, ändert sich folglich unmittelbar das Eingangssignal der Eingangsschwelle 2T.
Die Diode D6T verhindert, dass die von dem Speicherkondensator C1T gelieferte Spannung an der Eingangsschwelle 2T anliegt.
Der Schmitt-Trigger 3T ist bevorzugt ein nicht-invertierender Schmitt-Trigger, wobei die über den Kondensator C2T abfallende Spannung an einem nicht-invertierenden Eingang eines dem Schmitt-Trigger 3T zugehörenden Operationsverstärkers anliegt.
Solange die Energieversorgung der Treiberschaltung G2 aufrechterhalten bleibt und sich der Kondensator C2T in einem geladenen Zustand befindet, gibt der Operationsverstärker ein entsprechendes Ausgangssignal aus, das über die Push-Pull-Treiberstufe 4T dem Gate-Anschluss des Transistors T2R zugeführt wird und den Transistor T2R ansteuert.
Bei Zusammenbrechen der Energieversorgung des Treibers G2 entlädt sich der Kondensator C2T sehr schnell, was zu einer überaus schnellen Änderung des Ausgangssignals des Operationsverstärkers und zum Ansteuern bzw. Schalten des Transistors T2R führt. Der Speicherkondensator C1T hält die Energieversorgung des Treibers G2 solange aufrecht, bis der Transistor T2R geschaltet hat. Die Eingangsschwelle 2T ist durch geeignete Auswahl der Widerstände R1T, R2T und des Kondensators C2T so dimensioniert, dass die Zeitkonstante zur Entladung des Kondensators C2T in der Größenordnung von wenigen, insbesondere ein bis zwei, Perioden (20 μs bis 200 μs) der von der Hilfsspule L2R gelieferten Wechselspannung UAC2 liegt und gleichzeitig kleiner ist als eine Zeitkonstante zur Entladung des Speicherkondensators C1T.
Wie bereits erwähnt, sind beide Treiberschaltungen G1, G2 Identisch, wobei die Treiberschaltung G1 von der die Wechselspannung U_AC3 liefernden Hilfsspule L3R angesteuert bzw. gespeist wird.
Unter Bezug auf 3A–3D werden im Folgenden noch verschiedene Signalverläufe erläutert.
3A zeigt den Signalverlauf der von der Spule L1R gelieferten Wechselspannung U_AC1. Die in 3A gezeigte Wechselspannung bricht zum Zeitpunkt t1 zusammen.
Wie aus 3B ersichtlich ist, gibt der Gleichrichter 2R bis zu dem Zeitpunkt t1 eine der Wechselspannung U_AC1 entsprechende Gleichspannung aus, die eine gewisse durch den Glättungskondensator C1R gemilderte Welligkeit aufweist.
3C zeigt die Ansteuerspannungen der Transistoren T1R, T2R; und 3D zeigt den durch die Erregerspule fließenden Strom I_er.
Bricht die Energieversorgung der Rotorelektronik zum Zeitpunkt t1 zusammen, wird dies durch die Hilfsspulen L2R, L3R und die entsprechenden Treiberschaltungen G1, G2 erkannt. Wie bereits unter Bezug auf 2 erläutert wurde, beträgt die Zeit zur Erkennung des Zusammenbruches der Energieversorgung nur wenige Perioden der Wechselspannung U_AC1 bzw. U_AC2, U_AC3. Das wird auch durch 3C ersichtlich, wonach nach Ablauf dieser Zeit die die Transistoren ansteuernden Spannungen U_G1, U_G2 auf null Volt abgesunken sind.
Die an der Erregerspule LER erzeugte und springende Spannung liegt, wie unter Bezug auf 1 erläutert, nach Schalten der Transistoren T1R, T2R an der aus den Suppressordioden DZR1 gebildeten Reihenschaltung 3R an. Aufgrund des Bestrebens der Erregerspule LER, den Erregerstrom aufrechtzuerhalten, erhöht sich die durch die Erregerspule LER erzeugte Spannung so weit, bis sie einen Wert der Durchbruchspannung der Reihenschaltung 3R erreicht. Dies wird durch den Signalverlauf aus 3B zwischen den Zeitpunkten t2 und t3 ersichtlich. Mit dieser Spannungserhöhung geht eine schnelle Stromänderung des durch die Erregerspule LER fließenden Stromes I_er einher, was wiederum aus 3D ersichtlich ist. Die starke Stromänderung des Erregerstromes I_er ist gleichbedeutend mit einer schnellen Entregung bzw. Entmagnetisierung der Erregerspule LER.
(zweite Ausführungsform)
4 zeigt schematisch eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Rotors und einer erfindungsgemäßen Synchronmaschine sowie eine entsprechende Elektronik.
Elemente, die mit solchen der ersten bevorzugten Ausführungsform identisch sind, haben identische Bezugszeichen und werden nicht nochmals erläutert.
Die in 4 gezeigte Wechselspannung U_AC1 wird durch den Gleichrichter 2R gleichgerichtet, wobei die gleichgerichtete Spannung an der Erregerspule LER in Form der gezeigten Spannung U_L abfällt und zu einem Stromfluss durch die Erregerspule LER führt.
Der im Folgenden noch erläuterte Transistor T1R' ist in dem normalen Betrieb, d. h. während des Betriebes des Drehübertragers bzw. während der durch die Versorgungsschaltung 1R übernommenen Energieversorgung der Erregerspule LER, in seinen geschlossenen Zustand (Kollektor-Emitter-Übergang leitend) geschaltet und kann idealisiert als Kurzschluss betrachtet werden.
In dem stromdurchflossenen Zustand der Erregerspule LER erzeugt diese das Magnetfeld, das im Motorbetrieb der Synchronmaschine mit einem Drehmagnetfeld, das von den um den Rotor herum angeordneten Statorspulen L2S, L3S, L43 (in 4 nicht gezeigt) erzeugt wird, derart wechselwirkt, dass der Rotor rotiert und das Kraftfahrzeug antreibt. Wird die Synchronmaschine als Teil eines Reichweitenverlängerers eingesetzt, und der Rotor im Generatorbetrieb durch einen Verbrennungsmotor rotiert/angetrieben, führt das zu einer Induktion an den Statorspulen und zur Erzeugung einer Ausgangswechselspannung an den Statorspulen. Die Ausgangswechselspannung wird gleichgerichtet und liegt an einer Fahrzeugbatterie zum Laden der Fahrzeugbatterie an.
Die auf dem Rotor angeordnete Schaltung umfasst eine Entmagnetisierungsschaltung, die beispielsweise bei einer Notabschaltung für eine schnelle Entmagnetisierung der Erregerspule LER sorgt. Die Entmagnetisierungsschaltung weist eine Vielzahl von bi-direktionalen Suppressordioden 3R', die in einem parallel zu der Erregerspule LER liegenden Schaltungszweig angeordnet sind, den Transistor T1R' und eine Treiberschaltung 4R' auf.
Der Transistor T1R', der bevorzugt ein IGBT ist oder aber auch ein Feldeffekttransistor oder Bipolartransistor sein kann, wird von der Treiberschaltung 4R' angesteuert, wobei die Treiberschaltung 4R' hierfür die Hilfsspule L2R, einen Gleichrichter und einen Spannungsteiler aufweist.
Wie die Spule L1R erzeugt auch die Hilfsspule L2R durch Induktion eine Wechselspannung, die durch den Gleichrichter gewandelt/gleichgerichtet wird. Die Hilfsspule L2R ist an den Knoten X5, X6 angeschlossen. Bei dem Gleichrichter handelt es sich in diesem Fall um einen einfachen Einweggleichrichter mit einer Diode D5R' und einem Glättungskondensator C1R'. Die gleichgerichtete Spannung liegt über den aus Widerständen R1R, R2R gebildeten Spannungsteiler zur Ansteuerung des Transistors T1R' an dem entsprechenden Gate-Anschluss an. Die anliegende Gleichspannung schaltet den Transistor T1R' in seinen geschlossenen Zustand, in dem der Kollektor-Emitter-Übergang leitend ist. Die Treiberschaltung 4R' ist lediglich bevorzugt so aufgebaut und kann bei Bedarf auch anders ausgestaltet werden. Beispielsweise kann die Hilfsspule L2R weggelassen werden und die Wechselspannung mit an der Spule L1R abgegriffen werden. Darüber hinaus könnte das Ansteuersignal des Transistors T1R' optisch zwischen Stator und Rotor übertragen werden.
Die Entmagnetisierungsschaltung umfasst weiterhin auch die erwähnten in Reihe geschalteten bidirektionalen Suppressordioden DZR1', die in dem parallel zur Erregerspule LER liegenden Schaltungszweig angeordnet sind. Die bi-direktionalen Suppressordioden DZR1' sperren in beiden Richtungen, solange nicht eine über den Suppressordioden DZR1' abfallende Spannung einer bestimmten Durchbruchspannung entspricht.
Für die Entmagnetisierung ist lediglich die Sperrwirkung der bi-direktionalen Suppressordioden DZR1' bezüglich eines Stromflusses vom Knoten X3 zum Knoten X1 von Bedeutung.
In dem normalen Betrieb der auf dem Rotor vorgesehenen Elektronik fließt durch den parallel zur Erregerspule LER liegenden Schaltungszweig im Wesentlichen kein Strom, weil sich der Transistor T1R' in seinem geschlossenen (leitenden) Zustand befindet und die Erregerspule LER gegenüber den Suppressordioden DZR1 einen sehr geringen Widerstand hat.
Wie aus der 4 ersichtlich ist und im Folgenden erläutert wird, lässt sich der durch die Erregerspule LER fließende Strom I_er durch Schalten des Transistors T1R' in den zu der Erregerspule LER parallel liegenden Schaltungszweig umleiten.
Wird beispielsweise bei einem Unfall die Spannungsversorgung durch die Fahrzeugbatterie, beispielsweise durch Absprengen einer ihrer Klemmen, unterbrochen, bricht die Wechselspannung U_AC1 an der Hilfsspule L2R und damit die Gleichspannung an dem Transistor T1R' zusammen. Der Transistor T1R' geht hierdurch in den geöffneten (nichtleitenden) Zustand über, das heißt der Kollektor-Emitter-Übergang des Transistors T1R' sperrt.
Durch das Schalten des Transistors T1R' wird der Stromfluss durch die Erregerspule LER unterbrochen, weshalb sich die Spannung an der Erregerspule LER aufgrund des Bestrebens der Erregerspule LER, den Stromfluss aufrechtzuerhalten, umkehrt und sprungartig erhöht. Aufgrund der Sperrwirkung der bi-direktionalen Suppressordioden DZR1' und dem damit verbundenen anfänglichen hohen Widerstand erhöht sich die Spannung an der Erregerspule LER sprungartig bis zu einem solchen Wert, der dem Wert der sich aus der Reihenschaltung der Suppressordioden DZR1' ergebenden Durchbruchspannung entspricht und bei dem es zu einem Durchbruch der Suppressordioden DZR1' kommt. Gleichermaßen erhöht sich mit dem Anstieg der von der Erregerspule LER erzeugten Spannung der Betrag der Änderung des durch die Erregerspule LER fließenden Stromes I_er. Anders ausgedrückt ist durch die Suppressordioden DZR1' die Zeitkonstante, mit der der Strom durch die Erregerspule abklingt, sehr klein. Folge ist eine schnellere Entmagnetisierung der Erregerspule LER gegenüber derselben Schaltung ohne Entmagnetisierungsschaltung, bei der die Zeitkonstante, mit der der Strom durch die Erregerspule LER abklingt, durch die sehr geringen Durchlasswiderstände der in Durchlassrichtung gepolten Dioden D1R bis D4R und den ohmschen Widerstand der Erregerspule LER bestimmt wird.
Neben der für die Entmagnetisierung erläuterten Funktion übernehmen die Suppressordioden DZR1 auch eine im Folgenden erläuterte Schutzfunktion zum Schutz der Versorgungsschaltung 1R bzw. des Gleichrichters 2R vor einer zu hohen an der Erregerspule LER erzeugten Induktionsspannung. Die bidirektionalen Suppressordioden DZR1' sind, wie erläutert, auch bezüglich der durch den Gleichrichter 2R erzeugten Gleichspannung in Sperrrichtung gepolt, so dass es bei bestimmungsgemäßer Erzeugung der Gleichspannung durch den Gleichrichter 2R zu keinem Stromfluss durch die Suppressordioden DZR1' kommt.
Werden während des Betriebes der Synchronmaschine die Statorspulen (in 4 nicht gezeigt) derart angesteuert, dass es zu einer starken Änderung des Drehmagnetfeldes kommt, kann an der Erregerspule LER durch Induktion eine so starke Induktionsspannung entstehen, dass der Gleichrichter 2R – ohne zusätzliche Schutzmaßnahmen – geschädigt würde. Selbiges kann bei starken elektrischen Rückwirkungen auf die Statorspulen im Generatorbetrieb auftreten. Eine solche Induktionsspannung hat eine umgekehrte Polarität zu der bei Entmagnetisierung an der Erregerspule erzeugten Spannung.
Zur Verhinderung einer Schädigung des Gleichrichters 2R sind die bi-direktionalen Suppressordioden DZR1 mit ihrer Sperrwirkung bezüglich eines Stromes vom Knoten X1 zum Knoten X3 vorgesehen. Nimmt die an der Erregerspule LER erzeugte Induktionsspannung einen solchen Wert an, der dem Wert der sich aus der Reihenschaltung der Suppressordioden DZR1' ergebenden Durchbruchspannung entspricht, brechen die Suppressordioden DZR1' durch und nehmen den durch die Erregerspule erzeugten bzw. durch die Erregerspule fließenden Strom auf.
Der Gleichrichter wird somit entlastet und vor Schädigungen geschützt. Die durch die Suppressordioden DZR1' aufgenommene Energie wird in Wärme umgewandelt und an die Umgebung abgegeben. Nimmt die an der Erregerspule LER erzeugte Induktionsspannung bei Abklingen der Änderung des Drehmagnetfeldes ab, sperren die Suppressordioden DZR1' wieder und die gesamte Rotorschaltung kehrt in ihren normalen Betrieb zurück.
In beiden bevorzugten Ausführungsformen ist in dem zu der Erregerspule LER parallel liegenden Schaltungszweig bevorzugt eine Reihenschaltung aus uni-direktionalen oder bi-direktionalen Suppressordioden DZR1 vorgesehen, allerdings können auch Reihenschaltungen beispielsweise aus uni-/bi-direktionalen Zenerdioden oder uni-/bi-direktionalen Varistoren verwendet werden.
Ganz bevorzugt werden die (bi)direktionalen Bauelemente, d. h. Suppressordioden, Zenerdioden oder Varistoren, in einem Array aus einer Vielzahl von parallelen Reihenschaltungen à n Bauelementen zu einer Baugruppe zusammengefasst.
Wie aus den obigen Erläuterungen verständlich wird, kann neben der Funktion zur schnelleren Entmagnetisierung noch eine Schutzfunktion realisiert werden, ohne dass sich der schaltungstechnische Aufwand erhöht.
Gegenüber einer Rotorelektronik, bei der die Entmagnetisierungsschaltung und eine Schutzschaltung zum Schutz der Versorgungsschaltung vor einer Induktionsspannung getrennt voneinander realisiert würden, wird eine erhebliche Platzersparnis und eine erhebliche Reduzierung des Bestückungsaufwands bzw. der Anzahl notwendiger Bauteile erzielt.
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

WO 2012/123847 A2 [0004]

Claims

Rotor für eine Synchronmaschine eines Kraftfahrzeuges, wobei der Rotor aufweist: eine Erregerspule (LER) zur Erzeugung eines Magnetfeldes, das für ein Rotieren des Rotors in einem Stator der Synchronmaschine notwendig ist; eine Versorgungsschaltung (1R), der Energie kontaktlos derart zugeführt werden kann, dass die Versorgungsschaltung (1R) die Erregerspule (LER) zur Erzeugung des Magnetfeldes mit der Energie versorgt; und eine Entmagnetisierungsschaltung zur Entmagnetisierung der Erregerspule, die bei Zusammenbrechen der Energieversorgung der Erregerspule (LER) einen durch die Erregerspule (LER) fließenden Strom in einen Schaltungszweig umleitet, in dem mindestens ein zur Entmagnetisierung vorgesehenes Bauelement (DZR1) angeordnet ist, wobei das mindestens eine Bauelement (DZR1) auch eine Schutzfunktion zum Schutz der Versorgungsschaltung vor einer an der Erregerspule (LER) erzeugten Induktionsspannung übernimmt.
Rotor gemäß Anspruch 1, wobei das mindestens eine Bauelement (DZR1) die Schutzfunktion zum Schutz der Versorgungsschaltung vor der Induktionsspannung während der durch die Versorgungsschaltung (1R) übernommenen Energieversorgung der Erregerspule (LER) als auch bei/nach Zusammenbrechen der durch die Versorgungsschaltung (1R) übernommenen Energieversorgung der Erregerspule (LER) übernimmt.
Rotor gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das mindestens eine Bauelement (DZR1) ein Bauelement ist, das ab einem Wert der Induktionsspannung seinen Widerstand verringert; und die Entmagnetisierungsschaltung eingerichtet ist, bei Zusammenbrechen der Energieversorgung der Erregerspule (LER) durch die Versorgungsschaltung die durch die Erregerspule (LER) erzeugte Spannung zu invertieren und an den Schaltungszweig derart anzulegen, dass der durch die Erregerspule (LER) erzeugte Strom durch das Bauelement (DZR1) fließt.
Rotor gemäß Anspruch 3, wobei die Entmagnetisierungsschaltung eine brückenartige Schaltung, die aus zwei Reihenschaltungen und der Erregerspule (LER) im Brückenzweig aufgebaut ist, aufweist, wobei die zwei Reihenschaltungen jeweils aus einem mit einer Diode (D5R, D6R) in Reihe geschalteten Schalter (T1R, T2R) ausgebildet sind; und die Entmagnetisierungsschaltung derart eingerichtet ist, dass bei Zusammenbrechen der Energieversorgung der Erregerspule (LER) durch die Versorgungsschaltung (1R) die Schalter (T1R, T2R) geschaltet werden und die Dioden (D5R, D6R) die durch die Erregerspule (LER) erzeugte Spannung invertieren.
Rotor gemäß Anspruch 4, wobei die Entmagnetisierungsschaltung derart eingerichtet ist, dass die Schalter (T1R, T2R) während der Energieversorgung der Erregerspule (LER) durch die Versorgungsschaltung (1R) geschlossen sind und bei Zusammenbrechen der Energieversorgung geöffnet werden.
Rotor gemäß einem der Ansprüche 4 oder 5, wobei die Entmagnetisierungsschaltung mindestens eine Treiberschaltung (G1, G2) aufweist, die die Schalter (T1R, T2R) ansteuert; wobei die Treiberschaltung (G1, G2) eine Treiberversorgungsschaltung (1T) aufweist, der Energie derart zugeführt werden kann, dass die Treiberversorgungsschaltung (1T) einen Komparator (3T) mit Energie versorgt, und der Komparator (3T) in Abhängigkeit davon, ob die Treiberversorgungsschaltung (1T) den Komparator (3T) mit Energie versorgt oder die Energieversorgung durch die Treiberversorgungsschaltung (1R) zusammengebrochen ist, ein Ausgangssignal zur Ansteuerung der Schalter (T1R, T2R) ausgibt.
Rotor gemäß Anspruch 6, wobei die Treiberschaltung (G1, G2) derart eingerichtet ist, dass die Treiberversorgungsschaltung (1T) eine Speichereinheit auflädt, die bei Zusammenbrechen der Energieversorgung des Komparators (3T) durch die Treiberversorgungsschaltung (1T) die Energieversorgung des Komparators (3T) solange aufrechterhält, bis der Komparator (3T) das Ausgangssignal zur Ansteuerung der Schalter (T1R, T2R) ausgegeben hat.
Rotor gemäß einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei der Komparator (3T) ein Schmitt-Trigger ist, und sowohl die Speichereinheit einen Kondensator (C1T) als auch eine Eingangsschelle (2T) des Schmitt-Triggers einen Kondensator (C2T) aufweist, wobei die Treiberschaltung (G1, G2) derart dimensioniert ist, dass eine Zeitkonstante zum Entladen des Kondensators (C2T) der Eingangsschwelle (2T) kleiner ist als eine Zeitkonstante zum Entladen des Kondensators (C1T) der Speichereinheit.
Rotor gemäß Anspruch 8, wobei das mindestens eine Bauelement aus einer Vielzahl von Reihenschaltungen aus Zenerdioden und/oder Suppressordioden und/oder Varistoren gebildet ist und die Reihenschaltungen zueinander parallel geschaltet sind.
Rotor gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der Schaltungszweig parallel zu der Erregerspule liegt und das mindestens eine Bauelement ein bi-direktionales Bauelement (DZR1') ist, das bei Zusammenbrechen der durch die Versorgungsschaltung (1R) übernommenen Energieversorgung der Erregerspule (LER) ab einem Wert einer durch die Erregerspule (LER) erzeugten Spannung und ab einem Wert einer an der Erregerspule (LER) erzeugten Induktionsspannung mit umgekehrter Polarität seinen Widerstand verringert.
Rotor gemäß Anspruch 10, wobei das mindestens eine Bauelement (DZR1') mindestens eine bi-direktionale Suppressordiode und/oder mindestens ein bi-direktionaler Varistor und/oder mindestens eine bi-direktionale Zenerdiode ist.
Rotor gemäß Anspruch 10 oder 11, wobei in dem Schaltungszweig eine Vielzahl von Reihenschaltungen aus mehreren bi-direktionalen Bauelementen (DZR1') angeordnet ist und die Reihenschaltungen zueinander parallel geschaltet sind.
Synchronmaschine für ein Kraftfahrzeug, wobei die Synchronmaschine einen Rotor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 12 aufweist.