DE102023201203A1

DE102023201203A1 - Synchronous machine and vehicle

Info

Publication number: DE102023201203A1
Application number: DE102023201203.0A
Authority: DE
Inventors: Stephan Demmerer; Christian Gürlich; Matthias Winkel
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2023-02-14
Filing date: 2023-02-14
Publication date: 2024-08-14

Abstract

Vorgeschlagen wird eine Synchronmaschine, die einen Rotor umfasst. Der Rotor umfasst eine erste Wicklung, die ausgebildet ist, einen ersten Drehstrom zu führen. Die Synchronmaschine umfasst ferner einen Stator, der eine zweite Wicklung umfasst, die ausgebildet ist, einen zweiten Drehstrom zu führen. Der erste Drehstrom und der zweite Drehstrom erzeugen ein magnetisches Drehfeld, das radial zu einer Rotationsachse des Rotors ausgerichtet ist. Der Rotor ist ausgebildet, sich entsprechend dem magnetischen Drehfeld um die Rotationsachse zu drehen.A synchronous machine is proposed which comprises a rotor. The rotor comprises a first winding which is designed to carry a first three-phase current. The synchronous machine further comprises a stator which comprises a second winding which is designed to carry a second three-phase current. The first three-phase current and the second three-phase current generate a magnetic rotating field which is aligned radially to a rotation axis of the rotor. The rotor is designed to rotate about the rotation axis in accordance with the magnetic rotating field.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Synchronmaschine sowie auf ein Fahrzeug.The present invention relates to a synchronous machine and to a vehicle.

Eine herkömmliche Synchronmaschine ist so konzipiert, dass beim Betrieb der Synchronmasche eine Wicklung im Stator einen Drehstrom führt und damit ein magnetisches Drehfeld erzeugt. Das Drehfeld steht in Wechselwirkung mit einem Magnetfeld des Rotors, das beispielsweise durch eine gleichstromgespeiste Wicklung im Rotor erzeugt wird. Diese Wechselwirkung führt zu einer Drehbewegung des Rotors. Konstruktionsbedingt kann für die Wicklung des Stators ein betragsmäßig höherer Strom als für die Wicklung des Rotors vorgesehen sein. Dies kann bei Versorgung der Synchronmaschine aus einer Gleichstromquelle zu hohen Verlusten bei Umwandlung des Gleichstroms in den Drehstrom sowie zu hohen Eisenverlusten im Stator führen.A conventional synchronous machine is designed in such a way that when the synchronous machine is operating, a winding in the stator carries a three-phase current and thus generates a rotating magnetic field. The rotating field interacts with a magnetic field of the rotor, which is generated, for example, by a winding in the rotor fed with direct current. This interaction leads to a rotary movement of the rotor. Due to the design, a higher current can be provided for the stator winding than for the rotor winding. If the synchronous machine is supplied from a direct current source, this can lead to high losses when converting the direct current into three-phase current and to high iron losses in the stator.

Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Synchronmaschine bereitzustellen.Against this background, it is an object of the present invention to provide an improved synchronous machine.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch eine Synchronmaschine sowie ein Fahrzeug gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Weitere Aspekte sowie Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der folgenden Beschreibung sowie in den Figuren beschrieben.The object of the invention is achieved by a synchronous machine and a vehicle according to the independent claims. Further aspects and developments of the invention are described in the dependent claims, the following description and in the figures.

Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung eine Synchronmaschine, die einen Rotor umfasst. Der Rotor umfasst eine erste Wicklung, die ausgebildet ist, einen ersten Drehstrom zu führen. Die Synchronmaschine umfasst einen Stator, der eine zweite Wicklung umfasst, die ausgebildet ist, einen zweiten Drehstrom zu führen. Der erste Drehstrom und der zweite Drehstrom erzeugen ein magnetisches Drehfeld, das radial zu einer Rotationsachse des Rotors ausgerichtet ist. Der Rotor ist ausgebildet, sich entsprechend dem magnetischen Drehfeld um die Rotationsachse zu drehen. Dadurch kann eine Erzeugung des Drehfelds über den Rotor und den Stator ermöglicht werden. According to a first aspect, the invention relates to a synchronous machine comprising a rotor. The rotor comprises a first winding designed to carry a first three-phase current. The synchronous machine comprises a stator which comprises a second winding designed to carry a second three-phase current. The first three-phase current and the second three-phase current generate a magnetic rotating field that is aligned radially to a rotation axis of the rotor. The rotor is designed to rotate about the rotation axis in accordance with the magnetic rotating field. This enables the rotating field to be generated via the rotor and the stator.

In manchen Ausführungsbeispielen dreht sich der Rotor entsprechend einer Drehzahl des Drehfeldes relativ zum Stator um die Rotationsachse. Das heißt, der Rotor dreht sich beispielsweise mit derselben Drehzahl wie das Drehfeld um die Rotationsachse. Damit kann die Drehzahl des Rotors über den ersten Drehstrom im Rotor und den zweiten Drehstrom im Stator beeinflusst werden.In some embodiments, the rotor rotates around the rotation axis relative to the stator in accordance with a rotation speed of the rotating field. This means that the rotor rotates around the rotation axis at the same speed as the rotating field, for example. The rotation speed of the rotor can thus be influenced via the first three-phase current in the rotor and the second three-phase current in the stator.

In weiteren Ausführungsbeispielen umfasst die Synchronmaschine eine Regelungsschaltung, die ausgebildet ist, den ersten Drehstrom und den zweiten Drehstrom zur Erzeugung des Drehfeldes zu regeln. Dabei ist die Regelungsschaltung ausgebildet, den ersten Drehstrom und den zweiten Drehstrom entsprechend mindestens einem aus einer Solldrehzahl und einem Solldrehmoment des Rotors zu regeln. Eine solche Regelungsschaltung kann eine Drehzahl oder ein Drehmoment des Rotors basierend auf der Sollwertvorgabe über den ersten Drehstrom und den zweiten Drehstrom regeln. Dadurch kann die Regelungsschaltung mehr mögliche Parameter zum Einstellen eines gewünschten Betriebspunkt der Synchronmaschine haben und damit weitere Regelparameter, wie eine Energieeffizienz eines Stromrichters, der den Drehstrom bereitstellt, bei der Regelung berücksichtigen.In further embodiments, the synchronous machine comprises a control circuit that is designed to control the first three-phase current and the second three-phase current to generate the rotating field. The control circuit is designed to control the first three-phase current and the second three-phase current according to at least one of a target speed and a target torque of the rotor. Such a control circuit can control a speed or a torque of the rotor based on the target value specification via the first three-phase current and the second three-phase current. As a result, the control circuit can have more possible parameters for setting a desired operating point of the synchronous machine and thus take other control parameters, such as energy efficiency of a power converter that provides the three-phase current, into account in the control.

Die Regelungsschaltung kann beispielsweise ausgebildet sein, mindestens eines aus einer jeweiligen Stärke, einer jeweiligen Richtung und einer jeweiligen Frequenz des ersten Drehstroms und des zweiten Drehstroms zur Erzeugung des Drehfeldes zu regeln. Dadurch kann die Regelungsschaltung bei der Erzeugung des Drehfeldes eine Einhaltung konstruktionsbedingter Vorgaben für den ersten oder zweiten Drehstrom oder ein Erreichen von Betriebsoptima im Kennfeld der Synchronmaschine erleichtern.The control circuit can, for example, be designed to control at least one of a respective strength, a respective direction and a respective frequency of the first three-phase current and the second three-phase current to generate the rotating field. As a result, the control circuit can facilitate compliance with design-related specifications for the first or second three-phase current or the achievement of operating optima in the characteristic field of the synchronous machine when generating the rotating field.

Zum Beispiel kann die Regelungsschaltung ausgebildet sein, eine Frequenz des ersten Drehstroms auf einen Wert zu regeln, der mindestens gleich groß ist wie eine Frequenz des zweiten Drehstroms. Dies kann vorteilhaft sein, wenn die Drehzahlregelung des Rotors hauptsächlich durch den ersten Drehstrom im Rotor erfolgen soll, etwa wenn der zweite Drehstrom im Stator eine höhere Stromstärke aufweist und daher eine Rotorregelung mit geringerem Aufwand zu realisieren ist.For example, the control circuit can be designed to control a frequency of the first three-phase current to a value that is at least as high as a frequency of the second three-phase current. This can be advantageous if the speed control of the rotor is to be carried out mainly by the first three-phase current in the rotor, for example if the second three-phase current in the stator has a higher current intensity and rotor control can therefore be implemented with less effort.

In manchen Ausführungsbeispielen hängt das Drehfeld von einem ersten Drehfeld und einem zweiten Drehfeld ab, wobei die Regelungsschaltung ausgebildet ist, den ersten Drehstrom zur Erzeugung des ersten Drehfeldes und den zweiten Drehstrom zur Erzeugung des zweiten Drehfeldes zu regeln. Dabei kann eine Drehrichtung des ersten Drehfeldes gegensinnig oder gleichsinnig zu einer Drehrichtung des zweiten Drehfeldes sein. Zum Beispiel kann die Regelungsschaltung die Drehzahl des Rotors durch gegensinniges Umlaufen des ersten zum zweiten Drehfeldes verringen und sie durch gleichsinniges Umlaufen vergrößern. Dadurch hat die Regelungsschaltung mehr Regelungsmöglichkeiten beim Einstellen der Drehzahl des Rotors.In some embodiments, the rotating field depends on a first rotating field and a second rotating field, wherein the control circuit is designed to control the first three-phase current to generate the first rotating field and the second three-phase current to generate the second rotating field. A direction of rotation of the first rotating field can be opposite or in the same direction to a direction of rotation of the second rotating field. For example, the control circuit can reduce the speed of the rotor by rotating the first rotating field in the opposite direction to the second rotating field and increase it by rotating it in the same direction. This gives the control circuit more control options when setting the speed of the rotor.

Der Rotor ist beispielsweise radial innerhalb des Stators angeordnet. Dies kann eine Ausführung der Synchronmaschine als Radialflussmaschine ermöglichen.The rotor is arranged radially inside the stator, for example. This can enable the synchronous machine to be designed as a radial flux machine.

In weiteren Ausführungsbeispielen umfasst die Synchronmaschine ferner mindestens drei erste Anschlüsse, die leitend mit der ersten Wicklung verbunden sind und mindestens drei zweite Anschlüsse, die leitend mit der zweiten Wicklung verbunden sind. Die Synchronmaschine umfasst dabei des Weiteren eine Stromübertragungseinrichtung, die ausgebildet ist, den ersten Drehstrom über die drei ersten Anschlüsse durch die erste Wicklung und den zweiten Drehstrom über die drei zweiten Anschlüsse durch die zweite Wicklung zu leiten. Die Stromübertragungseinrichtung kann damit eine externe Energieversorgung der Synchronmaschine ermöglichen. Beispielsweise kann die Synchronmaschine von einem Wechselrichter gespeist werden. Die Stromübertragungseinrichtung kann einen dreiphasigen Wechselstrom am Ausgang des Wechselrichters über die Anschlüsse auf die jeweilige Wicklung übertragen.In further embodiments, the synchronous machine further comprises at least three first connections that are conductively connected to the first winding and at least three second connections that are conductively connected to the second winding. The synchronous machine further comprises a current transmission device that is designed to conduct the first three-phase current via the three first connections through the first winding and the second three-phase current via the three second connections through the second winding. The current transmission device can thus enable an external energy supply for the synchronous machine. For example, the synchronous machine can be fed by an inverter. The current transmission device can transmit a three-phase alternating current at the output of the inverter via the connections to the respective winding.

Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Fahrzeug, das mindestens ein Rad und eine erfindungsgemäße Synchronmaschine umfasst. Die Synchronmaschine ist ausgebildet, das mindestens eine Rad anzutreiben. Das erfindungsgemäße Fahrzeug kann eine dynamische Regelung der Synchronmaschine über den Rotor und den Stator der Synchronmaschine ermöglichen.According to a second aspect, the invention relates to a vehicle that comprises at least one wheel and a synchronous machine according to the invention. The synchronous machine is designed to drive the at least one wheel. The vehicle according to the invention can enable dynamic control of the synchronous machine via the rotor and the stator of the synchronous machine.

Es zeigen:

1a, 1b ein Ausführungsbeispiel einer Synchronmaschine; und
2 ein Ausführungsbeispiel eines Fahrzeugs.

They show:

1a , 1b an embodiment of a synchronous machine; and
2 an embodiment of a vehicle.

1a und 1b zeigen eine Längsschnittansicht eines Ausführungsbeispiels einer Synchronmaschine 100. In 1a und 1b ist lediglich ein schematischer Aufbau der Synchronmaschine dargestellt. Sonstige Bestandteile der Synchronmaschine wie Blechpakete und Kühlung, Details zum Aufbau, Anschluss und zur Verschaltung der Wicklungen sowie Peripherie wie Leistungselektronik sind nicht dargestellt. Im Folgenden wird ein Betrieb der Synchronmaschine 100 als Motor beschrieben. Es sei angemerkt, dass ein dementsprechender Betrieb als Generator mit dem hier beschriebenen Aufbau der Synchronmaschine 100 ebenfalls realisiert werden. Insbesondere kann es sich bei der Synchronmaschine 100 um eine fremderregte Synchronmaschine handeln. 1a and 1b show a longitudinal sectional view of an embodiment of a synchronous machine 100. In 1a and 1b only a schematic structure of the synchronous machine is shown. Other components of the synchronous machine such as laminated cores and cooling, details on the structure, connection and wiring of the windings as well as peripherals such as power electronics are not shown. The following describes the operation of the synchronous machine 100 as a motor. It should be noted that a corresponding operation as a generator can also be realized with the structure of the synchronous machine 100 described here. In particular, the synchronous machine 100 can be a separately excited synchronous machine.

Die Synchronmaschine 100 umfasst einen Rotor 110, der eine erste Wicklung 120 umfasst. Der Rotor 110 ist drehfest mit einer Welle 130 verbunden. Die Welle 130 ist zentral im Inneren des Rotors 110 angeordnet und verläuft entlang einer Rotationsachse 140 des Rotors 110. Die erste Wicklung 120 ist ausgebildet, einen ersten Drehstrom zu führen. Der Drehstrom ist ein mehrphasiger Wechselstrom wie etwa ein Zweiphasen- oder Dreiphasenwechselstrom. Das heißt, die erste Wicklung 120 ist eine Drehstromwicklung, deren Spulenanordnung sich zum Führen des ersten Drehstroms eignet. Beispielsweise kann die erste Wicklung 120 relativ zur Rotationsachse 120 gleichmäßig verteilte Leiter umfassen, die zu mehreren räumlich versetzten Wicklungssträngen zusammengeschaltet sind. Die Wicklungsstränge können denselben Spulenaufbau und die gleiche Gesamtwindungszahl haben. Die Wicklungsanfänge der Wicklungsstränge können im Falle des Dreiphasenwechselstroms zueinander um 120° relativ zur Rotationsachse 140 versetzt angeordnet sein. Im letztgenannten Fall kann in jeden der drei Wicklungssträngen ein Wechselstrom mit 120°-Phasenversatz zum Wechselstrom der jeweils anderen zwei Wicklungsstränge eingespeist werden.The synchronous machine 100 comprises a rotor 110, which comprises a first winding 120. The rotor 110 is connected to a shaft 130 in a rotationally fixed manner. The shaft 130 is arranged centrally in the interior of the rotor 110 and runs along a rotation axis 140 of the rotor 110. The first winding 120 is designed to carry a first three-phase current. The three-phase current is a multi-phase alternating current such as a two-phase or three-phase alternating current. This means that the first winding 120 is a three-phase winding whose coil arrangement is suitable for carrying the first three-phase current. For example, the first winding 120 can comprise conductors that are evenly distributed relative to the rotation axis 120 and are connected together to form several spatially offset winding strands. The winding strands can have the same coil structure and the same total number of turns. In the case of three-phase alternating current, the winding starts of the winding phases can be arranged offset from one another by 120° relative to the rotation axis 140. In the latter case, an alternating current with a 120° phase offset from the alternating current of the other two winding phases can be fed into each of the three winding phases.

Die erste Wicklung 120 erstreckt sich entlang der Rotationsachse 140 über zumindest einen Großteil der Länge des Rotors 110. Die erste Wicklung 120 kann beispielsweise entlang von Nuten eines Blechpakets des Rotors 110 verlaufen.The first winding 120 extends along the rotation axis 140 over at least a large part of the length of the rotor 110. The first winding 120 can, for example, run along grooves of a laminated core of the rotor 110.

Die erste Wicklung 120 ist in 1a als zwei Leiterabschnitte 120-1 und 120-2 dargestellt, die zu zwei verschiedenen Wicklungssträngen der ersten Wicklung 120 oder zum selben Wicklungsstrang gehören können. Der erste Leiterabschnitt 120-1 ist in der oberen Hälfte des in 1a gezeigten Längsschnitts der Synchronmaschine 100 angeordnet, der zweite Leiterabschnitt 120-2 ist in der unteren Hälfte angeordnet. Die erste Wicklung 120 ist in 1b als vier Leiterabschnitte 120-1, 120-2, 120-3 und 120-4 dargestellt, die zu mehreren verschiedenen Wicklungssträngen der ersten Wicklung 120 oder zum selben Wicklungsstrang gehören können. Der erste Leiterabschnitt 120-1 und der dritte Leiterabschnitt 120-3 sind in der oberen Hälfte des in 1b gezeigten Längsschnitts der Synchronmaschine 100 angeordnet, der zweite Leiterabschnitt 120- und der vierte Leiterabschnitt 120-4 sind in der unteren Hälfte angeordnet.The first winding 120 is in 1a as two conductor sections 120-1 and 120-2, which can belong to two different winding strands of the first winding 120 or to the same winding strand. The first conductor section 120-1 is in the upper half of the 1a shown longitudinal section of the synchronous machine 100, the second conductor section 120-2 is arranged in the lower half. The first winding 120 is in 1b as four conductor sections 120-1, 120-2, 120-3 and 120-4, which may belong to several different winding strands of the first winding 120 or to the same winding strand. The first conductor section 120-1 and the third conductor section 120-3 are in the upper half of the 1b shown longitudinal section of the synchronous machine 100, the second conductor section 120- and the fourth conductor section 120-4 are arranged in the lower half.

Die Synchronmaschine 100 umfasst ferner einen Stator 150, zu dem der Rotor 110 drehbar gelagert ist. Der Rotor 110 ist radial innerhalb des Stators 150 angeordnet, d. h., der Stator 150 umgreift den Rotor 110. Rotor 110 und Stator 150 haben einen symmetrischen Aufbau relativ zur Rotationsachse 140.The synchronous machine 100 further comprises a stator 150, to which the rotor 110 is rotatably mounted. The rotor 110 is arranged radially inside the stator 150, i.e. the stator 150 surrounds the rotor 110. The rotor 110 and stator 150 have a symmetrical structure relative to the rotation axis 140.

Der Stator 150 umfasst eine zweite Wicklung 160, die ausgebildet ist, einen zweiten Drehstrom zu führen. Die zweite Wicklung 160 ist also eine Drehstromwicklung, deren Spulenanordnung sich zum Führen des zweiten Drehstroms eignet. Die zweite Wicklung 160 erstreckt sich entlang der Rotationsachse 140 über zumindest einen Großteil der Länge des Stators 150. Die zweite Wicklung 160 kann beispielsweise entlang von Nuten eines Blechpakets des Stators 150 verlaufen. Die zweite Wicklung 160 ist in 1a und in 1b als zwei Leiterabschnitte 160-1 und 160-2 dargestellt, die zu zwei verschiedenen Wicklungssträngen der zweiten Wicklung 160 oder zum selben Wicklungsstrang gehören können. Ein Aufbau der zweiten Wicklung 160, z.B. eine Polpaarzahl der Wicklung 160 oder eine Windungsanzahl pro Wicklungsstrang, kann dem der ersten Wicklung 120 entsprechen oder sich von diesem unterschieden.The stator 150 comprises a second winding 160 which is designed to carry a second three-phase current. The second winding 160 is therefore a three-phase winding whose coil arrangement is suitable for carrying the second three-phase current. The second winding 160 extends along the axis of rotation 140 over at least a large part of the length of the stator 150. The second winding 160 can, for example, run along grooves of a laminated core of the stator 150. The second winding 160 is in 1a and in 1b as two conductor sections 160-1 and 160-2, which can belong to two different winding phases of the second winding 160 or to the same winding phase. A structure of the second winding 160, eg a number of pole pairs of the winding 160 or a number of turns per winding phase, can correspond to that of the first winding 120 or differ from it.

Der erste Drehstrom und der zweite Drehstrom können sich in ihrer Stromstärke, ihrer Richtung (d.h., Umlaufrichtung um die Rotationsachse 140), ihrer Phasenanzahl und/oder ihrer Frequenz unterscheiden oder entsprechen. Der erste Drehstrom und der zweite Drehstrom können beispielsweise unabhängig voneinander geregelt werden. In manchen Ausführungsbeispielen umfasst die Synchronmaschine 100 eine Regelungsschaltung 170, die ausgebildet ist, den ersten Drehstrom und den zweiten Drehstrom zur Erzeugung des Drehfeldes zu regeln. Die Regelungsschaltung 170 kann etwa Schaltelemente wie Transistoren enthalten, um einen Betrieb der Synchronmaschine 100 zu regeln. Sie kann etwa Teil eines Stromrichters zur Erzeugung des ersten Drehstroms und des zweiten Drehstroms sein.The first three-phase current and the second three-phase current can differ or correspond in terms of their current intensity, their direction (i.e., direction of rotation around the rotation axis 140), their number of phases and/or their frequency. The first three-phase current and the second three-phase current can, for example, be controlled independently of one another. In some embodiments, the synchronous machine 100 comprises a control circuit 170 which is designed to control the first three-phase current and the second three-phase current to generate the rotating field. The control circuit 170 can, for example, contain switching elements such as transistors to regulate operation of the synchronous machine 100. It can, for example, be part of a power converter for generating the first three-phase current and the second three-phase current.

Die Regelungsschaltung 170 ist in manchen Ausführungsbeispielen ausgebildet, den ersten Drehstrom und den zweiten Drehstrom entsprechend mindestens einem aus einer Solldrehzahl und einem Solldrehmoment des Rotors 110 zu regeln. Die Regelungsschaltung 170 kann ferner ausgebildet sein, mindestens eines aus einer jeweiligen Stärke, einer jeweiligen Richtung und einer jeweiligen Frequenz des ersten Drehstroms und des zweiten Drehstroms zur Erzeugung des Drehfeldes zu regeln. Die Synchronmaschine 100 kann etwa einen Drehzahlsensor oder einen Drehmomentsensor umfassen, der kontinuierlich eine Drehzahl beziehungsweise ein Drehmoment des Rotors 110 misst. Der Sensor kann die dabei generierten Messdaten an die Regelungsschaltung 170 weitergeben, die basierend auf den Messdaten den ersten Drehstrom und den zweiten Drehstrom regelt.In some embodiments, the control circuit 170 is designed to control the first three-phase current and the second three-phase current according to at least one of a target speed and a target torque of the rotor 110. The control circuit 170 can also be designed to control at least one of a respective strength, a respective direction and a respective frequency of the first three-phase current and the second three-phase current for generating the rotating field. The synchronous machine 100 can comprise, for example, a speed sensor or a torque sensor that continuously measures a speed or a torque of the rotor 110. The sensor can pass the measurement data generated in this process on to the control circuit 170, which controls the first three-phase current and the second three-phase current based on the measurement data.

Der erste Drehstrom und der zweite Drehstrom erzeugen ein magnetisches Drehfeld im Inneren der Synchronmaschine 100. Der Rotor 110 ist ausgebildet, sich entsprechend dem magnetischen Drehfeld um die Rotationsachse 140 zu drehen. Zum Beispiel kann sich der Rotor 110 entsprechend einer Drehzahl des Drehfeldes relativ zum Stator 150 um die Rotationsachse 140 drehen. Das Drehfeld ist als jegliches Magnetfeld, das sich fortlaufend um die Rotationsachse 140 dreht, zu verstehen. Das magnetische Drehfeld ist radial zur Rotationsachse 140 des Rotors 110 ausgerichtet, d. h., eine Hauptrichtung von Magnetfeldlinien des Drehfelds verläuft radial zur Rotationsachse 140. Die Synchronmaschine 100 ist also eine Radialflussmaschine.The first three-phase current and the second three-phase current generate a rotating magnetic field inside the synchronous machine 100. The rotor 110 is designed to rotate about the rotation axis 140 in accordance with the rotating magnetic field. For example, the rotor 110 can rotate about the rotation axis 140 relative to the stator 150 in accordance with a speed of the rotating field. The rotating field is to be understood as any magnetic field that continuously rotates about the rotation axis 140. The rotating magnetic field is aligned radially to the rotation axis 140 of the rotor 110, i.e. a main direction of magnetic field lines of the rotating field runs radially to the rotation axis 140. The synchronous machine 100 is therefore a radial flux machine.

Insbesondere ergibt sich das magnetische Drehfeld aus dem ersten Drehstrom durch die erste Wicklung 120 (Rotorwicklung) und dem zweiten Drehstrom durch die zweite Wicklung 160 (Statorwicklung). Eine Drehzahl, (Umlauf-) Richtung und Feldstärke des Drehfelds hängt sowohl vom ersten Drehstrom als auch vom zweiten Drehstrom abhängt. Das heißt, durch Regelung des ersten Drehstroms (Rotorregelgung) und/oder durch Regelung des zweiten Drehstroms (Statorregelung) kann das Drehfeld, und damit z. B. Drehmoment und Drehzahl des Rotors 110, angepasst werden.In particular, the magnetic rotating field results from the first three-phase current through the first winding 120 (rotor winding) and the second three-phase current through the second winding 160 (stator winding). A speed, (rotational) direction and field strength of the rotating field depend on both the first three-phase current and the second three-phase current. This means that by controlling the first three-phase current (rotor control) and/or by controlling the second three-phase current (stator control), the rotating field, and thus, for example, the torque and speed of the rotor 110, can be adjusted.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Synchronmaschinen, bei denen - je nach Aufbau der herkömmlichen Synchronmaschine - die Rotation des Rotors entweder über einen Drehstrom im Stator oder im Rotor geregelt werden, kann die erfindungsgemäße Synchronmaschine 100 eine (Doppel-) Regelung der Rotation über den Drehstrom im Stator 150 und über den Drehstrom im Rotor 110 ermöglichen. Dafür werden sowohl die Wicklung des Rotors 110 als auch die des Stators 150 mit einem jeweiligen Drehstrom gespeist. Das Drehfeld resultiert aus der Rotor- und Statorregelung, d.h., aus dem Zusammenwirken des ersten Drehstroms und des zweiten Drehstroms auf das Drehfeld.In contrast to conventional synchronous machines, in which - depending on the design of the conventional synchronous machine - the rotation of the rotor is controlled either by a three-phase current in the stator or in the rotor, the synchronous machine 100 according to the invention can enable (double) control of the rotation via the three-phase current in the stator 150 and via the three-phase current in the rotor 110. For this purpose, both the winding of the rotor 110 and that of the stator 150 are fed with a respective three-phase current. The rotating field results from the rotor and stator control, i.e. from the interaction of the first three-phase current and the second three-phase current on the rotating field.

Das Drehfeld kann etwa von einem ersten Drehfeld und einem zweiten Drehfeld abhängen, wobei das erste Drehfeld vom ersten Drehstrom und das zweite Drehfeld vom zweiten Drehstrom hervorgerufen wird. Im letztgenannten Fall dreht sich der Rotor 110 um die Rotationsachse 140 so, dass ein magnetischer Nordpol des ersten Drehfeldes zu einem magnetischen Südpol des zweiten Drehfeldes ausgerichtet ist. Die Regelungsschaltung 170 der Synchronmaschine 100 kann ausgebildet sein, den ersten Drehstrom zur Erzeugung des ersten Drehfeldes und den zweiten Drehstrom zur Erzeugung des zweiten Drehfeldes zu regeln, womit die Regelungsschaltung 170 die Rotation des Rotors 110 regeln kann.The rotating field can depend on a first rotating field and a second rotating field, for example, the first rotating field being caused by the first three-phase current and the second rotating field being caused by the second three-phase current. In the latter case, the rotor 110 rotates about the rotation axis 140 such that a magnetic north pole of the first rotating field is aligned with a magnetic south pole of the second rotating field. The control circuit 170 of the synchronous machine 100 can be designed to control the first three-phase current to generate the first rotating field and the second three-phase current to generate the second rotating field, whereby the control circuit 170 can control the rotation of the rotor 110.

Das erste Drehfeld kann beispielsweise eine erste Drehzahl aufweisen, mit der sich das erste Drehfeld relativ zum Rotor 110 um die Rotationsachse 140 dreht. Das zweite Drehfeld kann beispielsweise eine zweite Drehzahl aufweisen, mit der sich das zweite Drehfeld relativ zum Stator 150 um die Rotationsachse 140 dreht. Die erste Drehzahl kann gleich, kleiner oder größer zur zweiten Drehzahl sein. Eine Drehzahl des Drehfeldes kann sich aus der ersten und zweiten Drehzahl ergeben.The first rotating field can, for example, have a first speed at which the first rotating field rotates relative to the rotor 110 about the rotation axis 140. The second rotating field can, for example, have a second speed at which the second rotating field rotates relative to the stator 150 about the rotation axis 140. The first speed can be equal to, smaller than, or larger than the second speed. A speed of the rotating field can result from the first and second speeds.

In einem ersten Betriebsmodus der Synchronmaschine 100 kann eine Drehrichtung des ersten Drehfeldes gegensinnig zu einer Drehrichtung des zweiten Drehfeldes sein. Eine Drehzahl des Rotors 110 kann dadurch kleiner sein als die des größeren Drehfeldes unter dem ersten Drehfeld und dem zweiten Drehfeld. Beispielsweise kann sich die Drehzahl des Rotors 110 aus einer Differenz der ersten und der zweiten Drehzahl ergeben. Eine gegensinnige Drehrichtung kann also für eine Verringerung der Drehzahl des Rotors 110 oder eine Erhöhung eines Drehmoments des Rotors 110 vorteilhaft sein.In a first operating mode of the synchronous machine 100, a direction of rotation of the first rotating field can be opposite to a direction of rotation of the second rotating field. A speed of the rotor 110 can therefore be smaller than that of the larger rotating field among the first rotating field and the second rotating field. For example, the speed of the rotor 110 can result from a difference between the first and the second speed. An opposite direction of rotation can therefore be advantageous for reducing the speed of the rotor 110 or increasing a torque of the rotor 110.

In einem zweiten Betriebsmodus der Synchronmaschine 100 kann die Drehrichtung des ersten Drehfeldes gleichsinnig zur Drehrichtung des zweiten Drehfeldes sein. Die Drehzahl des Rotors 110 kann dabei größer sein als die des ersten und des zweiten Drehfeldes. Die Drehzahl des Rotors 110 kann sich etwa aus einer Summe aus der ersten und der zweiten Drehzahl ergeben. Eine gleichsinnige Drehrichtung kann also für eine Erhöhung der Drehzahl des Rotors 110 vorteilhaft sein.In a second operating mode of the synchronous machine 100, the direction of rotation of the first rotating field can be the same as the direction of rotation of the second rotating field. The speed of the rotor 110 can be greater than that of the first and second rotating fields. The speed of the rotor 110 can result from a sum of the first and second speeds. A direction of rotation in the same direction can therefore be advantageous for increasing the speed of the rotor 110.

Die Regelungsschaltung 170 der Synchronmaschine 100 kann ausgebildet sein, den ersten Drehstrom und den zweiten Drehstrom so zu regeln, dass sich die Synchronmaschine 100 je nach Betriebsanforderungen in einer der obengenannten Betriebsmodi betrieben wird. Die erfindungsgemäße Synchronmaschine 100 kann also eine verbesserte Regelung des Drehmomentes und der Drehzahl des Rotors 110 ermöglichen, da diese wahlweise über den ersten Drehstrom, den zweiten Drehstrom oder über beide Drehströme erfolgt. Außerdem kann etwa für eine Drehzahlregelung des Rotors 110 zusätzlich die relative Drehrichtung des ersten Drehfeldes zum zweiten Drehfeld genutzt werden, wie oben anhand der Betriebsmodi beschrieben. Dadurch kann die Regelungsschaltung 170 einen oder mehrere Stromrichter, die den ersten Drehstrom und den zweiten Drehstrom erzeugen, in einem energieeffizienten Betriebspunkt betreiben. Es kann bei Auslegen des Stromrichters ein kostengünstigeres Modell als bei herkömmlichen Synchronmaschinen gewählt werden. Beispielsweise kann ein Modell mit energieeffizienten MOSFETs (Metall-Odix-Halbleiter-Feldeffekt-Transistor) (z.B. Galliumnitrid, GaN) anstelle von IGBTs (Insulated-Gate Bipolar Transistor) oder MOSFETs mit teuren SiC-Chips (Siliciumcarbid) gewählt werden.The control circuit 170 of the synchronous machine 100 can be designed to control the first three-phase current and the second three-phase current such that the synchronous machine 100 is operated in one of the above-mentioned operating modes depending on the operating requirements. The synchronous machine 100 according to the invention can therefore enable improved control of the torque and the speed of the rotor 110, since this can be done optionally via the first three-phase current, the second three-phase current or both three-phase currents. In addition, the relative direction of rotation of the first rotating field to the second rotating field can also be used to control the speed of the rotor 110, as described above with reference to the operating modes. The control circuit 170 can therefore operate one or more power converters that generate the first three-phase current and the second three-phase current at an energy-efficient operating point. When designing the power converter, a more cost-effective model can be selected than for conventional synchronous machines. For example, a model with energy-efficient MOSFETs (metal oxidation semiconductor field-effect transistors) (e.g. gallium nitride, GaN) can be chosen instead of IGBTs (insulated-gate bipolar transistors) or MOSFETs with expensive SiC (silicon carbide) chips.

Eine Ummagnetisierung (Umpolung) im Rotor 110 und im Stator 150 kann von dem ersten und dem zweiten Drehfeld abhängen. Somit können die bei der Umpolung entstehenden Verluste auf den Rotor 110 und den Stator 150 verteilt werden. Falls bei der Synchronmaschine 100 beispielsweise aufgrund seiner Konstruktion eine Speisung des Stators 150 mit einem zweiten Drehstrom höherer Stromstärke als die des ersten Drehstroms des Rotors 110 vorgesehen ist, kann die Frequenz des zweiten Drehstroms herabgesetzt werden, um eine Häufigkeit der Umpolung im Stator 150 zu verringern.A reversal of magnetization (polarity reversal) in the rotor 110 and in the stator 150 can depend on the first and the second rotating field. The losses arising from the polarity reversal can thus be distributed between the rotor 110 and the stator 150. If, for example, due to its design, the synchronous machine 100 is designed to supply the stator 150 with a second three-phase current of higher current intensity than the first three-phase current of the rotor 110, the frequency of the second three-phase current can be reduced in order to reduce the frequency of the polarity reversal in the stator 150.

Beispielsweise kann die obengenannte Regelungsschaltung 170 ausgebildet sein, eine Frequenz des ersten Drehstroms auf einen Wert zu regeln, der mindestens gleich groß ist wie eine Frequenz des zweiten Drehstroms. Dies kann vorteilhaft sein, wenn der erste Drehstrom eine geringere Stromstärke aufweist als der zweite Drehstrom oder eine Häufigkeit einer Umpolung im Stator 150 verringert werden soll im Vergleich zu einer reinen Statorregelung.For example, the above-mentioned control circuit 170 can be designed to control a frequency of the first three-phase current to a value that is at least as high as a frequency of the second three-phase current. This can be advantageous if the first three-phase current has a lower current intensity than the second three-phase current or if a frequency of polarity reversal in the stator 150 is to be reduced in comparison to pure stator control.

In manchen Ausführungsbeispielen umfasst die Synchronmaschine 100 ferner mindestens drei erste Anschlüsse 170, die elektrisch leitend mit der ersten Wicklung 120 verbunden sind. Die drei ersten Anschlüsse 170 sind mit der Welle 130 an einem linken Ende (1a und 1b) des Rotors 110 verbunden. Eine Anordnung der drei ersten Anschlüsse 170 kann sich in anderen Ausführungsbeispielen von der in 1a und 1b gezeigten unterscheiden. Jeder der drei ersten Anschlüsse 170 können mit einem jeweiligen Wicklungsstrang der ersten Wicklung 120 elektrisch verbunden sein.In some embodiments, the synchronous machine 100 further comprises at least three first terminals 170 that are electrically connected to the first winding 120. The three first terminals 170 are connected to the shaft 130 at a left end ( 1a and 1b) of the rotor 110. An arrangement of the three first connections 170 may differ in other embodiments from that shown in 1a and 1b shown. Each of the three first terminals 170 can be electrically connected to a respective winding phase of the first winding 120.

Die Synchronmaschine 100 kann ferner mindestens drei zweite Anschlüsse (in 1a und 1b nicht gezeigt) umfassen, die leitend mit der zweiten Wicklung 160 verbunden sind. Die Synchronmaschine 100 kann eine Stromübertragungseinrichtung umfassen, die ausgebildet ist, den ersten Drehstrom über die drei ersten Anschlüsse 170 durch die erste Wicklung 120 und den zweiten Drehstrom über die drei zweiten Anschlüsse durch die zweite Wicklung 160 zu leiten. Die Stromübertragungseinrichtung kann beispielsweise mehrere elektrische Leiter umfassen, die die Wicklungen mit einer (steuerbaren) Stromquelle verbinden. Die Stromübertragungseinrichtung kann einen Schleifkontakt und Gleitlager oder eine induktive Kopplung zu den drei ersten Anschlüssen 170 umfassen, um den ersten Drehstrom auf den sich gegenüber der Stromquelle drehenden Rotor 110 zu übertragen. Die Stromübertragungseinrichtung kann eine unabhängige Stromversorgung der ersten Wicklung 120 und der zweiten Wicklung 160 ermöglichen.The synchronous machine 100 may further comprise at least three second terminals (in 1a and 1b not shown) which are conductively connected to the second winding 160. The synchronous machine 100 can comprise a power transmission device which is designed to conduct the first three-phase current via the three first connections 170 through the first winding 120 and the second three-phase current via the three second connections through the second winding 160. The power transmission device can, for example, comprise a plurality of electrical conductors which connect the windings to a (controllable) power source. The power transmission device can comprise a sliding contact and plain bearings or an inductive coupling to the three first connections 170 in order to transmit the first three-phase current to the rotor 110 rotating relative to the power source. The power transmission device can enable an independent power supply to the first winding 120 and the second winding 160.

2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Fahrzeugs 200. Allgemein kann ein Fahrzeug als eine Vorrichtung aufgefasst werden, das einen oder mehrere Motoren sowie eines oder mehrere davon angetriebene Räder umfasst. Bei dem Fahrzeug 200 kann es sich sowohl um ein Personen- als auch um ein Nutzfahrzeug handeln. Zum Beispiel kann das Fahrzeug 200 ein Personenkraftwagen, ein Lastkraftwagen, ein Motorrad oder ein Traktor sein. Das Fahrzeug 200 umfasst mindestens ein Rad 210, das drehbar auf einer Welle 220 gelagert ist. 2 shows an embodiment of a vehicle 200 according to the invention. In general, a vehicle can be understood as a device that comprises one or more engines and one or more wheels driven by them. The vehicle 200 can be both a passenger vehicle and a commercial vehicle. For example, the vehicle 200 can be a passenger car, a truck, a motorcycle or a tractor. The vehicle 200 comprises at least one wheel 210 which is rotatably mounted on a shaft 220.

Das Fahrzeug 200 umfasst ferner eine erfindungsgemäße Synchronmaschine 230, beispielsweise die mit Bezugnahme auf 1a und 1b beschriebene Synchronmaschine 100. Die Synchronmaschine 230 ist ausgebildet, das Rad 210 anzutreiben.The vehicle 200 further comprises a synchronous machine 230 according to the invention, for example the one described with reference to 1a and 1b described synchronous machine 100. The synchronous machine 230 is designed to drive the wheel 210.

Beispielsweise kann das Fahrzeug 200 eine Gleichstromquelle, z.B. eine Batterie, umfassen, die die Synchronmaschine 230 mit elektrischer Energie versorgt. Das Fahrzeug 200 kann einen Wechselrichter (Inverter) umfassen, der einen von der Gleichstromquelle bereitgestellten Gleichstrom in einen Wechselstrom oder mehrere Wechselströme mit verschiedenen Frequenzen, Phasen oder Stromstärken umwandelt. Eine Regelungsschaltung der Synchronmaschine 230 kann - basierend auf einer Sollwertvorgabe für eine Drehzahl oder ein Drehmoment des Rotors der Synchronmaschine 230 - einen Regelwert für den Wechselrichter vorgeben, um den Gleichstrom in einen ersten Drehstrom und einen zweiten Drehstrom mit definierten Werten für Frequenz, Phase oder Stromstärke umzuwandeln.For example, the vehicle 200 can include a direct current source, e.g. a battery, which supplies the synchronous machine 230 with electrical energy. The vehicle 200 can include an inverter that converts a direct current provided by the direct current source into an alternating current or several alternating currents with different frequencies, phases or current strengths. A control circuit of the synchronous machine 230 can - based on a setpoint value for a speed or a torque of the rotor of the synchronous machine 230 - specify a control value for the inverter in order to convert the direct current into a first three-phase current and a second three-phase current with defined values for frequency, phase or current strength.

Eine Stromübertragungseinrichtung kann vorgesehen sein, um den ersten Drehstrom über drei erste Anschlüsse auf eine erste Wicklung des Rotors und den zweiten Drehstrom über drei zweite Anschlüsse auf eine zweite Wicklung des Stators zu übertragen. Aufgrund des magnetischen Drehfelds, das durch den ersten und den zweiten Drehstrom erzeugt wird, wirkt eine magnetische Kraft auf eine Welle 240 des Rotors. Eine daraus resultierende Drehbewegung der Welle 240 um die Rotationsachse des Rotors kann entweder direkt über ein optionales Getriebe 250 auf die Welle 220 des Rades übertragen werden.A power transmission device can be provided to transmit the first three-phase current via three first connections to a first winding of the rotor and the second three-phase current via three second connections to a second winding of the stator. Due to the magnetic rotating field generated by the first and second three-phase currents, a magnetic force acts on a shaft 240 of the rotor. A resulting rotary movement of the shaft 240 about the rotation axis of the rotor can be transmitted either directly via an optional gear 250 to the shaft 220 of the wheel.

Das Fahrzeug 200 kann einen energieeffizienteren Betrieb und eine dynamischere Regelung der Synchronmaschine 230 ermöglichen. Bei Elektrofahrzeugen führt der Stator meist höhere Ströme als der Rotor. Der Wechselrichter kann bei einem herkömmlichen Fahrzeug daher aufwendig ausgeführt sein, damit dieser den hohen Strom im Stator entsprechend den Sollwertvorgaben für den Betrieb der Synchronmaschine regeln kann. Das erfindungsgemäße Fahrzeug 200 hingegen kann eine Regelung über eine Statorwicklung und eine Rotorwicklung erlauben und damit mehr Freiheiten bei der Regelung der Drehströme gewähren. Damit kann beispielsweise die Regelungsschaltung den Regelwert für den Wechselrichter so bestimmen, dass der Wechselrichter in einem effizienteren Betriebspunkt arbeitet als es mit einer reinen Statorregelung eines herkömmlichen Fahrzeugs möglich wäre. Dabei kann das erfindungsgemäße Fahrzeug 200 eine gewünschte Drehzahl oder ein gewünschtes Drehmoment an der Welle 240 des Rotors durch Einstellen verschiedener Regelwerte am Wechselrichter bereitstellen, d.h., ein und derselbe Betriebspunkt der Synchronmaschine kann durch verschiedene Kombinationen von Phasen, Stromstärken und Frequenzen des ersten Drehstroms und des zweiten Drehstroms herbeigeführt werden.The vehicle 200 can enable more energy-efficient operation and more dynamic control of the synchronous machine 230. In electric vehicles, the stator usually carries higher currents than the rotor. The inverter in a conventional vehicle can therefore be designed in a complex manner so that it can regulate the high current in the stator in accordance with the setpoint specifications for the operation of the synchronous machine. The vehicle 200 according to the invention, on the other hand, can allow control via a stator winding and a rotor winding and thus provide more freedom in controlling the three-phase currents. For example, the control circuit can determine the control value for the inverter in such a way that the inverter operates at a more efficient operating point than would be possible with pure stator control in a conventional vehicle. The vehicle 200 according to the invention can provide a desired speed or a desired torque on the shaft 240 of the rotor by setting different control values on the inverter, i.e., one and the same operating point of the synchronous machine can be brought about by different combinations of phases, current intensities and frequencies of the first three-phase current and the second three-phase current.

BezugszeichenReference symbols

100100: SynchronmaschineSynchronous machine
110110: Rotorrotor
120120: erste Wicklungfirst winding
120-1120-1: Leiterabschnitt der ersten WicklungConductor section of the first winding
120-2120-2: Leiterabschnitt der ersten WicklungConductor section of the first winding
120-3120-3: Leiterabschnitt der ersten WicklungConductor section of the first winding
120-4120-4: Leiterabschnitt der ersten WicklungConductor section of the first winding
130130: WelleWave
140140: RotationsachseRotation axis
150150: Statorstator
160160: zweite Wicklungsecond winding
160-1160-1: Leiterabschnitt der zweiten WicklungConductor section of the second winding
160-2160-2: Leiterabschnitt der zweiten WicklungConductor section of the second winding
170170: RegelungsschaltungControl circuit
200200: Fahrzeugvehicle
210210: Radwheel
220220: Welle des RadsShaft of the wheel
230230: SynchronmaschineSynchronous machine
240240: Welle des RotorsRotor shaft
250250: GetriebeGearbox

Claims

Synchronous machine (100), comprising: a rotor (110) comprising a first winding (120) designed to carry a first three-phase current; and a stator (150) comprising a second winding (160) designed to carry a second three-phase current, wherein the first three-phase current and the second three-phase current generate a rotating magnetic field, wherein the rotating magnetic field is aligned radially to a rotation axis (140) of the rotor (110), and wherein the rotor (110) is designed to rotate about the rotation axis (140) in accordance with the rotating magnetic field.

Synchronous machine (100) according to Claim 1 , wherein the rotor (110) rotates according to a rotation number of rotating fields relative to the stator (150) around the rotation axis (140).

Synchronous machine (100) according to one of the preceding claims, further comprising a control circuit which is designed to control the first three-phase current and the second three-phase current for generating the rotating field, wherein the control circuit is designed to control the first three-phase current and the second three-phase current according to at least one of a target speed and a target torque of the rotor (110).

Synchronous machine (100) according to Claim 3 , wherein the control circuit is designed to control at least one of a respective strength, a respective direction and a respective frequency of the first three-phase current and the second three-phase current for generating the rotating field.

Synchronous machine (100) according to one of the Claims 3 or 4 , wherein the control circuit is designed to regulate a frequency of the first three-phase current to a value which is at least equal to a frequency of the second three-phase current.

Synchronous machine (100) according to one of the Claims 3 until 5 , wherein the rotating field depends on a first rotating field and a second rotating field, wherein the control circuit is designed to control the first three-phase current to generate the first rotating field and the second three-phase current to generate the second rotating field, and wherein a direction of rotation of the first rotating field is opposite or in the same direction as a direction of rotation of the second rotating field.

Synchronous machine (100) according to one of the preceding claims, wherein the rotor (110) is arranged radially inside the stator (150).

Synchronous machine (100) according to one of the preceding claims, further comprising: at least three first terminals that are conductively connected to the first winding (120); at least three second terminals that are conductively connected to the second winding (160); and a current transmission device that is designed to conduct the first three-phase current via the three first terminals through the first winding (120) and the second three-phase current via the three second terminals through the second winding (160).

Vehicle (200) comprising: at least one wheel (210); and a synchronous machine (230) according to one of the Claims 1 until 8 , wherein the synchronous machine (230) is designed to drive the at least one wheel (210).