DE102006006824A1

DE102006006824A1 - Permanenterregte Synchronmaschine sowie Verfahren und Vorrichtung zu deren Betrieb

Info

Publication number: DE102006006824A1
Application number: DE200610006824
Authority: DE
Inventors: Marco Dr. Falco; Ralf Dr. Kruse
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2006-02-14
Filing date: 2006-02-14
Publication date: 2007-08-23
Also published as: WO2007093487A2; WO2007093487A3

Abstract

Bei einer permanenterregten Synchronmaschine (1) mit einem Ständer (2), der unter Bildung eines Luftspaltes (3) einen dauermagnetisches Läufermaterial aufweisenden Läufer (4) umgibt, sind eine Anzahl von mittels eines feldbildenden Längsstroms (i<SUB>d</SUB>) auf- und abmagnetisierbare Dauermagnete (6) im Läufer (4) bzw. im Läufermaterial (4') versenkt angeordnet. Beim Betrieb der Synchronmaschine (1) wird der Ständerwicklung zur Einstellung des Magnetisierungszustands der läuferseitigen Dauermagnete (6) der Längsstrom (i<SUB>d</SUB>) mindestens zweistufig aufgeprägt, wobei in einer ersten Stufe die Dauermagnete (6) zumindest annähernd vollständig aufmagnetisiert werden und wobei in einer zweiten Stufe die Dauermagnete (6) ab- oder ummagnetisiert werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine permanenterregte Synchronmaschine mit einem eine Ständerwicklung zur Erzeugung eines Drehfeldes aufweisenden Ständer, der unter Bildung eines Luftspaltes einen ein dauermagnetisches Läufermaterial aufweisenden Läufer umgibt. Sie bezieht sich weiter auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben einer variabel permanenterregten Synchronmaschine, insbesondere in einem Hybrid-Fahrzeug.
Bei einer derartigen Synchronmaschine mit einer ständerseitigen, üblicherweise dreisträngigen und mit einem dreiphasigen sinusförmigen Wechselstrom betriebenen Ständer- oder Drehfeldwicklung tritt im Luftspalt zwischen dem Ständer und dem permanenterregten Läufer ein umlaufendes magnetisches Feld oder Ständerdrehfeld auf. Dieses ständerseitige Drehfeld besteht aus einander abwechselnden magnetischen Nord- und Südpolen, die entlang des Luftspaltes rotieren. Die Gesamtzahl aller Nord- und Südpole gibt dabei die so genannte Polzahl (2p) oder Polpaarzahl (p) an. Durch die Wechselwirkung zwischen dem Ständerdrehfeld und einem vom permanenterregten Läufer erzeugten Läuferdrehfeld oder Erregerfeld entsteht das Drehmoment der Synchronmaschine.
Die permanenterregte Synchronmaschine wird, beispielsweise in Verbindung mit einem Frequenzumrichter und einer Pulsweitenmodulation, geregelt mit variabler Drehzahl betrieben. Im stationären Betrieb rotiert die Synchronmaschine mit synchroner Drehzahl, indem sich der Läufer mit einer der Drehzahl des Ständerdrehfeldes entsprechenden Drehzahl dreht. Diese Drehzahl wird durch die Frequenz der angelegten Ständerspannungen und damit der Ständerströme vorgegeben, wobei die Drehzahl und die Ständerfrequenz über die Polpaarzahl direkt proportional miteinander verknüpft sind.
Infolge der Wechselwirkung zwischen dem Ständerdrehfeld und dem Läuferdrehfeld wird in den Wicklungssträngen der Ständerwicklung eine Spannung induziert, die proportional zur Frequenz der Ständerspannung und zur Flussverkettung im Luftspalt ist. Diese wiederum resultiert aus einer Überlagerung der Ständerflussverkettung und der Läuferflussverkettung. Bei hohen Drehzahlen und damit hohen Ständerfrequenzen muss diese resultierende Flussverkettung entsprechend klein sein, damit die maximal zulässige induzierte Spannung nicht überschritten wird. Bei hohen Drehzahlen befindet sich die Synchronmaschine demzufolge im so genannten Feldschwächbereich.
Bei einer permanenterregten Synchronmaschine mit Selten-Erd- oder Ferrit-Magneten als läuferseitigem Magnetmaterial ist die Läuferflussverkettung betriebspunktunabhängig annähernd konstant, da die Permanent- oder Dauermagnete näherungsweise ein stets gleich hohes Feld erzeugen. Um bei hohen Drehzahlen die gewünschte Feldschwächung zu erreichen, muss ständerseitig ein entsprechendes Gegenfeld vorgegeben werden. Dies wiederum kann durch Kompensation oder Schwächung des Erregerfeldes erreicht werden, indem den Ständerwicklungen ein entsprechender feldschwächender Strom aufgeprägt wird.

Aus der DE 33 34 149 A1 ist es bekannt, bei einer Synchronmaschine mit mittels AlNiCo-Magneten permanenterregtem Läufer der Ständerwicklung über einen Umrichter kurzzeitig einen Strom – den so genannten (negativen) Längsstrom – zuzuführen. Die dadurch in der Längsrichtung – und damit entlang der Maschinelängsachse – hervorgerufene Durchflutung bewirkt eine irreversible Änderung des Magnetisierungszustandes der läuferseitigen Dauermagnete. Durch Aufprägung kurzzeitiger Stromimpulse können die Dauermagnete des Läufers ab- bzw. aufmagnetisiert werden. Ein entmagnetisierender Längsstrom führt dabei zu einem relativ schwachen Erregerfeld der Synchronmaschine, so dass diese auch mit hohen Drehzahlen ver gleichsweise verlustarm und sicher betrieben werden kann. Zu kleineren Drehzahlen hin wird dementsprechend ein aufmagnetisierender Längsstrom erzeugt, der das Erregerfeld entsprechend stärkt, so dass bei niedrigen Drehzahlen ein möglichst großes Drehmoment erzeugt wird.

Zwar sind bei der bekannten Anordnung bereits aus einem Werkstoff vergleichsweise kleiner Koerzitivfeldstärke bestehende Teilmagnete, insbesondere AlNiCo-Magnete, vorgesehen. Dennoch hat sich herausgestellt, dass mit dieser bekannten Anordnung zumindest im Feldschwächbereich unerwünschte Störeffekte, wie insbesondere unkalkulierbare Pendeldrehmomente oder Geräuschanregungen auftreten können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine permanenterregte Synchronmaschine anzugeben, deren Permanentmagnetfeld unter Vermeidung der genannten Nachteile variierbar ist. Des Weiteren sollen ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben, insbesondere zur Steuerung oder Regelung, einer variabel permanenterregten Synchronmaschine angegeben werden.

Bezüglich der permanenterregten Synchronmaschine wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Hierzu sind die Dauermagneten im Läufer oder Läufermaterial versenkt angeordnet.

Bezüglich des Verfahrens und der Vorrichtung zum Betreiben einer solchen, nachfolgend auch als variabel permanenterregter Motor oder VP-Motor bezeichneten Synchronmaschine wird die genannte Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale der Ansprüche 22 bzw. 25.

Vorteilhafte Varianten, Ausgestaltungen und/oder Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.

Der Erfindung liegt dabei einerseits die Überlegung zugrunde, dass das läuferseitige Permanentmagnetfeld besonders zuverlässig variiert werden kann, wenn eine unerwünschte Beein flussung des Magnetisierungszustands des läuferseitigen Magnetmaterials durch das Ständer- oder Ankerdrehfeld vermieden wird oder zumindest möglichst gering ist.

Diesbezüglich geht die Erfindung von der Erkenntnis aus, dass einerseits – bezogen auf ein läuferfestes Koordinatensystem, das so genannte d-q-Koordinatensystem – lediglich der in Magnetisierungsrichtung des Läufers, d.h. in Richtung der Längsachse oder d-Achse orientierte Längsstrom als feldstärkender oder feldschwächender – bzw. allgemein als feldbildender – Strom wirksam ist. Demgegenüber stellt der in Richtung der hierzu senkrechten Querachse bzw. q-Achse orientierte Querstrom den drehmomentbildenden Strom dar. Sowohl der zur Feldschwächung führende negative Längsstrom als auch der zu einer Feldverstärkung führende positive Längsstrom beeinflusst dabei die Luftspaltinduktion, nicht jedoch das Drehmoment. Umgekehrt beeinflusst der Querstrom das Drehmoment, nicht aber das Erregerfeld.

Andererseits erzeugt die Ständerwicklung stets ein räumlich sinusförmiges, magnetisches Feld im Luftspalt mit der Folge, dass auch ein vom Querstrom erzeugtes Luftspaltfeld den Magnetzustand des Läufers und insbesondere dort eingesetzte, zur Ummagnetisierung vorgesehene Dauermagnete beeinflusst. Dieser unerwünschte Effekt wird zudem insoweit negativ beeinflusst oder verstärkt, als die zur möglichst leistungs- oder energiearmen Ummagnetisierung eingesetzten Magnetwerkstoffe, wie insbesondere AlNiCo oder FeCrCo, zusätzlich zu einer vergleichsweise hohen Remanenz eine ebenfalls vergleichsweise kleine Koerzitivfeldstärke aufweisen. Daher erfolgt bereits bei einer relativ geringen querstrombedingten Feldstärke oder Feldstärkeänderung eine ungewollte und unerwünschte sowie insbesondere nicht oder nur unzureichend kontrollierbare Beeinflussung bzw. Änderung des Magnetisierungszustandes der läuferseitig eingesetzten Magnete.

Betroffen von dieser unerwünschten Beeinflussung durch den Querstrom sind erkanntermaßen im Wesentlichen die äußeren, dem Luftspalt zugewandten und damit dem Ständer nächstgelegenen Regionen der läuferseitigen Permanentmagnete oder -pole. Deshalb würden sich bis zum Luftspalt hin erstreckende Dauermagnete zu einer ungewollten querstrombedingten Feldschwächung führen.

Zudem zeigen Untersuchungen, dass einerseits die bei einer Speichengeometrie mit trapezförmigen Dauermagneten zwangsläufig vergleichsweise schmalen inneren Magnetbereiche leichter abmagnetisiert werden können als die bei dieser Geometrie dann vergleichsweise breiten äußeren Magnetbereiche der läuferseitigen Dauermagnete. Dabei sind bereits relativ kleine Längsströme für eine Beeinflussung der radial innen liegenden Magnetbereiche ausreichend. Andererseits können bei maximalem Läuferfeld nur die radial außen liegenden Magnetbereiche voll auf magnetisiert werden, während die innen liegenden Magnetbereiche dann nur teilmagnetisiert sind. Dies würde aufgrund der dadurch bedingten uneffektiven Nutzung des Magnetmaterials zu einem entsprechend verringerten Drehmoment der Synchronmaschine führen. Da gerade die vergleichsweise gut aufmagnetisierbaren äußeren Magnetbereiche aufgrund deren Nähe zum Luftspalt einem vom Querstrom erzeugten Ständer- oder Ankerquerfeld empfindlich stark ausgesetzt sind, ist eine ungewollte querstrombedingte Feldschwächung oder Abmagnetisierung der Dauermagnete praktisch unvermeidbar.

Dieser unerwünschte Effekt einer ungewollten Abmagnetisierung der Dauermagnete durch das Ankerquerfeld kann durch eine geometrische Ausgestaltung oder Anordnung der Dauermagnete vermieden werden, bei der zwar die erkanntermaßen leichte Abmagnetisierung genutzt, gleichzeitig aber die Beeinflussung durch das Ankerquerfeld möglichst gering gehalten wird. Hierzu besonders geeignet ist eine bei bestimmter oder vorgegebener radialer Dicke des Läufermaterials in Radialrichtung möglichst tief im Läufer oder Rotor der Synchronmaschine versenkte Anordnung der Dauermagnete. Unter versenkter Anordnung der Dauermagneten im Läufer bzw. im Läufermaterial wird hierbei verstanden, dass – in Radialrichtung des Läufers betrach tet – einerseits die radiale Ausdehnung oder Abmessung der Dauermagnete kleiner ist als die radiale Materialdicke bzw. Abmessung des Läufers, der ansonsten weich- oder ferromagnetisch, beispielsweise mit blechpaket- oder dynamoblechartigen Jochen ausgeführt ist. Andererseits liegen die Dauermagneten mit zum Luftspalt hin beabstandeter Oberseite oder Oberfläche im Läufermaterial ein.

Sind dabei die im Läufermaterial versenkten Dauermagnete quadratisch oder bevorzugt rechteckförmig ausgebildet, so wird eine besonders gleichmäßige Auf- und Abmagnetisierung des gesamten läuferseitigen Magnetvolumens oder -materials ermöglicht. Dabei ist zudem erkanntermaßen auch eine besonders gleichmäßige Magnetisierung aller radialen Magnetlagen der Dauermagnete festzustellen. Die rechteckförmigen Dauermagnete liegen bevorzugt mit zur Läuferachse und zum Luftspalt weisenden Längsseiten im Läufermaterial versenkt ein.

Hierzu sind im Läufer bzw. im Läufermaterial entsprechende Ausnehmungen zur Aufnahme der jeweiligen Dauermagnete vorgesehen, d. h. insbesondere in die Läuferjoche eingebracht. Da die radiale Ausdehnung dieser zum Luftspalt hin offenen Ausnehmungen größer ist als die radiale Dicke der Dauermagnete und diese gegen den Boden oder Grund der jeweiligen Ausnehmung geführt sind, verbleibt zwischen der Magnetoberfläche bzw. -oberseite und dem Luftspalt ein dauermagnetfreier Raum. Die Ausnehmungen sind dabei zweckmäßigerweise unter Bildung zweier in Umfangsrichtung unterschiedlich breiter Räume stufig ausgeführt.

Bei in den radial innen liegenden, vergleichsweise breiten Raum der Ausnehmung eingesetztem Dauermagnet kann in den radial außen liegenden, vergleichsweise schmalen Raum dieser Ausnehmung eine kappen- oder stopfenartige Abdeckung aus nichtmagnetischem Material eingesetzt werden. Dadurch sind die Ausnehmungen mittels entsprechender Magnetabdeckungen verschlossen. Die insbesondere aus konstruktiven und bei hohen Drehzahlen aus geräuschtechnischen Gründen vorteilhaften Magnetabdeckungen haben praktisch keinen Einfluss auf das elektromagnetische Betriebsverhalten der Synchronmaschine.

Die entlang des Läuferumfangs vorgesehenen Dauermagnete weisen hinsichtlich des Materials zweckmäßigerweise eine möglichst geringe Koerzitivfeldstärke bei gleichzeitig möglichst hoher Remanenz auf. Durch diese Geometrie-Material-Kombination ermöglichen die in Umfangsrichtung magnetisierten Dauermagnete ein Austreten des Läuferfeldes stets in gleicher Weise blockartig aus dem Läufer. Bevorzugte Magnetmaterialien sind AlNiCo oder FeCrCo.

In einer zweckmäßigen Weiterbildung sind im Läufer so genannte Flusssperren vorgesehen. Die Flusssperren dienen zur Absenkung einer Querinduktivität, um die für ein hinreichend hohes Drehmoment notwendigen Querströme über den gesamten Drehzahlbereich in die Ständerwicklung einprägen zu können. Die Anzahl der zweckmäßigerweise gleichmäßig am Umfang des Läufers verteilt angeordneten Flusssperren entspricht der Anzahl der Dauermagnete, wobei beidseitig jedes Dauermagneten jeweils eine Flusssperre vorgesehen ist. Die Form der Flusssperren kann rechteckig sein. Im Hinblick auf eine Erhöhung des Luftspaltfeldes sind jedoch dreieckförmige Flusssperren vorteilhaft. Dabei sind die Flusssperren mit deren Dreiecksspitze zum Luftspalt hin gerichtet und an diesen zweckmäßigerweise direkt angrenzend in den Läufer oder in das Läufermaterial bzw. in die Läuferjoche eingesetzt.

Gemäß einer bevorzugten Variante der variabel permanenterregten Synchronmaschine ist deren Ständerwicklung als so genannte Bruchlochwicklung ausgeführt. Eine solche Bruchlochwicklung hat im Gegensatz zu einer Ganzlochwicklung mit ganzer Lochzahl eine gebrochene Lochzahl. Unter der Lochzahl wird die Anzahl der Ständernuten je Pol und Wicklungsstrang verstanden. Eine zweipolige Synchronmaschine mit dreisträngiger Ständerwicklung kann z.B. zwölf (12) Ständernuten und demnach pro Pol zwei (2) Ständernuten je Wicklungsstrang aufweisen. Die Lochzahl hätte in diesem Fall den Wert zwei (2), was einer Ganzlochwicklung entspricht. Bei einer Bruchlochwicklung hat demgegenüber die Lochzahl einen gebrochenen Wert von beispielsweise zweieinhalb (2,5), wenn der Ständer insgesamt fünfzehn Ständernuten und demnach siebeneinhalb (7,5) Ständernuten pro Pol aufweist.

Die Verwendung bzw. der Einsatz einer Bruchlochwicklung führt zu einer maßgeblichen Reduzierung so genannter Rastmomente, was insbesondere bei einem variabel permanent erregten Motor bei dessen Einsatz in einem Hybrid-Fahrzeug besonders vorteilhaft ist. Derartige (stromlose) Rast- oder Nutrastmomente können zu unerwünscht hohen Drehmomentschwankungen und zu entsprechenden Drehzahlschwankungen führen, wenn sich der Läufer im Betrieb praktisch auf die Ständerzähne ausrichtet.

Grund hierfür ist, dass insbesondere bei einem mit Speichenmagneten ausgeführten dauermagnetischen Läufer die magnetische Permeabilität entlang des Läufer- oder Luftspaltumfangs starke Schwankungen zeigt, indem ferromagnetische Eisenbereiche sehr hoher Permeabilität mit Magnet- und/oder Flusssperrenbereichen sehr niedriger Permeabilität wechseln. Dieser bei einer Ganzlochwicklung auftretende Effekt ist bei einer Bruchlochwicklung erheblich reduziert.

Die variabel permanenterregte Synchronmaschine wird vorzugsweise mittels der so genannten feldorientierten Regelung betrieben. Diese Art der Regelung ist am Läuferfeld und damit in Bezug auf die läuferfesten d-q-Koordianten an der d-Achse orientiert. Die feldorientierte Regelung steuert die bereits magnetisierte Synchronmaschine zunächst allein anhand einer drehmomentbildenden Stromkomponente, d. h. mittels des Querstroms nach dessen Betrag und Vorzeichen. Dazu werden den Wicklungssträngen der Ständerwicklung nach Maßgabe eines Soll-Betriebsparameters, insbesondere eines Drehmoment-Sollwertes, Stellgrößen für die Strangspannungen zur Erzeugung des entsprechenden Drehfeldes vorgegeben.

Ist aufgrund der aktuellen Drehzahl des Läufers und damit der Synchronmaschine eine Änderung des Magnetisierungszustandes der Dauermagnete oder des Grades der Magnetisierung des Läufers bzw. des Läufermaterials beispielsweise im Hinblick auf eine Feldschwächung notwendig, so wird der Ständerwicklung zusätzlich zum drehmomentbildenden Querstrom ein feldbildender impulsförmiger Längsstrom zur Magnetisierung der Dauermagnete zweistufig aufgeprägt.

Dabei wird in einer ersten Stufe der Längsstrom zunächst derart eingestellt, dass die Dauermagnete zumindest annähernd vollständig aufmagnetisiert werden. Erst in einer zweiten Stufe erfolgt dann die gezielte Ab- oder Ummagnetisierung der Dauermagnete. Unter Ummagnetisierung wird hierbei nur das auf- oder abmagnetisieren, nicht aber eine Umpolung der Dauermagnete verstanden.

Im Hinblick auf die für einen möglichst optimierten Betrieb der Synchronmaschine nachzubildende Feldschwächung hängt das von den Dauermagneten zu erzeugende Magnetfeld im einfachsten Fall lediglich von der Drehzahl des Läufers ab, wobei mit zunehmender Drehzahl das erforderliche Magnetisierungsniveau abnimmt. Mittels der feldorientierten Regelung wird somit bezogen auf ein läuferfestes d-q-Koordinatensystem zusätzlich zum drehmomentbildenden Querstrom der für eine bedarfsweise Feldschwächung erforderliche Längsstrom in Abhängigkeit von der aktuellen Drehzahl des Läufers zur Einstellung des entsprechenden Magnetisierungsniveaus der Dauermagnete gesteuert. Hierzu werden die in der ersten Stufe zunächst voll aufmagnetisierten Dauermagnete sowohl bei steigender oder zunehmender Drehzahl als auch bei fallender bzw. abnehmender Drehzahl entsprechend abmagnetisiert.

Somit kann durch die zwei- oder mehrstufige Aufprägung kurzzeitiger Stromimpulse in der Ständerwicklung der Magnetisierungszustand der Dauermagnete des Läufers gezielt, d.h. vergleichsweise genau und insbesondere reproduzierbar eingestellt werden. Dabei können die Dauermagnete je nach Bedarf einer Feldschwächung oder Feldverstärkung durch gezielte Einstellung der Richtung und Höhe des vom negativen oder positiven Längsstrom in der zweiten oder weiteren Stufe erzeugten Magnetfeldes ab- bzw. aufmagnetisiert werden.

Bezüglich dieses Aspektes des mindestens zweistufigen Ummagnetisierungskonzeptes zum Betreiben der variabel permanenterregten Synchronmaschine geht die Erfindung von der Erkenntnis aus, dass der für ein bestimmtes Magnetisierungsniveau eines variabel magnetisierbaren Permanent- oder Dauermagneten erforderliche Magnetisierungsstrom abhängig ist vom vorherigen Magnetisierungszustand dieses Magneten. Entlang der typischen Hysteresekurve im Magnetisierungs-Feldstärke-Diagramm (B-H-Diagramm) eines solchen Magneten, beispielsweise aus AlNiCo- oder FeCrCo-Material, spiegelt sich dieser als Erinnerungs-Effekt bezeichnete vorherige Magnetisierungs- oder Ausgangszustand in der jeweiligen Remanenz wieder. Da innerhalb der magnetspezifischen Hysterese die Remanenz ihrerseits die zur Entmagnetisierung und damit zur Ummagnetisierung des Magneten erforderliche Koerzitivfeldstärke vorgibt und diese wiederum bei verschiedenen Remanenzen unterschiedlich ist, hängt auch die erforderliche Feldstärke eines äußeren Magnetfeldes vom Ausgangszustand des Magneten ab. Demzufolge wären einerseits bei voneinander verschiedenen ursprünglichen Magnetisierungs- bzw. Ausgangszuständen des Magneten zur Erzielung des gleichen einzustellenden Endmagnetisierungsniveaus dem Betrage nach unterschiedliche Längsströme erforderlich. Andererseits würde ein bestimmter Längsstrom bei voneinander verschiedenen ursprünglichen Magnetisierungs- bzw. Ausgangszuständen zu unterschiedlichen Reaktionen des Magneten führen.

In der speziellen Anwendung derartiger variabel magnetisierbarer Dauermagnete zur Erzeugung eines bedarfsweise veränderbaren Läuferfeldes einer Synchronmaschine tritt dieser Erinnerungs-Effekt zudem mit in unterschiedlichen radialen Lagen des Dauermagneten verschiedenen Remanenzen oder Ausgangszuständen auf.

Hinsichtlich dieses Aspektes liegt der Erfindung die Überlegung zugrunde, dass ein bestimmter Längsstrom zu einer definierten Reaktion des Magneten führen würde, wenn der Erinnerungs-Effekt neutralisiert werden kann. Dies wiederum ist dadurch erreichbar, wenn unabhängig vom ursprünglichen Magnetisierungszustand zunächst ein definierter Ausgangszustand des Magneten hergestellt werden kann. In einem solchen definierten Ausgangszustand befindet sich der Magnet erkanntermaßen, wenn dieser vollständig aufmagnetisiert, d. h. entlang der Hysterese zumindest annähernd im Bereich der maximalen Magnetisierung ist. Ausgehend von diesem gesättigten Magnetisierungszustand verhält sich der Magnet infolge eines Ab- oder Ummagnetisierungsvorgangs hinsichtlich der Remanenz und der Keorzitivfeldstärke bei gleichem Längsstrom stets gleich.

Daher wird in einer ersten Stufe oder in einem ersten Schritt zunächst der definierte Ausgangszustand durch einen entsprechenden Längsstromimpuls hergestellt. Erkanntermaßen sind dann, insbesondere bei einem rechteckigen Dauermagneten, auch alle radialen Magnetlagen unabhängig von deren jeweiligem Abstand zum Luftspalt oder zum Ständer der Synchronmaschine gleichermaßen im Zustand vollständiger Magnetisierung. Anschließend kann in einer nachfolgenden zweiten Stufe oder in mehreren aufeinander folgenden Stufen der für eine besonders effektive Betriebsweise der Synchronmaschine erforderliche Magnetisierungszustand der läuferseitigen variabel magnetisierbaren Dauermagnete präzise eingestellt werden.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch die versenkte geometrische Anordnung der Dauermagnete im Läufer oder Läufermaterial ein sich zwar hinsichtlich der Amplitude in wünschenswerter Art und Weise proportional zum Magnetisierungsniveau oder -zustand veränderndes, nicht jedoch in unerwünschter Weise seine Kurvenform änderndes Läuferfeld einstellbar ist. Insbesondere wird eine kontrolliert steuerbare Feldschwächung bei allen Drehzahlen ermöglicht. Dabei werden einerseits eine unerwünschte Drehmomentbeeinflussung und andererseits eine nicht oder nur unzu länglich kontrollierbare oder eine ungewollte Ummagnetisierung der läuferseitigen Dauermagnete vermieden.

Durch die geometrische Ausgestaltung des Läufers mit versenkter Anordnung der zweckmäßigerweise rechteckförmigen Dauermagnete wird insgesamt eine besonders hohe Ausnutzung der Synchronmaschine in allen Betriebsbereichen, d.h. ein besonders hohes auf die Baugröße bezogenes Drehmoment erreicht. Durch diese spezielle geometrische Anordnung des magnetischen Kreises mit läuferseitig versenkten Dauermagneten kann zudem ein maximales Drehmoment bei gleichzeitig minimalem Einsatz von Magnetmaterial erzielt werden.

Auch verfügt die Synchronmaschine in allen Betriebs- oder Lastbereichen über einen besonders hohen Wirkungsgrad. Wesentliche Gründe hierfür sind, dass praktisch keine zusätzlichen Verluste durch Feldschwächströme oder negative Längsströme und keine Läuferverluste auftreten.

Insbesondere bei Hybridanwendungen ist die Gleichstrom- oder DC-Aufnahmeleistung beim Start des Verbrennungsmotors eines entsprechenden Hybridfahrzeugs besonders gering. Die Synchronmaschine ist daher besonders vorteilhaft auch in einem 14V-Bordnetz und dabei sowohl als variabel permanenterregter Motor als auch als variabel permanenterregter Generator einsetzbar.

Die erfindungsgemäße Synchronmaschine zeichnet sich ferner durch eine hohe Robustheit aus, zumal das für die läuferseitigen Dauermagnete bevorzugt eingesetzte AlNiCo-Magnetmaterial korrosionsbeständig und bis zu einer Temperatur von etwa 500°C temperaturbeständig ist. Auch sind weder Überspannungen im Fehlerfall noch unerwünschte irreversible Abmagnetisierungen der Dauermagneten zu erwarten. Da der Läufer darüber hinaus im Bedarfsfall vollständig abmagnetisiert werden kann, ist ein besonders hohes Maß an Montage- und Wartungsfreundlichkeit gegeben.

Da der den Erinnerungs-Effekt nach Art einer Reset-Funktion neutralisierende Ausgangszustand vollständiger Magnetisierung, insbesondere auch für alle Magnetlagen der läuferseitigen Dauermagnete, sowohl unabhängig von der Form der Dauermagnete als auch unabhängig davon ist, ob und ggf. wie tief die Dauermagneten in den Läufer versenkt sind, ist dieses zweistufige Regelungskonzept prinzipiell auch bei solchen variabel permanent erregten Synchronmaschinen vorteilhaft einsetzbar, die mit bis an den Luftspalt geführten Speichenmagneten oder mit auf den Läufer aufgesetzten variabel magnetisierbaren Dauermagneten oder Oberflächenmagneten ausgeführt sind. Das Verfahren und die Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 22 bzw. 25 stellt demnach auch eine selbstständige Erfindung dar.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
1 schematisch in einem Querschnitt eine zweipolige (p = 1) variabel permanenterregte Synchronmaschine mit dreisträngiger Ständerwicklung und mit im Läufer versenkten rechteckförmigen Dauermagneten,
2 eine Synchronmaschine gemäß 1 mit dreieckförmigen Flusssperren im Läufer,
3 eine Synchronmaschine gemäß 2 mit Bruchlochwicklung und rechteckförmigen Flusssperren,
4 in einem Blockschaltbild die Gesamtstruktur eines elektrischen Antriebs mit variabel permanenterregtem Synchronmotor (VP-Motor) in einem Hybridfahrzeug,
5 ein Blockschaltbild einer variabel permanenterregten Synchronmaschine als VP-Motor mit einer Regeleinrichtung,
6 in einem Strom-Zeit-Diagramm die Strom- und Zeit-Verhältnisse kurzeitiger Magnetisierungs- oder Entmagnetisierungsimpulse,
7 in einem Magnetisierungs-Drehzahl-Diagramm die Abhängigkeit des Magnetisierungszustands läuferseitiger Dauermagnete von der Arbeits- oder Maschinendrehzahl des VP-Motors,
8 in einem B-H-Diagramm äußere und innere Hystereseverläufe eines magnetisierten AlNiCo-Materials, und
9 in einer Darstellung gemäß 8 die Hystereseverläufe zweier partiell magnetisierter Magnetlagen des Magnetmaterials.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Die in den 1 und 2 schematisch im Querschnitt dargestellte permanenterregte Synchronmaschine 1 weist einen Ständer 2 mit im Ausführungsbeispiels zwölf Ständernuten (+U, +V, +W) auf, in die eine dreisträngige Drehfeldwicklung mit entsprechender Zuordnung der Ständernuten zu den drei Wicklungssträngen U, V und W der Drehfeld- oder Ständerwicklung eingelegt ist.
Bei sinusförmig eingeschwungenem, stationären Betrieb führt im in den 1 bis 3 betrachteten Zeitpunkt der Wicklungsstrang U gerade maximalen positiven Strom, während die anderen beiden Wicklungsstränge V und W gerade jeweils den halben negativen Strom führen. Dies ist in dem linken Abbildungsausschnitt der 1 anhand der dortigen topographischen Darstellung der in Stern geschalteten drei Wicklungsstränge U, V, W veranschaulicht. Dabei bedeutet ein positiver Strom ein Kreuz in den mit einem Pluszeichen versehenen Hinleiter-Ständernuten +U, +V, +W. Des Weiteren bedeutet ein Kreuz konventionsgemäß einen in die Bild- oder Zeichenebene hineinfließen den Strom, während ein Punkt einen aus der Bild- bzw. Zeichenebene herausfließenden Strom veranschaulicht. Durch vergleichsweise strichstarke Kreuze und Punkte ist ein vergleichsweise hoher Strombetrag markiert, während vergleichsweise dünne Kreuze und Punkte einen entsprechend niedrigen Strombetrag markieren. Insgesamt zeigt sich somit für den betrachteten Zeitpunkt im Ständer 2 eine näherungsweise sinusförmige Stromverteilung entlang des Umfangs der Synchronmaschine 1.
Bei Speisung mit einem dreiphasigen sinusförmigen Wechselstrom erzeugt die Ständerwicklung U, V, W ein im Luftspalt 3 zwischen dem Ständer 2 und einem Läufer 4 umlaufendes magnetisches Feld oder Ständerdrehfeld. Dieses Ständerdrehfeld besteht aus einander abwechselnden magnetischen Nordpolen N und Südpolen S, die entlang des Luftspaltes 3 rotieren. Die Polzahl 2p, die bei der erfindungsgemäßen Synchronmaschine 1 praktisch beliebig sein kann, ist hinsichtlich einer besseren Übersichtlichkeit in den in den 1 bis 3 gezeigten Ausführungsbeispielen 2p = 2. Die Polpaarzahl ist demnach p = 1.
Das vom Ständer 2 erzeugte Drehfeld umschließt die stromdurchflossenen Leiter der Ständerwicklungen U, V, W rechtswendig, so dass zum betrachteten Zeitpunkt an der Maschinenoberseite der Synchronmaschine 1 ein Ständer-Südpol S und an der Maschinenunterseite ein Ständer-Nordpol N erhalten wird. Die beiden Ständerpole S und N, die nicht punktuell auf die Maschinenoberseite bzw. auf die Maschinenunterseite konzentriert sind, umspannen sinusförmig entsprechend dem zugehörigen Ständerstrombelag ±U, ±V, ±W jeweils eine Polteilung, was bei der vorliegenden Polzahl 2p = 2 dem halben Umfang der Synchronmaschine 1 entspricht. Vorliegend ist demnach der Ständersüdpol S als Sinushalbwelle über die Maschinenoberseite verteilt, während der Ständernordpol N als Sinushalbwelle über die Maschinenunterseite verteilt ist.
Der Läufer 4 ist mit Permanent- oder Dauermagneten 6 bestückt. Die in den Ausführungsbeispielen nach den 1 bis 3 jeweils zwei läuferseitig gegenüberliegend angeordneten Dauermagnete 6 sind in dem ansonsten beispielsweise aus als Blechpaket ausgeführten Läuferjochen 4' bestehenden Läufermaterial und damit im Läufer 4 versenkt angeordnet. Dazu sind im Läufer 4 bzw. Läufermaterial entsprechende Ausnehmungen 7 vorgesehen, in die die Dauermagnete 6 eingesetzt sind. Die jeweils einen Nordpol und einen Südpol aufweisenden Dauermagnete 6 sind im Ausführungsbeispiel rechteckförmig mit einerseits zum Luftspalt 3 und andererseits zur Läuferachse 8 hin ausgerichteten Längsseiten.
Die Dauermagnete 6 sind unter Bildung eines radialen Abstandes c zum Luftspalt 3 in das dauermagnetische Läufermaterial 4' eingesetzt. Die radiale Dicke oder Ausdehnung d der Dauermagnete 6 ist dabei kleiner als die Tiefe oder Nuttiefe a der jeweiligen Ausdehmung 7. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die radiale Tiefe a der Ausnehmungen 7 etwa doppelt so groß wie die radiale Dicke d des jeweiligen Dauermagneten 6. Die Ausnehmungen oder Aufnahmenuten 7 sind unter Bildung zweier Aufnahmeräume stufig ausgebildet, wobei die Dauermagnete 6 im dem Luftspalt 3 abgewandten, radial innen liegenden Aufnahmeraum der jeweiligen Aufnahmenut 7 einliegen.
Der bei in die Ausnehmungen 7 eingesetzten Dauermagneten 6 verbleibende Aufnahmeraum 9 in den Ausnehmungen 7 zwischen dem jeweiligen Dauermagneten 6 und dem Luftspalt 3 ist durch eine Magnetabdeckung 10 aus nicht- oder unmagnetischem Material ausgefüllt. Indem der jeweilige magnetfreie Aufnahmeraum 9 mittels der entsprechenden Magnetabdeckung 10 vollständig ausgefüllt ist, sind die Ausnehmungen 7, in denen die Dauermagnete 6 versenkt eingesetzt sind, vollständig verschlossen. Da zudem der Aufnahmeraum 9 in Umfangsrichtung des Läufers 4 schmaler ist als der innen liegende Aufnahmeraum der Ausnehmung 7, ist der dort versenkt eingesetzte Dauermagnet 6 formschlüssig und sicher gehalten.
Für die Ausführung der Synchronmaschine 1 als variabel permanenterregter Motor (VP-Motor) sind zur Erzielung eines ho hen Drehmomentes M bei gleichzeitig guter Ummagnetisierbarkeit der Dauermagnete 6 als Magnetmaterial AlNiCo-Werkstoffe und FeCrCo-Legierungen besonders vorteilhaft. Diese Magnetwerkstoffe verfügen typischerweise über eine hohe Remanenz-Iinduktion bei gleichzeitig betragsmäßig sehr niedriger Koerzitivfeldstärke.
Die Dauermagnete 6 erzeugen ein läuferseitiges Drehfeld mit gleicher Polzahl 2p = 2 bzw. gleicher Polpaarzahl p = 1 wie das Ständerdrehfeld. Das Ständerdrehfeld und das Läuferdrehfeld treten während des Betriebs der Synchronmaschine 1 in gegenseitige Wechselwirkung, so dass ein Drehmoment entsteht. Mittels des Lorentz'schen Kraftgesetzes lässt sich bezüglich des Ständers 2 die Drehmomententstehung derart erklären, dass das magnetische Läuferfeld infolge dessen Wirkung auf die stromdurchflossenen Leiter der Wicklungsstränge U, V, W der Ständerwicklung Lorentzkräfte erzeugt, die in der Summe das Drehmoment auf den Ständer 2 bewirken. Infolge des Wechselwirkungsprinzips nach dem Newton'schen Axiom "actio est reactio" wirkt ein Drehmoment gleicher Höhe in umgekehrter Richtung auf den Läufer 4.
Zum in den 1 bis 3 dargestellten Zeitpunkt liegen bei beiden Dauermagneten 6 deren Nordpol auf der rechten Figurenseite und deren Südpol auf der linken Figurenseite. Der mit den Dauermagneten 6 versehene Läufer 4 erzeugt somit im betrachteten Zeitpunkt in den Darstellungen gemäß den 1 bis 3 rechts einen Nordpol N und links einen Südpol S. Das Feld des Läufernordpols N wirkt auf der in der Darstellung rechten Seite der Synchronmaschine 1 auf die mit +U bezeichneten Leiter des entsprechenden Wicklungsstrangs U ein. Die Kraftwirkung ist demgemäß eine nach unten gerichtete Lorentzkraft auf die Ständerwicklung in Pfeilrichtung 5. Insgesamt bewirkt dies ein Drehmoment auf den Ständer 2 im mathematisch negativen Sinn. Infolge des Wechselwirkungsprinzips "actio est reactio" ist dies gleichbedeutend mit einem Drehmoment im mathematisch positiven Sinn und damit in Richtung der Pfeile 11 entgegen dem Uhrzeigersinn auf den Läufer 4. Bei ebenfalls mathematisch positiver Drehrichtung befindet sich die Synchronmaschine 1 im motorischen Betrieb.
Die nachfolgenden Ausführungen nehmen Bezug auch auf das in den 1 bis 3 an der Läuferachse 8 angedeutete läuferfeste d-q-Koordinatensystem, das mit dem Läufer 4 rotiert. Die eingezeichnete d-Achse oder Längsachse zeigt dabei stets in Richtung des Läuferfeldes, d.h. in Richtung des Läufernordpols N. Die q-Achse oder Querachse steht senkrecht zur d-Achse. Zum betrachteten Zeitpunkt magnetisieren die während des Betriebs der Synchronmaschine 1 eingestellten drei Ständerstrangströme den Ständer 2 in Richtung der positiven q-Achse auf. Die dargestellte dreiphasige Ständerstromverteilung wird daher auch als positiver q-Strom oder positiver Querstrom I_q bezeichnet. Ein positiver Querstrom (+)I_q erzeugt demnach ein positives motorisches Drehmoment M, während ein negativer Querstrom (–)I_q ein bremsendes generatorisches Drehmoment erzeugt.
Infolge der versenkten Anordnung der aus dem Magnetwerkstoff AlNiCo oder FeCrCo bestehenden Dauermagnete 6 im Läufer 4 wird erreicht, dass ein vom Querstrom I_q erzeugtes Feld im Luftspalt 3 die Dauermagnete 6, d.h. deren Magnetisierungszustand praktisch nicht beeinflusst. Grund hierfür ist, dass vom Querstrom I_q erzeugte Ständerfeld im Wesentlichen in die den Läufer-Magneten 6 benachbarten Läuferjoche 4' eintritt. Zur Ummagnetisierung der Dauermagnete 6 soll das Magnetfeld des Läufers 4 zweckmäßigerweise jedoch ausschließlich auf Grund des Längsstroms I_d beeinflusst werden. Dieser nachfolgend auch als Magnetisierungsstrom bezeichnete Längsstrom I_d stellt somit den feldbildenden Strom dar.
Dem gegenüber soll ein gefordertes Drehmoment M mittels des Querstroms I_q erzeugt werden, der demnach auch als drehmomentbildender Strom bezeichnet wird. Durch die versenkte Anordnung der Dauermagnete 6 aus dem genannten Magnetwerkstoff AlNiCo bzw. FeCrCo wird deren Magnetisierungsniveau oder – zustand im Wesentlichen nicht durch den Querstrom I_q verän dert oder beeinflusst. Durch die Anordnungs- und Werkstoff-Kombination der Dauermagnete 6 wird daher eine besonders exakte und nahezu ausschließlich längsstromgesteuerte Einstellung von deren Magnetisierungsniveau bzw. -zustand erreicht.
Um eine möglichst kleine Querinduktivität zu erhalten, sind in den Läufer 4, d.h. in dessen Läufermaterial nicht- oder unmagnetische Flusssperren 12 eingesetzt. Diese Flusssperren 12 liegen dabei zwischen den Dauermagneten 6. Die Anzahl s der Flusssperren 12 entspricht mit s = 2 der Anzahl der Dauermagnete 6. Durch den Einsatz der Flusssperren 12 und die dadurch erzielte Absenkung der Querinduktivität sind auch bei mittleren und hohen Drehzahlen n der Synchronmaschine 1 hinreichend hohe Querströme I_q zur Erzielung der gewünschten Drehmomente M einprägbar.
Die Rechteckform der Dauermagnete 6 ermöglicht – im Gegensatz zu trapezförmigen Speichenmagneten – eine gleichmäßige Auf- und Abmagnetisierung des gesamten Magnetvolumens der Dauermagnete 6 des Läufers 4. Beim voll auf magnetisierten Läufer 4 sind demzufolge alle Magnetbereiche der Dauermagnete 6 und demnach auch des Läufermaterials voll aufmagnetisiert. Dies ist besonders vorteilhaft im Hinblick auf die Höhe des Läuferfeldes und des erreichbaren Drehmomentes M.
Die in Radialrichtung relativ oder möglichst tiefe versenkte Anordnung der Dauermagnete 6 im Läufermaterial bzw. im Läufer 4 gewährleistet einen zuverlässigen Schutz der Dauermagneten 6 vor einer ungewollten Ummagnetisierung durch das Ankerquerfeld, d. h. durch das Querfeld des Ständers 2. Die Magnetabdeckungen 10, deren Einsatz im Wesentlichen konstruktiv bedingt ist, haben praktisch keinen Einfluss auf das elektromagnetische Betriebsverhalten der Synchronmaschine 1.
Während bei der Ausführungsform nach 3 die Flusssperren 12 rechteckförmig sind, sind bei der Ausführungsform nach 2 die Flusssperren 12 dreieckförmig. Dabei weist die jeweili ge Dreiecksspitze 13 zum Luftspalt 3 hin. Denkbar sind auch andere Varianten und geometrische Formen der Flusssperren 12. Auch können die Flusssperren 12 entfallen.
Bei der Ausführungsform nach 3 ist die Synchronmaschine 1 ständerseitig mit einer Bruchlochwicklung ausgeführt. Dies bedeutet, dass im Unterschied zu den Ausführungsformen nach den 1 und 2, bei denen unter Bildung einer Ganzlochwicklung die Lochzahl q = 2 ganzzahlig mit je Wicklungsstrang jeweils zwei Nuten pro Pol ist, bei der Ausführungsform nach 3 eine gebrochene Lochzahl q = 2, 5 vorliegt. Der dort dargestellte Ständer 2 hat insgesamt fünfzehn Ständernuten ±U, ±V, ±W und demnach 7, 5 Ständernuten pro Pol. Die Ausführung der Synchronmaschine 1 mit einer solchen Bruchlochwicklung ist insbesondere bei Einsatz in einem Hybridfahrzeug oder -kraftfahrzeug besonders vorteilhaft.
4 zeigt in einem Blockschaltbild eine Regelungs- oder Steuerungs-Struktur zum Betreiben einer nachfolgend auch als VP-Motor bezeichneten variabel permanent erregter Synchronmaschine 1 in einer Hybridanwendung. Der VP-Motor 1 wird über eine Einrichtung 14 zur Regelung oder Steuerung von einer Bordnetzbatterie 15 des Fahrzeugs mit einer Batteriespannung von beispielsweise 14V betrieben. Durch den Pfeil 16 sind an diese Batterie 15 gegebenenfalls angeschlossene weitere Verbraucher angedeutet.
Gemäß dieser in 5 vergleichsweise detailliert dargestellten Gesamtstruktur arbeitet die Synchronmaschine 1, deren Läufer 4 vorzugsweise gemäß den Ausführungsformen nach den 1 bis 3 mit in das Läufermaterial versenkten Dauermagneten 6 aus AlNiCo-Magnetmaterial ausgeführt ist, als sogenannter 14V-integrierter-Starter-Generator (14V-ISG) mit VP-Motor 1. Die zweckmäßigerweise elektronische Steuer- oder Regelungseinrichtung 14 umfasst einen dreiphasigen Wechselrichter 17, der eingangs- oder gleichstromseitig über einen Glättungskondensator 18 an die Batterie 15 angeschlossen ist. Ausgangsseitig ist der Wechselrichter 17 an Ausgangs- oder Motorklemmen 19 geführt, an die der VP-Motor 1 angeschlossen ist.
Einer Regelung oder Regeleinheit 20 werden von einem mit dem VP-Motor 1 gekoppelten Lagegeber 21 Informationen hinsichtlich der Lage des Läufers 4 (Rotorlage) als Rotorlagesignal ϑ zugeführt. Als weitere Eingangsinformation erhält die Regeleinheit 20 die Strangströme i_U, i_V, i_W als entsprechende Istwerte (5). Da der VP-Motor 1 in Sternschaltung ausgeführt ist (1), ist die Messung zweier Strangströme ausreichend, da der dritte Strangstrom aus den beiden anderen Strangströmen berechnet werden kann. Die Regeleinheit 20 kommuniziert zudem in nicht näher dargestellter Art und Weise mit einer nachfolgend als zentrale Fahrzeugsteuerung bezeichneten übergeordneten Steuer- oder Regelungseinheit des Hybridfahrzeugs über einen Feldbus 22, beispielsweise über einen sogenannten CAN-Bus (Controller Area Network). Die zentrale Fahrzeugsteuerung gibt der Regeleinheit 20 einen Drehmoment-Sollwert M_W vor und die Regeleinheit 20 stellt dann das entsprechende Drehmoment oder den entsprechenden Drehmoment-Istwert M_ist (5) an der (nicht dargestellten) Welle des Motors 1 bereit.
Das in 4 dargestellte ISG-System liefert umgekehrt über den Feldbus 22 aktuelle Statusmeldungen, insbesondere in Form von Kenngrößen, wie beispielsweise die aktuelle Temperatur der Ständerwicklungen U, V, W, an die übergeordnete Fahrzeugsteuerung.
Bei der nachfolgend auch anhand des Blockschaltbildes gemäß 5 näher erläuterten Funktionsweise der Regelung sind die dort eingetragenen Größen als Zeitgrößen und somit als Augenblickswerte anzusehen. Die Regeleinheit 20 gibt ausgangsseitig die drei Stellgrößen u_US, u_VS und u_WS für die drei Ständerspannungen der jeweiligen Ständerwicklungen U, V bzw. W vor. Diese Stellgrößen u_US, u_VS und u_WS werden mittels einer Einrichtung 23 zur Pulsweitenmodulation (PWM) in die tatsäch lichen, aktuellen oder augenblicklichen Ständerspannungen u_U, u_V bzw. u_W umgewandelt.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel erfolgt diese Umwandlung über einen der PWM-Einrichtung 23 nachgeschalteten, nachfolgend auch als Leistungselektronik bezeichneten leistungselektronischen Umrichter 24. Die Ständerspannungen u_U, u_V, u_W wiederum werden an die Ausgangs- bzw. Motorklemmen 19 des VP-Motors 1 angelegt, so dass sich entsprechende Strangströme i_U, i_V und i_W in den jeweiligen Wicklungssträngen U, V bzw. W einstellen. Von den drei Strangströmen i_U, i_V und i_W werden mittels Stromwandler 25 zwei Strangströme – im Ausführungsbeispiel die Strangströme i_V und i_W – gemessen. Der dritte Strangstrom i_U wird mittels negativer Addition aus den beiden anderen Strangströmen i_V, i_W berechnet.
Als Eingangsgrößen stehen der Regeleinheit 20 somit die Strangströme i_U, i_V und i_W sowie der mittels des Lagegebers 21 gemessene Rotorlagewinkel ϑ zur Verfügung. Als weitere Eingangsgröße erhält die Regeleinheit 20 über den Feldbus 22 den Drehmoment-Sollwert M_W. Ein positives Vorzeichen dieses Sollwertes M_W bedeutet motorischen Betrieb, während ein negatives Vorzeichen dieses Sollwertes M_W generatorischen Betrieb der Synchronmaschine 1 bedeutet.
Zentraler Bestandteil der Regeleinheit 20 ist die feldorientierte Regelung, d. h. ein Regelungs- oder Funktionsbaustein 26 zur sogenannten feldorientierten Regelung. Feldorientierung bedeutet dabei am Läuferfeld und somit an der d-Achse orientiert. Die feldorientierte Regelung 26 arbeitet demnach in den läuferfesten d-q-Koordinaten. Hierfür zeigt der Lagegeber 21 anhand des Lagewinkels ϑ die Lage oder Winkellage der d-Achse und damit die Lage des Läuferfeldes an. Im stationären Betrieb rotieren dann alle elektrischen und magnetischen Zeitgrößen mit synchroner Drehzahl n, während diese Zeitgrößen relativ zum d-q-Koordinatensystem stillstehen. Grund hierfür ist, dass dieses d-q-Koordinatensystem ebenfalls mit synchroner Drehzahl n rotiert. In den d-q-Koordi naten ergeben sich für den stationären Betrieb demnach Gleichgrößen, wobei ein stationäres konstantes Drehmoment M_ist gleichdeutend ist mit einem konstanten Querstrom i_q.
Zur Stärkung oder Schwächung des Permanent-Magnetfeldes des Läufers 4 des VP-Motors 1 wird kurzzeitig ein positiver oder negativer Längsstrom (+)i_d bzw. (–)i_d vorgegeben. Obwohl ein entsprechender Stromimpuls i_d zur Auf-, Ab- oder Ummagnetisierung der Dauermagneten 6 des VP-Motors 1 betragsmäßig relativ hoch ist, ist die Zeitdauer t dieses Impulses i_d derart kurz, dass die erforderliche Energie vernachlässigbar ist.
Für eine Überführung der Dauermagnete 6 in deren voll aufmagnetisierten Magnetisierungszustand kann die Magnetisierungsenergie bis unterhalb von 30Ws bei einer aktiven Impulsdauer t von etwa t = 5 ms reduziert werden. Insgesamt wird der VP-Motor 1 – mit Ausnahme einiger weniger Magnetisierungs- und Entmagnetisierungs-Impulse i_d – im Wesentlichen lediglich mit dem drehmomentbildenden Querstrom i_q betrieben. Dies führt zu einer erheblichen Erhöhung des System-Wirkungsgrades bei mittleren und hohen Drehzahlen n.
Innerhalb der Regeleinheit 20 werden anhand des Rotorlagewinkels ϑ und der drei Strangströme i_U, i_V, i_W mittels Koordinatentransformation der aktuelle Längsstrom i_d und der aktuelle Querstrom i_q berechnet. Eine Auswerteeinrichtung 27 ermittelt mittels eines speziellen Regelungsalgorithmus anhand des Drehmoment-Sollwertes M_w entsprechende Sollwerte i_dw und i_qw für den impulsförmigen Längsstrom i_d bzw. den Querstrom i_q. Der Regelungsalgorithmus der Auswerteeinrichtung 27 berücksichtigt dabei insbesondere die Istwerte i_d und i_q des Längs- bzw. Querstroms. Die feldorientierte Regelung 26 gibt auf Grund eines Vergleiches der Strom-Sollwerte i_dw und i_qw mit den zugehörigen Istwerten i_d und i_q Sollwerte für die Längsspannung u_d bzw. die Querspannung u_q aus. Diese Sollwerte u_d und u_q werden unter Zuhilfenahme des Rotorlagewinkels ϑ mittels Koordinatentransformation in die Stellgrößen u_US, u_VS und u_WS der drei Ständerspannungen umgewandelt.
Die Koordinatentransformation zur Bestimmung des aktuellen Längsstroms i_d sowie des aktuellen Querstroms i_q – und damit der entsprechenden Istwerte i_d bzw. i_q – erfolgt mittels des Funktionsbausteins 28. Die Koordinatentransformation zur Bestimmung der Stellgrößen u_US, u_VS und u_WS erfolgt mittels des Funktionsbausteins 29.
Da der Läufer 4 auf Grund des AlNiCo-Magnetwerkstoffs der Dauermagnete 6 relativ einfach auf- und abmagnetisierbar ist, kann das permanentmagnetische Läuferfeld, d. h. das Magnetfeld des Läufers 4 in dessen Höhe verstellt werden. Die Verstellung des Läuferfeldes erfolgt dabei im Wesentlichen in Abhängigkeit von der Drehzahl n der Synchronmaschine bzw. des VP-Motors 1. Während bei vergleichsweise kleinen Drehzahlen n0 bis n1 (7) der VP-Motor 1 mit maximalem Läuferfeld arbeitet, wird mit steigender Drehzahl n1, n2, n3 das Läuferfeld durch Ummagnetisierung der Dauermagnete 6 zunehmend abgesenkt. Die aktuelle Drehzahl n des VP-Motors 1 kann aus der Änderung der Rotorlage ϑ ermittelt werden.
Die Ummagnetisierung der Dauermagnete 6 erfolgt gemäß der Darstellung nach 7 vorzugsweise in diskreten Stufen. 7 zeigt dabei das Magnetisierungsniveau Ψ des Läufers 4 als Funktion der Drehzahl n. Dabei wird das auf der Ordinate (y-Achse) quantitativ angegebene Magnetisierungsniveau Ψ außerhalb bestimmter Drehzahlbereiche Δn stufenartig abgesenkt bzw. angehoben. Dabei gibt das Magnetisierungsniveau Ψ₀ den voll aufmagnetisierten Magnetisierungszustand der Dauermagnete 6 und damit des permanent magnetischen Läufers 4 an. Die Magnetisierungsniveaus Ψ₁, Ψ₂, Ψ₃ geben zunehmend reduzierte Magnetisierungszustände der Dauermagnete 6 an. Die Ummagnetisierung zwischen diesen Magnetisierungszuständen oder -niveaus erfolgt durch die kurzzeitigen, impulsartigen Längsströme i_d in der bereits vorhandenen dreiphasigen Ständerwicklung U, V, W.
Diese wicklungsspezifischen Ummagnetisierungsströme oder Längsströme i_d unterscheiden sich in deren räumlicher Phasenlage – und damit in deren Phasenlage relativ zur durch den Lagegeber 21 erfassten Winkelposition ϑ des Läufers 4 – von den drehmomentbildenden Querströmen i_q in den Ständerwicklungen U, V, W des Ständers 2. Die drehmomentbildenden Querströme i_q erzeugen dabei ein Magnetfeld senkrecht zur Magnetisierungsrichtung des Läufers 4, während die ummagnetisierenden feldbildenden Längsströme I_d in Richtung des Läufers 4 magnetisieren und dadurch das Permanent-Magnetfeld des Läufers 4 (Läuferfeld) gezielt beeinflussen. Ein negativer Längsstrom (–)I_d führt dabei zur Abmagnetisierung der Dauermagnete 6, während ein positiver Längsstrom (+)I_d zur Aufmagnetisierung der Dauermagnete 6 und damit des Läufers 4 führt. Mit zunehmender Drehzahl n werden somit die Dauermagnete 6 zunehmend abmagentisiert, so dass mit steigender Drehzahl n eine entsprechende Feldschwächung erreicht wird.
Gemäß der Darstellung nach 7 arbeitet der VP-Motor 1 demnach bei vergleichsweise niedrigen Drehzahlen n im Bereich zwischen n0 und n1 (n0 < n < n1) mit voll aufmagnetisierten Dauermagneten 6. In mittleren Drehzahlbereichen zwischen n1 und n2 oder zwischen n2 und n3 (n1 < n < n3) sowie bei vergleichsweise hohen Drehzahlen oberhalb von n3 (n > n3) arbeitet der VP-Motor 1 mit vergleichsweise niedrigem Magnetisierungsniveau der Dauermagnete 6.
Zur Kompensation des sogenannten Erinnerungs-Effektes der Dauermagnete 6 und damit des permanentmagnetischen Läufers 4 erfolgt mittels des Regelalgorithmus der Auswerteeinrichtung 27 eine mindestens zweistufige Einstellung des Magnetisierungszustandes der Dauermagnete 6 in Abhängigkeit von der aktuellen Drehzahl n. Dazu wird in einer ersten Stufe ein impulsförmiger Längsstrom i_d von der Regeleinheit 20 betragsmäßig derart eingestellt und den Wicklungssträngen U, V, W des Ständers 2 aufgeprägt, dass die Dauermagnete 6 zunächst zumindest annähernd vollständig auf magnetisiert werden. Dies entspricht einer Reset-Funktion, die stets zu einem defi nierten Ausgangszustand des Magnetisierungsniveaus der Dauermagnete 6 des Läufers 4 führt. Erst in einer darauffolgenden Stufe wird mindestens ein weiterer impulsartiger Längsstrom i_d den Wicklungssträngen U, V, W des Ständers 2 aufgeprägt, um die Dauermagnete 6 und damit den Läufer 4 entsprechend dem gewünschten oder erforderlichen Grad der Feldschwächung oder Feldverstärkung in Abhängigkeit von der aktuellen Drehzahl n umzumagnetisieren, d. h. ab- bzw. aufzumagnetisieren.
Die Wirkungsweise der Reset-Funktion zur Kompensation des Erinnerungs-Effektes lässt sich anhand der in den 8 und 9 dargestellten B-H-Diagramme mit den darin ausschnittsweise dargestellten Hystereseverläufen des AlNiCo-Magnetmaterials der Dauermagnete 6 veranschaulichen. Durch die Ziffern (1) und (1*) in 8 sind unterschiedliche Ausgangszustände oder Magnetisierungsniveaus eines solchen Magnetwerkstoffes angedeutet. Deren Remanenz oder Remanzinduktion ist entlang der die magnetische Induktion B angebenden Ordinate (y-Achse) sowohl betragsmäßig als auch hinsichtlich der Richtung unterschiedlich. Eine Ummagnetisierung erfordert daher auch verschiedene Koerzitivfeldstärken und demzufolge unterschiedliche Feldstärken H eines auf die AlNiCo-Dauermagneten 6 wirkenden äußeren Magnetfeldes, d. h. des auf den Läufer 4 und damit auf die Dauermagnete 6 wirkenden Ständerdrehfeldes des VP-Motors 1.
Ausgehend von diesen unterschiedlichen Ausgangszuständen würde derselbe Längsstrom i_d zu verschiedenen Magnetisierungszuständen der Dauermagnete 6 führen. Um dies zu vermeiden, wird in der ersten Stufe mittels der Regeleinheit 20 zunächst ein impulsartiger Längsstrom i_d-max eingestellt, der zu einem voll aufmagnetisierten Zustand der Dauermagnete 6 führt. Dadurch stellt sich in der ersten Stufe unabhängig vom Ausgangszustand (1) und (1*) stets der mit der Ziffer (2) angedeutete Magnetisierungszustand ein. Wird. dieser Längsstrom i_d-max nach Ablauf einer entsprechend eingestellten Impulsdauer t abgeschaltet, stellt sich der mit der Ziffer (4) angedeutete Magnetisierungszustand unabhängig vom Ausgangszustand (1) oder (1*) des Dauermagneten 6 ein.
Mittels dieser Reset-Funktion während der ersten Stufe der Aufprägung eines impulsförmigen Längsstroms i_d auf die Ständerwicklung U, V, W kann praktisch jeder beliebige Arbeitspunkt, beispielsweise auch ein durch die Ziffer (3) angedeutete Arbeitspunkt über den durch die Ziffer (5) angedeuteten Magnetisierungszustand mit einem definierten entmagnetisierenden Längsstrom i_d während der zweiten Stufe erreicht werden.
Wie durch die Darstellung gemäß 9 veranschaulicht, führt diese Reset-Funktion zudem dazu, dass auch bei verschiedenen Magnetisierungszuständen einzelner radialer Magnetlagen der Dauermagneten 6 durch den während der ersten Stufe initiierten Magnetisierungs- oder Längsstrom i_d-max alle Magnetlagen des Dauermagneten 6 in einen zumindest annähernd gleichen voll auf magnetisierten Magnetisierungszustand überführt werden. Die Ausgangs- und Endmagnetisierungszustände unterschiedlicher radialer Magnetlagen sind wiederum durch die Ziffern (1) und (2) angedeutet. So erreichen alle Magnetlagen des Dauermagneten 6 unabhängig von deren Ausgangszustand (1) oder (2) entlang des Hystereseverlaufes bei eingeschaltetem Längsstrom i_d-max auf der entsprechenden Hystereselinie den Zustand vollständiger Magnetisierung. Wird der während der ersten Stufe initiierte Längsstrom i_d-max nach Ablauf der Impulsdauer t abgeschaltet, so erreichen die unterschiedlichen Magnetlage die im zweiten Quadranten des B-H-Diagramms nach 9 wiederum durch die Ziffern (1) und (2) angedeuteten Magnetisierungszustände entlang desselben Verlaufs der maximalen äußeren Hysterese (Reset erfolgt). Demzufolge werden mittels eines definierten Längsstroms i_d während der zweiten Stufe für alle Magnetlagen des Dauermagneten 6 unterschiedliche, aber reproduzierbare Magnetisierungszustände unabhängig vom Ausgangszustand erreicht.
Die beschriebene Regelungsstrategie mit zweistufiger Aufprägung eines den Magnetisierungszustand eines variabel permanetmagnetischen Läufers 4 ändernden impulsförmigen Längsstroms i_d auf die Ständerwicklung U, V, W einer Synchronmaschine 1 führt auch bereits dann zu einem erheblich verbesserten Betriebsverhalten bei mittleren und hohen Drehzahlen n, wenn die läuferseitigen Dauermagnete nicht oder vergleichsweise wenig tief im Läufer oder Läufermaterial versenkt angeordnet sind. Die beschriebene zweistufige Regelungsstrategie eignet sich daher vorteilhafterweise auch bei anderen Ausführungen des Läufers, beispielsweise mit Oberflächenmagneten oder mit trapezförmigen Speichenmagneten.

Claims

Permanenterregte Synchronmaschine (1) mit einem eine Ständerwicklung zur Erzeugung eines Drehfeldes aufweisenden Ständer (2), der unter Bildung eines Luftspaltes (3) einen ein dauermagnetisches Läufermaterial aufweisenden Läufer (4) umgibt, in den eine Anzahl von mittels eines feldbildenden Längsstroms (i_d) auf- und abmagnetisierbare Dauermagnete (6) integriert sind, wobei die Dauermagnete (6) im Läufer (4) bzw. im Läufermaterial (4') versenkt angeordnet sind.
Synchronmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauermagnete (6) im Läufermaterial (4') speichenartig angeordnet sind.
Synchronmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauermagnete (6) eine gegenüber der radialen Läufermaterialdicke (a) kleine radiale Abmessung (d) aufweisen.
Synchronmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauermagnete (6) unter Bildung eines radialen Abstandes (c) zum Luftspalt (3) in das dauermagnetische Läufermaterial (4') eingesetzt sind.
Synchronmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauermagnete (6) viereckig, insbesondere rechteckförmig oder quadratisch, sind.
Synchronmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauermagnete (6) mit deren Längsseite dem Luftspalt (3) zugewandt sind.
Synchronmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauermagnete (6) zum Luftspalt (3) hin verdeckt sind.
Synchronmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauermagneten (6) mittels nichtmagnetischer Abdeckungen (10) verdeckt sind.
Synchronmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Läufermaterial (4') eine der Anzahl der Dauermagnete (6) entsprechende Anzahl von sich entlang des Umfangs des Läufers (4) erstreckenden Aufnahmenuten (7) zur Aufnahme der Dauermagnete (6) vorgesehen sind.
Synchronmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die lichte Weite der Aufnahmenuten (7) im Bereich des Nutbodens größer oder gleich der lichten Weite im Bereich der dem Luftspalt (3) zugewandten Nutöffnung ist.
Synchronmaschine nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmenuten (7) unter Bildung zweier Aufnahmeräume stufig ausgebildet sind, wobei die Dauermagnete (6) im dem Luftspalt (3) abgewandten Aufnahmeraum der jeweiligen Aufnahmenut (7) einliegen.
Synchronmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass am Umfang des Läufers (4) eine Anzahl von Flusssperren (12) zur Absenkung einer Querinduktivität angeordnet sind.
Synchronmaschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Flusssperren (12) rechteckförmig sind.
Synchronmaschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Flusssperren (12) dreieckförmig sind.
Synchronmaschine nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Flusssperren (12) mit zum Luftspalt (3) hin gerichteter, vorzugsweise an diesen unmittelbar angrenzender, Dreieckspitze (13) im Läufer (4) angeordnet sind.
Synchronmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetmaterial der Dauermagnete (6) AlNiCo oder FeCrCo ist.
Synchronmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Polzahl (2p) entsprechende Anzahl von Dauermagneten (6) am Umfang des Läufers (4) verteilt angeordnet ist.
Synchronmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 17, gekennzeichnet durch zwischen den Dauermagneten (6) angeordnete Blechpakete oder Läuferjoche (4') zur Führung des magnetischen Flusses.
Synchronmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauermagnete (6) in Richtung des Umfang des Läufers (4) magnetisiert sind.
Synchronmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Ständerwicklung als Bruchlochwicklung ausgeführt ist.
Verwendung einer variabel permanenterregten Synchronmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 20 als Motor zur Drehmomenterzeugung oder als Generator zur Leistungserzeugung in einem Hybrid-Fahrzeug.
Verfahren zum Betreiben einer variabel permanenterregten Synchronmaschine (1), insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 20, mit einem Ständer (2) mit einer ein Drehfeld erzeugenden Ständerwicklung (U, V, W), und mit einem Läufer (4) mit integrierten Dauermagneten (6), – wobei der Ständerwicklung zur Einstellung des Magnetisierungszustandes der läuferseitigen Dauermagnete (6) ein insbesondere impulsartiger Längsstrom (i_d) mindestens zweistufig aufgeprägt wird, – wobei in einer ersten Stufe die Dauermagnete (6) zumindest annähernd vollständig auf magnetisiert werden, und – wobei in einer zweiten Stufe die Dauermagnete (6) ummagnetisiert oder zumindest teilweise abmagnetisiert werden.
Verfahren nach Anspruch 22, bei dem mittels feldorientierter Regelung (26) bezogen auf ein läuferfestes d-q-Koordinatensystem ein drehmomentbildender Querstrom (i_q) und/oder ein zur Magnetisierung der Dauermagnete (6) dienender feldbildender Längsstrom (i_d) zur bedarfsweisen Feldschwächung oder Feldverstärkung eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 22 oder 23, bei dem in der zweiten Stufe der Grad der Magnetisierung der Dauermagnete (6) in Abhängigkeit von mindestens einem Betriebsparameter, insbesondere eines Soll-Drehmomentes (M_W), der Drehzahl (n) und/oder des Lagewinkels (ϑ) des Läufers (4), eingestellt wird.
Vorrichtung zum Betreiben, zur Regelung oder zur Steuerung einer variabel permanenterregten Synchronmaschine (1), insbesondere eines VP-Motors in einem Hybrid-Fahrzeug, – mit einem eine Ständerwicklung mit einer Anzahl von Wicklungssträngen (U, V, W) aufweisenden Ständer (2), – mit einem mit variabel magnetisierbaren Dauermagneten (6) versehenen Läufer (4), und – mit einer Regeleinheit (20), die mittels feldorientierter Regelung (26) und eines einen mindestens zweistufigen impulsartigen Längsstrom (i_d) einstellenden Regelalgorithmus (27) anhand von Eingangsinformationen für die Rotorlage (ϑ) des Läufers (4) und für die Ist- Werte (i_u, i_v, i_w) von Strangströmen der Ständerwicklung unter Vorgabe eines Drehmoment-Sollwertes (M_W) Stellgrößen (u_US, u_VS, u_WS) zur Einstellung von Spannungswerten (u_U, u_V bzw. u_W) für die Wicklungsstränge (U, V, W) erzeugt.
Vorrichtung nach Anspruch 25, bei der der Regelalgorithmus (27) anhand des Drehmoment-Sollwertes (M_w) sowie des Istwertes (i_d) des feldbildenden Längsstroms und eines Istwertes (i_q) eines drehmomentbildenden Querstroms einen Sollwert (i_dw) für den Längsstrom und einen Sollwert (i_qw) für den Querstrom ermittelt.
Vorrichtung nach Anspruch 25 oder 26, bei der die feldorientierte Regelung (26) anhand eines Vergleichs des Istwertes (i_d) und des Sollwertes (i_dw) des Längsstroms einerseits und anhand eines Vergleichs des Istwertes (i_q) und des Sollwertes (i_qw) des Querstroms andererseits Sollwerte (u_d, u_q) für die Längs- bzw. Querspannung ausgibt.
Vorrichtung nach Anspruche 27, bei der ein Funktionsbaustein (29) zur Koordinatentransformation anhand der Rotorlage (ϑ) den Sollwert (u_d) für die Längsspannung bzw. den Sollwert (u_q) für die Querspannung in die Stellgrößen (u_US, u_VS, u_WS) umwandelt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 25 bis 28, bei der ein Funktionsbaustein (28) zur Koordinatentransformation anhand der Rotorlage (ϑ) und der Ist-Werte (i_u, i_v, i_w) der Strangströme den Längsstrom-Istwert (i_d) bzw. den Querstrom-Istwert (i_q) bestimmt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 25 bis 29, mit einer Einrichtung (23) zur Pulsweitenmodulation (PWM) und mit einem leistungselektronischen Umrichter (24) zur Umwandlung der Stellgrößen (u_US, u_VS, u_WS) in die Spannungswerte (u_U, u_V, u_W)