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    • 专利摘要:
    Es wird ein Verfahren zum Steuern von Spannungen in einer Elektromaschine mit integriertem Starter und Drehstromgenerator geschaffen, wobei die Ankerwicklungen DELTA/Y/DELTA-geschaltet werden. Insbesondere sind die Ankerwicklungen während des Anlassens des Motors in einer DELTA-Schaltung angeordnet, wenn die Elektromaschine als Startermotor dient. Nachdem der Motor angelassen ist, werden die Wicklungen in eine Y-Schaltung geändert, wenn die ISAD-Maschine vom Motor- zum Generatorbetrieb wechselt und bei niedrigen Drehzahlen wie zum Beispiel der Leerlaufdrehzahl arbeitet. Wenn die Motordrehzahl über eine vorbestimmte Wicklungsumkonfigurierungsdrehzahl zunimmt, werden als nächstes die Wicklungen von einer Y- zu einer DELTA-Schaltung umgeschaltet. Falls die Motordrehzahl unter die Wicklungsumkonfigurierungsdrehzahl fällt, schaltet die Maschine die Ankerwicklungen wieder in eine Y-Schaltung, um die Y-Schaltung bei diesem niedrigen Drehzahlbereich im Generatorzustand zu nutzen.
    公开号:DE102004020025A1
    申请号:DE102004020025
    申请日:2004-04-23
    公开日:2005-01-13
    发明作者:Wei Carmel Cai；David Anderson Fulton
    申请人:Delco Remy America Inc；
    IPC主号:F02N11-04
    专利说明:
    [0001] DieErfindung bezieht sich allgemein auf das Gebiet von Startermotorenund Drehstromgeneratoren einschließlich Startermotoren und Drehstromgeneratorenfür Lastkraftwagenund Kraftfahrzeuge.
    [0002] DieDämpfungseinrichtungfür einenintegrierten Starter und Drehstromgenerator (engl. Integrated StarterAlternator Damper) (ISAD) ist eine in der Industrie für Hybrid-Kraftfahrzeugeund Lastkraftwagen verwendete Elektromaschine. Wie der Name nahelegt,integriert die ISAD die Funktionen eines Starters, Drehstromgeneratorsund Schwungraddämpfers,wenn sie mit einem Motor verbunden ist. Wie in 1 dargestellt ist, enthält die ISAD-Elektromaschine 12 einenRotor, der mit einem von einem Statorrahmen 17 bedeckten Stator 16 inelektromagnetischer Verbindung steht. Der Rotor 14 isteine Kurzschlusskäfigkonstruktionaus Gussaluminium und zur Anordnung innerhalb des Stators 16 ausgelegt.Der Stator 16 enthältum den Stator gewickelte Dreiphasenwicklungen 18 (d.h.die Ankerwicklungen). Die Dreiphasenwicklungen 18 sindmit Anschlüssen 20 verbunden,die vom Statorgestell 17 ausgehen. Die Anschlüsse 20 werdengenutzt, um die Dreiphasenwicklungen mit einem in einem elektronischenSteuerungskasten angeordneten Inverter/Gleichrichter 22 zuverbinden.
    [0003] 2 zeigt die Anordnung desRotors 14 und Stators 16 einer ISAD in Bezug aufeinen Kraftfahrzeugmotor 34. Wie in 2 gezeigt ist, ist die ISAD-Elektromaschinedirekt auf der Kurbelwelle 36 des Motors installiert und über einenDrehmomentumformer oder eine Kupplung 40 mit einem Getriebe 38 verbunden.Der ISAD-Rotor 14 dient als Schwungrad für den Motor.Die Kupplung kuppelt das Getriebe während des Motoranlassens vonder ISAD aus und verbindet das Getriebe mit der ISAD und dem Motor,wenn Leistung fürdas Getriebe benötigtwird. Da der ISAD-Rotor mit der Kurbelwelle des Motors verbundenist, ist die Drehzahl der Elektromaschine die gleiche wie die Motordrehzahl.Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diejenigen Anordnungenbeschränkt,in denen die Elektromaschine die gleiche Drehzahl wie der Motorhat. Zum Beispiel kann die Erfindung auch bei Kombinationen mitintegriertem Starter und Drehstromgenerator verwendet werden, indenen ein Riemen den Rotor der Elektromaschine mit einer gegenüber demMotor unterschiedlichen Drehzahl antreibt.
    [0004] 3 zeigt einen allgemeinen Überblickder elektrischen Verbindungen der ISAD-Elektromaschine innerhalbdes Motors. Die in 3 gezeigteISAD-Elektromaschine 12 kann irgendeine von mehreren verschiedenendreiphasigen Wechselstromelektromaschinen sein, die Elektromaschinenmit Permanentmagneten, Induktionsmaschinen oder synchrone Maschineneinschließen,nicht aber darauf beschränktsind. Die Wicklungen der Elektromaschine 12 sind mit einemInverter/Gleichrichter 22 verbunden. Die Spannungsdifferenzzwischen jeder die Ankerwicklungen mit dem Inverter/Gleichrichterverbindenden Leitung ist die Leiter-Leiter-Wechselspannung UAC. Der Inverter/Gleichrichter 22 dientals Inverter, um Gleichspannung in Wechselspannung zu transformieren,wenn die Elektromaschine als Motor arbeitet, und dient als Gleichrichter,um Wechselspannung in Gleichspannung zu transformieren, wenn dieElektromaschine als Generator arbeitet. Auf der der ElektromaschinegegenüberliegendenSeite des Inverters/Gleichrichters befindet sich ein Gleichstrombus 24.Der Gleichstrombus enthälteine Batterie (oder Batterien) 26 und einen Kondensator 28,die mit dem Inverter/ Gleichrichter 22 parallel geschaltetsind. Auf dem Gleichstrombus 24 liegt eine GleichstrombusspannungUDC. Mit dem Gleichstrombus 24 istein Gleichstromumformer 30 verbunden, um alle Gleichspannungengemäß der Lastanforderung(z.B. 36 V Gleichspannung in 12 V Gleichspannung) herunter zu transformieren.Ein Gleichstrom/Wechselstromumformer 32 ist auch mit demGleichstrombus verbunden, um die Gleichspannung in Wechselspannungzu transformieren, oder füreine umgekehrte Transformation, wie es von der Last verlangt wird.
    [0005] Diemeisten ISAD-Systeme sind dafürausgelegt, mehrere Konstruktionsparameter zu erfüllen. Beispielsweise ist eswährenddes Anlassens vorzuziehen, dass das Anlassdrehmoment kontinuierlichso hoch wie möglichund zumindest höherals ein Moment beim Losbrechen (z.B. 250 Nm) ist. Dieses hohe Drehmomentwird sogar bei niedrigen Temperaturen wie z.B. –29°C, auf die man in der Winterkälte treffenkann, benötigt.Um Verschmutzung zu reduzieren, ist es auch wünschenswert, dass die Drehzahlzum Durchdrehen bzw. Anlassen nahe der Leerlaufdrehzahl (z.B. 450~ 500 UpM) liegt oder gleich dieser ist. Während der kurzen Zeitspanne,in der die ISAD den Motor anlässt,versorgen die Batterie und der Kondensator parallel die ISAD über denGleichstrom/Wechselstrominverter 22 mit der erforderlichenAnlassspannung. Das maximale verfügbare elektromagnetische Drehmomentbei jeder Drehzahl kann genutzt werden, um den Motor anzulassen,da der Wirkungsgrad und Leistungsfaktor während des Motoranlassens gewöhnlich nichtvon wesentlicher Bedeutung sind. Gemäß den Prinzipien der Elektromaschinenist das Anlassdrehmoment dem quadratischen Wert der Phasenspannungder Maschine nahezu proportional (dies gilt besonders für Induktionsmaschinen). Daherist eine ausreichende Phasenspannung aufgrund ihrer Beziehung mitdem Anlassdrehmoment ein wichtiges Problem, und der Wirkungsgradund Leistungsfaktor sind von besonderer Bedeutung, nur falls siedie Anlassspannung und folglich das Drehmoment beeinflussen. Beiniedrigen Temperaturen trifft man oft auf eine zum Anlassen einesMotors ungenügendePhasenspannung bei Batterien, die nicht vollständig geladen sind. Daher isteine erhöhtePhasenspannung vorteilhaft, weil das Anlassdrehmoment bei allenTemperaturen zunimmt, falls die Phasenspannung der ISAD-Maschineerhöhtwerden kann.
    [0006] Istder Motor einmal angelassen bzw. angesprungen, ist die elektrischeLeistung zum Laden der Batterien und Betreiben elektrischer Lastensofort erforderlich. Zu dieser Zeit stellt sich der ISAD-Rotor,der direkt auf der Kurbelwelle installiert ist, bei seiner Leerlaufdrehzahl(z.B. 500 UpM) ein. Bei der Leerlaufdrehzahl muss die ISAD zumindesteinen Teil der elektrischen Leistung liefern, die für einennormalen Betrieb üblicher elektrischeroder elektronischer Einrichtungen wie z.B. der Klimaanlage, derHeizung, des elektrischen Gebläses,der Lichtanlage und des Audio- oder Videosystems etc. erforderlichist. FünfzigProzent (50 %) oder mehr der füreinen normalen Betrieb erforderlichen elektrischen Leistung istein typischer Konstruktionsparameter.
    [0007] Nachdemsich der Motor in Gang setzt und auf Leerlauf einstellt, arbeitetdie ISAD von der Leerlaufdrehzahl bis zum roten Drehzahlbereich(z.B. 500 ~ 7000 UpM) als Generator. Bei einer erhöhten Motordrehzahl(z.B. 1000 UpM) muss die Maschine die volle elektrische Leistungan alle elektrische Lasten ggf. an Bord und/oder außerhalbliefern. Die Kapazitätder vollen elektrischen Leistungsabgabe und der hohe Wirkungsgrad solltenvon der erhöhtenDrehzahl bis zum roten Drehzahlbereich (z.B. 7000 UpM) kontinuierlichaufrechterhalten werden.
    [0008] Diefolgenden Gleichungen sind vorgesehen, um die mit einer ISAD-Maschineverbundenen Konstruktionsprinzipien weiter zu beschreiben.
    [0009] DieGegen-EMK pro Phase, die von einem resultierenden Luftspaltflusserzeugt wird, kann wie in folgender Gleichung dargestellt geschriebenwerden: Eg = √2πfNϕKdpΦ (Gleichung 1)wobeiNϕ die Wicklungen pro Phase inReihe ist; Kdp der Wicklungsfaktor einschließlich Verteilungs-,Abstands- und Schrägungsfaktorenist; Φ dieresultierende Flussamplitude pro Pol ist; und f die Frequenz derWechselspannung ist.
    [0010] DieFrequenz f der Wechselspannung kann durch die folgende Gleichungangegeben werden:
    [0011] BeimEntwurf elektrischer Maschinen kann die Beziehung zwischen der Phasenspannungund der resultierenden Gegen-EMK durch die folgende Gleichung: Uph =(1 ± ε)Eg (Gleichung3)angegeben werden, wobei ε die prozentualeSchwankung aufgrund des Spannungsabfalls über eine Streuimpedanz derAnkerwicklungen in Abhängigkeitvon dem Phasenstrom I1, dem AnkerwiderstandR1 und der Streureaktanz X1 ist,das "+"-Zeichen dem Motorbetriebentspricht und das "–"-Zeichen dem Generatorbetrieb derISAD-Maschine entspricht. Das heißt Uph > Eg giltfür denMotorbetrieb, und Uph < Eg für den Generatorbetrieb.Auf der Wechselstromseite des ISAD-Systems in 3 kann die Phasenspannung Uph durchdie Leiter-Leiter-Spannung UAC angegebenwerden.
    [0012] Fallsein Verfahren fürdie Frequenzvariable mit Impulsweitenmodulation eingeführt wird,um die ISAD-Maschine zu steuern, wird die Beziehung zwischen derLeiter-Leiter-Wechselspannung UAC und der GleichstrombusspannungUDC bestimmt durch UAC(rms) = KcMaUDC (Gleichung 5)wobeiKc ein Umwandlungskoeffizient ist und seinWert je nach Steuerungsstrategien, wie z.B. einer Vektorraumsteuerung,einer sechsstufigen Steuerung etc., zwischen 0,61 und 0,78 liegt;und Ma ≤ 1die Modulationstiefe fürdas PWM-Verfahren ist. Die Gleichstrombusspannung kann geschriebenwerden als UDC = Ubatteryμμ|IDC|Rbattery (Gleichung 6)wobei μ für den nichtkonstantenBatteriewiderstand steht (der von der Temperatur und anderen Faktorenabhängt),das "–"-Zeichen für den demMotorbetrieb entsprechenden Entladungszustand steht und das "+"-Zeichenfür dendem Generatorbetrieb der ISAD-Maschine entsprechenden Ladezustandvon Batterien steht. In Gleichung 6 sind die Leerlaufspannung Ubattery und der interne Widerstand Rbattery keine Konstanten und hängen vonVariablen wie Temperatur, Ladezustand und sogar dem Strom ab.
    [0013] 4(a) und 4(b) zeigen ein Beispiel von Drehmoment-und Spannungsspezifikationen und Konstruktionsanforderungen für eine typischeISAD-Maschine. Insbesondere zeigt 4(a) dieAuslegungsbeziehung zwischen Drehmoment und Drehzahl für eine typischeISAD-Maschine, und 4(b) zeigt ein Beispielder Auslegungsbeziehung zwischen Phasenspannung und Drehzahl ineiner typischen ISAD-Maschine.
    [0014] MitVerweis auf 4(a) istTmax das Abgabedrehmoment, das von der Elektromaschinezur Verfügung steht,um den Motor anzulassen. Dieses Drehmoment wird von der ISAD-Maschine über dasSegment ATBT abgegeben,bis die Drehzahl der Maschine ncrank erreichtund der Motor zündet.Wie vorher diskutiert wurde, ist das Anlassdrehmoment vorzugsweisemöglichsthoch. Wenn Drehmomentanforderungen zunehmen, ist eine größere Maschinengröße erforderlich,um unter erschwerten Bedingungen ein hohes Anlassmoment bereitzustellen.Ansonsten ist das System mit der Herausforderung einer ungenügenden Anlassspannungkonfrontiert. Mit ausreichendem Drehmoment wird der Motor durchdrehenbzw. anspringen und zünden.Danach fälltdas Abgabedrehmoment der Elektromaschine ab, wie zwischen PunktenBT und CT dargestelltist. Nach
    [0015] 4(b) nimmt die Phasenspannungder Elektromaschine mit der Drehzahl kontinuierlich zu, bis die Anlassdrehzahlerreicht ist, wie durch ein Segment AUBU dargestellt ist.
    [0016] Nachdemder Motor zündet,dient die Elektromaschine als Generator, während vom Motor ein Drehmomentin die Elektromaschine eingespeist wird, und die Elektromaschinegibt elektrischen Strom an den Inverter/Gleichrichter ab. Demgemäß ist daserzeugte Drehmoment TG in 4(a) als negativer Wert dargestellt. Startetdie ISAD-Elektromaschine einmal dem Betrieb als Generator, wäre es ideal,wenn die Elektromaschine sofort maximale elektrische Leistung abgibt,die die elektrischen Anforderungen für die gesamte Last (d.h. 100 %Belastung) erfüllenkann. Dieser Belastungspegel von 100 % ist durch ein Segment EUFU in 4(b) dargestellt. Fallsjedoch die ISAD-Elektromaschine dafür ausgelegt wurde, maximaleelektrische Leistung bei der Leerlaufdrehzahl des Motors abzugeben(d.h. der Punkt EU in 4(b)), wäre eine dramatische Vergrößerung derElektromaschine erforderlich, da dies einer Konstruktion einer Elektromaschinemit einem großenDrehmoment bei niedriger Drehzahl (d.h. der Punkt ET in 4(a)) äquivalent wäre. Falls auf der anderen Seitedie Elektromaschine nur einen Teil der notwendigen elektrischenLeistung (z.B. 50 % Volllast) bei einer Leerlaufdrehzahl bereitstellensoll, wie durch einen Punkt DU in 4(b) dargestellt ist, unddie von der Elektromaschine abgegebene volle elektrische Leistungverzögertwird, bis die Elektromaschine bei einer erhöhten Drehzahl arbeitet, kanndie Maschinengröße reduziertwerden, da der Konstruktionspunkt zu Dr in 4(a) verschoben wird. Da die Elektromaschinenur einen Teil der vollen elektrischen Leistung liefert, können unterdiesen Umständeneinige Lasten abgeschaltet werden, bis die Maschine eine erhöhte Drehzahlerreicht. Dieses Verfahren ist bekannt als das "Lastabgleich"-Verfahren (engl. "load match" method) und wird für die Konstruktion von Drehstromgeneratorenfür Schwerlastfahrzeugemit externen elektrischen Lasten weithin verwendet. Wenn die Elektromaschinebei einer Leerlaufdrehzahl nur einen Teil der vollen elektrischenLeistungsanforderung liefert, wird die Batterie natürlich nichtgeladen. Tatsächlichkann manchmal die Batterie sogar einen Teil der Lastanforderung übernehmen.Daher wärees vorzuziehen, wenn die Elektromaschine nahe dem Belastungspegel von100 % möglichstviel Ausgangsleistung liefert.
    [0017] Zusätzlich zurBelastung von 100 % ist es wünschenswert,auf dem Gleichstrombus 24 (siehe 3) eine konstante Ladespannung (UDC) zu halten, wenn die Elektromaschine alsGenerator arbeitet. Eine konstante Ladespannung liefert eine kontinuierlicheAbgabe an die Last und liefert geeignet Ladung an die Batterie 26 zurück. Nimmtman an, dass der Auslegungspunkt der ISAD der Punkt Dr ist, wieim vorhergehenden Absatz diskutiert wurde, wird die Phasenspannungbei einer Leerlaufdrehzahl signifikant geringer (z.B. 50 %) alsdie füreine Belastung von 100 % erforderliche Phasenspannung sein. DasDrehmomentsegment DTFT in 4(a) entspricht dem SpannungssegmentDUFU in 4(b). Natürlich istes schwierig, eine konstante Ladespannung (UDC)auf dem Gleichstrombus 24 von 3 zu halten, falls die Wechselspannungder Generatorabgabe entlang der Kurve DUFU von der Leerlaufdrehzahl nidle biszu einer erhöhtenDrehzahl nboost schwankt, besonders wennes eine großeDrehzahldifferenz zwischen der erhöhten Drehzahl und der Leerlaufdrehzahlgibt. Wie vorher erwähntwurde, ist es vorzuziehen, die Leiter-Leiter-Wechselspannung konstantzu halten, ähnlichdem Segment EUFU in 4(b). Eine konstante Spannungzu erzielen erfordert jedoch eine Abschwächung des Flusses innerhalbdes Schwankungsbereichs der Drehzahl. Eine Abschwächung desFlusses ist unter diesen Umständennicht wünschenswert,weil sie einen kleineren Leistungsfaktor und einen verringertenWirkungsgrad der Maschine zur Folge hat. Daher kann eine konstanteSpannung nicht praktikabel sein. Die Forderung nach einer Abschwächung desFlusses, um eine konstante Leiter-Leiter-Wechselspannung zu halten,ist bezüglichder Gleichungen 1–4dargestellt. Insbesondere zeigen die Gleichungen 3 und 4, dass dieWechselspannung direkt mit der Gegen-EMK Eg zusammenhängt. Überdieszeigt Gleichung 1, dass nur Fluss und Frequenz (d.h. Drehzahl, gemäß Gleichung2) bezüglichder Gegen-EMK Eg variabel sind. Falls folglich die Frequenz zunimmt,muss der Fluss abnehmen, um die Gegen-EMK pro Phase konstant zuhalten.
    [0018] Wiein 4(b) gezeigt ist,wird, wenn die Drehzahl der Elektromaschine eine erhöhte Drehzahlnboost erreicht, von der Elektromaschinedie volle elektrische Ausgangsleistung erzeugt. Danach wird dieElektromaschine so gesteuert, dass ihre Ausgangsleistung bei diesemPegel konstant bleibt. Diese Steuerung kann erzielt werden, indemder Fluss der Maschine gesteuert wird und/oder indem die Abgabedes Inverters/Gleichrichters gesteuert wird. Dieser Drehzahlbereichwird der Bereich konstanter Leistung oder der Bereich der Flussabschwächung genannt.Eine Steuerung der elektrischen Ausgangsleistung verhindert, dassdie Elektromaschine zu viel Strom liefert und die mit der Last verbundenenempfindlichen Instrumente beschädigt.
    [0019] Demgemäß bestehtin der Technik ein Bedarf an einer Elektromaschine, die ein erhöhtes Drehmoment beimStarten, eine erhöhtePhasenspannung nahe einer Leerlaufdrehzahl eines Motors und einekonstante 100 %-Belastung nahe einer erhöhten Motordrehzahl liefernkann. Es wärevorzuziehen, eine solche Maschine zu schaffen, ohne signifikanteVergrößerung derElektromaschine zu erfordern und ohne den Wirkungsgrad der Maschinezu opfern.
    [0020] EineElektromaschine wird zur Verwendung sowohl als Starter als auchals Drehstromgenerator in einem Motor geschaffen. Die Elektromaschineist bei verschiedenen Drehzahlen betreibbar, die eine Anlassdrehzahleinschließen,wenn die Elektromaschine als Startermotor dient, um den Motor anzulassen,eine Leerlaufdrehzahl, nachdem der Motor gezündet hat und die Elektromaschineals Generator arbeitet, und eine erhöhte Drehzahl, wenn der Motormit einer verhältnismäßig hohenDrehzahl läuftund die Elektromaschine die volle elektrische Last aller Instrumentean Bord und/oder außerhalbliefert. Die Elektromaschine umfasst einen Stator mit zumindestdrei Statorwicklungen und einen Rotor, der nahe dem Stator so angeordnetist, dass der Rotor mit dem Stator in elektromagnetischer Verbindungsteht. Der Rotor kann so betrieben werden, dass er mit mehrerenDrehzahlen einschließlichder Anlassdrehzahl, der Leerlaufdrehzahl und der erhöhten Drehzahl rotiert.Mehrere Sternschalter sind zwischen die drei Statorwicklungen sogeschaltet, dass ein Schließender Sternschalter bewirkt, dass die drei Statorwicklungen in einerSternschaltung verbunden sind. Außerdem sind zwischen die dreiStatorwicklungen mehrere Dreieckschalter so geschaltet, dass einSchließender Dreieckschalter bewirkt, dass die drei Statorwicklungen in einerDreieckschaltung verbunden sind. Ein Mikroprozessor ist mit denmehreren Dreieckschaltern und Sternschaltern verbunden. Die mehrerenStern- und Dreieckschalterkönnenmehrere verschiedene Arten von Schaltern einschließlich Transistorschalterund elektromechanische Schalter sein; aber bidirektionale Thyristorschalterwerden bevorzugt. Der Mikroprozessor ist betreibbar, um Anweisungenzu kommunizieren, um (i) die Dreieckschalter während eines Anlassens des Motorszu schließen,(ii) die Sternschalter zu schließen, wenn der Motor gestartetist und die Drehzahl der Rotorrotation der Leerlaufdrehzahl etwaentspricht, und (iii) die Dreieckschalter zu schließen, wenndie Drehzahl der Rotorrotation einer Wicklungsumkonfigurierungsdrehzahloberhalb etwa dem 1,3-fachen der Leerlaufdrehzahl etwa entspricht.Demgemäß sind dieAnkerwicklungen der Elektromaschine während eines Anlassens des Motors ineiner Dreieckschaltung, bei einer Leerlaufdrehzahl des Motors ineiner Sternschaltung und währendhoher Motordrehzahlen in einer Dreieckschaltung verbunden bzw. geschaltet.Obgleich die Wicklungsumkonfigurierungsdrehzahl etwa das 1,3-facheder Leerlaufdrehzahl des Motors oder mehr sein kann, wird die Wicklungsumkonfigurierungsdrehzahltypischerweise etwa das 1,7-fache der Leerlaufdrehzahl oder mehrsein.
    [0021] DieErfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand der Zeichnungenbeschrieben, in diesen zeigt:
    [0022] 1 eine perspektivische Ansichtder Rotor- und Statoranordnung einer ISAD-Elektromaschine;
    [0023] 2 die Anordnung der ISAD-Elektromaschinein Verbindung mit einem Motor und einem Getriebe;
    [0024] 3 die elektrischen Verbindungenzwischen der ISAD-Elektromaschine und anderen Motorsystemen;
    [0025] 4 die Beziehung zwischenDrehmoment und Drehzahl und die Beziehung zwischen Phasenspannungund Drehzahl in der Ausführungeiner ISAD-Elektromaschine;
    [0026] 5 eine Dreiphasenankerwicklungin einer Dreieckschaltung;
    [0027] 6 eine Dreiphasenankerwicklungin einer Sternschaltung;
    [0028] 7 eine Sequenz zum Manipulierender Dreiphasenankerwicklungen zwischen einer Dreieckschaltung undeiner Sternschaltung;
    [0029] 8 eine Schaltanordnung,um die Manipulation von Dreiphasenankerwicklungen zwischen einer Dreieckschaltungund einer Sternschaltung zu bewerkstelligen;
    [0030] 9 einen Mikroprozessor inVerbindung mit den Schaltern von 8;und
    [0031] 10 Leistungskurven für eine beispielhafteISAD-Maschine.
    [0032] DasSymbol "Δ", wie es hierin verwendetwird, bezieht sich auf eine Dreieckschaltung von mindestens dreiWicklungen, die ähnlichder in 5 gezeigten verbundenbzw. geschaltet sind. Das Symbol "Y" bezieht sichauf eine Sternschaltung (auch bekannt als "Star"-Schaltung)von mindestens drei Wicklungen, die ähnlich der in 6 gezeigten verbunden sind.
    [0033] Nach 7 werden der ISAD-Elektromaschinezugeordnete Phasenspannungsabgaben beeinflusst, indem die Ankerwicklungenin einer Δ/Y/Δ-Weise (d.h.Dreieck/Stern/Dreieck) umgeschaltet werden. Insbesondere sind dieAnkerwicklungen währendeines Anlassens in einer Δ-Schaltungangeordnet, wenn der ISAD als Startermotor dient. Diese Verbindungbzw. Schaltung erhöhtdie Phasenspannung währenddes Anlassens und löstdaher das Problem eines niedrigen Anlassdrehmoments aufgrund einerniedrigen Batteriespannung, die typischerweise bei kaltem Wetterauftritt. Nachdem der Motor angelassen ist, werden die Wicklungenin eine Y-Schaltung geändert,wenn die ISAD-Maschine vom Motor- zum Generatorbetrieb wechselt.Diese Schaltung erzeugt eine höhereLeiter-Wechselspannung, um die Batterie bei Leerlaufdrehzahl undhöher zu laden. Überdiesreduziert diese Y-Schaltung eine hohe Sättigung des magnetischen Kreisesbei niedriger Drehzahl und erhöhtden Wirkungsgrad der Maschine. Wenn die Motordrehzahl über einevorbestimmte Wicklungsumkonfigurierungsdrehzahl ansteigt, werdenals nächstesdie Wicklungen von einer Y- in eine Δ-Schaltung umgeschaltet. Die Δ-Schaltung bei dieserDrehzahl hilft dabei, die Leiter-Wechselspannung zu begrenzen, undverbessert die Leistung bei hoher Drehzahl aufgrund des mit einer Δ-Schaltungverbundenen erhöhten Magnetflusses.Falls die Motordrehzahl unter die Wicklungsumkonfigurierungsdrehzahlfällt,schaltet die Maschine die Ankerwicklungen wieder in eine Y-Schaltungum, um die Leistungsfähigkeitder Y-Schaltung bei diesem Drehzahlbereich auszunutzen.
    [0034] Wennder Motor angelassen wird, arbeitet die ISAD-Elektromaschine ineinem Motorbetriebszustand, wobei sie ein Drehmoment bereitstellt,um den Motor anzulassen. Im Motorbetriebszustand bestimmt die verfügbare Gleichstrombusspannungdie maximale verfügbareLeiter-Leiter-Spannungfür dieElektromaschine. Die maximal verfügbare Leiter-Leiter-Spannung UAC hängtje nach den im Inverter 22 verwendeten Steuerungsstrategienmit der Gleichstrombusspannung UDC wie folgtzusammen: UAC < 0,61 ~ 0,78 UDC.Gemäß der Gleichung6, auf die vorher verwiesen wurde, ist die GleichstrombusspannungUDC manchmal geringer als die Leerlaufspannungder Batterie. Zum Beispiel kann für eine 36 V-Batterie UDC inAbhängigkeitvon dem Ladezustand der Batterie und der Temperatur der Batteriemanchmal geringer als 36 V sein. Wie in 4(b) dargestellt ist, ist beim erstenStarten der Elektromaschine die erforderliche Phasenspannung nichtsehr hoch, da die niedrigste Startfrequenz sehr niedrig ist (z.B.8 ~ 15 Hz fürdie meisten Maschinen). Mit Erhöhungder Frequenz (und folglich der Motordrehzahl) nimmt die erforderlichePhasenspannung zu. Die Änderungder Phasenspannung mit der Drehzahl geht von Au bisBu in 4(b).Demgemäß ist esnotwendig, dass die Batterie und der Kondensator eine ausreichendeGleichspannung bereitstellen, die eine ausreichende PhasenspannungUph zur Folge hat, um bei jeder Drehzahl das erforderliche DrehmomentTmax zu erzeugen und den Motor kontinuierlichzu beschleunigen, bis die Motordrehzahl sich der Anlassdrehzahlncrank nähertund diese erreicht. Dies gilt besonders, wenn es erforderlich ist,dass die Anlassdrehzahl möglichsthoch, sogar nahe oder gleich der Leerlaufdrehzahl ist.
    [0035] DieGleichungen 4–6zeigen, dass durch eine Δ-Schaltungwährenddes Anlassens eine höherePhasenspannung geliefert wird. Insbesondere zeigt Gleichung 5, dassdie Leiter-Leiter-Wechselspannung der Gleichstrombusspannung direktproportional ist. Falls nur eine gegebene Gleichstrombusspannungverfügbar ist,wie es währenddes Motoranlassens der Fall ist, wird somit eine proportionale Leiter-Leiter-Wechselspannungzur Verfügungstehen. Gemäß Gleichung4 wird jedoch eine Δ-Schaltung für die dreiphasigenAnkerwicklungen eine höherePhasenspannung als eine Y-Schaltung liefern. Eine durch die Δ-Schaltunggelieferte höherePhasenspannung Uph wird das Abgabedrehmomentder Maschine bei einer Anlassdrehzahl ncrank erhöhen. Demgemäß wird eine Δ-Schaltung während desAnlassens des Motors verwendet, und der Motor läuft eher an und setzt sichzu einer gegebenen Zeit in Gang, indem statt der Y-Schaltung die Δ-Schaltungverwendet wird.
    [0036] Istder Motor einmal angelassen und in Gang gesetzt, stellt sich dessenDrehzahl auf eine Leerlaufdrehzahl ein. Wie in 7 gezeigt ist, dient bei Erreichen derLeerlaufdrehzahl nach dem Ingangsetzen des Motors die ISAD-Maschineals Generator, um die elektrische Leistung zum Betreiben der elektrischenLast und Laden der Batterie zu liefern. Im Generatorbetriebszustandbestimmt die Phasenspannung, die in den dreiphasigen Ankerwicklungenbei jeder gegebenen Drehzahl erzeugt werden kann, die maximal verfügbare Gleichspannung,die genutzt werden kann, um bei dieser gleichen Drehzahl Leistungan die Last zu liefern. Obgleich die bei Leerlauf- oder anderenniedrigen Drehzahlen (d.h. denjenigen Drehzahlen, die geringer alsdie unten definierte Wicklungsumkonfigurierungsdrehzahlen sind)erforderliche Leistung einen verhältnismäßig kleinen Betrag hat (z.B.50 % Volllast), ist es wünschenswert,die Ausgangsspannung der ISAD-Maschine zu allen Zeiten so nahe wiemöglichan einer Vollbelastung einzurichten. Außerdem ist es wünschenswert,dass die Ausgangsspannung der ISAD-Maschine während des Leerlaufs bei einemkonstanten Pegel liegt, da bestimmte Lasten von der Abgabe der Elektromaschineabhängen.
    [0037] Eingedenkdes vorhergehenden ist es vorzuziehen, dass die Leiter-Leiter-Wechselspannungwährend einerErzeugung bei einem hohen Pegel liegt (z.B. vorzugsweise sogar höher alsdie maximale verfügbare Wechselspannungzum Anlassen). Als ein Beispiel könnte für eine zum Anlassen des Motorsverwendete 36 V-Batterie die Gleichstrombusspannung UDC zumLaden der Batterie und Liefern einer vollen Leistung an die Lastetwa 42 V betragen müssen.Wie vorher diskutiert wurde, kann die ISAD-Maschine gemäß diesemArbeitspunkt unter voller Belastung ausgelegt sein; aber dies wirdzu einer überdimensioniertenMaschine führen.Falls die Wicklungsschaltungen von einer Δ-Schaltung im Zustand des Anlassenszu einer Y-Schaltung im Leerlaufzustand geändert werden, wird jedoch dieerforderliche Phasenspannung, um die gleiche Leiter-Leiter-Spannung zum Batterieladenzu erzeugen, gemäß Gleichung4 um 1/√3 reduziert. Mit anderenWorten wird basierend auf der verfügbaren Phasenspannung, wenndie Elektromaschine als Generator dient, die maximale Leiter-Leiter-Wechselspannungum √3 erhöht, wenn statt einer Δ-Schaltung eine Y-Schaltungverwendet wird. Die Ausgangsleistung der ISAD wird somit erhöht, obgleichdie Phasenspannung konstant bleibt. Dies erlaubt, dass die Ausgangsleistungder ISAD näheran einer 100 Belastung liegt, als ansonsten ohne Vergrößerung derMaschine möglichwäre. DieY-Schaltung von Statorwicklungen kann auch die Magnetisierungssättigungdes Lamellenkerns abbauen und folglich den Wirkungsgrad und denLeistungsfaktor der ISAD-Maschine bei der Leerlaufdrehzahl und anderenniedrigen Drehzahlen erhöhen.
    [0038] Wievorher diskutiert wurde, wird bei der typischen Leerlaufdrehzahleines Motors nur ein Bruchteil der Leistungsanforderungen für eine 100% Belastung benötigt.Jedoch sollen bestimmte Fahrzeuge neben den üblichen elektrischen Lasten,die bei einer Leerlaufdrehzahl mitgetragen werden, zusätzlicheelektrische Lasten an Bord und/oder außerhalb mittragen. Dies giltbesonders fürLastkraftwagen. Die volle elektrische Leistungsabgabe, die erforderlichist, um diese zusätzlichenLasten sowie die Batterieladelast zu versorgen, muss bei erhöhten Drehzahlenbereitge stellt werden, z.B. Drehzahlen, die während einer Fahrt mit hoherGeschwindigkeit erreicht werden. Die "erhöhten" (engl. boosted)Drehzahlen sind typischerweise diejenigen Drehzahlen, die deutlichoberhalb der Leerlaufdrehzahl liegen, wie z.B. 1,3-, 1,7- oder 2-maldie Leerlaufdrehzahl oder mehr. Der Ausdruck "höhereDrehzahlen einer Elektromaschine",der hierin verwendet wird, nimmt Bezug auf diejenigen Drehzahlenvon Elektromaschinen, die das 1,3-fache der Leerlaufdrehzahl odermehr sind (selbst wenn eine solche Drehzahl keine "erhöhte" Drehzahl ist). Zusätzlich zurErfüllungder Spannungsanforderungen fürdie Last bei einer gegebenen erhöhtenDrehzahl ist es auch wichtig, dass die auf dem Gleichstrombus verfügbare Spannung über diePeriode erhöhterDrehzahlen konstant bleibt, so dass die Last kontinuierlich versorgtund die Batterie geeignet geladen werden kann.
    [0039] Wiedurch Gleichung 1 angegeben ist, wird die erhöhte Drehzahl der Elektromaschinenatürlicheine Erhöhungder Gegen-EMK zur Folge haben, vorausgesetzt der Fluss wird nichtverringert. Wie durch Gleichung 3 angegeben ist, hängt natürlich dieGegen-EMK direkt mit der Phasenspannung zusammen. Folglich nimmtdie Phasenspannung kontinuierlich zu, wenn die Drehzahl zunimmt(vorausgesetzt der Fluss wird nicht reduziert). Überdies hängt die Phasenspannung direktmit der Leiter-Leiter-Wechselspannung zusammen, und die Leiter-Leiter-Wechselspannunghängt direktmit der Gleichstrombusspannung zusammen. Wenn die Drehzahl der Elektromaschinezunimmt, nimmt folglich auch die Gleichstrombusspannung zu unterder Annahme, dass der Fluss der Maschine konstant bleibt. Fallsjedoch die Gleichstrombusspannung zu sehr angehoben wird, kann sicham System eine Beschädigungeinschließlicheiner Beschädigungkritischer Lastkomponenten und der Batterie ergeben. Dies bedeutet,dass es wichtig ist, die Gleichstrombusspannung möglichstnahe an einer vollen Belastung zu halten, ohne eine übermäßige Gleichstrombusspannungzu liefern (d.h. es ist wichtig, die Ladegleichspannung konstantzu halten).
    [0040] DieGleichstrombusspannung kann bei höheren Drehzahlen der Elektromaschinebegrenzt werden, indem die Ankerwicklungskonfiguration von einerY-Schaltung zu einer Δ-Schaltunggeändertwird. Zunächstbeachte man, dass durch Ändernder Ankerwicklungskonfiguration von einer Y-Schaltung zu einer Δ-Schaltung beihöherenDrehzahlen der Elektromaschine die Leiter-Leiter-Wechselspannunggemäß Gleichung4 reduziert wird, wodurch die Gleichstrombusspannung bei diesenhöherenDrehzahlen der Elektromaschine reduziert wird. Als nächstes arbeitetbei einer Erhöhungder Drehzahl des Motors und folglich der Frequenz die ISAD-Maschineals Generator im feldabschwächendenBereich. Gemäß Gleichung1 kann, währenddie Drehzahl zunimmt, der Fluss reduziert werden, um die Spannungsabgabekonstant zu halten. Falls dies mit einer Y-Schaltung bei höheren Drehzahlender Elektromaschine getan wird, wird aufgrund einer Flussabschwächung derMagnetisierungsstrom erhöht,und es ergeben sich ein niedrigerer Wirkungsgrad und ein niedrigerer Leistungsfaktor.Eine Einstellung des Flusses mit einer Δ-Schaltung hat jedoch nichtden gleichen Effekt auf den Wirkungsgrad und den Leistungsfaktorwie bei einer Y-Schaltung, weil die Phasenspannung in der Dreieckschaltunghöher istals die Y-Schaltung beim gleichen Leiter-Leiter-Spannungspegel. Durch Ändern der Statorwicklungsschaltungvon einer Y-Schaltung zu einer Δ-Schaltungund Einstellen des Flusses der Elektromaschine wird daher eine konstanteSpannungsabgabe füreinen Betrieb bei einer 100 % Belastung und zum Laden der Batteriengeliefert. Überdieskann die Gleichstrombusspannung bei höheren Drehzahlen der Elektromaschinedurch den Inverter/Gleichrichter reguliert werden, der zwischender Leiter-Leiter-Wechselspannung und der Gleichstrombusspannungangeordnet ist, die fürein nächstesAnlassen bereit ist.
    [0041] Nachdemder Motor füreine gewisse Zeit bei einer höherenDrehzahl der Elektromaschine arbeitet, wird er schließlich indie Näheder Leerlaufdrehzahl zurückkehren.Wenn dies geschieht, setzt die Steuerungssoftware die Ankerwicklungenfür eineY-Konfiguration automatisch zurück.Falls der Motor einen Lauf stoppt, sind daher die Maschinenwicklungendurch die Steuerungssoftware automatisch auf eine Δ-Schaltungzurückgesetzt.
    [0042] Umdie Statorwicklungsschaltung zwischen Y- und Δ-Schaltungen zu wechseln, werdenfünf zusätzlicheSchalter zwischen den Ankerwicklungen verwendet, wie in 8 dargestellt ist. WicklungenA, B und C sind in 8 dargestellt,wobei jede Wicklung einen durch Knoten A1,B1 bzw. C1 repräsentiertenAnfangsabschnitt und einen durch Knoten A2,B2 bzw. C2 repräsentiertenEndabschnitt aufweist. Drei Schalter werden verwendet, um eine Δ-Schaltungzwischen den Wicklungen einzurichten. Diese drei Schalter sind (i)ein Schalter SΔ1,der zwischen den Knoten A1 und C2 geschaltet ist, (ii) ein Schalter SΔ2,der zwischen den Knoten B1 und A2 geschaltet ist, und (iii) ein SchalterSΔ3,der zwischen den Knoten C1 und B2 geschaltet ist. Auf diese Schalter wirdhierin als Dreieckschalter verwiesen. Zwei Schalter werden verwendet,um eine Y-Schaltung zwischen den Wicklungen einzurichten. Diesebeiden Schalter sind (i) ein Schalter SY1,der zwischen den Knoten A2 und B2 geschaltet ist, und (ii) ein Schalter SY2, der zwischen den Knoten B2 undC2 geschaltet ist. Auf diese Schalter wirdhierin als Sternschalter verwiesen. Die Dreiecks- und Sternschalterkönnenbeliebige von mehreren verschiedenen Arten Schalter einschließlich, nichtaber darauf beschränkt,MOSFET, IGBT, GTO, Thyristor oder gar elektromechanische Schaltersein, solange sie bidirektional leitend sein können. Die Dreiecks- und Sternschalterweisen vorzugsweise einen minimalen Spannungsabfall im leitendenZustand auf, um zusätzliche Schalterverlustezu reduzieren. Obgleich elektromechanische Kontaktschalter verwendetwerden können, werdensie aufgrund ihrer längerenAnsprechzeit nicht bevorzugt. Um der zweckmäßigen Steuerung und Kostenreduzierungwillen werden fünfbidirektionale Thyristorschalter (ein Paar antiparallele Thyristorenpro Schalter) empfohlen.
    [0043] Wiein 9 gezeigt ist, istein Mikroprozessor 50 mit den Schaltern SΔ1,SΔ2,SΔ3,SY1 oder SY2 verbundenund bestimmt, wann die Schalter SΔ1,SΔ2,SΔ3,SY1 oder SY2 geöffnet odergeschlossen werden sollen. Falls ein bestimmter Schalter geschlossenwerden soll, wird basierend auf einem Steuersignal vom Mikroprozessor einSignal an diesen Schalter abgegeben, das veranlasst, dass der Schaltergeschlossen wird. Der Mikroprozessor kann zusammen mit dem Inverter/Gleichrichterund Controller im Elektroniksteuerungskasten 24 oder irgendeinemanderen zweckmäßigen undpraktischen Ort platziert sein.
    [0044] Wiebezüglich 7 dargestellt ist, werdendie Schalter in Abhängigkeitvom Zustand der Elektromaschine und ihrer Drehzahl geöffnet odergeschlossen. Beim Anlassen des Motors konfiguriert somit der Mikroprozessordie Schalter in einer Δ-Schaltungbis unmittelbar nach dem Anlassen, wenn die Maschine sich in Gangsetzt. Danach arbeitet die Elektromaschine als Generator, während dieDrehzahl der Maschine sich bei einer Leerlaufdrehzahl einstellt.Natürlichwird die Leerlaufdrehzahl des Motors von Anwendung zu Anwendungschwanken. Währendder Leerlauf- und niedrigen Drehzahlen konfiguriert der Mikroprozessordie Schalter in einer Y-Schaltung. Nach den Leerlauf- und niedrigenDrehzahlen konfiguriert der Mikroprozessor die Schalter in einer Δ-Schaltungum, wenn die Elektromaschine bei einer höheren Drehzahl der Elektromaschine arbeitet.Diese höhereDrehzahl der Elektromaschine, bei der der Mikroprozessor die Schaltervon einer Y-Schaltung zu einer Δ-Schaltungumkonfiguiert, wird als die "Wicklungsumkonfigurierungsdrehzahl" oder "Umkonfigurierungsdrehzahl" bezeichnet. DieUmkonfigurierungsdrehzahl von einer Y-Schaltung zu einer Δ-Schaltungwird in Abhängigkeitvon den Bedürfnissendes Nutzers schwanken. In einer Anwendung wie z.B. einer Hybrid-Kraftfahrzeuganwendungkann beispielsweise eine gewünschteWicklungsumkonfigurierungsdrehzahl das 1,7-fache der Leerlaufdrehzahldes Motors oder höhersein. Als weiteres Beispiel kann in einem Schwerlastwagen die gewünschte Wicklungsumkonfigurierungsdrehzahldas 1,9-fache derLeerlaufdrehzahl des Motors oder höher sein. Die Wicklungsumkonfigurierungsdrehzahlzum Ändernder Wicklungen von einer Y-Schaltungzu einer Δ-Schaltungliegt typischerweise zumindest nahe der erhöhten Drehzahl der Elektromaschineoder ist dieser gleich. Die Umkonfigurierungsdrehzahl, bei der derMikroprozessor die Konfiguration der Ankerwicklungen von einer Y-Schaltungin eine Δ-Schaltung ändert, kannin Abhängigkeitvon der gewünschtenund vorteilhaften Schaltdrehzahl für den Kunden in den Mikroprozessorprogrammiert werden.
    [0045] EinBeispiel von Betriebseigenschaften einer ISAD-Maschine mit 42 V(Leerlaufspannung einer 36 V-Batterie) wird in Bezug auf 10 geliefert. 10(a) zeigt Leistungskurven,die die Leistung, den Wirkungsgrad und Phasenstrom gegen die Drehzahlder beispielhaften ISAD- Maschinein einem Diagramm darstellen, wenn die Wicklungen in einer Y-Konfiguration konfiguriertsind. 10(b) zeigt Leistungskurven,die die Leistung, den Wirkungsgrad und Phasenstrom gegen die Drehzahlder beispielhaften ISAD-Maschine graphisch darstellen, wenn dieWicklungen in einer Δ-Schaltungkonfiguriert sind. Ein bestimmter Kunde kann an einer ISAD-Maschinemit den folgenden Betriebseigenschaften interessiert sein: Anlassdrehmomentbei 450 UpM und –29°C: 280 Nm; Leistungserzeugungbei einer Leerlaufdrehzahl von 550 UpM: 4 kW mit einem Wirkungsgrad > 60 %; Leistungserzeugungbei einer erhöhtenDrehzahl von 1300 UpM: 8 kW bei einem Wirkungsgrad > 85 %; Leistungserzeugungbei 600 UpM: 6 kW bei einem Wirkungsgrad > 80 %.
    [0046] Mitden obigen Betriebsparametern kann eine geeignete "Wicklungsumkonfigurierungsdrehzahl" durch Betrachtender Leistungskurven bestimmt werden. Aus 10(a) wird zuerst bemerkt, dass bei einer Y-Schaltungdie Leistung der ISAD-Elektromaschine nahe 8 kW bei 700 oder 800UpM eine Spitze aufweist. Ähnlichwird festgestellt, dass bei einer Y-Schaltung der Wirkungsgrad derISAD-Elektromaschine sich nahe 1000 UpM auf 80 % einpendelt. Zweitenswird aus 10(b) festgestellt,dass bei einer Δ-Schaltungdie Leistung der ISAD-Elektromaschine oberhalb 8 kW bei 1200 UpMliegt, bei etwa 8,3 kW nahe 1500 UpM eine Spitze aufweist und dannlangsam auf etwa 6 kW bei 6300 UpM abfällt. Ähnlich liegt der Wirkungsgradder ISAD-Elektromaschine bei 1200 UpM oberhalb 85 %, weist bei etwa89 % nahe 2100 UpM eine Spitze auf und fällt nahe 6300 UpM dann auf80 % ab. Demgemäß können dieBedürfnissedes Kunden an die ISAD-Maschine erfüllt werden, indem die Wick lungsumkonfigurierungsdrehzahleingestellt wird, wobei die ISAD-Maschine nahe1200 UpM oder weniger (z.B. etwa die 2,4-fache Leerlaufdrehzahl)von einer Y-Schaltung zu einer Δ-Schaltungschaltet.
    [0047] Jenach Anforderungen eines bestimmten Kunden ändert sich die Wicklungsumkonfigurierungsdrehzahlzum Wechseln der Wicklungsumkonfigurierung von einer Y- zu einer Δ-Schaltung.Typische Wicklungsumkonfigurierungsdrehzahlen beinhalten Drehzahlen,die etwa das 1,7-fache der Leerlaufdrehzahl oder mehr betragen.Außerdemtreten gelegentlich Wicklungsumkonfigurierungsdrehzahlen auf, diedas 1,3-fache der Leerlaufdrehzahloder mehr betragen. Es wurde jedoch beobachtet, dass es nur selteneUmständegibt, unter denen die Wicklungsumkonfigurierungsdrehzahl unter das1,3-fache der Leerlaufdrehzahl fallen würde.
    [0048] Obgleichdie vorliegende Erfindung ziemlich ausführlich mit Verweis auf bestimmtebevorzugte Versionen und deren beispielhaften Ausführungsformenbeschrieben wurde, sind andere Versionen möglich. Obgleich die Erfindungz.B. mit Verweis auf eine ISAD-Elektromaschine beschrieben wurde,könnenanstelle einer Elektromaschine vom ISAD-Typ andere Arten von Drehstromgeneratoren/Generatorenverwendet werden. Außerdemist der Typ der mit der vorliegenden Erfindung verwendeten Elektromaschinenicht auf Induktionsmaschinen beschränkt, und andere Arten von ElektromaschineneinschließlichPermanentmagnetmaschinen, Synchronmaschinen, Lundell-Maschinen undirgendeine andere Art einer dreiphasigen Elektromaschine, die sowohlals Motor als auch als Generator arbeiten kann, können verwendetwerden. Überdieskönntedie Erfindung in eine Maschine mit axialem Luftspalt wie z.B. einedreiphasige Maschine vom Scheibentyp (entweder Stator-Rotor-Statoroder Rotor-Stator-Rotor)eingebaut sein. Der Geist und Umfang der beigefügten An sprüche sollte daher nicht aufdie Verwendung der Erfindung in der hierin offenbarten spezifischenISAD-Maschine beschränktwerden.
    [0049] Einweiteres Beispiel einer alternativen Ausführungsform der Erfindung istdie Nutzung der Y-Schaltung bei sehr niedrigen Drehzahlen. Insbesonderewährenddes Anlassens könnteeine Y-Schaltung auch beim niedrigen Frequenz-(oder Drehzahl-)Bereichverwendet werden, und die Statorwicklungen könnten während einer Annäherung andie Anlassdrehzahl oder im Zustand einer niedrigen Batterieladungoder kalter Temperatur in eine Δ-Schaltungumkonfiguriert werden. Obgleich diese alternative Ausführungsformdie Komplexität derSystemsteuerung erhöhenwürde,würde sieverbesserte Ergebnisse im Betrieb der Elektromaschine liefern. Außerdem könnten andereSchaltanordnungen genutzt werden, um das Umschalten der Ankerwicklungenzwischen einer Y-Schaltung und einer Δ-Schaltung zu erreichen. Modifikationenan den Dreiecks- und Sternschaltungen, die hierin offenbart wurden,könnten überdieseinfach vorgenommen werden, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen,wie z.B. sechs Ankerwicklungen mit Wicklungspaaren in Reihe oderparallel vorzusehen, die nichts desto trotz aber Dreieck- oder Sternwicklungskonfigurationenergeben. Daher sollte der Geist und Umfang der beigefügten Ansprüche nichtauf die Beschreibung der hierin enthaltenen Versionen beschränkt werden.Es wird ein Verfahren zum Steuern von Spannungen in einer Elektromaschinemit integriertem Starter und Drehstromgenerator geschaffen, wobeidie Ankerwicklungen Δ/Y/Δ-geschaltetwerden. Insbesondere sind die Ankerwicklungen während des Anlassens des Motorsin einer Δ-Schaltungangeordnet, wenn die Elektromaschine als Startermotor dient. Nachdemder Motor angelassen ist, werden die Wicklungen in eine Y-Schaltunggeändert,wenn die ISAD-Maschine vom Motor- zum Generatorbetrieb wechselt undbei niedrigen Drehzahlen wie zum Beispiel der Leerlaufdrehzahl arbeitet.Wenn die Motordrehzahl über einevorbestimmte Wicklungsumkonfigurierungsdrehzahl zunimmt, werdenals nächstesdie Wicklungen von einer Y- zu einer Δ-Schaltung umgeschaltet. Fallsdie Motordrehzahl unter die Wicklungsumkonfigurierungsdrehzahl fällt, schaltetdie Maschine die Ankerwicklungen wieder in eine Y-Schaltung, um dieY-Schaltung bei diesem niedrigen Drehzahlbereich im Generatorzustandzu nutzen.
    权利要求:
    Claims (21)
    [1] Elektromaschine zur Verwendung sowohl als Starter-als auch Drehstromgenerator in einem Motor, die bei verschiedenenDrehzahlen betreibbar ist, die eine Anlassdrehzahl, eine Leerlaufdrehzahlund eine Wicklungsumkonfigurierungsdrehzahl einschließen, undaufweist: a. einen Stator mit dreiphasigen Statorwicklungen; b.einen Rotor, der nahe dem Stator so angeordnet ist, dass der Rotormit dem Stator elektromagnetisch in Verbindung steht, wobei derRotor betrieben werden kann, um mit den verschiedenen Drehzahlenzu rotieren; c. mehrere Sternschalter, die zwischen die dreiphasigenStatorwicklungen so geschaltet sind, dass ein Schließen derSternschalter bewirkt, dass die dreiphasigen Statorwicklungen ineiner Sternschaltung verbunden sind; d. mehrere Dreieckschalter,die zwischen die drei Statorwicklungen so geschaltet sind, dassein Schließender Dreieckschalter bewirkt, dass die dreiphasigen Statorwicklungenin einer Dreieckschaltung verbunden sind; e. einen Mikroprozessor,der mit den mehreren Dreieckschaltern und Sternschaltern in elektrischerVerbindung steht und der betreibbar ist, um Anweisungen zu kommunizieren,um (i) währendeines Anlassens des Motors die Dreieckschalter zu schließen, (ii)die Sternschalter zu schließen,wenn der Motor gestartet ist und die Drehzahl der Rotorrotationder Leerlaufdrehzahl etwa entspricht, und (iii) die Dreieckschalterzu schließen,wenn die Drehzahl der Rotorrotation der Wicklungsumkonfigurierungsdrehzahletwa entspricht.
    [2] Elektromaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass die Leerlaufdrehzahl etwa 500 UpM beträgt.
    [3] Elektromaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass die Wicklungsumkonfigurierungsdrehzahl eine erhöhte Drehzahlist.
    [4] Elektromaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass die Wicklungsumkonfigurierungsdrehzahl etwa das 1,7-fache derLeerlaufdrehzahl ist.
    [5] Elektromaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass die mehreren Dreieckschalter bidirektionale Schalter sind.
    [6] Elektromaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass die mehreren Sternschalter bidirektionale Schalter sind.
    [7] Verfahren zum Steuern einer Elektromaschine zur Verwendungin Verbindung mit einem Motor, wobei die Elektromaschine Ankerwicklungenund einen Rotor aufweist, der mit verschiedenen Drehzahlen rotieren kann,wobei das Verfahren umfasst: a. Verbinden der Ankerwicklungenin einer Dreieckschaltung und Betreiben der Elektromaschine alseinen Anlassermotor währendeines Anlassens des Motors; b. Verbinden der Ankerwicklungenin einer Sternschaltung und Betreiben der Elektromaschine als Generator, nachdemder Motor gestartet hat und wenn der Rotor mit einer niedrigen Drehzahlrotiert; und c. Verbinden der Ankerwicklungen in einer Dreieckschaltungund Fortsetzen des Betriebs der Elektromaschine als Generator, wennder Rotor mit einer höherenDrehzahl der Elektromaschine rotiert.
    [8] Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,dass die niedrige Drehzahl nahe der Leerlaufdrehzahl des Motorsliegt.
    [9] Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,dass die Ankerwicklungen in einer Dreieckschaltung verbunden werden,wenn die höhereDrehzahl der Elektromaschine eine erhöhte Drehzahl ist.
    [10] Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,dass die höhereDrehzahl der Elektromaschine größer alsdas 1,3-fache der Leerlaufdrehzahl ist.
    [11] Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,dass die höhereDrehzahl der Elektromaschine größer alsdas 1,7-fache der Leerlaufdrehzahl ist.
    [12] Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,dass mehrere Dreieckschalter verwendet werden, um die Ankerwicklungenin einer Dreieckschaltung zu verbinden.
    [13] Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,dass mehrere Sternschalter verwendet werden, um die Ankerwicklungenin einer Sternschaltung zu verbinden.
    [14] Verfahren zum Betreiben einer Elektromaschine zurVerwendung sowohl als Starter- als auch als Drehstromgenerator ineinem Motor, die mindestens drei Statorwicklungen und einen Rotoraufweist, der nahe dem Stator so angeordnet ist, dass der Rotormit dem Stator elektromagnetisch in Verbindung steht und betreibbar ist,um mit mehreren Drehzahlen einschließlich einer Anlassdrehzahl,einer Leerlaufdrehzahl und einer Wicklungsumkonfigurierungsdrehzahlzu rotieren, wobei das Verfahren umfasst: a. Vorsehen mehrererSternschalter, die zwischen die drei Statorwicklungen geschaltetsind, so dass ein Schließender Sternschalter bewirkt, dass die drei Statorwicklungen in einerSternschaltung verbunden sind; b. Vorsehen mehrerer Dreieckschalter,die zwischen die drei Statorwicklungen so geschaltet sind, dassein Schließender Drei eckschalter bewirkt, dass die drei Statorwicklungen in einerDreieckschaltung verbunden sind; c. Schließen der Dreieckschalter, sodass die Statorwicklungen währendeines Anlassens des Motors in einer Dreieckschaltung verbunden sind; d.Schließender Sternschalter, so dass die Statorwicklungen während einerLeerlaufdrehzahl in einer Sternschaltung verbunden sind; und e.Schließender Dreieckschalter, so dass die Statorwicklungen bei der Wicklungsumkonfigurierungsdrehzahl ineiner Dreieckschaltung verbunden werden.
    [15] Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet,dass die Wicklungsumkonfigurierungsdrehzahl mindestens die 1,3-facheder Leerlaufdrehzahl ist.
    [16] Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet,dass die Wicklungsumkonfigurierungsdrehzahl zumindest die 1,7-facheder Leerlaufdrehzahl ist.
    [17] Elektromaschine zur Verwendung sowohl als Starter-als auch Drehstromgenerator in einem Motor, wobei die Elektromaschineumfasst: a. einen Stator mit zumindest drei Statorwicklungen; b.einen Rotor, der nahe dem Stator so angeordnet ist, dass der Rotormit dem Stator elektromagnetisch in Verbindung steht, wobei derRotor betreibbar ist, um mit mehreren Drehzahlen einschließlich einerAnlassdrehzahl, einer Leerlaufdrehzahl und einer Wicklungsumkonfigurierungsdrehzahlzu rotieren; c. einen Mikroprozessor in elektrischer Verbindungmit mehreren Schaltern, wobei der Mikroprozessor betrieben werdenkann, um (i) ein Steuersignal zu liefern, das bewirkt, dass dieStatorwicklungen in einer Dreieckschaltung konfiguriert sind, wennder Rotor bei der Anlassdrehzahl rotiert, (ii) ein Steuersignalzu liefern, das bewirkt, dass die Statorwicklungen in einer Sternschaltungkonfiguriert sind, wenn der Rotor mit der Leerlaufdrehzahl rotiert,und (iii) ein Steuersignal zu liefern, das bewirkt, dass die Statorwicklungenin einer Dreieckschaltung konfiguriert sind, wenn der Rotor mitder Wicklungsumkonfigurierungsdrehzahl rotiert.
    [18] Integrierter Starter und Drehstromgenerator zurVerwendung mit einem Motor und einer Kurbelwelle, wobei der integrierteStarter und Drehstromgenerator mit mehreren Drehzahlen einschließlich einerAnlassdrehzahl, einer niedrigen Drehzahl und einer Wicklungsumkonfigurierungsdrehzahlbetrieben werden können undder integrierte Starter und Drehstromgenerator als Anlassermotorfür denMotor, bevor er startet, betrieben werden kann und nach dem Motorstartals ein vom Motor angetriebener Generator betrieben werden kann, wobeider integrierte Starter und Drehstromgenerator aufweist: a.einen Stator mit mehreren Ankerwicklungen; b. einen mit derKurbelwelle verbunden Rotor in elektromagnetischer Verbindung mitdem Stator; c. ein Mittel zum Verbinden der Ankerwicklungenin einer Dreieckschaltung, wenn der Rotor mit der Anlassdrehzahlund der Wicklungsumkonfigurierungsdrehzahl rotiert; und d.ein Mittel zum Verbinden der Ankerwicklungen in einer Sternschaltung,wenn der Rotor mit einer niedrigen Drehzahl rotiert.
    [19] Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet,dass die niedrige Drehzahl eine Drehzahl nahe der Leerlaufdrehzahlist.
    [20] Integrierter Starter und Drehstromgenerator zurVerwendung mit einem Motor, wobei der integrierte Starter und Drehstromgeneratormit mehreren Drehzahlen einschließlich einer Anlassdrehzahl,einer niedrigen Drehzahl und einer Wicklungsumkonfigurierungsdrehzahlbetrieben werden kann und der integrierte Starter und Drehstromgeneratorals Anlassermotor fürden Motor, bevor er startet, betrieben werden kann und nach demMotorstart als ein vom Motor angetriebener Generator betrieben werdenkann, wobei der integrierte Starter und Drehstromgenerator aufweist: a.einen Stator mit mehreren Ankerwicklungen; b. einen durch einenRiemen mit dem Motor verbundenen Rotor in elektromagnetischer Verbindungmit dem Stator; c. ein Mittel zum Verbinden der Ankerwicklungenin einer Dreieckschaltung, wenn der Rotor mit der Anlassdrehzahlund der Wicklungsumkonfigurierungsdrehzahl rotiert; und d.ein Mittel zum Verbinden der Ankerwicklungen in einer Sternschaltung,wenn der Rotor mit einer niedrigen Drehzahl rotiert.
    [21] Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet,dass die niedrige Drehzahl eine Drehzahl nahe der Leerlaufdrehzahlist.
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    同族专利:
    公开号 | 公开日
    FR2854509A1|2004-11-05|
    US20040217723A1|2004-11-04|
    US6894455B2|2005-05-17|
    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
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    2005-02-17| 8127| New person/name/address of the applicant|Owner name: REMY INC. (N.D.GES.D. STAATES DELAWARE), ANDERSON, |
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