Titel

Induktives Übertragersystem zur Übertragung von elektrischer Energie in eine Erregerwicklung eines Rotors

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Stator und einem Rotor einer elektrisch erregten Synchronmaschine, von einer elektrisch erregten Synchronmaschine.

Es ist schon eine elektrisch erregte Synchronmaschine aus der US20050218740 A1 bekannt, die einen Stator umfasst, der eine mehrphasige Statorwicklung mit mehreren Phasensträngen und einen primären Teil eines induktiven Übertragersystems zur Übertragung von elektrischer Energie in eine Erregerwicklung eines Rotors der Synchronmaschine aufweist. Der primäre Teil des induktiven Übertragersystems umfasst eine primäre Übertragerwicklung.

Weiterhin umfasst die elektrisch erregte Synchronmaschine der US20050218740 A1 einen Rotor, der eine Erregerwicklung zum Erzeugen eines Rotorfelds zur Erregung der Synchronmaschine und einen sekundären Teil eines induktiven Übertragersystems zur Übertragung von elektrischer Energie in die Erregerwicklung des Rotors aufweist, wobei der sekundäre Teil des induktiven Übertragersystems zumindest eine sekundäre Übertragerwicklung zum Bereitstellen einer Übertrager-Wechselspannung und zumindest eine als Gleichrichter wirkende Gleichrichterschaltung zum Gleichrichten der Übertrager- Wechselspannung in eine sekundäre Gleichspannung für die Erregerwicklung umfasst.

Nachteilig ist, dass der primäre und sekundäre Teil des induktiven Übertragersystems als Übertragereinheit in einem Hohlraum des Rotors angeordnet sind. Die Übertragereinheit erfordert einen vergleichsweise großen Bauraum und erzeugt als zusätzliches Bauteil zusätzliche Kosten. Die Übertragereinheit umfasst einen Erreger-Stator und einen Erreger-Rotor, die als Transformator induktiv Zusammenwirken.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Stator einer elektrisch erregten Synchronmaschine mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass Bauraum für den primären Teil des induktiven Übertragersystems eingespart und die Herstellungskosten des Stators verringert werden. Dies wird erfindungsgemäß erreicht, indem die primäre Übertragerwicklung durch einen Hybridstrang der Statorwicklung gebildet ist, der sowohl der Erzeugung eines Drehfelds eines Drehstromsystems für den Antrieb des Rotors als auch der Erzeugung eines Übertragerfeldes des Übertragersystems dient. Mit anderen Worten ausgedrückt ist die primäre Übertragerwicklung also ein Teil der Statorwicklung bzw. in der Statorwicklung integriert. Die Statorwicklung wirkt also als primäre Übertragerwicklung, so dass keine zusätzliche Wicklung im Stator erforderlich ist.

Durch die in den Unteransprüchen 2 bis 6 aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Stators der elektrisch erregten Synchronmaschine möglich.

Besonders vorteilhaft ist, wenn der Hybridstrang der Statorwicklung zumindest einer der Phasenstränge ist, die in einer Sternschaltung oder Dreiecksschaltung verschaltet sind, wobei in den Hybridstrang sowohl ein Phasenstrom des Drehstromsystems als auch ein primärer Übertragerstrom des Übertragersystems einspeisbar ist, wobei der primäre Übertragerstrom und der Phasenstrom im Falle der Sternschaltung zusammen als Summenstrom und im Falle der Dreieckschaltung jeweils separat einspeisbar sind. Anders ausgedrückt wird der primäre Übertragerstrom im Falle der Sternschaltung also zusammen mit dem Phasenstrom lu als Summenstrom eingespeist. Auf diese Weise kann die primäre Übertragerwicklung als ein Teil der Statorwicklung ausgebildet werden bzw. in der Statorwicklung integriert sein, ohne dass sich das Drehstromsystem und das Übertragersystem gegenseitig stören bzw. negativ beeinflussen. Weiterhin vorteilhaft ist, wenn im Falle der Sternschaltung der Hybridstrang zwei parallele Hybrid-Teilstränge mit jeweils separatem Phasenanschluss aufweist, wobei in den einen Hybrid-Teilstrang ein erster Summenstrom und in den anderen Hybrid-Teilstrang ein zweiter Summenstrom einspeisbar ist. Der Hybridstrang ist somit in zwei parallele Hybrid-Teilstränge aufgeteilt. Auf diese Weise kann im Falle der Sternschaltung in den Hybridstrang ein gegenüber den anderen Phasensträngen abgewandelter Phasenstrom eingespeist werden, der sich durch Überlagerung des primären Übertragerstroms des Übertragersystems auf einen halben Phasenstrom des Drehstromsystems ergibt und somit ein Summenstrom ist. Die Summenströme für die beiden Hybrid-Teilstränge werden durch einen Inverter erzeugt. Die Phasenanschlüsse der Hybrid-Teilstränge können gegenüber den Phasenanschlüssen der anderen Phasenstränge eine geringere Stromtragfähigkeit aufweisen, insbesondere die Hälfte der Stromtragfähigkeit. Die Überlagerung zur Bildung der Summenströme erfolgt in einer Software zur Steuerung des Inverters. Die beiden in die Hybrid-Teilstränge eingespeisten Summenströme sind derart ausgebildet, dass die Summe der primären-Übertragerstrom-Anteile an einem Sternpunkt der Sternschaltung null ist, so dass die übrigen Phasen des Drehstromsystems unbeeinflusst sind. Dies kann erreicht werden, da die primären Übertragerströme in den beiden Hybrid- Teilsträngen gegenphasig und von der Amplitude her gleich sind.

Sehr vorteilhaft ist es, wenn im Falle der Dreieckschaltung der Hybridstrang zwei in Reihe geschaltete Hybrid-Teilstränge aufweist, wobei die Phasenspannungen des Drehstromsystems an Dreieckspunkten der Dreieckschaltung anlegbar sind und wobei der primäre Übertragerstrom an einem Zusatzknoten zwischen den zwei Hybrid-Teilsträngen einspeisbar ist, beispielsweise durch Anlegen einer Summenspannung am Zusatzknoten, welche als Stellgröße zum Regeln des Übertragerstroms ausreicht. Der primäre Übertragerstrom wird durch einen Inverter an einem zusätzlichen Übertrager-Inverterausgang des Inverters bereitgestellt, wobei die Stromtragfähigkeit des Übertrager-Inverterausganges dem Übertragerstrom entspricht. Die Überlagerung der Strangströme des Drehstromsystems mit dem primären Übertragerstrom erfolgt in der Statorwicklung. Die Überlagerung des Übertragerstromes hat keinen Einfluss auf die einzustellenden Spannungen an den Dreieckspunkten. Auch vorteilhaft ist, wenn

- der jeweilige Hybrid-Teilstrang jeweils eine Anzahl von in Reihe geschalteten, insbesondere gleichen, Spulengruppen aufweist, wobei die Anzahl von Spulengruppen insbesondere einer Polpaarzahl des Übertragerfeldes und/oder insbesondere einer halben Polpaarzahl des Drehfeldes entspricht, und/oder

- die Spulengruppen desselben Hybrid-Teilstrangs jeweils durch einen Spulengruppenverbinder elektrisch verbunden sind, dessen Sprungweite jeweils derart ausgebildet ist, dass zwischen zwei elektrisch verbundenen Spulengruppen des jeweiligen Hybrid-Teilstrangs jeweils eine Spulengruppe des anderen Hybrid-Teilstrangs liegt, und/oder

- jede Spulengruppe zumindest ein Spulenpaar, insbesondere mehrere in Reihe geschaltete Spulenpaare, aufweist, wobei die Spulenpaar-Anzahl einer Lochzahl q des Stators entspricht, die insbesondere gleich zwei ist, wobei die Spulenpaare einer der Spulengruppen jeweils durch einen Spulenpaarverbinder elektrisch verbunden sind, dessen Spungweite insbesondere einer Polweite der Statorpole minus einer oder plus einer Statornut entspricht, und/oder

- jedes Spulenpaar zwei in Reihe geschaltete Spulen aufweist, die bezüglich des Stromverlaufs insbesondere eine entgegengesetzte Windungsrichtung haben und insbesondere hinsichtlich einer Windungszahl, einer Spulenweite und/oder einem Leiterquerschnitt gleich ausgebildet sind, wobei die beiden Spulen des jeweiligen Spulenpaars jeweils über einen Spulenverbinder elektrisch verbunden sind, dessen Sprungweite insbesondere der Polweite der Statorpole entspricht. Auf diese Weise wird erreicht, dass die Statorwicklung Standard- Wicklungselemente umfasst und daher kostengünstig gefertigt werden kann.

Desweiteren vorteilhaft ist, wenn

- der Hybridstrang durch Statornuten verläuft, die der elektrischen Phase des Hybridstrangs zugeordnet sind und Hybridnuten darstellen,

- die eine Hälfte der Hybridnuten gemischte Hybridnuten sind, die jeweils zur Hälfte elektrische Leiter aus den beiden Hybrid-Teilsträngen des Hybridstrangs enthalten,

- die andere Hälfte der Hybridnuten ungemischte Hybridnuten sind, die nur elektrische Leiter aus demselben Hybrid-Teilstrang des Hybridstrangs aufweisen,

- die gemischten Hybridnuten als Gruppen von benachbarten Statornuten vorgesehen sind, wobei die Anzahl der gemischten Hybridnuten pro Gruppe einer Lochzahl q entspricht, die insbesondere gleich zwei ist, - die ungemischten Hybridnuten als Gruppen von benachbarten Statornuten vorgesehen sind, wobei die Anzahl der ungemischten Hybridnuten pro Gruppe einer Lochzahl q entspricht, die insbesondere gleich zwei ist.

Auf diese Weise wird erreicht, dass die gemischten Nuten bei Bestromung der Hybid-Teilstränge mit Strömen, die zueinander gegensätzliche Vorzeichen haben, magnetisch effektiv unwirksam sind, da die den beiden Hybrid- Teilsträngen zugeordneten Leiter räumlich zumindest im wesentlichen deckungsgleich sind, aber von Strömen mit verschiedenen Vorzeichen durchflossen werden, wodurch die von Ihnen in Summe verursachte Durchflutung nahe Null ist.

Darüber hinaus vorteilhaft ist, wenn

- die einander zugewandten Spulenseiten der beiden Spulen des jeweiligen Spulenpaares eines der Spulengruppen in derselben Hybridnut angeordnet sind und diese mit insbesondere abwechselnder Nutlagenbelegung voll belegen zur Bildung einer der ungemischten Hybridnuten, und/oder

- die einander abgewandten Spulenseiten der beiden Spulen des jeweiligen Spulenpaares eines der Spulengruppen die jeweiligen Hybridnuten nur zur Hälfte belegen, und/oder

- die durch eine der Spulengruppen zur Hälfte belegten Hybridnuten jeweils durch eine Spulenseite einer Spule einer jeweils benachbarten Spulengruppe voll belegt sind zur Bildung einer der gemischten Hybridnuten, und/oder

- benachbarte Spulengruppen unterschiedlichen Hybrid-Teilsträngen zugeordnet sind.

Auf diese Weise wird erreicht, dass die Summe der durch die bestromten Hybrid- Teilstränge erzeugten Durchflutung einem Feld mit einer Polzahl identisch mit der Polzahl des Synchronmaschinen-Drehfeldes entspricht, die Differenz der durch die bestromten Hybrid-Teilstränge erzeugten Durchflutung jedoch einem Feld mit einer Polzahl identisch mit der Hälfte der Polzahl des Synchronmaschinen- Drehfeldes entspricht. Bei einer Bestromung der Hybrid-Teilstränge mit Stömen, die durch Überlagerung von Gleich- und Differenz-Anteilen gebildet sind, sind die Felder mit Drehsystem-Polzahl und halber-Drehsystem-Polzahl unabhängig voneinander steuerbar, wodurch eine Überlagerung einer Transformatorfunktion über das Drehstrom-Synchronmaschinen-System möglich ist. Der erfindungsgemäße Rotor der elektrisch erregten Synchronmaschine weist eine Erregerwicklung zum Erzeugen eines Rotorfelds zur Erregung der Synchronmaschine und einen sekundären Teil des induktiven Übertragersystems zur Übertragung von elektrischer Energie in die Erregerwicklung des Rotors auf, wobei der sekundäre Teil des induktiven Übertragersystems zumindest eine sekundäre Übertragerwicklung zum Bereitstellen einer Übertrager- Wechselspannung und zumindest eine als Gleichrichter wirkende Gleichrichterschaltung, insbesondere Brückenschaltung, zum Gleichrichten der Übertrager-Wechselspannung in eine sekundäre Gleichspannung für die Erregerwicklung umfasst.

Der erfindungsgemäße Rotor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 7 hat den Vorteil, dass Bauraum für den sekundären Teil des induktiven Übertragersystems eingespart und die Herstellungskosten des Rotors verringert werden. Dies wird erfindungsgemäß erreicht, indem der Rotor Rotorzähne aufweist und indem zwischen den Rotorzähnen Rotornuten gebildet sind, die zur Aufnahme der Erregerwicklung und zur Aufnahme der zumindest einen sekundären Übertragerwicklung ausgebildet sind.

Durch die in den Unteransprüchen 8 bis 14 aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 7 angegebenen Rotors der elektrisch erregten Synchronmaschine möglich.

Nach einem vorteilhaften ersten Rotor-Ausführungsbeispiel sind zwei sekundäre Übertragerwicklungen vorgesehen, wobei die erste sekundäre Übertragerwicklung in einem ersten Satz von Rotornuten und die zweite sekundäre Übertragerwicklung in einem zweiten Satz von Rotornuten angeordnet ist, wobei der erste Satz und der zweite Satz von Rotornuten in Umfangsrichtung bezüglich einer Rotorachse zueinander versetzt sind, wobei die jeweilige sekundäre Übertragerwicklung jeweils eine oder mehrere in Reihe oder parallel geschaltete Spulen umfasst, die jeweils eine bestimmte Anzahl von Rotorzähnen umschließen, wobei die Anzahl von umschlossenen Rotorzähnen sich insbesondere aus einer ungeraden Zahl multipliziert mit zwei ergibt und insbesondere zwei oder sechs beträgt. Das erste Rotor-Ausführungsbeispiel hat den Vorteil, dass die sekundäre Übertragerwicklung mit dem vom Stator erzeugten Übertragerfeld winkelabhängig gekoppelt ist, so dass eine Energieübertragung vom Stator auf den Rotor möglich ist, wobei die Rotor- Übertragerwicklung als Wechselspannungs-bzw. Wechselstromquelle wirkt. Der Rotor umfasst zwei sekundäre Übertragerwicklungen, die zueinander um eine ungerade Anzahl von Rotorzähnen versetzt sind (was einem Versatz von 90° oder 270° elektrisch bezüglich des Übertragerfeldes entspricht). Die rotorseitige Übertragerwicklung ist daher effektiv 2-phasig, wodurch in jeder Rotor- Winkellager mindestens eine der beiden sekundären Übertragerwicklungen in magnetischer Kopplung zum statorseitigen Übertragerfeld steht, wodurch in jeder Rotor-Winkellage eine transformatorische Energieübertragung zum Rotor möglich ist. Somit werden sogenannte Totpunkte bezüglich Rotorwinkel vermieden.

Nach einem vorteilhaften zweiten Rotor-Ausführungsbeispiel weist die Erregerwicklung zumindest einen Erregerstrang auf, der jeweils zwei in Reihe geschaltete erste Spulenpaare umfasst, wobei die sekundäre Übertragerwicklung durch einen Teilstrang des jeweiligen Erregerstrangs gebildet ist, der jeweils zwischen den zwei ersten Spulenpaaren des jeweiligen Erregerstrangs zwischengeschaltet ist und jeweils eine sekundäre Hybrid-Spulenanordnung umfasst, die jeweils zwei Wechselspannungs-Ausgänge, einen Gleichstrom- Eingang und einen Gleichstrom-Ausgang aufweist.

Das zweite Rotor-Ausführungsbeispiel hat den Vorteil, dass die sekundäre Übertragerwicklung des Rotors in einem Teil der Erregerwicklung integriert oder ausgebildet ist. Der Teilstrang des jeweiligen Erregerstrangs mit der Hybrid- Spulenanordnung dient sowohl der elektrischen Erregung der Synchronmaschine als auch der sekundären Übertragung des Übertragersystems. Die Hybrid- Spulenanordnungen werden also sowohl vom Erreger-Gleichstrom als auch vom Übertrager- Wechselstrom durchflossen, wodurch der Leiterquerschnitt im zeitlichen Mittel besser genutzt wird, wodurch bei gleicher Gesamt-Rotor- Erregung eine geringere Verlustleistung am Rotor anfällt, was zu einer geringeren Erwärmung des Rotors und damit zu einem höheren System- Wirkungsgrad und einer höheren Dauerleistung führt. Außerdem wird Bauraum am Rotor für die sekundäre Übertragerwicklung eingespart, welcher beispielsweise genutzt werden kann, um die Windungszahl oder den Leiterquerschnitt der übrigen Wicklungen zu vergrößern. Vorteilhaft ist, wenn

- die jeweilige sekundäre Hybrid-Spulenanordnung jeweils zwei parallel geschaltete zweite Spulenpaare aufweist, die jeweils zwei zweite Einzelzahnspulen jeweils zur Erzeugung einer Übertrager-Wechselspannung durch induktives Zusammenwirken mit einem primären Teil des Übertragersystems umfassen, wobei die zwei zweiten Einzelzahnspulen hinsichtlich einer Windungszahl und einem Leiterquerschnitt insbesondere gleich ausgebildet sind, und/oder

- zwischen den zweiten Einzelzahnspulen der jeweiligen zweiten Spulenpaare jeweils ein Zwischenknoten zur Bildung eines der Wechselspannungs-Ausgänge vorgesehen ist, und/oder

- die Wechselspannungs-Ausgänge der jeweiligen sekundären Hybrid- Spulenanordnung jeweils mit einem Wechselspannungs-Eingang der Gleichrichterschaltung elektrisch verbunden ist, wobei insbesondere zwei Gleichrichterschaltungen je Hybrid-Spulenanordnung vorgesehen sind, und/oder

- die jeweilige Gleichrichterschaltung jeweils zwei Gleichspannungs-Ausgänge zum Erzeugen einer Potentialdifferenz zwischen den Enden des jeweiligen Erregerstrangs aufweist, wobei an einem der beiden Enden des jeweiligen Erregerstrangs ein positives Gleichspannungs-Potential bezüglich der Zwischenknoten der jeweiligen Hybrid-Spulenanordnung und an dem anderen der beiden Enden ein negatives Gleichspannungs-Potential bezüglich der Zwischenknoten der jeweiligen Hybrid-Spulenanordnung erzeugbar ist, wobei die Beträge der beiden entgegengesetzten Gleichspannungs-Potentiale insbesondere gleich groß sind.

Auf diese Weise wird erreicht, dass die Rotorwicklung nur aus Einzelzahnspulen besteht, die einfach zu fertigen sind und mehr Freiheit bei der Systemauslegung bieten als Spulen, die mehrere Zähne umschließen. Die Einzelzahnspulen können auf die Rotorzähne aufgesteckt werden, da sie nicht mit anderen Spulen überlappen. Des Weiteren haben Einzelzahnspulen von allen nutzbaren Wicklungen die geringste Leiterlänge bezogen auf die Windungszahl bzw. den geringsten Wickelkopfanteil, wodurch eine Wicklung mit geringem ohmschen Widerstand möglich ist, was zu einer geringeren Erwärmung des Rotors und damit zu einem höheren System-Wirkungsgrad und einer höheren Dauerleistung führt. Außerdem vorteilhaft ist, wenn die Erregerwicklung zwei Erregerstränge aufweist, die mittels von Strangverbindern parallel verschaltet sind und jeweils die sekundäre Hybrid-Spulenanordnung aufweisen. Die Hybrid-Spulenanordnung des ersten Erregerstranges besteht aus Einzelzahnspulen, die um eine ungerade Anzahl von Rotorzähnen zu den Einzelzahnspulen der Hybrid-Spulenanordnung des zweiten Erregerstrangs versetzt sind, was einem Versatz von 90° oder 270° elektrisch bezüglich des Übertragerfeldes entspricht. Die Hybrid- Spulenanordnungen sind daher zusammen effektiv 2-phasig, wodurch in jeder Rotor-Winkellage mindestens eine der beiden sekundären Hybrid- Spulenanordnungen in magnetischer Kopplung zum statorseitigen Übertragerfeld steht, wodurch in jeder Rotor-Winkellage eine transformatorische Energieübertragung zum Rotor möglich ist und somit Totpunkte bezüglich Rotorwinkel vermieden werden.

Weiter vorteilhaft ist, wenn die ersten Spulenpaare jeweils zwei erste Einzelzahnspulen aufweisen und die ersten Einzelzahnspulen der ersten Spulenpaare hinsichtlich einer Windungszahl und einem Leiterquerschnitt insbesondere gleich ausgebildet sind. Auf diese Weise wird erreicht, dass bei der Erregung mit Gleichstrom eine von Rotorzahn zu Rotorzahn identische Durchflutung bereitgestellt wird, wobei die Stromdichte in den Leitern konstant ist. Dies führt zu einer gleichmäßigen Verteilung der ohmschen Verlustleistung auf dem Rotor, wodurch Hotspots vermieden oder entschärft werden können. Dies ermöglicht eine geringere thermische Belastung des Rotors und eine höhere Dauerleistung.

In vorteilhafter Weise ist an jedem der Rotorzähne jeweils zumindest eine erste Einzelzahnspule und zumindest eine zweite Einzelzahnspule vorgesehen, wobei eine Windungszahl der zweiten Einzelzahnspulen insbesondere kleiner ist als eine Windungszahl der ersten Einzelzahnspulen, insbesondere derart, dass eine erforderliche Übertrager-Wechselspannung erzeugbar ist. Auf diese Weise wird erreicht, dass der ohmsche Widerstand der Wicklungsanordnung und die am Rotor vorhandene Übertragerspannung aufeinander abgestimmt und optimiert werden können, insbesondere unter Berücksichtigung der gleichrichtenden Halbleiterelemente der Gleichrichterschaltung, wobei ein Optimum zwischen Strom und Spannung angestrebt wird. Außerdem vorteilhaft ist, dass

- die beiden Einzelzahnspulen zumindest eines, insbesondere jedes, der ersten und/oder zweiten Spulenpaare jeweils auf zwei unterschiedliche der Rotorzähne verteilt sind, zwischen denen eine bestimmte Anzahl von Rotornuten liegt, die sich aus einer ungeraden Zahl multipliziert mit zwei ergibt und beispielsweise zwei oder sechs beträgt, und/oder

- die zwei zweiten Spulenpaare der jeweiligen Hybrid-Spulenanordnung zur Parallelschaltung jeweils durch zwei Spulenpaarverbinder elektrisch verbunden sind, wobei die demselben Spulenpaarverbinder zugewandten zweiten Einzelzahnspulen aus unterschiedlichen zweiten Spulenpaaren der jeweiligen Hybrid-Spulenanordnung auf zwei unterschiedliche Rotorzähne verteilt sind, zwischen denen eine bestimmte Anzahl von Rotornuten liegt, die sich aus einer ungeraden Zahl multipliziert mit zwei ergibt und beispielsweise zwei oder sechs beträgt.

Auf diese Weise werden jeweils Einzelzahnspulen gebildet, die jeweils komplementär zu bestimmten anderen Einzelzahnspulen der Erregerschaltung sind. Eine Reihenschaltung einer der Einzelzahnspulen mit einer zu ihr komplementären Einzelzahnspule hat an den Enden der Reihenschaltung jeweils keine durch das primäre Übertragerfeld induzierte Wechselspannung, da sich die induzierten Wechselspannungen der beiden komplementären Einzelzahnspulen kompensieren.

Die in den Einzelzahnspulen von ersten Spulenpaaren bzw. zweiten Spulenpaaren durch das statorseitige Übertragerfeld induzierten Wechselspannungen sind bezüglich Form und Amplitude identisch, unterscheiden sich aber im Vorzeichen (sind also gegenphasig bzw. die elektrische Phasenverschiebung beträgt 180°), so dass die induzierten Wechselspannungen in der Reihenschaltung zur Spulenpaar-Spannung addiert null ergeben. Die zwischen zwei Enden eines der zweiten Spulenpaare messbare Spannung hat keinen durch das primäre Übertragerfeld induzierten Spannungsanteil, so dass zwischen Gleichstrom-Eingang und Gleichstrom- Ausgang der jeweiligen Hybrid-Spulenanordnung kein induzierter Wechselspannungsanteil vorhanden ist und für die jeweilige Hybrid- Spulenanordnung zwischen ihrem Gleichstrom-Eingang und -Ausgang eine Reihenschaltung einer Induktivität mit einem ohmschen Widerstand als vereinfachtes Ersatzschaltbild angenommen werden kann. Die Hybrid- Spulenanordnung kann daher mit Gleichstrom bestromt zur Rotorerregung genutzt werden, indem die Gleichspannungs-Ausgänge der Gleichrichterschaltung mit den Strangverbindern der Erregerschaltung verbunden sind bzw. werden.

Die Erfindung geht weiterhin aus von einer elektrisch erregten Synchronmaschine mit einem erfindungsgemäßen Stator und einem erfindungsgemäßen Rotor. Die erfindungsgemäße elektrisch erregte Synchronmaschine hat den Vorteil, dass Bauraum für das induktive Übertragersystems eingespart und die Herstellungskosten der Synchronmaschine verringert werden.

Das induktive Übertragersystem erfordert erfindungsgemäß kein zusätzliches Bauteil, insbesondere keinen Transformator.

Die Polzahl des induktiven Übertragersystems entspricht erfindungsgemäß zumindest effektiv der Hälfte der Polzahl des Drehstromsystems. Beispielsweise ist ein 8-poliges Drehstromsystem und ein 4-poliges Übertragersystem vorgesehen.

Erfindungsgemäß erfolgt eine Überlagerung der Ströme zu einer Statordurchflutung, die einer Überlagerung eines Feldes eines Drehstromsystems und eines Feldes eines Übertragersystems mit verschiedenen Polpaarzahlen entspricht.

Die Erfindung betrifft außerdem eine Steuereinrichtung zum Steuern der erfindungsgemäßen Synchronmaschine. Die Steuereinrichtung umfasst einen Inverter zum Bereitstellen von Phasenspannungen zur Energieversorgung der Phasenanschlüsse der Statorwicklung des erfindungsgemäßen Stators und ein Steuergerät zum Steuern des Inverters.

Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Verfahren zum Betrieb einer erfindungsgemäßen Synchronmaschine mit einer Steuereinrichtung, wobei das Steuergerät den Inverter für den Betrieb der Synchronmaschine derart ansteuert, dass vom Inverter

- im Falle der Sternschaltung zwei Phasenspannungen für die Hybrid-Teilstränge des Hybridstrangs und zwei Phasenspannungen für die übrigen Phasenstränge bereitgestellt werden, wobei die Phasenspannungen für die Hybrid-Teilstränge jeweils als Überlagerung einer Phasenspannung zur Erzeugung des Drehstromsystems mit einer Übertragerspannung des Übertragersystems gebildet werden zur Erzeugung von Strangströmen in den Hybrid-Teilsträngen;

- im Falle der Dreieckschaltung drei Phasenspannungen zum Anlegen an die Dreieckspunkte der Dreieckschaltung und eine Summenspannung zum Anlegen an den Zusatzknoten bereitgestellt werden, wobei die Phasenspannungen ein dreiphasiges Dreh-Wechselspannungssystem zur Erzeugung des Drehstromsystems bilden und wobei die Summenspannung als Überlagerung einer Hybridstrang-Mittelspannung des Dreh-Wechselspannungssystems mit einer Übertragerspannung des Übertragersystems gebildet wird zur Erzeugung des primären Übertragerstromes und der Summenströme in den Hybrid- Teilsträngen.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Fig.1 zeigt eine Systemansicht einer erfindungsgemäßen elektrisch erregten Synchronmaschine,

Fig.2 die Statorwicklung nach Fig.1 in Sternschaltung mit einem erfindungsgemäßen Hybridstrang,

Fig.3 eine alternative Statorwicklung in Dreieckschaltung mit einem erfindungsgemäßen alternativen Hybridstrang,

Fig.4A ein Phasendiagramm mit einem zeitlichen Verlauf der in der Statorwicklung fließenden Strangströme für die Sternschaltung nach Fig.2, Fig.4B ein Phasendiagramm mit einem zeitlichen Verlauf der in der Statorwicklung fließenden Strangströme für die Dreieckschaltung nach Fig.3, Fig.5 eine dreidimensionale Ansicht des erfindungsgemäßen Hybridstrangs nach Fig.2 oder Fig.3 als Wicklung,

Fig.6 eine weitere dreidimensionale Ansicht des erfindungsgemäßen Hybridstrangs nach Fig.2 oder Fig.3 als Wicklung,

Fig.7A eine von mehreren Spulengruppen zur Bildung des erfindungsgemäßen Hybridstrangs nach Fig.5 und Fig.6,

Fig.7B eine weitere Ansicht der Spulengruppe nach Fig.7A, Fig.8 eines von zwei Spulenpaaren zur Bildung der Spulengruppe nach Fig.7,

Fig.9A eine Anordnung der Leiter des erfindungsgemäßen Hybridstrangs nach Fig.5 und Fig.6 in Statornuten des Stators, dargestellt in einer linearen Abwicklung,

Fig.9B eine Ansicht der Leiter des erfindungsgemäßen Hybridstrangs nach Fig.9A mit den jeweiligen Vorzeichen des Drehstromanteils des Drehstromsystems in den jeweiligen Leitern,

Fig.9C eine Ansicht der Leiter des erfindungsgemäßen Hybridstrangs nach Fig.9A mit den jeweiligen Vorzeichen des Übertragerstromanteils des Übertragersystems in den jeweiligen Leitern,

Fig.lOA in einem Summen-Diagramm eine durch den Summenstrom erzeugte Durchflutung je Maschinenpol,

Fig.lOB in einem Diagramm eine ausschließlich durch den Phasenstromanteil im jeweiligen Summenstrom erzeugte Durchflutung je Maschinenpol,

Fig.lOC in einem Diagramm eine ausschließlich durch den Übertragerstromanteil im jeweiligen Summenstrom erzeugte Durchflutung je Maschinenpol, Fig.11 die Rotor-Erregerschaltung gemäß der ersten Rotor-Ausführung, Fig.12 die Verteilung der Spulen der Rotor-Erregerschaltung gemäß der ersten Rotor-Ausführung nach Fig.11 auf die Rotorzähne des Rotors der Synchronmaschine,

Fig.13 eine weitere Systemansicht der elektrisch erregten Synchronmaschine mit einer erfindungsgemäßen Statorwicklung in Sternschaltung und einer Rotor- Erregerschaltung nach der ersten Rotor-Ausführung gemäß Fig.1 und Fig.11 , Fig.14 eine alternative Rotor-Erregerschaltung gemäß einer zweiten Rotor- Ausführung,

Fig.15 die Verteilung der Spulen der Rotor-Erregerschaltung gemäß der zweiten Rotor-Ausführung nach Fig.14 auf die Rotorzähne des Rotors der Synchronmaschine nach Fig.1 und Fig.14 und

Fig.16 eine weitere Systemansicht der elektrisch erregten Synchronmaschine mit einer erfindungsgemäßen Statorwicklung in Sternschaltung und einer Rotor- Erregerschaltung nach der zweiten Rotor-Ausführung gemäß Fig.1 und Fig.14. Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Fig.1 zeigt eine Systemansicht einer elektrisch erregten Synchronmaschine 1.

Die erfindungsgemäße Synchronmaschine 1 umfasst einen Stator 10 mit einer erfindungsgemäßen Statorwicklung 11 in Sternschaltung oder Dreieckschaltung und einen um eine Rotorachse 29 drehbaren erfindungsgemäßen Rotor 30 gemäß einer ersten Rotor-Ausführung nach Fig.11 bis Fig.13 oder gemäß einer zweiten Rotor-Ausführung nach Fig. 14 bis Fig.16. In Fig.1 ist beispielhaft die Statorwicklung 11 in Sternschaltung und beispielhaft der Rotor 30 der ersten Rotor-Ausführung dargestellt.

Die elektrisch erregte Synchronmaschine 1 hat ein erfindungsgemäßes induktives Übertragersystem 2 zur Übertragung von elektrischer Energie in eine Erregerwicklung 32 des Rotors 30 der Synchronmaschine 1. Am Stator 10 ist ein primärer Teil 3 des induktiven Übertragersystems 2 ausgebildet, der eine primäre Übertragerwicklung 4 umfasst. Am Rotor 30 ist ein sekundärer Teil 5 des induktiven Übertragersystems 2 vorgesehen.

Primärer Teil des induktiven Übertragersystems

Zunächst wird der primäre Teil 3 des induktiven Übertragersystems 2 beschrieben:

Die Statorwicklung 11 des Stators 10 ist mehrphasig, beispielsweise dreiphasig, und weist mehrere Phasenstränge 12 auf, die jeweils einer der elektrischen Phasen U,V,W zugeordnet sind und jeweils an einem der beiden Enden einen Phasenanschluss 14 zu einem Inverter 7 haben. Die elektrischen Phasen U bzw.U1,U2,V,W werden von dem Inverter ? bereitgestellt, der von einem Steuergerät 8 gesteuert ist.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die primäre Übertragerwicklung 4 durch einen Hybridstrang der Statorwicklung 11 gebildet ist, der sowohl der Erzeugung eines Drehfelds eines Drehstromsystems 6 für den Antrieb des Rotors 30 der Synchronmaschine 1 als auch der Erzeugung eines Übertragerfeldes des induktiven Übertragersystems 2 dient. Die Polzahl des induktiven Übertragersystems 2 entspricht erfindungsgemäß zumindest effektiv der Hälfte der Polzahl des Drehstromsystems 6. Daher ist die in Fig.1 links unten dargestellte Synchronmaschine 1 in Fig.1 bezüglich des Übertragersystems 2 mit beispielsweise vier Polen und in Fig.1 rechts unten bezüglich des Drehstromsystems 6 mit beispielsweise acht Polen dargestellt.

Fig.2 zeigt die Statorwicklung 11 des Stators 10 nach Fig.1 mit einem erfindungsgemäßen Hybridstrang 13. Fig.3 zeigt eine alternative Statorwicklung 11 in Dreieckschaltung mit einem erfindungsgemäßen alternativen Hybridstrang 13.

Der Hybridstrang 13 der Statorwicklung 11 ist zumindest einer der Phasenstränge 12, die nach Fig.2 in einer Sternschaltung oder nach Fig.3 in einer Dreiecksschaltung verschaltet sein können. In den Hybridstrang 13 ist sowohl ein dem Hybridstrang zugeordneter Phasenstrom des Drehstromsystems 6 als auch ein primärer Übertragerstrom Itransf des Übertragersystems 2 in überlagerter Weise einspeisbar.

Der Übertragerstrom Itransf wird in einer Hybridphase, also der elektrischen Phase des Hybridstrangs 13, dem Phasenstrom lu überlagert. Dabei handelt es sich beispielsweise um eine sogenannte gegenphasige (Push-Pull) Überlagerung. Die Hybridphase ist in dem Ausführungsbeispiel beispielsweise die Phase II. Der primäre Übertragerstrom Itransf kann ein Wechselstrom oder ein Gleichstrom sein. Erfindungsgemäß erfolgt eine Überlagerung der Ströme zu einer Statordurchflutung, die einer Überlagerung eines Feldes des Drehstromsystems 6 und eines Feldes des Übertragersystems 2 mit verschiedenen Polpaarzahlen entspricht.

Der primäre Übertragerstrom Itransf ist im Falle der Sternschaltung nach Fig.2 als Summenstrom zusammen mit dem Phasenstrom lu und im Falle der Dreieckschaltung nach Fig.3 jeweils separat einspeisbar.

Im Falle der Sternschaltung nach Fig.2 weist der Hybridstrang 13 der Statorwicklung 11 zwei parallele Hybrid-Teilstränge 13.1 ,13.2 auf. Die Hybrid- Teilstränge 13.1,13.2 haben jeweils an einem der beiden Enden einen separaten Phasenanschluss 14.1 ,14.2 zum Inverter 7 und am anderen der beiden Enden eine Verbindung zu einem Sternpunkt 15 der Sternschaltung. Die übrigen Phasenstränge 12 der Phasen V und W sind ebenfalls mit einem ihrer Enden an den Sternpunkt 15 angeschlossen.

In dem einen Hybrid-Teilstrang 13.1 fließt aufgrund der Stromeinspeisung ein erster Strangstrom l _Su mi, der sich durch eine additive Überlagerung des primären Übertragerstroms Itransf des Übertragersystems 2 auf eine Hälfte des dem Hybridstrang 13 zugeordneten Phasenstroms lu des Drehstromsystems 6 ergibt. In dem anderen Hybrid-Teilstrang 13.2 fließt aufgrund der Stromeinspeisung ein zweiter Strangstrom Isum2, der sich durch eine subtraktive Überlagerung des primären Übertragerstroms Itransf des Übertragersystems 2 auf eine Hälfte des dem Hybridstrang 13 zugeordneten Phasenstroms lu des Drehstromsystems 6 ergibt.

Dabei ist der Phasenstromanteil im Strangstrom l _Su mi gegenüber den übrigen einzuspeisenden Phasenströmen l _v w ein Strom mit halber Amplitude.

Für die Sternschaltung ergeben sich der erste Strangstrom l _Su mi und der zweite Strangstrom Isum2 aus den Formeln:

Isum1 ⁼ lu/2 + Itransf

Isum2 ⁼ lu/2 - Itransf

Die Übertragerstromanteile der beiden Strangströme Isumi,lsum2 haben eine identische Form und Amplitude, jedoch verschiedene Vorzeichen und löschen sich am Sternpunkt aus. Die übrigen Phasenstränge V,W werden dadurch vom Übertragerstromanteil nicht beeinflusst.

Am Sternpunkt gilt:

Isuml + Isum2 + lv + Iw ⁼ lu/2 + Itransf + lu/2 - Itransf + lv + Iw ⁼ lu + lv + Iw ⁼ 0

Daher gilt auch:

Isuml ⁼ (Iv+ Iw) / 2 + Itransf

Isum2 ⁼ (Iv+ Iw) / 2 - Itransf Der Inverter ? hat gemäß Fig.2 vier Inverterausgänge 7.1 , nämlich zwei Inverterausgänge 7.1 für die Phasenströme l _v und Iw und zwei Inverterausgänge 7.1 für die beiden Ströme l _SU mi und l _SU m2der Hybrid-Teilstränge 13.1, 13.2.

Zum Betrieb der elektrisch erregten Synchronmaschine 1 nach Fig.2 ist eine Steuereinrichtung 9 vorgesehen, die den Inverter 7 und das Steuergerät 8 umfasst. Das Steuergerät 8 steuert den Inverter 7 für den Betrieb der Synchronmaschine 1 derart an, dass vom Inverter 7 im Falle der Sternschaltung zwei Phasenspannungen für die Hybrid-Teilstränge 13.1 ,13.2 des Hybridstrangs 13 und zwei Phasenspannungen für die übrigen Phasenstränge 12 bereitgestellt werden. Die Phasenspannungen für die Hybrid-Teilstränge 13.1, 13.2 werden jeweils als Überlagerung eines der Phasenspannungen eines dreiphasigen Dreh- Wechselspannungssystems zur Erzeugung des Drehstromsystems 6 mit einer Übertragerspannung des Übertragersystems 2 gebildet zur Erzeugung der Strangströme l _SU mi,lsum2 in den Hybrid-Teilsträngen 13.1 ,13.2.

Der Hybridstrang 13 nach Fig.2 ist in zwei parallele Hybrid-Teilstränge 13.1,13.2 aufgeteilt, welche jeweils über eine Windungszahl verfügen, deren Wert beispielsweise jeweils der Windungszahl der übrigen Phasenstränge 12 entspricht, so dass die Amplitude der durch den magnetischen Fluss des Rotors induzierten Spannung in den Phasensträngen 12 und Hybrid-Teilsträngen 13.1,13.2 gleich groß ist.

Im Falle der Dreieckschaltung nach Fig.3 weist der Hybridstrang 13 zwei in Reihe geschaltete Hybrid-Teilstränge 13.1,13.2 auf. Die vom Inverter ? kommenden Phasenspannungen U‘,V‘,W‘ des Drehstromsystems 6 sind an Dreieckspunkten 16 der Dreieckschaltung anlegbar. An den beiden Enden des Hybridstrangs 13 sind die Dreieckspunkte 16.1 ,16.2 vorgesehen.

Der primäre Übertragerstrom Itransf ist an einem Zusatzknoten 17 zwischen den zwei Hybrid-Teilsträngen 13.1,13.2 einspeisbar. Der primäre Übertragerstrom Itransf teilt sich am Zusatzknoten 17 in zwei Hälften auf und fließt jeweils durch die beiden Hybrid-Teilstränge 13.1 ,13.2 zu den Dreieckspunkten 16.1,16.2 ab. Dadurch fließt in dem einen Hybrid-Teilstrang 13.1 ein erster Strangstrom l _Su mi , der sich durch eine additive Überlagerung der Hälfte des Übertragerstromes ltransf/2 auf den Phasenstrom lu ergibt. In dem anderen Hybrid-Teilstrang 13.2 fließt dadurch ein zweiter Strangstrom Isum2, der sich durch eine subtraktive Überlagerung der Hälfte des Übertragerstromes ltransf/2 auf den Phasenstrom lu ergibt.

Für die Dreieckschaltung ergeben sich die Strangströme l _Su mi, Isum2 also aus den Formeln:

Isum1 ⁼ III ⁺ ltransf/2 Isum2 ⁼ lu " lfransf/2

Der primäre Übertragerstrom Itranst des Übertragersystems 2 kann eingespeist werden, indem an den Zusatzknoten 17 eine Spannung angelegt wird, die als additive Überlagerung der Übertragerspannung Utranst auf eine Hybridstrang- Mittelspannung gebildet wird. Die Hybridstrang-Mittelspannung hat einen Spannungswert, der einem Mittelwert aus den beiden an den Dreieckspunkten 16.1 16.2 anliegenden Spannungen des Dreh-Wechselspannungssystems entspricht.

Der Inverter 7 hat gemäß Fig.3 vier Inverterausgänge 7.1 , nämlich drei Inverterausgänge 7.1 für die Ströme zum Einspeisen an den Dreieckspunkten 16 und einen Inverterausgang 7.1 für den primären Übertragerstrom Itransf zum Einspeisen am Zusatzknoten 17.

Zum Betrieb der elektrisch erregten Synchronmaschine 1 nach Fig.3 ist die Steuereinrichtung 9 vorgesehen, die den Inverter 7 und das Steuergerät 8 umfasst. Das Steuergerät 8 steuert den Inverter 7 für den Betrieb der Synchronmaschine 1 derart an, dass vom Inverter 7 im Falle der Dreieckschaltung drei Phasenspannungen zum Anlegen an die Dreieckspunkte 16 der Dreieckschaltung und eine Summenspannung zum Anlegen an den Zusatzknoten 17 bereitgestellt werden. Die drei Phasenspannungen bilden ein dreiphasiges Dreh-Wechselspannungssystem zur Erzeugung des Drehstromsystems 6. Die Summenspannung wird als Überlagerung der Hybridstrang-Mittelspannung des Dreh-Wechselspannungssystems mit einer Übertragerspannung des Übertragersystems 2 gebildet zur Erzeugung des primären Übertragerstromes Itransf und der Strangströme l _SU mi,lsum2 in den Hybrid- Teilsträngen 13.1 ,13.2. Im Falle der Dreieckschaltung weisen die zwei in Reihe geschalteten Hybrid- Teilstränge 13.1 ,13.2 jeweils eine Windungszahl, deren Wert beispielsweise jeweils der Hälfte der Windungszahl der übrigen Phasenstränge entspricht. Die Reihenschaltung der Hybrid-Teilstränge 13.1,13.2 zum Hybridstrang 13 verfügt über eine Windungszahl, deren Wert beispielsweise der Windungszahl der übrigen Phasenstränge 12 entspricht, so dass die Amplitude der durch den magnetischen Fluss des Rotors 30 induzierten Spannung in den Phasensträngen 12 und dem Hybridstrang 13 gleich groß ist.

Fig.4A zeigt ein Phasendiagramm mit einem zeitlichen Verlauf der in der Statorwicklung 11 fließenden Strangströme Isumi , lsum2, lv, lw für die Sternschaltung nach Fig.2. Das Phasendiagramm zeigt beispielhaft die Strangströme im Falle sinusförmiger Phasenströme eines dreiphasigen Drehstromsystems 6 in Sternschaltung nach Fig. 2 mit 120° Phasenverschiebung.

Bei dem primären Übertragerstrom Itransf, der auf den Phasenstrom lu in U1 und U2 überlagert wird, handelt es sich um einen sinusförmigen Strom mit einer höheren Frequenz als die Frequenz der Phasenströme des Drehstromsystems 6. Die Amplitude des primären Übertragerstroms Itransf des Übertragersystems 2 ist dagegen kleiner als die Amplitude des dem Hybridstrang 13 zugeordneten Phasenstroms lu des Drehstromsystems 6.

Die Drehstromanteile der Strangströme l _Su mi und Isum2 der Hybrid-Teilstränge 13.1,13.2 haben gegenüber den Drehstromanteilen der Strangströme l _v und l _w der anderen Phasenstränge 12 eine geringere Amplitude, da sie sich wie zuvor beschrieben aus einer Überlagerung des primären Übertragerstroms Itransf des Übertragersystems 2 auf eine Hälfte des dem Hybridstrang 13 zugeordneten Phasenstroms lu des Drehstromsystems 6 ergeben. Der Beitrag des Hybridstranges 13 zur Drehstrom-Durchflutung mit einem halben Drehstromanteil in zwei Hybrid-Teilsträngen 13.1 ,13.2 verfügt über die gleiche Amplitude wie der Beitrag der übrigen Phasen zur Drehstrom-Durchflutung.

Bei der Sternschaltung nach Fig. 2 sind die vom Inverter 7 kommenden Phasenströme identisch mit den Strangströmen. Fig.4B zeigt ein Phasendiagramm mit einem zeitlichen Verlauf der in der Statorwicklung 11 fließenden Strangströme Isumi,lsum2,lv,lw für die Dreieckschaltung nach Fig.3. Das Diagramm zeigt beispielhaft die Strangströme im Falle sinusförmiger Phasenströme eines dreiphasigen Drehstromsystems 6 in Dreieckschaltung nach Fig. 3 mit 120° Phasenverschiebung.

Beim primären Übertragerstrom Itransf, welcher auf die Strangströme l _SU mi , lsum2 überlagert wird, handelt es sich um einen sinusförmigen Strom mit einer höheren Frequenz als die Frequenz der Phasenströme des Drehstromsystems 6. Die Amplitude des primären Übertragerstroms Itransf des Übertragersystems 2 ist dagegen kleiner als die Amplitude des dem Hybridstrang 13 zugeordneten Phasenstroms lu des Drehstromsystems 6.

Bei der Dreieckschaltung nach Fig. 3 sind die vom Inverter 7 kommenden Phasenströme im allgemeinen nicht identisch mit den Strangströmen, wobei die Grundwellenanteile der vom Inverter 7 kommenden Phasenströme und die Grundwellenanteile der Strangströme insbesondere eine Phasenverschiebung von 30° elektrisch haben und wobei die Grundwellenamplituden der vom Inverter 7 kommenden Phasenströme um einen Faktor, der sich aus dem Wert einer Quadratwurzel von Drei ergibt, größer ist als die Grundwellenamplitude der Strangströme.

Fig.5 zeigt eine dreidimensionale Ansicht des erfindungsgemäßen Hybridstrangs 13 nach Fig.2 oder Fig.3 als Wicklung.

Der jeweilige Hybrid-Teilstrang 13.1 ,13.2 weist jeweils eine Anzahl von in Reihe geschalteten, insbesondere gleichen, Spulengruppen 20 auf, wobei die Anzahl von Spulengruppen insbesondere einer Polpaarzahl des Übertragerfeldes und/oder insbesondere einer halben Polpaarzahl des Drehfeldes entspricht. Nach dem Ausführungsbeispiel in Fig.5 ist die Anzahl der Spulengruppen pro Hybrid- Teilstrang 13.1,13.2 gleich dem Wert zwei.

Die Spulengruppen 20 desselben Hybrid-Teilstrangs 13.1,13.2 sind jeweils durch einen Spulengruppenverbinder 21 elektrisch verbunden, dessen Sprungweite jeweils derart ausgebildet ist, dass zwischen zwei elektrisch verbundenen Spulengruppen 20 des jeweiligen Hybrid-Teilstrangs 13.1,13.2 jeweils eine Spulengruppe 20 des anderen Hybrid-Teilstrangs 13.1 ,13.2 liegt. Die Hybrid-Teilstränge 13.1,13.2 haben gemäß dem Ausführungsbeispiel beispielsweise jeweils eine gleiche Windungszahl.

Die in Fig.5 nicht dargestellten übrigen Phasenstränge 12 der Phasen V und W haben im Vergleich zu den Hybrid-Teilsträngen 13.1 ,13.2 beispielsweise jeweils eine gleiche Windungszahl und beispielsweise eine doppelte Stromtragfähigkeit. Die doppelte Stromtragfähigkeit wird erreicht, indem die Phasenstränge 12 der Phasen V und W über einen doppelten Leiterquerschnitt bezüglich der Hybrid- Teilstränge 13.1 ,13.2 verfügen oder als Parallelschaltung von zwei Teilsträngen gebildet werden, die gegenüber den Hybrid-Teilsträngen 13.1 ,13.2 über einen gleichen Leiterquerschnitt verfügen. Falls die Phasenstränge 12 der Phasen V und W als Parallelschaltung aufgebaut sind, dürfen die parallel verschalteten Teilstränge keinen durch das primäre Übertragerfeld induzierten Spannungsanteil besitzen, da sonst Kreisströme fließen können, welche dem Übertragerfeld entgegenwirken können. Dies kann erreicht werden, indem jeder der Teilstränge als Reihenschaltung von einer bestimmten Anzahl von in Umfangsrichtung benachbarter Spulengruppen 20 gebildet wird, welche Identisch mit der Hälfte der Polpaarzahl des Drehstromsystems 6 ist und beispielsweise zwei ist. Ein auf diese Weise gebildeter Teilstrang beinhaltet zu jeder Spule auch eine entsprechende komplementäre Spule, wodurch sich die durch das primäre Übertragerfeld induzierten Spannungsanteile kompensieren, so dass die Phasenstränge 12 der Phasen V und W trotz Parallelschaltung durchlässig für das Übertragerfeld sind.

Fig.6 zeigt eine weitere dreidimensionale Ansicht des erfindungsgemäßen Hybridstrangs nach Fig.2 oder Fig.3 als Wicklung.

Fig.7A zeigt eine von mehreren Spulengruppen zur Bildung des erfindungsgemäßen Hybridstrangs nach Fig.5 und Fig.6. Fig.7B zeigt eine weitere Ansicht der Spulengruppe nach Fig.7A.

Jede Spulengruppe 20 des jeweiligen Hybrid-Teilstrangs 13.1 ,13.2 weist zumindest ein Spulenpaar 22, insbesondere mehrere in Reihe geschaltete Spulenpaare 22, auf, wobei die Spulenpaar-Anzahl einer Lochzahl q des Stators 10 entspricht, die gemäß der Ausführung beispielsweise gleich zwei ist. Die Lochzahl q entspricht der Anzahl der Statornuten pro Polzahl und Phasenstrang.

Die Spulenpaare 22 einer der Spulengruppen 20 sind jeweils durch einen Spulenpaarverbinder 23 elektrisch verbunden, dessen Spungweite beispielsweise einer Polweite (bestimmt in Anzahl der Statornuten) der Statorpole minus einer oder plus einer Statornut entspricht. Die Polweite der Statorpole ergibt sich aus der Anzahl der Statornuten des Stators geteilt durch die Anzahl der Statorpole des Stators. Insbesondere kann die Spulenweite SW der Polweite entsprechen.

Fig.8 zeigt eines von zwei Spulenpaaren zur Bildung der Spulengruppe nach Fig.7.

Jedes Spulenpaar 22 weist zwei in Reihe geschaltete Spulen 24 auf, die bezüglich des Stromverlaufs insbesondere eine entgegengesetzte Windungsrichtung haben und insbesondere hinsichtlich einer Windungszahl, einer Spulenweite SW (Abstand der in Statornuten liegenden Spulenseiten 24.1 derselben Spule 24 voneinander) und/oder einem Leiterquerschnitt gleich ausgebildet sind.

Die beiden Spulen 24 des jeweiligen Spulenpaars 22 sind jeweils über einen Spulenverbinder 25 elektrisch verbunden, dessen Sprungweite der Polweite der Statorpole entspricht.

Fig.9A zeigt eine Anordnung der Leiter des erfindungsgemäßen Hybridstrangs 13 nach Fig.5 und Fig.6 in Statornuten 26 des Stators 10, dargestellt in einer linearen Abwicklung.

Der Hybridstrang 13 verläuft durch Statornuten 26, die der elektrischen Phase des Hybridstrangs 13 zugeordnet sind und Hybridnuten 27 darstellen. In Fig.9A sind nur die Hybridnuten 27 des Stators 10 dargestellt.

Die eine Hälfte der Hybridnuten 27 sind gemischte Hybridnuten 27m, die jeweils zur Hälfte elektrische Leiter aus den beiden Hybrid-Teilsträngen 13.1 ,13.2 des Hybridstrangs 13 enthalten. Die andere Hälfte der Hybridnuten 27 sind ungemischte Hybridnuten 27u, die nur elektrische Leiter aus demselben Hybrid- Teilstrang 13.1 ,13.2 des Hybridstrangs 13 aufweisen.

In Fig.9A ist der erste Hybrid-Teilstrang 13.1 als U1 und der zweite Hybrid- Teilstrang 13.2 als U2 bezeichnet. Oberhalb der Hybridnuten 27 ist angegeben, welcher der Hybrid-Teilstränge 13.1 ,13.2 in der jeweiligen Hybridnut 27 liegt. Außerdem ist jeder der Statornuten 26 eine fortlaufende Nummer zugeordnet.

Die Leiter des Hybrid-Teilstrangs 13.1 bzw. U1 sind schraffiert und die Leiter des Hybrid-Teilstrangs 13.2 bzw. U2 unschraffiert und in weiß dargestellt. Nach dem Ausführungsbeispiel weisen die Hybrid-Teilstränge 13.1,13.2 jeweils zwei Spulengruppen 20 auf, wobei der einzelne Leiter des Hybrid-Teilstrangs 13.1 ,13.2 entweder einer ersten Spulengruppe G1 der zwei Spulengruppen 20 oder der zweiten Spulengruppe G2 der zwei Spulengruppen 20 angehört.

Die gemischten Hybridnuten 27m sind als Gruppen von benachbarten Statornuten 26 vorgesehen, wobei die Anzahl der gemischten Hybridnuten 27m pro Gruppe einer Lochzahl q entspricht, die nach der Ausführung beispielsweise gleich zwei ist. Ebenso sind die ungemischten Hybridnuten 27u als Gruppen von benachbarten Statornuten 26 vorgesehen sind, wobei die Anzahl der ungemischten Hybridnuten 27u pro Gruppe einer Lochzahl q entspricht, die nach der Ausführung beispielsweise gleich zwei ist.

Die einander zugewandten Spulenseiten 24.1 der beiden Spulen 24 des jeweiligen Spulenpaares 22 eines der Spulengruppen 20 sind jeweils in derselben Hybridnut 27 angeordnet und belegen diese mit beispielsweise abwechselnder Nutlagenbelegung voll zur Bildung einer der ungemischten Hybridnuten 27u.

Die einander abgewandten Spulenseiten 24.1 der beiden Spulen 24 des jeweiligen Spulenpaares 22 eines der Spulengruppen 20 belegen die jeweiligen Hybridnuten 27 jeweils nur zur Hälfte. Die auf diese Weise durch eine der Spulengruppen 20 nur zur Hälfte belegten Hybridnuten 27 sind jeweils durch eine Spulenseite 24.1 einer Spule 24 einer jeweils benachbarten Spulengruppe 20 voll belegt zur Bildung einer der gemischten Hybridnuten 27m. Dabei sind in Umfangsrichtung gesehen benachbarte Spulengruppen 20 des Hybridstrangs 13 unterschiedlichen Hybrid-Teilsträngen 13.1,13.2 zugeordnet. Fig.9B zeigt eine Ansicht der Leiter des erfindungsgemäßen Hybridstrangs nach Fig.9A mit den jeweiligen Vorzeichen des Drehstromanteils des Drehstromsystems 6 in den jeweiligen Leitern.

Fig.9C zeigt eine Ansicht der Leiter des erfindungsgemäßen Hybridstrangs nach Fig.9A mit den jeweiligen Vorzeichen des Übertragerstromanteils des Übertragersystems in den jeweiligen Leitern.

Bei Leitern des ersten Hybrid-Teilstrangs 13.1 , die in einer Gruppe von ungemischten Hybridnuten 27u angeordnet sind und eine additive Übertragerstrom-Überlagerung erfahren, ist das Vorzeichen des Drehstromanteils und das Vorzeichen des Übertragerstromanteils gleich. Bei Leitern des zweiten Hybrid-Teilstrangs 13.2, die in einer Gruppe von ungemischten Hybridnuten 27u angeordnet sind und eine subtraktive Übertragerstrom-Überlagerung erfahren, ist das Vorzeichen des Drehstromanteils gegenüber dem Vorzeichen des Übertragerstromanteils unterschiedlich.

In Gruppen von gemischten Hybridnuten 27m ist der Beitrag der Übertragerstromanteile Itransf zum Summenstrom nahe Null vor.

Fig.lOA zeigt in einem Summen-Diagramm eine durch den jeweiligen Summenstrom l _Su mi , Isum2 erzeugte Durchflutung je Maschinenpol beispielhaft für einen Stator mit acht Polen. Die durch die Summenströme l _Su mi , Isum2 in den Leitern der Hybridstränge 13.1 und 13.2 erzeugte Durchflutung nach Fig.lOA kann in zwei Anteile, nämlich einen Phasenstromanteil und einen Übertragerstromanteil, aufgesplittet werden, die in Fig.10B und Fig.lOC separat dargestellt sind.

Fig.lOB zeigt in einem Diagramm eine ausschließlich durch den zum Drehstromsystem 6 gehörigen Phasenstromanteil im jeweiligen Summenstrom Isumi , Isum2 erzeugte Durchflutung je Maschinenpol. Die durch die Phasenstromanteile erzeugte Durchflutung besitzt acht Pole mit einer Amplitude, die proportional zum Phasenstromanteil des Drehstromsystems 6 ist.

Fig.lOC zeigt in einem Diagramm eine ausschließlich durch den zum Übertragersystem 2 gehörigen Übertragerstromanteil im jeweiligen Summenstrom l _Su mi, Isum2 erzeugte Durchflutung je Maschinenpol. Die durch die Übertragerstromanteile erzeugte Durchflutung besitzt vier Pole mit einer Amplitude, die proportional zum Übertragerstromanteil des Übertragersystems 2 ist.

Jede Spulengruppe 20 erstreckt sich über zwei benachbarte Maschinenpole.

Sekundärer Teil des induktiven Übertragersystems

Im Folgenden wird der sekundäre Teil 5 des induktiven Übertragersystems 2 für zwei verschiedene Rotor-Ausführungen beschrieben:

Am Rotor 30 ist eine Rotor-Erregerschaltung 31 vorgesehen, die die Erregerwicklung 32 zum Erzeugen eines Rotorfelds zur Erregung der Synchronmaschine 1 und einen sekundären Teil 5 des induktiven Übertragersystems 2 zur Übertragung von elektrischer Energie in die Erregerwicklung 32 des Rotors 30 umfasst.

Der sekundäre Teil 5 des induktiven Übertragersystems 2 umfasst zumindest eine sekundäre Übertragerwicklung 33 zum Bereitstellen einer Übertrager- Wechselspannung und zumindest eine als Gleichrichter wirkende Gleichrichterschaltung 34, beispielsweise eine Brückenschaltung, zum Gleichrichten der Übertrager-Wechselspannung in eine sekundäre Gleichspannung für die Erregerwicklung 32. Die Gleichrichterschaltung 34 umfasst jeweils beispielsweise ein oder mehrere, beispielsweise zwei, als Gleichrichter wirkende Komponenten 34.1.

Die Gleichrichterschaltung 34 hat jeweils einen Wechselspannungs-Eingang 40 sowie zwei Gleichspannungs-Ausgänge 41 zum Speisen der Erregerwicklung 32 mit Gleichstrom bzw. zum Anschließen an die beiden Enden der Erregerwicklung 32.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Rotor 30 der elektrisch erregten Synchronmaschine 1 Rotorzähne 35 aufweist und dass zwischen den Rotorzähnen 35 Rotornuten 36 gebildet sind, die zur Aufnahme der Erregerwicklung 32 und zur Aufnahme der zumindest einen sekundären Übertragerwicklung 33 ausgebildet und in radialer Richtung zum Stator 10 hin beispielsweise offen ausgeführt sind.

Fig.11 zeigt die Rotor-Erregerschaltung 31 gemäß der ersten Rotor-Ausführung.

Nach der ersten Rotor-Ausführung sind für die Rotor-Erregerschaltung 31 zwei sekundäre Übertragerwicklungen 33 vorgesehen, wobei die erste sekundäre Übertragerwicklung 33.1 in einem ersten Satz 37.1 von Rotornuten 36 und die zweite sekundäre Übertragerwicklung 33.2 in einem zweiten Satz 37.2 von Rotornuten 36 angeordnet ist. Dabei sind der erste Satz 37.1 und der zweite Satz 37.2 von Rotornuten 36 in Umfangsrichtung bezüglich der Rotorachse 29 zueinander versetzt, insbesondere um eine ungerade Anzahl von Rotornuten 36, beispielsweise um eine Rotornut 36. Dadurch wird ein Versatz von 90° elektrisch bezüglich des Übertragerfeldes erreicht. Die sekundäre Übertragerwicklung 33 mit den beiden Übertragerwicklungen 33.1 ,33.2 ist daher effektiv 2-phasig.

Die jeweilige sekundäre Übertragerwicklung 33.1,33.2 umfasst jeweils eine Spule 38 oder mehrere elektrisch in Reihe oder parallel geschaltete Spulen 38.

Die Erregerwicklung 32 gemäß der ersten Rotor-Ausführung umfasst mehrere Spulen 39, die in Reihe oder parallel geschaltet sein können.

Beispielsweise sind je sekundäre Übertragerwicklung 33.1 ,33.2 zwei Gleichrichterschaltungen 34 vorgesehen, wobei die Enden der jeweiligen sekundären Übertragerwicklung 33.1 ,33.2 des Rotors 30 an den beiden Wechselspannungs-Eingängen 40 der zwei Gleichrichterschaltungen 34 angeschlossen sind.

Fig.12 zeigt die Verteilung der Spulen 38,39 der Rotor-Erregerschaltung 31 gemäß der ersten Rotor-Ausführung nach Fig.11 auf die Rotorzähne 35 des Rotors 30 der Synchronmaschine 1.

Die Spulen 38 der jeweiligen sekundären Übertragerwicklung 33.1 ,33.2 umschließen jeweils eine bestimmte Anzahl von in Umfangsrichtung benachbarten Rotorzähnen 35, was der Spulenweite SW der Spulen 38 entspricht, wobei die Anzahl von umschlossenen Rotorzähnen 35 sich insbesondere aus einer ungeraden Zahl multipliziert mit zwei ergibt und gemäß Fig.12 beispielsweise gleich zwei ist. Da die Spulen 38 der jeweiligen sekundären Übertragerwicklung 33.1 ,33.2 jeweils eine gerade Anzahl von Rotorzähnen 35 umschließen, wird in der jeweiligen sekundären Übertragerwicklung 33.1 ,33.2 durch den Synchronfluss (welcher von Rotorzahn 35 zu Rotorzahn 35 ein abwechselndes Vorzeichen hat) keine Spannung induziert.

Die Spulen 39 der Erregerwicklung 32 sind beispielsweise jeweils als Einzelzahnspule ausgebildet und umschließen somit jeweils nur einen der Rotorzähne 35.

Fig.13 zeigt eine weitere Systemansicht der elektrisch erregten Synchronmaschine 1 mit einer erfindungsgemäßen Statorwicklung in Sternschaltung und einer Rotor-Erregerschaltung 31 nach der ersten Rotor- Ausführung gemäß Fig.1 und Fig.11.

Fig.14 zeigt eine alternative Rotor-Erregerschaltung 31 gemäß einer zweiten Rotor-Ausführung.

Die zweite Rotor-Ausführung unterscheidet sich gegenüber der ersten Rotor- Ausführung darin, dass sekundäre Übertragerwicklungen 33 des Rotors 30 vorgesehen sind, die im Gegensatz zur ersten Rotor-Ausführung keine separaten Wicklungen sind, sondern in einem Teil der Erregerwicklung 32 integriert oder ausgebildet sind.

Die Erregerwicklung 32 weist zumindest einen Erregerstrang 32.1 auf, der jeweils zwei elektrisch in Reihe geschaltete erste Spulenpaare 42 umfasst. Die ersten Spulenpaare 42 haben jeweils zwei erste Einzelzahnspulen 42.1 , die hinsichtlich einer Windungszahl und einem Leiterquerschnitt beispielsweise gleich ausgebildet sind.

Die sekundäre Übertragerwicklung 33 ist durch einen Hybrid-Teilstrang 44 des jeweiligen Erregerstrangs 32.1 gebildet, der jeweils zwischen den zwei ersten Spulenpaaren 42 des jeweiligen Erregerstrangs 32.1 zwischengeschaltet ist und jeweils eine sekundäre Hybrid-Spulenanordnung 45 umfasst. Die jeweilige Hybrid-Spulenanordnung 45 hat jeweils zwei Wechselspannungs-Ausgänge 46, einen Gleichstrom-Eingang 47 und einen Gleichstrom-Ausgang 48.

Die jeweilige sekundäre Hybrid-Spulenanordnung 45 umfasst jeweils zwei parallel geschaltete zweite Spulenpaare 43, die jeweils zwei zweite Einzelzahnspulen 43.1 umfassen, jeweils zur Erzeugung einer Übertrager- Wechselspannung durch induktives Zusammenwirken mit einem primären Teil 3 des Übertragersystems 2.

Die zwei zweiten Einzelzahnspulen 43.1 sind hinsichtlich einer Windungszahl und einem Leiterquerschnitt beispielsweise gleich ausgebildet.

Die beiden ersten Einzelzahnspulen 42.1 eines, beispielsweise jedes der ersten Spulenpaare, sind komplementär zueinander ausgeführt. Ebenso sind die beiden zweiten Einzelzahnspulen 43.1 eines, beispielsweise jedes der zweiten Spulenpaare 43, komplementär zueinander ausgeführt. Zwei der Einzelzahnspulen 42,43 werden als zueinander komplementär bezeichnet, falls sie an zwei verschiedenen Rotorzähnen 35 angeordnet sind, zwischen denen eine bestimmte Anzahl von Rotornuten 36 liegt, die sich aus einer ungeraden Zahl multipliziert mit zwei ergibt und beispielsweise zwei oder sechs beträgt, was einem Phasenwinkel von 180° elektrisch bezogen auf das Übertragerfeld entspricht. Die vom primären Übertragerfeld in zueinander komplementären Einzelzahnspulen 42.1,43.1 induzierten Wechselspannungen sind nach Form und Amplitude identisch, im Vorzeichen jedoch verschieden. Eine Reihenschaltung einer der Einzelzahnspulen 42.1 ,43.1 mit einer zu ihr komplementären Einzelzahnspule 42.1 ,43.1 hat an den Enden der Reihenschaltung jeweils keine durch das primäre Übertragerfeld induzierte Wechselspannung, da sich die induzierten Wechselspannungen der beiden komplementären Einzelzahnspulen 42.1,43.1 kompensieren. Die zwischen zwei Enden eines der ersten Spulenpaare 42 messbare Spannung hat also jeweils keinen durch das primäre Übertragerfeld induzierten Spannungsanteil, so dass auch kein Wechselstrom verursacht wird, und stellt für die Erregerstromversorgung daher eine induktiv-ohmsche Last dar. Die zwischen zwei Enden eines der zweiten Spulenpaare 43 messbare Spannung hat ebenso keinen durch das primäre Übertragerfeld induzierten Spannungsanteil, so dass zwischen Gleichstrom-Eingang 47 und Gleichstrom-Ausgang 48 der jeweiligen Hybrid-Spulenanordnung 45 kein induzierter Wechselspannungsanteil vorhanden ist und die jeweilige Hybrid-Spulenanordnung 45 zwischen ihrem Gleichstrom- Eingang 47 und ihrem Gleichstrom-Ausgang 48 eine induktiv-ohmische Last darstellt.

Zwischen den zweiten Einzelzahnspulen 43.1 der jeweiligen zweiten Spulenpaare 43 der jeweiligen Hybrid-Spulenanordnung 45 ist jeweils ein Zwischenknoten 50 zur Bildung eines der Wechselspannungs-Ausgänge 46 vorgesehen. Die beiden Wechselspannungs-Ausgänge 46 der jeweiligen sekundären Hybrid-Spulenanordnung 45 sind jeweils mit dem Wechselspannungs-Eingang 40 der jeweiligen Gleichrichterschaltung 34 elektrisch verbunden. Beispielsweise sind zwei Gleichrichterschaltungen 34 je Hybrid-Spulenanordnung 45 vorgesehen.

Die Hybrid-Spulenanordnung 45 kann jeweils als Wechselspannungsquelle genutzt werden, indem deren gegenphasige Zwischenknoten 50 mit Wechselspannungs-Eingängen 40 der zwei Gleichrichterschaltungen 34 verbunden sind.

Die jeweilige Gleichrichterschaltung 34 weist jeweils die zwei Gleichspannungs- Ausgänge 41 auf zum Erzeugen oder Anlegen einer Potentialdifferenz zwischen den Enden des jeweiligen Erregerstrangs 32.1. An einem der beiden Enden des jeweiligen Erregerstrangs 32.1 ist ein positives Gleichspannungs-Potential bezüglich der Zwischenknoten 50 der jeweiligen Hybrid-Spulenanordnung 45 und an dem anderen der beiden Enden ein negatives Gleichspannungs-Potential bezüglich der Zwischenknoten 50 der jeweiligen Hybrid-Spulenanordnung 45 erzeugbar. Die Beträge der beiden entgegengesetzten Gleichspannungs- Potentiale sind insbesondere gleich groß.

Die Erregerwicklung 32 hat beispielsweise zwei Erregerstränge 32.1, die mittels von zwei Strangverbindern 51 parallel verschaltet sind und jeweils die sekundäre Hybrid-Spulenanordnung 45 aufweisen.

Der jeweilige Erregerstrang 32.1 verfügt jeweils über eine gerade Anzahl von Einzelzahnspulen 42,43. ln Fig.14 sind die ersten Einzelzahnspulen 42.1 mit dem Buchstaben E für „Erregerwicklung“ und einer Zahn-Nummer bezeichnet, wobei die Zahn-Nummer denjenigen Rotorzahn 35 angibt, an dem die jeweilige erste Einzelzahnspule 42.1 vorgesehen ist. Die zweiten Einzelzahnspulen 43.1 sind mit dem Buchstaben H für „Hybridstrang“ und der jeweiligen Zahn-Nummer bezeichnet, wobei die Zahn- Nummer denjenigen Rotorzahn 35 angibt, an dem die jeweilige zweite Einzelzahnspule 43.1 vorgesehen ist. Die Rotorzähne 35 des Rotors 30 sind in Umfangsrichtung bezüglich der Rotorachse 29 fortlaufend nummeriert.

Weiterhin ist in Fig.14 und Fig.16 für alle Einzelzahnspulen 42.1 ,43.1 das jeweilige Spulenende mit einem Punkt und der jeweilige Spulenanfang ohne Punkt gekennzeichnet. Das Spulenende der jeweiligen Spule 42.1,43.1 kann beispielsweise der letzte oder der erste Leiter sein, der in die jeweilige Rotornut 36 eingelegt wird.

Die Leiter der in Fig. 14 symbolisch dargestellten Spulen 42.1,43.1 verlaufen alle gleichsinnig um die Rotorzähne 35, also vom jeweiligen Spulenende mit Blick von radial außen auf den jeweiligen Rotorzahn 35 bei allen Spulen 42.1 ,43.1 im Uhrzeigersinn oder bei allen Spulen 42.1 ,43.1 gegen den Uhrzeigersinn. Da der Rotor zur Erregung aber ein magnetisches Feld mit von Rotorzahn 35 zu Rotorzahn 35 abwechselnder Magnetisierungsrichtung (abwechselnd Nord-Süd) erzeugen muss, sind in Fig.14 die Spulen 42.1,43.1 der Rotorzähne 35 mit ungerader Nummer gegenüber den Spulen 42.1,43.1 der Rotorzähne 35 mit gerader Nummer verpolt angeschlossen, so dass der Erregerstrom dem Spulenleiter derjeweiligen Spule folgend mit von Rotorzahn 35 zu Rotorzahn 35 abwechselnder Drehrichtung um die Rotorzähne 35 verläuft. Das magnetische Feld mit von Rotorzahn 35 zu Rotorzahn 35 abwechselnder

Magnetisierungsrichtung kann ebenso durch Spulen 42.1 ,43.1 mit von Rotorzahn 35 zu Rotorzahn 35 abwechselndem Wickelsinn erzeugt werden, wobei die Spulen 42.1,43.1 dann bezüglich Spulenende nicht verpolt werden müssen.

Die beiden Einzelzahnspulen 42.1,43.1 zumindest eines, insbesondere jedes, der ersten und/oder zweiten Spulenpaare 42,43 sind jeweils auf zwei unterschiedliche der Rotorzähne 35 derart verteilt, dass zwischen den Rotorzähnen 35 eine bestimmte Anzahl von Rotornuten 36 liegt, die sich aus einer Multiplikation einer ungeraden Zahl mit zwei ergibt (also 2, 6, 10 usw.) und beispielsweise zwei oder sechs beträgt. Die zwei zweiten Spulenpaare 43 der jeweiligen Hybrid-Spulenanordnung 45 sind zur Parallelschaltung jeweils durch zwei Spulenpaarverbinder 52 elektrisch verbunden. Die demselben Spulenpaarverbinder 52 zugewandten zweiten Einzelzahnspulen 43.1 aus unterschiedlichen zweiten Spulenpaaren 43 der jeweiligen Hybrid-Spulenanordnung 45 sind beispielsweise ebenso komplementär zueinander und daher auf zwei unterschiedliche Rotorzähne 35 derart verteilt, dass zwischen diesen unterschiedlichen Rotorzähnen 35 eine bestimmte Anzahl von Rotornuten 36 liegt, die sich aus einer Multiplikation einer ungeraden Zahl mit zwei ergibt (also 2, 6, 10 usw.) und beispielsweise zwei oder sechs beträgt.

Einer der beiden Spulenpaarverbinder 52 der Hybrid-Spulenanordnung 45 bildet den Gleichstrom-Eingang 47 und der andere der beiden Spulenpaarverbinder 52 den Gleichstrom-Ausgang 48 der Hybrid-Spulenanordnung 45. Durch die Spulenpaarverbinder 52 werden jeweils zwei zweite Einzelzahnspulen 43.1 , die komplementär zueinander sind, und eine erste Einzelzahnspule 42.1 elektrisch verbunden.

Beispielsweise sind die in einem der Erregerstränge 32.1 liegenden ersten Einzelzahnspulen 42.1 der ersten Spulenpaare 42 auf geradzahligen Rotorzähnen 35 und die zweiten Einzelzahnspulen 43.1 der zweiten Spulenpaare 43 desselben Erregerstrangs 32.1 auf ungeradzahligen Rotorzähnen 35 angeordnet, oder umgekehrt.

Fig.15 zeigt die Verteilung der Spulen 42.1 ,43.1 der Rotor-Erregerschaltung 31 gemäß der zweiten Rotor-Ausführung nach Fig.14 auf die Rotorzähne 35 des Rotors 30 der Synchronmaschine 1 gemäß Fig.1 und Fig.14 mit einer Anordnung der Einzelzahnspulen 42.1 ,43.1 bezüglich der Rotorachse 29 radial übereinander.

An jedem der Rotorzähne 35 des Rotors 30 ist jeweils zumindest eine erste Einzelzahnspule 42.1 und zumindest eine zweite Einzelzahnspule 43.1 vorgesehen. Dabei ist eine Windungszahl der zweiten Einzelzahnspulen 43.1 beispielsweise kleiner als eine Windungszahl der ersten Einzelzahnspulen 42.1 , beispielsweise derart, dass eine erforderliche Übertrager-Wechselspannung erzeugbar ist.

Die mit dem Buchstaben H gekennzeichneten Einzelzahnspulen 43.1 des Hybridstranges befinden sich radial innen und die mit Buchstaben E gekennzeichneten Einzelzahnspulen 42.1 der Erregerwicklung befinden sich radial außen. Auch eine umgekehrte Anordnung mit den Einzelzahnspulen 43.1 des Hybridstranges radial außen und den Einzelzahnspulen 42.1 der Erregerwicklung radial innen ist möglich. Die Einzelzahnspulen 42.1 ,43.1 können alternativ auch mehrlagig bezüglich einer Achse des jeweiligen Rotorzahns übereinander angeordnet werden.

Fig.16 zeigt eine weitere Systemansicht der elektrisch erregten Synchronmaschine 1 mit einer erfindungsgemäßen Statorwicklung 11 in Sternschaltung und einer Rotor-Erregerschaltung 31 nach der zweiten Rotor- Ausführung gemäß Fig.1 und Fig.14.