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TECHNISCHES GEBIET
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Die Erfindung betrifft einen elektrischen Antrieb mit einer elektrischen Maschine, insbesondere mit einer stromrichtergespeisten elektrischen Maschine, sowie ein Fahrzeug mit einem solchen Antrieb. Die elektrische Maschine kann als (insbesondere permanent erregter) Synchronmotor, Asynchronmotor, Reluktanzmotor oder als permanentmagnetunterstützte Synchron-Reluktanzmaschine ausgeführt sein.
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STAND DER TECHNIK
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Die oben genannten elektrischen Maschinen sind an sich bekannt und werden in unterschiedlichen technischen Gebieten eingesetzt, beispielsweise für den Antrieb elektrischer Kraftfahrzeuge. Bei E-Autos kommen wegen der deutlich höheren Energieeffizienz vorwiegend permanenterregte Synchronmotoren zum Einsatz, die aufgrund ihres Oberfeldverhaltens nur in Sternschaltung betrieben werden, nicht aber in Dreieckschaltung. Eine Stern-Dreieck-Umschaltung zur Anpassung des Betriebsverhaltens der elektrischen Maschine scheidet damit aus. Typischerweise werden die Elektromotoren entweder für einen weiten Leistungsbereich mit hohem Maximaldrehmoment oder für hohe Leistung bei Maximaldrehzahl ausgelegt. Dies bringt jedoch Nachteile bezüglich Bauraum, Kosten und Wirkungsgrad der elektrischen Maschine mit sich. Alternativ kommen schaltbare Ganggetriebe zum Einsatz, die als zugkraftunterbrechungsfreie Ausführung ebenfalls Nachteile bezüglich des Wirkungsgrads aufweisen und zu erhöhten Kosten mit gesteigertem Bauraumbedarf führen.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen verbesserten elektrischen Antrieb sowie ein verbessertes Fahrzeug mit einem solchen elektrischen Antrieb anzugeben. Insbesondere soll das Betriebsverhalten der elektrischen Maschine und damit des elektrischen Antriebs bei kleinem Bauraum, geringen Kosten, hohem Wirkungsgrad und nach Möglichkeit ohne schaltbares Getriebe angepasst werden können.
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Die Aufgabe der Erfindung wird mit einem elektrischen Antrieb mit einer elektrischen Maschine gelöst, welche einen Stator und einen zum Stator relativ drehbar gelagerten Rotor aufweist. Der Stator weist ein Statorblechpaket mit mehreren Statornuten und in den Statornuten angeordnete Statorwicklungen auf, wobei die Statorwicklungen jeder Phase in mehrere Teilstränge unterteilt sind und wobei die Teilstränge einer Phase jeweils untereinander fix in Serie geschaltet sind. Insbesondere handelt es sich bei der elektrischen Maschine um eine stromrichtergespeiste elektrische Maschine. Die Statorwicklungen können als ein in den Statornuten angeordnetes dreiphasiges Statorwicklungssystem ausgebildet sein.
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Weiterhin umfasst der elektrische Antrieb mehrere Schaltelemente und einen Stromrichteranschluss beziehungsweise Netzanschluss für den elektrischen Antrieb, welcher mit den Statorwicklungen verbunden ist oder mit Hilfe der Schaltelemente verbindbar ist. Der Stromrichteranschluss kann mit einem Stromrichter verbunden sein, beispielsweise mit einem Wechselrichter. Die elektrische Maschine ist als (insbesondere permanent erregter) Synchronmotor, Asynchronmotor, Reluktanzmotor oder als permanentmagnetunterstützte Synchron-Reluktanzmaschine ausgeführt.
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In einem Fall a) sind erste Enden der Statorwicklungen jeder Phase untereinander elektrisch fix verbunden, und die Schaltelemente sind dazu eingerichtet, den Stromrichteranschluss für den elektrischen Antrieb wahlweise
- - mit zweiten Enden der Statorwicklungen jeder Phase zu verbinden, um die Statorwicklungen in Stern zu schalten oder
- - mit Mittelabzapfungen zu verbinden, welche zwischen den Teilsträngen jeder Phase angeordnet sind, um Teilstränge der Statorwicklungen in Stern zu schalten.
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In einem Fall b) ist der Stromrichteranschluss für den elektrischen Antrieb mit ersten Enden der Statorwicklungen jeder Phase verbunden oder verbindbar, und die Schaltelemente sind dazu eingerichtet, die genannten ersten Enden der Statorwicklungen wahlweise
- - mit zweiten Enden der Statorwicklungen jeder Phase zu verbinden, um die Statorwicklungen in Dreieck zu schalten, wobei jeweils ein erstes Ende einer der Statorwicklungen mit einem zweiten Ende einer anderen der Statorwicklungen verbunden wird, oder
- - mit Mittelabzapfungen zu verbinden, welche zwischen den Teilsträngen jeder Phase angeordnet sind, um Teilstränge der Statorwicklungen in Dreieck zu schalten, wobei jeweils ein erstes Ende einer der Statorwicklungen mit einer Mittelabzapfung einer anderen der Statorwicklungen verbunden wird.
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Sowohl im Fall a) als auch im Fall b) werden beim Verbinden mit den Mittelabzapfungen die nicht in Stern beziehungsweise Dreieck geschalteten Teilstränge der Statorwicklungen abgeschaltet, weshalb die Erfindung als „Wicklungsabschaltung“ bezeichnet wird.
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Weiterhin wird die Aufgabe durch ein Fahrzeug mit einem Antriebsstrang gelöst, der eine elektrische Maschine der oben genannten Art aufweist, die zum Antreiben des Fahrzeugs vorgesehen ist.
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Mit Hilfe der vorgeschlagenen Maßnahmen kann das Betriebsverhalten der elektrischen Maschine bei kleinem Bauraum, geringen Kosten und hohem Wirkungsgrad auf einfache Weise angepasst werden, und zwar durch Schalten einer von mehreren möglichen Sternschaltungen (Fall a) oder durch Schalten einer von mehreren möglichen Dreiecksschaltungen (Fall b). Ein schaltbares Getriebe ist dazu nicht nötig, jedoch wird die Kombination des vorgeschlagenen elektrischen Antriebs mit einem Schaltgetriebe nicht ausgeschlossen.
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Mit Hilfe der vorgeschlagenen Maßnahmen kann der Drehmomentverlauf im unteren Drehzahlbereich zum Beispiel bei einem wassergekühlten, permanenterregten Synchronmotor mit einem zusätzlichen Sternpunkt um etwa 30% gegenüber permanenterregten Synchronmotoren ohne Wicklungsabschaltung angehoben werden. Die Wicklungsabschaltung bewirkt zudem eine Erhöhung der Maximalleistung um rund 30% in der oberen Drehzahlhälfte. Auf diese Weise kann ein breiter Drehzahlbereich mit hoher Maximalleistung erzielt werden. Da die verminderte Strangwindungszahl nach der Wicklungsabschaltung eine linear verminderte induzierte Spannung und eine quadratisch reduzierte Induktivität aufweist, ergibt sich neben der gesteigerten Maximalleistung eine deutliche Wirkungsgradsteigerung im oberen Drehzahlbereich gegenüber dem Betrieb der gesamten Statorwicklung, da signifikant weniger Strom zur Feldschwächung nötig ist (10-60%). Dies wiederum reduziert die Verluste im Wechselrichter ebenfalls erheblich, was zu einer weiteren Steigerung des Systemwirkungsgrades führt.
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Grundsätzlich können die Schaltelemente als mechanische Schalter ausgeführt sein, beispielsweise als elektromechanische Relais oder Schütze. Besonders vorteilhaft ist es aber, wenn die Schaltelemente als elektronische Schalter ausgeführt sind. Beispielsweise können für diesen Zweck Halbleiter-Relais (Solid State Relais), Transistoren (insbesondere FETs und IGBTs) oder auch Thyristoren eingesetzt werden. Um einen Stromfluss in beide Richtungen zu ermöglichen, können gegebenenfalls zwei elektronische Schaltelemente antiparallel angeordnet werden, wenn diese aufgrund ihrer Bauart keinen bidirektionalen Stromfluss erlauben.
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Ein „Synchronmotor“ ist ein Motor, bei dem ein elektrisch oder permanent erregter Rotor synchron mit einem vom Stator erzeugten Drehfeld umläuft. „Permanent erregte Synchronmotoren“ sind Motoren, deren Rotoren durch Permanentmagneten erregt sind. Ein „Reluktanzmotor“ ist eine Bauform eines Elektromotors, bei dem das Drehmoment im Rotor ausschließlich durch die Reluktanzkraft erzeugt wird. „Permanentmagnetunterstützte Synchron-Reluktanzmotoren“ („PMS-Motoren“) sind Mischformen zwischen permanent erregten Synchronmotoren und Reluktanzmotoren.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung in Zusammenschau mit den Figuren.
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Günstig ist es, wenn
- - jede der Statorwicklungen genau zwei Teilstränge und genau eine Mittelabzapfung aufweist oder
- - jede der Statorwicklungen mehr als zwei Teilstränge und mehr als eine Mittelabzapfung aufweist, wobei die Anzahl der Mittelabzapfungen einer der Statorwicklungen der um eins verringerten Anzahl an Teilsträngen dieser Statorwicklung beträgt und wobei im Fall a) jeweils die gleiche Anzahl an Teilsträngen in Stern geschaltet wird und im Fall b) jeweils die gleiche Anzahl an Teilsträngen in Dreieck geschaltet wird.
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Auf diese Weise können die vorgeschlagenen Umschaltungen mit einer Minimalzahl an Schaltelementen durchgeführt werden.
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Günstig ist es weiterhin, wenn die Schaltelemente zusätzlich dazu eingerichtet sind, die Statorwicklungen vollständig vom Stromrichteranschluss zu trennen. Auf diese Weise dienen die Schaltelemente nicht nur zur Umschaltung einer Sternpunktschaltung oder einer Dreiecksschaltung, sondern auch zum Stromlos-Schalten der elektrischen Maschine.
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Günstig ist es, wenn die Schaltelemente als Ein-/Ausschalter ausgeführt sind. Dadurch kann die vorgestellte Umschaltung der Sternpunktschaltung oder Dreiecksschaltung mit technisch einfach aufgebauten Schaltelementen durchgeführt werden. Insbesondere, aber nicht nur, eignen sich hierfür elektronische Schaltelemente, da diese in aller Regel über eine Ein- /Ausschaltfunktion verfügen. Alternativ ist es auch von Vorteil, wenn die Schaltelemente als Umschalter ausgeführt sind. Dadurch kann die vorgestellte Umschaltung der Sternpunktschaltung oder Dreiecksschaltung mit einer geringen Anzahl an Schaltelementen ausgeführt werden.
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Vorteilhaft umfasst der elektrische Antrieb eine Steuerung, welche dazu eingerichtet ist, die Schaltelemente der elektrischen Maschine abhängig vom Betriebszustand der elektrischen Maschine zu schalten. Da die unterschiedlichen Sternschaltungen oder Dreiecksschaltungen das Betriebsverhalten der elektrischen Maschine wesentlich beeinflussen, kann durch vorteilhafte Umschaltung der Sternschaltungen oder Dreiecksschaltungen insgesamt ein günstiger Drehmoment- beziehungsweise Leistungsverlauf erzielt werden.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn
- - die elektrische Maschine k Teilstränge je Phase sowie eine nominale Maximaldrehzahl nmax aufweist und
- - die Steuerung dazu eingerichtet ist, für i=1...k-1
- -) eine Umschaltung bei Drehzahlen nmax · i/k vorzunehmen und
- -) im Bereich von 0 bis nmax/k k Teilstränge und
- -) in einem Bereich von nmax · i/k bis nmax · (i+1)/k k-i Teilstränge im Fall a) in Stern und im Fall b) in Dreieck zu schalten.
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Auf diese Weise ergibt sich ein besonders günstiger Verlauf von Drehmoment und Leistung über die Drehzahl. Konkret kann sowohl hohes Anlaufdrehmoment als auch hohe maximale Drehzahl sowie hohe Leistung im oberen Drehzahlbereich erzielt werden. Gegenüber einer herkömmlichen elektrischen Maschine mit nur einem Sternpunkt oder nur einer Dreiecksschaltung kann der Betriebsbereich einer elektrischen Maschine daher deutlich ausgeweitet werden.
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In einem Beispiel wird angenommen, dass die elektrische Maschine k=2 Teilstränge je Phase aufweist. Es gilt daher i=1. Demzufolge wird eine Umschaltung bei nmax/2 vorgenommen, wobei im Bereich von 0 bis nmax/2 zwei (zu einer Serienschaltung verbundene) Teilstränge je Phase in Stern oder Dreieck geschaltet werden und in einem Bereich von nmax/2 bis nmax ein Teilstrang je Phase in Stern oder Dreieck geschaltet wird. Generell können die angegebenen Werte mit einer Toleranz von ±5% oder ±10% vom Nennwert behaftet sein.
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In einer weiteren Ausführungsform des elektrischen Antriebs kann vorgesehen sein,
- - dass die Schaltelemente in die elektrische Maschine integriert sind oder
- - dass die Schaltelemente in die Steuerung integriert sind oder
- - dass der elektrische Antrieb ein mit den Statorwicklungen verbundenes Schaltmodul aufweist, in welches die Schaltelemente integriert sind oder
- - dass der elektrische Antrieb einen mit den Statorwicklungen verbundenen Wechselrichter aufweist, in welchen die Schaltelemente integriert sind.
Dadurch kann der elektrische Antrieb auf verschiedene Anwendungsgebiete angepasst werden. Beispielsweise kann ein elektrischer Antrieb mit in die elektrische Maschine integrierten Schaltelementen leicht mit einem herkömmlichen Wechselrichter verbunden werden. Sind die Schaltelemente in die Steuerung, das Schaltmodul oder den Wechselrichter integriert, so ergibt sich insgesamt ein kompakterer Aufbau der für den Betrieb der elektrischen Maschine vorgesehenen elektronischen Baugruppe und so weiter.
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Günstig ist es weiterhin, wenn jeder Teilstrang symmetrisch um eine Rotationsachse des Rotors ausgebildet ist. Dadurch ist der Drehmomentverlauf über den Drehwinkel des Rotors gesehen ebenfalls symmetrisch ausgebildet, und es kommt im Betrieb der elektrischen Maschine zu keinen oder nur geringen Drehmomentschwankungen.
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Günstig ist es schließlich, wenn die Statorwicklung als Zweischicht-Ganzlochwicklung ausgeführt ist. Dadurch kann die Umschaltung einer Sternschaltung oder einer Dreieckschaltung auf eine erprobte Art der Statorwicklung angewandt werden.
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Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung lassen sich auf beliebige Art und Weise kombinieren.
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KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind exemplarisch in den beigefügten schematischen Figuren dargestellt. Es zeigen:
- 1 eine beispielhafte und schematisch im Halbschnitt dargestellte elektrische Maschine;
- 2 ein Statorblechpaket mit einigen Statorwicklungen in Vorderansicht;
- 3 ein erstes schematisch dargestelltes Beispiel für die elektrische Verschaltung der elektrischen Maschine;
- 4 wie 3, jedoch mit Ein-Aus-Schaltern anstatt mit Umschaltern;
- 5 eine beispielhafte und schematische Darstellung einer Zweischicht-Ganzlochwicklung;
- 6 ein Beispiel zur Aufteilung der Zweischicht-Ganzlochwicklung aus 5 in mehrere Teilstränge;
- 7 die rekombinierten Teilstränge und somit die Statorwicklung einer Phase;
- 8 eine alternative Darstellung der Statorwicklung der elektrischen Maschine aus 2 und 3;
- 9 eine schematische Darstellung einer Umschaltung einer Dreiecksschaltung;
- 10 einen beispielhaften Drehmoment-Drehzahl-Verlauf für die elektrische Maschine;
- 11 einen beispielhaften Leistungs-Drehzahl-Verlauf für die elektrische Maschine und
- 12 ein schematisch dargestelltes Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antrieb der vorgeschlagenen Art.
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DETAILIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Einführend wird festgehalten, dass gleiche Teile in den unterschiedlich Ausführungsformen mit gleichen Bezugszeichen beziehungsweise gleichen Bauteilbezeichnungen versehen sind, gegebenenfalls mit unterschiedlichen Indizes. Die in der Beschreibung enthaltene Offenbarung eines Bauteils kann sinngemäß auf ein anderes Bauteil mit gleichem Bezugszeichen beziehungsweise gleicher Bauteilbezeichnung übertragen werden. Auch sind die in der Beschreibung gewählten Lageangaben, wie zum Beispiel „oben“, „unten“, „hinten“, „vorne“, „seitlich“ und so weiter auf die unmittelbar beschriebene sowie dargestellte Figur bezogen und bei einer Lageänderung sinngemäß auf die neue Lage zu übertragen.
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1 zeigt einen Halbschnitt durch eine beispielhafte, schematisch dargestellte elektrische Maschine 1. Die elektrische Maschine 1 umfasst eine Welle 2 mit einem darauf sitzenden Rotor 3, wobei die Welle 2 mit Hilfe von (Wälz)lagern 4a, 4b um eine Drehachse A gegenüber einem Stator 5 drehbar gelagert ist. Der Rotor 3 weist insbesondere nicht im einzeln dargestellte axial hintereinander angeordnete Rotorbleche sowie Rotormagnete oder eine Rotorwicklung auf. Der Stator 5 weist mehrere axial hintereinander angeordnete Statorbleche 6 auf, die gemeinsam ein Statorblechpaket 7 bilden, sowie eine am Statorblechpaket 7 angeordnete Statorwicklung 8. In dem in 1 gezeigten Beispiel sitzt das erste Lager 4a in einem ersten (vorderen) Lagerschild 9 und das zweite Lager 4b in einem zweiten (hinteren) Lagerschild 10. Zwischen dem ersten Lagerschild 9 und dem zweiten Lagerschild 10 ist das Statorgehäuse 11 angeordnet, das den Stator 5 umgibt. Das erste Lagerschild 9, das zweite Lagerschild 10 und das Statorgehäuse 11 bilden gemeinsam das Maschinengehäuse oder Motorgehäuse 12.
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2 zeigt eine Vorderansicht des Statorblechpakets 7, das mehrere Statornuten 13 aufweist, in denen die Statorwicklungen 8 angeordnet sind. Zur Illustration sind nur einige der Statornuten 13 mit Statorwicklungen 8 gezeichnet, die jeweils mehrere Lagen aufweisen und den Phasen u, v, w der elektrischen Maschine 1 zugeordnet sind.
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3 zeigt nun ein erstes schematisch dargestelltes Beispiel für die elektrische Verschaltung der elektrischen Maschine 1. Konkret sind in der 3 jeweils zwei Teilstränge u'...w einer Phase u, v, w dargestellt, die fix in Serie geschaltet sind respektive zu einer Serienschaltung miteinander verbunden sind. Somit weist die Phase u in diesem Beispiel die beiden in Serie geschalteten Teilstränge u', u'' auf, die Phase v die beiden in Serie geschalteten Teilstränge v', v'' und die Phase w die beiden in Serie geschalteten Teilstränge w', w''. Erste Enden der Statorwicklungen 8 jeder Phase u, v, w sind in diesem Fall untereinander elektrisch fix verbunden, das heißt die Phasen u, v, w sind in diesem Beispiel in Stern geschaltet. Die zweiten Enden der Statorwicklungen 8 jeder Phase u, v, w sowie Mittelabzapfungen, welche zwischen den Teilsträngen u'...w'' jeder Phase u, v, w angeordnet sind, sind aus der elektrischen Maschine 1 herausgeführt.
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Weiterhin umfasst die in der 3 dargestellte Anordnung einen Wechselrichter 14, der eingangsseitig mit einem positiven Anschluss + und einem negativen Anschluss - einer Gleichspannungsquelle und ausgangsseitig mit den Statorwicklungen 8 verbunden ist. Mit Hilfe des Wechselrichters 14 können die Drehzahl, das Drehmoment und/oder die Leistung der elektrischen Maschine 1 in an sich bekannter Weise eingestellt und gegebenenfalls geregelt werden.
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Darüber hinaus umfasst die in der 3 dargestellte Anordnung eine Steuerung 15 sowie ein Schaltmodul 16. Das Schaltmodul 16 weist in diesem Beispiel drei Schaltelemente S1 ...S3 auf, welche eingangsseitig mit dem Stromrichteranschluss T und ausgangsseitig mit den aus der elektrischen Maschine 1 herausgeführten Leitungen verbunden sind. Mit Hilfe der drei Schaltelemente S1 ...S3 kann der Stromrichteranschluss T für den elektrischen Antrieb 17a wahlweise mit den zweiten Enden der Statorwicklungen 8 jeder Phase u, v, w verbunden werden, um die Statorwicklungen 8 in Stern zu schalten oder mit den Mittelabzapfungen zwischen den Teilsträngen u'...w'' jeder Phase u, v, w, um Teilstränge u''...w'' der Statorwicklungen 8 in Stern zu schalten (entsprechend der in der 3 dargestellten Schaltstellung der Schaltelemente S1 ...S3). Dabei wird je Phase u, v, w die gleiche Anzahl an Teilsträngen u''...w'' in Stern geschaltet (hier jeweils ein Teilstrang u''...w'' pro Phase u, v, w).
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Die Steuerung 15 ist in diesem Beispiel mit dem Schaltmodul 16 verbunden und dazu eingerichtet, den Schaltzustand der Schaltelemente S1 ...S3 zu beeinflussen, das heißt diese zu öffnen oder zu schließen. Zudem ist die Steuerung 15 mit dem Wechselrichter 14 verbunden. In diesem Beispiel bildet die elektrische Maschine 1 gemeinsam mit dem Schaltmodul 16 den elektrischen Antrieb 17a. Insgesamt kann die elektrische Maschine 1 durch die vorgeschlagenen Maßnahmen über einen großen Betriebsbereich beeinflusst werden.
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4 zeigt eine Anordnung, welche der in 3 dargestellten Anordnung sehr ähnlich ist. Im Unterschied zu der 3, in der die Schaltelemente S1 ...S3 im einzigen Schaltmodul 16 als Umschalter ausgeführt sind, sind in der 4 zwei getrennt steuerbare Schaltmodule 16a, 16b vorgesehen, in welchen die Schaltelemente S1 ...S3 als Ein-Aus-Schalter ausgeführt sind. Mit Hilfe der Schaltmodule 16a, 16b kann der Stromrichteranschluss T für den elektrischen Antrieb 17b wiederum wahlweise mit den zweiten Enden der Statorwicklungen 8 jeder Phase u, v, w verbunden werden, um die Statorwicklungen 8 in Stern zu schalten oder mit den Mittelabzapfungen zwischen den Teilsträngen u'...w'' jeder Phase u, v, w, um Teilstränge u''...w'' der Statorwicklungen 8 in Stern zu schalten. Zusätzlich sind die Schaltmodule 16a, 16b beziehungsweise deren Schaltelemente S1...S3 dazu eingerichtet, die Statorwicklungen 8 vollständig vom Stromrichteranschluss T zu trennen. Dieser Zustand ist in der 4 dargestellt. Selbstverständlich wäre eine Trennung der Statorwicklungen 8 vom Stromrichteranschluss T mit dem Schaltmodul 16 auch in der 3 möglich, wenn dieses eine weitere, dementsprechende Schaltstellung aufweist.
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In der 5 ist beispielhaft eine Zweischicht-Ganzlochwicklung schematisch dargestellt, anhand derer eine Möglichkeit zur Aufteilung der Phasen u, v, w erläutert werden soll. Die Zweischicht-Ganzlochwicklung kann dabei gesehnt oder ungesehnt ausgeführt sein. Konkret zeigt die 5 zwei Wicklungslagen a1, a2 und die Aufteilung der Statorwicklung 8 in die Phasen u, v, w. Aus der Blattebene führende Stromrichtungen sind dabei mit einem Punkt gekennzeichnet, in die Blattebene führende Stromrichtungen mit einem „x“.
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6 zeigt nun ein konkretes Beispiel zur Aufteilung der Phasen u, v, w, wobei ein Teilstrang u' im oberen Bereich der 6 und ein Teilstrang u'' im unteren Bereich der 6 dargestellt ist. Die Teilstränge u', u'' bilden dabei jeweils einen Strang einer Einschicht-Ganzlochwicklung. Aus der 6 wird auch deutlich, dass bei dieser Art der Aufteilung jeder Teilstrang u'...w'' symmetrisch um die Rotationsachse A des Rotors 3 ausgebildet ist. 7 zeigt schließlich die rekombinierten Teilstränge u' und u'' und somit die Statorwicklung 8 der Phase u.
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8 zeigt weiterhin eine alternative Darstellung der Statorwicklung 8 der elektrischen Maschine 1 aus den 3 und 4. Konkret sind nur die Teilstränge u'...w'' der Phasen u, v, w sowie die Schaltelemente S1 ...S3 dargestellt. In der in 8 dargestellten Schaltstellung der Schaltelemente S1 ...S3 sind die Phasen u, v, w zur Gänze in Stern geschaltet, in der alternativen Schalstellung bloß die Teilstränge u''...w''. Die Schaltelemente S1 ...S3 sind dabei wie in 3 als Umschalter ausgeführt.
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In den bisher dargestellten Beispielen konnten in der elektrischen Maschine 1 verschiedene Sternpunktschaltungen geschaltet werden. Dies ist aber nicht die einzige Möglichkeit, sondern auch das Schalten von verschiedenen Dreiecksschaltungen ist denkbar. 9 zeigt in diesem Zusammenhang eine Ausführungsvariante, welche der in 8 dargestellten Ausführungsvariante ähnlich ist. Hier ist der Stromrichteranschluss T für den elektrischen Antrieb 17a, 17b mit ersten Enden der Statorwicklungen 8 jeder Phase u, v, w verbunden oder verbindbar, und die Schaltelemente S1 ...S3 sind dazu eingerichtet sind, die genannten ersten Enden der Statorwicklungen 8 wahlweise
- - mit zweiten Enden der Statorwicklungen 8 jeder Phase u, v, w zu verbinden, um die Statorwicklungen 8 in Dreieck zu schalten, wobei jeweils ein erstes Ende einer der Statorwicklungen 8 als Ganzes mit einem zweiten Ende einer anderen der Statorwicklungen 8 verbunden wird, oder
- - mit Mittelabzapfungen zu verbinden, welche zwischen den Teilsträngen u'...w'' jeder Phase u, v, w angeordnet sind, um Teilstränge u'...w' der Statorwicklungen 8 in Dreieck zu schalten, wobei jeweils ein erstes Ende einer der Statorwicklungen 8 mit einer Mittelabzapfung einer anderen der Statorwicklungen 8 verbunden wird.
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Die Schaltelemente S1...S3 befinden sich in der 9 dabei in einer Schaltstellung, bei der die Statorwicklungen 8 als Ganzes in Dreieck geschaltet sind. Die übrigen zu den 1 bis 8 angeführten Erwägungen sind sinngemäß auch auf die in der 9 dargestellte Anordnung anwendbar.
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Generell ist es von Vorteil, wenn jede der Statorwicklungen 8 genau zwei Teilstränge u'...w'' und genau eine Mittelabzapfung aufweist, so wie das in den bisher dargestellten Beispielen der Fall ist. Von Vorteil wäre es aber auch, wenn jede der Statorwicklungen 8 mehr als zwei Teilstränge u'...w'' und mehr als eine Mittelabzapfung aufweist, wobei die Anzahl der Mittelabzapfungen einer der Statorwicklungen 8 der um eins verringerten Anzahl an Teilsträngen u'...w'' dieser Statorwicklung 8 beträgt und wobei im Fall a) jeweils die gleiche Anzahl an Teilsträngen u'...w'' in Stern geschaltet wird und im Fall b) jeweils die gleiche Anzahl an Teilsträngen u'...w'' in Dreieck geschaltet wird. In beiden Fällen können die vorgeschlagenen Umschaltungen so mit einer Minimalzahl an Schaltelementen S1...S3 durchgeführt werden.
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Grundsätzlich können die Schaltelemente S1...S3 als mechanische Schalter ausgeführt sein, beispielsweise als elektromechanische Relais oder Schütze. Besonders vorteilhaft ist es aber, wenn die Schaltelemente S1...S3 als elektronische Schalter ausgeführt sind. Beispielsweise können für diesen Zweck Halbleiter-Relais (Solid State Relais), Transistoren (insbesondere FETs und IGBTs) oder auch Thyristoren eingesetzt werden. Um einen Stromfluss in beide Richtungen zu ermöglichen, können gegebenenfalls zwei elektronische Schaltelemente antiparallel angeordnet werden, wenn diese aufgrund ihrer Bauart keinen bidirektionalen Stromfluss erlauben.
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Die 10 zeigt nun den Verlauf des Drehmoments M über die Drehzahl n für die elektrische Maschine 1. Der Drehmomentverlauf M1 bezieht sich dabei auf einen Betriebszustand, bei dem die Phasen u, v, w zur Gänze in Stern geschaltet sind, und der Drehmomentverlauf M2 auf einen Betriebszustand, bei dem bloß die Teilstränge u''...w'' in Stern geschaltet sind. Die elektrische Maschine 1 kann entlang des Drehmomentverlaufs M1, M2 jeweils bis zur Erreichung einer Spannungsgrenze UG1, UG2 betrieben werden, ab welcher das
Drehmoment M1, M2 stark abfällt. Die Maximaldrehzahl nmax der elektrischen Maschine 1 wird erreicht, wenn bloß die Teilstränge u''...w'' in Stern geschaltet sind. Werden die Phasen u, v, w zur Gänze in Stern geschaltet, dann wird höchstens die halbe Maximaldrehzahl nmax/2 erreicht.
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Die Halbierung der inneren Drehmomentkonstante hat bei gleicher Stromeinprägung eine Halbierung des inneren Drehmomentes zur Folge. Bei gleicher thermischer Auslastung ist jedoch eine höhere Stromeinprägung möglich, so dass der Drehmomentverlauf M1 bei einem wassergekühlten, permanenterregten Synchronmotor im unteren Drehzahlbereich um etwa 30% höher ausfällt als der Drehmomentverlauf M2, so wie dies aus 11 ersichtlich ist.
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Die 11 zeigt schließlich in analoger Weise den Verlauf der Leistung P über die Drehzahl n für die elektrische Maschine 1. Der Leistungsverlauf P1 bezieht sich dabei auf einen Betriebszustand, bei dem die Phasen u, v, w zur Gänze in Stern geschaltet sind, und der Leistungsverlauf P2 auf einen Betriebszustand, bei dem die bloß die Teilstränge u''...w'' in Stern geschaltet sind. Zu beachten ist jedoch die im Vergleich zu 11 geänderte Skalierung der Drehzahlachse n. Aus der
12 ist erkennbar, dass die maximale Leistung P erreicht wird, wenn bloß die Teilstränge u''...w'' in Stern geschaltet sind, die Leistung P jedoch schneller ansteigt, wenn die Phasen u, v, w zur Gänze in Stern geschaltet sind. Bei der halben Maximaldrehzahl nmax/2 weisen die beiden Leistungsverläufe P1, P2 denselben Wert auf.
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Im dargestellten Beispiel ermöglicht die Wicklungsabschaltung eine Erhöhung der Maximalleistung um rund 30% in der oberen Drehzahlhälfte. Auf diese Weise kann ein breiter Drehzahlbereich hoher Maximalleistung erzielt werden. Da die verminderte Strangwindungszahl nach der Wicklungsabschaltung eine linear verminderte induzierte Spannung und eine quadratisch reduzierte Induktivität aufweist, ergibt sich neben der gesteigerten Maximalleistung eine deutliche Wirkungsgradsteigerung im oberen Drehzahlbereich gegenüber dem Betrieb der kompletten Statorwicklung 8, da signifikant weniger Strom zur Feldschwächung nötig ist (etwa 10-60%). Dies wiederum reduziert die Verluste im Wechselrichter 14 ebenfalls erheblich, was zu einer weiteren Steigerung des Systemwirkungsgrades führt. Besonders bei permanenterregten Synchronmotoren mit einer Leistungsüberhöhung im Eckpunkt zur Spannungsgrenze UG1 und einem Abfall der Maximalleistung hin zur Maximaldrehzahl nmax macht sich die mögliche Leistungssteigerung durch die Sternpunktumschaltung deutlich bemerkbar, so wie dies aus 12 ersichtlich ist.
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Von Vorteil ist es nun, wenn die Steuerung 15 dazu eingerichtet ist, die Phasen u, v, w der elektrischen Maschine 1 abhängig vom Betriebszustand der elektrischen Maschine 1 zu schalten.
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Insbesondere ist es dabei von Vorteil, wenn:
- - die elektrische Maschine 1 k Teilstränge u'...w'' je Phase u, v, w sowie eine nominale Maximaldrehzahl nmax aufweist und
- - die Steuerung 15 dazu eingerichtet ist, für i=1...k-1
- -) eine Umschaltung bei Drehzahlen nmax · i/k vorzunehmen und
- -) im Bereich von 0 bis nmax/k k Teilstränge u'...w'' und
- -) in einem Bereich von nmax·i/k bis nmax · (i+1)/k k-i Teilstränge (u'...w'') in Stern oder in Dreieck zu schalten.
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In den gezeigten Beispielen weist die elektrische Maschine k=2 Teilstränge u'...w'' je Phase u, v, w auf. Es gilt daher i=1. Demzufolge wird eine Umschaltung bei nmax/2 vorgenommen, wobei im Bereich von 0 bis nmax zwei Teilstränge u'...w'' in Stern oder in Dreieck geschaltet werden und in einem Bereich von nmax/2 bis nmax ein Teilstrang u''...w'' in Stern oder in Dreieck geschaltet wird. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass im Bereich von 0 bis nmax/2 die Phasen u, v, w zur Gänze in Stern oder in Dreieck geschaltet sind und in einem Bereich von nmax/2 bis nmax bloß die Teilstränge u''...w''.
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In einem weiteren Beispiel werden die folgenden Werte angenommen:
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Es ergibt sich daher:
- i = 1,2
Umschaltung bei n = 1000, 2000
Drehzahlbereiche:
- n = 0...1000; 3 Stränge
- n = 1000...2000; 2 Stränge
- n = 2000...3000; 1 Strang
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Die vorgeschlagenen Maßnahmen können dabei für jede beliebige Anzahl an Teilsträngen u'...w'' je Phase u, v, w vorgesehen sein.
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Generell ist anzumerken, dass die angegebenen Drehzahlwerte mit einer Toleranz von ±5% oder ±10% vom Nennwert behaftet sein können. Beispielweise kann die erste Umschaltung bei einer Toleranz von ±10% daher in einem Bereich von n = 900...1100 erfolgen und so weiter.
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Die 12 zeigt schließlich ein schematisch dargestelltes, elektrisch angetriebenes Fahrzeug 18. Das Fahrzeug 18 umfasst einen Akkumulator oder eine Batterie 19, einen mit der Batterie 19 verbundenen Wechselrichter 14, die mit dem Wechselrichter 14 verbundene elektrische Maschine 1, ein optionales Getriebe 20, Halbachsen 21 sowie Räder 22. In an sich bekannter Weise wird die elektrische Maschine 1 über den Wechselrichter 14 mit elektrischer Energie versorgt. Über das Getriebe 20 und die Halbachsen 21 werden die Räder 22 von der elektrischen Maschine 1 angetrieben. Die elektrische Maschine 1, das Getriebe 22 und die Halbachsen 23 sind somit Teil des Antriebsstrangs des Fahrzeugs 18.
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Der Antrieb des Fahrzeugs 18 erfolgt zumindest teilweise oder zeitweise durch die elektrische Maschine 1. Das heißt, die elektrische Maschine 1 kann zum alleinigen Antrieb des Fahrzeugs 18 dienen oder zum Beispiel im Verbund mit einer Verbrennungskraftmaschine vorgesehen sein (Hybridantrieb). In dem gezeigten Beispiel ist auch eine strichliert dargestellte Verbindung zwischen dem Wechselrichter 14 und der elektrischen Maschine 1 gezeigt, welche die Steuerleitung zum Ansteuern der Schaltelemente S1...S3 (in der 12 nicht dargestellt) symbolisieren soll. In dem gezeigten Beispiel sind die Schaltelemente S1...S3 in die elektrische Maschine 1 integriert. Selbstverständlich könnten diese auch Teil eines gesonderten Schaltmoduls 16, 16a, 16b oder einer gesonderten Steuerung 15 sein oder den Wechselrichter 14 integriert sein.
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In den oben angeführten Beispielen ist die elektrische Maschine 1 als Innenläufer ausgeführt. Gleichwertig sind die vorgeschlagenen Maßnahmen aber auch auf Außenläufer anwendbar. In diesem Fall ist der Rotor 3 nicht innerhalb des Stators 5 angeordnet, sondern außerhalb des Stators 5. Beispielsweise eignet sich eine solche Bauform besonders für den Einsatz als Nabenmotor.
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Abschließend wird festgehalten, dass der Schutzbereich durch die Patentansprüche bestimmt ist. Die Beschreibung und die Zeichnungen sind jedoch zur Auslegung der Ansprüche heranzuziehen. Die in den Figuren enthaltenen Merkmale können beliebig ausgetauscht und miteinander kombiniert werden. Insbesondere wird auch festgehalten, dass die dargestellten Vorrichtungen in der Realität auch mehr oder auch weniger Bestandteile als dargestellt umfassen können. Teilweise können die dargestellten Vorrichtungen beziehungsweise deren Bestandteile auch unmaßstäblich und/oder vergrößert und/oder verkleinert dargestellt sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- elektrische Maschine
- 2
- Welle
- 3
- Rotor
- 4a, 4b
- (Wälz)lager
- 5
- Stator
- 6
- Statorblech
- 7
- Statorblechpaket
- 8
- Statorwicklung
- 9
- erstes Lagerschild
- 10
- zweites Lagerschild
- 11
- Statorgehäuse
- 12
- Motorgehäuse
- 13
- Statornut
- 14
- Wechselrichter
- 15
- Steuerung
- 16, 16a, 16b
- Schaltmodul
- 17a, 17b
- Elektrischer Antrieb
- 18
- Fahrzeug
- 19
- Batterie
- 20
- Getriebe
- 21
- Halbachse
- 22
- Rad
- +
- positiver Anschluss einer Gleichspannungsquelle
- -
- negativer Anschluss einer Gleichspannungsquelle
- A
- Drehachse
- a1, a2
- Wicklungslage
- M
- Drehmoment
- M1, M2
- Drehmoment bei verschiedenen Sternpunktschaltungen
- n
- Drehzahl
- nmax
- Maximaldrehzahl
- P
- Leistung
- P1, P2
- Leistung bei verschiedenen Sternpunktschaltungen
- S1...S3
- Schaltelement
- T
- Stromrichteranschluss
- UG1, UG2
- Spannungsgrenze bei verschiedenen Sternpunktschaltungen
- u, v, w
- Motorphase
- u'...w''
- Teilstrang