CN107005114A - 永磁激励的同步电机和机动车系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种永磁激励的同步电机(1)，包括转子(3)以及定子(2)，该定子用于接纳至少一个第一定子绕组(SW1)和与该第一定子绕组(SW1)电绝缘的第二定子绕组(SW2)，其特征在于，第二定子绕组(SW2)具有比第一定子绕组(SW1)小的导线横截面和比第一定子绕组大的绕组数量，其中，设有用于以第一运行电压(U1)运行电机的第一定子绕组(SW1)和用于在第二运行电压(U2)上运行电机的第二定子绕组(SW2)，该第二运行电压的额定电压比第一运行电压(U1)的额定电压高。

Description

永磁激励的同步电机和机动车系统
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的永磁激励的同步电机以及一种机动车系统，该同步电机包括转子和定子。
背景技术
适合用于自动化行驶的机动车系统、例如制动或转向系统需要冗余的能量供给，也就是说借助第二车载电网进行能量供给，从而即使在出现干扰或故障时也能确保一个系统或多个系统的功能(功能安全性)。同样要求在执行机构和电力电子设备方面的内部冗余。
由文献DE 199 60 611A1已知了一种机电式制动设备，具有此类的无电刷直流电机，用于具有两个12V的相同电压水平的两个独立的车载电网，其中，定子绕组被至少划分为具有分别相同匝数的两个分开的绕组，从而定子绕组的每个部分都能通过分别一个电力电子设备与分别一个所述车载电网连接。通过这样相应于车辆的独立车载电网的数量来划分定子绕组，在永磁激励的同步电机中实现多个彼此独立的半电机，从而在两个车载电网之一发生故障时，在输出功率降低的情况下能利用另外的车载电网继续运行半电机。
在根据所述文献DE 199 60 611A1的这种无电刷直流电机中，通过在连续的绕组上的抽头/引出头实现定子绕组的细分，其中，然而供电装置必须在不同的水平上工作。然而，由于缺乏对附属于两个车载电网的线圈绕组的机械分离，不能排除涉及操控的故障可能性，因此未实现真正的冗余。
此外提出，被设置用于两个车载电网的分开的定子绕组通过分离的绕组实现，该绕组被上下相叠缠绕或互相盘绕，其中，对于每个这种分离的绕组设有具有六个功率开关的输出级/末级。然而，通过上下相叠缠绕或互相盘绕不能排除由于电线接触引起的短路，这可能影响两个半电机，由此限制了其可用性。在此，迄今为止始终要求，两个电机半部尽可能相同地运行并因此借助两个相同构造的输出级和大体上相同的控制器运行。此外，对于未来的应用设想的是具有比通常使用的12V或14V额定电压高的额定电压的车载电网，其中，对此通常未设置冗余。
发明内容
因此本发明的目的在于，提供一种永磁激励的同步电机和一种机动车系统，具有改进的功能安全性，特别是在使用较高额定电压的非冗余的机动车车载电网的情况下。
所述目的通过一种具有权利要求1的特征的永磁激励的同步电机以及一种具有权利要求8的特征的机动车系统来实现。
本发明涉及一种永磁激励的同步电机，包括转子以及定子，该定子用于接纳至少一个第一定子绕组和与该第一定子绕组电绝缘的第二定子绕组，根据本发明的特征在于，第二定子绕组具有比第一定子绕组小的导线横截面和比第一定子绕组大的绕组数量/匝数，其中，第一定子绕组用于以第一运行电压运行电机并且第二定子绕组用于在第二运行电压上运行电机，该第二运行电压的额定电压比第一运行电压的额定电压高。
以有利的方式因此特别是在使用较高额定电压的非冗余设计的机动车车载电网的情况下实现了改进的功能安全性。在正常运行中，根据本发明的同步电动机优选地借助两个车载电网供电，从而同步电机能在两个车载电网之一发生故障或干扰时以还是功能正常的车载电网运行。
对于第一定子绕组和第二定子绕组分别设有配属的转换器，用于操控所述第一定子绕组和第二定子绕组，该转换器能以已知的方式构造为具有六个功率半导体。这种用于操控定子绕组的转换器相应地不被相同地构造，而是特别在导电性能方面相应地适配于相应的电压，其中，例如在较低电压的情况下——依赖于可利用相应的半电机产生的转矩——必须输送较高的电流。功率半导体被相应地设计。与此相应地，半电机从恰好一半(50％)的意义上说不应理解为限制性的，这是因为划分可以在发生故障或干扰的情况下在考虑例如要满足的安全性要求的情况下实现。
优选地，第一定子绕组被与第二定子绕组不同地连接，特别是第一定子绕组(较低额定电压)被星形连接，而第二定子绕组(较高额定电压)被三角形连接。由此在电线直径方面的区别较小并且在电机侧上的电压较高，则匝数变小并且因此节省了制造时间。
根据一个优选的实施方式，永磁激励的同步电机的定子具有多个通过槽分隔开的定子极，用于接纳至少第一定子绕组和第二定子绕组，其中，第一定子绕组被布置在第一组定子极上，而第二定子绕组被布置在与第一组不相交的一组定子极上。
因此每个定子极具有作为第一定子绕组的绕组或作为第二定子绕组的绕组，由此以简单的方式进一步改进了电绝缘和冗余。
第一组定子极的数量与第二组定子极的数量处于特定的数量比例中，该数量比例依赖于定子极的数量。因此可以例如将定子的定子极的偶数数量分成一半，从而第一组和第二组都包括相同数量的定子极。也可以选择另一种划分比例，例如在具有12槽的定子和8极的转子的情况下为3/4到1/4或者在具有9槽的定子和6极的转子的情况下为2/3到1/3。因此能使同步电动机适配于两个车载电网的有效功率。
本发明的一种有利的设计方案提出，定子连同第一定子绕组和第二定子绕组被这样设计，即第一组和第二组定子极被分别布置在连续的列中，优选地，第一组定子极和第二组定子极分别形成定子的定子极的一半。
本发明的另一种有利的设计方案提出，第一组定子极和第二组定子极被交替布置。因此在两个运行电压的情况下实现了同步电动机的特别高的运转平稳性。
最后，在本发明的另一种有利的设计方案中提出，第一组和第二组的两个或数量为二的倍数的彼此相邻的定子极被交替布置。因此，例如两个彼此相邻的定子极接纳第一定子绕组的绕组，在其之后的两个彼此相邻的定子极接纳第二定子绕组的绕组，等等。这在同时较小的局部饱和度的情况下——特别是当所述同步电动机仅在车载电网电压上运行时——引起同步电动机的对称的电机负荷度。
此外，本发明涉及一种机动车系统，该机动车系统被分配有至少一个根据本发明的永磁激励的同步电机并且包括至少两个独立的、具有第一运行电压和第二运行电压的供电装置，其中，用于给永磁激励的同步电机的第一定子绕组供电的第一运行电压具有比用于给永磁激励的同步电机的第二定子绕组供电的第二运行电压低的额定电压。
第一运行电压的额定电压优选为第二运行电压的额定电压的至少两倍高。特别地，第一运行电压的额定电压为例如48V，而第二运行电压的额定电压为例如12V。
附图说明
下面参考附图详细说明和描述本发明。图中:
图1示出永磁激励的同步电机的操控电路的原理电路图，该同步电机具有两个不同额定电压的车载电网电压和被分开的定子绕组，
图2示出根据本发明的永磁激励的同步电机的截面图，
图3示出根据图1的同步电动机的定子的绕组简图，
图4示出根据本发明的另一永磁激励的同步电机的截面图，
图5示出根据本发明的另一永磁激励的同步电机的截面图，
图6示出根据本发明的另一永磁激励的同步电机的截面图，和
图7示出根据本发明的另一永磁激励的同步电机的截面图。
具体实施方式
图1示出永磁激励的同步电机1的操控电路的原理电路图，该同步电机借助车辆的两个分开的车载电网在电机运行中供给能量，例如在具有12V的额定电压的车载电网和具有48V的另一额定电压的车载电网中。操控例如通过转换器4a和4b进行，通过至少一个未示出的控制单元为该转换器提供操控信号。永磁激励的同步电机1的定子绕组被分成第一定子绕组SW1和第二定子绕组SW2，由此形成第一半电机HM1和第二半电机HM2，这二者被设计为用于产生在同步电机的转子2上产生转矩(图2)。定子绕组SW1被星形连接，而定子绕组SW2被三角形连接。半电机HM1和HM2的两个定子绕组SW1和SW2也可以被三角形连接或这二者被星形连接。半电机HM1和HM2的每个U-，V-和W-接头分别与转换器4a或4b中的由两个功率半导体开关构造的半桥(未示出)连接，从而每个半电机HM1和HM2被6个功率半导体操控。
用于较高的车载电网电压的定子绕组SW2的电线横截面与较低的车载电网电压的定子绕组SW1相比减小。定子绕组的占空系数对于两个半电机HM1和HM2来说是基本上相同的。电机控制对于两个半电机HM1和HM2来说独立地以分别适配的理论转矩执行。
在图2中示出永磁激励的同步电机1的截面图。该同步电机包括定子2以及10极的转子2，该定子具有通过槽分隔开的12个定子极P1至P12。定子2的定子绕组被分成布置在第一组SP1定子极P1至P6上的第一定子绕组SW1和布置在与第一组不相交的第二组SP2定子极P7至P12上的第二定子绕组SW2，所述第一定子绕组具有绕组Wu11，Wu12，Wv11，Wv12，Ww11，Ww12，所述第二定子绕组具有绕组Wu21，Wu22，Wv21，Wv22，Ww21，Ww22。在每个所述定子极P1至P12上分别布置有第一定子绕组SW1或第二定子绕组SW2的仅一个绕组。第一组SP1定子极P1至P6以及第二组SP2定子极P7至P12被分别在一列中连续布置，从而定子2通过第一组SP1和第二组SP2定子极分成两半，如在图2中以线D所示。因此通过每个所述组SP1和SP2定子极与第一定子绕组SW1或SW2的相应的绕组共同形成第一半电机HM1和第二半电机HM2。
附属于每个半电机HM1和HM2的定子绕组Wu11，Wu12，Wv11，Wv12，Ww11，Ww12和Wu21，Wu22，Wv21，Wv22，Ww21，Ww22借助相应的转换器4a或4b连接到12V-车载电网或48V-车载电网上。图3示出在半电机HM1和半电机HM2的相位U中的定子2的附属的绕组简图。
根据该图3，相位U的定子极P1的绕组Wu11和定子极P2的绕组Wu12以分别10匝实现，其中，绕组Wu11被引导到12V-车载电网的车载电网电压U1上，而绕组WU12被引导到12V-车载电网的星形接点CT1上。对于半电机HM1来说也相应地将用于相位V的绕组Wv11和Wv12以及用于相位W的绕组Ww11和Ww12缠绕和连接。
由于半电机HM2在48V-车载电网上运行，因此绕组Wu21和Wu22分别具有40匝。绕组Wu21被缠绕在定子极P7上并在星形连接的情况下与48V-车载电网的星形接点CT2连接。绕组Wu22被缠绕在直接在后面跟随的定子极P8上并被连接到48V-车载电网的车载电网电压U2上。对于半电机HM2来说也相应地将用于相位V的绕组Wv21和Wv22以及用于相位W的绕组Ww21和Ww22缠绕和连接。
在12槽的定子2中的定子极的对半划分也可以在8极转子3中实现。因此将具有绕组Wu11，Wv11，Ww11，Wu12，Wv12和Ww12的第一定子绕组SW1以所述顺序缠绕在定子极P1至P6上，而将具有绕组Wu21，Wv21，Ww21，Wu22，Wv22和Ww22的第二定子绕组SW2以所述顺序布置在与第一组不相交的第二组定子极P7至P12上。
图4示出具有定子2和转子3的永磁激励的同步电机1，其中，相应于根据图2的同步电动机1，定子2被设计为具有12个定子极P1至P12，而转子3被设计为具有10个磁极。然而，根据图2的同步电动机1未通过第一定子绕组和第二定子绕组分成两半。
根据图4，连接在12V-车载电网上的第一定子绕组SW1的绕组Wu11，Wu12，Wv11，Wv12，Ww11，Ww12和第二定子绕组SW2的连接在48V-车载电网上的绕组Wu21，Wu22，Wv21，Wv22，Ww21，Ww22被交替缠绕在定子极P1至P12上。因此，绕组Wu11被布置在定子极P1上，绕组Wu21被布置在定子极P2上，绕组Wu12被布置在定子极P3上，绕组Wu22被布置在定子极P4上，绕组Wv11被布置在定子极P5上，绕组Wv21被布置在定子极P6上，绕组Wv12被布置在定子极P7上，等等。因此，定子极P1，P3，P5等等形成第一组SP1定子极，而定子极P2，P4，P6等等形成与其不相交的第二组SP2定子极。
在永磁激励的同步电机1的所述实施方式中，第一定子绕组SW1的绕组Wu11，Wu12，Wv11，Wv12，Ww11，Ww12和第二定子绕组SW2的绕组Wu21，Wu22，Wv21，Wv22，Ww21，Ww22都被星形连接并分别通过具有6个功率半导体的转换器4a，4b连接到12V-车载电网或48V-车载电网上。替代星形的连接也可以实现三角形连接。
根据图5的永磁激励的同步电机1的定子绕组也不被这样分开，即定子2通过第一定子绕组和第二定子绕组分成两半。在此这样划分定子绕组，即第一定子绕组SW1的两个绕组Wu11，Wu12，Wv11，Wv12，Ww11，Ww12与第二定子绕组SW2的两个绕组Wu21，Wu22，Wv21，Wv22，Ww21，Ww22互相交替。因此根据图5，在相邻的定子极P1和P2上布置有第一定子绕组SW1的绕组Wu11和Wu12，在其之后的定子极P3和P4上布置有第二定子绕组SW2的绕组Wu21，Wu22，在其之后的定子极P5和P6上又布置有第一定子绕组SW1的绕组Wv11，Wv12，等等。因此，定子极P1，P2，P5，P6等等形成第一组SP1定子极，而定子极P3，P4，P7，P8等等形成与其不相交的第二组SP2定子极。
在该实施方式中，第一定子绕组SW1的绕组Wu11，Wu12，Wv11，Wv12，Ww11，Ww12同样被星形连接并通过具有6个功率开关的转换器4a与12V-车载电网连接。第二定子绕组SW2的绕组Wu21，Wu22，Wv21，Wv22，Ww21，Ww22也被星形连接并通过另一个具有6个功率开关的转换器4b与48V-车载电网连接。另选地分别也可以实现三角形连接。
根据图5设计的同步电机的优点在于当两个车载电网之一或两个输出级之一发生故障时对称的电机负荷度和较小的局部饱和度。
定子2的定子绕组的划分在根据图2，4和5的同步电动机中对称地进行。也可以——如在图6中所示——实现不对称的划分。因此，根据图6的定子2可以利用其12个定子极P1至P12和10极的转子3基于其4-倍的对称结构以3/4到1/4的比例划分。具有绕组Wu11，Wu12，Wu13，Wv11，Wv12，Wvl3，Ww11，Ww12和Ww13的第一定子绕组SW1被连接到48V-车载电网上；具有绕组Wu2，Wv2，和Ww2的第二定子绕组SW2被连接到12V-车载电网上。
由图6可以看到划分为12个定子极P1至P12。因此，定子极P1，P2或P3支承第一定子绕组SW1的绕组WU11，WU12或WU13，定子极P4支承第二定子绕组SW2的绕组Wu2，定子极P5，P6或P7支承第一定子绕组SW1的定子绕组Wv11，Wv12或Wvl3，定子极P8又支承第二定子绕组SW2的定子绕组Wv2，等等。因此，定子极P1，P2，P3，P5，P6，P7，P9，P10和P11形成第一组SP1定子极，而定子极P4，P8和P12形成与此不相交的第二组SP2定子极。
同样在根据本发明的同步电动机1的该实施方式中，第一定子绕组SW1的绕组Wu11，Wu12，Wu13，Wv11，Wv12，Wvl3，Ww11，Ww12，和Ww13被星形连接，第二定子绕组SW2的三个绕组Wu2，Wv2和Ww也以相同方式被星形连接，并且分别通过具有6个功率半导体的所对应的转换器4a，4b操控。两个定子绕组SW1和SW2也可以被三角形连接或也以不同的方式连接，从而一个定子绕组被星形连接，而另外的定子绕组被三角形连接。
12槽的定子2以3/4到1/4的比例的划分也可以在8极的转子3中实现。因此，具有绕组Wu11，Wv11和Ww11的第一定子绕组SW1被以所述顺序缠绕在依次跟随的定子极P1至P3上，而具有绕组Wu21，Wv21，Ww21，Wu22，Wv22，Ww22，Wu23，Wv23和Ww23的第二定子绕组SW2被以所述顺序布置在与第一组不相交的第二组定子极P4至P12上。
在根据图7的永磁激励的同步电机1中同样将定子极不对称地以1/3到2/3的比例划分为第一定子绕组SW1和第二定子绕组SW2。该同步电动机1包括6极的转子3和具有9个槽的定子。因此，具有绕组Wu11，Wv11和Ww11的第一定子绕组SW1被以所述顺序缠绕在依次跟随的定子极P1，P2和P3上，其形成第一组定子极SP1。具有绕组Wu21，Wv21，Ww21，Wu22，Wv22和Ww22的第二定子绕组SW2被缠绕在依次跟随的定子极P3至P12上，其形成第二组定子极SP2。
为了连接两个定子绕组SW1和SW2，提供不同的可能性。
因此，具有绕组Wu11，Wv11和Ww11的第一定子绕组SW1可以被星形或三角形连接。为第二定子绕组SW2使用星形连接，其中，一个相位的绕组、即绕组Wu21和Wv21，绕组Ww21和Wu22以及绕组Wv22和Ww22被串联或并联。
附图标记列表：
1无电刷直流电机
2直流电机1的定子
3直流电机1的转子
4a，4b用于操控直流电机1的转换器
CT1 12V-车载电网的星形接点
CT2 48V-车载电网的星形接点
D定子2的分界线
HM1直流电机1的第一半电机
HM2直流电机1的第二半电机
Pi定子2的定子极，i＝1，...12
SP1第一组定子极
SP2第二组定子极
SW1第一定子绕组
SW2第二定子绕组
U1 12V-车载电网的车载电网电压
U2 48V-车载电网的车载电网电压
Wuij第i个定子绕组的相位U的第j个绕组
Wvij第i个定子绕组的相位V的第j个绕组
Wwij第i个定子绕组的相位W的第j个绕组

Claims (8)

1.一种永磁激励的同步电机(1)，包括转子(3)以及定子(2)，该定子用于接纳至少一个第一定子绕组(SW1)和与该第一定子绕组(SW1)电绝缘的第二定子绕组(SW2)，其特征在于，第二定子绕组(SW2)具有比第一定子绕组(SW1)小的导线横截面和比第一定子绕组大的绕组数量，其中，第一定子绕组(SW1)用于以第一运行电压(U1)运行电机，第二定子绕组(SW2)用于以第二运行电压(U2)运行电机，该第二运行电压(U2)的额定电压比第一运行电压(U1)的额定电压高。
2.根据权利要求1所述的永磁激励的同步电机(1)，其特征在于，第一定子绕组(SW1)被与第二定子绕组(SW2)不同地连接，特别是第一定子绕组(SW1)被星形连接，而第二定子绕组(SW2)被三角形连接。
3.根据权利要求1或2所述的永磁激励的同步电机(1)，其特征在于，定子(2)具有多个通过槽分隔开的定子极(P1，P2，...P12)以用于接纳至少第一定子绕组和第二定子绕组，其中，第一定子绕组(SW1)被布置在第一组(SP1)定子极上，而第二定子绕组(SW2)被布置在与第一组(SP1)不相交的一组(SP2)定子极上。
4.根据权利要求3所述的永磁激励的同步电机(1)，其特征在于，具有第一定子绕组(SW1)和第二定子绕组(SW2)的定子(2)被这样设计，即第一组和第二组定子极被分别布置在连续的列中。
5.根据权利要求3或4所述的永磁激励的同步电机(1)，其特征在于，第一组(SP1)定子极(P1，...P6)和第二组(SP2)定子极(P7，...P12)分别形成定子(2)的定子极(P1，P2，...P12)的一半。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的永磁激励的同步电机(1)，其特征在于，第一组(SP1)定子极(P1，P3，P5，...)和第二组(SP2)定子极(P2，P4，P6，...)被交替布置。
7.根据权利要求3至5中任一项所述的永磁激励的同步电机(1)，其特征在于，第一组(SP1)和第二组(SP2)的两个或数量为二的倍数的彼此相邻的定子极被交替布置。
8.一种机动车系统，该机动车系统被分配有至少一个根据权利要求1至7中任一项所述的永磁激励的同步电机并且包括至少两个独立的、具有第一运行电压(U1)和第二运行电压(U2)的供电装置，其中，用于给永磁激励的同步电机的第一定子绕组(SW1)供电的第一运行电压(U1)具有比用于给永磁激励的同步电机的第二定子绕组(SW2)供电的第二运行电压(U2)低的额定电压。
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