DE102008049234A1

DE102008049234A1 - Electrical machine for use as e.g. electric motor, in motor vehicle, has winding functionally separated from electrical machine, where winding is partly arranged in recess of stator and/or in yoke of stator and/or at exterior of stator

Info

Publication number: DE102008049234A1
Application number: DE102008049234A
Authority: DE
Inventors: Torsten Dr. Ing. Franke
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2008-09-27
Filing date: 2008-09-27
Publication date: 2010-04-01

Abstract

The electrical machine has a winding (106) functionally separated from the electrical machine. The winding is provided as a part of a transformer and/or a coil, where the transformer is usable for transfer of energy between different power supply units. The winding is partly arranged in a recess of a stator (103) and/or in a yoke of the stator and/or at the exterior of the stator. The winding is partly guided in a partial unused region of an electric sheet or a motor iron of the electrical machine. An independent claim is also included for a method for operating an electrical machine.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, ein Verfahren zum Betrieb der elektrischen Maschine sowie ein Kraftfahrzeug umfassend mindestens eine elektrische Maschine.The The invention relates to an electrical machine, a method for Operation of the electric machine and a motor vehicle comprising at least one electric machine.

Im Automobilbau werden aufgrund ihrer guten Regelbarkeit zunehmend elektrische Verbraucher eingesetzt. Dies erhöht entsprechend eine in einem KFZ benötigte elektrische Leistung.in the Automotive manufacturing is increasing due to its good controllability used electrical consumers. This increases accordingly in one Cars needed electrical power.

Um den Bedarf an elektrischer Leistung effizient zu decken, wird vielfach auf ein Bordnetz mit einer Spannung größer als 40 V zurückgegriffen. Andererseits lassen sich elektrische Sicherheit und Komponenten der Informationselektronik effizient mit einer geringeren Versorgungsspannung (z. B. kleiner als 5 V) realisieren.Around The need to efficiently meet the demand for electric power is becoming more and more widespread resorted to an electrical system with a voltage greater than 40V. On the other hand, electrical safety and components can be the information electronics efficient with a lower supply voltage (eg less than 5 V).

Aus diesem Grund werden Mehrspannungsbordnetze eingesetzt, deren Spannungsebenen energetisch verknüpft sind. So gibt es beispielsweise Fahrzeuge mit einem 12 V/42 V- bzw. mit einem 12 V/288 V-Bordnetz.Out For this reason, multi-voltage systems are used whose voltage levels energetically linked are. For example, there are vehicles with a 12 V / 42 V or with a 12 V / 288 V electrical system.

Es ist bekannt, die Bordnetze unterschiedlicher Spannungen mittels eines DC/DC-Wandlers zu verknüpfen.It is known, the Bordnetze different voltages by means of a DC / DC converter.

Bekannte Systeme haben das Problem, dass zur sicheren Trennung elektrischer Potentiale zwischen den Bordnetzteilen unterschiedlicher Spannungen ein zusätzlicher elektrisch trennender magnetischer Transformator zwischengeschaltet wird.Known Systems have the problem that for safe separation of electrical Potentials between the on-board power supply units of different voltages an additional one electrically isolating magnetic transformer interposed becomes.

Ein anderer Nachteil besteht darin, dass bei Einsatz getrennter Generatoren Mehrwicklungssysteme für die verschiedenen Spannungsbereiche vorgesehen sind und somit eine Ausnutzung des für das Gesamtsystem verwendeten Materiales (Gesamtleistungsdichte) gering ist.One Another disadvantage is that when using separate generators Multi-winding systems for the different voltage ranges are provided and thus one Exploitation of for the whole system used material (total power density) is low.

Auch bei den Trenntransformatoren ist es von Nachteil, dass die für die Führung des magnetischen Flusses benötigten Materialien in ihren technisch nutzbaren Eigenschaften begrenzt und die darauf aufbauenden Bauteile voluminös, schwer sowie aufwendig und schlecht in ein Fahrzeug zu integrieren sind. Dies gilt auch für Schaltungen, bei denen der Transformator als Wandler ausgeführt ist und über eine eigene elektronische Steuerung verfügt.Also in the isolation transformers, it is disadvantageous that the leadership of the needed magnetic flux Materials limited in their technically usable properties and the components based on it voluminous, heavy and expensive and bad to integrate in a vehicle. This also applies to circuits, where the transformer is designed as a converter and a own electronic control has.

Bekannte Ansätze bedingen eine hohe Systemkomplexität, hohe Systemkosten, hohen Bauraumbedarf sowie zusätzliches Gewicht. Beispielsweise ist für eine Bordnetzleistung von 4 kW ein bidirektionaler elektrisch trennender Wandler nötig mit einem Bauvolumen von wenigstens 5 Litern bei einem Gewicht größer als 10 kg. Weiterhin ist ein entsprechender Aufwand nötig für die Kühlung und die Überwachung des Wandlers.Known approaches require a high system complexity, high system costs, high Required space as well as additional Weight. For example, for an on-board power of 4 kW a bidirectional electrically isolating Transducer needed with a construction volume of at least 5 liters at a weight greater than 10 kg. Furthermore, a corresponding effort is required for the cooling and The supervision of the converter.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die vorstehend genannten Nachteile zu vermeiden und insbesondere eine effiziente Art der Kombination von elektrischer Maschine und Transformator anzugeben.The The object of the invention is the disadvantages mentioned above and in particular an efficient way of combining of electrical machine and transformer specify.

Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich auch aus den abhängigen Ansprüchen.These Task is performed according to the characteristics of independent claims solved. Further developments of the invention will become apparent from the dependent claims.

Zur Lösung der Aufgabe wird eine elektrische Maschine mit mindestens einer Wicklung angegeben, wobei die mindestens eine Wicklung funktional von der elektrischen Maschine getrennt ist.to solution The object is an electric machine with at least one Winding specified, wherein the at least one winding functional is disconnected from the electrical machine.

Insbesondere können eine Vielzahl von Wicklungen vorgesehen sein, die mindestens eine Spule und/oder mindestens einen Transformator darstellen.Especially can a plurality of windings may be provided, the at least one coil and / or represent at least one transformer.

Die funktionale Trennung der mindestens einen Wicklung von der elektrischen Maschine kann eine elektrische Trennung umfassen. Insbesondere ist eine transformatorische Aufgabe der mindestens einen Wicklung logisch und/oder funktional getrennt von einer elektromotorischen Aufgabe der elektrischen Maschine.The functional separation of the at least one winding from the electrical Machine may include electrical isolation. In particular a transformational task of the at least one winding logical and / or functionally separate from an electromotive task the electric machine.

Unter elektrischer Maschine wird insbesondere jede elektrische Maschine verstanden, die ein elektromagnetisches Wirkprinzip nutzt. Insbesondere kann die elektrische Maschine einen Elektromotor und/oder einen Generator umfassen.Under In particular, electrical machine is any electrical machine understood that uses an electromagnetic principle of action. In particular, can the electric machine is an electric motor and / or a generator include.

Durch diesen Ansatz ist es möglich, Komponenten der elektrischen Maschine weitgehend unabhängig und/oder zusätzlich zu der elektromotorischen Funktion der elektrischen Maschine selbst zu verwenden. Beispielsweise können ein Motoreisen, ein Eisenblech oder ein Stator eines Elektromotors dazu verwendet werden, in Kombination mit der mindestens einen Wicklung z. B. eine Spule oder einen Transformator auszugestalten. Hierdurch wird der durch die elektrische Maschine benötigte Bauraum effizient ausgenutzt.By this approach makes it possible Components of the electrical machine largely independent and / or additionally to the electromotive function of the electric machine itself to use. For example, you can a motor iron, an iron sheet or a stator of an electric motor to do so used in combination with the at least one winding z. B. to design a coil or a transformer. hereby The space required by the electrical machine space is used efficiently.

Eine Weiterbildung ist es, dass die mindestens eine Wicklung Teil mindestens eines Transformators und/oder mindestens einer Spule ist.A Continuing education is that the at least one winding part at least a transformer and / or at least one coil.

Insbesondere kann es sich bei der Spule um eine Drossel, bei dem Transformator um einen Trenntransformator handeln.Especially For example, the coil may be a choke in the case of the transformer to act an isolation transformer.

Eine andere Weiterbildung ist es, dass der mindestens eine Transformator zur Energieübertragung zwischen verschiedenen Netzteilen einsetzbar ist.Another development is that the at least one transformer for Energieübertra tion between different power supplies can be used.

Insbesondere können die Netzteile Bordnetzteile verschiedener Spannungen eines Kraftfahrzeugs sein.Especially can the power supplies on-board power supplies of different voltages of a motor vehicle be.

Ferner ist es eine Weiterbildung, dass die mindestens eine Wicklung zumindest teilweise in einem, an einem oder durch einen zumindest teilweise ungenutzten Bereich eines Elektroblechs oder eines Motoreisens der elektrischen Maschine geführt ist.Further It is a continuing education that the at least one winding at least partly in one, on or through an at least partially unused one Area of an electric sheet or a motor electric wire Machine guided is.

Auch ist es eine Weiterbildung, dass die elektrische Maschine einen Stator umfasst und dass die mindestens eine Wicklung zumindest teilweise in mindestens einer Ausnehmung des Stators und/oder in mindestens einem Joch des Stators und/oder an der Außenseite des Stators angeordnet ist.Also It is a development that the electric machine has a stator and that the at least one winding at least partially in at least one recess of the stator and / or in at least a yoke of the stator and / or arranged on the outside of the stator is.

Insbesondere kann es sich bei der Ausnehmung um eine Nut, eine Öffnung oder eine Aussparung handeln.Especially it may be at the recess to a groove, an opening or to act a recess.

Es ist eine Weiterbildung, dass ein Teil der mindestens einen Wicklung in der Ausnehmung des Stators und ein Teil der Wicklung an der Außenseite des Stators angeordnet ist.It is a training that is part of at least one winding in the recess of the stator and part of the winding on the outside of the Stators is arranged.

Im Rahmen einer zusätzlichen Weiterbildung ist die mindestens eine Ausnehmung und/oder der Stator Wicklungen eines Teiltransformators umfasst.in the Framework of an additional Further development is the at least one recess and / or the stator Windings of a partial transformer includes.

Insbesondere umfasst die mindestens eine Wicklung Wicklungen mindestens eines Teiltransformators.Especially the at least one winding comprises windings of at least one winding Part transformer.

Eine nächste Weiterbildung besteht darin, dass mehrere Teiltransformatoren miteinander parallel und/oder seriell geschaltet sind insbesondere derart, dass ein Übersetzungsverhältnis einstellbar ist.A next Further development is that several partial transformers with each other connected in parallel and / or in series are in particular such that a transmission ratio adjustable is.

Ferner kann auch durch die Windungszahl der Wicklungen des jeweiligen Teiltransformators das Übersetzungsverhältnis eingestellt werden.Further can also be determined by the number of turns of the windings of the respective sub-transformer set the gear ratio become.

Eine Ausgestaltung ist es, dass die Teiltransformatoren in Gruppen zusammengefasst sind, wobei die Anzahl der Gruppen einer Anzahl der Phasen der elektrischen Maschine entspricht, wobei insbesondere ein Leistungsfluss für jede Gruppe getrennt steuerbar ist.A Embodiment is that the partial transformers combined into groups are, wherein the number of groups of a number of phases of the electric Machine corresponds, in particular, a power flow for each group is separately controllable.

Insbesondere kann pro Gruppe ein Teiltransformator vorgesehen sein. Beispielsweise können die Gruppen auch jeweils eine gleiche Anzahl von Teiltransformatoren umfassen.Especially can be provided per group, a partial transformer. For example can they Groups also each have an equal number of partial transformers include.

Dadurch ist es möglich, dass nur diejenigen Bereiche des Jochs für eine transformatorische Leistungsübertragung genutzt werden, die nicht bereits aufgrund eines elektromotorischen Drehmoments von einem magnetischen Fluss durchsetzt sind.Thereby Is it possible, that only those areas of the yoke for a transformer power transmission are not already used due to an electromotive Torque of a magnetic flux are interspersed.

Eine alternative Ausführungsform besteht darin, dass der Leistungsfluss der Gruppen derart steuerbar ist, dass ein vorgegebener Sättigungswert des Magnetkreises der elektrischen Maschine eingehalten wird.A alternative embodiment is that the power flow of the groups so controllable is that a given saturation value of Magnetic circuit of the electric machine is maintained.

Eine nächste Ausgestaltung ist es, dass eine Steuerung vorgesehen ist für die mindestens eine Wicklung, insbesondere für mindestens einen die mindestens eine Wicklung umfassenden Transformator, wobei die Steuerung in Abhängigkeit mindestens einer der folgenden Parameter einstellbar ist:

– einer Impedanz;
– einer notwendigen oder vorgegebenen Regelungsgüte;
– einer bevorzugten Energieflussrichtung.

A next refinement is that a controller is provided for the at least one winding, in particular for at least one transformer comprising the at least one winding, wherein the controller can be set as a function of at least one of the following parameters:

An impedance;
- a necessary or prescribed regulatory quality;
A preferred energy flow direction.

Auch ist es eine Ausgestaltung, dass für jeden mindestens einen Transformator eine Steuereinrichtung vorgesehen ist.Also It is an embodiment that for every at least one transformer a control device is provided.

Eine andere Ausgestaltung ist es, dass der mindestens eine Transformator derart ansteuerbar ist, dass eine Sättigung des Magnetkreises durch ein Zusammenwirken von elektromechanischer und transformatorischer Energieübertragung einen vorgegebenen Wert nicht überschreitet.A Another embodiment is that the at least one transformer is controlled such that a saturation of the magnetic circuit by an interaction of electromechanical and transformatory power transmission does not exceed a predetermined value.

Eine Weiterbildung besteht darin, dass anhand eines Arbeitspunkts der elektrischen Maschine eine vorgegebene Übertragungsleistung für den mindestens einen Transformator einstellbar ist.A Continuing education is based on a working point of the electric machine a predetermined transmission power for the at least a transformer is adjustable.

Eine zusätzliche Ausgestaltung ist es, dass die Steuerung eine Ansteuerung des mindestens einen Transformators aussetzt, falls der Magnetkreis durch die elektrische Maschine stark oder vollständig genutzt wird und dass die Steuerung den mindestens einen Transformator aktiviert, falls die elektrische Maschine nur geringfügig oder gar nicht genutzt wird.A additional Embodiment is that the controller is a control of at least a transformer, if the magnetic circuit by the electric Machine used heavily or completely and that the controller activates the at least one transformer, if the electrical machine is used only slightly or not at all becomes.

Die elektrische Maschine kann insbesondere als Motor oder als Generator genutzt werden. Eine starke Nutzung bzw. eine geringfügige Nutzung der elektrischen Maschine kann mittels eines Schwellwertvergleichs festgestellt werden. So kann bei Überschreiten eines vorgegebenen oberen Schwellwerts eine starke Nutzung und entsprechend bei Unterschreiten eines entsprechend vorgegebenen unteren Schwellwerts eine geringfügige Nutzung festgestellt werden. Dies ermöglicht entsprechend die Aktivierung und/oder Teilaktivierung der transformatorischen Aufgabe bzw. der Aktivierung der für den mindestens einen Transformator vorgesehenen Steuerung.The Electric machine can be used in particular as a motor or as a generator be used. A heavy use or a minor use the electric machine can by means of a threshold comparison be determined. Thus, when exceeding a predetermined upper threshold a strong use and accordingly below a correspondingly predetermined lower threshold a slight use be determined. this makes possible according to the activation and / or partial activation of the transformatory Task or the activation of the at least one transformer provided control.

Hierbei sei angemerkt, dass auch überlappende Betriebsmodi möglich sind, z. B. eine teilweise, abgeschwächte oder zeitlich begrenzte Wahrnehmung der transformatorischen Aufgabe in einem Betriebsbereich der elektrischen Maschine zwischen ihren möglichen Betriebszuständen (aus, Volllast).in this connection It should be noted that overlapping Operating modes possible are, for. B. a partial, weakened or temporary Perception of the transformational task in an operating area of the electrical machine between its possible operating states (off, Full load).

Insbesondere können die Arbeitspunkte der transformatorischen Aufgabe und/oder der elektromotorischen Aufgabe kontinuierlich einstellbar sein.Especially can the operating points of the transformer task and / or the electromotive Task be continuously adjustable.

Auch wird die Aufgabe gelöst mittels eines Verfahrens zum Betrieb der hierin beschriebenen elektrischen Maschine.Also the task is solved by means of a method for operating the electrical described herein Machine.

Weiterhin wird die Aufgabe gelöst durch ein Kraftfahrzeug umfassend mindestens eine elektrische Maschine gemäß der vorliegenden Beschreibung.Farther the task is solved by a motor vehicle comprising at least one electric machine according to the present Description.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen dargestellt und erläutert.embodiments The invention are illustrated below with reference to the drawings and explained.

Es zeigen:It demonstrate:

1 zwei Schnittzeichnungen durch eine elektrische Maschine umfassend einen Stator und einen Rotor, wobei der Stator zumindest teilweise Transformatorwicklungen aufweist; 1 two sectional drawings through an electric machine comprising a stator and a rotor, wherein the stator at least partially has transformer windings;

2 einen Blechschnitt durch einen Stator umfassend Ausnehmungen zur Aufnahme von Wicklungen z. B. eines Transformators zur Energieübertragung zwischen verschiedenen Bordnetzen eines Fahrzeugs; 2 a sheet metal section through a stator comprising recesses for receiving windings z. B. a transformer for power transmission between various electrical systems of a vehicle;

3 einen Blechschnitt durch einen Stator umfassend Ausnehmungen zur Aufnahme von Wicklungen, wobei ein Teil der Wicklungen an der Außenseite des Stators angeordnet ist; 3 a laminated section through a stator comprising recesses for receiving windings, wherein a part of the windings is arranged on the outside of the stator;

4 einen Blechschnitt durch einen Stator umfassend Ausnehmungen zur Aufnahme von Wicklungen, wobei die Ausnehmungen zueinander versetzt angeordnet sind; 4 a sheet metal section through a stator comprising recesses for receiving windings, wherein the recesses are arranged offset to one another;

5 einen Blechschnitt durch einen Stator, wobei Wicklungen in Aussparungen des Stators angeordnet sind und im wesentlichen der Jochquerschnitt des Stators als Transformator genutzt wird; 5 a laminated section through a stator, wherein windings are arranged in recesses of the stator and is used essentially as the Jochquerschnitt of the stator as a transformer;

6 eine Anordnung für eine beispielhafte Gruppierung von Wicklungen einer 3-phasigen elektrischen Maschine in Sternschaltung; 6 an arrangement for an exemplary grouping of windings of a three-phase electric machine in star connection;

7 eine Anordnung für eine beispielhafte Gruppierung von Wicklungen einer 3-phasigen elektrischen Maschine in Sternschaltung, wobei ein Sternpunkt der elektrischen Maschine auch für die Steuerung der Transformatoren genutzt wird. 7 an arrangement for an exemplary grouping of windings of a three-phase electric machine in star connection, wherein a neutral point of the electric machine is also used for the control of the transformers.

Der hier vorliegende Ansatz ermöglicht eine sichere elektrische Trennung von Bordnetzbereichen (gleicher oder unterschiedlicher Spannungen), indem ein magnetischer Kreis in einem Fahrzeug vorhandener elektrischer Motoren oder Generatoren effizient ausgenutzt wird.Of the this approach allows a safe electrical separation of electrical system areas (same or different voltages) by a magnetic circuit in a vehicle existing electric motors or generators is efficiently exploited.

Somit können Bauteile, die zumindest vorübergehend und/oder nicht vollständig für eine elektromechanische Energiewandlung der elektrischen Maschine eingesetzt sind, für eine transformatorische Energieübertragung zwischen verschiedenen Bordnetzteilen verwendet werden.Consequently can Components that, at least temporarily and / or not complete for one electromechanical energy conversion of the electric machine used are for a transformatory energy transfer be used between different on-board power supply units.

So wird beispielsweise ein konventioneller Starter nach dem Start des Verbrennungsmotors abgeschaltet und ungenutzt im Fahrzeug mitgeführt. Weiterhin ist es durch das elektromotorische Prinzip bedingt, dass zur Erzeugung einer mechanischen Bewegung nur Teile des magnetischen Kreises zur Krafterzeugung genutzt werden und dabei andere Teile des gleichen magnetischen Kreises ungenutzt sind. So wechseln sich beispielsweise bei einer bekannten Drehfeldmaschine Bereiche hoher und niedriger magnetischer Auslastung in räumlicher und zeitlicher Abfolge ab.So For example, a conventional starter will start after the start of the Internal combustion engine switched off and carried unused in the vehicle. Farther It is due to the electromotive principle that for generating a mechanical movement only parts of the magnetic circuit for power generation be used while keeping other parts of the same magnetic Circle are unused. For example, one person changes known induction machine areas of high and low magnetic Utilization in spatial and time sequence.

Der hier vorliegende Lösungsansatz ermöglicht es, die Bereiche niedriger magnetischer Auslastung für die transformatorische Kopplung der verschiedenen Bordnetzbereiche so einzusetzen, dass die elektromechanische Energiewandlung in der elektrischen Maschine nicht nachteilig beeinflusst wird und insbesondere weder die für die eigentliche Aufgabe der elektrischen Maschine erforderliche Leistungsdichte vermindert wird noch während des Betriebes energetisch nachteilige Kopplungen zwischen der elektromotorischen Aufgabe und der transformatorischen Aufgabe der elektrischen Maschine entstehen.Of the here present solution allows it, the areas of low magnetic utilization for the transformatory To use the coupling of the different electrical system areas in such a way that the electromechanical energy conversion in the electric machine is not adversely affected and in particular neither for the actual task reduced power density required for the electrical machine will still be during the operation energetically disadvantageous couplings between the electromotive Task and the transformational task of the electrical machine arise.

Diese Lösung ist unabhängig von einem elektromagnetischen Wirkprinzip der Maschine, d. h. die Lösung ist für alle bekannten Maschinentypen (Prinzip der Felderzeugung, Wicklungsaufbau, Phasenzahl, Polteilung/-anzahl, Stator-/Läuferanordnung, Linear-/Rotationsaktor etc.) anwendbar.These solution is independent from an electromagnetic operating principle of the machine, d. H. the solution is for All known types of machines (principle of field generation, winding structure, Number of phases, pole pitch / number, stator / rotor arrangement, Linear / rotary actuator, etc.) applicable.

Wicklungsaufbau:Winding construction:

1 zeigt zwei Schnitte 101 und 102 durch eine elektrische Maschine umfassend einen Stator 103 und einen Rotor 104, wobei zwischen dem Stator 103 und dem Rotor 104 ein Luftspalt 107 vorgesehen ist. Weiterhin sind eine Drehachse 105 und ein Wickelkopf 108 der elektrischen Maschine gezeigt. 1 shows two sections 101 and 102 by an electric machine comprising a stator 103 and a rotor 104 , being between the stator 103 and the rotor 104 an air gap 107 is provided. Furthermore, a rotation axis 105 and a winding head 108 shown the electric machine.

Der Stator 103 weist zusätzlich eine Wicklung 106 (z. B. eine Transformatorwicklung) auf, die z. B. für eine Energieübertragung zwischen Netzteilen eines Bordnetzes einsetzbar ist. Die Transformatorwicklung 106 ist funktional von der elektrischen Maschine getrennt, d. h. sie leistet keinen Beitrag zu der elektromotorischen Aufgabe der elektrischen Maschine. Vielmehr wird effizient die Tatsache ausgenutzt, dass der Stator Elektroblech aufweist, das für weitere Wicklungen genutzt werden kann und dass die elektrische Maschine zumindest zeitweise die elektromotorische Aufgabe nicht zu 100% erfüllen muss (Stillstand, Starter-Funktion, etc.).The stator 103 additionally has a wick lung 106 (For example, a transformer winding), the z. B. can be used for energy transfer between power supplies of a vehicle electrical system. The transformer winding 106 is functionally separated from the electric machine, ie it makes no contribution to the electromotive task of the electric machine. Rather, the fact is efficiently exploited that the stator has electrical steel, which can be used for other windings and that the electric machine, at least temporarily, the electromotive task does not have to meet 100% (standstill, starter function, etc.).

In der Ausführungsform 101 ist die Transformatorwicklung 106 teilweise außerhalb der Stators 103 angeordnet, während in der Ausführungsform 102 die Transformatorwicklung 106 in Hin- und Rückrichtung durch den Stator 103 geführt ist.In the embodiment 101 is the transformer winding 106 partly outside the stator 103 while in the embodiment 102 the transformer winding 106 in back and forth direction through the stator 103 is guided.

Vorzugsweise ist die Transformatorwicklung 106 zumindest teilweise in einem Statorjoch angeordnet. Hierbei sei angemerkt, dass eine Vielzahl von Transformatorwicklungen vorgesehen sein kann. In 1 ist symbolisch eine einzelne Wicklung dargestellt.Preferably, the transformer winding 106 at least partially arranged in a stator yoke. It should be noted that a plurality of transformer windings may be provided. In 1 symbolically represents a single winding.

Vorzugsweise ist in Bereichen eines Statorjochs einer elektrischen Maschine mindestens eine (zusätzliche) Aussparung in einem Elektroblech vorgesehen, in der die zusätzlichen Wicklungen für einen Transformator angeordnet sind.Preferably is at least in areas of a stator yoke of an electric machine an additional) Recess provided in an electrical sheet, in which the additional Windings for a transformer are arranged.

2 zeigt beispielhaft einen Blechschnitt durch einen Stator umfassend Ausnehmungen 201 zur Aufnahme von Wicklungen z. B. eines Transformators zur Energieübertragung zwischen verschiedenen Bordnetzen eines Fahrzeugs. 2 shows an example of a sheet metal section through a stator comprising recesses 201 for receiving windings z. B. a transformer for power transmission between various electrical systems of a vehicle.

Die Ausnehmung 201 umfasst beispielhaft Wicklungen 202, 203 in unterschiedliche Richtungen.The recess 201 includes exemplary windings 202 . 203 in different directions.

Beispielhaft sind die transformatorischen Wicklungen 202 in die an die Zähne der üblichen Motorwicklungen angrenzenden Jochabschnitte eingebracht und die Wicklungen des Transformators sind als Mehrkammerwicklungen insbesondere mit einer hochwertigen elektrischer Isolierung ausgeführt.Exemplary are the transformer windings 202 introduced into the adjacent to the teeth of the usual motor windings yoke sections and the windings of the transformer are designed as multi-chamber windings, in particular with a high-quality electrical insulation.

Dabei bildet beispielsweise jeder mit einer Ausnehmung versehene Bereich des Joches einen Teiltransformator.there forms, for example, each provided with a recess area of the yoke a partial transformer.

Durch Serienschaltung und/oder Parallelschaltung der Wicklungen der Teiltransformatoren ist eine Anpassung des Übersetzungsverhältnisses an unterschiedliche Spannungen der verschiedenen Bordnetzbereiche möglich. Ferner kann das Übersetzungsverhältnis über Windungszahlen innerhalb der Teiltransformatoren vorgegeben werden.By Series connection and / or parallel connection of the windings of the partial transformers is an adaptation of the gear ratio to different voltages of the various wiring systems areas possible. Furthermore, the gear ratio over turns numbers be specified within the partial transformers.

Auch ist eine gemischte Serien-Parallel-Schaltung der Wicklungen bzw. der Teiltransformatoren möglich. Weiterhin ist es möglich, zumindest einige Ausnehmungen nur mit Windungen einer Wicklung zu versehen und dadurch die Streuinduktivität des Transformators bzw. der (Teil-)Transformatoren zu erhöhen bzw. eine oder mehrere Drosseln (z. B. zum Einsatz in einem Hochsetzsteller oder in einem Tiefsetzsteller) zu bilden. Ferner können Transformatoren mit nur einem Wicklungssystem (z. B. Spartransformatoren) als auch Transformatoren mit Anzapfungen sowie Transformatoren mit einer Vielzahl potentialgetrennter Wicklungen ausgeführt sein. Darüber hinaus ist es eine Alternative, bei vielteiligen Bordnetzen mit Teiltransformatoren jeweils verschiedene Bordnetzbereiche miteinander zu verbinden.Also is a mixed series-parallel circuit of the windings or the partial transformers possible. Furthermore, it is possible at least some recesses only with turns of a winding too provided and thereby the leakage inductance of the transformer or the Increase (partial) transformers or one or more throttles (eg for use in a boost converter or in a buck converter). Furthermore, transformers with only one winding system (eg autotransformers) as well Transformers with taps and transformers with a variety be executed isolated potential windings. Furthermore It is an alternative in multi-part on-board networks with partial transformers each to connect different wiring systems areas together.

Eine weiterer Ansatz besteht darin, die einzelnen Teiltransformatoren so zu Gruppen zu verschalten, dass die Anzahl der Gruppen mit der Anzahl der Phasen des Elektromotors übereinstimmen und ein Leistungsfluss für jede Transformatorgruppe separat gesteuert werden kann. Dadurch ist es möglich, nur diejenigen Bereiche des Jochs für eine transformatorische Leistungsübertragung zu nutzen, die nicht bereits aufgrund eines elektromotorischen Drehmoments von einem magnetischen Fluss durchsetzt sind. Entsprechend können die jeweiligen Aussteuerung der Teiltransformatoren in allen Bereichen derart begrenzt werden, dass ein vorgegebener Sättigungswert des Magnetkreises in keinem Bereich überschritten wird und zugleich die vorgesehene Transformatorleistung effizient (z. B. maximal) ausgenutzt werden kann.A Another approach is the individual partial transformers to group so that the number of groups with the Number of phases of the electric motor match and a power flow for every Transformer group can be controlled separately. That's it possible, only those portions of the yoke for transformer power transmission to use that not already due to an electromotive torque are interspersed by a magnetic flux. Accordingly, the respective modulation of the partial transformers in all areas such be limited that a predetermined saturation value of the magnetic circuit exceeded in any area and at the same time the planned transformer performance is efficient (eg maximum) can be exploited.

Optional kann eine Ausnehmung in den Bereichen des Jochs entfallen und stattdessen kann der Stator der Elektromaschine als magnetischer Kreis des Transformators genutzt werden. Dabei werden gemäß der in 3 gezeigten Ausführungsform die einzelnen Wicklungen derart um das Joch gelegt, dass ein Teil der Wicklung in der Nut und der andere Teil der Wicklung an der Außenseite des Stators angeordnet ist. Somit wird das Statoreisen als ein Ringkerntransformator benutzt. Das Wicklungssystem kann wieder als Drossel, potentialgetrennt, als Spartransformator und/oder als Trenntransformator o. ä. ausgeführt sein.Optionally, a recess in the areas of the yoke can be omitted and instead the stator of the electric machine can be used as the magnetic circuit of the transformer. In this case, according to the in 3 In the embodiment shown, the individual windings are placed around the yoke such that one part of the winding is arranged in the groove and the other part of the winding is arranged on the outside of the stator. Thus, the stator iron is used as a toroidal transformer. The winding system can again be designed as a choke, electrically isolated, as an autotransformer and / or as an isolating transformer or the like.

Bei entsprechender Anordnung der einzelnen Windungen lässt sich die Verknüpfung mit einem Hauptenergiefluss der Elektromaschine derart beeinflussen, dass diesem Hauptenergiefluss keine Leistung entnommen wird, da sich der gesamte elektromotorisch erzeugte magnetische Fluss in Umfangsrichtung zu Null ergibt, was bei Maschinen mit mehr als einem Polpaar auch für Teilbereiche des Maschinenumfangs gilt. Ebenso lässt sich mittels der Anordnung eine energetische Wechselwirkung mit dem Hauptenergiefluss der Maschine erreichen (z. B. durch in Bezug auf das bekannte Wicklungssystem des Elektromotors asymmetrische Segmentierung der zusätzlichen transformatorischen Wicklungen).With appropriate arrangement of the individual windings, the linkage with a main energy flow of the electric machine can be influenced such that no power is taken from this main energy flow, since the total electromotive magnetic flux generated in the circumferential direction to zero, which is also true for machines with more than one pole pair Subareas of the machine scope applies. Likewise, by means of the arrangement, an energetic interaction with the Reach the main energy flow of the machine (eg by asymmetric segmentation of the additional transformer windings with respect to the known winding system of the electric motor).

Beispielhaft zeigt 4 einen Blechschnitt durch einen Stator umfassend Ausnehmungen zur Aufnahme von Wicklungen, wobei die Ausnehmungen zueinander versetzt angeordnet sind. Ein anderes Beispiel ist in 5 dargestellt mit einem Blechschnitt durch einen Stator, wobei Wicklungen in Aussparungen des Stators angeordnet sind und im wesentlichen der Jochquerschnitt des Stators als Transformator genutzt wird.Exemplary shows 4 a sheet metal section through a stator comprising recesses for receiving windings, wherein the recesses are arranged offset to one another. Another example is in 5 illustrated with a laminated section through a stator, wherein windings are arranged in recesses of the stator and is used essentially the Jochquerschnitt of the stator as a transformer.

Eine anderer Ausführungsform sieht vor, solche Bereiche eines Motoreisens für den Transformator zu nutzen, die bislang keine Bedeutung für die Führung eines magnetischen Flusses hatten und beispielsweise lediglich aus konstruktiven Gründen vorhanden sind (z. B. Außenkonturanpassung des Motors an vorgegebene Geometrien).A another embodiment intends to use such areas of a motor iron for the transformer, so far no meaning for the leadership had a magnetic flux and, for example, only out constructive reasons are present (eg outer contour adjustment the motor to given geometries).

Beispielsweise können bei rechtwinkligen Außenkonturen des Motoreisens die außen liegenden Ecken zur Einbringung transformatorischer Wicklungen vorgesehen sein.For example can with right-angled outer contours of the engine iron the outside lying corners provided for introducing transformer windings be.

Weiterhin sind die vorgenannten Wicklungsanordnungen miteinander kombinierbar.Farther the aforementioned winding arrangements can be combined with one another.

Steuerung:Control:

Eine Steuerung der transformatorischen Wicklungen kann abhängig von deren Impedanz, von einer notwendigen oder vorgegebenen Regelungsgüte und/oder von einer bevorzugten Energieflussrichtung erfolgen insbesondere mittels gesteuerter Schaltungen auf Primär- und Sekundärseite der Transformatoren als auch mittels mechanischen Kommutierungseinrichtungen und/oder einfachen Gleichrichtern.A Control of the transformer windings may depend on their impedance, of a necessary or predetermined control quality and / or in particular, from a preferred direction of energy flow by means of controlled circuits on the primary and secondary side of the transformers as well as by means of mechanical commutation and / or simple rectifiers.

Ebenso ist es möglich, die verschiedenen Teiltransformatoren mit eigenen Steuereinrichtungen auszustatten. Hierbei können bekannte Steuereinrichtungen für Transformatoren, Übertrager bzw. DC-DC-Wandler eingesetzt werden. Vorzugsweise wird die Steuerung der Transformatoren räumlich, technologisch und funktional in die Steuerung des Elektromotors integriert.As well Is it possible, equip the various partial transformers with their own control devices. Here you can known control devices for Transformers, transformers or DC-DC converter can be used. Preferably, the controller becomes the transformers spatial, technological and functionally integrated into the control of the electric motor.

Beispielsweise können die einzelnen Wicklungen der Teiltransformatoren mit einem Sternpunkt der elektrischen Maschine verschalten werden. Hierdurch kann der Aufwand für die Steuerung deutlich reduziert werden.For example can the individual windings of the partial transformers with a star point of be interconnected electrical machine. This can be the effort for the Control can be significantly reduced.

Eine Steuerungsstrategie berücksichtigt insbesondere unterschiedliche Möglichkeiten der einzelnen Bordnetzbereiche und/oder Möglichkeiten elektromechanischer Energiewandlung, z. B. Energie über einen Zeitraum zu speichern und Belastungsschwankungen aus den Energiespeichern abzudecken. Aufgrund der Dynamik der elektromechanischen Energiewandlung bei vergleichsweise geringen Anforderungen an die Grundlast wird vorzugsweise die elektromechanische Energiewandlung der transformatorischen Benutzung des Magnetkreises vorangestellt.A Control strategy considered especially different options the individual wiring systems areas and / or possibilities electromechanical Energy conversion, z. B. energy over to store a period of time and load fluctuations from the energy stores cover. Due to the dynamics of electromechanical energy conversion at comparatively low base load requirements preferably the electromechanical energy conversion of the transformatory Preceded by the use of the magnetic circuit.

Bei hohen Anforderungen an die Kontinuität der Energieübertragung zwischen den verschiedenen Bordnetzbereichen können die Teiltransformatoren bereichsweise so angesteuert werden, dass die lokale Sättigung des Magnetkreises durch das Zusammenwirken von elektromechanischer und transformatorischer Energieübertragung einen vorgegebenen Wert (z. B. einen Maximalwert) nicht überschreitet. Hierfür wird beispielsweise die Sättigungscharakteristik der Elektromaschine in einer Software der Steuerung hinterlegt und aus einem aktuellen Arbeitspunkt der Elektromaschine (z. B. mittels Polradwinkel, Phasenströmen, Pulsmuster) wird die zulässige Übertragungsleistung eines jeden Teiltransformators ermittelt und mittels der jeweiligen Pulsmuster der Transformatorsteuerungen eingestellt.at high demands on the continuity of energy transfer between the various electrical system areas, the partial transformers be locally controlled so that the local saturation of the magnetic circuit by the interaction of electromechanical and transformer energy transfer does not exceed a predetermined value (eg a maximum value). Therefor becomes, for example, the saturation characteristic the electric machine deposited in a software of the controller and from a current operating point of the electric machine (eg by means of Rotor angle, phase currents, Pulse pattern) becomes the allowable transmission power of each sub-transformer determined and by means of the respective Pulse pattern of the transformer controls set.

Bei geringen Anforderungen an die Kontinuität der Energieübertragung zwischen den verschiedenen Bordnetzbereichen kann auf die bereichsweise Unterteilung des Transformators in Teiltransformatoren sowie auf deren zumindest teilweise unabhängige Ansteuerung verzichtet werden. So kann die die transformatorisch zu übertragende Leistung insgesamt effizient an die elektromechanische Ausnutzung der Maschine angepasst werden. Beispielsweise wird die transformatorische Energieübertragung ausgesetzt, falls der Magnetkreis durch die motorische und/oder generatorische Belastung der Elektromaschine bereits in hohem Maße oder vollständig ausgenutzt ist. Die Übertragungsleistung kann hingegen maximiert werden, wenn die Elektromaschine nur mit geringem Drehmoment oder überhaupt nicht als Motor und/oder Generator arbeitet, aber zugleich Energieinhalte bestimmter Bordnetzbereiche auszugleichen sind. Zwischen diesen beiden Extrema der Ansteuerung sind die Arbeitspunkte insbesondere kontinuierlich einstellbar.at low demands on the continuity of energy transfer between the various on-board network areas may be on the area Subdivision of the transformer in partial transformers as well as on whose at least partially independent Control can be dispensed with. So can the transformatory to be transferred Total efficiency of the electromechanical utilization of the Machine to be customized. For example, the transformatory power transmission exposed if the magnetic circuit by the motor and / or generator load of the electric machine already to a large extent or Completely is exploited. The transmission power can be maximized, however, if the electric machine with only a small Torque or at all not working as a motor and / or generator, but at the same time energy content certain wiring systems areas are to be compensated. Between these Both extremes of the control are the operating points in particular continuously adjustable.

6 zeigt eine Anordnung für eine beispielhafte Gruppierung von Wicklungen einer 3-phasigen elektrischen Maschine in Sternschaltung. 6 shows an arrangement for an exemplary grouping of windings of a three-phase electric machine in star connection.

Die elektrische Maschine 600 umfasst Transformatoren 601 bis 603, die jeweils von der Funktion der elektrischen Maschine 600 getrennt und mit einer zugehörigen Steuerung 604 bis 606 verbunden sind und eine erste Spannungsebene 607 sowie eine zweite Spannungsebene 608 bereitstellen.The electric machine 600 includes transformers 601 to 603 , each of the function of the electric machine 600 separated and with an associated control 604 to 606 are connected and a first voltage level 607 and a second voltage level 608 provide.

Wicklungsstränge 609 bis 611 der elektrischen Maschine 600 sind einerseits mit einer Motorsteuerung 612 und andererseits mit einem Sternpunkt 613 der elektrischen Maschine 600 verbunden.windings 609 to 611 the electric machine 600 are on the one hand with a motor control 612 and on the other hand with a star point 613 the electric machine 600 connected.

7 zeigt eine Anordnung für eine beispielhafte Gruppierung von Wicklungen einer 3-phasigen elektrischen Maschine in Sternschaltung, wobei ein Sternpunkt der elektrischen Maschine für die Steuerung der Transformatoren genutzt wird. 7 shows an arrangement for an exemplary grouping of windings of a three-phase electric machine in star connection, wherein a neutral point of the electric machine is used for the control of the transformers.

Die elektrische Maschine 700 umfasst Transformatoren 701 bis 703, die jeweils von der Funktion der elektrischen Maschine 700 getrennt und mit einer zugehörigen Steuerung 704 bis 706 bzw. jeweils mit einem Sternpunkt 713 der elektrischen Maschine verbunden sind. Die Steuerungen 704 bis 706 sind mit einer ersten Spannungsebene 707 und mit einer zweiten Spannungsebene 708 verbunden.The electric machine 700 includes transformers 701 to 703 , each of the function of the electric machine 700 separated and with an associated control 704 to 706 or in each case with a star point 713 the electrical machine are connected. The controls 704 to 706 are at a first voltage level 707 and with a second voltage level 708 connected.

Wicklungsstränge 709 bis 711 der elektrischen Maschine 700 sind einerseits mit einer Motorsteuerung 712 und andererseits mit dem Sternpunkt 713 verbunden.windings 709 to 711 the electric machine 700 are on the one hand with a motor control 712 and on the other hand with the star point 713 connected.

Weitere Vorteile:Other advantages:

Durch den hier vorgestellten Ansatz wird der Aufwand für die Kopplung verschiedener Spannungsebenen insbesondere in einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs minimiert.By The approach presented here is the effort for the coupling of different Voltage levels, especially in a vehicle electrical system of a motor vehicle minimized.

Somit sind keine zusätzlichen magnetischen Elemente erforderlich. Unterschiedliche Funktionen können mittels einer gemeinsamen Technologiebasis in einer Komponente zusammengefasst werden. Eine Anschlusstechnik erfordert vorteilhaft lediglich einen reduzierten Aufwand. Ebenso bestehen reduzierte Anforderungen an konstruktive Aufwendungen für Verkabelung, Isolation, Kühlung und Gehäuse.Consequently are not additional magnetic elements required. Different functions can by means of a common technology base in one component become. A connection technique requires only one advantageous reduced effort. Likewise, there are reduced requirements constructive expenses for Cabling, insulation, cooling and housing.

Mit der Reduktion des Aufwandes einher geht eine Einsparung der Kosten für das System, des Bauraumes und des Gewichts. Verglichen mit einem herkömmlichen zwischen den Spannungsebenen verschalteten DC-/DC-Wandler gleicher Funktionalität reduzieren sich der Aufwand für Komplexität, Bauraum, Gewicht und Kosten um ca. 80%.With the reduction of the effort is accompanied by a saving of the costs for the System, installation space and weight. Compared with a conventional one DC / DC converters connected in the same way between the voltage levels functionality reduce the effort for Complexity, Space, weight and cost by about 80%.

Claims

Electric machine with at least one winding ( 106 . 202 . 203 ), which is functionally separate from the electric machine.

Electric machine according to Claim 1, in which the at least one winding ( 106 . 202 . 203 ) Part of at least one transformer ( 601 . 602 . 603 ) and / or at least one coil.

Electric machine according to Claim 2, in which the at least one transformer ( 601 . 602 . 603 ) can be used for energy transmission between different power supplies.

Electric machine according to one of the preceding claims, in which the at least one winding ( 106 . 202 . 203 ) is guided at least partially in, on or through an at least partially unused area of an electrical sheet or a motor of the electric machine.

Electric machine according to one of the preceding claims, - in which the electric machine has a stator ( 103 ) and - in which the at least one winding ( 106 . 202 . 203 ) at least partially in at least one recess ( 201 ) of the stator ( 103 ) and / or in at least one yoke of the stator ( 103 ) and / or on the outside of the stator ( 103 ) is arranged.

Electric machine according to Claim 5, in which a part of the at least one winding ( 106 . 202 . 203 ) in the at least one recess ( 201 ) of the stator ( 103 ) and part of the winding ( 106 . 202 . 203 ) on the outside of the stator ( 103 ) is arranged.

Electric machine according to one of claims 5 or 6, in which the at least one winding ( 106 . 202 . 203 ) comprises at least one partial transformer.

Electric machine according to claim 7, wherein several Partial transformers connected in parallel and / or in series are in particular such that a transmission ratio adjustable is.

Electric machine according to one of claims 7 or 8, in which the partial transformers are grouped together, wherein the number of groups of a number of phases of the electric machine corresponds, in particular, a power flow for each group is separately controllable.

Electric machine according to claim 9, wherein the Power flow of the groups is controllable such that a predetermined saturation value the magnetic circuit of the electric machine is maintained.

Electric machine according to one of the preceding claims, comprising a controller for the at least one winding, in particular for at least one transformer comprising the at least one winding, wherein the controller is adjustable in dependence on at least one of the following parameters: - An impedance; - a necessary or prescribed regulatory quality; A preferred energy flow direction.

An electric machine according to claim 11, wherein for each at least one transformer provided a control device is.

Electric machine according to one of claims 11 or 12, wherein the at least one transformer so controllable is that a saturation of the magnetic circuit by an interaction of electromechanical and transformer energy transfer does not exceed a predetermined value.

Electric machine according to claim 13, in which a working point of the electric machine a predetermined transmission power for the at least one transformer is adjustable.

Electric machine according to one of claims 11 to 14 - at the controller is a control of the at least one transformer if the magnetic circuit is strong due to the electric machine or completely is being used; - at the controller activates the at least one transformer, if the electric machine only with low torque or at all not working as motor and / or generator.

Method for operating the electric machine according to one of the preceding claims.

Motor vehicle comprising at least one electrical Machine according to one of the claims 1 to 15.