DE102010047994A1

DE102010047994A1 - Anordnung, insbesondere in einem Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102010047994A1
Application number: DE102010047994A
Authority: DE
Inventors: Ing. Winkler Josef; Prof. Dr. Pforr Johannes; Thomas Hackner
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2010-10-08
Filing date: 2010-10-08
Publication date: 2012-04-12

Abstract

Bei einer Schaltungsanordnung, bei der eine Niederspannungsseite über eine Drehfeldmaschine in Sternpunktschaltung und nachgeordnetem integrierten Hochsetzsteller mit einer Hochspannungsseite gekoppelt ist, wird die Drehfeldmaschine derart bewickelt, dass in die Nuten des Stators Wicklungskabel zur Bildung der Wicklungen derart eingebracht sind, dass über jedes Wicklungskabel (a1, b1, c1), welches in einer ersten Richtung von Strom durchflossen wird, ein Wicklungskabel (a2, b2, c2) angeordnet wird, das in entgegengesetzter Richtung von Strom durchflossen wird, insbesondere eben wenn ein Gleichstrom IDC fließt. Damit wird gewährleistet, dass die Drehfeldmaschine M besonders effizient arbeitet, weil die magnetische Wirkung des Gleichstroms in jeder Nut aufgehoben wird und dadurch die magnetische Wirkung eines Wechselstroms nicht beeinträchtigt wird, der für die Ansteuerung der Drehfeldmaschine benötigt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine entsprechende Schaltungsanordnung ist aus der CH 698 725 B1 bekannt, vergleiche auch aus dem weiteren Umfeld die EP 0 682 401 B1 und die US 7,023,171 B2 .
Die Erfindung betrifft die Thematik von Bordnetzen in Kraftfahrzeugen; es geht insbesondere darum, dass unterschiedliche Spannungsverbraucher eine unterschiedliche Bordnetzspannung benötigen, so dass zwei Teilbordnetze vorgesehen sind, eines mit niedrigerer Spannung von zum Beispiel 12 V Bordnetzspannung und eines mit etwas höherer Spannung, zum Beispiel von 24 V oder zum Beispiel auch von 42 V Bordnetzspannung.
Bei einer Anordnung, von der vorliegend ausgegangen ist, ist zum Beispiel eine Batterie der Niederspannungsseite unmittelbar mit einem ihrer Anschlüsse mit dem Sternpunkt der Sternpunktschaltung an der Drehfeldmaschine gekoppelt. Die Wicklungen der Drehfeldmaschine (Mehr-Phasen-Motor), bereitgestellt in Nuten von dessen Stator, stellen mehrere Phasenausgänge bereit. Die Phasenausgänge sind über einen Wechselrichter mit beiden Anschlüssen eines Kondensators gekoppelt, wobei der eine Anschluss so gekoppelt ist, dass die Durchlassrichtung vom Phasenausgang zu dem einen Anschluss auf der Hochspannungsseite verläuft, während der andere Anschluss der Hochspannungsseite so geschaltet ist, dass ausgehend von den Phasenausgängen die Sperrrichtung zu ihm hin verläuft. Mit anderen Worten umfasst die Anordnung einen an sich bekannten Hochsetzsteller. Statt eines Wechselrichters kann auch ein aktiver oder passiver Gleichrichter eingesetzt werden.
Bei der Anordnung der beschriebenen Art kann der Energiefluss zwischen der Seite höherer Spannung und der Seite niederer Spannung unabhängig vom Betrieb der Drehfeldmaschine gesteuert werden. Es kann insbesondere vorkommen, dass ein Gleichstrom durch die Drehfeldmaschine fließt.
Ein solcher Gleichstrom kann in der Drehfeldmaschine ein magnetisches Feld erzeugen. Wird dann dem Gleichstrom ein Wechselstrom überlagert, um die Drehfeldmaschine anzusteuern, dann entsteht gegebenenfalls eine partielle Sättigung. Mit dieser gehen Verluste beim Betrieb der Drehfeldmaschine einher: Der Gleichstrom kann ein Bremsmoment generieren, die Drehmomentenwelligkeit wird erhöht.
Es ist Aufgabe der Erfindung, dafür zu sorgen, dass die Verluste beim Betrieb der Drehfeldmaschine möglichst gering sind.
Die Aufgabe wird durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Erfindungsgemäß sind somit die Führungskabel zur Bildung der Wicklungen derart in die Nuten des Stators der Drehfeldmaschine eingebracht, dass über jedem Wicklungskabel, das in einer ersten Richtung von Strom durchflossen wird (wenn ein Gleichstrom über den Sternpunkt fließt), ein Wicklungskabel angeordnet ist, das in entgegengesetzter Richtung von Strom durchflossen wird (bei dem selben Gleichstrom).
Bei der Erfindung entsteht zwar durch den Fluss von Gleichstrom in einem Wicklungskabel ein Magnetfeld, dies wird aber durch das weitere Wicklungskabel in der selben Nut im Wesentlichen genau ausgeglichen (kompensiert). Somit kommt es nur zu einem vernachlässigbar kleinen magnetischen Feld im Stator, und der Gleichstrom hat keine Auswirkung auf das magnetische Feld bei der Überlagerung mit Wechselstrom, es gibt somit nicht die beschriebenen Verluste dadurch, dass der Gleichstrom ein Bremsmoment erzeugt; die Drehmomentenwelligkeit wird auch nicht erhöht. Es können sich auch mehrere Leiter in einer Nut befinden. Wichtig ist nur, dass das magnetische Feld das durch den Gleichstrom hervorgerufen wird in jeder Nut kompensiert wird.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist über jedem Wicklungskabel einer ersten Wicklung ein Wicklungskabel einer anderen Wicklung angeordnet. Durch eine geeignete Versetzung lässt sich zum Beispiel bewirken, dass bei jedem Wicklungskabel der ersten Wicklung ein Wicklungskabel einer dritten Wicklung angeordnet ist, über jedem Wicklungskabel einer zweiten Wicklung ein Wicklungskabel der ersten Wicklung angeordnet ist und über jedem Wicklungskabel der dritten Wicklung ein Wicklungskabel der zweiten Wicklung angeordnet ist. Alternativ kann, wenn man den einzelnen Nuten des Stators eine Winkelstellung zuordnet, jede Wicklung so gebildet sein, dass das eine Kabel in der Nut mit der Drehstellung φ zuunterst zu liegen kommt, während das andere Kabel in der Nut mit der Drehstellung φ +180° zuoberst zu liegen kommt.
Nachfolgend wird die Erfindung in einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezug auf die Zeichnung beschrieben, in der
1 eine Schaltungsanordnung zeigt, wie sie in einem Kraftfahrzeug mit zwei Teilbordnetzen bei der Erfindung vorgesehen ist, und
2 schematisch ein Wicklungsschema veranschaulicht, das bei der Drehfeldmaschine aus der Schaltungsordnung aus 1 erfindungsgemäß eingesetzt wird.
Eine Batterie B ist Energiequelle für eine Niederspannungsseite in einem Kraftfahrzeug, das über zwei Teilbordnetze verfügt. Ein Kondensator C ist als Energiespeicher für eine Seite höherer Spannung, nämlich für ein zweites Teilbordnetz, bereitgestellt.
Die Batterie B und der Kondensator C sind über eine Drehfeldmaschine M und einen Wechselrichter miteinander gekoppelt. Die Drehfeldmaschine M ist in einer Sternpunktschaltung bereitgestellt, d. h. ihre Wicklungen – die Drehfeldmaschine ist ein Mehr-Phasen-Motor – sind in einem Sternpunkt SP zusammengeführt und mit ihrem anderen Ende als Phasenausgang P₁, P₂, P₃ ... bereitgestellt.
Jeder Phasenausgang P_i ist über einen Transistor T_i1 in Durchlassrichtung mit einem ersten Anschluss A₁' des Kondensators C gekoppelt. Der selbe Phasenanschluss P_i ist über einen zweiten Transistor T_i2 mit dem zweiten Anschluss A'₂ des Kondensators C gekoppelt, wobei hier die jeweiligen Transistoren T_i2 als Diode in Sperrrichtung geschaltet sind.
Bei einer solchen Anordnung mit der Drehfeldmaschine M in Sternpunktschaltung und nachfolgendem Wechselrichter kann die Drehfeldmaschine M mit einer höheren Spannung versorgt werden, als sie durch die Batterie B bereitgestellt ist.
Es kann nun zum Fließen eines Gleichstroms I_DC über die Drehfeldmaschine M kommen.
Es soll dafür gesorgt werden, dass nicht ein durch den Gleichstrom I_DC erzeugtes Magnetfeld ein Bremsmoment in der Drehfeldmaschine M bewirkt und das die Drehmomentenwelligkeit erhöht wird, so dass die Drehfeldmaschine M weniger effizient arbeitet.
Die Drehfeldmaschine M ist aus einem in der Figur nicht gezeigten Stator gebildet, in dem vorliegend 18 Nuten bereitgestellt seien, wobei sich in dem Stator der Rotor dreht.
Die Wicklungen sind nun auf ganz bestimmte Weise in den Nuten des Stators angeordnet, durch die verhindert wird, dass sich die Drehmomentenwelligkeit verringert: In jeder Nut der 18 Nuten des Stators ist zuunterst ein Wicklungskabel jeweils einer der Wicklungen angeordnet, jedes Wicklungskabel ist in einer anderen Nut zurückgeführt, wo es zuoberst liegt. Beispielsweise sind in den Nuten 4 bis 10 die Wicklungskabel der zweiten Wicklung, vorliegend mit b₁ bezeichnet, angeordnet. Diese Wicklungskabel werden in den um 180° versetzen Nuten, deren Zahl um +9 mod 18 verschieden ist, durchgeführt. Beispielsweise wird die Wicklung, die in der Nut 4 zuunterst angeordnet ist, in der Nut 4 + 9 = 13 zuoberst zurückgeführt. Die Wicklung, die in der Nut 8 angeordnet ist, wird in der Nut 8 + 9 = 17 zurückgeführt.
Gleiches gilt für die weiteren Wicklungen: Beispielsweise ist für die erste Wicklung ein Wicklungskabel in die eine Richtung führend, in 2 mit a₁ bezeichnet, in der Nut 16 angeordnet, und das rückführende Kabel in der Nut 16 + 9 – 18 = 7, also in der Nut 7 zurückgeführt, in 2 als a₂ bezeichnet. Die dritte Wicklung ist mit ihren in die eine Richtung führenden Kabeln in den Nuten 10 bis 15 angeordnet, und die rückführenden Kabel finden sich in den Nuten 1 bis 6.
Dadurch, dass in jedem den Strom in die eine Richtung leitenden Kabel ein Kabel in der selben Nut gegenübersteht, das den Strom in die entgegengesetzte Richtung leitet, wird das durch den Gleichstrom I_DC entstehende Magnetfeld genau ausgeglichen, der über den Sternpunkt SP fließt, nicht aber das Magnetfeld, das durch Wechselstrom entsteht, welches für den Betrieb der Drehfeldmaschine notwendig ist.
Durch Verwendung des anhand von 2 erläuterten Wicklungsschemas bei der Schaltungsanordnung aus 1 wird eine Anordnung geschaffen, bei der die Drehfeldmaschine M besonders effizient arbeitet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

CH 698725 B1 [0001]
EP 0682401 B1 [0001]
US 7023171 B2 [0001]

Claims

Anordnung, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, in der zur Kopplung von zwei ersten Spannungsanschlüssen (a₁, a₂) einer ersten Seite mit zwei zweiten Spannungsanschlüssen (A'₁, A'₂) einer zweiten Seite, an denen eine höhere Spannung anliegt, als an den ersten Spannungsanschlüssen (A₁, A₂) eine Drehfeldmaschine (M) mit einem Stator und einem Rotor bereitgestellt ist, wobei in Nuten des Stators mehrere Wicklungen angeordnet sind, die in einer Sternpunktschaltung verbunden sind, von der der Sternpunkt (SP) mit einem (A₁) der ersten Spannungsanschlüsse gekoppelt ist, und von der eine Mehrzahl von Phasenausgängen (P₁, P₂, P₃, ...) jeweils über einen Wechselrichter oder einem passiven oder aktiven Gleichrichter mit einem (A'₁) der zweiten Spannungsanschlüsse gekoppelt sind als auch mit dem jeweils anderen (A₂, A'₂) der ersten und der zweiten Spannungsanschlüsse gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, dass Wicklungskabel (a₁, b₁, c₁; a₂, b₂, c₂, ...) zur Bildung der Wicklungen derart in die Nuten eingebracht sind, dass über jedem Wicklungskabel (a₁, b₁, c₁, ...), welches in einer ersten Richtung von Strom durchflossen wird, ein Wicklungskabel (a₂, b₂, c₂) angeordnet ist, das in entgegengesetzter Richtung von Strom durchflossen wird.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass über jedem Wicklungskabel einer ersten Wicklung ein Wicklungskabel einer anderen Wicklung angeordnet ist.