DE102014113489A1

DE102014113489A1 - Elektrische Maschine

Info

Publication number: DE102014113489A1
Application number: DE102014113489.3A
Authority: DE
Inventors: Adrian Patzak; Florian BACHHEIBL; Gurakuq Dajaku; Dieter Gerling
Original assignee: FEAAM GmbH; Universitaet der Bundeswehr Muenchen
Current assignee: Universitaet der Bundeswehr Muenchen; Molabo GmbH
Priority date: 2014-09-18
Filing date: 2014-09-18
Publication date: 2016-03-24
Also published as: CN105449879B; CN105449879A; US20160087497A1; US10170951B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Elektrische Maschine mit einem Stator (1). Der Stator (1) umfasst eine Vielzahl von Nuten (36) zur Aufnahme einer Statorwicklung. Je ein Leiterabschnitt (13) der Statorwicklung ist je Nut eingelegt. Die Leiterabschnitte (13) mindestens eines Polpaars sind auf einer ersten Seite des Stators miteinander kurzgeschlossen. Die Leiterabschnitte sind auf einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite des Stators jeweils mit einem Anschluss einer Stromversorgungseinheit verbunden. Die Stromversorgungseinheit umfasst zwei ringförmig ausgebildete Leiter (4, 5), zwischen denen mindestens ein leistungselektronisches Bauteil (3) angeordnet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Stator.
Beweglich zum Stator kann ein Rotor gelagert sein. Elektrische Maschinen können motorisch oder generatorisch betrieben werden.
Der Stator weist elektrische Wicklungen auf, welche an ein Stromsystem angeschlossen werden, das häufig mehrphasig ist.
Für Anwendungen mit mehr als zwei Spulen pro Pol pro Phase werden meist verteilte Wicklungen eingesetzt.
Der Hauptvorteil der verteilten Wicklungen liegt darin, dass die magnetomotorische Kraft im Luftspalt zwischen Stator und Rotor der Maschine weniger Oberwellenanteil, das heißt einen geringen Anteil unerwünschter Harmonischer der magnetomotorischen Kraft aufweist. Dadurch ergibt sich eine hohe Leistungsfähigkeit der Maschine mit geringen Rotorverlusten, geringen Geräuschen und wenig Vibrationsproblemen.
Ein Nachteil der verteilten Wicklung ist die aufwendige Fertigung.
Somit besteht Bedarf nach einer elektrischen Maschine, welche die guten elektrischen Eigenschaften einer verteilten Wicklung mit dem Vorteil eines geringen Fertigungsaufwands verbindet.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
In einer Ausführungsform ist eine Maschine mit einem Stator vorgesehen. Der Stator umfasst eine Vielzahl von Nuten, die zwischen benachbarten Zähnen des Stators gebildet sind. Die Nuten dienen zur Aufnahme einer Statorwicklung. In jede Nut ist je ein Leiterabschnitt der Statorwicklung eingelegt. Die Leiterabschnitte mindestens eines Polpaares sind auf einer ersten Seite des Stators miteinander kurzgeschlossen. Auf einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite des Stators sind die freien Enden der Leiterabschnitte mit einem Anschluss einer Stromversorgungseinheit verbunden. Die Stromversorgungseinheit umfasst zwei ringförmig ausgebildete elektrische Leiter, zwischen denen mindestens ein leistungselektronisches Bauteil angeordnet ist.
Das leistungselektronische Bauteil ist einem oder mehreren Leiterabschnitten zugeordnet.
Nach dem vorgeschlagenen Prinzip sind die eingangs erwähnten statorseitigen verteilten Wicklungen durch eine konzentrierte Wicklung ersetzt, die weiterhin dahingehend vereinfacht ist, dass sie einen Leiterabschnitt pro Nut aufweist und somit die Leiterabschnitte beispielsweise im Wesentlichen geradlinig in axialer Richtung ausgeführt sein können.
Beispielsweise können hohe Stromstärken bei geringer Spannung zum Einsatz kommen, um eine magnetomotorische Kraft gleicher Größenordnung wie bei konventionellen Maschinen mit verteilter Wicklung zu erzielen.
Die Integration der Leistungselektronik zwischen den zwei ringförmig ausgebildeten Leitern bedeutet einen besonders kompakten Aufbau der Maschine. Diese ringförmigen Leiter sind genauso wie das gegenüberliegende Kurzschlussmittel, welches beispielsweise als Kurzschlussring ausgeführt sein kann, sowie die Leiterabschnitte und damit die gesamte Maschine mit besonders geringem Aufwand herstellbar.
In einer Ausführungsform kontaktiert je ein leistungselektronisches Bauteil je einen Leiterabschnitt. Damit dient je ein leistungselektronisches Bauteil zur elektrischen Speisung je eines Leiterabschnitts.
Mit Vorteil können mehrere leistungselektronische Bauteile vorgesehen sein, die entlang des Umfangs des Stators verteilt jeweils zwischen den ringförmig ausgebildeten Leitern angeordnet sind.
Ein leistungselektronisches Bauteil umfasst bevorzugt mindestens einen Halbleiterschalter, eine Treiberschaltung für den Halbleiterschalter und mindestens einen Kondensator.
Man erkennt, dass der leistungselektronische Teil der Stromversorgungseinheit zur Speisung der Leiterabschnitte der Statorwicklung vollständig zwischen die ringförmig ausgebildeten Leiter integriert werden kann.
Damit ist der Aufbau der Maschine nicht nur mit besonders geringem Fertigungsaufwand verbunden, sondern zudem sehr kompakt.
In einer Ausführungsform weist das leistungselektronische Bauteil zwei Halbleiterschalter auf, von denen je einer mit je einem der ringförmig ausgebildeten Leiter elektrisch und mechanisch verbunden ist.
Mit Vorteil erfolgt diese Verbindung großflächig, um den hohen zu erwartenden Strömen Rechnung zu tragen.
Die Halbleiterschalter können beispielsweise in radialer Richtung großflächig mit den ringförmig ausgebildeten Leitern verbunden sein.
In einer alternativen Ausführungsform sind die Halbleiterschalter in axialer Richtung mit den ringförmig ausgebildeten Leitern verbunden.
Das leistungselektronische Bauteil kann in einer radialen Projektion vollständig innerhalb der ringförmig ausgebildeten Leiter angeordnet sein.
Alternativ können Teile des leistungselektronischen Bauteils über die Projektion in radialer Richtung der ringförmig ausgebildeten Leiter hinaus ragen. Der mindestens eine Kondensator kann sich beispielsweise in axialer Richtung über die ringförmig ausgebildeten Leiter hinaus erstrecken.
Einer der beiden ringförmig ausgebildeten Leiter kann eine positive elektrische Gleichspannungsversorgung realisieren. Ein anderer der beiden ringförmig ausgebildeten Leiter kann eine negative elektrische Gleichspannungsversorgung gewährleisten. Dies kann als DC-Bus verstanden werden.
Mit Vorteil sind die Halbleiterschalter zur Bildung einer Halbbrücke verschaltet.
Der mindestens eine Kondensator kann als Zwischenkreiskondensator ausgebildet sein. Dabei kann eine Serien- und/oder Parallelschaltung von mehreren Kondensatoren mit dazwischenliegender Stützmatrix aus leitenden und nichtleitenden Elementen vorgesehen sein.
Um die Verlustwärme der Halbleiterschalter und der weiteren Bauteile des leistungselektronischen Bauteils abzuführen, kann eine aktive Kühlung vorgesehen sein. Beispielsweise kann ein ringförmiger Kühlkanal zum Führen eines Fluids vorgesehen sein, der in mindestens einem der beiden ringförmigen Leiter, oder zwischen den beiden ringförmig angeordnet ist.
Somit kann die Verlustwärme direkt dort abgeführt werden, wo sie entsteht.
Die Stromversorgungseinheit kann dazu ausgelegt sein, je einen Leiterabschnitt mittels des jeweiligen leistungselektronischen Bauteils mit je einer eigenen elektrischen Phase zu versorgen.
Die vorgeschlagene Ausführung hat besondere Vorteile unter Gesichtspunkten der elektromagnetischen Verträglichkeit, da keine oberwellenbehafteten Wechselstromleitungen verlegt werden müssen. Es ist zudem kein separates Umrichtergehäuse erforderlich. Es sind keine Kabel zwischen einer separaten Leistungselektronik und der eigentlichen Maschine nötig, weil die Leistungselektronik an Stelle des bei konventionellen Maschinen vorhandenen Wickelkopfes platziert ist.
Die Anzahl der Phasen kann beispielsweise drei, vier, fünf oder mindestens zehn betragen.
Um einen besonders geringeren Fertigungsaufwand zu erzielen, können die Leiterabschnitte gerade ausgebildet sein. Die Leitrabschnitte können beispielsweise Aluminium-Stäbe, Kupfer-Stäbe oder Bronze-Stäbe oder Legierungen hiervon sein.
Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen sind nachfolgend an mehreren Ausführungsbeispielen anhand von Figuren näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 ein Ausführungsbeispiel einer Maschine nach dem vorgeschlagenen Prinzip in einer perspektivischen Ansicht,
2 das Beispiel von 1 in einem Querschnitt, wobei nur ein leistungselektronisches Bauteil gezeigt ist,
3 ein Ausführungsbeispiel eines leistungselektronischen Bauteils zwischen zwei ringförmig ausgebildeten Leitern nach dem vorgeschlagenen Prinzip,
4 das leistungselektronische Bauteil am Beispiel von 3,
5 ein zweites Ausführungsbeispiel eines leistungselektronischen Bauteils zwischen zwei ringförmig ausgebildeten Leitern nach dem vorgeschlagenen Prinzip,
6 das leistungselektronische Bauteil von 5,
7 ein drittes Ausführungsbeispiel eines leistungselektronischen Bauteils nach dem vorgeschlagenen Prinzip,
8 das leistungselektronische Bauteil von 7,
9 ein viertes Ausführungsbeispiel eines leistungselektronischen Bauteils nach dem vorgeschlagenen Prinzip,
10 das leistungselektronische Bauteil von 9,
11 ein Ausführungsbeispiel nach dem vorgeschlagenen Prinzip mit Kühlkanal,
12 ein weiteres Ausführungsbeispiel nach dem vorgeschlagenen Prinzip mit Kühlkanal,
13 ein Ausführungsbeispiel einer Halbbrücke,
14 ein Ausführungsbeispiel einer Halbbrücke mit Treiber,
15 ein Ausführungsbeispiel der Spannungsversorgung der Treiber,
16 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Spannungsversorgung der Treiber,
17 ein Ausführungsbeispiel des Treibers,
18 ein Ausführungsbeispiel einer Kondensatorbank,
19 ein Ausführungsbeispiel der Ansteuerung der leistungselektronischen Bauteile mit konzentrierter Logik,
20 ein Ausführungsbeispiel der Steuerung bei konzentrierter Logik für die Ausführung von 19,
21 ein Ausführungsbeispiel der Ansteuerung der leistungselektronischen Bauteile mit verteilter Logik,
22 ein Ausführungsbeispiel eines Steuerungsmoduls für die Ausführung von 21,
23 ein Ausführungsbeispiel einer zentralen Steuereinheit für die Steuerung gemäß 21,
24 das Ausführungsbeispiel von 1 anhand einer vereinfachten Darstellung und
25 ein noch weiteres Ausführungsbeispiel der Spannungsversorgung der Treiber.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer elektrischen Maschine nach dem vorgeschlagenen Prinzip. Die Maschine umfasst einen Stator 1. Der Stator 1 weist entlang des Umfangs verteilte Nuten 36 auf, welche sich in axialer Richtung geradlinig erstrecken. In jeder Nut 36 ist ein Leiterabschnitt 13 eingebracht. Hierzu wird auch auf die Darstellung gemäß 24 verwiesen.
Die Leiterabschnitte mindestens eines Polpaares sind auf der in 1 nicht sichtbaren Unterseite miteinander in einem Kurzschlussring kurzgeschlossen. Jedem Leiterabschnitt 13 ist ein leistungselektronisches Bauteil 3 zugeordnet, welches zwischen einem inneren ringförmig ausgebildeten Leiter 4 und einem äußeren ringförmig ausgebildeten Leiter 5 angeordnet ist. Innerhalb des inneren Leiters 4 befindet sich eine Steuerplatine 2. Die Steuerplatine weist mittig einen Durchbruch 29 für die Durchführung der Welle des Rotors auf.
Jedes leistungselektronische Bauteil 3 ist als Modul aufgebaut und umfasst eine Halbbrücke, wie später näher erläutert.
2 zeigt die axiale Sicht auf die zweite Seite des Ausführungsbeispiels von 1. Beispielhaft ist lediglich ein leistungselektronisches Bauteil 3 eingezeichnet, welches wiederum zwischen dem inneren ringförmig ausgebildeten Leiter 4 und dem äußeren ringförmig ausgebildeten Leiter 5 angeordnet ist. Weiterhin sind die Nuten 36 des Stators sichtbar, welche entlang des Umfangs des Stators verteilt sind und in denen jeweils die hier nicht eingezeichneten Leiterabschnitte angeordnet sind.
3 zeigt einen vereinfachten Ausschnitt des Ausführungsbeispiels von 1. Der Stator 1 mit den Nuten 36 und den Leiterabschnitten 13 ist in 3 nicht eingezeichnet. Zudem ist aus Gründen der Übersichtlichkeit lediglich eines der zahlreichen entlang des Umfangs verteilten leistungselektronischen Bauteile 3 eingezeichnet. Die beiden ringförmig ausgebildeten Leiter 4, 5 weisen jeweils einen rechteckigen Querschnitt auf. Beide liegen in einer gemeinsamen Ebene orthogonal zur Rotations-Symmetrieachse des Stators, die zugleich die Rotationsachse des Rotors ist. Man erkennt, dass das leistungselektronische Bauteil 3 weitgehend in einer radialen Projektion innerhalb der beiden ringförmig ausgebildeten Leiter 4, 5 angeordnet ist. Mittig ist ein Durchbruch 29 zur Aufnahme einer Rotorwelle vorgesehen.
4 zeigt das leistungselektronische Bauteil 3 von 1, 2 und 3 in einer Vergrößerung. Das leistungselektronische Bauteil 3 umfasst eine quaderförmige Grundplatte 6. Diese erstreckt sich in einer Längsrichtung in radialer Richtung. An den beiden Enden der Grundplatte 6 ist je ein Halbleiterschalter 7 angeordnet, so, dass einer der Halbleiterschalter 7 großflächig den inneren ringförmig ausgebildeten Leiter 4 und der andere Halbleiterschalter 7 den äußeren ringförmig ausgebildeten Leiter 5 kontaktiert. Die Halbleiterschalter selbst haben dabei eine im Wesentlichen quadratische Grundform. Weiter oberhalb der Halbleiterschalter 7 und zusätzlich innerhalb der beiden ringförmig ausgebildeten Leiter ist eine Treiberschaltung 8 vorgesehen, welche elektrisch mit den beiden Halbleiterschaltern 7 verbunden ist. Wiederum oberhalb der Treiberschaltung 8 sind zahlreiche Kondensatoren 9 angeordnet, welche von einer Stützmatrix 10 gehalten werden. Die Stützmatrix 10 umfasst leitende und nichtleitende Teile.
Die Grundplatte 6 ist auf ihrer Unterseite mit dem ihr zugeordneten, hier nicht eingezeichneten Leiterabschnitt 13 der Statorwicklung großflächig an deren Stirnseite verbunden.
Die Halbleiterschalter 7 können beispielsweise MOSFETs oder IGBTs sein.
Die beiden ringförmig ausgebildeten Leiter 4, 5 realisieren eine positive und eine negative Polarität eines Gleichspannungsbusses.
Die Verbindung der Halbleiterschalter 7 mit den ringförmig ausgebildeten Leitern 4, 5 kann beispielsweise durch Schweißen, Löten oder mittels Druck, welcher von einer Feder oder Klammer aufgebaut wird, erfolgen.
Die beiden ringförmig ausgebildeten Leiter 4, 5 können beispielsweise rund oder n-eckig ausgeführt werden, wie in 3 angedeutet.
Die Kondensatoren 9 werden durch Schweißen, Löten oder einem federnden Kontakt mit den ringförmig ausgebildeten Leitern 4, 5 verbunden. Die Stützmatrix 10 umfasst Leiterbahnen für eine kombinierte Parallel- und Serienschaltung der Kondensatoren 9. Diese Leiterbahnen können beispielsweise Kupfer oder Aluminium umfassen. Weiterhin ist eine Kunststoffhülle vorgesehen, welche den gesamten Aufbau zusammenhält.
Der elektrische Schaltaufbau wird später näher erläutert.
5 und 6 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel nach dem vorgeschlagenen Prinzip.
Das leistungselektronische Bauteil 3' von 5 und 6 stimmt weitgehend in Aufbau und Funktion mit dem von 3 und 4 überein, wobei im Unterschied bei 5 die Halbleiterschalter 7 nicht in axialer Richtung die ringförmigen Leiter 4, 5 kontaktieren, sondern in radialer Richtung.
Man erkennt, dass der Aufbau aus Kondensatoren 9 und Stützmatrix 10 bei 6 gegenüber 4 unverändert ist.
Die Treiberschaltung 8 ist jedoch verkürzt, um Platz für die in diesem Fall parallel zueinander ausgerichteten Halbleiterschalter 7 zu schaffen, die in diesem Beispiel bis an die Kondensatorbank 9, 10 heran reichen.
Die Halbleiterschalter 7 werden wiederum großflächig von einer Grundplatte 6' kontaktiert, welche in diesem Fall jedoch nicht als ebene Platte, sondern U-förmig ausgeführt ist. Damit schafft die Grundplatte 6' die Verbindung zwischen dem Leiterabschnitt 13 der Statorwicklung, welcher wiederum an ihrer Unterseite zu befestigen ist, und den Halbleiterschaltern 7. Bei diesem Aufbau ragen die Kondensatoren 9 über die ringförmig ausgebildeten Leiter 4, 5 des DC-Busses hinaus.
7 und 8 zeigen ein drittes Ausführungsbeispiel nach dem vorgeschlagenen Prinzip. Dieses Ausführungsbeispiel stimmt in Aufbau und Funktionsweise weitgehend mit dem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß 5 und 6 überein und wird insoweit nicht noch einmal beschrieben.
Im Unterschied zu 5 und 6 ist jedoch gemäß 7 und 8 vorgesehen, dass die Kondensatoren 9 des leistungselektronischen Bauteils 3'' nicht über die ringförmig ausgebildeten Leiter 4, 5 hinausragen.
Demgegenüber haben die ringförmig ausgebildeten Leiter 4, 5 eine deutlich größere Ausdehnung in axialer Richtung als bei der Ausführung gemäß 5 und 6.
9 und 10 zeigen ein viertes Ausführungsbeispiel des leistungselektronischen Bauteils 3'''. Die Kondensatorbank mit den Kondensatoren 9 und der Stützmatrix 10 ist wie bei 8 ausgeführt. Die Grundplatte 6'' ist wiederum U-förmig ausgebildet, umgreift die ringförmig ausgebildeten Leiter 4, 5 jedoch von außen. Somit sind die Halbleiterschalter 7 nicht innerhalb der ringförmig ausgebildeten Leiter parallel zueinander ausgerichtet, sondern außerhalb von den ringförmig ausgebildeten Leitern 4, 5 angeordnet und wiederum parallel ausgerichtet. Außerhalb bedeutet, dass einer der Halbleiterschalter 7 innerhalb des inneren ringförmig ausgebildeten Leiters 4 und der andere Halbleiterschalter 7 außerhalb des äußeren ringförmigen Leiters 5 angeordnet ist. Die Treiberschaltung 8 ist entsprechend verlängert.
11 zeigt eine Ausführungsform, welche eine Weiterbildung der Ausführungsform von 3 und 4 darstellt. Zur Kühlung des Systems sind die ringförmig ausgebildeten Leiter 4', 5' hohl ausgebildet, sodass sie von einem Kühlmedium in Form eines Fluids durchflossen werden können. Ein- und Ausleitung des Kühlmediums erfolgt über Flansche 11 an den ringförmig ausgebildeten Leitern 4, 5.
Das Kühlmedium braucht bei der vorliegenden Ausführung nicht entionisiert sein, denn die Spannungen zwischen den beiden Ringen 4', 5' sind zu gering, um signifikante Ströme zu treiben. Das Kühlmittel kann beispielsweise durch nichtleitende Schläuche von den Flanschen 11 zu den Ringen 4', 5' hin und von den Ringen 4', 5' weg transportiert werden. Je Ring 4', 5' kann beispielsweise einer der Flansche 11 als Zu- und einer als Abfluss dienen.
12 zeigt eine alternative Ausführung der Kühlung der leistungselektronischen Bauteile 3. Dabei ist zwischen den beiden ringförmig ausgebildeten Leiter 4, 5 ein kreisförmiger Kühlkanal 12 ausgebildet, welcher sich im Wesentlichen in radialer Richtung erstreckt und einen rechteckförmigen Querschnitt hat. Auch hier sind Flansche 11 zum Zu- beziehungsweise Ableiten eines Kühlmediums vorgesehen.
Diese Ausführung kann beispielsweise auf der Ausführung von 7 und 8 beruhen. Hierbei wird der von der U-förmigen Grundplatte 6' gebildete Hohlraum genutzt, um den Kühlkanal passieren zu lassen. Der Kühlkanal 12 ist somit innerhalb der U-förmigen Grundplatte 6' angeordnet.
In einer hier nicht gezeigten alternativen Variante ist die Kühlung derart ausgeführt, dass die leistungselektronischen Bauteile 3 beispielsweise durch Harzverguss komplett gekapselt sind und ein Kühlmantel die ringförmig ausgebildeten Leiter 4, 5 sowie die leistungselektronischen Bauteile 3 umfasst. Dabei müssen die Treiberschaltung 8, die Halbleiterschalter 7 und andere aktive Schalteinheiten jeweils einzeln so gekapselt werden, dass kein Kühlmedium eindringen kann. Ein Kühlmantel kann dann über den gesamten Aufbau angebracht sein.
Für alle Ausführungen der Kühlung gilt, dass die Verlustwärme dort abgeführt wird, wo sie entsteht, nämlich bei den leistungselektronischen Bauteilen.
Für alle bisher erläuterten Ausführungsbeispiele gilt, dass die Befestigung der Grundplatte 6 an den Leiterabschnitten 13 der Statorwicklung beispielsweise durch Schweißen, Schrauben oder Pressen erfolgen kann.
In den beiden letztgenannten Fällen kann zur Verbesserung der elektrischen und/oder thermischen Leitfähigkeit des Übergangs ein geeignetes Material zwischen die Grundplatte 6 und den Leiterabschnitt 13 eingebracht sein.
Die elektrische Anbindung der beiden ringförmig ausgebildeten Leiter 4, 5, die den DC-Bus bilden, an ein elektrisches System, beispielsweise ein Bordnetz eines Kraftfahrzeugs, kann wie folgt erreicht werden. Wenn nur eine Anschlussstelle verwendet werden soll, weist der jeweilige Ring 4, 5 an dieser Stelle bevorzugt einen besonders großen Querschnitt auf, da hier der größte Strom fließt. Der Querschnitt kann bis zum Punkt gegenüber der Anschlussstelle abnehmen. Dies kann beispielsweise durch Variation von axialer Höhe oder radialer Breite des Rings 4, 5 in diesem Bereich erfolgen.
Alternativ erfolgt die elektrische Anbindung über zwei konzentrische, kronenartige Strukturen, welche an beliebig vielen Punkten mit den Ringen 4, 5 verbunden sind. Dies kann Drahtbonden mit einschließen.
13 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Halbbrücke, welche ein elektrisches Ersatzschaltbild des leistungselektronischen Bauteils 3 ist. Man erkennt, dass jeweils zwischen dem Anschluss des Leiterabschnitts 13 und den ringförmig ausgebildeten Leitern 4, 5 des DC-Busses je ein Halbleiterschalter 7 mit anti-parallel geschalteter Diode geschaltet ist. Zudem ist mindestens ein Stützkondensator 9 zwischen die Potentiale der ringförmig ausgebildeten Leiter 4, 5 geschaltet.
14 zeigt zusätzlich die Treiberschaltung 8, welche jeweils gateseitig die Halbleiterschalter 7 ansteuert. Im Übrigen entspricht die Schaltung von 14 derjenigen von 13.
Mögliche Spannungsversorgungen der Treiber 8 zeigen 15 und 16 sowie 25. Für je eine Halbbrücke je eines leistungselektronischen Bauteils ist je ein Treiber 8 vorgesehen. Die Treiber 8 können entweder je einen eigenen Spannungsregler 14 haben, wie in 15 gezeigt, oder mindestens zwei Treiber besitzen einen gemeinsamen Spannungsregler 15, wie in 16 gezeigt, oder die Treiber 8 können direkt an den DC-Bus geschaltet werden, wie in 25 gezeigt.
Die Spannungsregler 14, 15 dienen zur Generierung der High-Side-Signale.
17 zeigt in größerer Detailierung den Aufbau und die Verschaltung des Treibers 8. Der Treiber generiert seine Schaltsignale selbst und kommuniziert über eine Schaltsignalschnittstelle 16 mit einem Hauptcontroller Strom-Ist- und -Sollwerte. Der Treiber bekommt seine Schaltsignale über eine Schaltsignalschnittstelle 16 von einem Hauptcontroller.
18 zeigt den Aufbau des Stützkondensators, der zwischen den inneren und äußeren ringförmig ausgebildeten Leiter 4, 5 geschaltet ist. Man erkennt, dass s Einzelkondensatoren C miteinander in Serie und die Serienschaltungen miteinander in p Parallelzweigen parallel geschaltet sind.
19 und 20 zeigen die Ansteuerung der Treiber 8 bei konzentrierter Logik. Es ist eine zentrale Steuereinheit 17 vorgesehen, welche Schaltsignale über die Schaltsignalleitungen 16 an die jeweiligen Treiber 8 zentral verschickt und von den den jeweiligen Treiber 8 zugeordneten Halbbrückenschaltungen 28 Ist-Ströme über Sensorleitungen 18 zurückgemeldet bekommt.
20 konkretisiert dies, indem links unten im Bild eine Strom-Istwerterfassung 19 die Stromsignale von jeder Halbbrücke 28 mittels der Sensorleitungen 18 erhält und an einen zentralen Stromregler 20 meldet. Der Stromregler 20 kommuniziert mit überlagerten Regelkreisen 21, welche von außen über eine Schnittstelle Sollwertvorgaben 22 bekommen.
Der Stromregler 20 steuert vektoriell eine Schaltsignalerzeugungseinheit 23 an, welche in Form von in diesem Beispiel pulsweitenmodulierter Signale die Schaltsignale erzeugt und an die Treiber der Halbbrücken 28 über die Schaltsignalleitungen 16 abgibt.
Alternativ dazu zeigen 21 bis 23 die Steuerung der Treiber bei einer verteilten Logik anstelle der zentralen Logik wie in 19 und 20.
Abweichend von 19 ist in 21 jedem Treiber 8' eine Steuerung zugeordnet. Diese Steuerung erfasst lokal die Stromsignale von der jeweils zugeordneten Halbbrücke 28. Somit kann jeder Treiber 8' seine eigenen Schaltsignale erzeugen. Jeder Treiber kommuniziert darüber hinaus über einen Datenbus 24 mit einer zentralen Steuereinheit 17.
22 zeigt den Aufbau der um diese lokale Steuerung erweiterten Treiber 8'. Abhängig von einer Strom-Istwerterfassung 25 an der Halbbrücke 28 und von Ist- und Sollwerten des Datenbusses 24 erzeugt der Stromregler 20 Sollwerte für die PWM-Erzeugung 23, welche wiederum den Treiber 8 ansteuern. Der Treiber 8 hat eine DC-Versorgung 26. Der Stromregler 20 kommuniziert mit dem Datenbus 24 über einen Buscontroller 27. Der Treiber 8 steuert je eine Halbbrücke 28 an.
In 23 ist ersichtlich, dass der Datenbus 24 von überlagerten Regelkreisen 21 einer zentralen Steuereinheit 17 Regelgrößen vorgegeben bekommt und Messgrößen zurückmeldet. Die überlagerten Regelkreise 21 können Sollwertvorgaben 22 von außen erhalten.
Die 24 zeigt das Ausführungsbeispiel gemäß 1, jedoch anhand einer vereinfachten Darstellung. Insoweit beide Darstellungen übereinstimmen, wird auf eine Wiederholung der Beschreibung verzichtet. Im Unterschied zu 1 sind jedoch bei 24 die ringförmig ausgebildeten Leiter 4, 5 sowie die leistungselektronischen Bauteile 3 zeichnerisch entfernt worden, damit die Leiterabschnitte 13 in den Nuten 36 dieses Ausführungsbeispiels gemäß 1 sichtbar werden.
25 ist bereits anhand von 15 und 16 erläutert und bedarf daher an dieser Stelle keiner Wiederholung.
Bezugszeichenliste

1: Stator
2: Steuerplatine
3: leistungselektronisches Bauteil
3': leistungselektronisches Bauteil
3'': leistungselektronisches Bauteil
3''': leistungselektronisches Bauteil
4: ringförmig ausgebildeter Leiter
4': ringförmig ausgebildeter Leiter
5: ringförmig ausgebildeter Leiter
5': ringförmig ausgebildeter Leiter
6: Grundplatte
6': Grundplatte
6'': Grundplatte
7: Halbleiterschalter
8: Treiberschaltung
8': Steuerungsmodul mit Treiber
9: Kondensator
10: Stützmatrix
11: Flansch
12: Kühlkanal
13: Leiterabschnitt
14: Spannungsregler
15: Spannungsregler
16: Schaltsignalleitung
17: zentrale Steuereinheit
18: Stromsensorleitung
19: Strom-Istwerterfassung
20: Stromregler
21: überlagerter Regelkreis
22: Sollwertvorgabe
23: PWM-Erzeugung
24: Datenbus
25: Strom-Istwerterfassung
26: Gleichspannungsversorgung
27: Buscontroller
28: Halbbrücke
29: Durchbruch
36: Nut
C: Einzelkondensator

Claims

Elektrische Maschine mit einem Stator (1), wobei: – der Stator (1) eine Vielzahl von Nuten (36) zur Aufnahme einer Statorwicklung umfasst, – je ein Leiterabschnitt (13) der Statorwicklung je Nut eingelegt ist, – die Leiterabschnitte (13) mindestens eines Polpaars auf einer ersten Seite des Stators miteinander kurzgeschlossen sind, – die Leiterabschnitte auf einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite des Stators jeweils mit einem Anschluss einer Stromversorgungseinheit verbunden sind und – die Stromversorgungseinheit zwei ringförmig ausgebildete Leiter (4, 5) umfasst, zwischen denen mindestens ein leistungselektronisches Bauteil (3) angeordnet ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1, bei der das leistungselektronische Bauteil (3) mindestens einen Halbleiterschalter (7), eine Treiberschaltung (8) und mindestens einen Kondensator (9) umfasst.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, bei der je ein Halbleiterschalter (7) mit je einem der ringförmig ausgebildeten Leiter (4, 5) elektrisch und mechanisch verbunden ist und das leistungselektronische Bauteil (3) mit je einem Leiterabschnitt (13) elektrisch und mechanisch verbunden ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 3, bei der die radial außen liegende Fläche des inneren ringförmig ausgebildeten Leiters (4) und die radial innen liegende Fläche des äußeren ringförmig ausgebildeten Leiters (5) jeweils aus mindestens drei ebenen Teilflächen besteht.
Elektrische Maschine nach Anspruch 4, bei der die Anzahl der ebenen Teilflächen des inneren ringförmig ausgebildeten Leiters (4) und des äußeren ringförmig ausgebildeten Leiters (5) identisch ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 4 oder 5, bei der die Anzahl der ebenen Teilflächen des inneren ringförmig ausgebildeten Leiters (4) und des äußeren ringförmig ausgebildeten Leiters (5) jeweils gleich der Anzahl der Nuten (36) des Stators ist.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 3 bis 6, bei der die Halbleiterschalter (7) in radialer Richtung jeweils großflächig mit den ringförmig ausgebildeten Leitern (4, 5) verbunden sind.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der das leistungselektronische Bauteil (3'') in einer radialen Projektion vollständig innerhalb der ringförmig ausgebildeten Leiter (4, 5) angeordnet ist.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der die beiden ringförmig ausgebildeten Leiter (4, 5) eine positive bzw. negative elektrische Gleichspannungsversorgung des mindestens einen leistungselektronischen Bauteils (3) leisten.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der ein ringförmiger Kühlkanal (12) zum Führen eines Fluids vorgesehen ist, der in mindesten einem der ringförmigen Leiter (4', 5') oder dazwischen angeordnet ist.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei der die Leiterabschnitte (13) von der Stromversorgungseinheit mit einer jeweils eigenen elektrischen Phase versorgt werden.
Elektrische Maschine nach Anspruch 11, bei der die Anzahl der Phasen mindestens 3 beträgt.
Elektrische Maschine nach Anspruch 11, bei der die Anzahl der Phasen mindestens 4 beträgt.
Elektrische Maschine nach Anspruch 11, bei der die Anzahl der Phasen mindestens 5 beträgt.
Elektrische Maschine nach Anspruch 11, bei der die Anzahl der Phasen mindestens 10 beträgt.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 15, bei der die jeweils in die Nuten eingelegten Leiterabschnitte (13) gerade sind.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 16, bei der die jeweils in die Nuten eingelegten Leiterabschnitte (13) Aluminium-Stäbe, Kupfer-Stäbe oder Bronze-Stäbe oder Legierungen hiervon umfassen.