DE102014114615A1

DE102014114615A1 - Wicklungssystem

Info

Publication number: DE102014114615A1
Application number: DE102014114615.8A
Authority: DE
Inventors: Florian BACHHEIBL
Original assignee: FEAAM GmbH
Current assignee: Molabo GmbH
Priority date: 2014-10-08
Filing date: 2014-10-08
Publication date: 2016-05-25
Also published as: US20160105063A1; CN105515286A; CN105515286B; US10110081B2

Abstract

Es ist ein Wicklungssystem für einen Stator (1) und/oder einen Rotor (2) einer elektrischen Maschine angegeben. Das Wicklungssystem umfasst mehrere Leiterabschnitte (3), zwei ringförmige Leiter (+, –) auf einer ersten Seite des Wicklungssystems, mit denen die Leiterabschnitte (3) über Halbbrücken (4) gekoppelt sind und mindestens eine Halbbrücke (5) auf einer gegenüberliegenden Seite des Wicklungssystems, an die mindestens ein Leiterabschnitt (3) angeschlossen ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wicklungssystem für einen Rotor und/oder für einen Stator einer elektrischen Maschine.
Bei herkömmlichen elektrischen Maschinen wird üblicherweise eine mehrphasige, fest verkabelte elektrische Wicklung mit nur wenigen Anschlüssen, normalerweise ein oder zwei pro Phase, an eine Leistungselektronik angeschlossen. Dabei sind die eigentliche Maschine einerseits und die Leistungselektronik andererseits üblicherweise in getrennten Gehäusen untergebracht.
Dies führt einerseits zu großen Abmessungen des Gesamtsystems, andererseits ist auch eine separate Kühlung der Leistungselektronik und der eigentlichen Maschine mit Stator und Rotor sowie der elektrischen Wicklung je nach Leistungsdichte erforderlich. Zudem können sich Probleme mit der elektromagnetischen Verträglichkeit ergeben, da die Motorzuleitungen zwischen Leistungselektronik und Maschine hohe, oberwellenbehaftete Ströme tragen und sich damit zusätzlicher Abschirmungsaufwand ergibt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Wicklungssystem für einen Rotor und/oder Stator einer elektrischen Maschine anzugeben, das eine kompakte Bauform aufweist.
Die Aufgabe wird durch ein Wicklungssystem gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
In einer Ausführung umfasst das Wicklungssystem für einen Stator und/oder einen Rotor einer elektrischen Maschine mehrere Leiterabschnitte, welche im Wesentlichen zwischen gegenüberliegenden Seiten des Wicklungssystems angeordnet sind. Auf einer ersten Seite des Wicklungssystems sind zwei ringförmige Leiter vorgesehen, mit denen die Leiterabschnitte über Halbbrücken gekoppelt sind. Auf der gegenüberliegenden Seite des Wicklungssystems ist mindestens eine Halbbrücke vorgesehen, an die mindestens ein Leiterabschnitt angeschlossen ist.
Wie später noch näher erläutert, umfassen die Halbbrücken Schalter, insbesondere Halbleiter-Leistungsschalter, mit denen das jeweilige Ende des Leiterabschnitts wahlweise mit einem der beiden ringförmigen Leiter verbindbar ist. Damit ermöglicht das vorgeschlagene Prinzip die Integration von Leistungselektronik, insbesondere der Halbbrücken, in eine elektrische Maschine.
Folglich ergeben sich kleine Bauräume, es kann ein zusätzliches Gehäuse für die Leistungselektronik entfallen und das Gesamtsystem wird kompakter.
Eine gegebenenfalls erforderliche Kühlung der elektrischen Maschine kann zugleich die Leistungselektronik kühlen, beispielsweise durch Kühlluft des Motors oder Unterbringung in einem gemeinsamen Wassermantel.
Zwischen der elektrischen Wicklung und der Leistungselektronik sind praktisch keine Zuleitungen erforderlich, sodass auch damit verbundene Störemissionen und -imissionen oder alternativ ein Schirmungsaufwand der Motorzuleitungen entfallen.
Die ringförmigen Leiter und die Leiterabschnitte mit den dazwischenliegenden Halbbrücken ersetzen die bei herkömmlichen Maschinen vorhandenen Wicklungen und Wechselrichter. Die ringförmigen Leiter ersetzen dabei die Wickelköpfe herkömmlicher Maschinen.
Aufgrund der Vielzahl von Halbbrücken mit den darin vorgesehenen leistungselektronischen Schaltern ist ein einzelner leistungselektronischer Schalter nach dem vorgeschlagenen Prinzip mit derart geringen Strömen und Spannungen konfrontiert, dass der leistungselektronische Schalter mit besonders geringer Chipfläche implementiert werden kann.
Die Leiterabschnitte können homogen über die Maschine verteilt sein, beispielsweise entlang des Umfangs bei einer rotierenden Maschine, oder andere Windungstopologien nachvollziehen.
In einer Ausführungsform ist eine Nutung der Maschine vorgesehen, um Flusskurzschlüsse zu verhindern. In diesem Fall können die Leiterabschnitte in eine jeweilige Nut eingelegt sein.
Bei Anwendung des vorgeschlagenen Wicklungssystems in einem Stator einer elektrischen Maschine ist es im Betrieb der Maschine möglich, die statorseitige Polpaarzahl zu verändern sowie die Verteilung der Harmonischen der magnetomotorischen Kraft im Luftspalt. Damit kann eine solche Maschine während des Betriebs in allen Lastpunkten deutlich weiter optimiert werden als existierende Maschinen.
Bei Verwendung des bezeichneten Wicklungssystems im Stator und eines PM-Rotors kann der Stator beispielsweise bei hoher Drehmomentanforderung die Polpaarzahl des Rotors nachbilden, während bei geringer Belastung die Drehmomentbildung mittels einer Oberwelle der magnetomotorischen Kraft des Rotors erfolgen kann.
Bei Wahl eines Asynchronrotors können mit dem beschriebenen Wicklungskonzept auch Reluktanzeffekte zur Drehmomentbildung genutzt werden. Dazu wird zusätzlich zur Arbeitswelle der Asynchronmaschine eine zum Rotor synchrone Feldkomponente aufmoduliert, welche aufgrund der Synchronizität nicht mit den Rotorströmen interagiert, jedoch den Induktivitätsunterschied zwischen Rotornuten und Rotorzähnen zur Drehmomentbildung nutzen kann.
In einer Ausführungsform ist das Wicklungssystem mit geradlinigen Leiterabschnitten ausgebildet, die parallel zueinander angeordnet sind. Die Leiterabschnitte können beispielsweise parallel zur Achse ausgeführt oder in einem Winkel dazu ausgerichtet sein. Die geradlinige und parallele Ausführung der Leiterabschnitte erlaubt eine besonders kostengünstige Herstellung.
Die beiden ringförmigen Leiter auf der ersten Seite des Wicklungssystems bilden bevorzugt einen zweipoligen Gleichspannungsbus.
Auf der gegenüberliegenden Seite des Wicklungssystems sind bevorzugt zwei weitere ringförmige Leiter vorgesehen, die ebenfalls einen zweipoligen DC-Bus bilden können.
An diese beiden ringförmigen Leiter kann die mindestens eine Halbbrücke angeschlossen sein, die sich auf der gegenüberliegenden Seite des Wicklungssystems befindet.
Alternativ können beispielsweise so viele Halbbrücken wie Leiterabschnitte auf beiden Seiten der Leiterabschnitte vorgesehen sein und mit dem jeweiligen Paar von ringförmigen Leitern verbunden sein, welches auf der jeweiligen Seite des Wicklungssystems angeordnet ist. In diesem Fall ist ein Leiterabschnitt an beiden Enden über je eine Halbbrücke mit je einem Paar von ringförmigen Leitern gekoppelt.
In anderen Ausführungen ist es auch beispielsweise möglich, auf der gegenüberliegenden Seite des Wicklungssystems nur einige der Leiterabschnitte über Halbbrücken mit zwei ringförmigen Leitern zu verbinden und die übrigen Leiterabschnitte beispielsweise miteinander kurzzuschließen. Hierfür kann ein Kurzschlussring vorgesehen sein.
Die Leiterabschnitte können beispielsweise Kupfer, Aluminium, Bronze, Kohlenstoffnanoröhren oder Graphen sowie Legierungen der genannten Stoffe umfassen.
In einer Ausführungsform ist eine Steuereinheit vorgesehen, die mit den Halbbrücken zu deren Ansteuerung verbunden ist. Wie später anhand von Beispielen noch näher erläutert, kann die Ansteuerung der Halbbrücken beispielsweise mit konzentrierter Logik oder verteilter Logik erfolgen. Die Ansteuerung der Halbbrücken kann beispielsweise über eine ringförmige Busleitung erfolgen.
Dabei können Treiber vorgesehen sein, die zwischen die Steuereinheit und die von den Halbbrücken umfassten Leistungsschalter geschaltet sind.
Mit der Steuereinheit kann mit Vorteil die Polpaarzahl des Stators beziehungsweise des Rotors durch Ansteuerung der Halbbrücken verändert werden.
Jeder Leiterabschnitt des Wicklungssystems kann in einer Ausführungsform mit mindestens einer Halbbrücke an einem Ende des Leiterabschnitts gekoppelt sein.
In einer Ausführungsform sind die Leiterabschnitte an ihren freien Enden mit einer weiteren Halbbrücke auf der gegenüberliegende Seite des Wicklungssystems gekoppelt.
Der von den beiden ringförmigen Leitern jeweils gebildete zweipolige DC-Bus kann jeweils mit einer Zwischenkreisspannung versorgt werden. Alternativ kann auf einer der beiden Seiten des Wicklungssystems ein Kondensator an den DC-Bus angeschlossen sein, was den Verkabelungsaufwand weiter verringert. Hierbei kann der DC-Bus in mehrere getrennte Abschnitte unterteilt werden, die jeweils durch Kondensatoren oder Batterien versorgt werden. Damit können die Teillasteigenschaften der Maschine verbessert werden. Einer der beiden DC-Busse an den Stirnseiten der Maschine kann mit einer DC-Spannung beaufschlagt werden, um die Maschine aufzuladen.
Beim Aufladen der Batterien über die beaufschlagte DC-Spannung kann die Induktivität der Maschine als Auf- oder Abwärtswandler genutzt werden. Damit können die Batterien optimal gemäß ihrer Kennlinie aufgeladen werden, wobei lediglich eine Konstantspannungsquelle als Ladegerät benötigt wird.
Die Ansteuerung der Halbbrücken mittels der Steuereinheit kann über einen Bus, beispielsweise einen CAN- oder I2C-Bus erfolgen. Dabei kann beispielsweise für jeden Leiterabschnitt nur eine Adresse genutzt und je nach Stromanforderung können verschieden viele Leiterabschnitte zugeschaltet werden.
Dadurch ergeben sich ein flexibles Verhalten der Maschine im Betrieb und zugleich ein kleiner Adressraum und geringer Protokolloverhead bei der Ansteuerung der Halbbrücken.
In einer Ausführungsform ist ein Stator vorgesehen, der ein Wicklungssystem nach dem vorgeschlagenen Prinzip wie oben beschrieben umfasst.
In einer Ausführungsform ist ein Rotor angegeben, der ein Wicklungssystem wie oben beschrieben umfasst.
Bei Anwendung des vorgeschlagenen Prinzips auf einen Rotor kann beispielsweise von einem Käfigläufer ausgegangen werden. Ein Käfigläufer umfasst normalerweise eine Vielzahl parallel zur Achse angeordnete Leiterabschnitte, die an beiden Enden mit je einem Kurzschlussring verbunden sind. Entfernt man die Kurzschlussringe und ersetzt sie durch die vorgeschlagenen ringförmigen Leiter mit Halbbrücken zur Kopplung mit den Leiterabschnitten, ergibt sich ein Wicklungssystem für einen Rotor nach dem vorgeschlagenen Prinzip.
In einer Ausführungsform wird die Steuereinheit im Rotor induktiv, kapazitiv oder durch Schleifringe mit Energie versorgt. Beispielsweise können an den Enden der Leiterabschnitte Abgriffe vorgesehen sein, die einem Gleichrichter zugeführt werden. So kann das Wechselfeld des Stators zunächst den Rotor und dessen Elektronik aktivieren, bevor die Elektronik im Rotor beginnt, die Rotorstäbe auf dem DC-Bus aufzuschalten und damit einen Stromfluss und eine Feldbildung zu ermöglichen. Dann erst wird Drehmoment erzeugt.
Während des Betriebes des vorgeschlagenen Rotors erzeugt der Stator in einer Ausführungsform eine Luftspaltoberwelle oder eine Subharmonische, die möglichst wenig mit den felderzeugenden Komponenten des Rotorfelds interagiert. Somit kann der Rotor weiterhin mit Energie versorgt werden, ohne die Qualität des Drehmoments nachteilig zu beeinflussen. Die Steuerelektronik im Rotor kann dabei in der Lage sein, die Luftspaltdurchflutung zu messen und die Rotordurchflutung darauf anzupassen.
Soll zusätzlich der Schlupf der Maschine angepasst werden, kann eine zusätzliche Kommunikation des Stators mit der Ansteuerung des Rotors erfolgen, beispielsweise durch Funkübertragung.
Eine elektrische Maschine kann einen Stator nach dem vorgeschlagenen Prinzip aufweisen.
Alternativ oder zusätzlich kann die elektrische Maschine einen Rotor nach dem vorgeschlagenen Prinzip aufweisen.
Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen des vorgeschlagenen Prinzips werden nachfolgend anhand von mehreren Ausführungsbeispielen an Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
1 ein Ausführungsbeispiel eines Wicklungssystem nach dem vorgeschlagenen Prinzip,
2 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines Leiterabschnitts mit zwei Halbbrücken nach dem vorgeschlagenen Prinzip,
3 eine beispielhafte perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines Stators mit einem Wicklungssystem nach dem vorgeschlagenen Prinzip,
4 eine andere perspektivische Ansicht der Ausführung von 3,
5 ein Ausführungsbeispiel einer elektrischen Maschine mit einem Stator nach dem vorgeschlagenen Prinzip,
6 einen Ausschnitt des Ausführungsbeispiels von 5,
7 eine Weiterbildung des Ausschnitts von 6 mit Trägern für die Leistungselektronik,
8 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines Wicklungssystems nach dem vorgeschlagenen Prinzip für einen Rotor,
9 eine perspektivische Ansicht einer elektrischen Maschine mit einem Rotor nach dem vorgeschlagenen Prinzip,
10 einen Ausschnitt des Beispiels von 9,
11 eine Draufsicht auf ein anderes Ausführungsbeispiel einer elektrischen Maschine mit einem Stator und einem Rotor nach dem vorgeschlagenen Prinzip,
12 einen Ausschnitt der Ausführung von 11,
13 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Maschine nach dem vorgeschlagenen Prinzip in einer Seitenansicht,
14 einen Ausschnitt der Darstellung von 13,
15 ein Ausführungsbeispiel der Ansteuerung des Wicklungssystems für einen Stator nach dem vorgeschlagenen Prinzip mit konzentrierter Logik,
16 die zentrale Steuereinheit für die Ansteuerung gemäß 15 an einem Ausführungsbeispiel,
17 die Ansteuerung eines Wicklungssystems nach dem vorgeschlagenen Prinzip für einen Stator an einem Ausführungsbeispiel mit verteilter Logik,
18 ein Steuerungsmodul zur Ansteuerung einer Halbbrücke gemäß dem Ausführungsbeispiel von 17 an einem Beispiel,
19 ein Ausführungsbeispiel einer zentralen Steuereinheit zur Ansteuerung der Steuerungsmodule von 17 und 18,
20 ein Ausführungsbeispiel der Ansteuerung der Halbbrücken bei einem Wicklungssystem für einen Rotor nach dem vorgeschlagenen Prinzip an einem Beispiel mit konzentrierter Logik,
21 ein Ausführungsbeispiel einer zentralen Steuereinheit für die Steuerung gemäß 20 an einem Beispiel,
22 ein Ausführungsbeispiel der Ansteuerung der Halbbrücken für ein Wicklungssystem bei einem Rotor nach dem vorgeschlagenen Prinzip mit verteilter Logik,
23 ein Steuerungsmodul an einem Beispiel für die Ansteuerung gemäß 22,
24 ein Ausführungsbeispiel einer zentralen Steuereinheit zum Zusammenwirken mit den Steuerungen gemäß 22 und 23 an einem Beispiel,
25 ein Ausführungsbeispiel eines Wicklungssystems nach dem vorgeschlagenen Prinzip anhand einer Weiterbildung des Ausführungsbeispiels von 1,
26 ein Ausführungsbeispiel eines Motorsegments,
27 das Ausführungsbeispiel von 26 anhand einer Seitenansicht,
28 das Ausführungsbeispiel von 26 in einer Draufsicht,
29 das Ausführungsbeispiel von 26 anhand einer weiteren, vergrößerten Seitenansicht,
30 ein Ausführungsbeispiel des Motorsegments von 26, jedoch zusätzlich mit montierter Leistungselektronik, und
31 eine Ausschnittsvergrößerung des Ausführungsbeispiels des Motorsegments von 30.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Wicklungssystems für einen Stator oder einen Rotor einer elektrischen Maschine nach dem vorgeschlagenen Prinzip. An den beiden Stirnseiten der Maschine befindet sich jeweils ein DC-Bus mit einer Schiene für die positive und einer für die negative Zwischenkreisspannung +, –. Die Schienen sind als ringförmige Leiter ausgeführt. Die Leiterabschnitte im Eisenkern oder Luftspalt der Maschine 3 sind über Halbbrücken 4, 5 mit den beiden DC-Bussen +, – gekoppelt. Eine Zwischenkreisversorgung der beiden DC-Busse ist vorliegend nicht eingezeichnet. Alternativ zur Zwischenkreisversorgung kann einer der beiden Busse mit einem Kondensator verbunden sein, wie später noch näher erläutert.
Die Leiterabschnitte 3 können Filamente aus leitendem Material umfassen. Die Leiterabschnitte 3 können beispielsweise Kupfer, Aluminium oder Kohlenstoffnanoröhrchen umfassen. Die Leiterabschnitte können im Luftspalt der Maschine angeordnet sein, in Nuten des Stators beziehungsweise Rotors eingelegt sein und/oder durch Bohrung oder Druckguss in dem Eisenkern des Stators beziehungsweise Rotors eingebracht sein. Eine Bewicklung von Zähnen ist somit nicht mehr erforderlich.
Alternativ kann die gesamte Maschine bei dieser Bauweise mit vergleichsweise geringem Aufwand durch Lasersintern hergestellt werden.
Die Leiterabschnitte 3 können homogen über die Maschine verteilt sein oder spezielle Windungstopologien nachvollziehen.
Mit dem vorgeschlagenen Prinzip ist es möglich, im laufenden Betrieb der Maschine die Rekonfiguration der Wicklung vorzunehmen und beispielsweise bei statorseitigem Einbau die Polpaarzahl des Stators im Betrieb zu verändern. Damit kann auch der harmonische Inhalt der Luftspaltdurchflutung der Maschine verändert werden.
In einer Weiterbildung können die Leiterabschnitte mit Kohlenstoffnanoröhren als Wickelgut ausgeführt sein. Diese Röhren können mit zusätzlichem Vorteil durch gezieltes Einbringen von Störstellen Aufgaben von Leistungselektronik, wie beispielsweise die Funktion eines Leistungsschalters oder einer Diodenfunktion, wahrnehmen.
2 zeigt eine mögliche Ausführungsform eines Leiterabschnitts 3 und den an den jeweiligen Enden des Leiterabschnitts angeschlossenen Halbbrücken 4, 5. Eine erste Halbbrücke 4 umfasst ein Schaltmodul 6, welches zwei Transistoren 7, zwei Dioden 8 und einen Kondensator 9 aufweist. Die beiden Transistoren 7 sind miteinander in Serie verschaltet zwischen einer positiven DC-Busschiene + und einer negativen DC-Busschiene –. Antiparallel zu jedem Transistor 7 ist eine Diode 8 geschaltet. Am gemeinsamen Abgriffsknoten der Serienschaltungen der Transistoren und der Dioden 7, 8 ist ein Ende des Leiterabschnitts 3 angeschlossen. Das Modul 6 umfasst somit zwei Leistungsschalter, die zwischen das Ende des Leiterabschnitts 3 und die positive bzw. negative DC-Busschiene +, – geschaltet sind. Die Steueranschlüsse, hier die Gateanschlüsse, der Transistoren 7 des Moduls 6 sind mit einem gemeinsamen Treiber 10 verbunden. Der Treiber 10 erhält an einem Eingang 11 ein Schaltsignal von einer Steuerlogik, wie später noch näher erläutert.
Die an der gegenüberliegenden Seite des Wicklungssystems angeordnete Halbbrücke 5 hat den gleichen Aufbau wie die Halbbrücke 4, der an dieser Stelle nicht wiederholt wird.
3 zeigt eine perspektivische Ansicht einer elektrischen Maschine mit einem Stator, der ein Wicklungssystem nach dem vorgeschlagenen Prinzip aufweist. Der Stator ist mit Bezugszeichen 1 versehen. Im Stator 1 ist ein Rotor 2 angeordnet, der als herkömmlicher Rotor mit Permanentmagneten 12 ausgeführt ist, welche entlang des Umfangs abwechselnd als Nordpol beziehungsweise Südpol ausgeführt sind.
Dabei stellt die Wahl eines PM-Rotors nur eine von verschiedenen Optionen dar. Das vorgeschlagene Wicklungssystem ist auch mit einer Asynchronmaschine, einer fremderregten Synchronmaschine oder einer synchronen Reluktanzmaschine kompatibel.
An der Stirnseite des Stators 1 erkennt man die beiden ringförmigen Leiter +, –, welche als konzentrische Ringe um die Achse der Maschine ausgeführt sind. Der innere ringförmige Leiter ist in diesem Beispiel der positive Leiter des DC-Busses, während der äußere ringförmige Leiter der negative Leiter des DC-Busses ist. Zwischen den beiden ringförmigen Leitern +, – sind jeweils mehrere in radialer Richtung nebeneinander angeordnete Leiterfilamente 30 vorgesehen, welche miteinander parallelgeschaltet sind und jeweils einen Leiterabschnitt 3 bilden. Die Stirnseiten der Leiterfilamente 30 sind in 3 sichtbar.
Die über den Enden der Leiterfilamente und zwischen den ringförmigen Leitern angeordnete Leistungselektronik ist aus Gründen der Übersichtlichkeit in 3 nicht eingezeichnet.
Im Wesentlichen umfasst der Stator 1 einen Eisenkern. Der Bereich innerhalb des positiven ringförmigen Leiters + kann entweder Nuten tragen, oder die Leiterfilamente 30 sind bis zum Luftspalt fortgeführt und der innere ringförmige Leiter wird am Luftspalt platziert.
4 zeigt in einer weiteren perspektivischen Ansicht das Ausführungsbeispiel von 3, jedoch von der gegenüberliegenden Seite des Wicklungssystems her gesehen. Die Beschreibung entspricht derjenigen von 3 und wird daher an dieser Stelle nicht wiederholt.
Während 3 die erste Seite des Wicklungssystems zeigt, auf der zwischen den ringförmigen Leitern die Halbbrücken 4 der ersten Seite nicht eingezeichnet sind, sind in 4, die die gegenüberliegende Seite des Wicklungssystems zeigt, die Halbbrücken 5 vorgesehen, jedoch hier nicht eingezeichnet.
5 zeigt das Ausführungsbeispiel von 3, jedoch in einer Draufsicht mit Blick in axialer Richtung der Maschine. Diese Ausführung ist anhand von 3 und 4 bereits ausführlich erläutert und wird an dieser Stelle nicht wiederholt.
6 zeigt das Ausführungsbeispiel von 5, jedoch in einer vergrößerten Darstellung eines Ausschnitts mit Stator 1, Rotor 2, welcher Permanentmagneten 12 aufweist, und einem dazwischenliegenden Luftspalt 13. Der Stator 1 umfasst einen Eisenkern, auf dem stirnseitig die beiden ringförmigen Leiter +, – des DC-Busses zur Isolation beabstandet montiert sind. Zwischen beiden erkennt man jeweils die Stirnseite der in axialer Richtung verlaufenden Leiterfilamente, welche im vorliegenden Beispiel in Gruppen von jeweils sieben miteinander parallel geschaltet sind und in radialer Richtung ausgedehnt nebeneinander angeordnet. Jeweils sieben dieser radial benachbarten Leiterfilamente 30 bilden zusammen einen Leiterabschnitt 3, der in 1 im Blockschaltbild beispielhaft dargestellt ist. Die Leiterabschnitte 3 sind entlang des Umfangs des Stators 1 verteilt.
Auch bei 6 ist die Leistungselektronik, welche die Halbbrücken und eine Steuereinheit umfassen kann, nicht eingezeichnet.
Diesbezüglich zeigt 7 eine weniger vereinfachte Darstellung gegenüber 6 und ausgehend von dieser, bei der beispielhaft für einen Leiterabschnitt 3, der wiederum sieben Leiterfilamente 30 umfasst, die zugehörigen Stege 14, 15 eingezeichnet sind. Die Stege 14, 15 sind ausgehend vom positiven ringförmigen Leiter + beziehungsweise vom negativen ringförmigen Leiter – in radialer Richtung zum jeweils anderen ringförmigen Leiter hin ausgedehnt, parallel zueinander angeordnet und stellen mechanisch und elektrisch die Verbindung zwischen den ringförmigen Leitern +, – und den Halbbrücken 4, 5 her. Um einen Kurzschluss zu vermeiden, verbleibt zwischen den Stegen 14, 15 und dem jeweils anderen ringförmigen Leiter ein Luftspalt.
Die Halbbrücken 4, 5 sind in 7 nicht eingezeichnet. Zudem sind in 7 der besseren Übersichtlichkeit halber die Stege 14, 15 nur für einen Leiterabschnitt 3 eingezeichnet, in Wirklichkeit jedoch bei allen Leiterabschnitten 3 vorhanden. Beispielsweise können über die benachbarten Stege 14, 15, die sich in entgegengesetzter radialer Richtung von den gegenüberliegenden ringförmigen Leitern parallel zueinander erstrecken und weitgehend überlappen, herkömmliche Leistungshalbleiterschalter verwendet werden, die integriert in Standardgehäusen angeboten werden. Die ICs können dabei beispielsweise so montiert werden, dass sich ihre Hauptrichtung in Umfangsrichtung erstreckt und von einem Leiterabschnitte 14 zum anderen Leiterabschnitt 15 ausgedehnt ist.
8 zeigt ein Blockschaltbild einer Ausführungsform des vorgeschlagenen Prinzips eines Wicklungssystems angewendet auf einen Rotor. Das Blockschaltbild entspricht weitgehend dem von 1 und wird insoweit an dieser Stelle nicht mehr noch einmal beschrieben. Zwischen die beiden DC-Busse +, –, die sich auf den gegenüberliegenden Seiten des Rotors befinden, ist zusätzlich ein Kondensator 16 geschaltet.
9 zeigt eine Weiterbildung der Maschine von 3, bei der das vorgeschlagene Wicklungssystem nicht nur im Stator 1, sondern auch im Rotor 2 angewendet ist. Der Stator 1 entspricht demjenigen der Ausführung von 3 und 4 und wird daher an dieser Stelle nicht noch einmal beschrieben.
Der Rotor 2 ist abweichend davon hier jedoch nicht als PM-Rotor, wie in 10 gezeigt, ausgeführt, sondern in einer beispielhaften Implementierung mit einem Wicklungssystem nach dem vorgeschlagenen Prinzip gemäß dem Blockschaltbild von 8. Auch der Rotor 2 weist demnach für jeden Leiterabschnitt 3 Halbbrücken 17 auf, welche den Leiterabschnitt 3 mit einem positiven und einem negativen ringförmigen Leiter 18, 19 koppeln. Die ringförmigen Leiter sind konzentrisch zur Achse des Rotors ausgerichtet und in einer gemeinsamen Ebene senkrecht zur Rotationsachse angeordnet. Die beiden ringförmigen Leiter 18, 19 des Rotors sind dabei stirnseitig auf den Rotor beabstandet aufgesetzt und werden durch die Halbbrücken 17 mechanisch und elektrisch kontaktiert.
11 zeigt die Ausführung von 9 und 10 in einer Draufsicht auf die Stirnseite der Maschine, das heißt in axialer Richtung.
Man erkennt wiederum den Rotor mit den beiden ringförmigen Leitern 18, 19, den dazwischenliegenden Halbbrücken 17, welche jeweils in axialer Richtung je einen Leiterabschnitt 3 kontaktieren und den zwischen dem Rotor und dem Stator liegenden Luftspalt 13.
Anhand der Ausschnittsvergrößerung von 12 werden die Geometrien und Details der Anordnung von 11 noch besser sichtbar.
13 zeigt das Ausführungsbeispiel von 9 bis 12 in einer Seitenansicht.
Dabei ist 14 eine Ausschnittsvergrößerung der Seitenansicht von 13 dieses Beispiels. Anhand von 14 ist deutlich sichtbar, wie die Halbbrücken 17 des Rotors die beiden ringförmigen Leiter 17, 18, von denen hier nur der äußere Leiter 18 sichtbar ist, kontaktieren.
15 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Steuereinheit zur Ansteuerung der Halbbrücken 4, 5 des Stators. Die Steuereinheit mit konzentrierter Logik gemäß 15 umfasst eine zentrale Steuereinheit 20, welche mit Treiberschaltungen 10 verbunden ist. Jeder Treiber 10 ist einer Halbbrücke 4 zugeordnet. Die Halbbrücken 4 sind über Stromsensoren mit der zentralen Steuereinheit 20 rückgekoppelt. Die Halbbrücken 4 sind zwischen eine positive DC-Busschiene + und eine negative DC-Busschiene – geschaltet.
Der Aufbau der zentralen Steuereinheit 20 ist in 16 an einem Beispiel näher erläutert. Von der Steuereinheit 20 ist ein Stromregler 21 umfasst, der mittels überlagerter Regelkreise 22 Sollwertvorgaben 23 von außen erhält. Zusätzlich ist der Stromregler 21 mit einer Stromistwerterfassung 24 gekoppelt, die Signale von den Leiterabschnitten 3 erhält, die jeweils an die Halbbrücken 4 angeschlossen sind. Der Stromregler 21 ist vektoriell mit einem Block zur Pulsweitenmodulationssignalerzeugung 25 verbunden. Die Pulsweitenmodulationssignalerzeugung 25 ist über die Treiber 10 mit jeder Halbbrücke 4 gekoppelt.
Damit ist es beispielsweise möglich, im Betrieb der Maschine die Polpaarzahl zu verändern.
17 bis 19 zeigen eine alternative Ausführungsform der Steuerlogik für einen Stator einer Maschine nach dem vorgeschlagenen Prinzip. Dabei ist anstelle der in 15 und 16 gezeigten konzentrierten Logik eine verteilte Logik zugrunde gelegt. Bei 17 ist den Halbbrücken 4 jeweils ein Steuerungsmodul 40 zugeordnet. Diese Steuerungsmodule 40 sind, anders als die Treiber 10 bei konzentrierter Logik, jedoch nicht unmittelbar mit der zentralen Steuereinheit 20 verbunden, sondern über einen Datenbus 26. Eine Stromistwerterfassung 27 erfasst jeweils lokal die Ströme in den Halbbrücken 4 und führt diese unmittelbar in die Steuerungsmodule 40 zurück, die somit eine verteilte Ansteuerung der Halbbrücken realisieren können.
18 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Steuerungsmodule 40 von 17, die jeweils eine ihnen zugeordnete Halbbrücke 4 steuern. Das Steuerungsmodul 40 umfasst einen Treiber 10, der eine DC-Versorgung 28 hat. Eine externe Stromistwerterfassung 27 führt Ströme zu einem Stromregler 29. Der Stromregler 29 steuert eine PWM-Erzeugung 31 an, die wiederum mit dem jeweiligen Treiber 10 zu dessen Ansteuerung verbunden ist. Darüber hinaus kommunizieren die Stromregler mittels Buscontrollern 32 mit dem Datenbus 26 und tauschen Ist- und Sollwerte aus.
Wie 19 an einem Beispiel zeigt, ist der Datenbus 26 mit der zentralen Steuereinheit 20 verbunden. Diese Steuereinheit 20 umfasst überlagerte Regelkreise 22, welche von außen Sollwertvorgaben 23 erhalten und bidirektional mit dem Datenbus 26 gekoppelt sind.
20 zeigt eine Ausführungsform einer Ansteuerung eines Wicklungssystems für einen Rotor nach dem vorgeschlagenen Prinzip mit konzentrierter Logik. Das Beispiel entspricht weitgehend der konzentrierten Logik zur Ansteuerung eines Stators gemäß 15 und wird insoweit nicht noch einmal wiederholt. Die Halbbrücken des Rotors sind hier mit Bezugszeichen 17 anstelle 4 versehen. Im Unterschied zur Ansteuerung des Stators ist jedoch die zentrale Steuereinheit 20 mit einer Funkstrecke 33 gekoppelt. Die Funkstrecke 33 übernimmt die Kommunikation mit der zentralen Steuereinheit 20.
Die zentrale Steuereinheit 20 gemäß 21, die für die Ansteuerung des Rotors gemäß dem vorgeschlagenen Prinzip an einem Beispiel mit konzentrierter Logik ausgelegt ist, entspricht derjenigen des Stators gemäß 16 und ist lediglich um die Funkstrecke 33 von 20 ergänzt.
Von einer Wiederholung der Beschreibung wird daher an dieser Stelle abgesehen.
22 bis 24 zeigen die Ansteuerung des Wicklungssystems für einen Rotor an einem Beispiel nach dem vorgeschlagenen Prinzip mit verteilter Logik. Die Ansteuerung entspricht weitgehend derjenigen eines Stators mit verteilter Logik, wie sie bereits anhand der 17 bis 19 ausführlich erläutert wurde. Von einer Wiederholung wird an dieser Stelle abgesehen. Die Unterschiede der Ansteuerung des Rotors gegenüber der Ansteuerung des Stators mit verteilter Logik werden an der 24 deutlich. Im Unterschied zu 19 umfasst die zentrale Steuereinheit 20 hier zusätzlich zu den überlagerten Regelkreisen 22 ein Telemetriemodul 34, welches die überlagerten Regelkreise ansteuert und selbst bidirektional mit dem Datenbus 26 gekoppelt ist. Zudem ist das Telemetriemodul 34 mit der Funkstrecke 33 gekoppelt. Über die Funkstrecke 33 werden Sollwertvorgaben erhalten und Rotorgrößen zurückgemeldet.
25 zeigt eine beispielhafte Weiterbildung des Blockschaltbildes von 1.
Bei 1 sind beide DC-Busse, das heißt der DC-Bus, der mit den Halbbrücken 4 gekoppelt ist ebenso wie der DC-Bus, der mit den Halbbrücken 5 auf der gegenüberliegenden Seite des Wicklungssystems gekoppelt ist, mit einer Zwischenkreisspannung versorgt. Bei der Ausführung gemäß 25 hingegen ist einer der beiden DC-Busse, im vorliegenden Fall der am unteren Bildrand eingezeichnete DC-Bus, mit einer Zwischenkreisversorgung 35 verbunden. Die Zwischenkreisversorgung 35 umfasst einen AC-/DC-Konverter 36 sowie einen Stützkondensator 37. Die Halbbrücken 5 auf der gegenüberliegenden Seite des Wicklungssystems sind nicht mit einer Zwischenkreisspannung versorgt, sondern jeweils an einen Kondensator beziehungsweise eine Batterie 38 gekoppelt. Darüber hinaus ist bei 25 eine Weiterbildung dahingehend vorgesehen, dass gemäß zusätzlicher Option dieser DC-Bus in mehrere DC-Busse unterteilt ist. Im vorliegenden Fall sind jeweils zwei Halbbrücken 5 an einen gemeinsamen DC-Bus angeschlossen, der somit als Teilbus bezeichnet werden kann. Jeder dieser Teilbusse ist an eine eigene Batterie 38 gekoppelt. Dies verringert den Verkabelungsaufwand und ermöglicht einen dezentralen Energiepuffer mit hohem Leistungsumsatz. Die Unterteilung des DC-Busses in Teilbusse und deren Versorgung mit verschiedenen Batterien ermöglicht mit weiterem Vorteil eine Verbesserung der Teillasteigenschaften des Systems. Die DC-Versorgung 35 dient gleichzeitig dazu, die Batterien 38 aufzuladen, wobei die Induktivität der Maschine als Auf- beziehungsweise Abwärtswandler genutzt wird. Es wird lediglich eine Konstantstromquelle als Ladegerät benötigt.
26 zeigt ein Motorsegment 39 in perspektivischer Darstellung anhand eines Ausführungsbeispiels.
27 bis 29 zeigen das Motorsegment in verschiedenen Seitenansichten beziehungsweise einer Draufsicht. Bei der Seitenansicht gemäß 29 erkennt man, dass das Motorsegment die Filamente 30, die gemeinsam den Leiterabschnitt 3 bilden, in einen Mittelbereich benachbart zueinander aufweist. Diese Leiterfilamente 30 erstrecken sich im Motorsegment entlang dessen Hauptrichtung.
In 30 und 31 ist beispielhaft gezeigt, wie das Motorsegment zwischen den Stegen 14, 15 der beiden ringförmigen Leiter des DC-Busses angeordnet ist. Über der Stirnseite der Filamente 30, die jeweils einen Leiterabschnitt 3 bilden sind somit integrierte Schaltkreise 41 angeordnet, welche zwischen den Stegen 14, 15 mechanisch und elektrisch verbunden angeordnet sind und zugleich die Filamente 30 kontaktieren. Die integrierten Schaltkreise 41 umfassen die Halbleiterschalter 7, die Dioden 8 und den Kondensator 9 und realisieren somit die Halbbrücken 4 des vorgeschlagenen Prinzips. Man erkennt somit deutlich, dass die Leistungselektronik in die Maschine nach dem vorgeschlagenen Prinzip integriert und nicht in einem separaten Gehäuse untergebracht ist. Damit ergeben sich die genannten Vorteile wie kompakter Aufbau, kostengünstige Herstellung und geringe Störemission und -imission durch verringerten Verkabelungsaufwand zwischen Leistungselektronik und Maschine.
Bezugszeichenliste

1: Stator
2: Rotor
3: Leiterabschnitt
4: Halbbrücke
5: Halbbrücke
6: Modul
7: Leistungsschalter
8: Diode
9: Kondensator
10: Treiber
11: Schalsignaleingang
12: Permanentmagnet
13: Luftspalt
14: Steg
15: Steg
16: Kondensator
17: Halbbrücke im Rotor
18: ringförmiger Leiter
19: ringförmiger Leiter
20: zentrale Steuereinheit
21: Stromregler
22: Überlagerte Regelkreise
23: Sollwertvorgaben
24: Stromistwerterfassung
25: PWM-Erzeugung
26: Datenbus
27: Stromistwerterfassung
28: DC-Versorgung
29: Stromregler
30: Leiterfilament
31: PWM-Erzeugung
32: Buscontroller
33: Funkstrecke
34: Telemetriemodul
35: DC-Versorgung
36: AC-/DC-Konverter
37: Kondensator
38: Batterie
39: Motorsegment
40: Steuerungsmodul
41: integrierter Leistungsschaltkreis

Claims

Wicklungssystem für einen Stator (1) und/oder einen Rotor (2) einer elektrischen Maschine, umfassend: – mehrere Leiterabschnitte (3), – zwei ringförmige Leiter (+, –) auf einer ersten Seite des Wicklungssystems, mit denen die Leiterabschnitte (3) über Halbbrücken (4) gekoppelt sind, – mindestens eine Halbbrücke (5) auf einer gegenüberliegenden Seite des Wicklungssystems, an die mindestens ein Leiterabschnitt (3) angeschlossen ist.
Wicklungssystem nach Anspruch 1, bei dem die Leiterabschnitte (3) geradlinig ausgebildet und parallel zueinander angeordnet sind.
Wicklungssystem nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die beiden ringförmigen Leiter (+, –) einen zweipoligen DC-Bus bilden.
Wicklungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem auf der gegenüberliegenden Seite des Wicklungssystems zwei weitere ringförmigen Leiter (+, –) vorgesehen sind, an die die mindestens eine Halbbrücke (5) angeschlossen ist, die sich auf der gegenüberliegenden Seite des Wicklungssystems befindet.
Wicklungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Leiterabschnitte (3) entlang eines Umfangs des Stators (1) bzw. Rotors (2) verteilt sind.
Wicklungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Leiterabschnitte (3) Kupfer, Aluminium, Kohlenstoffnanoröhren oder Graphen umfassen.
Wicklungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, das eine Steuereinheit (10, 20, 40) umfasst, die mit den Halbbrücken (4, 5) zu deren Ansteuerung verbunden ist.
Wicklungssystem nach Anspruch 7, bei dem die Steuereinheit derart konfiguriert ist, dass die Polpaarzahl des Stators bzw. des Rotors durch Ansteuerung der Halbbrücken veränderbar ist.
Wicklungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die Leiterabschnitte (3) jeweils mehrere parallel zueinander angeordnete und elektrisch parallel geschaltete Leiterfilamente (30) umfassen.
Stator (1) mit einem Wicklungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
Rotor (2) mit einem Wicklungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
Elektrische Maschine mit einem Stator (1) nach Anspruch 10 und/oder mit einem Rotor (2) nach Anspruch 11.