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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine insbesondere zum Antreiben eines Kraftfahrzeugs, mit einem Stator und einem Rotor, einer ersten Spulenanordnung, die eine Mehrzahl von ersten Spulen aufweist, einer zweiten Spulenanordnung, die eine Mehrzahl von zweiten Spulen aufweist, einer ersten Steuerungsanordnung, die mit der ersten Spulenanordnung und mit einem ersten elektrischen Energiespeicher elektrisch verbunden ist, um die erste Spulenanordnung zum Antrieben des Rotors zu bestromen.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Kraftfahrzeug mit einer Antriebsmaschine zum Antreiben des Kraftfahrzeugs.
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Im Bereich der elektrischen Maschinen und insbesondere im Bereich der elektrischen Antriebsmaschinen für Kraftfahrzeuge ist es allgemein bekannt, Batterien oder Akkumulatoren zur Bereitstellung von elektrischer Energie vorzusehen und die Batterien oder Akkumulatoren über Ladegeräte mittels Wechselspannungsquellen zu laden.
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Die Ladegeräte sind entweder vollständig separate Ladegeräte mit einem Gleichrichter und einem Gleichspannungswandler oder aber teilweise in die Antriebssteuerung der elektrischen Maschine bzw. die Wechselrichter zum Bereitstellen von Wechselspannung integriert, um entsprechend Gewicht und Kosten zu sparen. In einer besonderen Ausführungsform kann dabei ein aktiver Gleichrichter über die Spulen des Stators mit dem Antriebswechselrichter verbunden werden, um so die Batterie der elektrischen Maschine zu laden. Nachteilig dabei ist es, dass der zusätzliche aktive Wechselrichter den technischen Aufwand und das Gewicht im Allgemeinen erhöht.
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Alternativ kann die Batterie der elektrischen Maschine auch über einen Mittelabgriff der Statorspulen geladen werden, um beim Laden Drehmomentschwankungen oder eine Drehbewegung des Rotors zu vermeiden, wobei dabei eine minimale Batteriespannung einer dreiphasig gleichgerichteten Netzspannung entspricht, und somit gängige elektrische Komponenten, insbesondere IGBT-Module, nicht mehr verwendbar sind.
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Ein weiterer elektrischer Antrieb ist beispielsweise aus der
US 2014/0097792 A1 bekannt, bei dem das elektrische Aufladen der Batterie über Sternpunktanschlüsse von zwei separaten Statorspulensätzen und entsprechend eine Mehrzahl von Wechselrichtern und einen Transformator erfolgt. Nachteilig dabei ist es, dass der technische Aufwand und das Gewicht des elektrischen Antriebs im Allgemeinen erhöht ist.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte elektrische Maschine bereitzustellen, bei der ein elektrischer Energiespeicher mit technisch geringem Aufwand geladen werden kann.
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Diese Aufgabe wird bei der eingangs genannten elektrischen Maschine dadurch gelöst, dass die ersten Spulen jeweils mit einer der zweiten Spulen magnetisch gekoppelt sind, um elektrische Energie zwischen der ersten Spulenanordnung und der zweiten Spulenanordnung auszutauschen.
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Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Kraftfahrzeug dadurch gelöst, dass die Antriebsmaschine zum Antreiben des Kraftfahrzeugs eine elektrische Maschine gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist.
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Dadurch, dass die ersten und die zweiten Spulen magnetisch miteinander gekoppelt sind, kann elektrische Energie über die beiden Spulenanordnungen auf den ersten elektrischen Energiespeicher übertragen werden, um diesen entsprechend elektrisch zu laden, wobei durch die magnetische Kopplung gleichzeitig eine galvanische Trennung zur Erhöhung der Sicherheit vor elektrischen Überschlägen gewährleistet werden kann. Dadurch kann ohne zusätzlichen Aufwand der erste elektrische Energiespeicher elektrisch geladen werden und die Sicherheit erhöht werden.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird somit vollständig gelöst.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Spulen der ersten Spulenanordnung und die Spulen der zweiten Spulenanordnung entgegengesetzte Wicklungsrichtungen auf.
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Dadurch kann der erste Energiespeicher über die beiden Spulenanordnungen geladen werden, wobei die magnetischen Flüsse der Spulenanordnungen sich gegenseitig aufheben und entsprechend im Ladebetrieb kein Drehmoment an dem Rotor erzeugt wird. Dadurch kann auf zusätzliche Sperrvorrichtungen für den Ladebetrieb verzichtet werden. Alternativ sind natürlich auch gleiche Wicklungsrichtungen der Spulen der ersten Spulenanordnung und der Spulen der zweiten Spulenanordnung möglich.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist der erste Energiespeicher als Batterie ausgebildet.
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Dadurch kann eine große Menge von elektrischer Energie gespeichert werden und die Spulenanordnung entsprechend über einen langen Zeitraum mit elektrischer Energie versorgt werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist die elektrische Maschine ferner eine zweite Steuerungsanordnung auf, die mit der zweiten Spulenanordnung und mit einem zweiten elektrischen Energiespeicher elektrisch verbunden ist, um die zweite Spulenanordnung zum Antreiben des Rotors zu bestromen.
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Dadurch kann die zweite Spulenanordnung unabhängig und zusätzlich zu der ersten Spulenanordnung zum Antreiben des Rotors bestromt werden, so dass höhere Antriebsleistungen mit gleichzeitig geringeren Batterieströmen realisiert werden können, da die entsprechenden Batterieströme von zwei elektrischen Energiespeichern bereitgestellt werden. Durch die zweite Steuerungsanordnung, die mit dem zweiten elektrischen Energiespeicher verbunden ist, kann eine Kompensation der Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung in der ersten Spulenanordnung erzielt werden, so dass eine Blindleistungskompensation erzielt werden kann. Dadurch kann die Effektivität des elektrischen Antriebs im Allgemeinen erhöht werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist der zweite elektrische Energiespeicher als Kondensator ausgebildet.
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Dadurch kann der technische Aufwand der elektrischen Maschine und das Gewicht reduziert werden und die zweite Spulenanordnung für Spitzenleistungen separat angesteuert bzw. bestromt werden, um die Flexibilität des Antriebs zu erhöhen.
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Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn der Kondensator als Ultrakondensator ausgebildet ist.
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Dadurch kann entsprechend genügend elektrische Energie für Spitzenleistungen der elektrischen Maschine bereitgestellt werden.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Ultrakondensator als elektrochemischer Kondensator ausgebildet und weist eine Kapazität größer als 100 Farad auf.
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Dadurch kann die elektrische Kapazität des zweiten elektrischen Energiespeichers erhöht werden und das Gewicht weiter reduziert werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die zweite Steuerungsanordnung als Wechselrichter ausgebildet.
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Dadurch kann die zweite Spulenanordnung elektrisch angesteuert und bestromt werden und entsprechend zum Antreiben des Rotors ein rotierendes Magnetfeld erzeugt werden.
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Es ist weiterhin bevorzugt, wenn die erste und die zweite Spulenanordnung jeweils drei Spulen aufweisen.
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Dadurch kann der Rotor entsprechend dreiphasig angetrieben werden.
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Die Spulen der ersten und der zweiten Spulenanordnung können vorzugsweise in einer Sternschaltung oder in einer Dreiecksschaltung zusammengeschaltet sein.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Spulen der zweiten Spulenanordnung jeweils mit einem elektrischen Anschluss verbunden, um eine dreiphasige elektrische Energiequelle mit der Antriebsmaschine zu verbinden und den ersten elektrischen Energiespeicher über die Spulenanordnungen zu laden.
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Dadurch kann mit technisch geringem Aufwand und gleichzeitig mit galvanischer Trennung der erste elektrische Energiespeicher aufgeladen werden, da die Spulenanordnungen zur Übertragung von elektrischer Energie magnetisch gekoppelt sind.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sind die zweite Steuerungsanordnung und der zweite elektrische Energiespeicher mit zwei elektrischen Anschlüssen verbunden, um eine einphasige elektrische Energiequelle mit der Antriebsmaschine zu verbinden und den ersten Energiespeicher über die Spulenanordnung zu laden.
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Dadurch kann der erste elektrische Energiespeicher mit technisch geringem Aufwand einphasig geladen werden, wodurch die Flexibilität der Aufladung des ersten elektrischen Energiespeichers erhöht werden kann.
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In der bevorzugten Ausführungsform, in der der zweite elektrische Energiespeicher als Kondensator und insbesondere als Ultrakondensator ausgebildet ist, können ferner Stromschwankungen beim einphasigen Laden vermieden werden, da der zweite elektrische Energiespeicher als Glättungskondensator dient, wodurch eine vorzeitige Alterung des ersten elektrischen Energiespeichers vermieden werden kann.
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Es ist weiterhin bevorzugt, wenn die zweite Steuerungsanordnung und der zweite elektrische Energiespeicher über einen Gleichrichter mit den elektrischen Anschlüssen verbunden sind.
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Dadurch kann das Laden des ersten elektrischen Energiespeichers mittels einer einphasigen Wechselspannungsquelle wie zum Beispiel einer herkömmlichen Steckdose erfolgen.
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Es ist weiterhin bevorzugt, wenn die Spulen der ersten Spulenanordnung und der zweiten Spulenanordnung unterschiedliche Windungszahlen aufweisen.
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Dadurch kann eine Spannung zum Laden des ersten elektrischen Energiespeichers an die notwendige Batterieladespannung angepasst werden, so dass ohne zusätzliche Komponenten ein Laden des ersten elektrischen Energiespeichers erfolgen kann.
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Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn die Spulen der ersten Spulenanordnung und der zweiten Spulenanordnung ein Windungszahlverhältnis von 1:2 aufweisen.
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Dadurch kann beispielsweise bei einem dreiphasigen Ladebetrieb die Spannung verdoppelt werden, so dass sich eine entsprechende Batterieladespannung von 800 Volt realisieren lässt.
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Insgesamt kann durch die besondere Ausführungsform der elektrischen Maschine ein Hochleitungsantriebssystem mit zuschaltbarer Spitzenleistung durch die zweite Steuerungsanordnung und die zweite Spulenanordnung erzielt werden und ferner kann der erste elektrische Energiespeicher mit technisch geringem Aufwand über die magnetische Kopplung der beiden Spulenanordnungen geladen werden. Ferner kann eine flexible Ladung des ersten elektrischen Energiespeichers bereitgestellt werden, da das Aufladen über eine dreiphasige elektrische Energiequelle und eine einphasige elektrische Energiequelle erfolgen kann. Schließlich kann durch die galvanische Trennung zwischen dem ersten elektrischen Energiespeicher und dem elektrischen Kontakt zum Laden des elektrischen Energiespeichers die Sicherheit beim Laden vor Überspannung erhöht werden. Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit einer elektrischen Antriebsmaschine; und
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2 ein schematisches Blockschaltbild der elektrischen Antriebsmaschine mit zwei separaten Steuerungsanordnungen.
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In 1 ist ein Kraftfahrzeug schematisch dargestellt im Allgemeinen mit 10 bezeichnet. Das Kraftfahrzeug 10 weist einen Antriebsstrang 12 auf, der im vorliegenden Fall eine elektrische Maschine 14 zur Bereitstellung von Antriebsleistung beinhaltet. Der Antriebsstrang 12 dient zum Antreiben von angetriebenen Rädern 16L, 16R des Fahrzeugs 10.
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Die elektrische Maschine 14 stellt an einer Motorwelle 18 bzw. an einer Abtriebswelle 18 ein Drehmoment t bereit, wobei die Antriebswelle 18 mit einer einstellbaren Drehzahl dreht. Die Abtriebswelle 18 ist mit einer Getriebeeinheit 20 verbunden bzw. verbindbar, um das Drehmoment t auf die angetriebenen Räder 16R, 16L zu übertragen. Die Abtriebswelle 18 weist im vorliegenden Fall eine Kupplung 22 auf, um die elektrische Maschine 14 mit der Getriebeeinheit 22 zu verbinden.
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Der Antriebsstrang 12 kann dazu eingerichtet sein, das Fahrzeug 10 wie im vorliegenden Fall alleine mittels der elektrischen Maschine 14 anzutreiben (Elektrofahrzeug). Alternativ kann die elektrische Maschine 14 zusammen mit einer Verbrennungskraftmaschine einen Teil eines Hybridantriebstrangs bilden.
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Die elektrische Maschine 14 kann mehrphasig und vorzugsweise dreiphasig ausgebildet sein und wird mittels einer Leistungselektronik 24 angesteuert bzw. mit elektrischer Energie versorgt. Die Leistungselektronik 24 ist mit einem elektrischen Energiespeicher 26 wie zum Beispiel einem Akkumulator bzw. einer Batterie 26 des Kraftfahrzeugs 10 verbunden und dient dazu, eine von dem elektrischen Energiespeicher 26 bereitgestellte Gleichspannung in Wechselstrom im Allgemeinen bzw. in eine Anzahl von Phasenströmen für die Phasen der elektrischen Maschine 14 umzurichten. Dadurch kann die elektrische Maschine 14 beliebig angesteuert und mit elektrischer Energie versorgt werden, um das Kraftfahrzeug 10 entsprechend anzutreiben.
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Der elektrische Energiespeicher 26 wird gemäß der vorliegenden Erfindung über die Leistungselektronik 24 mit elektrischer Energie versorgt, um den elektrischen Energiespeicher 26 entsprechend aufzuladen, wie es im Weiteren näher erläutert ist. Die Leistungselektronik 24 weist vorzugsweise zwei separate Wechselrichter zum Ansteuern von separaten Spulenanordnungen der elektrischen Maschine 14 auf, wie es im Weiteren näher erläutert ist.
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In 2 ist ein schematisches Blockschaltbild der elektrischen Maschine 14 dargestellt. Die elektrische Maschine 14 weist im Allgemeinen die Leistungselektronik 24 sowie einen Stator 28 sowie einen hier nicht näher dargestellten Rotor auf, der drehfest mit der Abtriebswelle 18 verbunden ist.
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Der Stator 28 weist eine erste Spulenanordnung 30 mit drei ersten Spulen 32 auf und eine zweite Spulenanordnung 34 mit drei zweiten Spulen 36 auf. Die ersten Spulen 32 sind jeweils mit einer der zweiten Spulen 36 magnetisch gekoppelt und bilden jeweils einem Transformator, wie es schematisch bei 38 gezeigt ist. Die erste Spulenanordnung 30 und die zweite Spulenanordnung 34 sind jeweils dazu ausgebildet, ein magnetisches Feld zum Antreiben des Rotors und entsprechend das Drehmoment t zum Antreiben der angetriebenen Räder 16R, 16L bereitzustellen.
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Die Leistungselektronik 24 weist einen ersten Wechselrichter 40 auf, der mit einer Batterie 42 und mit den ersten Spulen 32 der ersten Spulenanordnung 30 elektrisch verbunden ist. Die Batterie 42 bildet einen ersten elektrischen Energiespeicher der elektrischen Maschine 14 und versorgt den ersten Wechselrichter 40 entsprechend mit einer Gleichspannung. Parallel zu der Batterie 42 ist ein Zwischenkreiskondensator 44 geschaltet. Der Wechselrichter richtet die Gleichspannung der Batterie 42 in dreiphasige Wechselspannung um und versorgt die erste Spulenanordnung 30 entsprechend mit dreiphasigem Wechselstrom. Dadurch kann von der ersten Spulenanordnung 30 ein rotierendes Magnetfeld zum Antreiben des Rotors der elektrischen Maschine 14 bereitgestellt werden.
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Die Leistungselektronik 24 weist ferner einen zweiten Wechselrichter 46 auf, der elektrisch mit einem Ultrakondensator 48 und mit den zweiten Spulen 36 der zweiten Spulenanordnung 34 verbunden ist. Der Ultrakondensator 48 ist vorzugsweise ein elektrochemischer Kondensator mit einer elektrischen Kapazität von mehr als 100 Farad und versorgt den zweiten Wechselrichter 46 entsprechend mit einer elektrischen Gleichspannung, die der zweite Wechselrichter 46 umrichtet, um die zweiten Spulen 36 der zweiten Spulenanordnung 34 mit dreiphasigem elektrischem Strom zu versorgen. Dadurch können die zweiten Spulen 36 ein rotierendes Magnetfeld unabhängig von der ersten Spulenanordnung 30 erzeugen und den Rotor der elektrischen Maschine 14 entsprechend antreiben. Der zweite Wechselrichter 46 dient dazu, für Spitzenleistungen der elektrischen Maschine ein zusätzliches Magnetfeld bereitzustellen, so dass das Drehmoment t der Abtriebswelle 18 bzw. des Rotors kurzzeitig erhöht werden kann, um entsprechend Spitzenleistung bereitzustellen. Dadurch kann der maximale Strom, der von der Batterie 42 bereitgestellt werden muss, halbiert werden, so dass ein System mit einem deutlich kleineren Phasenspitzenstrom realisiert werden kann.
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Ferner kann die Batterie 42 zur längerfristigen Versorgung der elektrischen Maschine 14 mit elektrischer Energie mit einer hohen Energiedichte und einer geringeren Leistung ausgelegt werden, da die Spitzenleistung von dem zweiten Inverter 46 und dem Ultrakondensator 48 abgedeckt werden. Der Ultrakondensator hat entsprechend eine geringere Energiedichte und eine höhere Leistung, um die Spitzenleistung der elektrischen Maschine bereitzustellen. Dadurch kann im Ergebnis ein Hochleistungsantriebssystem für das Kraftfahrzeug 10 bereitgestellt werden.
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Der erste und der zweite Wechselrichter 40, 46 weisen vorzugsweise drei parallele Halbbrücken auf, wobei die einzelnen ersten bzw. zweiten Spulen 32, 36 jeweils mit einem Mittelabgriff der Halbbrücken elektrisch verbunden sind.
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Die zweiten Spulen 36 der zweiten Spulenanordnung 34 sind jeweils elektrisch mit einem elektrischen Anschluss 50 verbunden, um die zweite Spulenanordnung 34 mit einer externen dreiphasigen Spannungsquelle 51 zu verbinden und die Batterie 42 über die erste und die zweite Spulenanordnung 30, 34 zu laden. Dabei sind die elektrischen Anschlüsse 50 über einen Filter mit der zweiten Spulenanordnung 34 verbunden, um elektrische Energie auf die zweite Spulenanordnung 34 zu übertragen. Die zweite Spulenanordnung 34 überträgt die elektrische Energie durch die magnetische Kopplung auf die erste Spulenanordnung 30, so dass die Batterie 42 über den Wechselrichter 40 geladen werden kann. Die ersten Spulen 32 und die zweiten Spulen 36 weisen einen entgegengerichteten Wicklungssinn auf, um entsprechend die galvanische Trennung zu realisieren und um durch gegenseitiges Aufheben der magnetischen Flüsse im Ladebetrieb keinen Drehmoment an dem Rotor zu erzeugen.
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Die ersten Spulen 32 und die zweiten Spulen 36 weisen vorzugsweise unterschiedliche Wicklungszahlen auf, um entsprechend die notwendige Spannung für die Batterie 42 einzustellen. Dabei ist beispielsweise ein Verhältnis von 2:1 vorteilhaft, wodurch eine Halbierung der Spannung der externen dreiphasigen Spannungsquelle erzielt werden kann und eine geeignete Spannung zum Laden der Batterie 42 eingestellt werden kann.
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Der zweite Wechselrichter 46 und der Ultrakondensator 48 sind mit elektrischen Anschlüssen 54 verbunden, um den zweiten Wechselrichter 46 mit einer externen einphasigen Wechselspannungsquelle 56 zu verbinden und entsprechend die Batterie 42 über die erste und die zweite Spulenanordnung, den ersten Wechselrichter 40 und den zweiten Wechselrichter 46 zu laden. Dabei sind die elektrischen Anschlüsse 54 über einen Gleichrichter 58 mit dem zweiten Wechselrichter 46 verbunden, um entsprechend eine Gleichspannung zum Laden der Batterie 42 bereitzustellen.
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Dadurch kann die Batterie 42 alternativ mit der einphasigen Wechselspannung 56 geladen werden, so dass die Batterie 42 auch über einen normalen Hausanschluss geladen werden kann.
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Dabei ist es besonders vorteilhaft, dass der Ultrakondensator 48 mit einer hohen Kapazität mit dem zweiten Wechselrichter 46 verbunden ist, um einen entsprechend geglätteten Gleichstrom zu erzeugen, wodurch die Lebensdauer der Batterie 42 erhöht werden kann.
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Durch den zweiten Wechselrichter 46 kann ferner eine Blindleistungskompensation durchgeführt werden, wobei der Faktor cos φ entsprechend erhöht werden kann, wodurch die Effektivität des elektrischen Antriebs im Allgemeinen erhöht werden kann.
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Es versteht sich, dass der Ultrakondensator 48 im Betrieb der elektrischen Maschine 14 auch von der Batterie 42 über die erste und die zweite Spulenanordnung 30, 34 hinweg geladen werden kann, um kurzzeitig die Leistungsspitzen bereitstellen zu können.
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Schließlich versteht es sich, dass die ersten Spulen 32 und die zweiten Spulen 36 sowohl in einer Sternschaltung als auch in einer Dreiecksschaltung zusammengeschaltet sein können.
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Die ersten Spulen 32 und die zweiten Spulen 36 sind elektrisch voneinander getrennt und lediglich magnetisch gekoppelt, so dass eine vollständige galvanische Trennung zwischen den beiden Spulenanordnungen 30, 34 bzw. dem ersten Wechselrichter 40 und dem zweiten Wechselrichter 46 bzw. den externen Spannungsquellen 51, 56 gewährleistet werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2014/0097792 A1 [0006]
