DE102016215705A1

DE102016215705A1 - Electric drive device

Info

Publication number: DE102016215705A1
Application number: DE102016215705.1A
Authority: DE
Inventors: Tobias Schneider; Kurt Reutlinger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-08-22
Filing date: 2016-08-22
Publication date: 2018-02-22
Also published as: WO2018036767A1

Abstract

Es sind schon elektrische Antriebseinrichtungen mit einer elektrischen Maschine und mehreren Wechselrichtern bekannt, wobei die elektrische Maschine einen Rotor und einen Stator umfasst, wobei der Stator eine elektrische Mehrphasenwicklung aufweist, die mehrere Wicklungsstränge umfasst, wobei die Wicklungsstränge jeweils einer von mehreren elektrischen Phasen zugeordnet sind und jeweils an einem von mehreren Wechselrichtern angeschlossen sind. Bei dieser elektrischen Maschine sind die phasengleichen Wicklungsstränge jeweils an einem unterschiedlichen Wechselrichter angeschlossen. Die elektrische Maschine hat eine bestimmte Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie, nach der die elektrische Maschine in einem niedrigen ersten Drehzahlbereich ein im wesentlichen konstantes erstes Drehmoment liefern kann und nach der das Drehmoment in einem höheren, im sogenannten Feldschwächebereich liegenden zweiten Drehzahlbereich ausgehend vom ersten Drehmoment mit zunehmender Drehzahl abnimmt. Für einen Betrieb der elektrischen Maschine wären im zweiten Drehzahlbereich höhere Drehmomente wünschenswert, um eine bessere Beschleunigung eines mit der elektrischen Maschine angetriebenen Fahrzeuges zu erreichen. Bei der erfindungsgemäßen elektrischen Antriebseinrichtung ist im zweiten Drehzahlbereich der Kennlinie der elektrischen Maschine durch Polumschaltung ein höheres Drehmoment erzielbar. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der von den unterschiedlichen Wechselrichtern (6.1, 6.2, 6.3, 6.4) bereitgestellte Strom in die phasengleichen Wicklungsstränge (U1, U2; V1, V2; W1, W2; R1, R2; S1, S2; T1, T2) derart gleichphasig oder gegenphasig einsteuerbar ist, dass sich bei gleichphasigem Strom eine bestimmte Polzahl und bei gegenphasigem Strom eine Verdoppelung oder Halbierung der Polzahl im Stator (3) ergibt.There are already known electrical drive means with an electric machine and a plurality of inverters, wherein the electric machine comprises a rotor and a stator, wherein the stator comprises a multi-phase electrical winding comprising a plurality of winding strands, wherein the winding strands are each associated with one of a plurality of electrical phases and each connected to one of several inverters. In this electric machine, the in-phase winding phases are each connected to a different inverter. The electric machine has a certain torque-speed characteristic, according to which the electric machine can deliver a substantially constant first torque in a low first speed range and after that the torque in a higher, in the so-called field weakening range second speed range starting from the first torque with increasing speed decreases. For operation of the electric machine, higher torques would be desirable in the second speed range in order to achieve better acceleration of a vehicle driven by the electric machine. In the electric drive device according to the invention a higher torque can be achieved in the second speed range of the characteristic of the electric machine by pole change. According to the invention, the current provided by the different inverters (6.1, 6.2, 6.3, 6.4) is fed into the in-phase winding phases (U1, U2, V1, V2, W1, W2, R1, R2, S1, S2, T1, T2). in such in-phase or opposite phase is einsteuerbar that results in in-phase current a certain number of poles and in opposite phase current doubling or halving the number of poles in the stator (3).

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung geht aus von einer elektrischen Antriebseinrichtung nach der Gattung des Hauptanspruchs. Es ist schon eine elektrische Antriebseinrichtung mit einer elektrischen Maschine und mehreren Wechselrichtern aus der DE 10 2012 203 525 A1 bekannt, wobei die elektrische Maschine einen Rotor und einen Stator umfasst, wobei der Stator eine elektrische Mehrphasenwicklung aufweist, die mehrere Wicklungsstränge umfasst, wobei die Wicklungsstränge jeweils einer von mehreren elektrischen Phasen zugeordnet sind und jeweils an einem von mehreren Wechselrichtern angeschlossen sind. Bei dieser elektrischen Maschine sind die phasengleichen Wicklungsstränge jeweils an einem unterschiedlichen Wechselrichter angeschlossen. Die elektrische Maschine hat eine bestimmte Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie, nach der die elektrische Maschine in einem niedrigen ersten Drehzahlbereich ein im wesentlichen konstantes erstes Drehmoment liefern kann und nach der das Drehmoment in einem höheren, im sogenannten Feldschwächebereich liegenden zweiten Drehzahlbereich ausgehend vom ersten Drehmoment mit zunehmender Drehzahl abnimmt. Für einen Betrieb der elektrischen Maschine wären im zweiten Drehzahlbereich höhere Drehmomente wünschenswert, um eine bessere Beschleunigung eines mit der elektrischen Maschine angetriebenen Fahrzeuges zu erreichen. Ebenfalls bekannt sind elektrische Maschinen mit sogenannten polumschaltbaren Wicklungen, beispielsweise aus der CH 14112 A , der DE 759076 A oder dem Buch „Die Wicklungen elektrischer Maschinen“ von Heinrich Sequenz, Band 3, 1954, Springer Verlag .The invention relates to an electric drive device according to the preamble of the main claim. It is already an electric drive device with an electric machine and several inverters from the DE 10 2012 203 525 A1 The electric machine comprises a rotor and a stator, the stator having a multi-phase electrical winding comprising a plurality of winding strands, wherein the winding strands are each associated with one of a plurality of electrical phases and are each connected to one of a plurality of inverters. In this electric machine, the in-phase winding phases are each connected to a different inverter. The electric machine has a certain torque-speed characteristic, according to which the electric machine can deliver a substantially constant first torque in a low first speed range and after that the torque in a higher, in the so-called field weakening range second speed range starting from the first torque with increasing speed decreases. For operation of the electric machine, higher torques would be desirable in the second speed range in order to achieve better acceleration of a vehicle driven by the electric machine. Also known are electrical machines with so-called pole-changing windings, for example from the CH 14112 A , of the DE 759076 A or the book "The Windings of Electrical Machines" by Heinrich Sequenz, Volume 3, 1954, Springer Verlag ,

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Die erfindungsgemäße elektrische Antriebseinrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass die Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie der elektrischen Maschine durch eine Umschaltung der Polzahl derart veränderbar ist, dass im zweiten Drehzahlbereich der Kennlinie durch Polumschaltung ein höheres Drehmoment erzielbar ist. Dies wird erfindungsgemäß erreicht, indem der von den unterschiedlichen Wechselrichtern bereitgestellte Strom in die phasengleichen Wicklungsstränge derart gleichphasig oder gegenphasig einsteuerbar ist, dass sich bei gleichphasigem Strom eine bestimmte Polzahl und bei gegenphasigem Strom eine Verdoppelung oder Halbierung der Polzahl im Stator ergibt. Auf diese Weise ist die elektrische Maschine nach zwei unterschiedlichen Kennlinien betreibbar, wobei das jeweils höhere Drehmoment für niedrige Drehzahlen durch die Kennlinie für die doppelte Polzahl und das jeweils höhere Drehmoment für höhere Drehzahlen durch die Kennlinie für die einfache bzw. nicht verdoppelte Polzahl bereitgestellt wird.The electric drive device according to the invention with the characterizing features of the main claim has the advantage that the torque-speed characteristic of the electric machine by changing the number of poles is variable such that in the second speed range of the characteristic by pole switching a higher torque can be achieved. This is achieved according to the invention in that the current provided by the different inverters in the in-phase winding strands can be controlled in-phase or out-of-phase so that a certain number of poles results in in-phase current and a doubling or halving of the number of poles in the stator in the case of opposite-phase current. In this way, the electric machine is operable according to two different characteristics, wherein the respective higher torque for low speeds is provided by the characteristic of the double pole number and the higher torque for higher speeds by the characteristic for the simple or not doubled number of poles.

Die Erfindung besteht darin, die Mehrphasenwicklung in Wicklungsabschnitte aufzuteilen und diese durch separate Wechselrichter zu bestromen. Die Wicklungsabschnitte lassen sich dann unabhängig voneinander durch die separaten Wechselrichter speisen. Die Stromumkehr erfolgt, indem die Wicklungsabschnitte getrennt voneinander angesteuert werden und die Wechselrichter entweder gleichphasig oder gegenphasig betrieben werden. The invention consists in dividing the multi-phase winding into winding sections and energizing them by means of separate inverters. The winding sections can then be fed independently by the separate inverters. The current is reversed by the winding sections are controlled separately and the inverters are operated either in-phase or out-of-phase.

Da die elektrische Maschine abhängig vom Betrieb der Wechselrichter wahlweise mit der einfachen Polzahl gemäß einer ersten Kennlinie oder mit der doppelten bzw. halben Polzahl gemäß einer zweiten Kennlinie betreibbar ist, kann durch die elektrische Maschine ein erster Gang gemäß der ersten Kennlinie und ein zweiter Gang gemäß der zweiten Kennlinie ohne ein mechanisches Schaltgetriebe realisiert werden. Der erste Gang ist für kleine Drehzahlen, also zum Anfahren, geeignet und kann hohe Drehmomente bereitstellen, während der zweite Gang für hohe Drehzahlen geeignet ist und einen besonders guten Wirkungsgrad für ökonomisches Fahren aufweist. Die Erfindung ermöglicht also, auf ein mechanisches Schaltgetriebe im Fahrzeug zu verzichten und die Gänge und deren Umschaltung durch die Wechselrichter und deren Verschaltung elektronisch zu realisieren.Since the electric machine depending on the operation of the inverter with either the simple number of poles according to a first characteristic or with twice or half the number of poles according to a second characteristic is operable by the electric machine, a first gear according to the first characteristic and a second gear according to the second characteristic without a mechanical transmission can be realized. The first gear is suitable for low speeds, ie for starting, and can provide high torques, while the second gear is suitable for high speeds and has a particularly good efficiency for economical driving. The invention thus makes it possible to dispense with a mechanical transmission in the vehicle and to realize the gears and their switching by the inverter and their interconnection electronically.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung ist, dass die Wechselrichter gegenüber einer elektrischen Maschine mit nur einem einzigen Wechselrichter nur jeweils für die halbe Leistung bei zwei Wechselrichtern und nur jeweils für ein Viertel der Leistung bei vier Wechselrichtern auszulegen sind. Neben den Wechselrichtern sind keine weiteren Leistungshalbleiter oder mechanische Schalter für die Polumschaltung erforderlich.A particular advantage of the invention is that the inverters are compared to an electric machine with only a single inverter interpreted only for half the power of two inverters and only one quarter of the power in four inverters. In addition to the inverters, no further power semiconductors or mechanical switches are required for the pole changeover.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen elektrischen Antriebseinrichtung möglich. The measures listed in the dependent claims advantageous refinements and improvements of the main claim electrical drive device are possible.

Nach einem ersten Ausführungsbeispiel sind zwei Wechselrichter und für jede elektrische Phase zwei Wicklungsstränge in der Mehrphasenwicklung der elektrischen Maschine vorgesehen. Diese Ausführung ist vergleichsweise kostengünstig herzustellen.According to a first exemplary embodiment, two inverters and, for each electrical phase, two winding phases are provided in the polyphase winding of the electrical machine. This embodiment is relatively inexpensive to manufacture.

Nach einem zweiten Ausführungsbeispiel sind vier Wechselrichter und für sechs elektrische Phasen je zwei Wicklungsstränge in der Mehrphasenwicklung der elektrischen Maschine vorgesehen. Die zwei Drehmoment-Drehzahl-Kennlinien können im Vergleich zum ersten Ausführungsbeispiel zu noch höheren Drehmomenten verschoben werden, so dass die Leistung der elektrischen Maschine erhöht wird. Außerdem wird bei diesem Ausführungsbeispiel ein sehr guter Wicklungsfaktor und ein sehr geringer Oberwellenanteil in der Felderregerkurve erreicht.According to a second exemplary embodiment, four inverters and, for six electrical phases, two winding phases each are provided in the polyphase winding of the electrical machine. The two torque-speed characteristics can compared to the first embodiment to even higher torques are shifted, so that the performance of the electric machine is increased. In addition, in this embodiment, a very good winding factor and a very low harmonic content is achieved in the field exciter curve.

Besonders vorteilhaft ist, wenn die demselben Wechselrichter zugeordneten Wicklungsstränge jeweils an einem Sternpunkt angeschlossen oder im Dreieck oder in einer Stern-Dreieck-Schaltung verschaltet sind, um die elektrische Maschine an die jeweiligen Wechselrichter anzupassen.It is particularly advantageous if the same inverter associated winding strands are each connected to a neutral point or connected in a triangle or in a star-delta circuit to adapt the electrical machine to the respective inverter.

Auch vorteilhaft ist, wenn die elektrische Wicklung der elektrischen Maschine als Einschichtwicklung ausgebildet ist, bei der in jeder Nut des Stators nur elektrische Leiter vorgesehen sind, die demselben Wicklungsstrang und derselben elektrischen Phase zugeordnet sind. Diese Wicklungsart ist besonders einfach herstellbar. Außerdem wird ein sehr guter Wicklungsfaktor und eine sehr gute Maschinenausnutzung erreicht.It is also advantageous if the electrical winding of the electrical machine is designed as a single-layer winding, in which only electrical conductors are provided in each groove of the stator, which are assigned to the same winding strand and the same electrical phase. This type of winding is particularly easy to produce. In addition, a very good winding factor and a very good machine utilization is achieved.

Desweiteren vorteilhaft ist, wenn die elektrische Wicklung der elektrischen Maschine als Zweischichtwicklung ausgebildet ist, bei der in jeder Nut des Stators elektrische Leiter von zwei phasenverschiedenen Wicklungssträngen vorgesehen sind. Bei dieser Wicklungsart ergeben sich besonders kleine Wickelköpfe und damit Baugrößenvorteile. Außerdem wird ein geringer Oberwellenanteil in der Felderregerkurve erzielt. Dies ist sehr vorteilhaft, da Oberwellen dazu führen, dass die Leistung bzw. das Drehmoment der elektrischen Maschine bei hohen Drehzahlen im Feldschwächbereich schneller abfällt. Zudem verursachen die Oberwellen Verlustanteile, die den Wirkungsgrad der elektrischen Maschine reduzieren.Furthermore, it is advantageous if the electrical winding of the electric machine is designed as a two-layer winding in which electrical conductors of two phase-different winding strands are provided in each slot of the stator. This type of winding results in particularly small winding heads and thus size advantages. In addition, a small harmonic content is achieved in the field exciter curve. This is very advantageous because harmonics cause the power or the torque of the electric machine to drop faster at high speeds in the field weakening range. In addition, the harmonics cause losses, which reduce the efficiency of the electric machine.

Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn die elektrische Wicklung der elektrischen Maschine als Zweischichtwicklung ausgebildet ist, bei der in jeder zweiten Nut des Stators elektrische Leiter von zwei phasenverschiedenen Wicklungssträngen vorgesehen sind und in den Nuten dazwischen nur elektrische Leiter desselben Wicklungsstrangs und derselben elektrischen Phase angeordnet sind. Bei dieser Ausführung wird ein guter Kompromiss zwischen gutem Wicklungsfaktor und einem geringen Oberwellenanteil erzielt.Moreover, it is advantageous if the electrical winding of the electrical machine is designed as a two-layer winding in which electrical conductors of two phase-different winding strands are provided in each second slot of the stator and in the grooves between only electrical conductors of the same winding phase and the same electrical phase are arranged , This design achieves a good compromise between good winding factor and low harmonic content.

Vorteilhaft ist, wenn die elektrische Maschine eine Asynchronmaschine und der Rotor ein Käfigläufer ist, da die Asynchronmaschine die erfindungsgemäße Polumschaltung auf einfache Weise ermöglicht.It is advantageous if the electrical machine is an asynchronous machine and the rotor is a squirrel-cage rotor, since the asynchronous machine enables the pole changeover according to the invention in a simple manner.

Zeichnungdrawing

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Embodiments of the invention are shown in simplified form in the drawing and explained in more detail in the following description.

1 zeigt ein Schaltschema für eine elektrische Antriebseinrichtung mit einer elektrischen Maschine und zwei Wechselrichtern nach einem ersten Ausführungsbeispiel, 1 shows a circuit diagram for an electric drive device with an electric machine and two inverters according to a first embodiment,

2 einen durch den ersten Wechselrichter nach 1 erzeugten dreiphasigen ersten Stromverlauf und einen durch den zweiten Wechselrichter nach 1 erzeugten dreiphasigen zweiten Stromverlauf, wobei die beiden Wechselrichter gleichphasig betrieben sind, 2 one by the first inverter after 1 generated three-phase first current waveform and one by the second inverter after 1 generated three-phase second current waveform, the two inverters are operated in phase,

3 einen durch den ersten Wechselrichter nach 1 erzeugten dreiphasigen ersten Stromverlauf und einen durch den zweiten Wechselrichter nach 1 erzeugten dreiphasigen zweiten Stromverlauf, wobei die beiden Wechselrichter gegenphasig betrieben sind, 3 one by the first inverter after 1 generated three-phase first current waveform and one by the second inverter after 1 generated three-phase second current profile, the two inverters are operated in phase opposition,

4 ein Drehmoment-Drehzahl-Diagramm mit zwei Kennlinien für eine elektrische Maschine nach 1, 4 a torque-speed diagram with two characteristics for an electric machine after 1 .

5 ein Wickelschema der elektrischen Maschine nach 1 mit einer Einschichtwicklung, 5 a winding diagram of the electric machine after 1 with a single-layer winding,

6 ein Wickelschema der elektrischen Maschine nach 1 mit einer Zweischichtwicklung, 6 a winding diagram of the electric machine after 1 with a two-layer winding,

7 ein Wickelschema der elektrischen Maschine nach 1 mit einer alternativen Zweischichtwicklung, 7 a winding diagram of the electric machine after 1 with an alternative two-layer winding,

8 ein Schaltschema für eine elektrische Antriebseinrichtung mit einer elektrischen Maschine und zwei Wechselrichtern nach einem zweiten Ausführungsbeispiel, 8th 1 is a circuit diagram for an electric drive device with an electric machine and two inverters according to a second exemplary embodiment,

9 ein Schaltschema für eine elektrische Antriebseinrichtung mit einer elektrischen Maschine und zwei Wechselrichtern nach einem dritten Ausführungsbeispiel und 9 a circuit diagram for an electric drive device with an electric machine and two inverters according to a third embodiment and

10 ein Schaltschema für eine elektrische Antriebseinrichtung mit einer elektrischen Maschine und vier Wechselrichtern nach einem vierten Ausführungsbeispiel. 10 a circuit diagram for an electric drive device with an electric machine and four inverters according to a fourth embodiment.

Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the embodiments

1 zeigt ein Schaltschema für eine elektrische Antriebseinrichtung mit einer elektrischen Maschine und zwei Wechselrichtern nach einem ersten Ausführungsbeispiel. 1 shows a circuit diagram for an electric drive device with an electric machine and two inverters according to a first embodiment.

Die elektrische Maschine 1 ist beispielweise als Asynchronmaschine ausgebildet und umfasst einen beispielsweise als Käfigläufer ausgebildeten Rotor 2 und einen Stator 3 mit einer elektrischen Mehrphasenwicklung 4. The electric machine 1 For example, is designed as an asynchronous machine and includes a trained example as squirrel cage rotor 2 and a stator 3 with a multi-phase electrical winding 4 ,

Die Mehrphasenwicklung 4 weist mehrere Wicklungsstränge U1...n, V1...n, W1...n auf, die jeweils einer von mehreren elektrischen Phasen U, V, W zugeordnet und jeweils an einem von mehreren Wechselrichtern 6 angeschlossen sind. Die Wechselrichter 6 richten die Gleichspannung in Wechselspannung bzw. Gleichstrom in Wechselstrom um und sind beispielsweise als dreiphasige Umrichter in einer B6-Schaltung, also in sechspulsiger Brückenschaltung, ausgebildet.The multiphase winding 4 has several winding phases U1 ... n, V1 ... n, W1 ... n, each associated with one of a plurality of electrical phases U, V, W and in each case at one of a plurality of inverters 6 are connected. The inverters 6 set the DC voltage in AC or DC to AC and are, for example, as a three-phase inverter in a B6 circuit, ie in six-pulse bridge circuit formed.

Nach dem ersten Ausführungsbeispiel sind zwei Wechselrichter 6.1, 6.2 und für jede der beispielsweise drei elektrischen Phasen U, V, W zwei Wicklungsstränge U1, U2; V1, V2; W1, W2 vorgesehen. Anstatt der beispielsweise drei elektrischen Phasen U, VW können aber auch sechs elektrische Phasen U, V, W, R, S, T vorgesehen sein. Die phasengleichen Wicklungsstränge U1, U2 bzw. V1, V2 bzw. W1, W2 sind jeweils an einem unterschiedlichen bzw. anderen der zwei Wechselrichter 6.1, 6.2 angeschlossen. Also ist der der Phase U zugeordnete Wicklungsstrang U1 dem ersten Wechselrichter 6.1 und der der Phase U zugeordnete Wicklungsstrang U2 dem zweiten Wechselrichter 6.2 zugeordnet. Der der Phase V zugeordnete Wicklungsstrang V1 ist wieder an einem der Anschlüsse des ersten Wechselrichters 6.1 und der der Phase V zugeordnete Wicklungsstrang V2 an einem der Anschlüsse des zweiten Wechselrichters 6.2 angeschlossen. Der der Phase W zugeordnete Wicklungsstrang W1 ist dem ersten Wechselrichter 6.1 und der der Phase W zugeordnete Wicklungsstrang W2 dem zweiten Wechselrichter 6.2 zugeordnet. Durch diese Verschaltung der Wicklungsstränge nach dem ersten Ausführungsbeispiel wird die Mehrphasenwicklung 4 in zwei Wicklungshälften geteilt, die durch die separaten Wechselrichter 6.1, 6.2 unabhängig voneinander bestromt werden können.According to the first embodiment, there are two inverters 6.1 . 6.2 and for each of the three electrical phases U, V, W, for example, two winding phases U1, U2; V1, V2; W1, W2 provided. Instead of, for example, three electrical phases U, VW but also six electrical phases U, V, W, R, S, T can be provided. The in-phase winding phases U1, U2 or V1, V2 or W1, W2 are each at a different or different of the two inverters 6.1 . 6.2 connected. So, the phase U associated winding line U1 is the first inverter 6.1 and the phase U associated winding U2 the second inverter 6.2 assigned. The phase V associated with the winding line V1 is again at one of the terminals of the first inverter 6.1 and the phase V associated with winding line V2 at one of the terminals of the second inverter 6.2 connected. The phase W associated winding line W1 is the first inverter 6.1 and the phase W associated winding phase W2 the second inverter 6.2 assigned. By this interconnection of the winding strands according to the first embodiment, the multi-phase winding 4 divided into two winding halves, separated by the separate inverter 6.1 . 6.2 can be energized independently of each other.

Durch die Erfindung ist die Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie der elektrischen Maschine durch eine Umschaltung der Polzahl veränderbar, so dass sich eine polumschaltbare Wicklung bzw. eine polumschaltbare elektrische Maschine ergibt.By the invention, the torque-speed characteristic of the electric machine by changing the number of poles is variable, so that there is a pole-changing winding or a pole-changing electric machine.

Dies wird erfindungsgemäß erreicht, indem der von den unterschiedlichen Wechselrichtern 6.1, 6.2 bereitgestellte Strom in die phasengleichen Wicklungsstränge U1, U2 bzw. V1, V2 bzw. W1, W2 derart gleichphasig oder gegenphasig einsteuerbar ist, dass sich bei gleichphasigem Strom eine bestimmte Polzahl und bei gegenphasigem Strom eine Verdoppelung oder Halbierung der Polzahl im Stator 3 ergibt. Der Strom der jeweiligen Phase U, V, W wird also im zweiten Wechselrichter 6.2 gleichphasig oder gegenphasig zum Strom derselben Phase U, V, W im ersten Wechselrichter 6.1 angesteuert. Bei gegenphasigem Betrieb der Wechselrichter 6.1, 6.2 beträgt der Phasenversatz 180 Grad.This is achieved according to the invention by the different inverters 6.1 . 6.2 Provided current in the in-phase winding strands U1, U2 and V1, V2 and W1, W2 in such in-phase or gegenphasig einsteuerbar that at in-phase current a certain number of poles and anti-phase current doubling or halving the number of poles in the stator 3 results. The current of the respective phase U, V, W is thus in the second inverter 6.2 in phase or in phase opposition to the current of the same phase U, V, W in the first inverter 6.1 driven. In anti-phase operation of the inverter 6.1 . 6.2 the phase offset is 180 degrees.

Die demselben Wechselrichter 6.1, 6.2 zugeordneten Wicklungsstränge U1, V1, W1; U2, V2, W2 sind an einem von ihrem Wechselrichter 6.1, 6.2 abgewandten Ende jeweils in einem Stern verschaltet bzw. an einem Sternpunkt 7 angeschlossen.The same inverter 6.1 . 6.2 associated winding strands U1, V1, W1; U2, V2, W2 are connected to one of their inverters 6.1 . 6.2 each end connected in a star or at a star point 7 connected.

2 zeigt einen durch den ersten Wechselrichter 6.1 nach 1 erzeugten dreiphasigen ersten Stromverlauf und einen durch den zweiten Wechselrichter 6.2 nach 1 erzeugten dreiphasigen zweiten Stromverlauf, wobei die beiden Wechselrichter 6 von einem Steuergerät gleichphasig betrieben sind. 2 shows one through the first inverter 6.1 to 1 generated three-phase first current waveform and one through the second inverter 6.2 to 1 generated three-phase second current waveform, the two inverters 6 are operated in phase by a control unit.

Werden die beiden Wechselrichter 6 nach 1 mit gleicher Phasenlage betrieben bzw. ist der Strom in den phasengleichen Wicklungssträngen U1, U2 bzw. V1, V2 bzw. W1, W2 phasengleich, erzeugt die Mehrphasenwicklung 4 eine Felderregerkurve mit einer bestimmten Polzahl und somit ein Magnetfeld mit dieser bestimmten Polzahl. Become the two inverters 6 to 1 operated with the same phase or the current in the in-phase winding strands U1, U2 and V1, V2 and W1, W2 in phase, generates the multi-phase winding 4 a field exciter curve with a certain number of poles and thus a magnetic field with this particular number of poles.

3 zeigt einen durch den ersten Wechselrichter 6.1 nach 1 erzeugten dreiphasigen ersten Stromverlauf und einen durch den zweiten Wechselrichter 6.2 nach 1 erzeugten dreiphasigen zweiten Stromverlauf, wobei die beiden Wechselrichter 6 von einem Steuergerät gegenphasig betrieben sind. 3 shows one through the first inverter 6.1 to 1 generated three-phase first current waveform and one through the second inverter 6.2 to 1 generated three-phase second current waveform, the two inverters 6 are operated in antiphase by a control unit.

Wird der Strom im zweiten Wechselrichter 6.2 gegenphasig zum ersten Wechselrichter 6.1 angesteuert, fließt der Strom in der zweiten Wicklungshälfte 4.2 in umgekehrter Richtung zum Strom in der ersten Wicklungshälfte 4.1. Die Mehrphasenwicklung 4 erzeugt dadurch eine Felderregerkurve mit der halben oder aber mit der doppelten Polzahl im Vergleich zum gleichphasigen Betrieb. Ob sich eine Halbierung oder Verdoppelung der Polzahl einstellt, hängt davon ab, welches der beiden Enden der Wicklungsstränge U1, U2; V1, V2; W1, W2 jeweils an den zugehörigen Wechselrichter 6 bzw. an den zugehörigen Sternpunkt 7 angeschlossen ist. Die Betriebsart mit der größeren Polzahl bietet ein hohes Drehmoment bei kleinen Drehzahlen. Dagegen bietet die Betriebsart mit der kleineren Polzahl eine höhere Leistung bzw. höheres Drehmoment im höheren Drehzahlbereich.Is the current in the second inverter 6.2 out of phase with the first inverter 6.1 triggered, the current flows in the second half of the winding 4.2 in the reverse direction to the current in the first half of the winding 4.1 , The multiphase winding 4 thereby generates a field exciter curve with half or twice the number of poles compared to in-phase operation. Whether halving or doubling of the number of poles depends on which of the two ends of the winding strands U1, U2; V1, V2; W1, W2 each to the associated inverter 6 or to the associated star point 7 connected. The mode with the larger number of poles provides a high torque at low speeds. In contrast, the operating mode with the smaller number of poles offers higher power or higher torque in the higher speed range.

4 zeigt ein Drehmoment-Drehzahl-Diagramm für die erfindungsgemäße elektrische Maschine mit zwei Kennlinien. 4 shows a torque-speed diagram for the inventive electric machine with two characteristics.

Bei dem Diagramm nach 4 ist das Drehmoment M über der Drehzahl n aufgetragen. At the diagram after 4 the torque M is plotted against the speed n.

Durch die erfindungsgemäße Polumschaltung verhält sich die elektrische Maschine bei einfacher, also nicht verdoppelter Polzahl gemäß einer ersten Kennlinie K2 und bei verdoppelter Polzahl gemäß einer zweiten Kennlinie K1. Die elektrische Maschine ist also nach zwei unterschiedlichen Kennlinien K1, K2 betreibbar. Beide Kennlinien K1, K2 haben bei niedrigen Drehzahlen jeweils einen ersten Drehzahlbereich K1.1, K2.1, in dem das Drehmoment M beispielsweise im wesentlichen konstant ist, und daran anschließend für größere Drehzahlen einen dem Feldschwächebereich entsprechenden zweiten Drehzahlbereich, in dem das Drehmoment mit zunehmender Drehzahl abnimmt. Die erste Kennlinie K1 ermöglicht bei niedrigen Drehzahlen höhere Drehmomente als die zweite Kennlinie K2. Dafür liefert die zweite Kennlinie K2 bei höheren Drehzahlen höhere Drehmomente als die erste Kennlinie K1. Außerdem reicht der erste Drehzahlbereich K2.1 der zweiten Kennlinie K2 zu größeren Drehzahlen hin bis zu einer Drehzahl n2, die größer ist als die entsprechende Drehzahl n1 der ersten Kennlinie K1. As a result of the pole changing circuit according to the invention, the electric machine behaves in a simple, that is to say not doubled, number of poles according to a first characteristic K2 and when the number of poles doubles according to a second characteristic K1. The electric machine can therefore be operated according to two different characteristic curves K1, K2. Both curves K1, K2 have at low speeds in each case a first speed range K1.1, K2.1, in which the torque M, for example, is substantially constant, and then for larger speeds corresponding to the field weakening second speed range in which the torque with increasing speed decreases. The first characteristic K1 allows higher torques at low speeds than the second characteristic K2. For this purpose, the second characteristic K2 at higher speeds delivers higher torques than the first characteristic K1. In addition, the first speed range K2.1 of the second characteristic curve K2 extends to higher rotational speeds up to a rotational speed n2 which is greater than the corresponding rotational speed n1 of the first characteristic K1.

5 zeigt ein Wickelschema der elektrischen Maschine nach 1 nach dem ersten Ausführungsbeispiel. 5 shows a winding diagram of the electric machine after 1 according to the first embodiment.

Die Mehrphasenwicklung 4 und deren Wicklungsstränge sind als verteilte Schleifenwicklung in Nuten des Stators 3 angeordnet.The multiphase winding 4 and their winding strands are as distributed loop winding in slots of the stator 3 arranged.

Die elektrische Mehrphasenwicklung 4 ist nach 5 als Einschichtwicklung ausgebildet, bei der in jeder Nut des Stators 3 nur elektrische Leiter vorgesehen sind, die demselben Wicklungsstrang und derselben elektrischen Phase U, V, W zugeordnet sind. Die Nuten des Stators 3 sind in der 5 mit einer Nummerierung versehen.The electric multiphase winding 4 is after 5 formed as a single-layer winding, in which in each groove of the stator 3 only electrical conductors are provided, which are assigned to the same phase winding and the same electrical phase U, V, W. The grooves of the stator 3 are in the 5 provided with a numbering.

Alternativ kann die elektrische Mehrphasenwicklung 4 als Zweischichtwicklung ausgebildet ist, bei der in jeder Nut des Stators elektrische Leiter von zwei phasenverschiedenen Wicklungssträngen vorgesehen sind (6). Die Nuten des Stators 3 sind in der 6 ebenfalls mit einer Nummerierung versehen.Alternatively, the electric polyphase winding 4 is designed as a two-layer winding, in which electrical conductors of two phase-different winding phases are provided in each slot of the stator ( 6 ). The grooves of the stator 3 are in the 6 also provided with a numbering.

Weiter alternativ kann die elektrische Mehrphasenwicklung 4 als Zweischichtwicklung ausgebildet sein, bei der in jeder zweiten Nut des Stators elektrische Leiter von zwei phasenverschiedenen Wicklungssträngen vorgesehen sind und in den Nuten dazwischen nur elektrische Leiter desselben Wicklungsstrangs und derselben elektrischen Phase angeordnet sind (7). Die Nuten des Stators 3 sind in der 7 analog zu den 5, 6 mit einer Nummerierung versehen.Further alternatively, the electric polyphase winding 4 be formed as a two-layer winding, in which electrical conductors of two phase-different phase windings are provided in each second groove of the stator and in the grooves between only electrical conductors of the same winding phase and the same electrical phase are arranged ( 7 ). The grooves of the stator 3 are in the 7 analogous to the 5 . 6 provided with a numbering.

8 zeigt ein Schaltschema für eine elektrische Antriebseinrichtung mit einer elektrischen Maschine und zwei Wechselrichtern nach einem zweiten Ausführungsbeispiel. 8th shows a circuit diagram for an electric drive device with an electric machine and two inverters according to a second embodiment.

Das zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel nur darin, dass die die demselben Wechselrichter 6.1, 6.2 zugeordneten Wicklungsstränge U1, V1, W1; U2, V2, W2 der elektrischen Maschine 1 jeweils im Dreieck verschaltet sind. Bei der Dreieckschaltung die Enden von zwei dieser Wicklungsstränge jeweils einen gemeinsamen Knoten, der mit einem der Anschlüsse eines der beiden Wechselrichter 6.1, 6.2 verbunden ist. Darüber hinaus ist die elektrische Antriebseinrichtung bzw. die elektrische Maschine 1 analog zum ersten Ausführungsbeispiel ausgeführt. The second embodiment differs from the first embodiment only in that the same inverter 6.1 . 6.2 associated winding strands U1, V1, W1; U2, V2, W2 of the electric machine 1 each interconnected in a triangle. In delta connection, the ends of two of these winding strands each have a common node connected to one of the connections of one of the two inverters 6.1 . 6.2 connected is. In addition, the electric drive device or the electric machine 1 executed analogously to the first embodiment.

9 zeigt ein Schaltschema für eine elektrische Antriebseinrichtung mit einer elektrischen Maschine und zwei Wechselrichtern nach einem dritten Ausführungsbeispiel. 9 shows a circuit diagram for an electric drive device with an electric machine and two inverters according to a third embodiment.

Das dritte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel nur darin, dass die demselben Wechselrichter 6 zugeordneten Wicklungsstränge U1, V1, W1; U2, V2, W2 der elektrischen Maschine 1 jeweils in einer Stern-Dreieck-Schaltung verschaltet sind. Darüber hinaus ist die elektrische Antriebseinrichtung bzw. die elektrische Maschine 1 analog zum ersten Ausführungsbeispiel ausgeführt. The third embodiment differs from the first and second embodiments only in that the same inverter 6 associated winding strands U1, V1, W1; U2, V2, W2 of the electric machine 1 are each interconnected in a star-delta circuit. In addition, the electric drive device or the electric machine 1 executed analogously to the first embodiment.

10 zeigt ein Schaltschema für eine elektrische Maschine mit vier Wechselrichtern nach einem vierten Ausführungsbeispiel. 10 shows a circuit diagram for a four-inverter electric machine according to a fourth embodiment.

Das vierte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel darin, dass anstatt zwei Wechselrichter vier Wechselrichter 6.1, 6.2, 6.3, 6.4 und für jede der beispielsweise sechs elektrischen Phasen U, V, W, R, S, T je zwei Wicklungsstränge U1, U2; V1, V2; W1, W2; R1, R2; S1, S2; T1, T2 an der elektrischen Maschine 1 vorgesehen sind. Darüber hinaus ist die elektrische Antriebseinrichtung bzw. die elektrische Maschine 1 analog zum ersten Ausführungsbeispiel ausgeführt.The fourth embodiment differs from the first embodiment in that instead of two inverters, four inverters 6.1 . 6.2 . 6.3 . 6.4 and for each of the six electrical phases U, V, W, R, S, T, for example, two winding phases U1, U2; V1, V2; W1, W2; R1, R2; S1, S2; T1, T2 on the electric machine 1 are provided. In addition, the electric drive device or the electric machine 1 executed analogously to the first embodiment.

Die vier Wechselrichter stellen einen 12-pulsigen Umrichter bereit.The four inverters provide a 12-pulse inverter.

Nach dem vierten Ausführungsbeispiel wird der von den Wechselrichtern 6.1, 6.2, 6.3, 6.4 bereitgestellte Strom in die phasengleichen Wicklungsstränge U1, U2 bzw. V1, V2 bzw. W1, W2 bzw. R1, R2 bzw. S1, S2 bzw. T1, T2 derart gleichphasig oder gegenphasig eingesteuert, dass sich bei gleichphasigem Strom eine bestimmte Polzahl und bei gegenphasigem Strom eine Verdoppelung oder Halbierung der Polzahl im Stator 3 ergibt. Der Strom der jeweiligen Phase U, V, W wird also im zweiten Wechselrichter 6.2 gleichphasig oder gegenphasig zum Strom derselben Phase U, V, W im ersten Wechselrichter 6.1 und der Strom der jeweiligen Phase R, S, T im vierten Wechselrichter 6.4 gleichphasig oder gegenphasig zum Strom derselben Phase R, S, T im dritten Wechselrichter 6.3 angesteuert. Bei gegenphasigem Betrieb der Wechselrichter beträgt der Phasenversatz 180 Grad.According to the fourth embodiment, that of the inverters 6.1 . 6.2 . 6.3 . 6.4 Provided current in the in-phase winding strands U1, U2 or V1, V2 or W1, W2 or R1, R2 or S1, S2 or T1, T2 so in-phase or out of phase controlled so that at in-phase current a certain number of poles and at antiphase current doubling or halving the number of poles in the stator 3 results. The current of the respective phase U, V, W is thus in the second inverter 6.2 in phase or out of phase with the current same phase U, V, W in the first inverter 6.1 and the current of the respective phase R, S, T in the fourth inverter 6.4 in-phase or out-of-phase with the current of the same phase R, S, T in the third inverter 6.3 driven. In antiphase operation of the inverters, the phase offset is 180 degrees.

Durch die Verschaltung der Wicklungsstränge nach dem vierten Ausführungsbeispiel wird die Mehrphasenwicklung 4 in vier Wicklungsabschnitte geteilt, die durch die vier separaten Wechselrichter 6.1, 6.2 unabhängig voneinander bestromt werden können.By the wiring of the winding strands according to the fourth embodiment, the multi-phase winding 4 divided into four winding sections, separated by the four separate inverters 6.1 . 6.2 can be energized independently of each other.

Die demselben Wechselrichter 6.1, 6.2, 6.3, 6.4 zugeordneten Wicklungsstränge U1, V1, W1; U2, V2, W2; U3, V3, W3; U4, V4, W4 sind nach dem vierten Ausführungsbeispiel an einem von ihrem Wechselrichter 6.1, 6.2 6.3, 6.4 abgewandten Ende jeweils an einem Sternpunkt 7 angeschlossen und dadurch miteinander verbunden. Selbstverständlich ist es auch hier möglich die demselben Wechselrichter 6.1, 6.2, 6.3, 6.4 zugeordneten Wicklungsstränge alternativ in Dreieck zu verschalten.The same inverter 6.1 . 6.2 . 6.3 . 6.4 associated winding strands U1, V1, W1; U2, V2, W2; U3, V3, W3; U4, V4, W4 are according to the fourth embodiment to one of their inverters 6.1 . 6.2 6.3 . 6.4 opposite end each at a star point 7 connected and thus interconnected. Of course it is also possible here the same inverter 6.1 . 6.2 . 6.3 . 6.4 Alternatively assigned winding strands to interconnect in a triangle.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102012203525 A1 [0001]
CH 14112 A [0001]
DE 759076A [0001]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

"The Windings of Electrical Machines" by Heinrich Sequenz, Volume 3, 1954, Springer Verlag [0001]

Claims

Electric drive device comprising an electric machine and a plurality of inverters, wherein the electric machine comprises a rotor and a stator, wherein the stator comprises a multi-phase electrical winding comprising a plurality of winding strands, wherein the winding strands are each associated with one of a plurality of electrical phases and at one of several inverters are connected, wherein the in-phase winding phases are each connected to a different inverter, characterized in that the of the different inverters ( 6.1 . 6.2 . 6.3 . 6.4 ) provided in the in-phase winding strands (U1, U2, V1, V2, W1, W2, R1, R2, S1, S2, T1, T2) in such in-phase or out of phase einsteuerbar is that at in-phase current a certain number of poles and anti-phase Current doubling or halving the number of poles in the stator ( 3 ).

Drive device according to claim 1, characterized in that two inverters ( 6.1 . 6.2 ) and for each of the electrical phases (U, V, W) two winding phases in the polyphase winding ( 4 ) of the electric machine ( 1 ) are provided.

Drive device according to claim 1, characterized in that four inverters ( 6.1 . 6.2 . 6.3 . 6.4 ) and for six electrical phases (U, V, W, R, S, T) two winding phases in the multi-phase winding ( 4 ) of the electric machine ( 1 ) are provided.

Drive device according to one of the preceding claims, characterized in that the same inverter ( 6.1 . 6.2 . 6.3 . 6.4 ) associated winding strands of the electric machine ( 1 ) each at a star point ( 7 ) are connected.

Drive device according to one of the preceding claims, characterized in that the same inverter ( 6.1 . 6.2 . 6.3 . 6.4 ) associated winding strands of the electric machine ( 1 ) are each connected in a triangle.

Drive device according to one of the preceding claims, characterized in that the same inverter ( 6.1 . 6.2 . 6.3 . 6.4 ) associated winding strands of the electric machine ( 1 ) are each connected in a star-delta circuit.

Drive device according to one of the preceding claims, characterized in that the electrical polyphase winding ( 4 ) of the electric machine ( 1 ) is formed as a single-layer winding, in which in each groove of the stator ( 3 ) only electrical conductors are provided, which are assigned to the same winding phase and the same electrical phase (U, V, W).

Drive device according to one of the preceding claims, characterized in that the electrical polyphase winding ( 4 ) of the electrical machine is designed as a two-layer winding, in which in each groove of the stator ( 3 ) electrical conductors of two phase-different winding strands are provided.

Drive device according to one of the preceding claims, characterized in that the electrical polyphase winding ( 4 ) of the electrical machine is designed as a two-layer winding, in which in every second groove of the stator ( 3 ) electrical conductors of two phase-different winding strands are provided and in the grooves between only electrical conductors of the same winding phase and the same electrical phase (U, V, W) are arranged.

Drive device according to one of the preceding claims, characterized in that the electric machine is an asynchronous machine and the rotor is a squirrel cage.

Drive device according to one of the preceding claims, characterized in that the electric machine is 3-phase (U, V, W) or 6-phase (U, V, W, R, S, T).

A method of operating a drive device according to any one of the preceding claims, characterized in that the (of the different inverters 6.1 . 6.2 . 6.3 . 6.4 ) supplied current in the in-phase winding strands (U1, U2, V1, V2, W1, W2, R1, R2, S1, S2, T1, T2) is controlled in phase or inverse phase, that in in-phase current a certain number of poles and in anti-phase Current doubling or halving the number of poles in the stator ( 3 ) of the electric machine results.