DE102016221349A1

DE102016221349A1 - Elektrische Maschine mit Teilmaschinen

Info

Publication number: DE102016221349A1
Application number: DE102016221349.0A
Authority: DE
Inventors: Kevin Gutmann; Sylvia Wiedemann; Dirk Lamprecht; Alexander Krautstrunk
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-10-28
Filing date: 2016-10-28
Publication date: 2018-05-03

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine. Die elektrische Maschine weist einen Stator und einen insbesondere permanentmagnetisch ausgebildeten Rotor auf. Der Rotor weist eine Rotorlängsachse auf und ist mehrpolig ausgebildet. Die elektrische Maschine ist zu einem Mehrphasenbetrieb, insbesondere dreiphasigen Betrieb, ausgebildet. Die Statorspulen des Stators sind entlang eines Rotorumfangs angeordnet. Erfindungsgemäß weist die Maschine für jede Phase wenigstens zwei Statorspulen auf, wobei wenigstens zwei elektrisch voneinander getrennte Teilmaschinen mit jeweils derselben Phasenanzahl gebildet sind. Die Maschine weist für jede Teilmaschine eine Leistungsendstufe auf. Die Leistungsendstufe ist ausgangsseitig mit den Statorspulen der Teilmaschine verbunden. Die Statorspulen einer Teilmaschine sind miteinander elektrisch verbunden. Die Maschine weist elektrische Verbindungen oder Verbindungsleitungen auf, welche die Anschlüsse der Statorspulen der Teilmaschine untereinander verbinden. Die Verbindungen oder Verbindungsleitungen sind entlang der Rotorlängsachse im Bereich einer Abtriebsseite des Rotors angeordnet. Die Leistungsendstufen der Maschine sind auf einer dazu gegenüberliegenden Seite des Rotors angeordnet.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine. Die elektrische Maschine weist einen Stator und einen insbesondere permanentmagnetisch ausgebildeten Rotor auf. Der Rotor weist eine Rotorlängsachse auf und ist mehrpolig ausgebildet. Die elektrische Maschine ist zu einem Mehrphasenbetrieb, insbesondere dreiphasigen Betrieb, ausgebildet. Die Statorspulen des Stators sind entlang eines Rotorumfangs angeordnet.
Aus der US 2015/0188479 A1 ist ein elektrischer Generator bekannt, bei dem zwei Sets von jeweils im Dreieck geschalteten Statorspulen jeweils mit einer B6-Brücke verbunden sind und die Sets jeweils zeitlich zueinander versetzt angesteuert werden können.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß weist die Maschine für jede Phase wenigstens zwei Statorspulen auf, wobei wenigstens zwei elektrisch voneinander getrennte Teilmaschinen mit jeweils derselben Phasenanzahl gebildet sind. Die Maschine weist für jede Teilmaschine eine Leistungsendstufe auf. Die Leistungsendstufe ist ausgangsseitig mit den Statorspulen der Teilmaschine verbunden. Die Statorspulen einer Teilmaschine sind miteinander elektrisch verbunden. Die Maschine weist elektrische Verbindungen oder Verbindungsleitungen auf, welche die Anschlüsse der Statorspulen der Teilmaschine untereinander verbinden. Die Verbindungen oder Verbindungsleitungen sind entlang der Rotorlängsachse im Bereich einer Abtriebsseite des Rotors angeordnet. Die Leistungsendstufen der Maschine sind auf einer dazu gegenüberliegenden Seite des Rotors angeordnet. Auf diese Weise kann der Stator der Maschine, insbesondere die Statorspulen der Maschine, vorteilhaft überkreuzungsfrei gewickelt und miteinander verbunden sein. Weiter vorteilhaft können so mit einer kleinen Wahrscheinlichkeit elektrische Kurzschlüsse zwischen nahe beieinander liegenden Verbindungsleitungen entstehen.
Der Rotor ist bevorzugt permanentmagnetisch ausgebildet und weist dazu eine Mehrzahl von Rotormagneten auf. Die Anzahl der Rotormagneten des Rotors ist bevorzugt kleiner als die Zahl der Statorspulen. Bevorzugt beträgt die Zahl der Rotormagneten zwei Magneten oder vier Magneten weniger als die Zahl der Statorspulen.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind elektrische Anschlüsse der Statorspulen der Teilmaschine derart miteinander verbunden, dass eine Dreieckschaltung gebildet ist. In einer anderen Ausführungsform sind die elektrischen Anschlüsse der Statorspulen der Teilmaschine derart miteinander verbunden, dass eine Sternschaltung gebildet ist. Vorteilhaft können so die vorgenannten Schaltungen mit einem geringen Verdrahtungsaufwand und mit wenig oder keinen Überkreuzungen von Verbindungsleitungen am Stator ausgebildet sein.
Bevorzugt sind die Teilmaschinen jeweils ausgebildet, den Rotor zu einem vollen Rotorumlauf zu drehen. Bevorzugt weisen die Teilmaschinen jeweils dieselbe Zahl von Statorspulen auf. Dadurch können die Teilmaschinen den Rotor unabhängig voneinander drehbewegen.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Leistungsendstufe sechs Halbleiterschalter, welche gemeinsam eine B6-Brücke ausbilden. Die B6-Brücke umfasst bevorzugt drei Halbleiterschalter-Halbbrücken. Die Teilmaschinen können so vorteilhaft unabhängig voneinander angesteuert werden. Beispielsweise kann im Falle eines Kurzschlusses einer Spulenwindung oder im Fehlerfall eines Halbleiterschalters der Leistungsendstufe die elektrische Maschine noch mit den übrigen Teilmaschinen weiterbetrieben werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist jede Teilmaschine für jede Phase nur eine Statorspule auf. Ein Verdrahtungsaufwand der Statorspulen auf dem Stator kann so vorteilhaft klein gehalten sein. Weiter vorteilhaft kann so ein Ausfallrisiko im Vergleich zu zueinander parallel oder in Serie geschalteten Statorspulen klein gehalten sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Statorspulen einer Teilmaschine entlang des Rotorumfangs unmittelbar aufeinanderfolgend und einander zusammenhängend angeordnet, sodass die Teilmaschinen aufeinanderfolgend entlang des Rotorumfangs angeordnet sind. Vorteilhaft ergibt sich so bei der vorbeschriebenen separierten Topologie der Statorspulen ein kleiner Verdrahtungsaufwand, da elektrische Verbindungen zwischen unmittelbar entlang des Rotorumfangs aufeinanderfolgenden Statorspulen ausgebildet sind.
Anders als zuvor beschrieben, können die Statorspulen der Teilmaschinen entlang des Rotorumfangs auch ineinander verwoben sein. Bei der verwobenen Topologie können beispielsweise die Statorspulen der Teilmaschinen, welche derselben Phase entsprechen, beispielsweise einer U-Phase, einer V-Phase oder einer W-Phase, entlang des Rotorumfangs nacheinander, und so zueinander benachbart, angeordnet sein.
Die separierte oder verwobene Topologie betreffend die Anordnung der Statorspulen der Teilmaschinen entlang des Rotorumlaufs kann zusätzlich oder unabhängig von der vorab beschriebenen Anordnung der Verbindungen zwischen den Statorspulen an der Rotorabtriebsseite des Stators an einer elektrischen Maschine verwirklicht sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Leistungsendstufe mit dem Schaltungsträger verbunden, wobei der Schaltungsträger mit seiner flachen Erstreckung quer zu einer Rotorlängsachse des Rotors angeordnet ist, und wobei elektrische Verbindungsleitungen der Statorspulen - bevorzugt überkreuzungsfrei - mit dem Schaltungsträger verbunden sind. Der Schaltungsträger ist bevorzugt entlang der Rotorlängsachse auf einer zu den elektrischen Verbindungen der Statorspulen untereinander gegenüberliegenden Seite des Stators - und so auch des Rotors - angeordnet. Auf diese Weise können die Verbindungsleitungen, welche die Leistungsendstufe mit den Statorspulen verbinden, vorteilhaft mit den elektrischen Verbindungen der Statorspulen untereinander nicht überkreuzen.
In einer bevorzugten Ausführungsform erstrecken sich die Verbindungsleitungen, welche die Leistungsendstufe mit den Statorspulen verbinden, zueinander parallel. Auf diese Weise kann vorteilhaft eine Kurzschlussgefahr verringert oder vermieden werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Maschine eine Steuereinheit auf, welche ausgangsseitig mit den Leistungsendstufen verbunden und ausgebildet ist, die Leistungsendstufen zum Erzeugen eines magnetischen Drehfeldes anzusteuern. Die Steuereinheit ist bevorzugt ausgebildet, die Teilmaschinen unabhängig voneinander anzusteuern. Auf diese Weise kann die elektrische Maschine mit zueinander redundanten Teilmaschinen ausgebildet sein, sodass im Fehlerfall noch ein hinreichendes Restmoment zum Drehbewegen des Rotors erzeugt werden kann.
Die Erfindung betrifft auch eine Lenkvorrichtung für eine elektrische Maschine gemäß der vorbeschriebenen Art. Die Lenkvorrichtung ist ausgebildet, die elektrische Maschine zum Erzeugen eines ein Fahrzeuglenken unterstützenden oder eines das Fahrzeuglenken ausführenden Lenkmoments anzusteuern.
Die Erfindung betrifft auch eine elektrische Antriebsvorrichtung für ein Fahrzeug, insbesondere Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug. Bevorzugt umfasst die elektrische Antriebsvorrichtung eine elektrische Maschine gemäß der vorbeschriebenen Art zum Fortbewegen des Fahrzeugs.
Die Erfindung wird nun im Folgenden anhand von Figuren und weiteren Ausführungsbeispielen beschrieben. Weitere vorteilhafte Ausführungsvarianten ergeben sich aus einer Kombination der in den Figuren und in den abhängigen Ansprüchen beschriebenen Merkmale.

1 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine elektrische Maschine, bei der Statorspulen einer Teilmaschine auf einer Rotorabtriebsseite elektrisch zur Ausbildung einer Dreieck- oder Sternanordnung miteinander verbunden sind;
2 zeigt eine Aufsicht auf eine elektrische Maschine mit zwölf Statorspulen und vier Teilmaschinen, wobei ein Teil der Statorspulen, welche zueinander benachbart angeordnet sind, unter Ausbildung einer Teilmaschine miteinander elektrisch verbunden sind;
3 zeigt eine mögliche elektrische Schaltungsanordnung der in 2 gezeigten Statorspulen, bei der vier jeweils in Sternanordnung gebildete Teilmaschinen ausgebildet sind;
4 zeigt eine Anordnung der in 3 gezeigten Statorspulen entlang eines Rotorumlaufs und deren elektrische Verbindung untereinander;
5 zeigt eine Variante zu der in 3 gezeigten Anordnung der Statorspulen, bei der die Statorspulen der Teilmaschinen jeweils in Dreieckanordnung miteinander verbunden sind;
6 zeigt eine Anordnung der in 5 gezeigten Statorspulen entlang eines Rotorumlaufs und deren elektrische Verbindung untereinander.

1 zeigt - schematisch - ein Ausführungsbeispiel für eine elektrische Maschine 1 in einer Schnittdarstellung. Die elektrische Maschine 1 weist einen Rotor 2 auf, welcher permanentmagnetisch ausgebildet ist und dazu mehrere entlang eines Rotorumfangs angeordnete Permanentmagnete aufweist, von denen zwei Permanentmagneten 3 und 4 dargestellt sind.
Die elektrische Maschine 1 weist auch einen Stator 5 auf, welcher eine Mehrzahl von Statorspulen aufweist, von denen zwei Statorspulen 6 und 7 dargestellt sind. Beispielsweise bilden ein Teil der Statorspulen jeweils eine Teilmaschine, wobei die Maschine 1 beispielsweise wenigstens zwei Teilmaschinen, drei oder vier Teilmaschinen aufweisen kann. Die Maschine 1 weist auch einen Schaltungsträger 8 auf. Der Schaltungsträger 8 weist zum Bestromen der Teilmaschinen wenigstens eine Leistungsendstufe auf.
Der Schaltungsträger 8 weist für die Statorspule 6 einen Leistungshalbleiterbaustein 9 als Bestandteil der Leistungsendstufe auf, welcher eine Halbleiterschalter-Halbbrücke aufweist und ausgebildet ist, die Statorspule 6 zu bestromen. Der Schaltungsträger 8 weist auch einen Leistungshalbleiterbaustein 10 mit einer Halbleiterschalter-Halbbrücke auf, welche ausgebildet ist, die Statorspule 7 zu bestromen. Die Leistungshalbleiterbausteine 9 und 10 können jeweils Bestandteil einer Leistungsendstufe sein, welche als B6-Brücke ausgebildet ist. Die Leistungsendstufe weist neben den Leistungshalbleiterbausteinen 9 und 10 noch einen weiteren Leistungshalbleiterbaustein für eine weitere Statorspule auf, so dass die Leistungsendstufe drei Halbleiterschalter-Halbbrücken zum Betrieb einer dreiphasigen elektrischen Maschine aufweist. Die Leistungsendstufe 9 ist ausgangsseitig über einen elektrischen Anschluss 15 und eine Verbindungsleitung 18 mit der Statorspule 6 verbunden. Der Leistungshalbleiterbaustein 10 ist ausgangsseitig über einen elektrischen Anschluss 11 und eine elektrische Verbindungsleitung 13 mit der Statorspule 7 verbunden. Die Anschlüsse 15 und 11 sind in diesem Ausführungsbeispiel als Klemmkontakt oder Schneid-Klemmkontakt ausgebildet.
Die Statorspule 6 ist - auf einer von dem Schaltungsträger 8 gegenüberliegenden Seite des Stators 5 - über eine Verbindungsleitung 17 mit einem Anschluss 16 und über eine Verbindungsleitung 26 mit einem Anschluss 12 verbunden. Der Anschluss 12 ist über eine Verbindungsleitung 14 mit der Statorspule 7 verbunden. Die Verbindungsleitung 26 bildet somit einen Mittelpunktanschluss einer durch die Statorspulen der Teilmaschine gebildeten Sternanordnung, oder eine Verbindung zum Ausbilden einer Dreieckanordnung. Die Anschlüsse 12 und 16 sind in diesem Ausführungsbeispiel jeweils als Klemmkontakt oder Schneid-Klemmkontakt ausgebildet.
Der Schaltungsträger 8, welcher beispielsweise als keramischer Schaltungsträger oder als faserverstärkte Leiterplatte ausgebildet ist, ist mit seiner flachen Erstreckung in einer Ebene 23 angeordnet. Die Ebene 23 erstreckt sich quer zu einer Rotorlängsachse 20, wobei die Rotorlängsachse 20 sich entlang einer Längserstreckung einer Rotorwelle 21 des Rotors 2 erstreckt. Die Rotorlängsachse 20 erstreckt sich somit orthogonal zur ebenen Erstreckung des Schaltungsträgers 8. Der Schaltungsträger 8 ist in diesem Ausführungsbeispiel in einem Gehäuse 19 aufgenommen. Das Gehäuse 19 umschließt den Schaltungsträger 8, und somit die durch den Schaltungsträger 8 gebildete Leistungselektronik der elektrischen Maschine 1. Das Gehäuse 19 ist mit einem den Stator 5 und den Rotor 2 umgebenden Gehäuseteil 25, welches beispielsweise hohlzylinderförmig oder becherförmig ausgebildet ist, verbunden. Die Verbindungsleitungen 13 und 18, welche jeweils den Schaltungsträger 8 mit den Statorspulen 6 beziehungsweise 7 elektrisch verbinden, erstrecken sich in diesem Ausführungsbeispiel parallel zueinander und auch parallel zur Rotorlängsachse 20. Auf diese Weise kann eine elektrische Verbindung zwischen den Statorspulen 6 und 7 und dem Schaltungsträger 8 möglichst kurz ausgebildet sein. Die Maschine 1 umfasst auch eine Steuereinheit 53, welche ausgangsseitig mit den Leistungshalbleiterbausteinen 9 und 10 verbunden ist. Die Steuereinheit 53 ist ausgebildet, die Leistungsendstufen der Teilmaschinen zum Erzeugen eines magnetischen Drehfeldes - insbesondere mittels Pulsweitenmodulation - anzusteuern.
Der Schaltungsträger 8 kann beispielsweise zusammen mit dem Gehäuse 19 auf die elektrische Maschine 1, umfassend den Rotor 2 und den Stator 5, aufgesteckt werden, wobei die Verbindungsleitungen 13 und 14 jeweils in die Anschlüsse 11 beziehungsweise 12 eingreifen und die Verbindungsleitungen 17 und 18 in die Anschlüsse 15 beziehungsweise 16 eingreifen.
Die elektrische Maschine 1 kann neben den beispielhaft dargestellten Statorspulen 6 und 7 noch weitere Statorspulen aufweisen. Die Statorspulen bilden sind beispielsweise jeweils auf einen Statorpol gewickelt. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Leistungsendstufen, insbesondere die Leistungshalbleiterbausteine 9 und 10 jeweils von der Rotorlängsachse 20 radial abweisend angeordnet, wobei die elektrischen Anschlüsse wie die Anschlüsse 15 und 16 von der Rotorlängsachse 20 weiter radial nach außen von der Rotorlängsachse 20 - als Radialzentrum des Schaltungsträgers 8 in der Ebene 23 - beabstandet sind. Auf diese Weise können die Leistungsendstufen, gebildet durch Leistungshalbleiterbausteine wie die Leistungshalbleiterbausteine 9 und 10 platzsparend und mit kurzen elektrischen Verbindungen mit den Statorspulen wie der Statorspule 6 oder 7 verbunden sein.
Der Schaltungsträger 8 ist in diesem Ausführungsbeispiel mittels eines Abstandes 24 von den Statorspulen 6 und 7, insbesondere einer durch ein Ende der Statorspulen 6 und 7 gebildete Ebene 22 beabstandet. Die Verbindungsleitungen, welche die Leistungshalbleiterbausteine 9 und 10 mit den Statorspulen verbinden, verlaufen entlang der Rotorlängsachse 20 und entlang des Abstandes 24 überkreuzungsfrei und in diesem Ausführungsbeispiel auch parallel zueinander.
2 zeigt - schematisch - einen Stator 30, welcher beispielsweise anstelle des in 1 dargestellten Stators 5 Bestandteil der elektrischen Maschine 1 sein kann.
Der Stator 30 ist in diesem Ausführungsbeispiel Bestandteil einer elektrischen Maschine, welche neben dem Stator 30 einen Rotor 28 aufweist und in einer Schnittdarstellung dargestellt ist. Der Stator 30 weist in diesem Ausführungsbeispiel zwölf Statorspulen auf, nämlich eine Statorspule 31, eine Statorspule 32, eine Statorspule 33, eine Statorspule 34, eine Statorspule 35, eine Statorspule 36, eine Statorspule 37, eine Statorspule 38, eine Statorspule 39, eine Statorspule 40, eine Statorspule 41 und eine Statorspule 42. Die Statorspulen sind entlang eines Rotorumlaufs 27 angeordnet und weisen jeweils radial nach innen zu dem Rotor 28 hin, welcher entlang der Rotorlängsachse 20 drehbar gelagert ist. Der Rotor 28 weist in diesem Ausführungsbeispiel acht entlang eines Rotorumfanges angeordnete Permanentmagneten auf, von denen ein Permanentmagnet 29 beispielhaft bezeichnet ist. Der Rotor 28 kann in einer anderen Ausführungsform anstelle der Permanentmagneten Rotorspulen aufweisen, sodass mit dem Stator 30 eine fremderregte elektrische Maschine gebildet ist. Der Rotor 28 kann in einer anderen Ausführungsform Bestandteil einer hybriderregten Maschine sein und dazu Rotorspulen und Permanentmagnete aufweisen.
Der Stator 30 weist in diesem Ausführungsbeispiel vier Teilmaschinen auf. Die Teilmaschinen weisen in diesem Ausführungsbeispiel jeweils einen Teil der Statorspulen des Stators auf. In diesem Ausführungsbeispiel weisen die Teilmaschinen jeweils ein Viertel der Statorspulen des Stators auf, sodass die Teilmaschinen des Stators 30 jeweils dieselbe Anzahl an Statorspulen aufweisen. Der Stator 30 weist eine Teilmaschine 43 auf, welche die Statorspulen 31, 32 und 33 umfasst und welche entlang des Rotorumlaufs 27 zueinander benachbart und aufeinanderfolgend angeordnet sind. Die Statorspulen 31, 32, und 33 bilden so entlang des Rotorumlaufs 27 eine zusammenhängende Gruppe.
Zu der Teilmaschine 43 ist entlang des Rotorumlaufs 27 benachbart eine Teilmaschine 44 ausgebildet, welche die Statorspulen 34, 35 und 36 umfasst, welche entlang des Rotorumlaufs 27 aufeinanderfolgend angeordnet sind. Der Stator 30 weist auch eine Teilmaschine 45 auf, welche die Statorspulen 37, 38 und 39 umfasst. Eine weitere Teilmaschine 46 des Stators 30 umfasst die Statorspulen 40, 41 und 42. Die Statorspulen der Teilmaschinen, in diesem Ausführungsbeispiel der vier Teilmaschinen 43, 44, 45 und 46 des Stators 30, sind jeweils für jede Teilmaschine in einer Dreieckanordnung oder in einer Sternanordnung miteinander verbunden.
Die Statorspulenanordnung der Statorspulen gemäß 2 zeigt die bereits erwähnte separierte Topologie. Anders als in 2 gezeigt, können die Statorspulen in einer verwobenen Topologie entlang des Rotorumlaufs 27 angeordnet sein. Dazu sind die Statorspulen der Teilmaschinen, die derselben Phase zugeordnet sind, zueinander benachbart und aufeinanderfolgend angeordnet. Beispielsweise folgt auf die Statorspule 31 der Teilmaschine 43 die Statorspule 34 der Teilmaschine 44, darauf die Statorspule 37 der Teilmaschine 45 und letztlich die Statorspule 40 der Teilmaschine 46, wobei die Statorspulen 31, 34, 37, und 40 jeweils einer U-Phase zugeordnet sind.
Auf die Statorspulen der U-Phase folgen dann entlang des Rotorumlaufs 27 die Statorspulen der Teilmaschinen welche zum Anschluss an eine V-Phase vorgesehen sind, und dann die Statorspulen zum Anschluss ein eine W-Phase. Die Statorspulen des Stators sind bei der verwobenen Topologie somit gemäß der Benennung der jeweiligen Phase in zusammenhängenden Gruppen entlang des Rotorumlaufs angeordnet, wobei Statorspulen gleichnamiger Phasen zueinander benachbart und aneinandergereiht angeordnet sind.
3 zeigt - schematisch - die in 2 bereits gezeigten Statorspulen, welche jeweils für jede Teilmaschine in einer Sternanordnung miteinander verbunden sind. Die Statorspulen 31, 32 und 33, welche gemeinsam die Teilmaschine 43 bilden, sind dazu jeweils mit einem elektrischen Anschluss über einen Verbindungsknoten 49 miteinander elektrisch verbunden. Der Verbindungsknoten 49 bildet dabei einen Mittelpunktanschluss der Sternanordnung. Die Statorspule 31 weist einen weiteren Anschluss U1 auf, welcher ausgebildet ist, mit einer U-Phase eines Ausgangs einer Leistungsendstufe verbunden zu werden. Die Statorspule 32 weist einen Anschluss V1 auf, welcher ausgebildet ist, mit einer V-Phase des Ausgangs der Leistungsendstufe verbunden zu werden und die Statorspule 33 weist einen Anschluss W1 auf, welcher ausgebildet ist, mit einer W-Phase der Leistungsendstufe verbunden zu werden.
Die Teilmaschine 44 umfasst die Statorspulen 34, 35 und 36, welche - wie die Statorspulen der Teilmaschine 43 - entsprechende Anschlüsse zum Anschließen an eine U-Phase, eine V-Phase und eine W-Phase einer Leistungsendstufe aufweisen. Die Statorspulen 34, 35 und 36 sind jeweils mit einem gemeinsamen Verbindungsknoten 50 verbunden, welcher einen Mittelpunktanschluss der so gebildeten Sternschaltung ausbildet. Die Teilmaschine 45 umfasst die Statorspulen 37, 38 und 39, von denen die Statorspule 37 zum Anschluss an eine U-Phase einer Leistungsendstufe ausgebildet ist, die Statorspule 38 zum Anschluss an eine V-Phase und die Statorspule 39 zum Anschluss an eine W-Phase ausgebildet ist. Die Statorspulen 37, 38 und 39 sind jeweils mit einem gemeinsamen Verbindungsknoten 51 verbunden, welcher einen Mittelpunktanschluss der so gebildeten Sternschaltung bildet. Die Teilmaschine 46 umfasst die Statorspulen 40, 41 und 42, welche jeweils mit einem gemeinsamen Verbindungsknoten 52 verbunden sind, welcher den Mittelpunktanschluss ausbildet.
Die Teilmaschinen 43, 44, 45 und 46 können in diesem Ausführungsbeispiel unabhängig voneinander durch eine - beispielsweise auf dem Schaltungsträger 8 in 1 gebildete - Leistungsendstufe angesteuert werden. 3 zeigt auch einen möglichen Windungskurzschluss 47 der Statorspule 31, welcher die Statorspule 31 wenigstens entlang eines Längsabschnitts der Spulenwicklung kurzschließen kann. Ein solcher Fehler hat vorteilhaft weniger Auswirkungen auf ein Drehmoment der in 1 dargestellten elektrischen Maschine 1, da noch weitere Teilmaschinen 44, 45 und 46 gemeinsam ein Restmoment erzeugen können. Dargestellt ist auch eine Wicklungsunterbrechung 48, durch die die Statorspule 31 beispielsweise von dem Verbindungsknoten 49, und so vom Mittelpunktanschluss, getrennt sein kann. Eine solche Wicklungsunterbrechung bildet einen Fehler, welcher die Teilmaschine 43 in ihrer Funktion beeinträchtigen kann. Die elektrische Maschine 1 kann vorteilhaft mit den übrigen noch intakten Teilmaschinen 44, 45 und 46 sicher weiterbetrieben werden.
4 zeigt eine Verbindungsanordnung für die in 3 gezeigten Statorspulen, wobei die Statorspulen entlang eines in 2 bereits dargestellten Rotorumlaufs 27 aufeinanderfolgend angeordnet sind. Der Rotorumlauf 27 ist in 4 in einer Abwicklung dargestellt. Die Statorspulen weisen jeweils denselben Wicklungssinn auf.
Die in 3 bereits beschriebenen Phasenanschlüsse der Statorspulen weisen jeweils - entlang der Rotorlängsachse 20 - zu einer durch den Schaltungsträger 8 gebildeten Ebene 23 hin. Verbindungsleitungen von den Phasenanschlüssen können so insbesondere parallel zueinander zu der Leistungsendstufe, und so zu dem Schaltungsträger 8, geführt sein.
Die Statorspulen 31, 32 und 33, welche gemeinsam in Sternanordnung miteinander verbunden sind, sind jeweils mit einem Drahtabschnitt mit dem Mittelpunktanschluss 49 verbunden. Dabei ist der Mittelpunktanschluss, insbesondere der Verbindungsknoten 49, auf einer entlang der Rotorlängsachse 20 von der Ebene 23 gegenüberliegenden Seite der Statorspulen 31, 32 und 33 angeordnet. Auf diese Weise können die Phasenanschlüsse der Statorspulen 31, 32 und 33, welche mit U1, V1 beziehungsweise W1 bezeichnet sind, mit Spulendrahtabschnitten der Spulen 31, 32 beziehungsweise 33, welche zu dem Verbindungsknoten 49 hingeführt sind, nicht überkreuzen.
Die Verbindungsknoten 49, 50, 51 und 52 sind in diesem Ausführungsbeispiel in einer gemeinsamen Ebene 84 oder auf einem Längsabschnitt entlang der Rotorlängsachse 20 angeordnet. Die Verbindungsknoten 49, 50, 51 und 52 weisen so zu einer Abtriebsseite der in 1 dargestellten Rotorwelle 21 hin, wogegen die Phasenanschlüsse der Statorspulen, wie die Anschlüsse U1, V1 und W1 der Statorspulen 31, 32 beziehungsweise 33, zur Abtriebsseite entgegengesetzten Seite, und so zur Leistungsendstufe beziehungsweise zum Schaltungsträger 8, hinweisen.
5 zeigt - schematisch - eine Variante der in 2 dargestellten elektrischen Maschine, welche insgesamt zwölf Statorspulen aufweist, von denen jeweils drei Statorspulen gemeinsam eine Teilmaschine ausbilden. Die elektrische Maschine weist somit vier Teilmaschinen auf.
Eine Teilmaschine 85 weist dazu drei Statorspulen, nämlich eine Statorspule 61, eine Statorspule 62 und eine Statorspule 63, auf, welche gemeinsam in Dreieckanordnung miteinander verbunden sind. Die Phasenanschlüsse der Dreieckanordnung sind jeweils mit U1, V1 und W1 bezeichnet. Eine zweite Teilmaschine 86 umfasst die Statorspulen 64, 65 und 66, welche gemeinsam in Dreieckanordnung miteinander verbunden sind. Eine dritte Teilmaschine 87 umfasst die Statorspulen 67, 68 und 69, welche jeweils in Dreieckanordnung miteinander verbunden sind. Eine vierte Teilmaschine umfasst die Statorspulen 70, 71 und 72, welche jeweils in Dreieckanordnung miteinander verbunden sind.
6 zeigt - schematisch - die in 5 dargestellten Teilmaschinen, wobei die Statorspulen der Teilmaschinen entlang des Rotorumlaufs 27 zusammenhängend und aufeinanderfolgend angeordnet sind. Die Statorspulen weisen jeweils denselben Wicklungssinn auf.
Die Anschlüsse der Teilmaschinen weisen jeweils - entlang der Rotorlängsachse 20 - zu der Ebene 23, und somit zur Leistungsendstufe hin. Die Leistungsendstufe ist in diesem Ausführungsbeispiel durch den in 1 dargestellten Schaltungsträger 8 gebildet oder mit dem Schaltungsträger 8 verbunden.
Die Statorspulen 61 und 62 sind miteinander in Serie verbunden. Dazu ist ein Anschluss der Statorspule 61 mit einem Anschluss der Statorspule 62 über einen elektrischen Verbindungsknoten 73 verbunden. Der Verbindungsknoten 73, welcher beispielsweise durch einen Schneid-Klemm-Kontakt oder durch ein Lotmittel gebildet sein kann, ist mit dem Phasenanschluss für eine V-Phase V1 der Teilmaschine 85 elektrisch verbunden. Ein weiterer elektrischer Anschluss der Statorspule 62 ist mit einem Anschluss der Statorspule 63 über einen Verbindungsknoten 74 verbunden. Der Verbindungsknoten 74 ist mittels einer elektrischen Verbindung mit dem Phasenanschluss W1 der Teilmaschine 85 für eine W-Phase verbunden. Die elektrischen Verbindungen, welche eine mittlere Statorspule der Teilmaschine - entlang des Rotorumlaufs 27 - mit dazu benachbarten Statorspulen verbinden, können in diesem Ausführungsbeispiel entlang der Rotorlängsachse 20 zu der Ebene 23, und somit zu der Leistungsendstufe, hingewandt sein, insoweit die elektrischen Verbindungen, insbesondere die Verbindungsknoten 73 und 74, mit weiteren Phasenanschlüssen, insbesondere Verbindungsleitungen der Statorspulen zu den Phasenanschlüssen, der Teilmaschine nicht einander überkreuzen.
Die Verbindungsknoten 73 und 74, welche die mittlere Statorspule von den drei Statorspulen der Teilmaschine mit den beiden übrigen Statorspulen der Teilmaschine verbinden, können, wie in 6 als Verbindungsknoten 73' und Verbindungsknoten 74' dargestellt, auch auf einer von der Leistungsendstufe abgewandten Seite des Stators angeordnet sein. Beispielsweise kann dazu eine Kupferdrahtwicklung der mittleren Statorspule - nach Art einer Anzapfung - mit dem Spulendraht der Spule 63 elektrisch verbunden sein, wobei der Spulendraht der Spule 63 im weiteren Wicklungsverlauf zum Phasenanschluss, beispielsweise dem Phasenanschluss für die W-Phase oder dem Phasenanschluss für die V-Phase, hingeführt sein kann. Ein weiterer Anschluss der Statorspule 63 der Teilmaschine 85, welcher nicht mit der mittleren Statorspule 62 verbunden ist, ist mittels einer elektrischen Verbindung 75 mit dem nicht mit der mittleren Statorspule 62 verbundenen Anschluss der Statorspule 61 verbunden. Die elektrische Verbindung 75 kann beispielsweise durch den Spulendraht der Statorspule 63 oder der Statorspule 61 selbst gebildet sein oder durch ein elektrisch leitfähiges Verbindungsstück gebildet sein. Das Verbindungsstück ist beispielsweise ein Stanzgitter, auch Leadframe genannt. Das Stanzgitter kann dazu beispielsweise zwei elektrisch miteinander verbundene Schneid-Klemm-Kontakte aufweisen, welche jeweils ausgebildet sind, einen Endabschnitt eines Spulendrahtes der entlang des Rotorumlaufs 27 jeweils außenliegenden Statorspulen der Teilmaschine 85, in diesem Ausführungsbeispiel die Endabschnitte jeweils eines Anschlussdrahtes der Statorspulen 61 und 62, aufzunehmen und miteinander elektrisch zu verbinden.
Die entlang des Rotorumlaufs 27 jeweils außenliegenden Statorspulen 64 und 66 der Teilmaschine 87 sind mittels einer elektrischen Verbindung 78 verbunden, welche auf der von der Ebene 23 abweisenden Seite des Stators angeordnet ist. Die äußere Statorspule 64 ist mittels einer elektrischen Verbindung 76 mit der mittleren Statorspule 65 verbunden. Die äußere Statorspule 66 ist mittels einer elektrischen Verbindung 77 mit der mittleren Statorspule 65 verbunden.
Die entlang des Rotorumlaufs 27 mittig angeordnete Statorspule 68 der Teilmaschine 87 ist mittels einer elektrischen Verbindung 79 mit der Statorspule 67 und mittels einer elektrischen Verbindung 80 mit der Statorspule 69 verbunden. Die Verbindungen 79 und 80 sind in diesem Ausführungsbeispiel zur Leistungsendstufe, und so zur Ebene 23, hingewandt. In einer anderen Ausführungsform sind die elektrischen Verbindungen als Verbindung 79' beziehungsweise Verbindung 80' auf der von der Leistungsendstufe abgewandten Seite des Stators angeordnet. Die Statorspulen 67 und 69, entlang des Rotorumlaufs 27 die mittlere Statorspule 68 zwischeneinander einschließend, sind mittels einer elektrischen Verbindung 89 miteinander verbunden. Die entlang des Rotorumlaufs 27 mittig angeordnete Statorspule 71 der Teilmaschine 88 ist zwischen den beiden entlang des Rotorumlaufs 27 außenliegenden Statorspulen 70 und 71 eingeschlossen. Die mittig angeordnete Statorspule 71 ist mittels einer elektrischen Verbindung 81 mit der ersten außenliegenden Statorspule 70 und mit einer elektrischen Verbindung 82 mit der zweiten außenliegenden Statorspule 72 der Teilmaschine 88 verbunden.
Die elektrischen Verbindungen, welche die mittleren Statorspulen der Teilmaschinen mit den übrigen außenliegenden Statorspulen der Teilmaschinen verbinden - in 6 jeweils mit einem Apostroph gekennzeichnet -, sind in einem Ausführungsbeispiel in einer gemeinsamen Ebene 90 angeordnet, welche quer zur Rotorlängsachse 20 verläuft. Die Ebene 90 verläuft somit zu der ebenfalls quer zur Rotorlängsachse 20 verlaufenden Ebene 23 parallel. Die elektrischen Verbindungen, welche jeweils die entlang des Rotorumlaufs außenliegenden Statorspulen der Teilmaschinen miteinander verbinden, wie beispielsweise die Verbindungen 75, 78, 83 und 89, sind beispielsweise in einer gemeinsamen Ebene 91 angeordnet, welche sich parallel zur Ebene 90 erstreckt und entlang der Rotorlängsachse 20 mittels eines Abstandes 92 von der Ebene 90 beabstandet ist, in der die elektrischen Verbindungen angeordnet sind, welche die mittleren Statorspulen der Teilmaschinen mit den äußeren Statorspulen der Teilmaschinen verbinden.
Die elektrischen Verbindungen der Statorspulen der elektrischen Maschine können so überkreuzungsfrei voneinander geführt sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2015/0188479 A1 [0002]

Claims

Elektrische Maschine (1) mit einem Stator (5) und einem insbesondere permanentmagnetisch ausgebildeten Rotor (2, 28), wobei der Rotor (2, 28) eine Rotorlängsachse (20) aufweist und mehrpolig ausgebildet ist und die elektrische Maschine (1) zu einem Mehrphasenbetrieb, insbesondere dreiphasigen Betrieb ausgebildet ist, wobei Statorpulen (6, 7, 31, 32, 33, 61, 62, 63) des Stators (5) entlang eines Rotorumlaufs (27) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschine (1) für jede Phase (U, V, W) wenigstens zwei Statorspulen (6, 7, 32, 32, 33, 61, 62, 63) aufweist, wobei wenigstens zwei elektrisch voneinander getrennte Teilmaschinen (43, 44, 45, 46, 85, 86, 87, 88) mit jeweils derselben Phasenanzahl gebildet sind, und die Maschine (1) für jede Teilmaschine (43, 44, 45, 46, 85, 86, 87, 88) eine Leistungsendstufe (9, 10) aufweist, und die Leistungsendstufe (9, 10) ausgangsseitig mit den Statorspulen (31, 32, 33, 61, 62, 63) der Teilmaschine (43, 44, 45, 46, 85, 86, 87, 88) verbunden ist, wobei bei den Statorspulen (6, 7, 31, 32, 33, 61, 62, 63) einer Teilmaschine (43, 44, 45, 46, 85, 86, 87, 88) elektrische Anschlüsse miteinander verbunden sind, wobei elektrische Verbindungen (73, 74, 75, 49) oder Verbindungsleitungen, welche die Anschlüsse von Statorspulen der Teilmaschine (43, 44, 45, 46, 85, 86, 87, 88) untereinander verbinden, entlang der Rotorlängsachse (20) im Bereich einer Abtriebsseite (90, 91) des Rotors (2, 28) angeordnet sind, wobei die Leistungsendstufen (9, 10) der Maschine (1) auf einer dazu gegenüberliegenden Seite (23) des Rotors (2, 28) angeordnet sind.
Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass elektrische Anschlüsse der Statorspulen (6, 7, 61, 62, 63) der Teilmaschine (43, 44, 45, 46, 85, 86, 87, 88) derart miteinander verbunden sind, dass eine Dreieckschaltung gebildet ist.
Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass elektrische Anschlüsse der Statorspulen (6, 7, 31, 32, 33) der Teilmaschine (43, 44, 45, 46, 85, 86, 87, 88) derart miteinander verbunden sind, dass eine Sternschaltung gebildet ist.
Elektrische Maschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsendstufe (9, 10) sechs Halbleiterschalter umfasst, welche gemeinsam eine B6-Brücke ausbilden.
Elektrische Maschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede Teilmaschine (43, 44, 45, 46, 85, 86, 87, 88) für jede Phase (U, V, W) nur eine Statorspule (6, 7, 31, 32, 33, 61, 62, 63) aufweist.
Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass entlang des Rotorumlaufs (27) die Statorspulen (31, 32, 33, 61, 62, 63) einer Teilmaschine (43, 44, 45, 46, 85, 86, 87, 88) zueinander benachbart angeordnet sind, so dass die Teilmaschinen (43, 44, 45, 46, 85, 86, 87, 88) aufeinanderfolgend angeordnet sind.
Elektrische Maschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsendstufe (9, 10) mit einem Schaltungsträger (8) verbunden ist, wobei der Schaltungsträger (8) mit seiner flachen Erstreckung (23) quer zu einer Rotorlängsachse (20) des Rotors (2, 28) angeordnet ist und wobei elektrische Verbindungsleitungen (13, 18) der Statorspulen (6, 7, 31, 32, 33, 61, 62, 63) überkreuzungsfrei mit dem Schaltungsträger () verbunden sind.
Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsleitungen (13, 18) sich zueinander parallel erstrecken.
Elektrische Maschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschine (1) eine Steuereinheit (53) aufweist, welche ausgangsseitig mit den Leistungsendstufen verbunden und ausgebildet ist, die Leistungsendstufen zum Erzeugen eines magnetischen Drehfeldes anzusteuern, wobei die Steuereinheit (53) ausgebildet ist, die Teilmaschinen (43, 44, 45, 46, 85, 86, 87, 88) unabhängig voneinander anzusteuern.
Lenkvorrichtung für ein Kraftfahrzeug mit einer elektrischen Maschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lenkvorrichtung ausgebildet ist, die elektrische Maschine (1) zum Erzeugen eines ein Lenken unterstützenden oder eines das Lenken ausführenden Lenkmoments anzusteuern.