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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Stromversorgungsanordnung, insbesondere für ein Fahrzeug-Bordnetz.
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In der
JP H06294369 A wird ein Mittel zur Energieversorgung eines Fahrzeuges beschrieben, welches auf einen DC-DC-Umrichter verzichtet und welches einen käfigartigen Mehrphaseninduktor bereitstellt, der in wählbaren Betriebszuständen als Generator oder Motor dient.
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Die
DE 2 033 181 A beschreibt eine elektrische Maschine mit zwei getrennten Wicklungen, wobei eine niederpolige Wicklung als Ringwicklung um das Ständerjoch gewickelt ist und eine höherpolige Wicklung als herkömmliche Wicklung in Ständernuten liegend ausgebildet ist.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend vom Stand der Technik darin, eine verbesserte Stromversorgungsanordnung für ein Fahrzeug-Bordnetz mit mehreren Netzspannungen zur Verfügung zu stellen, welche für einen Energietransport zwischen den Netzspannungen keinen DC-DC-Wandler mehr benötigt. Des Weiteren soll die Versorgung eines Niederspannungsnetzes auch bei Stillstand der elektrischen Maschine gewährleistet sein.
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Erfindungsgemäß erfolgt die Lösung der Aufgabe durch eine Stromversorgungsanordnung gemäß dem beigefügten Anspruch 1.
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Die erfindungsgemäße Stromversorgungsanordnung ist insbesondere für ein Fahrzeug-Bordnetz ausgebildet. Die Stromversorgungsanordnung umfasst eine elektrische Maschine, einen ersten Umrichter, einen zweiten Umrichter oder Gleichrichter sowie eine Steuerschaltung. Die elektrische Maschine umfasst bekanntermaßen einen Stator und einen Rotor. Der Stator weist an seinem achsnahen Umfang zahlreiche Nuten mit dazwischen befindlichen Zähnen auf. An dem achsfernen Umfang besitzt der Stator ein die Zähne verbindendes Statorjoch. Durch die Nuten und um die Zähne verläuft eine Drehstromwicklung, die als eine verteilte oder konzentrierte Wicklung gebildet sein kann. Um das Statorjoch und durch die Nuten verläuft außerdem eine Jochwicklung. Somit weist die elektrische Maschine mindestens zwei Wicklungen auf. Die Jochwicklung ist bevorzugt einphasig, alternativ bevorzugt mehrphasig ausgebildet. An der Drehstromwicklung ist der erste Umrichter zum Speisen eines Mittelspannungsnetzes angeschlossen, welches in einer bevorzugten Ausführung ein erstes Fahrzeug-Bordnetz darstellt. An die Jochwicklung ist der zweite Umrichter oder der Gleichrichter zum Speisen eines Niederspannungsnetzes angeschlossen, welches in einer bevorzugten Ausführung ein zweites Fahrzeug-Bordnetz darstellt.
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Die Steuerschaltung ermöglicht mehrere Betriebszustände der Stromversorgungsanordnung. Mindestens folgende Betriebszustände werden ermöglicht: ein Generatorbetriebszustand, ein Motorbetriebszustand und ein Transformationsbetriebszustand. Während des Generatorbetriebszustandes wird die elektrische Maschine mechanisch angetrieben und erzeugt elektrische Energie, wobei an der Drehstromwicklung generierte Spannungen das Mittelspannungsnetz und an der Jochwicklung generierte Spannungen das Niederspannungsnetz versorgen. Alternativ wird die generierte Spannung in nur eines der beiden Spannungsnetze eingespeist. Im Motorbetriebszustand wird die Drehstromwicklung mit elektrischer Energie aus dem Mittelspannungsnetz versorgt, um die elektrische Maschine anzutreiben. Während des Motorbetriebszustandes erfolgt keine Einspeisung in das Niederspannungsnetz. Im Transformationsbetriebszustand wird die Drehstromwicklung mit elektrischer Energie aus dem Mittelspannungsnetz versorgt, um in der Jochwicklung eine Spannung zu induzieren. Die damit in der Jochwicklung generierte Spannung wird in das Niederspannungsnetz eingespeist. Während des Transformationsbetriebszustandes wird bevorzugt die elektrische Maschine angetrieben und eine an der Jochwicklung generierte Spannung wird in das Niederspannungsnetz eingespeist. Alternativ bevorzugt steht die Maschine still und die mit der elektrischen Energie des Mittelspannungsnetzes versorgte Drehstromwicklung induziert an der Jochwicklung eine Spannung, welche in das Niederspannungsnetz eingespeist wird. Hierbei bilden die Drehstromwicklung und die Jochwicklung einen Transformator.
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Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Stromversorgungsanordnung ist, dass bei Stillstand der elektrischen Maschine die Einspeisung der Spannung in das Niederspannungsnetz aufrecht erhalten bleibt, indem statt eines am Rotor agierenden Drehstromfeldes ein Wechselfeld erzeugt wird.
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Somit werden variabel mindesten zwei Fahrzeug-Bordnetze mit unterschiedlichen Spannungen versorgt, wodurch wiederum für mindestens zwei Verbraucher oder Speichermedien Strom bereitgestellt wird. Beispielsweise werden ein 12 V Bordnetz und ein 48 V Bordnetz bereitgestellt. Ebenso werden Gleichspannungen oder Wechselspannungen bereitgestellt. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Stromversorgungsanordnung ist, dass ein DC-DC-Wandler eingespart wird. In einer alternativen Ausführungsform ist ein zusätzlicher Wandler in der Anordnung vorgesehen, welcher kleiner ausgeführt ist.
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Es ist darauf hinzuweisen, dass die Begriffe „Mittelspannungsnetz“ und „Niederspannungsnetz“ im Rahmen der hier betroffenen Erfindung lediglich der Unterscheidbarkeit der beiden Netze dienen und keine Einschränkung auf bestimmte Spannungsbereiche darstellen. Bevorzugt kann die Netzspannung im Mittelspannungsnetz 48 V und im Niederspannungsnetz 12 V betragen. In abgewandelten Ausführungen könnte die Netzspannung im „Mittelspannungsnetz“ aber auch kleiner sein als die Spannung im „Niederspannungsnetz“.
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Das Speichermedium ist bevorzugt eine Batterie bzw. ein Akkumulator.
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Gemäß der Stromversorgungsanordnung und der Steuerschaltung erfolgt der Energieaustausch in der Anordnung bidirektional, d.h. mechanische Energie wird in elektrische Energie umgewandelt und umgekehrt.
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Im Niederspannungsnetz wird eine Wechselspannung oder eine Gleichspannung übertragen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Statorjoch an seinem achsfernen Umfang mehrere beabstandete Vertiefungen auf. In die Vertiefungen ist die Jochwicklung eingebracht. Somit verläuft die Jochwicklung um das Statorjoch in den Nuten und in den Vertiefungen. Bevorzugt sind die Vertiefungen umfänglich versetzt zu den Nuten ausgebildet bzw. ausgerichtet. Die Jochwicklung ist am Statorjoch winklig zum Statorumfang ausgerichtet. Ein Vorteil der Vertiefungen ist, dass der durch die zweite Wicklung benötigte Bauraum in der Gesamtabmessung der elektrischen Maschine nahezu konstant bleibt, d. h. die Jochwicklung vergrößert den Außendurchmesser der elektrischen Maschine nicht oder nur in geringem Maße.
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Die Jochwicklung ist bevorzugt eine Ringwicklung. In einer abgewandelten Ausführungsform ist um das Statorjoch mindestens eine zweite Wicklung gewickelt, die ähnlich der Jochwicklung aufgebaut und angeordnet ist, um ein weiteres Spannungsnetz zu versorgen. Bevorzugt ist das weitere Spannungsnetz ein weiteres Niederspannungsnetz.
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Bevorzugt sind die Wicklungen am Stator von einem Vergussmittel umschlossen bzw. durch ein Imprägniermittel imprägniert. Beispielsweise ist das Vergussmittel ein Gießharz, insbesondere ein Epoxidharz, welches der thermischen Anbindung der Wicklungen an den Stator dient.
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Die elektrische Maschine ist bevorzugt als Asynchronmaschine ausgebildet. Alternativ bevorzugt ist die elektrische Maschine eine Synchronmaschine.
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In einer Ausführungsform ermöglicht die Steuerschaltung einen weiteren Betriebszustand, in welchem die Jochwicklung mit elektrischer Energie aus dem Niederspannungsnetz versorgt wird, um die elektrische Maschine anzutreiben oder eine Spannung in der Drehstromwicklung zu induzieren, die in das Mittelspannungsnetz eingespeist wird.
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In einer Ausführungsform dient eine mehrphasige Jochwicklung bei permanent erregten Maschinen der Feldschwächung. In einer weiteren Ausführungsform wird bei einem unidirektionalen Energieaustausch in der Jochwicklung eine Spannung induziert, die in das Niederspannungsnetz eingespeist wird, wobei statt einer Regelung mittels des Umrichters oder Gleichrichters eine elektronische Regelung erfolgt.
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In einer weitergebildeten Ausführungsform ist mindestens eine Jochwicklung durch einen Hohlleiter ausgebildet, wobei durch diesen ein Kühlmedium zum Kühlen der Wicklung und des Stators fließt.
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Weiterhin vorteilhaft ist, dass durch die erfindungsgemäße Anordnung eine galvanische Trennung der mehreren Bordnetze, die mit unterschiedlichen Spannungen arbeiten, gegeben ist.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
- 1 eine vereinfachte Schnittansicht einer ersten Ausführungsform eines Stators für eine erfindungsgemäße Stromversorgungsanordnung;
- 2 eine vereinfachte Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform des Stators für die Stromversorgungsanordnung;
- 3 eine vereinfachte Teilschnittansicht einer Ausführungsform des Stators für die Stromversorgungsanordnung;
- 4 ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform der Stromversorgungsanordnung für ein Fahrzeug-Bordnetz;
- 5 ein Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform der Stromversorgungsanordnung für das Fahrzeug-Bordnetz.
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1 zeigt eine vereinfachte Schnittansicht einer ersten Ausführungsform eines Stators 01 für eine erfindungsgemäße Stromversorgungsanordnung, die weiter unten detailliert beschrieben wird. Es ist beispielhaft ein Stator 01 einer Asynchronmaschine dargestellt. Der Stator 01 ist koaxial zu einem innenliegenden Rotor 03 angeordnet, wobei der Rotor 03 um eine gemeinsame Achse drehbar ist. Der Stator 01 weist an seinem achsnahen Umfang mehrere umlaufend beabstandete Nuten 05 mit dazwischen befindlichen Statorzähnen 07 auf. In den Nuten 05 sind verteilte Wicklungen 09 angeordnet, d.h. die Wicklungen 09 folgen umlaufend dem dreiphasigen Wickelschema u-v-w. Zwischen den Nuten 05 und dem achsfernen Umfang des Stators 01 ist ein Statorjoch 11 ausgebildet. Um das Statorjoch 11 sind vier einphasige Jochwicklungen 13 gewickelt, welche als Ringwicklungen ausgebildet sind. Die Jochwicklungen 13 sind umlaufend verteilt um den Stator 01 angeordnet, wobei die Jochwicklungen 13 zwischen jeweils durch eine der Nuten 05 und am achsfernen Umfang des Stators 01 verlaufen. Jede einphasige Jochwicklung 13 verläuft durch eine der Nuten 05 der Wicklung 09 der gleichen Phase.
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2 zeigt eine vereinfachte Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform des Stators 01 für die erfindungsgemäße Stromversorgungsanordnung. Der Stator gemäß 2 gleicht zunächst demjenigen gemäß 1. Abweichend zu 1 ist die Jochwicklung 13 in 2 dreiphasig ausgebildet. Jede Jochwicklung 13 einer Phase verläuft in der Nut 05, durch welche ebenfalls die Wicklung 09 der entsprechenden Phasen verläuft.
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3 zeigt eine vereinfachte Teilschnittansicht einer abgewandelten Ausführungsform des Stators 01 der erfindungsgemäßen Stromversorgungsanordnung. Der Stator gemäß 3 gleicht zunächst 1 und 2. Abweichend zu 1 und 2 weist der Stator 01 der 3 an seinem achsfernen Umfang umlaufend beabstandete Vertiefungen 15 auf. Die Nuten 05 sind tiefer ausgebildet als die Vertiefungen 15. Die Jochwicklung 13 verläuft jeweils in einer der Nuten 05 und in einer der Vertiefungen 15. Nuten 05 und Vertiefungen 15 sind zueinander versetzt am Stator 01 angeordnet. Somit liegen die Jochwicklungen 13 nicht auf derselben Radialebene wie die Spiegelachse der Nuten 05. Hierdurch wird der notwendige Bauraum minimiert, da eine weitgehend gleichbleibende Jochhöhe h erreicht wird.
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4 zeigt ein Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Stromversorgungsanordnung 19 für ein Fahrzeug-Bordnetz. Die Stromversorgungsanordnung 19 umfasst eine elektrische Maschine 21 die einerseits über ein dreiphasen Wechselspannungsnetz mit einem ersten Umrichter 22 und andererseits über ein dreiphasen Wechselspannungsnetz mit einem zweiten Umrichter 24 verbunden ist. Der erste Umrichter 22 arbeitet in einem Mittelspannungsnetz, das einen ersten Verbraucher 25 und eine erste Batterie 27 aufweist. Der erste Umrichter 22 ist mittels eines zweipoligen Gleichspannungsnetzes an den ersten Verbraucher 25 und die erste Batterie 27 gekoppelt. Das Mittelspannungsnetz ist hier ein 48 V Spannungsnetz.
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Der zweite Umrichter 24 arbeitet in einem Niederspannungsnetz, das einen zweiten Verbraucher 28 sowie eine zweite Batterie 30 aufweist. Der zweite Umrichter 24 ist mittels eines zweipoligen Gleichspannungsnetzes an den zweiten Verbraucher 28 und die zweite Batterie 30 gekoppelt. Das Niederspannungsnetz ist hier ein 12 V Spannungsnetz.
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Die elektrische Maschine 21 umfasst den zuvor beschriebenen Stator 01 mit Wicklungen und Jochwicklungen, insbesondere gemäß der in 3 gezeigten Ausführungsform. Weiterhin umfasst die Stromversorgungsanordnung 19 eine Steuereinheit 31 zur Steuerung der Umrichter 22, 24. Mittels der erfindungsgemäßen Stromversorgungsanordnung 19 wird variabel sowohl ein Mittelspannungsnetz als auch mindestens ein Niederspannungsnetz versorgt. Die mehreren Betriebszustände, welche die Steuereinheit 31 für den Betrieb der Stromversorgungsanordnung 19 wählen kann, wurden oben bereits erläutert, sodass hier nur die wichtigsten Abläufe dargestellt werden. Die bevorzugten Betriebszustände sind: ein Generatorbetriebszustand, ein Motorbetriebszustand und ein Transformationsbetriebszustand. Die elektrische Maschine 21 dient demnach in einem Betriebszustand als Generator, wobei mindestens einer der Verbraucher 25, 28 und/oder mindestens eine der Batterien 27, 30 mit elektrischer Energie versorgt wird, und in einem anderen Betriebszustand als Motor, wobei die Drehstromwicklung der elektrischen Maschine 21 durch eine der Batterien 27, 30 versorgt wird. Die Batterien 27, 30 dienen als Speichermedium. Die Umrichter 22, 24 erzeugen im Generatorbetrieb aus den bereitgestellten Wechselspannungen Gleichspannungen für die beiden Bordnetze und im Motorbetrieb eine Wechselspannung, die der elektrischen Maschine 21 zugeführt wird.
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5 zeigt ein Blockschaltbild einer alternativ bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stromversorgungsanordnung 19 für ein Fahrzeug-Bordnetz. Die Stromversorgungsanordnung gemäß 5 gleicht zunächst 4. Abweichend zu der in 4 gezeigten Ausführungsform ist der zweite Umrichter 24 durch einen Gleichrichter 33 ersetzt. Der Gleichrichter 33 erzeugt im Generatorbetrieb aus der generierten Wechselspannung eine Gleichspannung für den zweiten Verbraucher 28 und die zweite Batterie 30. Eine Versorgung der elektrischen Maschine 21 aus der zweiten Batterie 30 ist in dieser Ausführungsform nicht vorgesehen.
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Bezugszeichenliste
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- 01
- Stator
- 03
- Rotor
- 05
- Nut
- 07
- Statorzahn
- 09
- Wicklung
- 11
- Statorjoch
- 13
- Jochwicklung
- 15
- Vertiefung
- 19
- Stromversorgungsanordnung
- 21
- elektrische Maschine
- 22
- erster Umrichter
- 24
- zweiter Umrichter
- 25
- erster Verbraucher
- 27
- erste Batterie
- 28
- zweiter Verbraucher
- 30
- zweite Batterie
- 31
- Steuereinheit
- 33
- Gleichrichter
- h
- Jochhöhe
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP H06294369 A [0002]
- DE 2033181 A [0003]
