DE102017130869A1

DE102017130869A1 - Electric transmission and method for operating an electric motor

Info

Publication number: DE102017130869A1
Application number: DE102017130869.5A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: WYREMBA HANS PETER
Current assignee: WYREMBA HANS PETER
Priority date: 2017-12-21
Filing date: 2017-12-21
Publication date: 2019-06-27

Abstract

Es werden ein Verfahren zum Betreiben eines Elektromotors (160) mit mehreren Wicklungen (110) sowie eine Vorrichtung, die einen derartigen Elektromotor und eine Steuereinrichtung aufweist, bereitgestellt. Die mehreren Wicklungen sind zum Antreiben des Elektromotors (160) bestrombar. Das Verfahren umfasst das Bestromen der Wicklungen (110; 111, 112, 113) zum Betreiben des Elektromotors (160) und, mit ansteigender Drehzahl des Elektromotors (160), das stufenweise Reduzieren der bestromten Wicklungen durch elektrisches Trennen eines Wicklungsteils (112, 113).There is provided a method of operating a multi-winding electric motor (160) and a device including such an electric motor and a controller. The multiple windings can be energized to drive the electric motor (160). The method comprises energizing the windings (110, 111, 112, 113) to operate the electric motor (160) and, with increasing speed of the electric motor (160), gradually reducing the energized windings by electrically disconnecting a winding part (112, 113) ,

Description

Gebiet der ErfindungField of the invention

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einem Elektromotor und einer Steuereinrichtung, insbesondere ein elektrisches Getriebe, sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Elektromotors.The present invention relates to a device with an electric motor and a control device, in particular an electric transmission, and a method for operating an electric motor.

Hintergrund der ErfindungBackground of the invention

Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Arten von Elektromotoren bekannt, wie beispielsweise ein Asynchronmotor oder ein Synchronmotor, der als permanenterregter oder fremderregter Synchronmotor ausgestaltet sein kann. Bei derartigen Elektromotoren gibt es in der Regel zwei Drehmomenten-Zustände. Bei Stillstand des Motors werden zum sogenannten Andrehen oder Anfahren des Motors durch Anlegen einer Spannung magnetische Kräfte erzeugt, die den Motor anlaufen lassen. Bei Betrieb des Motors im Arbeitsbereich (z.B. bei Nenndrehzahl) kommt es zur Induktion einer Spannung in den Spulen bzw. Wicklungen des Motors, der sogenannten Quellenspannung. Diese wirkt der angelegten Spannung entgegen. Im Stillstand des Motors ist diese Quellenspannung 0, sodass die angelegte Spannung reduziert werden muss, um den Anlaufstrom auf ein gewünschtes Maß zu begrenzen.From the prior art, various types of electric motors are known, such as an asynchronous motor or a synchronous motor, which may be configured as a permanent-magnet or externally excited synchronous motor. In such electric motors, there are usually two torque states. When the motor is stopped, so-called cranking or starting of the motor by applying a voltage generates magnetic forces that start the engine. When the motor is operated in the working range (eg at nominal speed), a voltage is induced in the coils or windings of the motor, the so-called source voltage. This counteracts the applied voltage. At standstill of the motor is this source voltage 0 so that the applied voltage must be reduced to limit the starting current to a desired level.

Ein Problem derartiger Elektromotoren ist es, dass das beim Anfahren vom Motor erzeugte Drehmoment nur gering ist. Zur Erhöhung des Drehmoments beim Anfahren ist aus der Druckschrift WO2009/118135 A1 ein Verfahren bekannt, bei dem zum Anfahren eines mehrphasigen, in Sternschaltung betriebenen Elektromotors ein Wicklungsteil einer Phase des Motors überbrückt wird, sodass der Motor zum Anfahren nur mit den verbleibenden Wicklungen betrieben wird. Diesen verbleibenden Wicklungen wird dabei eine höhere Spannung zugeführt. Daraus und durch den niedrigeren Innenwiderstand der verbleibenden Wicklung resultiert ein wesentlich höherer Strom, sodass sich ein höheres Drehmoment beim Anfahren ergibt.A problem of such electric motors is that the torque generated when starting from the engine is low. To increase the torque when starting is from the document WO2009 / 118135 A1 a method is known in which for starting a multi-phase, star-connected electric motor, a winding part of a phase of the motor is bypassed, so that the motor is operated to start only with the remaining windings. These remaining windings are supplied with a higher voltage. From this and the lower internal resistance of the remaining winding results in a much higher current, resulting in a higher torque when starting.

Bei einem derartigen Verfahren müssen die Leitungsquerschnitte aller Wicklungen erhöht und auf die maximalen Anlaufströme ausgelegt werden. Gleichermaßen ist es erforderlich, einen Umrichter, der zur Steuerung der Drehgeschwindigkeit des Elektromotors vorgesehen ist, auf die entsprechenden Anlaufströme auszulegen. Ein derartiger Umrichter erfordert in der Regel eine erheblich höhere Anzahl an Leistungshalbleitern, wodurch die Komplexität und die Kosten für den Umrichter steigen. Des Weiteren steigen aufgrund der höheren Ströme sowohl die Verluste im Umrichter als auch die Kupferverluste in den Leitungen stark an.In such a method, the cable cross sections of all windings must be increased and designed for the maximum starting currents. Similarly, it is necessary to design a converter, which is provided for controlling the rotational speed of the electric motor, to the corresponding starting currents. Such a converter typically requires a significantly higher number of power semiconductors, thereby increasing the complexity and cost of the inverter. Furthermore, due to the higher currents, both the losses in the converter and the copper losses in the lines rise sharply.

Weiterhin ist es wünschenswert, elektrische Maschinen mit hohen Leistungsdichten bereitzustellen, insbesondere mit Hinblick auf die Anforderungen der elektrischen Mobilität. Die Leistungsdichte kann bei gleicher Windungszahl und gleichem Strom beispielsweise dadurch erhöht werden, dass die Polzahl einer solchen elektrischen Maschine erhöht wird. Dadurch wird gleichzeitig aber auch die Quellenspannung erhöht. Der Drehzahlbereich, z. B. von Synchronmaschinen, ist jedoch durch die selbst erzeugte Quellenspannung stark eingeschränkt, insbesondere da die Statorwicklungen entweder für hohe Anlaufmomente oder für hohe Drehzahl ausgelegt sein müssen.Furthermore, it is desirable to provide electrical machines with high power densities, especially with regard to the requirements of electrical mobility. The power density can be increased with the same number of turns and the same current, for example, by increasing the number of poles of such an electric machine. As a result, but also the source voltage is increased simultaneously. The speed range, z. B. of synchronous machines, however, is severely limited by the self-generated source voltage, especially since the stator windings must be designed either for high starting torques or for high speed.

Vor diesem Hintergrund ist es wünschenswert, einen Elektromotor bereitzustellen, der sowohl ein gutes Anfahrverhalten aufweist als auch eine hohe Leistungsdichte erzielt und der in einem weiten Drehzahlband betreibbar ist. Es ist insbesondere wünschenswert, den durch die induzierte Quellenspannung beschränkten Drehzahlbereich zu erweitern.Against this background, it is desirable to provide an electric motor which has both a good starting behavior and a high power density and which is operable in a wide speed range. In particular, it is desirable to extend the range of speeds limited by the induced source voltage.

Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention

Dementsprechend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die vorab genannten Nachteile zumindest teilweise zu vermeiden oder zu verringern. Insbesondere ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das Anlaufverhalten eines Elektromotors zu verbessern und dessen Leistungsdichte zu erhöhen, beispielsweise durch Polzahlerhöhung und/oder Drehzahlbanderweiterung ohne Feldschwächung.Accordingly, it is an object of the present invention to at least partially avoid or reduce the aforementioned disadvantages. In particular, it is an object of the present invention to improve the startup behavior of an electric motor and to increase its power density, for example by Polzahlerhöhung and / or speed band extension without field weakening.

Diese Aufgabe wird mit Hilfe der Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. In den abhängigen Ansprüchen sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben.This object is achieved by means of the features of the independent claims. In the dependent claims preferred embodiments of the invention are described.

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines Elektromotors mit mehreren Wicklungen bereitgestellt, wobei die Wicklungen zum Antreiben des Elektromotors bestrombar sind, es kann also insbesondere eine Spannung an die Wicklungen zum Antreiben des Elektromotors angelegt werden. Das Verfahren umfasst das Bestromen der Wicklungen zum Betreiben des Elektromotors und, mit Ansteigen der Drehzahl des Elektromotors, das stufenweise Reduzieren der bestromten Wicklungen durch elektrisches Trennen eines Wicklungsteils.According to one aspect of the present invention, a method for operating an electric motor with a plurality of windings is provided, wherein the windings for driving the electric motor can be energized, that is, in particular a voltage can be applied to the windings for driving the electric motor. The method comprises energizing the windings to operate the electric motor and, as the speed of the electric motor increases, gradually reducing the energized windings by electrically disconnecting a winding part.

Mit einem derartigen Verfahren kann der Elektromotor beim Anfahren mit einer höheren Anzahl an Wicklungen betrieben werden. Dadurch können bei geringeren Anlaufströmen aufgrund der höheren Wicklungszahlen höhere Anlaufmomente beim Anfahren des Elektromotors erzielt werden. Durch Bestromen einer geringeren Anzahl an Wicklungen bei höherer Drehzahl des Elektromotors können zum einen höhere Drehzahlen erreicht werden, da die niedrigere Wicklungszahl in einer niedrigeren Quellenspannung resultiert. Des Weiteren können insbesondere die Kupferverluste, d.h. die elektrischen Verluste in den Wicklungen des Elektromotors reduziert werden. Mit einem derartigen Verfahren kann der Elektromotor somit mit hohen Drehmomenten anlaufen und gleichzeitig im Arbeitsbereich mit höheren Drehzahlen und äußerst effizient arbeiten. Da die Stromstärke beim Anlaufen des Elektromotors des Weiteren deutlich reduziert werden kann, können sowohl die Wicklungen als auch vorgeschaltete Komponenten, wie beispielsweise ein Umrichter, auf niedrigere Ströme ausgelegt werden. Die Komplexität eines Umrichters und die mit einem solchen Umrichter verbundenen Kosten können somit reduziert werden.With such a method, the electric motor can be operated when starting with a higher number of windings. As a result, higher starting torques when starting the electric motor can be achieved at lower starting currents due to the higher number of turns. By Bestromen a smaller number of windings at a higher speed of the electric motor, on the one hand higher speeds can be achieved, since the lower number of windings results in a lower source voltage. Furthermore, in particular the copper losses, ie the electrical losses in the windings of the electric motor can be reduced. With such a method, the electric motor can thus start with high torques and at the same time work in the working range with higher speeds and extremely efficient. Furthermore, since the current at startup of the electric motor can be significantly reduced, both the windings and upstream components, such as an inverter, can be designed for lower currents. The complexity of an inverter and the costs associated with such an inverter can thus be reduced.

Das stufenweise Reduzieren kann auch nur eine Stufe umfassen, es können jedoch auch weitere Stufen vorgesehen sein. Das elektrische Trennen eines Wicklungsteils kann insbesondere dadurch erfolgen, dass der Wicklungsteil nicht mehr bestromt wird, dass insbesondere die Spannung zum Betreiben des Elektromotors nicht mehr an den getrennten Wicklungsteil angelegt wird. Insbesondere kann der Wicklungsteil vom Ausgang eines Umrichters elektrisch getrennt werden, der eine Spannung bzw. einen Strom zum Betreiben des Elektromotors bereitstellt. Bei jeder Stufe bzw. Schaltpunkt kann beispielsweise einer von mehreren bestromten Wicklungsteilen nicht mehr bestromt werden, und/oder es kann ein bestromter Wicklungsteil nicht mehr bestromt werden, und ein anderer Wicklungsteil stattdessen bestromt werden. Ein Wicklungsteil ist z.B. ein Teil der Wicklungen, die für eine Phase des Elektromotors vorgesehen sind. Ein Wicklungsteil umfasst vorzugsweise eine Anzahlung an Wicklungen (z.B. 1, 2, 3, 4... Wicklungen), wobei die Anzahl vorzugsweise ganzzahlig ist, jedoch auch Bruchteile umfassen kann. Der Wicklungsteil wird hierin auch als Wicklungszweig bezeichnet.The stepwise reduction may also involve only one step, but other steps may be provided. The electrical separation of a winding part can in particular take place in that the winding part is no longer energized, that in particular the voltage for operating the electric motor is no longer applied to the separate winding part. In particular, the winding part can be electrically separated from the output of an inverter, which provides a voltage or a current for operating the electric motor. For example, one of several energized winding parts can no longer be supplied with current at each stage or switching point, and / or one energized winding part can no longer be supplied with current, and another winding part can instead be energized. A winding part is e.g. a part of the windings, which are provided for a phase of the electric motor. A winding member preferably comprises a deposit of windings (e.g., 1, 2, 3, 4 ... windings), which number is preferably integer, but may also include fractions. The winding part is also referred to herein as a winding branch.

Bei einer Ausführungsform des Verfahrens ist für eine Phase des Elektromotors mindestens ein Wicklungsstrang vorgesehen, der mindestens zwei Wicklungsteile bzw. Wicklungszweige aufweist. Das stufenweise Reduzieren der bestromten Wicklungen, insbesondere deren Anzahl, erfolgt durch entsprechendes Schalten der mindestens zwei Wicklungsteile des Wicklungsstrangs. Es kann ein Wicklungsstrang mit entsprechenden Wicklungsteilen für jede Phase des Elektromotors vorgesehen sein. Zum Reduzieren der Anzahl der bestromten Wicklungen können die Wicklungsteile nur einer Phase des Motors geschaltet werden, vorzugsweise werden jedoch die Wicklungsteile jeder Phase des Elektromotors entsprechend geschaltet. Die sich entsprechenden Wicklungsteile der verschiedenen Phasen des Elektromotors (d.h. Wicklungsteile, die für eine entsprechende Stufe bzw. einen entsprechenden Gang vorgesehen sind), weisen vorzugsweise eine gleiche Anzahl an Wicklungen auf.In one embodiment of the method, at least one winding strand is provided for one phase of the electric motor, which has at least two winding parts or winding branches. The gradual reduction of the current-carrying windings, in particular their number, takes place by corresponding switching of the at least two winding parts of the winding strand. There may be provided a winding strand with corresponding winding parts for each phase of the electric motor. To reduce the number of energized windings, the winding parts can be switched only one phase of the motor, but preferably the winding parts of each phase of the electric motor are switched accordingly. The corresponding winding portions of the various phases of the electric motor (i.e., winding portions provided for a respective stage) preferably have an equal number of windings.

Die Stufen, in denen der Elektromotor mit verschiedenen Wicklungszahlen betrieben wird, können auch als Gänge bezeichnet werden. Aufgrund der Verringerung der induzierten Quellenspannung können in höheren Gängen des Motors, d.h. bei einer geringeren Anzahl bestromter Wicklungen, höhere Drehzahlen erreicht werden.The stages in which the electric motor is operated with different number of turns can also be referred to as gears. Due to the reduction of the induced source voltage, at higher speeds of the motor, i. be achieved at a lower number of energized windings, higher speeds.

Das stufenweise Reduzieren der bestromten Wicklungen kann dadurch erfolgen, dass von mindestens zwei in Reihe geschalten und bestromten Wicklungsteilen mindestens ein Wicklungsteil elektrisch getrennt wird, oder dass ein bestromter Wicklungsteil mit einer höheren Anzahl an Wicklungen elektrisch getrennt wird und ein Wicklungsteil mit einer geringeren Anzahl an Wicklungen bestromt wird (d.h. es erfolgt ein Umschalten zwischen verschiedenen Wicklungsteilen). Bei einem Abschalten eines von mehreren in Reihe geschalteten und bestromten Wicklungsteilen werden nachfolgend nur noch die verbliebenen Wicklungsteile bestromt, sodass die Anzahl der bestromten Wicklungen reduziert wird. Das elektrische Trennen der Wicklungsteile kann gleichermaßen für jede Phase des Elektromotors bzw. für jeden Wicklungsstrang erfolgen.The step-by-step reduction of the current-carrying windings can be carried out by electrically disconnecting at least one winding part from at least two series-connected and energized winding parts or by electrically isolating an energized winding part with a higher number of windings and a winding part with a smaller number of windings is energized (ie there is a switch between different winding parts). When switching off one of several series-connected and energized winding parts subsequently only the remaining winding parts are energized, so that the number of energized windings is reduced. The electrical separation of the winding parts can be carried out equally for each phase of the electric motor or for each winding strand.

Vorzugsweise erfolgt das elektrische Trennen der Wicklungsteile verschiedener Wicklungsstränge zeitgleich.Preferably, the electrical separation of the winding parts of different winding strands takes place at the same time.

Das elektrische Trennen des Wicklungsteils kann insbesondere an einem Schaltzeitpunkt erfolgen. Das Verfahren umfasst vorzugsweise des Weiteren das Steuern, insbesondere das Regeln des Stroms in den nach dem Schaltzeitpunkt bestromten Wicklungen oder der an die nach dem Schaltzeitpunkt bestromten Wicklungen angelegte Spannung derart, dass ein vom Elektromotor erzeugtes Drehmoment beim Trennen des Wicklungsteils im Wesentlichen konstant bleibt. Beispielsweise kann die Spannung, die nach dem Schaltzeitpunkt an die zu bestromenden Wicklungen angelegt wird, entsprechend gesteuert werden. Es kann also insbesondere eine Spannungsregelung oder eine Stromregelung erfolgen. Das kann z.B. durch eine entsprechende Ansteuerung eines Umrichters erfolgen. Das Steuern des Stroms kann insbesondere derart erfolgen, dass das Drehmoment vor dem Schaltzeitpunkt ungefähr gleich groß ist wie das Drehmoment nach dem Schaltzeitpunkt.The electrical separation of the winding part can be done in particular at a switching time. The method preferably further comprises controlling, in particular controlling the current in the windings energized after the switching instant or the voltage applied to the windings energized after the switching instant such that a torque generated by the electric motor remains substantially constant during disconnection of the winding part. For example, the voltage applied to the windings to be energized after the switching time can be correspondingly controlled. It can therefore be done in particular a voltage regulation or current regulation. This can e.g. done by a corresponding control of an inverter. The control of the current can in particular be such that the torque before the switching time is approximately equal to the torque after the switching time.

Vorzugsweise erfolgt das elektrische Trennen des Wicklungsteils in einem Nulldurchgang der angelegten Spannung, mit der der entsprechende Wicklungsteil betrieben wird. Somit kann ein Schalten bei am Schalter vorhandener Spannung vermieden werden.Preferably, the electrical separation of the winding part takes place in a zero crossing of the applied voltage with which the corresponding winding part is operated. Thus, a Switching should be avoided when existing at the switch voltage.

Bei einer vorteilhaften Ausführung des Verfahrens wird die Anzahl der bestromten Wicklungen um eine Stufe reduziert, wenn die Drehzahl des Elektromotors einen vorbestimmten Schwellwert erreicht oder wenn die Spannung zum Bestromen der Wicklungen einen vorbestimmten Schwellwert erreicht. Aufgrund der induzierten Quellenspannung muss bei Anfahren des Elektromotors und beim Erhöhen der Drehzahl des Elektromotors die angelegte Spannung kontinuierlich erhöht werden, um eine entsprechende Stromstärke und damit Drehzahl des Elektromotors zu erreichen. Die Quellenspannung kann beispielsweise basierend auf der angelegten Spannung oder durch eine Strommessung ermittelt werden. Andererseits kann das Schalten von einer Stufe auf die nächste (oder von einem Gang in den nächsten) auch basierend auf der Drehzahl des Elektromotors erfolgen, die beispielsweise anhand der Betriebsparameter eines angeschlossenen Umrichters oder mittels eines Drehzahlsensors ermittelt werden kann.In an advantageous embodiment of the method, the number of energized windings is reduced by one stage when the rotational speed of the electric motor reaches a predetermined threshold value or when the voltage for energizing the windings reaches a predetermined threshold value. Due to the induced source voltage when starting the electric motor and increasing the speed of the electric motor, the applied voltage must be continuously increased to achieve a corresponding current and thus speed of the electric motor. The source voltage can be determined, for example, based on the applied voltage or by a current measurement. On the other hand, the shift from one stage to the next (or from one gear to the next) can also be based on the rotational speed of the electric motor, which can be determined, for example, based on the operating parameters of a connected converter or by means of a speed sensor.

Gleichermaßen kann das Verfahren das Schalten von einer höheren Stufe bzw. einem höheren Gang auf eine niedrigere Stufe bzw. niedrigeren Gang (d.h. das Schalten zu einer höheren Anzahl an bestromten Wicklungen) basierend auf entsprechenden Schwellwerten umfassen, beispielsweise einem Schwellwert für eine minimale angelegte Spannung bzw. einem Schwellwert für eine minimale Drehzahl.Likewise, the method may include switching from a higher gear to a lower gear (ie, switching to a higher number of energized windings) based on respective thresholds, for example, a minimum applied voltage threshold a threshold for a minimum speed.

Vorzugsweise sind mindestens zwei, drei, vier, fünf oder sechs Stufen vorgesehen, es können beispielsweise zwischen zwei und zehn Stufen vorgesehen werden.Preferably, at least two, three, four, five or six stages are provided, for example between two and ten stages may be provided.

Durch eine entsprechende Steuerung kann sichergestellt werden, dass das Umschalten zwischen Stufen bzw. Gängen gleitend und ruckfrei erfolgt.By means of an appropriate control it can be ensured that the switching between stages or gears takes place smoothly and without jerking.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung, insbesondere ein elektrisches Getriebe bereitgestellt. Die Vorrichtung umfasst einen Elektromotor, der mehrere Wicklungen aufweist, die zum Antreiben des Elektromotors bestrombar sind, sowie eine Steuereinrichtung zum Betreiben des Elektromotors. Die Steuereinrichtung ist derart ausgestaltet, dass sie zum Betreiben des Elektromotors die Wicklungen bestromt, und dass sie mit ansteigender Drehzahl des Elektromotors die bestromten Wicklungen durch elektrisches Trennen eines Wicklungsteils stufenweise reduziert. Mit einer derartigen Vorrichtung kann ein Elektromotor mit hohem Drehmoment angefahren werden, ohne dass dafür übermäßig hohe Stromstärken benötigt werden. Aufgrund der Reduzierung der Anzahl an bestromten Wicklungen bei höheren Drehzahlen kann der Elektromotor des Weiteren effizient und mit hohen Drehzahlen betrieben werden. Insbesondere kann bei hohen Drehzahlen zu einem Betrieb mit nur wenigen, z.B. 1, 2, 3 oder 4 Wicklungen übergegangen werden, wodurch die induzierte Quellenspannung als auch die Leitungsverluste, insbesondere Kupferverluste, reduziert werden können.According to a further aspect of the present invention, a device, in particular an electric transmission, is provided. The device comprises an electric motor having a plurality of windings, which can be energized to drive the electric motor, and a control device for operating the electric motor. The control device is designed such that it energizes the windings for operating the electric motor, and that, as the rotational speed of the electric motor increases, it gradually reduces the energized windings by electrically disconnecting a winding part. With such a device, a high-torque electric motor can be started up without requiring excessively high currents. Furthermore, due to the reduction in the number of windings energized at higher speeds, the electric motor can be operated efficiently and at high speeds. In particular, at high speeds, operation may be with only a few, e.g. 1, 2, 3 or 4 windings, whereby the induced source voltage and the line losses, in particular copper losses, can be reduced.

Bei einer Ausgestaltung der Vorrichtung weist der Elektromotor für eine Phase (insb. Phase der Versorgungsspannung, mit der der Elektromotor betrieben wird) mindestens einen Wicklungsstrang auf, wobei der Wicklungsstrang mindestens zwei Wicklungsteile umfasst. Die Steuereinheit umfasst Schalter, insbesondere elektronische Schalter, zum Schalten der mindestens zwei Wicklungsteile. Die Steuereinheit ist derart ausgestaltet, dass sie die bestromten Wicklungen durch entsprechendes Schalten der mindestens zwei Wicklungsteile des Wicklungsstrangs stufenweise reduziert.In one embodiment of the device, the electric motor has at least one winding strand for one phase (esp. Phase of the supply voltage with which the electric motor is operated), wherein the winding strand comprises at least two winding parts. The control unit comprises switches, in particular electronic switches, for switching the at least two winding parts. The control unit is designed such that it gradually reduces the energized windings by appropriately switching the at least two winding parts of the winding strand.

Bei einem Zweiphasensystem können beispielsweise zwei Wicklungsstränge vorgesehen sein, bei einem Dreiphasensystem drei Wicklungsstränge u.s.w.. Insbesondere ist ein Wicklungsstrang für jede Phase des Elektromotors vorgesehen. Weist der Elektromotor mehrere Polpaare auf, so kann für die mehreren Polpaare ein Wicklungsstrang pro Phase vorgesehen sein, es können jedoch auch mehrere Wicklungsstränge pro Phase vorgesehen werden.In a two-phase system, for example, two winding strands may be provided, in a three-phase system three winding strands u, es, etc. In particular, a winding strand is provided for each phase of the electric motor. If the electric motor has a plurality of pole pairs, one winding phase per phase may be provided for the plurality of pole pairs, but it is also possible to provide a plurality of winding phases per phase.

Vorzugsweise weist jeder Wicklungsstrang die gleiche Anzahl an Wicklungsteilen auf. Die Wicklungszahlen sich entsprechende Wicklungsteile verschiedener Wicklungsstränge sind vorzugsweise gleich. Die Wicklungszahlen der Wicklungsteile innerhalb desselben Wicklungsstrangs können jedoch unterschiedlich sein, sie können aber auch gleich sein.Each winding strand preferably has the same number of winding parts. The winding numbers corresponding winding parts of different winding strands are preferably the same. However, the number of turns of the winding parts within the same winding strand may be different, but they may be the same.

Die Schalter, insbesondere die elektronischen Schalter, sind zum Schalten von Wechselströmen ausgestaltet. Die Schalter können einen oder mehrere der folgenden elektronischen Schalter umfassen: Triac, Thyristor, MOS-FET (Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistoren), und IGBT (Insulated-Gate Bipolar Transistor). Zum elektrischen Trennen des Wicklungsteils sind einer oder mehrere der genannten elektronischen Schalter beispielsweise so verschaltet, dass ein „elektronisches Relais“ ausgebildet wird, oder dass beispielsweise ein Thyristorsteller ausgebildet wird. Insbesondere können damit hohe Wechselströme geschaltet werden. Vorteilhaft ist es, wenn die Schalter als Mehrfachschalter ausgestaltet sind, sodass beispielsweise eine angelegte Spannung von einem Wicklungsteil auf einen anderen Wicklungsteil umschaltbar ist. Damit kann die Bestromung von einem Wicklungsteil auf einen anderen Wicklungsteil umgeschaltet werden, oder es kann ein Wicklungsteil aus einer Reihenschaltung von Wicklungsteilen herausgenommen werden, indem die Spannung nicht mehr an diesen Wicklungsteil sondern an einen anderen Wicklungsteil in der Reihe angelegt wird.The switches, in particular the electronic switches, are designed for switching alternating currents. The switches may include one or more of the following electronic switches: triac, thyristor, MOS-FET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors), and IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). For electrically disconnecting the winding part, one or more of the said electronic switches are connected, for example, so that an "electronic relay" is formed, or that, for example, a thyristor is formed. In particular, high alternating currents can thus be switched. It is advantageous if the switches are designed as multiple switches, so that, for example, an applied voltage can be switched from one winding part to another winding part. Thus, the energization can be switched from one winding part to another winding part, or it can be a winding part of a series circuit be removed from winding parts by the voltage is applied not to this winding part but to another winding part in the series.

Die mindestens zwei Wicklungsteile des Wicklungsstrangs können derart ausgestaltet sein, dass die Anzahl der bestromten Wicklungen eines Wicklungsstrangs durch Schalten der Wicklungsteile um einen Faktor reduzierbar ist, der zwischen 1,5 und 30, vorzugsweise zwischen 2 und 20, besonders bevorzugt zwischen 2 und 6 liegt. Beispielsweise werden bei einem Anfahren in einem ersten Gang 35 Wicklungen bestromt, in einem zweiten Gang 15 Wicklungen und in einem dritten Gang 5 Wicklungen, sodass die Zahl der bestromten Wicklungen um einen Faktor von 7 reduzierbar ist.The at least two winding parts of the winding strand can be configured in such a way that the number of energized windings of a winding strand can be reduced by switching the winding parts by a factor of between 1.5 and 30, preferably between 2 and 20, particularly preferably between 2 and 6 , For example, when starting in a first gear 35 Windings energized, in a second gear 15 Windings and in a third gear 5 Windings, so that the number of energized windings can be reduced by a factor of 7.

Die Steuereinrichtung kann derart ausgestaltet sein, dass zwischen dem Anfahren des Elektromotors und dem Erreichen einer Nenndrehzahl des Elektromotors zwischen 1 und 10, vorzugsweise zwischen 2 und 5 Schaltpunkte vorgesehen sind. Die Steuereinheit ist weiterhin so ausgestaltet, dass sie mit ansteigender Drehzahl des Elektromotors an jedem Schaltpunkt die bestromten Wicklungen, insbesondere deren Anzahl, durch elektrisches Trennen eines Wicklungsteils stufenweise reduziert. An einem Schaltpunkt wird also zwischen zwei Stufen bzw. zwei Gängen umgeschaltet.The control device can be designed such that between the starting of the electric motor and the achievement of a rated speed of the electric motor between 1 and 10, preferably between 2 and 5 switching points are provided. The control unit is further configured so that it gradually reduces the energized windings, in particular their number, by electrically disconnecting a winding part with increasing speed of the electric motor at each switching point. At a switching point is thus switched between two stages or two gears.

Vorzugsweise sind mindestens 2, 3 oder 4 Wicklungsstränge vorgesehen. Jeder Wicklungsstrang weist vorzugsweise mindestens 2, 3, 4, 5 oder 6 Wicklungsteile auf. Mit einer entsprechenden Anzahl an Wicklungsteilen lassen sich eine Vielzahl an Stufen bzw. Gängen durch entsprechendes Verschalten realisieren. Bei zwei Wicklungsteilen mit unterschiedlicher Wicklungsanzahl lassen sich beispielsweise drei Gänge dadurch realisieren, dass die Wicklungsteile einmal seriell geschaltet werden (erster Gang), und dass entweder der eine oder der andere Wicklungsteil allein bestromt wird (zweiter und dritter Gang).Preferably, at least 2, 3 or 4 winding strands are provided. Each winding strand preferably has at least 2, 3, 4, 5 or 6 winding parts. With a corresponding number of winding parts, a plurality of stages or gears can be realized by appropriate interconnection. With two winding parts with different number of turns, for example, three gears can be realized by switching the winding parts once in series (first gear), and by energizing either one or the other winding part alone (second and third gear).

Bei einer Ausführungsform weist der Elektromotor für eine Phase mindestens einen Wicklungsstrang auf, der mindestens einen ersten und einen zweiten Wicklungsteil umfasst. Der erste Wicklungsteil weist eine geringere Anzahl an Wicklungen auf als der zweite Wicklungsteil. Alternativ oder zusätzlich kann der erste Wicklungsteil einen größeren Leiterquerschnitt aufweisen als der zweite Wicklungsteil. Eine derartige Ausgestaltung erlaubt ein Reduzieren der Anzahl der bestromten Wicklungen durch Umschalten zwischen dem ersten und dem zweiten Wicklungsteil. Auch ist es bei einer solchen Ausgestaltung möglich, die Anzahl der bestromten Wicklung dadurch signifikant zu reduzieren, dass der zweite Wicklungsteil bei einer seriellen Schaltung stromfrei geschaltet wird. Weiterhin kann der zweite Wicklungsteil auf die niedrigeren Ströme, die beispielsweise beim Anfahren des Elektromotors vorhanden sind, ausgelegt werden, wohingegen der erste Wicklungsteil mit einem größeren Leiterquerschnitt auf höhere Ströme ausgelegt werden kann, die bei hohen Drehzahlen des Elektromotors vorhanden sind. Zum einen können somit Leitungsverluste reduziert werden, zum anderen kann die Kupfermenge reduziert werden und eine kompakte Bauweise erreicht werden. Insbesondere kann die Steuereinheit ausgestaltet sein, um bei der Nenndrehzahl des Elektromotors den Wicklungsteil des Wicklungsstrangs zu bestromen, der die niedrigste Wicklungszahl und/oder den größten Leiterquerschnitt aufweist.In one embodiment, the electric motor for one phase has at least one winding strand comprising at least a first and a second winding part. The first winding part has a smaller number of windings than the second winding part. Alternatively or additionally, the first winding part may have a larger conductor cross-section than the second winding part. Such a configuration allows reducing the number of energized windings by switching between the first and the second winding part. It is also possible in such an embodiment to significantly reduce the number of current supplied by the winding in that the second winding part is switched current-free in a series circuit. Furthermore, the second winding part can be designed for the lower currents which are present, for example, when starting the electric motor, whereas the first winding part with a larger conductor cross-section can be designed for higher currents which are present at high rotational speeds of the electric motor. On the one hand, line losses can thus be reduced, on the other hand, the amount of copper can be reduced and a compact design can be achieved. In particular, the control unit can be configured to energize the winding part of the winding strand at the nominal rotational speed of the electric motor, which has the lowest winding number and / or the largest conductor cross section.

Da der für hohe Drehzahlen ausgelegte Wicklungsteil nur eine geringe Anzahl an Wicklungen aufweist, und da der beim Anfahren des Elektromotors bestromte Wicklungsteil mit einer höheren Anzahl an Wicklungen nur für geringe Stromstärken ausgelegt sein muss, können die Wicklungsteile in einem relativ kleinen Wickelraum untergebracht werden. Insbesondere nehmen die Wicklungen nicht wesentlich mehr oder sogar einen kleineren Wickelraum ein, als die Wicklung eines entsprechenden herkömmlichen Elektromotors, bei dem der Querschnitt der Wicklungen für die hohen Stromstärken beim Starten des Motors ausgelegt sein muss. Es kann damit eine kompakte Bauweise erzielt werden, die keinen zusätzlichen Wickelraum benötigt.Since the designed for high speed winding part has only a small number of windings, and since the energized when starting the electric motor winding part with a higher number of windings must be designed only for low currents, the winding parts can be accommodated in a relatively small winding space. In particular, the windings do not take up significantly more or even a smaller winding space than the winding of a corresponding conventional electric motor, in which the cross-section of the windings must be designed for the high current intensities when starting the motor. It can thus be achieved a compact design that does not require additional changing room.

Die Wicklungen sind vorzugsweise Statorwicklungen, insbesondere Mehrfach-Statorwicklungen mit zwei oder mehr Wicklungsteilen bzw. Wicklungszweigen. Der Elektromotor ist vorzugsweise als zweiphasiges, dreiphasiges oder vierphasiges System ausgestaltet. Es sind aber durchaus auch mehr als vier Phasen möglich, beispielsweise sechs Phasen.The windings are preferably stator windings, in particular multiple stator windings with two or more winding parts or winding branches. The electric motor is preferably designed as a two-phase, three-phase or four-phase system. But there are certainly more than four phases possible, for example, six phases.

Bei einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung des Weiteren einen Umrichter, der eine Wechselstromversorgung mit einstellbarer Frequenz für den Elektromotor bereitstellt. Des Weiteren kann ein elektronischer Schalter vorgesehen sein, um den Wicklungsteil elektrisch zu trennen. Vorzugsweise ist der elektronische Schalter in den Umrichter integriert. Die Steuereinheit ist insbesondere zum Ansteuern des elektronischen Schalters ausgestaltet. Die Steuereinheit kann ebenfalls in den Umrichter integriert sein, oder sie kann als eine von dem Umrichter getrennte Einheit ausgestaltet sein. Mit dem Umrichter kann eine genaue Steuerung der Drehzahl des Elektromotors verwirklicht werden, indem mit dem Umrichter die Frequenz der Spannung bzw. des Stroms eingestellt wird, mit der der Elektromotor betrieben wird. Die Erhöhung der Drehzahl des Elektromotors kann durch eine entsprechende Frequenzerhöhung mittels des Umrichters erfolgen. Zur Bestromung der Wicklungen des Elektromotors kann der Umrichter beispielsweise eine Wechselspannung mit vorgebbarer Frequenz synthetisieren, wozu das Verfahren der Pulsweitenmodulation (PWM) eingesetzt werden kann. Die Wicklungen sind dann entsprechend mit dem Ausgang des Umrichters verschaltet.In one embodiment, the apparatus further includes an inverter providing an adjustable frequency AC power supply to the electric motor. Furthermore, an electronic switch may be provided to electrically disconnect the winding member. Preferably, the electronic switch is integrated in the inverter. The control unit is designed in particular for driving the electronic switch. The control unit may also be integrated in the inverter, or it may be configured as a unit separate from the inverter. With the inverter, a precise control of the rotational speed of the electric motor can be realized by the frequency of the voltage or the current is set with the inverter, with which the electric motor is operated. The increase in the speed of the electric motor can be done by a corresponding increase in frequency means of the inverter. For energizing the Windings of the electric motor, the inverter can synthesize, for example, an alternating voltage with a predeterminable frequency, for which the method of pulse width modulation (PWM) can be used. The windings are then connected in accordance with the output of the inverter.

Bei einer Ausführungsform ist für den ersten Wicklungsstrang ein erster Schalter vorgesehen, mit dem ein erstes Ende des ersten Wicklungsteils mit einem ersten Ausgang des Umrichters elektrisch verbindbar ist. Das zweite Ende des ersten Wicklungsteils ist mit einem zweiten Ausgang des Umrichters elektrisch verbunden. Weiterhin ist ein erstes Ende des zweiten Wicklungsteils mit dem ersten Schalter (oder einem weiteren Schalter) mit dem ersten Ausgang des Umrichters elektrisch verbindbar. Das zweite Ende des zweiten Wicklungsteils ist mit dem ersten Ende des ersten Wicklungsteils verbunden (Reihenschaltung) oder mit dem zweiten Ende des ersten Wicklungsteils verbunden (oder-Verschaltung). Weitere Wicklungsteile können entsprechend verschaltet werden. Ein zweiter und dritter Wicklungsstrang können ähnlich dem ersten Wicklungsstrang konfiguriert sein. Bei mehreren Wicklungssträngen kann der Umrichter für jeden Wicklungsstrang zwei Ausgänge aufweisen (z.B. bei einer Transversalflussmaschine). Auch können beispielsweise drei Wicklungsstränge in Sternschaltung oder Dreieckschaltung verschaltet sein. Bei Sternschaltung sind die zweiten Enden der ersten Wicklungsteile elektrisch verbunden (z.B. in einem Sternpunkt). Bei Dreieckschaltung ist das zweite Ende des ersten Wicklungsteils eines Wicklungsstrangs jeweils mit dem Ausgang des Umrichters verbunden, mit dem das erste Ende des ersten Wicklungsteils eines anderen Wicklungsstrangs mittels des entsprechenden Schalters elektrisch verbindbar ist. Bei dreiphasigen Maschinen kann der Umrichter entsprechend drei Ausgänge (L1, L2, L3) aufweisen. Die Schalter können als elektronische Schalter ausgestaltet sein, wobei das elektrische Verbinden durch Schalten von einem sperrenden Zustand in einen leitenden Zustand des elektronischen Schalters erfolgen kann.In one embodiment, a first switch is provided for the first winding strand, with which a first end of the first winding part is electrically connectable to a first output of the inverter. The second end of the first winding part is electrically connected to a second output of the inverter. Furthermore, a first end of the second winding part with the first switch (or another switch) with the first output of the inverter is electrically connected. The second end of the second winding part is connected to the first end of the first winding part (series connection) or connected to the second end of the first winding part (or interconnection). Other winding parts can be connected accordingly. A second and third winding strand may be configured similar to the first winding strand. For several winding phases, the inverter can have two outputs for each winding phase (eg in the case of a transverse flux machine). Also, for example, three winding strands can be connected in star connection or delta connection. In star connection, the second ends of the first winding parts are electrically connected (eg in a star point). In delta connection, the second end of the first winding part of a winding strand is connected to the output of the inverter, with which the first end of the first winding part of another winding strand is electrically connected by means of the corresponding switch. For three-phase machines, the inverter can have three outputs ( L1 . L2 . L3 ) respectively. The switches can be designed as electronic switches, wherein the electrical connection can be made by switching from a blocking state to a conductive state of the electronic switch.

Der Elektromotor kann für eine Phase mindestens einen Wicklungsstrang aufweisen, der mindestens zwei Wicklungsteile umfasst. Die mindestens zwei Wicklungsteile können übereinander oder nebeneinander gewickelt sein. Insbesondere können die mindestens zwei Wicklungsteile in einer Statornut oder in einem Statorjoch des Elektromotors gewickelt sein. Der Elektromotor kann beispielsweise als eine Radialflussmaschine oder als eine Transversalflussmaschine ausgestaltet sein. Eine Radialflussmaschine kann einen entsprechenden Stator mit Statornuten aufweisen, in denen die mindestens zwei Wicklungsteile vorgesehen sind. Eine Transversalflussmaschine kann beispielsweise einen Wicklungsstrang aufweisen, der in Umfangsrichtung um die Drehachse des Motors verläuft und koaxial mit dieser ist, wobei für jede Phase ein entsprechender axial versetzter Wicklungsstrang vorgesehen werden kann. Der Elektromotor kann insbesondere wie in der Druckschrift DE 102010054847 A1 oder EP 1 708 338 B1 beschrieben ausgestaltet sein.The electric motor can have at least one winding strand for one phase, which comprises at least two winding parts. The at least two winding parts can be wound on top of each other or side by side. In particular, the at least two winding parts can be wound in a stator slot or in a stator yoke of the electric motor. The electric motor can be configured, for example, as a radial flux machine or as a transverse flux machine. A radial flux machine may have a stator with stator slots in which the at least two winding parts are provided. For example, a transversal flux machine may include a winding strand that extends circumferentially about the axis of rotation of the motor and is coaxial therewith, with a corresponding axially offset winding strand being provided for each phase. The electric motor can in particular as in the publication DE 102010054847 A1 or EP 1 708 338 B1 be designed described.

Der Elektromotor kann hochpolig ausgelegt sein. Die Wicklungszahl kann bei diesem hochpoligen Elektromotor recht niedrig sein, so dass der damit verbundene relativ niedrige Innenwiderstand der Wicklungen beim Anlaufen eines solchen Elektromotors den Strom nicht ausreichend begrenzen kann. In diesem Fall kann die Steuereinrichtung ausgestaltet sein, mittels eines Umrichters den Strom zu begrenzen. Die niedrige Windungszahl führt aber zudem zu einem niedrigen Anlaufmoment, weshalb der Strom bei herkömmlichen Elektromotoren speziell beim Anlaufen aber auch im unteren Drehzahlbereich wieder deutlich angehoben werden muss, um das Drehmoment vom Anlaufmoment bis in den mittleren Drehzahlbereich weitestgehend konstant zu halten. Die Wicklungen als auch die Leistungselektronik des Umrichters müssen bei herkömmlichen Elektromotoren auf solch hohe Ströme ausgelegt sein. Das vorliegende Verfahren und die vorliegende Vorrichtung, insbesondere das elektrische Getriebe, lösen dieses Problem, indem die Ströme durch die höhere Wicklungszahl beim Anlaufen des Elektromotors und bei niedrigen Drehzahlen erheblich niedriger ausfallen können, um das Drehmoment vom Anlaufzeitpunkt bis in den mittleren Drehzahlbereich zu linearisieren.The electric motor can be designed with a high pole. The number of turns can be quite low in this high-pole electric motor, so that the associated relatively low internal resistance of the windings when starting such an electric motor can not limit the current sufficient. In this case, the control device may be configured to limit the current by means of an inverter. The low number of turns but also leads to a low starting torque, which is why the current in conventional electric motors especially when starting but also in the lower speed range must be significantly increased again to keep the torque from starting torque to the middle speed range largely constant. The windings as well as the power electronics of the converter must be designed for such high currents in conventional electric motors. The present method and the present device, in particular the electric transmission, solve this problem by the currents can be significantly lower by the higher number of windings when starting the electric motor and at low speeds to linearize the torque from the start-up to the middle speed range.

Der Elektromotor kann als Wechselstrommotor, insbesondere als Synchronmotor (permanenterregter oder fremderregter Synchronmotor), oder als Asynchronmotor ausgestaltet sein. Vorzugsweise ist der Elektromotor ein hochpoliger Elektromotor.The electric motor can be designed as an AC motor, in particular as a synchronous motor (permanent-magnet or externally excited synchronous motor), or as an asynchronous motor. Preferably, the electric motor is a high-pole electric motor.

Selbstverständlich können die Merkmale der vorab beschriebenen Ausführungsformen und Aspekte der vorliegenden Erfindung kombiniert werden. Insbesondere kann die Vorrichtung zur Durchführung der hierin beschriebenen Verfahren ausgestaltet sein. Des Weiteren kann das Verfahren sämtliche zum Betrieb der Vorrichtung gehörenden Schritte umfassen, insbesondere sämtlich der hierin beschriebenen Schritte.Of course, the features of the previously described embodiments and aspects of the present invention may be combined. In particular, the device may be designed to carry out the methods described herein. Furthermore, the method may comprise all steps belonging to the operation of the device, in particular all of the steps described herein.

Figurenlistelist of figures

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen kennzeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Elemente.

1 ist eine schematische Zeichnung, die eine Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, bei der in einer dreiphasigen H-Brückenverschaltung ein Wicklungsstrang zwei in Reihe schaltbare Wicklungszweige aufweist.
2 ist eine schematische Zeichnung, die eine Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, bei der in einer dreiphasigen H-Brückenverschaltung ein Wicklungsstrang zwei Wicklungszweige aufweist, zwischen denen umgeschaltet werden kann.
3 ist eine schematische Zeichnung, die eine Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, bei der der Elektromotor dreiphasig mit Dreieckschaltung ausgeführt ist.
4 ist eine schematische Zeichnung, die eine Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, bei der der Elektromotor dreiphasig mit Dreieckschaltung ausgeführt ist und bei der zwischen Wicklungszweigen umgeschaltet werden kann.
5 ist eine schematische Zeichnung, die eine Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, bei der der Elektromotor dreiphasig mit Sternschaltung ausgeführt ist.
6 ist eine schematische Zeichnung, die eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, bei der der Elektromotor dreiphasig mit Sternschaltung ausgeführt ist.
7 ist eine schematische Zeichnung, die eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, bei der in einer H-Brückenverschaltung der Wicklungsstrang des Elektromotors drei Wicklungszweige aufweist, die in Reihe schaltbar sind.
8 ist eine schematische Zeichnung, die eine Schnittansicht einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, bei der der Elektromotor als Radialflussmaschine ausgestaltet ist, die Mehrfach-Statorwicklungen aufweist, die in Statornuten vorgesehen sind.
9A und 9B sind schematische Zeichnungen, die eine Schnittansicht einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen, bei der der Elektromotor als Transversalflussmaschine ausgestaltet ist, wobei Mehrfach-Statorwicklungen in einem von Statorjochen gebildeten Wicklungsraum vorgesehen sind.
10 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
11 ist ein Diagramm, das schematisch den Ablauf der Schaltprozesse in Abhängigkeit von der Statorspannung und Drehzahl des Elektromotors zeigt.

The invention will be explained in more detail with reference to the accompanying drawings. In the drawings, like reference characters designate the same or similar elements.

1 FIG. 12 is a schematic drawing showing an apparatus according to an embodiment of the present invention in which a three-phase H-bridge interconnection. FIG Winding line has two series-connected winding branches.
2 is a schematic drawing showing an apparatus according to an embodiment of the present invention, in which in a three-phase H-bridge interconnection, a winding strand has two winding branches, between which can be switched.
3 FIG. 12 is a schematic drawing showing an apparatus according to an embodiment of the present invention, in which the three-phase delta motor is embodied.
4 Fig. 12 is a schematic drawing showing an apparatus according to an embodiment of the present invention, in which the electric motor is three-phase delta-connected and in which it is possible to switch between winding branches.
5 Fig. 12 is a schematic drawing showing an apparatus according to an embodiment of the present invention, in which the three-phase electric motor is star-connected.
6 Fig. 12 is a schematic drawing showing another embodiment of the present invention in which the three-phase electric motor is star-connected.
7 is a schematic drawing showing an embodiment of the present invention, in which in an H-bridge interconnection of the winding strand of the electric motor has three winding branches, which are switchable in series.
8th Fig. 12 is a schematic drawing showing a sectional view of an embodiment of the present invention in which the electric motor is configured as a radial flux machine having multiple stator windings provided in stator slots.
9A and 9B 12 are schematic drawings showing a sectional view of an embodiment of the present invention in which the electric motor is configured as a transversal flux machine, wherein multiple stator windings are provided in a winding space formed by stator yokes.
10 FIG. 10 is a flow chart illustrating a method according to an embodiment of the present invention. FIG.
11 is a diagram showing schematically the sequence of switching processes as a function of the stator voltage and speed of the electric motor.

Beschreibung beispielhafter AusführungsformenDescription of exemplary embodiments

1 zeigt beispielhaft eine Vorrichtung 100, insbesondere ein elektrisches Getriebe, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 100 umfasst einen Elektromotor 160, insbesondere einen mit Wechselstrom betriebenen Motor, der im vorliegenden Beispiel als dreiphasiger Motor ausgebildet ist. Für jede Phase weist der Motor 160 einen Wicklungsstrang 110, 120, 130 (auch mit W1, W2, W3 bezeichnet) auf. Die Wicklungsstränge sind durch Anlegen einer entsprechenden Spannung bestrombar, durch Anschluss an eine entsprechende Stromversorgung, beispielsweise an ein (Bord-)Stromnetz oder an den Ausgang eines Umrichters. Jeder Wicklungsstrang besteht aus mehreren Wicklungsteilen bzw. Wicklungszweigen, wobei jeder Wicklungszweig eine oder mehrere Wicklungen aufweist. Ein Wicklungszweig stellt im Wesentlichen eine Spule dar mit einer entsprechenden Anzahl an Windungen. 1 shows an example of a device 100 , in particular an electric transmission, according to an embodiment of the present invention. The device 100 includes an electric motor 160 , In particular, an AC-powered motor, which is formed in the present example as a three-phase motor. For each phase, the engine points 160 a winding strand 110 . 120 . 130 (also called W1, W2, W3). The winding strands can be supplied with current by applying a corresponding voltage, by connection to an appropriate power supply, for example to a (on-board) power network or to the output of an inverter. Each winding strand consists of several winding parts or winding branches, each winding branch having one or more windings. A winding branch essentially represents a coil with a corresponding number of turns.

Im vorliegenden Beispiel sind ein erster Wicklungszweig 111 und ein zweiter Wicklungszweig 112 als Wicklungsteile des Wicklungsstrangs 110 vorgesehen. Wicklungszweig 111 hat eine geringere Anzahl an Wicklungen als Wicklungszweig 112, wobei bei anderen Ausführungsformen auch eine gleiche oder auch geringere Anzahl an Wicklungen vorgesehen sein kann, je nach Übersetzungsverhältnis. Wicklungszweige 111 und 112 sind in Reihe geschaltet, sodass bei Anlegen einer Spannung der Strom sämtliche Wicklungen des Wicklungsstrangs 110 durchläuft. Aufgrund der relativ hohen Wicklungszahl ist somit die Stromstärke relativ gering, wobei aufgrund der hohen Wicklungszahl hohe Anlaufmomente für das Anfahren des Elektromotors 160 erzeugt werden können.In the present example, a first winding branch 111 and a second winding branch 112 as winding parts of the winding strand 110 intended. winding branch 111 has a smaller number of windings than winding branch 112 In other embodiments, an equal or smaller number of windings may be provided, depending on the transmission ratio. winding branches 111 and 112 are connected in series, so that when applying a voltage, the current all windings of the winding strand 110 passes. Due to the relatively high number of windings thus the current is relatively low, due to the high number of turns high starting torques for starting the electric motor 160 can be generated.

Vorrichtung 100 weist des Weiteren den Schalter 141 auf, mit dem ein Wicklungszweig, hier der Wicklungszweig 112, elektrisch getrennt werden kann, wodurch die Anzahl der bestromten Wicklungen des Wicklungsstrangs 110 reduziert wird. Insbesondere wird durch Umschalten des Schalters 141 die Spannung direkt an den ersten Wicklungszweig 111 angelegt, sodass der zweite Wicklungszweig 112 stromfrei geschaltet wird. Somit kann die Zahl der bestromten Wicklungen deutlich reduziert werden.device 100 also has the switch 141 on, with a winding branch, here the winding branch 112 , can be electrically isolated, reducing the number of energized windings of the winding strand 110 is reduced. In particular, by switching the switch 141 the voltage directly to the first winding branch 111 created so that the second winding branch 112 is switched off. Thus, the number of energized windings can be significantly reduced.

Das Umschalten erfolgt dabei stufenweise, da eine bestimmte Anzahl an Wicklungen stromfrei geschaltet wird. Selbstverständlich können weitere Stufen vorgesehen werden, beispielsweise durch Hinzufügen weiterer Wicklungszweige, die auch als Ergänzungswicklungen bezeichnet werden können, sowie entsprechender Schalter. Dies ist nachfolgend mit Bezug auf 7 genauer beschrieben. Mit ansteigender Drehzahl des Elektromotors 160 wird die Anzahl der bestromten Wicklungen des Wicklungsstrangs 110 stufenweise reduziert, wobei jede Reduzierung dem Schalten in einen höheren Gang entspricht. Aus diesem Grund wird die vorliegende Vorrichtung auch als elektrisches Getriebe bezeichnet.The switching takes place stepwise, since a certain number of windings is switched without power. Of course, further stages may be provided, for example, by adding further winding branches, which may also be referred to as supplementary windings, and corresponding switches. This is below with reference to 7 described in more detail. With increasing speed of the electric motor 160 is the number of energized windings of winding phase 110 gradually reduced, with each reduction corresponding to shifting to a higher gear. For this reason, the present device is also referred to as an electric transmission.

Durch die geringere Anzahl an bestromten Wicklungen in den höheren Gängen können Leitungsverluste, insbesondere Kupferverluste minimiert werden. Weiterhin kann aufgrund der geringeren Wicklungszahlen die Quellenspannung niedrig gehalten werden. Somit können höhere Drehzahlen erreicht werden und der Drehzahlbereich des Elektromotors 160 kann erweitert werden.Due to the lower number of energized windings in the higher gears line losses, in particular copper losses can be minimized. Furthermore, due to the lower number of turns, the source voltage can be kept low. Thus, higher speeds can be achieved and the speed range of the electric motor 160 can be extended.

Die Wicklungsstränge 120, 130 für die weiteren Phasen des Elektromotors 160 können gleichermaßen ausgestaltet sein, und es sind entsprechende Schalter 142, 143 vorgesehen. Vorzugsweise haben sich entsprechende Wicklungszweige (z.B. 111, 121, 131) sich entsprechende Wicklungszahlen. Weiterhin werden die Wicklungszweige verschiedener Wicklungsstränge vorzugsweise zeitgleich geschaltet.The winding strands 120 . 130 for the further phases of the electric motor 160 may be equally configured, and they are corresponding switches 142 . 143 intended. Preferably, corresponding winding branches (eg 111, 121, 131) have corresponding winding numbers. Furthermore, the winding branches of different winding strands are preferably switched at the same time.

Schalter 141 ist in 1 als Umschalter dargestellt, der die Spannung zum Betreiben des Elektromotors 160 entweder an den zweiten Wicklungszweig 112 oder an den ersten Wicklungszweig 111 anlegt. Schalter 141 kann durch eine entsprechende Verschaltung von elektronischen Schaltern realisiert werden, wie beispielsweise von elektronischen Leistungshalbleitern, wie Triacs, Thyristoren, MOS-FETs, IGBTs, oder ähnlichen. Insbesondere sind diese als Wechselstromschalter oder AC-Schalter verschaltet, um ein entsprechendes elektronisches Relais oder beispielsweise einen Thyristorsteller auszubilden. Somit können hohe Wechselströme geschaltet werden, gemäß eines entsprechenden Steuersignals. Die Verschaltung kann beispielsweise auch dadurch erfolgen, dass ein elektronischer Schalter in der Zuleitung vom Umrichter 150 zum zweiten Wicklungszweig 112 und ein weiterer elektronischer Schalter in der Zuleitung zum ersten Wicklungszweig 111 vorgesehen ist, wobei entweder der erste oder der zweite elektronische Schalter geschlossen wird. Die Schalter 142, 143 können entsprechend ausgestaltet sein.counter 141 is in 1 shown as a changeover switch, the voltage for operating the electric motor 160 either to the second winding branch 112 or to the first winding branch 111 invests. counter 141 can be realized by an appropriate interconnection of electronic switches, such as electronic power semiconductors, such as triacs, thyristors, MOS-FETs, IGBTs, or the like. In particular, these are connected as AC switch or AC switch to form a corresponding electronic relay or, for example, a thyristor. Thus, high alternating currents can be switched according to a corresponding control signal. The interconnection can for example also take place in that an electronic switch in the supply line from the inverter 150 to the second winding branch 112 and another electronic switch in the supply line to the first winding branch 111 is provided, wherein either the first or the second electronic switch is closed. The switches 142 . 143 can be designed accordingly.

Die Vorrichtung 100 umfasst des Weiteren eine Steuereinrichtung 180, die die Schalter 141, 142, 143 steuert, beispielsweise durch Ausgabe eines entsprechenden Steuersignals. Das Steuersignal kann in Abhängigkeit von der angelegten (Stator-) Spannung bzw. der induzierten Quellenspannung erzeugt werden, oder in Abhängigkeit von der Drehzahl des Elektromotors 160. Steuereinrichtung 180 kann für diesen Zweck mit einer Steuereinheit des Umrichters 150 verbunden sein, oder kann Teil der Steuereinheit des Umrichters 150 sein. Steuereinrichtung 180 kann somit Information über die angelegte Spannung erhalten als auch eine Einstellung dieser Spannung vornehmen. Steuereinheit 180 kann die Drehzahl des Elektromotors 160 basierend auf einem vorgegebenen Drehzahlwert oder basierend auf beispielsweise der Frequenz eines pulsweitenmodulierten Signals des Umrichters 150 bestimmen (insbesondere bei einer Synchronmaschine), oder kann die Drehzahl von einem Drehzahlsensor erhalten, der Teil der Vorrichtung 100 sein kann.The device 100 further comprises a control device 180 that the switches 141 . 142 . 143 controls, for example, by outputting a corresponding control signal. The control signal can be generated as a function of the applied (stator) voltage or the induced source voltage, or in dependence on the rotational speed of the electric motor 160 , control device 180 can for this purpose with a control unit of the inverter 150 be connected, or may be part of the control unit of the inverter 150 his. control device 180 can thus receive information about the applied voltage as well as make an adjustment of this voltage. control unit 180 can the speed of the electric motor 160 based on a predetermined speed value or based on, for example, the frequency of a pulse width modulated signal of the inverter 150 determine (in particular in a synchronous machine), or the speed can be obtained from a speed sensor, the part of the device 100 can be.

Steuereinrichtung 180 ist insbesondere ausgestaltet, um die Wicklungszweige 112, 111 des Wicklungsstrangs 110 so zu schalten, dass mit höherer Drehzahl des Elektromotors 160 die Anzahl der bestromten Wicklungen reduziert wird. Steuereinheit 180 kann den Schalter 141 beispielsweise umschalten, wenn die an den Wicklungsstrang angelegte Spannung einen vorbestimmten Schwellwert erreicht, oder wenn die Motordrehzahl einen vorbestimmten Schwellwert erreicht, sodass der Wicklungszweig 112 stromfrei geschaltet wird und nur noch der Wicklungszweig 111 bestromt wird. Vorzugsweise schaltet die Steuereinrichtung 118 die Schalter 141, 142, 143 zeitgleich.control device 180 is particularly configured to the winding branches 112 . 111 of the winding strand 110 to switch so that with higher speed of the electric motor 160 the number of energized windings is reduced. control unit 180 can the switch 141 For example, switch when the voltage applied to the winding strand voltage reaches a predetermined threshold, or when the engine speed reaches a predetermined threshold, so that the winding branch 112 is switched off and only the winding branch 111 is energized. Preferably, the control device switches 118 the switches 141 . 142 . 143 contemporaneous.

Im Beispiel der 1 ist des Weiteren ein Umrichter 150 vorgesehen, mit dem die Frequenz der Spannung bzw. des Stroms eingestellt werden kann, mit dem der Elektromotor 160 betrieben wird. Der Umrichter 150 kann von einer Batterie, beispielsweise eines Elektrofahrzeuges, gespeist werden. Die Anschlüsse zum Bereitstellen der Versorgungsspannung für den Umrichter sowie Details des Umrichters sind in 1 nicht dargestellt; entsprechende Umrichter sind dem Fachmann bekannt und darum hier nicht weiter beschrieben. Umrichter 150 arbeitet insbesondere auf Basis der Pulsweitenmodulation (PWM) zum Bereitstellen eines entsprechenden Wechselstroms. Umrichter 150 kann Teil der Vorrichtung 100 sein. Insbesondere können die Schalter 141, 142, 143 in dem Umrichter 150 integriert sein, ebenso wie die Steuereinrichtung 180. Dies ist in 1 durch eine gepunktete Linie angedeutet. Bei anderen Ausführungsformen können die Steuereinrichtung 180 und/oder die Schalter 141, 142. 143 getrennt vom Umrichter 150 vorgesehen werden.In the example of 1 is furthermore an inverter 150 provided, with which the frequency of the voltage or the current can be adjusted, with which the electric motor 160 is operated. The inverter 150 can be powered by a battery, such as an electric vehicle. The connections for supplying the supply voltage for the inverter as well as details of the inverter are in 1 not shown; corresponding converters are known in the art and therefore not described here. inverter 150 works in particular on the basis of pulse width modulation (PWM) to provide a corresponding alternating current. inverter 150 can be part of the device 100 his. In particular, the switches can 141 . 142 . 143 in the inverter 150 be integrated, as well as the controller 180 , This is in 1 indicated by a dotted line. In other embodiments, the control device 180 and / or the switches 141 . 142 , 143 separated from the inverter 150 be provided.

Wicklungsstränge 110, 120, 130 sind Mehrfach-Statorwicklungen. Das Beispiel in 1 zeigt eine drei-Phasen-Transversalflussmaschine, bei der für jede Phase nur eine axiale Mehrfach-Statorwicklung vorgesehen ist. Diese sind als Statorscheiben axial nebeneinander angeordnet, was im Detail in 9A dargestellt ist. Der Umrichter 150 umfasst im Beispiel der 1 eine elektronische H-Brückenschaltung. 1 zeigt eine serielle Verschaltung der Wicklungszweige 112, 111, wobei zwischen zwei Gängen umgeschaltet werden kann (eine Stufe).windings 110 . 120 . 130 are multiple stator windings. The example in 1 shows a three-phase transversal flux machine in which only one axial multiple stator winding is provided for each phase. These are arranged as a stator axially adjacent to each other, which in detail in 9A is shown. The inverter 150 includes in the example of 1 an electronic H-bridge circuit. 1 shows a serial connection of the winding branches 112 . 111 , where you can switch between two gears (one step).

Bei Bezugszeichen SD1, SD2, SD3 zeigt 1 des Weiteren einen Überspannungsschutz, der beispielsweise mit Suppressor-Dioden, insbesondere Transient Absorption Zener-Dioden (TAZ-Diode) oder Transient Voltage Suppressor Dioden (TVS-Diode) implementiert werden kann. Diese Bauteile dienen dem Schutz elektronischer Schaltungen vor Spannungsimpulsen. Bei hohen Drehzahlen des Elektromotors 160 kann es zu hohen induzierten Spannungen in dem stromfreigeschalteten Wicklungszweig 112 kommen. 1 zeigt bi-direktional verschaltete TVS-Dioden, die in vorteilhafter Weise einen Überspannungsschutz für die Umschaltelektronik vor zu hohen induzierten Spannungen bereitstellen. Hohe induzierte Spannungen können ebenfalls durch Umschaltvorgänge und die Pulsweitenmodulation verursacht werden. With reference numerals SD1 . SD2 . SD3 shows 1 Furthermore, an overvoltage protection, which can be implemented, for example, with suppressor diodes, in particular transient absorption zener diodes (TAZ diode) or transient voltage suppressor diodes (TVS diode). These components are used to protect electronic circuits from voltage pulses. At high speeds of the electric motor 160 it can lead to high induced voltages in the current-switched winding branch 112 come. 1 shows bi-directionally switched TVS diodes, which advantageously provide overvoltage protection for the switching electronics from too high induced voltages. High induced voltages can also be caused by switching operations and pulse width modulation.

In 10 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, mit dem die Vorrichtung 100 der 1 betrieben werden kann. Zum Anfahren des Elektromotors 160 werden in Schritt 1 die Wicklungen des Elektromotors bestromt, insbesondere werden sämtliche Wicklungen des ersten, zweiten und dritten Wicklungsstrangs 110, 120, 130 bestromt. Dies kann durch ein entsprechendes Setzen der Schalter 141, 142, 143 mittels der Steuereinrichtung 180 sowie durch entsprechendes Ansteuern des Umrichters 150 erfolgen. Der Elektromotor 160 kann somit mit einer hohen Anzahl an bestromten Wicklungen angefahren werden, wodurch zum einen die Stromstärke reduziert ist und zum anderen aufgrund der hohen Wicklungszahl ein hohes Drehmoment erzeugt wird. Beim Anfahren erhöht sich die Drehzahl des Elektromotors (Schritt S2), bei einem gleichzeitigen Ansteigen der Quellenspannung. In Schritt S3 prüft Steuereinrichtung 180, ob ein Schwellwert erreicht wurde, beispielsweise ein Schwellwert der angelegten Spannung/Quellenspannung oder ein Schwellwert der Drehzahl. Sobald dieser Schwellwert erreicht ist schaltet die Steuereinrichtung 180 in die nächste Stufe bzw. in den nächst höheren Gang dadurch, dass die Anzahl der bestromten Wicklungen reduziert wird. Insbesondere schaltet die Steuereinrichtung 180 die Schalter 141, 142, 143 um, sodass die zweiten Wicklungszweige 112, 122, 132 elektrisch getrennt und somit stromfrei geschaltet werden, sodass nur noch die ersten Wicklungszweige 111, 121, 131 bestromt werden. Die Zahl der bestromten Wicklungen lässt sich damit deutlich reduzieren (Schritt S4). Mit dem Umschalten wird in Schritt S5 des Weiteren der Strom in den verbliebenen bestromten Wicklungen derart geregelt, dass das Drehmoment des Elektromotors beim Umschalten im Wesentlichen konstant bleibt. Somit lässt ein gleitendes und ruckelfreies Umschalten realisieren.In 10 FIG. 2 shows a flowchart of a method according to an embodiment of the present invention, with which the device 100 the 1 can be operated. To start the electric motor 160 be in step 1 the windings of the electric motor energized, in particular, all windings of the first, second and third winding strand 110 . 120 . 130 energized. This can be done by setting the switch accordingly 141 . 142 . 143 by means of the control device 180 and by appropriate control of the inverter 150 respectively. The electric motor 160 can thus be approached with a large number of energized windings, whereby on the one hand, the current is reduced and on the other hand, a high torque is generated due to the high number of turns. When starting, the speed of the electric motor increases (step S2 ), with a simultaneous increase in the source voltage. In step S3 checks control device 180 whether a threshold value has been reached, for example a threshold value of the applied voltage / source voltage or a threshold value of the rotational speed. Once this threshold is reached, the controller switches 180 in the next stage or in the next higher gear by the number of energized windings is reduced. In particular, the control device switches 180 the switches 141 . 142 . 143 around, so that the second winding branches 112 . 122 . 132 electrically disconnected and thus switched off, so that only the first winding branches 111 . 121 . 131 be energized. The number of energized windings can thus be significantly reduced (step S4 ). With the switching becomes in step S5 Furthermore, the current in the remaining energized windings regulated such that the torque of the electric motor during switching remains substantially constant. Thus, a smooth and smooth switching can be realized.

Ein entsprechendes Diagramm, das die angelegte Statorspannung über der Drehzahl des Motors darstellt, ist in 11 gezeigt. Wie dargestellt geht das Erhöhen der Drehzahl des Motors (X-Achse) mit einer Erhöhung der angelegten Spannung einher. Erreicht die Spannung den Schwellwert Umax 415, oder erreicht die Drehzahl den Schwellwert 451, so erfolgt das Umschalten mittels der Schalter 141, 142, 143 (Schaltpunkt 410). Die Steuereinrichtung 180 steuert dabei den Umrichter 150 derart an, dass die angelegte Spannung den Wert Umin erreicht. Durch das Bestromen einer geringeren Anzahl an Wicklungen reduzieren sich sowohl der ohmsche Widerstand als auch die induzierte Quellenspannung, sodass ein deutlich höherer Strom in den nun bestromten Wicklungen fließt. Die Spannung Umin ist so eingestellt, dass das Drehmoment des Elektromotors 160 nach dem Umschaltvorgang im Wesentlichen dem Drehmoment entspricht, das der Elektromotor vor dem Umschaltvorgang geliefert hat. Die Drehzahl des Elektromotors wird nun weiter erhöht (Schritt S6). Je nach Konfiguration kann die Erhöhung der Drehzahl bis zur Nenndrehzahl erfolgen, oder es können weitere Gänge vorgesehen sein, in die an weiteren Schaltpunkten geschaltet wird, wie dies in 10 und 11 dargestellt ist.A corresponding diagram representing the applied stator voltage versus the speed of the motor is shown in FIG 11 shown. As shown, increasing the speed of the motor (X-axis) is accompanied by an increase in the applied voltage. If the voltage reaches the threshold Umax 415 , or the speed reaches the threshold value 451 , so switching takes place by means of the switch 141 . 142 . 143 (Switching point 410 ). The control device 180 controls the inverter 150 such that the applied voltage reaches the value Umin. By energizing a smaller number of windings, both the ohmic resistance and the induced source voltage are reduced, so that a significantly higher current flows in the now energized windings. The voltage Umin is set to the torque of the electric motor 160 after the switching operation substantially corresponds to the torque that has supplied the electric motor before the switching operation. The speed of the electric motor is now further increased (step S6 ). Depending on the configuration, the speed can be increased up to the nominal speed, or further gears can be provided, which are switched to further switching points, as shown in FIG 10 and 11 is shown.

Steuereinrichtung 180 ist gleichermaßen derart ausgestaltet, dass bei einem Verringern der Drehzahl des Elektromotors 160 bei Erreichen entsprechender Schwellwerte (Umin 425 bzw. Drehzahlschwellwert 451, 452) in einen niedrigeren Gang geschaltet wird, d.h. die Anzahl der bestromten Wicklungen erhöht wird. Dies erfolgt analog durch Umschalten der Schalter 141, 142, 143. Entsprechende Schaltpunkte 420 sind in 11 dargestellt.control device 180 is equally designed such that when reducing the speed of the electric motor 160 upon reaching appropriate thresholds (Umin 425 or speed threshold 451 . 452 ) is switched to a lower gear, that is, the number of energized windings is increased. This is done analogously by switching the switch 141 . 142 . 143 , Corresponding switching points 420 are in 11 shown.

Die obigen Erklärungen sind gleichermaßen auf die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen anwendbar. Die weiteren hierin beschriebenen Ausführungsformen arbeiten nach demselben Prinzip, sodass nur die Unterschiede zur Ausführungsform der 1 dargestellt und erklärt sind.The above explanations are equally applicable to the embodiments described below. The other embodiments described herein operate on the same principle, so that only the differences from the embodiment of the 1 are shown and explained.

2 zeigt eine Ausführungsform der Vorrichtung 100, bei der der Elektromotor 160 ebenfalls als Dreiphasentransversalflussmaschine ausgestaltet ist, wobei die Vorrichtung 100 ein elektrisches Getriebe mit zwei Gängen ist. Die Wicklungsstränge 110, 120, 130 (Mehrfach-Statorwicklungen) weisen ebenfalls jeweils zwei Wicklungszweige auf. Im Unterschied zu 1 sind bei der Ausführungsform der 2 die Wicklungszweige jedoch nicht in Reihe geschaltet, sondern sind parallel geschaltet, sodass entweder der erste Wicklungszweig 111 oder der zweite Wicklungszweig 112 durch entsprechendes Umschalten mit Schalter 141 bestrombar ist. Das Reduzieren der bestromten Wicklungen, bzw. das Schalten in einen höheren Gang erfolgt dadurch, dass der zweite Wicklungszweig 112 mit einer höheren Anzahl an Wicklungen elektrisch getrennt bzw. stromfrei geschaltet wird, und dass der erste Wicklungszweig 111, der eine geringere Anzahl an Wicklungen aufweist, bestromt wird. Bei dieser Ausführungsform ist immer nur ein Wicklungszweig aktiv geschaltet, und alle anderen Wicklungszweige desselben Stator-Wicklungsstrangs sind stromlos geschaltet. 2 shows an embodiment of the device 100 in which the electric motor 160 is also designed as a three-phase transverse flux machine, wherein the device 100 is a two-speed electric transmission. The winding strands 110 . 120 . 130 (Multiple stator windings) also each have two winding branches. In contrast to 1 are in the embodiment of the 2 However, the winding branches are not connected in series, but are connected in parallel, so that either the first winding branch 111 or the second winding branch 112 by corresponding switching with switch 141 is currentable. The reduction of the current-carrying windings, or the switching to a higher gear takes place in that the second winding branch 112 is electrically isolated or de-energized with a higher number of windings, and that the first winding branch 111 , which has a smaller number of windings, is energized. In this embodiment, only one winding branch is always active, and all other winding branches of the same stator winding strand are de-energized.

Im Sinne einer übersichtlichen Darstellung ist in der 2 und den nachfolgenden Figuren die Steuereinheit 180 nicht gezeigt, sie ist jedoch vorhanden und kann wie in Bezug auf 1 beschrieben ausgestaltet sein.In the sense of a clear representation is in the 2 and the following figures, the control unit 180 not shown, but it is available and can be used in relation to 1 be designed described.

Die in 2 dargestellte Verschaltung der Wicklungszweige kann auch als Oder-Schaltung bezeichnet werden, da jeweils nur ein Wicklungszweig eines Wicklungsstrangs bestromt wird.In the 2 shown interconnection of the winding branches can also be referred to as OR circuit, since only one winding branch of a winding strand is energized.

3 zeigt eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der der Elektromotor 160 als dreiphasige Radialfluss- oder Transversalflussmaschine ausgestaltet ist, wobei die Wicklungsstränge in einer Dreieckschaltung verschaltet sind. Wie auch in der 1 sind die Wicklungszweige der Wicklungsstränge 110, 120, 130 in Reihe geschaltet (serielle Verschaltung). Im niedrigsten Gang des elektrischen Getriebes 100 werden somit sämtliche Wicklungszweige eines Wicklungsstrangs bestromt, wobei bei dem Schalten in einen höheren Gang jeweils ein Wicklungszweig stromlos geschaltet wird, sodass nur die noch verbliebenen Wicklungszweige der Reihenschaltung bestromt werden. 3 shows an embodiment of the present invention, in which the electric motor 160 is designed as a three-phase radial flux or transversal flux machine, wherein the winding strands are connected in a delta connection. As in the 1 are the winding branches of the winding strands 110 . 120 . 130 connected in series (serial connection). In the lowest gear of the electric transmission 100 Thus, all winding branches of a winding strand are energized, wherein when switching to a higher gear in each case a winding branch is de-energized, so that only the remaining winding branches of the series circuit are energized.

Die in 4 dargestellte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entspricht im Wesentlichen der Ausführungsform der 3, mit dem Unterschied, dass die Wicklungszweige eines Wicklungsstrangs mit einer Oder-Verschaltung verschaltet sind. Wie mit Bezug auf 2 beschrieben kann somit entweder der erste Wicklungszweig 111 oder der zweite Wicklungszweig 112 des Wicklungsstrangs 110 durch entsprechendes Umschalten mit dem Schalter 141 bestromt werden.In the 4 illustrated embodiment of the present invention substantially corresponds to the embodiment of 3 , with the difference that the winding branches of a winding strand are connected to an OR connection. As with respect to 2 Thus, either the first winding branch can be described 111 or the second winding branch 112 of the winding strand 110 by corresponding switching with the switch 141 be energized.

Die Ausführungsform der 5 entspricht im Wesentlichen der Ausführungsform der 3, wobei die Wicklungsstränge der Dreiphasenradialfluss- oder Transversalflussmaschine nicht in Dreieckschaltung sondern in Sternschaltung geschaltet sind. Die Wicklungszweige innerhalb eines Wicklungsstrangs sind wiederum seriell verschaltet, sodass durch Umschalten des Schalters 141 der Wicklungszweig 112 aus dem Wicklungsstrang 110 stromlos geschaltet wird.The embodiment of the 5 corresponds substantially to the embodiment of the 3 in which the winding phases of the three-phase radial flux or transversal flux machine are not connected in delta connection but in star connection. The winding branches within a winding strand are in turn connected in series, so by switching the switch 141 the winding branch 112 from the winding strand 110 is switched off.

Bei der in 6 gezeigten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Elektromotor 160 wiederum als Dreiphasenradialfluss- oder Transversalflussmaschine ausgestaltet. Die Wicklungsstränge sind in Sternschaltung verschaltet. Ähnlich wie in der 5 sind die Wicklungszweige innerhalb eines Wicklungsstrangs mit einer Oder-Schaltung verschaltet, sodass jeweils ein Wicklungszweig bestromt werden kann.At the in 6 shown embodiment of the present invention is the electric motor 160 again designed as a three-phase radial flux or transversal flux machine. The winding phases are connected in star connection. Similar in the 5 the winding branches are connected within a winding strand with an OR circuit, so that in each case a winding branch can be energized.

Die vorab beschriebenen Ausführungsformen weisen in jedem Wicklungsstrang jeweils zwei Wicklungszweige auf, sodass das entsprechende elektrische Getriebe zwei Gänge hat, d.h. zwischen zwei Wicklungszahlen umgeschaltet werden kann. Es ist selbstverständlich möglich, in jedem Wicklungsstrang weitere Wicklungszweige bzw. Ergänzungswicklungen vorzusehen, sodass die Anzahl der bestromten Wicklungen über einen größeren Bereich änderbar ist, und damit zusätzliche Gänge vorhanden sind. Es können beispielsweise zwischen zwei und zehn, vorzugsweise zwischen zwei und fünf Wicklungszweige pro Wicklungsstrang vorgesehen werden. Diese können ähnliche oder verschiedene Wicklungszahlen aufweisen, wobei bei einer Oder-Verschaltung der Wicklungszweige jeder Wicklungszweig vorzugsweise eine andere Wicklungszahl aufweist. Selbstverständlich ist es auch denkbar, serielle Verschaltung und Oder-Verschaltung zu mischen, sodass beispielsweise mit drei Wicklungszweigen mehr als drei Gänge implementiert werden können. Jeder Wicklungszweig kann beispielsweise einen Gang bereitstellen, wobei weitere Gänge durch serielles Verschalten von zwei oder drei Wicklungszweigen implementiert werden können. Die Anzahl der bestromten Wicklungen lässt sich somit in einem relativ großen Bereich variieren.The embodiments described above each have two winding branches in each winding strand, so that the corresponding electrical transmission has two turns, i. can be switched between two numbers of turns. It is of course possible to provide in each winding strand further winding branches or supplementary windings, so that the number of energized windings can be changed over a larger range, and thus additional courses are available. For example, between two and ten, preferably between two and five winding branches per winding strand can be provided. These may have similar or different numbers of turns, wherein in an OR connection of the winding branches each winding branch preferably has a different number of turns. Of course, it is also conceivable to mix serial interconnection and OR interconnection, so that, for example, with three winding branches more than three courses can be implemented. For example, each winding branch may provide a gear, where further gears may be implemented by serially interconnecting two or three winding branches. The number of energized windings can thus vary within a relatively wide range.

7 zeigt beispielhaft eine Implementierung mit drei seriell geschalteten Wicklungszweigen je Wicklungsstrang, basierend auf der Ausführungsform der 1. 7 shows by way of example an implementation with three series-connected winding branches per winding strand, based on the embodiment of the 1 ,

Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist nur ein Wicklungsstrang 110 dargestellt. Die drei Wicklungszweige 111, 112, 113 sind in Reihe geschaltet. Mittels des Dreifachumschalters 145 lassen sich in einer ersten Schalterstellung alle drei in Reihe geschalteten Wicklungszweige bestromen. In einer zweiten Schalterstellung werden nur der erste und der zweite Wicklungszweig 111, 112 bestromt. In einer dritten Schalterstellung wird nur der erste Wicklungszweig 111 bestromt. Es kann somit eine effektive Reduzierung der bestromten Wicklungen über einen relativ großen Bereich von Wicklungszahlen erfolgen.For reasons of clarity, there is only one winding strand 110 shown. The three winding branches 111 . 112 . 113 are connected in series. By means of the triple switch 145 can be energized in a first switch position all three series winding branches. In a second switch position, only the first and the second winding branch 111 . 112 energized. In a third switch position, only the first winding branch 111 energized. Thus, there can be an effective reduction of the energized windings over a relatively large range of numbers of turns.

Der Schalter 145 ist mit einer Stromversorgung zum Betreiben des Elektromotors 160 verbunden, insbesondere mit dem Ausgang des Umrichters 150. Schalter 145 ist des Weiteren mit einem Ende des ersten Wicklungszweigs 111, einem Ende des zweiten Wicklungszweigs 112 und einem Ende des dritten Wicklungszweigs 113 verbunden. Schalter 145 ist schaltbar, um die Stromversorgung mit einem der Enden des ersten, zweiten oder dritten Wicklungszweiges zu verbinden. Schalter 145 kann beispielsweise als elektronischer Schalter ausgestaltet sein. Insbesondere kann Schalter 145 dadurch implementiert werden, dass ein elektronischer Schalter jeweils in einer Verbindung des Endes des ersten, zweiten und dritten Wicklungszweigs mit dem Ausgang des Umrichters 150 vorgesehen ist. Schalter 145 kann in dem Umrichter 150 integriert sein.The desk 145 is with a power supply to operate the electric motor 160 connected, in particular with the output of the inverter 150 , counter 145 is further connected to one end of the first winding branch 111 , one end of the second winding branch 112 and one end of the third winding branch 113 connected. counter 145 is switchable to the power supply with one of the ends of the first, second or third Connecting winding branches. counter 145 can be configured for example as an electronic switch. In particular, switch can 145 be implemented by an electronic switch in each case in a connection of the end of the first, second and third winding branch to the output of the inverter 150 is provided. counter 145 can in the inverter 150 be integrated.

Durch Hinzufügen weiterer Wicklungszweige können weitere Gänge implementiert werden. Analog können bei einer Oder-Verschaltung durch Hinzufügen weiterer Wicklungszweige mit verschiedenen Wicklungszahlen ein oder mehrere weitere Gänge hinzugefügt werden. Entsprechende zusätzliche Wicklungszweige und somit Gänge können in jeder der vorab beschriebenen Ausführungsformen implementiert werden.By adding further winding branches further courses can be implemented. Analogously, one or more further gears can be added in an OR connection by adding further winding branches with different winding numbers. Corresponding additional winding branches and thus gears can be implemented in any of the previously described embodiments.

8 zeigt schematisch und beispielhaft, wie die Wicklungszweige eines Wicklungsstrangs bei einer Radialflussmaschine installiert werden können. 8 zeigt einen Stator 200 mit Statornuten 210, die einen Wickelraum bereitstellen. In diesem sind die Wicklungszweige 111 und 112 eines Wicklungsstrangs 110 untergebracht. Im vorliegenden Beispiel sind die Wicklungen des zweiten Wicklungszweigs 112 über den Wicklungen des ersten Wicklungszweigs 111 angeordnet. Andere Anordnungen, wie beispielsweise eine Anordnung nebeneinander sind ebenfalls denkbar. Auch ist es möglich, mehr als zwei Wicklungszweige in dem Wickelraum der Statornut unterzubringen. 8th shows schematically and exemplarily how the winding branches of a winding strand can be installed in a radial flux machine. 8th shows a stator 200 with stator slots 210 that provide a changing room. In this are the winding branches 111 and 112 a winding strand 110 accommodated. In the present example, the windings of the second winding branch 112 over the windings of the first winding branch 111 arranged. Other arrangements, such as an arrangement next to each other are also conceivable. It is also possible to accommodate more than two winding branches in the winding space of the stator.

9A und 9B zeigen die Installation von Mehrfach-Statorwicklungen in einer Transversalflussmaschine. Bei dreiphasiger Ausführung weist die Transversalflussmaschine drei Statorscheiben 301, 302, 303 auf, die axial nebeneinander angeordnet sind. Jede Statorscheibe weist einen Wicklungsstrang 110 (bzw. 120, 130) auf, der bei Ausführungen mit zwei Gängen einen ersten Wicklungszweig 111 und einen zweiten Wicklungszweig 112 aufweist. Diese Mehrfach-Statorwicklungen sind in einem Wicklungsraum 310 untergebracht, der von Statorjochen 330 bereitgestellt wird. Statorjoche 330 sind derart ausgebildet, dass sie in Umfangrichtung der Statorscheibe 301 aufeinanderfolgende magnetische Pole umgekehrter Polarität ausbilden, wenn der Wicklungsstrang 110 bestromt wird. Diese werden auch als Zähne 300 bezeichnet. Rotor 305 ist mit Magneten 320 versehen, sodass durch eine wechselnde Polarität der Statorjoche 330 der Rotor 305 aufgrund der wechselnden Magnetfelder angetrieben wird. Bezugszeichen 165 kennzeichnet die Motorachse, und Bezugszeichen 360 kennzeichnet einen Luftspalt zwischen den Magneten 320 des Rotors 305 und den Statorjochen 330. Im Wickelraum 310 des Stators sind im Beispiel der 9A der erste Wicklungszweig 111 und der zweite Wicklungszweig 112 nebeneinander angeordnet. 9A and 9B show the installation of multiple stator windings in a transverse flux machine. In a three-phase version, the transversal flux machine has three stator disks 301 . 302 . 303 on, which are arranged axially adjacent to each other. Each stator disc has a winding strand 110 (or 120, 130), in the case of two-speed versions, a first winding branch 111 and a second winding branch 112 having. These multiple stator windings are in a winding space 310 housed by Statorjochen 330 provided. stator yokes 330 are formed such that they are in the circumferential direction of the stator 301 forming successive magnetic poles of opposite polarity when the winding strand 110 is energized. These are also called teeth 300 designated. rotor 305 is with magnets 320 provided by an alternating polarity of the stator yokes 330 the rotor 305 due to the alternating magnetic fields is driven. reference numeral 165 indicates the motor axis, and reference numerals 360 indicates an air gap between the magnets 320 of the rotor 305 and the stator yokes 330 , In the changing room 310 of the stator are in the example of 9A the first winding branch 111 and the second winding branch 112 arranged side by side.

Im Beispiel der 9B sind der erste Wicklungszweig 111 und der zweite Wicklungszweig 112 übereinander gewickelt. Es ist selbstverständlich möglich, weitere Wicklungszweige vorzusehen.In the example of 9B are the first winding branch 111 and the second winding branch 112 wrapped over each other. It is of course possible to provide further winding branches.

Die Transversalflussmaschine kann insbesondere wie in der Druckschrift DE 10 2010 054 847 A1 oder in der Druckschrift EP 1 708 338 B1 beschrieben ausgestaltet sein.The transverse flux machine can in particular as in the publication DE 10 2010 054 847 A1 or in the publication EP 1 708 338 B1 be designed described.

Im Allgemeinen können im Stator einer elektrischen Maschine die Statorwicklungen durch eine entsprechende Mehrfach-Statorwicklung ersetzt werden, indem man die Statorwicklungen mechanisch in die gewünschte Anzahl Statorwicklungszweige gemäß der Gangzahl aufteilt. Die Statorwicklungszweige können nebeneinander oder übereinander im Wickelraum angeordnet werden und können entsprechend der Vorgaben des jeweiligen Motortyps verschaltet werden. Bei einer seriellen Verschaltung der Wicklungszweige können Abzweigungen an den Wicklungen geschaffen werden. Insbesondere bei gleichen Draht- oder Litzenquerschnitten der Wicklungen ist diese Methode von Vorteil.In general, in the stator of an electric machine, the stator windings can be replaced by a corresponding multiple stator winding by mechanically dividing the stator windings into the desired number of stator winding branches according to the number of turns. The stator winding branches can be arranged side by side or one above the other in the winding space and can be interconnected in accordance with the specifications of the respective motor type. In a series connection of the winding branches branches at the windings can be created. Especially with the same wire or strand cross sections of the windings, this method is advantageous.

Bei anderen Ausführungsformen ist es ebenfalls möglich, dass die Wicklungszweige eines Wicklungsstrangs verschiedene Leiterquerschnitte aufweisen. Insbesondere können Wicklungszweige mit geringen Wicklungszahlen höhere Leiterquerschnitte aufweisen als Wicklungszweige mit hohen Wicklungszahlen. Somit kann einerseits sichergestellt werden, dass die Wicklungszweige für die entsprechenden Stromstärken ausgelegt sind, zum anderen kann eine platzsparende Implementierung des entsprechenden Wicklungsstrangs erreicht werden.In other embodiments, it is also possible that the winding branches of a winding strand have different conductor cross sections. In particular, winding branches with small numbers of turns can have higher conductor cross sections than winding branches with high numbers of turns. Thus, on the one hand, it can be ensured that the winding branches are designed for the corresponding current intensities; on the other hand, a space-saving implementation of the corresponding winding phase can be achieved.

Die bereits vorab erwähnte 10 zeigt ein Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens, das mit einer der Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung durchgeführt werden kann. Insbesondere ist das Verfahren gleichermaßen mit Wicklungszweigen durchführbar, die in Reihe geschaltet sind oder die in einer „Oder-Verschaltung“ geschaltet sind. Bei der in 10 dargestellten Ausführungsform des Verfahrens erfolgt ein Hochschalten in einen nächst höheren Gang an zwei Schaltpunkten, entsprechend dem in 11 dargestellten Diagramm. Das Schalten zwischen drei Gängen an zwei Schaltpunkten lässt sich beispielsweise mit der in 7 dargestellten Reihenschaltung von drei Wicklungszweigen pro Wicklungsstrang implementieren, oder mit einer Oder-Verschaltung von drei Wicklungszweigen. Bei einem Anfahren im ersten Gang (Schritt S1) erhöht sich die Drehzahl des Elektromotors (Schritt S2), bis der erste Schaltpunkt 420 erreicht wird, was in Schritt S3 durch Vergleichen der Statorspannung oder Motordrehzahl mit einem ersten Schwellwert 1 festgestellt wird. Wie in 11 dargestellt sind bei serieller Verschaltung beispielsweise die in 7 gezeigten Wicklungszweige W1a, W1b und Wie bestromt, oder in einer separaten Verschaltung ist ein Wicklungszweig Wie mit einer erhöhten Anzahl an Wicklungen bestromt. Erreicht die Statorspannung den Schwellwert Umax 415 oder erreicht die Drehzahl den Schwellwert 451, so wird mittels der elektrischen Schalter der Wicklungszweig Wie elektrisch getrennt und stromfrei geschaltet, sodass bei serieller Schaltung nur noch die Wicklungszweige W1a und W1b bestromt sind. Bei Oder-Verschaltung wird nun der Wicklungszweig W1b separat bestromt. Die Statorspannung wird nach dem Schaltvorgang auf Umin reduziert, sodass aufgrund des höheren Stroms in der reduzierten Anzahl an bestromten Wicklungen das im Wesentlichen gleiche Drehmoment des Motors erzielt wird wie vor dem Schaltvorgang (Schritt S5). Es wird somit ein ruckelfreies und gleitendes Umschalten ermöglicht.The already mentioned above 10 shows a flowchart of a method according to the invention, which can be carried out with one of the embodiments of the device according to the invention. In particular, the method is equally feasible with winding branches, which are connected in series or which are connected in an "OR-connection". At the in 10 illustrated embodiment of the method, an upshift takes place in a next higher gear at two switching points, according to the in 11 illustrated diagram. The switching between three gears at two switching points can be, for example, with the in 7 implement illustrated series connection of three winding branches per winding strand, or with an OR connection of three winding branches. When starting in first gear (step S1 ) increases the speed of the electric motor (step S2 ) until the first switching point 420 what is achieved in step S3 by Compare the stator voltage or motor speed with a first threshold 1 is detected. As in 11 are shown in serial connection, for example, in 7 shown winding branches W1a, W1b and How energized, or in a separate interconnection a winding branch is energized as with an increased number of windings. If the stator voltage reaches the threshold Umax 415 or the speed reaches the threshold value 451 , Thus, by means of the electrical switch, the winding branch How electrically disconnected and de-energized, so that only the winding branches W1a and W1b are energized in serial circuit. In the case of an OR connection, the winding branch W1b is now energized separately. The stator voltage is reduced to Umin after the switching operation, so that due to the higher current in the reduced number of energized windings, the substantially same torque of the motor is achieved as before the switching operation (step S5 ). It is thus possible a smooth and smooth switching.

Wie in 11 dargestellt steigt die Drehzahl des Elektromotors und auch die Statorspannung weiter an (aufgrund der verringerten Anzahl an Wicklungen mit verringerter Steigung) (Schritt S6). Dies erfolgt solange, bis ein zweiter Schwellwert 2 erreicht wird (Schritt S7), beispielsweise bis die Statorspannung wieder auf den Schwellwert Umax 415 steigt, oder bis die Drehzahl einen zweiten Schwellwert 452 (Schaltdrehzahl) erreicht. Ähnlich wie in Schritten S4 und S5 wird nun in Schritt S8 die Anzahl der bestromten Wicklungen reduziert und gleichermaßen die Statorspannung reduziert, so dass das Drehmoment des Motors im Wesentlichen konstant bleibt (Schritt S8). Bei serieller Verschaltung wird nun der Wicklungszweig W1b stromfrei geschaltet, sodass nur noch der Wicklungszweig W1a bestromt ist. Gleichermaßen wird bei „Oder-Verschaltung“ der Wicklungszweig W1b stromfrei geschaltet, und der Wicklungszweig W1a mit einer geringeren Anzahl an Wicklungen wird bestromt. Die Drehzahl des Elektromotors erhöht sich nachfolgend auf die Nenndrehzahl 455 (Schritt S9), wie dies in 11 veranschaulicht ist.As in 11 3, the rotational speed of the electric motor and also the stator voltage continue to rise (due to the reduced number of turns with reduced slope) (step S6 ). This takes place until a second threshold 2 is achieved (step S7 ), for example, until the stator voltage back to the threshold Umax 415 increases, or until the speed reaches a second threshold 452 (Switching speed) reached. Similar in steps S4 and S5 will now be in step S8 reduces the number of windings energized and likewise reduces the stator voltage so that the torque of the motor remains substantially constant (step S8 ). In the case of a serial connection, the winding branch W1b is now switched off, so that only the winding branch W1a is energized. Likewise, in the case of "or-connection", the winding branch W1b is deenergized, and the winding branch W1a with a smaller number of windings is energized. The speed of the electric motor increases subsequently to the rated speed 455 (Step S9 ), as in 11 is illustrated.

Mit dem Verfahren und der Vorrichtung 100 lässt sich eine deutlich höhere Nenndrehzahl ohne Feldschwächung erreichen, als das mit herkömmlichen Motoren möglich ist. Bei diesen wird aufgrund der höheren Quellenspannung nur eine niedrigere Nenndrehzahl erreicht, und es tritt eine Feldschwächung bei höheren Drehzahlen auf (siehe gestrichelte Linie), was zu einem verminderten Drehmoment führt. Mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung lässt sich im Gegensatz dazu das Drehzahlband des Elektromotors ohne Feldschwächung erweitern (im Beispiel der 11 bis zur Nenndrehzahl 455).With the method and the device 100 can achieve a much higher rated speed without field weakening, as is possible with conventional motors. In these, due to the higher source voltage, only a lower rated speed is achieved, and field weakening occurs at higher speeds (see dashed line), resulting in reduced torque. With embodiments of the present invention, in contrast, the speed band of the electric motor can be expanded without field weakening (in the example of FIG 11 up to the rated speed 455 ).

Beim Verfahren der 10 können selbstverständlich weitere Schaltpunkte vorgesehen werden, z.B. zum weiteren Ausdehnen der Nenndrehzahl des Elektromotors, oder um die maximal notwendige Stromstärke weiter zu reduzieren. Auch sollte klar sein, dass die Schwellwerte für die Statorspannung an den verschiedenen Schaltpunkten verschieden sein können.In the process of 10 Of course, further switching points can be provided, for example, to further expand the rated speed of the electric motor, or to further reduce the maximum current required. It should also be understood that the threshold values for the stator voltage may be different at the different switching points.

Das Verfahren lässt sich gleichermaßen zum Reduzieren der Drehzahl des Motors einsetzen. Dabei wird überprüft, ob die Statorspannung einen unteren Schwellwert Umin 425 erreicht, oder ob die Drehzahl eine Schaltdrehzahl 452 erreicht. Das Herunterschalten erfolgt dann dadurch, dass eine größere Anzahl an Wicklungen bestromt wird, beispielsweise durch Zuschalten der Wicklung bzw. Spule W1b, oder durch Umschalten von der Wicklung W1a auf W1b. Zum Konstanthalten des Drehmoments des Motors wird nach dem Umschalten die Statorspannung zum Bestromen der Wicklungen entsprechend erhöht. Bei Erreichen des Schwellwerts 451 (Schaltdrehzahl 1) der Motordrehzahl oder bei einem wiederholten Erreichen der unteren Schaltschwelle Umin 425 der Statorspannung wird in den ersten Gang heruntergeschaltet, insbesondere durch Zuschalten des Wicklungszweigs W1c oder durch Umschalten auf den Wicklungszweig Wie mit einer höheren Anzahl an Wicklungen. Es kann somit sichergestellt werden, dass auch beim Herunterfahren des Elektromotors die maximal auftretenden Stromstärken begrenzt sind, und dass auch in unteren Drehzahlbereichen ein hohes Drehmoment zur Verfügung steht.The method can equally be used to reduce the speed of the engine. It is checked whether the stator voltage a lower threshold Umin 425 reached, or whether the speed is a switching speed 452 reached. The downshift then takes place in that a larger number of windings is energized, for example by connecting the winding or coil W1b, or by switching from the winding W1a to W1b. To keep the torque of the motor constant, the stator voltage for energizing the windings is correspondingly increased after switching. When the threshold is reached 451 (Switching speed 1 ) of the engine speed or at a repeated reaching the lower threshold Umin 425 the stator voltage is switched down to the first speed, in particular by connecting the winding branch W1c or by switching to the winding branch as with a higher number of windings. It can thus be ensured that even when shutting down the electric motor, the maximum occurring currents are limited, and that even in low speed ranges, a high torque is available.

Nachfolgend sind weitere Merkmale der hier offenbarten Ausführungsformen beschrieben.Hereinafter, further features of the embodiments disclosed herein are described.

Bei Ausführungsformen der Erfindung handelt es sich um ein elektrisches Getriebe, welches durch den Einsatz von drehzahlabhängig aber beliebig geschalteten Mehrfach-Statorwicklungen das Problem des eingeschränkten Drehzahlbereichs löst. Um in den unteren Drehzahlbereichen, als auch in der Startphase, des Elektromotors mehr Statorwindungen zur Verfügung zu haben und damit mit weniger Strom mehr Drehmoment erzeugen zu können, gleichzeitig aber in Arbeitsbereichen, also bei Drehzahlen von z.B. 100 U/min und darüber, mit geringen Windungszahlen die Quellenspannung wieder niedrig zu halten und gleichzeitig die Kupferverluste zu minimieren, werden die Statorwicklungen durch Mehrfach-Statorwicklungen (z.B. durch einen Wicklungsstrang mit mehreren Wicklungszweigen bzw. Wicklungsteilen) ersetzt, bei denen die jeweiligen Statorwicklungsstränge mit unterschiedlichen Windungszahlen versehen sind, z.B. um Faktor 3 bis 15. Die Anzahl der geschalteten Statorwicklungszweige, also die Anzahl der Gänge, ist dabei beliebig. Vorteilhaft sind 2 oder 3 Schaltpunkte.In embodiments of the invention is an electrical transmission, which solves the problem of limited speed range through the use of speed-dependent but arbitrarily connected multiple stator windings. In order to have more stator windings available in the lower speed ranges, as well as in the starting phase, of the electric motor and thus to produce more torque with less power, but at the same time in working areas, ie at speeds of eg 100 U / min and above, with low Winding numbers to keep the source voltage low again and at the same time to minimize the copper losses, the stator windings are replaced by multiple stator windings (eg by a winding train with multiple winding branches or winding parts) in which the respective Statorwicklungsstränge are provided with different numbers of turns, for example by factor 3 to 15 , The number of switched Statorwicklungszweige, ie the number of gears, is arbitrary. Advantageously, 2 or 3 switching points.

Diese einzelnen Statorwicklungszweige der Mehrfach-Statorwicklungen werden dabei, mittels elektronischer Schalter, so geschaltet, dass die jeweilige Wicklungszahl der bestromten Wicklungen einer Mehrfach-Statorwicklung mit der ansteigenden Drehzahl stufenweise reduziert wird. Es wird damit gewechselt von höherzahligen (bestromten) Statorwicklungen auf niedrigzahligere (bestromte) Statorwicklungen. Die niedrigste Windungszahl wird dabei eingesetzt, um die Nenndrehzahl des Elektromotors zu erreichen. These individual Statorwicklungszweige the multiple stator windings are connected by means of electronic switches, so that the respective number of turns of the energized windings of a multiple stator winding is gradually reduced with increasing speed. It is thus changed from higher-powered (current-supplied) stator windings to lower-order (energized) stator windings. The lowest number of turns is used to achieve the rated speed of the electric motor.

Die entsprechenden elektronischen Wechselstrom (AC)-Schalter aktivieren dabei den jeweilig gewünschten Mehrfach-Statorwicklungszweig, in der jeweilig zugeordneten Schaltphase. Die einzelnen Wicklungsteile können dabei in Serie geschaltet werden um eine höhere Windungszahl für einen niedrigeren Gang zu erreichen (serielles E-Getriebe) oder können separat geschalteten Wicklungsteile (Oder-geschaltetes E-Getriebe) sein, wie in 2, 4 und 6 dargestellt, z.B. bei unterschiedlichen Leiterquerschnitten. Nach Erreichen einer definierten Drehzahl, also Erreichen des Schwellwerts, beispielsweise definiert durch das Erreichen von Umax durch die Quellenspannung (11), wird dieser AC-Schalter inaktiv. Der entsprechende elektronische AC-Schalter aktiviert dabei den jeweilig gewünschten Mehrfach-Statorwicklungszweig, bei steigender Drehzahl mit geringerer Windungszahl. Bei Reduzierung der Drehzahl verläuft das Schaltschema in umgekehrter Richtung. In diesem Fall ist Umin vorzugsweise die Schaltschwelle, um auf einen Mehrfach-Statorwicklungszweig mit höherer Windungszahl umzuschalten. Dies erfolgt vorzugsweise vollautomatisch, durch eine dafür ausgelegte Software-gesteuerte Elektronik im Umrichter, die in Steuereinrichtung 180 implementiert sein kann. Die Schaltschwellwerte als auch die Schaltdrehzahlen können dabei beliebig sein.The corresponding electronic alternating current (AC) switches in this case activate the respectively desired multiple stator winding branch, in the respectively assigned switching phase. The individual winding parts can be connected in series to achieve a higher number of turns for a lower gear (serial E-transmission) or can be separately connected winding parts (OR-switched E-transmission), as in 2 . 4 and 6 shown, eg with different conductor cross sections. After reaching a defined speed, ie reaching the threshold, for example defined by the reaching of Umax by the source voltage ( 11 ), this AC switch becomes inactive. The corresponding electronic AC switch activates the respectively desired multiple stator winding branch, with increasing speed with a smaller number of turns. When the speed is reduced, the circuit diagram runs in the reverse direction. In this case, Umin is preferably the switching threshold to switch to a multiple stator winding branch with a higher number of turns. This is preferably done fully automatically, by a dedicated software-controlled electronics in the inverter in the control device 180 can be implemented. The switching thresholds as well as the switching speeds can be arbitrary.

Bei herkömmlichen Verfahren wird eine Drehzahlerweiterung durch Feldschwächung oder Phasenschieben erreicht. Durch ein elektrisches Getriebe gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist dies nicht mehr zwingend erforderlich, wodurch damit ausgestattete Elektromaschinen im höheren Drehzahlbereich deutlich effizienter arbeiten können.In conventional methods, a speed increase is achieved by field weakening or phase shifting. By an electric transmission according to an embodiment of the invention, this is no longer mandatory, which thus equipped electric machines can work much more efficient in the higher speed range.

Da bei hohen Zahnzahlen der Kupfereintrag für den Arbeitsbereich, durch die geringe Windungszahl, sehr gering sein kann ist auch sehr wenig Wickelraum erforderlich. Die weiteren Wicklungen der zusätzlichen Wicklungszweige können damit den Wickelraum einnehmen, der erforderlich wäre, wenn man für eine Einfachwicklung den Querschnitt der Statorwicklungen für hohe Startmomente ausgelegt. Es wird somit kein zusätzlicher Wickelraum benötigt.Since with high numbers of teeth, the copper input for the work area, by the low number of turns, can be very low and very little changing room is required. The additional windings of the additional winding branches can thus take up the winding space that would be required if, for a single winding, the cross section of the stator windings was designed for high starting torques. There is thus no additional winding space needed.

Für jeden Statorwicklungsstrang kann die gleiche Anzahl an Ergänzugswicklungen (d.h. an zusätzlichen Wicklungsteilen bzw. - zweigen) vorgesehen werden, gemäß der vorgesehenen Anzahl an zu schaltenden Gängen. Damit ist gemeint, dass jede Phase des Elektromotors durch weitere schaltbare Statorwicklungszweige erweitert wird. Bei Zweiphasensystemen und zwei Gängen sind das zwei Mehrfach-Statorwicklungen mit jeweils 2 Wicklungszweigen. Bei Dreiphasensystemen und zwei Gängen sind das drei Mehrfach-Statorwicklungen mit jeweils 2 Wicklungszweigen. Bei Vierphasensystemen und drei Gängen sind das vier Mehrfach-Statorwicklungen mit jeweils 3 Wicklungszweigen, usw.. Besonders einfach lässt sich dies bei Transversalflußmaschinen (TFM) realisieren, da diese Maschine in jedem Stator nur eine axiale Statorwicklung aufweist. Zudem können für diese Elektromotorentechnologie SMC-Materialien (Soft-Magnetic-Components) eingesetzt werden, wodurch der Einsatz von hohen Polzahlen besonders geeignet erscheint. For each stator winding string, the same number of make-up windings (i.e., additional winding parts or branches) may be provided according to the intended number of gears to be shifted. By this is meant that each phase of the electric motor is extended by further switchable Statorwicklungszweige. For two-phase systems and two gears, these are two multiple stator windings with two winding branches each. For three-phase systems and two gears, these are three multiple stator windings with two winding branches each. In four-phase systems and three gears, these are four multiple stator windings, each with 3 winding branches, etc. This is particularly easy to achieve with transverse flux machines (TFM), since this machine has only one axial stator winding in each stator. In addition, SMC materials (soft magnetic components) can be used for this electric motor technology, whereby the use of high numbers of poles seems particularly suitable.

Deshalb sind die Mehrfach-Statorwicklungen gerade hier von großem Vorteil. Die Mehrfach-Statorwicklungen eignen sich allerdings auch für andere Elektromotoren, insbesondere Permanentmagnet (PM)-Maschinen, z.B. für häufig verwendete Nutenmaschinen, insbesondere wenn diese durch den Einsatz von Hochfrequenzblechen oder SMC für höhere Polwechselfrequenzen einsetzbar sind. Neben der PM-Maschine können Ausführungsformen der Erfindung auch mit Synchronmaschinen mit Rotorfremderregung implementiert werden. Hierbei kann eine induktive Koppelung vom Umrichter zum Rotor erfolgen. Im Rotor findet hierbei dann nachträglich die Gleichrichtung statt.Therefore, the multiple stator windings are of great advantage here. However, the multiple stator windings are also suitable for other electric motors, in particular permanent magnet (PM) machines, e.g. for frequently used slot machines, especially if they can be used by the use of high frequency plates or SMC for higher pole change frequencies. In addition to the PM machine, embodiments of the invention can also be implemented with synchronous machines with rotor external excitation. This can be an inductive coupling from the inverter to the rotor. The rectification then takes place subsequently in the rotor.

Für den Wechselvorgang von Hilfs- auf die Basiswicklungen (d.h. für das Schalten der Wicklungsteile bzw. -zweige) ist neben dem Umrichter eine eigene Umschaltelektronik (Steuereinrichtung 180) vorgesehen. Diese kann in den Umrichter 150 integriert werden. Zur Umschaltung der Mehrfach-Statorwicklungszweige kommen geeignete elektronische Leistungshalbleiter zum Einsatz, wie z.B. Triacs, Tyristoren, MOS-FETs, IGBTs, usw., verschaltet zu Solid-State Relais oder Solid-State Thyristorstellern, oder einfacher gesagt elektronische AC-Schalter, welche hohe Wechselströme schalten können und von einer entsprechenden Steuerlogik angesteuert werden. Die Steuerlogik (z.B. Steuereinrichtung 180) stellt dabei sicher, dass in Abhängigkeit vom Regelzustand des Umrichters die Umschaltung je nach Bedarf, vollautomatisch und gleitend erfolgt und die Umschaltung zu einem geeigneten Zeitpunkt stattfindet, wie z.B. im Nulldurchgang. Diese Wechselstromschalter sind als Mehrfachwechsler verschaltet, so dass von dem einen auf den nächsten Statorwicklungszweig umgeschaltet werden kann.For the change process from auxiliary to the base windings (ie for switching the winding parts or branches) is in addition to the inverter own switching electronics (control device 180 ) intended. This can be in the inverter 150 to get integrated. For switching the multiple stator winding branches suitable electronic power semiconductors are used, such as triacs, thyristors, MOS FETs, IGBTs, etc., interconnected to solid-state relays or solid-state thyristor, or more simply electronic AC switches, which high Alternating currents can switch and be controlled by a corresponding control logic. The control logic (eg control device 180 ) ensures that, depending on the control state of the inverter, the switching takes place as needed, fully automatic and sliding and the switching takes place at an appropriate time, such as at zero crossing. These AC switches are interconnected as a multiple changer, so that can be switched from one to the next Statorwicklungszweig.

Da in dem hier beschriebenen Anwendungsfall die Wechselstromschalter zum Schalten der Wicklungszweige mit niedrigeren Schaltfrequenzen betrieben werden, als z.B. die elektronischen Schalter des steuernden Umrichters im PWM-Betrieb, können als Wechselstromschalter auch Triacs oder antiparallel geschaltete Tyristoren zum Einsatz kommen, abhängig von der Schaltfrequenz. Insbesondere ist deren Einsatz auch deswegen möglich, da zum Umschaltzeitpunkt im Nulldurchgang die geforderte Anstiegsgeschwindigkeit für dieses Bauteil sehr niedrig liegt. Since in the application described here, the AC switches are operated for switching the winding branches with lower switching frequencies than, for example, the electronic switches of the controlling inverter in PWM operation, triacs or antiparallel-connected thyristors can be used as AC switches, depending on the switching frequency. In particular, their use is also possible because the Umschaltzeitpunkt at zero crossing the required slew rate for this component is very low.

Da die Quellenspannung bei den höheren Windungszahlen in den unteren Gängen um den Faktor der Windungszahlerhöhung höher liegt als die der niedrigzahligsten Windungszahlen im obersten Gang, also im oberen Drehzahlbereich, werden die Statorwicklungszweige elektrisch voneinander getrennt. Das heißt, dass immer nur der/die zu bestromenden Statorwicklungszweig(e) aktiv geschaltet werden und die anderen bzw. alle anderen Statorwicklungszweige eines Statorwicklungsstrangs stromlos geschaltet werden.Since the source voltage at the higher number of turns in the lower gears by the factor of Windungszahlerhöhung is higher than that of the lowest number of turns in the uppermost gear, so in the upper speed range, the stator winding branches are electrically separated. This means that only the stator winding branch (s) to be energized are always switched to active and the other or all other stator winding branches of a stator winding branch are de-energized.

Während des Anlaufes sind die Statorwicklungszweige mit der höchsten Wicklungszahl aktiv geschaltet. Durch die höhere Windungszahl sind mit niedrigeren Strömen bereits hohe Drehmomente erzielbar. Nach Erreichen der gewünschten Umschaltdrehzahl wird auf den nächst niedrigeren Statorwicklungszweig umgeschaltet bzw. ein Statorwicklungszweig einer Reihenschaltung abgeschaltet, die Wicklungszahl also reduziert. Beim jeweiligen Umschalten, also nach Erreichen der definierten Schwellwerte und der entsprechenden Drehzahlen, werden z. B. die Statorwicklungszweige annähernd zeitgleich stromfrei geschaltet und anschließend der neue Statorwicklungszweig aktiviert.During startup, the stator winding branches with the highest number of turns are switched active. Due to the higher number of turns, high torques can already be achieved with lower currents. After reaching the desired switching speed is switched to the next lower Statorwicklungszweig or switched off a Statorwicklungszweig a series circuit, the winding number thus reduced. At the respective switching, so after reaching the defined thresholds and the corresponding speeds, z. B. the Statorwicklungszweige almost simultaneously de-energized and then activated the new Statorwicklungszweig.

Durch die niedrigere Windungszahl in den oberen Gängen können aufgrund der niedrigeren Quellenspannung höhere Drehzahlen erreicht werden. Zudem reduzieren sich die Kupferverluste auf einen Bruchteil. Die Maschine kann hoch effizient betrieben werden. Erreicht die Drehzahl im Betrieb dann wieder, aus dem Arbeitsbereich heraus und durch eine Drehzahlreduzierung, den Umschaltwert, werden die Basiswicklungen (d.h. die im höchsten Gang bestromten Wicklungen) annähernd zeitgleich stromfrei geschaltet um anschließend den nächsten Statorwicklungszweig aktiv zu schalten, oder es wird ein zusätzlicher Statorwicklungszweig in Reihe geschaltet. Bei einer oder-Verschaltung wird dabei sichergestellt, dass nur einer der Statorwicklungszweige eines Statorwicklungsstrangs mit dem Umrichter verbunden ist.Due to the lower number of turns in the upper gears higher speeds can be achieved due to the lower source voltage. In addition, copper losses are reduced to a fraction. The machine can be operated highly efficiently. When the speed reaches the operating range again and out of the working range and through a speed reduction, the switching value, the base windings (ie the windings energized in the highest gear) are switched almost free at the same time to then switch the next Statorwicklungszweig active, or it will be an additional Stator winding branch connected in series. In the case of an interconnection, it is ensured that only one of the stator winding branches of a stator winding section is connected to the converter.

Bei höchsten Drehzahlen können die stromlos geschalteten Statorwicklungszweige, durch die höheren Windungszahlen, eine höhere Quellenspannung generieren als die noch verbleibenden Statorwicklungszweige im Statorwicklungsstrang. Diese Spannung liegt an den elektronischen AC-Schaltern an. Dies kann je nach Anwendungsfall und Windungszahl leicht das 10-fache des in diesem Fall noch bestromten Statorwicklungszweiges betragen oder auch darüber. Für den Wechselvorgang, also für die Umschaltung von der einen zur anderen Wicklung, werden deshalb elektronische Wechselstromschalter vorgesehen, die eine entsprechend höhere Spannungsfestigkeit als die elektronischen Schalter im Umrichter aufweisen.At the highest rotational speeds, the currentless switched stator winding branches, by the higher number of turns, generate a higher source voltage than the remaining Statorwicklungszweige in Statorwicklungsstrang. This voltage is applied to the electronic AC switches. Depending on the application and the number of turns, this can easily amount to 10 times the stator winding branch still energized in this case or even higher. For the change process, ie for switching from one to the other winding, therefore, electronic AC switches are provided which have a correspondingly higher withstand voltage than the electronic switches in the inverter.

Die Leistungsdichte von elektrischen Maschinen, insbesondere von Elektromotoren, begrenzt deren Einsatzmöglichkeiten, durch Bauraum, Wärmeabstrahlung und Gewicht. Um die Leistungsdichte von elektrischen Maschinen weiter zu erhöhen muss deren Leistungsdurchsatzfähigkeit und damit dessen Effizienz gesteigert werden. Eine Möglichkeit besteht darin, die Polwechselfrequenz zu erhöhen, indem man die Zahnzahl oder Polpaarzahl erhöht. Mit der Polzahl steigt bei gleicher Windungszahl und gleichem Strom linear das Drehmoment, allerdings auch die Induktion und damit die Generator- oder Quellenspannung. Umgekehrt reduziert sich bei gleichem Strom und Drehmoment die erforderliche Windungszahl linear mit der Erhöhung der Polzahl, da sich auch der Drehwinkel und dessen Winkelgeschwindigkeit pro Polwechsel linear ändert. Dies lässt sich vorteilhafterweise bei Ausführungsformen der Erfindung einsetzen, beispielsweise werden Statorwindungen durch Polpaare ersetzt. Dies reduziert die erforderliche Kupfermenge im Stator und damit auch dessen Kupferverluste. Eignen sich die Magnetfluss-führenden Materialien im Elektromotormotor für die damit verbundene höhere Frequenz, z.B. mit Hilfe von SMC-Materialien (Soft-Magnetic-Components), steigt mit der Zahnzahl auch die Effizienz der Maschine.The power density of electrical machines, in particular of electric motors, limits their possible uses, through installation space, heat radiation and weight. In order to further increase the power density of electrical machines, their throughput capacity and thus their efficiency must be increased. One possibility is to increase the pole change frequency by increasing the number of teeth or number of pole pairs. With the number of poles increases linearly with the same number of turns and the same power torque, but also the induction and thus the generator or source voltage. Conversely, with the same current and torque, the required number of turns reduces linearly with the increase in the number of poles, since the angle of rotation and its angular velocity per pole change also change linearly. This can be advantageously used in embodiments of the invention, for example, stator windings are replaced by pole pairs. This reduces the required amount of copper in the stator and thus also its copper losses. If the magnetic flux carrying materials in the electric motor are suitable for the higher frequency associated therewith, e.g. With the help of SMC materials (Soft Magnetic Components), the number of teeth also increases the efficiency of the machine.

Ausführungsformen der Erfindung haben insbesondere Vorteile im Fahrzeugbereich, im Speziellen bei permanent erregten Synchronmotoren, da in diesem Bereich beim Andrehen, z.B. beim Anfahren mit einem Antriebsmotor eines Kraftfahrzeugs, besonders hohe Drehmomente gefordert sind. Durch eine Stromsteigerung in der Anlaufphase steigen, trotz linearer Skalierung der Querschnitte und der höheren Anzahl der Leistungshalbleiter, massiv die Kupferverluste als auch die Verluste im Umrichter an. Dies kann mit Ausführungsformen der Erfindung vermieden werden, da aufgrund der höheren Anzahl an bestromten Wicklungen beim Anlaufen die Ströme in den Wicklungen relativ niedrig gehalten werden können. Auch ist der Drehzahlbereich bei herkömmlichen Synchronmaschinen durch die selbst erzeugte Quellenspannung stark eingeschränkt, da die Statorwicklungen entweder für hohe Anlaufmomente oder für hohe Drehzahlen ausgelegt sein müssen. Bei den hierin beschriebenen Ausführungsformen kann die Quellenspannung aufgrund der niedrigeren Anzahl an Windung in den höheren Gängen reduziert und damit der Drehzahlbereich erweitert werden.Embodiments of the invention have particular advantages in the vehicle sector, especially in permanently excited synchronous motors, since particularly high torques are required in this area when cranking, eg when starting up with a drive motor of a motor vehicle. Increasing the current in the start-up phase, despite the linear scaling of the cross-sections and the higher number of power semiconductors, massively increases the copper losses as well as the losses in the converter. This can be avoided with embodiments of the invention, since due to the higher number of energized windings at startup, the currents in the windings can be kept relatively low. Also, the speed range in conventional synchronous machines is severely limited by the self-generated source voltage, since the stator windings either for high starting torques or for high speeds must be designed. In the embodiments described herein, the source voltage can be reduced due to the lower number of turns in the higher gears and thus the speed range can be increased.

Zusammenfassend verfolgen die hierin beschriebenen Ausführungsformen einen anderen Ansatz als herkömmliche Elektromotoren. Bei Ausführungsformen der Erfindung wird die Windungszahl der Statorwicklungen mittels Halbleiterschalter zum Anlaufen erhöht, um den Motor im Normalbetrieb mit weniger Windungszahl oder nur noch mit einem Teil der Statorwicklungen zu betreiben. Die bestehende Leistungselektronik (Umrichter) wird durch zusätzliche Wechselstromschalter, z.B. Triacs oder Thyristoren, ergänzt. Die Spannung wird über die jeweils umgeschalteten Statorwicklungen mittels geeigneter Steuerelektronik derart an die Quellenspannung angepasst, dass der Drehmomentverlauf, trotz Umschaltung, weitestgehend gleichmäßig verläuft. Zudem ist die beschriebene Technik für die Stern- und Dreieck-Verschaltung von Statorwicklungen, als auch für die Vollbrücken-Verschaltung geeignet.In summary, the embodiments described herein follow a different approach than conventional electric motors. In embodiments of the invention, the number of turns of the stator windings is increased by means of semiconductor switch for starting to operate the motor in normal operation with less number of turns or only with a part of the stator windings. The existing power electronics (inverters) are replaced by additional AC switches, e.g. Triacs or thyristors, added. The voltage is adjusted via the respective switched stator windings by means of suitable control electronics to the source voltage such that the torque curve, despite switching, runs largely uniform. In addition, the technique described for the star and delta interconnection of stator windings, as well as for the full-bridge wiring is suitable.

Die Erfindung kann mit höchsten Polzahlen und damit niedrigen Windungszahlen eingesetzt werden, und verbindet die Vorteile von geringen Kupferverlusten, hoher Energiedichte und hoher Effizienz im Normal- oder Arbeitsbereich, mit den Vorteilen von hohen Windungszahlen für hohe Anlaufmomente im Start- oder Anlaufbereich. Der erhöhte Aufwand für die Mehrfach-Statorwicklungen ist insbesondere dann gerechtfertigt, wenn gleichzeitig höchste Startmomente und höchste Effizienz gefordert sind. Auch sind die Verluste über Leistungsschalter und Mehrfach-Statorwicklung regelmäßig geringer als die Verluste aus einer zum Anlaufzeitpunkt notwendigen Stromerhöhung zur Drehmomentanpassung bei herkömmlichen Systemen mit Einfachstatorwicklung.The invention can be used with highest numbers of poles and thus low numbers of turns, and combines the advantages of low copper losses, high energy density and high efficiency in the normal or working range, with the advantages of high numbers of turns for high starting torques in the start or start-up area. The increased expense for the multiple stator windings is particularly justified when at the same time the highest starting torques and highest efficiency are required. Also, the losses across the circuit breaker and multiple stator winding are usually lower than the losses from a current increase necessary for the startup time for torque adjustment in conventional systems with single stator winding.

Es sollte klar sein, dass die Merkmale der vorab beschriebenen Ausführungsformen miteinander kombiniert werden können. Insbesondere können in jedem Wicklungsstrang mehrere Wicklungszweige vorgesehen werden, beispielsweise zwei, drei, vier, fünf, oder mehr, die seriell verschaltet und/oder mit einer „Oder-Verschaltung“ verschaltet sind. So lassen sich mehr als nur ein oder zwei Schaltpunkte implementieren. Vorzugsweise sind zwischen ein und fünf Schaltpunkte vorgesehen.It should be understood that the features of the embodiments described above can be combined. In particular, several winding branches can be provided in each winding strand, for example two, three, four, five, or more, which are connected in series and / or connected to an "OR connection". This allows more than one or two switching points to be implemented. Preferably, between one and five switching points are provided.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of the documents listed by the applicant has been generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturCited patent literature

WO 2009/118135 A1 [0003]
DE 102010054847 A1 [0035, 0071]
EP 1708338 B1 [0035, 0071]

Claims

A method of operating an electric motor (160) having a plurality of windings (110) that are energizable to drive the electric motor (160), the method comprising: - energizing the windings (110, 111, 112, 113) for operating the electric motor (160); and - With increasing speed of the electric motor (160), gradually reducing the energized windings by electrically disconnecting a winding part (112, 113).

Method according to Claim 1 , wherein for one phase of the electric motor (160) at least one winding strand (110) is provided which has at least two winding parts (111, 112, 113), wherein the stepwise reducing the energized windings by corresponding switching of the at least two winding parts (111, 112 , 113) of the winding strand (110).

Method according to Claim 1 or 2 , wherein the gradual reduction of the current-carrying windings is effected in that at least two winding parts (111, 112, 113) connected in series and energized, at least one winding part (112, 113) is electrically separated, or that a powered winding part (112) with a higher number of windings is electrically isolated and a winding part (111) is energized with a smaller number of windings.

Method according to one of the preceding claims, wherein the electrical separation of the winding part (111, 112, 113) takes place at a switching time (410), the method further comprising: Controlling the current in the windings (111) energized after the switching instant or the voltage applied to the windings energized after the switching instant such that a torque generated by the electric motor (160) remains substantially constant when the winding part (112) is disconnected.

Method according to one of the preceding claims, wherein the number of energized windings (111, 112, 113) is reduced by one stage, when the rotational speed of the electric motor (160) reaches a predetermined threshold value (451, 452), or if that to the energized ones Windings applied voltage reaches a predetermined threshold (415).

Device, in particular electrical transmission, comprising: - An electric motor (160) having a plurality of windings (110, 111, 112, 113) which are energized to drive the electric motor (160), - A control device (180) for operating the electric motor (160), wherein the control device (180) is configured such that it for driving the electric motor (160), the windings (110; 111, 112, 113) energized, and that with increasing speed of the electric motor (160), the energized windings by electrically disconnecting a winding part (112, 113) gradually reduced.

Device after Claim 6 wherein the electric motor (160) comprises at least one phase winding (110) for one phase, wherein the phase winding (110) comprises at least two winding parts (111, 112, 113), the control unit (180) having switches (141, 142, 143) , in particular electronic switches, for switching the at least two winding parts (111, 112, 113), and wherein the control unit (180) is configured such that it switches the energized windings by corresponding switching of the at least two winding parts (111, 112, 113) of the winding strand gradually reduced.

Device after Claim 7 , wherein the at least two winding parts (111, 112, 113) of the winding strand (110) are configured such that the number of energized windings of a winding strand can be reduced by switching the winding parts (111, 112, 113) by a factor that is between 1 , 5 and 30, preferably between 2 and 20.

Device according to one of Claims 6 - 8th , wherein the control device (180) is configured such that between the start of the electric motor (160) and the reaching of a rated speed of the electric motor (160) between 1 and 10, preferably between 2 and 5 switching points (410) are provided, wherein the control unit (180) at increasing speed of the electric motor (160) at each switching point (410), the energized windings by electrically disconnecting a winding part (112, 113) gradually reduced.

Device according to one of Claims 6 - 9 wherein the electric motor (160) comprises at least one phase winding (110) for one phase, the phase winding (110) comprising at least a first and a second winding part (111, 112), the first winding part (111) having a smaller number of windings as the second winding part (112), and / or wherein the first winding part (111) has a larger conductor cross-section than the second winding part (112).

Device according to one of Claims 6 - 10 , further comprising an inverter (150) providing an adjustable frequency AC power supply to the electric motor (160), further comprising an electronic switch (141, 142, 143) to connect the winding member (112, 113) electrically, wherein the electronic switch (141, 142, 143) is integrated in the inverter (150).

Device according to one of Claims 6 - 11 wherein the electric motor (160) comprises at least one winding strand (110) for one phase, the winding strand (110) comprising at least two winding parts (111, 112) wound one above the other or side by side, in particular in a stator slot (210) or in a stator yoke (300) of the electric motor (160).