DE102017217751A1

DE102017217751A1 - Ständerwicklung für eine rotierende elektrische Maschine

Info

Publication number: DE102017217751A1
Application number: DE102017217751.9A
Authority: DE
Inventors: Wolfram Siegfried Birkmayer; Stefan Koschik
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2017-10-06
Filing date: 2017-10-06
Publication date: 2019-04-11
Also published as: US11502567B2; WO2019068542A1; US20200244127A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Ständer (12) für eine rotierende elektrische Maschine (10) mit:
- einem Blechpaket (14), welches Ständerzähne (16) bezüglich eines Luftspalts (18) der rotierenden elektrischen Maschine (10) bereitstellt, und
- einer Ständerwicklung (20), die eine Mehrzahl von Zahnwicklungen (22) aufweist, wobei eine jeweilige der Zahnwicklungen an einem jeweiligen der Ständerzähne (16) an geordnet ist und einen jeweiligen ersten elektrischen Leiter (24) aufweist, der in einer Mehrzahl von Windungen umlaufend um den jeweiligen Ständerzahn (16) herum angeordnet ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die elektrische Sicherheit in Bezug auf Kurzschlüsse im Bereich der Ständerwicklung zu verbessern.
Es wird vorgeschlagen, dass die jeweilige Zahnwicklung (22) einen jeweiligen vom ersten elektrischen Leiter (24) elektrisch isolierten zweiten elektrischen Leiter (26) mit einer Mehrzahl von umlaufend um den jeweiligen Ständerzahn (16) herum angeordneten Windungen aufweist, wobei die jeweiligen Windungen des ersten und des zweiten elektrischen Leiters (24, 26) bifilar angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Ständer für eine rotierende elektrische Maschine mit einem Blechpaket, welches Ständerzähne bezüglich eines Luftspalts der rotierenden elektrischen Maschine bereitstellt, und einer Ständerwicklung, die eine Mehrzahl von Zahnwicklungen aufweist, wobei eine jeweilige der Zahnwicklungen an einem jeweiligen der Ständerzähne angeordnet ist und einen jeweiligen ersten elektrischen Leiter aufweist, der in einer Mehrzahl von Windungen umlaufend um den jeweiligen Ständerzahn herum angeordnet ist. Die Erfindung betrifft ferner eine rotierende elektrische Maschine mit einem Ständer und einem gegenüber dem Ständer drehbar angeordneten Läufer. Schließlich betrifft die Erfindung auch eine elektrische Antriebseinrichtung mit einem Wechselrichter zum Bereitstellen einer mehrphasigen elektrischen Wechselspannung, wobei der Wechselrichter zum Bereitstellen einer jeweiligen Phase der mehrphasigen elektrischen Wechselspannung für jede Phase wenigstens eine der jeweiligen Phase zugeordnete Wechselrichtereinheit aufweist, und einer rotierenden elektrischen Maschine mit einem Ständer und einem drehbar gegenüber dem Ständer angeordneten Läufer, wobei der Ständer aufweist: Ein Blechpaket, welches Ständerzähne bezüglich eines zwischen dem Ständer und dem Läufer ausgebildeten Luftspalts der rotierenden elektrischen Maschine bereitstellt, und eine Ständerwicklung, die eine Mehrzahl von den jeweiligen Phasen der mehrphasigen elektrischen Wechselspannung zugeordneten Zahnwicklungen aufweist, wobei eine jeweilige der Zahnwicklungen an einem jeweiligen der Ständerzähne angeordnet ist und einen jeweiligen ersten elektrischen Leiter aufweist, der in einer Mehrzahl von Windungen um den jeweiligen Ständerzahn herum umlaufend angeordnet ist.
Ständer für rotierende elektrische Maschinen, rotierende elektrische Maschinen mit Ständern sowie elektrische Antriebseinrichtungen der gattungsgemäßen Art sind im Stand der Technik umfänglich bekannt, sodass es eines gesonderten druckschriftlichen Nachweises hierfür nicht bedarf. Bei einer rotierenden elektrischen Maschine ist dem Grunde nach ein Ständer als Stator vorgesehen, der in der Regel eine im Wesentlichen kreisförmige Öffnung zur Aufnahme eines als Rotor ausgebildeten Läufers bereitstellt. In der Öffnung ist der Läufer drehbar gelagert angeordnet, wobei zwischen dem Läufer und dem Ständer ein Luftspalt ausgebildet ist. Diese Bauform wird auch als Innenläufer bezeichnet. Darüber hinaus sind auch Bauformen bekannt, bei denen der Läufer den Ständer radial umgibt. Derartige Bauformen werden auch Außenläufer genannt.
Eine rotierende elektrische Maschine ist eine Vorrichtung, die elektrische Energie in mechanische Energie, insbesondere Bewegungsenergie in einem Motorbetrieb, und/oder mechanische Energie in eine elektrische Energie in einem Generatorbetrieb umformt. Bei der Bewegung handelt es sich in der Regel um eine Drehbewegung, die vom Läufer ausgeführt wird. Der Ständer ist im Unterschied zum Läufer in der Regel drehfest angeordnet, das heißt, bei einer Drehbewegung handelt es sich um eine Drehbewegung des Läufers gegenüber dem Ständer.
Zumindest im bestimmungsgemäßen Betrieb der rotierenden elektrischen Maschine sind der Ständer und der Läufer mittels eines magnetischen Flusses verkettet, wodurch im Motorbetrieb die Kraftwirkung, nämlich das Drehmoment, erzeugt wird, die den Läufer gegenüber dem Ständer drehend antreibt, und im Generatorbetrieb dem Läufer zugeführte mechanische Energie in Form einer Rotation in elektrische Energie umgewandelt wird. Zu diesem Zweck weisen der Ständer und der Läufer jeweils eine von einem Strom durchflossene Wicklung auf. Im Ständer oder im Läufer kann die Wicklung auch durch einen Permanentmagneten gebildet oder ergänzt sein.
Rotierende elektrische Maschinen der gattungsgemäßen Art sind beispielsweise Drehfeldmaschinen, die an einem mehrphasigen, insbesondere dreiphasigen, elektrischen Wechselspannungsnetz angeschlossen sind, wie beispielsweise Asynchronmaschinen, Synchronmaschinen, Synchronmaschinen mit Dämpferkäfig oder dergleichen.
Gerade bei mehrphasigen Drehfeldmaschinen, insbesondere mit einem permanenterregten Läufer, erweist es sich als problematisch, wenn innerhalb der Ständerwicklung ein Wicklungskurzschluss auftritt. Gerade bei derartigen rotierenden elektrischen Maschinen besteht das Problem, dass bei einem Wicklungskurzschluss im bestimmungsgemäßen Betrieb ein großer elektrischer Strom induziert werden kann, welcher häufig zu einer thermischen Zerstörung der Ständerwicklung führen kann. Nicht nur, aber besonders bei, Luftfahrzeugen, bei denen permanenterregte Drehfeldmaschinen zum Einsatz kommen, erweist sich dies als besonders gefährlich, weshalb im Stand der Technik bereits Überlegungen für eine Verbesserung angestellt worden sind, und zwar zum Beispiel in der Veröffentlichung „A Comparative Study of Permanent Magnet and Switched Reluctance Motors for High-Performance Fault-Tolerant Applications" von A.G. Jack et al., IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 32, Nummer 4, Juli/August 1996. Durch die hier offenbarte Studie können zwar Verbesserungen erreicht werden, dennoch verbleiben weitere Probleme.
Die verbleibenden Probleme werden bisher durch aufwendige mechanische Vorrichtungen, zum Beispiel Strukturen, welche den Luftspalt im Fehlerfall mechanisch durch den beweglichen Läufer und/oder Ständer vergrößern, eine verstärkte Isolation oder auch ein entsprechendes elektromagnetisches Design, gelöst, zum Beispiel mittels Einzellagenwicklungen oder dergleichen, wodurch sich jedoch in der Regel Einbußen beim Wirkungsgrad und/oder der Leistungsdichte der rotierenden elektrischen Maschine ergeben können.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, die elektrische Sicherheit in Bezug auf Kurzschlüsse im Bereich der Ständerwicklung zu verbessern.
Als Lösung werden mit der Erfindung ein Ständer, eine rotierende elektrische Maschine sowie auch eine elektrische Antriebseinrichtung gemäß den unabhängigen Ansprüchen vorgeschlagen.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich anhand von Merkmalen der abhängigen Ansprüche.
Bezüglich eines gattungsgemäßen Ständers wird insbesondere vorgeschlagen, dass die jeweilige Zahnwicklung einen jeweiligen vom ersten elektrischen Leiter elektrisch isolierten zweiten elektrischen Leiter mit einer Mehrzahl von umlaufend um den jeweiligen Ständerzahn herum angeordneten Windungen aufweist, wobei die jeweiligen Windungen des ersten und des zweiten elektrischen Leiters bifilar angeordnet sind.
Bezüglich einer gattungsgemäßen rotierenden elektrischen Maschine wird insbesondere vorgeschlagen, dass der Ständer gemäß der Erfindung ausgebildet ist.
Bezüglich einer elektrischen Antriebseinrichtung wird insbesondere vorgeschlagen, dass die jeweilige Zahnwicklung einen vom jeweiligen ersten elektrischen Leiter elektrisch isolierten jeweiligen zweiten elektrischen Leiter mit einer Mehrzahl von um den jeweiligen Ständerzahn umlaufend herum angeordneten Windungen aufweist, und die Wechselrichtereinheit einer jeweiligen Phase ein jeweiliges erstes und ein jeweiliges zweites Phasenmodul aufweist, die beide die gleiche jeweilige elektrische Phase der mehrphasigen elektrischen Wechselspannung elektrisch getrennt bereitstellen und wobei der jeweilige erste elektrische Leiter an das entsprechende erste Phasenmodul und der jeweilige zweite elektrische Leiter an das entsprechende zweite Phasenmodul elektrisch angeschlossen sind.
Die Ständerwicklung des Ständers umfasst die Gesamtheit der elektrischen Leiter, die an das mehrphasige Wechselspannungsnetz angeschlossen werden können, um abhängig hiervon von einem elektrischen Strom durchflossen zu werden. Die Ständerwicklung stellt somit ein ständerseitiges Magnetfeld bereit, welches mit einem Magnetfeld des Läufers verkettet wird, um die elektromagnetische Kopplung des Ständers und des Läufers herzustellen. Die Ständerwicklung ist in der Regel an den Ständerzähnen des Blechpakets angeordnet, welches zur Führung des durch die Ständerwicklung bereitgestellten Magnetfeldes dient. Die Ständerzähne sind in der Regel in einer Längserstreckung im Wesentlichen parallel zu einer Drehachse des Läufers angeordnet. Dem Luftspalt gegenüberliegend sind die Ständerzähne üblicherweise mittels des Blechpakets verbunden, wodurch ein magnetischer Rückschluss bezüglich des magnetischen Flusses bereitgestellt wird.
Die Ständerzähne weisen zumindest teilweise Zahnwicklungen auf. Häufig ist vorgesehen, dass jeder Ständerzahn eine eigene Zahnwicklung aufweist. Gelegentlich ist jedoch auch vorgesehen, dass einige der Ständerzähne wicklungslos angeordnet sind, sodass eine besondere Führung des magnetischen Flusses erreicht werden kann. Derartige Ständerkonstruktionen sind unter anderem auch aus der vorgenannten Veröffentlichungsschrift bekannt. Ist eine Zahnwicklung an einem Ständerzahn vorgesehen, ist die jeweilige der Zahnwicklungen an dem jeweiligen der Ständerzähne angeordnet und weist den jeweiligen ersten elektrischen Leiter auf. Der erste elektrische Leiter dient zur Führung des elektrischen Stroms, sodass in vorgegebener Weise der magnetische Fluss ständerseitig bereitgestellt werden kann. Der jeweilige erste elektrische Leiter ist in einer Mehrzahl von Windungen umlaufend um den jeweiligen Ständerzahn herum angeordnet. Die einzelnen Windungen sind in der Regel elektrisch isoliert zueinander angeordnet, sodass mit einem vorgegebenen elektrischen Strom eine entsprechend hohe magnetische Durchflutung erreicht werden kann. Die elektrische Isolation kann durch eine entsprechende Beschichtung des ersten elektrischen Leiters oder auch durch eine entsprechende elektrisch isolierte Anordnung der Windungen übereinander erreicht werden. Der erste elektrische Leiter selbst ist in der Regel aus einem Werkstoff gebildet, der eine gute elektrische Leitfähigkeit bereitstellt, beispielsweise Kupfer, Aluminium, Silber, Legierungen hiervon und/oder dergleichen. Die elektrische Isolierung kann durch einen dielektrischen Werkstoff gebildet sein, der eine sehr geringe elektrische Leitfähigkeit aufweist, beispielsweise ein Kunststoff, ein Verbundwerkstoff, insbesondere nach Art von einer Folie, einem Lack und/oder dergleichen.
Gemäß einem ersten Aspekt basiert die Erfindung nun darauf, dass die jeweilige Zahnwicklung einen jeweiligen, vom ersten elektrischen Leiter elektrisch isolierten zweiten elektrischen Leiter mit einer Mehrzahl von umlaufend um den jeweiligen Ständerzahn herum angeordneten Windungen aufweist, wobei die jeweiligen Windungen des ersten und des zweiten elektrischen Leiters bifilar angeordnet sind. Insbesondere wenn der erste und der zweite elektrische Leiter die gleiche Anzahl von Windungen aufweisen, kann somit erreicht werden, dass der elektrische Strom, der die jeweilige Zahnwicklung beaufschlagt, auf zwei im Wesentlichen gleiche Teilzahnwicklungen aufgeteilt wird, sodass in Summe die elektromagnetische Wirkung erzielt werden kann, wie sie auch mit einer einzigen Zahnwicklung erreicht werden kann.
Dabei nutzt die Erfindung bezüglich dieses ersten Aspekts die Erkenntnis, dass ein Windungskurzschluss zwischen zwei benachbart angeordneten Windungen einen Kurzschluss zwischen dem ersten elektrischen Leiter und dem zweiten elektrischen Leiter einer jeweiligen Zahnwicklung zur Folge hat. Dadurch wird vermieden, dass, wenn lediglich ein einziger elektrischer Leiter für die Zahnwicklung vorhanden ist, ein Kurzschluss innerhalb des einen elektrischen Leiters vorliegt und somit aufgrund der magnetischen Induktion eine besonders ungünstige Kurzschlusswirkung die Folge wäre. Dadurch, dass der Kurzschluss zwischen zwei voneinander getrennten elektrischen Leitern vorliegt, kann kein im Wesentlichen unmittelbarer Wicklungskurzschluss erfolgen, sodass die ungünstige Kurzschlusswirkung, wie sie zuvor bezüglich eines einzigen elektrischen Leiters der Zahnwicklung beschrieben wurde, entschärft werden kann. Es ist nämlich erforderlich, dass zum Stromfluss durch den hierbei gebildeten Windungskurzschluss der elektrische Strom zumindest teilweise den ersten und den zweiten Leiter durchströmen muss, wodurch insbesondere auch unter Beachtung von elektrischen Widerständen des ersten und des zweiten elektrischen Leiters sowie gegebenenfalls zu berücksichtigenden Induktivitäten, stromreduzierende Wirkungen erreicht werden können, sodass sich der Wicklungskurzschluss deutlich weniger stark auswirkt, als beim Stand der Technik üblich. Insgesamt kann dadurch die thermische Belastung im Falle eines Wicklungskurzschlusses deutlich reduziert werden.
Dadurch, dass die Windungen des ersten und des zweiten elektrischen Leiters bifilar angeordnet sind, wird ein Wicklungskurzschluss somit zunächst zwischen dem ersten und dem zweiten elektrischen Leiter auftreten. Werden die durch den ersten und den zweiten elektrischen Leiter gebildeten Teilzahnwicklungen elektrisch beaufschlagt, kann die Auswirkung eines Wicklungskurzschlusses somit erheblich reduziert werden. Es besteht sogar die Möglichkeit, den Windungskurzschluss zu ermitteln und die rotierende elektrische Maschine in einem sicheren Betrieb herunterzufahren, um gefährliche Betriebszustände zu vermeiden. Insgesamt kann eine erhebliche Verbesserung der Sicherheit erreicht werden.
Bezüglich des ersten Aspekts wird ferner vorgeschlagen, dass der jeweilige erste und der jeweilige zweite elektrische Leiter elektrisch parallelgeschaltet sind. Dadurch ist jede der Zahnwicklungen zweiteilig ausgebildet, nämlich durch eine jeweilige erste Teilzahnwicklung und eine jeweilige zweite Teilzahnwicklung, die gemeinsam auf den jeweiligen Ständerzahn aufgewickelt sind und die parallelgeschaltet sind. Bei einem Wicklungskurzschluss, bei dem aufgrund der Wickeltechnik der Kurzschluss in der Regel zunächst zwischen dem ersten und dem zweiten elektrischen Leiter der jeweiligen Zahnwicklung auftritt, ist somit immer eine verbleibende Restinduktivität und eine durch den ersten und den zweiten elektrischen Leiter gegebene begrenzte elektrische Leitfähigkeit vorhanden, sodass ein Stromfluss reduziert werden kann. Dadurch kann die thermische Beanspruchung aufgrund des Wicklungskurzschlusses reduziert werden, wodurch die Sicherheit weiter verbessert werden kann. Insbesondere kann hierdurch ein Notbetrieb gewährleistet werden, um die rotierende elektrische Maschine in einem sicheren Verfahren herunterfahren zu können. Besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn hierzu der erste und der zweite elektrische Leiter jeweils im Wesentlichen die gleiche Anzahl an Windungen bereitstellen, vorzugsweise genau die gleiche Anzahl an Windungen. Es kann vorgesehen sein, dass ein elektrischer Strom der Zahnwicklung auf den ersten und den zweiten elektrischen Leiter aufgeteilt werden. Vorzugsweise führen der erste und der zweite elektrische Leiter etwa den gleichen elektrischen Strom, die in Summe den elektrischen Strom der Zahnwicklung bilden.
Es wird weiterhin vorgeschlagen, dass wenigstens einer der elektrischen Leiter mit einem Sicherungselement in Reihe geschaltet ist. Das Sicherungselement kann eine Überstromschutzeinrichtung bilden, die bei Erreichen eines vorgegebenen Auslösestroms auslöst und den weiteren Stromfluss verhindert. Das Sicherungselement kann beispielsweise als Schmelzsicherung oder dergleichen ausgebildet sein. Vorzugsweise ist das Sicherungselement mit einem jeweiligen des ersten und des zweiten Leiters in Reihe geschaltet. Besonders bevorzugt sind hierdurch gebildete Reihenschaltungen parallelgeschaltet. Dadurch kann eine zusätzliche Sicherheit erreicht werden, indem die Sicherung den etwaigen Kurzschlussstrom begrenzt, beziehungsweise bei einem Kurzschlussstrom, der größer als der Auslösestrom ist, den weiteren Stromfluss unterbricht.
Besonders vorteilhaft erweist sich der Einsatz der Erfindung bei rotierenden elektrischen Maschinen, die als Synchronmaschinen ausgebildet sind. Aufgrund des fremderregten Läufers kann hier auch noch dann, wenn die Ständerwicklung bereits nicht mehr mit Wechselspannung beaufschlagt wird, noch eine elektrische Spannung induziert werden, die aufgrund des Wicklungskurzschlusses eine thermische Überlastung nach sich ziehen kann, und zwar beispielsweise dann, wenn die Erregung des Läufers weiter anliegt. Durch die Erfindung kann die thermische Beanspruchung deutlich reduziert werden.
Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn der Läufer der rotierenden elektrischen Maschine, insbesondere der Synchronmaschine, als permanenterregter Läufer ausgebildet ist. In diesem Fall kann nämlich die Bereitstellung des magnetischen Flusses durch den Läufer nicht abgeschaltet werden. Sobald der Läufer rotiert, wird auch in die Ständerwicklung eine elektrische Spannung induziert, die bei einem Wicklungskurzschluss die vorgenannten Probleme an der Ständerwicklung, insbesondere an der jeweiligen Zahnwicklung, die mit einem Wicklungskurzschluss betroffen ist, hervorrufen oder zumindest verstärken kann. Durch die Erfindung können gerade bei permanenterregten Läufern die hiermit verbundenen Risiken und gefährlichen Zustände erheblich reduziert werden.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung richtet sich auf die elektrische Antriebseinrichtung. Dabei berücksichtigt die Erfindung, dass eine Zahnwicklung aus zwei voneinander elektrisch getrennten Teilzahnwicklungen gebildet ist, die durch den jeweiligen ersten und durch den jeweiligen zweiten elektrischen Leiter gebildet sind. Dabei berücksichtigt die Erfindung ferner, dass der jeweilige erste und der jeweilige zweite elektrische Leiter elektrisch getrennt voneinander betrieben werden, sodass zwischen den hierdurch gebildeten Stromkreisen eine Isolationsüberwachung realisiert werden kann, die es erlaubt, die elektrische Isolation der Teilzahnwicklungen gegenüber einander ermitteln zu können. In der Grundvariante dieses zweiten Aspekts brauchen die Windungen des jeweiligen ersten und des jeweiligen zweiten elektrischen Leiters dem Grunde nach nicht bifilar angeordnet zu sein.
Bei diesem zweiten Aspekt umfasst die jeweilige einer jeweiligen Phase zugeordnete Wechselrichtereinheit jeweilige erste und zweite Phasenmodule, die die jeweilige Phase der mehrphasigen elektrischen Wechselspannung elektrisch getrennt bereitzustellen vermögen. Dadurch, dass der jeweilige erste und der jeweilige zweite elektrische Leiter an den jeweiligen zugeordneten ersten und zweiten Phasenmodulen angeschlossen sind, können somit elektrisch getrennte Stromkreise bereitgestellt werden, zwischen denen eine Isolationsüberwachung realisiert werden kann.
Die jeweilige Wechselrichtereinheit kann zum Beispiel durch einen eigenen getakteten Energiewandler nach Art eines einphasigen elektrischen Wechselrichters ausgebildet sein. Natürlich kann der Wechselrichter auch durch einen Mehrpegelenergiewandler gebildet sein, der im englischsprachigen Raum auch Multi Level Converter, MMC, M2C oder dergleichen bezeichnet wird. Die Wechselrichtereinheit weist wenigstens ein jeweiliges erstes und ein jeweiliges zweites Phasenmodul auf, die beide die gleiche elektrische Phase der mehrphasigen elektrischen Wechselspannung elektrisch getrennt bereitstellen. Dies kann durch eigene wechselrichtende getaktete Energiewandler erreicht werden.
Zum Beispiel kann vorgesehen sein, dass jedes Phasenmodul eine Halbbrückenschaltung umfasst, die zwei in Reihe geschaltete Schaltelemente aufweist und die an einem Gleichspannungszwischenkreis des Wechselrichters angeschlossen ist. An einem Mittelabgriff kann die jeweilige Phase der mehrphasigen elektrischen Wechselspannung bereitgestellt werden. Darüber hinaus besteht natürlich die Möglichkeit, zwei parallelgeschaltete Halbbrückenschaltungen vorzusehen, die komplementär betrieben werden, sodass die jeweilige Phase der mehrphasigen elektrischen Wechselspannung zwischen den jeweiligen Mittelabgriffen der beiden Halbbrückenschaltungen bereitgestellt wird. Eine solche Schaltungsanordnung wird auch Vollbrückenschaltung genannt.
Das Blechpaket, welches auch die Ständerzähne ausbildet, besteht aus einem magnetisierbaren Werkstoff, wie zum Beispiel Eisenblech, insbesondere unter Nutzung einer Legierung, wobei das Blechpaket aus einer Mehrzahl von Einzelblechen gestapelt gebildet ist, die gegenüber einander elektrisch isoliert angeordnet sind, um eine Wirbelstromausbildung zu unterdrücken.
Bezüglich des zweiten Aspekts, der auf die elektrische Antriebseinrichtung gerichtet ist, ist ferner anzuführen, dass der Wechselrichter in geeigneter Weise ausgebildet ist, um die mehrphasige elektrische Wechselspannung bereitzustellen. Der Wechselrichter ist dabei derart ausgebildet, dass er zumindest so viele Phasen der mehrphasigen Wechselspannung bereitzustellen vermag, wie es für den bestimmungsgemäßen Betrieb der rotierenden elektrischen Maschine erforderlich ist.
Die Ständerwicklung ist vorzugsweise mehrphasig ausgebildet, beispielsweise dreiphasig, wobei jede der Phasen des Ständers an eine der jeweiligen Phase zugeordnete Wechselrichtereinheit des Wechselrichters angeschlossen ist, sodass die Phase der Ständerwicklung mit einer der jeweiligen Phase entsprechenden Wechselspannung der mehrphasigen Wechselspannung beaufschlagt werden kann. Da die Zahnwicklung eines jeweiligen der Ständerzähne zweiteilig ausgeführt ist und in der Regel mit der gleichen Phase der mehrphasigen elektrischen Wechselspannung beaufschlagt werden können soll, stellt die Wechselrichtereinheit der jeweiligen bereitzustellenden Phase der mehrphasigen elektrischen Wechselspannung entsprechende erste und zweite Phasenmodule bereit, die beide die gleiche elektrische Phase der mehrphasigen elektrischen Wechselspannung elektrisch getrennt bereitstellen. An jedes der beiden Phasenmodule ist jeweils einer der ersten und zweiten elektrischen Leiter der jeweiligen Zahnwicklung angeschlossen, sodass durch diesen Aufbau auch spannungsversorgungsseitig eine elektrische Trennung erreicht werden kann. Es ist somit möglich, nicht nur Windungskurzschlüsse erkennen zu können, sondern auch im Bereich der Wicklungsanschlüsse Störungen in Bezug auf die elektrische Isolation erfassen zu können. Darüber hinaus erlaubt es diese Ausgestaltung, nicht nur Isolationsfehler zu ermitteln, sondern den bestimmungsgemäßen Betrieb der elektrischen Antriebseinrichtung bei Vorliegen eines einzigen Isolationsfehlers auch weiterführen zu können. Dadurch ist es möglich, eine Warnmeldung auszugeben, dass ein Isolationsfehler ermittelt worden ist und dadurch eine Wartungsbeziehungsweise Reparaturhandlung zu veranlassen. Bis zur Durchführung der Wartung beziehungsweise Reparatur kann der bestimmungsgemäße Betrieb beispielsweise weitergeführt werden. Besonders vorteilhaft ist dies für elektrische Antriebseinrichtungen, bei denen es auf eine hohe Verfügbarkeit ankommt, beispielsweise bei sicherheitstechnischen Einrichtungen, oder auch bei Antrieben, wie sie im Bereich der Luftfahrt zum Einsatz kommen. Gerade hier wäre ein plötzlicher Ausfall der elektrischen Antriebseinrichtung besonders schädlich. Mit der Erfindung kann hier erreicht werden, dass zumindest ein Teilbetrieb aufrechterhalten werden kann, bis entsprechende Maßnahmen zur Wartung beziehungsweise Reparatur durchgeführt werden können.
Um die elektrische Trennung verbessern zu können, kann vorgesehen sein, dass die jeweiligen ersten Phasenmodule an einen gemeinsamen ersten Gleichspannungszwischenkreis des Wechselrichters angeschlossen sind und die jeweiligen zweiten Phasenmodule an einen gemeinsamen zweiten Gleichspannungszwischenkreis des Wechselrichters angeschlossen sind. Dadurch kann eine gute elektrische Trennung erreicht werden. Besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn der erste und der zweite Gleichspannungszwischenkreis des Wechselrichters ebenfalls galvanisch voneinander getrennt sind. Dies kann zum Beispiel durch einen getakteten Energiewandler erreicht werden, beispielsweise nach Art eines DC/DC-Wandlers, bei dem eine galvanische Trennung der zu koppelnden Gleichspannungen vorgesehen ist.
Besonders vorteilhaft erweist es sich für den zweiten Aspekt, wenn hier ebenfalls die jeweiligen Windungen des ersten und des zweiten elektrischen Leiters einer jeweiligen der Zahnwicklungen bifilar angeordnet sind. Dadurch kann die Funktionalität und Sicherheit noch weiter verbessert werden. Die bereits zum ersten Aspekt genannten Vorteile und Wirkungen können dadurch in vorteilhafter Weise mit dem zweiten Aspekt kombiniert werden, sodass insgesamt eine zuverlässige elektrische Antriebseinrichtung mit hoher Verfügbarkeit und Störfestigkeit erreicht werden kann.
Auch hier erweist es sich als besonders vorteilhaft, wenn die rotierende elektrische Maschine als Synchronmaschine ausgebildet ist. Gerade bei Synchronmaschinen, wie bereits zuvor zum ersten Aspekt erläutert, können die vorteilhaften Wirkungen besonders gut genutzt werden.
Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass der Läufer als permanenterregter Läufer ausgebildet ist. Dies erlaubt es nicht nur die elektrische Antriebseinrichtung mit den Vorteilen, die ein permanenterregter Läufer erlaubt, zu nutzen, sondern auch die hierdurch hervorgerufenen Risiken und Probleme mittels der Erfindung erheblich reduzieren zu können, sodass die elektrische Antriebseinrichtung auch bei kritischen sicherheitstechnischen Anwendungen erfolgreich eingesetzt werden kann.
Besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn die elektrische Antriebseinrichtung eine Überwachungseinheit aufweist, die ausgebildet ist, die jeweiligen ersten und zweiten elektrischen Leiter der Zahnwicklungen bezüglich eines Isolationsfehlers zwischen dem jeweiligen ersten und dem jeweiligen zweiten elektrischen Leiter zu überwachen. Dadurch, dass eine elektrische Trennung zwischen dem jeweiligen ersten und dem jeweiligen zweiten elektrischen Leiter der Zahnwicklungen vorliegen kann, kann die elektrische Isolation mittels der Überwachungseinheit, die geeignet ausgebildet ist, überwacht werden.
Weiterhin als vorteilhaft erweist es sich, wenn das jeweilige erste und das jeweilige zweite Phasenmodul an voneinander elektrisch getrennten Gleichspannungszwischenkreisen des Wechselrichters angeschlossen sind, weil dann die Überwachungseinheit im einfachsten Fall lediglich die elektrische Isolation des ersten Gleichspannungszwischenkreises gegenüber dem zweiten Gleichspannungszwischenkreis zu überwachen braucht, um einen Isolationsfehler an irgendeiner der Zahnwicklungen feststellen zu können. Dadurch kann die Überwachungseinheit besonders einfach ausgebildet sein. In diesem Fall erlauben es natürlich die Phasenmodule, dass die Überwachungseinheit ihre Funktionalität in bestimmungsgemäßer Weise vornehmen kann. Die Phasenmodule sind dann entsprechend ausgebildet.
Weitere Vorteile und Wirkungen ergeben sich durch die folgenden Ausführungsbeispiele anhand der beigefügten Figuren. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale und Funktionen.
Es zeigen:

1 in einer schematischen Schnittdarstellung einen grundlegenden Aufbau für eine permanenterregte dreiphasige Synchronmaschine als Innenläufer,
2 in einer schematischen perspektivischen Explosionsansicht einen Aufbau des Ständers der Synchronmaschine gemäß 1 mit Zahnwicklungen,
3 in einer schematischen Darstellung eine Zahnwicklung gemäß dem Stand der Technik,
4 in einer schematischen Darstellung eine Zahnwicklung wie 3, jedoch gemäß der Erfindung als bifilar ausgebildete Zahnwicklung,
5 eine schematische Schaltbildansicht für einen Anschluss der Zahnwicklung gemäß 4 an eine Wechselrichtereinheit eines Wechselrichters zum Bereitstellen einer mehrphasigen elektrischen Wechselspannung,
6 eine schematische Ersatzschaltbilddarstellung der Zahnwicklung gemäß 3,
7 eine schematische Ersatzschaltbilddarstellung gemäß 6, bei der ein Windungskurzschluss aufgetreten ist,
8 eine schematische Ersatzschaltbilddarstellung der Zahnwicklung gemäß 4,
9 eine schematische Ersatzschaltbilddarstellung wie 7, jedoch für die Zahnwicklung gemäß 4 bei Vorliegen eines Windungskurzschlusses,
10 eine schematische Darstellung für eine weitere Ausgestaltung einer permanenterregten Synchronmaschine für einen Betrieb an einer dreiphasigen elektrischen Wechselspannung,
11 eine schematische Schaltbilddarstellung der Ständerwicklung der Synchronmaschine gemäß 10, und
12 eine schematische Schaltbilddarstellung einer elektrischen Antriebseinrichtung mit der Synchronmaschine gemäß der 10 und 11, die an einen Wechselrichter angeschlossen ist.

1 zeigt in einer schematischen Schnittdarstellung ein grundsätzliches Konstruktionsprinzip für eine permanenterregte Synchronmaschine 10 als rotierende elektrische Maschine. Aus 1 ist ersichtlich, dass die Synchronmaschine 10 vorliegend als Innenläufer ausgebildet ist, das heißt, sie hat einen Ständer 12, der eine nicht bezeichnete Durchgangsöffnung aufweist, in der ein Läufer 28 drehbar gelagert angeordnet ist.
Der Ständer 12 weist ein Blechpaket 14 auf, welches Ständerzähne 16 (2) bezüglich eines Luftspalts 18 zwischen dem Blechpaket 14 des Ständers 12 und dem Läufer 28 bereitstellt. Der Ständer 12 weist eine Ständerwicklung 20 auf, die vorliegend für einen dreiphasigen Betrieb ausgebildet ist, das heißt, an eine dreiphasige Wechselspannung 34 mit Phasen U, V, W angeschlossen ist. Im bestimmungsgemäßen Betrieb der Synchronmaschine 10 ist die Ständerwicklung 20 entsprechend mit der Wechselspannung 34 beaufschlagt.
Der Läufer 28 ist vorliegend als Schenkelpolläufer ausgebildet, der zur Bereitstellung des magnetischen Flusses nicht bezeichnete Permanentmagnete umfasst. In der vorliegenden Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Läufer 28 genau einen magnetischen Nordpol und einen magnetischen Südpol aufweist. Bei alternativen Ausgestaltungen können auch mehr magnetische Pole in Umfangsrichtung quer zu einer Drehachse des Läufers 28 alternierend vorgesehen sein (10).
Der Läufer 28 ist drehbar gelagert. Durch die dreiphasige Wechselspannung 34, deren Phasen U, V, W um jeweils 120° phasenverschoben sind, wird ein magnetisches Drehfeld im bestimmungsgemäßen Betrieb bereitgestellt, welches mit dem durch den Läufer 28 bereitgestellten permanenterregten Magnetfeld verkettet ist, sodass in einem Motorbetrieb eine entsprechende Drehbewegung des Läufers 28 herbeigeführt werden kann. Vorliegend ist vorgesehen, dass der Synchronmaschine 10 als Antriebsmotor für eine Luftschraube eines nicht weiter dargestellten Luftfahrzeugs dient. In 1 sind schematisch die Abschnitte der Ständerwicklung 20 dargestellt, die den jeweiligen Phasen zugeordnet sind.
Die Ständerwicklung 20 der Synchronmaschine 10 ist an einen entsprechend dreiphasig ausgebildeten Wechselrichter 32 angeschlossen, der die elektrische Wechselspannung 34 mit den drei Phasen U, V, W bereitstellt, zu welchem Zweck er seinerseits die für den bestimmungsgemäßen Betrieb erforderliche elektrische Energie aus einer nicht weiter dargestellten Energiequelle 48 bezieht. In der vorliegenden Ausgestaltung handelt es sich bei der Energiequelle 48 um eine Gleichspannungsquelle, die elektrische Energie aus einem geeigneten elektrischen Energiespeicher, beispielsweise einem Akkumulator oder dergleichen, bereitstellt. Alternativ oder ergänzend können hier natürlich auch Brennstoffzellen und/oder dergleichen oder bei stationären Anwendungen auch eine Energieversorgung aus einem öffentlichen Energieversorgungsnetz vorgesehen sein.
Der Wechselrichter 32 weist für die Bereitstellung der Phasen U, V, W zugeordnete Wechselrichtereinheiten 36, 38, 40 auf, die durch geeignete, getaktete Energiewandler gebildet sind. Zu diesem Zweck weist jede Wechselrichtereinheit 36, 38, 40 eine eigene Halbbrückenschaltung (12) auf, die an einem in 1 nicht weiter dargestellten Gleichspannungszwischenkreis des Wechselrichters 32 angeschlossen ist, um hierdurch mit elektrischer Energie versorgt zu werden. Die Halbbrückenschaltung bei Wechselrichtern ist dem Grunde nach bekannt, weshalb bezüglich weiterer Erläuterungen hierzu auf die entsprechende Fachliteratur verwiesen wird. Es wird lediglich angemerkt, dass die Halbbrückenschaltung eine Reihenschaltung aus zwei elektronischen Schaltelementen aufweist, die an die jeweilige Zwischenkreisgleichspannung des Wechselrichters 32 angeschlossen sind. Die elektronischen Schaltelemente werden mittels einer nicht weiter dargestellten Steuereinheit in einem Taktbetrieb betrieben, der zum Beispiel Taktmuster nach Art eines PWM-Signals bereitstellt. An einem jeweiligen Mittelabgriff der Halbbrückenschaltungen steht dann die entsprechende Phase U, V, W der dreiphasigen Wechselspannung 34 zur Verfügung. Durch die Induktivität der Ständerwicklung 20 erfolgt eine entsprechende Filterung, sodass sich für jede der Phasen U, V, W ein entsprechender Wechselstrom einstellt, der bei geeigneter Steuerung der Wechselrichtereinheiten 36, 38, 40 nahezu sinusförmig ausgebildet sein kann.
Der Wechselrichter 32 bildet zusammen mit der Synchronmaschine 10 eine elektrische Antriebseinrichtung 30. 2 zeigt eine schematische Explosionsdarstellung für den Ständer 12 der Synchronmaschine 10. Zu erkennen ist, dass der Ständer 12 das Blechpaket 14 aufweist, bei dem Ständerzähne 16, die mit jeweiligen Zahnwicklungen 22 bestückt sind, mittels einer nicht weiter dargestellten mechanischen Verbindungseinheit mit dem ringförmigen Blechpaket 14 zusammengefügt werden können.
Die Ständerwicklung 20 weist also eine Mehrzahl von Zahnwicklungen 22 auf, wobei eine jeweilige der Zahnwicklungen 22 an einem jeweiligen der Ständerzähne 16 angeordnet ist. In der vorliegenden Ausgestaltung ist vorgesehen, dass jeder der Ständerzähne 16 eine entsprechende Zahnwicklung 22 aufweist. In alternativen Konstruktionskonzepten braucht dies nicht der Fall zu sein, sondern es können auch Ständerzähne 16 ohne eine entsprechende Zahnwicklung vorgesehen sein.
Jede der Zahnwicklungen 22 weist einen jeweiligen ersten elektrischen Leiter 24 auf, der in einer Mehrzahl von Windungen umlaufend um den jeweiligen Ständerzahn 16 herum angeordnet ist. Die Zahnwicklungen 22 sind in der Synchronmaschine 10 entsprechend verschaltet, sodass der dreiphasige Anschluss an den Wechselrichter 32 erfolgen kann. Dies ist in den FIG jedoch nicht weiter dargestellt.
3 zeigt nun in einer schematischen Darstellung eine der Zahnwicklungen 22, bei der der erste elektrische Leiter 24 um den nicht dargestellten Ständerzahn 16 herumgewickelt ist. Vorliegend ist die Zahnwicklung 22 nach Art einer langgestreckten Spule ausgebildet. Natürlich kann je nach Ausgestaltung und Konstruktion auch vorgesehen sein, dass eine mehrlagige Wicklung vorgesehen ist, um beispielsweise eine entsprechend hohe magnetische Durchflutung mit einem vorgegebenen elektrischen Strom erreichen zu können.
4 zeigt nun eine entsprechende Zahnwicklung 22 gemäß der Erfindung, wobei die Darstellung der Darstellung gemäß 3 entspricht. Aus 4 ist ersichtlich, dass die Zahnwicklung 22 einen jeweiligen vom ersten elektrischen Leiter 24 elektrisch isolierten zweiten elektrischen Leiter 26 aufweist, der eine Mehrzahl von umlaufend um den jeweiligen Ständerzahn 16 herum angeordneten Windungen aufweist. Die jeweiligen Windungen des ersten und des zweiten elektrischen Leiters 24, 26 sind bifilar angeordnet. Das heißt, dass in Längserstreckung der Zahnwicklung 22 jeweils immer eine Windung des ersten elektrischen Leiters 24 benachbart zu einer Windung des zweiten elektrischen Leiters 26 angeordnet ist. Dies hat den Vorteil, dass bei einem Windungskurzschluss zwischen zwei benachbart angeordneten Windungen der Windungskurzschluss immer zwischen dem ersten elektrischen Leiter und dem zweiten elektrischen Leiter auftritt. Anders als bei der Zahnwicklung 22 gemäß 3 erfolgt der Windungskurzschluss also nicht innerhalb der durch den ersten elektrischen Leiter 24 gebildeten Wicklung. Hieraus ergeben sich besondere Vorteile, die anhand der folgenden FIG weiter erläutert werden sollen.
6 zeigt in einer schematischen Ersatzschaltbilddarstellung die Funktionalität der Zahnwicklung 22 gemäß 3. Im bestimmungsgemäßen Betrieb der Zahnwicklung 22 gemäß 3, das heißt, ohne Windungskurzschluss, ist mit dem Bezugszeichen 50 eine Spannungsquelle dargestellt, die die in die Zahnwicklung 22 induzierte elektrische Spannung repräsentiert. Mit dem Bezugszeichen 52 ist die Induktivität L_m der Zahnwicklung 22 dargestellt. Für den Fachmann ist die Funktionalität dieses Ersatzschaltbilds nachvollziehbar, weshalb von weiteren Ausführungen hierzu abgesehen wird. Vielmehr wird auf die entsprechende Fachliteratur verwiesen.
7 zeigt nun ebenfalls in einer schematischen Ersatzschaltbilddarstellung die Verhältnisse, wenn bei der Zahnwicklung 22 gemäß 3 ein Windungskurzschluss auftritt. Durch den Windungskurzschluss wird eine zweiteilige Wicklung auf dem Ständerzahn 16 ausgebildet, deren Wirkung mit dem Ersatzschaltbild gemäß 7 weiter verdeutlicht wird. Mit 60 ist eine Spannungsquelle bezeichnet, die im bestimmungsgemäßen Betrieb der Synchronmaschine 10 die entsprechende der Phasen U, V, W an der Zahnwicklung 22 gemäß 3 bereitstellt. Mit 54 ist die induzierte Spannung u_emk,1 dargestellt, wie sie aufgrund der nunmehr vorliegenden Verhältnisse in dem entsprechenden Wicklungsteil der Zahnwicklung 22 induziert wird. Mit 56 ist eine Teilinduktivität L'_m und mit 58 der elektrische Widerstand des entsprechenden Teils des elektrischen Leiters 24 erfasst.
Für den anderen Teil der Zahnwicklung 22 sind ebenfalls die entsprechenden Symbole dargestellt. 64 bezeichnet den elektrischen Widerstand des entsprechend zugeordneten Teils des elektrischen Leiters 24 der Zahnwicklung 22 gemäß 3 und 66 die zugeordnete elektrische Induktivität L"_m sowie das Bezugszeichen 68 die in diesen Wicklungsteil der Zahnwicklung 22 induzierte elektrische Spannung u'_emk,2 .
Zu erkennen ist, dass beide Wicklungsteile, die durch den Windungskurzschluss voneinander separiert sind, über eine Transformation 62 miteinander ergänzend gekoppelt sind. Die jeweiligen Werte der Symbole und auch der Transformation 62 sind davon abhängig, an welcher Stelle der Zahnwicklung 22 der entsprechende Windungskurzschluss auftritt. Wird auf der Ständerseite mit 60 aktiv ein elektrischer Strom eingespeist oder die Anschlussklemmen freigeschaltet, wird in der Sekundärseite, die die Symbole 64, 66, 68 umfasst, ein sehr großer Strom induziert, weil der Wicklungswiderstand 64 und die Induktivität 66 sehr klein sind. Hierdurch ergeben sich die bereits eingangs erläuterten Probleme hinsichtlich der enormen thermischen und elektrischen Beanspruchung.
8 zeigt nun ein entsprechendes Ersatzschaltbild für die Zahnwicklung 22 gemäß 4. Zu erkennen ist, dass jeder der beiden elektrischen Leiter 24, 26 einen eigenen Zweig bildet, wobei die Zweige elektrisch parallelgeschaltet sind. Der Zweig des elektrischen Leiters 24 weist die Induktivität L_a auf, die mit dem Bezugszeichen 70 bezeichnet ist, und die in Reihe mit einer Spannungsquelle u_emk,a , die mit dem Bezugszeichen 74 bezeichnet ist, in Reihe geschaltet ist. Diese beiden Symbole 70, 74 stellen die Funktionalität im bestimmungsgemäßen Betrieb dar, das heißt, wenn kein Windungskurzschluss vorliegt. Entsprechend ist für den elektrischen Leiter 26 ein Zweig aus einer Reihenschaltung mit einer Induktivität L_b und einer Spannungsquelle u_emk,b , die mit dem Bezugszeichen 76 bezeichnet ist, dargestellt, wobei die Induktivität das Bezugszeichen 72 aufweist. Da beide durch die elektrischen Leiter 24, 26 gebildeten Wicklungen im Wesentlichen die gleiche Windungszahl aufweisen und vom gleichen magnetischen Fluss durchströmt sind, kann durch die Parallelschaltung gemäß 8 eine Funktionalität wie für die Zahnwicklung 22 gemäß 3 erreicht werden, deren Ersatzschaltbild gemäß 6 dargestellt ist.
9 zeigt nun die Verhältnisse entsprechend 7, wobei bei dem Betriebszustand, der gemäß 9 dargestellt ist, ein Windungskurzschluss zwischen zwei benachbarten Windungen des ersten elektrischen Leiters 24 und des zweiten elektrischen Leiters 26 vorliegt. Wie aus dem für diesen Betriebszustand dargestellten Ersatzschaltbild gemäß 9 ersichtlich ist, hat sich die Schaltungsstruktur des Ersatzschaltbildes, welches gemäß 8 bereits erläutert wurde, wie entsprechend gemäß 9 dargestellt, geändert.
Aus 9 ist ersichtlich, dass jeder der beiden elektrischen Leiter 24, 26 nunmehr zwei Abschnitte aufweist, wobei die jeweils mit entsprechenden Abschnitte des ersten und des zweiten elektrischen Leiters 24, 26 parallelgeschaltet sind. Am Punkt des Windungskurzschlusses 94 sind die jeweiligen Abschnitte parallelgeschaltet.
Zu erkennen ist, dass ein erster Abschnitt des elektrischen Leiters 24 zwischen einem ersten Anschlusspunkt 96 der Zahnwicklung 22 und dem Wicklungskurzschluss 94 die Induktivität L'_a aufweist, die mit dem Bezugszeichen 78 gekennzeichnet ist und die mit einer Spannungsquelle u'_emk,a in Reihe geschaltet ist, die das Bezugszeichen 82 aufweist. Entsprechend ist für einen entsprechenden ersten Abschnitt des elektrischen Leiters 26 zwischen dem Anschlusspunkt 96 und dem Wicklungskurzschluss 94 eine Induktivität L'_b , die mit dem Bezugszeichen 80 gekennzeichnet ist, mit einer Spannungsquelle u'_emk,b in Reihe geschaltet dargestellt, die das Bezugszeichen 84 aufweist. Diese beiden Abschnitte sind zwischen dem Anschlusspunkt 96 und dem Punkt 94 parallelgeschaltet.
Entsprechend ist zwischen dem Wicklungskurzschluss 94 und einem Anschlusspunkt 100 der Zahnwicklung 22 vorgesehen, dass ein zweiter Abschnitt des elektrischen Leiters 24 eine Induktivität L"_a umfasst, die das Bezugszeichen 86 hat, und die mit einer Spannungsquelle u"_emk,a in Reihe geschaltet ist, die das Bezugszeichen 90 aufweist. Entsprechend ist ein zweiter Abschnitt des zweiten elektrischen Leiters 26 eine Induktivität L"_b vorgesehen, die das Bezugszeichen 88 hat, und die in Reihe mit einer Spannungsquelle u"_emk,b geschaltet ist, die das Bezugszeichen 92 hat. Auch hier sind diese beiden Reihenschaltungen zwischen dem Wicklungskurzschluss 94 und dem Anschlusspunkt 100 der Zahnwicklung 22 parallelgeschaltet.
Wie aus den 7 ersichtlich ist, ergibt sich bei dem Windungskurzschluss in der Zahnwicklung 22 ein Transformator mit zwei Wicklungen, wobei hier ein Wicklungsverhältnis N-1 /1 ergibt, wobei N die Anzahl der Windungen ist, verglichen mit 7. Wird ständerseitig aktiv die Zahnwicklung 22 mit einem elektrischen Strom beaufschlagt oder die Zahnwicklung 22 freigeschaltet, wird in einer Sekundärseite, welche durch den Windungskurzschluss bestimmt ist, ein sehr großer Strom induziert, weil der Wicklungswiderstand und die Induktivität sehr klein sind.
Findet dagegen in dem System mit den bifilar gewickelten elektrischen Leitern 24, 26 gemäß 4 ein Windungskurzschluss zwischen zwei benachbarten Windungen statt, ergibt sich das Ersatzschaltbild gemäß 9. Der Windungskurzschluss führt hier zu einer Serienschaltung von zwei parallelgeschalteten Induktivitäten. Liegt ein Windungskurzschluss derart vor, dass die Induktivitäten etwa gleich groß sind, stellt sich ein elektrischer Strom im Kurzschlussfall ein, der sehr gering ist, im Idealfall sogar null ist. Dies ergibt sich dann, wenn der Wert der Induktivität L'_a etwa gleich groß der Induktivität L'_b ist und zugleich der Wert der Induktivität L"_a etwa der Induktivität L"_b entspricht.
Darüber hinaus kann sich in diesem Betriebszustand ergeben, dass die induzierte Spannung u'_em,a etwa gleich der induzierten Spannung u'_emk,b ist und zugleich auch die induzierte elektrische Spannung u"_emk,a etwa gleich der induzierten Spannung u"_emk,b ist. Ist der Windungskurzschluss nicht symmetrisch, kann sich ein zirkulierender elektrischer Strom über die Induktivität L'_a und L'_b beziehungsweise L"_a und L"_b ausbilden, welcher sich über eine jeweilige Gesamtinduktivität ausbildet, und zwar jeweils L'_a + L'_b beziehungsweise L"_a + L"_b, der sich aufgrund der induzierten Spannungen, nämlich einerseits u'_emk,a - u'_emk,b beziehungsweise u''_emk,a-u"_emk,b einstellt. Ein unsymmetrisch vorliegender Windungskurzschluss wirkt sich somit wie ein Stromteiler in Bezug auf die Speisung aus dem Ständer auf, sodass im Vergleich zum Windungskurzschluss gemäß 7 im Wesentlichen keine Beeinflussung durch den Ständerstrom stattzufinden braucht, wie es aufgrund der Transformation 62 des Transformators gemäß 7 vorliegt. Ersichtlich ist natürlich auch, dass, je näher ein Windungskurzschluss an den Anschlusspunkten 96 oder 100 auftritt, die Wirkung der bifilar gewickelten Zahnwicklung 22 reduziert wird. Dies kann durch eine elektrische Antriebseinrichtung 30, wie sie im Folgenden erläutert wird, weiter reduziert werden.
Aus 9 ist ferner ersichtlich, dass in einer weiteren Ausgestaltung jeder der elektrischen Leiter 24, 26 ein jeweiliges Sicherungselement 98 aufweist, welches vorliegend nach Art einer Schmelzsicherung ausgebildet ist. Dadurch ist es möglich, eine zusätzliche Sicherung zu erreichen. An den Anschlusspunkten 96, 100 kann nämlich auch der Kurzschlussstrom bei einem Windungskurzschluss erfasst werden. Durch die Sicherungselemente 98 kann dieser bei Erreichen eines Auslösestroms des jeweiligen der Sicherungselemente 98 unterbrochen werden.
10 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Synchronmaschine 10, die im Unterschied zur Synchronmaschine 10 gemäß 1 und 2 nicht sechs-polig, sondern nunmehr zwölf-polig ausgebildet ist. Entsprechend weist der Ständer 12 zwölf Ständerzähne 16 auf, die in Umfangsrichtung äquidistant angeordnet sind. In einer durch den Ständer 12 gebildeten Durchgangsöffnung ist wiederum der Läufer 28 angeordnet, der in dieser Ausgestaltung ebenfalls zwölf-polig ausgebildet ist und somit sechs Nordpole und sechs Südpole in Umfangsrichtung bereitstellt, die alternierend angeordnet sind. Auch hier ist vorgesehen, dass der magnetische Fluss, der durch den Läufer 28 bereitgestellt wird, durch Permanentmagnete bereitgestellt wird, die in geeigneter Weise im Bereich des äußeren Umfangs des Läufers 28 angeordnet sind.
Jeder der Ständerzähne 16 ist auch hier mit einer Zahnwicklung 22 ausgerüstet. Die Zahnwicklung 22 entspricht der, wie sie bereits anhand von 4 ausführlich erläutert wurde, weshalb ergänzend auf die diesbezüglichen Ausführungen verwiesen wird. Jede der Zahnwicklungen 22 weist wieder einen jeweiligen ersten elektrischen Leiter 24 und einen jeweiligen zweiten elektrischen Leiter 26 auf, die in dieser Ausgestaltung bifilar auf den jeweiligen Ständerzahn 16 aufgewickelt sind. Diese Synchronmaschine 10 ist ebenfalls für eine Beaufschlagung mit einer dreiphasigen elektrischen Wechselspannung ausgebildet, wobei jede der Phasen wieder mit U, V, W bezeichnet ist.
11 zeigt eine elektrische Verschaltung der Zahnwicklungen 22 für die Synchronmaschine 10 gemäß 10. In 11 sind jedoch nur neun der Ständerzähne 16 mit den jeweiligen Zahnwicklungen 22 dargestellt. Aus 11 ergibt sich, dass jeweils vier Ständerzähne 16 einer jeweiligen der Phasen U, V, W der elektrischen dreiphasigen Wechselspannung zugeordnet sind.
Darüber hinaus ist ersichtlich, dass jede der Zahnwicklungen zwei voneinander elektrisch isolierte elektrische Leiter 24, 26 aufweist, wie dies bereits bezüglich des Ausführungsbeispiels gemäß 4 erläutert worden ist. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel gemäß 4 sind die elektrischen Leiter 24, 26 einer jeweiligen der Zahnwicklungen 22 jedoch nicht parallelgeschaltet. Vielmehr sind phasenweise die elektrischen Leiter 24, 26 der jeweiligen Phase zugeordneten Zahnwicklungen 22 in Reihe geschaltet. Die entsprechenden Anschlüsse sind mit U_A1 , U_B1 , V_A1 , V_B1 , W_A1 und W_B1 bezeichnet. Diese Anschlüsse stehen jeweils paarweise an der Synchronmaschine 10 beziehungsweise deren Ständer 12 zur Verfügung, um an dem Wechselrichter 32 entsprechend angeschlossen zu werden. 5 zeigt, wie die durch die jeweiligen elektrischen Leiter 24, 26 gebildeten Teilwicklungen der jeweiligen Zahnwicklung 22 an Phasenmodule 42, 44 einer jeweiligen Wechselrichtereinheit 36 des Wechselrichters 32 angeschlossen sind.
12 zeigt den Wechselrichter 32, an den die jeweiligen Wicklungsanschlüsse U_A1 , U_B1 , V_A1 , V_B1 , W_A1 und W_B1 angeschlossen sind. Mit 12 ist in 12 der Ständer 12 gemäß 11 dargestellt. Wie aus 12 ersichtlich ist, ist für jede der Phasen U, V, W der dreiphasigen elektrischen Wechselspannung 34 eine jeweilige Wechselrichtereinheit 36, 38, 40 vorgesehen. Aus 12 ist ferner ersichtlich, dass jede der Wechselrichtereinheiten 36, 38, 40 ein jeweiliges erstes Phasenmodul 42 und ein jeweiliges zweites Phasenmodul 44 aufweist. Die jeweiligen beiden Phasenmodule 42, 44 stellen jeweils die gleiche elektrische Phase U, V, W der mehrphasigen elektrischen Wechselspannung 34 elektrisch getrennt bereit. Aus 12 ist ersichtlich, dass der jeweilige erste elektrische Leiter 24 einer jeweiligen der Zahnwicklungen 22 an das entsprechende erste Phasenmodul 42 und der jeweilige der zweiten elektrischen Leiter 26 der Zahnwicklungen 22 an das entsprechende zweite Phasenmodul 44 elektrisch angeschlossen sind. Dadurch können die elektrischen Leiter 24, 26 elektrisch getrennt mit elektrischer Energie beaufschlagt werden, sodass Isolationsfehler, insbesondere ein Windungskurzschluss in einer jeweiligen der Zahnwicklungen 22, erfasst werden können. Mit der in 12 dargestellten elektrischen Antriebseinrichtung kann somit ein isoliertes System, insbesondere ein IT-System, bereitgestellt werden, welches eine hohe Fehlertoleranz aufweist.
Besonders vorteilhaft erweist es sich ferner, wenn die Wechselrichtereinheiten 36, 38, 40 elektrisch getrennt mit Zwischenkreisgleichspannung beaufschlagt werden können, sodass elektrische Wechselwirkungen aufgrund von Isolationsfehlern zwischen den Wechselrichtereinheiten 36, 38, 40, insbesondere zwischen deren Phasenmodulen 42, 44, weitgehend vermieden werden können. Zu diesem Zweck können ergänzend galvanisch trennende DC/DC-Wandler vorgesehen sein.
Die Ausgestaltung gemäß 12 nutzt die Vorteile, die sich durch eine Zahnwicklung ergeben, die aus zwei elektrisch gegenüber einander isolierten elektrischen Leitern gebildet ist, die bifilar gewickelt sind. Für die grundsätzliche Bereitstellung des isolierten Systems gemäß 12 ist das bifilare Wickeln einer jeweiligen der Zahnwicklungen 22 jedoch nicht zwingend erforderlich. Gleichwohl kann hierdurch eine besonders zuverlässige elektrische Antriebseinrichtung 30 erreicht werden.
Die Ausführungsbeispiele dienen lediglich der Erläuterung der Erfindung und sollen diese nicht beschränken. Darüber hinaus gelten die für den erfindungsgemäßen Ständer angegebenen Vorteile und Wirkungen natürlich gleichermaßen für die mit einem solchen Ständer ausgerüstete elektrische Maschine sowie auch eine mit einer solchen elektrischen Maschine ausgerüsteten elektrischen Antriebseinrichtung und umgekehrt. Die elektrische Antriebseinrichtung braucht nicht ausschließlich dazu vorgesehen sein, elektrisch antreibbare Fahrzeuge antreiben zu können. Die elektrische Antriebseinrichtung kann auch für jedwede andere Antriebsfunktion vorgesehen sein, beispielsweise bei industriellen Anlagen, bei Energieerzeugungsanlagen und/oder dergleichen.
Bezugszeichenliste

10: Synchronmaschine
12: Ständer
14: Blechpaket
16: Ständerzahn
18: Luftspalt
20: Ständerwicklung
22: Zahnwicklung
24: elektrischer Leiter
26: elektrischer Leiter
28: Läufer
30: Antriebseinrichtung
32: Wechselrichter
34: Wechselspannung
36: Wechselrichtereinheit
38: Wechselrichtereinheit
40: Wechselrichtereinheit
42: Phasenmodul
44: Phasenmodul
48: Energiequelle
50: Spannungsquelle
52: Induktivität
54: Spannungsquelle
56: Induktivität
60: Spannungsquelle
62: Transformation
64: Wicklungswiderstand
66: Induktivität
68: Spannungsquelle
70: Induktivität
72: Induktivität
74: Spannungsquelle
76: Spannungsquelle
78: Induktivität
80: Induktivität
82: Spannungsquelle
84: Spannungsquelle
86: Induktivität
88: Induktivität
90: Spannungsquelle
92: Spannungsquelle
94: Windungskurzschluss
96: Anschlusspunkt
98: Sicherungselement
100: Anschlusspunkt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

„A Comparative Study of Permanent Magnet and Switched Reluctance Motors for High-Performance Fault-Tolerant Applications” von A.G. Jack et al., IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 32, Nummer 4, Juli/August 1996. [0006]

Claims

Ständer (12) für eine rotierende elektrische Maschine (10) mit: - einem Blechpaket (14), welches Ständerzähne (16) bezüglich eines Luftspalts (18) der rotierenden elektrischen Maschine (10) bereitstellt, und - einer Ständerwicklung (20), die eine Mehrzahl von Zahnwicklungen (22) aufweist, wobei eine jeweilige der Zahnwicklungen an einem jeweiligen der Ständerzähne (16) angeordnet ist und einen jeweiligen ersten elektrischen Leiter (24) aufweist, der in einer Mehrzahl von Windungen umlaufend um den jeweiligen Ständerzahn (16) herum angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass - die jeweilige Zahnwicklung (22) einen jeweiligen vom ersten elektrischen Leiter (24) elektrisch isolierten zweiten elektrischen Leiter (26) mit einer Mehrzahl von umlaufend um den jeweiligen Ständerzahn (16) herum angeordneten Windungen aufweist, wobei die jeweiligen Windungen des ersten und des zweiten elektrischen Leiters (24, 26) bifilar angeordnet sind.
Ständer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige erste und der jeweilige zweite elektrische Leiter (24, 26) elektrisch parallelgeschaltet sind.
Ständer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der elektrischen Leiter (24, 26) mit einem Sicherungselement in Reihe geschaltet ist.
Rotierende elektrische Maschine (10) mit einem Ständer (12) und einem gegenüber dem Ständer (12) drehbar angeordneten Läufer (28), dadurch gekennzeichnet, dass der Ständer (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.
Rotierende elektrische Maschine (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die rotierende elektrische Maschine (10) als Synchronmaschine ausgebildet ist.
Rotierende elektrische Maschine (10) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Läufer (28) als permanenterregter Läufer ausgebildet ist.
Elektrische Antriebseinrichtung (30) mit: - einem Wechselrichter (32) zum Bereitstellen einer mehrphasigen elektrischen Wechselspannung (34), wobei der Wechselrichter (32) zum Bereitstellen einer jeweiligen Phase (U, V, W) der mehrphasigen elektrischen Wechselspannung (34) für jede Phase (U, V, W) wenigstens eine der jeweiligen Phase (U, V, W) zugeordnete Wechselrichtereinheit (36, 38, 40) aufweist, und - einer rotierenden elektrischen Maschine (10) mit einem Ständer (12) und einem drehbar gegenüber dem Ständer (12) angeordneten Läufer (28), wobei der Ständer (12) aufweist: - ein Blechpaket (14), welches Ständerzähne (16) bezüglich eines zwischen dem Ständer (12) und dem Läufer (28) ausgebildeten Luftspalts (18) der rotierenden elektrischen Maschine (10) bereitstellt, und - eine Ständerwicklung (20), die eine Mehrzahl von den jeweiligen Phasen (U, V, W) der mehrphasigen elektrischen Wechselspannung (34) zugeordneten Zahnwicklungen (22) aufweist, wobei eine jeweilige der Zahnwicklungen (22) an einem jeweiligen der Ständerzähne (16) angeordnet ist und einen jeweiligen ersten elektrischen Leiter (24) aufweist, der in einer Mehrzahl von Windungen um den jeweiligen Ständerzahn (16) herum umlaufend angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass - die jeweilige Zahnwicklung (22) einen vom jeweiligen ersten elektrischen Leiter (24) elektrisch isolierten jeweiligen zweiten elektrischen Leiter (26) mit einer Mehrzahl von um den jeweiligen Ständerzahn (16) umlaufend herum angeordneten Windungen aufweist, und - die Wechselrichtereinheit (36, 38, 40) einer jeweiligen Phase (U, V, W) ein jeweiliges erstes und ein jeweiliges zweites Phasenmodul (42, 44) aufweist, die beide die gleiche jeweilige elektrische Phase (U, V, W) der mehrphasigen elektrischen Wechselspannung (34) elektrisch getrennt bereitstellen und wobei der jeweilige erste elektrische Leiter (24) an das entsprechende erste Phasenmodul (42) und der jeweilige zweite elektrische Leiter (26) an das entsprechende zweite Phasenmodul (44) elektrisch angeschlossen sind.
Elektrische Antriebseinrichtung (30) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen Windungen des ersten und des zweiten elektrischen Leiters (24, 26) einer jeweiligen der Zahnwicklungen (22) bifilar angeordnet sind.
Elektrische Antriebseinrichtung (30) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die rotierende elektrische Maschine (10) als Synchronmaschine ausgebildet ist.
Elektrische Antriebseinrichtung (30) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Läufer (28) als permanenterregter Läufer ausgebildet ist.
Elektrische Antriebseinrichtung (30) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, gekennzeichnet durch eine Überwachungseinheit (46), die ausgebildet ist, die jeweiligen ersten und zweiten elektrischen Leiter (24, 26) der Zahnwicklungen (22) bezüglich eines Isolationsfehlers zwischen dem jeweiligen ersten und dem jeweiligen zweiten elektrischen Leiter (24, 26) zu überwachen.