DE102019206156A1

DE102019206156A1 - Ausfallsichere elektrische Maschine

Info

Publication number: DE102019206156A1
Application number: DE102019206156.7A
Authority: DE
Inventors: Markus Klöpzig; Aristide Spagnolo; Dirk Diehl
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2019-04-30
Filing date: 2019-04-30
Publication date: 2020-11-05

Abstract

Es wird eine elektrische Synchronmaschine (1)- mit einer zentralen Achse (A),- mit einem Rotor (11), welcher zur Ausbildung eines Magnetfeldes mit einer magnetischen Polpaarzahl p ausgelegt ist,- und mit einem Stator (3) angegeben.Der Stator umfasst- ein Statorjoch (5) mit einer Mehrzahl s von Nuten (6) und- eine wenigstens teilweise in die Nuten (6) eingebettete Statorwicklung (4)- wobei die Statorwicklung (4) eine Mehrzahl i von elektrisch separierten und in Umfangsrichtung räumlich separierten Wicklungssegmenten (a,b,c,d) aufweist,- wobei jedes Wicklungssegment (a,b,c,d) eine Mehrzahl m von elektrisch separierten und in Umfangsrichtung ineinandergeschachtelten Wicklungssträngen (ua'-wa"bis ud'-wd") aufweist,- wobei m = k·n ist, wobei kein Basiswert ist, der wenigstens 3 ist, und n ein ganzzahliger Multiplikator ist, der wenigstens 2 ist.Weiterhin wird ein Betriebsverfahren für eine solche Synchronmaschine (1) angegeben.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einer magnetischen Polpaarzahl p und einer zentralen Achse, umfassend ein Statorjoch mit einer Mehrzahl von Nuten und eine Statorwicklung. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer solchen elektrischen Maschine.
Beim Betrieb elektrischer Maschinen wird es zunehmend wichtiger, eine Ausfallsicherheit gegenüber Fehlerfällen zu gewährleisten. Dies gilt vor allem für elektrische Maschinen, welche für den Antrieb eines Fahrzeugs verwendet werden, also beispielsweise eines elektrisch betriebenen Automobils oder auch eines elektrisch betriebenen Luftfahrzeugs. Hier ist es besonders wichtig, dass bei Auftreten eines Fehlerfalls, zum Beispiel in einem Leistungsmodul oder in einer Wicklung zumindest ein Notfall-Betriebsmodus der Maschine erhalten bleibt. Mit einem solchen Notfall-Betriebsmodus ist es immerhin möglich, das Fahrzeug für eine Reparatur sicher und aus eigenem Antrieb in eine Werkstatt zu bringen. Ein solcher Modus wird im englischen auch als „Limp Home Mode“ bezeichnet. Aber auch bei anderen Maschinen wie zum Beispiel Kraftwerksgeneratoren oder Windkraftgeneratoren wird es zunehmend wichtiger, dass bei der Maschine ein solcher Notfall-Betriebsmodus zur Verfügung steht, bei dem die Maschine nach Auftreten eines Fehlerfalls nicht völlig ausfällt, sondern mit reduzierter Leistung weiterlaufen kann.
Aus dem Stand der Technik sind bereits elektrischen Maschinen - insbesondere permanentmagnet-assistierte Synchron-Reluktanz-Maschinen - bekannt, welche einen derartigen Notfall-Betriebsmodus ermöglichen. Für eine solche Ausfallsicherheit ist vor allem der Aufbau des Stators der Maschine relevant, da hier die Wicklung meist komplexer ist als im Rotor (soweit überhaupt vorhanden) und eine höhere Anzahl von stark beanspruchten Leistungsmodulen zum Einsatz kommt. Daher ist die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten eines solchen Fehlerfalls im Stator besonders hoch. Durch die Verwendung von Permanentmagneten im Rotor kann dort die Fehleranfälligkeit ohnehin sehr wirksam reduziert werden. Eine solche Möglichkeit besteht für die komplexe Statorwicklung nicht.
Prinzipiell können für die Statorwicklung unterschiedliche Wicklungstypen zum Einsatz kommen. So sind beispielsweise Statoren mit Einzelzahn-Wicklungen und Statoren mit über den Umfang verteilten Wicklungen bekannt. Dabei weisen die verteilten Wicklungen oft Vorteile bei der Ausnutzung des magnetischen Flusses auf. Bei solchen verteilten Wicklungen kann eine erhöhte Ausfallsicherheit erreicht werden, wenn die Wicklung als sogenannte separierte Wicklung ausgestaltet wird. Eine solche separierte Statorwicklung ist in eine Mehrzahl von in Umfangsrichtung räumlich separierten Wicklungssegmenten unterteilt. Diese einzelnen Wicklungssegmente können insbesondere auch elektrisch separiert sein. Durch die Verwendung von mehreren einzelnen Umrichtern kann hierbei erreicht werden, dass bei einem Fehlerfall in einem gegebenen Wicklungssegment zumindest ein Teil der anderen Segmente weiter betrieben werden können. Auf diese Weise wird bei solchen separierten Wicklungen eine gewisse Ausfallsicherheit erreicht. Eine genauere Beschreibung einer solchen separierten Statorwicklung in einer permanentmagnet-assistierten Synchron-Reluktanz-Maschine und eine Untersuchung der Toleranz gegenüber unterschiedlichen Arten von Fehlerfällen findet sich in Bo Wang et al., IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 54, No. 2, March/April, 2018, S. 1349-1359. Diese Art der separierten Statorwicklung wird in der Fachwelt auch mit dem englischen Ausdruck „segregated winding“ bezeichnet.
Ein Nachteil einer Maschine mit einer solchen separierten Statorwicklung ist, dass die Anzahl der zum Betrieb der Wicklung benötigten Umrichter zwar gegenüber einer klassischen Dreiphasen-Wicklung erhöht ist, dass aber trotz dieses apparativen Mehraufwands die Vorteile einer echten Multiphasenwicklung (wie eine erhöhte elektrische Leistung und Reduzierung von Oberwellen, Schwingungen und Geräuschen) nicht realisiert werden. Dies liegt daran, dass die einzelnen Umrichter aufgrund der räumlichen Separierung der einzelnen Segmente mit synchronisieren Strömen gespeist werden müssen. Daher wird ein solcher Stator mit separierter Wicklung und erhöhter Umrichter-Zahl in der Fachwelt auch als Schein-Multiphasen-System bezeichnet. Dagegen wird nur ein System mit mehr als drei tatsächlich gegeneinander verschobenen Phasen als echtes Multiphasen-System bezeichnet.
Ein weiterer bekannter Wicklungstyp einer Statorwicklung ist die sogenannte ineinandergeschachtelte Wicklung (englisch: „interlaced winding“). Bei dieser Wicklungsart bilden mehrere dreiphasige Einzelsysteme ein echtes Multiphasen-System aus. Die Teilwicklungen dieser Einzelsysteme sind ineinander verschachtelt und können in Umfangsrichtung räumlich versetzt sein. Jedes der Einzelsysteme ist mit einem eigenen Dreiphasen-Umrichter versehen, sodass die Einzelsysteme jeweils mit einem phasenversetzten Strom gespeist werden können. Hierdurch werden die Vorteile einer echten Multiphasenwicklung erreicht, nämlich eine Leistungssteigerung der Maschine sowie die Reduktion von Oberwellen, Schwingungen und Geräuschen.
Ein Nachteil einer solchen ineinandergeschachtelten Wicklung ist aber, dass eine sehr geringe Ausfallsicherheit besteht. Dies liegt vor allem daran, dass die einzelnen ineinander verschachtelten Teilsysteme magnetisch stark gekoppelt sind. Bei einem Fehlerfall mit einem offenen Stromkreis (open circuit fault) in einem der Teilsysteme, kann das wenigstens eine andere Teilsystem zwar prinzipiell mit seinem unabhängigen Umrichter weiter betrieben werden. Liegt im Fehlerfall dagegen ein Kurzschluss vor, ist ein solcher Notfall-Betriebsmodus dagegen normalerweise nicht möglich, da die aufgrund der starken Verschachtelung auftretenden hohen induzierten Ströme nur kurzzeitig thermisch beherrscht werden können.
Vor allem im Bereich der Synchronmaschinen besteht ein Bedarf, eine Maschinenanordnung zur Verfügung zu stellen, welche eine erhöhte Ausfallsicherheit für verschiedene Arten von Fehlerzuständen aufweist. Insbesondere soll eine solche Ausfallsicherheit nicht nur für offene Stromkreise („open circuit faults“), sondern auch für Kurzschlüsse („short circuit faults“) erreicht werden. Gerade bei permanentmagnet-assistierten Synchron-Reluktanz-Maschinen stellt die Ausfallsicherheit bei Kurzschluss-Fehlern ein bisher nicht befriedigend gelöstes Problem dar, da aufgrund der magnetischen Erregung vergleichsweise hohe Kurzschlussströme in der Statorwicklung zustande kommen können. Dies führt bei herkömmlichen Ausführungen der Maschine häufig zu einem kompletten Zusammenbruch des Betriebs, wenn ein solcher Fehler in einem Teilbereich der Statorwicklung auftritt.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine elektrische Synchronmaschine mit einer Statorwicklung anzugeben, welche die genannten Nachteile überwindet. Insbesondere soll eine Synchronmaschine zur Verfügung gestellt werden, welche sowohl einen möglichst effizienten Betrieb im normalen Betriebszustand der Maschine als auch einen zuverlässigen Notfall-Betriebsmodus für verschiedene Arten von Fehlerfällen ermöglicht. Eine weitere Aufgabe ist es, ein Betriebsverfahren für eine solche elektrische Maschine zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgaben werden durch die in Anspruch 1 beschriebene elektrische Maschine und das in Anspruch 15 beschriebene Verfahren gelöst.
Die erfindungsgemäße elektrische Synchronmaschine weist eine zentrale Achse A auf. Sie umfasst einen Rotor, welcher zur Ausbildung eines Magnetfeldes mit einer magnetischen Polpaarzahl p ausgelegt ist. Sie umfasst ferner einen Stator, wobei insbesondere der Rotor im Verhältnis zum Stator drehbar gelagert ist. Der Stator umfasst ein Statorjoch mit einer Mehrzahl s von Nuten und eine wenigstens teilweise in die Nuten eingebettete Statorwicklung. Diese Statorwicklung weist eine Mehrzahl i von elektrisch separierten und in Umfangsrichtung räumlich separierten Wicklungssegmenten auf. Dabei weist jedes dieser Wicklungssegmente eine Mehrzahl m von elektrisch separierten und in Umfangsrichtung ineinander geschachtelten Wicklungssträngen auf. Die Anzahl m ist durch m = k·n gegeben, wobei kein Basiswert ist, der wenigstens 3 ist, und n ein ganzzahliger Multiplikator ist, der wenigstens 2 ist.
Die Synchronmaschine kann dabei neben dem eigentlichen Stator optional zusätzliche weitere Komponenten, wie insbesondere die mit der Statorwicklung verbundenen Umrichter umfassen. Solche optionalen zusätzlichen Komponenten sollen hier zusammen mit dem eigentlichen Stator als übergeordnete Statorvorrichtung angesehen werden, auch wenn sie nicht Teil des Stators im engeren Sinne sind. Die genannte zentrale Achse A der elektrischen Maschine ist dabei insbesondere auch eine zentrale Achse des Stators. Die genannte magnetische Polpaarzahl p der Maschine kann insbesondere eine Polpaarzahl eines durch den Rotor der Maschine erzeugten magnetischen Erregerfeldes sein. Die Symmetrie des Stators kann auf diese Polpaarzahl angepasst sein.
Die Statorwicklung soll wenigstens teilweise in die Nuten des Statorjochs eingebettet sein. Dies betrifft insbesondere die axial orientierten Leiterabschnitte der Statorwicklung. In den axial endständigen Bereichen der Statorwicklung können diese axialen Leiterabschnitte durch endständige Wickelköpfe verbunden sein, wobei diese Wickelköpfe dann nicht in die Nuten eingebettet sind.
Unter der genannten Eigenschaft, dass die einzelnen Wicklungssegmente „in Umfangsrichtung räumlich separiert“ sind, soll verstanden werden, dass in Umfangsrichtung gesehen kein räumlicher Überlapp der einzelnen Wicklungssegmente vorliegt. Mit anderen Worten sollen in einer „abgewickelten“, ebenen Darstellung der Wicklungstopologie die einzelnen Wicklungssegmente vollständig separiert nebeneinanderliegen. Auch im Bereich der Verbindungen bei den Wickelköpfen soll hier also insbesondere keine räumliche Durchdringung bzw. Überlappung der einzelnen Wicklungssegmente vorliegen. Anders ausgedrückt soll es sich hier um eine separierte Wicklung im Sinne der oben genannten Veröffentlichung von Bo Wang et al. handeln.
Unter der genannten Eigenschaft, dass die in Umfangsrichtung räumlich separierten Wicklungssegmente auch „elektrisch separiert“ sind, soll verstanden werden, dass zumindest innerhalb der Statorwicklung keine elektrische Verbindung der einzelnen Leiterabschnitte von unterschiedlichen Wicklungssegmenten vorliegt. Mit anderen Worten soll auch im Bereich der Wickelköpfe keine elektrische Verbindung zwischen den separierten Wicklungssegmenten geschaffen sein. Dies soll allerdings nicht ausschließen, dass außerhalb der eigentlichen Statorwicklung - also beispielsweise über eine elektrische Verbindung mit den optional vorhandenen Umrichtern - eine externe elektrische Verbindung zwischen solchen Wicklungssegmenten geschaffen wird. Dies kann insbesondere durch elektrische Verbindung mit einem gemeinsam genutzten Umrichter der Fall sein. Wesentlich ist im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung nur, dass weder im Bereich der axialen Leiterabschnitte, noch im Bereich der Wickelköpfe der Statorwicklung eine derartige Querverbindung zwischen den Wicklungssegmenten vorliegt.
Unter der genannten Eigenschaft, dass die einzelnen Wicklungsstränge innerhalb eines solchen Wicklungssegments „ineinander geschachtelt“ sind, soll hier verstanden werden, dass diese einzelnen Wicklungsstränge in einem Segment durchaus in Umfangsrichtung gesehen räumlich überlappen. Dies steht also im Gegensatz zu dem fehlenden räumlichen Überlapp zwischen den einzelnen Wicklungssegmenten. Mit anderen Worten sollen sich die einzelnen Wicklungsstränge in einem gemeinsamen Wicklungssegment durch ihre Verbindungen im Bereich der Wickelköpfe in einer abgewickelten, ebenen Projektion räumlich durchdringen. Anders gesagt sollen in einem derartigen Wickelschema die einzelnen Wicklungsstränge eines gemeinsamen Wicklungssegments ineinander verflochten sein. Dabei kann insbesondere in Umfangsrichtung ein Versatz zwischen den axialen Leiterabschnitten der einzelnen Wicklungsstränge vorgesehen sein. Hierdurch ergibt sich dann eine in Umfangsrichtung gesehen wechselnde Abfolge der unterschiedlichen Wicklungsstränge innerhalb eines gegebenen Wicklungssegments. Anders ausgedrückt liegt innerhalb eines jeden separierten Wicklungssegments die Topologie einer sogenannten „interlaced winding“ vor.
Die genannten einzelnen Wicklungsstränge entsprechen hier insbesondere den einzelnen elektrischen Phasen einer Mehrphasen-Wechselstrom-Maschine. Die Phasenzahl m ist hier ein Vielfaches von dem Basiswert k. Dabei kann der Basiswert vorteilhaft insbesondere 3 sein oder allgemein auch höher sein. Er kann beispielsweise auch 4 oder 5 sein, wobei m dann einem Vielfachen von 4 oder einem Vielfachen von 5 entspricht. Es handelt sich also in jedem Fall um eine sogenannte echte Multiphasenmaschine.
Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Synchronmaschine liegt darin, dass die Vorteile der eingangs beschriebenen separierten Wicklungstopologie („segregated winding“) mit den Vorteilen der eingangs beschriebenen ineinandergeschachtelten Wicklungstopologie („interlaced winding“) miteinander kombiniert werden und somit gleichzeitig zum Tragen kommen können. Es handelt sich hier also um eine Weiterentwicklung der grundsätzlich bekannten separierten Wicklungstopologie, bei der in jedem einzelnen der separierten Segmente wiederum ein ineinandergeschachteltes („interlaced“) Multiphasen-System vorgesehen ist.
Im Vergleich zu herkömmlichen, einfacheren Wicklungstopologien bringt die beschriebene Kombination von separierten Segmenten einerseits und vielen miteinander verschachtelten Strängen andererseits eine Erhöhung der benötigten Umrichter zur Bestromung der Statorwicklung mit sich. Dieser erhöhte apparative Aufwand führt aber dazu, dass die Synchronmaschine eine sehr hohe Ausfallsicherheit aufweist. Insbesondere bei einem Fehlerfall, der innerhalb eines bestimmten Wicklungssegments auftritt, können ein oder mehrere der übrigen, davon separierten Wicklungssegmente trotzdem weiter betrieben werden. Die elektrische Maschine bleibt also insgesamt in einem Notfall-Betriebsmodus funktionsfähig. Gleichzeitig werden - im Unterschied zur bekannten, reinen separierten Wicklung - zusätzlich die Vorteile einer echten Multiphasenwicklung realisiert. Hierzu gehört eine Erhöhung der elektrischen Leistung der Maschine sowie eine Reduzierung von Oberwellen, Schwingungen und Geräuschen. Mit anderen Worten kann durch die erfindungsgemäße Kombination des separierten Konzepts mit dem ineinander geschachtelten Konzept ein Synergieeffekt erreicht werden. Die vorher nur jeweils einzeln realisierbaren Vorteile einer hohen Ausfallsicherheit einerseits und eines Multiphasen-System andererseits können durch die vorliegende Erfindung nun gleichzeitig realisiert werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist ein Betriebsverfahren für eine erfindungsgemäße elektrische Maschine. Dabei ist jedes Wicklungssegment der Statorwicklung der Maschine dazu ausgelegt, wahlweise entweder in einem Betriebsmodus oder in einem Fehlermodus betrieben zu werden. Bei Auftreten eines Fehlerfalls innerhalb eines bestimmten Wicklungsstrangs eines bestimmten Wicklungssegments wird das gesamte betroffene Wicklungssegment in den Fehlermodus versetzt. Dabei werden gleichzeitig alle oder ein Teil der übrigen Wicklungssegmente in ihrem Betriebsmodus betrieben, sodass ein Betrieb der elektrischen Maschine weiterhin möglich ist. Auch die Vorteile des Betriebsverfahrens ergeben sich analog zu den oben beschriebenen Vorteilen der elektrischen Maschine. Insbesondere kann durch die beschriebene Stilllegung des betroffenen Wicklungssegments und durch den Weiterbetrieb (wenigstens eines Teils) der übrigen Wicklungssegmente die gewünschte Ausfallsicherheit der Maschine gewährleistet werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen sowie der folgenden Beschreibung hervor. Dabei können die beschriebenen Ausgestaltungen der Synchronmaschine und des Betriebsverfahrens allgemein vorteilhaft miteinander kombiniert werden.
So kann die Synchronmaschine besonders vorteilhaft als permanentmagnet-assistierte Synchron-Reluktanz-Maschine ausgestaltet sein. Dabei weist der Rotor eine Mehrzahl von Permanentmagneten auf. Bei einem solchen Maschinentyp kommen die Vorteile der Erfindung in Bezug auf die Ausfallsicherheit besonders wirksam zum Tragen. Insbesondere ist bei diesem Maschinentyp eine solche Ausfallsicherheit insgesamt relativ schwierig zu erreichen.
Alternativ kann der Rotor grundsätzlich aber auch mit einer Erregerwicklung zur Erzeugung des mehrpoligen Magnetfeldes ausgestaltet sein. Auch bei dieser Ausführungsform kann es sich beispielsweise bei der Maschine allgemein um eine Synchron-Reluktanz-Maschine handeln.
Allgemein vorteilhaft kann die Synchronmaschine so ausgestaltet sein, dass bei einem Kurzschlussfall in einem gegebenen Wicklungssegment der dort fließende Kurzschlussstrom thermisch beherrscht werden kann. Mit anderen Worten sollen alle Wicklungssegmente so ausgelegt sein, dass bei einem lokalen Kurzschlussfall und bei einem Weiterbetrieb der Maschine mit Hilfe der übrigen Wicklungssegmente der im betroffenen Wicklungssegment weiterhin fließende Kurzschlussstrom auch über längere Zeit nicht zu einem thermischen Zusammenbruch in diesem Wicklungssegment führt. Mit anderen Worten soll die Kühlung und die thermische Ankopplung eines jeden Wicklungssegments so ausgelegt sein, dass ein lokaler Kurzschlussfall nicht zu einer Zerstörung des Wicklungssegments führt. Die Maschine soll also beispielsweise mindestens über mehrere Minuten und insbesondere sogar über mehrere Stunden im sogenannten Fehlermodus betrieben werden können, ohne dass ein solcher Kurzschlussfall zur Zerstörung der Statorwicklung führt.
Die Synchronmaschine kann vorteilhaft zusätzlich zu den bereits beschriebenen Elementen der Statorvorrichtung eine Mehrzahl u von Umrichtern aufweisen. Diese Umrichter können insbesondere zur Bestromung der Statorwicklung beziehungsweise allgemein zu deren Ansteuerung und/oder Anbindung an ein äußeres Stromnetz vorgesehen sein.
Die genaue Anzahl der hierfür benötigten beziehungsweise vorteilhaft zu verwendenden Umrichter hängt dabei von der Anzahl i der Wicklungssegmente und dem Multiplikator n ab, wobei n wenigstens 2 ist. So kann allgemein vorteilhaft die Anzahl u der Umrichter bei wenigstens i·n liegen. Hierdurch wird erreicht, dass für jedes der i Wicklungssegmente zumindest für jede Dreiergruppe von Wicklungssträngen (oder allgemein für jede Gruppe von k Wicklungssträngen) ein eigener Umrichter zur Verfügung steht. Die Wicklungsstränge können also insgesamt zu solchen Gruppen gruppiert sein, sodass für jede dieser Gruppen ein einzelner 3-phasiger (oder allgemein k-phasiger) Umrichter zum Einsatz kommen kann. Im Vergleich zu einer einfachen dreiphasigen Maschine mit nur einem Umrichter erhöht sich also hier die Zahl der benötigten Umrichter einerseits um den Faktor i (also die Zahl der Wicklungssegmente) und andererseits um den Multiplikator n (um den die Phasenzahl gegenüber dem Basiswert k erhöht ist). Diese beschriebene Anzahl u von Umrichtern von wenigstens i·n kann allgemein sowohl bei geradzahligen als auch bei ungeradzahligen Werten von i zum Einsatz kommen. Dabei können optional allgemein auch noch zusätzliche weitere Umrichter zum Einsatz kommen. Bei einer Verwendung von einphasigen anstelle von mehrphasigen Umrichtern kann die Anzahl u der Umrichter vorteilhaft bei i·n·k liegen.
Bei geradzahligen Werten von i kann gemäß einer ersten Variante auch die oben beschriebene Mindestanzahl von u = i·n zum Einsatz kommen. Alternativ ist es dagegen bei einer geraden Anzahl i von Wicklungssegmenten auch möglich, die Anzahl der benötigten Umrichter um einen Faktor 2 zu reduzieren. Bei dieser Variante ist die Mindestanzahl also durch u = i·n/2 gegeben.
Diese Reduzierung der benötigten Umrichter um einen Faktor 2 kann bei einer geradzahligen Anzahl i von Wicklungssegmenten dadurch erreicht werden, dass die jeweils einander diametral gegenüberliegenden Wicklungssegmente zu einer übergeordneten Wicklungsgruppe zusammengefasst werden. Dann können innerhalb einer Wicklungsgruppe jeweils zwei Wicklungsstränge der diametral gegenüberliegenden Wicklungssegmente zusammen einem gemeinsamen Umrichter zugeordnet sein. Da die Wicklungsstränge aus gegenüberliegenden Wicklungssegmenten auf diese Weise jeweils paarweise zusammengefasst sind, kann die Anzahl der benötigten Umrichter um den oben beschriebenen Faktor 2 reduziert werden.
Allgemein und unabhängig von der genauen Anzahl und Zuordnung der einzelnen Umrichter kann vorteilhaft innerhalb jedes Wicklungssegments entweder jedem Wicklungsstrang oder jeweils einer zusammengefassten Dreiergruppe von Wicklungssträngen ein separater Umrichter zugeordnet sein. Unter der beschriebenen „Zuordnung“ soll insbesondere allgemein verstanden werden, dass eine elektrische Verbindung vorliegt und dass insbesondere mit dem jeweiligen Umrichter ein Strom in den zugeordneten Wicklungsstrang eingespeist werden kann. Bei der erstgenannten Variante ist insbesondere jedem Wicklungsstrang ein separater Einzelphasen-Umrichter zugeordnet. Bei der zweitgenannten Variante sind die Wicklungsstränge insbesondere zu Dreiergruppen (oder allgemein: Gruppen von k Wicklungssträngen) zusammengefasst, und jeder dieser Gruppen ist vorteilhaft ein Dreiphasen-Umrichter (allgemein: k-Phasen-Umrichter) zugeordnet. Diese beschriebene 1:1-Zuordnung bzw. k:1-Zuordnung soll allerdings nur für die Zuordnung innerhalb eines gegebenen Wicklungssegments gelten. Es soll also insbesondere nicht ausgeschlossen sein, dass die für ein gegebenes Wicklungssegment vorgesehenen Umrichter zusätzlich auch mit entsprechenden Wicklungssträngen eines gegenüberliegenden Wicklungssegments verbunden sind.
Allgemein und unabhängig von der genauen Anzahl und Zuordnung der einzelnen Umrichter können diese vorteilhaft jeweils als Frequenzumrichter ausgestaltet sein. Es kann sich also jeweils um Stromrichter handeln, die aus Gleichspannung oder Wechselspannung eine in der Frequenz und Amplitude veränderbare Wechselspannung generieren können. Dies ist für die direkte Bestromung einer Statorwicklung einer rotierenden elektrischen Maschine besonders zweckmäßig. Insbesondere kann es sich bei den Umrichtern vorteilhaft entweder um 1-phasige Frequenzumrichter oder um k-phasige Frequenzumrichter handeln.
Allgemein besonders vorteilhaft können die Umrichter dazu ausgestaltet sein, die Statorwicklung so zu bestromen, dass zwischen allen Wicklungssträngen eines jeweiligen Wicklungssegments eine elektrische Phasenverschiebung vorliegt. Dies wird insbesondere durch den Anschluss eines separaten Umrichters entweder an jeden einzelnen Wicklungsstrang oder an jeder einzelne Dreiergruppe von Wicklungssträngen von einem gegebenen Wicklungssegment erreicht. Bei dieser Ausführungsform können also in einem gegebenen Wicklungssegment alle einzelnen Wicklungsstränge mit einem eigenen, gegen die anderen Wicklungsstränge phasenverschobenen Wechselstrom bestromt werden. Mit anderen Worten handelt es sich dann um ein echtes Multiphasen-System nicht nur um ein Schein-Multiphasen-System. Unter einem solchen echten Multiphasen-System wird allgemein ein System mit einer Strangzahl von mehr als 3 verstanden, bei welchem die einzelnen Wicklungsstränge zueinander phasenverschoben bestromt werden. Die beschriebene Phasenverschiebung muss bei dieser Ausführungsform allerdings nur zwischen den einzelnen Wicklungssträngen innerhalb eines gegebenen Wicklungssegments vorliegen. Im Unterschied dazu ist es nicht nötig, weitere Phasenverschiebungen zwischen den korrespondierenden Wicklungssträngen von unterschiedlichen Wicklungssegmenten vorzusehen. Insbesondere können also jeweils korrespondierende Wicklungsstränge von unterschiedlichen Wicklungssegmenten mit untereinander synchronisierten Wechselströmen gespeist werden.
Gemäß einer allgemein vorteilhaften Ausführungsform kann die magnetische Polpaarzahl p wenigstens 2 sein und insbesondere im Bereich zwischen 2 und 6 liegen. Die magnetische Polpaarzahl einer elektrischen Maschine kann vor allem dadurch zum Ausdruck kommen, dass ein Rotor der elektrischen Maschine zur Ausbildung eines rotierenden Magnetfeldes mit der entsprechenden Polpaarzahl ausgelegt ist. Allerdings ist die magnetische Polpaarzahl p auch an der Geometrie des Stators sichtbar. So ist es insbesondere allgemein vorteilhaft, wenn der Stator einer solchen Maschine eine Grundstruktur mit einer p-zähligen Rotationssymmetrie aufweist. So kann dann beispielsweise die Anzahl der Nuten sein ganzzahliges Vielfaches von p sein. Besonders vorteilhaft ist p wenigstens 3, da dann auch beim Ausfall eines Wicklungssegments noch eine vergleichsweise hohe Rest-Leistung der Maschine aufrechterhalten werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann der Multiplikator n (um den die Phasenzahl m erhöht ist) allgemein einen Wert von 2, 3 oder 4 aufweisen. Die Zahl der Phasen beziehungsweise der einzelnen Wicklungsstränge in einem Wicklungssegment liegt dann also bei insgesamt 6 bzw. 9 oder 12. Diese vergleichsweise niedrigen Multiplikatoren sind besonders bevorzugt, weil dann die Komplexität des Gesamtsystems noch in einem handhabbaren Bereich bleibt und insbesondere die Anzahl der benötigten Umrichter nur um einen vergleichsweise geringen Faktor erhöht ist.
Gemäß einer allgemein bevorzugten Ausführungsform kann der Wert von i gleich dem Wert von p sein. Mit anderen Worten ist dann die Anzahl i der Wicklungssegmente der Statorwicklung zweckmäßig gleich der Polpaarzahl p der elektrischen Maschine. Dies führt vorteilhaft zu einem besonders symmetrischen und an die Polpaarzahl des Rotors angepassten Aufbau des Stators.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform kann die Nutzahl s einen Wert von 2·i·k·n oder einem ganzzahligen Vielfachen davon aufweisen. Bei dieser vorteilhaften Anzahl s ist gewährleistet, dass für jedes der i Wicklungssegmente und dort jeweils für jeden der m = k·n Wicklungsstränge eine eigene Nut sowohl für den Hinleiter als auch für den Rückleiter zur Verfügung steht.
Gemäß einer weiteren allgemein vorteilhaften Ausführungsform kann jedes Wicklungssegment dazu ausgelegt sein, wahlweise entweder in einem Betriebsmodus oder in einem Fehlermodus betrieben zu werden. Dabei ist der jeweilige Betriebsmodus insbesondere für einen regulären Betriebszustand der elektrischen Maschine vorgesehen. Bei dieser Ausführungsform kann die Synchronmaschine insbesondere dazu ausgelegt sein, bei einem innerhalb eines bestimmten Wicklungsstrangs eines bestimmten Wicklungssegments auftretenden Fehlerfall das gesamte betroffene Wicklungssegment in den Fehlermodus zu versetzen und ein oder mehrere der übrigen Wicklungssegmente im Betriebsmodus zu belassen, sodass ein Betrieb der elektrischen Maschine weiterhin möglich ist.
Bei dieser Ausführungsform kann also vorteilhaft ein von einem Fehler betroffenes Wicklungssegment als Ganzes in einen inaktiven Zustand versetzt werden. Die elektrische Maschine kann dabei trotzdem weiter betrieben werden, da zumindest ein Teil der übrigen Wicklungssegmente im aktiven Zustand verbleibt. Dabei können entweder alle übrigen Wicklungssegmente oder auch nur ein Teil der übrigen Wicklungssegmente im aktiven Zustand verbleiben. Insbesondere ist es möglich, dass zusätzlich zu dem direkt betroffenen Wicklungssegment auch das diametral gegenüberliegende Wicklungssegments deaktiviert wird, während die übrigen Wicklungssegmente im aktiven Zustand verbleiben.
Der beschriebene Fehlerfall in dem gegebenen Wicklungssegment kann beispielsweise ein Fehler im Bereich der Spule, des zugeordneten Umrichters und/oder im Bereich eines optionalen zugeordneten Schalters sein. Allgemein kann ein solcher Fehler entweder ein Kurzschluss („short circuit fault“) oder eine ungewollte Unterbrechung eines Stromkreises („open circuit fault“) sein. Ein solcher Fehler in einem gegebenen Wicklungssegment kann entweder nur einen Wicklungsstrang in dem Wicklungssegment oder auch größere Teile des Wicklungssegments oder sogar das Wicklungssegment als Ganzes betreffen.
Bei dem beschriebenen Betriebsmodus wird insbesondere jeder Wicklungsstrang über seinen zugeordneten Umrichter gespeist. Bei dem beschriebenen Fehlermodus kann beispielsweise eine solche Bestromung unterbrochen werden, so dass das betroffene Wicklungssegment im Ganzen deaktiviert wird. Es ist aber alternativ auch möglich, dass in dem Fehlermodus eine veränderte Art der Bestromung in dem betroffenen Wicklungssegment aufrechterhalten wird. Der Fehlermodus kann insbesondere auch ein Kompensationsmodus sein, bei dem die noch funktionierenden Wicklungsstränge des betroffenen Wicklungssegments so weit bestromt werden, dass ein im betroffenen Wicklungsstrang unerwünscht fließender Strom kompensiert werden kann. Ein solcher Kompensationsmodus wird beispielsweise für die herkömmliche separierte Wicklung in der eingangs zitierten Veröffentlichung von Bo Wang et al. beschrieben.
Gemäß einer ersten Ausführungsvariante für die Art der Deaktivierung des betroffenen Wicklungssegments kann jedem der vorhandenen Umrichter ein erster Schalter zugeordnet sein. Diese ersten Schalters sind jeweils dazu ausgelegt, geöffnet zu werden, wenn der innerhalb des zugehörigen Wicklungssegments auftretende Fehlerfall durch einen unterbrochenen Stromkreis (insbesondere im Bereich des betroffenen Wicklungsstrangs) verursacht ist. Mit anderen Worten können diese ersten Schalter dazu verwendet werden, bei einer ungewollten Unterbrechung des Stromkreises (durch die beispielsweise ein betroffener Wicklungsstrang deaktiviert ist) auch alle anderen Wicklungsstränge desselben Wicklungssegments entsprechend zu deaktivieren.
Gemäß einer zweiten Ausführungsvariante für die Art der Deaktivierung des betroffenen Wicklungssegments (welche alternativ oder zusätzlich zu der ersten Variante vorgesehen sein kann), kann jedem der vorhandenen Umrichter ein zweiter Schalter zugeordnet sein. Diese zweiten Schalter sind jeweils dazu ausgelegt, geschlossen zu werden, wenn der innerhalb des zugehörigen Wicklungssegments auftretende Fehlerfall durch einen Kurzschluss (insbesondere im Bereich des betroffenen Wicklungsstrangs) verursacht ist. Mit anderen Worten können diese zweiten Schalter dazu verwendet werden, bei einem ungewollten Kurzschluss (durch den beispielsweise ein betroffener Wicklungsstrang deaktiviert ist) auch alle anderen Wicklungsstränge desselben Wicklungssegments entsprechend zu deaktivieren.
Bei der elektrischen Synchronmaschine kann es sich grundsätzlich um einen Motor oder einen Generator handeln oder auch um eine Maschine, die wahlweise in beiden Modi betrieben werden kann. Besonders vorteilhaft kann es sich um eine Antriebsmaschine für ein Fahrzeug handeln. Als erfindungsgemäß wird daher auch ein Fahrzeug mit einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine angesehen. Bei einem solchen Fahrzeug kann es sich insbesondere um ein Automobil, ein Luftfahrzeug, ein Schienenfahrzeug und/oder um ein Wasserfahrzeug handeln. Alternativ kann die elektrische Maschine aber auch beispielsweise ein Kraftwerksgenerator und insbesondere ein Windkraftgenerator sein. Auch bei solchen Maschinen kommen die Vorteile der Erfindung vor allem im Zusammenhang mit der erhöhten Ausfallsicherheit wirksam zum Tragen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, in denen:

1 eine schematische Querschnittsdarstellung einer ersten elektrischen Maschine nach dem Stand der Technik zeigt,
2 eine schematische Querschnittsdarstellung einer zweiten elektrischen Maschine nach dem Stand der Technik zeigt
und 3 eine schematische Querschnittsdarstellung einer elektrischen Maschine nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt.

In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
In 1 ist eine grundsätzlich bekannte elektrische Maschine 1 im schematischen Querschnitt gezeigt. Gezeigt ist eine Schnittdarstellung senkrecht zur zentralen Maschinenachse A. Die Maschine 1 umfasst einen außenliegenden Stator 3 und einen radial innenliegenden, drehbar gelagerten Rotor 11. Es handelt sich hier um eine permanentmagnet-assistierte Synchron-Reluktanz-Maschine. Der Rotor 11 weist ein Rotorjoch 13 auf mit einer Mehrzahl von Ausnehmungen 15. In diese Ausnehmungen 15 ist eine Mehrzahl von Permanentmagneten 17 eingelegt. Wie aus den Symmetrieeigenschaften dieser Rotoranordnung zu erkennen ist, ist der Rotor hier zur Ausbildung eines achtpoligen Magnetfeldes ausgestaltet. Die Polpaarzahl p beträgt also 4. Dieser grundsätzliche Aufbau des Rotors ist für alle hier gezeigten Maschinen der 1 bis 3 untereinander gleich.
Der Stator 3 der elektrischen Maschine der 1 weist ein Statorjoch 5 auf, welches beispielsweise als Eisenblechpaket ausgestaltet sein kann. Das Statorjoch 5 weist eine Mehrzahl s von Nuten 6 auf, welche hier radial innenliegend ausgebildet und somit dem Rotor 11 zugewandt sind. Weiterhin weist der Stator 3 eine Statorwicklung 4 auf. Diese Statorwicklung 4 ist zumindest teilweise in die Nuten 6 eingebettet. Insbesondere umfasst die Statorwicklung 4 eine Vielzahl von axial ausgerichteten Leiterabschnitten. Bei der Maschine der 1 weisen diese Leiterabschnitte jeweils eine rechteckige Querschnittsgeometrie auf und es liegen immer jeweils zwei solche axialen Leiterabschnitte in einer Nut. Es handelt sich also bei der Statorwicklung 4 hier um eine zweilagige Wicklungsanordnung. Dabei bilden die jeweils radial innenliegenden axialen Leiterabschnitte zusammen eine Unterlage 4a und die radial außenliegenden axialen Leiterabschnitte bilden zusammen eine Oberlage 4b aus. In den hier nicht gezeigten axial endständigen Bereichen der elektrischen Maschine sind diese axialen Leiterabschnitte untereinander gruppenweise zu der übergeordneten Statorwicklung 4 verbunden. Diese Verbindungsbereiche werden allgemein auch als Wickelköpfe bezeichnet. Obwohl die Wickelköpfe in der Schnittdarstellung der 1 nicht enthalten sind, ist die Topologie dieser Verbindungen durch dünne Linien 8 gekennzeichnet. Diese dünnen Linien deuten an, für welche Nuten die axialen Leiterabschnitte miteinander elektrisch zu einer übergeordneten Spule verbunden sind. Dabei wird der Übersichtlichkeit halber in dieser Figur nicht zwischen Verbindungen für die Oberlage 4b und die Unterlage 4a unterschieden. Wie aus den Verbindungslinien der 1 deutlich wird, ist die Statorwicklung 4 in vier einzelne Wicklungssegmente a, b, c und d unterteilt. Daraus, dass die dünnen Verbindungslinien 8 der einzelnen Wicklungssegmente a, b, c und d sich zwischen den Wicklungssegmenten nicht kreuzen, ist zu erkennen, dass diese Wicklungssegmente in Umfangsrichtung insgesamt räumlich separiert sind. Die Statorwicklung 4 könnte also entlang der gestrichelten senkrechten und waagerechten Schnittlinien in vier unabhängige Quadranten aufgetrennt werden, ohne dass hierbei elektrische Verbindungen der Statorwicklung 4 unterbrochen werden müssten. Die einzelnen Wicklungssegmente a bis d sind also auch elektrisch separiert, in dem Sinne, dass zumindest innerhalb der Statorwicklung keine elektrischen Verbindungen zwischen den Leiterelementen der einzelnen Wicklungssegmente vorliegen. Außerhalb des eigentlichen Stators 3 ist aber eine solche elektrische Verbindung (insbesondere durch den Anschluss an einen gemeinsamen Umrichter) nicht ausgeschlossen. Insgesamt handelt es sich um eine separierte Statorwicklung.
Jedes der Wicklungssegmente a bis d weist eine Mehrzahl von Wicklungssträngen auf, welche den elektrischen Phasen der Maschine entsprechen. Bei der Maschine der 1 handelt es sich für jedes Wicklungssegment um drei unabhängige Wicklungsstränge, welche beispielsweise für das Wicklungssegment a mit u_a , v_a und w_a bezeichnet sind. Für die anderen Wicklungssegmente b bis d ergibt sich die Nomenklatur entsprechend. Mit anderen Worten weist also jedes der Wicklungssegmente eine dreiphasige Teilwicklung auf.
Zur Bestromung der Statorwicklung 4 sind die einzelnen Wicklungssegmente mit dreiphasigen Frequenzumrichtern verbunden. Prinzipiell könnte hierzu jedem einzelnen Wicklungssegment ein eigener Frequenzumrichter zugeordnet sein. Um die Anzahl der Umrichter zu reduzieren, ist hier jedoch den beiden diametral gegenüberliegenden Wicklungssegmenten a und c ein gemeinsamer erster Umrichter 9_a,c zugeordnet. Analog ist den beiden diametral gegenüberliegenden Wicklungssegmenten b und d ein gemeinsamer zweiter Umrichter 9_b,d zugeordnet. Die einzelnen elektrischen Verbindungen zu den beiden Umrichtern sind hier der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt. Mittels dieser Umrichter können die drei Phasen eines jeweiligen Wicklungssegments mit einer relativen Phasenverschiebung von 120° bestromt werden. Dabei erfolgt die Ansteuerung des ersten Umrichters 9_a,c und des zweiten Umrichters 9_b,d untereinander synchronisiert. Dies hat zur Folge, dass alle vier Wicklungssegmente mit synchronisieren Strömen gespeist werden. Wie eingangs beschrieben, handelt es sich hier also um ein Schein-Multiphasen-System. Trotz der Segmentierung in vier einzelne Wicklungssegmente bleibt also die tatsächliche Anzahl der elektrischen Phasen bei 3. Dabei bilden die Wicklungsstränge u_a , u_b , u_c und u_d zusammen die erste elektrische Phase u aus, usw.
Die in 1 dargestellte elektrische Maschine ist ähnlich aufgebaut wie die in der bereits zitierten Veröffentlichung von Bo Wang et al. beschriebene Maschine, allerdings mit einer Polpaarzahl von p = 4 anstelle von p = 3. Ähnlich wie bei der Maschine von Bo Wang et al. weist die Maschine der 1 eine hohe Ausfallsicherheit gegenüber verschiedenen Typen von Fehlerfällen auf, insbesondere wenn diese Fehlerfälle auf eines der Wicklungssegment begrenzt sind. Wenn also in einem gegebenen Wicklungssegment entweder ein Kurzschluss oder eine Unterbrechung oder eine andere Art von elektrischem Fehler auftritt, kann das gesamte Wicklungssegment über hier nicht näher dargestellte Schalter deaktiviert werden. Wegen der gemeinsamen Ansteuerung mit nur einem Umrichter wird dabei zweckmäßig auch das jeweils diametral gegenüberliegende Wicklungssegment gleichzeitig deaktiviert. Ein gleichzeitiger Fehler dort wäre daher auch zu tolerieren. Die Maschine bleibt dann trotzdem funktionsfähig, da sie auch mit den verbleibenden beiden einander gegenüberliegenden Wicklungssegmenten weiter betrieben werden kann, wenn auch mit reduzierter Leistung. Die grundsätzlich bekannte elektrische Maschine der 1 weist also eine vergleichsweise hohe Ausfallsicherheit auf.
In 2 ist eine grundsätzlich bekannte zweite elektrische Maschine 1 in ähnlicher schematischer Querschnittsdarstellung gezeigt. Darin ist der Rotor 11 analog zum Rotor der Maschine der 1 ausgestaltet und weist auch die gleiche Polpaarzahl p = 4 auf. Auch das umgebende Statorjoch 5 und die Statornuten 6 sind gleich ausgebildet. Die Topologie der darin eingebetteten Statorwicklung 4 ist jedoch unterschiedlich: Im Unterschied zur Maschine der 1 handelt es sich bei der Maschine der 2 nämlich um eine Maschine mit ineinandergeschachtelter Statorwicklung („interlaced winding“). Dabei ist die Zahl der elektrischen Phasen gegenüber der Maschine der 1 von drei auf sechs erhöht. Hierzu ist die Statorwicklung 4 in der 2 in zwei Teilsysteme 20' und 20" unterteilt. Diese beiden Teilsysteme 20' und 20" sind über den ganzen Umfang der Statorwicklung 4 ineinandergeschachtelt. Wie wiederum durch die dünnen Verbindungslinien 8 angedeutet ist, sind die in der Querschnittsdarstellung gezeigten axialen Leiterabschnitte im Bereich der Wicklungsköpfe derart miteinander verbunden, dass die beiden Teilsysteme 20' und 20" ein vollständig miteinander verflochtenes Netz ergeben. Die einzelnen Teilsysteme 20' und 20" sind also räumlich ineinandergeschachtelt. Sie sind allerdings elektrisch vollständig voneinander separiert. Sie sind auch mit separaten Umrichtern verbunden, nämlich einem ersten Umrichter 9' für das erste Teilsystem 20' und einem zweiten Umrichter 9" für das zweite Teilsystem 20". Jedes der beiden Teilsysteme 20' und 20" ist als dreiphasige Wicklung ausgebildet, wobei die jeweilige Unterteilung in drei einzelne Wicklungsstränge hier der Übersichtlichkeit halber nicht näher dargestellt ist. Jedes der Teilsysteme weist also drei elektrisch separierte Wicklungsstränge auf, sodass insgesamt sechs Wicklungsstränge vorliegen. Um diese beiden Dreiphasen-Systeme zu bestromen, sind daher die beiden Umrichter 9' und 9" jeweils als 3-phasige Frequenzumrichter ausgebildet. Bei der Statorvorrichtung der 2 handelt es sich um ein echtes Multiphasen-System mit einer Phasenzahl von 6. Die beiden Umrichter 9' und 9" werden nämlich mit einer elektrischen Phasenverschiebung zueinander betrieben, sodass die insgesamt sechs Wicklungsstränge alle mit einem untereinander phasenverschobenem Wechselstrom bestromt werden.
In 3 ist eine entsprechende schematische Querschnittsdarstellung einer elektrischen Maschine 1 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Auch hier sind Rotor 11 und Statorjoch 5 analog zu den beiden bereits beschriebenen Maschinen ausgestaltet. Die Topologie und Ansteuerung der Statorwicklung 4 unterscheidet sich jedoch von beiden beschriebenen Maschinen. Hierzu weist die Maschine der 3 eine Statorvorrichtung auf, welche sowohl den Stator 3 (mit Statorjoch 5 und Statorwicklung 4) als auch die zur Bestromung benötigten Umrichter umfasst.
Ähnlich wie bei der Maschine der 1 ist auch hier die Statorwicklung 4 in vier einzelne Wicklungssegmente a bis d unterteilt. Diese einzelnen Wicklungssegmente sind zumindest innerhalb der Statorwicklung 4 elektrisch separiert. Sie sind in Umfangsrichtung räumlich separiert, sodass im Bereich der gestrichelten Linien analog zur 1 kein räumlicher Überlapp zwischen den einzelnen Wicklungssegmenten vorliegt. Der Aufbau innerhalb der einzelnen Wicklungssegmente a bis d sowie die elektrische Ansteuerung unterscheiden sich jedoch deutlich von der Maschine der 1: So ist hier innerhalb eines jeden Wicklungssegments die Statorwicklung in zwei elektrisch unabhängige Teilsysteme unterteilt. Die Zugehörigkeit zu dem ersten Teilsystem ist dabei durch das Superskript ‚gekennzeichnet und die Zugehörigkeit zu den zweiten Teilsystem ist durch das Superskript “ gekennzeichnet. Ähnlich wie bei der Maschine der 2 durchdringen sich diese beiden Teilsysteme räumlich. Diese Verflechtung ist wiederum gut an den dünnen Verbindungslinien zu sehen, welche die Verbindungen im Bereich der Wickelköpfe darstellen. Im Unterschied zu der Maschine der 2 erstreckt sich diese Vernetzung jedoch nicht über den gesamten Umfang der Maschine, sondern ist auf das jeweilige Wicklungssegment begrenzt. Die beiden Teilsysteme sind also nur innerhalb des jeweiligen räumlich abgegrenzten Wicklungssegments ineinander verschachtelt. Jedes der beiden Teilsysteme (‚ und “) ist wiederum als dreiphasige Wicklung ausgestaltet, wobei die einzelnen Wicklungsstränge ähnlich wie bei der 1 mit u, v und w bezeichnet sind. Um die Zuordnung dieser Wicklungsstränge zu den einzelnen Wicklungssegmenten zu charakterisieren, sind die Buchstaben u, v und w dabei jeweils mit den Subskripten a bis d versehen. Um andererseits die Zuordnung dieser Wicklungsstränge zu den beiden Teilsystemen zu charakterisieren, sind die sie zusätzlich mit den beiden Superskripten ‚und“ versehen.
Es handelt sich also bei der Maschine der 3 bei jedem einzelnen Wicklungssegment um ein 6-phasiges Wicklungsystem, also um ein echtes Multiphasen-System. Die Zahl der Phasen m bestimmt sich also hier aus dem Basiswert k = 2 und dem Multipliktator n = 2. Um dieses Multiphasen-System zu bestromen, ist jedes Wicklungssegment (ähnlich wie die Gesamtwicklung der 2) mit zwei separaten dreiphasigen Frequenzumrichter verbunden. Um die Anzahl der Umrichter dabei nicht Überhand nehmen zu lassen, sind allerdings wiederum die einander diametral gegenüberliegenden Wicklungssegmente mit gemeinsamen Umrichtern verbunden. Die beiden Wicklungssegmente a und c bilden also zusammen eine erste Wicklungsgruppe (a+c) aus, welche als sechsphasiges System mit den beiden Umrichtern 9_a,c' und 9_a,c" bestromt wird. Analog bilden die beiden Wicklungssegmente b und d zusammen eine zweite Wicklungsgruppe (b+d) aus, welche als sechsphasiges System mit den beiden Umrichtern 9_b,d' und 9_b,d" bestromt wird. Zur Bestromung der Statorwicklung werden also insgesamt wenigstens vier Umrichter benötigt. Bei einer alternativen Ausgestaltung, bei der die gegenüberliegenden Wicklungssegmente nicht zu Wicklungsgruppen zusammengefasst wären, würden entsprechend wenigstens acht dreiphasige Umrichter benötigt.
Die Maschine nach dem Ausführungsbeispiel der 3 vereint die Vorteile einer separierten Statorwicklung (wie in 1) mit den Vorteilen einer ineinander geschachtelten Statorwicklung (wie in 2). So weist die Maschine der 3 eine hohe Ausfallsicherheit auf, da bei einem Fehlerfall in einem gegebenen Wicklungssegment zumindest die Wicklungssegmente der jeweils anderen Wicklungsgruppe (a+c bzw. b+d) trotzdem weiter betrieben werden können, sodass der Betrieb der elektrischen Maschine bei reduzierter Leistung aufrecht erhalten bleibt. Außerdem weist die Maschine der 3 die Vorteile eines echten Multiphasen-Systems auf, nämlich eine erhöhte Leistung und eine Reduktion von Oberwellen, Schwingungen und Geräuschen. Somit wird insgesamt eine ausfallsichere, leistungsstarke und laufruhige Maschine zur Verfügung gestellt.
Bei dem Beispiel der 3 ist die Polpaarzahl durch p=4 gegeben. Die Zahl i der Wicklungssegmente beträgt ebenfalls 4 und ist also hier auf die Polpaarzahl angepasst. Die Anzahl m der Wicklungsstränge in einem gegebenen Wicklungssegment (a, b, c oder d) beträgt hier m = 6. Die Phasenzahl ist also um einen Multiplikator n = 2 gegenüber einer klassischen dreiphasigen Wicklung erhöht. Der Basiswert ist damit k = 3. Die Anzahl u der Umrichter beträgt hier u = i·n/2 = 4, da die jeweils diametral gegenüberliegenden Wicklungssegmente mit gemeinsam genutzten Umrichtern bestromt werden. Ohne diese Zusammenfassung von Wicklungssegmenten würden u = i·n = 8 Umrichter benötigt. Die Anzahl der Nuten s ist hier s = 2·i·k·n = 48, sodass in jedem Wicklungssegment für jeden Wicklungsstrang genau zwei Nuten zur Verfügung stehen - nämlich eine für den Hinleiter und eine für den Rückleiter einer übergeordneten Spule. Die axialen Leiterabschnitte sind bei der Statorwicklung der 3 auf zwei radial übereinanderliegende Wicklungslagen verteilt. Die Zahl der Wicklungslagen kann jedoch prinzipiell auch unterschiedlich gewählt sein. Außerdem können auch Polpaarzahl p, die Anzahl der Segmente i, der Multiplikator n, der Basiswert k (und damit die Anzahl m der Wicklungsstränge) sowie auch die Anzahl der Nuten s unterschiedlich gewählt sein. Auch die Anzahl der Lagen pro Nut kann prinzipiell unterschiedlich gewählt sein. Insoweit ist die in 3 gezeigte Ausgestaltung nur beispielhaft für eine große Variationsbreite bei der Realisierung der Erfindung zu verstehen.
Bezugszeichenliste

1: elektrische Maschine
3: Stator
4: Statorwicklung
4a: Unterlage
4b: Oberlage
5: Statorjoch
6: Nut
7: Luftspalt
8: Verbindungen
9_a,c: erster Umrichter
9_b,d: zweiter Umrichter
9': erster Umrichter
9": zweiter Umrichter
9_a,c ': erster Umrichter
9_a,c": zweiter Umrichter
9_b,d': dritter Umrichter
9_b,d": vierter Umrichter
11: Rotor
13: Rotorjoch
15: Ausnehmung
17: Permanentmagnet
20': erstes Teilsystem
20": zweites Teilsystem
A: zentrale Achse
a-d: Wicklungssegmente
u_a-w_d: Wicklungsstränge
u_a'-w_d': erste Wicklungsstränge
u_a"-w_d": zweite Wicklungsstränge

Claims

Elektrische Synchronmaschine (1) - mit einer zentralen Achse (A), - mit einem Rotor (11), welcher zur Ausbildung eines Magnetfeldes mit einer magnetischen Polpaarzahl p ausgelegt ist, - und mit einem Stator (3), umfassend - ein Statorjoch (5) mit einer Mehrzahl s von Nuten (6) und - eine wenigstens teilweise in die Nuten (6) eingebettete Statorwicklung (4) - wobei die Statorwicklung (4) eine Mehrzahl i von elektrisch separierten und in Umfangsrichtung räumlich separierten Wicklungssegmenten (a,b,c,d) aufweist, - wobei jedes Wicklungssegment (a,b,c,d) eine Mehrzahl m von elektrisch separierten und in Umfangsrichtung ineinander geschachtelten Wicklungssträngen (u_a'-w_a"bis u_d'-w_d") aufweist, - wobei m = k·n ist, wobei kein Basiswert ist, der wenigstens 3 ist, und n ein ganzzahliger Multiplikator ist, der wenigstens 2 ist.
Synchronmaschine (1) nach Anspruch 1, welche als permanentmagnet-assistierte Synchron-Reluktanz-Maschine ausgebildet ist, wobei der Rotor eine Mehrzahl von Permanentmagneten (17) aufweist.
Synchronmaschine (1) nach Anspruch 1 oder 2, welche weiterhin eine Mehrzahl u von Umrichtern (9_a,c' bis 9_b,d") aufweist, - wobei u für geradzahlige Werte von i wenigstens i·n/2 ist - und wobei u für ungeradzahlige Werte von i wenigstens i·n ist.
Synchronmaschine (1) nach Anspruch 3, bei welcher i geradzahlig ist, - wobei die jeweils diametral gegenüberliegenden Wicklungssegmente (a,b,c,d) eine übergeordnete Wicklungsgruppe (a+c,b+d) ausbilden, - und wobei innerhalb einer Wicklungsgruppe (a+c,b+d) jeweils zwei Wicklungsstränge (u_a'-w_a"bis u_d'-w_d") der diametral gegenüberliegenden Wicklungssegmente (a,b,c,d) einem gemeinsamen Umrichter (9_a,c' bis 9_b,d") zugeordnet sind.
Synchronmaschine (1) nach Anspruch 3, bei welcher innerhalb jedes Wicklungssegments (a,b,c,d) entweder jedem Wicklungsstrang (u_a'-w_a"bis u_d'-w_d") oder jeweils einer Gruppe von k Wicklungssträngen ein separater Umrichter (9_a,c' bis 9_b,d") zugeordnet ist.
Synchronmaschine (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, bei welcher die einzelnen Umrichter (9_a,c' bis 9_b,d") jeweils als Frequenzumrichter ausgebildet sind.
Synchronmaschine (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, bei welcher die Umrichter (9_a,c' bis 9_b,d") dazu ausgestaltet sind, die Statorwicklung so zu bestromen, dass zwischen allen Wicklungssträngen (u_a'-w_a"bis u_d'-w_d") eines jeweiligen Wicklungssegments (a,b,c,d) eine elektrische Phasenverschiebung vorliegt.
Synchronmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die magnetischen Polpaarzahl p wenigstens 2 ist und insbesondere im Bereich zwischen 2 und 6 liegt.
Synchronmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der Multiplikator n einen Wert von 2, 3 oder 4 aufweist.
Synchronmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der Wert von i gleich dem Wert von p ist.
Synchronmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Anzahl s der Nuten (6) einen Wert von 2·i·k·n oder einem ganzzahligen Vielfachen davon aufweist.
Synchronmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - bei welcher jedes Wicklungssegment (a,b,c,d) dazu ausgelegt ist, wahlweise entweder in einem Betriebsmodus oder in einem Fehlermodus betrieben zu werden, - wobei der Betriebsmodus für einen regulären Betriebszustand der elektrischen Maschine (1) vorgesehen ist, - und wobei die Synchronmaschine dazu ausgelegt ist, bei einem innerhalb eines bestimmten Wicklungsstrangs (u_a'-w_a" bis u_d'-w_d") eines bestimmten Wicklungssegments (a,b,c,d) auftretenden Fehlerfall das gesamte betroffene Wicklungssegment (a,b,c,d) in den Fehlermodus zu versetzen und ein oder mehrere der übrigen Wicklungssegmente im Betriebsmodus zu belassen.
Synchronmaschine (1) nach Anspruch 12, bei welcher jedem Umrichter (9_a,c' bis 9_b,d") ein erster Schalter zugeordnet ist, - wobei diese ersten Schalter dazu ausgelegt sind, geöffnet zu werden, wenn der innerhalb des zugehörigen Wicklungssegments (a,b,c,d) auftretende Fehlerfall durch einen unterbrochenen Stromkreis verursacht ist.
Synchronmaschine (1) nach Anspruch 12 oder 13, bei welcher jedem Umrichter (9_a,c' bis 9_b,d") ein zweiter Schalter zugeordnet ist, - wobei diese zweiten Schalter dazu ausgelegt sind, geschlossen zu werden, wenn der innerhalb des zugehörigen Wicklungssegments (a,b,c,d) auftretende Fehlerfall durch einen Kurzschluss verursacht ist.
Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Synchronmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, - wobei jedes Wicklungssegment (a,b,c,d) der Statorwicklung der Maschine (1) dazu ausgelegt ist, wahlweise entweder in einem Betriebsmodus oder in einem Fehlermodus betrieben zu werden, - wobei bei Auftreten eines Fehlerfalls innerhalb eines bestimmten Wicklungsstrangs (9_a,c' bis 9_b,d") eines bestimmten Wicklungssegments (a,b,c,d) das gesamte betroffene Wicklungssegment (a,b,c,d) in den Fehlermodus versetzt wird, - wobei gleichzeitig wenigstens ein Teil der übrigen Wicklungssegmente (a,b,c,d) in ihrem Betriebsmodus betrieben wird, so dass ein Betrieb der elektrischen Maschine (1) weiterhin möglich ist.