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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Änderung von Wicklungsauslegungen eines Stators einer elektrischen Maschine.
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Stand der Technik
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Elektrische Maschinen (engl. Abkürzung „EM“) werden typischerweise zur Umwandlung von elektrischer Energie in mechanische Energie und umgekehrt eingesetzt, beispielsweise zum Antrieb von Elektrofahrzeugen (engl. Abkürzung „EV“). Elektrische Maschinen werden seit langem in Elektrofahrzeugen eingesetzt und beispielsweise in dem Ladevorgang von Fahrzeugbatterien einbezieht, wenn die Fahrzeuge geparkt sind. Herkömmlich werden die EM-Wicklungen als Boost-, Buck- oder Boost-Buck-Induktivitäten zur Umwandlung elektrischer Energie von einem Versorgungsnetz in die Batterie verwendet. Alternativ können die Wicklungen einer 2×3-Phasen-EM als Transformator verwendet werden. In diesem Modus ist es erwünscht, dass durch die EM-Wicklungen die Energieumwandlung mit einem möglichst hohen Wirkungsgrad erfolgt.
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Herkömmlich wird der Wirkungsgrad von Transformatoren von der Kopplungsweise der Primär- und Sekundärwicklungen begrenzt, da eine schwache Kopplung zu einem erhöhten Streufluss und Eisenverlusten führt. Daher neigen Wicklungen von Transformatoren dazu, möglichst nah zueinander installiert zu werden, um die Flusskopplung zu erhöhen und dadurch den Flussverlust zu verringern. Dies kann in elektrischen Maschinen erreicht werden, indem die Primär- und Sekundärwicklungen in einer einzelnen Statornut eingesetzt werden. Solche Wicklungsanordnungen neigen jedoch dazu, aufgrund geringer Unterschiede in den Schaltzeiten von Strömen zu unerwünschten elektromagnetischen Störungen im Traktionsmodus eines Elektrofahrzeugs beizutragen. Ist nur eine Wicklung in einer Statornut angeordnet, ist es außerdem möglich, die Wicklungen zwischen den Nuten unabhängig voneinander mit unterschiedlichen Stromwinkeln und einem verbesserten Drehmoment sowie einer verringerten Drehmomentwelligkeit zu steuern. Herkömmliche Wicklungsanordnungen für eine 2x3-Phasen-EM im Traktionsmodus eines Elektrofahrzeugs neigen daher dazu, nur eine Wicklung pro Statornut vorzusehen, während im Transformatormodus eine solche Ausgestaltung zu einem verringerten Wirkungsgrad führt.
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Die Druckschrift
DE 10 2012 201 617 A1 beschreibt eine Vorrichtung zum transformatorischen Übertragen von elektrischer Energie, insbesondere für ein mit elektrischer Energie angetriebenes Kraftfahrzeug. Bei der Vorrichtung wird für die Energieübertragung ein Transformator verwendet, welcher durch zumindest zwei Wicklungen einer elektrischen Maschine gebildet ist. Die elektrische Energie wird bei einem Stillstand eines Läufers der elektrischen Maschine von einem Primärsystem an ein Sekundärsystem übertragen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft eine elektrische Maschine nach Anspruch 1 und ein Verfahren zur Änderung von Wicklungsauslegungen eines Stators einer elektrischen Maschine nach Anspruch 7.
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Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Vorteile der Erfindung
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Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine mit einem Stator, der eine Mehrzahl von nebeneinander angeordneten Statornuten aufweist, in denen Wicklungen angeordnet sind. In jeder der Statornuten sind zwei Wicklungen aneinander angeordnet. Die elektrische Maschine weist mindestens eine Wiederverbindungseinheit und eine Steuereinheit auf, die so eingerichtet ist, die Wiederverbindungseinheit derart zu steuern, eine erste oder zweite Schalterposition der elektrischen Maschine auszuwählen. In der ersten Schalterposition sind in einer ersten und zweiten Statornut jeweils die beiden dort angeordneten Wicklungen miteinander verbunden. In der zweiten Schalterposition ist eine der beiden in der ersten Statornut angeordneten Wicklungen mit einer der beiden in der zweiten Statornut angeordneten Wicklungen verbunden, und die andere in der ersten Statornut angeordnete Wicklung ist mit der anderen in der zweiten Statornut angeordneten Wicklung verbunden.
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Erfindungsgemäß ist eine Umverteilung von Wicklungen eines Stators einer elektrischen Maschine über die Statornuten möglich. Durch die Änderung der Verbindungsweise der Wicklungen werden erfindungsgemäß der Kopplungsfaktor der Wicklungen und die elektromagnetischen Pfaden zwischen diesen geändert.
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In der ersten Schalterposition der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine sind die beiden in einer Statornut angeordneten Windungen miteinander verbunden. Dadurch ist möglich, in jeder Statornut nur eine Wicklungsgruppe anzuordnen. Dies ermöglicht im Traktionsmodus einen Stator mit einem erhöhten Drehmoment und einer möglichst geringen Drehmomentwelligkeit.
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In der zweiten Schalterposition der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine sind die beiden in einer Statornut angeordneten Windungen je mit einer der beiden in einer weiteren Statornut angeordneten Windungen verbunden. Dies führt dazu, dass im Transformatormodus die Kopplung dieser Windungen als Kopplung einer Primär- und Sekundärwicklung verbessert wird. Denn die gekoppelten Wicklungen sind nicht in verschiedenen Statornuten, sondern innerhalb einer einzelnen Statornut verteilt. Aufgrund des erhöhten Kopplungsfaktors zwischen der primären und sekundären Wicklung bzw. zwischen den primären und sekundären Wicklungen wird die Energieübertragung mit einem verbesserten Wirkungsgrad erleichtert.
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Es ist daher vorteilhaft, mit der erfindungsgemäßen Wiederverbindungseinheit, die als Schalter dient, mindestens zwei vordefinierte Wicklungsauslegungen abwechseln zu können, um den Koppelfaktor zwischen Wicklungen zu ändern und eine erhöhte Leistung sowohl für den Transformator- als auch den Traktionsmodus der elektrischen Maschine zu erreichen, ohne die elektromagnetische Auslegung der elektrischen Maschine für einen der beiden Modi zu beeinträchtigen.
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Die vorliegende Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zur Änderung von Wicklungsauslegungen eines Stators einer elektrischen Maschine mit den oben beschriebenen Vorteilen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine ist es vorgesehen, dass die elektrische Maschine eine mehrphasige elektrische Maschine ist.
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Beispielsweise ist die elektrische Maschine eine 2x3-Phasen-EM, die durch insgesamt sechs Phasen dargestellt wird, die jeweils einer Mehrzahl bzw. Vielzahl von Wicklungen entsprechen.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine ist es vorgesehen, dass die Wicklungen der Mehrphasen der elektrischen Maschine in sequentieller Reihenfolge nebeneinander angeordnet sind. Diese Wicklungen können beispielsweise parallel oder in Reihe geschaltet werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine ist es vorgesehen, dass die elektrische Maschine eine sechsphasige elektrische Maschine ist, und wobei zumindest zwölf Wicklungen in sechs Statornuten angeordnet sind. Diese sechsphasige elektrische Maschine kann eine 2x3-Phasen-EM sein, wobei die zwölf Wicklungen in vier Wicklungsgruppen aufgeteilt werden können, und jede Gruppe von Wicklungen drei Phasen entspricht.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine ist es vorgesehen, dass in der ersten Schalterposition die elektrische Maschine für einen Zugbetrieb, insbesondere bei einem Fahrzeug, ausgelegt ist. Der Zugbetrieb entspricht dem Traktionsmodus, in dem für das Fahrzeug ein höheres Drehmoment und eine möglichst geringe Drehmomentwelligkeit erfindungsgemäß erreicht werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine ist es vorgesehen, dass in der zweiten Schalterposition die elektrische Maschine für einen Transformatorbetrieb, insbesondere bei einem Fahrzeug, ausgelegt ist. Der Transformatorbetrieb ist für die Batterieaufladung eines Fahrzeugs ausgelegt. Hierzu wird erfindungsgemäß mit einem erhöhten Kopplungsfaktor zwischen den Primär- und Sekundärwicklungen die Effizienz des Batterieladens erhöht.
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Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Änderung von Wicklungsauslegungen eines Stators einer elektrischen Maschine, welcher Stator eine Mehrzahl von nebeneinander angeordneten Statornuten aufweist, in denen Wicklungen angeordnet sind. In jeder der Statornuten sind zwei Wicklungen aneinander angeordnet. Die elektrische Maschine weist mindestens eine Wiederverbindungseinheit und eine Steuereinheit auf, die die Wiederverbindungseinheit derart steuert, eine erste oder zweite Schalterposition der elektrischen Maschine auszuwählen. In der ersten Schalterposition werden in einer ersten und zweiten Statornut jeweils die beiden dort angeordneten Wicklungen miteinander verbunden. In der zweiten Schalterposition wird eine der beiden in der ersten Statornut angeordneten Wicklungen mit einer der beiden in der zweiten Statornut angeordneten Wicklungen verbunden, und die andere in der ersten Statornut angeordnete Wicklung wird mit der anderen in der zweiten Statornut angeordneten Wicklung verbunden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorgesehen, dass die elektrische Maschine eine mehrphasige elektrische Maschine ist.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorgesehen, dass in der ersten Schalterposition die elektrische Maschine für einen Zugbetrieb, insbesondere bei einem Fahrzeug, läuft.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorgesehen, dass in der zweiten Schalterposition die elektrische Maschine für einen Transformatorbetrieb, insbesondere bei einem Fahrzeug, läuft.
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Figurenliste
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
- 1 einen schematisch dargestellten Teil eines Stators einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine in Seitenansicht;
- 2 die schematisch dargestellte Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine gemäß 1;
- 3 die schematisch dargestellte Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine gemäß 1, im Traktionsmodus;
- 4 die schematisch dargestellte Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine gemäß 1, im Transformatormodus; und
- 5 ein schematisch dargestelltes Ablaufschema einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.
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1 zeigt einen schematisch dargestellten Teil eines Stators 5 einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine 8 in Seitenansicht. Diese Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine 8 weist einen Stator 5 auf, der eine Mehrzahl bzw. Vielzahl von nebeneinander angeordneten Statornuten 7 aufweist, die von Wicklungen 1a, 1b, 1c, ... 4a, 4b, 4c gefüllten sind. Zwischen den Statornuten sind Zähne 6 des Stators 5 in an sich bekannter Weise angeordnet. In jeder Statornut 7 sind zwei Wicklungen wie z.B. 1a und 2a aneinander angeordnet.
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Gemäß 2 bis 4 ist die gezeigte Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine 8 eine 2×3-Phasen-EM, die durch die Primärphasen U1, V1, W1, und Sekundärphasen U2, V2, W2 (jeweils mit den Bezugszeichen 9, 10, 11, 12, 13, 14 bezeichnet) dargestellt wird, wobei die Phasen U, V, W mehrere Wicklungen von a, b, c darstellen.
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Diese Wicklungen sind in Wicklungsgruppen 1-4 aufgeteilt, die mittels einer erfindungsgemäßen Wiederverbindungseinheit 21, die durch eine Steuereinheit (nicht gezeigt) steuerbar ist, in mindestens zwei unterschiedlichen Weisen miteinander wie folgt verbindbar sind (siehe 2): Die in 2 gezeigten gestrichelten Pfaden (außer dem gestrichelten Kreis zur schematischen Darstellung der elektrischen Maschine 8) sind in einer ersten Schalterposition, wie in 3 dargestellt, von der Schaltung getrennt, während diese gezeigten gestrichelten Pfaden in einer zweiten Schalterposition, wie in 4 dargestellt, mit der Schaltung verbunden sind.
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In der ersten Schalterposition ist nach 3 eine sechsphasige elektrische Maschine vorgesehen. Die Wicklungsgruppen 1a, 1b, 1c und 2a, 2b, 2c sind miteinander verbunden, während die Wicklungsgruppen 3a, 3b, 3c und 4a, 4b, 4c miteinander verbunden sind. In der ersten Schalterposition besteht weder eine elektrische Verbindung zwischen 1a, 1b, 1c und 3a, 3b, 3c, noch eine elektrische Verbindung zwischen 2a, 2b, 2c und 4a, 4b, 4c. Die in 3 gezeigte Wicklungsverbindung impliziert, dass in der ersten Schalterposition nur eine Wicklungsgruppe pro Statornut angeordnet ist. Dies ermöglicht einen 2×3-Phasen-Stator mit einem besseren Drehmoment und einer verringerten Drehmomentwelligkeit.
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Ein Nachteil einer einzelnen Wicklungsgruppe pro Statornut besteht jedoch darin, dass die Kopplung zwischen verschiedenen Wicklungsgruppen wie 1a, 1b, 1c und 3a, 3b, 3c relativ gering ist, da diese über mehrere Statornuten verteilt sind.
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In diesem Fall wird erfindungsgemäß zur Verbesserung der Kopplung eine alternative zweite Schalterposition geschaffen (siehe 4). In der zweiten Schalterposition sind die Wicklungsgruppen 1a, 1b, 1c und 2a, 2b, 2c getrennt, sowie die Wicklungsgruppen 3a, 3b, 3c und 4a, 4b, 4c. Die Wicklungsgruppen 1a, 1b, 1c und 3a, 3b, 3c sind miteinander verbunden, ebenfalls bei den Wicklungsgruppen 2a, 2b, 2c und 4a, 4b, 4c. Ein erhöhter Kopplungsfaktor zwischen den primären und sekundären EM-Wicklungen wird dadurch erreicht, da die gekoppelten Wicklungen nicht mehr in verschiedenen Statornuten, sondern innerhalb einer einzelnen Statornut verteilt sind. Die Energieübertragung wird dadurch erfindungsgemäß mit einem verbesserten Wirkungsgrad erleichtert.
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Die in 5 dargestellte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens weist drei Schritte auf. In Schritt S1 steuert die Steuereinheit die Wiederverbindungseinheit derart, eine erste oder zweite Schalterposition der elektrischen Maschine auszuwählen. In Schritt S2 werden, falls die erste Schalterposition ausgewählt wurde, werden in einer ersten und zweiten Statornut jeweils die beiden dort angeordneten Wicklungen miteinander verbunden. In Schritt S3 wird, falls die zweite Schalterposition ausgewählt wurde, eine der beiden in der ersten Statornut angeordneten Wicklungen mit einer der beiden in der zweiten Statornut angeordneten Wicklungen verbunden, und die andere in der ersten Statornut angeordnete Wicklung wird mit der anderen in der zweiten Statornut angeordneten Wicklung verbunden.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird der Kopplungsfaktor zwischen Wicklungen gewechselt, um eine optimierte elektromagnetische Anordnung für mehrere Anwendungsfälle, wie z.B. für den Traktions- und Transformatormodus, zu schaffen, ohne die elektromagnetische Ausgestaltung der elektrischen Maschine für einen der beiden Modi zu beeinträchtigen.
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Die erfindungsgemäße elektrische Maschine und das erfindungsgemäße Verfahren können beispielsweise bei Bordladegeräten, elektrischen Antriebssystemen und Fahrmotoren eingesetzt werden.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondem auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. Obwohl die oben erwähnten Beispiele nur mit parallel geschalteten Wicklungen gezeichnet sind, sind auch andere Wicklungsanordnungen wie Reihenschaltungen möglich.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012201617 A1 [0004]
