DE102020101991B4

DE102020101991B4 - Stromversorgungseinheit und elektrische Maschine mit einer solchen Stromversorgungseinheit

Info

Publication number: DE102020101991B4
Application number: DE102020101991.2A
Authority: DE
Inventors: Daniel Both; Quoc Viet Bui; Armin Dietz; Michael Gerstner; Dennis Jagosz
Original assignee: Georg Simon Ohm Hochschule fuer Angewandte Wissenschaften Fachhochschule Nurnberg
Current assignee: Georg Simon Ohm Hochschule fuer Angewandte Wissenschaften Fachhochschule Nurnberg
Priority date: 2020-01-28
Filing date: 2020-01-28
Publication date: 2021-10-07
Anticipated expiration: 2040-01-29
Also published as: DE102020101991A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Stromversorgungseinheit (200) für eine elektrische Maschine. Dabei umfasst die Stromversorgungseinheit (200): eine Vielzahl von Leitungsabschnitten (211a-n); eine erste maschinenvorderseitige leistungselektronische Schaltung mit einer Vielzahl von Halbbrücken (201a-n), welche ausgebildet ist, die Vielzahl von Leitungsabschnitten (211a-n) mit einem jeweiligen Strom zu beaufschlagen; und eine zweite maschinenrückseitige leitungselektronische Schaltung mit einer Vielzahl von bidirektionalen Schaltern (203aa-nn). Dabei weist die zweite maschinenrückseitige leitungselektronische Schaltung eine Matrixtopologie auf und ist ausgebildet, jeden der Vielzahl von Leitungsabschnitten (211a-n) über eine Vielzahl von Strompfaden, welche durch die Vielzahl von bidirektionalen Schaltern (203aa-nn) und Kombinationen davon definiert werden, mit allen anderen Leitungsabschnitten (211a-n) elektrisch leitend zu verbinden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Stromversorgungseinheit für eine elektrische Maschine, insbesondere einen elektrischen Motor, sowie eine elektrische Maschine mit einer solchen Stromversorgungseinheit.
Aus der DE102014118356A1 ist eine elektrische Maschine bekannt, welche sich durch den Aufbau der Statorwicklung von anderen elektrischen Maschinen dadurch unterscheidet, dass anstelle von klassischen Wicklungen solide Leitungsstäbe im Stator vorgehsehen sind. Dabei sind alle diese Leitungsstäbe auf der Rückseite der elektrischen Maschine mithilfe eines Kurzschlussrings einseitig kurzgeschlossen und erstrecken sich in axialer Richtung parallel entlang des Stators (als Vorderseite einer elektrischen Maschine oder eines elektrischen Motors wird hier die Seite definiert, an welcher sich die Abtriebswelle bzw. die A-Seite befindet; entsprechend wird hier als Rückseite der elektrischen Maschine oder des elektrischen Motors die Seite definiert, an welcher sich die B-Seite befindet). Eine solche Ausbildung eines Stators ist in 1 dargestellt, wobei ein erster Statorabschnitt 101 ein Gehäuse (bzw. einen Statorkern) 103 umfasst, welches eine Vielzahl von Nuten 105a definiert, und ein zweiter Statorabschnitt 107 eine Vielzahl von soliden Leitungsstäben 111a umfasst, die an ihren rückseitigen Enden über einen Kurzschlussring 109 miteinander leitend verbunden sind und mit ihren vorderseitigen Enden jeweils in die Nuten 105a des Gehäuses 103 des ersten Statorabschnitts 101 eingebracht sind.
An der nicht mit einem Kurzschlussring versehenen Vorderseite der in der DE102014118356A1 beschriebenen elektrischen Maschine sind die Leitungsstäbe 111a mit einer leistungselektronischen Schaltung verbunden, die eine Vielzahl von Halbbrücken umfasst. Durch die Leistungselektronik an der Vorderseite der elektrischen Maschine kann ein Stromverlauf mit gewünschter Form über die Leitungsstäbe 111a eingeprägt werden. Hierdurch ist es möglich sowohl die Anzahl der Phasen als auch die Polpaarzahl der in der DE102014118356A1 beschriebenen elektrischen Maschine während des Betriebs zu verändern. Daher wird diese elektrische Maschine auch als Variophasen-Maschine bezeichnet (ebenfalls findet man die Bezeichnung Käfigstator-Maschine).
Eine Weiterbildung der aus der DE102014118356A1 bekannten elektrischen Maschine wird in der DE102014114615A1 beschrieben, bei welcher durch Anbindung einer weiteren leistungselektronischen Schaltung an der Rückseite der elektrischen Maschine, welche den in 1 gezeigten Kurschlussring 109 ersetzt, die Anzahl der Freiheitsgrade dieser elektrischen Maschine zusätzlich erhöht werden kann. Dabei muss jedoch zum Einprägen beispielsweise eines sinusförmigen Stromverlaufs die Leistungselektronik auf der Rückseite der aus der DE102014114615A1 bekannten elektrischen Maschine entsprechend oft geschaltet werden, d.h. mit der Frequenz des sinusförmigen Stromverlaufs.
Weitere Stromversorgungseinheiten für eine elektrische Maschine sind aus der WO2017/127557A1 und der DE102005032965A1 bekannt.
Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine verbesserte Stromversorgungseinheit für eine elektrische Maschine sowie eine solche elektrische Maschine bereitzustellen.
Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, die leistungselektronische Schaltung für die Maschinenrückseite mit einer Matrixtopologie auszubilden. Hierbei sind für jeden Leitungsstab bidirektionale Schalter für die Verbindung zu allen anderen Leitungsstäben vorgesehen. So können die Leitungsstäbe für einen festen Betriebspunkt auf der Maschinenrückseite dauerhaft verbunden werden. Lediglich beim Umschalten der Phasen- oder Polpaarzahl müssen die bidirektionalen Schalter angesteuert werden. Hierdurch werden die Schaltfrequenzen der Leistungselektronik und somit auch die Schaltverluste auf der Maschinenrückseite deutlich reduziert. Zudem weist diese Beschaltung im Vergleich zu bereits bekannten Topologien einen sehr hohen Freiheitsgrad auf, da die Stäbe beliebig miteinander verschaltet werden können.
Somit wird die Aufgabe gemäß einem ersten Aspekt durch eine Stromversorgungseinheit für eine elektrische Maschine gelöst, wobei die Stromversorgungseinheit umfasst: eine Vielzahl von Leitungsabschnitten; eine erste maschinenvorderseitige leistungselektronische Schaltung mit einer Vielzahl von Halbbrücken, welche ausgebildet ist, die Vielzahl von Leitungsabschnitten mit einem jeweiligen Strom zu beaufschlagen; und eine zweite maschinenrückseitige leistungselektronische Schaltung mit einer Vielzahl von bidirektionalen Schaltern. Dabei weist die zweite maschinenrückseitige leistungselektronische Schaltung eine Matrixtopologie auf und ist ausgebildet, jeden der Vielzahl von Leitungsabschnitten über eine Vielzahl von Strompfaden, welche durch die Vielzahl von bidirektionalen Schaltern und Kombinationen davon definiert werden, mit allen anderen Leitungsabschnitten elektrisch leitend zu verbinden. Aufgrund der Matrixtopologie der zweiten maschinenrückseitigen leistungselektronischen Schaltung ist ein erster Leitungsabschnitt (i) über einen ersten bidirektionalen Schalter mit einem zweiten Leitungsabschnitt verbindbar, (ii) über einen zweiten bidirektionalen Schalter mit einem dritten Leitungsabschnitt verbindbar und (iii) über den ersten bidirektionalen Schalter und einen dritten bidirektionalen Schalter mit dem dritten Leitungsabschnitt verbindbar.
Gemäß einer Ausführungsform entspricht die Matrixtopologie der zweiten maschinenrückseitigen leistungselektronischen Schaltung einer Matrix, bei welcher Matrixelemente auf der Hauptdiagonalen der Matrix und Matrixelemente unterhalb oder oberhalb von der Hauptdiagonalen der Matrix einem jeweiligen bidirektionalen Schalter entsprechen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist aufgrund der Matrixtopologie der zweiten maschinenrückseitigen leistungselektronischen Schaltung der erste Leitungsabschnitt (i) über einen vierten bidirektionalen Schalter mit einem vierten Leitungsabschnitt verbindbar, (ii) über den ersten bidirektionalen Schalter und einen fünften bidirektionalen Schalter mit dem vierten Leitungsabschnitt verbindbar, (iii) über den ersten bidirektionalen Schalter, den dritten bidirektionalen Schalter und einen sechsten bidirektionalen Schalter mit dem vierten Leitungsabschnitt verbindbar und (iv) über den zweiten bidirektionalen Schalter und den sechsten bidirektionalen Schalter mit dem vierten Leitungsabschnitt verbindbar.
Die Stromversorgungseinheit kann ferner eine Gleichspannungsquelle umfassen, welche parallel mit der Vielzahl von Halbbrücken der ersten maschinenvorderseitigen leistungselektronischen Schaltung elektrisch leitend verbindbar ist, um die Leitungsabschnitte mit einem jeweiligen Strom zu beaufschlagen.
Ferner kann die Stromversorgungseinheit eine Steuereinheit umfassen, welche ausgebildet ist, jeden der Vielzahl von bidirektionalen Schaltern der zweiten maschinenrückseitigen leistungselektronischen Schaltung zu schalten. Dabei kann die Steuereinheit zur Ansteuerung der bidirektionalen Schalter wenigstens einen Ladungspumpen-Treiber umfassen.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuereinheit ausgebildet, bei einer Fehlfunktion eines bidirektionalen Schalters einen Schaltzustand wenigstens eines anderen bidirektionalen Schalters der zweiten maschinenrückseitigen leistungselektronischen Schaltung zu ändern, um den Betrieb der Stromversorgungseinheit aufrecht zu erhalten.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Vielzahl von Leitungsabschnitten eine Vielzahl von parallel angeordneten Leitungsstäben, welche in Nuten eines Statorkerns eingebracht sind, um einen Stator der elektrischen Maschine auszubilden. Dabei können die Leitungsstäbe in Umfangsrichtung des Statorkerns gleichmäßig verteilt sein. Die Stromversorgungseinheit kann ferner eine Vielzahl von Potentialringen umfassen, welche ausgebildet sind, die Vielzahl von Leitungsstäben mit der Vielzahl von bidirektionalen Schaltern zu verbinden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Stromversorgungseinheit n Leitungsabschnitte und wenigstens m bidirektionale Schalter, wobei: $m = \frac{n^{2} - n}{2} .$
Die bidirektionalen Schalter können gegengleich parallel geschaltete IGBTs ohne Freilaudioden umfassen. Ebenso können die bidirektionalen Schalter auch gegengleich in Reihe geschaltete MOSFETs umfassen. Nachstehend werden die bidirektionalen Schalter daher teilweise auch als bidirektionale Halbleiterschalter bezeichnet. Dabei können die bidirektionalen Schalter im Bare-Die-Format ausgebildet sein.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine elektrische Maschine, insbesondere ein elektrischer Motor mit einer Stromversorgungseinheit nach dem vorstehend beschriebenen ersten Aspekt der Erfindung bereitgestellt.
Somit ermöglichen Ausführungsformen der Erfindung durch die Anbindung einer Leistungselektronik mit Matrixtopologie auf der Rückseite der elektrischen Maschine, die Leitungsabschnitte beliebig miteinander zu verschalten. Dabei ist es ausreichend, die Leistungselektronik mittels der Steuereinheit nur dann zu schalten, wenn der Betriebsmodus der elektrischen Maschine (Phasen, Polpaarzahl oder andere Betriebsarten) geändert wird. Hierdurch werden Schaltverluste reduziert und eine elektrische Maschine mit einer höheren Zahl an Freiheitsgraden bereitgestellt.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und den Figuren näher beschrieben. In den Figuren zeigen:

1 eine Explosionsdarstellung von Komponenten eines Stators einer herkömmlichen elektrischen Maschine;
2 eine schematische Darstellung einer Stromversorgungseinheit für eine elektrische Maschine gemäß einem Ausführungsbeispiel mit einer leistungselektronischen Schaltung an der Vorderseite und einer leistungselektronischen Schaltung mit Matrixtopologie an der Rückseite der elektrischen Maschine;
3 eine Draufsicht sowie eine Seitenschnittansicht der Anordnung einer Vielzahl von bidirektionalen Schaltern zum Ausbilden einer leistungselektronischen Schaltung mit Matrixtopologie an der Rückseite einer elektrischen Maschine gemäß einem Ausführungsbeispiel;
4 eine Draufsicht sowie eine Seitenschnittansicht der Anordnung einer Vielzahl von bidirektionalen Schaltern zum Ausbilden einer leistungselektronischen Schaltung mit Matrixtopologie an der Rückseite einer elektrischen Maschine gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
5 ein Balkendiagram, welches die Abhängigkeit der Anzahl der bidirektionalen Halbleiterschalter zum Ausbilden einer leistungselektronischen Schaltung mit Matrixtopologie an der Rückseite einer elektrischen Maschine von der Anzahl der Leitungsstäbe gemäß einem Ausführungsbeispiel illustriert;
6a eine schematische Darstellung einer Stromversorgungseinheit für eine elektrische Maschine gemäß einem Ausführungsbeispiel mit einer leistungselektronischen Schaltung an der Vorderseite und einer leistungselektronischen Schaltung mit Matrixtopologie an der Rückseite der elektrischen Maschine;
6b ein Diagramm, welches unterschiedliche Arbeitsbereiche einer elektrischen Maschine mit der Stromversorgungseinheit von 6a für unterschiedliche Polpaarzahlen zeigt;
6c ein Diagramm, welches die Verteilung der Phasen und der Stromrichtungen in den Leitungsstäben der Stromversorgungseinheit von 6a zeigt;
6d die Stromversorgungseinheit von 6a mit einer anderen Verschaltung der bidirektionalen Schalter der leistungselektronischen Schaltung mit Matrixtopologie zur Kompensation des Ausfalls eines bidirektionalen Schalters;
7a eine schematische Darstellung einer Stromversorgungseinheit für eine elektrische Maschine gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel mit einer leistungselektronischen Schaltung an der Vorderseite und einer leistungselektronischen Schaltung mit Matrixtopologie an der Rückseite der elektrischen Maschine;
7b ein Diagramm, welches unterschiedliche Arbeitsbereiche einer elektrischen Maschine mit der Stromversorgungseinheit von 7a für unterschiedliche Polpaarzahlen zeigt;
7c ein Diagramm, welches die Verteilung der Phasen und der Stromrichtungen in den Leitungsstäben der Stromversorgungseinheit von 7a zeigt;
8a eine schematische Darstellung einer Stromversorgungseinheit für eine elektrische Maschine gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel mit einer leistungselektronischen Schaltung an der Vorderseite und einer leistungselektronischen Schaltung mit Matrixtopologie an der Rückseite der elektrischen Maschine;
8b ein Diagramm, welches unterschiedliche Arbeitsbereiche einer elektrischen Maschine mit der Stromversorgungseinheit von 8a für unterschiedliche Polpaarzahlen zeigt; und
8c ein Diagramm, welches die Verteilung der Phasen und der Stromrichtungen in den Leitungsstäben der Stromversorgungseinheit von 8a zeigt.

In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die beiliegenden Figuren Bezug genommen, die einen Teil hiervon bilden und in denen als Veranschaulichung spezifische Ausführungsformen gezeigt sind, in denen die Erfindung ausgeführt werden kann. Es versteht sich, dass auch andere Ausführungsformen genutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Konzept der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die folgende ausführliche Beschreibung ist deshalb nicht in einem beschränkenden Sinne zu verstehen. Ferner versteht es sich, dass die Merkmale der verschiedenen hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden können, sofern nicht spezifisch etwas anderes angegeben ist.
Die Aspekte und Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen sich im Allgemeinen auf gleiche Elemente beziehen. In der folgenden Beschreibung werden zu Erläuterungszwecken zahlreiche spezifische Details dargelegt, um ein eingehendes Verständnis von einem oder mehreren Aspekten der vorliegenden Erfindung zu vermitteln.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Stromversorgungseinheit 200 für eine elektrische Maschine. Gemäß einer Ausführungsform kann es sich bei der elektrischen Maschine um einen elektrischen Motor beispielsweise zum Antreiben einer Antriebswelle handeln. Wie in 2 dargestellt, umfasst die Stromversorgungseinheit 200 eine Gleichspannungsquelle 202, die mit einer ersten leistungselektronischen Schaltung bzw. Leistungselektronik an der Vorderseite der elektrischen Maschine verbunden ist. Dabei kann die erste Leistungselektronik gemäß einer der in der DE102014118356A1 beschriebenen Ausführungsformen ausgebildet sein, auf die hiermit vollumfänglich Bezug genommen wird.
Bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die erste leistungselektronische Schaltung an der Vorderseite der elektrischen Maschine eine Vielzahl von Halbbrücken, insbesondere Halbleiterschaltern 201a-n, welche parallel mit der Spannungsquelle 202 verbunden sind. In vergrößerter Ansicht sind in 2 zwei mögliche Ausgestaltungen eines Halbleiterschalters der ersten leistungselektronischen Schaltung an der Vorderseite der elektrischen Maschine dargestellt, hier beispielhaft für die Vielzahl von Halbschaltern der Halbleiterschalter 201 n. Für weitere Details zum Aufbau und zur Funktionsweise der Halbleiterschalter 201a-n wird wiederum auf die DE102014118356A1 verwiesen.
Wie in 2 dargestellt, ist jeder der Halbleiterschalter 201n an der Vorderseite der elektrischen Maschine mit einem jeweiligen Leitungsabschnitt 211a-n verbunden. In der Darstellung von 2 sind die Leitungsabschnitte 211a-n als Induktivitäten dargestellt. Gemäß einer Ausführungsform können die Leitungsabschnitte 211a-n so wie in der DE102014118356A1 beschrieben und in 1 dargestellt als solide Leitungsstäbe 211a-n ausgebildet sein, die parallel zueinander angeordnet sind und sich in axialer Richtung erstrecken. Alternativ können die Leitungsabschnitte 211a-n Filamente aus leitendem Material umfassen, z.B. Kupfer, Aluminium oder Kohlenstoffnanoröhrchen. Die Leitungsabschnitte 211a-n können im Luftspalt der elektrischen Maschine angeordnet sein, in Nuten des Stators eingelegt sein und/oder durch Bohrung oder Druckguss in dem Kern des Stators eingebracht sein. Im Folgenden werden nicht beschränkende Ausführungsbeispiele beschrieben, bei denen die Leitungsabschnitte 211a-n als Leitungsstäbe 211a-n ausgebildet sind.
Die Leistungselektronik auf der Rückseite der elektrischen Maschine umfasst ebenfalls eine Vielzahl von bidirektionalen Halbleiterschaltern, welche, wie nachstehend detaillierter beschrieben, eine Schaltung mit Matrixtopologie ausbilden und mit den Bezugsziffern 203aa-nn gekennzeichnet sind. Dabei ist jeder bidirektionale Halbleiterschalter 203aa-nn ausgebildet, je nach Schaltzustand bidirektional einen Strom zu leiten (d.h. einen Strom entweder in die eine oder die andere Richtung zu leiten) oder den Strom zu sperren. Wie sich der 2 entnehmen lässt, ist aufgrund der Schaltung der Vielzahl von bidirektionalen Halbleiterschaltern 203aa-nn in einer Matrixtopologie jeder der Leitungsstäbe 211a-n jeweils über unterschiedliche Strompfade, welche durch unterschiedliche bidirektionale Halbleiterschalter 203aa-nn und unterschiedliche Kombinationen davon definiert werden, mit den anderen Leitungsstäben 211a-n elektrisch leitend verbindbar.
In vergrößerter Ansicht sind in 2 zwei mögliche Ausgestaltungen eines bidirektionalen Halbleiterschalters der zweiten Leistungselektronik an der Rückseite der elektrischen Maschine dargestellt, hier beispielhaft für die Vielzahl von Halbschaltern der Halbschalter 203aa. Gemäß einer Ausführungsform kann der bidirektionale Halbleiterschalter 203aa gegengleich parallel geschaltete IGBTs ohne Freilaufdioden umfassen. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der bidirektionale Halbleiterschalter 203aa gegengleich in Reihe geschaltete MOSFETs umfassen. Auch spezielle MOSFETs ohne Freilaufdiode sind für den Einsatz in dem bidirektionalen Halbleiterschalter 203aa denkbar.
Wie in 2 dargestellt, kann die Stromversorgungseinheit 200 ferner eine Steuereinheit 210 umfassen, welche ausgebildet ist, die Vielzahl von bidirektionalen Halbleiterschaltern 203aa-nn der leistungselektronischen Schaltung auf der Rückseite der elektrischen Maschine zu schalten. Dabei kann Ansteuerung der bidirektionalen Halbleiterschalter 203aa-nn mittels der Steuereinheit 210 über einen Bus, beispielsweise einen CAN- oder I2C-BUS erfolgen.
Da, wie nachstehend detaillierter beschrieben, die bidirektionalen Halbleiterschalter 203aa-nn gemäß einer Ausführungsform der Erfindung nur bei einem Wechsel der Phasen oder Polpaarzahl durch die Steuereinheit 210 angesteuert werden müssen, sind gemäß einer Ausführungsform die bidirektionalen Halbleiterschalter 203aa-nn ausgebildet, über einen längeren Zeitraum in einem Schaltzustand zu verbleiben. Hierfür können bei der Ansteuerung der bidirektionalen Halbleiterschalter 203aa-nn Ladungspumpen-Treiber („Chargepump“-Treiber) eingesetzt werden, welche ausgebildet sind, die bidirektionalen Halbleiterschalter 203aa-nn über einen längeren Zeitraum anzusteuern, d.h. in demselben Schaltzustand zu belassen.
Wie bereits vorstehend beschrieben und wie in 2 ersichtlich, definiert die leistungselektronische Schaltung mit der Vielzahl von bidirektionalen Halbleiterschaltern 203aa-nn eine Matrixtopologie bzw. Matrixstruktur. In dieser Matrixtopologie sind die bidirektionalen Halbleiterschalter 203aa-nn derart miteinander und mit den Leitungsstäben 211a-n verschaltet, dass jeder Leitungsstab der Vielzahl von Leitungsstäben 211a-n über jeweils unterschiedliche Strompfade, welche durch unterschiedliche bidirektionale Halbleiterschalter 203aa-nn und unterschiedliche Kombinationen davon definiert werden, mit allen anderen Leitungsstäben der Vielzahl von Leitungsstäben 211a-n elektrisch leitend verbindbar ist.
Beispielsweise ist in 2 der erste Leitungsstab 211a über den bidirektionalen Halbleiterschalter 203aa mit dem zweiten Leitungsstab 211b, über den bidirektionalen Halbleiterschalter 203ba mit dem dritten Leitungsstab 211c, über den bidirektionalen Halbleiterschalter 203ca mit dem vierten Leitungsstab 211d und über den bidirektionalen Halbleiterschalter 203na mit dem n-ten Leitungsstab 211n elektrisch leitend verbindbar. Neben diesen Verbindungen des ersten Leitungsstabs 211a mit den anderen Leitungsstäben 211b-n gibt es jedoch aufgrund der Anordnung und Verschaltung der Vielzahl von bidirektionalen Halbleiterschaltern 203aa-nn eine Vielzahl von weiteren möglichen Verbindungen bzw. Strompfaden zwischen den Leitungsstäben 211a-n. Beispielsweise besteht eine weitere Verbindung zwischen dem ersten Leitungsstab 211a und dem dritten Leitungsstab 211c über den bidirektionalen Halbleiterschalter 203aa und den bidirektionalen Halbleiterschalter 203bb. Da, wie bereits vorstehend beschrieben, die Steuereinheit 210 ausgebildet ist, jeden der bidirektionalen Halbleiterschalter 203aa-nn zu sperren bzw. in die eine oder die andere Richtung zu schließen, können mittels der Steuereinheit 210 unterschiedliche Kombinationen der Vielzahl von bidirektionalen Halbleiterschaltern 203aa-nn in der leistungselektronischen Schaltung mit Matrixtopologie ausgewählt werden, um je nach Anwendungsfall unterschiedliche Verbindungen bzw. Strompfade zwischen den Leitungsstäben 211a-n zu definieren.
Die in 2 dargestellten Verschaltung der Vielzahl von bidirektionalen Halbleiterschaltern 203aa-nn definiert eine Matrixtopologie, bei der jeweils ein bidirektionaler Halbleiterschalter 203aa-nn auf der Diagonalen der Matrix und unterhalb davon ausgebildet ist, d.h. der zweite Buchstabenindex entspricht entweder dem ersten Buchstabenindex oder ist ein Buchstabe, welcher im Alphabet vor dem ersten Buchstabenindex steht. Obgleich es sich bei der in 2 dargestellten Matrixtopologie um eine bevorzugte Ausführungsform der Verschaltung der Vielzahl von bidirektionalen Halbleiterschaltern 203aa-nn handelt, sind auch andere Matrixtopologien denkbar, beispielsweise Matrixtopologien, bei denen weitere bidirektionale Halbleiterschalter auch oberhalb der Matrixdiagonalen angeordnet und verschaltet sind.
In den 3 und 4 sind zwei Ausführungsbeispiele für eine praktische Umsetzung der in 2 dargestellten zweiten leistungselektronischen Schaltung mit Matrixtopologie an der Rückseite der elektrischen Maschine gezeigt, und zwar jeweils in Form einer Stirnansicht und einer seitlichen Querschnittsansicht. Der Übersichtlichkeit halber ist dabei ein Beispiel mit vier Leitungsstäben 211a-d gewählt worden, die sich parallel in axialer Richtung erstecken und in Umfangsrichtung mit einem Winkelabstand von jeweils 90° angeordnet sind.
Wie sich 3 entnehmen lässt, ist bei diesem Ausführungsbeispiel der Leitungsstab 211a direkt mit einem Potentialring (bzw. Potentialhohlzylinder) 213a verbunden und über den bidirektionalen Halbleiterschalter 203aa mit einem Potentialring 213b verbunden. Zwischen dem Potentialring 213a und dem weiter innen angeordneten Potentialring 213b befindet sich ein Isolierungsring. Mit dem Potentialring 213c und dem Potentialring 213d ist der Leitungsstab 211a bei dieser Ausführungsform nicht verbunden.
Der Leitungsstab 211b ist direkt mit dem Potentialring 213b verbunden und über den bidirektionalen Halbleiterschalter 203ba mit dem Potentialring 213c verbunden. Zwischen dem Potentialring 213b und dem weiter innen angeordneten Potentialring 213c befindet sich ein Isolierungsring. Mit dem Potentialring 213a und dem Potentialring 213d ist der Leitungsstab 211b bei dieser Ausführungsform nicht verbunden.
Der Leitungsstab 211c ist direkt mit dem Potentialring 213c verbunden. Ferner ist der Leitungsstab 211c über den bidirektionalen Halbleiterschalter 203bb mit dem Potentialring 213a und über den bidirektionalen Halbleiterschalter 203cc mit dem Potentialring 213d verbunden. Zwischen dem Potentialring 213c und dem weiter innen angeordneten Potentialring 213d befindet sich ein Isolierungsring. Mit dem Potentialring 213b ist der Leitungsstab 211c bei dieser Ausführungsform nicht verbunden.
Der Leitungsstab 211d ist direkt mit dem Potentialring 213d verbunden. Ferner ist der Leitungsstab 211d über den bidirektionalen Halbleiterschalter 203ca mit dem Potentialring 213a und über den bidirektionalen Halbleiterschalter 203cb mit dem Potentialring 213b verbunden. Mit dem Potentialring 213c ist der Leitungsstab 211d bei dieser Ausführungsform nicht verbunden.
Die in 4 gezeigte Ausführungsform unterscheidet sich von der in der 3 dargestellten Ausführungsform in der konkreten Ausbildung der elektrisch leitenden Verbindung des jeweiligen Leitungsstabs 211a-d mit den bidirektionalen Halbleiterschaltern 203aa-cc, die wiederum mit den Potentialringen 213a-d elektrisch leitend verbunden sind. Bei beiden Ausführungsformen ist an dem maschinenrückseitigen Ende des jeweiligen Leitungsstabs 211a-d ein Verbindungssteg ausgebildet, beispielsweise der Verbindungssteg 220a am maschinenrückseitigen Ende des Leitungsstabs 211c, welcher über das Verbindungselement 215c, wie vorstehend beschrieben, direkt mit dem Potentialring 213c elektrisch leitend verbunden ist und direkt oder indirekt elektrisch leitend mit den jeweiligen bidirektionalen Halbleiterschaltern 203bb, 203cc verbunden ist. Bei der in 3 dargestellten Ausführungsform ist beispielsweise der Verbindungssteg 220a über ein jeweiliges weiteres Verbindungselement 220b bzw. 220c mit dem bidirektionalen Halbleiterschalter 203bb bzw. 203cc elektrisch leitend verbunden. Bei der in 4 dargestellten Ausführungsform ist der Verbindungssteg 220a direkt mit dem bidirektionalen Halbleiterschalter 203bb, der wiederum elektrisch leitend mit dem Potentialring 213a verbunden ist, und dem bidirektionalen Halbleiterschalter 203cc elektrisch leitend verbunden, der wiederum elektrisch leitend mit dem Potentialring 213d verbunden ist.
5 illustriert die Anzahl der bidirektionalen Halbleiterschalter 203aa-nn der zweiten leistungselektronischen Schaltung mit Matrixtopologie an der Rückseite der elektrischen Maschine in Abhängigkeit der Anzahl der Leitungsstäbe 211a-n für die in 2 dargestellte Ausführungsform. Wie dargestellt, steigt bei der in 2 dargestellte Ausführungsform die Anzahl der bidirektionalen Halbleiterschalter m mit der Leitungsstabanzahl n gemäß dem folgenden Zusammenhang: $m = \frac{n^{2} - n}{2} .$
Da bei der Ausführungsform von 2 mit steigender Anzahl der Leitungsstäbe 211n die Zahl der bidirektionalen Hableiterschalter 203aa-nn entsprechend der in 5 dargestellten Abhängigkeit zunimmt, bietet sich bei einer elektrischen Maschine mit einer großen Anzahl von Leitungsstäben 211a-n die Verwendung von platzsparenden bidirektionalen Halbleiterschaltern 203aa-nn im Bare-Die Format an. Derartige Halbleiterschalter im Bare-Die Format können platzsparend mit den Leitungsstäben 211an verbunden werden, beispielweise auf die vorstehend im Zusammenhang mit den 3 und 4 beschriebene Art und Weise.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele beschrieben, bei denen die Stromversorgungseinheit 200 beispielhaft zwölf Leitungsstäbe 211a-l aufweist sowie entsprechend der in 5 dargestellten Abhängigkeit 66 bidirektionale Halbleiterschalter 203aa-kk. Dabei sind der Übersichtlichkeit halber in den 6a, 6d, 7a und 8a, welche die jeweiligen Verschaltungen der zwölf Leitungsstäbe 211a-l mit den 66 bidirektionalen Halbleiterschaltern 203aa-kk mit Matrixtopologie illustrieren, nicht alle Halbleiterschalter 203aa-kk mit einer Bezugsziffer gekennzeichnet. Der Fachmann wird jedoch aufgrund der in diesen Figuren verwendeten Bezugsziffern und der in der 2 illustrierten Systematik der dargestellten Matrixtopologie die Bezugsziffern der nicht gekennzeichneten bidirektionalen Halbleiterschalter 203aa-kk ohne weiteres ableiten können. Wie bereits vorstehend beschrieben und wie sich dies den 6a, 6d, 7a und 8a entnehmen lässt, definiert die Verschaltung der Vielzahl von bidirektionalen Halbleiterschaltern 203aa-kk eine Matrixtopologie, bei der gemäß einer Ausführungsform jeweils ein Halbleiterschalter 203aa-kk auf der Diagonalen der Matrix und unterhalb davon ausgebildet ist, d.h. der zweite Buchstabenindex entspricht entweder dem ersten Buchstabenindex oder ist ein Buchstabe, welcher im Alphabet vor dem ersten Buchstabenindex steht.
Für dieses Ausführungsbeispiel der Stromversorgungseinheit 200 mit zwölf Leitungsstäben 211a-l und 66 bidirektionalen Halbleiterschaltern 203aa-kk lässt sich der 6a (analog zu der 2) die Verschaltung der bidirektionalen Halbleiterschalter 203aa-kk mit Matrixtopologie entnehmen. Bei der in 6a dargestellten Ausführungsform ist die Steuereinheit 210 (in 6a nicht dargestellt) der Stromversorgungseinheit 200 ausgebildet, die bidirektionalen Halbleiterschalter 203aa-kk derart zu schalten, dass die elektrische Maschine mit drei Phasen in dem in 6b gekennzeichneten Arbeitsbereich mit niedriger Polpaarzahl p₁ betrieben werden kann, in welchem hohe Drehzahlen mit niedrigen Drehmomenten erreicht werden können. Beispielhaft kann die elektrische Maschine in drei weiteren Arbeitsbereichen mit größeren Polpaarzahlen p₂, p₃ und p₄ betrieben werden, wie dies nachstehend am Beispiel der Polpaarzahl p₂ im Zusammenhang mit den 7a-c beschrieben wird.
6c zeigt für dieses Ausführungsbeispiel die Verteilung der drei Phasen sowie die jeweilige Stromrichtung über die Leitungsstäbe 211a-l. Wie sich der 6c entnehmen lässt, fließt beispielsweise durch den ersten Leitungsstab 211a (Leitungsstab „1“) und den zweiten Leitungsstab 211b (Leitungsstab „2“) der Strom mit der Phase U in die maschinenrückseitige Leistungselektronik der Stromversorgungseinheit 200 hinein.
In 6a ist dargestellt, wie der Strom aufgrund einer beispielhaften Schaltung der Vielzahl von bidirektionalen Halbleiterschaltern 203aa-kk durch die Steuereinheit 210 durch die maschinenrückseitige Leistungselektronik mit Matrixtopologie fließt. Wie sich dabei der 6a entnehmen lässt, kann die in 6c gezeigte beispielhafte Verteilung der Stromrichtungen und Phasen U, W und V dadurch erreicht werden, dass die bidirektionalen Halbleiterschalter 203fa, 203gb, 203hc und 203id durch die Steuereinheit 210 in einer ersten Stromrichtung geschaltet sind und die bidirektionalen Halbleiterschalter 203je und 203kf in der entgegen gesetzten Stromrichtung geschaltet sind (die restlichen bidirektionalen Halbleiterschalter sind in einem Schaltzustand, in dem diese keinen Strom leiten).
In 6d ist dargestellt, wie die in 6a dargestellte Stromversorgungseinheit 200 einen Ausfall eines geschalteten, d.h. stromführenden bidirektionalen Halbleiterschalters kompensieren kann, und zwar beispielhaft einen Ausfall des bidirektionalen Halbleiterschalters 203fa. Die Steuereinheit 210 der Stromversorgungseinheit 200 ist ausgebildet, in diesem Fall den bisher durch den bidirektionalen Halbleiterschalter 203fa verlaufenden Strompfad zwischen dem ersten Leitungsstab 211a (Leitungsstab „1“) und dem siebten Leitungsstab 211g (Leitungsstab „7“) durch einen neuen Strompfad zwischen dem ersten Leitungsstab 211a (Leitungsstab „1“) und dem siebten Leitungsstab 211g (Leitungsstab „7“) zu ersetzen. Dabei kann, wie in 6d dargestellt, der neue Strompfad zwischen dem ersten Leitungsstab 211a (Leitungsstab „1“) und dem siebten Leitungsstab 211g (Leitungsstab „7“) ausgebildet werden, indem die Steuereinheit 210 den bidirektionalen Hauptleiterschalter 203aa und den bidirektionalen Hauptleiterschalter 230fb derart ansteuert, dass diese den Strom in der ersten Stromrichtung leiten (d.h. der bisherigen Stromrichtung des zu kompensierenden Halbleiterschalters 203fa).
Die 7a-c zeigen (analog zu den 6a-c) ein weiteres Beispiel einer Anordnung und Verschaltung der Vielzahl von bidirektionalen Halbleiterschaltern 203aa-kk der maschinenrückseitigen Leistungselektronik der Stromversorgungseinheit 200. Bei dem in 7a dargestellten Beispiel ist die Steuereinheit 210 der Stromversorgungseinheit 200 ausgebildet, die bidirektionalen Halbleiterschalter 203aa-kk derart zu schalten, dass die elektrische Maschine mit drei Phasen in dem in 7b gekennzeichneten Arbeitsbereich mit der Polpaarzahl p₂ betrieben werden kann, die größer als die Polpaarzahl p₁ des in den 6a-d gezeigten Beispiels ist und somit beispielhaft höhere Drehmomente bei niedrigeren Drehzahlen erlaubt. In 7c ist wiederum die Verteilung der Stromrichtungen und Phasen über die Leitungsstäbe 211a-l dargestellt. Wie sich dabei der 7a entnehmen lässt, kann die in 7c gezeigte beispielhafte Verteilung der Stromrichtungen und Phasen U, W und V dadurch erreicht werden, dass die bidirektionalen Halbleiterschalter 203ca, 203db, 203ig und 203jh durch die Steuereinheit 210 in einer ersten Stromrichtung geschaltet sind und die bidirektionalen Halbleiterschalter 203ec und 203ki in der entgegen gesetzten Stromrichtung geschaltet sind (die restlichen bidirektionalen Halbleiterschalter sind in einem Schaltzustand, in dem diese keinen Strom leiten).
Die 8a-c zeigen (analog zu den 6a-c und 7a-c) ein weiteres Beispiel einer Anordnung und Verschaltung der Vielzahl von bidirektionalen Halbleiterschaltern 203aa-kk der maschinenrückseitigen Leistungselektronik der Stromversorgungseinheit 200. Bei dem in 8a dargestellten Beispiel ist die Steuereinheit 210 der Stromversorgungseinheit 200 ausgebildet, die bidirektionalen Halbleiterschalter 203aa-kk derart zu schalten, dass die elektrische Maschine mit 6 Phasen (statt der 3 Phasen bei dem in den 6a-d gezeigten Beispiel) in dem in 8b gekennzeichneten Arbeitsbereich mit der Polpaarzahl p₁ betrieben werden kann. In 8c ist wiederum die Verteilung der Stromrichtungen und der 6 Phasen über die Leitungsstäbe 211 a-l dargestellt. Wie sich dabei der 8a entnehmen lässt, kann die in 8c gezeigte beispielhafte Verteilung der Stromrichtungen und sechs Phasen dadurch erreicht werden, dass die bidirektionalen Halbleiterschalter 203fa, 203gb, 203hc und 203id durch die Steuereinheit 210 in einer ersten Stromrichtung geschaltet sind und die bidirektionalen Halbleiterschalter 203je und 203kf in der entgegen gesetzten Stromrichtung geschaltet sind (die restlichen bidirektionalen Halbleiterschalter sind in einem Schaltzustand, in dem diese keinen Strom leiten).
Somit ermöglichen Ausführungsformen der Erfindung durch die Anbindung einer Leistungselektronik mit Matrixtopologie auf der Rückseite der elektrischen Maschine, die Leitungsstäbe 211a-n beliebig miteinander zu verschalten. Dabei ist es ausreichend, die Leistungselektronik mittels der Steuereinheit 210 nur dann zu schalten, wenn der Betriebsmodus der elektrischen Maschine (Phasen, Polpaarzahl oder andere Betriebsarten) geändert wird. Hierdurch werden Schaltverluste reduziert und eine elektrische Maschine mit einer höheren Zahl an Freiheitsgraden bereitgestellt.

Claims

Stromversorgungseinheit (200) für eine elektrische Maschine, mit: einer Vielzahl von Leitungsabschnitten (211a-n); einer ersten maschinenvorderseitigen leistungselektronischen Schaltung mit einer Vielzahl von Halbbrücken (201a-n), welche ausgebildet ist, die Vielzahl von Leitungsabschnitten (211a-n) mit einem jeweiligen Strom zu beaufschlagen; und einer zweiten maschinenrückseitigen leistungselektronischen Schaltung mit einer Vielzahl von bidirektionalen Schaltern (203aa-nn), wobei die zweite maschinenrückseitige leistungselektronische Schaltung eine Matrixtopologie aufweist und ausgebildet ist, jeden der Vielzahl von Leitungsabschnitten (211a-n) über eine Vielzahl von Strompfaden, welche durch die Vielzahl von bidirektionalen Schaltern (203aa-nn) und Kombinationen davon definiert werden, mit allen anderen Leitungsabschnitten (211a-n) elektrisch leitend zu verbinden, wobei aufgrund der Matrixtopologie der zweiten maschinenrückseitigen leistungselektronischen Schaltung ein erster Leitungsabschnitt (211a) (i) über einen ersten bidirektionalen Schalter (203aa) mit einem zweiten Leitungsabschnitt (211b) verbindbar ist, (ii) über einen zweiten bidirektionalen Schalter (203ba) mit einem dritten Leitungsabschnitt (211c) verbindbar ist und (iii) über den ersten bidirektionalen Schalter (203aa) und einen dritten bidirektionalen Schalter (203bb) mit dem dritten Leitungsabschnitt (211c) verbindbar ist.
Stromversorgungseinheit (200) nach Anspruch 1, wobei die Matrixtopologie der zweiten maschinenrückseitigen leistungselektronischen Schaltung durch eine Matrix definiert wird, bei welcher Matrixelemente auf der Hauptdiagonalen der Matrix und Matrixelemente unterhalb oder oberhalb von der Hauptdiagonalen der Matrix einem jeweiligen bidirektionalen Schalter (203aa-nn) entsprechen.
Stromversorgungseinheit (200) nach Anspruch 1, wobei aufgrund der Matrixtopologie der zweiten maschinenrückseitigen leistungselektronischen Schaltung der erste Leitungsabschnitt (211a) (i) über einen vierten bidirektionalen Schalter (203ca) mit einem vierten Leitungsabschnitt (211d) verbindbar ist, (ii) über den ersten bidirektionalen Schalter (203aa) und einen fünften bidirektionalen Schalter (203cb) mit dem vierten Leitungsabschnitt (211d) verbindbar ist, (iii) über den ersten bidirektionalen Schalter (203aa), den dritten bidirektionalen Schalter (203bb) und einen sechsten bidirektionalen Schalter (203cc) mit dem vierten Leitungsabschnitt (211d) verbindbar ist und (iv) über den zweiten bidirektionalen Schalter (203ba) und den sechsten bidirektionalen Schalter (203cc) mit dem vierten Leitungsabschnitt (211d) verbindbar ist.
Stromversorgungseinheit (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Stromversorgungseinheit (200) eine Gleichspannungsquelle (202) umfasst, wobei die Gleichspannungsquelle (202) parallel mit der Vielzahl von Halbbrücken (201 a-n) der ersten maschinenvorderseitigen leistungselektronischen Schaltung elektrisch leitend verbindbar ist, um die Leitungsabschnitte (211a-n) mit einem jeweiligen Strom zu beaufschlagen.
Stromversorgungseinheit (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Stromversorgungseinheit (200) ferner eine Steuereinheit (210) umfasst, welche ausgebildet ist, die Vielzahl von bidirektionalen Schaltern (203aa-nn) der zweiten maschinenrückseitigen leistungselektronischen Schaltung zu schalten.
Stromversorgungseinheit (200) nach Anspruch 5, wobei die Steuereinheit (210) zur Ansteuerung der bidirektionalen Schalter (203aa-nn) wenigstens einen Ladungspumpen-Treiber umfasst.
Stromversorgungseinheit (200) nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Steuereinheit (210) ausgebildet ist, bei einer Fehlfunktion eines bidirektionalen Schalters (203aa-nn) einen Schaltzustand wenigstens eines anderen bidirektionalen Schalters (203aa-nn) der zweiten maschinenrückseitigen leistungselektronischen Schaltung zu ändern, um den Betrieb der Stromversorgungseinheit (200) aufrecht zu erhalten.
Stromversorgungseinheit (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vielzahl von Leitungsabschnitten (211a-n) eine Vielzahl von parallel angeordneten Leitungsstäben (211a-n) umfasst, welche in Nuten eines Statorkerns eingebracht sind, um einen Stator der elektrischen Maschine auszubilden.
Stromversorgungseinheit (200) nach Anspruch 8, wobei die Leitungsstäbe (211an) in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt sind und die Stromversorgungseinheit (200) ferner eine Vielzahl von Potentialringen (213a-d) umfasst, welche ausgebildet sind, die Vielzahl von Leitungsstäben (211a-n) mit der Vielzahl von bidirektionalen Schaltern (203aa-nn) zu verbinden.
Stromversorgungseinheit (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Stromversorgungseinheit (200) n Leitungsabschnitte (211a-n) und wenigstens m bidirektionale Schalter (203aa-nn) umfasst, wobei: $m = \frac{n^{2} - n}{2} .$
Stromversorgungseinheit (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei wenigstens einer der bidirektionalen Schalter (203aa-nn) gegengleich parallel geschaltete IGBTs ohne Freilaudioden umfasst.
Stromversorgungseinheit (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei wenigstens einer der bidirektionalen Schalter (203aa-nn) gegengleich in Reihe geschaltete MOSFETs umfasst.
Stromversorgungseinheit (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei einer oder mehrere der Vielzahl von bidirektionalen Schaltern (203aa-nn) im Bare-Die-Format ausgebildet sind.
Elektrische Maschine, insbesondere elektrischer Motor mit einer Stromversorgungseinheit (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.