Die Erfindung betrifft eine Elektromaschine.The invention relates to an electric machine.
Für Elektromaschinen existieren Normen wie beispielsweise die internationale Norm IEC 60034-18-41 für die Qualifizierung und Qualitätsprüfung für teilentladungsfreie elektrische Isoliersysteme (Typ I) in drehenden elektrischen Maschinen, die von Spannungsumrichtern gespeist werden. Die Norm stellt z.B. Anforderungen an den Prüfwert einer Teilentladungseinsetzspannung für umrichtergespeiste elektrische Maschinen. Als Teilentladungseinsetzspannung wird die Spannung bezeichnet, bei der wiederholt Teilentladungen zum ersten Mal am Prüfobjekt auftreten, wenn die an den Prüfling angelegte Spannung allmählich von einem geringen Wert, bei dem noch keine Teilentladung auftritt, gesteigert wird. Eine solche Teilentladung kann beispielsweise eine äußere teilweise Entladung als Korona- und Oberflächen-Teilentladung an Oberflächen von Feststoffisolierungen oder eine innere Teilentladung als äußerlich nicht sichtbare Entladungserscheinung innerhalb des Isoliermediums als Folge der Potentialdifferenz bzw. elektrische Feldüberhöhung zwischen zwei unterschiedlichen Wicklungen oder zwischen zwei Windungen einer Wicklung sein.There are standards for electrical machines such as the international one Standard IEC 60034-18-41 for the qualification and quality inspection of partial discharge-free electrical insulation systems (type I) in rotating electrical machines that are fed by voltage converters. For example, the standard sets requirements for the test value of a partial discharge inception voltage for converter-fed electrical machines. Partial discharge inception voltage is the voltage at which partial discharges repeatedly occur for the first time on the test object when the voltage applied to the test object is gradually increased from a low value at which partial discharge does not yet occur. Such a partial discharge can, for example, be an external partial discharge as a corona and surface partial discharge on surfaces of solid insulation or an internal partial discharge as an externally invisible discharge phenomenon within the insulating medium as a result of the potential difference or electrical field increase between two different windings or between two turns of a winding be.
Die CN 206 164 241 U zeigt eine Wicklung, bei der die geraden Abschnitte anders isoliert sind als die gebogenen Abschnitte.the CN 206 164 241 U shows a winding in which the straight sections are insulated differently than the curved sections.
Die EP 0 266 598 B1 und die EP 3 006 256 A1 zeigen eine Elektromaschine mit zwei separaten Wicklungssystemen, die jeweils von einem dedizierten Frequenzumrichter gespeist werden.the EP 0 266 598 B1 and the EP 3 006 256 A1 show an electric machine with two separate winding systems, each fed by a dedicated frequency converter.
Die JP 2005-190699 A zeigt eine Elektromaschine, bei der die Spulen durch ein strukturiertes Isoliermaterial isoliert sind.the JP 2005-190699 A shows an electrical machine in which the coils are insulated by a structured insulating material.
Die JP 2012-023818 A zeigt einen Stator, der auch mit einem dünnen Isolierfilm isoliert werden kann.the JP 2012-023818 A shows a stator that can also be insulated with a thin insulating film.
Die US 2008 / 231 136 A1 zeigt einen Stator mit einer Wicklungsanordnung, bei welcher Wicklungsanordnung die Dicke einer Wicklungsisolationsschicht jeweils unterschiedlich ist an einem geraden Abschnitt der Wicklungsanordnung und einem Endabschnitt der Wicklungsanordnung.the US 2008/231 136 A1 shows a stator with a winding arrangement, in which winding arrangement the thickness of a winding insulation layer is different in each case on a straight section of the winding arrangement and an end section of the winding arrangement.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine neue Elektromaschine bereitzustellen.It is an object of the invention to provide a new electric machine.
Diese Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand des Anspruchs 1.This object is achieved by the subject matter of claim 1.
Eine Elektromaschine hat eine Rotoranordnung und eine Statoranordnung, welche Statoranordnung eine erste Wicklungsanordnung, eine zweite Wicklungsanordnung und einen Statorkern mit einer Mehrzahl von Statornuten aufweist, welche erste Wicklungsanordnung erste Wicklungsanordnungsanschlüsse aufweist, zwischen welchen ersten Wicklungsanordnungsanschlüssen erste Wicklungen vorgesehen sind, welche ersten Wicklungen sich jeweils in mindestens einem ersten Wicklungsabschnitt durch eine der Statornuten erstrecken und in diesem ersten Wicklungsabschnitt eine Wicklungsisolation aufweisen, welche zweite Wicklungsanordnung zweite Wicklungsanordnungsanschlüsse aufweist, zwischen welchen zweiten Wicklungsanordnungsanschlüssen zweite Wicklungen vorgesehen sind, welche zweiten Wicklungen sich jeweils in mindestens einem zweiten Wicklungsabschnitt durch eine der Statornuten erstrecken und in diesem zweiten Wicklungsabschnitt eine Wicklungsisolation aufweisen, wobei sich mindestens eine erste vorgegebene Wicklungsisolation eines der ersten Wicklungsabschnitte von mindestens einer zweiten vorgegebenen Wicklungsisolation eines der zweiten Wicklungsabschnitte unterscheidet durch mindestens ein Kriterium aus einer ersten Kriteriengruppe bestehend aus:
- - Material der Wicklungsisolation,
- - Materialkombination der Wicklungsisolation, und
- - Dicke der Wicklungsisolation.
An electric machine has a rotor arrangement and a stator arrangement, which stator arrangement has a first winding arrangement, a second winding arrangement and a stator core with a plurality of stator slots, which first winding arrangement has first winding arrangement connections, between which first winding arrangement connections first windings are provided, which first windings are each in at least one first winding section extend through one of the stator slots and have a winding insulation in this first winding section, which second winding arrangement has second winding arrangement connections, between which second winding arrangement connections second windings are provided, which second windings each extend in at least one second winding section through one of the stator slots and have a winding insulation in this second winding section, at least a first one being predetermined e The winding insulation of one of the first winding sections from at least a second predetermined winding insulation of one of the second winding sections is distinguished by at least one criterion from a first group of criteria consisting of: - - material of the winding insulation,
- - Material combination of the winding insulation, and
- - Thickness of the winding insulation.
Die Verwendung unterschiedlicher Kriterien aus der ersten Kriteriengruppe für die Isolierung der Wicklungen im Bereich der Statornuten ermöglicht eine Reduzierung der Gefahr einer Teilentladung oder eines elektrischen Durchschlags durch eine bessere Isolierung an den kritischen Stellen und gleichzeitig eine günstige Herstellung der Elektromaschine. Es können somit Kosten gespart und die Leistungsdichte bzw. Effizienz des Antriebs gesteigert werden, ohne die Lebensdauer der Elektromaschine zu beeinträchtigen. Die Wicklungsisolationen können auch als Primärisolationen oder Leiterisolationen bezeichnet werden. Neben der Wicklungsisolation bzw. Primärisolation/Leiterisolation kann beispielsweise auch eine Nutisolation vorgesehen sein, beispielsweise in Form eines Nutpapiers.The use of different criteria from the first group of criteria for the insulation of the windings in the area of the stator slots enables a reduction in the risk of partial discharge or electrical breakdown through better insulation at the critical points and, at the same time, inexpensive manufacture of the electric machine. Costs can thus be saved and the power density or efficiency of the drive can be increased without impairing the service life of the electric machine. The winding insulation can also be referred to as primary insulation or conductor insulation. In addition to the winding insulation or primary insulation / conductor insulation, slot insulation can also be provided, for example in the form of grooved paper.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform unterscheiden sich die erste vorgegebene Wicklungsisolation und die zweite vorgegebene Wicklungsisolation durch mindestens zwei Kriterien aus der ersten Kriteriengruppe. Dies ermöglicht vorteilhafte Kombinationen der Kriterien.According to a preferred embodiment, the first predetermined winding insulation and the second predetermined winding insulation differ by at least two criteria from the first group of criteria. This enables advantageous combinations of the criteria.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die mindestens eine zweite vorgegebene Wicklungsisolation eine höhere Durchschlagsfestigkeit auf als die mindestens eine erste vorgegebene Wicklungsisolation.According to a preferred embodiment, the at least one second predetermined winding insulation has a higher dielectric strength than the at least one first predetermined winding insulation.
Durch diese Ausgestaltung kann für die zweite vorgegebene Wicklungsisolation ein Material verwendet werden, welches bei gleicher Dicke der Wicklungsisolation die Gefahr einer Teilentladung oder eines elektrischen Durchschlags verringert. Für die Messung der Durchschlagsspannung von Wickeldrähten und für die Prüfbedingungen existiert die Norm DIN EN 60851-5 Wickeldrähte - Prüfverfahren - Teil 5: Elektrische Eigenschaften. Ergänzend können hinzugezogen werden:
- - Standardverfahren zur Messung der dielektrischen Durchschlagsspannung für isolierende Flüssigkeiten: ASTM D877/D877M (Standard Test Method for Dielectric Breakdown Voltage of Insulating Liquids Using Disk Electrodes.)
- - Standardverfahren zur Messung der dielektrischen Durchschlagsspannung für isolierende Feststoffe: ASTM D3755 (Standard Test Method for Dielectric Breakdown Voltage and Dielectric Strength of Solid Electrical Insulating Materials Under Direct-Voltage Stress)
As a result of this configuration, a material can be used for the second predetermined winding insulation which, with the winding insulation having the same thickness, reduces the risk of partial discharge or electrical breakdown. For the measurement of the breakdown voltage of winding wires and for the test conditions there is the Standard DIN EN 60851-5 Winding wires - Test methods - Part 5: Electrical properties. The following can also be used: - - Standard methods for measuring dielectric breakdown voltage for insulating liquids: ASTM D877 / D877M (Standard Test Method for Dielectric Breakdown Voltage of Insulating Liquids Using Disk Electrodes.)
- - Standard methods for measuring dielectric breakdown voltage for insulating solids: ASTM D3755 (Standard Test Method for Dielectric Breakdown Voltage and Dielectric Strength of Solid Electrical Insulating Materials Under Direct-Voltage Stress)
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Dicke der mindestens einen zweiten vorgegebenen Wicklungsisolation größer als die Dicke der mindestens einen ersten vorgegebenen Wicklungsisolation. Durch eine größere Dicke lässt sich eine Teilentladung in aller Regel besser verhindern.According to a preferred embodiment, the thickness of the at least one second predetermined winding insulation is greater than the thickness of the at least one first predetermined winding insulation. Partial discharge can generally be better prevented by a greater thickness.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die zweite vorgegebene Wicklungsisolation eine Dicke von mindestens 130 µm auf. Eine solche Dicke ermöglicht gute Isoliereigenschaften.According to a preferred embodiment, the second predetermined winding insulation has a thickness of at least 130 μm. Such a thickness enables good insulating properties.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die erste vorgegebene Wicklungsisolation mindestens einen Werkstoff auf aus der ersten Werkstoffgruppe bestehend aus:
- - Polyamidimid (PAI), und
- - Polyesterimid (PESI)
According to a preferred embodiment, the first predetermined winding insulation has at least one material from the first group of materials consisting of: - - Polyamidimide (PAI), and
- - polyesterimide (PESI)
Diese Werkstoffe sind günstig und gut geeignet für eine Isolierung.These materials are cheap and well suited for insulation.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die zweite vorgegebene Wicklungsisolation mindestens einen Werkstoff auf aus der zweiten Werkstoffgruppe bestehend aus:
- - Polyimid (PI), und
- - Polyetheretherketon (PEEK).
According to a preferred embodiment, the second predetermined winding insulation has at least one material from the second group of materials consisting of: - - polyimide (PI), and
- - Polyetheretherketone (PEEK).
Diese Werkstoffe haben vergleichsweise gute Isoliereigenschaften und sind gut geeignet.These materials have comparatively good insulating properties and are well suited.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform erstrecken sich der der ersten vorgegebenen Wicklungsisolation zugeordnete erste Wicklungsabschnitt und der der zweiten vorgegebenen Wicklungsisolation zugeordnete zweite Wicklungsabschnitt durch unterschiedliche Statornuten. In den unterschiedlichen Statornuten können somit zumindest teilweise unterschiedliche Wicklungsisolationen vorgesehen sein.According to a preferred embodiment, the first winding section assigned to the first predetermined winding insulation and the second winding section assigned to the second predetermined winding insulation extend through different stator slots. In the different stator slots, at least partially different winding insulations can thus be provided.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weisen die zweiten Wicklungen jeweils mindestens zwei Windungen auf, welche zwei äußere zu den zugehörigen Wicklungsanordnungsanschlüssen benachbarte zweite Wicklungsabschnitte und innere Wicklungsabschnitte aufweisen, und bei welcher sich mindestens eine dritte vorgegebene Wicklungsisolation eines der äußeren Wicklungsabschnitte einer vorgegebenen zweiten Wicklung von mindestens einer vierten vorgegebenen Wicklungsisolation eines der inneren Wicklungsabschnitte derselben vorgegebenen zweiten Wicklung unterscheidet durch mindestens ein Kriterium aus der ersten Kriteriengruppe. Es werden somit auch innerhalb einer Wicklung unterschiedliche Wicklungsisolationen verwendet. Weiter bevorzugt weisen die zweiten Wicklungen jeweils mindestens drei Windungen auf, besonders bevorzugt mindestens vier Windungen.According to a preferred embodiment, the second windings each have at least two turns, which have two outer second winding sections adjacent to the associated winding arrangement connections and inner winding sections, and in which at least a third predetermined winding insulation of one of the outer winding sections of a predetermined second winding is from at least a fourth predetermined winding insulation of one of the inner winding sections of the same predetermined second winding differentiates by at least one criterion from the first group of criteria. Different winding insulations are therefore also used within one winding. More preferably, the second windings each have at least three turns, particularly preferably at least four turns.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind in mindestens einer ersten Statornut der Statornuten ein erster vorgegebener zweiter Wicklungsabschnitt und ein zweiter vorgegebener zweiter Wicklungsabschnitt vorgesehen, und die Wicklungsisolation des ersten vorgegebenen zweiten Wicklungsabschnitts unterscheidet sich von der Wicklungsisolation des zweiten vorgegebenen zweiten Wicklungsabschnitts durch mindestens ein Kriterium aus der ersten Kriteriengruppe. Es können hierdurch innerhalb einer Statornut unterschiedliche Wicklungsisolationen vorgesehen sein. Dies hat beispielsweise Vorteile, da die unkritischen zweiten Wicklungsabschnitte mit einer platzsparenden Isolierung versehen sein können und die bezüglich der Isolationsbelastung kritischen zweiten Wicklungsabschnitte entsprechend mehr Raum für die Wicklungsisolierung zur Verfügung haben.According to a preferred embodiment, a first predetermined second winding section and a second predetermined second winding section are provided in at least one first stator slot of the stator slots, and the winding insulation of the first predetermined second winding section differs from the winding insulation of the second predetermined second winding section by at least one criterion from the first Criteria group. As a result, different winding insulations can be provided within a stator slot. This has advantages, for example, since the non-critical second winding sections can be provided with space-saving insulation and the second winding sections, which are critical with regard to the insulation load, have correspondingly more space available for the winding insulation.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform gehören der erste vorgegebene zweite Wicklungsabschnitt und der zweite vorgegebene zweite Wicklungsabschnitt zur selben zweiten Wicklung. Es kann somit eine Optimierung der Isolation innerhalb einer zweiten Wicklung stattfinden.According to a preferred embodiment, the first predetermined second winding section and the second predetermined second winding section belong to the same second winding. The insulation can thus be optimized within a second winding.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Elektromaschine einen ersten Wechselrichter und einen zweiten Wechselrichter auf, welcher erste Wechselrichter der ersten Wicklungsanordnung zugeordnet ist und welcher zweite Wechselrichter der zweiten Wicklungsanordnung zugeordnet ist. Das Vorsehen zweier Wechselrichter ermöglicht eine unabhängige Bestromung bzw. Speisung der beiden Wicklungsanordnungen.According to a preferred embodiment, the electric machine has a first inverter and a second inverter, which first inverter is assigned to the first winding arrangement and which second inverter is assigned to the second winding arrangement. The provision of two inverters enables an independent energization or feeding of the two winding arrangements.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der erste Wechselrichter als getakteter Wechselrichter mit einem ersten Steuertakt ausgebildet, der zweite Wechselrichter ist als getakteter Wechselrichter mit einem zweiten Steuertakt ausgebildet, und der erste Steuertakt weist zumindest zeitweise eine geringere Taktfrequenz und/oder Spannungsanstiegsgeschwindigkeit auf als der zweite Steuertakt. Unterschiedliche Taktfrequenzen und/oder Spannungsanstiegsgeschwindigkeiten führen zu einer unterschiedlichen Isolationsbelastung, und eine angepasste Wicklungsisolation ist vorteilhaft.According to a preferred embodiment, the first inverter is designed as a clocked inverter with a first control clock, the second inverter is designed as a clocked inverter with a second control clock, and the first control clock has at least temporarily a lower clock frequency and / or voltage increase rate than the second control clock. Different clock frequencies and / or voltage rise speeds lead to different insulation loads, and an adapted winding insulation is advantageous.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind im zweiten Wechselrichter Halbleiterschalter vorgesehen, welche bei gleicher Schaltfrequenz niedrigere Schaltverluste haben als entsprechende Halbleiterschalter des ersten Wechselrichters.According to a preferred embodiment, semiconductor switches are provided in the second inverter which, at the same switching frequency, have lower switching losses than corresponding semiconductor switches of the first inverter.
Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen und in den Zeichnungen dargestellten, in keiner Weise als Einschränkung der Erfindung zu verstehenden Ausführungsbeispielen sowie aus den Unteransprüchen. Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Es zeigt:
- 1 in einer schematischen Darstellung den Aufbau einer Elektromaschine mit zwei separaten Wicklungssystemen,
- 2 in einer schematischen Darstellung eine Wechselrichteranordnung und eine Statoranordnung,
- 3 ein Diagramm mit Phasenströmen für die Statoranordnung von 2,
- 4 ein Wicklungsschema für die Statoranordnung von 2,
- 5 ein Ausführungsbeispiel einer dreiphasigen Statoranordnung mit zwei dreiphasigen Wicklungsanordnungen,
- 6 in schematischer Darstellung den Effekt einer Wanderwelle in der Zuleitung zwischen einem Wechselrichter und einem Wicklungsanschluss,
- 7 in schematischer Darstellung den Spannungsverlauf über die Windungen einer Wicklung,
- 8 in schematischer Darstellung eine Statoranordnung mit einer Wicklung,
- 9 in abgewickelter Darstellung einen Teil einer Statoranordnung, und
- 10 in abgewickelter Darstellung einen Teil einer Statoranordnung.
Further details and advantageous developments of the invention emerge from the exemplary embodiments described below and shown in the drawings, which are in no way to be understood as a restriction of the invention, as well as from the subclaims. It goes without saying that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the respectively specified combination, but also in other combinations or on their own, without departing from the scope of the present invention. It shows: - 1 a schematic representation of the structure of an electric machine with two separate winding systems,
- 2 a schematic representation of an inverter arrangement and a stator arrangement,
- 3 a diagram with phase currents for the stator arrangement of FIG 2 ,
- 4th a winding scheme for the stator assembly of FIG 2 ,
- 5 an embodiment of a three-phase stator arrangement with two three-phase winding arrangements,
- 6th a schematic representation of the effect of a traveling wave in the supply line between an inverter and a winding connection,
- 7th a schematic representation of the voltage curve over the turns of a winding,
- 8th a schematic representation of a stator arrangement with a winding,
- 9 in a developed representation part of a stator assembly, and
- 10 in the developed representation part of a stator assembly.
Im Folgenden sind gleiche oder gleichwirkende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden üblicherweise nur einmal beschrieben. Die Beschreibung ist figurenübergreifend aufeinander aufbauend, um unnötige Wiederholungen zu vermeiden.In the following, identical or identically acting parts are provided with the same reference symbols and are usually only described once. The description builds on each other across all figures in order to avoid unnecessary repetitions.
1 zeigt den schematischen Aufbau einer Elektromaschine 10. Die Elektromaschine 10 hat eine Statoranordnung 60, eine Rotoranordnung 90, eine Steueranordnung 20 und eine Wechselrichteranordnung 30. Die Rotoranordnung 90 weist einen Rotor 91 auf, und bevorzugt ist eine - nicht dargestellte - Lageranordnung vorgesehen. 1 shows the schematic structure of an electric machine 10 . The electric machine 10 has a stator arrangement 60 , a rotor assembly 90 , a control arrangement 20th and an inverter assembly 30th . The rotor assembly 90 has a rotor 91 on, and preferably a bearing arrangement - not shown - is provided.
Die Statoranordnung 60 hat eine erste Wicklungsanordnung 61 mit ersten Wicklungsanordnungsanschlüssen 71, 72, 73 und eine zweite Wicklungsanordnung 62 mit zweiten Wicklungsanordnungsanschlüssen 81, 82, 83. Die erste Wicklungsanordnung 61 und die zweite Wicklungsanordnung 62 sind im Ausführungsbeispiel von 1 als Dreieckschaltung geschaltet. The stator assembly 60 has a first winding arrangement 61 with first winding arrangement terminals 71 , 72 , 73 and a second winding arrangement 62 with second winding arrangement terminals 81 , 82 , 83 . The first winding arrangement 61 and the second winding arrangement 62 are in the embodiment of 1 switched as a delta connection.
Alternativ ist bspw. eine Sternschaltung möglich, vgl. 2. Durch eine geeignete Bestromung der ersten Wicklungsanordnung 61 und der zweiten Wicklungsanordnung 62 kann ein gewünschtes Drehmoment 92 auf den Rotor 91 erzeugt werden.Alternatively, for example, a star connection is possible, cf. 2 . By suitably energizing the first winding arrangement 61 and the second winding arrangement 62 can achieve a desired torque 92 on the rotor 91 be generated.
Die Wechselrichteranordnung 30 hat einen ersten Wechselrichter 31 und einen zweiten Wechselrichter 32. Zusätzlich ist bevorzugt eine erste Stromerfassungsvorrichtung 33 und eine zweite Stromerfassungsvorrichtung 34 vorgesehen. Der erste Wechselrichter 31 ist mit der ersten Wicklungsanordnung 61 verschaltet, und der zweite Wechselrichter 32 ist mit der zweiten Wicklungsanordnung 62 verschaltet. Im Ausführungsbeispiel ist der erste Wechselrichter 31 über drei Leitungen mit den ersten Wicklungsanordnungsanschlüssen 71, 72, 73 verschaltet, und der zweite Wechselrichter 32 ist über drei Leitungen mit den zweiten Wicklungsanordnungsanschlüssen 81, 82, 83 verschaltet.The inverter arrangement 30th has a first inverter 31 and a second inverter 32 . In addition, a first current detection device is preferred 33 and a second current sensing device 34 intended. The first inverter 31 is with the first winding arrangement 61 connected, and the second inverter 32 is with the second winding arrangement 62 interconnected. In the exemplary embodiment is the first inverter 31 via three wires to the first winding assembly terminals 71 , 72 , 73 connected, and the second inverter 32 is via three wires to the second winding assembly terminals 81 , 82 , 83 interconnected.
Die erste Stromerfassungsvorrichtung 33 ist dazu ausgebildet, ein erstes Stromsignal I1 zu erzeugen, welches erste Stromsignal I1 einen ersten Strom zwischen dem ersten Wechselrichter 31 und einem der ersten Wicklungsanordnungsanschlüsse 71, 72, 73 charakterisiert. Die zweite Stromerfassungsvorrichtung 34 ist dazu ausgebildet, ein zweites Stromsignal I2 zu erzeugen, welches zweite Stromsignal I2 einen zweiten Strom zwischen dem zweiten Wechselrichter 32 und einem der zweiten Wicklungsanordnungsanschlüsse 81, 82, 83 charakterisiert.The first current sensing device 33 is designed to provide a first current signal I1 to generate which first current signal I1 a first current between the first inverter 31 and one of the first winding assembly terminals 71 , 72 , 73 characterized. The second current sensing device 34 is designed to generate a second current signal I2 to generate which second current signal I2 a second stream between the second Inverter 32 and one of the second winding assembly terminals 81 , 82 , 83 characterized.
Die Steueranordnung 20 weist bevorzugt eine Steuervorrichtung 23, einen ersten Stromregler 21, einen zweiten Stromregler 22 auf. Der erste Stromregler 21 ist dazu ausgebildet, durch Zuführung eines ersten Stellwertsignals SW1 an den ersten Wechselrichter 31 das erste Stromsignal I1 auf ein erstes Stromsollsignal I1S zu regeln. Das erste Stromsollsignal I1S ist abhängig von der Drehstellung phi des Rotors 91.The tax arrangement 20th preferably has a control device 23 , a first current regulator 21 , a second current regulator 22nd on. The first current regulator 21 is designed to do so by supplying a first control value signal SW1 to the first inverter 31 the first current signal I1 to regulate to a first current setpoint signal I1S. The first current setpoint signal I1S is dependent on the rotary position phi of the rotor 91 .
Der zweite Stromregler 22 ist dazu ausgebildet, durch Zuführung eines zweiten Stellwertsignals SW2 an den zweiten Wechselrichter 32 das zweite Stromsignal I2 auf ein zweites Stromsollsignal I2S zu regeln. Das zweite Stromsollsignal I2S ist abhängig von der Drehstellung phi des Rotors 91.The second current regulator 22nd is designed to do so by supplying a second control value signal SW2 to the second inverter 32 the second current signal I2 to regulate to a second current setpoint signal I2S. The second current setpoint signal I2S is dependent on the rotary position phi of the rotor 91 .
Das erste Stellwertsignal SW1 und das zweite Stellwertsignal SW2 können als getaktete Signale zur Ansteuerung der Halbleiterschalter der Wechselrichter 31, 32 erzeugt werden, oder aber in einem ersten Schritt als Vorgabesignal für eine - nicht dargestellte - Takterzeugungsvorrichtung für die Ansteuerung der Halbleiterschalter erzeugt werden. Die Takterzeugungsvorrichtung erzeugt den endgültigen Stellwert.The first control value signal SW1 and the second control value signal SW2 can be used as clocked signals for controlling the semiconductor switches of the inverters 31 , 32 can be generated, or else in a first step as a default signal for a - not shown - clock generating device for driving the semiconductor switches are generated. The clock generating device generates the final control value.
Ein Rotorlagegeber 27 ist vorgesehen, um die Rotorstellung des Rotors 91 zu erfassen und ein Rotorstellungssignal phi über eine Leitung 28 der Steuervorrichtung 23 zuzuführen. Die Steuervorrichtung 23 erzeugt in Abhängigkeit vom Rotorstellungssignal phi das Stromsollsignal I1S und das Stromsollsignal 12S. Die Signale I1S und I2S können bspw. wie folgt gleichphasig erzeugt werden:
mit
- A
- Amplitude
- phi
- elektrischer Drehwinkel im Bogenmaß
- i
- Phasenindex mit i = 0, 1, 2
- pi
- Kreiszahl pi
A rotor position encoder 27 is provided to the rotor position of the rotor 91 to detect and a rotor position signal phi via a line 28 the control device 23 to feed. The control device 23 generates the current setpoint signal I1S and the current setpoint signal as a function of the rotor position signal phi 12S . The signals I1S and I2S can be generated in phase, for example, as follows: with - A.
- amplitude
- phi
- electrical angle of rotation in radians
- i
- Phase index with i = 0, 1, 2
- pi
- Circle number pi
Der elektrische Drehwinkel phi(t) ist zeitabhängig und kann dargestellt werden als
ω bezeichnet die elektrische Winkelgeschwindigkeit. phi_0 bezeichnet einen Offset-Winkel, welcher beispielsweise lastabhängig gewählt werden kann.The electrical angle of rotation phi (t) is time-dependent and can be represented as ω denotes the electrical angular velocity. phi_0 denotes an offset angle, which can be selected depending on the load, for example.
Der Index i gibt die Phase an, und die einzelnen Phasen sind um 120 °el. zueinander phasenverschoben. Für eine gegenphasige Bestromung kann bei I2S die Amplitude A durch -A ersetzt werden.The index i indicates the phase, and the individual phases are around 120 ° el. out of phase with each other. For an anti-phase current supply, the amplitude A can be replaced by -A at I2S.
Der erste Stromregler 21 und der zweite Stromregler 22 können direkt mit dem Stromsollsignal I1S bzw. I2S arbeiten.The first current regulator 21 and the second current regulator 22nd can work directly with the current setpoint signal I1S or I2S.
Die erste Wicklungsanordnung 61 und die zweite Wicklungsanordnung 62 sind im Ausführungsbeispiel als getrennte Wicklungsanordnungen 61, 62 ausgebildet, die Wicklungsanordnungsanschlüsse 71, 72, 73 sind also nicht direkt mit den Wicklungsanschlüssen 81, 82, 83 verbunden, sondern allenfalls indirekt bei entsprechenden Schaltzuständen der Wechselrichteranordnung 30.The first winding arrangement 61 and the second winding arrangement 62 are in the exemplary embodiment as separate winding arrangements 61 , 62 formed, the winding assembly terminals 71 , 72 , 73 so are not directly related to the winding connections 81 , 82 , 83 connected, but at most indirectly with corresponding switching states of the inverter arrangement 30th .
Die Wicklungen 74 und 84 sind im Ausführungsbeispiel an gleicher Stelle um den Rotor 91 herum angeordnet, sie sind jedoch bevorzugt gegensinnig gewickelt, wie dies durch den Punkt an den Wicklungen 74 und 84 gekennzeichnet ist. Um mit der Wicklung 84 einen magnetischen Fluss zu erzeugen, welcher dem magnetischen Fluss der Wicklung 74 entspricht, muss das Signal zwischen den Wicklungsanordnungsanschlüssen 81 und 82 gegenphasig sein zum Signal an den Wicklungsanordnungsanschlüssen 71, 72. Gleiches gilt für die Wicklungen 76 und 86 sowie für die Wicklungen 75 und 85.The windings 74 and 84 are in the exemplary embodiment in the same place around the rotor 91 arranged around, but they are preferably wound in opposite directions, as indicated by the point on the windings 74 and 84 is marked. To deal with the winding 84 to generate a magnetic flux, which is the magnetic flux of the winding 74 the signal must be between the winding assembly terminals 81 and 82 be out of phase with the signal at the winding assembly terminals 71 , 72 . The same applies to the windings 76 and 86 as well as for the windings 75 and 85 .
Die Wicklungen 74, 75, 76, 84, 85, 86 können beispielsweise bei einem zweipoligen Rotor 91 jeweils eine einzige Wicklung bzw. Spule aufweisen. Bei einem vierpoligen Rotor 91 mit der Polfolge Nord, Süd, Nord, Süd können sie dagegen jeweils zwei Teilwicklungen bzw. zwei Spulen aufweisen, da ein elektrischer Winkel von 360° elektrisch einem mechanischen Winkel von 180° mechanisch entspricht.The windings 74 , 75 , 76 , 84 , 85 , 86 can for example with a two-pole rotor 91 each have a single winding or coil. With a four-pole rotor 91 with the pole sequence north, south, north, south, on the other hand, they can each have two partial windings or two coils, since an electrical angle of 360 ° corresponds mechanically to a mechanical angle of 180 °.
2 zeigt schematisch eine Ausführungsform der Wechselrichteranordnung 30 und deren Verschaltung mit der Statoranordnung 60. 2 shows schematically an embodiment of the inverter arrangement 30th and their interconnection with the stator arrangement 60 .
Die Statoranordnung 60 ist mit einer als Sternschaltung geschalteten Wicklungsanordnung 61 und einer als Sternschaltung geschalteten Wicklungsanordnung 62 ausgebildet.The stator assembly 60 is with a winding arrangement connected as a star connection 61 and a winding arrangement connected as a star connection 62 educated.
Die Wechselrichteranordnung 30 wird durch einen Gleichstromzwischenkreis 36 mit einer Leitung 37, einer Leitung 38 und einem Zwischenkreiskondensator 35 zwischen der Leitung 37 und der Leitung 38 gespeist.The inverter arrangement 30th is through a DC link 36 with one line 37 , one line 38 and an intermediate circuit capacitor 35 between the line 37 and the line 38 fed.
Der Gleichstromzwischenkreis 36 wird bspw. durch eine - nicht dargestellte - Traktionsbatterie und/oder durch einen Gleichrichter mit einer Spannung versorgt.The DC link 36 is supplied with a voltage, for example, by a traction battery (not shown) and / or by a rectifier.
Im Ausführungsbeispiel sind der erste Wechselrichter 31 und der zweite Wechselrichter 32 örtlich zusammen ausgebildet.In the exemplary embodiment, the first inverter 31 and the second inverter 32 locally trained together.
Der erste Wechselrichter 31 hat einen ersten Brückenzweig mit einem Anschluss 47A, einen zweiten Brückenzweig mit einem Anschluss 48A und einen dritten Brückenzweig mit einem Anschluss 49A.
Der Anschluss 47A ist über einen Schalter 41A mit der Leitung 37 und über einen Schalter 42A mit der Leitung 38 verbunden.
Der Anschluss 48A ist über einen Schalter 43A mit der Leitung 37 und über einen Schalter 44A mit der Leitung 38 verbunden.
Der Anschluss 49A ist über einen Schalter 45A mit der Leitung 37 und über einen Schalter 46A mit der Leitung 38 verbunden.The first inverter 31 has a first branch of the bridge with a connection 47A , a second branch of the bridge with a connector 48A and a third branch of the bridge with a connection 49A .
The connection 47A is about a switch 41A with the line 37 and a switch 42A with the line 38 tied together.
The connection 48A is about a switch 43A with the line 37 and a switch 44A with the line 38 tied together.
The connection 49A is about a switch 45A with the line 37 and a switch 46A with the line 38 tied together.
Der zweite Wechselrichter 32 hat einen ersten Brückenzweig mit einem Anschluss 47B, einen zweiten Brückenzweig mit einem Anschluss 48B und einen dritten Brückenzweig mit einem Anschluss 49B.
Der Anschluss 47B ist über einen Schalter 41 B mit der Leitung 37 und über einen Schalter 42B mit der Leitung 38 verbunden.
Der Anschluss 48B ist über einen Schalter 43B mit der Leitung 37 und über einen Schalter 44B mit der Leitung 38 verbunden.The second inverter 32 has a first branch of the bridge with a connection 47B , a second branch of the bridge with a connector 48B and a third branch of the bridge with a connection 49B .
The connection 47B is about a switch 41 B with the line 37 and a switch 42B with the line 38 tied together.
The connection 48B is about a switch 43B with the line 37 and a switch 44B with the line 38 tied together.
Der Anschluss 49B ist über einen Schalter 45B mit der Leitung 37 und über einen Schalter 46B mit der Leitung 38 verbunden.The connection 49B is about a switch 45B with the line 37 and a switch 46B with the line 38 tied together.
Der Anschluss 47A ist mit dem Wicklungsanordnungsanschluss 71 verbunden, der Anschluss 48A mit dem Wicklungsanordnungsanschluss 72 und der Anschluss 49A mit dem Wicklungsanordnungsanschluss 73. Der Anschluss 47B ist mit dem Wicklungsanordnungsanschluss 81 verbunden, der Anschluss 48B mit dem Anschluss 82 und der Anschluss 49B mit dem Anschluss 83.The connection 47A is with the winding arrangement connector 71 connected, the connector 48A with the winding arrangement connector 72 and the connection 49A with the winding arrangement connector 73 . The connection 47B is with the winding arrangement connector 81 connected, the connector 48B with the connector 82 and the connection 49B with the connector 83 .
Die erste Wicklungsanordnung 61 und die zweite Wicklungsanordnung 62 sind wie angedeutet antiparallel verschaltet. Durch die gewählte Verschaltung müssen die einander zugeordneten Wicklungen 74, 84 bzw. 75, 85 bzw. 76, 86 gegenphasig bestromt werden. Dies kann bspw. dadurch erfolgen, dass die Schalter 45A und 45B für die Anschlüsse 49A, 49B entsprechend gegenphasig geschaltet werden. Durch die gewählte Verschaltung der ersten Wicklungsanordnung 61 und der zweiten Wicklungsanordnung 62 fließt bei leitend geschalteten Schaltern 45A und 42A der Strom in der Wicklung 74 und der Strom in der Wicklung 84 bei leitend geschalteten Schaltern 46B und 41B in die gleiche Richtung. Aufgrund der zueinander antiparallelen Wicklungen 74, 84 wird bei einer gegenphasigen Bestromung ein magnetischer Fluss in die gleiche Richtung erzeugt.The first winding arrangement 61 and the second winding arrangement 62 are connected in anti-parallel as indicated. Due to the selected interconnection, the windings assigned to one another must 74 , 84 respectively. 75 , 85 respectively. 76 , 86 are energized in phase opposition. This can be done, for example, by the fact that the switch 45A and 45B for the connections 49A , 49B be switched accordingly in phase opposition. Through the selected interconnection of the first winding arrangement 61 and the second winding arrangement 62 flows when switches are switched on 45A and 42A the current in the winding 74 and the current in the winding 84 with switches switched on 46B and 41B in the same direction. Because of the anti-parallel windings 74 , 84 a magnetic flux is generated in the same direction when the current is in phase opposition.
Die getaktete Umschaltung der Halbleiterschalter 41A, 41B, 42A, 42B etc. findet beispielsweise bei einer Taktfrequenz f_c (englisch: carrier frequency) statt, und hierdurch entstehen Oberschwingungen im Bereich der Vielfachen der Taktfrequenz f_c, beispielsweise bei 2 f_c und 3 f_c. Der Abstand der Oberschwingungen von der Taktfrequenz f_c bzw. deren Vielfachen ist von der Grundschwingungsfrequenz abhängig, die wiederum abhängig ist von der Drehzahl und von der Polzahl bzw. deren Vielfachen. Die Oberschwingungen führen zu zusätzlichen Verlusten sowohl im Blechpaket (Eisenverluste) und der Wicklungsanordnung (Kupferverluste) der Elektromaschine 10 als auch in den Permanentmagneten der Rotoranordnung (Wirbelstromverluste). Diese Verluste reduzieren ggf. im rotorkritischen System die Dauerleistung signifikant und führen zudem zur Reduktion der Reichweite batteriebetriebener Fahrzeuge.The clocked switching of the semiconductor switches 41A , 41B , 42A , 42B etc. takes place, for example, at a clock frequency f_c (carrier frequency), and this creates harmonics in the range of multiples of the clock frequency f_c, for example at 2 f_c and 3 f_c. The distance between the harmonics and the clock frequency f_c or its multiple depends on the fundamental frequency, which in turn depends on the speed and the number of poles or their multiples. The harmonics lead to additional losses in both the laminated core (iron losses) and the winding arrangement (copper losses) of the electrical machine 10 as well as in the permanent magnets of the rotor assembly (eddy current losses). These losses may significantly reduce the continuous output in the rotor-critical system and also lead to a reduction in the range of battery-operated vehicles.
Die konventionelle dreiphasige Speisung bietet kaum Möglichkeiten, bei vorgegebener Taktfrequenz die durch die Wechselrichterspeisung verursachten Oberfelder wirksam zu unterdrücken, ohne das Maschinenverhalten signifikant zu beeinflussen. Die Folgen der Oberschwingungsströme können durch Sekundärmaßnahmen wie Magnetsegmentierung reduziert werden. Diese Maßnahmen sind aber aufwändig und teuer.The conventional three-phase supply hardly offers any possibilities of effectively suppressing the upper fields caused by the inverter supply at a given clock frequency without significantly influencing the machine behavior. The consequences of the harmonic currents can be reduced by secondary measures such as magnet segmentation. However, these measures are complex and expensive.
Der zweite Wechselrichter 32 arbeitet bevorzugt mit einer höheren Frequenz als der erste Wechselrichter und schaltet bevorzugt auch schneller.The second inverter 32 preferably works with a higher frequency than the first inverter and preferably also switches faster.
Die zweite Taktfrequenz f2 ist bevorzugt mindestens um den Faktor 3,5 höher als die erste Taktfrequenz f1, bevorzugt mindestens um den Faktor 7,0. Bevorzugte Faktoren sind 4,0 bzw. 8,0.The second clock frequency f2 is preferably at least 3.5 times higher than the first clock frequency f1, preferably at least 7.0 times. Preferred factors are 4.0 and 8.0, respectively.
Der erste Wechselrichter 31 arbeitet mit einer vorgegebenen Taktfrequenz f1, welche beispielsweise im Bereich 2 kHz - 8 kHz liegt. Die Taktfrequenz f2 des zweiten Wechselrichters 32 liegt entsprechend höher.The first inverter 31 works with a predetermined clock frequency f1, which is, for example, in the range 2 kHz - 8 kHz. The clock frequency f2 of the second inverter 32 is correspondingly higher.
Die Höhe der ersten Frequenz f1 und der zweiten Frequenz f2 wird bevorzugt abhängig vom Betriebspunkt der Elektromaschine 10 vorgegeben. Bei niedrigen Drehzahlen ist beispielsweise eine geringere Frequenz ausreichend, und dies führt bei ausreichender Regelgenauigkeit zu geringeren Schaltverlusten. Bei hohen Drehzahlen und/oder hoher mechanischer Leistung der Elektromaschine 10 können dagegen beispielsweise die Frequenzen f1, f2 angehoben werden. Die Anpassung der Frequenzbereiche kann dabei beispielsweise in einer oder mehreren Stufen oder aber kontinuierlich erfolgen. Bevorzugt kann die Anpassung der Frequenzen f1, f2 zusätzlich oder alternativ in Abhängigkeit von der Rotortemperatur der Elektromaschine oder vom Ladezustand der Batterie eines batteriebetriebenen Fahrzeugs erfolgen.The level of the first frequency f1 and the second frequency f2 is preferably dependent on the operating point of the electric machine 10 given. At low speeds, for example, a lower frequency is sufficient, and with sufficient control accuracy this leads to lower switching losses. At high speeds and / or high mechanical power of the electric machine 10 can, however, for example, the frequencies f1, f2 be raised. The adaptation of the frequency ranges can take place, for example, in one or more stages or else continuously. The adaptation of the frequencies f1, f2 can preferably take place additionally or alternatively as a function of the rotor temperature of the electric machine or the state of charge of the battery of a battery-operated vehicle.
Beispielsweise können bei niedrigen Drehzahlen bzw. Fahrzeuggeschwindigkeiten Taktfrequenzen von 2 kHz für den ersten Wechselrichter 31 und 16 kHz für den zweiten Wechselrichter 32 gewählt werden, und die Taktfrequenzen werden näherungsweise linear mit steigender Drehzahl bis auf 8 kHz für den ersten Wechselrichter 31 und 64 kHz für den zweiten Wechselrichter 32 vorgegeben.For example, at low rotational speeds or vehicle speeds, clock frequencies of 2 kHz can be used for the first inverter 31 and 16 kHz for the second inverter 32 can be selected, and the clock frequencies become approximately linear with increasing speed up to 8 kHz for the first inverter 31 and 64 kHz for the second inverter 32 given.
Für den zweiten Wechselrichter 32 werden bevorzugt höherwertige Halbleiterschalter (z.B. SiC-Halbleiter) mit geringeren Schaltverlusten verwendet als für den ersten Wechselrichter 31 (z.B. Si-Halbleiter).For the second inverter 32 higher-quality semiconductor switches (for example SiC semiconductors) with lower switching losses than for the first inverter are preferably used 31 (e.g. Si semiconductors).
3 zeigt die Ströme 171, 172, 173, 181, 182 und 183 durch die Wicklungsanordnungsanschlüsse 71, 72, 73, 81, 82 und 83. Es ist zu sehen, dass die Ströme 171 und 181 gegenphasig verlaufen, ebenso die Ströme 172, 182 sowie die Ströme 173, 183. 3 shows the currents 171 , 172 , 173 , 181 , 182 and 183 through the winding assembly terminals 71 , 72 , 73 , 81 , 82 and 83 . It can be seen that the currents 171 and 181 run out of phase, as do the currents 172 , 182 as well as the currents 173 , 183 .
4 zeigt beispielhaft ein mögliches Wicklungsschema für die Statoranordnung 60 mit 12 Statornuten, die in der oberen Zeile mit 0 bis 11 durchnummeriert sind. Die Wicklungen 74, 75 und 76 sind mit den Buchstaben a, b, c gekennzeichnet, und die Wicklungen 84, 85 und 86 mit den Buchstaben d ,e, f. Großbuchstaben kennzeichnen eine erste Richtung der Wicklung durch die jeweilige Statornut, und Kleinbuchstaben eine zur ersten Richtung entgegengesetzte zweite Richtung. Die Wicklung kann beispielsweise durch Pins ausgeführt werden, welche in die Statornuten eingeführt und anschließend an den Stirnseiten der Statoranordnung 60 verschaltet werden. 4th shows an example of a possible winding scheme for the stator arrangement 60 with 12 stator slots, which are numbered 0 to 11 in the top line. The windings 74 , 75 and 76 are marked with the letters a, b, c, and the windings 84 , 85 and 86 with the letters d, e, f. Upper case letters denote a first direction of the winding through the respective stator slot, and lower case letters a second direction opposite to the first direction. The winding can be implemented, for example, by pins which are inserted into the stator slots and then on the end faces of the stator arrangement 60 be interconnected.
Das gezeigte Wicklungsschema hat in jeder Statornut zwei unterschiedliche Wicklungen, und hierdurch kann der Stator mit den separaten Wicklungsanordnungen 61, 62 symmetrisch aufgebaut werden.The winding scheme shown has two different windings in each stator slot, and this allows the stator with the separate winding arrangements 61 , 62 be constructed symmetrically.
Bei einem vierpoligen Rotor 91 mit 24 Statornuten kann das gezeigte Wicklungsschema wiederholt werden.With a four-pole rotor 91 With 24 stator slots, the winding scheme shown can be repeated.
Alternativ zur Ausführungsform der 2 können die Wicklungen auch paarweise gleichsinnig vorgesehen sein und entsprechend gleichphasig angesteuert werden.As an alternative to the embodiment of 2 the windings can also be provided in pairs in the same direction and controlled accordingly in phase.
5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Statoranordnung 60 mit dem Statorkern 100. In jeder Statornut 101 bis 112 sind zwei unterschiedliche Wicklungen vorgesehen. Beispielsweise sind in der oberen Statornut 101 und in der Statornut 102 links davon jeweils die gegensinnigen Wicklungen A und d und in der unteren Statornut 107 und in der Statornut 108 rechts davon die gegensinnigen Wicklungen a und D vorgesehen. Zusätzlich sind bevorzugt der Wicklungsabschnitt A und der Wicklungsabschnitt d jeweils einmal radial innen und einmal radial außen vorgesehen. Dies ergibt eine gute Symmetrie zwischen der ersten Wicklungsanordnung 61 und der zweiten Wicklungsanordnung 62. 5 shows a further embodiment of the stator arrangement 60 with the stator core 100 . In every stator slot 101 until 112 two different windings are provided. For example, in the upper stator slot 101 and in the stator slot 102 to the left of it the opposite windings A and d and in the lower stator slot 107 and in the stator slot 108 the opposite windings a and D are provided to the right of this. In addition, the winding section A and the winding section d are each provided once radially on the inside and once radially on the outside. This gives a good symmetry between the first winding arrangement 61 and the second winding arrangement 62 .
Es ist auch möglich, mehr als zwei Pins bzw. Wicklungen in jeder Statornut vorzusehen, beispielsweise vier bis acht Pins pro Statornut. Neben der Ausbildung der Wicklungen durch Pins ist beispielsweise auch eine Ausbildung durch einen Wicklungsdraht mit üblicher Wickeltechnik möglich.It is also possible to provide more than two pins or windings in each stator slot, for example four to eight pins per stator slot. In addition to the formation of the windings using pins, it is also possible, for example, to use a winding wire with conventional winding technology.
Es sind auch Statoranordnungen 60 mit beispielsweise 18 Statornuten, 24 Statornuten oder einer größeren Anzahl möglich. Der Rotor 91 kann beispielsweise auch vierpolig, sechspolig, achtpolig sein oder eine noch höhere Polzahl aufweisen.There are also stator arrangements 60 with, for example, 18 stator slots, 24 stator slots or a larger number. The rotor 91 can for example also be four-pole, six-pole, eight-pole or have an even higher number of poles.
6 zeigt schematisch auf der linken Seite die Ausgangsspannung 131 an der Ausgangsleitung des zweiten Wechselrichters 32 von 1, die zum Wicklungsanschluss 81 führt, und auf der rechten Seite ist das hieraus resultierende Spannungssignal 132 am Wicklungsanschluss 81. Hierbei wird die Spannung zwischen zwei Ausgangsleitungen bzw. die Spannung zwischen zwei Wicklungsanschlüssen betrachtet. Am zweiten Wechselrichter 32 wird ein rechteckförmiges, getaktetes Signal erzeugt, und durch Wanderwelleneffekte in der Zuleitung treten am Wicklungsanschluss 81 Überschwinger bzw. Spannungsüberhöhungen auf. Diese Schwingungen können bspw. durch Wanderwelleneffekte als Folge der hohen Spannungsanstiegsgeschwindigkeit bei entsprechend langer Leitung zwischen Umrichter und Motor auftreten, und sie führen im Ausführungsbeispiel ungefähr zu einer Verdopplung der maximal auftretenden Spannung. Der Wandlerwelleneffekt ist einerseits abhängig von der Leiterlänge zwischen dem zweiten Wechselrichter 32 und dem Wicklungsanordnungsanschluss 81, und andererseits von der Spannungsanstiegsgeschwindigkeit bzw. Spannungsanstiegszeit. Die Anstiegszeit ist mit t_A gekennzeichnet. 6th shows schematically the output voltage on the left 131 on the output line of the second inverter 32 from 1 that lead to the winding connection 81 leads, and on the right is the resulting voltage signal 132 at the winding connection 81 . Here, the voltage between two output lines or the voltage between two winding connections is considered. On the second inverter 32 a square-wave, pulsed signal is generated, and traveling wave effects in the supply line occur at the winding connection 81 Overshoots or voltage peaks. These vibrations can occur, for example, due to traveling wave effects as a result of the high rate of voltage rise with a correspondingly long line between converter and motor, and in the exemplary embodiment they lead to approximately doubling of the maximum voltage that occurs. The converter wave effect depends on the one hand on the conductor length between the second inverter 32 and the winding assembly terminal 81 , and on the other hand on the voltage rise rate or voltage rise time. The rise time is marked with t_A.
Die Spannungserhöhungen - beispielsweise durch Wanderwelleneffekte - können dazu führen, dass Teilentladungen und/oder ein elektrischer Durchschlag auftreten, obwohl die Wicklungsisolation bei der Spannung U_DC spannungsfest ist.The voltage increases - for example due to traveling wave effects - can lead to partial discharges and / or electrical breakdown occurring, although the winding insulation is voltage-proof at the voltage U_DC.
Bei der Verwendung hochwertiger Halbleiterschalter im Wechselrichter 32 (und ggf. 31) wie bspw. SiC-Halbleiterschaltern mit kurzen Spannungsanstiegszeiten ist die Wahrscheinlichkeit einer Teilentladung dementsprechend größer als bei Halbleiterschaltern, mit denen in der Regel deutlich langsamer bzw. mit deutlich geringeren Spannungsanstiegsgeschwindigkeiten geschaltet wird. Daher ist es vorteilhaft, für hochwertige Halbleiterschalter eine bessere Isolierung der Wicklungen vorzusehen.When using high-quality semiconductor switches in the inverter 32 (and possibly 31 ) such as SiC semiconductor switches with short voltage rise times, the probability of a partial discharge is correspondingly greater than with semiconductor switches, which are generally used for switching at a significantly slower rate or at a significantly lower rate of voltage rise. It is therefore advantageous to provide better insulation for the windings for high-quality semiconductor switches.
7 zeigt in einer schematischen Darstellung die zweite Wicklung 86, die im Ausführungsbeispiel vier Windungen (1), (2), (3), (4) aufweist. Bei sehr großen Spannungsanstiegsgeschwindigkeiten der Spannung am Ausgang des zweiten Wechselrichters 32 tritt eine nichtlineare Spannungsverteilung innerhalb der Windungen der Spulen auf, welche mit ansteigendem Gradienten du/dt ansteigt. Das elektrische Potential entlang der Wicklung ist nicht gleichmäßig verteilt, sondern es wird durch die parasitären Kapazitäten der Wicklung beeinflusst. Spannungsanteile mit hoher Frequenz fallen an den ersten Windungen (z.B. (1) und ggf. (2)) ab, und sie spielen bei den weiteren Windungen (z.B. (3) und (4)) eine vergleichsweise untergeordnete Rolle. Daher ist die Belastung der Isolation am Wicklungseingang (1) größer als an den anderen Windungen (2), (3) und ggf. (4). 7th shows the second winding in a schematic representation 86 , which in the exemplary embodiment has four turns (1), (2), (3), (4). If the voltage at the output of the second inverter increases at very high rates 32 a non-linear voltage distribution occurs within the windings of the coils, which increases with increasing gradient du / dt. The electrical potential along the winding is not evenly distributed, but is influenced by the parasitic capacitances of the winding. Voltage components with a high frequency drop on the first turns (e.g. (1) and possibly (2)), and they play a comparatively subordinate role in the further turns (e.g. (3) and (4)). Therefore, the load on the insulation on the winding input (1) is greater than on the other windings (2), (3) and possibly (4).
Abhängig von der Verschaltung ist es somit vorteilhaft, bei leistungsstarken und schnellen Wechselrichtern 32 das Isolationssystem der ersten Windung (1) bzw. der beiden äußeren Windungen (1) und (4) besser zu isolieren.Depending on the interconnection, it is therefore advantageous for high-performance and fast inverters 32 better isolate the insulation system of the first turn (1) or the two outer turns (1) and (4).
8 zeigt in einer schematischen Seitenansicht die Statoranordnung 60 mit dem Statorkern 100 und den Statornuten 102, 104 sowie die Wicklung 86. Die Wicklung 86 hat unterschiedliche Wicklungsabschnitte 151, 152, 153, 154. Der Wicklungsabschnitt 151 erstreckt sich durch die Statornut 102, und der Wicklungsabschnitt 153 erstreckt sich durch die Statornut 104. Die Wicklungsabschnitte 152 und 154 verbinden an den axialen Seiten des Statorkerns 100 die Wicklungsabschnitte 151 und 153 miteinander. 8th shows the stator arrangement in a schematic side view 60 with the stator core 100 and the stator slots 102 , 104 as well as the winding 86 . The winding 86 has different winding sections 151 , 152 , 153 , 154 . The winding section 151 extends through the stator slot 102 , and the winding section 153 extends through the stator slot 104 . The winding sections 152 and 154 connect on the axial sides of the stator core 100 the winding sections 151 and 153 together.
Die Wicklungsabschnitte 151 bis 154 können mit einem Wickeldraht durchgewickelt werden, und hierbei entstehen an den axialen Seiten der Wicklungsanordnung Wickelköpfe. Sie können aber auch aus mehreren Abschnitten zusammengesetzt werden. Bei leistungsstarken Motoren werden beispielsweise die Wicklungsabschnitte 151, 153 als I-Pins oder als sog. Hairpins vorgesehen. I-Pins sind gerade Stäbe, die in die Statornuten gesteckt werden, an den axialen Seiten hervorstehen und dort beispielsweise verdreht, verschweißt und über Schaltringe kontaktiert werden. Hairpins sind beispielsweise U-förmig und werden von einer Seite in das Blechpaket gesteckt. Hierdurch ist die Verschaltung auf einer Seite des Blechpakets bereits vorhanden und muss nur noch auf der entgegengesetzten Seite vorgesehen werden.The winding sections 151 until 154 can be wound through with a winding wire, and this results in end windings on the axial sides of the winding arrangement. But they can also be composed of several sections. In the case of powerful motors, for example, the winding sections 151 , 153 provided as I-pins or as so-called hairpins. I-pins are straight rods that are inserted into the stator slots, protrude on the axial sides and there, for example, are twisted, welded and contacted via switching rings. Hairpins, for example, are U-shaped and are inserted into the sheet metal package from one side. As a result, the interconnection is already present on one side of the laminated core and only needs to be provided on the opposite side.
Bevorzugt ist die Wicklung 86 über die gesamte Länge mit einer Wicklungsisolation versehen, und allenfalls an Kontaktstellen zu anderen Leitern ist die Wicklungsisolation entfernt. Im Folgenden wird jedoch insbesondere die Wicklungsisolation in den Wicklungsabschnitten 151 bzw. 153 betrachtet, und die einzelnen Windungen der Wicklung 86 sind in den Statornuten 102, 104 üblicherweise nah aneinander angeordnet.The winding is preferred 86 Provided with winding insulation over the entire length, and the winding insulation is removed if necessary at contact points with other conductors. In the following, however, the winding insulation in the winding sections is discussed in particular 151 respectively. 153 considered, and the individual turns of the winding 86 are in the stator slots 102 , 104 usually arranged close to each other.
Die entsprechenden Wicklungsabschnitte 151 bis 154 gibt es auch bei den übrigen Wicklungen der zweiten Wicklungsanordnung 62 und der ersten Wicklungsanordnung 61.The corresponding winding sections 151 until 154 is also available for the other windings of the second winding arrangement 62 and the first winding arrangement 61 .
Die einzelnen Windungen können auch im Bereich der Wickelköpfe nah aneinander angeordnet sein.The individual turns can also be arranged close to one another in the area of the end windings.
9 zeigt in abgewickelter Darstellung als Schleifenwicklung schematisch eine axiale Draufsicht auf die Statoranordnung 60 mit dem Statorkern 100 und drei Statornuten 102, 103, 104. In den Statornuten 102 und 104 sind insgesamt vier Windungen der zweiten Wicklung 86 vorgesehen, und in der Statornut 103 ist ein Teil von vier Windungen der ersten Wicklung 76 vorgesehen. In der Statornut 102 verläuft die Wicklung beispielsweise von einem ersten axialen Ende des Statorkerns 100 zum zweiten axialen Ende und in der Statornut 104 vom zweiten axialen Ende zum ersten axialen Ende. 9 shows in a developed representation as a loop winding schematically an axial plan view of the stator arrangement 60 with the stator core 100 and three stator slots 102 , 103 , 104 . In the stator slots 102 and 104 are a total of four turns of the second winding 86 provided, and in the stator slot 103 is part of four turns of the first winding 76 intended. In the stator slot 102 the winding runs, for example, from a first axial end of the stator core 100 to the second axial end and in the stator slot 104 from the second axial end to the first axial end.
Der dem Wicklungsabschnitt 151 der Wicklung 86 entsprechende Wicklungsabschnitt der Wicklung 76 ist mit dem Bezugszeichen 161 versehen.The winding section 151 the winding 86 corresponding winding section of the winding 76 is with the reference number 161 Mistake.
Wenn bspw. der zweite Wechselrichter 32 von 1 mit besseren Halbleiterschaltern ausgebildet ist als der Wechselrichter 31 von 1 und/oder mit höheren Spannungsanstiegsgeschwindigkeiten und/oder Taktfrequenzen arbeitet, wird die Isolation der zweiten Wicklung 86 stärker belastet als die der ersten Wicklung 76. Daher ist im Ausführungsbeispiel die erste Wicklung 76 mit einer ersten Wicklungsisolation 123 versehen, und die zweite Wicklung 86 ist mit einer zweiten Wicklungsisolation 122 versehen, die sich von der ersten Wicklungsisolation 123 unterscheidet. Ziel ist eine höherwertige zweite Wicklungsisolation 122, und dies kann insbesondere erzielt werden durch folgende Unterschiede zwischen der ersten Wicklungsisolation 123 und der zweiten Wicklungsisolation 122:
- - Material der Wicklungsisolation 122,
- - Materialkombination der Wicklungsisolation 122, und
- - Dicke der Wicklungsisolation 122.
If, for example, the second inverter 32 from 1 is designed with better semiconductor switches than the inverter 31 from 1 and / or works with higher voltage rise rates and / or clock frequencies, the insulation of the second winding 86 more heavily loaded than that of the first winding 76 . Therefore, in the exemplary embodiment, the first winding 76 with a first winding insulation 123 provided, and the second winding 86 is with a second winding insulation 122 provided that differs from the first winding insulation 123 differs. The aim is a higher-quality second winding insulation 122 , and this can be achieved in particular by the following differences between the first winding insulation 123 and the second winding insulation 122 : - - Winding insulation material 122 ,
- - Material combination of the winding insulation 122 , and
- - Thickness of the winding insulation 122 .
Der Querschnitt des Wicklungsdrahts selbst ist bevorzugt bei beiden Wicklungsanordnungen 61, 62 von 1 gleich, um einen quantitativ gleichwertigen Stromfluss bzw. gleichwertige Stromdichten durch die beiden Wicklungsanordnungen 61, 62 zu erzielen.The cross section of the winding wire itself is preferred in both winding arrangements 61 , 62 from 1 equal to a quantitatively equivalent current flow or equivalent current densities through the two winding arrangements 61 , 62 to achieve.
Für die Wicklungsisolation 123 kann beispielsweise Polyamidimid (PAI) mit einer Dicke von 100 µm verwendet werden, und für die Wicklungsisolation 122 Polyetheretherketon (PEEK) mit einer Dicke von 130 µm.For winding insulation 123 For example, polyamideimide (PAI) with a thickness of 100 µm can be used, and for the winding insulation 122 Polyetheretherketone (PEEK) with a thickness of 130 µm.
Polyamidimid ist ein günstiger Werkstoff zur Herstellung von Wicklungsisolation. Polyetheretherketon ist vergleichsweise teurer, es hat aber auch einige Vorteile wie z. B. eine höhere Durchschlagsfestigkeit als Polyamidimid.Polyamide-imide is an inexpensive material for producing winding insulation. Polyetheretherketone is comparatively more expensive, but it also has some advantages such as: B. a higher dielectric strength than polyamide-imide.
Geringere Schichtdicken entlasten zudem die Zähne des Statorkerns magnetisch (bei gleichbleibendem Kupferquerschnitt). Die magnetische Flussdichte ist geringer.Smaller layer thicknesses also relieve the teeth of the stator core magnetically (with the same copper cross-section). The magnetic flux density is lower.
Durch das Vorsehen der Wicklungsisolation 123 können Materialkosten und Gewicht eingespart werden, und durch dünnere Schichtdicken ist auch eine Steigerung der Leistungsdichte oder der Effizienz möglich, da die magnetische Flussdichte im Blechpaket oder aber die Stromdichte in den Leitern reduziert werden kann.By providing the winding insulation 123 Material costs and weight can be saved, and thinner layers can also increase power density or efficiency, since the magnetic flux density in the laminated core or the current density in the conductors can be reduced.
Es können beispielsweise auch unterschiedliche Materialkombinationen verwendet werden. So kann beispielsweise für die Wicklungsisolation 123 Polyamidimid verwendet werden, für die Wicklungsisolation 122 eine innere Isolationsschicht aus Polyamidimid und eine äußere Isolationsschicht aus Polyimid.For example, different material combinations can also be used. For example, for winding insulation 123 Polyamide-imide can be used for winding insulation 122 an inner insulation layer made of polyamide-imide and an outer insulation layer made of polyimide.
10 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Statoranordnung 60 in abgewickelter Darstellung. Dargestellt sind insbesondere die Statornuten 102 und 108 entsprechend 9. In der Statornut 108 sind vier Wicklungsabschnitte 86.H1, 86.H2, 86.H3 und 86.H4 dargestellt, welches die Hinleiter von vier Windungen der zweiten Wicklung 86 sind, also in eine erste Richtung zwischen den axialen Seiten des Statorkerns 100 verlaufen. 10 shows a further embodiment of the stator arrangement 60 in developed representation. In particular, the stator slots are shown 102 and 108 corresponding 9 . In the stator slot 108 are four winding sections 86.H1 , 86.H2 , 86.H3 and 86.H4 shown, which is the forward conductor of four turns of the second winding 86 are, that is, in a first direction between the axial sides of the stator core 100 get lost.
In der Statornut 102 sind vier Wicklungsabschnitte 86.R1, 86.R2, 86.R3 und 86.R4 dargestellt, und dies sind die Rückleiter zu den einzelnen Windungen der zweiten Wicklung 86. Die erste Windung mit den Wicklungsabschnitten 86.H1 und 86.R1 ist im Ausführungsbeispiel mit einer Wicklungsisolation 121 versehen, und die übrigen Wicklungsabschnitte sind mit einer Isolation 122 versehen. Die Isolation wird in aller Regel am Spuleneingang bzw. an den ersten Windungen am größten belastet und daher ist bevorzugt die Wicklungsisolation 121 im Hinblick auf z. B. Durchschlagsfestigkeit oder Teilentladung qualitativ hochwertiger als die Wicklungsisolation 122, bei der ein größerer Aufwand nicht erforderlich ist und zu unnötigen Mehrkosten führen würde.In the stator slot 102 are four winding sections 86.R1 , 86.R2 , 86.R3 and 86.R4 shown, and these are the return conductors to the individual turns of the second winding 86 . The first turn with the winding sections 86.H1 and 86.R1 is in the exemplary embodiment with a winding insulation 121 provided, and the remaining winding sections are insulated 122 Mistake. As a rule, the insulation is subjected to the greatest stress at the coil input or at the first turns and therefore the winding insulation is preferred 121 with regard to z. B. dielectric strength or partial discharge of higher quality than the winding insulation 122 , in which a greater effort is not required and would lead to unnecessary additional costs.
Bei der Verwendung unterschiedlicher Materialkombinationen kann beispielsweise für die Wicklungsisolation 122 Polyamidimid verwendet werden, und für die Wicklungsisolation 121 eine innere Schicht aus Polyamidimid und eine äußere Schicht aus Polyetheretherketon.When using different material combinations, for example for the winding insulation 122 Polyamide-imide can be used, and for winding insulation 121 an inner layer made of polyamideimide and an outer layer made of polyetheretherketone.
Bei geringerer Durchschlagsgefahr kann es ausreichend sein, die erste Windung (Wicklungsabschnitt 86.H1 und Wicklungsabschnitt 86.H2) mit einer besseren Wicklungsisolation 121 zu versehen, bei einer größeren Durchschlagsgefahr (z.B. aufgrund sehr schneller Spannungsanstiegsgeschwindigkeiten bei gleichzeitiger langer Leitung zwischen Umrichter und Maschine) kann es vorteilhaft sein, zusätzlich den Wicklungsabschnitt der zweiten Windung mit einer besseren Wicklungsisolation zu versehen.If there is less risk of breakdown, it may be sufficient to use the first turn (winding section 86.H1 and winding section 86.H2 ) with better winding insulation 121 If there is a greater risk of breakdown (e.g. due to very rapid voltage rise speeds with a long line between the converter and the machine), it can be advantageous to additionally provide the winding section of the second turn with better winding insulation.
Naturgemäß sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung vielfältige Abwandlungen und Modifikationen möglich.A wide variety of alterations and modifications are of course possible within the scope of the present invention.
In den Ausführungsbeispielen wurden 2 x 3-phasige Wicklungstopologien beschrieben. Es sind auch andere mehrphasige Wicklungstopologien möglich, beispielsweise 2 x 5-phasige, 2 x 7-phasige oder 3 x 3-phasige.2 x 3-phase winding topologies were described in the exemplary embodiments. Other multi-phase winding topologies are also possible, for example 2 x 5-phase, 2 x 7-phase or 3 x 3-phase.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
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CN 206164241 U [0003]CN 206164241 U [0003]
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US 2008/231136 A1 [0007]US 2008/231136 A1 [0007]
Zitierte Nicht-PatentliteraturNon-patent literature cited
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Norm IEC 60034-18-41 [0002]Standard IEC 60034-18-41 [0002]
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