DE102020120117A1 - Stator with winding structures for modular e-machines - Google Patents

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DE102020120117A1 DE102020120117.6A DE102020120117A DE102020120117A1 DE 102020120117 A1 DE102020120117 A1 DE 102020120117A1 DE 102020120117 A DE102020120117 A DE 102020120117A DE 102020120117 A1 DE102020120117 A1 DE 102020120117A1
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Miriam Boxriker
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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Stator (1) für eine elektrische Maschine, umfassend eine Vielzahl von Submodulen (2), die sich voneinander getrennt über den Umfang des Stators (1) erstrecken, wobei jedes Submodul (2) eine eigene Wicklung (3) besitzt und ein eigenes der Wicklung (3) zugeordnetes Leistungsmodul (4) zum Wandeln von Gleichstrom in Mehrphasenwechselstrom besitzt. Ferner betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine und ein Verfahren zum Zusammenbauen des Stators (1).The invention relates to a stator (1) for an electrical machine, comprising a large number of sub-modules (2) which extend separately from one another over the circumference of the stator (1), each sub-module (2) having its own winding (3) and has its own power module (4) assigned to the winding (3) for converting direct current into polyphase alternating current. The invention also relates to an electrical machine and a method for assembling the stator (1).

Description

Die Erfindung betrifft einen Stator, eine elektrische Maschine und ein Verfahren zum Zusammenbauen des Stators.The invention relates to a stator, an electric machine and a method for assembling the stator.

Allgemein werden elektrische Maschinen mittels unterschiedlicher Wicklungsaufbauten realisiert. So ist zum Beispiel ein Wicklungsaufbau durch eine sogenannte Hairpin-, Wellenwicklungs- und Träufelwicklungstechnologie bekannt. Dabei liegt häufig ein Kupferfüllfaktor in einer Nut von ca. 50% vor (je nach Technologie). Es gibt also viele Hohlräume und einen hohen Platzbedarf für eine Isolation. Eine Spannungs- und Stromanpassung der elektrischen Maschine an eine zur Stromversorgung vorgesehene Energiequelle erfolgt über die jeweilige Windungszahl, Verschaltung der Teilwicklungen innerhalb einer Phase sowie durch einen entsprechenden Drahtquerschnitt. Eine höhere Spannungslage erfordert grundsätzlich eine höhere Windungszahl bzw. höhere Drehzahl der elektrischen Maschine.In general, electrical machines are implemented using different winding structures. For example, a winding structure using so-called hairpin, wave winding and random winding technology is known. There is often a copper fill factor in a slot of approx. 50% (depending on the technology). So there are many cavities and a lot of space for insulation. The voltage and current of the electrical machine are adapted to an energy source provided for the power supply via the respective number of turns, interconnection of the partial windings within a phase and via a corresponding wire cross-section. A higher voltage level basically requires a higher number of windings or a higher speed of the electrical machine.

DE 10 2014 105642 A1 offenbart eine elektrische Maschine mit einem Stator und einem beweglich dazu gelagerten Rotor. Es ist hierbei ein Stator vorgesehen, der eine Vielzahl von Nuten zur Aufnahme einer oder mehrerer Statorwicklungen umfasst. In die Nuten ist je ein Leiterabschnitt der Statorwicklung eingelegt, wobei die Leiterabschnitte an einem Ende, das heißt auf einer Seite des Stators miteinander elektrisch verbunden sind, so dass sie miteinander einen Kurzschluss bilden. DE 10 2014 105642 A1 discloses an electrical machine with a stator and a rotor mounted movably thereto. In this case, a stator is provided which comprises a multiplicity of slots for accommodating one or more stator windings. A conductor section of the stator winding is inserted into each of the slots, with the conductor sections being electrically connected to one another at one end, that is to say on one side of the stator, so that they form a short circuit with one another.

DE 10 2014 110299 A1 offenbart ferner eine elektrische Maschine mit einem Stator und einem beweglich dazu gelagerten Rotor. Der Stator umfasst eine Vielzahl von Nuten zur Aufnahme einer Statorwicklung. In jede Nut ist je ein Leiterabschnitt der Statorwicklung eingelegt. Auf einer Seite des Stators sind die Leiterabschnitte in einem Kurzschlussmittel miteinander elektrisch kurzgeschlossen. Das Kurzschlussmittel umfasst eine Kühlvorrichtung. DE 10 2014 110299 A1 also discloses an electrical machine with a stator and a rotor mounted movably thereto. The stator includes a plurality of slots for receiving a stator winding. A conductor section of the stator winding is inserted into each slot. On one side of the stator, the conductor sections are electrically shorted together in a shorting means. The short-circuiting means comprises a cooling device.

Auch die DE 10 2014 113489 A1 offenbart eine elektrische Maschine mit einem Stator. Der Stator umfasst eine Vielzahl von Nuten, die zwischen benachbarten Zähnen des Stators gebildet sind. Die Nuten dienen zur Aufnahme einer Statorwicklung. In jede Nut ist je ein Leiterabschnitt der Statorwicklung eingelegt. Die Leiterabschnitte mindestens eines Polpaares sind auf einer ersten Seite des Stators miteinander kurzgeschlossen. Auf einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite des Stators sind die freien Enden der Leiterabschnitte mit einem Anschluss einer Stromversorgungseinheit verbunden. Die Stromversorgungseinheit umfasst zwei ringförmig ausgebildete elektrische Leiter, zwischen denen mindestens ein leistungselektronisches Bauteil angeordnet ist.Also the DE 10 2014 113489 A1 discloses an electric machine with a stator. The stator includes a plurality of slots formed between adjacent teeth of the stator. The slots serve to accommodate a stator winding. A conductor section of the stator winding is inserted into each slot. The conductor sections of at least one pole pair are short-circuited to one another on a first side of the stator. On a second side of the stator, opposite the first side, the free ends of the conductor sections are connected to a connection of a power supply unit. The power supply unit comprises two ring-shaped electrical conductors between which at least one electronic power component is arranged.

DE 10 2014 114615 A1 offenbart ein Wicklungssystem für einen Stator und/oder einen Rotor einer elektrischen Maschine umfassend mehrere Leiterabschnitte, welche im Wesentlichen zwischen gegenüberliegenden Seiten des Wicklungssystems angeordnet sind. Auf einer ersten Seite des Wicklungssystems sind zwei ringförmige Leiter vorgesehen, mit denen die Leiterabschnitte über Halbbrücken gekoppelt sind. Auf der gegenüberliegenden Seite des Wicklungssystems ist mindestens eine Halbbrücke vorgesehen, an die mindestens ein Leiterabschnitt angeschlossen ist. DE 10 2014 114615 A1 discloses a winding system for a stator and/or a rotor of an electrical machine comprising a plurality of conductor sections which are arranged essentially between opposite sides of the winding system. Two ring-shaped conductors are provided on a first side of the winding system, with which the conductor sections are coupled via half bridges. At least one half-bridge is provided on the opposite side of the winding system, to which at least one conductor section is connected.

DE 10 2014 118356 A1 betrifft eine Stromversorgungseinheit, welche zum Speisen von mehreren Leiterabschnitten einer Statorwicklung einer elektrischen Maschine ausgelegt ist. Die Leiterabschnitte sind dabei in jeweilige Nuten des Stators der elektrischen Maschine eingelegt. Die Stromversorgungseinheit wiederum speist einen ersten der Leiterabschnitte und einen zweiten der Leiterabschnitte mit mindestens einem unterschiedlichen Betriebsparameter einer jeweiligen Stromfunktion. Alternativ oder zusätzlich ist die Stromversorgungseinheit eingerichtet, einen Leiterabschnitt mit mindestens zwei überlagerten Stromfunktionen zu speisen, die jeweils mindestens einen unterschiedlichen Betriebsparameter aufweisen. DE 10 2014 118356 A1 relates to a power supply unit which is designed to feed a plurality of conductor sections of a stator winding of an electrical machine. The conductor sections are inserted into respective slots in the stator of the electrical machine. The power supply unit in turn feeds a first of the conductor sections and a second of the conductor sections with at least one different operating parameter of a respective current function. Alternatively or additionally, the power supply unit is set up to feed a conductor section with at least two superimposed current functions, each of which has at least one different operating parameter.

DE 10 2016 107937 A1 offenbart eine Schaltungsanordnung zur Speisung eines als vielphasige elektrische Maschine ausgeführten Antriebsmotors. Die Schaltungsanordnung kann von der Antriebsvorrichtung umfasst sein. DE 10 2016 107937 A1 discloses a circuit arrangement for feeding a drive motor designed as a multi-phase electrical machine. The circuit arrangement can be included in the drive device.

DE 10 2016 118634 A1 offenbart eine Schaltungsanordnung zum Ansteuern einer Statorwicklung eines Stators einer elektrischen Maschine. Die Statorwicklung weist mindestens vier elektrische Phasen auf, welche dazu ausgelegt sind, mit einem jeweils eigenen Phasenstrom gespeist zu werden. Die Statorwicklung kann also beispielsweise an eine Leistungselektronik angeschlossen sein, welche jede der elektrischen Phasen mit einem eigenen Phasenstrom versorgt. Die elektrischen Phasen können beispielsweise durch elektrisch leitfähige Stäbe in Nuten in einem oder mehreren Statorblechen des Stators gebildet sein. DE 10 2016 118634 A1 discloses a circuit arrangement for driving a stator winding of a stator of an electrical machine. The stator winding has at least four electrical phases, which are designed to be supplied with their own phase current. The stator winding can therefore be connected to power electronics, for example, which supplies each of the electrical phases with its own phase current. The electrical phases can be formed, for example, by electrically conductive rods in slots in one or more stator laminations of the stator.

DE 10 2017 116 145 B3 offenbart ein Wicklungssystem für einen Stator einer elektrischen Maschine und eine elektrische Maschine. Das Wicklungssystem umfasst mindestens zwei erste Leiterabschnitte und mindestens zwei zweite Leiterabschnitte. Die ersten und zweiten Leiterabschnitte können ein elektrisch leitfähiges Material aufweisen, wie zum Beispiel Kupfer oder Aluminium. Der Stator kann beispielsweise Nuten aufweisen, in welchen sich je ein Leiterabschnitt befindet. Der Stator kann ein oder mehrere Statorbleche umfassen, in welchen die Nuten eingebracht sind. Bevorzugt weist der Stator eine Vielzahl von Nuten auf. Bei den ersten und zweiten Leiterabschnitten kann es sich zum Beispiel um elektrisch leitfähige Stäbe handeln. DE 10 2017 116 145 B3 discloses a winding system for a stator of an electrical machine and an electrical machine. The winding system includes at least two first conductor sections and at least two second conductor sections. The first and second conductor sections may comprise an electrically conductive material, such as copper or aluminum. the stator can have grooves, for example, in each of which there is a conductor section. The stator can include one or more stator laminations, in which the slots are introduced. The stator preferably has a large number of slots. The first and second conductor sections can be electrically conductive rods, for example.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, die Nachteile aus dem bekannten Stand der Technik zu vermeiden oder wenigstens zu mildern. Insbesondere soll die Modularisierung einer elektrischen Maschine vorangetrieben werden.It is the object of the invention to avoid or at least alleviate the disadvantages of the known prior art. In particular, the modularization of an electrical machine is to be advanced.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein Stator für eine elektrische Maschine bereitgestellt wird. Der Stator umfasst eine Vielzahl von Submodulen, die sich voneinander getrennt über den Umfang des Stators erstrecken. Jedes Submodul besitzt eine eigene Wicklung und ein eigenes der Wicklung zugeordnetes Leistungsmodul zum Wandeln von Gleichstrom in Wechselstrom, zum Beispiel Drehstrom.In the case of a generic device, this object is achieved according to the invention in that a stator for an electrical machine is provided. The stator includes a plurality of sub-modules, which extend separately from one another over the circumference of the stator. Each submodule has its own winding and its own power module assigned to the winding for converting direct current into alternating current, for example three-phase current.

Unter einer Wicklung wird das Vorhandensein wenigstens eines Leiters in einer Nut verstanden. Darauf aufbauend können mehrere Leiterstücke pro Wicklung und auch mehrere Leiterstücke in einer Nut vorhanden sein. Diese können sich auf beliebige Art verbinden lassen. Es können dabei Leiterstücke in unterschiedlichen Nuten verbunden werden und einige Nuten übersprungen werden. Eine Verbindung von nur zueinander benachbarten Leiterstücken ist nicht zwingend. Die Leiterstücke bestehen aus elektrisch leitfähigem Material wie z.B. Kupfer.A winding is understood to mean the presence of at least one conductor in a slot. Based on this, there can be several conductor pieces per winding and also several conductor pieces in one slot. These can be connected in any way. Conductor sections can be connected in different slots and some slots can be skipped. A connection of conductor sections that are only adjacent to one another is not mandatory. The conductor pieces are made of electrically conductive material such as copper.

Ein Gedanke der vorliegenden Erfindung ist, dass für die Produktion eine Modularisierung von Bauteilen bzw. Subsystemen im Sinne eines Aufbaus bestehend aus mehreren Gleichteilen wichtig ist, da für verschiedene Leistungsgrößen lediglich über die Anzahl an Komponenten skaliert werden kann und keine neue Fertigung aufgebaut werden muss. Wenn die axiale Länge und/oder der Durchmesser bestimmter Bauteile, etwa in Anpassung an die Leistungsgröße, aber zwingend verändert werden muss, so können unterschiedliche Bauteile zu den besagten Gleichteilen eingesetzt werden. Diese Bauteile können untereinander wieder Gleichteile sein. Die Submodule können auch als Statorsubmodule bezeichnet werden.One idea of the present invention is that a modularization of components or subsystems in the sense of a structure consisting of several identical parts is important for production, since it is only possible to scale the number of components for different power sizes and no new production has to be set up. However, if the axial length and/or the diameter of certain components has to be changed, for example to adapt to the size of the power, then different components can be used for the said identical parts. These components can again be identical parts to each other. The submodules can also be referred to as stator submodules.

Es wird ein elektrisches Antriebssystem umfassend eine elektrische Maschine und eine Leistungselektronik, basierend auf drei oder mehr Phasen, realisiert. Nachteile, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind, werden vermieden. Diese Nachteile werden nachfolgend aufgeführt:

  • • Eine Leistungselektronikeinheit, die wiederum mit einem Hochvolt-Zwischenkreis und beispielsweise einer Hochvolt-Batterie verbunden ist, hat nur geringe Modularisierungsmöglichkeiten aufgrund großer Einzelaufbauten.
  • • Eine Verteilung der Wicklungen pro Phase über den gesamten Umfang der elektrischen Maschine führt zu langen Verbindungspfaden mit hohen ohmschen Widerständen in den Wickelköpfen sowie hohem Materialverbrauch und Platzbedarf.
An electric drive system comprising an electric machine and power electronics based on three or more phases is implemented. Disadvantages known from the prior art are avoided. These disadvantages are listed below:
  • • A power electronics unit, which in turn is connected to a high-voltage intermediate circuit and, for example, a high-voltage battery, only has limited modularization options due to large individual structures.
  • • A distribution of the windings per phase over the entire circumference of the electrical machine leads to long connection paths with high ohmic resistances in the winding overhangs as well as high material consumption and space requirements.

Es werden nun zwei oder mehr integrierte Teilmotoren mit betriebspunktoptimierten Designs möglich.Two or more integrated sub-motors with operating point-optimized designs are now possible.

Auch ist nun bei der Erfindung eine Modularisierung der Leistungselektronik zum platzsparenden Aufbau hinreichend gegeben (während sich ein typischer 3-phasiger Aufbau mit direkter Anbindung an einen zentralen Zwischenkreiskondensator nicht weiter zerteilen bzw. modularisieren lässt). Bei der Erfindung ist nun der Kupferfüllfaktor in Nuten der elektrischen Maschinen verbessert.In the case of the invention, there is also sufficient modularization of the power electronics for space-saving construction (while a typical 3-phase construction with a direct connection to a central intermediate circuit capacitor cannot be further divided or modularized). In the case of the invention, the copper fill factor in the slots of the electrical machines is now improved.

Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beansprucht und werden nachfolgend näher erläutert.Advantageous embodiments are claimed in the dependent claims and are explained in more detail below.

Jedes Submodul kann mehrere eigene Wicklungen besitzen und der Wechselstrom kann ein Mehrphasenwechselstrom sein.Each submodule may have multiple windings of its own and the AC power may be polyphase AC.

Jedes Leistungsmodul kann einen eigenen DC+ und DC- Anschluss und drei Phasenanschlüsse zum Beaufschlagen der Wicklungen mit dem Mehrphasenwechselstrom, zum Beispiel Drehstrom, besitzen. Hierdurch lässt sich eine leichte Zuordenbarkeit erreichen und eine gängige Bestromung bedienen. Die Erfindung ist nicht auf drei Phasen beschränkt. Es sind auch mehr als drei Phasen möglich, z.B. fünf, sechs, sieben, neun, zehn, elf, zwölf, etc. Phasen, wobei in diesem Fall jedes Leistungsmodul eine den Phasen entsprechende Anzahl von Phasenanschlüssen besitzt.Each power module can have its own DC+ and DC- connection and three phase connections for applying the multi-phase alternating current, for example three-phase current, to the windings. In this way, easy assignment can be achieved and a common current supply can be used. The invention is not limited to three phases. More than three phases are also possible, e.g. five, six, seven, nine, ten, eleven, twelve, etc. phases, in which case each power module has a number of phase connections corresponding to the phases.

Alle Leistungsmodule können seriell verschaltet sein, indem jeweils der DC+ Anschluss der Leistungsmodule mit dem DC- Anschluss des dem entsprechenden Leistungsmodul direkt benachbarten Leistungsmoduls verbunden ist. Hierdurch können die Leistungsmodule an die Spannung der zu verschaltenden Energiequelle leicht angepasst bzw. entsprechend dimensioniert werden. Es gibt natürlich auch andere Verschaltungsarten, die einsetzbar sind, etwa parallele und kombinierte Verschaltungsarten. Jedes Leistungsmodul der Submodule kann ein eigenes Bauteil der Gruppe aus Zwischenkreiskondensator, Halbbrücke, Transistor und Diode enthalten. Hier wird unter einer Halbbrücke ein solches Bauteil verstanden, dass wenigstens zwei Transistoren einsetzt. Dabei können zusätzlich Dioden eingesetzt sein. Dadurch kann auf erprobte Komponenten gesetzt werden und eine ausreichende Ausfallsicherheit ist gegeben. Das bezieht sich sowohl auf das Verwenden von erprobten Komponenten als auch auf eine höhere Anzahl autark agierender Komponenten.All power modules can be connected in series by connecting the DC+ connection of the power module to the DC connection of the power module directly adjacent to the corresponding power module. As a result, the power modules can be easily adapted to the voltage of the energy source to be connected or dimensioned accordingly. Of course, there are also other types of interconnection that can be used, such as parallel and combined types of interconnection. Each power module of the submodules can contain its own component from the group consisting of the intermediate circuit capacitor, half bridge, transistor and diode. Here is one under a half bridge Component understood that uses at least two transistors. In this case, diodes can also be used. This means that tried and tested components can be used and there is sufficient failsafety. This refers both to the use of proven components and to a higher number of independently operating components.

Jedes Leistungsmodul kann einen eigenen Zwischenkreiskondensator besitzen. Es ist von Vorteil, wenn der Kondensator mit den DC+ und DC- Klemmen und mit den jeweils 2 Anschlüssen einer jeden Halbbrücke im Submodul verbunden ist. Die entsprechende Ansteuerung der Halbbrücken sorgt dann für die Bestromung der Wicklungen, welche dann wiederum das umlaufende Magnetfeld erzeugen. Dadurch kann das für einen gleichmäßigen Rundlauf benötigte Magnetfeld effizient erzeugt werden.Each power module can have its own intermediate circuit capacitor. It is advantageous if the capacitor is connected to the DC+ and DC- terminals and to the 2 connections of each half-bridge in the submodule. The corresponding control of the half-bridges then ensures that the windings are energized, which in turn generate the circulating magnetic field. As a result, the magnetic field required for even concentricity can be generated efficiently.

Wenigstens eines der Submodule oder alle Submodule können eine Einhausung aufweisen, die ein Handling der Submodule ermöglicht. Einem Monteur wird es dann erleichtert die einzelnen Submodule zu dem Stator der elektrischen Maschine zusammenzusetzen. Die Submodule können also nur die Statorwicklung oder auch den Blechschnitt umfassen. Es lassen sich dabei Wicklungen einsetzen, die wie folgt ausgebildet sein können: Einschichtwicklungen, wobei hier eine Phase in einer Nut liegt und mindestens einen Leiter in der Nut umfasst, oder Zweischichtwicklungen, wobei mindestens zwei Leiter in einer Nut liegen, die zur gleichen Phase oder zu unterschiedlichen Phasen gehören. Mindestens drei Leiter bilden mindestens drei Phasen, die zusammen in einen Sternpunkt verschaltet sind. Die Sternpunkte können auf der gleichen Seite wie die Leistungselektronikmodule oder auf der gegenüberliegenden Seite angeordnet sein. Damit ergeben sich Windungszahlen einer Phase pro Submodul von 0,5, wenn jeweils ein Leiter einer Phase in einen Sternpunkt verschaltet ist. Sind zwei Leiter aus verschiedenen Nuten gleicher Phase seriell verschaltet, erhält man eine Windungszahl von 1, bei drei Leitern von 1,5, etc. Die Wicklungen können aber auch aus mehreren, parallel geschalteten Leitern pro Nut bestehen; dies ändert die Windungszahl nicht.At least one of the submodules or all submodules can have a housing that allows the submodules to be handled. It is then easier for a fitter to assemble the individual submodules to form the stator of the electrical machine. The submodules can therefore only include the stator winding or also the sheet metal section. Windings can be used that can be designed as follows: single-layer windings, with one phase being in a slot and comprising at least one conductor in the slot, or two-layer windings, with at least two conductors being in a slot that belong to the same phase or belong to different phases. At least three conductors form at least three phases that are interconnected to form a star point. The neutral points can be arranged on the same side as the power electronics modules or on the opposite side. This results in a number of windings of one phase per submodule of 0.5 if one conductor of each phase is connected to a star point. If two conductors from different slots of the same phase are connected in series, the number of windings is 1, with three conductors 1.5, etc. However, the windings can also consist of several parallel-connected conductors per slot; this does not change the number of turns.

Die Einhausung kann nach Art eines Papiers oder einer Folie oder Ummantelung oder Bedeckung oder festem Gehäuse vorgesehen oder ausgebildet sein. Der Begriff „Handling“ kann als Handhabe verstanden werden.The enclosure may be provided or formed in the manner of a paper or foil or sheath or covering or solid housing. The term "handling" can be understood as a handle.

Jedes Leistungsmodul kann auf einer ersten Stirnseite der Wicklung angeordnet sein oder die Leistungsmodule können immer über den Umfang gesehen abwechselnd von einem Submodul zum über den Umfang gesehen benachbarten Submodul auf der ersten Stirnseite und zweiten Stirnseite angeordnet sein. Der Bauraum lässt sich dann effizient nutzen.Each power module can be arranged on a first end face of the winding or the power modules can always be arranged alternately from one submodule to the adjacent submodule viewed over the circumference on the first end face and second end face, viewed over the circumference. The installation space can then be used efficiently.

Jede Wicklung kann zum einen gleich ausgeführt sein und zum anderen können die Wicklungen von wenigstens zwei der Submodule verschiedenartig ausgeführt sein.On the one hand, each winding can be of the same design and, on the other hand, the windings of at least two of the submodules can be of different designs.

Ferner kann die Wicklung jedes Submoduls anhand eines Bildungsgesetzes, wie unten beschrieben, ausgeführt sein. Mindestens eines der folgenden Größen kann für ein Wicklungsschema der jeweiligen Wicklung in das Bildungsgesetz einfließen: Nutzahl, Polpaarzahl, Schichtzahl und Phasenzahl.Furthermore, the winding of each sub-module can be designed according to a formation law as described below. At least one of the following variables can be included in the formation law for a winding scheme of the respective winding: number of slots, number of pole pairs, number of layers and number of phases.

Jedes Submodul kann über die Axiallänge gesehen einen gleichbleibend breiten (in Umfangsrichtung gesehen) Bauraum einnehmen oder der Bauraum kann an einer Stirnseite größer als in einem davon beabstandeten Innenbereich sein. Es kann also eine Ausführungsform geschaffen werden, die eine Wicklung besitzt, in deren axialer Verlängerung das Leistungsmodul angeordnet ist. Alternativ kann jedoch eine Anordnung gemäß einer radialen Verlängerung in einer anderen Ausführungsform gewünscht sein. Beide Varianten lassen sich einseitig oder zweiseitig ausgestalten. Die zuletzt genannte Variante einer zweiseitigen radialen Verlängerung hat Vorteile, wenn die Leistungsmodule mehr Bauraum in Anspruch nehmen sollen / müssen. Auch bei einer einseitigen Verlängerung stellt sich dieser Vorteil ein.Viewed over the axial length, each submodule can take up an installation space that is consistently wide (viewed in the circumferential direction), or the installation space can be larger at one end face than in an inner area spaced apart from it. An embodiment can thus be created which has a winding in the axial extension of which the power module is arranged. Alternatively, however, an arrangement according to a radial extension may be desired in another embodiment. Both variants can be designed on one or two sides. The latter variant of a two-sided radial extension has advantages if the power modules should/must take up more space. This advantage also applies to a one-sided extension.

Für Axialflussmaschinen können je nach Ausführung des Motors, z.B. Doppelstatorein Rotor, Ein Stator-Zwei Rotoren, Ein Stator-Ein Rotor, etc., die Leistungsmodule in radialer Verlängerung des Stators nach außen oder in axialer Verlängerung an einer Stirnseite, die dem Rotor abgewandt ist, angebracht sein. In radialer Richtung ist auch eine Anbringung radial nach innen oder eine Anbringung sowohl radial innen als auch außen möglich. Dabei können die Leistungsmodule abwechselnd angeordnet werden.For axial flow machines, depending on the design of the motor, e.g. double stator-one rotor, one stator-two rotors, one stator-one rotor, etc., the power modules can be a radial extension of the stator to the outside or an axial extension to an end face that faces away from the rotor , to be appropriate. In the radial direction, attachment radially inwards or attachment both radially inwards and outwards is also possible. The power modules can be arranged alternately.

Alle Submodule können zusammen einen im Umfang gesehen zusammengefügten Block bilden, was einem guten Handling zuträglich ist. Es sind dann keine Lücken zwischen den einzelnen Submodulen vorhanden.All submodules together can form a block that is joined together in terms of scope, which is conducive to good handling. There are then no gaps between the individual submodules.

Ferner kann in der Gesamtzusammenschaltung die Funktion eines DC-DC-Wandlers zur steuerbaren Anpassung der DC-Spannungen in den Leistungsmodulen unabhängig von der Höhe der Spannung der Energiequelle realisiert werden.
In einer ersten Variante wird hierzu in jedem Leistungsmodul mindestens eine zusätzliche Halbbrücke ergänzt. Die Verschaltung der Leistungsmodule erfolgt dann über die Mittelabgriffe dieser zusätzlichen Halbbrücken und zusätzlich über den DC+ oder alternativ DC- Anschluss. Für die Funktion dieser Variante ist im Strompfad zwischen Energiequelle und der Verschaltung der Submodule in jedem seriell geschalteten Strang von Submodulen mindestens eine Drossel an beliebiger Stelle notwendig. Die Halbbrücken und die Drossel bilden zusammen einen integralen DC-DC-Wandler bzw. einen Hochsetzsteller.
Furthermore, the function of a DC-DC converter for the controllable adjustment of the DC voltages in the power modules can be implemented in the overall interconnection, independently of the magnitude of the voltage of the energy source.
In a first variant, this is done in each Leis At least one additional half-bridge is added to the processing module. The power modules are then connected via the center taps of these additional half-bridges and also via the DC+ or alternatively DC- connection. For this variant to function, at least one choke is required at any point in the current path between the energy source and the interconnection of the submodules in each series-connected string of submodules. The half-bridges and the choke together form an integral DC-DC converter or a step-up converter.

In einer zweiten Variante wird in jedes Leistungsmodul zusätzlich ein DC-DC-Wandler bestehend aus mindestens einer Halbbrücke, mindestens einer Drossel und ggf. mindestens einem Kondensator. Diese DC-DC-Wandler können wie dargestellt als Hochsetzsteller ausgeführt werden. Alternativ lassen sich mit denselben Bauteilen auch Tiefsetzsteller ausführen. In beiden Fällen gibt es hier wiederum zwei Möglichkeiten der Verschaltung, nämlich über den entsprechenden Abgriff des DC-DC-Wandlers und zusätzlich über den DC+ oder alternativ DC- Anschluss.In a second variant, a DC-DC converter consisting of at least one half-bridge, at least one inductor and, if necessary, at least one capacitor is additionally installed in each power module. As shown, these DC-DC converters can be implemented as step-up converters. Alternatively, step-down converters can also be implemented using the same components. In both cases there are two connection options, namely via the corresponding tap of the DC-DC converter and additionally via the DC+ or alternatively DC- connection.

Die oben genannte Aufgabe wird auch dadurch gelöst, dass eine elektrische Maschine mit einem Stator wie oben beschrieben und einem Rotor bereitgestellt wird. The object mentioned above is also achieved in that an electric machine with a stator as described above and a rotor is provided.

Die oben genannte Aufgabe wird ferner dadurch gelöst, dass ein Verfahren zum Zusammenbauen eines Stators, vorzugsweise wie oben beschrieben, für eine elektrische Maschine, vorzugsweise wie oben beschrieben bereitgestellt wird. Das Verfahren umfasst ein Bereitstellen einer Vielzahl von Submodulen, wobei jedes Submodul ein eigenes Leistungsmodul mit daran angeschlossener Wicklung besitzt. Das Verfahren umfasst ferner ein Zusammensetzen der Submodule zu dem Stator. Ein solches Verfahren betrifft somit ein Montageverfahren, das Schaffen des physischen Aufbaus bzw. den Zusammenbau des Stators. Dies beinhaltet Schritte des Umformens und Entstehenlassens der Unterbauteilgruppen.The above object is also achieved in that a method for assembling a stator, preferably as described above, for an electrical machine, preferably as described above, is provided. The method includes providing a large number of sub-modules, each sub-module having its own power module with a winding connected to it. The method also includes assembling the submodules to form the stator. Such a method thus relates to an assembly method, the creation of the physical structure or the assembly of the stator. This includes steps of forming and forming the sub-assembly.

Es ist ferner von Vorteil, wenn jedes Submodul über die Axiallänge gesehen einen gleichbleibend breiten Bauraum einnimmt oder der Bauraum an einer Stirnseite größer als in einem davon beabstandeten Innenbereich ist.It is also advantageous if each submodule occupies a consistently wide installation space over the axial length, or if the installation space is larger on an end face than in an inner area spaced apart from it.

Auch ist es von Vorteil, wenn alle Submodule zusammen einen über den Umfang gesehen zusammengefügten Block bilden.It is also advantageous if all the submodules together form a block that is joined together over the circumference.

Mit anderen Worten betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine, insbesondere einen Stator davon. Eine Wicklungsstruktur in dem Stator der elektrischen Maschine ist dabei um eine Peripherie der elektrischen Maschine herum segmentiert. Die jeweiligen Anschlüsse des Wicklungsaufbaus werden möglichst direkt (auf kürzestem Weg oder auf kleinstem Bauraum) mit dem Leistungsmodul verbunden. Die kleinsten identischen Einheiten oder Segmente (Submodule) bestehen aus einem Statorsegment mit einem lokalen Wicklungsaufbau und einem zugehörigen Leistungsmodul. Intern sind das Leistungsmodul und der Wicklungsaufbau eines jeweiligen Submoduls über mindestens drei Anschlüsse elektrisch verbunden. Extern besteht das jeweilige Submodul aus zwei Anschlüssen.In other words, the invention relates to an electrical machine, in particular a stator thereof. A winding structure in the stator of the electrical machine is segmented around a periphery of the electrical machine. The respective connections of the winding structure are connected to the power module as directly as possible (by the shortest route or in the smallest space). The smallest identical units or segments (submodules) consist of a stator segment with a local winding structure and an associated power module. Internally, the power module and the winding structure of a respective submodule are electrically connected via at least three connections. Externally, each submodule consists of two connections.

Die Erfindung ermöglicht mitunter den modularen Aufbau einer elektrischen Maschine mit integrierter Leistungselektronik. Folgende Vorteil können durch einen oder mehrere Aspekte zumindest teilweise erreicht werden:

  • - Echte Modularisierbarkeit und Integration des Phasen- und Leistungselektronikaufbaus durch Segmentierung über den Umfang und damit verbunden eine hohe Packungsdichte bzw. hohe Leistungsdichte des Gesamtsystems;
  • - Höchstmöglicher Kupferfüllfaktor in der Nut (nahe 100%, Minimum an ohmschen Widerständen bzw. umgekehrt ein Minimum an Platzbedarf).
  • - Geringer Wickelkopfanteil (Minimierung der ohmschen Widerstände und Minimierung der Kontaktstellen);
  • - Kürzeste Leitungslängen zwischen Motor und Leistungselektronik (Minimierung der ohmschen Widerstände und Minimierung der Materialaufwände für Kabel und Verbindungselemente);
  • - Lösung des Zielkonflikts zwischen niedriger induzierter Spannung der elektrischen Maschine einerseits vs. hohem Spannungsniveau der Energiequelle bei hohen Leistungen (Nutzung Hochvolt (HV) -Batterie / 800V-Spannungsklasse) andererseits;
  • - Kompatibilität zu anderen Technologien z. B. Teilmotorkonzepte, direkte Leiterkühlung, Strom-/Drehmomentregelung, geberlose Regelung, etc.;
  • - Keine motorseitigen Nachteile in Bezug auf die jeweilige Betriebsweise (z. B. Drehmomentrippel, Verluste);
  • - Einfacherer Aufbau und Fertigung (einfache Montage- und Verbindungsprozesse der Wicklungen, etc.); und
  • - Keine Leistungselektronikseitigen Nachteile (niederfrequente pulsierende Leistungen, komplizierte Schaltungstopologien, spezielle elektronische Bauteile).
The invention sometimes enables the modular design of an electrical machine with integrated power electronics. The following advantages can be at least partially achieved through one or more aspects:
  • - True modularization and integration of the phase and power electronics structure through segmentation over the scope and the associated high packing density and high power density of the overall system;
  • - Highest possible copper fill factor in the slot (close to 100%, minimum ohmic resistance or vice versa, minimum space requirement).
  • - Low winding overhang (minimization of the ohmic resistance and minimization of the contact points);
  • - Shortest cable lengths between motor and power electronics (minimization of ohmic resistance and minimization of material costs for cables and connecting elements);
  • - Solving the conflict of objectives between low induced voltage of the electrical machine on the one hand and high voltage level of the energy source at high power (use of high-voltage (HV) battery / 800V voltage class) on the other;
  • - Compatibility with other technologies, e.g. B. partial motor concepts, direct conductor cooling, current/torque control, sensorless control, etc.;
  • - No motor-related disadvantages in relation to the respective mode of operation (e.g. torque ripples, losses);
  • - Easier construction and manufacturing (simple assembly and connection processes of the windings, etc.); and
  • - No disadvantages in terms of power electronics (low-frequency pulsating power, complicated circuit topologies, special electronic components).

Ferner kann die Erfindung auch passende Wicklungssysteme für die elektrische Maschine bzw. den Stator vorsehen. Die Optimierungsziele für diese Wicklungen und damit ihre speziellen Eigenschaften sind unter anderem ein sehr hoher Kupferfüllfaktor, kurze Leitungslängen pro Phase bzw. kurze Verbindungen zwischen den einzelnen Leitern in der Nut und zu den Anschlüssen der Leistungsmodule, sowie eine einfache Herstellung und Montage.Furthermore, the invention can also provide suitable winding systems for the electrical machine or the stator. The optimization goals for these windings and thus their special properties include a very high copper fill factor, short cable lengths per phase or short connections between the individual conductors in the slot and to the connections of the power modules, as well as simple manufacture and assembly.

Mitunter sind folgende beispielhafte Kerngedanken der Erfindung hierin enthalten, die zu entsprechenden Vorteilen/Effekten führen können:

  • → segmentierte Wicklung mit geringer Erstreckung über den Umfang des Stators, und
  • → möglichst wenige Windungen bzw. Leiterstücke in einer Nut und im Wickelkopf,
  • → höchster Kupferfüllfaktor für geringe ohmsche Widerstände, da wenig Fläche im Nutquerschnitt durch Isolierung beansprucht wird,
  • -> weniger und kürzere Verbindungsstücke im Wickelkopf reduzieren ohmsche Widerstände aufgrund kürzerer Leitungslängen,
  • -> kompakte Bauweise durch wenige Kreuzungen von Leitern im Wickelkopf, lediglich eine Sternpunktverbindung statt Verschaltungen der Polpaare,
  • -> einfache Herstellung der Leiterstücke bzw. Teilwicklungen (z. B. aufgrund ihrer einfachen Formgebung vergleichbar zu I-Pin oder Hairpin oder sogar durch einen Gussprozess),
  • -> weniger Kontaktstallen bei der Verschaltung der Wicklungen führt zu weniger Ausfallwahrscheinlichkeit und geringerem Herstellaufwand,
  • -> beliebige Formgebung der Leiterstücke bzw. unterschiedliche Formgebung des Leiters im Nut- und Wickelkopfbereich für kompakten Aufbau und möglicher Integration einer Nutkühlung bzw. direkten Leiterkühlung durch Ausbildung eines Kühlkanals.
  • Neben der Variante, dass alle Wicklungsaufbauten der Submodule für eine E-Maschine gleich ausgeführt sind, können die einzelnen Wicklungsaufbauten auch verschieden (aber weiterhin einzeln gemäß des Bildungsgesetzes) realisiert werden.
  • Der Einsatz dieses Wicklungsschemas ist nicht auf Radialflussmaschinen, bei denen die Wicklungen entsprechend einer Mantelfläches eines Zylinders über den Umfang der Maschine angeordnet werden, beschränkt. So kann dieses auch für Axialflussmaschinen angewendet werden. Hierbei liegen die Wicklungen in einer Ebene, welche stets orthogonal zur Drehachse des Rotors der Maschine angeordnet ist. Damit bildet der Stator mit diesen Wicklungen eine oder ggf. mehrere Scheiben einer Axialflussmaschine aus.
  • Den Ausgangspunkt bildet das Bildungsgesetz zu den Varianten des Wicklungsschemas. Dieses Bildungsgesetz wird in der Figurenbeschreibung wiedergegeben.
The following exemplary core ideas of the invention are sometimes included here, which can lead to corresponding advantages/effects:
  • → segmented winding with a small extension over the circumference of the stator, and
  • → as few windings or conductor sections as possible in a slot and in the end winding,
  • → Highest copper fill factor for low ohmic resistances, since little area in the slot cross-section is required for insulation,
  • -> fewer and shorter connectors in the end winding reduce ohmic resistance due to shorter cable lengths,
  • -> compact design due to few crossings of conductors in the winding head, only one star point connection instead of interconnecting the pole pairs,
  • -> Simple production of the conductor pieces or partial windings (e.g. due to their simple shape comparable to I-pin or hairpin or even through a casting process),
  • -> fewer contact stalls when connecting the windings leads to less probability of failure and lower manufacturing costs,
  • -> any shape of the conductor sections or different shape of the conductor in the slot and winding head area for compact construction and possible integration of slot cooling or direct conductor cooling by forming a cooling channel.
  • In addition to the variant that all the winding structures of the submodules for an electric machine are the same, the individual winding structures can also be implemented differently (but still individually in accordance with the formation law).
  • The use of this winding scheme is not limited to radial flux machines in which the windings are arranged around the circumference of the machine in accordance with a lateral surface of a cylinder. This can also be used for axial flow machines. Here, the windings lie in one plane, which is always arranged orthogonally to the axis of rotation of the rotor of the machine. The stator with these windings thus forms one or possibly several discs of an axial flux machine.
  • The starting point is the formation law for the variants of the winding scheme. This law of formation is reproduced in the description of the figures.

Anstatt Kupfer können grundsätzlich auch weitere elektrisch leitfähige Materialien vorteilhaft zum Einsatz kommen, z. B. Aluminium.In principle, other electrically conductive materials can also be advantageously used instead of copper, e.g. e.g. aluminium.

Auch wenn einige der voranstehend/nachstehend beschriebenen Aspekte in Bezug auf das Verfahren beschrieben wurden, so können diese Aspekte auch auf den Stator und die elektrische Maschine zutreffen. Genauso können die voranstehend/nachstehend in Bezug auf den Stator und die elektrische Maschine beschriebenen Aspekte in entsprechender Weise auf das Verfahren zutreffen.Even if some of the aspects described above/below have been described in relation to the method, these aspects can also apply to the stator and the electric machine. Likewise, the aspects described above/below in relation to the stator and the electrical machine can apply to the method in a corresponding manner.

Ebenfalls versteht sich, dass die vorliegend verwendeten Begriffe lediglich der Beschreibung einzelner Ausführungsformen dienen und nicht als Einschränkung gelten sollen. Sofern nicht anders definiert, haben alle vorliegend verwendeten technischen und wissenschaftlichen Begriffe die Bedeutung, die dem allgemeinen Verständnis des Fachmannes auf dem für die vorliegende Offenbarung relevanten Fachgebiet entspricht; sie sind weder zu weit noch zu eng zu fassen. Werden vorliegend Fachbegriffe unzutreffend verwendet und bringen so den technischen Gedanken der vorliegenden Offenbarung nicht zum Ausdruck, sind diese durch Fachbegriffe zu ersetzen, die dem Fachmann ein richtiges Verständnis vermitteln. Die vorliegend verwendeten allgemeinen Begriffe sind auf der Grundlage der im Lexikon befindlichen Definition oder dem Zusammenhang entsprechend auszulegen; hierbei ist eine zu enge Auslegung zu vermeiden.It should also be understood that the terms used herein are for the purpose of describing individual embodiments only and are not intended to be limiting. Unless otherwise defined, all technical and scientific terms used herein have the meaning commonly understood by those skilled in the art relevant to the present disclosure; they are neither too broad nor too narrow. If technical terms are used incorrectly here and thus do not express the technical idea of the present disclosure, they are to be replaced by technical terms that convey a correct understanding to the person skilled in the art. The general terms used herein are to be construed on the basis of the definition found in the dictionary or according to the context; in this context, an overly narrow interpretation should be avoided.

Weitere Ziele, Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von nicht einschränkend zu verstehenden Ausführungsformen mit Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen. Bei der Beschreibung der vorliegenden Offenbarung wird auf ausführliche Erläuterungen bekannter verbundener Funktionen oder Konstruktionen verzichtet, sofern diese unnötig vom Sinn der vorliegenden Offenbarung ablenken. Dabei zeigen alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den hier offenbarten Gegenstand, auch unabhängig von ihrer Gruppierung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehungen. Die Abmessungen und Proportionen der in den Figuren gezeigten Komponenten sind hierbei nicht unbedingt maßstäblich; sie können bei zu implementierenden Ausführungsformen vom hier Veranschaulichten abweichen. Insbesondere können, in den Figuren, die Dicke der Linien, Schichten und/oder Regionen der Klarheit halber übertrieben oder untertrieben sein.Other objectives, features, advantages and possible uses emerge from the following description of non-limiting embodiments with reference to the associated drawings. In describing the present disclosure, detailed explanations of well-known related functions or constructions will be omitted unless they obscure the gist of the present disclosure. All of the features described and/or illustrated show the subject matter disclosed here, either individually or in any combination, regardless of how they are grouped in the claims or their dependencies. The dimensions and proportions of the components shown in the figures are not necessarily to scale; they can be found in embodiments to be implemented from here shown. In particular, in the figures, the thickness of the lines, layers, and/or regions may be exaggerated or understated for the sake of clarity.

Die Erfindung wird nachfolgend mit Hilfe von Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

  • 1 eine schematische Darstellung eines Submoduls eines Stators;
  • 2 eine schematische Darstellung eines Stators mit axialer Verlängerung von einer ersten Stirnseite weg, d.h. einseitig;
  • 3 eine schematische Darstellung eines Stators mit radialer Verlängerung, einseitig;
  • 4 eine schematische Darstellung eines Stators mit axialer Verlängerung von beiden Stirnseiten weg, d.h. zweiseitig;
  • 5 eine schematische Darstellung eines Stators mit radialer Verlängerung, zweiseitig;
  • 6 eine schematische Darstellung einer DC-seitigen Serienschaltung der Submodule;
  • 7 eine schematische Darstellung eines Leistungsmoduls;
  • 8 eine schematische Darstellung einer parallelen Verschaltung der Submodule;
  • 9 eine schematische Darstellung einer seriell-parallel Verschaltung der Submodule;
  • 10 eine schematische Darstellung einer ersten Variante eines integralen DC-DC-Wandlers;
  • 11 eine schematische Darstellung einer zweiten Variante eines integralen DC-DC-Wandlers;
  • 12 eine schematische Darstellung einer ersten Variante mit integriertem DC-DC-Wandler in den Submodulen;
  • 13 eine schematische Darstellung einer zweiten Variante mit integriertem DC-DC-Wandler in den Submodulen;
  • 14 eine schematische Darstellung einer verteilten Einschichtwicklung mit einseitiger Anordnung der Leistungsmodule;
  • 15 eine schematische Darstellung einer verteilten Einschichtwicklung mit zweiseitiger Anordnung der Leistungsmodule;
  • 16 eine schematische Darstellung einer verteilten Einschichtwicklung mit größerer Spulenweite und höherer Windungszahl;
  • 17 eine schematische Darstellung einer verteilten Einschichtwicklung mit höherer Überlappung als Kombinationsform;
  • 18 eine schematische Darstellung einer Zweischichtwicklung mit Überlappung;
  • 19 eine schematische Darstellung einer Zweischichtwicklung ohne Überlappung;
  • 20 eine schematische Darstellung einer Zweischichtwicklung ohne Überlappung;
  • 21 eine schematische Darstellung einer verteilten Zweischichtwicklung mit 5/6 Sehnung ohne Überlappung; und
  • 22 eine schematische Darstellung einer verteilten Zweischichtwicklung mit 5/6 Sehnung mit Überlappung;
The invention is explained below with the aid of drawings. Show it:
  • 1 a schematic representation of a submodule of a stator;
  • 2 a schematic representation of a stator with an axial extension away from a first end face, ie on one side;
  • 3 a schematic representation of a stator with a radial extension, on one side;
  • 4 a schematic representation of a stator with an axial extension away from both end faces, ie on two sides;
  • 5 a schematic representation of a stator with radial extension, two-sided;
  • 6 a schematic representation of a DC-side series connection of the submodules;
  • 7 a schematic representation of a power module;
  • 8th a schematic representation of a parallel connection of the submodules;
  • 9 a schematic representation of a serial-parallel connection of the submodules;
  • 10 a schematic representation of a first variant of an integral DC-DC converter;
  • 11 a schematic representation of a second variant of an integral DC-DC converter;
  • 12 a schematic representation of a first variant with an integrated DC-DC converter in the submodules;
  • 13 a schematic representation of a second variant with an integrated DC-DC converter in the submodules;
  • 14 a schematic representation of a distributed single-layer winding with one-sided arrangement of the power modules;
  • 15 a schematic representation of a distributed single-layer winding with two-sided arrangement of the power modules;
  • 16 a schematic representation of a distributed single-layer winding with a larger coil width and a higher number of turns;
  • 17 a schematic representation of a distributed single-layer winding with higher overlap as a combination form;
  • 18 a schematic representation of a two-layer winding with overlap;
  • 19 a schematic representation of a two-layer winding without overlap;
  • 20 a schematic representation of a two-layer winding without overlap;
  • 21 a schematic representation of a distributed two-layer winding with 5/6 chord without overlap; and
  • 22 Figure 12 is a schematic representation of a 5/6 pitch distributed two layer winding with overlap;

Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen ausschließlich dem Verständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Merkmale der einzelnen Ausführungsformen können untereinander ausgetauscht werden.The figures are only of a schematic nature and serve exclusively for understanding the invention. The same elements are provided with the same reference numbers. The features of the individual embodiments can be interchanged.

Ein Stator 1 der elektrischen Maschine wird nun anhand von Ausführungsformen beschrieben.A stator 1 of the electrical machine will now be described on the basis of embodiments.

Die erfinderische Lösung besteht aus einem über den Umfang einer elektrischen Maschine segmentierten Wicklungsaufbau im Stator 1, dessen jeweiligen Anschlüsse möglichst direkt (auf kürzestem Weg bzw. kleinstem Bauraum) mit leistungselektronischen Modulen 4 verbunden sind. Somit bestehen die kleinsten, identischen Einheiten bzw. Segmente (= Submodule 2) aus einem Statorsegment mit seinem lokalen Wicklungsaufbau 3 und dem zugehörigen Leistungsmodul 4, siehe 1. Intern sind das Leistungsmodul 4 und der Wicklungsaufbau 3 des Statorsegments elektrisch über mindestens drei Anschlüsse (S1, S2, S3) verbunden und nach außen hin weist das Submodul 2 zwei Anschlüsse (DC+ 9 und DC- 10) auf.The solution according to the invention consists of a winding structure in the stator 1 that is segmented over the circumference of an electrical machine, the respective connections of which are connected to electronic power modules 4 as directly as possible (by the shortest route or in the smallest possible installation space). Thus, the smallest, identical units or segments (=submodules 2) consist of a stator segment with its local winding structure 3 and the associated power module 4, see FIG 1 . Internally, the power module 4 and the winding structure 3 of the stator segment are electrically connected via at least three connections (S1, S2, S3) and the submodule 2 has two connections (DC+ 9 and DC- 10) to the outside.

Dieses Submodul 2 stellt die kleinste Einheit als Teilsystem dar. Durch die zylinderförmige Anordnung mehrerer gleicher Submodule 2 entsteht ein Stator 1 eines elektrischen Antriebs auf modulare Weise. Dieser erzeugt im Luftspalt ein für den Betrieb erforderliches magnetisches Drehfeld, so dass an einem Rotor ein Drehmoment erzeugt werden kann. Die Aufbauweise ist dabei unabhängig vom Wirkprinzip des Motors und kann damit prinzipiell für alle Arten von elektrischen Maschinen (permanentmagneterregte Synchronmaschine, Reluktanzmaschine, fremderregte Synchronmaschine, Asynchronmaschine sowie entsprechende Kombinationen) universell angewendet werden.This submodule 2 represents the smallest unit as a subsystem. The cylindrical arrangement of several identical submodules 2 creates a stator 1 of an electric drive in a modular manner. In the air gap, this generates a rotating magnetic field required for operation, so that a torque can be generated on a rotor. The design is independent of the operating principle of the motor and can therefore in principle be used universally for all types of electrical machines (permanent magnet excited synchronous machine, reluctance machine, separately excited synchronous machine, asynchronous machine and corresponding combinations).

Das jeweilige Leistungsmodul 4 kann dabei unter der Berücksichtigung von kürzesten Anschlüssen an das Motorsegment durch verschiedene Varianten direkt neben dem zugehörigen Motorsegment platziert werden. Das Motorsegment bezeichnet hierbei das Statorsegment mit Wicklungsaufbau 3.The respective power module 4 can take into account the shortest connections to the motor segment through different variants directly next to the associated motor segment ment to be placed. The motor segment refers to the stator segment with winding structure 3.

Bei nur einseitiger Anordnung der Leistungsmodule 4:

  • - stirnseitig in axialer Verlängerung zum Motorsegment (siehe 2); und
  • - nach außen in radialer Verlängerung zum Motorsegment (siehe 3).
If the power modules 4 are only arranged on one side:
  • - at the end in axial extension to the motor segment (see 2 ); and
  • - outwards in radial extension to the motor segment (see 3 ).

Bei zweiseitiger Anordnung, zum Beispiel als zwei zueinander verdreht angeordnete Gruppen, insbesondere wenn sich aufgrund des Wicklungsaufbaus Motorsegmente räumlich überlappen:

  • - stirnseitig in axialer Verlängerung zum Motorsegment (4); und
  • - nach außen in radialer Verlängerung zum Motorsegment (5).
In the case of two-sided arrangement, for example as two groups arranged rotated relative to one another, especially if motor segments overlap spatially due to the winding structure:
  • - on the face in axial extension to the motor segment ( 4 ); and
  • - outwards in radial extension to the motor segment ( 5 ).

Die Abmessungen der Leistungsmodule 4 und Statorsegmente können hierbei variieren, entscheidender sind die erläuterten Anordnungen mit sich berührenden Flächen, so dass minimale Längen von internen elektrischen Verbindungen entstehen.The dimensions of the power modules 4 and stator segments can vary here; the explained arrangements with contacting surfaces are more important, so that minimal lengths of internal electrical connections arise.

In jedem Statorsegment eines Submoduls 2 erfolgt die Realisierung von Wicklungen 3 mit sehr niedriger Windungszahl und großem Leiterquerschnitt respektive hohem Kupferfüllfaktor, um ein Minimum an ohmschen Verlusten zu erreichen. Die fertigungstechnische Umsetzung kann hierbei durch Einzelstäbe in den Nuten (vergleiche I-Pin, Spulenwindungszahl 0,5) oder zumindest einer minimalen Anzahl von Windungen pro Nut, welche z. B. U-förmig vergleichbar zu Hairpin-Wicklungen eingebracht werden können.In each stator segment of a submodule 2, windings 3 are implemented with a very low number of turns and a large conductor cross section or high copper fill factor, in order to achieve a minimum of ohmic losses. The manufacturing implementation can be done here by individual rods in the slots (compare I-Pin, number of coil turns 0.5) or at least a minimum number of turns per slot, which z. B. U-shaped can be introduced comparable to hairpin windings.

Das Verfahren bzw. Bildungsgesetz zur Beschreibung des Aufbaus und Generierung sämtlicher möglicher Wicklungsaufbauten ist im Folgenden beschrieben. Diese Vorgehensweise beschreibt allgemein die Bildung aller möglicher Wicklungssysteme, welche dem geforderten Charakter einer Segmentierung über den Umfang des Stators der elektrischen Maschine hinweg genügen.The procedure or formation law for describing the structure and generating all possible winding structures is described below. This procedure generally describes the formation of all possible winding systems that meet the required character of a segmentation across the circumference of the stator of the electrical machine.

Das Vorgehen beinhaltet das Festlegen der Nutzahl (N), der Polpaarzahl (p) und der Phasenzahl (m) und der Anzahl der Schichten (Einschicht- oder Zweischicht) abhängig von Wicklungsfaktor (ξ) und Oberwellenstreuung (σo).The procedure includes determining the number of slots (N), the number of pole pairs (p) and the number of phases (m) and the number of layers (single-layer or two-layer) depending on the winding factor (ξ) and harmonic leakage (σ o ).

Es wird zwischen ungeradzahligen Phasenzahlen (m mod 2 ≠ 0), geradzahligen Phasenzahlen mit ungeradzahligem Teiler ( m 2 x mod 2 0, x \ { 0 } ) ,

Figure DE102020120117A1_0001
und geradzahligen Phasenzahlen nur mit geradzahligen Teilern (m = 2x, x ∈ ℕ\{0}) unterschieden. Der Ansatz gilt für m ≥ 2, wobei durch die Aufteilung der DC-Zwischenkreisspannung auf die verschiedenen Submodule eine geringere Spannungslage für jedes Submodul erreicht wird. Dadurch sind die Verwendung von Halbleiterbauelementen geringerer Spannungslage, z.B. Silizium-MOSFETs, geringste Leiterzahlen in einer Nut, z.B. eins, und geringste Windungszahlen, z.B. 0,5, möglich.It is divided between odd phase numbers (m mod 2 ≠ 0), even phase numbers with an odd divider ( m 2 x model 2 0, x \ { 0 } ) ,
Figure DE102020120117A1_0001
and even-numbered phases are only distinguished with even-numbered divisors (m = 2 x , x ∈ ℕ\{0}). The approach applies to m ≥ 2, whereby a lower voltage level is achieved for each submodule by distributing the DC link voltage across the various submodules. This makes it possible to use semiconductor components with a lower voltage level, for example silicon MOSFETs, the lowest number of conductors in a slot, for example one, and the lowest number of turns, for example 0.5.

Der Segmentierungsgrad ergibt sich aus der DC-Zwischenkreisspannung, der gewünschten Spannungslage für die Halbleiterbauelemente und der Auswahl der Nutzahl, Phasenzahl, Schichtzahl und Polpaarzahl und der jeweiligen nachher aufgeführten Verschaltungsmöglichkeiten.The degree of segmentation results from the DC link voltage, the desired voltage level for the semiconductor components and the selection of the number of slots, number of phases, number of layers and number of pole pairs and the respective connection options listed below.

Die geringstmögliche Anzahl an Leitern in einer Nut beträgt eins bei einer Einschichtwicklung und zwei Leiter bei einer Zweischichtwicklung.The minimum number of conductors in a slot is one for a single-layer winding and two conductors for a two-layer winding.

Ein Leiter kann aus jedwedem elektrisch leitfähigen Material hergestellt sein, insbesondere Kupfer oder Aluminium.A conductor can be made of any electrically conductive material, in particular copper or aluminum.

Liegen ein oder mehrere Leiter in einer Nut und sollen vom gleichen Strom (Amplitude, Frequenz, Phasenlage) durchflossen werden, so können diese parallel oder in Serie geschaltet sein und werden nachfolgend als Spulenseite bezeichnet. Für den erfindungsgemäßen Gedanken bieten sich allerdings insbesondere ein bzw. zwei Leiter pro Nut oder eine Parallelschaltung mehrerer Leiter an.If one or more conductors are in a slot and the same current (amplitude, frequency, phase position) should flow through them, they can be connected in parallel or in series and are referred to as the coil side in the following. However, one or two conductors per slot or a parallel connection of several conductors is particularly suitable for the idea according to the invention.

Zwei Ausprägungen sind für die verschiedenen Phasenzahlen möglich. Entweder es werden nur Spulenseiten verschiedener Phasenlagen direkt miteinander in einen Sternpunkt verschaltet oder mehrere Spulenseiten werden seriell verschaltet (nachfolgend als Spulenseitenreihung bezeichnet) und mehrere Spulenseitenreihungen mit unterschiedlicher Gesamtphasenlage in einen Sternpunkt verschaltet. Je nach Vorauswahl der Phasenzahl ergeben sich die Bedingungen einer Verschaltung. Diese sollen nun nachfolgend aufgeführt werden:Two forms are possible for the different numbers of phases. Either coil sides with different phase positions are connected directly to one another in a star point, or several coil sides are connected in series (hereinafter referred to as coil side rows) and several coil side rows with different overall phase positions are connected in a star point. Depending on the pre-selection of the number of phases, the conditions for an interconnection result. These should now be listed below:

Für die Verschaltung von Spulenseiten verschiedener Phasenlagen in einen Sternpunkt:

  • • Für ungeradzahlige Phasenzahlen m (m mod 2 ≠ 0)
    • ○ Verschaltung von m Spulenseiten in einen Sternpunkt durch folgende Bedingungen
      • ■ Versatz der Induktionsspannung um 2 π m
        Figure DE102020120117A1_0002
        der m Spulenseiten zueinander
      • ■ Spulenseiten sollten möglichst nahe beieinander liegen
    • ○ Verschaltung von mT Spulenseiten in einen Sternpunkt und damit Erhalt mehrerer Sternpunkte als im ersten Punkt durch folgende Bedingungen
      • ■ 3 ≤ mT < m und m mod mT = 0
      • ■ Versatz der Induktionsspannung um 2 π m T
        Figure DE102020120117A1_0003
        der mT Spulenseiten zueinander; zwischen den Systemen mit jeweils eigenem Sternpunkt besteht ein Phasenversatz von 2 π m
        Figure DE102020120117A1_0004
      • ■ Spulenseiten sollten möglichst nahe beieinanderliegen
  • • Für geradzahlige Phasenzahlen mit mind. einem ungeradzahligen Teiler ( m 2 x mod 2 0, x \ { 0 } )
    Figure DE102020120117A1_0005
    • ○ Verschaltung von m Spulenseiten in einen Sternpunkt durch folgende Bedingungen
      • ■ Versatz der Induktionsspannung bei m 2 x
        Figure DE102020120117A1_0006
        Spulenseiten um 2 π m 2 x
        Figure DE102020120117A1_0007
        zueinander und zwischen den 2x Systemen (mit dem 2 π m 2 x
        Figure DE102020120117A1_0008
        - Verm satz) einen Versatz der Systeme von π m
        Figure DE102020120117A1_0009
      • ■ Spulenseiten sollten möglichst nahe beieinanderliegen
    • ○ Verschaltung von m 2 x
      Figure DE102020120117A1_0010
      Spulenseiten in einen Sternpunkt und damit Erhalt mehrerer Sternpunkte als im ersten Punkt durch folgende Bedingungen
      • ■ Variante 1: Für 2x gilt, dass m 2 x
        Figure DE102020120117A1_0011
        mod 2 ≠ 0, x ∈ ℕ\{0}
        • • Versatz der Induktionsspannung der m 2 x
          Figure DE102020120117A1_0012
          Spulenseiten von 2 π m 2 x
          Figure DE102020120117A1_0013
          zueinander; zwischen den Systemen mit jeweils eigenem Sternpunkt besteht ein Phasenversatz von π m
          Figure DE102020120117A1_0014
        • • Spulenseiten sollten möglichst nahe beieinanderliegen
      • ■ Variante 2: Für 2x gilt, dass m 2 x
        Figure DE102020120117A1_0015
        mod 2 = 0, x ∈ ℕ\{0} und m 2 y
        Figure DE102020120117A1_0016
        mod 2 ≠ 0, y E ℕ\{0} und y > x
        • • Versatz der Induktionsspannung der m 2 y
          Figure DE102020120117A1_0017
          Spulenseiten von 2 π m 2 y
          Figure DE102020120117A1_0018
          zueinander und zwischen den (2y-x) Systemen (mit dem 2 π m 2 y
          Figure DE102020120117A1_0019
          - Versatz) einen Versatz der Systeme von π m 2 x ;
          Figure DE102020120117A1_0020
          zwischen den Systemen mit jeweils eigenem Sternpunkt besteht ein Phasenversatz von π m
          Figure DE102020120117A1_0021
        • • Spulenseiten sollten möglichst nahe beieinanderliegen
    • ○ Verschaltung von mT Spulenseiten in einen Sternpunkt, wenn mehrere ungeradzahlige Teiler von m vorhanden sind, und damit Erhalt mehrerer Sternpunkte als im ersten Punkt durch folgende Bedingungen
      • ■ 3 ≤ mT < m und m mod mT = 0 und mT mod 2 ≠ 0
      • ■ 3 ≤ mT2 < m und m mod mT2 = 0 und mT2 mod 2 ≠ 0 und m m T m T 2 = 2 x ,
        Figure DE102020120117A1_0022
        x ∈ ℕ\{0}
      • ■ Versatz der Induktionsspannung um 2 π m T
        Figure DE102020120117A1_0023
        der mT Spulenseiten zueinander; zwischen den einzelnen mT2 Sternpunktsystemen muss ein Phasenversatz von 2 π m T m T 2
        Figure DE102020120117A1_0024
        und zwischen 2x Systemen ein Phasenversatz von π m
        Figure DE102020120117A1_0025
      • ■ Spulenseiten sollten möglichst nahe beieinanderliegen
  • • Für geradzahlige Phasenzahlen, wobei die Phasenzahl eine Zweierpotenz ist (m = 2x, x ∈ ℕ\{0} )
    • o Diese Sternpunktverschaltung benötigt immer einen zusätzlichen Anschluss jedes Sternpunkts an die Leistungselektronik des jeweiligen Submoduls, wodurch, um kurze Leiterlängen zu gewährleisten, der Sternpunkt und die Leistungselektronik des Submoduls nahe beieinanderliegen sollten. Dies kann beispielsweise durch die Lage der Leistungselektronik auf der gleichen Seite wie der Sternpunkt des Submoduls erreicht werden. Der Anschluss der Sternpunkte kann über einen Mittelabgriff zwischen zwei Kondensatoren, welche in ihrer Serienschaltung den Zwischenkreiskapazität des Leistungsmoduls bilden, erfolgen. Alternativ können die Sternpunkte über den Phasenanschluss einer oder mehrerer zusätzlicher Halbbrücken, welche an die Zwischenkreisspannung angebunden sind, mit dem Leistungsmodul verbunden werden.
    • o Verschaltung von m Spulenseiten in einen Sternpunkt durch folgende Bedingungen
      • ■ Versatz der Induktionsspannung bei 2 Spulenseiten um π 2
        Figure DE102020120117A1_0026
        zueinander, damit ergeben sich m 2
        Figure DE102020120117A1_0027
        Teilsysteme; bei m 4
        Figure DE102020120117A1_0028
        der Teilsysteme beträgt der Phasenversatz von Teilsystem zu Teilsystem 2 π m
        Figure DE102020120117A1_0029
        und zwischen den zwei m 4 Teilsystemen π m ,
        Figure DE102020120117A1_0030
        damit kann die kleinste Sternpunktbelastung gewährleistet werden
      • ■ Spulenseiten sollten möglichst nahe beieinanderliegen
    • o Verschaltung von 2 Spulenseiten in einen Sternpunkt (Sternpunktbelastung ist höher als bei der ersten Möglichkeit) und damit folgt der Erhalt mehrerer Sternpunkte als im ersten Punkt durch folgende Bedingungen
      • ■ Versatz der Induktionsspannung bei 2 Spulenseiten um π 2
        Figure DE102020120117A1_0031
        zueinander, damit ergeben sich m 2
        Figure DE102020120117A1_0032
        Systeme mit eigenem Sternpunkt und eigenem Submodulanschluss; bei m 4
        Figure DE102020120117A1_0033
        der Systeme beträgt der Phasenversatz von Teilsystem zu Teilsystem 2 π m
        Figure DE102020120117A1_0034
        und zwischen den zwei m 4 Teilsystemen π m .
        Figure DE102020120117A1_0035
      • ■ Spulenseiten sollten möglichst nahe beieinanderliegen
For the interconnection of coil sides with different phase positions in a neutral point:
  • • For odd phase numbers m (m mod 2 ≠ 0)
    • ○ Connection of m coil sides in a star point through the following conditions
      • ■ offset of the induction voltage by 2 π m
        Figure DE102020120117A1_0002
        of the m coil sides to each other
      • ■ Coil sides should be as close together as possible
    • ○ Connection of m T coil sides in a star point and thus obtaining more star points than in the first point through the following conditions
      • ■ 3 ≤ mT < m and m mod mT = 0
      • ■ offset of the induction voltage by 2 π m T
        Figure DE102020120117A1_0003
        the m T coil sides to each other; between the systems, each with its own star point, there is a phase shift of 2 π m
        Figure DE102020120117A1_0004
      • ■ Coil sides should be as close together as possible
  • • For even-numbered phases with at least one odd-numbered divider ( m 2 x model 2 0, x \ { 0 } )
    Figure DE102020120117A1_0005
    • ○ Connection of m coil sides in a star point through the following conditions
      • ■ offset of the induction voltage at m 2 x
        Figure DE102020120117A1_0006
        coil sides around 2 π m 2 x
        Figure DE102020120117A1_0007
        to each other and between the 2 x systems (with the 2 π m 2 x
        Figure DE102020120117A1_0008
        - Verm set) an offset of the systems from π m
        Figure DE102020120117A1_0009
      • ■ Coil sides should be as close together as possible
    • ○ Interconnection of m 2 x
      Figure DE102020120117A1_0010
      Coil sides in a star point and thus obtaining more star points than in the first point through the following conditions
      • ■ Variant 1: For 2 x it applies that m 2 x
        Figure DE102020120117A1_0011
        mod 2 ≠ 0, x ∈ ℕ\{0}
        • • Offset of the induction voltage m 2 x
          Figure DE102020120117A1_0012
          coil sides of 2 π m 2 x
          Figure DE102020120117A1_0013
          to each other; between the systems, each with its own star point, there is a phase shift of π m
          Figure DE102020120117A1_0014
        • • Coil sides should be as close together as possible
      • ■ Variant 2: For 2 x it applies that m 2 x
        Figure DE102020120117A1_0015
        mod 2 = 0, x ∈ ℕ\{0} and m 2 y
        Figure DE102020120117A1_0016
        mod 2 ≠ 0, y E ℕ\{0} and y > x
        • • Offset of the induction voltage m 2 y
          Figure DE102020120117A1_0017
          coil sides of 2 π m 2 y
          Figure DE102020120117A1_0018
          to each other and between the (2 yx ) systems (with the 2 π m 2 y
          Figure DE102020120117A1_0019
          - offset) an offset of the systems from π m 2 x ;
          Figure DE102020120117A1_0020
          between the systems, each with its own star point, there is a phase shift of π m
          Figure DE102020120117A1_0021
        • • Coil sides should be as close together as possible
    • ○ Connection of m T coil sides in a star point if there are several odd dividers of m, and thus obtaining more star points than in the first point through the following conditions
      • ■ 3 ≤ m T < m and m mod m T = 0 and m T mod 2 ≠ 0
      • ■ 3 ≤ m T2 < m and m mod m T2 = 0 and m T2 mod 2 ≠ 0 and m m T m T 2 = 2 x ,
        Figure DE102020120117A1_0022
        x ∈ ℕ\{0}
      • ■ offset of the induction voltage by 2 π m T
        Figure DE102020120117A1_0023
        the m T coil sides to each other; between the individual m T2 star point systems, a phase shift of 2 π m T m T 2
        Figure DE102020120117A1_0024
        and between 2 x systems a phase shift of π m
        Figure DE102020120117A1_0025
      • ■ Coil sides should be as close together as possible
  • • For even phase numbers, where the phase number is a power of two (m = 2 x , x ∈ ℕ\{0} )
    • o This star point connection always requires an additional connection of each star point to the power electronics of the respective submodule, which means that the star point and the power electronics of the submodule should be close together to ensure short cable lengths. This can be achieved, for example, by locating the power electronics on the same side as the star point of the submodule. The star points can be connected via a center tap between two capacitors which, when connected in series, form the intermediate circuit capacitance of the power module. Alternatively, the star points can be connected to the phase connection of one or more additional half-bridges, which are connected to the intermediate circuit voltage are bound to be connected to the power module.
    • o Connection of m coil sides in a star point through the following conditions
      • ■ Displacement of the induction voltage with 2 coil sides π 2
        Figure DE102020120117A1_0026
        to each other, so arise m 2
        Figure DE102020120117A1_0027
        subsystems; at m 4
        Figure DE102020120117A1_0028
        of the subsystems is the phase offset from subsystem to subsystem 2 π m
        Figure DE102020120117A1_0029
        and between the two m 4 subsystems π m ,
        Figure DE102020120117A1_0030
        this means that the smallest neutral point load can be guaranteed
      • ■ Coil sides should be as close together as possible
    • o Connection of 2 coil sides in one star point (star point load is higher than with the first option) and thus the preservation of more star points than in the first point follows through the following conditions
      • ■ Displacement of the induction voltage with 2 coil sides π 2
        Figure DE102020120117A1_0031
        to each other, so arise m 2
        Figure DE102020120117A1_0032
        Systems with their own star point and their own submodule connection; at m 4
        Figure DE102020120117A1_0033
        of the systems is the phase shift from subsystem to subsystem 2 π m
        Figure DE102020120117A1_0034
        and between the two m 4 subsystems π m .
        Figure DE102020120117A1_0035
      • ■ Coil sides should be as close together as possible

Für die Verschaltung von Spulenseitenreihungen verschiedener Phasenlagen in einen Sternpunkt:

  • • Es sind k ∈ ℕ\{0} Spulenseiten in Serie geschaltet, was hier als Spulenseitenreihung bezeichnet wird; diese Spulenseiten können einen beliebigen Phasenversatz zueinander aufweisen.
  • • Für das Bildungsgesetz können die zuvor für die Verschaltung von Spulenseiten in einen Sternpunkt beschriebenen Bedingungen verwendet werden. Anstatt Spulenseite ist dann jedoch Spulenseitenreihungen zu verwenden und der Phasenversatz zwischen Spulenseiten wird zum Gesamtphasenversatz zwischen Spulenseitenreihungen
For the interconnection of coil side rows of different phase positions in a star point:
  • • There are k ∈ ℕ\{0} coil sides connected in series, which is referred to here as the coil side row; these coil sides can have any phase offset relative to one another.
  • • The conditions previously described for the connection of coil sides in a star point can be used for the formation law. Instead of coil side, however, coil side rows should then be used and the phase offset between coil sides becomes the total phase offset between coil side rows

Nach dem Bildungsgesetz sollen im Folgenden verschiedene Varianten, die aus dem Bildungsgesetz entstehen, aufgeführt werden. Der Startpunkt der Betrachtungen ist der sich durch die Nutzahl, Polpaarzahl, Schichtzahl und Phasenzahl aufspannende Nutenspannungsstern.According to the Education Act, various variants resulting from the Education Act are listed below. The starting point of the considerations is the slot voltage star spanned by the number of slots, number of pole pairs, number of layers and number of phases.

Nach dem Bildungsgesetz sind an einen Sternpunkt in der kleinstmöglichen Ausführung 3 Leiter angeschlossen. Da Phasenzahlen, die Zweierpotenzen sind, eine zusätzlichen Sternpunktanschluss benötigen, der höher belastet wird, als die Phasenanschlüsse, wird in der kleinstmöglichen Ausführung von drei direkten Phasenanschlüssen ausgegangen. Der höchste Füllfaktor wird bei einem die Nut voll ausfüllenden Leiter erreicht. Ist der Leiter als Leiterbündel, d.h. ausgeführt aus mehreren parallelen Leiterstücken zu verstehen, ergibt sich ein geringerer Füllfaktor, da die Isolation auf eine größere Oberfläche aufgebracht ist und sich damit ihr Anteil im Vergleich zum Gesamtvolumen erhöht. Ein Leiter oder Leiterbündel kann der Form der Nut komplett angepasst sein, so dass sich keine freien Räume in der Nut ergeben.According to the formation law, 3 conductors are connected to a star point in the smallest possible version. Since phase numbers that are powers of two require an additional star point connection that is more heavily loaded than the phase connections, three direct phase connections are assumed in the smallest possible version. The highest fill factor is achieved with a conductor that completely fills the slot. If the conductor is to be understood as a conductor bundle, i.e. made up of several parallel conductor sections, the filling factor is lower because the insulation is applied to a larger surface and its proportion in comparison to the total volume is therefore increased. A conductor or bundle of conductors can be completely adapted to the shape of the slot so that there are no free spaces in the slot.

Der Übersicht halber und um die Knappheit der Ausführungen zu bewahren wird von einer Darstellung der Varianten abgesehen und im Folgenden lediglich exemplarisch ohne Figuren beschrieben.For the sake of clarity and in order to keep the explanations concise, the variants are not presented and are described below only as examples without figures.

1.Variante1st variant

Drei Leiter (oder Leiterbündel), ein Leiter pro Nut, Wicklungszahl 0,5; ausgehend von einer verteilten Wicklung:

  • - kürzeste Segmente, d.h. 6 Nuten pro Polpaar (2 Submodule pro Polpaar) jeweils einseitige oder zweiseitige Anordnung
  • - Segmente mit ansteigender Nutzahl pro Polpaar
    • • entweder durch höhere Grundphasenzahl m und Aufteilen in mT = 3
      • o mit m=6 und mT = 3 ergibt 12 Nuten pro Polpaar bei einseitiger Anordnung und bei zweiseitiger Anordnung
      • o mit m=9 und mT = 3 ergibt 18 Nuten pro Polpaar
      • o Etc.
    • • oder durch gleiche Grundphasenzahl m=3 und mit ansteigender Lochzahl q>1
      • o mit m=3 und q=2 ergibt 12 Nuten pro Polpaar einseitiger Anordnung und bei zweiseitiger Anordnung
      • o mit m=3 und q=3 ergibt 18 Nuten pro Polpaar
      • o Etc.
Three conductors (or bundles of conductors), one conductor per slot, number of windings 0.5; starting from a distributed winding:
  • - Shortest segments, ie 6 slots per pair of poles (2 submodules per pair of poles) each one-sided or two-sided arrangement
  • - Segments with an increasing number of slots per pair of poles
    • • either by increasing the number of basic phases m and dividing them into m T = 3
      • o with m=6 and m T = 3 results in 12 slots per pair of poles with one-sided arrangement and with two-sided arrangement
      • o with m=9 and m T = 3 results in 18 slots per pair of poles
      • o Etc.
    • • or with the same number of basic phases m=3 and with an increasing number of holes q>1
      • o with m=3 and q=2 results in 12 slots per pair of poles with one-sided arrangement and with two-sided arrangement
      • o with m=3 and q=3 results in 18 slots per pair of poles
      • o Etc.

Die Module können auch anders verschachtelt sein; auch bei den anderen Beispielen ist dies entsprechend möglich.The modules can also be nested differently; this is also correspondingly possible for the other examples.

2.Variante2nd variant

Drei Leiter (oder Leiterbündel), ein Leiter pro Nut, Wicklungszahl 0,5; ausgehend von einer Zahnspulenwicklung bzw. gesehnten Wicklung:

  • - kürzeste Segmente, d.h. 6 Nuten pro 2 Polpaare (2 Submodule pro 2 Polpaare) jeweils einseitige oder zweiseitige Anordnung,
  • - Segmente mit ansteigender Polpaarzahl (benötigte Nutzahl pro Segment nimmt ebenfalls zu) → verschiedene Polpaarzahlen pro Nutzahl pro Segment möglich; durch andere Phasenansteuerung/- reihung und kürzeren oder längeren Sternpunktverbund,
    • • höhere Grundphasenzahl m und Aufteilen in m_T=3
      • o m=6, N=12, p=5, m_T=3
      • o m=9, N=18, p=8, m_T=3
    • • gleiche Grundphasenzahl m=3 und längeres Verbindungssegment
      • o m=3, N=12, p=5
      • o m=3, N=18, p=8
Three conductors (or bundles of conductors), one conductor per slot, number of windings 0.5; starting from a toothed coil winding or pitched winding:
  • - shortest segments, ie 6 slots per 2 pairs of poles (2 submodules per 2 pairs of poles) each one-sided or two-sided arrangement,
  • - Segments with an increasing number of pole pairs (the number of slots required per segment also increases) → different numbers of pole pairs per number of slots per segment possible; through different phase control/sequence and shorter or longer neutral point network,
    • • higher basic phase number m and division into m_T=3
      • om=6, N=12, p=5, m_T=3
      • om=9, N=18, p=8, m_T=3
    • • same number of basic phases m=3 and longer connection segment
      • om=3, N=12, p=5
      • om=3, N=18, p=8

3.Variante3rd variant

Drei Leiter (oder Leiterbündel), ein Leiter pro Nut, Wicklungszahl größer 0,5; ausgehend von einer verteilten Wicklung:Three conductors (or bundles of conductors), one conductor per slot, number of windings greater than 0.5; starting from a distributed winding:

- Wicklungszahl gleich 1- Number of windings equal to 1

  • - kürzeste Segmente, d.h. 6 Nuten pro Polpaar (1 Submodul pro Polpaar)- shortest segments, i.e. 6 slots per pair of poles (1 submodule per pair of poles)
  • - jeweils einseitige oder zweiseitige Anordnung- each one-sided or two-sided arrangement
  • - Segmente mit ansteigender Nutzahl pro Polpaar
    • • entweder durch höhere Grundphasenzahl m und Aufteilen in m_T=3
      • o mit m=6 und m_T=3 ergibt 12 Nuten pro Polpaar einseitiger Anordnung und bei zweiseitiger Anordnung
    • • gleiche Grundphasenzahl m=3 und längeres Verbindungssegment
      • o mit m=3 und q=2 ergibt 12 Nuten pro Polpaar bei einseitiger Anordnung und bei zweiseitiger Anordnung
    - Segments with an increasing number of slots per pair of poles
    • • either through a higher number of basic phases m and division into m_T=3
      • o with m=6 and m_T=3 results in 12 slots per pair of poles with one-sided arrangement and with two-sided arrangement
    • • same number of basic phases m=3 and longer connection segment
      • o with m=3 and q=2 results in 12 slots per pair of poles with one-sided arrangement and with two-sided arrangement

- Wicklungszahl gleich 1,5- Number of windings equal to 1.5

  • - kürzeste Segmente, d.h. 6 Nuten pro Polpaar (2 Submodul pro 3 Polpaar)- shortest segments, i.e. 6 slots per pair of poles (2 submodules per 3 pair of poles)
  • - jeweils einseitige oder zweiseitige Anordnung- each one-sided or two-sided arrangement
  • - Segmente mit ansteigender Nutzahl pro Polpaar
    • • entweder durch höhere Grundphasenzahl m und Aufteilen in m_T=3
      • o mit m=6 und m_T=3 ergibt 12 Nuten pro Polpaar einseitiger Anordnung
    • • gleiche Grundphasenzahl m=3 und längeres Verbindungssegment
      • o mit m=3 und q=2 ergibt 12 Nuten pro Polpaar
    - Segments with an increasing number of slots per pair of poles
    • • either through a higher number of basic phases m and division into m_T=3
      • o with m=6 and m_T=3 results in 12 slots per pole pair of one-sided arrangement
    • • same number of basic phases m=3 and longer connection segment
      • o with m=3 and q=2 results in 12 slots per pair of poles

- Wicklungszahl gleich 2- Number of windings equal to 2

  • - kürzeste Segmente und Wicklungszahl gleich 2, d.h. 12 Nuten pro Polpaar (1 Submodule pro 2 Polpaare)- shortest segments and number of windings equal to 2, i.e. 12 slots per pair of poles (1 submodule per 2 pairs of poles)
  • - jeweils einseitige oder zweiseitige Anordnung- each one-sided or two-sided arrangement
  • - Segmente mit ansteigender Nutzahl pro Polpaar
    • • entweder durch höhere Grundphasenzahl m und Aufteilen in m_T=3
      • o mit m=6 und m_T=3 ergibt 12 Nuten pro Polpaar bei einseitiger Anordnung und bei zweiseitiger Anordnung
    • • gleiche Grundphasenzahl m=3 und längeres Verbindungssegment
      • o mit m=3 und q=2 ergibt 12 Nuten pro Polpaar
    - Segments with an increasing number of slots per pair of poles
    • • either through a higher number of basic phases m and division into m_T=3
      • o with m=6 and m_T=3 results in 12 slots per pair of poles with one-sided arrangement and with two-sided arrangement
    • • same number of basic phases m=3 and longer connection segment
      • o with m=3 and q=2 results in 12 slots per pair of poles

4.Variante4th variant

Drei Leiter (oder Leiterbündel), ein Leiter pro Nut, Wicklungszahl größer als 0,5; ausgehend von einer Zahnspulenwicklung bzw. gesehnten Wicklung

  • - Wicklungszahl gleich 1, 3 Nuten pro Polpaar (1 Submodul pro Polpaar)
  • - ansteigende Wicklungszahl/höhere Grundphasenzahl m/längere Verbindungsstücke
Three conductors (or bundles of conductors), one conductor per slot, number of turns greater than 0.5; starting from a toothed coil winding or pitched winding
  • - Number of windings equal to 1, 3 slots per pair of poles (1 submodule per pair of poles)
  • - increasing number of windings/higher number of basic phases m/longer connecting pieces

5.Variante5th variant

Fünf Leiter (oder Leiterbündel), ein Leiter pro Nut oder zwei Leiter pro Nut, Wicklungszahl gleich oder größer als 0,5 etc.

  • - ein Leiter pro Nut
    • Wicklungszahl 0,5
      • ◯ 10 Nuten pro Polpaar (2 Submodule pro Polpaar)
      • ◯ 10 Nuten pro 4 Polpaare (1 Submodul pro 2 Polpaare)
    • Wicklungszahl 1 und ein Leiter pro Nut
      • ◯ 10 Nuten pro Polpaar (1 Submodul pro Polpaar)
      • ◯ 10 Nuten pro 4 Polpaare (1 Submodul pro 4 Polpaare)
  • - zwei Leiter pro Nut
    • Wicklungszahl 0,5
      • ◯ 5 Nuten pro 2 Polpaare (1 Submodul pro Polpaar)
Five conductors (or bundles of conductors), one conductor per slot or two conductors per slot, number of windings equal to or greater than 0.5, etc.
  • - one conductor per slot
    • • Number of windings 0.5
      • ◯ 10 slots per pair of poles (2 submodules per pair of poles)
      • ◯ 10 slots per 4 pairs of poles (1 submodule per 2 pairs of poles)
    • • 1 winding and one conductor per slot
      • ◯ 10 slots per pair of poles (1 submodule per pair of poles)
      • ◯ 10 slots per 4 pairs of poles (1 submodule per 4 pairs of poles)
  • - two conductors per slot
    • • Number of windings 0.5
      • ◯ 5 slots per 2 pairs of poles (1 submodule per pair of poles)

6.Variante6th variant

Drei Leiter (oder Leiterbündel), zwei Leiter pro Nut, Wicklungszahl gleich oder größer als 0,5

  • - kürzeste Segmente, d.h. 3 Nuten pro Polpaar (2 Submodule pro Polpaar), z.B. (N=18, p=6, m=3)
  • - Wicklungszahl 1
    • • 3 Nuten pro Polpaar (1 Submodul pro Polpaar)
  • - Wicklungszahl 2
    • • 5 Pole pro 6 Nuten (1 Submodul pro 6 Nuten), z.B. (N=12, p=5, m=3)
    • • 1 Polpaar pro 12 Nuten (2 Submodule pro Polpaar), 5/6 Sehnung, verteilte Wicklung, zweiseitige Anordnung, überlappend
  • - Wicklungszahl 3
    • • 8 Pole pro 9 Nuten (1 Submodul pro 4 Polpaare), z.B. (N=18, p=8, m=3)
  • - Wicklungszahl 4
    • • 1 Polpaar pro 12 Nuten (1 Submodul pro Polpaar), 5/6 Sehnung, verteilte Wicklung, einseitige Anordnung, nicht überlappend
Three conductors (or bundles of conductors), two conductors per slot, number of turns equal to or greater than 0.5
  • - shortest segments, ie 3 slots per pair of poles (2 submodules per pair of poles), e.g. (N=18, p=6, m=3)
  • - Number of windings 1
    • • 3 slots per pair of poles (1 submodule per pair of poles)
  • - Number of windings 2
    • • 5 poles per 6 slots (1 submodule per 6 slots), e.g. (N=12, p=5, m=3)
    • • 1 pair of poles per 12 slots (2 submodules per pair of poles), 5/6 pitch, distributed winding, two-sided arrangement, overlapping
  • - Number of windings 3
    • • 8 poles per 9 slots (1 submodule per 4 pole pairs), e.g. (N=18, p=8, m=3)
  • - Number of windings 4
    • • 1 pair of poles per 12 slots (1 submodule per pair of poles), 5/6 pitch, distributed winding, one-sided arrangement, non-overlapping

Die oben genannten Varianten sind Beispiele im Sinne des Bildungsgesetzes.The variants mentioned above are examples within the meaning of the Education Act.

Je nach Wicklungsansatz und Segmentierungsgrad kann damit eine unterschiedliche Anzahl an Submodulen 2, welche den gesamthaften Stator 1 bilden aufgebaut werden. Die maximale Modularität im Sinne der maximalen Anzahl an realisierbaren Segmenten über den Umfang wird dabei durch die Schichtzahl (Ein- oder Zweischichtwicklung), die Nutzahl N und die Phasenzahl m bestimmt. Die Phasenzahl drei stellt aufgrund des notwendigen Minimums für die Erzeugung eines Dreh- bzw. bezogen auf das Motorsegment eines Wanderfelds eine vorteilhafte Lösung dar. Mit einer Phasenzahl drei erreicht für ein Leistungselektroniksubmodul eine konstante Leistung und außerdem drei symmetrisch belastete Phasen. Das Bildungsgesetz ist aber nicht hierauf beschränkt und beschreibt die Realisierung für beliebige Phasenzahlen. Außerdem können höhere Phasenzahlen des Motors ebenfalls mit Submodulen 2 geringerer Phasenzahl erzeugt werden, wenn die geringere Phasenzahl einen Teiler der höheren darstellt. Alle weiteren Beschreibungen beschränken sich folglich auf dreiphasige Varianten, ohne dass die Erfindung darauf beschränkt ist.Depending on the winding approach and the degree of segmentation, a different number of submodules 2, which form the entire stator 1, can thus be constructed. The maximum modularity in terms of the maximum number of segments that can be realized over the circumference is determined by the number of layers (one or two-layer winding), the number of slots N and the number of phases m. The number of phases is three because of the minimum required to generate a rotating field or, in relation to the motor segment, a traveling field, which is an advantageous solution. With a number of phases of three, a power electronics submodule achieves constant power and also three symmetrically loaded phases. However, the formation law is not limited to this and describes the realization for any number of phases. In addition, higher motor phase numbers can also be generated with submodules 2 with a lower phase number if the lower phase number is a factor of the higher one. All further descriptions are consequently limited to three-phase variants, without the invention being limited thereto.

Der Zielkonflikt zwischen niedriger Wicklungsspannung aufgrund der geringen Zahl an Windungen der Spulen in einem Motorsegment und hoher Spannung der Energiequelle aufgrund von hoher zu übertragender Leistung wird durch die Verschaltung der Module auf der Gleichspannungs- bzw. DC-Seite, vorzugsweise vergleichbar mit dem Prinzip des „Modularen Hochfrequenz Umrichters“ oder „stacked polyphase bridges converter“ durch eine Serienschaltung gelöst, siehe 6.The conflict of objectives between low winding voltage due to the small number of turns of the coils in a motor segment and high voltage of the energy source due to the high power to be transmitted is eliminated by connecting the modules on the DC voltage or DC side, preferably comparable to the principle of " Modular high-frequency converter" or "stacked polyphase bridges converter" solved by a series connection, see 6 .

Unter dem Begriff „Leiter“ sind ohne weitere Einschränkungen folgende Realisierungsformen denkbar: massiver Stab, getrennte Realisierung durch mehrere Stäbe oder Profildrähte (parallel geführt und verschaltet), (Hochfrequenz-)Litze (ggf. mit isolierten Einzelleiter).The following forms of realization are conceivable under the term "conductor" without further restrictions: solid rod, separate realization by several rods or profile wires (run in parallel and connected), (high-frequency) stranded wire (possibly with insulated individual conductors).

Das Leistungsmodul 4 innerhalb des Submoduls 2 (siehe 7) beinhaltet eine leistungselektronische Schaltung basierend auf Leistungshalbleiter wie Transistoren 7 und Dioden 8 sowie einem lokalen Zwischenkreiskondensator 5. Eine vorteilhafte Umsetzung erfolgt durch die Drehstrombrückenschaltung mit drei Halbbrücken 6 entsprechend den drei Phasen des Wicklungsaufbaus im Statorsegment. Jede Halbbrücke 6 besteht aus zwei Transistoren 7 in Serie sowie zum Beispiel einer antiparallel geschalteten Freilaufdiode 8. Bei den Transistoren 7 können verschiedene Typen, wie z. B. IGBTs, MOSFETs, HEMTs, Bipolartransistoren, GTOs zum Einsatz kommen. Sowohl die Dioden 8 als auch Transistoren 7 können auf hierfür typischen Halbleitermaterialien wie Silizium, Siliziumkarbid, Galliumnitrid oder zukünftig auch weiteren geeigneten Materialien basieren.The power module 4 within the submodule 2 (see 7 ) includes a power electronic circuit based on power semiconductors such as transistors 7 and diodes 8 and a local intermediate circuit capacitor 5. An advantageous implementation is the three-phase bridge circuit with three half-bridges 6 corresponding to the three phases of the winding structure in the stator segment. Each half-bridge 6 consists of two transistors 7 in series and, for example, a freewheeling diode 8 connected in antiparallel. B. IGBTs, MOSFETs, HEMTs, bipolar transistors, GTOs are used. Both the diodes 8 and the transistors 7 can be based on typical semiconductor materials such as silicon, silicon carbide, gallium nitride or other suitable materials in the future.

Zur Erzeugung eines Drehspannungssystems, welches in Amplitude und Frequenz variabel gemäß dem Betriebspunkt des gesamthaften elektrischen Antriebs eingestellt wird, kommen typische Modulationsverfahren bzw. eine Pulsbreitenmodulation zum Einsatz. Jedes Leistungsmodul 4 enthält darüber hinaus eine Steuer- und Regeleinheit, welche die Ansteuerung der Transistoren 7, Erfassung von elektrischen Größen wie lokale Zwischenkreisspannung und Phasenströme realisiert sowie Schnittstellen zur Kommunikation mit den benachbarten Submodulen 2 bzw. mit einem zentralen Steuergerät aufweist (in Abbildungen nicht dargestellt).Typical modulation methods or pulse width modulation are used to generate a three-phase voltage system whose amplitude and frequency are variable according to the operating point of the entire electrical drive. Each power module 4 also contains a control and regulation unit, which realizes the activation of the transistors 7, detection of electrical variables such as local intermediate circuit voltage and phase currents, and interfaces for communication with the neighboring submodules 2 or with a central Control unit has (not shown in figures).

Die DC-seitige Verschaltung der Submodule 2 über ihre jeweiligen beiden Anschlüsse DC+ und DC- kann abhängig von der erforderlichen Spannungsanpassung zwischen der Energiequelle und den Modulen unterschiedlich realisiert werden: alle seriell (siehe 6), alle parallel (siehe 8) oder in Gruppen gemischt parallel und seriell (siehe 9).The DC-side interconnection of the submodules 2 via their respective two connections DC+ and DC- can be implemented differently depending on the required voltage adjustment between the energy source and the modules: all in series (see 6 ), all in parallel (see 8th ) or in groups mixed parallel and serial (see 9 ).

Zum Beispiel kann in das Gesamtsystem oder in jedes Leistungsmodul 4 ein DC-DC-Wandler zur Spannungsanpassung im Betrieb integriert werden. Hierzu können verschiedene Varianten vorgesehen sein. 10 zeigt eine erste Variante und 11 eine zweite Variante mit einer zentralen Drossel 11, hinsichtlich des DC-seitigen Anschlusses an die zugehörige Halbbrücke 6 des DC-DC-Wandlers sind auch gemischte Formen möglich, diese Varianten sind grundsätzlich mit dem Modularen Hochfrequenz Umrichter vergleichbar. 12 zeigt eine dritte Variante und 13 eine vierte Variante mit integrierter Drossel und zum Beispiel zusätzlichem Kondensator, wobei in jedem Submodul 2 ein DC-DC-Wandler integriert ist.For example, a DC-DC converter for voltage adjustment during operation can be integrated into the overall system or into each power module 4 . Various variants can be provided for this. 10 shows a first variant and 11 a second variant with a central choke 11, with regard to the DC-side connection to the associated half-bridge 6 of the DC-DC converter, mixed forms are also possible; these variants are basically comparable to the modular high-frequency converter. 12 shows a third variant and 13 a fourth variant with an integrated choke and, for example, an additional capacitor, with a DC-DC converter being integrated in each submodule 2 .

Zurückkommend auf 3 sei ergänzt, dass dort die Radialrichtung mit dem Bezugszeichen 12, die Axialrichtung mit dem Bezugszeichen 13 und die Umfangsrichtung mit dem Bezugszeichen 14 markiert ist.coming back on 3 it should be added that there the radial direction is marked with the reference number 12, the axial direction with the reference number 13 and the circumferential direction with the reference number 14.

Die nachfolgenden Varianten stellen aus qualitativer Sicht vorteilhafte Lösungen bezüglich des Kupferfüllfaktors bzw. geringer Windungszahl, bezüglich einer strikten Modularisierung oder auch bezüglich einer möglichst kurzen Segmentierung über wenige Nuten entlang des Umfangs dar.From a qualitative point of view, the following variants represent advantageous solutions with regard to the copper fill factor or low number of turns, with regard to strict modularization or also with regard to the shortest possible segmentation using a few slots along the circumference.

Bei den Wicklungsaufbauten 3 und damit der Statorsegmente sind grundsätzlich zwei Formen bezüglich der sogenannten „Überlappung“ zu unterscheiden. Im ersten Fall können benachbarte Wicklungsaufbauten 3 räumlich getrennt voneinander aufgebaut und damit nicht überlappend realisiert werden. Im zweiten Fall gilt diese räumliche Trennung nicht mehr und es kommt aufgrund des Wicklungsprinzips zur räumlichen Überlappung zweier oder auch mehrerer Wicklungsaufbauten 3 von benachbarten Submodulen 2. Auch wenn hier die Wicklungsaufbauten 3 und damit die Statorsegmente ein bestimmtes Volumen gemeinsam nutzen, bleiben die Leistungsmodule 4 der benachbarten Submodule 2 weiterhin räumlich getrennt voneinander.In the case of the winding structures 3 and thus the stator segments, there are basically two forms to be distinguished with regard to the so-called “overlap”. In the first case, adjacent winding assemblies 3 can be spatially separated from one another and thus not overlapping. In the second case, this spatial separation no longer applies and, due to the winding principle, two or more winding structures 3 of adjacent submodules 2 spatially overlap. Even if the winding structures 3 and thus the stator segments share a certain volume here, the power modules 4 remain the same neighboring submodules 2 continue to be spatially separated from one another.

Für die Realisierungsform der Wicklungsaufbauten mit einem Leiter pro Nut (in Einschichtwicklung), was damit einem Maximum an erreichbarem Kupferfüllfaktor entspricht, gibt es die nachfolgenden Varianten.The following variants are available for the realization of the winding structures with one conductor per slot (in a single-layer winding), which corresponds to a maximum achievable copper fill factor.

14 und 15 stellen einen Wicklungsaufbau dar, bei dem sich die Submodule 2 im Bereich der Wicklungsaufbauten 3 räumlich überlappen. Dies liegt an der dargestellten Phasenfolge in den Nuten und der am einfachsten zu realisierenden Verschaltung der drei Leitern entsprechend der drei Phasen. Diese drei Leiter werden auf einer Seite mit einer sogenannten Sternpunktverbindung kontaktiert und auf der anderen Seite über die drei Anschlüsse mit dem Leistungsmodul 4 verbunden. 14 and 15 represent a winding structure in which the submodules 2 spatially overlap in the region of the winding structures 3 . This is due to the phase sequence shown in the slots and the simplest way to connect the three conductors according to the three phases. These three conductors are contacted on one side with a so-called star point connection and on the other side are connected to the power module 4 via the three connections.

Aufgrund der Überlappung eignet sich hier eine zweiseitige Anordnung (siehe 15) der Leistungsmodule an die sich überlappenden Motorsegmente vorteilhaft im Vergleich zu einer einseitigen Anordnung (siehe 14).Due to the overlap, a two-sided arrangement is suitable here (see 15 ) of the power modules to the overlapping motor segments is advantageous compared to a one-sided arrangement (see 14 ).

16 stellt eine Variante dar, bei der weiterhin ein Leiter pro Nut eingebracht wird. Jede Phase wird hierbei gemäß 16 mit Hilfe von zwei Windungen realisiert wobei vier Leitungsabschnitte zwei Mal zwei benachbarte Nuten belegen. Wie zuvor werden die ersten Enden der Windungen der einzelnen Phasen mit einer Sternpunktverbindung kontaktiert und die zweiten Enden mit dem Leistungsmodul verbunden. Da in dieser Variante keine räumliche Überlappung der Motorsegmente auftritt, kann die einseitige Anordnung der Leistungsmodule 4 vorteilhaft erfolgen. 16 represents a variant in which one conductor is inserted per slot. Each phase is hereby according to 16 realized with the help of two windings, with four line sections occupying two adjacent slots twice. As before, the first ends of the windings of the individual phases are contacted with a star point connection and the second ends are connected to the power module. Since there is no spatial overlapping of the motor segments in this variant, the power modules 4 can be advantageously arranged on one side.

Bei Kombination der vorangegangenen Merkmale, also ein Leiter pro Nut, welcher gleichzeitig eine Phase bildet (siehe 17) ergibt sich ein Wicklungsaufbau mit geringster Windungszahl bei vergleichsweise großer Überlappung.If the above features are combined, i.e. one conductor per slot, which at the same time forms a phase (see 17 ) results in a winding structure with the lowest number of turns with a comparatively large overlap.

Durch Wicklungsaufbauten mit zwei Leitern pro Nut (Zweischichtwicklung mit Zahnspulenwicklung oder gesehnter verteilter Wicklung), können in Bezug auf eine möglichst kurze Segmentierung weitere vorteilhafte Varianten realisiert werden.Winding structures with two conductors per slot (two-layer winding with toothed coil winding or pitched distributed winding) can be used to implement further advantageous variants with regard to the shortest possible segmentation.

18 zeigt einen Aufbau, bei dem jede Phase aus nur einer Leitung in einer Nut besteht und vergleichbar zu 13 und 14 verschaltet sind. Pro Nut sind zwei Leiter von unterschiedlichen Phasen eingebracht. Diese Form stellt die kürzeste Segmentierung dar, bei der ein Statorsegment lediglich drei benachbarte Nuten umfasst. Aufgrund der Überlappung der Motorsegmente ist die Realisierung durch eine zweiseitige Anordnung vorteilhaft. 18 shows a structure in which each phase consists of only one line in a slot and is comparable to 13 and 14 are connected. Two conductors of different phases are inserted per slot. This form represents the shortest segmentation, in which a stator segment comprises only three adjacent slots. Due to the overlapping of the motor segments, implementation using a two-sided arrangement is advantageous.

19 zeigt eine Variante bei der wechselweise zwei Leiter derselben und dann zwei Leiter von unterschiedlichen Phasen eingebracht werden. Hieraus entstehen zwei Windungen pro Phase, wobei sich die ergebenden Motorsegmente nicht überlappen, wodurch eine einseitige Anordnung der Leistungsmodule 4 ermöglicht wird. Weiterhin ist eine Sternpunktverbindung zwischen den einen Enden der Phasen und den drei Verbindungen zu dem Leistungsmodul 4 vorhanden. 19 shows a variant in which two conductors of the same phase and then two conductors of different phases are introduced alternately. This results in two windings per phase, whereby the resulting motor segments do not overlap pen, whereby a one-sided arrangement of the power modules 4 is made possible. Furthermore, there is a neutral point connection between the one ends of the phases and the three connections to the power module 4 .

20 führt den vorangegangenen Aspekt fort, so dass eine Phase vier benachbarte Nuten belegt und weiterhin zwei Leiter pro Nut eingebracht sind. Dabei kehrt sich der Wickelsinn in einer Phase von einer Windung zur nächsten um. Auch diese Variante vermeidet eine Überlappung der Motorsegmente, so dass eine einseitige Anbringung auch hier vorteilhaft umgesetzt werden kann. 20 continues the previous aspect so that one phase occupies four adjacent slots and further introduces two conductors per slot. The direction of winding reverses in a phase from one turn to the next. This variant also avoids an overlapping of the motor segments, so that a one-sided attachment can also be advantageously implemented here.

Es kann ferner eine Zweischichtwicklung als gesehnte verteilte Wicklung vorgesehen sein. Hierzu zeigt 21 die Variante mit weiterhin zwei Leitern pro Nut bei einer verteilten Wicklung. Sie weist vier Windungen pro Phase auf und kann überlappungsfrei realisiert werden. Ferner zeigt 22 ausgehend von 20 die Variante bei halbierter Windungszahl und doppelter Zahl von Submodulen 2. Hier ist die zweiseitige Anordnung der Leistungsmodule 4 aufgrund der sich überlappenden Motorsegmente von Vorteil.A two-layer winding can also be provided as a pitched distributed winding. For this shows 21 the variant with two conductors per slot with a distributed winding. It has four windings per phase and can be implemented without overlapping. Furthermore shows 22 starting from 20 the variant with half the number of turns and twice the number of submodules 2. Here, the two-sided arrangement of the power modules 4 is advantageous due to the overlapping motor segments.

Grundsätzlich kann die vorliegende Erfindung in allen Arten von elektrischen Antriebssystemen im Bereich E-Mobility eingesetzt werden, z. B. eAchsen, Hybridmodule, DHT(= Dedicated Hybrid Transmission)-Systemen, Radnabenantriebe. Auch ein Einsatz in elektrischen Antrieben für industrielle Zwecke ist möglich.In principle, the present invention can be used in all types of electric drive systems in the field of e-mobility, e.g. B. e-axles, hybrid modules, DHT (= Dedicated Hybrid Transmission) systems, wheel hub drives. Use in electrical drives for industrial purposes is also possible.

Die Aspekte und Merkmale, die zusammen mit einem oder mehreren der vorangehend detailliert beschriebenen Beispiele und Figuren erwähnt und beschrieben wurden, können ferner mit einem oder mehreren der anderen Beispiele kombiniert werden, um ein ähnliches Merkmal des anderen Beispiels zu ersetzen oder um das Merkmal zusätzlich in das andere Beispiel einzubringen.The aspects and features that have been mentioned and described together with one or more of the examples and figures described in detail above can also be combined with one or more of the other examples in order to replace a similar feature of the other example or to additionally incorporate the feature in bring in the other example.

Die Erfindung ist nicht in irgendeiner Weise auf die zuvor beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Es werden im Gegenteil viele Möglichkeiten für Modifikationen daran einem Durchschnittsfachmann ersichtlich, ohne von der zugrundeliegenden Idee der Erfindung abzuweichen, wie sie in den beigefügten Ansprüchen definiert ist.The invention is not limited in any way to the embodiments described above. On the contrary, many possibilities for modifications thereto will become apparent to a person skilled in the art, without departing from the underlying idea of the invention as defined in the appended claims.

BezugszeichenlisteReference List

11
Statorstator
22
Submodulsubmodule
33
Wicklungwinding
44
Leistungsmodulpower module
55
Zwischenkreiskondensatorintermediate circuit capacitor
66
Halbbrückehalf bridge
77
Transistortransistor
88th
Diodediode
99
DC+ (-Anschluss)DC + (-connection)
1010
DC- (-Anschluss)DC - (connection)
1111
Drosselthrottle
1212
Radialrichtungradial direction
1313
Axialrichtungaxial direction
1414
Umfangsrichtungcircumferential direction
S1S1
Drehstromanschluss 1Three-phase connection 1
S2S2
Drehstromanschluss 2Three-phase connection 2
S3S3
Drehstromanschluss 3Three-phase connection 3

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Claims (6)

Stator (1) für eine elektrische Maschine, umfassend eine Vielzahl von Submodulen (2), die sich voneinander getrennt über den Umfang des Stators (1) erstrecken, wobei jedes Submodul (2) eine eigene Wicklung (3) besitzt und ein eigenes der Wicklung (3) zugeordnetes Leistungsmodul (4) zum Wandeln von Gleichstrom in Wechselstrom besitzt.Stator (1) for an electrical machine, comprising a plurality of sub-modules (2) which extend separately from one another over the circumference of the stator (1), each sub-module (2) having its own winding (3) and its own winding (3) associated power module (4) for converting direct current to alternating current. Stator (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Submodul (2) mehrere eigene Wicklungen (3) besitzt und der Wechselstrom ein Mehrphasenwechselstrom ist und/oder jede Wicklung (3) gleich ausgeführt ist und/oder jedes Leistungsmodul (4) einen eigenen DC+ (9) und DC- (10) Anschluss und drei Phasenanschlüsse zum Beaufschlagen der Wicklungen (3) mit dem Mehrphasenwechselstrom besitzt und insbesondere alle Leistungsmodule (4) seriell verschaltet sind, in dem jeweils der DC+ (9) Anschluss der Leistungsmodule (4) mit dem DC- (10) Anschluss des dem entsprechenden Leistungsmodul (4) direkt benachbarten Leistungsmoduls (4) verbunden ist.Stator (1) after claim 1 , characterized in that each sub-module (2) has several windings (3) of its own and the alternating current is a multi-phase alternating current and/or each winding (3) has the same design and/or each power module (4) has its own DC+ (9) and DC - Has (10) connection and three phase connections for applying the polyphase alternating current to the windings (3) and in particular all power modules (4) are connected in series, in which the DC+ (9) connection of the power modules (4) is connected to the DC- (10 ) Connection of the power module (4) directly adjacent to the corresponding power module (4) is connected. Stator (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungen (3) von wenigstens zwei der Submodule (2) verschiedenartig ausgeführt sind.Stator (1) after claim 1 or 2 , characterized in that the windings (3) of at least two of the sub-modules (2) are designed differently. Stator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklung (3) jedes Submoduls (2) anhand eines Bildungsgesetzes ausgeführt ist, wobei mindestens eines der folgenden Größen für ein Wicklungsschema der jeweiligen Wicklung (3) in das Bildungsgesetz einfließt: Nutzahl, Polpaarzahl, Schichtzahl und Phasenzahl.Stator (1) according to one of Claims 1 until 3 , characterized in that the winding (3) of each submodule (2) is designed on the basis of a formation law, with at least one of the following variables for a winding scheme of the respective winding (3) being included in the formation law: number of slots, number of pole pairs, number of layers and number of phases. Elektrische Maschine mit einem Stator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 und einem Rotor.Electrical machine with a stator (1) according to one of Claims 1 until 4 and a rotor. Verfahren zum Zusammenbauen eines Stators (1), vorzugsweise nach einem der Ansprüche 1 bis 4, für eine elektrische Maschine, vorzugsweise nach Anspruch 5, umfassend: Bereitstellen einer Vielzahl von Submodulen (2), wobei jedes Submodul (2) ein eigenes Leistungsmodul (4) mit daran angeschlossener Wicklung (3) besitzt; und Zusammensetzen der Submodule zu dem Stator (1).Method for assembling a stator (1), preferably according to one of Claims 1 until 4 , for an electrical machine, preferably after claim 5 , comprising: providing a multiplicity of sub-modules (2), each sub-module (2) having its own power module (4) with a winding (3) connected thereto; and assembling the submodules to form the stator (1).
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