-
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stator für eine Elektromaschine zum Antreiben eines Kraftfahrzeugs, aufweisend einen Statorgrundkörper, eine Statorlängsachse sowie eine am Statorgrundkörper angeordnete Statorwicklung, wobei die Statorwicklung in mehrere separate, mehrsträngige Wicklungssysteme aufgeteilt ist, wobei jedes der Wicklungssysteme für jeden Strang einen Leistungselektronikanschluss und einen Systemausgang aufweist. Ferner betrifft die Erfindung eine Elektromaschine mit einem gattungsgemäßen Stator sowie ein Kraftfahrzeug mit einer gattungsgemäßen Elektromaschine.
-
Bekannte Statoren weisen einen Statorgrundkörper mit einer daran angeordneten Statorwicklung, insbesondere aus elektrisch isoliertem Kupferdraht, auf. Der Statorgrundkörper besteht beispielsweise aus Eisen, insbesondere aus einer Vielzahl von Schichten aus gegeneinander elektrisch isolierten Eisenblechen. Als elektrischer Isolator kommen beispielsweise Harze, Lacke, Papier oder dergleichen zum Einsatz.
-
Die Statorwicklung kann beispielsweise einsträngig oder mehrsträngig, insbesondere dreisträngig, ausgebildet sein. Bei einer dreisträngigen Statorwicklung weist die Statorwicklung ein Wicklungssystem mit drei separaten Wicklungen auf, wobei jede der Wicklungen einer Phase zugeordnet ist und zum Anschluss an eine Leistungselektronik an einem ersten Ende einen Leistungselektronikanschluss aufweist. Der Leistungselektronikanschluss ist häufig als Anschlussklemme ausgebildet. An einem zweiten Ende weisen die Wicklungen jeweils einen Systemausgang auf, welche häufig zu einem gemeinsamen Sternpunkt miteinander elektrisch verschaltet sind. Die Leistungselektronik weist beispielsweise einen B6-Brückenumrichter auf.
-
Nach bekanntem Stand der Technik kann eine drei- oder mehrsträngige Wicklung, eingelegt in einen Stator, für eine Elektromaschine ebenso mehrere Wicklungssysteme aufweisen, welche in Abhängigkeit der Strangzahl jeweils drei oder mehrere separate Stränge aufweisen und somit pro Wicklungssystem drei oder mehrere Leistungselektronikanschlüsse sowie einen gemeinsamen Sternpunkt aufweisen. Die einzelnen Wicklungssysteme sind somit getrennt voneinander mit der Leistungselektronik, insbesondere mit jeweils einem eigenen Umrichter, elektronisch koppelbar und somit individuell ansteuerbar. In einigen Fällen sind die Sternpunkte der einzelnen Wicklungssysteme zu einem Gesamtsternpunkt zusammengefasst. Die Aufteilung in mehrere Wicklungssysteme und die unabhängige Ansteuerung derselben ermöglichen beispielsweise die Ab- bzw. Zuschaltung einzelner Wicklungssysteme oder einen Versatz von Trägersignalen (PWM-Perioden) zwischen den Wicklungssystemen (PWM-Interleaving) zur Reduktion des Kondensatorwechselstroms oder zur Kapazitätsreduzierung.
-
Im Wesentlichen unabhängig von der konkreten Ausführungsform werden Elektromaschinen zudem zumeist derart ausgelegt, dass diese dauerhaft kurzschlussfest sind. Das bedeutet, dass aus Sicherheitsgründen und bei einem Fehlerfall ein aktiver Kurzschluss schaltbar und ein hieraus resultierender Kurzschlussstrom führbar ist. Die Leistungselektronikanschlüsse der Elektromaschine sind hierbei kurzschließbar.
-
Aus der
DE 10 2006 061 699 A1 ist eine Statorwicklungsanordnung eines Stators einer Elektromaschine bekannt. Der Stator weist m-Phasen und n-Wicklungssysteme auf, wobei jedes Wicklungssystem mindestens zwei in Reihe geschaltete Spulenwicklungen aufweist. Die Systemausgänge der Wicklungssysteme sind jeweils zu einem Sternpunkt pro Wicklungssystem elektrisch gekoppelt. Somit sind die Sternpunkte den m-Phasen zugeordnet. Bei einem internen Kurzschluss einer Spulenwicklung bleiben somit Potenziale der nicht defekten Spulenwicklungen erhalten, sodass ein resultierendes Bremsmoment der Elektromaschine reduziert ist. Eine ähnliche Aufteilung der Systemausgänge auf mehrere Sternpunkte ist auch aus der
DD 213 329 A1 bekannt.
-
Bekannte Statoren und Elektromaschinen haben den Nachteil, dass die Anforderungen an die dauerhafte Kurzschlussfestigkeit der Elektromaschine die elektromagnetische sowie thermische Auslegung der Elektromaschine wesentlich einschränken. Zudem ist es im Falle eines dauerhaften Kurzschlussstroms die Wicklung dauerhaft belastet, sodass die Lebensdauer von Materialien (z. B. Isolation etc.) eingeschränkt wird. Zum Führen eines dauerhaften Kurzschlussstroms ist in vielen Fällen zudem eine intakte und fehlerfreie Kühlung vorauszusetzen. Wird die Maschine nicht als „dauerhaft kurzschlussfest“ ausgelegt, wird die Leerlaufspannung der Maschine zumeist begrenzt, wodurch die elektromagnetische Auslegung der Maschine ebenso eingeschränkt wird.
-
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile bei einem Stator zu beheben oder zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Stator für eine Elektromaschine zum Antreiben eines Kraftfahrzeugs, eine Elektromaschine zum Antreiben eines Kraftfahrzeugs und ein Kraftfahrzeug mit einer Elektromaschine zu schaffen, die auf eine einfache und kostengünstige Art und Weise hohe dauerhafte Kurzschlussströme vermeiden, einen sicheren Zustand herstellen und/oder eine kompaktere Bauweise als vergleichbare Elektromaschinen für Kraftfahrzeuge bzw. Kraftfahrzeuge mit Elektromaschinen aufweisen.
-
Voranstehende Aufgabe wird durch die Patentansprüche gelöst. Demnach wird die Aufgabe durch einen Stator für eine Elektromaschine mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1, durch eine Elektromaschine mit den Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs 9 sowie durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs 10 gelöst. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Stator beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Elektromaschine sowie dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.
-
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch einen Stator für eine Elektromaschine zum Antreiben eines Kraftfahrzeugs gelöst. Der Stator weist einen Statorgrundkörper, eine Statorlängsachse sowie eine am Statorgrundkörper angeordnete Statorwicklung auf. Die Statorwicklung ist in mehrere separate, mehrsträngige Wicklungssysteme aufgeteilt, wobei jedes der Wicklungssysteme für jeden Strang einen Leistungselektronikanschluss und einen Systemausgang aufweist. Erfindungsgemäß sind die Systemausgänge innerhalb der Wicklungssysteme über eine Schaltvorrichtung des Stators miteinander elektrisch koppelbar, wobei die Systemausgänge eines Wicklungssystems mit phasengleichen Systemausgängen der anderen Wicklungssysteme über eine Kopplungsbrücke des Stators elektrisch koppelbar sind.
-
Der Statorgrundkörper besteht beispielsweise aus Eisen. Vorzugsweise ist der Statorgrundkörper aus einer Vielzahl von Statorscheiben, vorzugsweise aus Elektroblech oder dergleichen, zusammengesetzt. Die Statorscheiben sind vorzugsweise zueinander elektrisch mittels eines Isoliermittels isoliert. Das Isoliermittel weist vorzugsweise Harz, Lack, Papier oder dergleichen auf. Der Statorgrundkörper ist koaxial zur Statorlängsachse ausgebildet. In dem Statorgrundkörper sind vorzugsweise Statornuten ausgebildet. Die Statornuten erstrecken sich vorzugsweise parallel zur Statorlängsachse. Alternativ können die Statornuten auch eine Erstreckungskomponente in Umfangsrichtung und/oder eine radiale Erstreckungskomponente aufweisen. Es ist erfindungsgemäß bevorzugt, dass die Statornuten gleichmäßig oder zumindest regelmäßig über Statorgrundkörper verteilt sind. Zwischen den Statornuten sind vorzugsweise Statorzähne des Statorgrundkörpers angeordnet. Die Statorzähne sind vorzugsweise in Umfangsrichtung des Statorgrundkörpers durch die Statornuten begrenzt.
-
Die Statorwicklung ist am Statorgrundkörper angeordnet. Vorzugsweise ist die Statorwicklung um die Statorzähne gewickelt und zumindest teilweise in den Statornuten angeordnet. Die Statorwicklung weist an einer Grundkörperstirnseite des Statorgrundkörpers vorzugsweise einen Wickelkopf auf. Am Wickelkopf ist die Statorwicklung aus den Statornuten herausgeführt und in eine andere Statornut des Statorgrundkörpers hineingeführt. Somit weist die Statorwicklung am Wickelkopf eine Richtungsänderung von um die 180° auf. Die Statorwicklung weist einen Wickeldraht, vorzugsweise aus Kupfer oder dergleichen, auf. Der Wickeldraht ist vorzugsweise umfänglich elektrisch isoliert, um einen Kurzschluss zwischen benachbarten Wickeldrahtabschnitten zu vermeiden.
-
Ferner ist die Statorwicklung in mehrere separate, mehrsträngige Wicklungssysteme aufgeteilt. Ein Wicklungssystem ist im Rahmen der Erfindung ein Teilsystem der Statorwicklung. Vorzugsweise bildet das Wicklungssystem ein eigenständiges Element der Statorwicklung, welches vorzugsweise mittels einer Leistungselektronik separat ansteuerbar ist. Somit ist eine mehrere Wicklungssysteme aufweisende Elektromaschine vorzugsweise bereits durch Ansteuern nur eines der Wicklungssysteme bereits betreibbar. Die Wicklungssysteme weisen vorzugsweise dieselbe Anzahl an Strängen auf. Besonders bevorzugt sind die Wicklungssysteme identisch ausgebildet oder weisen zumindest gleiche Wicklungsparameter, wie beispielsweise Wicklungszahl, Drahtmaterial, Drahtlänge, Drahtdurchmesser oder dergleichen, auf. Der erfindungsgemäße Stator weist vorzugsweise zwei Wicklungssysteme auf. Erfindungsgemäß kann der Stator auch mehr als zwei Wicklungssysteme aufweisen.
-
Unter einem mehrsträngigen Wicklungssystem werden im Rahmen der Erfindung Wicklungssysteme verstanden, die in Untersysteme (einzelne Stränge) aufgeteilt sind, welche wiederum von der Leistungselektronik phasenverschoben zueinander ansteuerbar sind. Auf diese Weise ist ein elektromagnetisches Drehfeld zum Antreiben eines koaxial zum Stator angeordneten Rotors der Elektromaschine bereitstellbar. Das Wicklungssystem ist vorzugsweise dreisträngig ausgebildet. Erfindungsgemäß kann das Wicklungssystem auch mehr als dreisträngig ausgebildet sein.
-
Das Wicklungssystem weist für jeden Strang , also für jedes Untersystem, einen Leistungselektronikanschluss sowie einen Systemausgang auf. Die Leistungselektronikanschlüsse sind somit elektrisch voneinander getrennt. Es kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass Leistungselektronikanschlüsse gleicher Phase der Wicklungssysteme miteinander elektrisch gekoppelt sind, beispielsweise mittels einer Zusatzschaltvorrichtung oder einer nicht schaltbaren Leiterbrücke.
-
Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung betrifft die Systemausgänge der Statorwicklung. Die Systemausgänge innerhalb der Wicklungssysteme sind über eine Schaltvorrichtung miteinander elektrisch koppelbar. Hierbei sind vorzugsweise sämtliche Systemausgänge der Wicklungssysteme innerhalb des jeweiligen Wicklungssystems miteinander elektrisch koppelbar. Die Schaltvorrichtung ist zwischen einer Kopplungsstellung und einer Entkopplungsstellung verstellbar. Bei einem dreisträngigen Wicklungssystem sind die drei Systemausgänge somit beispielsweise über zwei elektrische Schalter miteinander elektrisch koppelbar und bilden in der Kopplungsstellung der Schalter somit einen gemeinsamen Sternpunkt und in der Entkopplungsstellung der Schalter elektrisch getrennte Systemausgänge. Überdies sind phasengleiche Systemausgänge der Wicklungssysteme über eine Kopplungsbrücke elektrisch miteinander koppelbar bzw. permanent gekoppelt. Vorzugsweise ist die Schaltvorrichtung ausgebildet, die elektrische Kopplung der Systemausgänge im Fehlerfall automatisch aufzuheben.
-
Im Normalbetrieb sind die Schalter der Schaltvorrichtung in der Kopplungsstellung. Im Fehlerfall werden die Schalter in die Entkopplungsstellung umgeschaltet. Hierbei wird die elektrische Kopplung der Systemausgänge unterbrochen. Leistungselektronikschalter der Leistungselektronik können in diesem Fall schließen und somit einen aktiven Kurzschluss herstellen. Nach dem Umschalten der Schaltvorrichtung in die Entkopplungsstellung sind die Untersysteme gleicher Phase miteinander seriell verschaltet. Die Spannungen über diese Untersysteme heben sich gegenseitig auf, sodass nach Abklingen des Stroms kein dauerhafter Kurzschlussstrom in den Wicklungssystemen fließt.
-
Ein erfindungsgemäßer Stator hat gegenüber herkömmlichen Statoren den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise hohe dauerhafte Kurzschlussströme vermieden sind, ein definierter sicherer Zustand hergestellt wird, und Elektromaschine (Wicklung) sowie Kühlung nicht auf dauerhafte Kurzschlussströme ausgelegt sein müssen.. Durch das serielle Verschalten von Wicklungssträngen unterschiedlicher Wicklungssysteme und gleicher Phase über eine Kopplungsbrücke heben sich die Teilspannungen gegenseitig auf, wenn die Wicklungssysteme identisch ausgebildet sind. Somit wird nach einem Abklingen des Stroms bedingt durch die Induktivitäten bei idealer Symmetrie kein dauerhafter Kurzschlussstrom fließen. Mit anderen Worten verbleibt der Strom nach dem Abklingen bei null und ein definierter sicherer Zustand ist hergestellt. Somit ist der Stator bei der Konstruktion für den Fall des Schaltens eines Kurzschlusses nur auf einen temporären Kurzschlussstrom auszulegen. Eine dauerhafte Kühlung des Stators bzw. der Elektromaschine ist somit im Fehlerfall entbehrlich. Eine Leistungselektronik, wie beispielsweise ein B6-Brückenumrichter oder eine alternative Halbleiterschaltung, ist auf keinen hohen dauerhaften Kurzschlussstrom auszulegen, sondern einen maximal zulässigen Strangstrom der Statorwicklung im Betrieb. Ein weiterer Vorteil ist, dass durch das Fehlen eines hohen dauerhaften Kurzschlussstroms eine Beanspruchung der Statorwicklung reduziert ist und eine Ausfallstabilität sowie Lebensdauer des Stators erhöht sind. Die Auslegungsfreiheitsgrade in der Elektromaschine steigen gegenüber herkömmlichen Elektromaschinen mit dauerhaft kurzschlussfester Auslegung deutlich an, sodass bei der Auslegung beispielsweise eine höhere Permanentmagnetflussverkettung berücksichtigbar ist. Schließlich wird durch das Vermeiden hoher dauerhafter Kurzschlussströme das Risiko einer Entmagnetisierung der Rotormagnete des Rotors der Elektromaschine erheblich reduziert.
-
Gemäß einer bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung kann bei einem Stator vorgesehen sein, dass Schaltvorrichtung zum simultanen elektrischen Koppeln sowie zum simultanen elektrischen Entkoppeln der Systemausgänge innerhalb der Wicklungssysteme ausgebildet ist. Das bedeutet, dass die Schaltvorrichtung ausgebildet ist, sämtliche Schalter der Schaltvorrichtung, insbesondere sämtlicher Wicklungssysteme, gleichzeitig zu schalten. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise im Fehlerfall ein zuverlässiger Ausgleich der Spannungen und somit eine zuverlässige Reduzierung des dauerhaften Kurzschlussstroms bewirkbar und ein definierter sicherer Zustand hergestellt ist.
-
Es ist erfindungsgemäß bevorzugt, dass die Schaltvorrichtung an einer Grundkörperstirnseite des Statorgrundkörpers angeordnet ist. Die Schaltvorrichtung weist vorzugsweise eine Außenkontur auf, welche eine Außenkontur des Stators angepasst ist. Weiter bevorzugt ist die Schaltvorrichtung gemäß einer Abschlusskappe am Statorgrundkörper angeordnet und bedeckt die Grundkörperstirnseite. Die Schaltvorrichtung ist vorzugsweise scheibenförmig ausgebildet. Die Systemausgänge sind vorzugsweise auf der Grundkörperstirnseite als Elektrokontakte ausgebildet. Die Elektrokontakte sind mit den Gegenkontakten der Schalter der Schaltvorrichtung in Kontakt bringbar. In der Kopplungsstellung berühren die Elektrokontakte die zugeordneten Gegenkontakte. In der Entkopplungsstellung sind zumindest einige Elektrokontakte von den zugeordneten Gegenkontakten beabstandet. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise Mittel zum Umschalten zwischen Kopplungsstellung und Entkopplungsstellung bereitgestellt sind.
-
Weiter bevorzugt ist die Schaltvorrichtung zwischen einer Kopplungsstellung, bei welcher die Systemausgänge innerhalb der Wicklungssysteme miteinander elektrisch gekoppelt sind, und einer Entkopplungsstellung, bei welcher die Systemausgänge innerhalb der Wicklungssysteme voneinander elektrisch entkoppelt sind, bewegbar gehalten. Das bedeutet, dass die die Schalter der Schaltvorrichtung an der Schaltvorrichtung fixiert sind. Ein Umschalten zwischen Kopplungsstellung und Entkopplungsstellung ist durch Bewegen der gesamten Schaltvorrichtung für sämtliche Schalter bewirkbar. Die Schaltvorrichtung ist hierfür vorzugsweise am Statorgrundkörper bewegbar gehalten. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise eine Komplexität der Schaltvorrichtung reduziert und ein zuverlässiges Umschalten zwischen Kopplungsstellung und Entkopplungsstellung gewährleistet ist.
-
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann bei einem Stator vorgesehen sein, dass die Schaltvorrichtung zum Bewegen zwischen der Kopplungsstellung und der Entkopplungsstellung rotierbar und/oder translatorisch bewegbar am Statorgrundkörper gehalten ist. Vorzugsweise ist die Schaltvorrichtung um die Grundkörperlängsachse rotierbar, vorzugsweise am Statorgrundkörper, gelagert. Alternativ oder zusätzlich ist es bevorzugt, dass die Schaltvorrichtung parallel zur Grundkörperlängsachse bewegbar, vorzugsweise am Statorgrundkörper, gelagert ist. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise eine Komplexität der Schaltvorrichtung reduziert und ein zuverlässiges Umschalten zwischen Kopplungsstellung und Entkopplungsstellung gewährleistet ist.
-
Vorzugsweise weist die Schaltvorrichtung eine mechanische Rückstellvorrichtung zum automatischen Bewegen der Schaltvorrichtung von der Kopplungsstellung in die Entkopplungsstellung und eine Auslösevorrichtung zum Aktivieren der mechanischen Rückstellvorrichtung auf, wobei die Auslösevorrichtung zum Aktivieren der mechanischen Rückstellvorrichtung in Abhängigkeit einer ermittelten Stromstärke der Statorwicklung ausgebildet ist. Auf diese Weise bilden Schaltvorrichtung, Rückstellvorrichtung und Auslösevorrichtung gemeinsam einen Fl-Schalter. Die Rückstellvorrichtung weist vorzugsweise ein Federelement auf, welches in der Kopplungsstellung eine höhere Spannung als in der Entkopplungsstellung aufweist. Die Rückstellvorrichtung ist somit ohne Energiezufuhr von außen in der Lage, die Schaltvorrichtung in die Entkopplungsstellung zu bewegen. Die Auslösevorrichtung weist vorzugsweise einen Elektromagneten auf, welcher zum Halten der Schaltvorrichtung in der Kopplungsstellung ausgebildet ist. Im Normalbetrieb ist der Elektromagnet daher vorzugsweise bestromt. Bei einem Stromausfall gibt der Elektromagnet die Schaltvorrichtung frei, sodass diese mittels der Rückstellvorrichtung in die Entkopplungsstellung bewegt wird. Alternativ kann die Auslösevorrichtung manuell betätigbar sein, um beispielsweise ein Abschleppen eines Kraftfahrzeugs mit einem erfindungsgemäßen Stator zu erleichtern. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise eine Komplexität der Schaltvorrichtung reduziert und ein zuverlässiges Umschalten zwischen Kopplungsstellung und Entkopplungsstellung gewährleistet ist.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Schaltvorrichtung mittels einer Leistungselektronik der Elektromaschine betätigbar ausgebildet und eingerichtet. Hierfür weist der Stator vorzugsweise einen zusätzlichen Anschluss für die Leistungselektronik zum Betätigen der Auslösevorrichtung auf. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise eine Komplexität der Schaltvorrichtung reduziert und ein zuverlässiges Umschalten zwischen Kopplungsstellung und Entkopplungsstellung gewährleistet ist.
-
Besonders bevorzugt weist die Kopplungsbrücke ein Schaltelement zum Unterbrechen der elektrischen Kopplung der phasengleichen Systemausgänge auf. Zum Herstellen der elektrischen Kopplung ist das Schaltelement in einer Kopplungsstellung anordenbar. Zur Unterbrechung der elektrischen Kopplung ist das Schaltelement in einer Entkopplungsstellung anordenbar. Vorzugsweise ist an jeder Kopplungsbrücke des Stators ein derartiges Schaltelement angeordnet. Es kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass die Funktionsweise und/oder Betätigungsweise der Schaltelemente analog zur Schaltvorrichtung ausgebildet ist. Ferner ist es bevorzugt, dass die Schaltelemente im Normalbetrieb in der Entkopplungsstellung und im Fehlerfall in der Kopplungsstellung angeordnet sind. Die Schaltvorrichtung ist vorzugsweise im Normalbetrieb in der Kopplungsstellung angeordnet. Vorzugsweise ist die Schaltvorrichtung im Fehlerfall in der Entkopplungsstellung angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise im Fehlerfall ein zuverlässiger Ausgleich der Spannungen und somit eine zuverlässige Reduzierung des Kurzschlussstroms bewirkbar ist.
-
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch eine Elektromaschine für ein Kraftfahrzeug gelöst. Die Elektromaschine weist einen Stator und einen relativ zum Stator rotierbar gelagerten Rotor auf, wobei der Rotor einen Rotorgrundkörper und am Rotorgrundkörper angeordnete Permanentmagnete und/oder Rotorwicklungen aufweist. Der Stator ist als erfindungsgemäßer Stator ausgebildet. Die Elektromaschine ist mittels einer, insbesondere einen B6-Brückenumrichter aufweisenden, Leistungselektronik ansteuerbar bzw. betreibbar.
-
Bei der erfindungsgemäßen Elektromaschine ergeben sich sämtliche Vorteile, die bereits zu einem Stator gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind. Demnach hat die erfindungsgemäße Elektromaschine gegenüber herkömmlichen Elektromaschinen den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise hohe dauerhafte Kurzschlussströme vermieden sind, ein definierter sicherer Zustand hergestellt ist, und Elektromaschine (Wicklung) sowie Kühlung nicht auf dauerhafte Kurzschlussströme ausgelegt sein müssen. Durch das serielle Verschalten von Wicklungssträngen unterschiedlicher Wicklungssysteme und gleicher Phase über eine Kopplungsbrücke heben sich die Teilspannungen gegenseitig auf, wenn die Wicklungssysteme identisch ausgebildet sind. Somit wird nach einem Abklingen des Stroms bedingt durch die Induktivitäten bei idealer Symmetrie kein dauerhafter Kurzschlussstrom fließen. Mit anderen Worten verbleibt der Strom nach dem Abklingen bei null und ein definierter sicherer Zustand ist hergestellt. Somit ist der Stator der Elektromaschine bei der Konstruktion für den Fall des Schaltens eines Kurzschlusses nur auf einen temporären Kurzschlussstrom auszulegen. Eine dauerhafte Kühlung der Elektromaschine bzw. des Stators ist somit im Fehlerfall entbehrlich. Eine Leistungselektronik, wie beispielsweise ein B6-Brückenumrichter oder eine alternative Halbleiterschaltung, ist nur auf einen wesentlich geringeren Strom auszulegen, wie beispielsweise einen maximal zulässigen Strangstrom der Statorwicklung im Betrieb. Ein weiterer Vorteil ist, dass durch das Fehlen eines hohen dauerhaften Kurzschlussstroms eine Beanspruchung der Statorwicklung reduziert ist und eine Ausfallstabilität sowie Lebensdauer des Stators erhöht sind. Die Auslegungsfreiheitsgrade in der Elektromaschine steigen gegenüber herkömmlichen Elektromaschinen mit dauerhaft kurzschlussfester Auslegung deutlich an, sodass bei der Auslegung beispielsweise eine höhere Permanentmagnetflussverkettung berücksichtigbar ist. Schließlich wird durch das Vermeiden hoher dauerhafter Kurzschlussströme das Risiko einer Entmagnetisierung der Rotormagnete des Rotors der Elektromaschine erheblich reduziert.
-
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch ein Kraftfahrzeug gelöst. Das Kraftfahrzeug weist ein Antriebssystem mit einer Elektromaschine zum Antreiben des Kraftfahrzeugs auf. Die Elektromaschine ist gemäß einer erfindungsgemäßen Elektromaschine ausgebildet. Das Kraftfahrzeug weist zum Betreiben der Elektromaschine vorzugsweise eine Leistungselektronik auf. Die Leistungselektronik weist vorzugsweise einen B6-Brückenumrichter oder dergleichen auf. Zur Speicherung sowie Bereitstellung elektrischer Energie weist das Kraftfahrzeug vorzugsweise eine Batterie, insbesondere eine Hochvoltbatterie auf. Die Batterie weist vorzugsweise eine Nennspannung von über 100 V, vorzugsweise zwischen 200 V und 800 V, auf.
-
Bei dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug ergeben sich sämtliche Vorteile, die bereits zu einem Stator gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung sowie zu einer Elektromaschine gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind. Demnach hat das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug gegenüber herkömmlichen Kraftfahrzeugen den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise hohe dauerhafte Kurzschlussströme vermieden sind und Elektromaschine (Wicklung) sowie Kühlung nicht auf dauerhafte Kurzschlussströme ausgelegt sein müssen. Durch das serielle Verschalten von Wicklungssträngen unterschiedlicher Wicklungsssysteme und gleicher Phase über eine Kopplungsbrücke heben sich die Teilspannungen gegenseitig auf, wenn die Wicklungssysteme identisch ausgebildet sind. Somit wird nach einem Abklingen des Stroms bedingt durch die Induktivitäten bei idealer Symmetrie kein Dauerhafter Kurzschlussstrom fließen. Mit anderen Worten verbleibt der Strom nach dem Abklingen bei null und ein definierter sicherer Zustand ist hergestellt. Somit ist der Stator der Elektromaschine bei der Konstruktion für den Fall des Schaltens eines Kurzschlusses nur auf einen temporären Kurzschlussstrom auszulegen. Eine dauerhafte Kühlung der Elektromaschine bzw. des Stators ist somit im Fehlerfall entbehrlich. Eine Leistungselektronik, wie beispielsweise ein B6-Brückenumrichter oder eine alternative Halbleiterschaltung, ist nur auf einen wesentlich geringeren Strom auszulegen, wie beispielsweise einen maximal zulässigen Strangstrom der Statorwicklung im Betrieb. Ein weiterer Vorteil ist, dass durch das Fehlen eines hohen dauerhaften Kurzschlussstroms eine Beanspruchung der Statorwicklung reduziert ist und eine Ausfallstabilität sowie Lebensdauer des Stators erhöht sind. Die Auslegungsfreiheitsgrade in der Elektromaschine steigen gegenüber herkömmlichen Elektromaschinen mit dauerhaft kurzschlussfester Auslegung deutlich an, sodass bei der Auslegung beispielsweise eine höhere Permanentmagnetflussverkettung berücksichtigbar ist. Schließlich wird durch das Vermeiden hoher dauerhafter Kurzschlussströme das Risiko einer Entmagnetisierung der Rotormagnete des Rotors der Elektromaschine erheblich reduziert.
-
Ein erfindungsgemäßer Stator, eine erfindungsgemäße Elektromaschine sowie ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:
- 1 ein Ersatzschaltbild einer ersten Ausführungsform einer Elektromaschine gemäß dem Stand der Technik,
- 2 ein Ersatzschaltbild einer zweiten Ausführungsform einer Elektromaschine gemäß dem Stand der Technik,
- 3 ein Ersatzschaltbild einer dritten Ausführungsform einer Elektromaschine gemäß dem Stand der Technik,
- 4 ein Ersatzschaltbild einer bevorzugten ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Elektromaschine in einem Normalzustand,
- 5 das Ersatzschaltbild aus 4 in einem Fehlerzustand,
- 6 ein Ersatzschaltbild einer bevorzugten zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Elektromaschine in einem Normalzustand,
- 7 das Ersatzschaltbild aus 6 in einem Fehlerzustand,
- 8 in einer perspektivischen Ansicht eine Schaltvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung in einer Kopplungsstellung,
- 9 in einer perspektivischen Ansicht die Schaltvorrichtung aus 8 in einer Entkopplungsstellung
- 10 in einer perspektivischen Ansicht eine alternative Schaltvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung in der Kopplungsstellung,
- 11 in einer perspektivischen Ansicht die Schaltvorrichtung aus 10 in der Entkopplungsstellung,
- 12 in einer perspektivischen Ansicht eine Grundkörperstirnseite einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Elektromaschine,
- 13 in einer Seitenansicht eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Elektromaschine, und
- 14 in einer Seitenansicht eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs.
-
Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den 1 bis 14 jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
-
In 1 ist eine erste Ausführungsform einer Elektromaschine 2 gemäß dem Stand der Technik schematisch in einem Ersatzschaltbild dargestellt. Die Elektromaschine 2 weist einen Stator 1 mit einer einfachen, dreisträngigen Statorwicklung 6 auf. Ein Statorgrundkörper bzw. Statorblechpaket ist nicht mit abgebildet. Jeder Strang P der Statorwicklung 6 weist einen Leistungselektronikanschluss 8 und einen Systemausgang 9 auf. Die Leistungselektronikanschlüsse 8 sind mit einer Leistungselektronik 13 elektrisch gekoppelt. Die Systemausgänge 9 sind zu einem gemeinsamen Sternpunkt S miteinander elektrisch gekoppelt.
-
2 zeigt eine zweite Ausführungsform einer Elektromaschine 2 gemäß dem Stand der Technik schematisch in einem Ersatzschaltbild. Die Elektromaschine 2 weist einen Stator 1 mit einer Statorwicklung 6 auf. Die Statorwicklung 6 ist in zwei separate, dreisträngige Wicklungssysteme 7 aufgeteilt. Jeder Strang P der beiden Wicklungssysteme 7 weist einen Leistungselektronikanschluss 8 und einen Systemausgang 9 auf. Den Wicklungssystemen 7 ist jeweils eine eigene Leistungselektronik 13 zugeordnet. Die Leistungselektronikanschlüsse 8 der beiden Wicklungssysteme 7 sind mit der jeweiligen Leistungselektronik 13 elektrisch gekoppelt. Die Systemausgänge 9 sind zu einem Sternpunkt S pro Wicklungssystem 7 miteinander elektrisch gekoppelt. Es sind demnach zwei getrennte Sternpunkte S von jeweils drei Systemausgängen 9 vorhanden.
-
In 3 ist eine dritte Ausführungsform einer Elektromaschine 2 gemäß dem Stand der Technik schematisch in einem Ersatzschaltbild dargestellt. Die dritte Ausführungsform unterscheidet sind von der zweiten Ausführungsform in dem Merkmal, dass die Systemausgänge 9 beider Wicklungssysteme 7 zu einem gemeinsamen Sternpunkt S miteinander elektrisch gekoppelt sind. Somit weist die Elektromaschine gemäß der dritten Ausführungsform einen Sternpunkt S von sechs Systemausgängen 9 auf.
-
4 zeigt ein Ersatzschaltbild einer bevorzugten ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Elektromaschine 2 in einem Normalzustand. Die Elektromaschine 2 weist einen Stator 1 mit einer Statorwicklung 6 auf. Die Statorwicklung 6 ist in zwei separate, dreiphasige Wicklungssysteme 7 aufgeteilt. Jeder Strang P der beiden Wicklungssysteme 7 weist einen Leistungselektronikanschluss 8 und einen Systemausgang 9 auf. Den Wicklungssystemen 7 ist jeweils eine eigene Leistungselektronik 13 zugeordnet. Die Leistungselektronikanschlüsse 8 der beiden Wicklungssysteme 7 sind mit der jeweiligen Leistungselektronik 13 elektrisch gekoppelt. Ferner weist die Elektromaschine 2 eine Schaltvorrichtung 10 zum elektrischen Koppeln der Systemausgänge 9 innerhalb der jeweiligen Wicklungssysteme 7 auf. Die Schaltvorrichtung 10 ist in einer Kopplungsstellung K angeordnet, sodass die Systemausgänge 9 innerhalb der Wicklungssysteme 7 miteinander elektrisch gekoppelt sind. Überdies sind die phasengleichen Systemausgänge 9 der Wicklungssysteme 7 über eine starre Kopplungsbrücke 11 miteinander elektrisch gekoppelt.
-
In 5 ist das Ersatzschaltbild aus 4 in einem Fehlerzustand abgebildet. Im Fehlerzustand ist die Schaltvorrichtung 10 in einer Entkopplungsstellung E angeordnet, sodass die Systemausgänge 9 innerhalb der Wicklungssysteme 7 voneinander elektrisch entkoppelt sind. Die phasengleichen Systemausgänge 9 der Wicklungssysteme 7 sind weiterhin über die Kopplungsbrücke 11 miteinander elektrisch gekoppelt.
-
6 zeigt ein Ersatzschaltbild einer bevorzugten zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Elektromaschine 2 in einem Normalzustand. Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform in dem Merkmal, dass die Kopplungsbrücke 11 pro Strang P ein Schaltelement 14 aufweist. Die Schaltelemente 14 der Elektromaschine 2 sind in der Entkopplungsstellung E angeordnet, sodass die phasengleichen Systemausgänge 9 der Wicklungssysteme 7 voneinander elektrisch entkoppelt sind. Die Schaltvorrichtung 10 ist in der Kopplungsstellung K angeordnet, sodass die Systemausgänge 9 innerhalb der Wicklungssysteme 7 miteinander elektrisch gekoppelt sind.
-
In 7 ist das Ersatzschaltbild aus 6 in einem Fehlerzustand abgebildet. Die Schaltvorrichtung in der Entkopplungsstellung E angeordnet, sodass die Systemausgänge 9 innerhalb der Wicklungssysteme 7 voneinander elektrisch entkoppelt sind. Die Schaltelemente 14 der Kopplungsbrücke 11 sind in der Kopplungsstellung K angeordnet, sodass die phasengleichen Systemausgänge 9 der Wicklungssysteme 7 miteinander elektrisch gekoppelt sind.
-
8 zeigt eine Schaltvorrichtung 10 gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung in der Kopplungsstellung K schematisch in einer perspektivischen Ansicht. In 9 ist die Schaltvorrichtung 10 aus 8 in der Entkopplungsstellung E schematisch in einer perspektivischen Ansicht abgebildet. Die Schaltvorrichtung 10 weist ein feststehendes, scheibenförmiges Festelement 17 sowie ein deckungsgleiches, bewegbares Bewegelement 18 auf. Die Systemausgänge 9 der nicht dargestellten Wicklungssysteme 7 sind mit Elektrokontakten 19 des Festelements 17 elektrisch sowie mechanisch gekoppelt. Phasengleiche Systemausgänge 9 sind über die Kopplungsbrücke 11 miteinander elektrisch gekoppelt. Das Bewegelement 18 weist mehrere elektrische Gegenkontakte 20 auf, die jeweils einem der Wicklungssysteme 7 zugeordnet sind. Die zu einem gemeinsamen Wicklungssystem 7 zugeordneten Gegenkontakte 20 sind über elektrische Leitungen 23 des Bewegelements 18 miteinander elektrisch gekoppelt. In der in 8 dargestellten Kopplungsstellung K kontaktiert jeder Elektrokontakt 19 den jeweils zugehörigen Gegenkontakt 20, sodass eine elektrische Kopplung hergestellt ist. In der in 9 dargestellten Entkopplungsstellung E sind die Elektrokontakte 19 von den Gegenkontakten 20 entfernt, sodass keine elektrische Kopplung hergestellt ist.
-
10 zeigt eine alternative Schaltvorrichtung 10 gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung in der Kopplungsstellung K schematisch in einer perspektivischen Ansicht. In 11 ist die Schaltvorrichtung 10 aus 10 in der Entkopplungsstellung E schematisch in einer perspektivischen Ansicht abgebildet. Die alternative Schaltvorrichtung 10 unterscheidet sich von der Schaltvorrichtung 10 aus 8 und 9 in der Ausbildung der Kopplungsbrücke 11. Gemäß der alternativen Schaltvorrichtung 10 ist die Kopplungsbrücke 11 an dem Festelement 17 angeordnet und verbindet die phasengleichen Elektrokontakte 19 miteinander.
-
12 zeigt eine Grundkörperstirnseite 12 einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Elektromaschine 2 schematisch in einer perspektivischen Ansicht. Die Statorwicklung 6 bildet an der Grundkörperstirnseite 12 einen Wickelkopf 21. Die Schaltvorrichtung 10 ist koaxial zu einer Statorlängsachse 5 der Elektromaschine 2 an der Grundkörperstirnseite 12 angeordnet und mit den Systemausgängen 9 am Wickelkopf 21 elektrisch gekoppelt.
-
In 13 eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Elektromaschine 2 schematisch in einer Seitenansicht dargestellt. Die Elektromaschine 2 weist einen Stator 1 mit einem Statorgrundkörper 4 auf, der sich entlang der Statorlängsachse 5 erstreckt. Ferner weist die Elektromaschine 2 einen Rotor 15 auf, der um die Statorlängsachse 5 rotierbar gelagert und teilweise im Inneren des Stators 1 angeordnet ist. An einer Grundkörperstirnseite 12 sind eine Schaltvorrichtung 10 und eine Leistungselektronik 13 angeordnet.
-
14 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs 3 schematisch in einer Seitenansicht. Das Kraftfahrzeug 3 weist ein Antriebssystem 16 mit einem erfindungsgemäßen Elektromotor 2 und einer Batterie 22 auf. Zum Betreiben des Elektromotors 2 ist eine Leistungselektronik 13 mit dem Elektromotor 2 elektrisch gekoppelt.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Stator
- 2
- Elektromaschine
- 3
- Kraftfahrzeug
- 4
- Statorgrundkörper
- 5
- Statorlängsachse
- 6
- Statorwicklung
- 7
- Wicklungssystem
- 8
- Leistungselektronikanschluss
- 9
- Systemausgang
- 10
- Schaltvorrichtung
- 11
- Kopplungsbrücke
- 12
- Grundkörperstirnseite
- 13
- Leistungselektronik
- 14
- Schaltelement
- 15
- Rotor
- 16
- Antriebssystem
- 17
- Festelement
- 18
- Bewegelement
- 19
- Elektrokontakt
- 20
- Gegenkontakt
- 21
- Wickelkopf
- 22
- Batterie
- 23
- Leitung
- E
- Entkopplungsstellung
- K
- Kopplungsstellung
- P
- Strang
- S
- Sternpunkt
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102006061699 A1 [0006]
- DD 213329 A1 [0006]
