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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich insbesondere auf einen Ständer für eine elektrische Maschine, eine elektrische Maschine mit einem solchen Ständer und ein Luftfahrzeug mit einer solchen elektrischen Maschine.
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Derartige Ständer umfassen einen Körper, z.B. in Form eines Blechpakets, mehrere am Körper festgelegte Ständerzähne, und mehrere Zahnwicklungen, durch welche die Ständerzähne umwickelt sind. Elektrische Maschinen mit einem solchen Ständer umfassen z.B. einen relativ zum Ständer drehbaren Läufer, beispielsweise einen permanenterregten Läufer. Durch Anlegen von insbesondere zeitlich veränderlichen Spannungen an die Zahnwicklungen werden magnetische Felder aufgebaut, welche den Läufer in eine Bewegung relativ zum Ständer versetzen.
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Gerade bei mehrphasigen Drehfeldmaschinen, insbesondere mit einem permanenterregten Läufer, erweist es sich als problematisch, wenn innerhalb der Ständerwicklung ein Windungskurzschluss auftritt. Insbesondere bei derartigen elektrischen Maschinen besteht das Problem, dass bei einem Windungskurzschluss im bestimmungsgemäßen Betrieb ein großer elektrischer Strom induziert werden kann, welcher zu einer thermischen Zerstörung der Zahnwicklungen führen kann. Nicht nur, aber besonders, bei Luftfahrzeugen, bei denen z.B. permanenterregte Drehfeldmaschinen zum Einsatz kommen, hat dies eine besondere Relevanz.
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In der
DE 10 2017 217 751 A1 wird eine elektrische Maschine vorgeschlagen, bei der eine jeweilige Wicklung eines Ständerzahns einen ersten elektrischen Leiter, der eine Mehrzahl von umlaufend um den Ständerzahn herum angeordnete Windungen beschreibt, und einen davon elektrisch isolierten zweiten elektrischen Leiter mit einer Mehrzahl von umlaufend um den jeweiligen Ständerzahn herum angeordneten Windungen aufweist. Das ermöglicht es, die elektrische Sicherheit in Bezug auf Kurzschlüsse im Bereich der Ständerwicklung deutlich zu verbessern. Der Aufbau dieser elektrischen Maschine ist allerdings relativ aufwändig.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen weiter verbesserten Ständer für eine elektrische Maschine anzugeben.
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Gemäß einem Aspekt wird ein Ständer für eine elektrische Maschine bereitgestellt. Der Ständer umfasst einen Körper, z.B. in Form eines Blechpakets, mehrere am Körper festgelegte Ständerzähne, und mehrere, z. B. zumindest drei, Zahnwicklungen. Jede der Zahnwicklungen umfasst einen ersten elektrischen Leiter, der von einem Endabschnitt über mindestens einen Wicklungsabschnitt um mindestens einen Ständerzahn (oder über mehrere Wicklungsabschnitte um jeweils einen von mehreren Ständerzähnen) herum zu einem anderen Endabschnitt verläuft. Jede der Zahnwicklungen umfasst ferner einen vom ersten elektrischen Leiter elektrisch isolierten zweiten elektrischen Leiter, der von einem Endabschnitt über den mindestens einen Wicklungsabschnitt um denselben mindestens einen Ständerzahn (oder an mehreren Wicklungsabschnitten um jeden derselben Ständerzähne) herum zu einem anderen Endabschnitt verläuft. Dabei ist vorgesehen, dass jeder der ersten und zweiten elektrischen Leiter der mehreren Zahnwicklungen mit einem Endabschnitt an einen Wechselrichter elektrisch anschließbar oder angeschlossen ist. Ferner ist vorgesehen, dass die ersten elektrischen Leiter der Zahnwicklungen mit dem jeweiligen anderen Endabschnitt an einem (ersten) Sternpunkt elektrisch miteinander verbunden sind.
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Ein derartiger elektrischer Anschluss der mit den zwei elektrisch voneinander isolierten elektrischen Leitern gebildeten Zahnwicklungen ermöglicht den Einsatz von Halbbrückenwechselrichtern anstelle von Vollbrückenwechselrichtern, was trotz der erreichten hohen Sicherheit in Bezug auf Kurzschlüsse eine verhältnismäßig einfach aufgebaute elektrische Maschine ermöglicht. Der Ständer ist also insbesondere dahingehend verbessert, dass dadurch eine sichere und dennoch einfach aufgebaute elektrische Maschine ermöglicht wird.
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Jeder der ersten und zweiten elektrischen Leiter weist genau zwei Endabschnitte auf und stellt eine direkte, durchgehende elektrische Verbindung zwischen den beiden Endabschnitten her. Zwischen den beiden Endabschnitten des jeweiligen elektrischen Leiters umfasst der elektrische Leiter die Wicklungsabschnitte. Zwischen den beiden Endabschnitten des jeweiligen elektrischen Leiters umfasst der elektrische Leiter z.B. keine Abzweigung. Am Sternpunkt treffen mindestens drei elektrische Leiter aufeinander. Der Sternpunkt bildet eine Abzweigung. Die ersten elektrischen Leiter der Zahnwicklungen sind galvanisch von den zweiten elektrischen Leitern der Zahnwicklungen getrennt. Die ersten elektrischen Leiter und die zweiten elektrischen Leiter sind elektrisch voneinander isoliert.
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Der Ständer umfasst z.B. mindestens (insbesondere genau) drei Zahnwicklungen für jeweils eine Phase eines Dreiphasenwechselstroms. Damit umfasst der Ständer z.B. insgesamt sechs (erste und zweite) elektrische Leiter.
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Sämtliche erste elektrische Leiter von jeder der Zahnwicklungen sind an einem ersten Sternpunkt elektrisch miteinander verbunden. Optional sind sämtliche zweite elektrische Leiter von jeder der Zahnwicklungen (mit ihren jeweiligen anderen, vom Wechselrichter abgewandten Enden) an einem zweiten Sternpunkt elektrisch miteinander verbunden.
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Windungen des ersten und des zweiten elektrischen Leiters sind bifilar angeordnet. Entlang der Windungsachse gesehen wechseln sich der erste und der zweite Leiter beispielsweise ab. Dadurch, dass die Windungen des ersten und des zweiten elektrischen Leiters bifilar angeordnet sind, kann ein Windungskurzschluss somit zunächst zwischen dem ersten und dem zweiten elektrischen Leiter auftreten. Werden die durch den ersten und den zweiten elektrischen Leiter gebildeten Teilzahnwicklungen elektrisch beaufschlagt, kann die Auswirkung eines Windungskurzschlusses somit erheblich reduziert werden. Es besteht sogar die Möglichkeit, den Windungskurzschluss zu ermitteln und die elektrische Maschine in einem sicheren Betrieb herunterzufahren, um gefährliche Betriebszustände zu vermeiden.
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Beispielsweise verläuft jeder der ersten elektrischen Leiter der Zahnwicklungen um jeden von mehreren Ständerzähne herum und/oder jeder der zweiten elektrischen Leiter der Zahnwicklungen verläuft um jeden von mehreren Ständerzähne herum, insbesondere jeweils um dieselben Ständerzähne wie der zugehörige erste elektrische Leiter.
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Gemäß einem Aspekt wird eine elektrische Maschine bereitgestellt. Die elektrische Maschine umfasst den Ständer nach einer beliebigen, hierin beschriebenen Ausgestaltung. Die elektrische Maschine kann ferner einen bewegbar, insbesondere drehbar, relativ zum Ständer gelagerten Läufer umfassen.
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Bei der elektrischen Maschine ist der Ständer als Stator vorgesehen, der z.B. eine im Wesentlichen kreisförmige Öffnung zur Aufnahme eines als Rotor ausgebildeten Läufers bereitstellt. In der Öffnung ist der Läufer z.B. drehbar gelagert angeordnet, wobei zwischen dem Läufer und dem Ständer ein Luftspalt ausgebildet ist. Diese Bauform wird auch als Innenläufer bezeichnet. Alternativ ist eine Bauform vorgesehen, bei der der Läufer den Ständer radial umgibt. Derartige Bauformen werden auch Außenläufer genannt.
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Die elektrische Maschine ist eine Vorrichtung, die elektrische Energie in mechanische Energie, insbesondere Bewegungsenergie, in einem Motorbetrieb, und/oder mechanische Energie in eine elektrische Energie in einem Generatorbetrieb umformt. Bei der Bewegung handelt es sich z.B. um eine Drehbewegung, die vom Läufer ausgeführt wird. Der Ständer ist z.B. drehfest bezüglich einer die elektrische Maschine tragenden Lagerung angeordnet. Bei einer Drehbewegung handelt es sich folglich insbesondere um eine Drehbewegung des Läufers gegenüber dem Ständer.
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Die elektrische Maschine ist als Motor und/oder als Generator betreibbar.
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Ferner kann die elektrische Maschine als Transformator betreibbar sein. Die elektrische Maschine ist dann also zur Nutzung als Transformator ausgebildet. Insbesondere kann die elektrische Maschine als Transformator und gleichzeitig als Motor und/oder Generator betrieben werden.
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Die elektrische Maschine kann einen ersten Wechselrichter und einen zweiten Wechselrichter umfassen. Der erste Wechselrichter und der zweite Wechselrichter können so ausgebildet sein, dass sie unabhängig vom jeweils anderen Wechselrichter betrieben werden können. Dies erlaubt eine erhöhte Ausfallsicherheit.
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Optional ist der erste Wechselrichter an die ersten elektrischen Leiter von jeder der Zahnwicklungen elektrisch angeschlossen und/oder der zweite Wechselrichter ist an die zweiten elektrischen Leiter von jeder der Zahnwicklungen elektrisch angeschlossen.
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Beispielsweise sind der erste Wechselrichter und der zweite Wechselrichter dazu eingerichtet, die gleiche elektrische Phase einer mehrphasigen elektrischen Wechselspannung, insbesondere Dreiphasenwechselspannung, elektrisch getrennt an den ersten und zweiten elektrischen Leiter der jeweiligen Zahnwicklungen bereitzustellen. Die Phasen der beiden Wechselrichter können miteinander synchronisiert sein, müssen es aber nicht, und sind in einer alternativen Ausgestaltung asynchron.
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Die elektrische Maschine kann ferner eine an den ersten Wechselrichter elektrisch angeschlossene erste Energiequelle (und/oder einen Energiespeicher, z.B. einen Akkumulator) und/oder eine an den zweiten Wechselrichter elektrisch angeschlossene (zweite) Energiequelle (und/oder einen Energiespeicher, z.B. einen Akkumulator) umfassen. Die jeweilige Energiequelle stellt elektrische Energie an den jeweiligen Wechselrichter bereit. Das erlaubt eine weiter erhöhte Ausfallsicherheit. Alternativ oder zusätzlich kann ferner die elektrische Maschine eine an den ersten Wechselrichter elektrisch angeschlossene Energiequelle und/oder einen an den zweiten Wechselrichter elektrisch angeschlossenen Energiespeicher umfassen. Die Energiequelle stellt elektrische Energie an den jeweiligen Wechselrichter bereit. Der Energiespeicher nimmt elektrische Energie auf. Das erlaubt das Umschichten von Energie von der Energiequelle, die an den ersten Wechselrichter angeschlossen ist zum Energiespeicher, der an den zweiten Wechselrichter angeschlossen ist. Dieses Umschichten erlaubt das Herstellen von ausgeglichenen Energiezuständen von der Energiequelle und dem Energiespeicher.
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Die erste Energiequelle (und/oder ein erster Energiespeicher) ist elektrisch getrennt von der zweiten Energiequelle (und/oder dem zweiten Energiespeicher). Das erlaubt einen unabhängigen Betrieb der ersten und zweiten elektrischen Leiter der Zahnwicklungen.
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Der erste Wechselrichter und/oder der zweite Wechselrichter kann/können jeweils mehrere, insbesondere drei, Wechselrichtereinheiten aufweisen, z.B. für jeweils eine elektrische Phase einer mehrphasigen elektrischen Wechselspannung, insbesondere einer Dreiphasenwechselspannung, aufweisen. Jede der Wechselrichtereinheiten umfasst z.B. eine Halbbrückenschaltung (oder besteht daraus).
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Gemäß einem Aspekt wird ein Fahrzeug, insbesondere ein Luftfahrzeug, bereitgestellt, umfassend die elektrische Maschine nach einer beliebigen, hierin beschriebenen Ausgestaltung, insbesondere zum Antrieb einer Schub erzeugenden Vorrichtung, z.B. eines Propellers. Wie bereits eingangs erwähnt, kommen die Vorteile der hierin beschriebenen elektrischen Maschine bei einem Fahrzeug, insbesondere bei einem Luftfahrzeug, besonders zum Tragen.
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Es werden nun beispielhaft Ausführungsformen mit Bezug auf die Figuren beschrieben; in den Figuren zeigen:
- 1 eine schematische Schnittdarstellung eines grundlegenden Aufbaus einer permanenterregten, dreiphasigen elektrischen Maschine als Innenläufer;
- 2 eine schematische, perspektivische Explosionsansicht eines Aufbaus eines Ständers der elektrischen Maschine gemäß 1 mit Zahnwicklungen;
- 3 eine schematische Darstellung eines Teils einer Zahnwicklung des Ständers gemäß 2, bei der Windungen eines ersten und eines zweiten elektrischen Leiters bifilar angeordnet sind;
- 4 eine schematische Darstellung einer permanenterregten elektrischen Maschine für einen Betrieb an einer dreiphasigen elektrischen Wechselspannung;
- 5 und 6 schematische Schaltbilddarstellungen von Zahnwicklungen und Wechselrichtern der elektrischen Maschine gemäß 2 bzw. 4;
- 7 eine weitere schematische Schaltbilddarstellung von Zahnwicklungen und Wechselrichtern; und
- 8 ein Luftfahrzeug in Form eines Flugzeugs mit einem elektrisch angetriebenen Propeller und der elektrischen Maschine gemäß 1.
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1 zeigt in einer schematischen Schnittdarstellung eine rotierende elektrische Maschine 2 in Form einer permanenterregten Synchronmaschine. Aus 1 ist ersichtlich, dass die elektrische Maschine 2 vorliegend als Innenläufer ausgebildet ist. Die elektrische Maschine 2 umfasst einen Ständer 1, der eine nicht bezeichnete Öffnung, insbesondere Durchgangsöffnung, aufweist, in der ein Läufer 20 drehbar gelagert angeordnet ist.
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Der Ständer 1 umfasst einen Körper 10 in Form eines Blechpakets, an welchem Ständerzähne 11 bezüglich eines Luftspalts L zwischen dem Körper 10 des Ständers 1 und dem Läufer 20 bereitstellt. Die Ständerzähne 11 stehen radial vom Körper 10 ab, vorliegend radial nach innen. Der Ständer 1 weist eine Ständerwicklung auf, die mehrere Zahnwicklungen 12A-12C umfasst. Die Ständerwicklung ist vorliegend für einen dreiphasigen Betrieb ausgebildet, das heißt, an eine dreiphasige Wechselspannung mit Phasen U, V, W angeschlossen. Im bestimmungsgemäßen Betrieb der elektrischen Maschine 2 ist die Ständerwicklung entsprechend mit der Wechselspannung beaufschlagt.
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Der Läufer 20 ist vorliegend als Schenkelpolläufer ausgebildet, der zur Bereitstellung des magnetischen Flusses Permanentmagnete umfasst. In der vorliegenden Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Läufer 20 genau einen magnetischen Nordpol N und einen magnetischen Südpol S aufweist. Bei alternativen Ausgestaltungen können auch mehr magnetische Pole in Umfangsrichtung quer zu einer Drehachse des Läufers 20 (relativ zum Ständer 1) alternierend vorgesehen sein.
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Der Läufer 20 ist drehbar gelagert. Durch die dreiphasige Wechselspannung, deren Phasen U, V, W um jeweils 120° phasenverschoben sind, wird ein magnetisches Drehfeld im bestimmungsgemäßen Betrieb erzeugt, welches mit dem durch den Läufer 20 bereitgestellten permanenterregten Magnetfeld zusammenwirkt, sodass in einem Motorbetrieb eine entsprechende Drehbewegung des Läufers 20 gegenüber dem Ständer 1 herbeigeführt werden kann. Vorliegend ist vorgesehen, dass die elektrische Maschine 2 als Antriebsmotor für eine Luftschraube eines Luftfahrzeugs dient. Alternativ oder zusätzlich kann die elektrische Maschine 2 als Generator für eine Luftschraube (zur Rekuperation) eines Luftfahrzeugs, einer Windturbine oder Turbine oder eines Kolbenmotors oder auch für den Hybridantrieb eines Flugzeugs dienen. Alternativ oder zusätzlich kann die elektrische Maschine 2 auch als Transformator dienen. Für diesen Fall kann sich der Läufer 20 in der elektrischen Maschine 2 drehen oder stillstehen. Alternativ oder zusätzlich kann die elektrische Maschine 2 auch (jeweils nach Bedarf) als Antriebsmotor, Generator und Transformator dienen. In 1 sind schematisch die Abschnitte der Ständerwicklung dargestellt, die den jeweiligen Phasen U, V, W zugeordnet sind. Jeweils eine der Zahnwicklungen 12A-12C ist jeweils einer der Phasen U, V, W zugeordnet.
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Die Ständerwicklung der elektrischen Maschine 2 ist an zwei, jeweils dreiphasig ausgebildete, voneinander unabhängige Wechselrichter 13A, 13B angeschlossen. Die Wechselrichter 13A, 13B stellen die elektrische Wechselspannung mit den drei Phasen U, V, W bereit. Die Wechselrichter 13A, 13B beziehen die für den bestimmungsgemäßen Betrieb erforderliche elektrische Energie aus jeweils einer an einen der beiden Wechselrichter 13A, 13B angeschlossenen Energiequelle 3A, 3B. Die Energiequellen (oder Energiespeicher) 3A, 3B sind elektrisch voneinander getrennt und unabhängig voneinander betreibbar. In der vorliegenden Ausgestaltung handelt es sich bei jeder der Energiequellen 3A, 3B um eine Gleichspannungsquelle, die elektrische Energie aus einem geeigneten elektrischen Energiespeicher, beispielsweise einem Akkumulator oder dergleichen, bereitstellt oder die elektrische Energie in einen geeigneten elektrischen Energiespeicher, beispielweise einem Akkumulator oder dergleichen, speichert. Als Quelle können alternativ oder ergänzend Brennstoffzellen und/oder dergleichen oder bei stationären Anwendungen auch eine Energieversorgung aus einem öffentlichen Energieversorgungsnetz vorgesehen sein.
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Die Wechselrichter 3A, 3B weisen für die Bereitstellung der Phasen U, V, W zugeordnete Wechselrichtereinheiten auf, welche weiter unten im Zusammenhang z.B. mit 5 näher erläutert werden. Dabei weist jede Wechselrichtereinheit eine eigene Halbbrückenschaltung auf. Die Halbbrückenschaltungen sind an einem in 1 nicht weiter dargestellten Gleichspannungszwischenkreis des jeweiligen Wechselrichters 3A, 3B angeschlossen, um hierdurch mit elektrischer Energie versorgt zu werden oder um hierdurch mit elektrischer Energie zu versorgen. Die Gleichspannungszwischenkreise können eine Spannung von 25 V oder mehr, von 100 V oder mehr oder z.B. im Bereich von 800 bis 3000 V aufweisen.
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Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass die Halbbrückenschaltung eine Reihenschaltung aus zwei elektronischen Schaltelementen (z.B. Transistoren) aufweist, die an die jeweilige Zwischenkreisgleichspannung des Wechselrichters 3A, 3B angeschlossen sind. Die elektronischen Schaltelemente werden mittels einer Steuereinheit 131, 141 des jeweiligen Wechselrichters in einem Taktbetrieb betrieben, der zum Beispiel Taktmuster nach Art eines PWM-Signals bereitstellt. An einem jeweiligen Mittelabgriff der Halbbrückenschaltungen steht dann die entsprechende Phase U, V, W der dreiphasigen Wechselspannung zur Verfügung. Durch die Induktivität der Zahnwicklungen 12A-12C erfolgt eine entsprechende Filterung, sodass sich für jede der Phasen U, V, Wein entsprechender Wechselstrom einstellt, der bei geeigneter Steuerung der Wechselrichtereinheiten nahezu sinusförmig ausgebildet sein kann.
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Die Wechselrichter 3A, 3B werden hier der Einfachheit halber zur elektrischen Maschine 2 gezählt, können zusammen damit aber auch als eine elektrische Antriebseinrichtung bezeichnet werden.
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2 zeigt eine schematische Explosionsdarstellung des Ständers 1 der elektrischen Maschine 2. Zu erkennen ist, dass der Ständer 1 den Körper 10 aufweist, bei dem Ständerzähne 11 mittels einer mechanischen Verbindung mit dem ringförmigen Körper 10 zusammengefügt und somit daran festgelegt, insbesondere mechanisch fixiert werden können. Alternativ sind die Ständerzähne 11 z.B. einstückig mit dem Körper 10 ausgebildet.
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Die Ständerzähne 11 sind mit jeweiligen Wicklungsabschnitten 122 der Zahnwicklungen 12A-12C bestückt. Die Ständerwicklung weist eine Mehrzahl von Zahnwicklungen 12A-12C auf. Eine jeweilige der Zahnwicklungen 12A-12C ist im Allgemeinen mindestens an einem der Ständerzähne 11 angeordnet. Vorliegend erstreckt sich jede der Zahnwicklungen 12A-12C über mehrere, hier zwei (konkret zwei gegenüberliegende), Ständerzähne 11. Hierzu weisen die Zahnwicklungen 12A-12C im Allgemeinen jeweils mindestens einen, hier mehrere, nämlich zwei, Wicklungsabschnitte 122 auf. Jeder Wicklungsabschnitt 122 umgibt (genau) einen Ständerzahn 11.
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Jede der Zahnwicklungen 12A-12C weist einen jeweiligen ersten elektrischen Leiter 120 auf, der an jedem der Wicklungsabschnitte 122 in einer Mehrzahl von Windungen umlaufend um den jeweiligen Ständerzahn 11 herum angeordnet ist. Zwischen den Wicklungsabschnitten 122 umfasst der erste elektrische Leiter 120 einen oder mehrere entsprechende Verbindungsabschnitte.
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Jede der Zahnwicklungen 12A-12C weist ferner einen jeweiligen zweiten elektrischen Leiter 121 auf, der ebenfalls an jedem der Wicklungsabschnitte 122 in einer Mehrzahl von Windungen umlaufend um den jeweiligen Ständerzahn 11 herum angeordnet ist. Zwischen den Wicklungsabschnitten 122 umfasst der zweite elektrische Leiter 121 einen oder mehrere entsprechende Verbindungsabschnitte.
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Die Zahnwicklungen 12A-12C sind in der elektrischen Maschine entsprechend verschaltet, sodass der dreiphasige Anschluss an die Wechselrichter 13, 14 vorliegt. Dabei sind die ersten elektrischen Leiter 120 der Zahnwicklungen 12A-12C mit dem ersten Wechselrichter 13 verschaltet und die zweiten elektrischen Leiter 121 der Zahnwicklungen 12A-12C mit dem zweiten Wechselrichter 14.
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3 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Wicklungsabschnitt 122 von einer der Zahnwicklungen 12A-12C. Dabei ist der erste elektrische Leiter 120 um den in 3 nicht dargestellten Ständerzahn 11 herumgewickelt. Vorliegend ist die Wicklung nach Art einer langgestreckten Spule ausgebildet. Je nach Ausgestaltung und Konstruktion kann auch vorgesehen sein, dass eine mehrlagige Wicklung vorgesehen ist, um beispielsweise eine entsprechend hohe magnetische Durchflutung mit einem vorgegebenen elektrischen Strom erreichen zu können.
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Ferner umfasst der Wicklungsabschnitt 122 der Zahnwicklung 12A-12C den jeweiligen vom ersten elektrischen Leiter 120 elektrisch isolierten zweiten elektrischen Leiter 121. Auch der zweite elektrische Leiter 121 weist eine Mehrzahl von umlaufend um denselben Ständerzahn 11 herum angeordneten Windungen auf. Die jeweiligen Windungen des ersten und des zweiten elektrischen Leiters 120, 121 sind bifilar angeordnet. Das heißt, dass in Längserstreckung des Wicklungsabschnitts 122 jeweils immer eine Windung des ersten elektrischen Leiters 120 zwischen zwei benachbarten Windungen des zweiten elektrischen Leiters 121 angeordnet ist (und umgekehrt). Dies hat den Vorteil, dass bei einem Kurzschluss zwischen zwei benachbart angeordneten Windungen der Kurzschluss immer zwischen dem ersten elektrischen Leiter 120 und dem zweiten elektrischen Leiter 121 auftritt. Ein Kurzschluss erfolgt also nicht innerhalb einer Wicklung desselben elektrischen Leiters. Hierdurch können große Ströme im Falle eines Windungskurzschlusses, und damit große thermische und elektrische Beanspruchungen, verhindert werden.
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4 zeigt in einer schematischen Darstellung eine elektrische Maschine 2' in Form einer Synchronmaschine, die im Unterschied zur elektrischen Maschine 2 gemäß 1 und 2 nicht sechs-polig, sondern nunmehr zwölf-polig ausgebildet ist. Daher weist der entsprechende Ständer zwölf Ständerzähne 11 auf. Diese sind vorliegend in Umfangsrichtung äquidistant angeordnet. In einer durch den Ständer gebildeten Durchgangsöffnung ist wiederum der Läufer 20 angeordnet, der in dieser Ausgestaltung ebenfalls zwölf-polig ausgebildet ist und somit sechs Nordpole N und sechs Südpole S in Umfangsrichtung bereitstellt, die alternierend angeordnet sind. Auch hier ist vorgesehen, dass der magnetische Fluss, der durch den Läufer 20 bereitgestellt wird, durch Permanentmagnete bereitgestellt wird, die z.B. im Bereich des äußeren Umfangs des Läufers 20 angeordnet sind.
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Jeder der Ständerzähne 11 ist auch hier mit einem Wicklungsabschnitt 122 von einer der drei Zahnwicklungen ausgerüstet. Jede der drei Zahnwicklungen weist wieder einen jeweiligen ersten elektrischen Leiter und einen jeweiligen zweiten elektrischen Leiter auf (in 4 lediglich zur Veranschaulichung durch unterschiedliche Strichstärken dargestellt), die in dieser Ausgestaltung bifilar auf die jeweiligen Ständerzähne 11 aufgewickelt sind. Diese elektrische Maschine 2' ist ebenfalls für eine Beaufschlagung mit einer dreiphasigen elektrischen Wechselspannung ausgebildet, wobei jede der Phasen wieder mit U, V, W bezeichnet ist.
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5 zeigt eine elektrische Verschaltung der Zahnwicklungen 12A-12C und der Wechselrichter 13, 14 der elektrischen Maschine 2 gemäß 1.
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Die beiden Wechselrichter 13, 14 umfassen jeweils drei Wechselrichtereinheiten 130A-130C, 140A-140C, jeweils eine für eine der drei Phasen U, V, W. Wie bereits beschrieben weist jede Wechselrichtereinheit 130A-130C, 140A-140C eine eigene Halbbrückenschaltung auf. Ein optionaler Kondensator dient jeweils als Tiefpassfilter.
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An den Wechselrichtereinheiten 130A-130C des ersten Wechselrichters 13 liegt eine erste Gleichspannung an (gekennzeichnet mit HVA+ und HVA-). An den Wechselrichtereinheiten 140A-140C des zweiten Wechselrichters 14 liegt eine zweite Gleichspannung an (gekennzeichnet mit HVB+ und HVB-). Die erste und die zweite Gleichspannung sind optional gleich, alternativ dazu verschieden. Beispielsweise betragen die erste und die zweite Gleichspannung 25 V oder mehr, 100 V oder mehr oder 800 bis 3000 V.
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Dabei sind die insgesamt sechs Wicklungsabschnitte 122 für die sechs Ständerzähne 11 gezeigt, wobei eine jede Wicklung der ersten und zweiten elektrischen Leiter 120, 121 nur schematisch dargestellt ist.
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Es wird nun zunächst die Zahnwicklung 12A für eine erste Phase W betrachtet. Die Zahnwicklung 12A umfasst einen ersten elektrischen Leiter 120 und einen zweiten elektrischen Leiter 121. Beide elektrische Leiter 120, 121 erstrecken sich über Wicklungsabschnitte 122 an denselben (zwei) Ständerzähnen 11, sind aber elektrisch voneinander isoliert. Beide elektrische Leiter 120, 121 weisen zwei Endabschnitte WA1, WA2, WB1, WB2 auf. Beide elektrische Leiter 120, 121 sind zwischen ihren Endabschnitten WA1, WA2, WB1, WB2 frei von Abzweigungen. Die elektrischen Leiter 120, 121 stellen jeweils eine elektrische Verbindung zwischen den jeweiligen beiden Endabschnitten WA1, WA2, WB1, WB2 her. Die Wicklungsabschnitte 122 der Zahnwicklung 12A liegen zwischen den Endabschnitten WA1, WA2, WB1, WB2 der elektrischen Leiter 120, 121.
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Die Endabschnitte des ersten elektrischen Leiters 120 der Zahnwicklung 12C für eine erste Phase W sind mit WA1 und WA2 bezeichnet. Der erste elektrische Leiter 120 ist mit einem Endabschnitt WA2 an den ersten Wechselrichter 13 (konkret an eine erste Wechselrichtereinheit 130A davon) elektrisch angeschlossen und mit dem anderen Endabschnitt WA1 mit einem ersten Sternpunkt 123 elektrisch verbunden.
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Entsprechend sind die Endabschnitte des zweiten elektrischen Leiters 121 der Zahnwicklung 12 C für die erste Phase W mit WB1 und WB2 bezeichnet. Der zweite elektrische Leiter 121 ist mit einem Endabschnitt WB1 an den zweiten Wechselrichter 14 (konkret an eine erste Wechselrichtereinheit 140A davon) elektrisch angeschlossen und mit dem anderen Endabschnitt WB2 mit einem zweiten Sternpunkt 124 elektrisch verbunden.
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Die Endabschnitte des ersten elektrischen Leiters 120 der Zahnwicklung 12B für eine zweite Phase V sind mit VA1 und VA2 bezeichnet. Der erste elektrische Leiter 120 ist mit einem Endabschnitt VA2 an den ersten Wechselrichter 13 (konkret an eine zweite Wechselrichtereinheit 130B davon) elektrisch angeschlossen und mit dem anderen Endabschnitt VA1 mit dem ersten Sternpunkt 123 elektrisch verbunden.
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Entsprechend sind die Endabschnitte des zweiten elektrischen Leiters 121 der Zahnwicklung 12B für die zweite Phase V mit VB1 und VB2 bezeichnet. Der zweite elektrische Leiter 121 ist mit einem Endabschnitt VB1 an den zweiten Wechselrichter 14 (konkret an eine zweite Wechselrichtereinheit 140B davon) elektrisch angeschlossen und mit dem anderen Endabschnitt VB2 mit dem zweiten Sternpunkt 124 elektrisch verbunden.
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Die Endabschnitte des ersten elektrischen Leiters 120 der Zahnwicklung 12C für eine dritte Phase U sind mit UA1 und UA2 bezeichnet. Der erste elektrische Leiter 120 ist mit einem Endabschnitt UA2 an den ersten Wechselrichter 13 (konkret an eine dritte Wechselrichtereinheit 130C davon) elektrisch angeschlossen und mit dem anderen Endabschnitt UA1 mit dem ersten Sternpunkt 123 elektrisch verbunden.
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Entsprechend sind die Endabschnitte des zweiten elektrischen Leiters 121 der Zahnwicklung 12C für die dritte Phase U mit UB1 und UB2 bezeichnet. Der zweite elektrische Leiter 121 ist mit einem Endabschnitt UB1 an den zweiten Wechselrichter 14 (konkret an eine dritte Wechselrichtereinheit 140C davon) elektrisch angeschlossen und mit dem anderen Endabschnitt UB2 mit dem zweiten Sternpunkt 124 elektrisch verbunden.
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6 zeigt im Wesentlichen dieselbe Verschaltung wie 5, wobei jedoch mehr Wicklungsabschnitte 122 veranschaulicht sind. Es ist ersichtlich, dass die Zahnwicklungen 12A-12C je nach Anwendungsfall eine kleinere oder größere Zahl an Wicklungsabschnitten 122 aufweisen kann, z.B. insgesamt sechs (vgl. insbesondere 2 und 5), zwölf (vgl. insbesondere 4) oder 18.
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Während gemäß 5 und 6 die Zahnwicklungen 12A-12C zwischen den Wechselrichtern 13, 14 angeordnet sind, wird darauf hingewiesen, dass diese Anordnung lediglich beispielhaft ist.
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Ferner ist ersichtlich, dass in den 5 und 6 die an die Wechselrichter 13, 14 angeschlossenen Endabschnitte der ersten und zweiten Leiter 120, 121 von jeder einzelnen der Zahnwicklungen 12A-12C in Bezug auf die gemeinsamen Wicklungsabschnitte 122 voneinander abgewandt sind.
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7 zeigt in dieser Hinsicht eine abgewandelte Anordnung. Danach gehen die Endabschnitte der ersten und zweiten elektrischen Leiter 120, 121 von jeder einzelnen der Zahnwicklungen 12A-12C vom selben Wicklungsabschnitt 122 ab (und auch vom selben Ende des Wicklungsabschnitts 122).
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8 zeigt ein Luftfahrzeug 4 in Form eines elektrisch angetriebenen Flugzeugs. Das Luftfahrzeug 4 umfasst einen Propeller 40, der durch die vorstehend beschriebene elektrische Maschine 2 gemäß 2 (alternativ durch die elektrische Maschine 2' gemäß 4) angetrieben ist.
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Das Luftfahrzeug 4 umfasst ferner zwei Energiequellen (und/oder Energiespeicher) 3A, 3B, jeweils in Form einer elektrischen Batterie oder eines z.B. über eine Turbine oder einen Kolbenmotor angetriebenen Generators. Ein solcher Generator ist insbesondere auch in Form der hierin beschriebenen elektrische Maschine 2 ausgebildet. Die elektrische Maschine 2 wird durch die Energiequellen 3A, 3B mit Energie versorgt, beziehungsweise versorgt diese mit Energie wobei die eine Energiequelle 3A elektrisch an den ersten Wechselrichter 13 angeschlossen ist, während die andere Energiequelle 3B an den zweiten Wechselrichter 14 angeschlossen ist.
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Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist und verschiedene Modifikationen und Verbesserungen vorgenommen werden können, ohne von den hier beschriebenen Konzepten abzuweichen. Beliebige der Merkmale können separat oder in Kombination mit beliebigen anderen Merkmalen eingesetzt werden, sofern sie sich nicht gegenseitig ausschließen, und die Offenbarung dehnt sich auf alle Kombinationen und Unterkombinationen eines oder mehrerer Merkmale, die hier beschrieben werden, aus und umfasst diese.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Ständer
- 10
- Körper
- 11
- Ständerzahn
- 12A-12C
- Zahnwicklung
- 120
- erster elektrischer Leiter
- 121
- zweiter elektrischer Leiter
- 122
- Wicklungsabschnitt
- 123
- erster Sternpunkt
- 124
- zweiter Sternpunkt
- 13
- erster Wechselrichter
- 130A-130C
- Wechselrichtereinheit
- 131
- Steuereinheit
- 14
- zweiter Wechselrichter
- 140A-140C
- Wechselrichtereinheit
- 141
- Steuereinheit
- 2; 2'
- elektrische Maschine
- 20
- Läufer
- 3A, 3B
- Energiequelle
- 4
- Luftfahrzeug
- 40
- Propeller
- L
- Luftspalt
- N
- Nordpol
- 5
- Südpol
- U, V, W
- Phase
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017217751 A1 [0004]
