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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich insbesondere auf ein elektrisches System für eine elektrische Maschine.
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Derartige elektrische Systeme umfassen beispielsweise drei Anschlüsse zum elektrischen Anschluss an jeweils eine Phase einer Dreiphasenwechselspannung und eine Sternschaltung mit drei Strängen, über die jeweils einer der drei Anschlüsse mit einem gemeinsamen Sternpunkt elektrisch verbunden ist und die jeweils eine Zahnwicklung aufweisen. Bei der elektrischen Maschine, z.B. einem Elektromotor oder einem Generator, sind die Zahnwicklungen z.B. jeweils an einem Ständerzahn eines Ständers der elektrischen Maschine montiert. Elektrische Maschinen mit einem solchen Ständer umfassen z.B. einen relativ zum Ständer drehbaren Läufer, beispielsweise einen permanenterregten Läufer. Durch Anlegen der Dreiphasenwechselspannung an die Stränge, und damit 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 regelmäßig als problematisch, wenn innerhalb des elektrischen Systems, insbesondere an einer der Zahnwicklungen, ein Kurzschluss auftritt. Insbesondere bei derartigen elektrischen Maschinen besteht das Problem, dass bei einem Kurzschluss zwischen benachbarten Windungen einer Zahnwicklung im bestimmungsgemäßen Betrieb ein großer elektrischer Strom induziert werden kann, welcher zu einer thermischen Zerstörung der Zahnwicklungen oder benachbarter Bauteile, beispielsweise benachbarter elektrischer, magnetischer und/oder struktureller Bauteile 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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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes elektrisches System für eine elektrische Maschine anzugeben.
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Gemäß einem Aspekt wird ein elektrisches System für eine elektrische Maschine angegeben, umfassend (zumindest) drei Anschlüsse, jeweils zum elektrischen Anschluss an jeweils eine Phase einer zumindest dreiphasigen Wechselspannung, z.B. einer Dreiphasenwechselspannung, eine erste Sternschaltung und eine zweite Sternschaltung. Die erste Sternschaltung umfasst drei Stränge. Über jeden der drei Stränge ist jeweils einer der drei Anschlüsse mit einem für die drei Stränge der ersten Sternschaltung gemeinsamen (ersten) Sternpunkt der ersten Sternschaltung elektrisch verbunden. Jeder der drei Stränge der ersten Sternschaltung weist mindestens eine Zahnwicklung, insbesondere mindestens zwei z.B. in Reihe geschaltete Zahnwicklungen auf. Die zweite Sternschaltung umfasst ebenfalls drei Stränge. Über jeden der drei Stränge der zweiten Sternschaltung ist jeweils einer der drei Anschlüsse mit einem für die drei Stränge der zweiten Sternschaltung gemeinsamen (zweiten) Sternpunkt der zweiten Sternschaltung elektrisch verbunden. Jeder der drei Stränge der zweiten Sternschaltung weist mindestens eine Zahnwicklung, insbesondere mindestens zwei z.B. in Reihe geschaltete Zahnwicklungen auf. Ferner umfasst das elektrische System eine zwischen die erste Sternschaltung und die zweite Sternschaltung elektrisch geschaltete Messeinrichtung zur Messung einer elektrischen Größe.
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Das basiert auf der Erkenntnis, dass durch die Messung der elektrischen Größe zwischen den beiden Sternschaltungen, und nicht etwa zwischen einer Sternschaltung und einem externen Referenzpunkt, Störeinflüsse, wie etwa infolge einer magnetischen Sättigung oder durch externe Komponenten aufgehoben werden können. Hierdurch ist es möglich, ein Signal-zu-Rauschen-Verhältnis (signal-to-noise ratio, SNR) zu verbessern, wobei das Signal ein durch einen Kurzschluss verursachter Beitrag zur gemessenen elektrischen Größe darstellt. Dies ermöglicht eine verbesserte Erkennungsgenauigkeit von Kurzschlüssen. Ferner kann auf eine aufwändige Analyse oder Filterung der gemessenen elektrischen Größe verzichtet werden, was einen vereinfachten Aufbau erlaubt und zudem eine geringere Latenz bei der Erkennung eines Kurzschlusses. Je kürzer diese Latenz ist, desto schneller können Gegenmaßnahmen eingeleitet werden, etwa ein Anhalten der elektrischen Maschine, ein Abschalten einer Erregung der elektrischen Maschine (falls die elektrische Maschine fremderregt ist), die Aktivierung eines aktiven Klemmenkurzschlusses durch den Inverter und/oder die Aktivierung einer Kühlung. Werden Gegenmaßnahmen schnell eingeleitet, können z.B. Folgeschäden verringert oder ganz vermieden werden. Die beiden Sternschaltungen können gleich ausgebildet sein. Anhand der elektrischen Größe erkennt beispielsweise eine Auswerteeinheit einen Kurzschluss, beispielsweise durch eine Spannung und/oder eine Stromstärke oberhalb eines vorgegebenen Schwellenwerts.
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Beispielsweise umfasst die Messeinrichtung ein Spannungsmessgerät und/oder ein Strommessgerät. Die gemessene elektrische Größe ist also beispielsweise eine Spannung oder eine Stromstärke. Optional werden mit der Messeinrichtung sowohl die Spannung als auch die Stromstärke gemessen. Die Messung der Spannung ist verhältnismäßig einfach umsetzbar, die Messung der Stromstärke ermöglicht demgegenüber eine besonders hohe Messgenauigkeit, da im Normalbetrieb typischerweise kein Ausgleichsstrom zwischen den beiden Sternschaltungen zu erwarten ist.
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In einer Ausgestaltung ist die Messeinrichtung (insbesondere ein Spannungsmessgerät und/oder Strommessgerät der Messeinrichtung) elektrisch zwischen die Sternpunkte der beiden Sternschaltungen geschaltet. Das erlaubt einen besonders einfachen Anschluss und auch die Überwachung aller Stränge mit nur einem Spannungsmessgerät und/oder Strommessgerät.
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Alternativ oder zusätzlich ist die Messeinrichtung (insbesondere ein Spannungsmessgerät und/oder Strommessgerät der Messeinrichtung) jeweils zwischen zwei Zahnwicklungen eines Strangs der ersten Sternschaltung und zwischen zwei Zahnwicklungen eines Strangs der zweiten Sternschaltung geschaltet. Hierdurch können diese beiden Stränge mit besonders hoher Präzision überwacht werden.
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Optional ist die Messeinrichtung an jeweils einem Abgriff mit denjenigen Strängen elektrisch verbunden, zwischen die die Messeinrichtung geschaltet ist. Ferner kann vorgesehen sein, dass bei (einem oder) beiden Strängen zwischen dem jeweiligen Anschluss und dem Abgriff dieselbe Anzahl von Zahnwicklungen vorgesehen ist, wie zwischen dem Abgriff und dem jeweiligen Sternpunkt. Das erlaubt eine verbesserte Messgenauigkeit.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Stränge, zwischen welche die Messeinrichtung geschaltet ist, die jeweilige Sternschaltung mit demselben Anschluss verbinden. An den beiden Strängen kann dann beispielsweise dieselbe Phase anliegen.
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Die Messeinrichtung kann für jede Phase ein jeweiliges Spannungsmessgerät und/oder Strommessgerät umfassen, das zwischen jeweils zwei Zahnwicklungen der an denselben Anschluss angeschlossenen Stränge elektrisch angeschlossen ist. Auf diese Weise können alle Stränge effektiv überwacht werden.
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Optional umfasst die Messeinrichtung ein Spannungsmessgerät und/oder ein Strommessgerät, das über einen oder mehrere magnetische Koppler, z.B. Transformator(en) mit den Strängen einer, mehrerer oder jeder Phase wirkverbunden ist. So können mit einem einzelnen Messgerät gleich mehrere Phasen überwacht werden, was einen besonders einfachen Aufbau erlaubt.
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Die beiden Sternpunkte können durch einen elektrischen Verbindungsleiter miteinander direkt elektrisch verbunden, also miteinander kurzgeschlossen sein. Das ermöglicht insbesondere bei Ausgestaltungen mit einer großen Anzahl an Zahnwicklungen eine hohe Messgenauigkeit.
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Gemäß einem Aspekt wird ein elektrisches System für eine elektrische Maschine bereitgestellt, das nach einer beliebigen, hierin beschriebenen Ausgestaltung ausgeführt sein kann. Das elektrische System umfasst (zumindest) drei Anschlüsse zum elektrischen Anschluss an jeweils eine Phase einer zumindest dreiphasigen Wechselspannung, z.B. einer Dreiphasenwechselspannung, eine erste Sternschaltung mit drei Strängen, über die jeweils einer der drei Anschlüsse mit einem gemeinsamen Sternpunkt der ersten Sternschaltung elektrisch verbunden ist und die jeweils mindestens eine Zahnwicklung aufweisen, und eine zweite Sternschaltung mit drei Strängen, über die jeweils einer der drei Anschlüsse mit einem gemeinsamen Sternpunkt der zweiten Sternschaltung elektrisch verbunden ist und die jeweils mindestens eine Zahnwicklung aufweisen. Ferner umfasst das elektrische System eine zwischen die erste Sternschaltung und die zweite Sternschaltung elektrisch geschaltete Messeinrichtung zur Messung einer elektrischen Größe und eine an die drei Anschlüsse angeschlossene Wechselrichtereinheit zur Bereitstellung der Wechselspannung. Dabei ist vorgesehen, dass die Wechselrichtereinheit dazu eingerichtet ist, ein zeitlich veränderliches Signal auf die Wechselspannung als Trägersignal aufzumodulieren.
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Das erlaubt auch bei niedrigen Drehzahlen einer elektrischen Maschine mit dem elektrischen System oder sogar bei einem Stillstand der elektrischen Maschine eine präzise Erkennung von Kurzschlüssen.
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Die Wechselrichtereinheit kann dazu eingerichtet sein, das zeitlich veränderliche Signal in Abhängigkeit einer erfassten Drehzahl aufzumodulieren. So wird eine besonders effiziente Messung ermöglicht, weil die Modulation auf die Drehzahlbereiche beschränkt werden kann, in der sie den größten Effekt aufweist. Ferner können so unerwünschte Störungen vermieden werden.
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Beispielsweise ist die Wechselrichtereinheit dazu eingerichtet, das zeitlich veränderliche Signal bei einer niedrigen Drehzahl mit einer höheren Amplitude aufzumodulieren als bei einer höheren Drehzahl. Ferner kann ein Schwellenwert der Drehzahl vorgesehen sein, wobei nur unterhalb des Schwellenwerts das zeitlich veränderliche Signal aufmoduliert wird.
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Ferner kann die Wechselrichtereinheit dazu eingerichtet sein, das zeitlich veränderliche Signal amplitudenabhängig aufzumodulieren. Das ermöglicht eine besonders einfache Steuerung.
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Gemäß einem Aspekt wird ein Ständer für eine elektrische Maschine angegeben, umfassend einen Körper mit mehreren Ständerzähnen und das elektrische System nach einer beliebigen, hierin beschriebenen Ausgestaltung. Dabei sind die Zahnwicklungen der ersten und zweiten Sternschaltung jeweils um einen der Ständerzähne herumgewickelt.
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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. 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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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 ein Luftfahrzeug in Form eines Flugzeugs mit einem elektrisch angetriebenen Propeller und einer elektrischen Maschine;
- 2 eine schematische Darstellung eines grundlegenden Aufbaus der permanenterregten elektrischen Maschine als Innenläufer;
- 3A und 3B schematische Darstellungen eines elektrischen Systems für die elektrische Maschine mit mehreren Sternschaltungen und einer Messeinrichtung;
- 4A und 4B schematische Darstellungen eines elektrischen Systems für die elektrische Maschine mit mehreren Sternschaltungen und einer Messeinrichtung mit Messgeräten an mehreren Strängen;
- 5A und 5B schematische Darstellungen eines elektrischen Systems für die elektrische Maschine mit mehreren Sternschaltungen, die über ihre Sternpunkte elektrisch miteinander verbunden sind;
- 6 eine schematische Darstellungen eines elektrischen Systems für die elektrische Maschine mit mehreren Sternschaltungen und einer Messeinrichtung mit mehreren magnetischen Kopplern;
- 7 ein Diagramm eines Trägersignals mit einem aufmodulierten, zeitlich veränderlichen Signal gegen die Zeit; und
- 8 ein Diagramm einer Amplitude des aufmodulierten Signals gegen die Drehzahl der elektrischen Maschine.
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1 zeigt ein Luftfahrzeug 4 in Form eines elektrisch angetriebenen Flugzeugs. Das Luftfahrzeug 4 umfasst einen Propeller 40, der durch eine nachfolgend noch näher beschriebene elektrische Maschine 2 angetrieben ist.
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Das Luftfahrzeug 4 umfasst ferner eine durch eine Energiequelle 3 mit elektrischer Energie versorgte Wechselrichtereinheit 13. Eine Steuerungseinheit 14 steuert die Wechselrichtereinheit 13. Die Steuerungseinheit 14 erfasst eine Drehzahl der elektrischen Maschine 2, hier mittels eines Drehzahlsensors 15.
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Die elektrische Maschine 2 ist als Elektromotor betreibbar, alternativ oder zusätzlich als Generator.
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2 zeigt in einer schematischen Darstellung die rotierende elektrische Maschine 2 des Luftfahrzeugs 4 in Form einer permanenterregten Synchronmaschine. Aus 2 ist ersichtlich, dass die elektrische Maschine 2 vorliegend als Innenläufer ausgebildet ist. Die elektrische Maschine 2 umfasst einen Ständer 20, der eine nicht bezeichnete Öffnung, insbesondere Durchgangsöffnung, aufweist, in der ein Läufer 21 um eine Drehachse drehbar gelagert angeordnet ist.
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Der Ständer 20 umfasst einen Körper 200, z.B. in Form eines Blechpakets, an welchem Ständerzähne 201 festgelegt sind. Zwischen dem Körper 200 des Ständers 2 und dem Läufer 21 ist ein Luftspalt ausgebildet. Die Ständerzähne 201 stehen radial vom Körper 200 ab, vorliegend radial nach innen in Richtung der Drehachse. Der Ständer 20 weist mehrere Zahnwicklungen Z auf. Die Zahnwicklungen Z sind allgemein für einen zumindest dreiphasigen, vorliegend für einen dreiphasigen Betrieb ausgebildet, das heißt, an eine dreiphasige Wechselspannung mit Phasen U, V, W angeschlossen oder anschließbar. Im bestimmungsgemäßen Betrieb der elektrischen Maschine 2 sind die Zahnwicklungen Z entsprechend mit der Wechselspannung beaufschlagt.
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Der Läufer 21 umfasst zur Bereitstellung eines magnetischen Flusses Permanentmagnete. In der vorliegenden Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Läufer 21 mehrere magnetische Nordpole N und magnetische Südpole S alternierend in Umfangsrichtung um die Drehachse aufweist. Bei alternativen Ausgestaltungen können auch genau ein magnetischer Nordpol N und genau ein magnetischer Südpol vorgesehen sein.
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Der Läufer 21 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 21 bereitgestellten permanenterregten Magnetfeld zusammenwirkt, sodass in einem Motorbetrieb eine entsprechende Drehbewegung des Läufers 21 gegenüber dem Ständer 20 herbeigeführt werden kann. Vorliegend ist vorgesehen, dass die elektrische Maschine 2 als Antriebsmotor für das Luftfahrzeug 4 gemäß 1 dient. Die in 1 gezeigte Wechselrichtereinheit 13 stellt die elektrische Wechselspannung mit den drei Phasen U, V, W bereit. Die Wechselrichtereinheit 13 bezieht die für den bestimmungsgemäßen Betrieb erforderliche elektrische Energie aus der an die Wechselrichtereinheit 13 angeschlossenen Energiequelle 3. In der vorliegenden Ausgestaltung handelt es sich bei der Energiequelle 3 um eine Gleichspannungsquelle, die elektrische Energie aus einem geeigneten elektrischen Energiespeicher, beispielsweise einer Batterie oder dergleichen, bereitstellt. Alternativ oder ergänzend können Brennstoffzellen und/oder dergleichen oder bei stationären Anwendungen auch eine Energieversorgung aus einem öffentlichen Energieversorgungsnetz vorgesehen sein.
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Die Wechselrichtereinheit 13 weist für die Bereitstellung der Phasen U, V, W zugeordnete Wechselrichtermodule auf, z.B. mit jeweils zumindest einer Halbbrückenschaltung. Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass die Halbbrückenschaltung eine Reihenschaltung aus zwei elektronischen Schaltelementen (z.B. Transistoren) aufweist, die an eine Zwischenkreisgleichspannung der Wechselrichtereinheit 13 angeschlossen sind. Die elektronischen Schaltelemente werden mittels der Steuereinheit 14 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 Z erfolgt eine entsprechende Filterung, sodass sich für jede der Phasen U, V, W ein entsprechender Wechselstrom einstellt, der bei geeigneter Steuerung der Wechselrichtereinheiten nahezu sinusförmig ausgebildet sein kann.
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Wie bereits erwähnt sind die Ständerzähne 201 mit den jeweiligen Zahnwicklungen Z bestückt. Eine jede der Zahnwicklungen Z umgibt (genau) einen Ständerzahn 201. Jede der Zahnwicklungen Z weist einen elektrischen Leiter auf, der in einer Mehrzahl von Windungen umlaufend um den jeweiligen Ständerzahn 201 herum angeordnet ist. Die Zahnwicklungen Z sind in der elektrischen Maschine 2 entsprechend verschaltet, sodass der dreiphasige Anschluss an die Wechselrichtereinheit 13 vorliegt.
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Die elektrische Maschine 2 ist beispielhaft zwölf-polig ausgebildet. Daher weist der Ständer 20 zwölf Ständerzähne 201 auf. Diese sind vorliegend in Umfangsrichtung äquidistant angeordnet.
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3A zeigt ein elektrisches System 1A mit einer elektrischen Verschaltung der Zahnwicklungen Z und der Wechselrichtereinheit 13 der elektrischen Maschine 2 gemäß 2.
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Das elektrische System 1A umfasst drei Anschlüsse A1, A2, A3, jeweils zum elektrischen Anschluss an eine Phase von drei Phasen der Dreiphasenwechselspannung. Wie in 3A veranschaulicht, ist jeder der drei Anschlüsse A1-A3 an die Wechselrichtereinheit 13 elektrisch angeschlossen.
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Ferner umfasst das elektrische System 1A zwei parallele Sternschaltungen 10A, 11A, die beide an jeden der drei Anschlüsse A1-A3 elektrisch angeschlossen sind. Konkret ist eine erste Sternschaltung 10A vorgesehen, die drei elektrisch leitende Stränge 100A umfasst, über die jeweils einer der drei Anschlüsse A1-A3 mit einem gemeinsamen Sternpunkt 101 der ersten Sternschaltung 10A-10C elektrisch verbunden ist. Jeder der drei sternförmig verschalteten Stränge 100A umfasst im Allgemeinen mindestens eine Zahnwicklung Z, hier zwei in Reihe geschaltete Zahnwicklungen Z. Eine zweite Sternschaltung 11A umfasst ebenfalls drei elektrisch leitende Stränge 110A, über die jeweils einer der drei Anschlüsse A1-A3 mit einem gemeinsamen Sternpunkt 111 der zweiten Sternschaltung 11 A elektrisch verbunden ist. Jeder der drei sternförmig verschalteten Stränge 110A umfasst im Allgemeinen mindestens eine Zahnwicklung Z, hier zwei in Reihe geschaltete Zahnwicklungen Z. Jeder der drei Anschlüsse A1-A3 ist über einen Strang 100A der ersten Sternschaltung 10A mit dem Sternpunkt 101 der ersten Sternschaltung 10A elektrisch verbunden und über einen Strang 110A der zweiten Sternschaltung 11A mit dem Sternpunkt 111 der zweiten Sternschaltung 11A elektrisch verbunden. Somit ist an jedem der drei Anschlüsse A1-A3 ein Abzweig vorgesehen.
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Jede der Zahnwicklungen Z ist um einen jeweiligen Ständerzahn 201 (oder im Allgemeinen um einen Zahn) herumgewickelt, insbesondere mehrfach herumgewickelt.
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Am Sternpunkt 101, 111 jeder der Sternschaltungen 10A, 11 A sind die entsprechenden drei Stränge 100A, 110A elektrisch miteinander verbunden.
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Des Weiteren umfasst das elektrische System 1A eine zwischen die erste Sternschaltung 10A und die zweite Sternschaltung 11A elektrisch angeschlossene Messeinrichtung 12 zur Messung einer elektrischen Größe. Die Messeinrichtung 12 umfasst ein Spannungsmessgerät 120. Das Spannungsmessgerät 120 ist mit den beiden Sternpunkten 101, 111 elektrisch verbunden, um die elektrische Spannung zwischen den beiden Sternpunkten 101, 111 der beiden Sternschaltungen 10A, 11 A zu messen. Ein elektrischer Leiter verbindet hierzu das Spannungsmessgerät 120 mit dem Sternpunkt 101 der ersten Sternschaltung 10A und ein weiterer elektrischer Leiter verbindet das Spannungsmessgerät 120 mit dem Sternpunkt 111 der zweiten Sternschaltung 11A. Kommt es zu einem Kurzschluss in einer der Zahnwicklungen Z, dann resultiert daraus eine Spannung zwischen den beiden parallelen Sternschaltungen 10A, 11A. Durch Messung einer solchen Spannung mittels des Spannungsmessgeräts 120 (z.B. einer Spannung oberhalb eines voreingestellten oder einstellbaren Schwellenwerts) kann somit ein Kurzschluss erkannt werden.
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Zur Auswertung der elektrischen Größe, hier also z.B. der Spannung, kann das elektrische System 1A eine Auswerteeinheit umfassen. Beispielsweise dient die Steuerungseinheit 14 als Auswerteeinheit. Alternativ oder zusätzlich dient eine externe Komponente als Auswerteeinheit. Die Steuerungseinheit 14 steuert (und regelt) die Wechselrichtereinheit 13 (die auch anders ausgebildet sein kann und im Allgemeinen als Stromversorgungseinheit bezeichnet werden kann). Die Auswerteeinheit kann einen Hochpassfilter umfassen, mit welchem die gemessene elektrische Größe optional gefiltert wird.
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Wird ein Kurzschluss erkannt, dann kann eine Gegenmaßnahme eingeleitet werden, z.B. das Anhalten der elektrischen Maschine 2. Alternativ oder zusätzlich werden als Gegenmaßnahme zwei der drei Anschlüsse A1-A3 oder alle drei Anschlüsse A1-A3 miteinander kurzgeschlossen (z.B. mittels der Wechselrichtereinheit 13).
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Durch die Messung der elektrischen Größe zwischen den beiden Sternschaltungen 10A, 11A können Saturationseffekte und äußere Einflüsse deutlich vermindert werden.
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Optional umfasst die elektrische Maschine 2 mehrere elektrische Systeme 1A gemäß 3A (oder gemäß einer anderen, hierin beschriebenen Ausgestaltung), so wie es in 1 anhand einer Trennlinie an der elektrischen Maschine 2 schematisch veranschaulicht ist. Fällt eines der elektrischen Systeme 1A durch einen Kurzschluss aus, dann kann/können das/die verbleibenden elektrische(n) System(e) 1A weiter betrieben werden.
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3B zeigt das elektrische System 1A gemäß 3A, wobei in 3A (und auch in den nachfolgend beschriebenen 4A bis 6) die Wechselrichtereinheit 13 und die Steuerungseinheit 14 lediglich zur vereinfachten Darstellung nicht erneut eingezeichnet sind. Gemäß 3B umfasst die Messeinrichtung 12 ein Strommessgerät 121 zur Messung einer elektrischen Stromstärke als elektrische Größe. Das Strommessgerät 121 ist wie das Spannungsmessgerät 120 gemäß 3A zwischen die beiden Sternpunkte 101, 111 der beiden Sternschaltungen 10A, 11 A elektrisch angeschlossen. Das Strommessgerät 121 kann somit einen elektrischen Strom zwischen den beiden Sternschaltungen 10A, 11 A messen (konkreter: zwischen den Sternpunkten 101, 111 der beiden Sternschaltungen 10A, 11 A). Die Auswertung erfolgt entsprechend der Auswertung der Spannung. Die Messung der Stromstärke erlaubt eine besonders verlässliche Erkennung eines Kurzschlusses. In einem unbeschadeten Zustand fließt kein Ausgleichsstrom oder nur mit einer zu vernachlässigenden Stromstärke. Wird eine Stromstärke gemessen (optional oberhalb eines vorgegebenen Schwellenwerts), ist ein Kurzschluss erfasst.
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Optional umfasst die Messeinrichtung 12 sowohl ein Spannungsmessgerät 120 als auch ein Strommessgerät 121.
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4A zeigt ein elektrisches System 1B für die elektrische Maschine 2 gemäß 2. Das elektrische System 1B umfasst eine erste Sternschaltung 10B mit drei Strängen 100B und eine zweite Sternschaltung 11B mit drei Strängen 110B. Das elektrische System 1B gemäß 4A ist ähnlich wie das elektrische System gemäß 3A ausgebildet, sodass nachstehend nur Unterschiede beschrieben werden. Insbesondere umfasst die Messeinrichtung 12 des elektrischen Systems 1B mehr als ein Messgerät. Vorliegend umfasst die Messeinrichtung 12 gemäß 4A drei Messgeräte, und zwar drei Spannungsmessgeräte 120. Jedes der Spannungsmessgeräte ist zwischen einen Strang 100A der ersten Sternschaltung 10B und einen Strang der zweiten Sternschaltung 11B elektrisch angeschlossen. Der Anschluss jedes der Spannungsmessgeräte 120 ist dabei jeweils an einem Abgriff G an den entsprechenden beiden Stränge 100B, 110B vorgesehen. Jedes Spannungsmessgerät 120 ist also über einen elektrischen Leiter mit dem Abgriff G eines Strangs 100B der ersten Sternschaltung 10B elektrisch verbunden und über einen elektrischen Leiter mit dem Abgriff G eines Strangs 110B der zweiten Sternschaltung 11B elektrisch verbunden. Diese beiden Abgriffe G bilden ein dem Messgerät zugeordnetes Paar von Abgriffen G. Vorliegend ist vorgesehen, dass die Abgriffe G jeweils (in Bezug auf den elektrischen Stromfluss) zwischen zwei Zahnwicklungen Z angeordnet sind. Jeder der Abgriffe G ist also über zumindest eine Zahnwicklung Z (in diesem Beispiel zwei in Reihe geschaltete Zahnwicklungen Z) mit einem der Abschlüsse A1-A3 elektrisch verbunden und über zumindest eine weitere Zahnwicklung Z (in diesem Beispiel genau eine Zahnwicklung Z) mit dem entsprechenden Sternpunkt 101, 111 elektrisch verbunden.
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Indem jedem Strang 100B, 110B ein eigenes Messgerät zugeordnet ist, ist eine besonders präzise Erkennung und Lokalisierung eines Kurzschlusses möglich.
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Das elektrische System 1B umfasst vorliegend insgesamt 18 Zahnwicklungen Z.
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4B zeigt das elektrische System 1B gemäß 4A, wobei die Messeinrichtung 12 gemäß 4B drei Strommessgeräte 121, jeweils zur Messung einer elektrischen Stromstärke als elektrische Größe umfasst. Die Strommessgeräte 121 sind wie die Spannungsmessgeräte 120 gemäß 4A angeschlossen.
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Es kann also das Potential an symmetrischen Knoten der beiden Sternschaltungen 10B, 11B gemessen werden, alternativ oder zusätzlich ein Ausgleichsstrom dazwischen.
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5A zeigt ein elektrisches System 1C für die elektrische Maschine 2 gemäß 2. Das elektrische System 1C umfasst eine erste Sternschaltung 10C mit drei Strängen 100C und eine zweite Sternschaltung 11C mit drei Strängen 110C. Das elektrische System 1C gemäß 5A ist ähnlich wie das elektrische System gemäß 4A ausgebildet, sodass nachstehend nur Unterschiede beschrieben werden. Insbesondere umfasst das elektrische System 1C gemäß 5A einen Verbindungsleiter 16, welcher die beiden Sternpunkte 101, 111 elektrisch miteinander verbindet, genauer ausgedrückt: kurzschließt. Der Verbindungsleiter 16 ist ein elektrischer Leiter und mit einem Ende an den Sternpunkt 101 der ersten Sternschaltung 10C angeschlossen und mit dem anderen Ende an den Sternpunkt 111 der zweiten Sternschaltung 11C angeschlossen (jeweils direkt und ohne Zwischenschaltung von Zahnwicklungen Z). Das erlaubt z.B. bei Strängen mit besonders vielen in Reihe geschalteten Zahnwicklungen Z eine besonders hohe Messgenauigkeit.
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Jeder der Stränge 100C, 110C der ersten und zweiten Sternschaltung 10C, 11C umfasst in diesem Beispiel vier in Reihe geschaltete Zahnwicklungen Z. Die Abgriffe G sind jeweils zwischen zwei in Reihe geschalteten Paare von Zahnwicklungen vorgesehen. Eine solche symmetrische Anordnung ermöglicht genaue Messergebnisse.
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Alternativ kann der Verbindungsleiter 16 auch an symmetrisch zueinander geschalteten Knoten zwischen jeweils zwei Zahnwicklungen Z von zwei Strängen 100C, 110C der ersten und zweiten Sternschaltung 10C, 11C elektrisch angeschlossen sein.
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5B zeigt das elektrische System 1C gemäß 5A, wobei die Messeinrichtung 12 gemäß 5B drei Strommessgeräte 121, jeweils zur Messung einer elektrischen Stromstärke als elektrische Größe umfasst. Die Strommessgeräte 121 sind wie die Spannungsmessgeräte 120 gemäß 5A angeschlossen. Generell sein angemerkt, dass die Messeinrichtung 12 ein Spannungsmessgerät 120 oder mehrere Spannungsmessgeräte 120 und/oder ein Strommessgerät 121 oder mehrere Strommessgeräte 121 umfassen kann.
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6 zeigt das elektrische System 1B gemäß 4A, wobei die Messeinrichtung 12 gemäß 6 drei Paare von Abgriffen G entsprechend 4A aufweist. An die Abgriffe G sind allerdings nicht direkt Spannungsmessgeräte 120 oder Strommessgeräte 121 angeschlossen. Stattdessen ist an jedes Paar von Abgriffen G ein magnetischer Koppler 122 (oder im Allgemeinen ein irgendwie gearteter Koppler) angeschlossen, z.B. in Form eines Transformators. Jeder der Koppler 122 weist eine Primärseite und eine Sekundärseite auf. Eine Wechselspannung auf der Primärseite induziert eine Wechselspannung an der Sekundärseite. Die Sekundärseiten der Koppler 122 sind miteinander in Reihe geschaltet. An die in Reihe geschalteten Sekundärseiten der Koppler 122 ist ein Spannungsmessgerät 120 (alternativ oder zusätzlich ein Strommessgerät 121) angeschlossen.
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Auf diese Weise ist es möglich mit besonders wenigen oder sogar nur einem einzigen Messgerät besonders präzise Messungen vorzunehmen, beispielsweise wenn nur wenige Signalkanäle zur Auswertung bereitstehen.
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Die beschriebenen elektrischen Systeme 1A-1C erlauben eine verlässliche Erkennung von Kurzschlüssen bei jeweils einem einfachen Aufbau. Die Erkennung ist bei hohen Drehzahlen in der Regel präziser als bei niedrigen Drehzahlen.
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Anhand von 7 wird nun erläutert, wie auch bei niedrigen Drehzahlen oder sogar im Stand mit hoher Präzision Kurzschlüsse erkannt werden können. Die Steuerungseinheit 14 (jedes hierin beschriebenen elektrischen Systems 1A-1C) ist optional so ausgebildet, dass sie durch Modulation ein zeitlich veränderliches Signal M auf die an die Anschlüsse A1-A3 bereitgestellte Spannung als Trägersignal T aufprägt. Die Frequenz des zeitlich veränderlichen Signals M ist z.B. höher als die des Trägersignals T. Beispielsweise beträgt die Frequenz des zeitlich veränderlichen Signals M 100 Hz oder mehr und/oder 300 Hz oder weniger, beispielsweise 200 Hz Das Trägersignal T dient zum Antreiben der elektrischen Maschine 2. Durch das höherfrequente, zeitlich veränderliche Signal M können Spannungen und resultierende Ströme selbst bei niedrigen Drehzahlen oder im Stillstand erkannt werden.
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Das zeitlich veränderliche Signal M weist vorliegend gegenüber dem Trägersignal T eine Amplitude auf, die von der Amplitude des Trägersignals T abhängt. So ist das zeitlich veränderliche Signal M im Bereich des Maximums bzw. Minimums des Trägersignals T am größten.
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Optional wird das zeitlich veränderliche Signal M nur unterhalb einer vorbestimmten Drehzahl aufmoduliert und/oder mit einer Amplitude, die von der Drehzahl der elektrischen Maschine 2 abhängt.
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8 zeigt eine Steuerungskurve der Steuerungseinheit 14. Dabei ist die Stromstärke des zeitlich veränderlichen Signals M gegen die Drehzahl der elektrischen Maschine 2 aufgetragen. Ferner sind die maximale Drehzahl der elektrischen Maschine 2 und 10% dieser maximalen Drehzahl in 8 eingezeichnet. Ersichtlich ist diese Stromstärke bei einem Stillstand der elektrischen Maschine 2 am größten und fällt dann hin zu größeren Drehzahlen ab. Die Kurve weist dabei einen Wendepunkt auf, der im vorliegenden Beispiel bei 10% der maximalen Drehzahl liegt. Oberhalb eines vorbestimmten Werts der Drehzahl, z.B. ca. 20% der maximalen Drehzahl, liegt die Stromstärke bei null. Alternativ kann das zeitlich veränderliche Signal M aber über den gesamten Betriebsbereich eingeprägt werden, optional mit drehzahlunabhängiger Amplitude.
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Optional erfasst die Steuerungseinheit 14 die Drehzahl über den Drehzahlsensor 15 (siehe 1). Es sei jedoch angemerkt, dass Injektionsverfahren der geberlosen Regelung anwendbar sind. Beispielsweise wird ein Injektionsvektor anhand der d-Achse des Rotors ausgerichtet werden, um eine Anregung von Wellen in der Kraft oder im Drehmoment zu minimieren. Optional wird die Phase des zeitlich veränderlichen Signals M an die Phase des Trägersignals T angepasst.
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Anstelle einer Anwendung in einem reinen Elektroantrieb ist auch eine Anwendung in einem Hybridelektrischen Antrieb denkbar. Dabei ist die elektrische Maschine 2 z.B. direkt an einer Welle einer Verbrennungsmaschine (z.B. eines Turbinentriebwerks) angebracht. Bei der oben beschriebenen Steuerung kann bei einem Ausfall der elektrischen Maschine durch einen Kurzschluss die Verbrennungsmaschine weiterbetrieben werden, wodurch die Ausfallrate signifikant verbessert werden kann.
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Das elektrische System 1A-1C erlaubt eine erhöhte Sicherheit und eine verbesserte Zuverlässigkeit. Zusätzliche Notfallbremsen sind nicht notwendig, wodurch die Anzahl an Bauteilen reduziert werden kann und die Komplexität verringert werden kann. Das elektrische System kann auch z.B. in einer Gaspumpe angewendet werden, in einem Schiffsantrieb, in einer Windkraftanlage, in einem Schienenfahrzeugantrieb oder in einer medizintechnischen Vorrichtung.
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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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- 1A-1C
- elektrisches System
- 10A-10C
- erste Sternschaltung
- 100A-100C
- Strang
- 101
- Sternpunkt
- 11A-11C
- erste Sternschaltung
- 110A-110C
- Strang
- 111
- Sternpunkt
- 12
- Messeinrichtung
- 120
- Spannungsmessgerät
- 121
- Strommessgerät
- 122
- Koppler
- 13
- Wechselrichtereinheit
- 14
- Steuerungseinheit
- 15
- Drehzahlsensor
- 16
- Verbindungsleiter
- 2
- elektrische Maschine
- 20
- Ständer
- 200
- Körper
- 201
- Ständerzahn
- 21
- Läufer
- 3
- Energiequelle
- 4
- Luftfahrzeug
- 40
- Propeller
- A1-A3
- Anschluss
- G
- Abgriff
- N
- Nordpol
- M
- zeitlich veränderliches Signal
- S
- Südpol
- T
- Trägersignal
- Z
- Zahnwicklung
