DE102022202123B4

DE102022202123B4 - Elektrisches Antriebssystem

Info

Publication number: DE102022202123B4
Application number: DE102022202123.1A
Authority: DE
Inventors: Alexander Rosen; Dean Petrovski; Christopher Römmelmayer; Maximilian Habersbrunner
Original assignee: DeepDrive GmbH
Current assignee: DeepDrive GmbH
Priority date: 2022-03-02
Filing date: 2022-03-02
Publication date: 2023-09-28
Anticipated expiration: 2042-03-03
Also published as: CN117751508A; EP4309264A1; DE102022202123A1; WO2023165760A1; KR20240033055A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrisches Antriebssystem für oder in einem Kraft-fahrzeug, mit: zumindest einer Synchronmaschine, die einen Doppelrotor und eine in einem Statorkern platzierte verteilte Wicklung aufweist, wobei der Doppelrotor aus flussführendem Material aus Vollmaterial aufgebaut ist, wobei die Wicklung zur Drehmomentabstützung selbsttragend ausgelegt ist; und zumindest einer drei- oder mehrstufigen Wechselrichterschaltung, welche an einem Last-ausgang mit der Synchronmaschine gekoppelt ist und welche dazu ausgelegt ist, eine versorgungsseitig aufgenommene Gleichspannung in eine Wechselspannung zu wandeln, über welche über den Lastausgang die Synchronmaschine antreibbar ist, wobei die Wechselrichterschaltung einen steuerbaren drei- oder mehrstufigen Wechselrichter aufweist.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrisches Antriebssystem für ein oder in einem Kraftfahrzeug.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Elektromaschinen mit einem Stator und zwei rotationsfest miteinander verbundenen Läufern, sogenannte Doppelrotormaschinen, (neben Doppelrotor auch bezeichnet als Mehrfachrotor, Dual-Rotor, etc.) können sowohl die Drehmomentdichte als auch die Effizienz elektrischer Antriebe gegenüber herkömmlichen Elektromaschinen mit nur einem Rotor steigern. Das ist damit zu begründen, dass insbesondere in sogenannter „jochloser“ Ausführung kein magnetischer Rückschluss im Stator erforderlich ist und hierdurch die Ummagnetisierungsverluste deutlich gesenkt werden können. Zudem steht bei zwei Rotoren grundsätzlich mehr Platz für die felderregenden Magnete (bei permanentmagneterregten Synchronmaschinen, PSM) bzw. das Leitermaterial (bei Induktionsmaschinen, IM oder elektrisch erregte Synchronmaschinen, ESM) zur Verfügung. Gemäß der Ausrichtung der magnetischen Feldlinien im Luftspalt können solche Maschinen in zwei Gruppen unterteilt werden, axial Fluss führend (Feldlinien parallel zur Rotationsachse, sog. Axialflussmaschinen) einerseits und radial Fluss führend (Feldlinien in radialer Richtung im Luftspalt, sog. Radialflussmaschinen) andererseits.
Axialfluss-Doppelrotormaschinen sind beispielsweise in der DE 10 2015 226 105 A1 und der DE 10 2013 206 593 A1 beschrieben. Sie zeichnen sich durch eine hohe Drehmoment- und Leistungsdichte aus, sind aber in der Fertigung aufwändig, weil im Statorkern sehr komplexe Geometrien gestanzt oder pulvermetallurgisch gefertigt werden müssen. Bisher haben solche Maschinen den Sprung in die Großserienanwendung daher nicht vollzogen und finden lediglich in Nischenbereichen mit hohen Anforderungen an die Leistungsdichte, wie beispielsweise Rennsport, Luftfahrt, etc. Anwendung. Zudem erlauben die mechanischen Befestigungskonzepte für die Statorwicklung nur den Einsatz von Einzelzahnwicklungen mit entsprechenden Nachteilen in Bezug auf Geräuschanregungen.
Demgegenüber können bei Radialfluss-Doppelrotormaschinen für Wicklung und Blechpaket prinzipiell etablierte und großserientaugliche Fertigungsverfahren angewendet werden. Allerdings besteht hierbei eine große und weitgehend ungelöste technische Herausforderung in der Abstützung des im Statorkern entstehenden Drehmoments. Aufgrund der innen und außen rotierenden Teile kann das Statorblechpaket nicht wie ansonsten üblich in ein feststehendes Gehäuse montiert (beispielswiese eingepresst, verschraubt oder geklebt) werden. Das Drehmoment wird deshalb zu den axialen Enden von Statorblechpaket bzw. Statorwicklung geführt und dort abgestützt. Im Stand der Technik werden dazu verschiedene Ansätze vorgeschlagen, die jedoch alle mit erheblichen Nachteilen in Bezug auf die Funktion und/oder die Kosten verbunden sind.
Die EP 1 879 283 B1 beschreibt eine Möglichkeit der Ausführung der Statorwicklung als sogenannte Jochwicklung. Das ringförmig ausgeführte Statorblechpaket weist hierbei Nuten am Innen- und Außendurchmesser auf, zwischen denen sich ein in tangentialer Richtung wirksamer magnetischer Rückschluss (auch als Statorjoch bezeichnet) befindet. Hin- und Rückleiter jedes Wicklungsstranges sind hierbei in jeweils radial übereinander liegenden Nuten geführt und um das Joch herumgewickelt. Zwischen den Wicklungssträngen ist das Statorjoch axial zugänglich und kann beispielsweise durch axiale Verschraubungen am Gehäuse fixiert werden (z.B. beschrieben in JP 2018- 82 600 A ). Durch die axiale Pressung der Schrauben wird sowohl eine Torsionssteifigkeit des Blechpaketes sowie die Drehmomentabstützung am axialen Ende gewährleistet. Nord- und Südpol des Rotorfelds stehen sich jeweils gegenüber. Nachteilig bei diesem Konzept ist, dass der magnetische Fluss vollständig über das zwischen den Statornuten liegende Rückschlussjoch geführt werden muss. Dies führt zum einen zu einem erhöhten Gewicht des Statorblechpakets und erhöht die Eisenverluste signifikant. Die magnetischen Feldlinien beider Rotorflüsse schließen sich über den magnetischen Rückfluss im Statorblechpaket und rufen dort Eisenverluste hervor. Zudem müssen alle Einzelspulen der Jochwicklung im Bereich des Wickelkopfes parallel oder in Reihe verschaltet werden, was wiederum zu einem Bauraumkonflikt mit der Drehmomentabstützung führt. Die um das Joch gewickelte Wicklung erlaubt aber eine direkte mechanische Kontaktierung des Statorblechpakets.
Eine deutliche Gewichts- und Verlusteinsparung kann erzielt werden, wenn die Magnetisierungsrichtungen der radial übereinander liegenden Magnete in die gleiche Richtung zeigen und die Bestromungsrichtungen der übereinander in den Nuten liegenden Leiter identisch sind. In diesem Fall kann der magnetische Rückschluss im Stator entfallen und es entsteht eine sogenannte „jochlose“ Doppelrotormaschine mit verteilter Wicklung. Die magnetischen Feldlinien schließen sich über dem Rotor. Ein magnetischer Rückschluss im Stator ist nicht erforderlich, wodurch Gewicht und Eisenverluste in derartigen Maschinen sehr gering sind. Die verteilte Wicklung erlaubt aber keine direkte mechanische Kontaktierung des Statorblechpakets zur Drehmomentabstützung. Beispielsweise beschreibt die WO 2004/004098 A1 eine jochlose Ausführung mit verteilter Wicklung.
Auch bei einer sogenannten „jochlosen“ Ausführung kann es sinnvoll sein, zur mechanischen Verbindung der Statorzähne dennoch ein dünnes Joch auszuführen, elektromagnetisch ist dieses jedoch nicht notwendig. Der Begriff „jochlos“ bezieht sich somit auf die elektromagnetische Flussführung, in der im Stator kein Fluss in tangentialer Richtung vorhanden ist. Die Wicklung kann hierbei aber nicht als Jochwicklung ausgeführt werden, da Hin- und Rückleiter der Wicklungsstränge radial am Umfang verteilt sind und damit eine verteilte Wicklung bilden. Hierdurch entstehen Wickelköpfe verteilter Wicklungen, die die Zugänglichkeit des Blechpakets in axialer Richtung erschweren. Die rein radiale Flussführung verbietet außerdem den Einsatz axialer, metallischer Verschraubungen, da diese Leiterschleifen mit viel verkettetem Fluss und hohen zusätzlichen Stromwärmeverlusten bilden.
Zur axialen Abstützung werden im Stand der Technik verschiedene Hilfskonstruktionen zur Drehmomentabstützung vorgeschlagen, beispielweise beschrieben in der DE 10 2010 055 030 A1 oder US 7 557 486 B2 . Problematisch ist hierbei, dass elektrisch und/oder magnetisch leitfähige Metalle nicht oder nur sehr eingeschränkt in den flussführenden Bereich hineinragen dürfen, was die Materialauswahl und geometrische Auslegung stark einschränkt. Demgegenüber können Kunststoffbauteile, Klebstoffe und/oder Vergussmaterialien auch im flussführenden Bereich eingesetzt werden. Mit solchen Materialien ist es aber sehr schwierig, die hohen Anforderungen hinsichtlich Temperaturstabilität und mechanischer Festigkeit zu erreichen.
Zum Betrieb einer derartigen Doppelrotormaschine für ein oder in einem Kraftfahrzeug ist aufgrund der am Ausgang geeigneter Energiespeichervorrichtungen anliegenden Gleichspannung ein Wechselrichter vorgesehen.
Ein Wechselrichter, auch Inverter oder Drehrichter genannt, ist ein elektrisches Gerät, das Gleichspannung in Wechselspannung umwandelt. Solche Wechselrichter finden zum Beispiel Anwendung in modernen Kraftfahrzeugen, in der Photovoltaik (Solarinverter), als Komponenten bei Frequenzumrichtern und vielen anderen Anwendungen, bei denen aus einer Gleichspannung eine geeignete Wechselspannung erzeugt werden soll. Derartige Wechselrichter sowie deren Anwendungsgebiete sind in vielfältigen schaltungstechnischen Varianten allgemein bekannt, sodass auf deren schaltungstechnischen Aufbau und Funktionsweise nicht näher eingegangen werden muss.
Bei modernen Kraftfahrzeugen werden - unter anderem auch aus Nachhaltigkeitsgründen und zur Vermeidung von C02-Emmision - zunehmend elektrisch gespeiste Antriebssysteme eingesetzt. Derartige Antriebssysteme beinhalten zum Beispiel ein oder mehrere elektrische Maschinen, wie etwa Synchronmaschinen oder Asynchronmaschinen, welche über eine mehrphasige Wechselspannung gespeist werden. Zur Erzeugung der Wechselspannung werden im Allgemeinen so genannte zwei-Stufen Wechselrichter (auch 2-Level Wechselrichter oder kurz 2L-Wechselrichter genannt) eingesetzt. Bei zwei-Stufen Wechselrichtern wird aus der Gleichspannung einer Gleichspannungsquelle eine Wechselspannung mit zwei Spannungsniveaus erzeugt.
Zwei-Stufen Wechselrichtern haben sich insbesondere im Bereich Antriebswechselrichter für Elektrofahrzeuge gegenüber anderen Wechselrichtertopologien durchgesetzt. Derzeit werden bei zwei-Stufen Wechselrichtern überwiegend IGBT-Schaltelemente eingesetzt. Ein Beispiel eines solchen zwei-Stufen Wechselrichters ist zum Beispiel in dem Paper von H. v. Hoeck, „Power Electronic Architectures for Electric Vehicle“, erschienen in dem vom IEEE im Jahr 2010 herausgegebenen Buch „Emobility - Electrical Power Train“ beschrieben.
Neben der eben genannten zweistufigen Wechselrichtertopologie existieren auch drei- oder mehrstufige Wechselrichtertopologien, mit denen also drei- oder mehrstufige Spannungsniveaus erzeugbar sind. Beispiele von mehrstufigen Wechselrichtertopologien sind zum Beispiel in der US 10 903 758 B2 oder der US 2017 / 0 185 130 A1 beschrieben.
Die Vorteile mehrerer Spannungslevel sind geringere Oberschwingungen, eine langsamere Spannungsänderung an den Phasenausgängen, geringe elektromagnetische Emissionen (EME) sowie vor allem die Verarbeitung von höheren Spannungen. Aus diesen Gründen werden solche drei- oder mehr-Stufen Wechselrichter derzeit vornehmlich für Hochspannungsanwendungen eingesetzt. Energietechnische Anwendungen, wie z.B. Solarwechselrichter oder Windkraftanlagen, sind dabei etablierte Einsatzbereiche solcher drei- oder mehrstufiger Wechselrichtertopologien. Höhere Spannungen sind bei Elektrofahrzeugen (mit Spannungen von z.B. 400V) nicht zu finden. In der Photovoltaik sind demgegenüber Spannungen von mehr als 1kV üblich, bei anderen erneuerbaren Energien, wie etwa der Windenergie, liegen die Spannungen noch deutlich darüber.
Die eben genannten Vorteile von drei- oder mehrstufigen Wechselrichtern sind der herrschenden Meinung zufolge jedoch nicht ausreichend, um deren Einsatz bei elektrischen Antrieben von Elektrofahrzeugen zu rechtfertigen, wie dies in dem Artikel von Andreas Bubert et. al., „Experimental Validation of Design Concepts for Future EV-Traction Inverters“, 2018 IEEE Transportation Electrification Conference and Expo (ITEC), Seiten 795-802 ausgeführt wurde. Aus all diesen Gründen werden drei- oder mehrstufigen Wechselrichtertopologien bei elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen heute nicht eingesetzt.
Die DE 197 04 652 C1 beschreibt eine Anwendung einer Ringwicklung in elektrischen Drehfeldmaschinen. Die US 2017 / 0 185 130 A1 beschreibt ein hybrides Wandler-System. Die US 5 517 401 A beschreibt einen dreistufigen pulsweitenmodulierten Wechselrichter für ein Elektrofahrzeug. Die DE 10 2019 109 229 A1 beschreibt eine elektrische Maschine für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug sowie ein Kraftfahrzeug. Die JP 2012– 23 901 A beschreibt ein Steuergerät für rotierende elektrische Maschinen. Die CN 210 592 478 U beschreibt einen Flugzeugschlepper.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Effizienz eines mit einem Doppelrotor ausgestatteten elektrischen Antriebssystems zu verbessern und gleichzeitig eine einfachere und kostengünstigere Herstellung zu ermöglichen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein elektrisches Antriebssystem mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.
Der Kern der vorliegenden Erfindung besteht in einer Kombination aus einer speziellen elektrischen Synchronmaschine mit Doppelrotor, deren Stator mit einer zur Drehmomentabstützung selbsttragend ausgelegten verteilten Wicklung und deren Doppelrotor aus massiven Rotormaterial, also in Vollbauweise, ausgebildet ist, und einer drei- oder mehrstufigen Wechselrichterschaltung.
Die torsionssteife Wicklung bietet erstmals die Möglichkeit, die Wicklung einer Synchronmaschine mit Doppelrotor, insbesondere einer jochlosen Doppelrotormaschine, als verteilte Wicklung mit entsprechend geringem Oberfeldspektrum auszuführen. Nur in dieser Ausführung können die Rotoren aus Massiv- bzw. Vollmaterial gefertigt werden, da von der Wicklung nur geringe Oberfelder und resultierende Wirbelströme im Rotor erzeugt werden. Die Fertigung von Rotoren wird somit massiv vereinfacht und ist sehr viel kosteneffizienter möglich. Die erfindungsgemäße Ausführung eines elektrischen Antriebssystems bietet somit erhebliche technologische und ökonomische Vorteile, weil Materialkosten und Komplexität im Rotor reduziert werden.
Würde eine solche Maschine jedoch - wie bei Elektromaschinen im Stand der Technik üblich - mit einem zweistufigen (2 Level) Umrichter betrieben, so würden die vom Umrichter induzierten Stromoberschwingungen Wirbelströme und Zusatzverluste in den Rotoren aus Vollmaterial hervorrufen. Diese Oberschwingungsverluste sind insbesondere bei geringen Ausgangsdrehmomenten relevant und setzen den Wirkungsgrad stark herab.
Durch den erfindungsgemäßen Einsatz der Kombination von Rotoren aus flussführendem Vollmaterial und eines drei- oder mehrstufigen Wechselrichters können die ursächlichen Oberschwingungen in der Eingangsspannung deutlich reduziert werden, was zu einer Senkung der Verluste um mehr als 75% führt. Da die Oberschwingungsverluste in elektrischen Maschinen im Stand der Technik keine große Rolle spielen, würde dies die Mehrkosten eines dreistufigen Wechselrichters nicht rechtfertigen.
Die erfindungsgemäße Kombination von Merkmalen ist nur in diesem speziellen Fall als vorteilhaft zu bewerten. Eine hier zugrundeliegende Erkenntnis besteht darin, dass elektrische Maschinen mit Doppelrotor aus Vollmaterial bei Speisung aus einem konventionellen 2L-Inverter hohe Verluste im Rotor aufweisen.
Konstruktiv können die Verluste in der elektrischen Maschine nicht oder nur unwesentlich verringert werden. Eine Verringerung der Verluste durch Frequenzerhöhung im 2L-Betrieb zeigt nur geringe Wirkung und erhöht die Verluste im Wechselrichter, was wiederum die Gesamteffizienz beeinflusst.
Der grundlegende Mechanismus zur Verringerung der Verluste im Massivmaterial des Doppelrotors basiert darauf, dass die Amplitude derjenigen magnetischen Flussdichte im Massivmaterial des Doppelrotors verringert werden sollte, welche nicht zur Drehmomentbildung beiträgt. Dieser Anteil, welcher durch Oberwellen in der Flussdichte definiert ist, ist näherungsweise im Quadrat seiner Amplitude direkt proportional zur Änderung der THD-induzierten Verluste. Somit führt also eine Änderung der Wechselrichter-Schaltfrequenz zu einer indirekt proportionalen linearen Veränderung der Verluste und ist daher weniger effektiv.
Eine Verlustverringerung im massiven Material trägt wesentlich zur Reduzierung der Gesamtverluste der elektrischen Maschine bei und zu deren wirtschaftlichem Einsatz. Die sich daraus ergebende Erkenntnis, die Teil der vorliegenden Erfindung ist, besteht also darin, dass die Verluste in der elektrischen Maschine durch eine Wechselrichterschaltung, die ausschließlich die Amplitude der Oberwellen in der Flussdichte reduziert, effektiv verringert werden können.
Um dies zu erreichen, wurden folgende Maßnahmen und Aspekte bei der Ausgestaltung und bei der Wahl der Betriebsweise des Wechselrichters in Betracht gezogen:

Die Funktion des 2L-Wechselrichters wird durch die Funktion eines 3L-Wechselrichters ersetzt, um die Oberschwingungen an den Phasenausgängen des Wechselrichters zu reduzieren. Dadurch reduzieren sich die Oberschwingungen in der Flussdichte und im Statorstrom. Eine Frequenzänderung ist hierfür nicht notwendig.

Durch eine Erhöhung der Schaltfrequenz im 2L-Betrieb reduzieren sich die Verluste zwar ebenfalls, jedoch wird davon abgesehen, da dadurch die Schaltverluste im Wechselrichter ebenfalls stark ansteigen würden und die Gesamteffizienz somit nicht signifikant verbessert wird. Eine Erhöhung der Schaltfrequenz könnte die Verlustoptimierung zwar positiv unterstützen, ist aber kein wesentlicher Aspekt der erfindungsgemäßen Lösung.
Der verwendete 3L-Wechselrichter bietet hingegen drei Spannungslevel (3L) und ist vorzugsweise (jedoch nicht notwendigerweise) dreiphasig ausgeführt. Bei drei Spannungslevels und drei Phasen kann eine relative große Kosteneffizienz realisiert werden. Das System kann aber unter gleicher Ausführung aller Phasen auf beliebig viele Phasen und auf beliebig viele Spannungslevel erweitert werden.
Im Gegensatz zu bekannten 2L-Wechselrichtern sind beim Betrieb eines erfindungsgemäßen 3L-Wechselrichters aufgrund der geringeren Oberschwingungen die Leistungsverluste in der elektrischen Maschine stark verringert. Die Schaltverluste des 3L-Wechselrichters werden vergleichsweise ebenfalls reduziert, die Durchlassverluste hingegen erhöht.
Sowohl in der elektrischen Maschine als auch im 3L-Wechselrichter verändern sich die vorherrschenden Verlustmechanismen in Abhängigkeit der Last. Im 3L-Betrieb sind die Oberschwingungen geringer, sodass die Maschinenverluste stark verringert sind. Durch Oberschwingungen induzierte Verluste sind bei niedrigen Strömen dominierend. Bei größeren Strömen ändert sich der vorherrschende Verlustmechanismus und resistive Leitungs- bzw. Kupferverluste dominieren, wohingegen durch Oberschwingungen induzierte Verluste eher untergeordnet sind bzw. vergleichsweise gering ausfallen. Schaltverluste im Wechselrichter sind im 3L- Wechselrichter im Vergleich zu 2L-Wechselrichtern reduziert (näherungsweise um 50%). Bei kleinen Lasten (Strömen) sind diese Schaltverluste vorherrschend, wohingegen bei größeren Strömen Leitungsverluste dominieren und ein 2L-Betrieb effizienter ist. Diese Erkenntnisse führen zu der erfindungsgemäßen Idee, bei niedrigen Lasten einen 3L-Wechselrichter und bei hohen Lasten einen 2L-Wechselrichter zu verwenden. Mittels des erfindungsgemäßen steuerbaren drei- oder mehrstufigen Wechselrichters ist dieser Betrieb möglich.
Insgesamt lassen sich somit - vor allem bei mit Doppelrotormotoren ausgestatteten elektrischen Maschinen - die Vorteile des 2L-Betriebs mit den Vorteilen des 3L-Betriebs kombinieren, um so insgesamt die Gesamteffizienz des elektrischen Antriebssystems im Vergleich zu bekannten elektrischen Antriebssystemen signifikant zu verbessern.
Eine weitere der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Erkenntnis besteht darin, dass eine Wicklung einer Radialfluss-Doppelrotormaschine zur Drehmomentabstützung kraftübertragend ausgelegt werden kann. Ein der vorliegenden Erfindung zugrunde liegender Aspekt besteht somit darin, die in dem Statorkern angeordnete Wicklung zur Drehmomentabstützung selbsttragend auszulegen.
Unter einer selbsttragenden Auslegung der Wicklung ist zu verstehen, dass eine zur Abstützung des Antriebsmoments ausreichende Steifigkeit und Festigkeit der Wicklung gegenüber Torsion um die Maschinenachse gegeben ist. Die selbsttragende Wicklung ist insbesondere in einen weichmagnetischen Statorkern zur magnetischen Flussführung eingebettet. Hierbei ergibt sich der besondere Vorteil, dass der Statorkern selbst keine inhärente Torsionssteifigkeit bezüglich der Maschinenachse benötigt und auch keine sonstige Hilfskonstruktion zur Festlegung des Statorkerns benötigt wird. Vielmehr wird das Drehmoment, insbesondere vollständig, über die Wicklung abgestützt.
Bei der Wicklung handelt es sich um eine sogenannte verteilte Wicklung. Darunter ist zu verstehen, dass Hin- und Rückleiter der Wicklungsstränge in tangentialer Richtung derart am Umfang verteilt sind, dass jeweils in tangentialer Richtung zwischen Hin- und Rückleiter eines Stranges die Leiter anderer Stränge positioniert sind. Hierdurch entsteht eine Verschachtelung, die insbesondere im Wickelkopfbereich eine Kreuzung von Leitern jeweils unterschiedlicher Stränge erfordert. Verteilte Wicklungen stehen insbesondere im Gegensatz zu sogenannten Zahnspulenwicklungen, bei denen Hin- und Rückleiter eines Stranges in jeweils benachbarten Nuten liegen, was zu kreuzungsfreien Wickelköpfen führt.
Somit wird eine bisher unbekannte bzw. auf dem Gebiet der Radialfluss-Doppelrotormaschinen bisher technisch nicht umsetzbare Funktionsintegration geschaffen, indem der verteilten Wicklung zusätzlich zur Stromführung eine tragende Funktion zur Abstützung des Drehmoments gegeben wird. Beispielsweise kann dazu an einem axialen Ende eine mechanische Fixierung der Wicklung außerhalb des Statorkerns vorgesehen sein.
Zur Herstellung einer derartigen Wicklung wird eine integrale Fertigung der Wicklung in dem bestehenden Statorkern vorgeschlagen. Die Einzelstäbe der Wicklung werden dazu in axialer Richtung der Schraubenlinie der Statornuten folgend durch die radial inneren und radial äußeren Statornuten gesteckt und an den Leiterenden verbunden. Vorzugsweise wird hierbei eine stoffschlüssige Verbindung durch Schweißen oder Löten vorgesehen. Somit wird die Wicklung formschlüssig mit dem Statorkern verbunden.
Der gewählte Steigungswinkel (auch Schränkwinkel) der Statornuten bzw. der damit beschriebenen Schraubenlinien stellt sicher, dass mittels Verbindung der eingebrachten Leiterstäbe ineinander verschachtelte Leiterschleifen gebildet werden, die somit eine verteilte Wicklung bilden. Der in Bezug auf die Mittelachse überstrichene Winkel der Leiterschleifen in der Maschine umschließt jeweils einen magnetischen Pol der Rotoren. Auf diese Weise ist trotz der Funktionsintegration eine sehr einfache Herstellung des Stators ermöglicht, welche mit sehr wenigen Bauteilen und vergleichsweise einfacher herkömmlicher Verbindungstechnik und dadurch auch mit sehr wenigen Fertigungsschritten auskommt.
Der so ausgeführte Stator kann nun mit inneren und äußeren Rotoren aus Vollmaterial zu einer Synchronmaschine eines erfindungsgemäßen elektrischen Antriebssystems vervollständigt werden. Beispielsweise handelt es sich um permanentmagneterregte Rotoren mit Oberflächenmagneten und/oder vergrabenen Magneten, Kurzschlussläufer oder elektrisch erregte Läufer. Auch hybride Varianten mit unterschiedlichen Läufervarianten im inneren und äußeren Rotor können vorgesehen sein. Eine besonders vorteilhafte Ausführung ergibt sich, wenn die Rotoren aus weichmagnetischem Vollmaterial und mit oberflächenmontierten Permanentmagneten ausgeführt sind. Das geringe Oberfeldspektrum der hier beschriebenen Wicklungsvarianten und der durch die Magnete gewährleistete Abstand des Vollmaterials vom Luftspalt verhindert das Entstehen unzulässig großer Verluste durch Wirbelströme in den Rotoren. In dieser Ausführung können dann vorteilhaft vergleichsweise hohe Wirkungsgrade erreicht werden und die Rotoren dennoch sehr kostengünstig gefertigt werden.
Die Synchronmaschine kann beispielsweise in eine Fahrzeugachse integriert und zum Antrieb eines Antriebsrads vorgehsehen sein. Insbesondere kann die Synchronmaschine getriebelos mit dem Antriebsrad gekoppelt sein.
Offenbart ist somit ferner gemäß einem Aspekt ein erfindungsgemäßes elektrisches Antriebssystem mit einer Fahrzeugachse, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, wobei die Synchronmaschine mit Doppelrotor getriebelos mit einem Antriebsrad gekoppelt ist.
Offenbart ist ferner gemäß einem Aspekt ein Kraftfahrzeug mit einem derartigen elektrischen Antriebssystem.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Synchronmaschine als Radialfluss-Doppelrotormaschine ausgebildet. Durch die erfindungsgemäße Konstruktion lässt sich aufgrund der Funktionsintegration die Masse einer Radialfluss-Doppelrotormaschine verringern und die Drehmomentdichte erhöhen.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Synchronmaschine für einen Radnabenantrieb, insbesondere als Radnabenmotor für ein elektrisch betreibbares Kraftfahrzeug, ausgebildet. Ein Radnabenmotor ist eine elektrische Maschine, die direkt in ein Rad und insbesondere in die Nabe eines Fahrzeugs eingebaut ist und gleichzeitig die Radnabe trägt. Ein Teil des Nabenmotors überträgt das erzeugte Drehmoment direkt auf das anzutreibende Rad, mit dem er umläuft. Hauptvorteil von solchen elektrischen Radnabenmotoren in Fahrzeugen ist gegenüber Antriebskonzepten mit einem zentralen Motor der Wegfall des klassischen Antriebsstrangs mit den je nach Ausprägung notwendigen Komponenten (Getriebe, Kardanwelle, Differenzialgetriebe, Antriebswelle, etc.). Da auch deren Übertragungsverluste wegfallen, bieten sich Potenziale zur Wirkungsgradsteigerung des gesamten Antriebssystems. Auch lässt sich bei einem elektrischen Radnabenmotor eine effiziente Rekuperation, also eine Rückgewinnung von elektrischer Energie beim Bremsen des Fahrzeugs, implementieren.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform handelt es sich um einen Radnabenantrieb mit einer Radialfluss-Doppelrotormaschine. Durch die erfindungsgemäße Konstruktion, welche die Masse einer Radialfluss-Doppelrotormaschine verringert und die Drehmomentdichte erhöht, ist eine bei Radnabenmotoren besonders vorteilhafte Reduzierung ungefederter Massen in einer Fahrzeugachse ermöglicht. Ferner kann erfindungsgemäß bei vergleichsweise hohem Durchmesser eine vergleichsweise kurze axiale Länge realisiert werden, was insbesondere im Radinneren bezüglich der Drehmomentabstützung und des Bauraums vorteilhaft ist. Andererseits sind erfindungsgemäß trotz der äußerst kompakten Bauweise auch sehr hohe Drehmomente möglich, welche insbesondere hoch genug sind um ohne ein Getriebe direkt ein Rad eines Fahrzeugs anzutreiben. Auf diese Weise werden besonders vorteilhaft Getriebeverluste vermieden, weiteres Gewicht eingespart und es sind besonders hohe Wirkungsgradvorteile erzielbar. Weiterhin erlaubt dieses hohe Drehmoment, welches bei Baugrößen innerhalb der Dimensionen üblicher Kraftfahrzeugfelgen bereits deutlich vierstellig, insbesondere größer als 5000 Nm, möglich ist, und so bereits in den Bereich der Haftungsgrenze von üblichen Straßenreifen reicht, sogar eine Hinterachs-Radbremse durch den Radnabenmotor zu ersetzen. Es sind somit bei der Anwendung als Radnabenmotor besondere Synergien ermöglicht.
Gemäß einer Ausführungsform ragt die Wicklung an zumindest einem axialen Ende über den Statorkern hinaus. Es ist ferner eine axial zu dem Statorkern versetzt angeordneten Trägereinrichtung vorgesehen, welche zum formschlüssigen Eingriff mit der Wicklung an dem zumindest einen axialen Ende zur Drehmomentabstützung ausgebildet ist. Auf diese Weise ist die selbsttragende Wicklung mit der axial zu dem Statorkern versetzt angeordneten Trägereinrichtung zur Drehmomentabstützung formschlüssig in Eingriff gebracht.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Synchronmaschine eine mechanisch festgelegte Basis auf. Die Trägereinrichtung steht zur Drehmomentabstützung in formschlüssigem Eingriff mit dem zumindest einen axialen Ende der Wicklung und ist an der Basis abgestützt. Die Trägereinrichtung ist durch eine geeignete Methode fest mit der Basis als dem stehenden Teil der Synchronmaschine verbunden. Eine mögliche Ausführung sieht dazu Ausnehmungen, beispielsweise Durchgangsbohrungen, für kraftschlüssige Befestigungsmittel, wie beispielsweise Schrauben, vor. Es wären aber selbstverständlich alternativ oder zusätzlich auch formschlüssige Verbindungsmittel und/oder eine stoffschlüssige Verbindung denkbar. Gemäß einer Ausführungsform weist der Doppelrotor einen radial innerhalb des Statorkerns angeordneten ersten Rotor aus Vollmaterial und einen radial außerhalb des Statorkerns angeordneten zweiten Rotor aus Vollmaterial auf. Vorzugsweise sind die Rotoren fest miteinander gekoppelt, beispielsweise verprägt, vernietet oder verschraubt.
Gemäß einer Ausführungsform besteht das flussführende Material im Doppelrotor bzw. in dem ersten und zweiten Rotor aus Eisen oder einer Eisenlegierung. Vorteilhaft wird damit der magnetische Fluss optimiert.
Gemäß einem ebenfalls besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Synchronmaschine eine dreiphasige Synchronmaschine ist. In diesem Fall ist die Wechselrichterschaltung vorzugsweise zumindest als Dreiphasenwechselrichter ausgebildet. Eine Erkenntnis der vorliegenden Erfindung besteht auch darin, dass Synchronmaschinen, die sich einer drei- oder mehrstufigen Wechselrichtertopologie bedienen, eine wesentlich verbesserte Gesamteffizienz des Antriebssystems zeigen.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Wechselrichterschaltung eine Betriebsmodus-Einstelleinrichtung auf, welche dazu ausgelegt ist, den Wechselrichter in Abhängigkeit einer Gesamteffizienz des elektrischen Antriebssystems von einem drei- oder mehrstufigen Betrieb in einen zwei-stufigen Betrieb und umgekehrt zu überführen, wobei die Gesamteffizienz eine Funktion des erfassten Phasenstroms der Synchronmaschine sowie zumindest eines weiteren die Gesamteffizienz beeinflussenden Parameters und/oder einer weiteren die Gesamteffizienz beeinflussenden Eigenschaft der Synchronmaschine ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Wechselrichterschaltung eine Betriebsmodus-Einstelleinrichtung auf, welche dazu ausgelegt ist, den Wechselrichter in Abhängigkeit einer Gesamteffizienz des elektrischen Antriebssystems von einem drei- oder mehrstufigen Betrieb in einen zweistufigen Betrieb und umgekehrt zu überführen, wobei die Gesamteffizienz eine alleinige Funktion des erfassten Phasenstroms der Synchronmaschine oder eine Funktion zumindest einer weiteren die Gesamteffizienz beeinflussenden Eigenschaft der Synchronmaschine ist.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Betriebsmodus-Einstelleinrichtung eine Auswerteeinrichtung auf, welche dazu ausgelegt ist, anhand des Phasenstroms oder der zumindest einer weiteren Eigenschaft eine Optimierung der Gesamteffizienz vorzunehmen. Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist diese eine speziellen Wechselrichterschaltung verbunden mit einer Anpassung des gesamten Antriebssystems auf, wodurch zwar eine Erhöhung des Gesamtnutzens möglich ist, ohne dass damit eine Erhöhung der Kosten einhergeht. Es wird dazu die Verwendung eines neuartigen steuerbaren drei- oder mehrstufigen Wechselrichters vorgeschlagen, der in einem Drei- oder Mehrstufenbetrieb (nachfolgende als 3L-Betrieb bezeichnet) und in einem Zweistufenbetrieb (nachfolgende als 2L-Betrieb bezeichnet) betreibbar ist. Eine eigens dafür vorgesehen Betriebsmodus-Einstelleinrichtung stellt dabei den jeweiligen Betriebsmodus ein, indem die Leistungsschalter des Wechselrichters in geeigneter Weise angesteuert werden. Die Einstellung des Betriebsmodus erfolgt dabei nach Maßgabe der Gesamteffizienz des gesamten Antriebssystems - und damit nicht etwa nur auf der Basis der Synchronmaschine und/oder des verwendeten Wechselrichters. Für die Gesamteffizienz werden dabei neben dem erfassten Phasenstrom der Synchronmaschine - wie auch bei anderen Wechselrichtern - zusätzlich auch weitere die Gesamteffizienz beeinflussenden Parameter und/oder Eigenschaften der Synchronmaschine berücksichtigt. Letzteres wird bei bekannten Antriebssystemen für die Effizienzbetrachtung und Effizienzanalyse eben nicht berücksichtigt. Erfindungsgemäß erfolgt hier also eine gesamtheitliche Effizienzbetrachtung.
Eine Idee der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, die Verluste vor allem bei kleinen Lasten zu reduzieren, indem der Wechselrichter in diesem Fall in einem 3L-Betrieb betrieben wird. Dabei werden die Verluste des Wechselrichters in allen Betriebspunkten höchstens unwesentlich erhöht oder sogar verringert. Die Gesamteffizienz des Antriebssystems, also des Wechselrichters und der Synchronmaschine, steigt damit besonders bei Anwendung in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen signifikant an.
Gemäß einem bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung weist die Wechselrichterschaltung eine Betriebsmodus-Einstelleinrichtung auf. Wesentlich dabei ist, dass die Betriebsmodus-Einstelleinrichtung nicht notwendigerweise hart vom 2L-Betrieb in den 3L-Betrieb und umgekehrt umschaltet. Vielmehr wäre auch denkbar, wenn eine solches Umschalten stattdessen sukzessive erfolgt, beispielsweise indem ein Fading von den inneren Leistungsschaltern zu den äußeren Leistungsschaltern stattfindet. Dieses Fading kann zum Beispiel unter Berücksichtigung der Strommittelwerte der verschiedenen Leistungsschalter vorgenommen werden, sodass die Betriebszeiten bzw. die Zeiten, in denen die jeweiligen Leistungsschalter angeschaltet sind, berücksichtigt werden. Zusätzlich oder alternativ wäre auch denkbar, wenn die Leistungsschalter nach einer vorgegebenen Reichenfolge und/oder langsam geschaltet werden.
Die Betriebsmodus-Einstelleinrichtung, die zum Beispiel eine Auswerteeinrichtung, eine Steuereinrichtung und/oder Messeinrichtungen aufweist, kann beispielsweise als Programm gesteuerte Einrichtung, wie etwa als Mikroprozessor oder Mikrocontroller, ausgebildet sein. Denkbar wäre für diese Funktion jedoch auch eine Logikschaltung, wie etwa ein FPGA, PLD oder dergleichen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung weist die Betriebsmodus-Einstelleinrichtung eine Auswerteeinrichtung auf. Die Auswerteeinrichtung ist dazu ausgelegt, anhand des Phasenstroms sowie anhand des zumindest einen weiteren Parameters und/oder der zumindest einen Eigenschaft des elektrischen Antriebssystems eine Optimierung der Gesamteffizient des elektrischen Antriebssystems vorzunehmen.
Typischerweise, jedoch nicht notwendigerweise, wird dabei die Gesamteffizienz von der Auswerteschaltung nummerisch berechnet. Zusätzlich oder alternativ kann die Gesamteffizienz anhand eines vorgegebenen Kennlinienfelds, welche zum Beispiel in einer Lookup-Tabelle abgebildet ist, ermittelt werden. Dabei kann die Ermittlung der Gesamteffizienz während des Betriebs oder etwa auch im Voraus berechnet bzw. ermittelt werden. Bevorzugterweise wird dabei in einem so genannten Offline-Betrieb die optimale, d.h. möglichst effiziente Betriebsstrategie vor dem Betrieb des elektrischen Antriebssystems, zum Beispiel numerisch, berechnet. Dies lässt sich mit vergleichsweise geringen Rechnerressourcen bewerkstelligen und ist vor allem dann zu bevorzugten, wenn eine Vielzahl von Parametern bei der numerischen Vorausberechnung der optimalen Gesamteffizienz berücksichtigt werden. Zudem steht für den Offline-Betrieb mehr Zeit für die Berechnung zur Verfügung. Alternativ wäre jedoch auch in einem so genannten Real-Time-Betrieb eine sehr dynamische Ermittlung des jeweiligen Betriebsmodus (2L-Betrieb oder 3L-Betrieb) denkbar und möglich, zum Beispiel über eine Lookup-Tabelle. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft und möglich, wenn eine geringere Anzahl an Parametern für die Gesamteffizienzberechnung herangezogen wird. Beispielsweise könnte man für diese Zwecke ein trainiertes künstliches Netzwerk verwenden, welches auf der Basis von vorherigen Parameterwerten, Kennlinien und dergleichen trainiert wurde.
Einer bevorzugten Ausgestaltung zufolge weist die Auswerteeinrichtung ein Optimierungsmodul auf, welches dazu ausgebildet ist, die Gesamteffizienz zunächst zu ermitteln. Alternativ oder zusätzlich kann anschließend über eine Optimierungsfunktion die Gesamteffizient unter Berücksichtigung des Phasenstroms sowie des zumindest einen weiteren Parameters und/oder Eigenschaft optimiert werden. Die Optimierung der Gesamteffizienz kann dabei analytisch und/oder über eine geeignete Lookup-Table, welche zum Beispiel vorher generiert wurde, erfolgen.
Als weiterer Parameter ist zumindest einer der folgenden Parameter vorgesehen:

- Temperatur der Wechselrichterschaltung;
- Temperatur der Synchronmaschine;
- Zwischenkreisspannung des Wechselrichters;
- Rotorgeschwindigkeit oder Rotordrehzahl;
- Drehmoment der Synchronmaschine;
- Modulationsgrad;
- Phasenspannung oder Phasenstrom.

Denkbar wären natürlich auch noch weitere Parameter.
Der jeweils verwendete Betriebsmodus (z.B. 2L-Betrieb oder 3L-Betrieb) wäre zum Beispiel ein die Gesamteffizienz beeinflussende Eigenschaft der Synchronmaschine. Eine weitere Eigenschaft kann in der speziellen Ausgestaltung des Rotors der Synchronmaschine gesehen werden, etwa dergestalt, dass der Rotor ein Doppelrotor ist und/oder dass der Doppelrotor aus flussführendem Material aus Vollmaterial ausgebildet ist.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die Betriebsmodus-Einstelleinrichtung zumindest eine Messeinrichtung auf:

Eine erste Messeinrichtung weist zumindest einen Sensoreingang auf, über den die erste Messeinrichtung mit der Synchronmaschine koppelbar ist. Die erste Messeinrichtung ist dabei dazu ausgebildet, den Phasenstrom, die Temperatur, die Rotorgeschwindigkeit und/oder andere messbare Parameter zu erfassen. Zum Beispiel lässt sich die Temperatur der Synchronmaschine oder deren Rotoren über entsprechende Thermoelemente erfassen. Alternativ lässt sich für die Temperaturmessung auch die Veränderung des temperaturabhängigen elektrischen Widerstands von bestimmten Leitern und Halbleitern oder etwa spezielle Halbleiterschaltungen, um eine zur absoluten Temperatur proportionale Spannung zu erzeugen (Stichwort: Bandabstandsreferenz), nutzen. Das Drehmoment der Synchronmaschine kann zwar nicht direkt erfasst werden, lässt sich jedoch unter anderem über die Messung des Phasenstroms berechnen. Die Drehzahl des Rotors und daraus die Rotorgeschwindigkeit lassen sich auf mannigfaltige Art und Weise ermitteln, beispielsweise unter Verwendung eines am Rotor angebrachten Hall-Sensors oder eines Inkrementalgebers.

Eine zweite Messeinrichtung die derart angeordnet und ausgebildet, um die Temperatur und/oder die Zwischenkreisspannung des Wechselrichters zu erfassen. Die Temperaturerfassung kann analog wie oben bzgl. der ersten Messeinrichtung vorgenommen werden.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel beinhaltet der Wechselrichter eine T-Typ neutralpunkt geklemmte (TNPC = t-type neutral point clamped) Wechselrichterarchitektur.
Diese weisen gegenüber mehrstufigen Active Neutral Point Clamped- (ANPC) Wechselrichtertopologien diverse Vorteile auf: Im Gegensatz zu ANPC Topologien sind nicht vier, sondern maximal drei Schalter in Serie leitend und somit die Durchlassverluste geringer. Die Ausgangsspannungsformen sind identisch, was zu ähnlich geringen Schaltverlusten führt, jedoch ist bei höheren Schaltfrequenzen (zum Beispiel >10kHz) die benötigte Gesamtchipfläche der TNPC-Topologie im Vergleich zur Zwei-Level Topologie geringer. Ähnlich wie bei ANPC, kann auch bei TNPC eine hybride Wechselrichtertopologie aufgebaut werden, um die Effizienz weiter zu erhöhen und/oder die Herstellungskosten zu optimieren. Zum Beispiel können hierfür im Nullpotential- oder mittleren Brückenzweig unterschiedliche Schaltertechnologien verwendet werden. Vor allem im Falle eines vollständig mit IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) aufgebauten TNPC-Wechselrichters können die Verluste unter Verwendung von Galliumnitrid (GaN) drastisch reduziert werden. Eine Verwendung der hybriden TNPC-Wechselrichtertopologie in Motorregelungen auch in Elektrofahrzeugen ist möglich, in der Praxis aber nicht vorzufinden. Besonders vorteilhaft ist es dabei, den 3-Level Umrichter als T-Typ Umrichter auszuführen, wobei die die Mittelpunktschalter eine deutlich geringere Stromtragfähigkeit aufweisen als die äußeren Schalter. Im Bereich geringer Ausgangsdrehmoment wird der Umrichter dann im 3L-Betrieb betrieben und im Bereich hoher Ausgangsdrehmomente im 2L Betrieb. Vorteil dieser Ausführung ist es, dass die Oberschwindungsverluste im Bereich kleiner Ausgangsdrehmomente vermieden werden, wo sie von besonderer Relevanz sind.
TNPC-basierte 3L-Wechselrichter können in zwei Betriebsarten betrieben werden, um die Systemeffizienz zu erhöhen. Bei 3L-TNPC Wechselrichtern können die Nullpotential (mittleren) Brückenzweige abgeschaltet werden, um im 2L-Betrieb zu arbeiten, und hinzugeschaltet zu werden, um in den 3L-Betrieb zu wechseln. Zwischen beiden Betriebsmodi wird gewechselt, um den Systemwirkungsgrad zu erhöhen. Dafür wird die Last in der Steuer- und Regelungslogik gemessen und mit Hilfe einer zuvor ermittelten Optimierungskennlinie zwischen 2L- und 3L-Operation gewechselt.
Zusätzlich oder alternativ können TNPC-basierte 3L-Wechselrichter asymmetrisch ausgelegt werden, um die Kosten des Wechselrichters zu reduzieren. Die Asymmetrie bezieht sich auf die Stromtragfähigkeit der Nullpotential (mittleren) Brückenzweige, welche geringer ist als die der äußeren Brückenzweige. Dies ist möglich, da die Nullpotential-Brückenzweige bei höheren Lasten nicht mehr genutzt werden, um die Gesamteffizienz zu optimieren. Die äußeren Brückenzweige sind auf Spitzenströme und die Nullpotential-Brückenzweige auf kleine oder kontinuierliche Ströme ausgelegt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist der Wechselrichter eine erste Treiberstufe und zumindest eine zweite Treiberstufe auf. Die zweite Treiberstufe ist dazu ausgelegt, Ausgangslastströme an den Lastausgang zu führen, welche kleiner sind als die von der ersten Treiberstufe bereit gestellten Ausgangslastströme.
Vorzugsweise ist dabei die Betriebsmodus- Einstelleinrichtung dazu ausgelegt, den Wechselrichter derart zu steuern, dass abhängig von der Gesamteffizienz im drei- oder mehrstufigen Betrieb die erste Treiberstufe sowie die zweite Treiberstufe aktiviert sind und im zweistufigen Betrieb zumindest eine der Treiberstufen deaktiviert ist, vorzugsweise die innere, zweite Treiberstufe.
Typischerweise, jedoch nicht notwendigerweise, weist die erste Treiberstufe zumindest eine Brückenschaltung, insbesondere eine Halbbrückenschaltung, auf, deren Mittelabgriff den Ausgangslastanschluss der Wechselrichterschaltung bildet. Jede Brückenschaltung weist dabei zumindest einen ersten (Halbleiter-)Leistungsschalter auf, welche mit einem ersten Versorgungsanschluss (welcher zum Beispiel mit einem positiven Versorgungspotential beaufschlagt ist) verbunden sind und welche dazu ausgelegt sind, am Lastausgang eine erste Spannungsstufe bereitzustellen. Jede Brückenschaltung weist ferner zumindest einen zweiten (Halbleiter-)Leistungsschalter auf, welche mit einem zweiten Versorgungsanschluss (welcher zum Beispiel mit einem negativen Versorgungspotential oder einem Bezugspotenzial beaufschlagt ist) verbunden sind und welche dazu ausgelegt sind, am Lastausgang eine zweite Spannungsstufe bereitzustellen. Die halbleiterbasierten Leistungsschalter können mit verschiedenen beliebig wählbaren Halbleitermaterialien realisiert werden. Üblicherweise eingesetzte Materialien sind Si (Silizium) für IGBTs und MOSFETs, SiC (Siliziumkarbid) für MOSFETs und GaN (Galliumnitrid) für MOSFETs.
Typischerweise, jedoch nicht notwendigerweise, weist die zweite Treiberstufe zumindest einen dritten Leistungsschalter auf, deren Laststrecken in Reihe zwischen einer Zwischenkreisschaltung und dem Mittelabgriff der ersten Treiberschaltung geschaltet sind. Die Leistungsschalter der zweiten Treiberstufe sind dazu ausgelegt, am Lastausgang einen dritten Spannungslevel, der zwischen dem ersten und dem zweiten Spannungslevel liegt, bereitzustellen.
Im Fall einer bevorzugten, so genannten homogenen Wechselrichtertopologie sind alle Leistungsschalter des Wechselrichters, also die Leistungsschalter der ersten Treiberstufe und/oder der zweiten Treiberstufe, als Halbleiterschalter desselben Schaltertyps und/oder derselben Halbleitertechnologie ausgebildet. Schaltertypen sind zum Beispiel, Bipolartransistoren, Feldeffekttransistoren (wie etwa MOSFETs, JFETs, etc.), Thyristoren, IGBTs, etc. Unter der Halbleitertechnologie wird diejenige Halbleitertechnologie bezeichnet, auf deren Basis der Leistungsschalter hergestellt wird, wie etwa auf Basis der Si-, SiC-, GaAs- oder GaN-Technologie.
In einer ersten, bevorzugten Variante der homogenen Wechselrichtertopologie sind die Halbleiterschalter als GaN-Leistungsschalter, zum Beispiel als GaN-MOSFET, ausgebildet. In einer zweiten, besonders bevorzugten Variante sind die Halbleiterschalter als SiC-Leistungsschalter, insbesondere als SiC-MOSFETs, ausgelegt. Darüber hinaus wären IGBTbasierte Leistungsschalter, beispielsweise Silizium-basierte IGBTs mit Si-Diode oder SiC-Diode, ebenfalls denkbar.
Im Fall einer besonders bevorzugten, so genannten hybriden Wechselrichtertopologie sind für die Halbleiterschalter des Wechselrichters, also für die Halbleiterschalter der ersten Treiberstufe und/oder für die Halbleiterschalter der zweiten Treiberstufe, zumindest zwei unterschiedliche Schaltertypen und/oder zumindest zwei unterschiedliche Halbleitertechnologien vorgesehen. Bei der hybriden Wechselrichtertopologie werden innerhalb des Wechselrichters nicht die gleichen Halbleitermaterialien für alle Leistungsschalter verwendet. Insbesondere wird für die Leistungsschalter des Nullpotential-Brückenzweiges, also für die zweite Treiberstufe, eine andere Technologie (andere Schaltertypen) verwendet als für die äußeren Schalter der ersten Treiberstufe. Dadurch realisiert man Effizienzvorteile bedingt durch reduzierten Schalt- und Durchlassverlusten. Zusätzlich ergeben sich auch Kostenvorteile. Empfehlenswert ist insbesondere die Optimierung der Leistungsschalter in den Nullpotential-Brückenzweigen (zweite Treiberstufe) auf niedrige Schaltverluste und möglichst geringe Reverse-Recovery Verluste. Dies ist sinnvoll, da die Nullpotential-Brückenzweige (zweite Treiberstufe) bei geringen Strömen aktiviert sind und niedrige Reverse-Recovery Verluste zudem die Schaltverluste in den äußeren Schaltern reduzieren. Ein hybrides Design ist insbesondere dann zu empfehlen, wenn der Wechselrichter asymmetrisch ausgelegt ist. Je geringer die Stromtragfähigkeit der Nullpotential-Brückenzweige (zweite Treiberstufe) ist, desto geringer sind die Mehrkosten für schaltverlustoptimierte Schalter.
In einer ersten, besonders bevorzugten Variante sind die Halbleiterschalter der ersten Treiberstufe als IGBTs (Silizium oder SiC) mit Freilaufdiode ausgebildet. In diesem Fall können die Halbleiterschalter der zweiten Treiberstufe vorzugsweise als SiC-Leistungsschalter, insbesondere als SiC-MOSFETs, ausgebildet sein.
In einer zweiten, gleichfalls bevorzugten Variante sind die Halbleiterschalter der ersten Treiberstufe als SiC-MOSFETs ausgelegt. In diesem Fall können die Halbleiterschalter der zweiten Treiberstufe als GaN-basierte MOSFETs ausgelegt sein.
In einer dritten bevorzugten Variante sind die Halbleiterschalter der ersten Treiberstufe als IGBTs mit Freilaufdiode ausgelegt. In diesem Fall können die Halbleiterschalter der zweiten Treiberstufe als GaN-Leistungsschalter, insbesondere als GaN-MOSFETs, ausgelegt sein.
Gemäß einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel besteht das flussführende Material im Rotor aus Eisen oder einer Eisenlegierung. Elektrische Drehfeldmaschinen - und hier vorzugsweise Synchronmaschinen mit Doppelrotor - können im Rotor mit flussführendem Material in Massivbauweise d.h. aus Vollmaterial, ausgeführt werden. Das ist damit zu begründen, dass in einer idealisierten Betrachtung bei Synchronmaschinen keine periodische Relativbewegung zwischen dem Richtungsvektor des von der Ständerwicklung erzeugten Drehfelds und dem Doppelrotor stattfindet. Die magnetische Flussdichte in einem Betriebspunkt ist damit konstant und es treten keine Eisenverluste im Material auf. Bei solchen permanentmagneterregten Maschinen, deren Magnete auf der Läuferoberfläche montiert sind, ermöglicht der hierdurch gewährleistete Abstand zwischen Ständernuten und flussführendem Material den Einsatz von Vollmaterial ohne ein Ansteigen der Zusatzverluste.
Gemäß einem ebenfalls besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die Synchronmaschine einen Stator mit einem Ständer auf, wobei der Ständer zur Führung eines vorrangig radialen Magnetflusses, insbesondere zur Vermeidung einer Magnetflussführung in tangentialer Richtung, ausgebildet ist. Es handelt sich somit um eine so genannte „jochlose“ Ausführung des Stators, die insbesondere eine Magnetflussführung in umfänglicher Richtung vermeidet. Ein magnetischer Rückschluss im Ständer ist dabei nicht erforderlich, wodurch Gewicht und Eisenverluste reduziert werden.
Gemäß einer Ausführungsform weist der Ständer des Stators eine radiale Jochdicke auf, welche weniger als 30%, vorzugsweise weniger als 20%, besonders bevorzugt weniger als 10% einer gesamten radialen Ständerdicke beträgt. Bei einer so genannten „jochlosen“ Ausführung wird auf diese Weise dennoch eine mechanische Verbindung der Ständerzähne bereitgestellt, was elektromagnetisch jedoch nicht notwendig wäre und worüber auch kein funktionsrelevanter Magnetfluss stattfindet. Der Begriff „jochlos“ bezieht sich somit auf die elektromagnetische Auslegung des Ständers.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Wicklung derart torsionssteif ausgelegt, dass ein im Betrieb einer Radialfluss-Doppelrotormaschine auf den Statorkern wirkendes Drehmoment über die torsionssteife Wicklung an dem Trägerelement, insbesondere vollständig, abstützbar ist. Auf diese Weise können vorteilhaft sämtliche andersartige Kraftabstützungseinrichtungen, insbesondere für den Statorkern, entfallen.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Statorkern zur Führung eines vorrangig radialen Magnetflusses ausgebildet. Es handelt sich somit um eine sogenannte „jochlose“ Ausführung des Statorkerns, die insbesondere eine Magnetflussführung in umfänglicher bzw. tangentialer Richtung vermeidet. Ein magnetischer Rückschluss im Statorkern ist dabei nicht erforderlich, wodurch Gewicht und Eisenverluste reduziert werden.
Gemäß einer Ausführungsform weist der Statorkern eine radiale Jochdicke auf, welche weniger als 30%, vorzugsweise weniger als 20%, besonders bevorzugt weniger als 10% einer gesamten radialen Statorkerndicke beträgt. Bei einer sogenannten „jochlosen“ Ausführung wird auf diese Weise dennoch eine mechanische Verbindung der Statorzähne bereitgestellt, was elektromagnetisch jedoch nicht notwendig ist und worüber auch kein funktionsrelevanter Magnetfluss stattfindet. Der Begriff „jochlos“ bezieht sich somit insbesondere auf die elektromagnetische Flussführung des Statorkerns.
Erfindungsgemäß ist die Wicklung aus miteinander, insbesondere stabwerkartig, verbundenen Leiterstäben gebildet. Insbesondere können die Leiterstäbe stoffschlüssig verbunden sein, beispielsweise durch Schweißen oder Löten. Es wären aber auch andere Verbindungstechniken denkbar. Vorzugsweise sind jeweils zwei Leiterstäbe an den Leiterstabenden verbunden und alle Leiterstäbe gemeinsam bilden so ein Stabwerk. Das mit den Leiterstäben gebildete Stabwerk ist vorteilhaft in sich torsionssteif gestaltet und zur Momentenübertragung um die Mittelachse des Stators ausgelegt. Ferner sind die Leiterstäbe mit einer zur Kraftübertragung ausreichenden Dicke ausgebildet. Bei einem Radnabenmotor kann die Dicke der Leiterstäbe beispielsweise im Bereich mehrerer Millimeter ausgebildet sein. Es kann sich insbesondere um Stäbe mit Vierkantprofil handeln mit Kantenlängen von mehreren Millimetern.
Erfindungsgemäß weist die Wicklung eine radial innere Lage von schraubenförmig angeordneten Leiterstäben und eine radial äußere Lage von entgegengesetzt schraubenförmig angeordneten Leiterstäben auf. Auf diese Weise wird durch die Wicklung ein Stabwerk gebildet, welches eine hohe Torsionssteifigkeit aufweist. Die Leiterstäbe der inneren Lage und die Leiterstäbe der äußeren Lage beschreiben dabei jeweils eine Schraubenlinie, deren Windungsrichtungen bzw. Steigungen entgegengesetzt zueinander sind. Ein in Bezug auf die Mittelachse des Stators überstrichener Winkel der Schraubenlinie zwischen Beginn und Ende eines Leiterstabs ist insbesondere derart ausgebildet, dass in einer Radialfluss-Doppelrotormaschine eine Leiterschleife pro Pol der Rotoren gebildet ist. Der vorzusehende überstrichene Winkel lässt sich somit aus dem Quotienten aus einer ganzen Umdrehung (2n oder 360°) und der doppelten Polpaarzahl p errechnen.
Gemäß einer Ausführungsform weist die radial innere Lage und die radial äußere Lage der Wicklung jeweils die Stärke eines einzelnen Leiterstabes auf. Das heißt, eine Phase der Wicklung ist jeweils mit dem Querschnitt eines einzelnen Leiterstabs gebildet. Eine derartige erfindungsgemäße Ausbildung einer Wicklung ist unter anderem durch die spezielle Bauweise der Radialfluss-Doppelrotormaschine ermöglicht, welche die bei Leitern ansonsten vorhandene Stromverdrängung zur Oberfläche mittels ihrer magnetischen Symmetrie unterbindet. Auf diese Weise sind vergleichsweise dicke Leiterquerschnitte ermöglicht und es wird dennoch eine relativ gleichmäßige Stromverteilung über den Querschnitt erreicht. Beispielsweise kann die Dicke der Leiterstäbe im Bereich mehrerer Millimeter ausgebildet sein. Es kann sich insbesondere um Stäbe mit Vierkantprofil handeln mit Kantenlängen von mehreren Millimetern, beispielsweise im Bereich von 2 mm bis 6 mm, insbesondere im Bereich von 3 mm bis 5 mm. Andere Querschnittsformen sind ebenfalls möglich.
Erfindungsgemäß sind die Leiterstäbe entsprechend dem schraubenförmigen Verlauf jeweils derart tordiert ausgebildet, dass ein Querschnitt eines Leiterstabes bezogen auf eine radiale Achse des Querschnitts an jeder Stelle des Leiters gleich ist. Insbesondere handelt es sich um eine Torsion eines, insbesondere nichtrunden, Leiterstabs um die Mittelachse des Stators beziehungsweise der Maschine. Je nach Verlauf der Schraubenform können die Leiterstäbe zusätzlich auch gebogen sein. Die innere und die äußere Lage sind dabei zueinander verschränkt, das heißt entgegengesetzt verdreht, tordiert und gegebenenfalls gebogen, angeordnet. Auf diese Weise ist die Ausrichtung eines Leiterstabs unter mechanischen Gesichtspunkten an jeder Stelle des Statorkerns ideal zur Kraftübertragung mit dem Statorkern ausgerichtet, sodass der jeweilige Leiterstab über seine Länge gleichmäßig belastet wird. In dem entstehenden Stabwerk nehmen die Leiter bei Beaufschlagung mit Tangentialkraft somit vorteilhaft vorwiegend Zug- und Druckspannungen auf. Auf diese Weise werden Lastspitzen und Verformungen der Leiterstäbe vermieden. Insbesondere gegenüber einer Ausführung mit achsparallelen, geraden Leitern können die mechanischen Spannungen somit signifikant gesenkt werden.
Gemäß einer Ausführungsform sind die einer gleichen Phase der Wicklung zugehörigen Leiterstäbe der radial inneren und äußeren Lage jeweils an den Leiterstabenden miteinander verbunden, insbesondere über ein radial angeordnetes Leiterstabstück und/oder mittels stoffschlüssiger Verbindung. Hierdurch entsteht neben einer Leiterschlaufe auch eine torsionssteife stabwerkartige Struktur, so dass bei Fixierung eines axial zugänglichen Wicklungsendes ein hohes Drehmoment von der Wicklung aufgenommen werden kann, ohne unzulässig große Verformungen und/oder Spannungszustände hervorzurufen. Somit ist nur durch den Wicklungswerkstoff, beispielsweise Kupfer, ohne zusätzliche Trägermittel oder -elemente die selbsttragende Ausführung der Wicklung ermöglicht.
Gemäß einer Ausführungsform enthält der Statorkern ein Statorblechpaket mit dem Wicklungsverlauf entsprechend schraubenförmig verlaufenden Statornuten, wobei in jeder Statornut des Statorblechpakets ein einzelner Leiterstab angeordnet ist. Die Wicklung bzw. das damit gebildete selbsttragende Stabwerk ist somit in dem Statorblechpaket eingebettet. Analog zu den Leiterstäben der Wicklung ändern die Statornuten daher in Abhängigkeit von der axialen Position ihre tangentiale Lage, sodass die Schraubenform entsteht. Die Richtung der Lageänderung folgt dabei den Leiterstäben, d.h. die Mittellinie der radial außen liegenden Nuten und der radial innen liegenden Nuten beschreiben ebenfalls jeweils eine Schraubenlinie, deren Windungsrichtungen entgegengesetzt sind.
Bei weiteren Ausführungsformen wären auch andere dem Fachmann bekannte Herstellungsarten zur Herstellung der erfindungsgemäßen Statorkerngeometrie mit den entgegengesetzt schraubenförmig verlaufenden radial inneren und äußeren Statornuten denkbar, insbesondere auch additive Herstellungsarten, wie Sinterverfahren oder dergleichen.
Gemäß einer Ausführungsform ist in jeder Statornut des Statorblechpakets nur ein einziger Leiterstab platziert. Wie bereits in Bezug auf die Wicklung erläutert, sind die Leiterstäbe der innen und außen liegenden Statornuten durch Torsion um die Mittelachse der Maschine schraubenförmig gegeneinander verschränkt, so dass die Leiterenden der inneren und äußeren Lage zueinander geführt sind. An den Leiterstabenden sind die Leiterstäbe leitend miteinander verbunden, insbesondere über ein radial angeordnetes Leiterstabstück und/oder mittels stoffschlüssiger Verbindung, beispielsweise durch Schweißen oder Hartlöten.
Gemäß einer Ausführungsform bilden die leitfähig verbundenen Leiterstäbe der inneren und äußeren Lage gemeinsam wellenförmige Wicklungsstränge. Die Wicklungsstränge lassen sich durch entsprechende, dem Fachmann bekannte, Verschaltungen zu einer drehfelderzeugenden Wicklung mit einer gewünschten bzw. anpassbaren Strangzahl verschalten. Die spannungshaltende Strangwindungszahl ergibt sich unmittelbar aus dem Quotienten der Anzahl der Nuten im Zähler und einem Produkt der Strangzahl und der Anzahl paralleler Zweige im Zähler. Vorteilhafterweise wird die Anzahl paralleler Zweige zu 1 gewählt. In diesem Fall ergibt sich die einfachst mögliche Verschaltung der Wicklung.
Gemäß einer Ausführungsform sind die Statorbleche des Statorblechpakets mit zur Ausbildung der Statornuten vorgesehenen Ausnehmungen jeweils gleich ausgebildet. Der schraubenförmige Verlauf der Statornuten ist dabei mittels einer zueinander verdrehten Stapelung der Statorbleche vorgesehen. Auf diese Weise kann das Statorblechpaket auf sehr wirtschaftliche Weise gefertigt werden, da für alle parallel angeordneten bzw. gestapelten Statorbleche die gleiche Stanzform eingesetzt werden kann. Dementsprechend sind zwei benachbarte Statorbleche leicht zu einander um einen vorbestimmten Winkel um die Mittelachse verdreht, sodass die Ausnehmungen in einer Überlappung zueinander angeordnet sind, welche dem Schraubenlinienverlauf entspricht.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform enthält das Statorblechpaket ein inneres Teilpaket mit radial inneren Statornuten und ein äußeres Teilpaket mit radial äußeren Statornuten. Die Statorbleche des inneren Teilpakets sind dabei mit einer jeweils gleichen Geometrie und die Statorbleche des äußeren Teilpakets sind dabei mit einer jeweils gleichen Geometrie ausgeführt. Die Statorbleche des inneren Teilpakets und die Statorbleche des äußeren Teilpakets sind dabei gegensätzlich zueinander verdreht gestapelt. Auf diese Weise lassen sich mit geringem Fertigungsaufwand die entgegengesetzten Schraubenlinien der Statornuten realisieren. Dennoch ist eine nach wie vor sehr wirtschaftliche Fertigungsweise ermöglicht, da für alle parallel angeordneten bzw. gestapelten Statorbleche des inneren Teilpakets die gleiche Stanzform eingesetzt werden kann und für alle parallel angeordneten bzw. gestapelten Statorbleche des äußeren Teilpakets die gleiche Stanzform eingesetzt werden kann. Dementsprechend sind zwei benachbarte Statorbleche des inneren Teilpaktes in eine erste Richtung leicht zu einander um einen vorbestimmten Winkel um die Mittelachse verdreht und zwei benachbarte Statorbleche des äußeren Teilpaktes in eine zweite entgegengesetzte Richtung leicht zu einander um einen vorbestimmten Winkel um die Mittelachse verdreht. Auf diese Weise sind die Ausnehmungen der Statorbleche des inneren Teilpakets und die Ausnehmungen der Statorbleche des äußeren Teilpakets in einer entgegengesetzten Überlappung zueinander angeordnet, welche dem entgegengesetzten Schraubenlinienverlauf entspricht.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die Statorbleche mit zur Ausbildung der Statornuten vorgesehenen Ausnehmungen jeweils unterschiedlich ausgebildet. Der schraubenförmige Verlauf der Statornuten ist dabei mittels unterschiedlicher Abstände der Ausnehmungen in den einzelnen Statorblechen vorgesehen. Insofern wird hierbei für jede Position eines Statorblechs innerhalb des Stapels eine individuell passende Statorblechform hergestellt, wobei innerhalb des Stapels sich die einzelnen Geometrien auch wiederholen können. Die Herstellung kann in diesem Fall beispielsweise mittels eines hinsichtlich der Form im Vergleich zu einem Stanzprozess flexibleren Strahlschneidprozesses, insbesondere Laserstrahlschneidprozess, realisiert werden. Ebenfalls denkbar wären flexible Stanzformen mit veränderlicher Geometrie oder bei sehr hoher Stückzahl selbstverständlich auch mehrere individuelle Stanzformen für jede der unterschiedlichen Statorblechformen.
Gemäß einer Weiterbildung sind die Ausnehmungen für radial innere und radial äußere Statornuten jeweils in einem gemeinsamen Statorblech integriert ausgebildet, wobei der entgegengesetzt schraubenförmige Verlauf der radial inneren und radial äußeren Statornuten durch eine fortwährende Verschiebung der inneren und äußeren Statornuten zueinander von Statorblech zu Statorblech vorgesehen ist. Auch hierbei wird für jede Position eines Statorblechs innerhalb des Stapels eine individuell passende Statorblechform hergestellt, wobei innerhalb des Stapels sich die einzelnen Geometrien auch wiederholen können. Auch hier wird zu Herstellung insbesondere auf flexible Trennprozesse, wie beispielsweise Laserstrahlschneiden, zurückgegriffen. Durch die so mögliche einteilige Herstellung der inneren und äußeren Ausnehmungen wird vorteilhaft die Anzahl der Teile reduziert.
Gemäß einer Ausführungsform weisen die Statorbleche gerade, insbesondere gestanzte, Kanten auf. Eine Breite der für die Statornuten vorgesehenen Ausnehmungen ist dabei um einen durch die Steigung der Schraubenform des Verlaufs der Statornuten und durch die Blechstärke der Statorbleche vorbestimmten Betrag größer als die Breite der Leiterstäbe ausgebildet. Eine durch den Versatz zwischen den Ausnehmungen der Statorbleche verringerte lichte Breite bzw. durchgängige Breite der Statornuten entspricht somit im Wesentlichen der Breite eines Leiterstabs. In der Praxis ist die durchgängige lichte Breite der Statornut zur Bereitstellung einer zum Einführen der Leiterstäbe notwendigen Spielpassung geringfügig größer als die Breite des Leiterstabs vorgesehen. Der Rand einer Statornut beschreibt somit eine Treppenform mit der jeweiligen Blechstärke als Stufen, an welcher sich der Leiterstab gleichmäßig abstützt. Auf diese Weise wird die Drehmomentabstützung gleichmäßig über die gesamte Dicke des Statorblechpakets bzw. über die gesamte in dem Statorblechpaket aufgenommene Länge der Leiterstäbe ermöglicht.
Gemäß einer Ausführungsform ist ein von den Statornuten jeweils überstrichener Winkel kleiner als ein von den Leiterstäben jeweils überstrichener Winkel. Der überstrichene Winkel bezieht sich jeweils auf eine Drehung um die Mittelachse des Stators. Der Unterschied der überstrichenen Winkel kommt dadurch zustande, dass die Leiterstäbe axial über den Statorkern hinausstehen und somit länger ausgebildet sind als die Statornuten. Da sich der schraubenförmige Verlauf ebenfalls fortsetzt, ergibt sich ein größerer dadurch überstrichener Winkel. Der besagte Unterschied ist vorgesehen, damit eine ausreichende Zugänglichkeit der Wicklungsenden zum Verbinden, insbesondere Verschweißen, der Leiterstabenden nach dem Einführen in die Statornuten gewährleistet ist. Ferner ist auf diese Weise ein axial zu dem Statorkern versetztes Eingreifen der Wicklung mit der Trägereinrichtung bzw. deren Trägerelement ermöglicht.
Aus dem Quotienten der überstrichenen Winkel, also einem Verhältnis des von den Statornuten jeweils überstrichenen Winkels zu dem von den Leiterstäben jeweils überstrichenen Winkel, lässt sich ein sogenannter Polbedeckungsgrad für das Statorblechpaket definieren.
Gemäß einer Ausführungsform liegt ein Verhältnis des von den Statornuten jeweils überstrichenen Winkels zu dem von den Leiterstäben jeweils überstrichenen Winkel in einem Bereich zwischen 0.6 und 0.8, insbesondere zwischen 0,6 und 0,75, vorzugsweise zwischen 0,6 und 0,7. Dieses Verhältnis (Polbedeckungsgrad) stellt in diesem Bereich ein Optimum zwischen durch Stromwärme entstehenden Verlusten und Drehmomentausnutzung bereit.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Trägereinrichtung ein Trägerelement auf, in welchem zu der schraubenförmigen Anordnung der Leiterstäbe korrespondierende und mit den Leiterstäben in Eingriff stehende Trägernuten vorgesehen sind. Auf diese Weise wird für die Abstützung des Drehmoments am axialen Ende eine formschlüssige Einbettung der Leiterstäbe in das Trägerelement vorgesehen. Vorzugsweise besteht ein Eingriff mit allen Leiterstäben, sodass die Drehmomentabstützung homogen bzw. gleichmäßig über das gesamte Stabwerk der Wicklung abgetragen wird.
Zur Übertragung des Drehmoments ist das Trägerelement mit einer mechanisch festgelegten Basis einer Radialfluss-Doppelrotormaschine koppelbar. Eine mögliche Ausführung sieht dazu Durchgangsbohrungen für kraftschlüssige Befestigungsmittel wie Schrauben vor, es wären aber selbstverständlich auch formschlüssige Verbindungsmittel oder eine stoffschlüssige Verbindung denkbar.
Gemäß einer Ausführungsform folgen die Trägernuten zumindest abschnittsweise dem schraubenförmigen Verlauf der tordierten Leiterstäbe. Insbesondere Weisen die Trägernuten einen gleichermaßen tordierten Verlauf wie die Leiterstäbe auf. Beispielsweise ist das Trägerelement im Wesentlichen ringförmig ausgebildet und weist Ausnehmungen an dem inneren und/oder äußeren Umfang auf, welche radial ausgerichtet sind und dem Verlauf der Leiterstäbe entsprechen.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Trägereinrichtung ein radial inneres Trägerelement zum Eingriff mit der radial inneren Lage der Leiterstäbe und ein radial äußeres Trägerelement zum Eingriff mit der radial äußeren Lage der Leiterstäbe auf. Bei dieser Ausführungsform können die Trägerelemente ringförmig ausgebildet sein, wobei das innere Trägerelement an seinem äußeren Umfang dem Verlauf der inneren Lage der Leiterstäbe entsprechende Nuten bzw. Zähne zur formschlüssigen Aufnahme der radial inneren Leiterstäbe und das äußere Trägerelement an seinem inneren Umfang dem Verlauf der äußeren Lage der Leiterstäbe entsprechende Nuten bzw. Zähne zur formschlüssigen Aufnahme der radial äußeren Leiterstäbe aufweist. Die Nuten bzw. Zähne folgen dabei insbesondere dem jeweiligen schraubenförmigen Verlauf. Durch die Anordnung am inneren oder äußeren Umfang sind die eingelassenen Nuten für eine mechanische Bearbeitung gut zugänglich, was die Herstellung der Trägerelemente vereinfacht.
Gemäß einer Ausführungsform einer Radialfluss-Doppelrotormaschine sind die Trägerelemente an der Basis fixiert und führen das Drehmoment so zum festen Teil der elektrischen Maschine. Die Trägerelemente können dazu einzeln mit der Basis, beispielsweise einem Gehäuse, der Maschine befestigt sein. Alternativ oder zusätzlich können auch die inneren und äußeren Trägerelemente miteinander befestigt sein.
Gemäß einer Ausführungsform eines Stators enthält die Trägereinrichtung einen wärmeleitenden Werkstoff, insbesondere ein Metall, vorzugsweise eine Aluminiumlegierung. Insbesondere können beide Trägerelemente einen solchen Werkstoff enthalten. Auf diese Weise wird neben einer hohen mechanischen Festigkeit auch eine Wärmeabfuhr aus der Wicklung über die Trägereinrichtung ermöglicht.
Gemäß einer Ausführungsform einer entsprechenden Radialfluss-Doppelrotormaschine mit einer einen wärmeleitenden Werkstoff enthaltenden Trägereinrichtung weist zusätzlich die Basis einen Kühlkörper auf, der zur Aufnahme von über die Trägereinrichtung aus dem Stator, insbesondere aus der Wicklung, abgeführter Wärme ausgebildet ist. Hierdurch weist die Trägereinrichtung eine hohe mechanische Festigkeit auf und gewährleistet gleichzeitig eine gute thermische Anbindung der Wicklung an den Kühlkörper. Beispielsweise kann das Gehäuse der Maschine als Kühlkörper dienen. Alternativ oder zusätzlich kann die Trägereinrichtung, vorzugsweise die inneren und äußeren Trägerelemente, in thermischem Kontakt mit einem aktiv gekühlten Kühlkörper der Maschine stehen. Auf diese Weise können die in der Wicklung bzw. in den Leiterstäben entstehenden Stromwärmeverluste effektiv abgeführt werden.
Gemäß einer Ausführungsform einer Radialfluss-Doppelrotormaschine ist sowohl an dem ersten Rotor als auch an dem zweiten Rotor eine vorbestimmte Anzahl von Poolpaaren vorgesehen. Ein von den Leiterstäben jeweils überstrichener Winkel ist dabei zur Ausbildung einer Leiterschleife pro Pol der Rotoren ausgebildet. Der vorzusehende überstrichene Winkel lässt sich somit aus dem Quotienten aus einer ganzen Umdrehung (2π oder 360°) und der doppelten Polpaarzahl p errechnen.
Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale der Erfindung. Insbesondere wird dabei der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen.
INHALTSANGABE DER ZEICHNUNG
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen dabei:

1 anhand eines Blockschaltbildes ein erfindungsgemäßes elektrisches Antriebssystem;
2 anhand eines Blockschaltbildes ein elektrisches Antriebssystem gemäß einer Ausführungsform;
3 anhand einer schematischen Querschnittsdarstellung ein Beispiel für eine elektrische Maschine des erfindungsgemäßen elektrischen Antriebssystems gemäß 1;
4 anhand eines Blockschaltbildes eine drei- oder mehrstufige Wechselrichterschaltung für ein erfindungsgemäßes elektrisches Antriebssystem entsprechend 1;
5 anhand eines Schaltbildes ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Wechselrichterschaltung;
6 anhand eines Flussdiagramms ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Antriebssystems;
7 eine schematische Längsschnittdarstellung eines Stators;
8 eine schematische Längsschnittdarstellung einer Radialfluss-Doppelrotormaschine;
9 eine Explosionsdarstellung eines Stators gemäß einer Ausführungsform;
10 eine Explosionsdarstellung einer Radialfluss-Doppelrotormaschine gemäß einer Ausführungsform;
11 eine Explosionsdarstellung einer Radialfluss-Doppelrotormaschine gemäß einer weiteren Ausführungsform;
12 eine perspektivische Darstellung der Radialfluss-Doppelrotormaschine gemäß 11 im montierten Zustand;
13 eine perspektivische Längsschnittdarstellung einer Radialfluss-Doppelrotormaschine gemäß einer noch weiteren Ausführungsform;
14 eine Explosionsdarstellung eines Statorblechpakets eines Statorkerns;
15 eine schematische Längsschnittdarstellung einer Statornut;
16 eine perspektivische Darstellung einer Wicklung;
17 eine Draufsicht einer Wicklung;
18 eine perspektivische Darstellung einer FEM Simulation einer Wicklung unter Last;
19 eine perspektivische Darstellung einer FEM Simulation einer Vergleichs-Wicklung mit gerader Ausführung der Leiterstäbe unter Last; und
20 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung eines Stators.

Die beiliegenden Zeichnungen sollen ein weiteres Verständnis der Ausführungsformen der Erfindung vermitteln. Sie veranschaulichen Ausführungsformen und dienen im Zusammenhang mit der Beschreibung der Erklärung von Prinzipien und Konzepten der Erfindung. Andere Ausführungsformen und viele der genannten Vorteile ergeben sich im Hinblick auf die Zeichnungen. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander gezeigt.
In den Figuren der Zeichnung sind gleiche, funktionsgleiche und gleich wirkende Elemente, Merkmale und Komponenten - sofern nichts anderes ausgeführt ist - jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
1 zeigt anhand eines Blockschaltbildes ein erfindungsgemäßes elektrisches Antriebssystem 10 für ein Kraftfahrzeug.
Das hier mit Bezugszeichen 10 bezeichnete elektrische Antriebssystem ist vorzugsweise - jedoch nicht notwendigerweise - für den Einsatz in einem Kraftfahrzeug vorgesehen.
Das Antriebssystem 10 umfasst zumindest eine mehrphasige elektrische Synchronmaschine 11 sowie eine Wechselrichterschaltung 12.
Die Synchronmaschine 11 ist in dem Blockschaltbild mit einem Abschnitt eines Querschnittsschemas symbolisiert dargestellt. Sie ist eingangsseitig mit der Wechselrichterschaltung 12 verbunden, welche die Maschine 11 antreibt.
Die Synchronmaschine 11 ist als Doppelrotormaschine ausgebildet und weist dementsprechend einen Doppelrotor mit zwei Rotoren 21, 22 auf. Ferner ist ein Stator mit einem Statorkern (2) und einer in dem Statorkern (2) platzierten verteilten Wicklung (3) vorgesehen, welche zur Drehmomentabstützung selbsttragend ausgelegt ist.
Der Doppelrotor ist bzw. die Rotoren 21, 22 sind aus flussführendem Material aus Vollmaterial aufgebaut.
Die Wechselrichterschaltung 12 ist erfindungsgemäß als drei- oder mehrstufige Wechselrichterschaltung 12 ausgebildet. Die Wechselrichterschaltung 12 weist zumindest einen Wechselrichter 13 auf.
Der Wechselrichter 13 ist über seinen Lastausgang 15 mit der elektrischen Maschine 11 und über Versorgungsanschlüsse 16, 17 mit einer Versorgungsspannungsquelle 18 gekoppelt. Der Wechselrichter 13 ist dabei dazu ausgelegt, eine versorgungsseitig aufgenommene Gleichspannung VDC in eine Wechselspannung VAC zu wandeln. Der Wechselrichter 13 ist als mehrphasiger Wechselrichter 13 ausgebildet, wobei die Anzahl der Phasen des Wechselrichters 13 typischerweise der Anzahl der Phasen der elektrischen Maschine 11 entspricht. Die elektrische Maschine 11 wird über die vom Wechselrichter 13 am Lastausgang 15 bereitgestellten Phasenströme angetrieben.
Vorzugsweise handelt es sich bei der Synchronmaschine um eine jochlose Doppelrotormaschine. Die torsionssteife Wicklung ist als verteilte Wicklung ausgebildet und weist ein entsprechend geringes Oberfeldspektrum auf. Aufgrund dieser Ausführung können die Rotoren aus Massiv- bzw. Vollmaterial gefertigt werden, da von der Wicklung nur geringe Oberfelder und resultierende Wirbelströme im Rotor erzeugt werden.
Mit der drei- oder mehrstufige Wechselrichterschaltung 12 können induzierte Stromoberschwingungen, die mit einem üblichen zweistufigen Umrichter Wirbelströme und Zusatzverluste in den Rotoren aus Vollmaterial hervorrufen würden, reduziert werden. Durch Betrieb der drei- oder mehrstufige Wechselrichterschaltung 12 können die ursächlichen Oberschwingungen in der Eingangsspannung deutlich reduziert werden, was zu einer Senkung der Verluste um mehr als 75% führt.
2 zeigt anhand eines Blockschaltbildes ein elektrisches Antriebssystem 10 gemäß einer Ausführungsform.
Bei der hier dargestellten Ausführungsform ist der Betriebsmodus der Wechselrichterschaltung 12 über eine Betriebsmodus-Einstelleinrichtung 14, welche eingangsseitig u.a. mit der elektrischen Maschine 11 gekoppelt ist, einstellbar. Insbesondere ist über die Betriebsmodus-Einstelleinrichtung 14 einstellbar, ob der Wechselrichter 13 in einem zweistufigen Betrieb, in einem drei- oder mehrstufigen Betrieb oder in einem Mischbetrieb arbeitet. Der Mischbetrieb bezeichnet einen Betriebsmodus, bei dem der Wechselrichter sowohl in einem zweistufigen Betrieb als auch drei- oder mehrstufigen Betrieb betrieben wird, wie dies zum Beispiel bei einem Übergang von einem Betriebsmodus zum nächsten vorkommen kann. Der Aufbau und die Funktionsweise der Betriebsmodus-Einstelleinrichtung 14 wird nachfolgend anhand der folgenden 4 bis 6 noch im Detail erläutert.
Die elektrische Maschine 11 ist eine Synchronmaschine 11, vorzugsweise, jedoch nicht notwendigerweise eine dreiphasige Synchronmaschine 11. In diesem Fall beinhaltet die Wechselrichterschaltung 12 vorzugsweise einen Dreiphasenwechselrichter 13.
Ebenfalls bevorzugt ist es, wenn die elektrische Maschine 11 des elektrischen Antriebssystems 10 ein Radnabenmotor für ein elektrisch betreibbares Kraftfahrzeug ist. Jedoch wären auch andere Anwendungen denkbar und vorteilhaft.
3 zeigt anhand einer schematischen Querschnittsdarstellung ein Beispiel für eine Synchronmaschine 11 des erfindungsgemäßen elektrischen Antriebssystems gemäß 1.
Ein für die Erfindung wesentlicher Aspekt ist der Umstand, dass die Synchronmaschine bzw. die elektrische Maschine 11 mit einem Doppelrotor 20 ausgestattet ist und dass der Doppelrotor ferner aus flussführendem Material aus Vollmaterial aufgebaut ist. Der Querschnitt des Doppelrotor- Synchronmaschine 11 ist in 3 dargestellt. Die Doppelrotormaschine 20 umfasst dabei den äußeren Rotor 21 und den inneren Rotor 22. Zwischen den beiden Rotoren 21, 22 ist der Stator 23 in an sich bekannter Weise angeordnet. Der Stator 23 kann dabei vorzugsweise, jedoch nicht notwendigerweise, ein jochloser Stator 23 sein.
Der äußere Rotor 21 und innere Rotor 22 sind vorzugsweise nicht geblecht, sondern aus Vollmaterial aufgebaut. Der innere Rotor 22 ist dabei rohrförmig ausgebildet. Denkbar wäre jedoch eine massive, vollvolumige Ausgestaltung des inneren Rotors 22.
Zwischen dem äußeren Rotor 21 und dem Stator 23 sind im gezeigten Bespiel zwei gegenpolige Magnete 24, 25 auf der inneren Oberfläche des äußeren Rotors 21 im äußeren Luftspalt 26 aufgesetzt. Denkbar und vorteilhaft wäre es, wenn die Magnete 24, 25 in eigens dafür vorgesehenen taschenförmige Ausnehmungen äußeren Rotors 21 eingebettet sind. Denkbar wäre jedoch auch, wenn die Magnete 24, 25 vom äußeren Rotor 21 beabstandet sind, also nicht direkt auf dessen innerer Oberfläche angebracht sind. Die Flusslinien 27 zwischen Nord- und Südpol der gegenpoligen Magnete 24, 25 verlaufen hier im Kernmaterial des äußeren Rotors 21.
Zwischen dem inneren Rotor 22 und dem Stator 23 sind im gezeigten Bespiel ebenfalls zwei gegenpolige Magnete 28, 29 auf der inneren Oberfläche des inneren Rotors 22 im inneren Luftspalt 30 aufgesetzt. Auch hier können die Magnete 28, 29 in entsprechende Taschen des inneren Rotors 22 eingebettet sein oder vom inneren Rotor 22 beabstandet sein. Die Flusslinien 31 zwischen Nord- und Südpol der gegenpoligen Magnete 28, 29 verlaufen hier im Kernmaterial des inneren Rotors 22.
Das flussführende Material im äußeren und/oder inneren Rotor 21, 22 besteht dabei vorzugsweise aus massivem Eisen oder einer entsprechenden massiven Eisenlegierung.
4 zeigt anhand eines Blockschaltbildes eine drei- oder mehrstufige Wechselrichterschaltung für ein elektrisches Antriebssystem entsprechend 2.
Die Wechselrichterschaltung 12 umfasst dabei - wie bereits anhand der 2 erläutert, zwei Versorgungsanschlüsse 16, 17, einen Lastausgang 15, einen drei- oder mehrstufigen Wechselrichter 13 sowie eine Betriebsmodus-Einstelleinrichtung 14.
An dem ersten Versorgungsanschluss 16 ist ein erstes Versorgungspotenzial V11, beispielsweise ein positives Versorgungspotenzial, abgreifbar. An dem zweiten Versorgungsanschluss 17 ist ein zweites Versorgungspotenzial V12, beispielsweise ein negatives Versorgungspotenzial oder ein Bezugspotenzial, abgreifbar. Damit liegt zwischen den Versorgungsanschlüssen 16, 17 eine Versorgungsgleichspannung VDC=V11-V12 an.
Am Lastausgang 15 ist ein mehrphasiger Laststrom I1 abgreifbar, über welchen die verschiedenen Phasen der über den Lastausgang 15 anschließbaren elektrischen Maschine 11 betrieben werden.
Zwischen den Versorgungsanschlüssen 16, 17 und dem Lastausgang 15 ist der steuerbare drei- oder mehrstufige Wechselrichter 13 angeordnet. Der Wechselrichter 13 ist dazu ausgelegt, eine versorgungsseitig aufgenommene Gleichspannung VDC in eine Wechselspannung VAC zu wandeln, um am Lastausgang den mehrphasiger Laststrom I1 bereitzustellen.
Der Wechselrichter 13 weist eine erste Treiberstufe 40 und zumindest eine zweite Treiberstufe 41 auf. Die zweite Treiberstufe 41 ist dazu ausgelegt, Ausgangslastströme an den Lastausgang 15 zu führen, welche kleiner sind als die von der ersten Treiberstufe 40 bereit gestellten Ausgangslastströme.
Die Betriebsmodus-Einstelleinrichtung 14 dient dem Zweck, den Betriebsmodus des Wechselrichters 13 und damit der gesamten Wechselrichterschaltung 12 einzustellen und somit zu steuern. Insbesondere ist der Wechselrichter 13 dazu ausgelegt, den Wechselrichter 13 entweder in einem ersten Betriebsmodus in einem drei- oder mehrstufigen Betrieb oder in einem zweiten Betriebsmodus in einem zweistufigen Betrieb zu betreiben. Denkbar wäre auch zumindest ein dritter Betriebsmodus, welcher eine Mischform von zweistufigem Betrieb und drei- oder mehrstufigem Betrieb beinhaltet. Der dritte Betriebsmodus wäre insbesondere bei einem Übergang vom ersten Betriebsmodus in den zweiten Betriebsmodus und umgekehrt denkbar und sinnvoll.
Die Betriebsmodus-Einstelleinrichtung 14 steuert dabei den verwendeten Betriebsmodus des Wechselrichters 13 abhängig von der Gesamteffizienz des gesamten elektrischen Antriebssystems 10. Die Gesamteffizienz ist dabei eine Funktion des erfassten Phasenstroms der elektrischen Maschine 11 sowie zumindest eines weiteren die Gesamteffizienz beeinflussenden Parameter und/oder eines weiteren die Gesamteffizienz beeinflussende Eigenschaft der elektrischen Maschine 11.
Zum Zwecke der Einstellung des jeweils verwendeten Betriebsmodus umfasst die Betriebsmodus-Einstelleinrichtung 14 zumindest eine der nachfolgenden Einrichtungen:

- eine Auswerteeinrichtung 42;
- eine erste Messeinrichtungen 43;
- eine zweite Messeinrichtungen 44;
- eine Steuereinrichtung 45.

Die Auswerteeinrichtung 42 ist dazu ausgelegt, anhand des Phasenstroms sowie des zumindest einen weiteren Parameter und/oder der zumindest einer weiteren Eigenschaft eine Optimierung der Gesamteffizienz des elektrischen Antriebssystems 10 vorzunehmen. Dies kann zum Beispiel in-situ, also während des Betriebs des elektrischen Antriebssystems 10 erfolgen. Vorzugsweise wird die relativ rechenaufwändige Berechnung jedoch im Vorhinein vorgenommen, beispielsweise durch geeignete Berechnung (z.B. numerisch oder analytisch) und/oder unter Verwendung eines vorgegebenen Kennlinienfelds. Beispielsweise erfolgt die nummerische Effizienzberechnung für den 2L-Betrieb und 3L-Betrieb sowie das Abbilden der Funktion mit Entscheidungsausgang im Vorherein, also offline. Die Wahl der besseren Effizienz mit Hilfe der Umschaltung sowie die Anwendung der Lookup-Tabelle auf die Effizienzermittlung kann auch - jedoch nicht ausschließlich - mehr oder weniger dynamisch während des Betriebs vorgenommen werden.
Zum Zweck der Optimierung weist die Auswerteeinrichtung 42 ein Optimierungsmodul 46 auf. Das Optimierungsmodul 46 berechnet zunächst die Gesamteffizienz. Anschließend wird zum Beispiel über eine Optimierungsfunktion die Gesamteffizienz unter Berücksichtigung des Phasenstroms sowie des zumindest einen weiteren Parameters und/oder Eigenschaft analytisch oder über eine Lookup-Table optimiert.
Die Betriebsmodus-Einstelleinrichtung 14 umfasst darüber hinaus auch erste und/oder zweite Messeinrichtungen 43, 44. Die erste Messeinrichtung 43 weist zum Beispiel zumindest einen Sensoreingang 47 auf. Dabei ist die Betriebsmodus-Einstelleinrichtung 14 über die Sensoreingänge 47 mit der elektrischen Maschine 11 koppelbar, um elektrische oder physikalische Parameter der elektrischen Maschine 11, wie etwa den Phasenstrom, die Temperatur und/oder die Rotorgeschwindigkeit der elektrischen Maschine 11 aufzunehmen und zu erfassen. Die zweite Messeinrichtung 44 die derart angeordnet, um zum Beispiel die Temperatur und/oder die Zwischenkreisspannung des Wechselrichters 13 zu erfassen. Über die zweite Messeinrichtung 44 lässt sich darüber hinaus auch die Versorgungsspannung VDC erfassen.
Die eigentliche Steuerung des Wechselrichters erfolgt dabei über eine eigens dafür vorgesehen Steuereinrichtung 45. Die Steuereinrichtung 45 stellt dabei den jeweiligen Betriebsmodus des Wechselrichters 13 ein, d.h. ob der Wechselrichter 13 im drei- oder mehrstufigen Betrieb oder im zweistufigen Betrieb betrieben wird. Die Steuereinrichtung 45 kann zum Beispiel den Wechselrichter 13 derart steuern, dass im drei- oder mehrstufigen Betrieb beide Treiberstufen 40, 41 aktiviert sind und im zweistufigen Betrieb die zweite Treiberstufe 40 deaktiviert ist.
5 zeigt anhand eines Schaltbildes ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Wechselrichterschaltung.
An den Versorgungsanschlüssen 16, 17 liegt die Versorgungsgleichspannung VDC, wobei am ersten Versorgungsanschluss 16 das Versorgungspotenzial V11 = VDC/2 und am zweiten Versorgungsanschluss 17 das Versorgungspotenzial V12 = -VDC/2 abgreifbar ist. Denkbar wäre auch eine Konstellation, bei der am zweiten Versorgungsanschluss 17 ein Bezugspotenzial, beispielsweise das Potenzial der Bezugsmasse GND, anliegt. In dem Fall würde am ersten Versorgungsanschluss 16 das Versorgungspotenzial V11 = VDC abgreifbar sein.
Eingangsseitig des Wechselrichters 13 ist eine Zwischenkreisschaltung 50 bestehend aus einer Reihenschaltung zweier Zwischenkreiskondensatoren 51, 52 geschaltet. Die Zwischenkreisschaltung 50 fungiert als Energiespeicher.
Der in 5 dargestellte Wechselrichter 13 beinhaltet eine T-Typ neutralpunkt geklemmte Wechselrichterarchitektur.
Zu diesem Zweck weist die erste, äußere Treiberstufe im gezeigten Fall eines 3-phasigen Wechselrichters drei Halbbrückenschaltungen 53a-53c auf, die bezüglich deren Laststrecken jeweils ebenfalls lastseitig zwischen den Versorgungsanschlüssen 16, 17 geschaltet sind. Die jeweiligen Mittelabgriffe 54a-54c der Halbbrückenschaltungen 53a-53c bilden jeweils eine Ausgangslastanschluss 15a-15c des Wechselrichters 13. Jede der Halbbrückenschaltungen 53a-53c weist dabei jeweils einen ersten steuerbaren Leistungsschalter T1, T2, T3 auf, die als High-Side-Schalter ausgebildet sind. Diese ersten Leistungsschalter T1, T2, T3 sind mit dem ersten Versorgungsanschluss 16 verbunden. Die ersten Leistungsschalter T1, T2, T3 sind dazu ausgelegt sind, am Lastausgang 15 eine erste Spannungsstufe bereitzustellen. Jede der Halbbrückenschaltungen 53a-53c weist ferner jeweils einen zweiten steuerbaren Leistungsschalter T4, T5, T6 auf, die als Low-Side-Schalter ausgebildet sind. Diese zweiten Leistungsschalter T4, T5, T6 sind mit dem zweiten Versorgungsanschluss 17 verbunden. Die zweiten Leistungsschalter T4, T5, T6 sind dazu ausgelegt, am Lastausgang 15 eine zweite Spannungsstufe bereitzustellen.
Die zweite, innere Treiberstufe 41 ist zwischen dem Mittelabgriff 55 der Zwischenkreisschaltung und den Ausgangslastanschlüssen 15a-15c - und somit den jeweiligen Mittelabgriffen 54a-54c der Halbbrückenschaltungen 53a-53c - geschaltet. Die zweite Treiberstufe 41 umfasst im gezeigten Beispiel jeweils drei Schaltungszweige 56a-56c. Jeder der Schaltungszweige 56a-56c umfasst dabei eine Reihenschaltung aus zwei steuerbaren Leistungsschaltern T7/T8; T9/T10; T11/T12, die bezüglich derer Laststrecken antiparallel angeordnet sind. Die steuerbaren Leistungsschalter T7/T8; T9/T10; T11/T12 sind dazu ausgelegt, am Lastausgang 15a-15c einen dritten Spannungslevel, der zwischen dem ersten und dem zweiten Spannungslevel liegt, bereitzustellen.
Zu Ansteuerung der jeweiligen steuerbaren Leistungsschalter weist die Steuereinrichtung 45 eine erste Steuereinheit 45a und eine zweite Steuereinheit 45b auf. Die erste Steuereinheit 45a ist dazu ausgebildet, die Leistungsschalter T1-T6 der ersten Treiberstufe 40 anzusteuern. Die zweite Steuereinheit 45b ist dazu ausgebildet, die Leistungsschalter T7-T12 der zweiten Treiberstufe 41 anzusteuern.
Bei dem Ausführungsbeispiel in 5 ist der Wechselrichter 13 hybrid ausgebildet. In diesem Falle sind die Leistungsschalter des Wechselrichters 13 nicht in derselben Halbleitertechnologie hergestellt und/oder vom selben Schaltertyp. Insbesondere sind im gezeigten Beispiel die Leistungsschalter T1-T6 Si-IGBTs mit Si-Freilaufdioden ausgebildet. Die Leistungsschalter T7-T12 sind als SiC-MOSFETs ausgebildet.
Alternativ (nicht in 5 gezeigt) können die Leistungsschalter T7-T12 als SiC-MOSFETs und die Leistungsschalter T1-T6 als GaN-MOSFETs ausgebildet sind.
Alternativ (ebenfalls nicht in 5 gezeigt) können die Leistungsschalter T7-T12 als IGBT mit Freilaufdiode und die Leistungsschalter T1-T6 als GaN-Leistungsschalter, insbesondere als GaN-MOSFETs, ausgebildet sind.
Alternativ (ebenfalls nicht in 5 gezeigt) können in einer so genannten homogenen Wechselrichtertopologie alle Leistungsschalter T1-T12 des Wechselrichters 13 vom selben Schaltertyps sein und/oder mit derselben Halbleitertechnologie hergestellt sein, zum Beispiel als GaN-Leistungsschalter, SiC-Leistungsschalter, wie etwa SiC-MOSFETs, ausgelegt.
6 zeigt anhand eines Flussdiagramms ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Antriebssystems. Das elektrische Antriebssystem, welches beispielsweise ein Antriebssystem entsprechend 2 sein kann, weist dabei eine mit einem Doppelrotor ausgestattete Synchronmaschine auf. Der Doppelrotor ist aus flussführendem Material aus Vollmaterial aufgebaut.
In einem ersten Schritt S1 wird die Gesamteffizienz des elektrischen Antriebssystems ermittelt, beispielsweise offline. Hierzu wird zunächst der Phasenstrom der elektrischen Maschine des elektrischen Antriebssystems erfasst (S11). Zusätzlich wird zumindest ein weiterer, die Gesamteffizienz beeinflussender Parameter (S12) und/oder zumindest eine weitere die Gesamteffizienz beeinflussende Eigenschaft (S13) der elektrischen Maschine ermittelt.
Aus all diesen Informationen wird in einem nächsten Schritt S2 die Synchronmaschine betrieben. Hierzu wird eine steuerbare drei- oder mehrstufige Wechselrichterschaltung verwendet. Der steuerbare drei- oder mehrstufige Wechselrichter der Wechselrichterschaltung wird dabei in Abhängigkeit der Gesamteffizient des elektrischen Antriebssystems sowie der diese beeinflussenden Parameter und Eigenschaften entweder sowohl im drei- oder mehrstufigen Betriebsmodus S21 oder im zweistufigen Betriebsmodus S22 betrieben.
Denkbar wäre auch eine Mischform aus drei- oder mehrstufigem Betrieb und zweistufigem Betrieb. Eine solche Mischbetriebsform wäre beispielsweise bei einem Übergang vom drei- oder mehrstufigen Betrieb in den zweistufigen Betrieb denkbar und vorteilhaft, um zum Beispiel ein hartes Umschalten zu vermeiden. Letzteres könnte mit Verlusten und somit Effizienzeinbußen einhergehen.
7 zeigt eine schematische Längsschnittdarstellung eines Stators 101.
Es handelt sich hierbei um eine Prinzipskizze eines Stators 101 für eine als Radialfluss-Doppelrotormaschine ausgebildete Synchronmaschine 110 gemäß einer weiteren Ausführungsform (siehe dazu 8), insbesondere für einen Radnabenmotor. Der Stator weist einen Statorkern 102, eine Wicklung 103 und eine Trägereinrichtung 105 auf. Der Statorkern 102, die Wicklung 103 und die Trägereinrichtung 105 sind rotationssymmetrisch um die eingezeichnete Mittelachse M aufgebaut.
Die Wicklung 103 ist zur Drehmomentabstützung des Stators selbsttragend ausgeführt und ragt an zumindest einem axialen Ende 104 über den Statorkern 102 hinaus. Die Trägereinrichtung 105 ist axial zum Statorkern 102 versetzt angeordnet und ist formschlüssig mit der Wicklung 103 an zumindest einem axialen Ende 104 zur Drehmomentabstützung verbunden. Auf diese Weise kann ein an dem Statorkern 102 im Betrieb einer Radialfluss-Doppelrotormaschine 110anstehendes Drehmoment mittels der selbsttragenden Wicklung 103 an der Trägereinrichtung 105 abgestützt werden.
Die Wicklung 103 enthält ein Leitermaterial mit geringem elektrischem Widerstand, vorzugsweise Kupfer. Der Statorkern 102 ist bevorzugt aus einem weichmagnetischen Material zur magnetischen Flussführung aufgebaut. Die Trägereinrichtung enthält vorzugsweise ein wärmeleitendendes Material, beispielsweise eine Aluminiumlegierung. Selbstverständlich ist die Wicklung 103 elektrisch isoliert.
8 zeigt eine schematische Längsschnittdarstellung einer Radialfluss-Doppelrotormaschine.
Auch hierbei handelt es sich um eine rein illustrative Prinzipskizze. Die als Radialfluss-Doppelrotormaschine ausgebildete Synchronmaschine 110 weist demnach zusätzlich zu dem Stator 101 gemäß 7 eine mechanisch festgelegte Basis 111, einen ersten Rotor 112 und einen zweiten Rotor 113 auf. Der Statorkern 102, die Wicklung 103, die Trägereinrichtung 105, die Basis 111, der erste Rotor 112 und der zweite Rotor 113 sind ebenfalls rotationssymmetrisch um die eingezeichnete Mittelachse M aufgebaut.
Die Wicklung 103 ist zur Drehmomentabstützung des Stators 101 selbsttragend ausgeführt und ragt an zumindest einem axialen Ende 104 über den Statorkern 102 hinaus und ist über die Trägereinrichtung 105 an der Basis 111 abgestützt. Die Trägereinrichtung 105 ist dazu axial zum Statorkern 102 versetzt angeordnet und ist formschlüssig mit der Wicklung 103 an zumindest einem axialen Ende 104 zur Drehmomentabstützung verbunden. Die Trägereinrichtung 105 ist wiederum mit der Basis befestigt, sodass das Drehmoment über die Trägereinrichtung 105 an der Basis 111 abstützbar ist.
Der erste Rotor 112 ist radial innerhalb des Statorkerns 102 und der zweite Rotor 113 ist radial außerhalb des Statorkerns 102 angeordnet. Die Basis 111 kann beispielsweise als Gehäuse der Maschine ausgebildet sein und umfasst hier rein illustrativ eine als L-förmig ausgebildete Struktur, die mit zwei Schenkeln 107, 108 dargestellt ist. Die Darstellung ist nicht als abschließend zu verstehen, vielmehr kann die Basis weitere Komponenten und/oder strukturelle Abschnitte aufweisen. Der erste Schenkel 107 verläuft im Wesentlichen radial, der zweite Schenkel 107 im Wesentlichen axial mit dem größten Abstand zur Mittelachse M.
Rein schematisch ist die Trägereinrichtung 105 radial verlaufend einteilig dargestellt, sie kann aber auch mehrteilig und/oder mit einer anderen zum Formschluss mit der Wicklung 103 ausgebildeten Geometrie vorgesehen sein. Der dargestellte Überlapp der Wicklung 103 mit der Basis 111 ist rein der illustrativen schematischen Darstellung geschuldet und bedeutet keine direkte Verbindung. Die Wicklung 103 ist vorzugsweise über das Trägerelement 105 mit der Basis 111 zur Drehmomentabstützung verbunden.
Die Radialfluss-Doppelrotormaschine 110 gemäß 8 ist als Synchronmaschine 11 in einem elektrischen Antriebssystem 10 gemäß einer der 1 oder 2 sowie in Verbindung mit einer Wechselrichterschaltung 12 gemäß einer der 4 bis 6 einsetzbar.
9 zeigt eine Explosionsdarstellung eines Stators 101 gemäß einer weiteren Ausführungsform.
Der Stator 101 weist eine Wicklung 103, einen Statorkern 102 und eine Trägereinrichtung 105 auf, wobei hier eine vorteilhafte beispielhafte Ausführung dieser Komponenten genauer perspektivisch dargestellt ist.
Die Wicklung 103 ist aus einer inneren und äußeren Lage mit mehreren miteinander stabwerkartig verbundenen Leiterstäben 106 aufgebaut. Die Leiterstäbe 106 in den inneren und äußeren Lagen sind einander entgegengesetzt schraubenförmig angeordnet und an den Leiterstabenden mit einem die innere und äußere Lage verbindenden radialen Leiterstück 117 stoffschlüssig gekoppelt.
Die Dicke der inneren und äußeren Lage entspricht jeweils der Dicke eines Leiterstabs 106. Das heißt, die Wicklung 103 ist durch eine einzige die Leiterschlaufe bildenden Leiterschicht mit einem vergleichsweise großen Querschnitt in Form jeweils eines Leiterstabs 106 gebildet.
Durch die mit den Leiterstäben gebildete Stabwerkstruktur ist die Wicklung torsionssteif und dadurch zur Drehmomentabstützung selbsttragend ausgebildet.
Die Leiterstäbe 106 bilden dementsprechend wellenförmige Wicklungsstränge und lassen sich durch entsprechende, dem Fachmann bekannte und daher nicht weiter beschriebene Verschaltungen, wie beispielsweise Dreieckschaltung, Sternschaltung oder dergleichen, zu einer drehfelderzeugenden Wicklung beliebiger Strangzahl verschalten.
In der dargestellten Ausführungsform sind der Statorkern 102 und die Trägereinrichtung 105 beispielhaft jeweils aus zwei Komponenten aufgebaut. Für den Zusammenbau des Stators 101 werden die Wicklung 103, der Statorkern 102 und die Trägereinrichtung 105 ineinander verschachtelt angeordnet. Die Komponenten sind nach Zusammenbau koaxial zueinander ausgerichtet an der gemeinsamen Mittelachse M. Die hier beispielhaft zweiteilige Trägereinrichtung 105 ist axial versetzt zu den anderen Komponenten angeordnet und bildet die innerste und äußerste Komponente des Stators 101. Es handelt sich um einen inneren Ring und einen äußeren Ring, die jeweils mit Nuten zum formschlüssigen Eingriff mit den Leiterstäben ausgebildet sind.
Der hier beispielhaft zweiteilige Statorkern 102 ist mit zwei schraubenförmig gegeneinander verdrehten Statorblechpaketen 118 gebildet, worauf in Bezug auf 14 weiter im Detail eingegangen wird.
Der Statorkern 102 und die Trägereinrichtung 105 können bei weiteren Ausführungsformen jeweils auch einteilig oder mit mehr als zwei Teilen ausgeführt werden.
10 zeigt eine Explosionsdarstellung einer Radialfluss-Doppelrotormaschine 110 gemäß einer Ausführungsform.
Die Radialfluss-Doppelrotormaschine 110 weist, zusätzlich zu den Komponenten des Stators 101, einen ersten Rotor 112, zweiten Rotor 113 und eine Basis 111 auf. Der erste Rotor 112 ist radial innerhalb und zweite Rotor 112 radial außerhalb des Statorkerns 102 angeordnet. Die Rotoren 112, 113 sind bevorzugt aus einem weichmagnetischen Vollmaterial gefertigt und an der jeweiligen dem Statorkern zugewandten Oberfläche mit Permanentmagneten, sogenannten Oberflächenmagneten, als Pole besetzt. Bei weiteren Ausführungsformen können auch andere dem Fachmann bekannte Rotoren eingesetzt werden, beispielsweise mit vergrabenen Magneten, Kurzschlussläufer oder elektrisch erregte Läufer.
Die Basis 111 ist hier zur besseren Übersichtlichkeit lediglich schematisch dargestellt. Wie in der Beschreibung von 8 bereits beschrieben, ist die Basis 111 im montierten Zustand mit der Trägereinrichtung 105 befestigt. Die Basis 111 ist mechanisch gegenüber einem Bezugssystem, beispielsweise einem Träger einer Fahrzeugachse, festgelegt.
Die Radialfluss-Doppelrotormaschine 110 gemäß 10 ist als Synchronmaschine 11 in einem elektrischen Antriebssystem 10 gemäß einer der 1 oder 2 sowie in Verbindung mit einer Wechselrichterschaltung 12 gemäß einer der 4 bis 6 einsetzbar.
11 zeigt eine Explosionsdarstellung einer Radialfluss-Doppelrotormaschine 110 gemäß einer weiterer Ausführungsform.
Die Radialfluss-Doppelrotormaschine 110 weist hier im Wesentlichen gleiche Komponenten auf, wie in Bezug auf 9 und 10 ausgeführt. An der linken Seite der Figur sind im zusammengebauten Zustand der Statorkern 102, die Wicklung 103, der erste Rotor 112 und der zweite Rotor 113 dargestellt.
Die rechts dargestellte Trägereinrichtung 105 ist ebenfalls zweiteilig ausgeführt und unterscheidet sich durch die Ausgestaltung des jeweils ringförmigen inneren Trägerelements 127 und äußeren Trägerelements 128. Die Trägerelemente 127, 128 sind hier mit Trägernuten 126 ausgestattet. Diese sind bei dem äußeren Trägerelement 128 am inneren Umfang und bei dem inneren Trägerelement 127 am äußeren Umfang zum Eingriff mit den Leiterstäben 106 der Wicklung 103 vorgesehen.
Die Trägernuten 126 sind dazu entsprechend dem schraubenförmigen Verlauf der Leiterstäbe bzw. dessen Steigung axial angewinkelt ausgebildet, so dass sie mit den Leiterstäben 106 der Wicklung 103 in Eingriff gebracht werden können.
Die Trägerelemente 127, 128 sind bevorzugt aus einem leitenden Metall hergestellt, besonders bevorzugt aus einer Aluminiumlegierung. Die zweiteilige Ausführung der Trägerelemente 127, 128 ermöglich es, dass die Trägernuten 126 in der Herstellung für eine mechanische bzw. spanende Bearbeitung leicht zugänglich sind.
Das innere Trägerelement 127 und das äußere Trägerelement 128 sind jeweils umlaufend mit mehreren Bohrungen 109 zur Befestigung mit der Basis 111 versehen. Die Bohrungen 109 sind hier beispielhaft entlang eines Lochkreises gleichmäßig am Umfang verteilt angeordnet. Die einzelnen Bohrungen 109 befinden sich etwas außerhalb des Hauptkörpers der Trägerelemente und die Trägerelemente 127, 128 bilden daher an dem jeweils der Wicklung abgewandten Umfang eine Sternform aus. Selbstverständlich sind andere Verteilungen der Bohrungen 109 wie auch andere Arten von Befestigungsmittel für die Verbindung zur Basis 111 denkbar.
12 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Radialfluss-Doppelrotormaschine 110 gemäß 11 im montierten Zustand.
Die Trägereinrichtung 105 wird über die Bohrungen 109 beispielsweise in einem Maschinengehäuse (nicht abgebildet) als Basis 111 befestigt und führt so das Drehmoment zum mechanisch festgelegten Teil der Radialfluss-Doppelrotormaschine 110. Auf diese Weise kann das durch die Radialfluss-Doppelrotormaschine 110 erzeugte Drehmoment effektiv abgestützt werden. Die Befestigung der Trägereinrichtung 105 wird über entsprechende Befestigungsmittel (nicht abgebildet), beispielsweise Schrauben, realisiert.
Die Leiterstäbe 106 der Wicklung 103 erstrecken sich axial an beiden Seiten bis außerhalb des Statorkerns 102 und des ersten und zweiten Rotors 112, 113. Die schraubenförmig angeordneten Leiterstäbe 106 der radial inneren und äußeren Lage sind jeweils außerhalb des Statorkerns 102 miteinander verbunden.
Die Trägerelemente 127, 128 sind hier im Eingriff mit den Leiterstäben 106 der Wicklung 103 dargestellt. Es ist ersichtlich, dass in jeder Trägernut 126 ein Leiterstab 106 platziert ist, sodass alle Leiterstäbe formschlüssig mit der Trägereinrichtung gekoppelt sind. Somit kann ein über die Wicklung 103 abgestütztes Drehmoment über die Trägereinrichtung 105 an der an den Bohrungen 109 befestigten Basis 111 abgestützt werden.
Auch die Radialfluss-Doppelrotormaschine 110 gemäß 11 und 12 ist als Synchronmaschine 11 in einem elektrischen Antriebssystem 10 gemäß einer der 1 oder 2 sowie in Verbindung mit einer Wechselrichterschaltung 12 gemäß einer der 4 bis 6 vorteilhaft einsetzbar.
13 zeigt eine perspektivische Längsschnittdarstellung einer Radialfluss-Doppelrotormaschine 110 gemäß einer noch weiteren Ausführungsform.
Diese Ausführungsform entspricht im Wesentlichen dem Zusammenbau einer Radialfluss-Doppelrotormaschine 110 gemäß 10, auf deren Komponenten nachfolgend im Einzelnen weiter eingegangen wird.
Der Statorkern 102 weist ein inneres Teilpaket 123 und ein äußeres Teilpaket 124 auf. Die Teilpakete 123, 124 verlaufen ringförmig zwischen dem ersten und zweiten Rotor 112, 113. Aufgrund der Schnittdarstellung ist es auch, möglich die inneren und äußeren Lagen 114, 115 der innerhalb der Teilpakete 123, 124 verlaufenden Leiterstäbe 106 zu sehen.
Bei der dargestellten Radialfluss-Doppelrotormaschine 110 handelt es sich um eine sogenannte „jochlose“ Ausführung bei der das Joch zwischen zwei Zähnen nicht im funktionsrelevanten magnetischen Fluss liegt. Zwischen den Leiterstäben 106 verläuft somit zwar ein Statorjoch 130, welches aber lediglich dem mechanischen Zusammenhalt des Statorblechpakets 118 dient. Entsprechend dünn kann eine radiale Jochdicke gestaltet werden, welche in der dargestellten Ausführungsform beispielhaft etwa 10% der gesamten radialen Statordicke beträgt. Mit der vergleichsweise geringen Jochdicke wird zusätzlich unerwünschter magnetischer Streufluss im Joch reduziert. Bei weiteren Ausführungsformen kann zu diesem Zweck die radiale Jochdicke weniger als 30%, vorzugsweise weniger als 20%, besonders bevorzugt weniger als 10% der gesamten radialen Statordicke betragen.
Die Trägereinrichtung 105 weist auch hier ein inneres Trägerelement 127 und ein äußeres Trägerelement 128 auf. Die Trägerelemente 127, 128 sind hier gut erkennbar axial versetzt zu dem Stator 101 und den Rotoren 112, 113 angeordnet. Ferner ist wenigstens abschnittsweise der formschlüssige Eingriff der Trägerelemente 127, 128 mit den Leiterstäben 106 der inneren und äußeren Lagen 114, 115 erkennbar.
Ferner ist hier gut zu erkennen, dass die Leiterstäbe 106 der inneren und äußeren Lagen 114,115 an den Leiterstabenden 116 über ein radial angeordnetes Leiterstabstück 117 verbunden sind. Die Verbindung ist vorzugsweise als stoffschlüssige Verbindung realisiert, beispielsweise durch Laserstrahlschweißen.
Im Schnitt sind ferner die Oberflächenmagnete der Rotoren 112, 113 zu erkennen. Der erste Rotor 112 hat auf seiner äußeren Umfangsfläche mehrere Permanentmagnete montiert. Der zweiter Rotor 113 hat auf seiner inneren Umfangsfläche mehrere Permanentmagnete montiert.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform ergibt sich, wenn die Rotoren aus weichmagnetischem Vollmaterial und mit oberflächenmontierten Permanentmagneten ausgeführt sind. In dieser Ausführung können die Rotoren sehr kostengünstig gefertigt und ein hoher Wirkungsgrad erreicht werden.
14 zeigt eine Explosionsdarstellung des Statorblechpakets 118 des Statorkerns 102.
Das Statorblechpaket 118 des Statorkerns 102 weist, wie bereits erwähnt, ein inneres Teilpaket 123 und ein äußeres Teilpaket 124 auf. Dies dient der einfacheren Herstellung der gegensätzlich zueinander verdrehten Statornuten 119 mit gleichen zueinander verdreht gestapelten und an den gleichen Stellen mit Ausnehmungen versehenen inneren und äußeren Statorblechen 121, 122.
Bei weiteren Ausführungsformen können die Statorbleche auch einteilig ausgeführt sein, sodass eine Vielzahl unterschiedlich geformter Statorbleche mit unterschiedlich angeordneten Ausnehmungen vorgesehen und in der zur Ausbildung der Statornuten nötigen Reihenfolge gestapelt sind. Bei noch weiteren Ausführungsformen sind auch komplett einteilige Statorkerne 102 denkbar, die beispielsweise additiv gefertigt werden können.
Bei der dargestellten zweiteiligen Ausführung ist ein Innendurchmesser des äußeren Teilpakets 124 nahezu gleich mit dem Außendurchmesser des inneren Teilpakets 123. Dies ermöglicht es, das innere Teilpaket 123 koaxial innerhalb des äußeren Teilpakets 124 anzuordnen.
Die Teilpakete 123, 124 sind aus einzelnen aufeinander gestapelten ringförmigen Statorblechen 121, 122 aufgebaut. Die Statorbleche 121 des äußeren Teilpakets 124 sind mit auf dem äußeren Umfang verteilt positionierten Ausnehmungen zur Ausbildung der äußeren Statornuten 119 gefertigt. Die Statorbleche 122 des inneren Teilpakets 123 sind mit auf dem inneren Umfang verteilt positionierten Ausnehmungen zur Ausbildung der inneren Statornuten 120 gefertigt. Beispielsweise ist eine Fertigung derartiger Statorbleche durch Stanzen aufgrund der Kantengüte und sehr geringen Herstellungskosten vorteilhaft.
Die inneren und äußeren Statornuten 119, 120 beschreiben zueinander mit gleicher Steigung entgegengesetzt verlaufende Schraubenlinien, welche durch den eingezeichneten überstrichenen Winkel der Statornuten α charakterisiert werden. Der überstrichene Winkel der Statornuten a lässt sich aus dem Winkel zwischen der Position derselben Statornut auf einer axialen Seite des Statorkerns 102 und auf der anderen axialen Seite des Statorkerns 102 in Bezug auf die Mittelachse M definieren.
Die Statornuten 119, 120 sind hier beispielhaft als T-Nuten mit einer rechteckigen Ausnehmung mit verjüngter Öffnung ausgebildet. Diese sind insbesondere zur formschlüssigen Aufnahme von Leiterstäben mit rechteckigem Querschnitt vorgesehen. Selbstverständlich kann die Geometrie der Ausnehmungen bzw. Statornuten an die Leitergeometrie angepasst werden. Denkbar wären dazu auch andere Querschnittsformen.
15 zeigt eine schematische Längsschnittdarstellung einer Statornut 119, 120.
Die nutzbare bzw. durchgängige lichte Breite a der Statornuten 119, 120 innerhalb des Statorblechpakets 118 ist im Wesentlichen gleich der Breite der innerhalb des Statorkerns 102 aufgenommenen Leiterstäbe 106 ausgebildet.
Die Statorbleche 121, 122 weisen gerade, insbesondere gestanzte, Kanten auf. Aufgrund des Versatzes der Bleche zueinander ist eine Breite b der für die Statornuten 119, 120 vorgesehenen Ausnehmungen um einen durch die Steigung δ der Schraubenform des Verlaufs und die Blechstärke t vorbestimmten Betrag größer als die Breite d der Leiterstäbe 106 ausgebildet.
In 16 ist ein Leiterstab 106 mit gestrichelten Linien in der Statornut 119, 120 schematisch eingezeichnet, wobei die durchgängige lichte Breite a der Statornut 119, 120 zur Bereitstellung einer Spielpassung geringfügig größer als die Breite d des Leiterstabs 106 und die Breite a der Ausnehmung im Statorblech 121, 122 wiederum deutlich größer als die lichte Breite b ausgebildet ist.
Die Blechstärke t und der Anstellwinkel δ der Steigung des Nutverlaufs stellen bei geraden, beispielsweise gestanzten, Blechkanten einen merklichen Einflussfaktor für den Unterschied zwischen der Breite b der Ausnehmung und der lichten Breite a des nutzbaren Durchgangs innerhalb der Nut dar. Der Unterschied kommt zustande, da der Steigungswinkel einerseits und die treppenförmige Stufigkeit des Blechpakets andererseits auszugleichen ist.
Eine Mindestgröße der Breite a der Ausnehmung für den Grenzfall unendlich dünner Bleche, das heißt einer reinen Betrachtung des Steigungswinkels δ des Leiterstabs, wäre hierbei $b = 1 /cos (δ) * d .$
Um einerseits zusätzlich die tatsächlich vorhandene Blechdicke zu kompensieren und andererseits eine Spielpassung bereitzustellen, welche das Einführen der Leiterstäbe erlaubt, ist die Breite b der Ausnehmung tatsächlich noch größer vorgesehen.
Die Breite b der Ausnehmungen gemäß 15 ist derart bemessen, dass eine durch den Versatz zwischen den Ausnehmungen der Statorbleche verringerte lichte Breite a der Statornuten 119, 120 eine vorbestimmte Spielpassung mit der Breite d eines in die Statornut einzuführenden Leiterstabs 106 bildet, der Kontakt aber dennoch eng genug ist, um zur gleichmäßig verteilten Kraftübertragung bzw. Drehmomentabstützung zwischen Statorbleckpaket und Wicklung zu dienen. Eine derartige Bemessung ist unter anderem dadurch ermöglicht, dass einerseits jedes Statorblech gleich mit hoher Kantengüte ausgebildet und mit gleichem Versatz verdreht ist, und andererseits in jeder Statornut 119, 120 lediglich ein einzelner Leiterstab 106 platziert wird, dessen Maße konstant sind.
Insbesondere handelt es sich in der dargestellten Ausführungsform bei dem Leiterstab 106 um einen Rechteckstab mit mehreren Millimetern Kantenlänge bzw. Breite, beispielsweise im Bereich von 2 mm bis 6 mm, insbesondere im Bereich von 3 mm bis 5 mm. Vorzugsweise kann es sich um ein Rechteckprofil von 5 mm x 3 mm handeln.
16 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Wicklung 103.
Die Wicklung 103 ist aus den besagten Leiterstäben 106 aufgebaut, welche schraubenförmig entlang der Mittelachse M verlaufen. Dazu sind die Leiterstäbe 106 nicht nur entsprechend verschränkt angeordnet, sondern auch gemäß dem Schraubenlinienverlauf in sich tordiert.
Der überstrichene Winkel β der Leiterstäbe 106 identifiziert den Winkel zwischen Anfang und Ende eines Leiterstabs 106 relativ zu Mittelachse M. Da die Steigung der Schraubenlinie der Leiterstäbe 106 gleich der Steigung der Schraubenlinie der Statornuten 119, 120 ist, die Leiterstäbe 106 aber länger als die Statornuten ausgebildet sind, lässt sich ein Verhältnis der jeweiligen überstrichenen Winkel α und β zur Charakterisierung der geometrischen Verhältnisse bilden, welches auch als Polbedeckungsgrad bezeichnet wird. Um ein Optimum zwischen magnetischen Verlusten und Drehmomentausnutzung einer Radialfluss-Doppelrotormaschine bereitzustellen liegt dieses Verhältnis (Polbedeckungsgrad)vorzugsweise in einem Bereich zwischen 0.6 und 0.75.
Die entgegengesetzte Verdrehung und Torsion der inneren und äußeren radialen Lagen 114, 115 von Leiterstäben 106 ist hier ebenfalls zu erkenne. Die Torsion ist derart ausgelegt, dass der Querschnitt in Bezug auf eine radiale Linie durch die Mitte des Leiterstabs an jeder Stelle des Leiterstabs stets gleich ist, was auch als 2,5 D Geometrie bezeichnet wird. Somit werden die Leiterstabenden der inneren und äußeren Lagen 114, 115 in einer gleichen Ausrichtung übereinander angeordnet. Die Leiterstäbe 106 der radialen inneren und äußeren Lagen 114, 115 können somit auf einfache Weise leitend verbunden werden, hier beispielhaft über ein radial verlaufendes Leiterstabstück 117, welches mit des Leiterstäben 106 verschweißt wird.
Anzumerken ist, dass die hier dargestellte Wicklung an sich nicht einzeln, sondern stets im Verbund mit dem Statorkern 102 hergestellt wird, worauf in Bezug auf 20 näher eingegangen wird.
17 zeigt eine Draufsicht einer Wicklung 103.
Gut zu erkennen ist in dieser Ansicht die exakt radiale Ausrichtung der Leiterstäbe an jeder Stelle ihres schraubenförmigen Verlaufs, welche in der dargestellten Perspektive im Bereich der Mittelachse M fluchtet. Die Leiterstabenden 116 bilden jeweils den Verbindungspunkt zwischen der inneren und äußeren radialen Lage 114, 115.
In der dargestellten Ausführungsform weist die Wicklung beispielhaft insgesamt zwölf Anschlusskontakte 31 auf. Bei dreisträngiger Verschaltung ist vorzugsweise ein dreiphasiger Betrieb vorgesehen. Die Wicklung ist jedoch in fachmännisch bekannter Weise auf andere Verschaltungen zu einer drehfelderzeugenden Wicklung beliebiger Strangzahl anpassbar.
18 zeigt eine perspektivische Darstellung einer FEM Simulation einer Wicklung 103 unter Last.
Es handelt sich hierbei mit zu Simulationszwecken geringfügigen Vereinfachungen im Wesentlichen um die in 16 dargestellte Wicklungsgeometrie. Die dargestellte Skala betrifft die Spannungen innerhalb der Wicklung, wobei es sich beispielhaft im Falle eines Rechteckprofils der Leiterstäbe 106 von 5 mm x 3 mm um eine Skala von 0 MPa bis 30 MPa handeln kann.
Die Leiterstabenden sind in diesem Beispiel durch einen überstrichenen Winkel der Leiterstäbe β > 0 definiert, das heißt schraubenförmig angeordnet und ausgebildet bzw. entsprechend tordiert geformt. An dem axialen Ende, an welchem die Trägereinrichtung eingreift, ist ein mit dickem Pfeil eingezeichnetes maximales Drehmoment der entsprechend dimensionierten Radialfluss-Doppelrotormaschine 110 aufgetragen, wobei es sich beispielhaft im Falle eines Rechteckprofils der Leiterstäbe 106 von 5 mm x 3 mm um beispielsweise mehr als 1000 Nm, insbesondere mehr als 1500 Nm, bei einem bestimmten Beispiel etwa 2000 Nm, bei einem anderen bestimmten Beispiel etwa 5000 Nm, handeln kann.
Erkennbar verteilen sich die Spannungen innerhalb der Wicklung aufgrund der Schraubenliniengeometrie sehr homogen. Trotz eingestellter starker Überhöhung ist kaum eine Verformung zu erkennen. Aufgrund dieser Ausführung sind somit Spannungsspitzen und damit auch die Verformung deutlich reduziert.
Durch die stabwerkartige Struktur kann bei Fixierung eines axial zugänglichen Wicklungsendes somit ein hohes Drehmoment von der Wicklung 103 selbsttragend aufgenommen werden, ohne unzulässig große Verformungen und/oder Spannungszustände hervorzurufen. Das ist insbesondere damit zu begründen, dass in dem Stabwerk die Leiterstäbe 106 bei Beaufschlagung mit Tangentialkraft vorwiegend Zug- und Druckspannungen aufnehmen.
Gegenüber Ausführungen mit achsparallelen, geraden Leitern können die mechanischen Spannungen so signifikant gesenkt werden.
19 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Vergleichsmodells mit gerader Ausführung und axialem Verlauf der Leiterstäbe 106 unter Last.
Im Vergleich zu 18 ist aufgrund der geraden Ausführung und des axialen Verlaufs der Leiterstäbe ein auf die in 18 links dargestellte Seite konzentrierter Spannungsverlauf und eine aus der lokal hohen Spannung resultierende starke Verformung der Leiterstäbe mit großer Auslenkung an der in 19 rechts dargestellten Seite erkennbar. Es ist hier eine gleiche Spannungsskala und gleiche Überhöhung der Verformung wie in 18 eingestellt, was die Auswirkung der unterschiedlichen strukturellen Anordnungen auf die Torsionssteifigkeit erkennen lässt.
20 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung eines Stators 1.
Das Verfahren umfasst einen ersten Schritt des Bereitstellens S1 eines Statorkerns 102 mit jeweils eine Schraubenlinie beschreibenden radial außen liegenden Statornuten 119 und jeweils eine Schraubenlinie mit entgegengesetzter Windungsrichtung beschreibenden radial innen liegenden Statornuten 120. Ein weiterer Schritt betrifft das Einführen S2 von einzelnen Leiterstäben 106 den Schraubenlinien folgend durch die inneren und äußeren Statornuten 119, 120. Die Leiterstäbe werden dabei insbesondere in axialer Richtung eingeführt. Des Weiteren ist ein Schritt des Verbindens S3 der in die inneren und äußeren Statornuten eingeführten Leiterstäbe 106 an den Leiterstabenden 116 zur Ausbildung von Leiterschleifen vorgesehen.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.
Bezugszeichenliste

2: Statorkern
3: Wicklung
10: elektrisches Antriebssystem
11: elektrische Maschine, Synchronmaschine
12: (drei- oder mehrstufige) Wechselrichterschaltung
13: (drei- oder mehrstufiger) Wechselrichter
14: Betriebsmodus-Einstelleinrichtung
15: Lastausgang
15a-15c: Ausgangslastanschluss
16, 17: Versorgungsanschlüsse
18: Versorgungsspannungsquelle
20: Doppelrotor, Doppelrotormaschine
21: äußerer Rotor
22: innerer Rotor
23: Stator
24, 25: gegenpolige Magnete (des äußeren Rotors)
26: (äußerer) Luftspalt
27: (äußere) Flusslinien
28, 29: gegenpolige Magnete (des inneren Rotors)
30: (innerer) Luftspalt
31: (innere) Flusslinien
40: erste (äußere) Treiberstufe
41: zweite (innere) Treiberstufe
42: Auswerteeinrichtung
43: erste Messeinrichtungen
44: zweite Messeinrichtungen
45: Steuereinrichtung
46: Optimierungsmodul
47: Sensoreingang
50: Zwischenkreisschaltung
51, 52: Zwischenkreiskondensatoren
53a-53c: Halbbrückenschaltung
54a-54c: Mittelabgriffe
55: Mittelabgriff
I1: (mehrphasiger) Laststrom
S1, S2: Verfahrensschritte
S11 - S13: Unterschritte
S21, S22: Unterschritte
T1 - T3: erste Leistungsschalter der Halbbrückenschaltung, High-Side-Schalter
T4 - T6: zweite Leistungsschalter der Halbbrückenschaltung, Low-Side-Schalter
T7 - T12: Leistungsschalter
VAC: (ausgangsseitige) Wechselspannung
VDC: (eingangsseitige) Gleichspannung
V11: (positives) Versorgungspotenzial
V12: (negatives) Versorgungspotenzial, Bezugspotenzial
101: Stator
102: Statorkern
103: Wicklung
104: axiales Ende
105: Trägereinrichtung
106: Leiterstab
107: erste Schenkel
108: zweite Schenkel
109: Bohrung
110: Radialfluss-Doppelrotormaschine
111: Basis
112: erster Rotor
113: zweiter Rotor
114: radial äußere Lage
115: radial innere Lage
116: Leiterstabenden
117: Leiterstabstück
118: Statorblechpaket
119,120: Statornuten
121,122: Statorbleche
123: inneres Teilpaket
124: äußeres Teilpaket
125: Trägerelement
126: Trägernuten
127: inneres Trägerelement
128: äußeres Trägerelement
129: Permanentmagnet
α: überstrichener Winkel Statornuten
β: überstrichener Winkel Leiterstäbe
δ: Steigung
a: lichte Breite
b: Breite der Ausnehmung
d: Breite eines Leiterstabs
M: Mittelachse
t: Blechstärke

Claims

Elektrisches Antriebssystem (10) für ein oder in einem Kraftfahrzeug, mit: zumindest einer Synchronmaschine (11; 110), die einen Doppelrotor (21, 22; 112, 113) und eine in einem Statorkern (2; 102) platzierte verteilte Wicklung (3; 103) aufweist, wobei der Doppelrotor (21, 22; 112, 113) aus flussführendem Material aus Vollmaterial aufgebaut ist, wobei die Wicklung (3; 103) zur Drehmomentabstützung selbsttragend ausgelegt ist; und zumindest einer drei- oder mehrstufigen Wechselrichterschaltung (12), welche an einem Lastausgang mit der Synchronmaschine (11; 110) gekoppelt ist und welche dazu ausgelegt ist, eine versorgungsseitig aufgenommene Gleichspannung in eine Wechselspannung zu wandeln, über welche über den Lastausgang die Synchronmaschine (11; 110) antreibbar ist, wobei die Wechselrichterschaltung (12) einen steuerbaren drei- oder mehrstufigen Wechselrichter (13) aufweist, wobei die Wicklung (103) aus miteinander verbundenen Leiterstäben (106) gebildet ist, wobei die Wicklung (103) eine radial innere Lage (115) von schraubenförmig angeordneten Leiterstäben (106) und eine radial äußere Lage (114) von entgegengesetzt schraubenförmig angeordneten Leiterstäben (106) aufweist, wobei die Leiterstäbe (106) entsprechend dem schraubenförmigen Verlauf jeweils derart tordiert ausgebildet sind, dass ein Querschnitt eines Leiterstabes bezogen auf eine radiale Achse des Querschnitts an jeder Stelle des Leiters (6) gleich ist.
Antriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Synchronmaschine (11; 110) ein Radnabenmotor für ein elektrisch betreibbares Kraftfahrzeug ist.
Antriebssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Synchronmaschine (11; 110) als Radialfluss-Doppelrotormaschine ausgebildet ist.
Antriebssystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklung (103) an zumindest einem axialen Ende (104) über den Statorkern (102) hinausragt und eine axial zu dem Statorkern (102) versetzt angeordneten Trägereinrichtung (105) vorgesehen ist, welche zum formschlüssigen Eingriff mit der Wicklung (103) an dem zumindest einen axialen Ende zur Drehmomentabstützung ausgebildet ist.
Antriebssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Synchronmaschine (110) eine mechanisch festgelegte Basis (111) aufweist, wobei die Trägereinrichtung (105) zur Drehmomentabstützung in formschlüssigem Eingriff mit dem zumindest einen axialen Ende der Wicklung (103) steht und an der Basis (111) abgestützt ist.
Antriebssystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Doppelrotor (21, 22; 112, 113) einen radial innerhalb des Statorkerns (2; 102) angeordneten ersten Rotor (22 ;112) aus Vollmaterial und einen radial außerhalb des Statorkerns (102) angeordneten zweiten Rotor (21 ;113) aus Vollmaterial aufweist.
Antriebssystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das flussführende Material im Rotor aus Eisen oder einer Eisenlegierung besteht.
Antriebssystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselrichterschaltung (12) eine Betriebsmodus-Einstelleinrichtung (14) aufweist, welche dazu ausgelegt ist, den Wechselrichter (13) in Abhängigkeit einer Gesamteffizienz des elektrischen Antriebssystems von einem drei- oder mehrstufigen Betrieb in einen zwei-stufigen Betrieb und umgekehrt zu überführen, wobei die Gesamteffizienz eine Funktion des erfassten Phasenstroms der Synchronmaschine sowie zumindest eines weiteren die Gesamteffizienz beeinflussenden Parameters und/oder eine weitere die Gesamteffizienz beeinflussende Eigenschaft der Synchronmaschine ist.
Antriebssystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselrichterschaltung (12) eine Betriebsmodus-Einstelleinrichtung (14) aufweist, welche dazu ausgelegt ist, den Wechselrichter (13) in Abhängigkeit einer Gesamteffizienz des elektrischen Antriebssystems von einem drei- oder mehrstufigen Betrieb in einen zwei-stufigen Betrieb und umgekehrt zu überführen, wobei die Gesamteffizienz eine alleinige Funktion des erfassten Phasenstroms der Synchronmaschine oder eine Funktion zumindest einer weiteren die Gesamteffizienz beeinflussenden Eigenschaft der Synchronmaschine ist.
Antriebssystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter (13) eine erste Treiberstufe und zumindest eine zweite Treiberstufe aufweist, wobei die zweite Treiberstufe dazu ausgelegt ist, Ausgangslastströme an den Lastausgang zu führen, welche kleiner sind als die von der ersten Treiberstufe bereit gestellten Ausgangslastströme.
Antriebssystem nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsmodus- Einstelleinrichtung (14) eine Steuereinrichtung aufweist, welche dazu ausgelegt ist, den Wechselrichter derart zu steuern, dass im drei- oder mehrstufigen Betrieb die erste Treiberstufe sowie die zweite Treiberstufe aktiviert sind und im zweistufigen Betrieb zumindest eine der Treiberstufen deaktiviert ist.
Antriebssystem nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Treiberstufe zumindest eine Brückenschaltung, insbesondere eine Halbbrückenschaltung, aufweist, deren Mittelabgriff den Ausgangslastanschluss der Wechselrichterschaltung bildet, wobei jede Brückenschaltung zumindest einen ersten Leistungsschalter aufweist, welcher mit einem ersten Versorgungsanschluss verbunden ist und welche dazu ausgelegt ist , am Lastausgang eine erste Spannungsstufe bereitzustellen, und wobei jede Brückenschaltung ferner zumindest einen zweiten Leistungsschalter aufweist, welche mit einem zweiten Versorgungsanschluss verbunden sind und welche dazu ausgelegt sind, am Lastausgang eine zweite Spannungsstufe bereitzustellen.
Antriebssystem nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Treiberstufe zumindest einen dritten Leistungsschalter aufweist, deren Laststrecken in Reihe zwischen einer Zwischenkreisschaltung und dem Mittelabgriff der ersten Treiberschaltung geschaltet sind und welche dazu ausgelegt sind, am Lastausgang einen dritten Spannungslevel, der zwischen dem ersten und dem zweiten Spannungslevel liegt, bereitzustellen.
Antriebssystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsmodus-Einstelleinrichtung (14) eine Auswerteeinrichtung aufweist, welche dazu ausgelegt ist, anhand des Phasenstroms oder der zumindest einer weiteren Eigenschaft eine Optimierung der Gesamteffizienz vorzunehmen.
Antriebssystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter (13) eine T-Typ neutralpunkt geklemmte Wechselrichterarchitektur beinhaltet.
Antriebssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklung (103) derart torsionssteif ausgelegt ist, dass ein im Betrieb der Radialfluss-Doppelrotormaschine (110) auf den Statorkern (102) wirkendes Drehmoment über die torsionssteife Wicklung (103) an der Trägereinrichtung (105), insbesondere vollständig, abstützbar ist.
Antriebssystem nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Statorkern (102) zur Führung eines vorrangig radialen Magnetflusses ausgebildet ist.
Antriebssystem nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Statorkern (102) eine radiale Jochdicke aufweist, welche weniger als 30%, vorzugsweise weniger als 20%, besonders bevorzugt weniger als 10% einer gesamten radialen Statorkerndicke beträgt.
Antriebssystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklung (103) aus miteinander stabwerkartig verbundenen Leiterstäben (106) gebildet ist.
Antriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die radial innere Lage und die radial äußere Lage der Wicklung (103) jeweils die Stärke eines einzelnen Leiterstabes (106) aufweisen.
Antriebssystem nach Anspruch 1 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass die einer gleichen Phase der Wicklung (103) zugehörigen Leiterstäbe (106) der radial inneren und äußeren Lage jeweils an den Leiterstabenden (116) miteinander verbunden sind, insbesondere über ein radial angeordnetes Leiterstabstück (117) und/oder mittels stoffschlüssiger Verbindung.
Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1, 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Statorkern (102) ein Statorblechpaket (118) mit dem Wicklungsverlauf entsprechend schraubenförmig verlaufenden Statornuten (119, 120) enthält, wobei in jeder Statornut (119, 120) des Statorblechpakets (118) ein einzelner Leiterstab (106) angeordnet ist.
Antriebssystem nach Anspruch 4 oder 5 und einem der Ansprüche 1, 20, 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet dass die Trägereinrichtung (105) ein Trägerelement (125) aufweist, in welchem zu der schraubenförmigen Anordnung der Leiterstäbe (106) korrespondierende und mit den Leiterstäben (106) in Eingriff stehende Trägernuten (126) vorgesehen sind.
Antriebssystem nach Anspruch 1 oder 23, dadurch gekennzeichnet dass die Trägernuten (126) zumindest abschnittsweise dem schraubenförmigen Verlauf der tordierten Leiterstäbe (106) folgen, insbesondere einen gleichermaßen tordierten Verlauf aufweisen.