DE10309147A1

DE10309147A1 - Elektrische Antriebseinrichtung mit integriertem Umrichter

Info

Publication number: DE10309147A1
Application number: DE10309147A
Authority: DE
Inventors: Stefan Bauer; Rik W. Dr. De Donker
Original assignee: Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Current assignee: Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Priority date: 2003-02-28
Filing date: 2003-02-28
Publication date: 2004-09-16
Also published as: WO2004077645A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Antriebseinrichtung mit mehreren Wicklungssträngen (20, 21, 22, 23, 24, 25) pro Maschinenphase. DOLLAR A Die Antriebseinrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass jeder Wicklungsstrang (20, 21, 22, 23, 24, 25) einer Maschinenphase mit jeweils einem Umrichterleistungsteil (30, 31, 32, 33, 34, 35) verbunden ist, wobei sich das Umrichterleistungsteil in einem in der Antriebseinrichtung integrierten Gleichspannungszwischenkreis befindet.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Antriebseinrichtung mit mehreren Wicklungssträngen für eine Maschinenphase.
Bei elektrischen Maschinen werden einzelne Wicklungsstränge typischerweise innerhalb des Maschinengehäuses zu einer Maschinenphase verschaltet. Die Wicklungen werden dabei häufig verschachtelt, wodurch sich große Wickelköpfe ergeben.
Die Anschlüsse von zu einer Maschinenphase verschalteten Wicklungssträngen werden herkömmlicherweise aus der Maschine herausgeführt und separat an einen Stromrichter angeschlossen. In diesem angeschlossenen Umrichter werden zur Ansteuerung der einzelnen Maschinenphasen meist einzelne Leistungsmodule verwendet, die ihrerseits aus einzelnen, parallel geschalteten Leistungshalbleitern zusammengesetzt sind. Die anfallende Verlustleistung, die in Form von Abwärme abgeführt werden muss, entsteht konzentriert in diesen Halbleitermodulen, wodurch ausgeprägte lokale Hitzemaxima entstehen können. Die Kühlung der Leistungshalbleiter des Umrichters kann beispielsweise über einen im Umrichtergehäuse befindlichen Kühlkörper mit einer Luft- oder Wasserkühlung sichergestellt werden.
Wird eine Mantelkühlung als Wasserkühlprinzip einer elektrischen Maschine eingesetzt, durchfließt das verwendete Kühlwasser häufig über Verbindungsleitungen nacheinander Maschine und Stromrichter im gleichen Kreislauf. Ebenfalls bekannt sind Anordnungen, bei denen die Leistungsmodule über den Umfang der Maschine mit der Mantelkühlung verteilt ange ordnet sind, um so die Kühlung der Maschine und der aufgebrachten Module zu kombinieren.
Beispielsweise ist aus der Deutschen Offenlegungsschrift DE 198 12 019 A1 eine Schaltungsanordnung zum Verschalten von Statorwicklungen eines bürstenlosen, elektrisch kommutierten Motors bekannt. Insbesondere dient die Schaltungsanordnung zur Verschaltung eines einen an einem Motorflansch befestigten Stators mit Statorwicklungen und einen den Stator auf seiner dem Motorflansch abgekehrten Seite umschließenden Außenmotor aufweisenden Antriebsmotor für einen Kfz-Lüfterantrieb. Dazu ist eine flanschseitig dem Stator zugekehrt angeordnete, tragende Schaltplatte vorgesehen, die Strombahnen aufweist, von denen je eine mit den Anfängen der Wicklungen je eines Wicklungsstranges und eine mit den Enden der Wicklungen aller Wicklungsstränge verbunden ist. Die Schaltplatte besteht aus einer ringscheibenförmigen Trägerplatte, welche mit einer Nabe zusammen mit dem Statorblechpaket auf einem Lagertragrohr an dem Motorflansch fest gelagert ist. Die Strombahnen sind konzentrisch zu der Nabe auf der Trägerplatte befestigte Stromschienen, welche aus Stanzteilen bestehen und auf der den Statorwicklungen abgekehrten Seite der Trägerplatte angeordnet.
Die Deutsche Offenlegungsschrift DE 199 24 325 A1 offenbart eine Verschaltungsanordnung zum Verschalten von in einer elektrischen Maschine angeordneten Spulen, die Verbindungsleiter umfasst, die isoliert voneinander angeordnet sind und zumindest über einen Teilbereich einer Erstreckung flächig und eine Ebene bestimmend ausgebildet sind. Mit den Verbindungsleitern sind zumindest jeweils zugeordnete Spulenenden elektrisch leitfähig verbunden, wobei die Verbindungsleiter zur Bereitstellung einer elektrisch leitenden Verbindung mit Kontaktelementen versehen sind. Die Kontaktelemente sind über eine Kontaktstelle mit einem Verbindungsleiter verbunden und zu der durch den Verbindungsleiter bestimmten Ebene im Bereich des Kontaktelementes winklig angeordnet.
Die Verschaltung einzelner Wicklungsstränge zu einer Maschinenphase innerhalb oder außerhalb der Maschine benötigt Bauraum. Bei einer inneren Verschaltung wird die Maschine beispielsweise über ein notwendiges Maß hinaus verlängert, wobei das eigentlich erforderliche Maß durch die Wickelköpfe der einzelnen Wicklungsstränge gegeben ist. Ferner wird der Abstand der Wellenlager häufig von der Größe der Wickelköpfe bestimmt, so dass größere Verschaltungen zu größeren Abständen und damit wiederum zu größeren Abmessungen der gesamten Einheit führen.
Je nach Anzahl und Konfiguration der Maschinenphasen ergibt sich die Notwendigkeit, eine große Anzahl von Verbindungsleitungen von der Maschine zum Umrichter zu führen. Durch diesen Verdrahtungsaufwand ergibt sich auch an dieser Stelle ein großer Platz- und Leitungsführungsbedarf. Insbesondere bei Maschinen ohne gemeinsamen Sternpunktanschluss der einzelnen Phasen werden pro Phase zwei Leitungen benötigt, so dass in diesem Fall mehrere verschaltete Maschinenphasen zu einem erheblichen Leitungsaufwand führen.
Die außerhalb der Maschine geführten Leiter zu einem Umrichter stellen außerdem eine erhebliche Quelle von Störstrahlung dar. Ferner sind diese Leitungen potenziell durch mechanische Beschädigungen gefährdet.
Um eine kompakt aufgebaute Einheit aus einem Elektromotor und einem Frequenzumrichter zu schaffen, schlägt die Deutsche Offenlegungsschrift DE 196 34 097 A1 vor, den Frequenzumrichter dem Gehäuse des Elektromotors zuzuordnen. Dabei steht der Frequenzumrichter einerseits zur Beeinflussung des Elektromotors elektrisch leitend mit dessen Statorwicklung in Verbin dung, sowie andererseits mit zumindest einem die Drehzahl des Elektromotors und mit zumindest einem weiteren den Betriebszustand des an den Elektromotor angeschlossenen Aggregates erfassenden Sensorelement. Die zur Beeinflussung des Elektromotors notwendigen Leistungsschaltelemente sind auf zumindest einer dem Frequenzumrichter zugeordneten Trägerplatte angeordnet, und die für die Außenverschaltung erforderlichen elektrischen Anschlussstellen sind aus dem Gehäuse herausgeführt. Der Frequenzumrichter ist dabei im Innenraum eines lediglich von der Motorwelle durchdrungenen Gehäuseabschnittes des Gehäuses angeordnet.
Aus der Deutschen Offenlegungsschrift DE 196 22 396 A1 ist ein Frequenzumrichter für eine Antriebsvorrichtung bekannt, der ohne wesentliche bauliche Maßnahmen in einen Wechselstrommotor integrierbar sein soll. Der Frequenzumrichter zur Steuerung der Motordrehzahl und/oder Motorleistung ist als ein auf den Wechselstrommotor montierbares Umrichtermodul ausgebildet, dessen Trägerteil im montierten Zustand mit einer Lüfterhaube des Wechselstrommotors thermisch koppelbar oder selbst als Lüfterhaube ausgebildet ist.
Aus der Deutschen Offenlegungsschrift DE 197 03 655 A1 ist eine elektrische Antriebseinrichtung bekannt, bei der ein verringerter Platzbedarf und eine Verhinderung von elektromagnetischer Störstrahlung dadurch erreicht wird, dass eine Spannungsversorgungseinheit, eine Regelungseinheit und ein Elektromotor als gemeinsame bauliche Einheit ausgebildet sind. Die Einheit ist dabei in ein elektromagnetische Strahlung abschirmendes Gehäuse integriert.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine elektrische Antriebseinrichtung, bestehend aus mehreren Wicklungssträngen pro Maschinenphase, bereitzustellen, bei der bei reduziertem Raumbedarf die Verschaltung der Wicklungsstränge, die Kühlung und Abschirmung der Umgebung vor Strahlung vereinfacht wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine elektrische Antriebseinrichtung mit mehreren Wicklungssträngen für eine Maschinenphase gelöst, bei der jeder Wicklungsstrang einer Maschinenphase mit jeweils einem Umrichterleistungsteil verbunden ist.
Dabei hat es sich als besonders zweckmäßig erwiesen, dass sich das jeweilige Umrichterleistungsteil mit einem in die Antriebseinrichtung integrierten Gleichspannungszwischenkreis verschaltet wird.
Der Umrichter ist durch den erfindungsgemäßen Aufbau somit in die Maschine integriert, anstatt an diese angeschlossen zu sein. Die einzelnen Wicklungsstränge einer Maschinenphase werden nicht miteinander verbunden und aus der Maschine zu einem Umrichter geführt, sondern jeweils direkt mit einem eigenen Umrichterleistungsteil aus einem in der Maschine integrierten Gleichspannungszwischenkreis versorgt. Dadurch entfällt die Notwendigkeit, einzelne Wicklungsstränge einer Maschinenphase innerhalb der Maschine zu verbinden, wie es herkömmlicherweise erforderlich ist. Der so eingesparte Bauraum kann für die Bauelemente des Umrichters verwendet werden. Der innerhalb der Maschine vorhandene Gleichspannungszwischenkreis wird vorzugsweise über nur zwei Leitungen mit einer Versorgungsspannung verbunden. Um eine geringe Induktivität des Zwischenkreises zu erreichen, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, notwendige Zwischenkreiskondensatoren verteilt an der Zwischenkreisspannungsschiene anzuordnen. Zur weiteren Minimierung der Zwischenkreisinduktivität kann der Zwischenkreis beispielsweise als übereinanderliegende Plattenanordnung ausgeführt werden.
Der erfindungsgemäße Aufbau einer elektrischen Antriebsein richtung bietet insbesondere Vorteile beim Einsatz in Reluktanzmaschinen, bürstenlosen Gleichstrommaschinen, Synchronmaschinen oder anderen elektrischen Maschinen mit konzentrierten Wicklungen, die nicht über mehrere Nuten sind. Eine Übertragung auf andere Maschinen ist jedoch ebenfalls möglich.
Die gesamte Anordnung aus Umrichtermodulen und Zwischenkreis kann auf einer Maschinenseite oder auf beiden Maschinenseiten ausgeführt werden. Möglich sind auch Kombinationslösungen, bei denen beispielsweise auf einer Maschinenseite eine Serienschaltung der Wicklungsstränge einer Phase durchgeführt wird, während auf der anderen die Wicklungsenden über Halbbrückenzweige versorgt werden. Ebenso ist die Versorgung von Wicklungssträngen oder verschalteten Wicklungssträngen über Halbbrückenzweige von beiden Seiten möglich.
Die Kühlung der Gesamteinheit wird dadurch vereinfacht, dass für den Umrichter keine eigene externe Kühlung vorgesehen sein muss, sondern die Kühlung der Leistungsteile in die vorhandene Kühlung der Maschine integriert werden kann.
Weitere Vorteile, Besonderheiten und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Zeichnungen.
Von den Zeichnungen zeigt
1 die schematische Darstellung eines Querschnitts durch eine erfindungsgemäße elektrische Antriebseinrichtung mit integriertem Umrichter am Beispiel einer Reluktanzmaschine;
2 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße elektrische Antriebseinrichtung mit integriertem Umrichter und Fluidkühlung;
3 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße elektrische Antriebseinrichtung mit integriertem Umrichter und Luftkühlung;
4 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße elektrische Antriebseinrichtung mit integriertem Umrichter und innen liegendem Leistungsteil;
5 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße elektrische Antriebseinrichtung mit beidseitiger Bestückung mit integrierten Leistungsteilen;
6 verschiedene Kombinationen von Wicklungsstrang, Phase und Umrichter;
7 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße elektrische Antriebseinrichtung mit integriertem Umrichter und Kontaktierung einer vergossenen Wicklung über Druckkontakte;
1 zeigt einen Querschnitt durch ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektrischen Antriebseinrichtung mit integriertem Umrichter. Dabei handelt es sich um eine schematische Darstellung einer Antriebsein richtung am Beispiel einer Reluktanzmaschine. Die Maschine weist mehrere Wicklungsstränge auf. In dem dargestellten Beispiel handelt es sich um die drei Stränge 20, 21, 22, 23, 24, und 25. Die Maschine umfasst ferner einen Gleichspannungszwischenkreis, der durch einen positiven 11 und einen negativen 12 Leiter gebildet wird. Zwischen dem positiven und dem negativen Leiter befinden sich vorzugsweise mehrere Zwischenkreiskondensatoren 13. Um eine möglichst geringe Induktivität des Zwischenkreises zu erreichen, sind die Kondensatoren in einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung verteilt an der Zwischenkreisspannungsschiene angeordnet. Zur weiteren Reduzierung der Zwischenkreisinduktivität kann der Zwischenkreis als übereinander liegende Plattenanordnung ausgeführt werden. Ein derartiger Aufbau ist in 2 in einem Längsschnitt detaillierter dargestellt.
An dem so gebildeten Zwischenkreis befinden sich mehrere Leistungsmodule 30, 31, 32, 33, 34 und 35. Jeder Wicklungsstrang ist mit jeweils einem Leistungsmodul verbunden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist beispielsweise der Wicklungsstrang 20 mit dem Leistungsmodul 30 verbunden. Dementsprechend ergeben sich die Kombinationen 21/31, 22/32, 23/33, 24/34 und 25/35 für die anderen Wicklungsstränge und Leistungsteile.
Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, die Leistungsmodule 30–35 auf dem Umfang der Antriebsmaschine zu verteilen. Dabei ist eine Anordnung in der Nähe der Wicklungsstrangenden besonders zweckmäßig, so dass die Leistungsmodule die Antriebseinrichtung gleichmäßig umgeben. Die Verteilung der Leistungsmodule auf dem Umfang der Maschine bringt unter anderem den Vorteil mit sich, dass die Leitungsverbindungen zwischen Wicklungsstrangende und Leistungsmodul sehr kurz sind. Weiter nimmt durch die Versorgung jedes einzelnen Wicklungsstranges durch ein eigenes Leistungsmodul die Fehlertoleranz der Maschine zu. Ein Ausfall einer Teilwicklung der Maschine führt nicht zum vollen Ausfall einer kompletten Maschinenphase.
Die schematische Darstellung in 2 zeigt einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer Reluktanzmaschine mit integriertem Umrichter und Fluidkühlung. Durch die Verteilung der Leistungshalbleiter auf dem Umfang vereinfacht sich die Kühlung der Maschine erheblich, da sich keine ausgeprägten lokalen Hitzemaxima einstellen. Der Halbleiterkühler könnte beispielsweise wie dargestellt in ein Lagerschild 60 integriert werden, wodurch zusammen mit der Halterung des Maschinenlagers eine sichere Kühlung der Halbleiter erreicht wird.
In 2 ist der obere Teil eines Längsschnittes einer Reluktanzmaschine dargestellt, die im Wesentlichen aus einer Welle 40 mit einem Rotor 41 und einem Stator 42 aufgebaut ist. Der Rotor befindet sich auf der Welle, während der Stator durch mehrere Wicklungsstränge mit Wickelköpfen mit gebildet wird. In der Abbildung ist der Wickelkopf 70 mit einem zugehörigen Wicklungsstrang 20 dargestellt. Die so gebildete Einheit ist von einem Maschinengehäuse 61 umgeben. Die Maschine wird zweckmäßigerweise auf wenigstens einer Seite von einem Lagerschild begrenzt. Der Darstellung ist rechts das Lagerschild 60 zu entnehmen, das auf der Welle 40 gelagert ist. Beispielhaft ist als Lagerung ein Kugellager 50 dargestellt. Die Maschine kann auch auf beiden Seiten von jeweils einem Lagerschild begrenzt sein.
In Verbindung mit dem Wickelkopf 70 des dargestellten Wicklungsstranges 20 befindet sich ein zugehöriges Leistungsmodul 30, das in Verbindung mit dem positiven 11 und dem negativen 12 Leiter des Gleichspannungszwischenkreises steht. Aus dieser Darstellung ist eine übereinander liegende Plattenanord nung ersichtlich, die beispielsweise zur Reduzierung der Zwischenkreisinduktivität besonders vorteilhaft ist. Das Leistungsmodul ist dabei zwischen Wickelkopf und Gleichspannungszwischenkreis außerhalb des Lagerschildes 60 angeordnet. Die Zwischenkreiskondensatoren sind in dieser Darstellung nicht abgebildet. Zwischen den beiden Platten des Zwischenkreises und dem Leistungsmodul ist zweckmäßigerweise eine Isolation 36 vorgesehen. Zur Ableitung der Wärme vom Leistungsmodul 30 auf das gekühlte Lagerschild 60 kann zwischen den beiden Bauteilen vorzugsweise die Einbringung einer Wärmeleitpaste 37 vorgesehen sein. Zur Abdeckung des Leistungsmoduls und des Zwischenkreises ist in der dargestellten Ausführungsform ein Deckel 100 vorgesehen.
Zur Kühlung der Maschine sind in dem dargestellten besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung radial verlaufende Kühlkanäle 80 in das Maschinengehäuse 61 eingebracht, die von einem Kühlmittel durchströmt werden. Dabei kann es sich beispielsweise um ein Fluid wie Wasser handeln. Zur Kühlung der Leistungsmodule 30 befinden sich in diesem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Lagerschild 60 ebenfalls Kühlkanäle 81. Der Bauraum der Maschine wird dadurch nur unwesentlich gegenüber einem Lagerschild ohne Kühlkanäle vergrößert.
Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, den Kühlkreislauf des Maschinengehäuses auch zur Kühlung der Leistungsmodule zu verwenden. Die dazu erforderliche Verbindung wird in diesem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung durch eine oder mehrere Querbohrungen 82 zwischen Maschinengehäuse 61 und Lagerschild 60 erreicht. Um eine dichte Verbindung zwischen den beiden Kühlsystemen herzustellen, wurde in dem dargestellten Beispiel ein O-Ring 62 zwischen Maschinengehäuse und Lagerschild eingefügt. Es sind jedoch auch jegliche andere Dichtungsarten möglich. In ähnlicher Weise lassen sich axial durch die Maschine verlaufende Kühlrohre einfach mit dem Kühlsystem des Lagerschildes verbinden.
Bei dem beschriebenen Aufbau einer kombinierten Flüssigkeitskühlung erfüllt das Lagerschild sowohl die Funktionen eines Kühlkörpers, eines Lagerträgers und einer Halbleitermontagefläche. Eine ähnliche Konstruktion ist auch für eine Luftkühlung denkbar. Eine derartige Ausführungsform einer Luftkühlung ist anhand eines Beispiels der Abbildung in 3 zu entnehmen.
In der Abbildung der 3 ist ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer elektrischen Antriebsmaschine mit integriertem Umrichter und einer Luftkühlung zur Kühlung der Maschine und der Leistungsmodule dargestellt. Dabei ist der Gleichspannungszwischenkreis zwischen dem Wickelkopf 70 des Wicklungsstranges 20 und dem Leistungsmodul 30 angeordnet. Das Leistungsmodul ist am Deckel 100 angebracht, wobei der Kontakt ebenfalls durch eine Wärmeleitpaste unterstützt werden kann. Auf dem Umfang des Maschinengehäuses 61 befinden sich Kühlrippen 90. Auf dem Deckel 100 befinden sich ebenfalls Kühlrippen 91. Die Wärme der Maschine wird nun über die Kühlrippen abgeführt, während die Wärme des Leistungsmoduls zum größten Teil über die Kühlrippen 91 des Deckels abgeführt wird.
Die Anordnung von Leistungsmodulen und Zwischenkreis inklusive Kondensatoren ist sowohl innerhalb als auch außerhalb der Maschine möglich. In den durch die 2-3 beschriebenen Ausführungsbeispielen befindet sich das Leistungsmodul zusammen mit dem Zwischenkreis außerhalb der Maschine. In 4 ist eine mögliche Variante dargestellt, bei der sich das Leistungsmodul 30 innerhalb der Maschine befindet, während der Zwischenkreis weiterhin außerhalb der Maschine angeordnet ist. Das Leistungsmodul ist durch das Lagerschild 60 hindurch mit dem Zwischenkreis verbunden. Die Einrichtung ist in diesem Ausführungsbeispiel mit der bereits beschriebenen Flüssigkeitskühlung ausgeführt.
Um die Montage des gesamten Systems zu vereinfachen, können zur Kontaktierung des Wicklungsstranges an das Leistungsmodul und auch zur Kontaktierung des Zwischenkreises an die Kondensatoren in allen Varianten Schnappverbindungen oder Druckkontaktierungen verwendet werden.
Die gesamte Anordnung aus Umrichtermodulen und Zwischenkreis kann sowohl nur auf einer Maschinenseite als auch auf beiden Seiten ausgeführt werden. Möglich sind auch Kombinationslösungen, bei denen auf einer Maschinenseite eine Serienschaltung der Wicklungsstränge einer Phase ausgeführt wird, während die Wicklungsstränge auf der anderen Seite über Halbbrückenzweige versorgt werden. Ebenso ist die Versorgung von Wicklungssträngen oder verschalteten Wicklungssträngen über Halbbrückenzweige von beiden Seiten möglich.
Die Abbildung in 5 stellt ein Ausführungsbeispiel mit jeweils einem Zwischenkreis auf jeder Seite der Maschine dar, wobei separate Halbbrückenzweige 110 und 111 eingesetzt werden. Ein Zwischenkreis 10 ist mit einem Halbbrückenzweig 111 verbunden, der sich auf der Außenseite des Lagerschildes 63 befindet, während ein weiterer Zwischenkreis 13 mit einem Halbbrückenzweig verbunden ist, der sich auf der Innenseite eines Lagerschildes 60 befindet.
In den Abbildungen der 6 sind verschiedene Ausführungsformen von Wicklungsstrang und Phase in Kombination mit Umrichtern dargestellt.
Bei der Herstellung einer erfindungsgemäßen Antriebsmaschine mit integrierten Leistungsmodulen, wird die Verbindung der Wicklungsenden zu dem Leistungsmodul in einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung durch Druckkontakte hergestellt. Bei der Herstellung von Wicklungen außerhalb der Maschine können dazu Kontaktierungseinrichtungen mit den gewickelten und beispielsweise vergossenen Spulen verbunden werden. Zu derartigen Kontaktierungseinrichtungen zählen beispielsweise Steckverbindungen oder Druckkontakte an den Wicklungsenden etwa in Form einer verklebten Anschlussplatte. Zusammen mit einer vergossenen Wicklung bilden die Kontaktierungseinrichtungen eine mechanische stabile Einheit. Ferner können bei einer fluidgekühlten Wicklung auch Kühlrohre oder -schläuche in das vergossene Spulenpaket integriert werden, wobei diese ebenfalls an der Anschlussplatte enden.
Durch diese Anordnung ist bei Durchführung der Wicklungsenden durch das Lagerschild oder durch eine Zwischenplatte eine Isolation der Wicklungsenden gewährleistet. Außerdem kann über die Anschlussplatte ein einfacher Anschluss der Kühlleitungen an das kühlwasserführende Lagerschild erfolgen.
Eine Art der Kontaktierung der Spulenenden kann bei der Anordnung beispielsweise über Druckkontakte erfolgen.
Die Abbildung in 7 zeigt eine mögliche Ausführungsform einer Druckkontaktierung zwischen Wicklungsstrang 20 und Leistungsmodul 30. Der Wicklungsstrang ist dazu vergossen, wobei vorzugsweise aus der Vergussmasse an den Wicklungsenden 26 und 27 eine Anschlussplatte 72 geformt ist. Die Anschlussplatte kann auch aus einem anderen Material geformt sein und mit der vergossenen Wicklung verbunden werden. Die Wicklungsenden münden jeweils in eine Kontaktfläche 71, die den Kontakt zum Leistungsmodul 30 herstellt. Der Kontakt ist in der Abbildung schematisch durch kleine Kästchen dargestellt. Als Kontakteinrichtungen können ferner Schraubkontakte verwendet werden.
In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung bildet ein Wicklungsstrang mit einem damit verbundenen Umrichterleistungsteil eine bauliche Einheit. Zur Bildung der baulichen Einheit ist es beispielsweise möglich, jeden Wicklungsstrang zusammen mit dem Leistungsmodul zu vergießen. In diese Einheiten könnte auch eine Wasserkühlung integriert werden, so dass auf ein als Kühlkörper ausgeführtes Maschinenschild verzichtet werden könnte.
In einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung sind in den Wickelkopf 70 axiale Kühlkanäle eingebracht, um die Wicklung von innen zu kühlen. Derartige Kühlkanäle können zweckmäßigerweise ebenfalls in der Anschlussplatte 72 enden, wobei in der Platte ein Anschluss an die Kühlkanäle des Lagerschildes 60 ausgebildet ist. Das Leistungsmodul kann dazu beispielsweise in das Lagerschild versenkt werden, so dass die Anschlussplatte im Außenbereich des Leistungsmoduls mit dem Lagerschild Kontakt hat und eine Verbindung der Kühlkanäle der beiden Systeme in diesem Bereich möglich ist. Diese Ausführungsform ist in der Abbildung nicht dargestellt.
Die erfindungsgemäße Ausführung einer elektrischen Antriebsmaschine mit einem integrierten Umrichter bringt diverse Vorteile mit sich. Der deutlich reduzierte innere Verdrahtungsaufwand der Maschine führt zu einer Platz- und Kostenersparnis. Durch den Wegfall des Bauraumes für die innere Verdrahtung verkürzt sich ferner die freie Länge der Maschinenwelle zwischen den Lagern, wodurch höhere Drehzahlen der Maschine durch die verminderte Schwingungsneigung der Welle erreicht werden können. Der Platzbedarf des Gesamtsystems wird dadurch ebenfalls verringert. Außerdem ergibt sich aufgrund der verteilten Leistungsschalter eine hohe Redundanz.
Zur Kühlung ist es vorteilhaft, dass der Halbleiterkühler in die Maschine integriert werden kann. Vorhandene Maschinenelemente wie beispielsweise Lagerschilde können dabei als Kühlkörper für Halbleiter verwendet werden. Auch der Anschluss axialer Kühlrohre über den Kühlkreislauf des Maschinenschildes lässt sich einfach realisieren.
Durch wegfallende elektrische Verbindungsleitungen zwischen Maschine und einem extern vorhandenen Umrichter ergibt sich auch an dieser Stelle ein verminderter Verdrahtungsbedarf, was zu einer verminderten Störstrahlungsaussendung führt. Ferner sind verschiedene Umrichter/Phasenkonfigurationen möglich.
Bei der Kontaktierung einzelner Wicklungsstränge durch Druckkontakte ist eine Integration der Kontaktierungseinrichtung in vorgefertigte Einzelwicklungen möglich. Auch Kühlanschlüsse können in vorgefertigte Einzelwicklungen eingebracht werden.
Die erfindungsgemäße Maschine kann somit bei nahezu gleichem oder weniger Bauraum wie eine herkömmliche Maschine die Funktionen Umrichter und Maschine vereinen, jedoch eine deutlich erhöhte Zuverlässigkeit aufweisen, den Verdrahtungsaufwand und den Aufwand an zu verlegenden Kühlleitungen reduzieren sowie die Abstrahlung von Störstrahlungen vermindern. Weiterhin ist ein niederinduktiver Aufbau des Umrichters bei einer Integration in die Maschine in vorgeschlagener Weise möglich.
Die beschriebene Antriebsmaschine mit integriertem Umrichter eignet sich insbesondere für kompakte elektrische Antriebe mit hohem Integrationsbedarf. Dazu zählen beispielsweise Elektrofahrzeuge wie PKWs und/oder Flurfahrzeuge. Mögliche Einsatzbereiche sind ferner bei verteilten Antriebssystemen im industriellen Bereich zu sehen.

10, 14: Gleichspannungszwischenkreis
11: Positiver Leiter des Zwischenkreises
12: Negativer Leiter des Zwischenkreises
13: Zwischenkreiskondensator
20–25: Wicklungsstrang
26, 27: Wickelungsende
30–35: Leistungsmodul, Leistungsteil,
: Umrichtermodul
36: Isolierung
37: Wärmeleitpaste
40: Welle
41: Rotor
42: Stator
50: Lagerung, Kugellager
60, 63: Lagerschild, Maschinenschild
61: Maschinengehäuse
70: Wickelkopf
71: Kontaktfläche
72: Anschlussplatte
80: Kühlkanal Maschinengehäuse
81: Kühlkanal Lagerschild
82: Querbohrung
83: Axiales Kühlrohr
90, 91: Kühlrippen
100: Deckel
110, 111: Halbbrückenzweig
62: O-Ring

Claims

Elektrische Antriebseinrichtung mit mehreren Wicklungssträngen (20, 21, 22, 23, 24, 25) pro Maschinenphase, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Wicklungsstrang (20, 21, 22, 23, 24, 25) einer Maschinenphase mit jeweils einem Umrichterleistungsteil (30, 31, 32, 33, 34, 35) verbunden ist.
Elektrische Antriebseinrichtung nach Anspruch 1, daurch gekennzeichnet, dass ein Wicklungsstrang mit einem damit verbundenen Umrichterleistungsteil eine bauliche Einheit bildet.
Elektrische Antriebseinrichtung nach einem oder beiden der Ansprüche 1 und 2 , dadurch gakennzeichnet, dass die Umrichterleistungsteile (30, 31, 32, 33, 34, 35) mit einem in die Antriebseinrichtung integrierten Gleichspannungszwischenkreis verbunden sind.
Elektrische Antriebseinrichtung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichspannungszwischenkreis durch einen positiven Leiter (11) und einen negativen Leiter (12) gebildet wird, wobei zwischen die Leiter wenigstens ein Kondensator (13) eingebracht ist.
Elektrische Antriebseinrichtung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umrichterleistungsteile (30, 31, 32, 33, 34, 35) auf den Umfang der Antriebseinrichtung verteilt sind.
Elektrische Antriebseinrichtung nach einem oder mehre ren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekannzeichnet, dass die Antriebseinrichtung eine Welle (40) umfasst, auf der sich ein Rotor (41) befindet, und dass sie einen Stator (42) umfasst, der aus mehreren Wickelköpfen mit Wicklungssträngen gebildet wird, wobei die Antriebseinrichtung ein Maschinengehäuse (61) aufweist, das wenigstens die Welle, den Rotor und den Stator umgibt, und dass die Antriebseinrichtung wenigstens ein Lagerschild (60) aufweist, das ein Ende der Maschine abschließt und auf der Welle (40) gelagert ist.
Elektrische Antriebseinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinrichtung einen Deckel (100) aufweist, der sich auf der Außenseite des Lagerschildes (60) befindet.
Elektrische Antriebseinrichtung nach einem oder beiden der Ansprüche 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Umrichterleistungsteile innerhalb oder außerhalb der durch das Lagerschild (60) begrenzten Maschine angeordnet sind.
Elektrische Antriebseinrichtung nach einem oder beiden der Ansprüche 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichspannungszwischenkreis innerhalb oder außerhalb der durch das Lagerschild (60) begrenzten Maschine angeordnet ist.
Elektrische Antriebseinrichtung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich Gleichspannungszwischenkreise und Umrichterleistungsteile an beiden Enden der Maschine befinden.
Elektrische Antriebseinrichtung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Maschinengehäuse (61) Kühlkanäle (80) aufweist, während das Lagerschild (60) Kühlkanäle (81) aufweist und dass diese beiden Kühlsysteme in Verbindung stehen.
Elektrische Antriebseinrichtung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich auf der Außenseite des Maschinengehäuses (61) und auf der Außenseite des Deckels (100) Kühlrippen (90) bzw. (91) befinden.
Elektrische Antriebseinrichtung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Wicklungsstränge (20, 21, 22, 23, 24, 25) axiale Kühlkanäle verlaufen, die mit Kühlkanälen (81) im Lagerschild (60) verbunden sind.
Elektrische Antriebseinrichtung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungsstränge (20, 21, 22, 23, 24, 25) vergossen sind, wobei die Vergussmasse eine Anschlussplatte (72) bildet, in welche die Wicklungsenden (26, 27) der Wicklungsstränge münden, und dass die Wicklungsenden in Kontakteinrichtungen münden.
Elektrische Antriebseinrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungsenden (26, 27) in Kontaktflächen (71) münden.
Elektrische Antriebseinrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungsenden (26, 27) in Schraubkontakte münden.
Elektrische Antriebseinrichtung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontakt zwischen Wicklungsenden (26, 27) der Wicklungsstränge (20, 21, 22, 23, 24, 25) und Umrichterleistungsteilen (30, 31, 32, 33, 34, 35) durch Druckkontakte hergestellt wird.
Elektrische Antriebseinrichtung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontakt zwischen Wicklungsenden (26, 27) der Wicklungsstränge (20, 21, 22, 23, 24, 25) und Umrichterleistungsteilen (30, 31, 32, 33, 34, 35) durch Schraubkontakte hergestellt wird.