DE10327142A1

DE10327142A1 - Elektrische Maschine

Info

Publication number: DE10327142A1
Application number: DE10327142A
Authority: DE
Inventors: Jens Dr.-Ing. Ranneberg; Yehia Dr.-Ing. Tadros
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2003-06-17
Filing date: 2003-06-17
Publication date: 2005-01-05

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, die zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs geeignet ist, mit einem aus Statorsegmenten (1) aufgebauten Stator, wobei jedes Statorsegment (1) einen Zahn bzw. Zahnbereich (3) aufweist, der mit einer Wicklung (4) versehen ist, und jeder Wicklung (4) eine eigene Leistungselektronikeinheit (5) zugeordnet ist, wobei zwischen dem Zahn (3) und der Wicklung (4) eine Schirmwicklung (12) zur Verminderung einer parasitären Streukapazität (Cpar) vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine segmentiert aufgebaute elektrische Maschine, wobei jedes Statorsegment mit einer Wicklung versehen ist und jeder Wicklung eine Leistungselektronikeinheit zugeordnet ist.

Rotierende elektrische Maschine bestehen aus einem Stator und einem Rotor. Sowohl Stator als auch Rotor weisen oftmals Zähne auf, in deren Zwischenräumen Wicklungen vorgesehen sind. Für eine Fertigung in hohen Stückzahlen, wie es beispielsweise in der Automobilindustrie der Fall ist, kann es aus Kostengründen sinnvoll sein, zumindest den Stator aus einzeln gefertigten Zähnen herzustellen (siehe u.a. DE 42 13 377 A1 , DE 198 05 981 A1 , DE 196 43 561 C1 ). Dabei werden zur Bildung einzelner bewickelter Statorsegmente einzelne Bleche gestanzt, gestapelt und bewickelt. Mehrere solcher Statorsegmente werden dann zu einem Stator zusammengefasst, wobei jedem Zahn bzw. jedem Statorsegment eine eigene Leistungselektronikeinheit zugeordnet werden kann.

In der Patentschrift US 6,429,554 B1 ist eine elektrische Maschine mit einem segmentiert aufgebauten Stator offenbart, wobei jedem Segment ein Stromanschluss zugeordnet ist. Jeder Stromanschluss ist wiederum über eine entsprechende Leitung an eine außerhalb der elektrischen Maschine angeordnete Leis tungselektronikeinheit und über diese an eine ebenfalls extern angeordnete Steuereinheit angeschlossen, wobei jedem Stromanschluss eine Leistungselektronikeinheit und eine Steuereinheit zugeordnet ist.

In der elektrischen Antriebstechnik werden häufig Drehfeldmaschinen, z. B. Asynchronmaschinen, Synchronmaschinen, Reluktanzmaschinen, eingesetzt. Diese Maschinen haben typischerweise eine dreisträngige Statorwicklung. Es sind jedoch auch höhersträngige Anordnungen möglich. Höhersträngige Maschinen werden beispielsweise in Hybridfahrzeugen eingesetzt. Zur Ansteuerung und Drehzahl-/Drehmoment-verstellung solcher Maschinen werden üblicherweise Leistungselektronikeinheiten eingesetzt, welche spannungsgespeiste Umrichter umfassen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein elektrische Maschine der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, die eine reduzierte Blindleistung aufweist.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs gelöst.

Die erfindungsgemäße, zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs geeignete, elektrische Maschine, mit einem aus Statorsegmenten aufgebauten Stator, wobei jedes Statorsegment einen Zahn bzw. Zahnbereich aufweist, der mit einer Wicklung versehen ist, und jeder Wicklung eine eigene Leistungselektronikeinheit zugeordnet ist, zeichnet sich dadurch aus, dass zwischen dem Zahn und der Wicklung eine Schirmwicklung zur Verminderung einer parasitären Streukapazität vorgesehen ist.

Vorteilhafterweise kann durch die Verwendung von Schirmwicklungen eine Erhöhung der in den Leistungselektronikeinheiten vorgesehenen passiven Bauelemente vermieden werden. Mit dem Einsatz der Schirmwicklung wird also eine bauteileaufwandarme Lösung erzielt.

Die Schirmwicklung verkleinert die parasitäre Kapazität von Wicklung zu Masse, welche durch ein Gehäuse der elektrischen Maschine gegeben sein kann, das mit einer Fahrzeugkarosserie verbunden ist. Durch die Schirmwicklung können vorteilhafterweise Ausgleichströme über eine Karosserie/ein Gehäuse vermieden werden.

Die Schirmwicklung zeichnet sich weiterhin dadurch aus, dass sie einfach auf dem jeweiligen Zahn 3 angebracht werden kann.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und den anhand der Zeichnung nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispielen. Dabei zeigen:
1 Eine Draufsicht auf einen Teilausschnitt eines segmentierten Stators,
2 ein Blockschaltbild eines umrichtergespeisten Stators mit n Wicklungen einer elektrischen Maschine mit einem Filterschaltkreis,
3 an Blockschaltbild einer besonderen Ausführungsform eines Schaltkreises einer Auswerte- und/oder Überwachungseinheit,
4 eine graphische Darstellung der zeitlichen Verläufe der Strangströme, des Sternpunktpotentials und des gefilterten Sternpunktpotentials bei fehlerfreiem Betrieb der elektrischen Maschine,
5 eine graphische Darstellung der zeitlichen Verläufe der Strangströme, des Sternpunktpotentials und des gefilterten Sternpunktpotentials, wenn ein Strang der elektrischen Maschine unterbrochen ist,
6 eine schematische Darstellung der Bildung eines. Drehfeldes durch ein dreisträngiges System und alternativ durch ein zweisträngiges System,
7 ein Blockschaltbild eines umrichtergespeisten Stators mit 2n Wicklungen einer elektrischen Maschine, bei welchem der Stator in zwei Teilsysteme mit je einem Sternpunkt aufgeteilt ist,
8 ein Blockschaltbild einer Statorwicklung mit zugeordnetem Zwischenkreis und einer Vorrichtung zur Reduzierung von Streukapazitäten,
9 eine Draufsicht auf ein Statorsegment mit einer Wicklung und einer so genannten Schirmwicklung zur Reduzierung von Streukapazitäten und
10 eine Seitenansicht einer elektrischen Maschine längerer Bauform, die aus mehreren elektrischen Maschinen bzw. Statorringen mit segmentiertem Aufbau zusammengesetzt ist.
Gleiche Bezugszeichen in den Figuren kennzeichnen funktionell gleiche Komponenten.
1 zeigt eine Draufsicht auf einen Teilausschnitt eines segmentierten Stators. Die einzelnen Statorsegmente 1 weisen einen Jochbereich 2 und einen Zahn bzw. Zahnbereich 3 auf. Mehrere Statorsegmente 1 werden zur Bildung des nicht vollständig dargestellten Stators in Umfangsrichtung nebeneinander angeordnet. Auf den bei einem Innenläufer nach innen zeigenden Zähnen 3 ist jeweils eine Wicklung 4, eine so genannte Einzelzahnwicklung, angeordnet. Handelt es sich bei dem nicht dargestellten Rotor der elektrischen Maschine um einen Außenläufer, so zeigen die Zähne 3 selbstverständlich in radialer Richtung nach außen. Jeder Wicklung 4 und somit jedem Statorsegment 1 und jedem Zahn 3 ist eine Leistungselektronikeinheit 5 zugeordnet. Die Leistungselektronikeinheit 5 ist vor zugsweise direkt auf dem jeweiligen Statorsegment 1 in radialer (siehe 1) oder axialer Richtung angeordnet. Wicklung 4 und Leistungselektronikeinheit 5 sind in der 1 beispielhaft nur für ein Statorsegment 1 dargestellt.
2 zeigt ein Blockschaltbild eines umrichtergespeisten segmentierten Stators mit Einzelzahnwicklung. Der Stator weist n Wicklungen 4.1, 4.2 bis 4.n auf, denen je eine Leistungselektronikeinheit mit einem Brückenzweig 7.1, 7.2, ... bzw. 7.n zugeordnet ist. Die Brückenzweige 7.1, 7.2, ..., 7.n weisen typischerweise einen nicht näher bezeichneten Zwischenkreis auf, indem eine Serienschaltung von vorzugsweise zwei nicht näher bezeichneten Schaltelementen, üblicherweise Halbleiterschaltelemente wie IGBTs und/oder MOSFETs, angeordnet ist, denen jeweils eine antiparallel geschaltete Diode zugeordnet ist. Die Wicklungen 4.1, 4.2 bis 4.n sind jeweils zwischen den Schaltelementen an die jeweiligen Brückenzweige 7.1, 7.2, ... bzw. 7.n angeschlossen. An dem Zwischenkreis liegt eine Zwischenkreis(Gleich-)spannung UZK von beispielhaft 2 Ud an, welche durch entsprechende Ansteuerung der Schaltelemente des Brückenzweiges 7.1, 7.2, ... bzw. 7.n mittels einer nicht dargestellten Steuereinheit, beispielsweise ein Motorsteuergerät, in eine Wechselspannung AC1, AC2, ... bzw. ACn umgewandelt wird.
Die Wicklungen 4.1, 4.2 ... 4.n sind vorzugsweise in einem Sternpunkt 6 miteinander verbunden. Handelt es sich bei der elektrischen Maschine um eine Maschine die keinen derartigen Sternpunkt bereitstellt, so kann durch einen entsprechenden Schaltkreis ein künstlicher Sternpunkt gebildet werden. Ein entsprechender Schaltkreis kann beispielsweise durch eine Widerstands-Kondensator-Schaltung (so genanntes RC-Glied) realisiert werden.
Zur Fehlererkennung kann das Potential UStern des Sternpunktes 6 überwacht werden. Der zeitliche Verlauf dieses Potentials weist Unstetigkeiten auf bzw. „springt" mit einer Schaltfrequenz der Umrichter bzw. der Schaltelemente der speisenden Brückenzweige 7.1 bis 7.n. Diese Sprünge bzw. Impulse können mit einer Filtereinheit, insbesondere einem Tiefpass- oder Bandpassfilter, ausgeblendet bzw. herausgefiltert werden. Bei ordnungsgemäßem Betrieb stellt sich dann als Potential UStern eine Gleichspannung ein, die der Hälfte der Zwischenkreisspannung des speisenden Umrichters bzw. des Brückenzweiges der speisenden Leistungselektronikeinheit 7.1, 7.2, ... bzw. 7.n entspricht. In der 2 ist als Filtereinheit beispielhaft ein Tiefpassfilter mittels einem Widerstand Rfilt und einem Kondensator Cfilt realisiert, wobei die Sternpunktspannung UStern über Widerstand Rfilt und Kondensator Cfilt abfällt und die gefilterte Sternpunktspannung USternfilt sich durch den Spannungsabfall über dem Kondensator Cfilt ergibt. Die Filtereinheit kann alternativ auch softwaretechnisch realisiert und als Algorithmus in einem entsprechenden Steuergerät hinterlegt sein. Selbstverständlich kann die Filtereinheit auch als Kombination von Schaltung und Software implementiert werden.
In 4 ist beispielhaft der zeitliche Verlauf der Strangströme IStrang, der Sternpunktpotentials UStern und des gefilterten Sternpunktpotentials USternfilt bei fehlerfreiem Betrieb der elektrischen Maschine dargestellt. Das Sternpunktpotentials UStern zeichnet sich durch einen ausgeprägten hochfrequenten Anteil aus. Das gefilterte Sternpunktpotentials entspricht weitestgehend einer Gleichspannung.
Wird eine Wicklung 4.1, 4.2, ... bzw. 4.n unterbrochen oder fällt ein Brückenzweig 7.1, 7.2, ..., bzw. 7.n einer Leistungselektronikeinheit bzw. eines Umrichters aus, so tritt am Sternpunkt 6 eine Spannung mit der Grundfrequenz des Umrichters auf, siehe 5. 5 zeigt eine grafische Darstellung der zeitlichen Verläufe der Strangströme IStrang, des Sternpunktpotentials UStern und des gefilterten Sternpunktpotentials USternfilt bei fehlerbehaftetem Betrieb der elektrischen Maschine, insbesondere wenn ein Strang unterbrochen ist. Dieser nun schwingungsbehaftete Verlauf des gefilterten Sternpunktpotentials USternfilt kann durch eine nicht dargestellte Auswerte- und/oder Überwachungseinheit erkannt werden, vorzugsweise indem ein Vergleich mit einem vorgegebenen Sollwert stattfindet. Bei ausreichend großer Abweichung von dem Sollwert kann dann eine Fehlermeldung, beispielsweise in Form eines optischen Signals oder durch Setzen einer Fehlervariablen in einem Speicher eines Steuergeräts, erfolgen. Der vorgegebene Sollwert entspricht vorzugsweise der halben Zwischenkreisspannung UZK/2 des Zwischenkreises der Leistungselektronikeinheit 7.1, 7.2, ... bzw. 7.n. Die Auswerte- und/oder Überwachungseinheit kann als Schaltung, als Algorithmus bzw. Software in einem Steuergerät oder als Kombination aus beidem realisiert sein.
Die Filterung des Sternpunktpotentials UStern erfolgt bevorzugterweise in Abhängigkeit von der Grundfrequenz der Umrichter umfassend die Brückenzweige 7.1, 7.2, ... bzw. 7.n. Die Abhängigkeit der Filterung von der Grundfrequenz lässt sich besonders einfach softwaretechnisch umsetzen. Wird als Filtereinheit ein Tiefpassfilter eingesetzt, so ist dessen so genannte Knickfrequenz bevorzugterweise der Grundfrequenz der Umrichter proportional. Wird als Filtereinheit ein Bandpassfilter eingesetzt, so ist dessen so genannte Mittenfrequenz bevorzugterweise der Grundfrequenz der Umrichter proportional. Auf diese Weise wird die Filtereinheit bei einer veränderten Grundfrequenz der Umrichter vorteilhafterweise mit durchgestimmt bzw. adaptiert und somit ist eine verbesserte Signalauswertung ermöglicht.
Die Auswerte- und/oder Überwachungseinheit ist vorzugsweise derart ausgeführt, dass sie aus der Phasenlage der bevorzugterweise gefilterten Sternpunktspannung USternfilt erkennt, welche(r) der Stränge ausgefallen ist.
Die Überwachung der gefilterten Sternpunktspannung USternfilt auf einer Abweichung von der halben Zwischenkreisspannung UZK/2 kann auch mittels der in der 3 dargestellten Schaltung realisiert werden. Dabei ist im Zwischenkreis eine Serienschaltung zweier Widerstände R vorgesehen. Über einem der Widerstände R fällt jeweils die halbe Zwischenkreisspannung UZK/2 ab. An den Verbindungspunkt zwischen den beiden Widerständen R ist vorzugsweise über einen Vorwiderstand Rvor wenigstens ein Optokoppler 8 angeschlossen. Bevorzugterweise wird eine Antiparallelschaltung zweier Optokoppler 8 eingesetzt, wie in der 3 dargestellt. Bei zwei Optokopplern erfolgt die Fehlermeldung vorteilhafterweise schneller und es liegt zusätzlich eine Information über die Phasenlage des Sternpunktpotentials vor, von der auf den fehlerhaften Strang geschlossen werden kann. Gemäß der in der 3 dargestellten Ausführungsform umfasst die Auswerte- und/oder Überwachungseinheit also einen Spannungsteiler in dem Zwischenkreis und wenigstens einen, vorzugsweise zwei Optokoppler 8.
Bei der Auswertung des Sternpunktpotentials UStern zur Fehlerdiagnose ergibt sich der Vorteil, dass nur eine Auswertung und nur eine Auswerte- und/oder Überwachungseinheit für sämtliche Stränge der elektrischen Maschine benötigt wird. Das Verfahren zur Überwachung lässt sich demnach aufwandsarm implementieren.
Soll eine elektrische Maschine als elektrischer Fahrantrieb, beispielsweise als Antrieb für ein Hybrid- oder Elektrofahrzeug eingesetzt werden, so ist es wünschenswert, dass die elektrische Maschine über einen weiten Drehzahlbereich betrieben werden kann. Bei einer elektrischen Maschine mit segmentiertem Stator gem. 1, bei der jedem Zahn eines Stators eine eigene Leistungselektronikeinheit zugeordnet ist, kann eine Anpassung bei einem Betrieb über einen weiten Drehzahlbereich durch eine Umschaltung der Polpaarzahl und/oder der Strangzahl erfolgen.
Dies ergibt sich daraus, dass jeder Zahn eine eigene Wicklung trägt und jedem Zahn bzw. jeder Wicklung eine eigene Leistungselektronikeinheit mit eigenem Umrichterbrückenzweig zugeordnet ist, sodass jeder Zahn bzw. jede Zahnwicklung eigene Steuersignale von einer Steuereinheit, beispielsweise einem Motorsteuergerät, empfangen kann. Dies ist auch für mehrsträngige elektrische Maschinen mit einer jedem Zahn zugeordneten Leistungselektronikeinheit bzw. -baugruppe der Fall. Vorzugsweise ist eine Leistungselektronikeinheit direkt an bzw. auf jedem Zahn angeordnet.
Die mögliche Polpaarzahl einer elektrischen Maschine lässt sich mittels einer Primfaktorzerlegung der Statorzahnanzahl ermitteln. Beispielhaft sei hier eine elektrische Maschine mit 24 Zähnen betrachtet. Eine Primfaktorzerlegung der Zahnanzahl ergibt:
24 = 3·2·2·2·1. Somit lassen sich bei einer elektrischen Maschine mit 24 Zähnen:
acht Polpaare mit einem Zahn pro Pol bei drei Strängen,

– vier Polpaare mit zwei Zähnen pro Pol bei drei Strängen,
– zwei Polpaare mit vier Zähnen pro Pol bei drei Strängen und
– ein Polpaar mit acht Zähnen pro Pol bei drei Strängen realisieren. Die Realisierung erfolgt indem jeder Zahn mit dem der jeweiligen Polpaarzahl entsprechenden Pulsmuster durch die ihm zugeordnete Leistungselektronikeinheit angesteuert wird. Die möglichen Polpaarzahlen sind bevorzugterweise durch Primfaktorzerlegung der Zahnanzahl vor Betrieb der elektrischen Maschine ermittelt und in einer Steuereinheit hinterlegt worden.

Zum Aufbau eines Drehfeldes können drei um 120 elektrische Grad versetzte Wicklungen (so genanntes dreisträngige System) oder zwei um 90 elektrische Grad versetzte Wicklungen (so genanntes zweisträngiges System) verwendet werden, sehe 6. In der 6 ist schematisch die Bildung eines Drehfeldes durch ein dreisträngiges System und alternativ durch ein zweisträngiges System dargestellt, wobei das dreisträngige System RST durch n·drei Zähne R, S, T und das zweisträngige System αβ durch m·zwei Zähne A, B·zwei Zähne -A, -B gegeben ist, wobei m und n frei wählbare Multiplikationsfaktoren sind und die Gesamtzahnanzahl des Stators der elektrischen Maschine ergeben.
Während des Betriebs der elektrischen Maschine kann nun durch entsprechende Ansteuerung der Wicklungen bzw. der Zähne durch die diesen jeweils zugeordneten Leistungselektronikeinheiten von dem Betrieb als dreisträngiges System auf den Betrieb als zweisträngiges System und vice versa umgeschaltet werden.
Selbstverständlich können auch Umschaltungen auf den Betrieb als p-strängiges System und zurück, wobei p eine beliebige ganze Zahl größer 3 ist, entsprechend realisiert werden.
Zusätzlich zur Umschaltung auf den Betrieb als ein „anderssträngiges" System kann gleichzeitig oder in einem weiteren Verfahrensschritt die Polpaarzahl wie oben beschrieben geändert werden. Bei einem zweisträngigen System lassen sich bei einer elektrischen Maschine mit z.B. 24 Zähnen:

– sechs Polpaare mit zwei Zähnen pro Pol bei zwei Strängen,
– vier Polpaare mit vier Zähnen pro Pol bei zwei Strängen,
– zwei Polpaare mit sechs Zähnen pro Pol bei zwei Strängen und
– ein Polpaar mit zwölf Zähnen pro Pol bei zwei Strängen realisieren.

Die Polpaarzahl und/oder die Strangzahl der elektrischen Maschine lassen sich also vorteilhafterweise ohne zusätzliche Schaltelemente, d. h. aufwands- und bauteilarm, während des Betriebs der Maschine dadurch umschalten, dass jeder Zahn bzw. jeder Einzelzahnwicklung durch die dieser zugeordnete Leistungselektronikeinheit mit einem der jeweiligen Polpaarzahl bzw. der jeweiligen Strangzahl entsprechenden Pulsmuster angesteuert wird. Die Ansteuerung kann, wenn vorteilhaft, in mehreren Stufen (z.B. 1. Stufe: Umschaltung der Strangzahl, 2. Stufe: Umschaltung der Polpaarzahl oder vice versa) erfolgen. Durch die umschaltbaren Polpaarzahlen und/oder durch die umschaltbaren Strangzahlen ergeben sich vorteilhafterweise zusätzliche Freiheitsgrade bei der Auslegung der elektrischen Maschine.
Zusätzlich zu dem oben beschriebenen Verfahren zur Umschaltung der Polpaarzahl und/oder der Strangzahl kann eine Überwachung des Sternpunktpotentials zur Fehlererkennung erfolgen, welche in Zusammenhang mit der Figurenbeschreibung der 2 bis 5 beschrieben worden ist.
7 zeigt ein Blockschaltbild eines umrichtergespeisten Stators mit 2n Wicklungen einer elektrischen Maschine, bei welchem der Stator in zwei Teilsysteme 9.1 und 9.2 mit je einem Sternpunkt 6.1 und 6.2 aufgeteilt ist. Selbstverständlich kann auch eine Aufteilung in mehr als zwei Teilsysteme erfolgen. Ist die Anzahl der Zähne mit je einer Wicklung und einer eigenen Leistungselektronikeinheit durch zwei teilbar, so kann die Hälfte der Wicklungen, insbesondere die Wicklungen 4.1, 4.3, ..., 4.2n-1 der Zähne mit ungerader Zahl (1, 3, 5, ..., 2n-1), denen je eine Leistungselektronikeinheit bzw. ein Umrichterbrückenzweig 7.1, 7.3, ..., 7.2n-1 zugeordnet ist, an einen ersten Sternpunkt 6.1 angeschlossen werden und somit ein erstes Teilsystem 9.1 bilden. Die zweite Hälfte der Wicklungen, insbesondere die Wicklungen 4.2, 4.4, ..., 4.2n der Zähne mit gerader Zahl (2, 4, 6, ..., 2n), denen je eine Leistungselektronikeinheit bzw. ein Umrichterbrückenzweig 7.2, 7.4, ..., 7.2n zugeordnet ist, kann dementsprechend an einen zweiten Sternpunkt 6.2 angeschlossen werden und somit ein zweites Teilsystem 9.2 bilden. Bevorzugterweise sind die Leistungselektronikeinheiten 7.1 bis 7.2n direkt auf bzw. an den jeweiligen Statorsegmenten bzw. Zähnen angeordnet. Die AC1 bis AC2n entsprechen den in die Wicklungen eingespeisten Wechselströmen.
Bei einer durch drei teilbaren Anzahl von Zähnen können die Wicklungen entsprechend mit drei Sternpunkten verschaltet werden, indem es

– einen ersten Sternpunkt für die Zähne 1, 4, 7, etc.
– einen zweiten Sternpunkt für die Zähne 2, 5, 8, etc. und
– einer dritten Sternpunkt für die Zähne 3, 6, 9, etc. gibt.

Allgemein lässt sich sagen, dass eine erste Anzahl von Wicklungen an einen ersten Sternpunkt und eine zweite Anzahl von Wicklungen an einen zweiten Sternpunkt angeschlossen werden kann. Bevorzugterweise ist die erste Anzahl von Wicklungen gleich der zweiten Anzahl von Wicklungen. Wie bereits oben angedeutet, ist eine Aufteilung der Wicklungen auf mehr als Teilsysteme ohne weiteres möglich.
Durch die Aufteilung entstehen zwei bzw. drei oder mehr voneinander unabhängige Stator-Teilsysteme, die vorteilhafterweise einen Betrieb der elektrischen Maschine mit reduzierter Leistung auch dann gewährleisten, wenn eines dieser Teilsysteme ausfällt bzw. ausgefallen ist. Ist ein elektrischer Antriebsmotor z.B. eines Brennstoffzellenfahrzeug oder eines Hybridfahrzeuges wie oben beschrieben ausgeführt, nämlich dergestalt, dass der Stator in mehrere voneinander unabhängige Teilsysteme aufgeteilt ist, so ist bei einem Fehlerfall zumindest noch eine Weiterfahrt mit reduzierter Leistung möglich.
Der erste und der zweite Sternpunkt 6.1, 6.2 und gegebenenfalls weitere Sternpunkte sind bevorzugterweise elektrisch miteinander verbunden. Diese Verbindung kann beispielsweise über einen steuerbaren Schalter 10, insbesondere über einen steuerbaren Leistungshalbleiter erfolgen (z. B. mittels eines so genannten TRIAC – Triode Alternating Current Switch). Im Fehlerfall wird die Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten bzw. die Verbindung zu dem (den) fehlerhaften Stator-Teilsystem(en) mittels eines entsprechenden Steuersignals an den (die) steuerbaren Schalter 10 getrennt. Durch die Aufteilung des Stators im mehrere Teilsysteme, deren Sternpunkte auftrennbar miteinander verbunden sind, ergibt sich vorteilhafterweise ein mit Redundanz aufgebautes Gesamt-Statorsystem und somit eine erhöhte Betriebssicherheit.
Bei einem Stator, der entsprechend der obigen Beschreibung in mehrere Teilsysteme aufgeteilt ist, können selbstverständlich das in Bezug auf die 2 bis 5 beschriebene Verfahren zur Fehlerdiagnose mittels Überwachung der Sternpunktpotentiale an den Sternpunkten (6.1, 6.2 etc.) und das in Bezug auf die 6 beschriebene Verfahren zur Umschaltung der Pol paarzahl und/oder der Strangzahl Verfahren eingesetzt werden.
Ist jedem Statorzahn eine eigene Leistungselektronikeinheit zugeordnet, die bevorzugterweise auf bzw. an dem jeweiligen Zahn angeordnet ist, so steigt mit der Anzahl der Leistungselektronikeinheiten die Anzahl der passiven Bauelemente (z.B. der Zwischenkreiskondensatoren) in der Gesamtanordnung gegenüber einem konventionell aufgebauten elektromotorischen Antrieb mit einer einzigen Leistungselektronikeinheit. Bei einem konventionell aufgebauten elektromotorischen Antrieb mit einer elektrischen Maschine weist die eine Leistungselektronikeinheit typischerweise ein spezielles Bauelement auf, welches darauf gerichtet ist, parasitäre Streukapazitäten der Motorwicklungen zu reduzieren.
Als spezielles Bauelement wird üblicherweise ein so genannter Y-Kondensator eingesetzt. In der 8 ist ein Teil einer Leistungselektronikeinheit mit einem Brückenzweig 7 mit nicht näher bezeichneten Schaltelementen und einem im nicht näher bezeichneten Zwischenkreis typischerweise angeordneten Zwischenkreiskondensator CZK dargestellt. Zwischen den Schaltelementen des Brückenzweiges 7 ist eine Wicklung 4 angeschlossen. Die Wicklung 4 weist eine parasitäre Streukapazität Cpar gegen Masse auf. Bei einer Anwendung im Automobilbereich wird die Masse 11 üblicherweise durch das Gehäuse der elektrischen Maschine (kurz: Motorgehäuse) gebildet, welches typischerweise mit dem Fahrzeugchassis verbunden ist. Der Y-Kondensator CY ist derart angeordnet, dass er den Zwischenkreis bzw. eine diesem zugeordnete, nicht dargestellte Gleichspannungsquelle mit Masse 11, insbesondere dem Motorgehäuse, verbindet. Der Y-Kondensator CY schließt damit einen Strompfad für die parasitäre Streukapazität Cpar der Wicklung 4 gegen Masse 11.
Ist jedem Zahn eine eigene Leistungselektronikeinheit zugeordnet, so würde dies bedeuten, das auch jedem Zahn ein Y-Kondensator zugeordnet sein müsste. Der Aufwand an passiven Bauelementen würde also steigen.
Ist bei einer segmentiert aufgebauten elektrischen Maschine jeder Zahn einzeln gewickelt, zu kann an Stelle eines Y-Kondensators an jedem Zahn eine Schirmwicklung vorgesehen sein. Schirmwicklungen sind bereits aus dem Transformatorbau bekannt. 9 zeigt eine Draufsicht auf ein Statorsegment 1 mit einem Jochsegment 2 und einem Zahn bzw. Zahnbereich 3. Auf dem Zahn 3 ist eine Wicklung 4 angebracht. Zwischen Zahn 3 und Wicklung 4 kann nun eine Schirmwicklung 12 vorgesehen sein. Die Schirmwicklung 12 ist an den ersten, vorzugsweise positiven Pol (+Ud) und den zweiten, vorzugsweise negativen Pol (–Ud), der nicht dargestellten Gleichspannungsquelle bzw. des Zwischenkreises angeschlossen. Die Schirmwicklung 12 ist vorzugsweise ringförmig und in ihrer Umfangsrichtung nicht geschlossen, da sie ansonsten einen Kurzschlussring für die Wicklung 4 darstellen würde.
Die Schirmwicklung 12 ersetzt vorteilhafterweise den Y-Kondensator und übernimmt dessen Funktion. Die Schirmwicklung 12 verkleinert die parasitäre Kapazität Cpar von Wicklung 4 zu Masse bzw. Gehäuse/Karosserie 11 und bildet selbst eine Kapazität gegen den Zahn 3. Durch die Anordnung der Schirmwicklung 12 können vorteilhafterweise Ausgleichströme über die Karosserie vermieden werden. Die Schirmwicklung zeichnet sich weiterhin dadurch aus, dass sie einfach auf dem jeweiligen Zahn 3 angebracht werden kann.
Bei einer elektrischen Maschine, deren Zähne wie oben beschrieben mit Schirmwicklungen versehen sind, kann selbstverständlich das in Bezug auf die 2 bis 5 beschriebene Verfahren zur Fehlerdetektion durch Überwachung des Sternpunktpotentials und das ebenfalls beschriebene Verfahren zum Umschalten der Polpaarzahl und/oder der Strangzahl eingesetzt werden. Weiterhin ist bei einer elektrischen Maschine, auf deren Zähnen Schirmwicklungen angebracht sind, eine Aufteilung in Teilsysteme, wie in Bezug auf 7 dargestellt, möglich.
Eine elektrische Maschine mit längerer Bauform kann dadurch realisiert werden, dass mehrere kürzere elektrische Maschinen bzw. deren Statorringe, auch Teilmaschinen genannt, in axialer Richtung hintereinander gestapelt sind. 10 zeigt hierzu eine Seitenansicht einer elektrischen Maschine längerer Bauform, die aus mehreren einzelnen elektrischen Maschine mit segmentierten Statoren bzw. segmentierten Statorringen 13 aufgebaut ist. Beispielhaft sind drei Teilmaschinen 13 in Richtung der Motorachse 14 hintereinander angeordnet. Die Statoren der Teilmaschinen 13 sind jeweils aus einzelnen Statorsegmenten 1 aufgebaut, denen jeweils eine Leistungselektronikeinheit 5 zugeordnet ist. Die Leistungselektronikeinheiten 5 sind vorzugsweise direkt an bzw. auf den Statorsegmenten 1 angebracht. Weiterhin weisen die Statorsegmente 1 vorzugsweise je einer Schirmwicklung zur Verminderung von parasitären Streukapazitäten auf.
Auf diese Weise sind elektrische Maschinen mit variabler Länge realisierbar. Mit ein und denselben Segmenttypen können vorteilhafterweise unterschiedlichste Bauformen und Maschinen unterschiedlichster Leistungen realisiert werden. Die Leistung der elektrischen Maschine kann also durch axiale Schichtung von Teilmaschinen bzw. Statorringen skaliert werden.
Selbstverständlich können auch bei der aus mehreren Teilmaschinen zusammengesetzten elektrischen Maschine das Verfahren zur Fehlererkennung durch Überwachung des Sternpunktpotentials und das Verfahren zur Umschaltung der Polpaarzahl und/oder der Strangzahl eingesetzt werden. Ebenfalls kann die längere Maschine bzw. können deren Teilmaschinen durch Bildung mehrerer Sternpunkte in Teilsysteme aufgeteilt werden.
Die beschriebene Fehlererkennung mittels Überwachung des Sternpunktpotentials, das beschriebene Verfahren zur Umschaltung der Polpaarzahl und/oder der Strangzahl, die beschriebene Aufteilung des Stators in mehrere Teilsysteme mit eigenen Sternpunkten, die dargestellte Reduzierung von parasitären Streukapazitäten mittels Schirmkondensatoren und der Bau elektrischer Maschine mit skalierbaren Leistungen sind insbesondere wegen des segmentierten Aufbaus des Stators der elektrischen Maschine und der Zuordnung einer Leistungselektronikeinheit zu jedem Statorsegment möglich. Der segmentierte Aufbau des Stators und die Zuordnung einer Leistungselektronikeinheit zu jedem Statorsegment führen somit zu sowohl funktionellen als auch aufbautechnischen Vorteilen, wie sie insbesondere für eine Anwendung einer elektrischen Maschine als Antriebseinheit in einem Verkehrsmittel, wie beispielsweise einem Hybrid- oder Elektrofahrzeug, relevant sind.

Claims

Elektrische Maschine, die zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs geeignet ist, mit einem aus Statorsegmenten (1) aufgebauten Stator, wobei jedes Statorsegment (1) einen Zahn bzw. Zahnbereich (3) aufweist, der mit einer Wicklung (4) versehen ist, und jeder Wicklung (4) eine eigene Leistungselektronikeinheit (5) zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Zahn (3) und der Wicklung (4) eine Schirmwicklung (12) zur Verminderung einer parasitären Streukapazität (Cpar) vorgesehen ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schirmwicklung (12) in Umfangsrichtung nicht geschlossen ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schirmwicklung (12) an einen Zwischenkreis der Leistungselektronikeinheit (5) angeschlossen ist.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Anzahl von Wicklungen (4.1, 4.3, ..., 4.2n-1) an einen ersten Sternpunkt (6.1) angeschlossen ist und eine zweite Anzahl von Wicklungen (4.2, 4.4, ..., 4.2n) an einen zweiten Sternpunkt (6.2) angeschlossen ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Sternpunkt (6.1) und der zweite Sternpunkt (6.2) miteinander verbunden sind und diese Verbindung mittels eines geeigneten Steuersignals im Fehlerfall getrennt werden kann.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswerte- und/oder Überwachungseinheit vorgesehen ist, welche ein Potential (UStern) eines Sternpunktes (6, 6.1, 6.2) der elektrischen Maschine überwacht und auf Abweichungen von einem vorgegebenen Sollwert überwacht.
Elektrische Maschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Filtereinheit (Rfilt, Cfilt) zur Filterung des Potentials (UStern) des Sternpunktes (6, 6.1, 6.2) vorgesehen ist.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Polpaarzahl und/oder eine Strangzahl der elektrischen Maschine durch Ansteuerung einer jeden Wicklung (4) durch die ihr zugeordnete Leistungselektronikeinheit (5) einstellbar ist, wobei die Ansteuerung entsprechend der einzustellenden Polpaarzahl erfolgt.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine mehrere segmentiert aufgebaute Teilmaschinen (13) umfasst, wobei jedem Statorsegment (1) eine Leistungselektronikeinheit (5) zugeordnet ist.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungselektronikeinheiten (5) auf bzw. an den jeweiligen Statorsegmenten (1) angeordnet sind.