DE112013000675T5

DE112013000675T5 - Elektrische Maschine

Info

Publication number: DE112013000675T5
Application number: DE112013000675.8T
Authority: DE
Inventors: Stéphane Mouty
Original assignee: GE Energy Power Conversion Technology Ltd
Current assignee: GE Energy Power Conversion Technology Ltd
Priority date: 2012-01-24
Filing date: 2013-01-23
Publication date: 2014-10-30
Also published as: GB2512010A; FR2986118B1; BR112014017888A8; US20150028779A1; CN104221260A; WO2013110672A2; GB201412697D0; WO2013110672A3; BR112014017888A2; FR2986118A1; CA2862243A1

Abstract

Elektrische Maschine aufweisend:
– eine Gruppe von zumindest sechs Wicklungen,
– Spannungsversorgungseinrichtungen, die dazu eingerichtet sind eine elektrische Phase bereitzustellen,
– einen Steuerschaltkreis für die Spannungsversorgungseinrichtungen zur Steuerung der Phasenverschiebungen zwischen den Phasen, die durch die Spannungsversorgungseinrichtungen bereitgestellt werden, wobei jede Spannungsversorgungseinrichtung (40, 42, 44, 48, 50, 52) an einem gemeinsamen Ende von zwei Wicklungen (12, 14, 16, 18, 20, 22) eine Phase bereitstellt, wobei das andere Ende der beiden Wicklungen (12, 14, 16, 18, 20, 22) durch eine von zwei Spannungsversorgungseinrichtungen (40, 42, 44, 48, 50, 52) versorgt wird, die eine Phase bereitstellt, deren Phasenverschiebung mit der durch die Spannungsversorgungseinrichtung (40, 42, 44, 48, 50, 52) bereitgestellten Phase eine von den zwei betragsmäßig geringsten ist unter den Phasenverschiebungen zwischen den Phase, die durch die Spannungsversorgungseinrichtungen bereitgestellt werden und der Phase, die durch die Spannungsversorgungseinrichtung (40, 42, 44, 48, 50, 52) bereitgestellt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine.
Eine elektrische Maschine ist eine elektromechanische Vorrichtung, die das Konvertieren von elektrischer Energie in Arbeit oder mechanische Energie ermöglicht. Die elektrischen Wechselstrom-Maschinen bestehen aus einem Stator und einem Rotor. Der aus Wicklungen bestehende Stator erzeugt ein Rotationsfeld, dem der Rotor ausgesetzt wird. Der Rotor ist entweder mittels Permanentmagneten oder mittels Wicklungen aufgebaut. Dank dieser Konfiguration können die Flüsse des Rotors und des Stators auf optimale Weise (in Quadratur) versetzt sein. Der Versatz erzeugt ein Moment entsprechend dem Gesetz des maximalen Flusses (ein Nordpol zieht einen Südpol an), was zu der Rotation des Rotors führt.
Es ist daher wünschenswert, elektrische Maschinen herzustellen, die auf optimale Weise funktionieren.
Aus der Doktorarbeit von Yvan Crévits mit dem Titel Charakterisierung und Steuerung von Multiphasenmotoren im Betriebsmodus mit reduzierter Energiezufuhr (Doktorarbeit der Universität der Wissenschaften und Technologie in Lille, eingereicht am 12. Juli 2010) ist es bekannt, dass eine elektrische Maschine sechsphasig ausgeführt sein kann, wobei die sechs Phasen in zwei unabhängige Sterne aufgeteilt sind. Die Phasen der beiden Sterne sind üblicherweise um π/6 verschoben. Die mehrphasige Maschine, die aus diesem Zusammenhang resultiert, ist in 2 schematisch veranschaulicht, die unten beschrieben wird.
Die aus diesem Zusammenhang resultierende mehrphasige Maschine trägt dazu bei, Vorteile aus der Erfahrung zu ziehen, die bei der Implementierung von dreiphasigen Wicklungen gemacht wurde. Die Wicklungen dieser Maschinen können unabhängig voneinander mittels Vollweginvertern durch Verteilung der Ströme zwischen den Phasengruppen betrieben werden, derart, dass Effekte der gegenseitigen Induktion vermieden werden.
Die Wicklungen können auch durch andere Komponenten betrieben werden. Die Entwicklung von Leistungselektronikkomponenten hat aktuell die Verwendung von Komponenten mit einer Hochfrequenzkommutierung ermöglicht. Diese Komponenten erlauben das Begrenzen von Oberwellen in den Energiezufuhrsignalen und das Steuern der Phasendifferenz zwischen dem Strom und der Spannung dieser Systeme. Die Spannungsinverter sind ein Beispiel. Die Verwendung von Spannungsinvertern erlaubt das Erzielen von geringen Oberwellenstörungsraten der Energieversorgung, was zu geringen Anteilen von Oberwellen in den Strömen führt. Die geringen Anteile von Oberwellen erlauben das Begrenzen von Verlusten in den verschiedenen Teilen der Maschine unabhängig von der Verlusten vom dem induzierten Strom oder den Verlusten in den Leitungen.
Der „reduzierte Energiezufuhr-Betriebsmodus” oder der „reduzierte Betriebsmodus” tritt auf, wenn die Unversehrtheit der elektrischen Energieversorgung aufgrund von Problemen in der Quelle, der elektrischen Verbindung mit der Maschine oder aufgrund von internen Defekten der Maschine unsicher ist. Eine derartige mehrphasige Maschine erscheint bei der Verwendung des reduzierten Betriebsmodus aufgrund der signifikanten Anzahl von unabhängigen Phasen interessant. In der Tat stellt die signifikante Anzahl von Phasen eine vorteilhafte Redundanz für die Funktion im reduzierten Betriebsmodus bereit. Wenn aber beim Betrieb im reduzierten Betriebsmodus ein Zweig des Sterns beschädigt ist, wird die korrespondierende Phase nicht mehr verwendet. Auch wenn die Energieversorgungseinrichtung beschädigt ist, arbeitet die entsprechende Wicklung nicht mehr. In beiden Fällen führt dies zu einem Energieverlust.
Daher besteht ein Bedürfnis für eine elektrische Maschine, die dazu beiträgt, eine verbesserte Leistung im reduzierten Betriebsmodus zu erreichen, nämlich in dem Fall des Verlusts einer Phase oder der Beschädigung eines Zweigs des Inverters.
Zu diesem Zweck schlägt die Erfindung eine elektrische Maschine vor, aufweisend:

– eine Gruppe von zumindest sechse Wicklungen, von denen jede zwei Enden aufweist, wobei die Wicklungen in Reihe geschaltet sind,
– Spannungsversorgungseinrichtungen, die dazu eingerichtet sind, eine elektrische Phase bereitzustellen,
– eine Steuerschaltung für die Spannungsversorgungseinrichtungen, die die Phasenverschiebungen zwischen den durch die Spannungsversorgungseinrichtungen bereitgestellten Phasen steuert,

Weiterer Merkmale der Erfindung, die separat oder in Kombination verwendet werden können, sind:

– Die Spannungsversorgungseinrichtungen sind aufgeteilt, mit zumindest drei Spannungsversorgungseinrichtungen in einer Anordnung;
– Die Steuerschaltung weist eine Steuereinheit pro Anordnung auf;
– Jede Steuereinheit ist dazu eingerichtet, den Spannungsversorgungseinrichtungen der durch die Steuereinheit gesteuerten Anordnung eine Steuerungsvorschrift zu erteilen;
– die Steuerungsvorschrift ist derart, dass die kleinste Phasenverschiebung zwischen der durch eine Spannungsversorgungseinrichtung einer Anordnung bereitgestellten Phase und der durch die Spannungsversorgungseinrichtung bereitgestellten Phase in derselben Anordnung gleich 2π/n ist, wobei n die Anzahl der Spannungsversorgungseinrichtungen der Anordnung ist;
– Jede der Anordnungen weist eine ungerade Anzahl von Spannungsversorgungseinrichtungen auf;
– Die Anordnungen enthalten dieselbe Anzahl von Spannungsversorgungseinrichtungen;
– Die elektrische Maschine weist zwei Anordnungen auf:
– eine erste Anzahl von zumindest drei Spannungsversorgungseinrichtungen, von denen eine erste Referenzspannungsversorgungseinrichtungen eine erste elektrische Referenzphase bereitstellt und
– eine zweite Anordnung von zumindest drei Spannungsversorgungseinrichtungen, von denen eine zweite Referenzspannungsversorgungseinrichtung eine zweie elektrische Referenzphase bereitstellt, wobei die Referenzphasenverschiebung zwischen der ersten und der zweiten elektrischen Referenzphase verschieden ist von 0;
– Die Referenzphasenverschiebung ist gleich π;
– Die Maschine weist außerdem einen Stator auf, wobei jede Spannungsversorgungseinrichtung in dem Stator angeordnet ist;
– Die Spannungsversorgungseinrichtungen sind in Form eines regelmäßigen Polygons im Stator angeordnet,
– Die Spannungsversorgungseinrichtungen sind in Form eines Sechsecks im Stator angeordnet,
– Die Spannungsversorgungseinrichtungen sind dazu eingerichtet, ein sinusförmiges elektrisches Signal mit einer Oberwellenstörrate kleiner oder gleich 5% abzugeben.

Andere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nach dem Lesen der detaillierten Beschreibung zu Tage treten, die sich aus den Ausführungsbeispielen der Erfindung ergeben, die lediglich als ein Beispiel unter unter Bezugnahme auf die Zeichnung angegeben sind, die zeigt:
1, eine schematisch Ansicht eines Beispiels einer Maschine entsprechend der Erfindung,
2, eine schematische Ansicht eines Beispiels einer Maschine entsprechend dem Stand der Technik.
Eine elektrische Maschine 10 ist vorgeschlagen, wie die die in 1 veranschaulicht ist. Nur der Einfachheit halber zeigt die Darstellung in 1 nur einen Teil der Maschine 10, wobei es bekannt ist, dass die Maschine 10 einen Stator und einen Rotor aufweist.
Der Stator weist sechs Wicklungen 12, 14, 16, 18, 20 und 22 auf, die eine Gruppe 24 bilden. Die Anzahl der Wicklungen 12, 14, 16, 18, 20 und 22 kann auch größer sein. Jede Wicklung 12, 14, 16, 18, 20, und 22 enthält zwei Enden. Ferner sind die Wicklungen 12, 14, 16, 18, und 22 in Reihe angeordnet. Das heißt, dass jede Wicklung an beiden Enden mit einer anderen Wicklung verbunden ist. Daher bildet die Wicklungsgruppe 24 einen geschlossenen Kreis.
In dem Beispiel nach 1 folgen die Wicklungen wie folgt aufeinander, wenn der Kreis in trigonometrischer Richtung durchlaufen wird: Wicklung 12 – Wicklung 14 – Wicklung 16 – Wicklung 18 – Wicklung 20 – Wicklung 22, dann zurück zur Wicklung 12. In Bezug auf die Enden bedeutet dies, dass das Ende 26 gemeinsam zu den beiden Wicklungen 12 und 22 gehört; das Ende 28 zu den Wicklungen 12 und 14; das Ende 30 zu den Wicklungen 14 und 16; das Ende 32 zu den Wicklungen 16 und 18; das Ende 34 zu den Wicklungen 18 und 20 und das Ende 36 zu den Wicklungen 20 und 22.
Außerdem weist die elektrische Maschine Spannungsversorgungseinrichtungen auf, um Phasen an die Wicklungen 12, 14, 16, 18, 20 und 22 anzulegen, wobei die Spannungsversorgungseinrichtungen mit einem Ende von einer Wicklung 12, 14, 16, 18, 20 und 22 verbunden sind.
Die Maschine 10 weist daher eine erste Anordnung 38 von zumindest drei Spannungsversorgungseinrichtungen auf, um eine elektrische Phase bereitzustellen. Entsprechend dem Beispiel in 1 sind nur drei Spannungsversorgungseinrichtungen 40, 42 und 44 veranschaulicht, wobei es sich versteht, dass irgendeine Anzahl von Spannungsversorgungseinrichtungen in der ersten Anordnung 38 vorhanden sein kann.
Insbesondere ist die Anzahl von Spannungsversorgungseinrichtungen in der ersten Anordnung 38 eine ungerade Zahl. Die Wahl einer ungeraden Zahl von Phasen für eine Anordnung trägt dazu bei, die erzeugten Oberwellen räumlich zu begrenzen. Daraus ergibt sich eine Reduktion der Amplitude von den Schwingungen des Moments des Drehmoments des Rotors der Maschine 10. Die Spannungsversorgungseinrichtungen 40, 42 und 44 sind schematisch durch Rechtecke mit durchgezogener Linie veranschaulicht. Insbesondere können Spannungswandler verwendet werden.
Die Spannungsversorgungseinrichtung 40 ist eine erste Referenzenergieversorgung, die eine erste elektrische Referenzphase bereitstellt. Die durch die Spannungsversorgungseinrichtung 40 bereitgestellte Phase ist nachfolgend durch V₁₁ angegeben. Die Phasen, die dazu eingerichtet sind, die Spannungsversorgungseinrichtungen 42 und 44 zu versorgen sind mit V₁₂ und V₁₃ gekennzeichnet.
Die Maschine 10 weist auch eine zweite Anordnung 46 von zumindest drei Spannungsversorgungseinrichtungen auf, die dazu eingerichtet sind, eine elektrische Phase bereitzustellen. Die erste Anordnung 38 und die zweite Anordnung 36 sind nicht durcheinander gebracht. Entsprechend dem Beispiel in 1 sind nur drei Spannungsversorgungseinrichtungen 48, 50, 52 gezeigt, wobei es sich versteht, dass irgendeine Anzahl von Spannungsversorgungseinrichtungen in der zweiten Anordnung 46 vorhanden sein kann.
Insbesondere wegen derselben Gründe wie zuvor, ist die Anzahl der Spannungsversorgungseinrichtungen in der zweiten Anordnung eine ungerade Anzahl. Außerdem ist sie unabhängig von der Anzahl der Spannungsversorgungseinrichtungen in der ersten Anordnung 38. Jedoch kann die gleiche Anzahl von Spannungsversorgungseinrichtungen in der ersten und der zweiten Anordnung 38 und 46 dazu beitragen, eine einfach zu implementierende Vorrichtung zu erhalten.
Zusätzlich sind die Spannungsversorgungseinrichtungen 48, 50 und 52 schematisch in 1 durch Rechtecke mit gepunkteten Linien veranschaulicht. Insbesondere kann es sich um Spannungswandler handeln.
Die Spannungsversorgungseinrichtung 48 ist eine zweite Referenzspannungsversorgungseinrichtung zur Bereitstellung einer zweiten elektrischen Referenzphase. Die Phase, die durch die Spannungsversorgungseinrichtung 48 bereitgestellt wird ist nachfolgend durch V₂₁ gekennzeichnet. Die Referenzphasenverschiebung zwischen der ersten und der zweiten elektrischen Referenzphase ist verschieden von 0. Wenn die Referenzphasenverschiebung mit Δφ_REF und die Funktion, die die Phase einer gegebenen Spannung V zuordnet mit φ(V) gekennzeichnet ist, wird dieser letzte Zusammenhang mathematisch wie folgt interpretiert: Δφ_REF = φ(V₂₁) – φ(V₁₁) ≠ 0 (Gleichung 1)
Unter einem solchen Zusammenhang sind die Signale V₁₁ und V₂₁ unterschiedlich.
Auf gleiche Weise zu den Kennzeichnungen, die für die erste Anordnung 38 eingeführt wurden, sind die Phase, die dazu eingerichtet sind, die Spannungsversorgungseinrichtungen 50 und 52 zu versorgen, entsprechend durch V₂₂ und V₂₃ gekennzeichnet.
In den Beispiel nach 1, ist die Phasenverschiebung zwischen der durch eine Spannungsversorgungseinrichtung einer Anordnung bereitgestellten Phase und der von der Spannungsversorgungseinrichtung derselben Anordnung bereitgestellten Phase mit der kleinsten Phasenverschiebung, gleich 2π/3. Genauer bedeutet dies für die Anordnung 38, dass drei verschiedene Gleichungen erfüllt sind, wobei es sich versteht, dass wenn zwei der Gleichungen erfüllt sind, die dritte auch erfüllt ist:
wobei:

– φ(V) die Funktion ist, die die Phase einer vorgegebenen Spannung V zugordnet;
– Δφ₁ die Phasenverschiebung zwischen der Phase V₁₁ und der Phase V₁₂ ist;
– Δφ₂ die Phasenverschiebung zwischen der Phase V₁₂ und der Phase V₁₃ ist;
– Δφ₃ die Phasenverschiebung zwischen der Phase V₁₃ und der Phase V₁₁ ist;

Ein System von entsprechenden Gleichungen kann für die zweite Anordnung 46 aufgestellt werden für den Fall, dass die Phasenverschiebung zwischen der durch die Spannungsversorgungseinrichtung einer Anordnung bereitgestellten Phase und der durch die Spannungsversorgungseinrichtung derselben Anordnung bereitgestellten Phase mit der geringsten Phasenverschiebung gleich 2π/3 ist:
wobei:

– φ(V) die Funktion ist, die die Phase einer vorgegebenen Spannung V zuordnet;
– Δφ₄ ist die Phasenverschiebung zwischen der Phase V₂₃ und der Phase V₂₂ ist;
– Δφ₅ die Phasenverschiebung zwischen der Phase V₂₁ und der Phase V₂₃ ist;
– Δφ₃ die Phasenverschiebung zwischen der Phase V₂₂ und der Phase V₂₁ ist.

Die Aufrechterhaltung der Phasenverschiebungen Δφ₁, Δφ₂, Δφ₃, Δφ₄, Δφ₅ und Δφ₆ gleich 2π/3 trägt dazu bei, kongruente Phasen zu erhalten, was dazu beiträgt, das größtmögliche Signal in Bezug auf die Amplitude zu erhalten.
In dem Fall, indem eine Anordnung n Spannungsversorgungseinrichtungen aufweist, ist es wünschenswert, um das größtmögliche effektive Signal in Bezug auf die Amplitude zu erhalten, dass die Phasenverschiebung zwischen der durch eine Spannungsversorgungseinrichtung einer Anordnung bereitgestellte Phase und der durch eine Spannungsversorgungseinrichtung derselben Anordnung bereitgestellte Phase mit der kleinsten Phasenverschiebung gleich 2π/n ist. Das ist mathematisch interpretiert durch die folgende Gruppe von Gleichungen:
wobei:

– φ(V) die Funktion ist, die die Phase einer vorgegebenen Spannung V zugordnet;
– Δφ'_i die Phasenverschiebung zwischen der Phase V_1i+1 und der Phase V_1i ist;

Entsprechend dem Beispiel in 1 werden derartige Gleichungen (Gleichungen 2, 3, 4, 5, 6 und 7) mit der Unterstützung von Steuereinheiten erhalten, die die Spannungsversorgungseinrichtungen der Anordnungen einer Steuerungsvorschrift unterwerfen. Genauer unterwirft eine erste Steuereinheit 54 die Spannungsversorgungseinrichtungen in der ersten Anordnung 38 einer ersten Steuerungsvorschrift, während eine zweite Steuereinheit 56 die Spannungsversorgungseinrichtungen in der zweiten Anordnung 46 einer zweiten Steuerungsvorschrift unterwirft. Die erste Steuerungsvorschrift stellt sicher, dass die Gleichungen 2, 3 und 4 durch die Phasen V₁₁, V₁₂ und V₁₃ erfüllt sind. Die zweite Steuerungsvorschrift verlangt, dass die Phasen V₂₁, V₂₂ und V₂₃ die Gleichungen 5, 6 und 7 erfüllen.
Die zwei Einheiten 54 und 64 sind Teil einer Steuerschaltung 58 der Spannungsversorgungseinrichtungen. Die Steuerschaltung 58 steuert die Phasenverschiebungen zwischen den durch die Spannungsversorgungseinrichtungen bereitgestellten Phasen. Diese Steuerung erlaubt es ein effektives Signal mit großer Amplitude zu erhalten.
Außerdem ist jede Spannungsversorgungseinrichtung der beiden Anordnungen über eine Wicklung mit den beiden Spannungsversorgungseinrichtungen verbunden, für die die Phasenverschiebung zwischen den Phasen, die durch die Spannungsversorgungseinrichtungen bereitgestellt werden und der Phase, die durch die Spannungsversorgungseinrichtung bereitgestellt wird, den geringsten Betrag aufweist. In anderen Worten ist eine zu verbindende Spannungsversorgungseinrichtung einerseits mit einer ersten Spannungsversorgungseinrichtung über eine Wicklung und anderseits mit einer zweiten Spannungsversorgungseinrichtung über eine zweite Wicklung gekoppelt. Die erste Spannungsversorgungseinrichtung stellt eine erste Phase bereit, deren Phasenverschiebung mit der Phase der anzuschließenden Spannungsversorgungseinrichtung am kleinsten ist, während die zweite Spannungsversorgungseinrichtung eine Phase bereitstellt, deren Phasenverschiebung mit der Phase der anzuschließenden Spannungsversorgungseinrichtung mit Ausnahme der Phasenverschiebung zwischen der ersten Spannungsversorgungseinrichtung und der anzuschließenden Spannungsversorgungseinrichtung am kleinsten ist.
In dem konkreten Fall gemäß 1 ist jede Spannungsversorgungseinrichtung einer Anordnung daher mit zwei Spannungsversorgungseinrichtungen der anderen Anordnung verbunden. Genauer ist die Spannungsversorgung 40 einerseits mit der Spannungsversorgungseinrichtung 52 über eine Wicklung 16 und andererseits mit der Spannungsversorgungseinrichtung 50 über eine Wicklung 18 verbunden. Die Spannungsversorgungseinrichtung 42 ist einerseits mit der Spannungsversorgungseinrichtung 52 über eine Wicklung 14 und andererseits mit der Spannungsversorgungseinrichtung 46 über eine Wicklung 12 verbunden. Schließlich ist die Spannungsversorgungseinrichtung 44 mit der Spannungseinrichtungsversorgung 46 über eine Wicklung 22 und andererseits mit der Spannungsversorgungseinrichtung 50 über eine Wicklung 20 verbunden.
Vom Standpunkt der Spannungsversorgungseinrichtungen der zweiten Anordnung 46 aus ist dies durch folgende Verbindung ausgedrückt: die Spannungsversorgungseinrichtung 48 ist einerseits mit der Spannungseinrichtungsversorgung 42 über die Wicklung 12 und andererseits mit der Spannungsversorgungseinrichtung 44 über die Wicklung 22 verbunden; die Spannungsversorgungseinrichtung 50 ist einerseits mit der Spannungsversorgungseinrichtung 40 über die Wicklung 18 und andererseits mit der Spannungsversorgungseinrichtung 44 über die Wicklung 20 verbunden und die Spannungsversorgungseinrichtung 52 ist einerseits mit der Spannungsversorgungseinrichtung 40 über die Wicklung 16 und andererseits mit der Spannungsversorgungseinrichtung 42 über die Wicklung 14 verbunden.
In dem Fall, wenn mehr als zwei Spannungsversorgungseinrichtungen vorhanden sind, für die die Phasenverschiebung zwischen den Phasen, die durch die Spannungsversorgungseinrichtungen bereitgestellt werden und der Phase, die durch die Spannungsversorgungseinrichtung bereitgestellt wird, am kleinsten ist, ist es eine vorteilhafte Methode bei der Auswahl der Spannungsversorgungseinrichtung, mit der die betrachtete Spannungsversorgungseinrichtung verbunden werden soll, auch die Einfachheit der Verbindung zu berücksichtigen. Als Beispiel kann eine Verbindung mit den beiden Spannungsversorgungseinrichtungen in Betracht gezogen werden, die im Hinblick auf den Abstand am nächsten angeordnet sind.
Die vorstehende Beschreibung ist eine Beschreibung der Maschine 10 vom Standpunkt der Spannungsversorgungseinrichtungen aus. Es ist möglich, die Maschine 10 auch vom Standpunkt der Wicklungen aus zu beschreiben.
Entsprechend diesem Standpunkt stellt jede Spannungsversorgungseinrichtung 40, 41, 44, 48, 50 und 52 eine Phase an einem gemeinsamen Ende von zwei Wicklungen 12, 14, 16, 18, 20 und 22 bereit, wobei an das andere Ende der beiden Wicklungen 12, 14, 16, 18, 20 und 22 von einer der zwei Spannungsversorgungseinrichtungen 40, 42, 44, 48, 50 und 52 eine Phase angelegt wird, deren Phasenverschiebung mit der Phase, die durch die Spannungsversorgungseinrichtung 40, 42, 44, 48, 50 und 52 bereitgestellt wird, einen der beiden geringsten Beträge aufweist unter den Phasenverschiebungen zwischen den Phasen, die durch die Spannungsversorgungseinrichtungen bereitgestellt werden und der Phase die durch die Spannungsversorgungseinrichtung 40, 42, 44, 48, 50 und 52 bereitgestellt wird.
Daher ist das Ende 26 durch die Energieversorgungseinrichtung 46 versorgt; das Ende 28 durch die Energieversorgungseinrichtung 42; das Ende 30 durch die Energieversorgungseinrichtung 52, das Ende 32 durch die Energieversorgungseinrichtung 40; das Ende 34 durch die Energieversorgungseinrichtung 50 und das Ende 36 durch die Energieversorgungseinrichtung 44.
Die Beschreibung vom Standpunkt der Wicklungen beschreibt dieselbe Struktur als von dem Standpunkt der Spannungsversorgungseinrichtungen, nämlich die Struktur in 1.
Außerdem sind die Spannungsversorgungseinrichtungen von jeder der beiden Anordnungen gemäß dem Beispiel in 1 im Stator angeordnet. Deren Anordnung ist ein regelmäßiges Polygon, das heißt, dass die Spannungsversorgungseinrichtungen in den Ecken des regelmäßigen Polygons sind. In dem besonderen Fall in 1, ist das regelmäßige Polygon ein Sechseck. Solch eine Konfiguration vereinfacht das Ausführen der Verbindungen.
Im Rahmen des normalen Betriebs stellen alle Spannungsversorgungseinrichtungen 40, 42, 44, 48, 50 und 52 eine Spannung bereit. Die an jede Wicklung 12, 14, 16, 18, 20 und 22 der Maschine angelegte Spannung ist daher das Resultat der Spannung der Spannungsversorgungseinrichtungen. Somit, als ein Beispiel, ist die Wicklung 16 einer Spannung V₁₁–V₂₃ zwischen seinen Anschlüssen ausgesetzt. Jede Spannungsversorgungseinrichtung 40, 42, 44, 48, 50 und 52 zeigt auch einen sinusförmigen Strom, dessen Amplitude durch die Steuervorrichtung 58 gesteuert wird.
Es wird jetzt gezeigt, dass die in 1 dargestellte Maschine eine bessere Leistungsverfügbarkeit im reduzierten Betriebsmodus, als eine Doppelstern-Maschine gemäß dem Stand der Technik aufweist. Eine solche Maschine 100, die gemäß dem Stand der Technik mehrphasig ist, ist in 2 veranschaulicht. Entsprechend dem Beispiel in 2 weist die Maschine 100 eine erste Anordnung 102 von Wicklungen auf, die drei Zweige 104, 106 und 108 enthält, die einen ersten Knoten O₁ mit den Spannungsversorgungseinrichtungen 110, 112 und 114 verbinden, die dazu eingerichtet sind, eine Phase über eine Wicklung 116, 118 und 120 bereitzustellen. Auf gleiche Weise zu dem, was für die 1 beschrieben wurde, sind die Phasenverschiebungen zwischen den Phasen der Spannungsversorgungseinrichtungen 110, 112 und 114 gleich 2π/3. Sie weist auch eine zweite Anordnung 118 von Wicklungen auf, die drei Zweige 120, 122 und 124 enthält, die einen zweiten Knoten O₂ mit den Spannungsversorgungseinrichtungen 126, 128 und 130 verbinden, die dazu eingerichtet sind, eine Phase über eine Wicklung 132, 134, 136 bereitzustellen. In gleicher Weise zu dem, was für 1 beschrieben wurde, sind die Phasenverschiebungen zwischen den Phasen der Spannungsversorgungseinrichtungen 120, 128 und 130 gleich 2π/3.
Die Verfügbarkeit von Energie der beiden elektrischen Maschinen 10 und 100 in 1 und 2 ist im Normalbetrieb gleich. Im Gegensatz dazu, ist die Verfügbarkeit von Energie der Maschine 10 im reduzierten Modus größer als die der Maschine 100.
Es sei angenommen, dass eine Spannungsversorgungseinrichtung beschädigt ist, die Spannungsversorgungseinrichtung 42 im Fall der 1 und die Spannungsversorgungseinrichtung 112 im Fall der 2. Die Maschine 10 gemäß 1 oder die Maschine 100 arbeitet dann im reduzierten Betriebsmodus. Im Fall der 2 fließt kein Strom durch den Zweig 108. Daher ist die Wicklung 118 nicht verwendet. Jedoch ist im Fall der 1 jede Wicklung 12 und 14, die mit der beschädigten Spannungsversorgungseinrichtung 42 verbunden ist, auch mit den Spannungsversorgungseinrichtungen 46 und 42 verbunden, die nicht beschädigt sind. Daher ist die an die Wicklungen 12 und 14 angelegte Spannung eine Kombination der Versorgungsspannungen von 46 und 52. Folglich fließt ein Strom durch alle Wicklungen der Maschine 10 auch bei einem Ausfall der Spannungsversorgungseinrichtung 42. Daher wird jede der sechs Wicklungen der Maschine 10 weiterhin verwendet, während nur fünf Wicklungen bei der Maschine 100 verwendet werden. Daher kommt es, dass die verfügbare Leistung der Maschine 10 im reduzierten Betriebsmodus größer ist als die der Maschinenkapazität der Maschine 100. Dies gilt unabhängig davon, ob die Maschine 100 durch Spannungsversorgungseinrichtungen oder Stromversorgungseinrichtungen versorgt wird.
Im reduzierten Betriebsmodus stellt die in 1 veranschaulichte Maschine 10 daher eine bessere Leistungsverfügbarkeit bereit als die Doppelstern-Maschine gemäß dem Stand der Technik.
Dieser Effekt ist noch spürbarer, wenn die Referenzphasenverschiebung Δφ_REF gleich π ist.
Um parasitäre Effekte zu begrenzen (Schwingungen des Drehmoments, Begrenzung des Stromes ...) ist es im reduzierten Betriebsmodus zusätzlich möglich, die Steuerung der Energieversorgungseinrichtungen zu adaptieren. Dies ist schwieriger erreichbar mit Stromversorgungseinrichtungen.
Die Energieversorgung einer Maschine 10 mit Strompulsen ist schwieriger im reduzierten Betriebsmodus. Im Normalbetrieb weist eine der Energieversorgungseinrichtungen einen positiven Strom auf, es sei angenommen, dass es hier die Energieversorgungseinrichtung 40 ist. Der Strom teilt sich in zwei auf, um durch die Wicklungen der Maschine zu fließen, wobei dann eine andere erste Energieversorgungseinrichtung einen negativen Strom zeigt. Nur zwei von den Energieversorgungseinrichtungen werden in diesem Fall verwendet. Eine Kommutation (Anhalten der Energieversorgungseinrichtungen 40 und 48 und Bereitstellen der Energieversorgung unter Verwendung der Energieversorgungseinrichtungen 52 und 44, zum Beispiel) ist notwendig, um in die nachfolgende Stufe der Energieversorgung zu gelangen.
Im Falle eines Fehlers im Energieversorgungssystem ist es notwendig, auch die diesem zugeordnete Energieversorgungseinrichtung einzuhalten. Es ist möglich, den Betrieb mit den verbleibenden Spannungsversorgungseinrichtungen aufrecht zu erhalten. In diesem Fall ist es bevorzugt mehr Wicklungen zu haben, um einen Betriebsmodus mit begrenzten parasitären Effekten (nämlich Oszillation des Drehmoments) zu erhalten. Das ist jedoch schwierig und führt zu steigenden Kosten.
Ferner trägt die Maschine 10 dazu bei, die spezifischen Eigenschaften einer mehrphasigen Maschine und insbesondere deren höhere Fehlertoleranz als eine dreiphasige Maschine beizubehalten.
Die Maschine 10 trägt auch dazu bei, einen Betreib mit elektrischer Kommunikation zu erhalten.
Außerdem ist die Maschine 10 dahingehend vorteilhaft, dass sie ausgehend von einer Doppelstern-Anordnung gemäß dem Stand der Technik einfach erhalten werden kann. Um von der Anordnung nach 2 zu der in 1 zu gelangen, ist es tatsächlich ausreichend, den Zweigverlauf der Wicklungen zu modifizieren, ohne die Dimensionen der Maschine völlig ändern zu müssen. Die Dimensionen der Maschine 10 sind äquivalent zu der, die für eine dreiphasige Maschine verwendet wird. Daher hat das Berücksichtigen der Architektur wie die in 1 nur geringen Einfluss auf die Kosten und die Komplexität der Herstellung der Maschine.
Vorzugsweise sind die Spannungsversorgungseinrichtungen 40, 42, 44, 48, 50, 52 dazu eingerichtet ein sinusförmiges elektrisches Signal mit einer Oberwellenstörungsrate kleiner oder gleich 5% bereitzustellen.
Ein sinusförmiges elektrisches Signal mit einer Oberwellenstörungsrate von kleiner oder gleich 5% ist ein sinusförmiges Signal oder ein quasi-sinusförmiges Signal. Ein sinusförmiges Signal ist ein Signal, dessen Oberwellenstörungsrate gleich null ist.
Im Vergleich zu der Verwendung eines elektrischen Signals nach Art eines Rechtecks oder nach Art eines Trapezes, ist ein elektrisches Signal mit einer Oberwellenstörungsrate kleiner oder gleich 5% insoweit vorteilhaft, als die elektrische Maschine eine höhere Effizienz bereitstellt (geringere Vibrationen, weniger Wärmeentwicklung, etc.).

Claims

Elektrische Maschine (10) aufweisend: – eine Gruppe (24) von wenigstens sechs Wicklungen (12, 14, 16, 18, 20, 22) von denen jede zwei Enden aufweist, wobei die Wicklungen (12, 14, 16, 18, 20, 22) in Reihe geschaltet sind, – Spannungsversorgungseinrichtungen (40, 42, 44, 48, 50, 52), die dazu eingerichtet sind, eine elektrische Phase bereitzustellen, wobei die Spannungsversorgungseinrichtungen (40, 42, 44, 48, 50, 52) in Anordnungen (38, 46) mit jeweils mindestens drei Spannungsversorgungseinrichtungen (40, 42, 44, 48, 50, 52) aufgeteilt sind, – einen Steuerschaltkreis (58) für die Spannungsversorgungseinrichtungen (40, 42, 44, 48, 50, 52), die die Phasenverschiebungen zwischen den durch die Spannungsversorgungseinrichtungen (40, 42, 44, 48, 50, 52) bereitgestellten Phasen steuern, – wobei jede Spannungsversorgungseinrichtung (40, 42, 44, 48, 50, 52) eine Phase an einem gemeinsamen Ende von zwei Wicklungen (12, 14, 16, 18, 20, 22) bereitstellt, wobei an dem anderen Ende der beiden Wicklungen (12, 14, 16, 18, 20, 22) eine Phase durch eine der zwei Spannungsversorgungseinrichtungen (40, 42, 44, 48, 50, 52) bereitgestellt wird, deren Phasenverschiebung mit der Phase, die durch die Spannungsversorgungseinrichtung (40, 42, 44, 48, 50, 52) bereitgestellt wird, einen der beiden geringsten Beträge unter den Phasenverschiebungen zwischen den durch die Spannungsversorgungseinrichtungen bereitgestellten Phasen und der durch die Spannungsversorgungseinrichtung (40, 42, 44, 48m, 50, 52) bereitgestellten Phase hat, – wobei die Maschine dadurch gekennzeichnet ist, dass die Spannungsversorgungseinrichtungen (40, 42, 44, 48, 50, 52) dazu eingerichtet sind, ein sinusförmiges elektrisches Signal mit einer Oberwellenstörungsrate kleiner oder gleich 5% bereitzustellen, dass die Steuerschaltkreis (58) eine Steuereinheit (54, 56) pro Anordnung (38, 46) aufweist, dass jede Steuereinheit (54, 56) dazu eingerichtet ist, die Spannungsversorgungseinrichtungen (24, 26, 28, 32, 34, 36) der Anordnungen (38, 46), die durch die Steuereinheit (54, 56) gesteuert sind, einer Steuerungsvorschrift zu unterwerfen und dass die Steuerungsvorschrift derart ist, dass die Phasenverschiebung zwischen der durch die Spannungsversorgungseinrichtung (40, 42, 44, 48, 50, 52) einer Anordnung (38, 46) bereitgestellten Phase und der durch die Spannungsversorgungseinrichtungen (40, 42, 44, 48, 50, 52) bereitgestellten Phase, die die geringste Phasenverschiebung in derselben Anordnung (38, 46) aufweist, gleich 2π/n ist, wobei n die Anzahl der Spannungsversorgungseinrichtungen der Anordnung (38, 46) ist.
Die Maschine nach Anspruch 1, wobei die Anordnungen (38, 46) jeweils eine ungerade Anzahl von Spannungsversorgungseinrichtungen (40, 42, 44, 48, 50, 52) aufweisen.
Die Maschine nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Anordnungen (38, 46) dieselbe Anzahl von Spannungsversorgungseinrichtungen (40, 42, 44, 46, 48, 50, 52) aufweise.
Die elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, aufweisend zwei Anordnungen: – eine erste Anordnung (38) von zumindest drei Spannungsversorgungseinrichtungen (40, 42, 44), von denen eine erste Referenzspannungsversorgungseinrichtung (40) eine erste elektrische Referenzphase (V₁₁) bereitstellt, – eine zweite Anordnung (46) von zumindest drei Spannungsversorgungseinrichtungen (48, 50, 52), von denen eine zweite Referenzspannungsversorgungseinrichtung (48) eine zweite elektrische Referenzphase (V₂₁) bereitstellt, wobei die Referenzphasenverschiebung (Δφ_REF) zwischen der ersten und der zweiten elektrischen Phase von 0 verschieden ist.
Die Maschine nach Anspruch 4, wobei die Referenzphasenverschiebung (Δφ_REF) gleich π ist.
Die Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Maschine (10) zusätzlich einen Stator aufweist, wobei jede Spannungsversorgungseinrichtung (24, 26, 28, 32, 34, 36) in dem Stator angeordnet ist.
Die Maschine nach Anspruch 6, wobei die Spannungsversorgungseinrichtungen (40, 42, 44, 48, 50, 52) in dem Stator in Form eines regelmäßigen Polygons angeordnet sind.
Maschine nach Anspruch 6, wobei die Spannungsversorgungseinrichtungen (40, 44, 48, 50, 52) in dem Stator in Form eines Sechsecks angeordnet sind.