EP4360197A1 - Baugruppe für eine elektrische maschine - Google Patents

Baugruppe für eine elektrische maschine

Info

Publication number
EP4360197A1
EP4360197A1 EP22737406.3A EP22737406A EP4360197A1 EP 4360197 A1 EP4360197 A1 EP 4360197A1 EP 22737406 A EP22737406 A EP 22737406A EP 4360197 A1 EP4360197 A1 EP 4360197A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
electrical
assembly
current
electrical conductor
tooth
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP22737406.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Wolfram Siegfried BIRKMAYER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Original Assignee
Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG filed Critical Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Publication of EP4360197A1 publication Critical patent/EP4360197A1/de
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K11/00—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection
    • H02K11/20—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection for measuring, monitoring, testing, protecting or switching
    • H02K11/27—Devices for sensing current, or actuated thereby
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/12—Stationary parts of the magnetic circuit
    • H02K1/14—Stator cores with salient poles
    • H02K1/146—Stator cores with salient poles consisting of a generally annular yoke with salient poles
    • H02K1/148—Sectional cores
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K21/00—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets
    • H02K21/12—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets
    • H02K21/14—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets with magnets rotating within the armatures
    • H02K21/20—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets with magnets rotating within the armatures having windings each turn of which co-operates only with poles of one polarity, e.g. homopolar machine

Definitions

  • the present disclosure relates in particular to an assembly for an electric machine, an electric machine with such an assembly and an aircraft with such an electric machine.
  • Such assemblies include a body, e.g., in the form of a laminated core, a plurality of teeth secured to the body, and a plurality of tooth coils wrapping the teeth.
  • a body e.g., in the form of a laminated core
  • teeth secured to the body
  • tooth coils wrapping the teeth.
  • the object of the present invention is to specify an improved assembly for an electrical machine.
  • an assembly for an electric machine comprising a body, a plurality of teeth attached to the body, a plurality of tooth coils, and a differential protection device.
  • Each of the tooth coils has a first electrical conductor and a second electrical conductor.
  • the first and second electrical conductors are each wound around the same tooth on at least one winding section along a winding axis and alternate in the direction of the winding axis.
  • the differential protection device comprises a plurality of sensors, in particular current sensors, which detect a voltage on and/or a current strength through the first conductor or the second conductor at least at two points of one of the toothed windings.
  • Such an assembly makes it possible to detect a turn short circuit between adjacent turns of a winding section, i.e. between the corresponding first and second electrical conductors, in a particularly reliable manner, in order to initiate countermeasures, such as switching off a power supply, and an electrical machine with the assembly in a safe place Shut down operations to avoid dangerous operating states.
  • the first electrical conductor and the associated second electrical conductor are electrically insulated from one another at least on the winding section or the winding sections (optionally completely).
  • the current sensor includes, for example, a Hall sensor and/or a loop sensor. This enables detection of a fault based on current signals using two separate electrical conductors.
  • the differential protection device comprises current sensors, which are arranged to measure a current through the first electrical conductor at at least two points of the first electrical conductor, the at least one Winding section are electrically connected to each other, and / or current sensors, which are arranged to measure a current through the second electrical conductor at at least two points of the second electrical conductor, which are electrically connected to each other via the at least one winding section.
  • a short circuit in the at least one winding section can be detected particularly reliably from the difference between the measured current intensities on both sides of the at least one winding section.
  • signals from the current sensors for measuring the current through the first electrical conductor are provided to a comparator and/or signals from the current sensors for measuring the current through the second electrical conductor are provided to a comparator.
  • the assembly can include one comparator or multiple comparators. The comparator or each of the comparators receives signals from two of the current sensors and compares them with one another. The comparator(s) provide the result of the comparison as a differential signal.
  • the module can include an analog or digital multiplexer to which differential signals from a number of comparators are provided. This enables parallel monitoring of several tooth windings.
  • the differential protection device comprises a current sensor, which is arranged to measure an effective current through the first conductor at two points on the first electrical conductor, which are electrically connected to one another via the at least one winding section, and/or a current sensor, which for measuring an effective current through the second conductor is arranged at two points of the second electrical conductor, which are electrically connected to one another via the at least one winding section.
  • the two locations of the first and/or the second electrical conductor are arranged, for example, in such a way that a current through the corresponding electrical conductor at the two locations is compared with one another in flows in antiparallel directions.
  • the two points of the first and/or second electrical conductor are, for example, arranged adjacent to one another, in particular adjacent to one another.
  • two end sections of the same electrical conductor are routed through the same current sensor.
  • Each of the first and/or second electrical conductors of the toothed windings can be electrically connectable or connected to an inverter. This allows the use of a DC power source such as a battery.
  • the assembly comprises, for example (in particular exactly) three tooth windings for each phase of a three-phase alternating current.
  • the assembly thus comprises, for example, a total of six (first and second) electrical conductors.
  • All of the first electrical conductors of each of the tooth windings can be electrically connected to one another at a (first) star point. Furthermore, all of the second electrical conductors of each of the toothed windings can be electrically connected to one another at a (second) star point. This enables a particularly simple construction.
  • the differential protection device can include one or more voltage sensors as sensor(s).
  • the voltage sensor or the voltage sensors are each) connected in such a way that it (they each) can measure a voltage at one or both star points, e.g. with reference to a ground potential.
  • a voltage sensor is connected to both star points in order to measure a voltage between the star points.
  • the first and the second electrical conductors are in particular (at least on the at least one winding section) arranged in a bifilar manner. Due to the fact that the windings of the first and the second electrical conductor are arranged in a bifilar manner, a short circuit in the winding can thus initially occur between the first and the second electrical conductor. If the partial tooth windings formed by the first and the second electrical conductor are electrically charged, the effect of a winding short-circuit can thus be significantly reduced.
  • each of the first electrical conductors of the tooth windings runs around each of a plurality of teeth and/or each of the second electrical conductors of the tooth windings runs around each of a plurality of teeth, in particular around the same teeth as the associated first electrical conductor.
  • an electric machine includes the assembly of any configuration described herein, such as a stator.
  • the electrical machine also includes a further assembly, e.g. as a rotor, with the assembly and the further assembly being movable, in particular rotatable, relative to one another.
  • the stand is provided as a stator, which provides, for example, a substantially circular opening for receiving a rotor designed as a rotor.
  • the rotor is arranged in the opening, e.g. This design is also referred to as an internal rotor.
  • a design is provided in which the rotor surrounds the stator radially. Such designs are also called external rotors.
  • the electrical machine is a device that converts electrical energy into mechanical energy, in particular kinetic energy, in motor operation, and/or mechanical energy into electrical energy in generator operation.
  • the movement is, for example, a rotary movement that is carried out by the runner.
  • the stator is, for example, non-rotatably arranged with respect to a bearing that supports the electrical machine. A rotary movement is consequently in particular a rotary movement of the rotor relative to the stator.
  • the electrical machine can include an inverter, in particular with a plurality of inverter units for each electrical phase of a multi-phase electrical AC voltage.
  • the inverter units are optionally electrically connected to the first electrical conductors of each of the tooth coils and/or the inverter units are electrically connected to the second electrical conductors of each of the tooth coils. All inverter units can be powered by the same power source will.
  • a vehicle in particular an aircraft, comprising the electric machine according to any configuration described herein, in particular for driving a thrust-generating device, e.g. a propeller.
  • a thrust-generating device e.g. a propeller.
  • the advantages of the electric machine described herein are particularly evident in a vehicle, in particular in an aircraft.
  • the assembly can also be used, for example, in a gas pump, in a ship engine or in a wind turbine or in a generator in general.
  • Figure 1 is a schematic sectional view of a basic
  • FIG. 2 shows a schematic, perspective exploded view of a structure of an assembly in the form of a stator of the electrical machine according to FIG. 1 with toothed windings;
  • FIG. 3 shows a schematic representation of part of a tooth winding of the assembly according to FIG. 2, in which turns of a first and a second electrical conductor are arranged in a bifilar manner;
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a permanently excited electrical machine for operation with a three-phase electrical AC voltage
  • FIG. 7 shows a further schematic circuit diagram representation of tooth windings and inverter units of an inverter
  • FIG. 8 shows a circuit diagram of a differential protection device
  • FIG. 9 switching signals for the inverter units
  • FIG. 10 shows a block diagram of components of the inverter
  • Figure 14 is another schematic circuit diagram representation of
  • FIGS. 15 and 16 are block diagrams of components of
  • FIG. 17 shows a block diagram of a multi-phase differential protection
  • Figures 18 and 19 are block diagrams of arrangements for measuring voltage differences between neutral points, e.g. of one of the arrangements according to Figures 5-7 and 14;
  • FIG. 20 an aircraft in the form of an airplane with an electrically driven propeller and the electrical machine.
  • FIG. 1 shows a rotating electrical machine 2 in the form of a permanently excited synchronous machine in a schematic sectional illustration. It can be seen from FIG. 1 that the electric machine 2 in the present case is designed as an internal rotor.
  • the electrical machine 2 comprises an assembly in the form of a stator 1 which has an opening (not designated), in particular a through-opening, in which another assembly in the form of a rotor 20 is arranged so as to be rotatably mounted.
  • the stator 1 comprises a body 10 in the form of a laminated core, on which teeth are fixed, which are referred to below as stator teeth 11 .
  • the Stator teeth 11 are aligned with an air gap L between the body 10 of the stator 1 and the rotor 20.
  • the stator teeth 11 protrude radially from the body 10, in the present case radially inwards.
  • the stator 1 has a stator winding which includes a plurality of tooth windings 12A-12C.
  • the stator winding is designed for three-phase operation, that is to say it is connected to a three-phase AC voltage with phases U, V, W. When the electrical machine 2 is operated as intended, the stator winding is correspondingly charged with the AC voltage.
  • the rotor 20 is designed as a salient-pole rotor, which includes permanent magnets to provide the magnetic flux.
  • the rotor 20 has exactly one magnetic north pole N and one magnetic south pole S.
  • more magnetic poles can also be provided alternating in the circumferential direction transversely to an axis of rotation of the rotor 20 (relative to the stator 1).
  • the rotor 20 is rotatably mounted.
  • the three-phase AC voltage whose phases U, V, W are phase-shifted by 120°, generates a rotating magnetic field in normal operation, which interacts with the permanently excited magnetic field provided by the rotor 20, so that in motor operation a corresponding rotary movement of the rotor 20 can be brought about against the stand 1.
  • the electric machine 2 serves as a drive motor for an air screw of an aircraft.
  • the sections of the stator winding which are assigned to the respective phases U, V, W are shown schematically in FIG.
  • Each of the tooth coils 12A-12C is assigned to one of the U, V, W phases.
  • the stator winding of the electrical machine 2 is connected to a three-phase inverter 13 .
  • the inverter 13 provides the electrical AC voltage with the three phases U, V, W.
  • the inverter 13 obtains the electrical energy required for proper operation from an energy source 3 connected to the inverter 13.
  • the energy source 3 is a DC voltage source
  • the electrical energy from a suitable electrical Energy storage such as an accumulator or the like, provides.
  • a fuel cell and/or the like or, in the case of stationary applications an energy supply from a public energy supply network can be provided, for which purpose a rectifier can be provided for converting an alternating current from the public energy supply network into direct current.
  • the inverter 13 has associated inverter units for providing the phases U, V, W, which are explained in more detail below in connection with FIG. 5, for example.
  • each inverter unit has its own flag bridge circuit.
  • the flag bridge circuits are connected to a direct voltage intermediate circuit of the inverter 13, not shown in detail in FIG. 1, in order to be supplied with electrical energy as a result.
  • the DC voltage intermediate circuits can have a voltage of 25 V or more, 100 V or more or, for example, in the range from 800 to 3000 V.
  • the flab bridge circuit has a series circuit made up of two electronic switching elements (e.g. transistors) which are connected to the DC link voltage of the inverter 13 .
  • the electronic switching elements are operated in clock mode, which provides clock patterns in the manner of a PWM signal, for example, in a manner explained in more detail below in connection with FIG.
  • the corresponding phase U, V, W of the three-phase AC voltage is then available at a respective center tap of the half-bridge circuits.
  • the inductance of the toothed windings 12A-12C results in a corresponding filtering, so that a corresponding alternating current is set for each of the phases U, V, W, which can be formed almost sinusoidally with suitable control of the inverter units.
  • the inverter 13 is counted here as part of the assembly, that is to say the stator 1, and thus as part of the electrical machine 2, but together with this it can also be referred to as an electrical drive device.
  • Figure 2 shows a schematic exploded view of the stand 1 of the electrical Machine 2.
  • the stand 1 has the body 10 in which the stand teeth 11 can be joined to the ring-shaped body 10 by means of a mechanical connection and can thus be fixed thereto, in particular mechanically fixed.
  • the stator teeth 11 are, for example, integral with the body
  • the stator teeth 11 are fitted with respective winding sections 122 of the tooth windings 12A-12C.
  • the stator winding has a plurality of tooth windings 12A-12C, exactly three in this case.
  • a respective one of the tooth coils 12A-12C is generally on at least one of the stator teeth
  • each of the tooth windings 12A-12C extends over a plurality of stator teeth 11, here two (specifically two opposite ones).
  • Each winding section 122 surrounds (precisely) one stator tooth 11 .
  • Each of the tooth coils 12A-12C has a respective first electrical conductor 120 disposed on each of the coil sections 122 in a plurality of turns circumferentially around the respective stator tooth 11. Between the winding sections 122, the first electrical conductor 120 comprises one or more corresponding connecting sections, via which the sections of the first electrical conductor 120 at the winding sections 122 are electrically connected to one another.
  • Each of the tooth windings 12A-12C also has a respective second electrical conductor 121 which is also arranged on each of the winding sections 122 in a plurality of turns circumferentially around the respective stator tooth 11. Between the winding sections 122 the second electrical conductor 121 comprises one or more corresponding connection sections via which the sections of the second electrical conductor 121 at the winding sections 122 are electrically connected to one another.
  • the first electrical conductors 120 and the second electrical conductors 121 each have end sections on which they are described in more detail further below way are connected.
  • the first electrical conductors 120 and the second electrical conductors 121 are electrically insulated from one another between the respective end portions.
  • the toothed windings 12A-12C are connected accordingly in the electrical machine 2, so that the three-phase connection to the inverter 13 is present.
  • FIG. 3 shows a winding section 122 of one of the tooth windings 12A-12C in a schematic illustration.
  • the first electrical conductor 120 is wound around the stator tooth 11, which is not shown in FIG.
  • the winding on the stator tooth 11 extends around and along a winding axis A.
  • the winding is designed in the manner of a coil that is elongated along the winding axis A.
  • the winding section 122 of the tooth winding 12A-12C comprises the respective second electrical conductor 121 which is electrically insulated from the first electrical conductor 120 .
  • the second electrical conductor 121 also has a plurality of turns arranged circumferentially around the same stator tooth 11 , so that the winding on the stator tooth 11 extends around and along the winding axis A.
  • the respective windings of the first and second electrical conductors 120, 121 are arranged in bifilar fashion. This means that along the winding axis A of the winding section 122 (with the exception of the two outermost turns), one turn of the first electrical conductor 120 is always arranged between two adjacent turns of the second electrical conductor 121 (and vice versa).
  • each first electrical conductor 120 and/or each second electrical conductor 121 consists of two individual conductors that are insulated from one another.
  • FIG. 4 shows a schematic representation of an electrical machine 2′ in the form of a synchronous machine which, in contrast to the electrical machine 2 according to FIGS. 1 and 2, does not have six poles but now has twelve poles.
  • the corresponding stator therefore has twelve stator teeth 11 . In the present case, these are arranged equidistantly in the circumferential direction.
  • the rotor 20 is again arranged, which in this embodiment is also designed with twelve poles and thus provides six north poles N and six south poles S in the circumferential direction, which are arranged alternately.
  • the magnetic flux provided by the rotor 20 is provided by permanent magnets which are arranged, for example, in the area of the outer circumference of the rotor 20.
  • Each of the stator teeth 11 is also equipped here with a winding section 122 of one of the three tooth windings.
  • Each of the three tooth windings again has a respective first electrical conductor and a respective second electrical conductor (represented in FIG. 4 by different line thicknesses merely for illustration), which are wound bifilar onto the respective stator teeth 11 .
  • This electrical machine 2' is also designed to be acted upon by a three-phase electrical AC voltage, with each of the phases again being designated U, V, W.
  • FIG. 5 shows an electrical interconnection of the toothed windings 12A-12C and the inverter units 130A-130F of the inverter 13 of the electrical machine 2 according to FIG.
  • the (here three) first electrical conductors 120 of the tooth windings 12A-12C form a first winding system and the (here three) second electrical conductors 121 of the tooth windings 12A-12C form a second winding system.
  • the first winding system is connected to three inverter units 130A-130C.
  • the first electrical conductors 120 are each connected to one of the inverter units 130A-130C with an end section WA2, VA2, UA2. the respective other end sections WA1 , VA1 , UA1 of the first electrical conductors 120 are electrically connected to one another at a first star point 123 .
  • the second winding system is connected to three inverter units 130D-130F.
  • the second electrical conductors 121 are each connected to one of the inverter units 130D-130F with an end section WB1, VB1, UB1.
  • the respective other end sections WB2, VB2, UB2 of the second electrical conductors 121 are electrically connected to one another at a second star point 124.
  • the inverter 13 consequently comprises six inverter units 130A-130F, two each for one of the three phases U, V, W, and of these two each one for the first winding system and one for the second winding system.
  • each inverter unit 130A-130D comprises a half-bridge circuit.
  • An optional capacitor serves as a low-pass filter in each case.
  • a DC voltage (in this case the same) is present at the inverter units 130A-130D of the inverter 13 (identified with HV+ and HV-).
  • the DC voltage is 25 V or more, 100 V or more, or 800 to 3000 V.
  • each winding of the first and second electrical conductors 120, 121 being shown only schematically.
  • the tooth winding 12A for a first phase W will now be considered first.
  • the tooth winding 12A comprises a first electrical conductor 120 and a second electrical conductor 121. Both electrical conductors 120, 121 extend over the winding sections 122 on the same (two) stator teeth 11, but are insulated from one another. Both electrical conductors 120, 121 have the two end sections WA1, WA2, WB1, WB2 already mentioned. Both electrical conductors 120, 121 are free of branches between their end sections WA1, WA2, WB1, WB2. The electrical conductors 120, 121 each produce an electrical connection between the respective two end sections WA1, WA2, WB1, WB2.
  • the winding sections 122 of the tooth winding 12A lie between the end sections WA1 , WA2 , WB1 , WB2 of the electrical conductors 120 , 121 .
  • the first electrical conductor 120 is electrically connected to a first inverter unit 130A of the inverter 13 with one end section WA2 and is electrically connected to the first neutral point 123 with the other end section WA1.
  • the second electrical conductor 121 is electrically connected to a fourth inverter unit 130D of the inverter 13 at one end section WB1 and is electrically connected to a second neutral point 124 at the other end section WB2.
  • the end portions of the first electrical conductor 120 of the tooth coil 12B for a second phase V are labeled VA1 and VA2.
  • the first electrical conductor 120 is electrically connected with one end section VA2 to the inverter 13, specifically to a second inverter unit 130B thereof, and is electrically connected with the other end section VA1 to the first neutral point 123.
  • the end sections of the second electrical conductor 121 of the toothed winding 12B for the second phase V are denoted by VB1 and VB2.
  • the second electrical conductor 121 is electrically connected to the inverter 13, specifically to a fifth inverter unit 130E thereof, with one end section VB1 and is electrically connected to the second neutral point 124 with the other end section VB2.
  • the end portions of the first electrical conductor 120 of the tooth coil 12C for a third phase U are denoted by UA1 and UA2.
  • the first electrical conductor 120 is electrically connected with one end section UA2 to the inverter 13, specifically to a third inverter unit 130C thereof, and is electrically connected with the other end section UA1 to the first neutral point 123.
  • the end sections of the second electrical conductor 121 of the toothed winding 12C for the third phase U are designated UB1 and UB2.
  • One end section UB1 of the second electrical conductor 121 is electrically connected to the inverter 13, specifically to a sixth inverter unit 130F thereof, and the other end section UB2 is electrically connected to the second neutral point 124.
  • the stator 1 also includes a differential protection device, which will be described in greater detail below.
  • the differential protection device comprises a plurality of current sensors 140. Each of the current sensors 140 is arranged on the first or second electrical conductor 120, 121 and measures the current strength of the current flowing therein.
  • a current sensor 140 is disposed in at least two locations on at least one (or each) of the tooth coils 12A-12C. In the example shown, four current sensors are provided for each tooth winding 12A-12C.
  • the current sensors 140 each include a Hall sensor.
  • the Hall sensor is optionally coupled to a ferromagnetic flux concentrator, which, for example, encompasses the respective electrical line 120, 121 and optionally includes a V-shaped tapering section, at the pointed end of which the Hall sensor is arranged.
  • a current sensor 140 is arranged at a first point X1 on the (first) electrical conductor 120 for each of the toothed windings 12A-12C. In relation to the electrical path, this (first) point X1 is located between the end section WA2 and the winding section 122 that is closest to this end section WA2 along the electrical path of the first electrical conductor 120. Another current sensor 140 is at a (second) point X2 at the first electrical conductor 120 arranged. This (second) point X2 is located in relation to the electrical path between the end section WA1 and the winding section 122 closest to this end section WA1 along the electrical path of the first electrical conductor 120. Another current sensor 140 is at a (third) point X3 at second electrical conductor 121 arranged.
  • This (third) point X3 is located with respect to the electrical path between the end section WB2 and the winding section 122 closest to this end section WB2 along the electrical path of the second electrical conductor 121.
  • Another current sensor 140 is at a (fourth) point X4 at second electrical conductor 121 arranged. In relation to the electrical path, this (fourth) point X4 is located between the end section WB1 and the winding section 122 that is closest to this end section WB1 along the electrical path of the second electrical conductor 121.
  • the winding portions 122 lie respectively between the current sensors 140.
  • the differential protection device can detect a winding short circuit and initiate countermeasures.
  • the differential protection device monitors the difference in the current strengths between the first or second point X1, X2 on the one hand and the third or fourth point X3, X4 on the other hand (and compares it with a threshold value, for example), and can initiate countermeasures based on this.
  • the current sensors 140 are arranged corresponding to the first tooth coil 12A.
  • FIG. 6 essentially shows the same wiring as FIG. 5, but more winding sections 122 are illustrated. It can be seen that the tooth windings 12A-12C can have a smaller or larger number of winding sections 122 depending on the application, e.g. a total of six (cf. in particular Figures 2 and 5), twelve (cf. in particular Figure 4) or 18.
  • toothed windings 12A-12C are arranged between the inverter units 130A-130F, it is to be understood that this arrangement is merely exemplary.
  • FIG. 7 shows a modified arrangement in which the currents are only measured at (precisely) one point per electrical conductor 120, 121 per phase. These currents are monitored, for example, with a three- or multi-phase differential protection.
  • This differential protection forms, for example, the sum of the currents (especially the total sum of all measured currents, alternatively in each case the sum of the two currents per phase) and triggers when the sum is no longer equal to zero (or in particular is no longer in a specified or specifiable tolerance range around or at zero).
  • a summing amplifier can be used and/or the current signals are recorded digitally and the summation takes place in the inverter control, as described further below in connection with FIG.
  • one current sensor 140 per phase can be arranged at a first point on the first electrical conductor 120 and the other current sensor 140 of the respective phase can be arranged at a second point on the second electrical conductor 121.
  • the first and second locations with respect to the winding portions 122 may be located at opposite ends of the respective electrical conductors 120,121.
  • FIG. 17 shows an optional multi-phase differential protection, e.g. for the arrangement according to FIG.
  • the current sensors 140 arranged on the second electrical conductors 121 are connected to a second adder 144 .
  • the first adder 144 sums the measured currents of the current sensors 140 connected to it.
  • the second adder 144 sums the measured currents of the current sensors 140 connected to it.
  • the control unit 131 compares the two sums obtained in this way (and is designed accordingly).
  • a comparator can be connected between the summer 144 and the control unit 131, which carries out the comparison and signals the result of the comparison to the control unit 131.
  • FIG. 8 shows a general structure of a differential protection device, as can be provided in the stator 1.
  • a component to be monitored is represented by a block. In the present case, this is the part of the first electrical conductor 120 or of the second electric conductor 121 from one of the tooth coils 12A-12C between the respective end portions thereof.
  • the current sensors 140 are designed here as (optionally) single or multiple-wound wire sections, which are arranged on the corresponding first/second electrical conductor, so that a current in the electrical conductor induces a current in the wire section.
  • the wire sections (or in general the current sensors 140) are connected in series in a closed circuit. If the current strengths of the currents induced in both current sensors 140 are the same, then no current flows via a cross connection between one and the other electrical connection of the current sensors 140.
  • a countermeasure can be initiated, eg an optional switch (eg in the form of a relay) in the electrical conductor can be opened.
  • a current introduced into the monitored electrical conductor 120, 121 can be changed, e.g. reduced, by driving the transistors at least in the inverter unit 130A-130F connected thereto in a different manner based on the detection of a differential current.
  • the transistors are controlled by signals, in the present case by means of pulse width modulated signals, which can also be referred to as PWM signals for short (pulse width modulation).
  • PWM signals alternate between two discrete values, e.g. "on” and "off", which open and close the corresponding transistor.
  • FIG. 9 shows an example of such PWM signals, with the X standing for the respective phase U, V, W.
  • the PWM signals for the individual phases U, V, W are the same, just shifted in time.
  • an inverted PWMX′ signal is provided for each PWMX signal, which over time assumes the other discrete value in relation to the PWMX signal.
  • the inverse PWM signal PWMW, PWMV''PWMU' created.
  • the PWM signal PWMW, PWMV, PWMU is applied to the transistor of the inverter unit 130A, 130B, 130C of the first electrical conductor 120, which is connected to the negative pole HV- of the DC voltage.
  • the PWM signals are applied in reverse.
  • the PWM signal PWMW, PWMV, PWMU is applied to the transistor of the inverter unit 130D, 130E, 130F of the second electrical conductor 121, which transistor is connected to the positive pole HV+ of the DC voltage.
  • the inverse PWM signal PWMW, PWMV', PWMU' is applied to the transistor of the inverter unit 130D, 130E, 130F of the second electrical conductor 121, which is connected to the negative pole HV- of the direct voltage.
  • the inverter units 130A-130C of the first electrical conductor 120 are subjected to the same PWM signals as the inverter units 130D-130F of the second electrical conductor 121.
  • FIG 10 illustrates the generation of the PWM signals and the inverse PWM signals.
  • the inverter's control unit 131 generates signals for the three phases U, V, W, denoted here as pwmu, pwmv, pwmw. These are each provided to a power electronics driver 132A-132C which, based thereon, generates the PWM signals and the inverse PWM signals for the corresponding phase U, V, W.
  • the power electronics drivers 132A-132C are connected (e.g., electrically) to the inverter units 130A-130F of the respective U, V, W phases.
  • FIG. 11 shows the differential protection device 14A of the stator 1 according to FIG.
  • the differential protection device 14A includes the (12 in total) current sensors 140, it also being possible to provide only six current sensors 140 for the first electrical conductors 120 or only six current sensors 140 for the second electrical conductors 121.
  • the other components shown in FIG. 5 are not shown again here, merely for the sake of simplified illustration.
  • the respective comparator 141 is connected to the current sensors 140 in such a way that it can detect the current signals which are provided thereby and are indicative of the current intensity in the corresponding electrical conductor 120, 121.
  • the comparator 141 compares the current signals provided by the two current sensors 140 with one another and makes the result of the comparison available to the control unit 131 as a difference signal. If a predetermined condition is met, for example if a difference signal exceeds or falls below a threshold value, then the control unit 131 determines an error.
  • the control unit 131 By detecting a current IUA1 (at point X2) unequal to a current IUA2 (point X1) and/or a current IUB1 (point X4) unequal to a current IUB2 (point X3) (or correspondingly for one of the other phases V, W) , the control unit 131 detects a turn short circuit. If this applies to two phases at the same time, the control unit 131 (optional) detects a short circuit between two phases.
  • control unit 131 optionally switches off all PWM signals (e.g. to zero).
  • the positive and/or the negative pole HV+, HV- of the DC voltage source 3 is separated from the inverter units 130A-130F.
  • control unit 131 optionally causes a three-phase short circuit.
  • the control unit 131 can detect whether (specific) first and second electrical conductors 120, 121 have a turn short circuit. In this case, the control unit 131 provides correspondingly changed PWM signals and reversed PWM signals.
  • the signals from the current sensors 140 at the first point X1 and at the second point X2 are connected to a comparator 141 (more generally: are compared with one another).
  • the signals from the current sensors 140 at the third point X3 and at the fourth point X4 are sent to a further comparator 141 (more generally: are compared with one another).
  • the signals from the current sensors 140 at the first point X1 and at the third point X3 are connected to a comparator 141 (more generally: are compared with one another), and/or that the signals from the current sensors 140 at the second point X2 and are connected to a comparator 141 at the fourth position X4 (more generally: are compared with one another).
  • Figure 12 shows a differential protection device 14B which can be provided with the stator 1 and is connected to the circuit according to Figure 5, 6 or 7, for example.
  • the current sensors 140 are connected to the comparators 141 as in FIG. However, these provide their differential signals to an analog multiplexer 142A.
  • the multiplexer 142A provides the differential signal of the individual comparators one after the other at its output, e.g. in chronological order (with a fixed frequency). This output is connected to an analog to digital converter, ADC 143.
  • the ADC 143 converts the analog signals from the comparators into digital signals. These digital signals are output to the control unit 131.
  • the control unit 131 can carry out the comparison with a threshold value and output a logical "1" at its digital output if the threshold value is exceeded or not reached, otherwise a logical "0". A logical "1" then indicates an error. In this way, the control unit 131 can detect whether there is a short circuit between the electrical conductors 120, 121.
  • the multiplexer 142A, the ADC 143 and/or the control unit 131 are combined into a microprocessor or SoC (System on a Chip), e.g. an 8-bit flash microcontroller.
  • SoC System on a Chip
  • the control unit 131 comprises, for example, a vector control (field oriented control, FOC).
  • Figure 13 shows a differential protection device 14B which is used in the stator 1 can be provided and is connected to the circuit according to FIG. 5, 6 or 7, for example.
  • the current sensors are each connected to one ADC 143 of a plurality of ADCs 143 (here 12).
  • the outputs of the ADCs 143 are connected to a digital multiplexer 142B and its output to the control unit 131 .
  • Figure 14 shows essentially the same structure of the toothed windings 12A-12C and their connection to the inverter 13 as Figure 6.
  • the sections of the electrical conductors 120, 121 between the end sections and the winding sections 122 are laid in such a way that sections on both sides of the Winding sections 122 (with respect to the electrical path of the respective electrical conductors 120, 121) run adjacent to one another at one point (in particular with respect to the direction of current flow antiparallel), e.g. abut one another.
  • a current through the first electrical conductor 120 at a (first) point X5 of the first electrical conductor 120 (of each phase U, V, W) induces a current in a current sensor 140.
  • a current through the first electrical conductor 120 at a (second) Point X6 of the first electrical conductor 120 flows anti-parallel compared to the other (first) point X5 and therefore induces a current in the same current sensor 140 with the opposite sign. If the currents are the same at the two points X5, X6, the effectively induced current is zero.
  • the current sensor 140 for measuring an effective differential current intensity through the first conductor 120 is thus arranged at points X5, X6 on the first electrical conductor 120, which are electrically connected to one another via the winding section 122.
  • a current through the second electrical conductor 121 at a (third) point X7 of the second electrical conductor 121 induces a current in a further current sensor 140.
  • a current through the second electrical conductor 121 at a ( Fourth) point X8 of the second electrical conductor 121 flows anti-parallel compared to the other (third) point X7 and therefore induces a current in the same current sensor 140 with the opposite sign.
  • the current sensor 140 for measuring an effective differential current intensity through the second electrical conductor 121 is arranged at points X7, X8 of the second electrical conductor 121, which are electrically connected to one another via the winding section 122.
  • FIG. 15 shows the corresponding differential protection device 14D which can be provided with the stator 1 and is connected to the circuit according to FIG.
  • the differential protection device 14D corresponds to the differential protection device 14B according to FIG. 12, no comparators being necessary due to the current sensors 140 measuring the effective differential current strength.
  • FIG. 16 shows a differential protection device 14E which can be provided with the stator 1 and which can alternatively be connected to the circuit according to FIG.
  • the differential protection device 14E corresponds to the differential protection device 14C according to FIG. 13, only three (or if redundant sensors are used as shown, six) ADCs 143 being necessary due to the current sensors 140 measuring the effective differential current strength.
  • control unit 131 can initiate countermeasures, but alternatively it can also be provided that the error is first displayed to a user, who can then activate one of the countermeasures described via an input device.
  • the current sensors 140 adjacent to the inverter units 130A-130D can optionally be integrated into the respective inverter unit 130A-130D, e.g. arranged in a housing of the inverter unit 130A-130D.
  • the voltage can be measured at the star points 123 and 124 . These voltages can be compared with one or more comparators 141, for example each related to a ground potential or another reference potential, as illustrated with reference to FIG. The comparison result of the comparator 141 can be output to the control unit 131 will. Alternatively or additionally, the voltage between the two star points 123, 124 can be measured using a voltage sensor 145. This voltage can be output to the control unit 131, as illustrated with reference to FIG.
  • FIG. 20 shows an aircraft 4 in the form of an electrically powered aircraft.
  • the aircraft 4 includes a propeller 40 which is driven by the electric machine 2 described above according to FIG. 2 (alternatively by the electric machine 2' according to FIG. 4).
  • the aircraft 4 also includes an energy source 3 in the form of an electric battery.
  • the electric machine 2 is supplied with energy by the energy source 3 , the energy source 3 being electrically connected to the inverter 13 .

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Abstract

Eine Baugruppe (1) für eine elektrische Maschine (2; 2') umfasst einen Körper (10); mehrere am Körper (10) festgelegte Zähne (11); mehrere Zahnwicklungen (12A-12C), die jeweils einen ersten elektrischen Leiter (120) und einen zweiten elektrischen zweiten Leiter (121), die mindestens an einem Wicklungsabschnitt (122) entlang einer Wicklungsachse (A) um denselben Zahn (11) gewickelt sind und sich dabei in Richtung der Wicklungsachse (A) abwechseln, aufweisen; und eine Differentialschutzeinrichtung (14A-14E) mit mehreren Sensoren, insbesondere Stromsensoren (140), die zumindest an zwei Stellen (X1-X4) von einer der Zahnwicklungen (12A-12C) jeweils eine Spannung am und/oder eine Stromstärke durch den ersten Leiter (120) oder den zweiten Leiter (121) erfassen.

Description

Baugruppe für eine elektrische Maschine
Beschreibung
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich insbesondere auf eine Baugruppe für eine elektrische Maschine, eine elektrische Maschine mit einer solchen Baugruppe und ein Luftfahrzeug mit einer solchen elektrischen Maschine.
Derartige Baugruppen umfassen einen Körper, z.B. in Form eines Blechpakets, mehrere am Körper festgelegte Zähne, und mehrere Zahnwicklungen, durch welche die Zähne umwickelt sind. Durch Anlegen von insbesondere zeitlich veränderlichen Spannungen an die Zahnwicklungen werden magnetische Felder aufgebaut, welche z.B. eine Relativbewegung zwischen der Baugruppe und einer weiteren Baugruppe bewirken. Bei der Baugruppe handelt es sich z.B. um einen Ständer und bei der weiteren Baugruppe um einen Läufer.
Gerade bei mehrphasigen Drehfeldmaschinen, insbesondere mit einem permanenterregten Läufer, erweist es sich als problematisch, wenn innerhalb einer Zahnwicklung ein Wicklungskurzschluss auftritt. Insbesondere bei derartigen elektrischen Maschinen besteht das Problem, dass bei einem Wicklungskurzschluss im bestimmungsgemäßen Betrieb ein großer elektrischer Strom induziert werden kann, welcher zu einer thermischen Zerstörung der Zahnwicklungen führen kann. Nicht nur, aber besonders, bei Luftfahrzeugen, bei denen z.B. permanenterregte Drehfeldmaschinen zum Einsatz kommen, hat dies eine besondere Relevanz.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Baugruppe für eine elektrische Maschine anzugeben.
Gemäß einem Aspekt wird eine Baugruppe für eine elektrische Maschine angegeben, umfassend einen Körper, mehrere am Körper festgelegte Zähne, mehrere Zahnwicklungen und eine Differentialschutzeinrichtung. Jede der Zahnwicklungen weist einen ersten elektrischen Leiter und einen zweiten elektrischen zweiten Leiter auf. Die ersten und zweiten Elektrischen Leiter sind jeweils mindestens an einem Wicklungsabschnitt entlang einer Wicklungsachse um denselben Zahn herum gewickelt und wechseln sich dabei in Richtung der Wicklungsachse ab. Die Differentialschutzeinrichtung umfasst mehrere Sensoren, insbesondere Stromsensoren, die zumindest an zwei Stellen von einer der Zahnwicklungen jeweils eine Spannung am und/oder eine Stromstärke durch den ersten Leiter oder den zweiten Leiter erfassen.
Eine derartige Baugruppe ermöglicht es, besonders zuverlässig einen Windungskurzschluss zwischen benachbarten Windungen eines Wicklungsabschnitts, also zwischen dem entsprechenden ersten und zweiten elektrischen Leiter, zu erkennen, um Gegenmaßnahmen einzuleiten, wie beispielsweise ein Abschalten einer Stromzufuhr, und eine elektrische Maschine mit der Baugruppe in einem sicheren Betrieb herunterzufahren, um gefährliche Betriebszustände zu vermeiden. Zumindest am Wicklungsabschnitt oder den Wicklungsabschnitten (optional vollständig) sind der erste elektrische Leiter und der zugehörige zweite elektrische Leiter voneinander elektrisch isoliert. Der Stromsensor umfasst z.B. einen Hall-Sensor und/oder einen Schleifensensor. Somit wird eine auf Stromsignalen basierende Detektion eines Fehlers unter Verwendung von zwei getrennten elektrischen Leitern ermöglicht.
Optional umfasst die Differentialschutzeinrichtung Stromsensoren, die zur Messung einer Stromstärke durch den ersten elektrischen Leiter an zumindest zwei Stellen des ersten elektrischen Leiters angeordnet sind, die über den mindestens einen Wicklungsabschnitt elektrisch miteinander verbunden sind, und/oder Stromsensoren, die zur Messung einer Stromstärke durch den zweiten elektrischen Leiter an zumindest zwei Stellen des zweiten elektrischen Leiters angeordnet sind, die über den mindestens einen Wicklungsabschnitt elektrisch miteinander verbunden sind. Aus der Differenz der gemessenen Stromstärken beiderseits des mindestens einen Wicklungsabschnitts kann besonders zuverlässig ein Kurzschluss im mindestens einen Wicklungsabschnitt erkannt werden.
In einer Ausgestaltung werden Signale der Stromsensoren zur Messung der Stromstärke durch den ersten elektrischen Leiter an einen Komparator bereitgestellt und/oder Signale der Stromsensoren zur Messung der Stromstärke durch den zweiten elektrischen Leiter werden an einen Komparator bereitgestellt. Dies erlaubt eine besonders schnelle Reaktionszeit. Die Baugruppe kann einen Komparator oder mehrere Komparatoren umfassen. Der Komparator oder jeder der Komparatoren erhält Signale von zwei der Stromsensoren und vergleicht diese miteinander. Das Vergleichsergebnis stellt der Komparator (stellen die Komparatoren) als Differenzsignal bereit.
Die Baugruppe kann einen analogen oder digitalen Multiplexer umfassen, an den Differenzsignale mehrerer Komparatoren bereitgestellt werden. Das ermöglicht die parallele Überwachung mehrerer Zahnwicklungen.
In einer alternativen oder zusätzlichen Ausgestaltung umfasst die Differentialschutzeinrichtung einen Stromsensor, der zur Messung einer effektiven Stromstärke durch den ersten Leiter an zwei Stellen des ersten elektrischen Leiters angeordnet ist, die über den mindestens einen Wicklungsabschnitt elektrisch miteinander verbunden sind, und/oder einen Stromsensor, der zur Messung einer effektiven Stromstärke durch den zweiten Leiter an zwei Stellen des zweiten elektrischen Leiters angeordnet ist, die über den mindestens einen Wicklungsabschnitt elektrisch miteinander verbunden sind. Das ermöglicht eine Auswertung mit besonders wenigen Komponenten, insbesondere ohne zusätzlichen Komparator und mit besonders wenigen Stromsensoren. Die zwei Stellen des ersten und/oder des zweiten elektrischen Leiters sind z.B. so angeordnet, dass ein Strom durch den entsprechenden elektrischen Leiter an den beiden Stellen im Vergleich miteinander in antiparallelen Richtungen fließt. Die beiden Stellen des ersten und/oder zweiten elektrischen Leiters sind z.B. benachbart zueinander, insbesondere aneinander anliegend angeordnet. Optional sind zwei Endabschnitte desselben elektrischen Leiters durch denselben Stromsensor geführt.
Jeder der ersten und/oder zweiten elektrischen Leiter der Zahnwicklungen kann elektrisch an einen Wechselrichter anschließbar oder angeschlossen sein. Das ermöglicht die Verwendung einer Gleichspannungsquelle wie einer Batterie.
Die Baugruppe umfasst z.B. (insbesondere genau) drei Zahnwicklungen für jeweils eine Phase eines Dreiphasenwechselstroms. Damit umfasst die Baugruppe z.B. insgesamt sechs (erste und zweite) elektrische Leiter.
Sämtliche erste elektrische Leiter von jeder der Zahnwicklungen können an einem (ersten) Sternpunkt elektrisch miteinander verbunden sein. Ferner können sämtliche zweite elektrische Leiter von jeder der Zahnwicklungen an einem (zweiten) Sternpunkt elektrisch miteinander verbunden sein. Hierdurch wird ein besonders einfacher Aufbau ermöglicht.
Die Differentialschutzeinrichtung kann einen oder mehrere Spannungssensoren als Sensor(en) umfassen. Optional ist der Spannungssensor (oder sind die Spannungssensoren jeweils) so angeschlossen, dass er (sie jeweils) eine Spannung an einem oder beiden Sternpunkten messen kann (können), z.B. mit Bezug auf ein Erdpotential. Alternativ oder zusätzlich ist ein Spannungssensor an beide Sternpunkte angeschlossen, um eine Spannung zwischen den Sternpunkten zu messen.
Der erste und der zweite elektrische Leiter sind insbesondere (mindestens am wenigstens einen Wicklungsabschnitt) bifilar angeordnet. Dadurch, dass die Windungen des ersten und des zweiten elektrischen Leiters bifilar angeordnet sind, kann ein Wicklungskurzschluss somit zunächst zwischen dem ersten und dem zweiten elektrischen Leiter auftreten. Werden die durch den ersten und den zweiten elektrischen Leiter gebildeten Teilzahnwicklungen elektrisch beaufschlagt, kann die Auswirkung eines Wicklungskurzschlusses somit erheblich reduziert werden. Beispielsweise verläuft jeder der ersten elektrischen Leiter der Zahnwicklungen um jeden von mehreren Zähnen herum und/oder jeder der zweiten elektrischen Leiter der Zahnwicklungen verläuft um jeden von mehreren Zähnen herum, insbesondere jeweils um dieselben Zähne wie der zugehörige erste elektrische Leiter.
Gemäß einem Aspekt wird eine elektrische Maschine bereitgestellt. Die elektrische Maschine umfasst die Baugruppe nach einer beliebigen, hierin beschriebenen Ausgestaltung, z.B. als Ständer. Die elektrische Maschine umfasst ferner eine weitere Baugruppe, z.B. als Läufer, wobei die Baugruppe und die weitere Baugruppe relativ zueinander bewegbar, insbesondere drehbar sind.
Bei der elektrischen Maschine ist z.B. der Ständer als Stator vorgesehen, der z.B. eine im Wesentlichen kreisförmige Öffnung zur Aufnahme eines als Rotor ausgebildeten Läufers bereitstellt. In der Öffnung ist der Läufer z.B. drehbar gelagert angeordnet, wobei zwischen dem Läufer und dem Ständer ein Luftspalt ausgebildet ist. Diese Bauform wird auch als Innenläufer bezeichnet. Alternativ ist eine Bauform vorgesehen, bei der der Läufer den Ständer radial umgibt. Derartige Bauformen werden auch Außenläufer genannt.
Die elektrische Maschine ist eine Vorrichtung, die elektrische Energie in mechanische Energie, insbesondere Bewegungsenergie, in einem Motorbetrieb, und/oder mechanische Energie in eine elektrische Energie in einem Generatorbetrieb umformt. Bei der Bewegung handelt es sich z.B. um eine Drehbewegung, die vom Läufer ausgeführt wird. Der Ständer ist z.B. drehfest bezüglich einer die elektrische Maschine tragenden Lagerung angeordnet. Bei einer Drehbewegung handelt es sich folglich insbesondere um eine Drehbewegung des Läufers gegenüber dem Ständer.
Die elektrische Maschine kann einen Wechselrichter umfassen, insbesondere mit mehreren Wechselrichtereinheiten für jeweils eine elektrische Phase einer mehrphasigen elektrischen Wechselspannung. Die Wechselrichtereinheiten sind optional an die ersten elektrischen Leiter von jeder der Zahnwicklungen elektrisch angeschlossen und/oder die Wechselrichtereinheiten sind an die zweiten elektrischen Leiter von jeder der Zahnwicklungen elektrisch angeschlossen. Sämtliche Wechselrichtereinheiten können durch dieselbe Energiequelle mit Energie versorgt werden.
Gemäß einem Aspekt wird ein Fahrzeug, insbesondere ein Luftfahrzeug, bereitgestellt, umfassend die elektrische Maschine nach einer beliebigen, hierin beschriebenen Ausgestaltung, insbesondere zum Antrieb einer Schub erzeugenden Vorrichtung, z.B. eines Propellers. Die Vorteile der hierin beschriebenen elektrischen Maschine kommen bei einem Fahrzeug, insbesondere bei einem Luftfahrzeug, besonders zum Tragen. Es sei allerdings angemerkt, dass die Baugruppe auch z.B. in einer Gaspumpe, in einem Schiffsmotor oder in einer Windturbine oder generell in einem Generator eingesetzt werden kann.
Es werden nun beispielhaft Ausführungsformen mit Bezug auf die Figuren beschrieben; in den Figuren zeigen:
Figur 1 eine schematische Schnittdarstellung eines grundlegenden
Aufbaus einer permanenterregten, dreiphasigen elektrischen Maschine als Innenläufer;
Figur 2 eine schematische, perspektivische Explosionsansicht eines Aufbaus einer Baugruppe in Form eines Ständers der elektrischen Maschine gemäß Figur 1 mit Zahnwicklungen;
Figur 3 eine schematische Darstellung eines Teils einer Zahnwicklung der Baugruppe gemäß Figur 2, bei der Windungen eines ersten und eines zweiten elektrischen Leiters bifilar angeordnet sind;
Figur 4 eine schematische Darstellung einer permanenterregten elektrischen Maschine für einen Betrieb an einer dreiphasigen elektrischen Wechselspannung;
Figuren 5 und 6 schematische Schaltbilddarstellungen von Zahnwicklungen und
Wechselrichtereinheiten eines Wechselrichters der elektrischen Maschine gemäß Figur 2 bzw. Figur 4;
Figur 7 eine weitere schematische Schaltbilddarstellung von Zahnwicklungen und Wechselrichtereinheiten eines Wechselrichters; Figur 8 ein Schaltbild einer Differentialschutzeinrichtung; Figur 9 Schaltsignale für die Wechselrichtereinheiten; Figur 10 ein Blockschaltbild von Komponenten des Wechselrichters;
Figur 11 bis 13 Blockschaltbilder von Komponenten von
Differentialschutzeinrichtungen für die Zahnwicklungen der Figuren 5 bis 7;
Figur 14 eine weitere schematische Schaltbilddarstellung von
Zahnwicklungen und Wechselrichtereinheiten eines Wechselrichters;
Figur 15 und 16 Blockschaltbilder von Komponenten von
Differentialschutzeinrichtungen für die Zahnwicklungen der Figur 14;
Figur 17 ein Blockschaltbild eines mehrphasigen Differentialschutzes;
Figur 18 und 19 Blockschaltbilder von Anordnungen zur Messung von Spannungsdifferenzen zwischen Sternpunkten, z.B. von einer der Anordnungen gemäß Figur 5-7 und 14; und
Figur 20 ein Luftfahrzeug in Form eines Flugzeugs mit einem elektrisch angetriebenen Propeller und der elektrischen Maschine.
Figur 1 zeigt in einer schematischen Schnittdarstellung eine rotierende elektrische Maschine 2 in Form einer permanenterregten Synchronmaschine. Aus Figur 1 ist ersichtlich, dass die elektrische Maschine 2 vorliegend als Innenläufer ausgebildet ist. Die elektrische Maschine 2 umfasst eine Baugruppe in Form eines Ständers 1 , der eine nicht bezeichnete Öffnung, insbesondere Durchgangsöffnung, aufweist, in der eine weitere Baugruppe in Form eines Läufers 20 drehbar gelagert angeordnet ist.
Der Ständer 1 umfasst einen Körper 10 in Form eines Blechpakets, an welchem Zähne festgelegt sind, die im Folgenden als Ständerzähne 11 bezeichnet werden. Die Ständerzähne 11 sind auf einen Luftspalt L zwischen dem Körper 10 des Ständers 1 und dem Läufer 20 ausgerichtet. Die Ständerzähne 11 stehen radial vom Körper 10 ab, vorliegend radial nach innen. Der Ständer 1 weist eine Ständerwicklung auf, die mehrere Zahnwicklungen 12A-12C umfasst. Die Ständerwicklung ist vorliegend für einen dreiphasigen Betrieb ausgebildet, das heißt, an eine dreiphasige Wechselspannung mit Phasen U, V, W angeschlossen. Im bestimmungsgemäßen Betrieb der elektrischen Maschine 2 ist die Ständerwicklung entsprechend mit der Wechselspannung beaufschlagt.
Der Läufer 20 ist vorliegend als Schenkelpolläufer ausgebildet, der zur Bereitstellung des magnetischen Flusses Permanentmagnete umfasst. In der vorliegenden Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Läufer 20 genau einen magnetischen Nordpol N und einen magnetischen Südpol S aufweist. Bei alternativen Ausgestaltungen können auch mehr magnetische Pole in Umfangsrichtung quer zu einer Drehachse des Läufers 20 (relativ zum Ständer 1 ) alternierend vorgesehen sein.
Der Läufer 20 ist drehbar gelagert. Durch die dreiphasige Wechselspannung, deren Phasen U, V, W um jeweils 120° phasenverschoben sind, wird ein magnetisches Drehfeld im bestimmungsgemäßen Betrieb erzeugt, welches mit dem durch den Läufer 20 bereitgestellten permanenterregten Magnetfeld zusammenwirkt, sodass in einem Motorbetrieb eine entsprechende Drehbewegung des Läufers 20 gegenüber dem Ständer 1 herbeigeführt werden kann. Vorliegend ist vorgesehen, dass die elektrische Maschine 2 als Antriebsmotor für eine Luftschraube eines Luftfahrzeugs dient. In Figur 1 sind schematisch die Abschnitte der Ständerwicklung dargestellt, die den jeweiligen Phasen U, V, W zugeordnet sind. Jeweils eine der Zahnwicklungen 12A-12C ist jeweils einer der Phasen U, V, W zugeordnet.
Die Ständerwicklung der elektrischen Maschine 2 ist an einen dreiphasig ausgebildeten Wechselrichter 13 angeschlossen. Der Wechselrichter 13 stellt die elektrische Wechselspannung mit den drei Phasen U, V, W bereit. Der Wechselrichter 13 bezieht die für den bestimmungsgemäßen Betrieb erforderliche elektrische Energie aus einer an den Wechselrichter 13 angeschlossenen Energiequelle 3. In der vorliegenden Ausgestaltung handelt es sich bei der Energiequelle 3 um eine Gleichspannungsquelle, die elektrische Energie aus einem geeigneten elektrischen Energiespeicher, beispielsweise einem Akkumulator oder dergleichen, bereitstellt. Alternativ oder ergänzend kann eine Brennstoffzelle und/oder dergleichen oder bei stationären Anwendungen auch eine Energieversorgung aus einem öffentlichen Energieversorgungsnetz vorgesehen sein, wozu ein Gleichrichter zum Umwandeln eines Wechselstroms des öffentlichen Energieversorgungsnetzes in Gleichstrom vorgehsehen sein kann.
Der Wechselrichter 13 weist für die Bereitstellung der Phasen U, V, W zugeordnete Wechselrichtereinheiten auf, welche weiter unten im Zusammenhang z.B. mit Figur 5 näher erläutert werden. Dabei weist jede Wechselrichtereinheit eine eigene Flalbbrückenschaltung auf. Die Flalbbrückenschaltungen sind an einem in Figur 1 nicht weiter dargestellten Gleichspannungszwischenkreis des Wechselrichters 13 angeschlossen, um hierdurch mit elektrischer Energie versorgt zu werden. Die Gleichspannungszwischenkreise können eine Spannung von 25 V oder mehr, von 100 V oder mehr oder z.B. im Bereich von 800 bis 3000 V aufweisen.
Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass die Flalbbrückenschaltung eine Reihenschaltung aus zwei elektronischen Schaltelementen (z.B. Transistoren) aufweist, die an die Zwischenkreisgleichspannung des Wechselrichters 13 angeschlossen sind. Die elektronischen Schaltelemente werden in nachfolgend im Zusammenhang mit Figur 9 näher erläuterter Weise in einem Taktbetrieb betrieben, der zum Beispiel Taktmuster nach Art eines PWM-Signals bereitstellt. An einem jeweiligen Mittelabgriff der Flalbbrückenschaltungen steht dann die entsprechende Phase U, V, W der dreiphasigen Wechselspannung zur Verfügung. Durch die Induktivität der Zahnwicklungen 12A-12C erfolgt eine entsprechende Filterung, sodass sich für jede der Phasen U, V, W ein entsprechender Wechselstrom einstellt, der bei geeigneter Steuerung der Wechselrichtereinheiten nahezu sinusförmig ausgebildet sein kann.
Der Wechselrichter 13 wird hier der Einfachheit halber zur Baugruppe, also dem Ständer 1 , und damit zur elektrischen Maschine 2 gezählt, kann zusammen damit aber auch als eine elektrische Antriebseinrichtung bezeichnet werden.
Figur 2 zeigt eine schematische Explosionsdarstellung des Ständers 1 der elektrischen Maschine 2. Zu erkennen ist, dass der Ständer 1 den Körper 10 aufweist, bei dem Ständerzähne 11 mittels einer mechanischen Verbindung mit dem ringförmigen Körper 10 zusammengefügt und somit daran festgelegt, insbesondere mechanisch fixiert werden können. Alternativ sind die Ständerzähne 11 z.B. einstückig mit dem Körper
10 ausgebildet.
Die Ständerzähne 11 sind mit jeweiligen Wicklungsabschnitten 122 der Zahnwicklungen 12A-12C bestückt. Die Ständerwicklung weist eine Mehrzahl von Zahnwicklungen 12A-12C auf, und zwar vorliegend genau drei. Eine jeweilige der Zahnwicklungen 12A-12C ist im Allgemeinen mindestens an einem der Ständerzähne
11 angeordnet. Vorliegend erstreckt sich jede der Zahnwicklungen 12A-12C über mehrere, hier zwei (konkret zwei gegenüberliegende), Ständerzähne 11. Hierzu weisen die Zahnwicklungen 12A-12C im Allgemeinen jeweils mindestens einen, hier mehrere, nämlich zwei, Wicklungsabschnitte 122 auf. Jeder Wicklungsabschnitt 122 umgibt (genau) einen Ständerzahn 11 .
Jede der Zahnwicklungen 12A-12C weist einen jeweiligen ersten elektrischen Leiter 120 auf, der an jedem der Wicklungsabschnitte 122 in einer Mehrzahl von Windungen umlaufend um den jeweiligen Ständerzahn 11 herum angeordnet ist. Zwischen den Wicklungsabschnitten 122 umfasst der erste elektrische Leiter 120 einen oder mehrere entsprechende Verbindungsabschnitte, über den/die die Abschnitte des ersten elektrischen Leiters 120 an den Wicklungsabschnitten 122 elektrisch miteinander verbunden sind.
Jede der Zahnwicklungen 12A-12C weist ferner einen jeweiligen zweiten elektrischen Leiter 121 auf, der ebenfalls an jedem der Wicklungsabschnitte 122 in einer Mehrzahl von Windungen umlaufend um den jeweiligen Ständerzahn 11 herum angeordnet ist. Zwischen den Wicklungsabschnitten 122 umfasst der zweite elektrische Leiter 121 einen oder mehrere entsprechende Verbindungsabschnitte, über den/die die Abschnitte des zweiten elektrischen Leiters 121 an den Wicklungsabschnitten 122 elektrisch miteinander verbunden sind.
Die ersten elektrischen Leiter 120 und die zweiten elektrischen Leiter 121 weisen jeweils Endabschnitte auf, an denen sie in weiter unten noch näher beschriebener Weise angeschlossen sind. Zwischen den jeweiligen Endabschnitten sind die ersten elektrischen Leiter 120 und die zweiten elektrischen Leiter 121 elektrisch voneinander isoliert. Die Zahnwicklungen 12A-12C sind in der elektrischen Maschine 2 entsprechend verschaltet, sodass der dreiphasige Anschluss an den Wechselrichter 13 vorliegt.
Figur 3 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Wicklungsabschnitt 122 von einer der Zahnwicklungen 12A-12C. Dabei ist der erste elektrische Leiter 120 um den in Figur 3 nicht dargestellten Ständerzahn 11 herum gewickelt. Die Wicklung an dem Ständerzahn 11 erstreckt sich dabei um und entlang einer Wicklungsachse A. Vorliegend ist die Wicklung nach Art einer entlang der Wicklungsachse A langgestreckten Spule ausgebildet. Je nach Ausgestaltung und Konstruktion kann auch vorgesehen sein, dass eine mehrlagige Wicklung vorgesehen ist, um beispielsweise eine entsprechend hohe magnetische Durchflutung mit einem vorgegebenen elektrischen Strom erreichen zu können.
Ferner umfasst der Wicklungsabschnitt 122 der Zahnwicklung 12A-12C den jeweiligen vom ersten elektrischen Leiter 120 elektrisch isolierten zweiten elektrischen Leiter 121 . Auch der zweite elektrische Leiter 121 weist eine Mehrzahl von umlaufend um denselben Ständerzahn 11 herum angeordneten Windungen auf, sodass sich die Wicklung an dem Ständerzahn 11 um und entlang der Wicklungsachse A erstreckt. Die jeweiligen Windungen des ersten und des zweiten elektrischen Leiters 120, 121 sind bifilar angeordnet. Das heißt, dass entlang der Wicklungsachse A des Wicklungsabschnitts 122 (mit Ausnahme der äußersten beiden Windungen) immer eine Windung des ersten elektrischen Leiters 120 zwischen zwei benachbarten Windungen des zweiten elektrischen Leiters 121 angeordnet ist (und umgekehrt). Dies hat den Vorteil, dass bei einem Windungskurzschluss zwischen zwei benachbart angeordneten Windungen der Windungskurzschluss immer zwischen dem ersten elektrischen Leiter 120 und dem zweiten elektrischen Leiter 121 auftritt. Ein Windungskurzschluss erfolgt also nicht innerhalb einer Wicklung desselben elektrischen Leiters. Hierdurch können große Ströme im Falle eines Windungskurzschlusses, und damit große thermische und elektrische Beanspruchungen, verhindert werden. Optional besteht jeder erste elektrische Leiter 120 und/oder jeder zweite elektrische Leiter 121 aus zwei gegeneinander isolierten Einzelleitern.
Figur 4 zeigt in einer schematischen Darstellung eine elektrische Maschine 2‘ in Form einer Synchronmaschine, die im Unterschied zur elektrischen Maschine 2 gemäß Figur 1 und 2 nicht sechs-polig, sondern nunmehr zwölf-polig ausgebildet ist. Daher weist der entsprechende Ständer zwölf Ständerzähne 11 auf. Diese sind vorliegend in Umfangsrichtung äquidistant angeordnet. In einer durch den Ständer gebildeten Durchgangsöffnung ist wiederum der Läufer 20 angeordnet, der in dieser Ausgestaltung ebenfalls zwölf-polig ausgebildet ist und somit sechs Nordpole N und sechs Südpole S in Umfangsrichtung bereitstellt, die alternierend angeordnet sind. Auch hier ist vorgesehen, dass der magnetische Fluss, der durch den Läufer 20 bereitgestellt wird, durch Permanentmagnete bereitgestellt wird, die z.B. im Bereich des äußeren Umfangs des Läufers 20 angeordnet sind.
Jeder der Ständerzähne 11 ist auch hier mit einem Wicklungsabschnitt 122 von einer der drei Zahnwicklungen ausgerüstet. Jede der drei Zahnwicklungen weist wieder einen jeweiligen ersten elektrischen Leiter und einen jeweiligen zweiten elektrischen Leiter auf (in Figur 4 lediglich zur Veranschaulichung durch unterschiedliche Strichstärken dargestellt), die bifilar auf die jeweiligen Ständerzähne 11 aufgewickelt sind. Diese elektrische Maschine 2‘ ist ebenfalls für eine Beaufschlagung mit einer dreiphasigen elektrischen Wechselspannung ausgebildet, wobei jede der Phasen wieder mit U, V, W bezeichnet ist.
Figur 5 zeigt eine elektrische Verschaltung der Zahnwicklungen 12A-12C und der Wechselrichtereinheiten 130A-130F des Wechselrichters 13 der elektrischen Maschine 2 gemäß Figur 1 .
Die (vorliegend drei) ersten elektrischen Leiter 120 der Zahnwicklungen 12A-12C bilden ein erstes Wicklungssystem und die (vorliegend drei) zweiten elektrischen Leiter 121 der Zahnwicklungen 12A-12C bilden ein zweites Wicklungssystem. Das erste Wicklungssystem ist an drei Wechselrichtereinheiten 130A-130C angeschlossen. Dabei sind die ersten elektrischen Leiter 120 jeweils mit einem Endabschnitt WA2, VA2, UA2 an eine der Wechselrichtereinheiten 130A-130C angeschlossen. Die jeweiligen anderen Endabschnitte WA1 , VA1 , UA1 der ersten elektrischen Leiter 120 sind an einem ersten Sternpunkt 123 elektrisch miteinander verbunden. Das zweite Wicklungssystem ist an drei Wechselrichtereinheiten 130D-130F angeschlossen. Dabei sind die zweiten elektrischen Leiter 121 jeweils mit einem Endabschnitt WB1 , VB1 , UB1 an eine der Wechselrichtereinheiten 130D-130F angeschlossen. Die jeweiligen anderen Endabschnitte WB2, VB2, UB2 der zweiten elektrischen Leiter 121 sind an einem zweiten Sternpunkt 124 elektrisch miteinander verbunden.
Der Wechselrichter 13 umfasst folglich sechs Wechselrichtereinheiten 130A-130F, jeweils zwei für eine der drei Phasen U, V, W, und von diesen zwei jeweils eine für das erste Wicklungssystem und eine für das zweite Wicklungssystem. Wie bereits beschrieben weist jede Wechselrichtereinheit 130A-130D eine Halbbrückenschaltung auf. Ein optionaler Kondensator dient jeweils als Tiefpassfilter.
An den Wechselrichtereinheiten 130A-130D des Wechselrichters 13 liegt eine (vorliegend dieselbe) Gleichspannung an (gekennzeichnet mit HV+ und HV-). Beispielsweise beträgt die Gleichspannung 25 V oder mehr, 100 V oder mehr oder 800 bis 3000 V.
Ferner sind die insgesamt sechs Wicklungsabschnitte 122 für die sechs Ständerzähne 11 gezeigt, wobei eine jede Wicklung der ersten und zweiten elektrischen Leiter 120, 121 nur schematisch dargestellt ist.
Es wird nun zunächst die Zahnwicklung 12A für eine erste Phase W betrachtet. Die Zahnwicklung 12A umfasst einen ersten elektrischen Leiter 120 und einen zweiten elektrischen Leiter 121. Beide elektrische Leiter 120, 121 erstrecken sich über die Wicklungsabschnitte 122 an denselben (zwei) Ständerzähnen 11 , sind aber voneinander isoliert. Beide elektrische Leiter 120, 121 weisen die bereits erwähnten zwei Endabschnitte WA1 , WA2, WB 1 , WB2 auf. Beide elektrische Leiter 120, 121 sind zwischen ihren Endabschnitten WA1 , WA2, WB1 , WB2 frei von Abzweigungen. Die elektrischen Leiter 120, 121 stellen jeweils eine elektrische Verbindung zwischen den jeweiligen beiden Endabschnitten WA1 , WA2, WB1 , WB2 her. Die Wicklungsabschnitte 122 der Zahnwicklung 12A liegen zwischen den Endabschnitten WA1 , WA2, WB1 , WB2 der elektrischen Leiter 120, 121 . Der erste elektrische Leiter 120 ist mit einem Endabschnitt WA2 an eine erste Wechselrichtereinheit 130A des Wechselrichters 13 elektrisch angeschlossen und mit dem anderen Endabschnitt WA1 mit dem ersten Sternpunkt 123 elektrisch verbunden. Der zweite elektrische Leiter 121 ist mit einem Endabschnitt WB1 an eine vierte Wechselrichtereinheit 130D des Wechselrichters 13 elektrisch angeschlossen und mit dem anderen Endabschnitt WB2 mit einem zweiten Sternpunkt 124 elektrisch verbunden.
Die Endabschnitte des ersten elektrischen Leiters 120 der Zahnwicklung 12B für eine zweite Phase V sind mit VA1 und VA2 bezeichnet. Der erste elektrische Leiter 120 ist mit einem Endabschnitt VA2 an den Wechselrichter 13, konkret an eine zweite Wechselrichtereinheit 130B davon, elektrisch angeschlossen und mit dem anderen Endabschnitt VA1 mit dem ersten Sternpunkt 123 elektrisch verbunden.
Entsprechend sind die Endabschnitte des zweiten elektrischen Leiters 121 der Zahnwicklung 12B für die zweite Phase V mit VB1 und VB2 bezeichnet. Der zweite elektrische Leiter 121 ist mit einem Endabschnitt VB1 an den Wechselrichter 13, konkret an eine fünfte Wechselrichtereinheit 130E davon, elektrisch angeschlossen und mit dem anderen Endabschnitt VB2 mit dem zweiten Sternpunkt 124 elektrisch verbunden.
Die Endabschnitte des ersten elektrischen Leiters 120 der Zahnwicklung 12C für eine dritte Phase U sind mit UA1 und UA2 bezeichnet. Der erste elektrische Leiter 120 ist mit einem Endabschnitt UA2 an den Wechselrichter 13, konkret an eine dritte Wechselrichtereinheit 130C davon, elektrisch angeschlossen und mit dem anderen Endabschnitt UA1 mit dem ersten Sternpunkt 123 elektrisch verbunden.
Entsprechend sind die Endabschnitte des zweiten elektrischen Leiters 121 der Zahnwicklung 12C für die dritte Phase U mit UB1 und UB2 bezeichnet. Der zweite elektrische Leiter 121 ist mit einem Endabschnitt UB1 an den Wechselrichter 13, konkret an eine sechste Wechselrichtereinheit 130F davon, elektrisch angeschlossen und mit dem anderen Endabschnitt UB2 mit dem zweiten Sternpunkt 124 elektrisch verbunden. Der Ständer 1 umfasst ferner eine weiter unten noch näher beschriebene Differentialschutzeinrichtung. Die Differentialschutzeinrichtung umfasst mehrere Stromsensoren 140. Jeder der Stromsensoren 140 ist am ersten oder zweiten elektrischen Leiter 120, 121 angeordnet und misst die Stromstärke des darin fließenden Stroms. Im Allgemeinen sind an zumindest zwei Stellen von zumindest einer (oder jeder) der Zahnwicklungen 12A-12C jeweils ein Stromsensor 140 angeordnet. Im gezeigten Beispiel sind pro Zahnwicklung 12A-12C vier Stromsensoren vorgesehen. Die Stromsensoren 140 umfassen jeweils einen Hall- Sensor. Optional ist der Hall-Sensor an einen ferromagnetischen Fluss-Konzentrator gekoppelt, der z.B. den jeweiligen elektrischen Leiner 120, 121 umgreift und optional einen V-förmig zulaufenden Abschnitt umfasst, an dessen spitzen Ende der Hall- Sensor angeordnet ist.
Bei jeder der Zahnwicklungen 12A-12C ist dabei ein Stromsensor 140 an einer ersten Stelle X1 am (ersten) elektrischen Leiter 120 angeordnet. Diese (erste) Stelle X1 befindet sich in Bezug auf den elektrischen Pfad zwischen dem Endabschnitt WA2 und dem entlang des elektrischen Pfades des ersten elektrischen Leiters 120 zu diesem Endabschnitt WA2 nächstgelegenen Wicklungsabschnitt 122. Ein weiterer Stromsensor 140 ist an einer (zweiten) Stelle X2 am ersten elektrischen Leiter 120 angeordnet. Diese (zweite) Stelle X2 befindet sich in Bezug auf den elektrischen Pfad zwischen dem Endabschnitt WA1 und dem entlang des elektrischen Pfades des ersten elektrischen Leiters 120 zu diesem Endabschnitt WA1 nächstgelegenen Wicklungsabschnitt 122. Ein weiterer Stromsensor 140 ist an einer (dritten) Stelle X3 am zweiten elektrischen Leiter 121 angeordnet. Diese (dritte) Stelle X3 befindet sich in Bezug auf den elektrischen Pfad zwischen dem Endabschnitt WB2 und dem entlang des elektrischen Pfades des zweiten elektrischen Leiters 121 zu diesem Endabschnitt WB2 nächstgelegenen Wicklungsabschnitt 122. Ein weiterer Stromsensor 140 ist an einer (vierten) Stelle X4 am zweiten elektrischen Leiter 121 angeordnet. Diese (vierte) Stelle X4 befindet sich in Bezug auf den elektrischen Pfad zwischen dem Endabschnitt WB1 und dem entlang des elektrischen Pfades des zweiten elektrischen Leiters 121 zu diesem Endabschnitt WB1 nächstgelegenen Wicklungsabschnitt 122.
Somit liegen in Bezug auf die elektrischen Pfade die Wicklungsabschnitte 122 jeweils zwischen den Stromsensoren 140. Durch die Ermittlung einer Differenz (insbesondere im Vergleich mit einem Schwellenwert) der durch die Stromsensoren 140 erfassten Stromstärken an der ersten Stelle X1 und der zweiten Stelle X2 und/oder entsprechend einer Differenz zwischen der dritten Stelle X3 und der vierten Stelle X4 kann die Differentialschutzeinrichtung einen Windungskurzschluss erkennen und eine Gegenmaßnahme einleiten.
Ferner ist es möglich, dass die Differentialschutzeinrichtung die Differenz der Stromstärken zwischen der ersten oder zweiten Stelle X1 , X2 einerseits und der dritten oder vierten Stelle X3, X4 andererseits überwacht (und z.B. mit einem Schwellenwert vergleicht), und basierend darauf eine Gegenmaßnahme einleiten kann.
Bei der zweiten und dritten Zahnwicklung 12B, 12C sind die Stromsensoren 140 entsprechend der ersten Zahnwicklung 12A angeordnet.
Figur 6 zeigt im Wesentlichen dieselbe Verschaltung wie Figur 5, wobei jedoch mehr Wicklungsabschnitte 122 veranschaulicht sind. Es ist ersichtlich, dass die Zahnwicklungen 12A-12C je nach Anwendungsfall eine kleinere oder größere Zahl an Wicklungsabschnitten 122 aufweisen kann, z.B. insgesamt sechs (vgl. insbesondere Figuren 2 und 5), zwölf (vgl. insbesondere Figur 4) oder 18.
Während gemäß Figuren 5 und 6 die Zahnwicklungen 12A-12C zwischen den Wechselrichtereinheiten 130A-130F angeordnet sind, wird darauf hingewiesen, dass diese Anordnung lediglich beispielhaft ist.
Ferner ist ersichtlich, dass in den Figuren 5 und 6 die an die Wechselrichtereinheiten 130A-130F angeschlossenen Endabschnitte der ersten und zweiten Leiter 120, 121 von jeder einzelnen der Zahnwicklungen 12A-12C in Bezug auf die gemeinsamen Wicklungsabschnitte 122 voneinander abgewandt sind.
Figur 7 zeigt eine abgewandelte Anordnung, bei der die Ströme nur an (genau) einer Stelle pro elektrischem Leiter 120, 121 je Phase gemessen werden. Diese Ströme werden z.B. mit einem drei- oder mehrphasigen Differentialschutz überwacht. Dieser Differentialschutz bildet z.B. die Summe der Ströme (insbesondere die Gesamtsumme aller gemessenen Ströme, alternativ jeweils die Summe der beiden Ströme pro Phase) und löst aus, wenn die Summe nicht mehr gleich Null ist (oder insbesondere nicht mehr in einem vorgegebenen oder vorgebbaren Toleranzbereich um oder an Null liegt). Alternativ kann ein Summierverstärker verwendet werden und/oder die Stromsignale werden digital erfasst und die Summenbildung erfolgt in der Wechselrichtersteuerung wie weiter unten im Zusammenhang mit Figur 13 beschrieben.
Wie in Figur 7 gezeigt, können der eine Stromsensor 140 pro Phase an einer ersten Stelle am ersten elektrischen Leiter 120 und der andere Stromsensor 140 der jeweiligen Phase an einer zweiten Stelle am zweiten elektrischen Leiter 121 angeordnet sein. Hierbei können, wie gezeigt, die erste und die zweite Stelle in Bezug auf die Wicklungsabschnitte 122 an entgegengesetzten Enden der jeweiligen elektrischen Leiter 120, 121 angeordnet sein.
Figur 17 zeigt einen optionalen mehrphasigen Differentialschutz, z.B. für die Anordnung gemäß Figur 7. Dabei sind die an den ersten elektrischen Leitern 120 angeordneten Stromsensoren 140 an einen ersten Summierer 144 angeschlossen. Ferner sind die an den zweiten elektrischen Leitern 121 angeordneten Stromsensoren 140 an einen zweiten Summierer 144 angeschlossen. Der erste Summierer 144 summiert die gemessenen Ströme der daran angeschlossenen Stromsensoren 140. Der zweite Summierer 144 summiert die gemessenen Ströme der daran angeschlossenen Stromsensoren 140. Die Steuereinheit 131 vergleicht die beiden so erhaltenen Summen (und ist entsprechend hierzu ausgebildet). Alternativ kann ein Komparator zwischen die Summierer 144 und die Steuereinheit 131 geschaltet sein, der den Vergleich durchführt und das Vergleichsergebnis an die Steuereinheit 131 signalisiert.
Figur 8 zeigt einen allgemeinen Aufbau einer Differentialschutzeinrichtung, wie er bei dem Ständer 1 vorgesehen sein kann. Im Allgemeinen vergleicht die Differentialschutzeinrichtung zwei an unterschiedlichen Stellen gemessene Stromstärken miteinander.
Dabei wird eine zu überwachende Komponente durch einen Block veranschaulicht. Dabei handelt es sich vorliegend um den Teil des ersten elektrischen Leiters 120 oder des zweiten elektrischen Leiters 121 von einer der Zahnwicklungen 12A-12C zwischen dessen jeweiligen Endabschnitten. Die Stromsensoren 140 sind hier als (optional) einfach oder mehrfach gewundene Drahtabschnitte ausgebildet, die am entsprechenden ersten/zweiten elektrischen Leiter angeordnet sind, sodass ein Strom im elektrischen Leiter einen Strom in dem Drahtabschnitt induziert. Die Drahtabschnitte (oder im Allgemeinen die Stromsensoren 140) sind in Reihe in einen geschlossenen Stromkreis geschaltet. Sind die Stromstärken der in beiden Stromsensoren 140 induzierten Ströme gleich, dann fließt kein Strom über eine Querverbindung zwischen der einen und der anderen elektrischen Verbindung der Stromsensoren 140. Fließt allerdings ein Teil des Stroms durch den überwachten elektrischen Leiter in den bifilaren anderen elektrischen Leiter, dann ergibt sich eine Differenz, die zu einem Strom in der Querverbindung führt. Dieser Querstrom wird durch die Differentialschutzeinrichtung überwacht und z.B. mit einem Schwellenwert verglichen. Basierend darauf kann eine Gegenmaßnahme eingeleitet werden, z.B. ein optionaler Schalter (z.B. in Form eines Relais) im elektrischen Leiter geöffnet werden.
Ferner kann als Gegenmaßnahme ein in den überwachten elektrischen Leiter 120, 121 eingeleiteter Strom verändert, z.B. reduziert werden, indem die Transistoren zumindest der daran angeschlossenen Wechselrichtereinheit 130A-130F basierend auf der Erfassung eines Differenzstromes verändert angesteuert werden. Die Ansteuerung der Transistoren erfolgt mittels Signalen, vorliegend mittels pulsdauermodulierten Signalen, die auch kurz als PWM-Signale bezeichnet werden können (pulse width modulation). Die PWM-Signale wechseln zwischen zwei diskreten Werten, z.B. „an“ und „aus“, welche den entsprechenden Transistor öffnen bzw. schließen.
Figur 9 zeigt ein Beispiel für solche PWM-Signale, wobei das X für die jeweilige Phase U, V, W steht. Die PWM-Signale für die einzelnen Phasen U, V, W sind z.B. gleich, nur zeitlich verschoben.
Ferner wird zu jedem PWMX-Signal ein umgekehrtes PWMX'-Signal bereitgestellt, welches im zeitlichen Verlauf jeweils den in Bezug auf das PWMX-Signal anderen diskreten Wert annimmt. Wie z.B. anhand der Figuren 5 und 6 veranschaulicht, ist bei jeder der Zahnwicklungen 12A-12C an den an den positiven Pol HV+ der Gleichspannung angeschlossenen Transistor der Wechselrichtereinheit 130A, 130B, 130C des ersten elektrischen Leiters 120 das umgekehrte PWM-Signal PWMW, PWMV', PWMU' angelegt. An den an den negativen Pol HV- der Gleichspannung angeschlossenen Transistor der Wechselrichtereinheit 130A, 130B, 130C des ersten elektrischen Leiters 120 ist demgegenüber das PWM-Signal PWMW, PWMV, PWMU angelegt.
Bei den zweiten elektrischen Leitern 121 sind die PWM-Signale umgekehrt angelegt. An den an den positiven Pol HV+ der Gleichspannung angeschlossenen Transistor der Wechselrichtereinheit 130D, 130E, 130F des zweiten elektrischen Leiters 121 ist das PWM-Signal PWMW, PWMV, PWMU angelegt. An den an den negativen Pol HV- der Gleichspannung angeschlossenen Transistor der Wechselrichtereinheit 130D, 130E, 130F des zweiten elektrischen Leiters 121 ist demgegenüber das umgekehrte PWM-Signal PWMW, PWMV‘, PWMU' angelegt.
Es ist also ersichtlich, dass die Wechselrichtereinheiten 130A-130C der ersten elektrischen Leiter 120 mit denselben PWM-Signalen beaufschlagt werden, wie die Wechselrichtereinheiten 130D-130F der zweiten elektrischen Leiter 121.
Figur 10 veranschaulicht die Erzeugung der PWM-Signale und der umgekehrten PWM-Signale. Die Steuereinheit 131 des Inverters erzeugt Signale für die drei Phasen U, V, W, die hier als pwmu, pwmv, pwmw bezeichnet sind. Diese werden an jeweils einen Leistungselektroniktreiber 132A-132C bereitgestellt, der basierend darauf die PWM-Signale und die umgekehrten PWM-Signale für die entsprechende Phase U, V, W erzeugt. Die Leistungselektroniktreiber 132A-132C sind (z.B. elektrisch) an die Wechselrichtereinheiten 130A-130F der jeweiligen Phase U, V, W angeschlossen.
Figur 11 zeigt die Differentialschutzeinrichtung 14A des Ständers 1 gemäß Figur 1 . Die Differentialschutzeinrichtung 14A umfasst die (insgesamt 12) Stromsensoren 140, wobei es auch möglich wäre nur sechs Stromsensoren 140 für die ersten elektrischen Leiter 120 oder nur sechs Stromsensoren 140 für die zweiten elektrischen Leiter 121 vorzusehen. Die übrigen in Figur 5 gezeigten Komponenten sind hier lediglich zur vereinfachten Anschauung nicht erneut dargestellt. Ferner umfasst die Differentialschutzeinrichtung 14A mehrere Komparatoren 141 , vorliegend sechs. An jeden Komparator 141 sind zwei Stromsensoren 140 angeschlossen, was hier bildlich vereinfacht durch eine Linie dargestellt ist. Beispielsweise sind die Stromsensoren 140 jeweils elektrisch an den jeweiligen Komparator 141 angeschlossen. Der jeweilige Komparator 141 ist so an die Stromsensoren 140 angeschlossen, dass er die dadurch bereitgestellten, für die Stromstärke im entsprechenden elektrischen Leiter 120, 121 indikativen Stromsignale erfassen kann. Der Komparator 141 vergleicht die bereitgestellten Stromsignale der beiden Stromsensoren 140 miteinander und stellt das Vergleichsergebnis als Differenzsignal an die Steuereinheit 131 bereit. Ist eine vorgegebene Bedingung erfüllt, z.B., wenn ein Differenzsignal einen Schwellenwert über- oder unterschreitet, dann stellt die Steuereinheit 131 einen Fehler fest.
Solange (im Rahmen der Messgenauigkeit) gilt für die Stromstärken: IUA1 = IUA2; IUB1 = IUB2; IVA1 = IVA2; IVB1 = IVB2; IWA1 = IWA2; und IWB1 = IWB2, ist kein Fehler vorhanden.
Durch das Erfassen einer Stromstärke IUA1 (an der Stelle X2) ungleich einer Stromstärke IUA2 (Stelle X1 ) und/oder einer Stromstärke IUB1 (Stelle X4) ungleich einer Stromstärke IUB2 (Stelle X3) (oder entsprechend für eine der anderen Phasen V, W), erkennt die Steuereinheit 131 einen Windungskurzschluss. Gilt dies für gleich zwei Phasen gleichzeitig, erkennt die Steuereinheit 131 (optional) einen Kurzschluss zwischen zwei Phasen.
Bei Erkennen eines Fehlers schaltet die Steuereinheit 131 optional alle PWM-Signale ab (z.B. auf null). Optional werden der positive und oder der negative Pol HV+, HV- der Gleichspannungsquelle 3 von den Wechselrichtereinheiten 130A-130F getrennt.
Bei einem Kurzschluss zwischen Wicklungsabschnitten derselben Phase bewirkt die Steuereinheit 131 optional einen dreiphasigen Kurzschluss.
So kann die Steuereinheit 131 erfassen, ob (bestimmte) erste und zweite elektrische Leiter 120, 121 einen Windungskurzschluss aufweisen. In diesem Fall stellt die Steuereinheit 131 entsprechend veränderte PWM-Signale und umgekehrte PWM- Signale bereit. Die Signale der Stromsensoren 140 an der ersten Stelle X1 und an der zweiten Stelle X2 sind an einen Komparator 141 angeschlossen (allgemeiner: werden miteinander verglichen). Alternativ oder zusätzlich (insbesondere zur Redundanz) sind die Signale der Stromsensoren 140 an der dritten Stelle X3 und an der vierten Stelle X4 an einen weiteren Komparator 141 (allgemeiner: werden miteinander verglichen).
Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Signale der Stromsensoren 140 an der ersten Stelle X1 und an der dritten Stelle X3 an einen Komparator 141 angeschlossen sind (allgemeiner: werden miteinander verglichen), und/oder dass die Signale der Stromsensoren 140 an der zweiten Stelle X2 und an der vierten Stelle X4 an einen Komparator 141 angeschlossen sind (allgemeiner: werden miteinander verglichen).
Figur 12 zeigt eine Differentialschutzeinrichtung 14B die bei dem Ständer 1 vorgesehen sein kann und z.B. an die Schaltung gemäß Figur 5, 6 oder 7 angeschlossen ist. Wie bei Figur 11 sind die Stromsensoren 140 an die Komparatoren 141 angeschlossen. Diese stellen ihre Differenzsignale aber an einen analogen Multiplexer 142A bereit. Der Multiplexer 142A stellt an seinem Ausgang z.B. in zeitlicher Abfolge (mit fester Frequenz) nacheinander das Differenzsignal der einzelnen Komparatoren bereit. Dieser Ausgang ist an einen Analog-Digital-Konverter, ADC 143 angeschlossen. Der ADC 143 wandelt die analogen Signale der Komparatoren in digitale Signale um. Diese Digitalsignale werden an die Steuereinheit 131 ausgegeben. Die Steuereinheit 131 kann den Vergleich mit einem Schwellenwert durchführen und bei Über- oder Unterschreiten an seinem Digitalausgang eine logische „1“ ausgeben, andernfalls eine logische „0“. Eine logische „1“ zeigt dann also einen Fehler an. Auf diese Weise kann die Steuereinheit 131 erfassen, ob zwischen den elektrischen Leitern 120, 121 einen Kurzschluss besteht.
Optional werden der Multiplexer 142A, der ADC 143 und/oder die Steuereinheit 131 zu einem Mikroprozessor oder SoC (System on a Chip) zusammengefasst, z.B. einem 8-Bit Flash-Mikrokontroller. Die Steuereinheit 131 umfasst zum Beispiel eine Vektorregelung (field oriented control, FOC).
Figur 13 zeigt eine Differentialschutzeinrichtung 14B die bei dem Ständer 1 vorgesehen sein kann und z.B. an die Schaltung gemäß Figur 5, 6 oder 7 angeschlossen ist. Gemäß Figur 13 sind die Stromsensoren jeweils an einen ADC 143 von mehreren (hier 12) ADCs 143 angeschlossen. Die Ausgänge der ADCs 143 sind an einen digitalen Multiplexer 142B angeschlossen und dessen Ausgang an die Steuereinheit 131 .
Figur 14 zeigt im Wesentlichen denselben Aufbau der Zahnwicklungen 12A-12C und deren Anschluss an den Wechselrichter 13 wie Figur 6. Im Unterschied dazu sind die Abschnitte der elektrischen Leiter 120, 121 zwischen den Endabschnitten und den Wicklungsabschnitten 122 jedoch so gelegt, dass Abschnitte beiderseits der Wicklungsabschnitte 122 (in Bezug auf den elektrischen Pfad der jeweiligen elektrischen Leiter 120, 121 ) an einer Stelle benachbart (insbesondere in Bezug auf die Stromflussrichtung antiparallel) zueinander verlaufen, z.B. aneinander anliegen. Dies ermöglicht es, nur einen Stromsensor 140 pro elektrischen Leiter 120, 121 zu verwenden. Vorliegend genügen daher sechs Stromsensoren 140 zur Überwachung aller sechs elektrischen Leiter 120, 121 der Phasen U, V, W.
Ein Strom durch den ersten elektrischen Leiter 120 an einer (ersten) Stelle X5 des ersten elektrischen Leiters 120 (jeder Phase U, V, W) induziert einen Strom in einem Stromsensor 140. Ein Strom durch den ersten elektrischen Leiter 120 an einer (zweiten) Stelle X6 des ersten elektrischen Leiters 120 fließt antiparallel im Vergleich mit der anderen (ersten) Stelle X5 und induziert daher einen Strom im selben Stromsensor 140 mit umgekehrtem Vorzeichen. Sind die Stromstärken an den beiden Stellen X5, X6 gleich, ist die effektiv induzierte Stromstärke gleich Null. Somit ist der Stromsensor 140 zur Messung einer effektiven Differenzstromstärke durch den ersten Leiter 120 an Stellen X5, X6 des ersten elektrischen Leiters 120 angeordnet, die über den Wicklungsabschnitt 122 elektrisch miteinander verbunden sind.
Ferner induziert ein Strom durch den zweiten elektrischen Leiter 121 an einer (dritten) Stelle X7 des zweiten elektrischen Leiters 121 (jeder Phase U, V, W) einen Strom in einem weiteren Stromsensor 140. Ein Strom durch den zweiten elektrischen Leiter 121 an einer (vierten) Stelle X8 des zweiten elektrischen Leiters 121 fließt antiparallel im Vergleich mit der anderen (dritten) Stelle X7 und induziert daher einen Strom im selben Stromsensor 140 mit umgekehrtem Vorzeichen. Sind die Stromstärken an den beiden Stellen X7, X8 gleich, ist die effektiv induzierte Stromstärke gleich Null. Somit ist der Stromsensor 140 zur Messung einer effektiven Differenzstromstärke durch den zweiten elektrischen Leiter 121 an Stellen X7, X8 des zweiten elektrischen Leiters 121 angeordnet, die über den Wicklungsabschnitt 122 elektrisch miteinander verbunden sind.
Figur 15 zeigt die entsprechende Differentialschutzeinrichtung 14D, die bei dem Ständer 1 vorgesehen sein kann und an die Schaltung gemäß Figur 14 angeschlossen ist. Die Differentialschutzeinrichtung 14D entspricht der Differentialschutzeinrichtung 14B gemäß Figur 12, wobei durch die die effektive Differenzstromstärke messenden Stromsensoren 140 keine Komparatoren nötig sind.
Figur 16 zeigt eine Differentialschutzeinrichtung 14E, die bei dem Ständer 1 vorgesehen sein kann und alternativ an die Schaltung gemäß Figur 14 angeschlossen sein kann. Die Differentialschutzeinrichtung 14E entspricht der Differentialschutzeinrichtung 14C gemäß Figur 13, wobei durch die die effektive Differenzstromstärke messenden Stromsensoren 140 lediglich drei (oder wenn wie gezeigt redundante Sensoren verwendet werden, sechs) ADCs 143 nötig sind.
Es sei allgemein angemerkt, dass die Steuereinheit 131 Gegenmaßnahmen einleiten kann, alternativ aber auch vorgesehen sein kann, dass der Fehler zunächst einem Benutzer angezeigt wird, der dann über ein Eingabemittel eine der beschriebenen Gegenmaßnahmen aktivieren kann.
Ferner sei angemerkt, dass die zu den Wechselrichtereinheiten 130A-130D benachbarten Stromsensoren 140 optional in die jeweilige Wechselrichtereinheit 130A-130D integriert sein kann, z.B. in einem Gehäuse der Wechselrichtereinheit 130A-130D angeordnet ist.
Alternativ oder zusätzlich kann an den Sternpunkten 123 und 124 die Spannung gemessen werden. Diese Spannungen können mit einem oder mehreren Komparatoren 141 verglichen werden, z.B. jeweils bezogen auf ein Erdpotential oder ein anderes Referenzpotential, wie anhand der Figur 18 veranschaulicht. Das Vergleichsergebnis des Komparators 141 kann an die Steuereinheit 131 ausgegeben werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Spannung zwischen den beiden Sternpunkten 123, 124 mittels eines Spannungssensors 145 gemessen werden. Diese Spannung kann an die Steuereinheit 131 ausgegeben werden, wie anhand vom Figur 19 veranschaulicht.
Figur 20 zeigt ein Luftfahrzeug 4 in Form eines elektrisch angetriebenen Flugzeugs. Das Luftfahrzeug 4 umfasst einen Propeller 40, der durch die vorstehend beschriebene elektrische Maschine 2 gemäß Figur 2 (alternativ durch die elektrische Maschine 2‘ gemäß Figur 4) angetrieben ist.
Das Luftfahrzeug 4 umfasst ferner eine Energiequelle 3 in Form einer elektrischen Batterie. Die elektrische Maschine 2 wird durch die Energiequelle 3 mit Energie versorgt, wobei die Energiequelle 3 elektrisch an den Wechselrichter 13 angeschlossen ist.
Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist und verschiedene Modifikationen und
Verbesserungen vorgenommen werden können, ohne von den hier beschriebenen Konzepten abzuweichen. Beliebige der Merkmale können separat oder in Kombination mit beliebigen anderen Merkmalen eingesetzt werden, sofern sie sich nicht gegenseitig ausschließen, und die Offenbarung dehnt sich auf alle Kombinationen und Unterkombinationen eines oder mehrerer Merkmale, die hier beschrieben werden, aus und umfasst diese.
Bezugszeichenliste
1 Baugruppe, Ständer
10 Körper
11 Ständerzahn
12A-12C Zahnwicklung
120 erster elektrischer Leiter
121 zweiter elektrischer Leiter
122 Wicklungsabschnitt
123 erster Sternpunkt
124 zweiter Sternpunkt 13 Wechselrichter
130A-130F Wechselrichtereinheit
131 Steuereinheit
132A-132C Leistungselektroniktreiber
14A-14E Differentialschutzeinrichtung
140 Stromsensor
141 Komparator
142A, 142B Multiplexer
143 Analog-Digital-Konverter
144 Summierer
145 Spannungssensor 2; 2‘ elektrische Maschine
20 weitere Baugruppe, Läufer
3 Energiequelle
4 Luftfahrzeug
40 Propeller
A Wicklungsachse
L Luftspalt
N Nordpol
5 Südpol
U, V, W Phase X1-X8 Stelle

Claims

Ansprüche
1. Baugruppe (1 ) für eine elektrische Maschine (2; 2‘), umfassend: einen Körper (10); mehrere am Körper (10) festgelegte Zähne (11 ); mehrere Zahnwicklungen (12A-12C), die jeweils einen ersten elektrischen Leiter (120) und einen zweiten elektrischen zweiten Leiter (121), die mindestens an einem Wicklungsabschnitt (122) entlang einer Wicklungsachse (A) um denselben Zahn (11) gewickelt sind und sich dabei in Richtung der Wicklungsachse (A) abwechseln, aufweisen; und eine Differentialschutzeinrichtung (14A-14E) mit mehreren Sensoren, insbesondere Stromsensoren (140), die zumindest an zwei Stellen (X1-X4) von einer der Zahnwicklungen (12A-12C) jeweils eine Spannung am und/oder eine Stromstärke durch den ersten Leiter (120) oder den zweiten Leiter (121) erfassen.
2. Baugruppe (1) nach Anspruch 1, wobei die Differentialschutzeinrichtung (14A- 14C) Stromsensoren (140) umfasst, die zur Messung einer Stromstärke durch den ersten elektrischen Leiter (120) an über den Wicklungsabschnitt (122) elektrisch miteinander verbundenen Stellen (X1, X2) des ersten elektrischen Leiters (120) angeordnet sind, und/oder Stromsensoren (140) umfasst, die zur Messung einer Stromstärke durch den zweiten elektrischen Leiter (121) an über den Wicklungsabschnitt (122) elektrisch miteinander verbundenen Stellen (X3, X4) des zweiten elektrischen Leiters (121) angeordnet sind.
3. Baugruppe (1) nach Anspruch 2, wobei Signale der Stromsensoren (140) zur Messung der Stromstärke durch den ersten elektrischen Leiter (120) an einen Komparator (141) bereitgestellt werden und/oder Signale der Stromsensoren (140) zur Messung der Stromstärke durch den zweiten elektrischen Leiter (120) an einen Komparator (141) bereitgestellt werden.
4. Baugruppe (1) nach Anspruch 3, ferner umfassend einen Multiplexer (142A; 142B), an den Differenzsignale mehrerer Komparatoren (141) bereitgestellt werden.
5. Baugruppe (1) nach Anspruch 1, wobei die Differentialschutzeinrichtung (14D- 14E) einen Stromsensor (140) umfasst, der zur Messung einer Differenzstromstärke durch den ersten elektrischen Leiter (120) an über den Wicklungsabschnitt (122) elektrisch miteinander verbundenen Stellen (X5, X6) des ersten elektrischen Leiters (120) angeordnet ist, und/odereinen Stromsensor umfasst (140), der zur Messung einer Differenzstromstärke durch den zweiten elektrischen Leiter (121) an über den Wicklungsabschnitt (122) elektrisch miteinander verbundenen Stellen (X7, X8) des zweiten elektrischen Leiters (121) angeordnet ist.
6. Baugruppe (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jeder der ersten und zweiten elektrischen Leiter (120, 121) der Zahnwicklungen (12A-12C) elektrisch an einen Wechselrichter (13) anschließbar oder angeschlossen ist.
7. Baugruppe (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend genau drei oder mehr Zahnwicklungen (12A-12C) für jeweils eine Phase eines Drei oder Mehrphasenwechselstroms.
8. Baugruppe (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die ersten elektrischen Leiter (120) und/oder die zweiten elektrischen Leiter (121) der Zahnwicklungen (12A-12C) an einem Sternpunkt (123, 124) elektrisch miteinander verbunden sind.
9. Baugruppe (1) nach Anspruch 8, wobei die Differentialschutzeinrichtung (14A- 14E) einen oder mehrere Spannungssensoren (145) umfasst, der oder die eine Spannung an einem oder beiden Sternpunkten (123, 124) und/oder zwischen den beiden Sternpunkten (123, 124) misst/messen.
10. Baugruppe (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste und der zweiten elektrische Leiter (120, 121) von jeder der Zahnwicklungen (12A- 12C) mindestens am Wicklungsabschnitt (122) bifilar angeordnet sind.
11. Baugruppe (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jeder der ersten elektrischen Leiter (120) der Zahnwicklungen (12A-12C) um mehrere Zähne (11 ) jeweils herum verläuft und jeder der zweiten elektrischen Leiter (121) der Zahnwicklungen (12A-12C) um dieselben Ständerzähne (11) jeweils herum verläuft.
12. Elektrische Maschine (2; 2‘), umfassend die Baugruppe (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und eine weitere Baugruppe, wobei die Baugruppe und die weitere Baugruppe (20) relativ zueinander drehbar sind.
13. Elektrische Maschine (2; 2‘) nach Anspruch 12, wobei die Baugruppe (1) als Ständer ausgebildet ist und die weitere Baugruppe (20) als Läufer.
14. Elektrische Maschine (2; 2‘) nach Anspruch 12 oder 13, ferner umfassend einen Wechselrichter (13) mit mehreren Wechselrichtereinheiten (130A-130F) für jeweils eine elektrische Phase (U, V, W) einer mehrphasigen elektrischen Wechselspannung.
15. Luftfahrzeug (4), umfassend die elektrische Maschine (2; 2‘) nach einem der Ansprüche 12 bis 13.
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