EP4681321A1 - Anordnung für eine elektrische maschine - Google Patents

Anordnung für eine elektrische maschine

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Publication number
EP4681321A1
EP4681321A1 EP24711467.1A EP24711467A EP4681321A1 EP 4681321 A1 EP4681321 A1 EP 4681321A1 EP 24711467 A EP24711467 A EP 24711467A EP 4681321 A1 EP4681321 A1 EP 4681321A1
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EP
European Patent Office
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electrical
arrangement
inverter
electrical conductor
conductors
Prior art date
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Pending
Application number
EP24711467.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Wolfram Birkmayer
Andreas REEH
Marco BOHLLÄNDER
Tadele Lijalem YIRISAW
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 EP4681321A1 publication Critical patent/EP4681321A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P25/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details
    • H02P25/16—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details characterised by the circuit arrangement or by the kind of wiring
    • H02P25/22—Multiple windings; Windings for more than three phases
    • 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
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
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    • H02P25/02—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details characterised by the kind of motor
    • H02P25/022—Synchronous motors
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P29/00—Arrangements for regulating or controlling electric motors, appropriate for both AC and DC motors
    • H02P29/02—Providing protection against overload without automatic interruption of supply
    • H02P29/024—Detecting a fault condition, e.g. short circuit, locked rotor, open circuit or loss of load
    • H02P29/027—Detecting a fault condition, e.g. short circuit, locked rotor, open circuit or loss of load the fault being an over-current
    • H—ELECTRICITY
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    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P29/00—Arrangements for regulating or controlling electric motors, appropriate for both AC and DC motors
    • H02P29/02—Providing protection against overload without automatic interruption of supply
    • H02P29/024—Detecting a fault condition, e.g. short circuit, locked rotor, open circuit or loss of load
    • H02P29/028—Detecting a fault condition, e.g. short circuit, locked rotor, open circuit or loss of load the motor continuing operation despite the fault condition, e.g. eliminating, compensating for or remedying the fault
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64D—EQUIPMENT FOR FITTING IN OR TO AIRCRAFT; FLIGHT SUITS; PARACHUTES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF POWER PLANTS OR PROPULSION TRANSMISSIONS IN AIRCRAFT
    • B64D27/00—Arrangement or mounting of power plants in aircraft; Aircraft characterised by the type or position of power plants
    • B64D27/02—Aircraft characterised by the type or position of power plants
    • B64D27/30—Aircraft characterised by electric power plants

Definitions

  • the present disclosure relates in particular to an arrangement for an electrical machine, an electrical machine with such an arrangement, an aircraft with such an electrical machine and a method for monitoring an electrical machine.
  • Such arrangements comprise an assembly with a body, e.g. in the form of a laminated core, and several windings, which are wound around teeth of the body, for example.
  • a body e.g. in the form of a laminated core
  • windings which are wound around teeth of the body, for example.
  • voltages in particular those that vary over time
  • magnetic fields are built up, which, for example, cause a relative movement between the assembly and another assembly.
  • the assembly is, for example, a stator and the other assembly is a rotor.
  • the object of the present invention is to provide an arrangement for an electrical machine that is as reliable as possible.
  • an arrangement for an electrical machine comprising an assembly with a body and a plurality of windings (e.g. tooth windings), each of which has a first electrical conductor and a second electrical conductor, which are wound at least on one winding section along a winding axis (e.g.
  • a plurality of sensors arranged at least at two locations of the first electrical conductor and two locations of the second electrical conductor of at least one of the windings, in order to each detect an electrical quantity; and a unit configured to detect a first difference in the electrical quantity at the two locations of the first electrical conductor and a second difference in the electrical quantity at the two locations of the second electrical conductor and to output an output signal based on a deviation between the first difference and the second difference.
  • Such an arrangement makes it possible to detect a winding short circuit between adjacent windings of a winding section, i.e. between the corresponding first and second electrical conductors, particularly reliably in order to initiate countermeasures, such as switching off a power supply, and to keep an electrical machine with the arrangement in a safe Operation must be shut down in order to avoid dangerous operating conditions.
  • By recording the deviation between the first difference and the second difference it can be determined whether the difference or differences recorded is a measurement error due to a defective sensor or an actual short circuit. This can avoid unnecessary shutdowns.
  • the first electrical conductor and the associated second electrical conductor are electrically insulated from one another. The amounts of the differences can always be used.
  • the unit can also be referred to as an evaluation unit or analysis unit.
  • the unit can comprise a microcontroller or, alternatively, just an analog circuit.
  • the sensors are designed, for example, in the form of current sensors for measuring a current through the respective electrical conductor.
  • 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. This enables reliable detection of short circuits.
  • the at least two points of the respective electrical conductor can be electrically connected to one another via the respective winding section. This enables a differential measurement, which allows particularly reliable detection of faults.
  • the unit is set up to output the output signal when the deviation is greater than a predetermined deviation threshold, the output signal indicating a sensor error.
  • a turn-to-turn short circuit affects both electrical conductors. By detecting that the two difference values are different, the unit can conclude that there is no turn-to-turn short circuit, but a sensor error.
  • the unit may be configured to output an output signal indicating a line fault if the first difference and/or the second difference is/are greater than a predetermined difference threshold and the deviation is smaller than a predetermined deviation threshold. So if the same difference is measured on both electrical conductors within the measurement accuracy, the unit can conclude that there is no sensor error, but in fact a short circuit.
  • the unit may be arranged to output the output signal only if the first difference and/or the second difference is greater than the predetermined difference threshold over a predetermined period of time. In this way, short fluctuations in the measured signals, e.g. due to noise from external disturbances, can be filtered out.
  • the unit is set up to record the first difference and/or the second difference as an average value over a predetermined time window. In this way, fluctuations in the measured signals can be smoothed out.
  • the unit is set up to determine the first difference and/or the second difference as an RMS value.
  • the unit is set up, for example, to extract a predetermined frequency range from values of the recorded electrical quantity by means of filtering, in particular bandpass filtering, and to further analyze this partial signal, in particular by the described difference formation.
  • the predetermined frequency range is, for example, aligned with one or more characteristic frequencies in the signals.
  • a sensor is arranged at one of the at least two locations of the first electrical conductor and/or a (further) sensor is arranged at one of the at least two locations of the first electrical conductor and/or a (further) sensor is arranged at one of the at least two locations of the second electrical conductor and/or a (further) sensor is arranged at one of the at least two locations of the second electrical conductor.
  • a sensor for measuring a differential current of the first electrical conductor is optionally arranged at points of the first electrical conductor that are electrically connected to one another via the winding section and/or a (further) sensor is arranged for measuring a differential current of the second electrical conductor at points on the second electrical conductor that are electrically connected to one another via the winding section. This enables particularly precise measurement with just a few sensors.
  • the arrangement may comprise an inverter, in particular with a plurality of inverter units for each electrical phase of a multiphase alternating electrical voltage. This enables the use of a direct voltage source such as a battery.
  • the inverter units are optionally electrically connected to the first electrical conductors of each of the windings and/or the inverter units are electrically connected to the second electrical conductors of each of the windings. All inverter units can be supplied with energy by the same energy source.
  • the arrangement comprises, for example, (in particular exactly) three windings for each phase of a three-phase alternating current.
  • the arrangement therefore comprises, for example, a total of six (first and second) electrical conductors.
  • All first electrical conductors of each of the windings can be electrically connected to one another at a (first) star point. Furthermore, all second electrical conductors of each of the windings can be electrically connected to one another at a (second) star point.
  • the arrangement can comprise one or more voltage sensors as sensor(s).
  • the voltage sensor or the voltage sensors
  • the voltage sensor is (are) connected in such a way that it (they) 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 arranged in particular (at least on at least one winding section) in a bifilar manner. Because the windings of the first and the second electrical conductors are arranged in a bifilar manner, a winding short circuit can initially occur between the first and the second electrical conductor. If the partial windings formed by the first and the second electrical conductors are electrically charged, the The effect of a winding short circuit can thus be significantly reduced.
  • each of the first electrical conductors of the windings runs around each of a plurality of teeth and/or each of the second electrical conductors of the windings runs around each of a plurality of teeth, in particular each around the same teeth as the associated first electrical conductor.
  • an arrangement for an electrical machine is specified, in particular according to any of the embodiments described above.
  • the arrangement comprises an assembly with a body and a plurality of windings.
  • the windings each have a first electrical conductor and a second electrical conductor, which are wound at least on one winding section along a winding axis (e.g. around the same tooth of a plurality of teeth fixed to the body) and alternate in at least one direction, in particular in the direction of the winding axis.
  • the first electrical conductors of the windings are electrically connected to one another at a first star point.
  • the second electrical conductors of the windings are electrically connected to one another at a second star point.
  • the arrangement further comprises a first inverter arrangement with inverter units and a second inverter arrangement with further inverter units.
  • the inverter arrangements each have an inverter unit for each phase of a multi-phase (e.g. three-phase) electrical alternating voltage, wherein each of the first electrical conductors of the windings is electrically connected to a multi-phase (e.g. three-phase) electrical alternating voltage, wherein each of the first electrical conductors of the windings is electrically connected to a
  • each of the second electrical conductors of the windings is electrically connected to a
  • the arrangement further comprises one or more sensors (each) for detecting measured values of an electrical quantity (e.g. current intensity) of one or more of the first or second electrical conductors, and a unit.
  • the unit is designed to receive the measured values of the sensor or sensors, to determine at least one value based on one or more of the measured values that is indicative of a sum of the electrical quantity of the first electrical conductors and/or the second electrical conductors, and to output an output signal based on the determined at least one value.
  • Such an arrangement also makes it possible to particularly reliably detect a turn short circuit between adjacent turns of a winding section, i.e.
  • the unit can be configured to determine, based on one or more of the measured values, a (first) value indicative of a sum of the electrical quantity of the first electrical conductors and/or, based on one or more of the measured values, to determine a (second) value indicative of a sum of the electrical quantity of the second electrical conductors.
  • the unit can be configured to determine, based on one or more of the measured values, a (first) sum of the currents through the first conductors as the value and/or to determine a (second) sum of the currents through the second conductors as the value (or as a further value).
  • the unit can be set up to detect an error in one of the first conductors if the first value and/or the first zero-sequence current (e.g. the maximum amplitude of the first zero-sequence current) exceeds a predefined threshold value.
  • the unit is set up, for example, to detect an error in one of the second conductors if the second value and/or the second zero-sequence current (e.g. the maximum amplitude of the second zero-sequence current) exceeds a predefined threshold value. It can be provided that the output signal indicates an error if the control unit has detected an error in one of the first conductors and/or has detected an error in one of the second conductors.
  • the probability of a false alarm can be significantly reduced, e.g. as a result of measurement errors.
  • the two values can therefore be checked for plausibility. If both deviate in the same way (in particular from zero) (in particular with the same or calibrated sensor characteristics), then there is an error in a conductor.
  • the unit is designed to detect the presence of a first type of error if either there is an error in one of the first conductors or sensors (but no error is detected by the sensors of the second conductors) or there is an error in one of the second conductors or sensors (but no error is detected by the sensors of the first conductors). Furthermore, the unit can be designed to detect the presence of a second type of error if there is an error in one of the first conductors and there is an error in one of the second conductors (in this case, the same error in both sensors can be excluded due to the probabilities). In this way, different error states can be detected and displayed.
  • the output signal indicates a sensor fault if the unit detects the first type of fault, and an insulation fault if the unit detects the second type of fault. If there is a winding short circuit due to an insulation fault, currents flow between the conductors of what are actually separate conductor systems. This results in zero-sequence currents (and sums) that are different from zero in both conductor systems. However, if a fault is only detected in one of the two conductor systems, the cause is a measurement error, e.g. due to a defective sensor.
  • One of the sensors can be arranged on each of the first and second electrical conductors.
  • the sensors can be arranged in the respective inverter unit or between the respective inverter unit and the respective (in particular the next) winding section connected to it. This enables the sensors to be connected particularly easily.
  • the sensors of the first electrical conductors can be connected in series.
  • the sensors of the second electrical conductors can be connected in series.
  • the two rows can be electrically connected to one another at one of their ends, i.e. connected in series.
  • a sensor e.g. a voltage sensor, can be connected to the other ends of the rows.
  • the voltage sensor is, for example, part of a voltage measuring instrument. In this way, reliable detection of an insulation fault can be achieved with a particularly simple circuit with just one sensor.
  • the sensor or one of the sensors can encompass several, in particular all, of the first electrical conductors. Alternatively or additionally, the sensor or one of the sensors can encompass several, in particular all, of the second electrical conductors. In this way, a value that is proportional to the zero-sequence current of the respective conductor system can be determined using only one sensor (in each case). It should be noted at this point that the sensors can be arranged inside the electrical machine or outside the electrical machine.
  • the first star point and the second star point can be located on the same side of the body. This facilitates a simple construction. Alternatively, it is It is possible that the first star point and the second star point are located on opposite sides of the body. This can make wiring easier.
  • the sensor or sensors can be designed as current sensors for measuring a current through the respective electrical conductor(s).
  • the current sensor(s) can (each) comprise a Rogowski coil. This enables a simple and at the same time robust measurement of the current.
  • the sensor (or each of several sensors) can be another current transformer, e.g. one that uses the Hall effect for measurement.
  • the sensor (or sensors) can (each) comprise a Hall element and/or a magnetic core that at least partially surrounds the conductor.
  • the unit can be set up to determine at least one harmonic of the value over time and to output the output signal based thereon, in particular to output the output signal indicating a fault, in particular an insulation fault, based on a change in the at least one harmonic over time. In this way, particularly reliable fault detection can be achieved.
  • an electrical machine comprises the arrangement according to any embodiment described herein, e.g. as a stator.
  • the electrical machine further comprises a further assembly, e.g. as a rotor, wherein the assembly and the further assembly are movable relative to one another, in particular rotatable.
  • the stator is provided as a stator, which provides a substantially circular opening for receiving a rotor.
  • the rotor is arranged in the opening, for example, in a rotatable manner, with an air gap being formed between the rotor and the stator.
  • 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 a motor operation, and/or mechanical energy into electrical energy in a generator operation.
  • the movement is, for example, a Rotary movement carried out by the rotor.
  • the stator is arranged, for example, in a rotationally fixed manner with respect to a bearing supporting the electrical machine. A rotary movement is therefore in particular a rotary movement of the rotor with respect to the stator.
  • a vehicle in particular an aircraft, comprising the electric machine according to any embodiment 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. It should be noted, however, that the arrangement can also be used, for example, in a gas pump, in a ship's engine or in a wind turbine or generally in a generator.
  • a method for monitoring an electrical machine comprises the following steps:
  • the method may use the arrangement described above and/or the electrical machine described above.
  • a method for monitoring an electrical machine comprises the following steps:
  • a plurality of windings each of which has a first electrical conductor and a second electrical conductor, which are wound at least on one winding section along a winding axis (e.g. around the same of a plurality of teeth of the electrical machine fixed to a body) and thereby alternate in at least one direction, in particular in the direction of the winding axis, with electrical current by means of a first inverter arrangement with inverter units and a second inverter arrangement with further inverter units, wherein the inverter arrangements each have an inverter unit for each phase of a multi-phase alternating electrical voltage, wherein each of the first electrical conductors of the windings is electrically connected to an inverter unit of the first inverter arrangement and each of the second electrical conductors of the windings is electrically connected to an inverter unit of the second inverter arrangement, and wherein the first electrical conductors of the windings are electrically connected to one another at a first star point and the second electrical conductor
  • Figure 1 is a schematic sectional view of a basic
  • Figure 2 is a schematic, perspective exploded view of a
  • Figure 3 is a schematic representation of a part of a winding of the
  • Figure 4 is a schematic representation of a permanent magnet electrical machine for operation on a three-phase alternating voltage
  • Figures 5 and 6 are schematic circuit diagrams of windings and inverter units of an inverter of the electrical machine according to Figure 2 and Figure 4 respectively;
  • Figure 7 is a circuit diagram of a differential protection device
  • Figure 9 is a block diagram of components of the inverter
  • Figure 13 is another schematic diagram of windings and inverter units of an inverter
  • Figures 14 and 15 are block diagrams of components of differential protection devices for the windings of Figure 13;
  • Figure 16 is another schematic diagram of windings and inverter units of an inverter
  • Figures 17 and 18 are block diagrams of arrangements for measuring voltage differences between star points, e.g. of one of the arrangements according to Figures 5-7 and 14;
  • Figure 19 an aircraft in the form of an airplane with an electrically driven propeller and the electric machine
  • Figures 20 to 23 are schematic circuit diagrams of windings and inverter units for the electrical machine according to Figure 2 and Figure 4;
  • Figure 25 shows a method for monitoring an electrical machine.
  • FIG. 1 shows a schematic sectional view of a rotating electrical machine 2 in the form of a permanent magnet synchronous machine. From Figure 1 it can be seen that the electrical machine 2 is designed as an internal rotor.
  • the electrical machine 2 comprises an arrangement 1 with a module in the form of a stator 21, which has an opening (not designated), in particular a through-opening, in which a further module in the form of a rotor 20 is arranged so as to be rotatable.
  • the stator 21 comprises a body 10 in the form of a laminated core, to 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 21 and the rotor 20.
  • the stator teeth 11 protrude radially from the body 10, in this case radially inwards.
  • the stator 21 has a stator winding, which comprises several windings, which in the context of the present example are referred to as tooth windings 12A-12C only by way of example.
  • the stator winding is designed for three-phase operation, i.e. it is connected to a three-phase alternating voltage with phases II, V, W.
  • the electrical machine is a radial flux machine, but it should be noted that the electrical machine could also be designed as an axial flux machine or a transverse flux machine, for example. In particular, the electrical machine can also be designed with a double air gap as an axial flux machine or transverse flux machine.
  • the rotor 20 is designed here as a salient pole rotor, which comprises 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 transverse to a rotation axis of the rotor 20 (relative to the stator 21).
  • the rotor 20 is rotatably mounted.
  • the three-phase alternating voltage, the phases U, V, W of which are each phase-shifted by 120°, generates a rotating magnetic field during normal operation, which interacts with the permanently excited magnetic field provided by the rotor 20, so that a corresponding rotary movement of the rotor 20 relative to the stator 21 can be brought about in motor operation.
  • the electrical machine 2 is intended to serve as a drive motor for a propeller of an aircraft.
  • the electrical machine 2 is an electric motor.
  • Figure 1 schematically shows the sections of the stator winding that are assigned to the respective phases U, V, W.
  • One of the tooth windings 12A-12C is assigned to one of the phases U, V, W.
  • the stator winding of the electrical machine 2 is connected to a three-phase inverter 13 of the arrangement 1. Together with the inverter 13 connected to it, the arrangement 1 forms a electrical system.
  • the inverter 13 provides the alternating electrical voltage with the three phases II, V, W.
  • the inverter 13 draws the electrical energy required for the intended operation from an energy source 3 connected to the inverter 13.
  • the energy source 3 is a direct voltage source that provides electrical energy from a suitable electrical energy storage device, for example an accumulator or the like.
  • 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 inverter units assigned to provide the phases U, V, W, which are explained in more detail below in connection with, for example, Figure 5.
  • Each inverter unit has its own half-bridge circuit.
  • the half-bridge circuits are connected to a DC intermediate circuit of the inverter 13 (not shown in Figure 1) in order to be supplied with electrical energy.
  • the DC intermediate circuits can have a voltage of 25 V or more, of 100 V or more, or, for example, in the range of 800 to 3000 V.
  • the half-bridge circuit has a series connection of two electronic switching elements (e.g. transistors) which are connected to the intermediate circuit DC voltage of the inverter 13.
  • the electronic switching elements are operated in a clock mode as explained in more detail below in connection with Figure 9, which, for example, provides clock patterns in the manner of a PWM signal.
  • 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 tooth windings 12A-12C provides appropriate filtering, so that a corresponding alternating current is established for each of the phases U, V, W, which can be almost sinusoidal with suitable control of the inverter units.
  • the arrangement 1 further comprises a unit which is referred to here as control unit 131.
  • the control unit 131 is (also) designed to control the inverter 13, but alternatively it could also be designed separately from an inverter controller.
  • the inverter 13 is counted as part of the electrical machine 2, but together they can also be referred to as a machine-inverter system.
  • FIG 2 shows a schematic exploded view of the stator 21 of the electrical machine 2.
  • the stator 21 has the body 10, in which the stator teeth 11 can be joined to the annular body 10 by means of a mechanical connection and thus secured thereto, in particular mechanically fixed.
  • the stator teeth 11 are formed, for example, in one piece with the body 10 and secured thereto in this way.
  • the stator teeth 11 are equipped with respective winding sections 122 of the tooth windings 12A-12C.
  • the stator winding has a plurality of tooth windings 12A-12C, in this case exactly three.
  • a respective one of the tooth windings 12A-12C is generally arranged on at least one of the stator teeth 11.
  • each of the tooth windings 12A-12C extends over several, here two (specifically two opposite), stator teeth 11.
  • the tooth windings 12A-12C generally each have at least one, here several, namely two, winding sections 122.
  • Each winding section 122 surrounds (exactly) one stator tooth 11.
  • Each of the tooth windings 12A-12C has a respective first electrical conductor 120 which is 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 first electrical conductor 120 comprises one or more corresponding connecting sections via which the sections of the first electrical conductor 120 on the winding sections 122 are electrically connected to one another. Each of the tooth windings 12A-12C further comprises 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 connecting sections, via which the sections of the second electrical conductor 121 on 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 to which they are connected in a manner described in more detail below. Between the respective end sections, the first electrical conductors 120 and the second electrical conductors 121 are electrically insulated from one another. The tooth windings 12A-12C are connected accordingly in the electrical machine 2 so that the three-phase connection to the inverter 13 is present.
  • Figure 3 shows a schematic representation of a winding section 122 of one of the tooth windings 12A-12C.
  • the first electrical conductor 120 is wound around the stator tooth 11, not shown in Figure 3.
  • 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 elongated along the winding axis A.
  • a multi-layer winding is provided in order, for example, to be able to achieve a correspondingly high magnetic flux with a predetermined electrical current.
  • 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 windings 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 bifilarly. This means that along the winding axis A of the Winding section 122 (with the exception of the two outermost turns) always has one turn of the first electrical conductor 120 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 at least two individual conductors insulated from one another.
  • Figure 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 Figures 1 and 2, is not six-pole but now twelve-pole.
  • the corresponding stator therefore has twelve stator teeth 11. In this case, these are arranged equidistantly in the circumferential direction.
  • the rotor 20 is arranged in a through-opening formed by the stator, which in this embodiment is also twelve-pole 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 region 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 (shown in Figure 4 merely for illustration purposes by different line thicknesses), which are wound bifilarly onto the respective stator teeth 11.
  • This electrical machine 2' is also designed to be supplied with a three-phase alternating electrical voltage, each of the phases again being designated U, V, W.
  • Figure 5 shows an electrical connection of the tooth windings 12A-12C and the inverter units 130A-130F of the inverter 13 of the electrical machine 2 according to Figure 1.
  • the (in this case three) first electrical conductors 120 of the tooth windings 12A-12C form a first winding system and the (in this case 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 with an end section WA2, VA2, UA2 to one of the inverter units 130A-130C.
  • 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 with an end section WB1, VB1, UB1 to one of the inverter units 130D-130F.
  • 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 therefore comprises six inverter units 130A-130F, two each for each of the three phases U, V, W, and of these two, one each for the first winding system and one for the second winding system.
  • each inverter unit 130A-130D has a half-bridge circuit.
  • An optional capacitor supplements the existing circuit with a low-pass filter.
  • a (in this case the same) direct current voltage (marked HV+ and HV-) is applied to the inverter units 130A-130D of the inverter 13.
  • the direct current voltage is 25 V or more, 100 V or more, or 800 to 3000 V.
  • the tooth winding 12A for a first phase W will be considered.
  • 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 establish 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 with one end section WA2 to a first inverter unit 130A of the inverter 13 and with the other end section WA1 to the first star point 123.
  • the second electrical conductor 121 is electrically connected with one end section WB1 to a fourth inverter unit 130D of the inverter 13 and with the other end section WB2 to a second star point 124.
  • the end sections of the first electrical conductor 120 of the tooth winding 12B for a second phase V are designated 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 star point 123.
  • the end sections of the second electrical conductor 121 of the tooth winding 12B for the second phase V are designated VB1 and VB2.
  • the second electrical conductor 121 is electrically connected with one end section VB1 to the inverter 13, specifically to a fifth inverter unit 130E thereof, and is electrically connected with the other end section VB2 to the second star point 124.
  • the end sections of the first electrical conductor 120 of the tooth winding 12C for a third phase U are designated 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 star point 123.
  • the end sections of the second electrical conductor 121 of the tooth winding 12C for the third phase U are designated UB1 and UB2.
  • the second electrical conductor 121 is electrically connected with one end section UB1 to the inverter 13, specifically to a sixth inverter unit 130F thereof, and is electrically connected with the other end section UB2 to the second star point 124.
  • the arrangement 1 further comprises a protective device, described in more detail below, in the form of a differential protection device.
  • the differential protection device comprises several sensors for detecting an electrical quantity, in the form 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 intensity of the current flowing therein.
  • a current sensor 140 is arranged at at least two points on the first electrical conductor 120 and at two points on the second electrical conductor 121 of at least one (or each) of the tooth windings 12A-12C.
  • four current sensors are provided per tooth winding 12A-12C.
  • the current sensors 140 each comprise a Hall sensor.
  • the Hall sensor is coupled to a ferromagnetic flux concentrator, which, for example, surrounds the respective electrical line 120, 121 and optionally comprises a V-shaped tapered section, at the pointed end of which the Hall sensor is arranged.
  • a current sensor 140 is arranged at a first location X1 on the (first) electrical conductor 120.
  • This (first) location X1 is located with respect to the electrical path between the end section WA2 and the winding section 122 closest to this end section WA2 along the electrical path of the first electrical conductor 120.
  • a further current sensor 140 is arranged at a (second) location X2 on the first electrical conductor 120. arranged.
  • This (second) location X2 is located with respect 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.
  • a further current sensor 140 is arranged at a (third) location X3 on the second electrical conductor 121.
  • This (third) location 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.
  • a further current sensor 140 is arranged at a (fourth) location X4 on the second electrical conductor 121. This (fourth) location X4 is located with respect to the electrical path between the end section WB1 and the winding section 122 closest to this end section WB1 along the electrical path of the second electrical conductor 121.
  • the winding sections 122 are each located between the current sensors 140.
  • the control unit 131 can detect a winding short circuit by means of the differential protection device and initiate a countermeasure.
  • the control unit 131 is configured to detect a first difference in the current intensities (more generally: the electrical quantity) at the two locations X1, X2 of the first electrical conductor 120 and a second difference in the electrical quantity at the two locations X3, X4 of the second electrical conductor 121 and to output an output signal based on a deviation between the first difference and the second difference.
  • the current sensors 140 are arranged corresponding to the first tooth winding 12A.
  • Figure 6 shows essentially the same circuit as Figure 5, but with more winding sections 122 illustrated. It can be seen that the tooth windings 12A-12C have a smaller or larger number of winding sections 122, e.g. a total of six (see in particular Figures 2 and 5), twelve (see in particular Figure 4) or 18.
  • Figure 7 shows a general structure of a differential protection device as can be provided in the stator 21.
  • the differential protection device compares two current intensities measured at different locations.
  • a component to be monitored is illustrated by a block.
  • this is the part of the first electrical conductor 120 or the second electrical conductor 121 of one of the tooth windings 12A-12C between its respective end sections.
  • the current sensors 140 are designed here as (optional) measuring coils with one or more turns, which are arranged on the corresponding first/second electrical conductor, so that the current in the electrical conductor induces a current in the measuring coils.
  • the measuring coils (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.
  • This cross current is monitored by the differential protection device and compared with a threshold value, for example. Based on this, 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 or switched off, by changing the control of the transistors of at least the inverter unit 130A-130F connected to it based on the detection of a differential current.
  • the transistors are controlled using signals, in this case using pulse width modulated signals, which can also be referred to as PWM signals (pulse width modulation).
  • PWM signals pulse width modulation
  • the PWM signals alternate between two discrete values, e.g. "on” and “off”, which open or close the corresponding transistor.
  • FIG 8 shows an example of such PWM signals, where the X stands for the respective phase U, V, W.
  • the PWM signals for the individual phases II, V, W are, for example, the same, only shifted in time.
  • an inverted PWMX' signal is provided for each PWMX signal, which assumes a different discrete value with respect to the PWMX signal over time.
  • the inverted PWM signal PWMW, PWMV', PWMLT is applied to the transistor of the inverter unit 130A, 130B, 130C of the first electrical conductor 120 connected to the positive pole HV+ of the DC voltage.
  • the PWM signal PWMW, PWMV, PWMU is applied to the transistor of the inverter unit 130A, 130B, 130C of the first electrical conductor 120 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 that is connected to the positive pole HV+ of the direct voltage.
  • the reversed PWM signal PWMW, PWMV', PWMU' is applied to the transistor of the inverter unit 130D, 130E, 130F of the second electrical conductor 121 that is connected to the negative pole HV- of the direct voltage.
  • Figure 9 illustrates the generation of the PWM signals and the inverse PWM signals.
  • the control unit 131 of the inverter generates signals for the three phases U, V, W, which are referred to 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 phase U, V, W.
  • FIG 10 shows the protective device in the form of the differential protection device 14A of the arrangement 1 according to Figure 1.
  • the differential protection device 14A comprises the (total of 12) current sensors 140.
  • the other components shown in Figure 5 are not shown again here merely for the sake of simplicity.
  • the differential protection device 14A also comprises several comparators 141, in this case six.
  • Two current sensors 140 are connected to each comparator 141, which is shown here in a simplified manner by a line.
  • the current sensors 140 are each electrically connected to the respective comparator 141.
  • the respective comparator 141 is connected to the current sensors 140 in such a way that it can detect the current signals provided thereby, which are indicative of the current strength in the corresponding electrical conductor 120, 121.
  • the comparator 141 compares the current signals provided by the two current sensors 140 with each other and provides the comparison result as a difference signal to the control unit 131. If a predetermined condition is met, e.g. if a difference signal exceeds or falls below a threshold value, then the control unit 131 detects an error.
  • the control unit 131 detects a winding short circuit. If this applies to two phases at the same time, the control unit 131 (optionally) detects a short circuit between two phases.
  • control unit 131 optionally switches off all PWM signals (e.g. to zero).
  • the positive and/or negative pole HV+, HV- of the DC voltage source 3 are separated from the inverter units 130A-130F.
  • control unit 131 optionally causes a three-phase short circuit.
  • the control unit 131 can thus detect whether (certain) first and second electrical conductors 120, 121 have a winding short circuit. In this case, the control unit 131 provides, for example, correspondingly modified PWM signals and reversed PWM signals.
  • the signals of the current sensors 140 at the first location X1 and at the second location X2 are connected to a comparator 141 (more generally: are compared with each other).
  • the signals of the current sensors 140 at the third location X3 and at the fourth location X4 are connected to a further comparator 141 (more generally: are compared with each other).
  • the comparison between the one comparator 141 and the further comparator 141 can also be carried out by an additional comparator.
  • the control unit 131 has an output 133 at which the control unit 131 outputs the output signal.
  • the control unit 131 is configured, for example, to output an output signal which indicates a line fault (specifically a winding short circuit) if the first difference and the second difference (in particular the respective amount) are greater than a predetermined difference threshold value and at the same time the Deviation is smaller than a specified deviation threshold.
  • the difference threshold is e.g. 5% of the nominal current value.
  • the control unit detects:
  • IUA1 - IUA2 IUA1 -2 and
  • IUB1 - IUB2 IUB1 -2
  • IWA1 - IWA2 IWA1 -2 and
  • IWB1 - IWB2 IWB1 -2
  • IVA1 - IVA2 IVA1 -2 and
  • IVB1 - IVB2 IVB1 -2.
  • the values of ILIA1 -2 and ILIB1 -2 each have the same values, different from 0. Small or short differences, as well as short peak-shaped differences, can result from measurement inaccuracies or noise.
  • the control unit 131 is set up to only output the output signal if the first difference and/or the second difference is greater than the specified difference threshold value over a specified period of time.
  • the control unit 131 is set up to record the first difference and/or the second difference as an average value (e.g. as a root mean square value or by means of smoothing or filtering) over a moving time window of a specified length.
  • the values of IUA1 -2 and IUB1 -2 may differ from one another.
  • IUA1 -2 is equal to 0 and IUB1-2 is not equal to 0.
  • the control unit 131 is therefore designed to determine a deviation of the first and the second difference (eg the values of IUA1 -2 and IUB1-2). Since these deviations can also be caused by measurement inaccuracies or noise (or by offsets, non-linearities or temperature dependencies), the control unit 131 is set up to output an output signal that indicates a sensor error if the deviation is greater than a predetermined deviation threshold value.
  • control unit 131 is set up to only output the output signal indicating a sensor error if the deviation is greater than the predetermined deviation threshold value over a predetermined period of time.
  • control unit 131 is set up to record deviation as an average value over a moving time window of a predetermined length.
  • control unit 131 can be designed to deactivate the monitoring of the currents.
  • the output signal can be displayed to a user, e.g. a pilot.
  • the control unit 131 can be designed to carry out a spectral analysis of the detected electrical quantities.
  • the control unit 131 is designed to analyze predetermined frequency ranges, in particular those in which the signal is clearer, instead of a threshold value of the raw signal, or in addition to this.
  • a digital or analog bandpass filter can be used, for example.
  • control unit 131 also monitors the inverter units. Furthermore, the control unit 131 can monitor the total current through the 3 phases; if this deviates from 0, the control unit 131 can output an error.
  • Figure 10 also shows a method for monitoring the electrical machine 2; 2', which comprises:
  • Figure 11 shows a differential protection device 14B which can be provided in the arrangement 1 and is connected, for example, to the circuit according to Figure 5 or 6.
  • the current sensors 140 are connected to the comparators 141. These provide their differential signals to an analog multiplexer 142A.
  • the multiplexer 142A provides the differential signal of the individual comparators at its output, for example in chronological order (with a fixed frequency). This output is connected to an analog-digital converter, ADC 143.
  • the ADC 143 converts the analog signals of 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 the threshold values described and output a "0", a "1" or a "2" accordingly at the output.
  • a “1” then indicates, for example, a line error, a "2" a sensor error and a "0" an error-free state.
  • the analog multiplexer e.g. multiplexer 142A
  • the multiplexer 142A, the ADC 143 and/or the control unit 131 combined into a microprocessor or SoC (system on a chip), e.g. an 8-bit flash microcontroller.
  • the control unit 131 includes, for example, a vector control (field oriented control, FOC).
  • Figure 12 shows a differential protection device 14C which can be provided in the arrangement 1 and is connected, for example, to the circuit according to Figure 5 or 6.
  • the current sensors are each connected to an ADC 143 of several (here 12) ADCs 143.
  • the outputs of the ADCs 143 are connected to a digital multiplexer 142B and its output to the control unit 131.
  • Figure 13 shows essentially the same structure of the tooth 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 antiparallel with respect to the direction of current flow), e.g. they lie against one another.
  • a current through the first electrical conductor 120 at a (first) point X5 of the first electrical conductor 120 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 antiparallel compared to the other (first) point X5 and therefore induces a current in the same current sensor 140 with the opposite sign. If the current intensities at the two points X5, X6 are the same, the effectively induced current is zero.
  • the current sensor 140 is thus arranged to measure an effective differential current through the first conductor 120 at points X5, X6 of 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 induces a (third) Point X7 of the second electrical conductor 121 (of each phase II, V, W) 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 antiparallel to the other (third) point X7 and therefore induces a current in the same current sensor 140 with the opposite sign. If the current intensities at the two points X7, X8 are the same, the effectively induced current is zero.
  • the current sensor 140 for measuring an effective differential current through the second electrical conductor 121 is thus arranged at points X7, X8 of the second electrical conductor 121, which are electrically connected to one another via the winding section 122.
  • Figure 14 shows the corresponding differential protection device 14D, which can be provided in the arrangement 1 and is connected to the circuit according to Figure 13.
  • the differential protection device 14D corresponds to the differential protection device 14B according to Figure 12, whereby no comparators are necessary due to the current sensors 140 measuring the effective differential current intensity.
  • Figure 15 shows a differential protection device 14E which can be provided in the arrangement 1 and can alternatively be connected to the circuit according to Figure 13.
  • the differential protection device 14E corresponds to the differential protection device 14C according to Figure 13, whereby only six ADCs 143 are necessary due to the current sensors 140 measuring the effective differential current intensity.
  • 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 described countermeasures via an input means.
  • 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.
  • Figure 16 shows the same structure of the tooth windings 12A-12C and their connection to the inverter 13 as Figure 13.
  • Current sensors 140 are arranged both according to Figure 6 and sensors according to Figure 13.
  • the control unit 131 can thus detect first and second differences according to Figure 6 and according to Figure 13 and compare them with each other. For example, the control unit 131 determines a first deviation with the sensors arranged according to Figure 6 and a second deviation with the sensors arranged according to Figure 13. If the two deviations are different from each other, the control unit 131 detects a sensor error and outputs a corresponding output signal.
  • the voltage can be measured at the star points 123 and 124. These voltages can be compared with one or more comparators 141, e.g. each related to a ground potential or another reference potential, as illustrated in Figure 17. The comparison result of the comparator 141 can be output to the control unit 131. 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 in Figure 18.
  • FIG 19 shows an aircraft 4 in the form of an electrically powered airplane.
  • the aircraft 4 comprises a propeller 40 which is driven by the above-described electric machine 2 according to Figure 2 (alternatively by the electric machine 2' according to Figure 4).
  • the aircraft 4 further comprises an energy source 3 in the form of an electric battery, fuel cell and/or generator.
  • the electric machine 2 is supplied with energy by the energy source 3, wherein the energy source 3 is electrically connected to the inverter 13.
  • Figure 20 shows a circuit similar to that described above with reference to Figure 5.
  • the circuit comprises several, namely three, tooth windings 12A-12C, each comprising a first electrical conductor 120 and a second electrical conductor 121.
  • the first electrical conductor 120 and the second electrical conductor 121 of each Tooth windings are wound around (each) the same tooth 11 (as described above) along a winding axis A at least on one winding section 122, here merely by way of example on each of two (series-connected) winding sections 122.
  • the first and second electrical conductors 120, 121 alternate in the direction of the winding axis A.
  • the first electrical conductors 120 of the three tooth windings 12A-12C are electrically connected to one another at a first star point 123.
  • the second electrical conductors 121 of the three tooth windings 12A-12C are electrically connected to one another at a second star point 124.
  • the inverter 13 comprises a first inverter arrangement 134A with three inverter units 130A-130C, one each for a phase U, V, W of the three-phase alternating voltage, and a second inverter arrangement 134B, with three further inverter units 130D-130F, also one each for a phase U, V, W of the three-phase alternating voltage.
  • the two inverter arrangements 134A, 134B therefore each have an inverter unit 130A-130F for each phase U, V, W of the three-phase alternating voltage.
  • Each of the three first electrical conductors 120 of the tooth windings 12A-12C is electrically connected to a respective inverter unit 130A-130C of the first inverter arrangement 134A and each of the three second electrical conductors 121 of the tooth windings 12A-12C is electrically connected to a respective inverter unit 130D-130F of the second inverter arrangement 134B.
  • the inverter arrangements 134A, 134B can be activated and deactivated independently of one another.
  • a sensor 140 for detecting measured values of an electrical quantity of the respective electrical conductor 120, 121 is arranged on at least one of the electrical conductors 120, 121, here on each of the first and second electrical conductors 120, 121.
  • the sensors 140 are each designed in the form of current sensors, which are designed to detect a current flowing through the respective electrical conductor 120, 121. to measure current intensity.
  • the sensors 140 are each arranged in or between the respectively assigned inverter unit 130A-130F and the winding section 122 connected closest to it along the respective electrical conductor 120, 121.
  • the sensors 140 are therefore each arranged on the driver side, ie the inverter side, not on the star point side.
  • the sensors 140 can be arranged close to the winding section 122 or close to (or in) the respective inverter unit 130A-130F. Furthermore, the sensors 140 can be integrated into the respective inverter unit 130A-130F.
  • the arrangement 1 according to Figure 1 can comprise the circuit according to Figure 20.
  • the control unit 131 of the arrangement 1 is designed to receive the measured values of the sensors 140 and, based on one or more of the measured values, to determine at least one value that is indicative of a sum of the electrical variable of the first electrical conductor 120 and/or the second electrical conductor 121 (here: the current intensity through the respective electrical conductor 120, 121). Furthermore, the control unit 131 is designed to output an output signal based on the at least one value.
  • the control unit 131 compares the two zero-system currents obtained with a predetermined threshold value. If neither of the zero-system currents exceeds the threshold value, the control unit 131 assumes that the system is operating correctly and optionally outputs a corresponding output signal. If one of the zero-system currents exceeds the threshold value and the other does not, the control unit 131 assumes that there is a sensor error or other measurement error. It outputs this with an output signal indicating a sensor error. If, however, both zero-system currents exceed the threshold value, the control unit 131 from a short circuit and outputs this with an output signal indicating an insulation fault.
  • control unit 131 can also evaluate quantities proportional to them, e.g. directly from the sums obtained as described above.
  • the control unit 131 By measuring two zero-sequence system currents, redundant and verified error detection is possible, as well as the detection of the error type. If at least one of the zero-sequence system currents exceeds the threshold value, the control unit 131 detects an error.
  • the use of the zero-sequence system components allows for particularly simple and at the same time reliable error detection.
  • the sensors 140 are, for example, current transformers.
  • the sensors 140 may be located inside the electric machine or may be located outside the electric machine.
  • control unit 131 determines harmonic frequencies of the zero-sequence currents.
  • the control unit 131 can detect an error from a change in the harmonic frequencies.
  • An analog or digital bandpass filter can be applied to the measured values.
  • Figure 21 shows essentially the same circuit as Figure 20. However, while Figure 20 provides that the star points 123, 124 are arranged on different (opposite) sides of the body 10, Figure 21 illustrates that the first star point 123 and the second star point 124 are arranged on the same side of the body 10. Such an arrangement can optionally also be provided in the other circuits described herein; alternatively, an arrangement on opposite sides is possible.
  • Figure 22 illustrates a circuit which is essentially constructed as illustrated in Figure 20, wherein the windings of the first electrical conductors 120 and the second electrical conductors 121 are shown only for illustration purposes. are shown spaced apart. In arrangement 1, these are provided bifilar on the teeth, as in the circuits of Figures 20 and 21. With regard to the function and connection of the circuit, reference is made to the above explanations.
  • a sensor 140 again in the form of a current sensor, surrounds the three first electrical conductors 120.
  • a further sensor 140 surrounds the three second electrical conductors 121.
  • the two current sensors 140 already measure the sum of the current intensities through the three first electrical conductors 120 and through the three second electrical conductors 121 on the hardware side.
  • the control unit 131 can therefore directly compare the measured value (or a value calculated therefrom) from each of the two sensors 140 with a corresponding threshold value in order to detect an error condition, as described above.
  • Figure 23 shows a circuit as described above in connection with Figure 6, so that reference is made to the above explanations to avoid repetition.
  • the sensors 140 are arranged as explained above in connection with Figure 20.
  • the sensors 140 are designed, for example, in the form of coils around the respective electrical conductor 120, 121.
  • the sensors 140 of the first electrical conductors 120 are connected in series with one another. It is also provided that the sensors 140 of the second electrical conductors 120 are connected in series with one another, but as shown in Figure 23 with the opposite polarity compared to the sensors of the first electrical conductors 120. In this way, the type of connection already allows the sum of the measured values to be formed.
  • the two series circuits are electrically connected in series with one another via a connecting line 147.
  • a voltage sensor 145 measures the voltage difference at the two open conductor ends of the series circuit. In error-free operation, the measured voltage difference is less than a predetermined threshold value. If the If the measured value output by the voltage sensor 145 exceeds the threshold value, the control unit 131 assumes an insulation fault.
  • the sensors 140 are arranged on the driver side.
  • the sensors 140 described, for example, with reference to the various figures can each be designed in the form of a Rogowski coil 146, as shown by way of example in Figure 24.
  • the Rogowski coil 146 surrounds the respective electrical conductor (here, by way of example, only the first electrical conductor 120).
  • the Rogowski coil 146 comprises a wire wound in a coil shape, with the turns of the coil running around the conductor 120. A return conductor runs around the conductor 120 and back to the coil.
  • Figure 25 illustrates a method for monitoring an electrical machine 2; 2', comprising:
  • Step S1 Applying a plurality of tooth windings 12A-12C, each having a first electrical conductor 120 and a second electrical conductor 121, which are arranged at least at a winding section 122 along a winding axis A around the same one of a plurality of teeth 11 of the electrical machine 2 fixed to a body 10; 2' and thereby alternate in at least one direction, in particular in the direction of the winding axis A), by means of a first inverter arrangement 134A with inverter units 130A-130C and a second inverter arrangement 134B with further inverter units 130D-130F with electrical current, wherein the inverter arrangements 134A, 134B each have an inverter unit 130A-130F for each phase U, V, W of a multi-phase electrical alternating voltage, wherein each of the first electrical conductors 120 of the tooth windings 12A-12C is electrically connected to an inverter unit 130A-130C of the first inverter arrangement 134A and each of
  • Step S2 Detecting an electrical quantity of one or more of the first or second electrical conductors 120, 121 with each of one or more sensors 140.
  • Step S3 Receive, by means of a control unit 131, the measured values of the sensor 140 or the sensors 140.
  • Step S4 Determining, by means of the control unit 131, based on one or more of the measured values, at least one value that is indicative of a sum of the electrical size of the first electrical conductors 120 and/or the second electrical conductors 121.
  • the value is equal to the sum of the current intensities.
  • Step S5 Outputting, by means of a control unit 131, an output signal based on the at least one value.

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Abstract

Eine Anordnung (1) für eine elektrische Maschine (2; 2') umfasst: eine Baugruppe (21) mit einem Körper (10) und mehreren Wicklungen (12A-12C), die jeweils einen ersten elektrischen Leiter (120) und einen zweiten elektrischen Leiter (121), die mindestens an einem Wicklungsabschnitt (122) entlang einer Wicklungsachse (A) gewickelt sind und sich dabei in zumindest einer Richtung, insbesondere in Richtung der Wicklungsachse (A), abwechseln, aufweisen; mehrere Sensoren (140), die zumindest an zwei Stellen (X1, X2, X5, X6) des ersten elektrischen Leiters (120) und zwei Stellen (X3, X4, X7, X8) des zweiten elektrischen Leiters (121) von zumindest einer der Wicklungen (12A-12C) angeordnet sind, um jeweils eine elektrische Größe zu erfassen; und eine Einheit (131), die dazu eingerichtet ist, eine erste Differenz der elektrischen Größe an den zwei Stellen (X1, X2, X5, X6) des ersten elektrischen Leiters (120) und eine zweite Differenz der elektrischen Größe an den zwei Stellen (X3, X4, X7, X8) des zweiten elektrischen Leiters (121) zu erfassen und basierend auf einer Abweichung zwischen der ersten Differenz und der zweiten Differenz ein Ausgabesignal auszugeben.

Description

Anordnung für eine elektrische Maschine
Beschreibung
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich insbesondere auf eine Anordnung für eine elektrische Maschine, eine elektrische Maschine mit einer solchen Anordnung, ein Luftfahrzeug mit einer solchen elektrischen Maschine und auf ein Verfahren zur Überwachung einer elektrischen Maschine.
Derartige Anordnungen umfassen eine Baugruppe mit einem Körper, z.B. in Form eines Blechpakets, und mehreren Wicklungen, durch welche z.B. Zähne des Körpers umwickelt sind. Durch Anlegen von insbesondere zeitlich veränderlichen Spannungen an die Wicklungen 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 Wicklung ein Windungskurzschluss auftritt. Insbesondere bei derartigen elektrischen Maschinen besteht das Problem, dass bei einem Windungskurzschluss im bestimmungsgemäßen Betrieb ein großer elektrischer Strom induziert werden kann, welcher zu einer thermischen Zerstörung der Wicklungen führen kann. Nicht nur, aber besonders, bei Luftfahrzeugen, bei denen z.B. permanenterregte Drehfeldmaschinen zum Einsatz kommen, hat dies eine besondere Relevanz.
Wird z.B. ein derartiger Windungskurzschluss erkannt, so kann die elektrische Maschine, oder ein Teil davon, abgeschaltet werden. Im Luftfahrtbereich kann eine solche Abschaltung allerdings weitreichende Folgen haben. Es ist daher wünschenswert eine solche Abschaltung nur dann vorzunehmen, wenn dies auch tatsächlich notwendig ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine möglichst verlässliche Anordnung für eine elektrische Maschine anzugeben.
Gemäß einem Aspekt wird eine Anordnung für eine elektrische Maschine angegeben, umfassend eine Baugruppe mit einem Körper und mehreren Wicklungen (z.B. Zahnwicklungen), die jeweils einen ersten elektrischen Leiter und einen zweiten elektrischen Leiter, die mindestens an einem Wicklungsabschnitt entlang einer Wicklungsachse (z.B. um denselben Zahn von mehreren am Körper festgelegten Zähnen) gewickelt sind und sich dabei z.B. in Richtung der Wicklungsachse abwechseln, aufweisen; mehrere Sensoren, die zumindest an zwei Stellen des ersten elektrischen Leiters und zwei Stellen des zweiten elektrischen Leiters von zumindest einer der Wicklungen angeordnet sind, um jeweils eine elektrische Größe zu erfassen; und eine Einheit, die dazu eingerichtet ist, eine erste Differenz der elektrischen Größe an den zwei Stellen des ersten elektrischen Leiters und eine zweite Differenz der elektrischen Größe an den zwei Stellen des zweiten elektrischen Leiters zu erfassen und basierend auf einer Abweichung zwischen der ersten Differenz und der zweiten Differenz ein Ausgabesignal auszugeben.
Eine derartige Anordnung 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 Anordnung in einem sicheren Betrieb herunterzufahren, um gefährliche Betriebszustände zu vermeiden. Durch Erfassen der Abweichung zwischen der ersten Differenz und der zweiten Differenz kann dabei ermittelt werden, ob es sich bei der erfassten Differenz oder den erfassten Differenzen um einen Messfehler infolge eines defekten Sensors handelt oder um einen tatsächlich vorliegenden Kurzschluss. So können unnötige Abschaltungen vermieden werden. Zumindest am Wicklungsabschnitt oder den Wicklungsabschnitten (optional vollständig) sind der erste elektrische Leiter und der zugehörige zweite elektrische Leiter voneinander elektrisch isoliert. Es können dabei stets die Beträge der Differenzen verwendet werden. Die Einheit kann auch als Auswerteeinheit oder Analyseeinheit bezeichnet werden. Die Einheit kann einen Microkontroller umfassen oder alternativ lediglich eine analoge Schaltung.
Die Sensoren sind z.B. in Form von Stromsensoren zur Messung einer Stromstärke durch den jeweiligen elektrischen Leiter ausgebildet. 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. Dies ermöglicht eine verlässliche Erkennung von Kurzschlüssen.
Die zumindest zwei Stellen des jeweiligen elektrischen Leiters können über den jeweiligen Wicklungsabschnitt elektrisch miteinander verbundenen sein. So wird eine Differenzmessung möglich, welche eine besonders verlässliche Erkennung von Fehlem erlaubt.
Die Einheit ist z.B. dazu eingerichtet, das Ausgabesignal auszugeben, wenn die Abweichung größer ist als ein vorgegebener Abweichungsschwellenwert, wobei das Ausgabesignal einen Sensorfehler anzeigt. Ein Windungskurzschluss betrifft beide elektrischen Leiter. Indem die Einheit erkennt, dass die beiden Differenzwerte unterschiedlich sind, kann die Einheit schlussfolgern, dass kein Windungskurzschluss vorliegt, sondern ein Sensorfehler.
Die Einheit kann dazu eingerichtet sein, ein Ausgabesignal auszugeben, welches einen Leitungsfehler anzeigt, wenn die erste Differenz und/oder die zweite Differenz größer ist/sind als ein vorgegebener Differenzschwellenwert und die Abweichung kleiner ist als ein vorgegebener Abweichungsschwellenwert. Wenn also an beiden elektrischen Leitern im Rahmen der Messgenauigkeit die gleiche Differenz gemessen wird, kann die Einheit schlussfolgern, dass kein Sensorfehler vorliegt, sondern tatsächlich ein Kurzschluss.
Die Einheit kann dazu eingerichtet sein, das Ausgabesignal nur dann auszugeben, wenn die erste Differenz und/oder die zweite Differenz über einen vorgegebenen Zeitraum größer ist als der vorgegebene Differenzschwellenwert. Auf diese Weise können kurze Fluktuationen der gemessenen Signale, z.B. infolge von Rauschen durch externe Störungen, gefiltert werden.
Optional ist die die Einheit dazu eingerichtet, die erste Differenz und/oder die zweite Differenz als Mittelwert über einen über ein vorgegebenes Zeitfenster zu erfassen. Auf diese Weise können Fluktuationen in den gemessenen Signalen geglättet werden. Beispielsweise ist die Einheit dazu eingerichtet, die erste Differenz und/oder die zweite Differenz als RMS-Wert zu bestimmen. Alternativ oder zusätzlich ist die die Einheit z.B. dazu eingerichtet, mittels Filterung, insbesondere Bandpassfilterung, einen vorbestimmten Frequenzbereich aus Werten der erfassten elektrischen Größe zu extrahieren und dieses Teilsignal weiter zu analysieren, insbesondere durch die beschriebene Differenzbildung. Der vorbestimmte Frequenzbereich ist z.B. an einem oder mehreren charakteristischen Frequenzen in den Signalen ausgerichtet.
Optional ist ein Sensor an einer Stelle der zumindest zwei Stellen des ersten elektrischen Leiters angeordnet und/oder ein (weiterer) Sensor ist an einer (weiteren) Stelle der zumindest zwei Stellen des ersten elektrischen Leiters angeordnet und/oder ein (weiterer) Sensor ist an einer Stelle der zumindest zwei Stellen des zweiten elektrischen Leiters angeordnet und/oder ein (weiterer) Sensor ist an einer (weiteren) Stelle der zumindest zwei Stellen des zweiten elektrischen Leiters angeordnet. Das ermöglicht eine genaue Messung mit einem einfachen Aufbau.
Alternativ oder zusätzlich ist optional ein Sensor zur Messung einer Differenzstromstärke des ersten elektrischen Leiters an über den Wicklungsabschnitt elektrisch miteinander verbundenen Stellen des ersten elektrischen Leiters angeordnet und/oder ein (weiterer) Sensor ist zur Messung einer Differenzstromstärke des zweiten elektrischen Leiters an über den Wicklungsabschnitt elektrisch miteinander verbundenen Stellen des zweiten elektrischen Leiters angeordnet. Das ermöglicht eine besonders genaue Messung mit wenigen Sensoren.
Die Anordnung kann einen Wechselrichter umfassen, insbesondere mit mehreren Wechselrichtereinheiten für jeweils eine elektrische Phase einer mehrphasigen elektrischen Wechselspannung. Das ermöglicht die Verwendung einer Gleichspannungsquelle wie einer Batterie. Die Wechselrichtereinheiten sind optional an die ersten elektrischen Leiter von jeder der Wicklungen elektrisch angeschlossen und/oder die Wechselrichtereinheiten sind an die zweiten elektrischen Leiter von jeder der Wicklungen elektrisch angeschlossen. Sämtliche Wechselrichtereinheiten können durch dieselbe Energiequelle mit Energie versorgt werden.
Die Anordnung umfasst z.B. (insbesondere genau) drei Wicklungen für jeweils eine Phase eines Dreiphasenwechselstroms. Damit umfasst die Anordnung z.B. insgesamt sechs (erste und zweite) elektrische Leiter.
Sämtliche erste elektrische Leiter von jeder der Wicklungen können an einem (ersten) Sternpunkt elektrisch miteinander verbunden sein. Ferner können sämtliche zweite elektrische Leiter von jeder der Wicklungen an einem (zweiten) Sternpunkt elektrisch miteinander verbunden sein. Hierdurch wird ein besonders einfacher Aufbau ermöglicht. Die Anordnung 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 Windungskurzschluss somit zunächst zwischen dem ersten und dem zweiten elektrischen Leiter auftreten. Werden die durch den ersten und den zweiten elektrischen Leiter gebildeten Teilwicklungen elektrisch beaufschlagt, kann die Auswirkung eines Windungskurzschlusses somit erheblich reduziert werden.
Beispielsweise verläuft jeder der ersten elektrischen Leiter der Wicklungen um jeden von mehreren Zähnen herum und/oder jeder der zweiten elektrischen Leiter der Wicklungen verläuft um jeden von mehreren Zähnen herum, insbesondere jeweils um dieselben Zähne wie der zugehörige erste elektrische Leiter.
Gemäß einem Aspekt wird eine Anordnung für eine elektrische Maschine angegeben, insbesondere nach einer beliebigen der vorstehend beschriebenen Ausgestaltungen. Die Anordnung umfasst eine Baugruppe mit einem Körper und mehreren Wicklungen. Die Wicklungen weisen jeweils einen ersten elektrischen Leiter und einen zweiten elektrischen Leiter auf, die mindestens an einem Wicklungsabschnitt entlang einer Wicklungsachse (z.B. um denselben Zahn von mehreren am Körper festgelegten Zähnen) gewickelt sind und sich dabei in zumindest einer Richtung, insbesondere in Richtung der Wicklungsachse, abwechseln. Die ersten elektrischen Leiter der Wicklungen sind an einem ersten Sternpunkt elektrisch miteinander verbunden. Die zweiten elektrischen Leiter der Wicklungen sind an einem zweiten Sternpunkt elektrisch miteinander verbunden. Die Anordnung umfasst ferner eine erste Wechselrichteranordnung mit Wechselrichtereinheiten und eine zweite Wechselrichteranordnung mit weiteren Wechselrichtereinheiten. Die Wechselrichteranordnungen weisen jeweils eine Wechselrichtereinheit für jede Phase einer mehrphasigen (z.B. dreiphasigen) elektrischen Wechselspannung auf, wobei jeder der ersten elektrischen Leiter der Wicklungen elektrisch an eine
Wechselrichtereinheit der ersten Wechselrichteranordnung angeschlossen ist und jeder der zweiten elektrischen Leiter der Wicklungen elektrisch an eine
Wechselrichtereinheit der zweiten Wechselrichteranordnung angeschlossen ist. Ferner umfasst die Anordnung einen oder mehrere Sensoren (jeweils) zum Erfassen von Messwerten einer elektrischen Größe (z.B. Stromstärke) eines oder mehrerer der ersten oder zweiten elektrischen Leiter, und eine Einheit. Die Einheit ist dazu eingerichtet, die Messwerte des Sensors oder der Sensoren zu empfangen, basierend auf einem oder mehreren der Messwerte zumindest einen Wert zu bestimmen, der für eine Summe der elektrischen Größe der ersten elektrischen Leiter und/oder der zweiten elektrischen Leiter indikativ ist, und ein Ausgabesignal basierend auf dem bestimmten zumindest einen Wert auszugeben. Auch eine derartige Anordnung 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 das schon erwähnte Abschalten einer Stromzufuhr, und eine elektrische Maschine mit der Anordnung in einem sicheren Betrieb herunterzufahren, um gefährliche Betriebszustände zu vermeiden. Ist die Summe der Messwerte der elektrischen Größe, z.B. Stromstärke (oder eine der Summen), deutlich von Null verschieden, kann dies einen Windungskurzschluss anzeigen, da durch die sich abwechselnden Leiter an der kurzgeschlossenen Stelle Strom von einem Leiter, der an die eine der Wechselrichteranordnungen angeschlossen ist, an einen Leiter, der an die andere der Wechselrichteranordnungen angeschlossen ist, abfließen kann. Bei einer gewöhnlichen z.B. dreiphasigen elektrischen Maschine ist demgegenüber bei einem Windungskurzschluss nur der Leiter (eine Schlaufe bildend) mit sich selbst kurzgeschlossen, sodass aus der Summe der elektrischen Größe der ersten oder zweiten elektrischen Leiter nicht ohne Weiteres ein Kurzschluss erkannt werden kann (dies gilt insbesondere für elektrische Maschinen mit niedriger Induktivität). Sind beide Summen in gleicher Weise von Null verschieden, kann zudem ein Sensorfehler ausgeschlossen werden, welcher nur in einer der beiden Summen zu einem von Null verschiedenen Resultat führen würde. Insbesondere wenn die einzelnen Sensoren eine unterschiedliche Kennkurve aufweisen, kann vorgesehen sein, dass die Einheit dazu eingerichtet ist, einen oder beide Sensoren zu kalibrieren.
Die Einheit kann dazu eingerichtet sein, basierend auf einem oder mehreren der Messwerte einen (ersten) Wert zu bestimmen, der für eine Summe der elektrischen Größe der ersten elektrischen Leiter indikativ ist und/oder basierend auf einem oder mehreren der Messwerte einen (zweiten) Wert zu bestimmen, der für eine Summe der elektrischen Größe der zweiten elektrischen Leiter indikativ ist. Die Einheit kann dazu eingerichtet sein, basierend auf einem oder mehreren der Messwerte eine (erste) Summe der Ströme durch die ersten Leiter als den Wert zu bestimmen und/oder eine (zweite) Summe der Ströme durch die zweiten Leiter als den Wert (oder als einen weiteren Wert) zu bestimmen. Die Einheit kann ferner dazu eingerichtet sein, z.B. basierend auf der bestimmten Summe (oder den bestimmten Summen), einen ersten Nullsystemstrom (Englisch: zero sequence current) der ersten elektrischen Leiter und/oder einen zweiten Nullsystemstrom der zweiten elektrischen Leiter zu ermitteln. Hierzu berechnet die Steuerungseinheit IO = 1/3 * (lu+lv+lw), wobei IO den Nullsystemstrom angibt, während lu, Iv und Iw die Stromstärken der jeweiligen Phasen (durch die jeweiligen ersten oder zweiten elektrischen Leiter) angeben.
Ferner kann die Einheit dazu eingerichtet sein, einen Fehler an einem der ersten Leiter zu erkennen, wenn der erste Wert und/oder der erste Nullsystemstrom (z.B. das Maximum der Amplitude des ersten Nullsystemstroms) einen vorgegebenen Schwellenwert übersteigt. Alternativ oder zusätzlich ist die Einheit z.B. dazu eingerichtet, einen Fehler an einem der zweiten Leiter zu erkennen, wenn der zweite Wert und/oder der zweite Nullsystemstrom (z.B. das Maximum der Amplitude des zweiten Nullsystemstroms) einen vorgegebenen Schwellenwert übersteigt. Dabei kann vorgesehen sein, dass das Ausgabesignal einen Fehler anzeigt, wenn die Steuerungseinheit einen Fehler an einem der ersten Leiter erkannt hat und/oder einen Fehler an einem der zweiten Leiter erkannt hat. So kann die Wahrscheinlichkeit eines Fehlalarms deutlich reduziert werden, z.B. infolge von Messfehlern. Die beiden Werte können also plausibilisiert werden. Wenn beide in der gleichen Weise (insbesondere von Null) abweichen (insbesondere bei gleichen oder kalibrierten Sensorkennlinien), dann liegt ein Fehler in einem Leiter vor.
Die Einheit ist in einer Ausgestaltung dazu eingerichtet, das Vorliegen eines ersten Fehlertyps zu erkennen, wenn entweder ein Fehler an einem der ersten Leiter oder Sensoren vorliegt (mittels der Sensoren der zweiten Leiter jedoch kein Fehler erkannt wird) oder ein Fehler an einem der zweiten Leiter oder Sensoren vorliegt (mittels der Sensoren der ersten Leiter jedoch kein Fehler erkannt wird). Ferner kann die Einheit dazu eingerichtet sein, das Vorliegen eines zweiten Fehlertyps zu erkennen, wenn ein Fehler an einem der ersten Leiter vorliegt und ein Fehler an einem der zweiten Leiter vorliegt (in diesem Fall kann der gleiche Fehler bei beiden Sensoren aufgrund der Wahrscheinlichkeiten ausgeschlossen werden). So können verschiedene Fehlerzustände erkannt und angezeigt werden. Zum Beispiel zeigt das Ausgabesignal einen Sensorfehler an, wenn die Einheit den ersten Fehlertyp erkennt, und einen Isolationsfehler, wenn die Einheit den zweiten Fehlertyp erkennt. Liegt ein Windungskurzschluss durch einen Isolationsfehler vor, dann fließen Ströme zwischen den Leitern der eigentlich separaten Leitersysteme. Hierdurch kommt es zu von Null verschiedenen Nullsystemströmen (und Summen) in beiden Leitersystemen. Wird jedoch nur in einem der beiden Leitersysteme ein Fehler erkannt, so ist dessen Ursache ein Messfehler, z.B. durch einen defekten Sensor.
An jedem der ersten und zweiten elektrischen Leiter kann jeweils einer der Sensoren angeordnet sein. Die Sensoren können jeweils in der jeweiligen Wechselrichtereinheit oder zwischen der jeweiligen Wechselrichtereinheit und dem jeweils (insbesondere dem nächsten) daran angeschlossenen Wicklungsabschnitt angeordnet sein. Dies ermöglicht einen besonders einfachen Anschluss der Sensoren.
Die Sensoren der ersten elektrischen Leiter können miteinander in Reihe geschaltet sein. Alternativ oder zusätzlich können die Sensoren der zweiten elektrischen Leiter in Reihe geschaltet sein. Die beiden Reihen können an jeweils einem ihrer Enden elektrisch miteinander verbunden sein, also miteinander in Reihe geschaltet sein. An den anderen Enden der Reihen kann ein Sensor, z.B. ein Spannungssensor, angeschlossen sein. Der Spannungssensor ist z.B. Teil eines Spannungsmessinstruments. So kann mit einer besonders einfachen Schaltung mit nur einem Sensor eine verlässliche Erkennung eines Isolationsfehlers erzielt werden.
Der Sensor oder einer der Sensoren kann mehrere, insbesondere sämtliche, der ersten elektrischen Leiter umgreifen. Alternativ oder zusätzlich kann der Sensor oder einer der Sensoren mehrere, insbesondere sämtliche, der zweiten elektrischen Leiter umgreifen. So kann mit nur (jeweils) einem einzigen Sensor ein Wert bestimmt werden, der zum Nullsystemstrom des jeweiligen Leitersystems proportional ist. Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass die Sensoren innerhalb der elektrischen Maschine angeordnet sein können oder außerhalb der elektrischen Maschine angeordnet sein können.
Der erste Sternpunkt und der zweite Sternpunkt können an derselben Seite des Körpers angeordnet sein. Dies erleichtert einen einfachen Aufbau. Alternativ ist es möglich, dass der erste Sternpunkt und der zweite Sternpunkt an gegenüberliegenden Seiten des Körpers angeordnet sind. Die kann die Verkabelung erleichtern.
Der Sensor oder die Sensoren kann/können als Stromsensor(en) zur Messung einer Stromstärke durch den (oder die) jeweiligen elektrischen Leiter ausgebildet sein. Der oder die Stromsensor(en) kann/können (jeweils) eine Rogowskispule umfassen. Dies ermöglicht eine einfache und zugleich robuste Messung der Stromstärke. Anstelle oder zusätzlich zu einer Rogowskispule kann der Sensor (oder jeder von mehreren Sensoren) ein anderer Stromwandler sein, z.B. einer, der den Halleffekt zur Messung nutzt. Der Sensor (oder die Sensoren) kann (können jeweils) ein Hallelement umfassen und/oder einen den Leiter zumindest teilweise umgebenden Magnetkern.
Die Einheit kann dazu eingerichtet sein, zumindest eine Harmonische des Werts über die Zeit zu bestimmen und basierend darauf das Ausgabesignal auszugeben, insbesondere basierend auf einer Änderung der zumindest einen Harmonischen über die Zeit das einen Fehler, insbesondere Isolationsfehler angebende, Ausgabesignal auszugeben. So kann eine besonders verlässliche Fehlererkennung erzielt werden.
Gemäß einem Aspekt wird eine elektrische Maschine bereitgestellt. Die elektrische Maschine umfasst die Anordnung 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.
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 Anordnung auch z.B. in einer Gaspumpe, in einem Schiffsmotor oder in einer Windturbine oder generell in einem Generator eingesetzt werden kann.
Gemäß einem Aspekt wird ein Verfahren zur Überwachung einer elektrischen Maschine angegeben. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
- Beaufschlagen mehrerer Wicklungen, die jeweils einen ersten elektrischen Leiter und einen zweiten elektrischen zweiten Leiter, die mindestens an einem Wicklungsabschnitt entlang einer Wicklungsachse (z.B. um denselben von mehreren an einem Körper festgelegten Zähnen der elektrischen Maschine) gewickelt sind und sich dabei z.B. in Richtung der Wicklungsachse abwechseln, mit elektrischem Strom;
- Erfassen einer elektrischen Größe mit jedem von mehreren Sensoren, die zumindest an zwei Stellen des ersten elektrischen Leiters und zwei Stellen des zweiten elektrischen Leiters von zumindest einer der Wicklungen angeordnet sind;
- Erfassen, mittels einer Einheit, einer ersten Differenz der elektrischen Größe an den zwei Stellen des ersten elektrischen Leiters und einer zweiten Differenz der elektrischen Größe an den zwei Stellen des zweiten elektrischen Leiters und Bestimmen einer Abweichung zwischen der ersten Differenz und der zweiten Differenz; und
- Ausgeben, mittels der Einheit, eines Ausgabesignals basierend auf der Abweichung. Bei dem Verfahren kann die oben beschriebene Anordnung und/oder die oben beschriebene elektrische Maschine verwendet werden.
Gemäß einem Aspekt wird ein Verfahren zur Überwachung einer elektrischen Maschine angegeben. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
- Beaufschlagen mehrerer Wicklungen, die jeweils einen ersten elektrischen Leiter und einen zweiten elektrischen Leiter, die mindestens an einem Wicklungsabschnitt entlang einer Wicklungsachse (z.B. um denselben von mehreren an einem Körper festgelegten Zähnen der elektrischen Maschine) gewickelt sind und sich dabei in zumindest einer Richtung, insbesondere in Richtung der Wicklungsachse, abwechseln, mittels einer ersten Wechselrichteranordnung mit Wechselrichtereinheiten und einer zweiten Wechselrichteranordnung mit weiteren Wechselrichtereinheiten mit elektrischem Strom, wobei die Wechselrichteranordnungen jeweils eine Wechselrichtereinheit für jede Phase einer mehrphasigen elektrischen Wechselspannung aufweisen, wobei jeder der ersten elektrischen Leiter der Wicklungen elektrisch an eine Wechselrichtereinheit der ersten Wechselrichteranordnung angeschlossen ist und jeder der zweiten elektrischen Leiter der Wicklungen elektrisch an eine Wechselrichtereinheit der zweiten Wechselrichteranordnung angeschlossen ist und wobei die ersten elektrischen Leiter der Wicklungen an einem ersten Sternpunkt elektrisch miteinander verbunden sind und die zweiten elektrischen Leiter der Wicklungen an einem zweiten Sternpunkt elektrisch miteinander verbunden sind.
- Erfassen einer elektrischen Größe eines oder mehrerer der ersten oder zweiten elektrischen Leiter mit jedem von einem oder mehreren Sensoren.
- Empfangen, mittels einer Einheit, die Messwerte des Sensors oder der Sensoren.
- Bestimmen, mittels der Einheit, basierend auf einem oder mehreren der Messwerte, zumindest einen Wert, der für eine Summe der elektrischen Größe der ersten elektrischen Leiter und/oder der zweiten elektrischen Leiter indikativ ist. - Ausgeben, mittels einer Einheit, eines Ausgabesignals basierend auf dem zumindest einen Wert.
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 Wicklungen;
Figur 3 eine schematische Darstellung eines Teils einer Wicklung 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 Wicklungen und Wechselrichtereinheiten eines Wechselrichters der elektrischen Maschine gemäß Figur 2 bzw. Figur 4;
Figur 7 ein Schaltbild einer Differentialschutzeinrichtung;
Figur 8 Schaltsignale für die Wechselrichtereinheiten;
Figur 9 ein Blockschaltbild von Komponenten des Wechselrichters;
Figur 10 bis 12 Blockschaltbilder von Komponenten von
Differentialschutzeinrichtungen für die Wicklungen der Figuren 5 bis 7;
Figur 13 eine weitere schematische Schaltbilddarstellung von Wicklungen und Wechselrichtereinheiten eines Wechselrichters; Figur 14 und 15 Blockschaltbilder von Komponenten von Differentialschutzeinrichtungen für die Wicklungen der Figur 13;
Figur 16 eine weitere schematische Schaltbilddarstellung von Wicklungen und Wechselrichtereinheiten eines Wechselrichters;
Figur 17 und 18 Blockschaltbilder von Anordnungen zur Messung von Spannungsdifferenzen zwischen Sternpunkten, z.B. von einer der Anordnungen gemäß Figur 5-7 und 14;
Figur 19 ein Luftfahrzeug in Form eines Flugzeugs mit einem elektrisch angetriebenen Propeller und der elektrischen Maschine;
Figuren 20 bis 23 schematische Schaltbilddarstellungen von Wicklungen und Wechselrichtereinheiten für die elektrische Maschine gemäß Figur 2 und gemäß Figur 4;
Figur 24 eine Rogowskispule; und
Figur 25 ein Verfahren zur Überwachung einer 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 Anordnung 1 mit einer Baugruppe in Form eines Ständers 21 , der eine nicht bezeichnete Öffnung, insbesondere Durchgangsöffnung, aufweist, in der eine weitere Baugruppe in Form eines Läufers 20 drehbar gelagert angeordnet ist.
Der Ständer 21 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 21 und dem Läufer 20 ausgerichtet. Die Ständerzähne 11 stehen radial vom Körper 10 ab, vorliegend radial nach innen. Der Ständer 21 weist eine Ständerwicklung auf, die mehrere Wicklungen umfasst, die im Zusammenhang mit dem vorliegenden Beispiel lediglich exemplarisch als Zahnwicklungen 12A-12C bezeichnet werden. Die Ständerwicklung ist vorliegend für einen dreiphasigen Betrieb ausgebildet, das heißt, an eine dreiphasige Wechselspannung mit Phasen II, V, W angeschlossen. Im bestimmungsgemäßen Betrieb der elektrischen Maschine 2 ist die Ständerwicklung entsprechend mit der Wechselspannung beaufschlagt. Bei der elektrischen Maschine handelt es sich um eine Radialflussmaschine, es sei aber angemerkt, dass die elektrische Maschine ebenso z.B. als Axialflussmaschine oder als Transversalflussmaschine ausgebildet sein könnte. Insbesondere Axialflussmaschine oder Transversalflussmaschine kann die elektrische Maschine auch mit einem doppelten Luftspalt ausgebildet sein.
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 21 ) 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 21 herbeigeführt werden kann. Vorliegend ist vorgesehen, dass die elektrische Maschine 2 als Antriebsmotor für eine Luftschraube eines Luftfahrzeugs dient. Bei der elektrischen Maschine 2 handelt es sich vorliegend um einen Elektromotor. 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 der Anordnung 1 angeschlossen. Gemeinsam mit dem daran angeschlossenen Wechselrichter 13 bildet die Anordnung 1 ein elektrisches System. Der Wechselrichter 13 stellt die elektrische Wechselspannung mit den drei Phasen II, 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 Halbbrückenschaltung auf. Die Halbbrückenschaltungen 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 Halbbrückenschaltung 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 Halbbrückenschaltungen 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. Die Anordnung 1 umfasst ferner eine Einheit, welche hier als Steuereinheit 131 bezeichnet wird. Im gezeigten Beispiel ist die Steuereinheit 131 (auch) zur Steuerung des Wechselrichters 13 ausgebildet, alternativ dazu könnte sie aber auch getrennt von einer Wechselrichtersteuerung ausgebildet sein.
Vorliegend wird der Wechselrichter 13 zur elektrischen Maschine 2 gezählt, gemeinsam können diese aber auch als Maschinen-Inverter-System bezeichnet werden.
Figur 2 zeigt eine schematische Explosionsdarstellung des Ständers 21 der elektrischen Maschine 2. Zu erkennen ist, dass der Ständer 21 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 und auf diese Weise daran festgelegt.
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 mindestens 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 ergänzt den vorhandenen Schaltkreis jeweils mit einem 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, WB1 , 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.
Die Anordnung 1 umfasst ferner eine weiter unten noch näher beschriebene Schutzeinrichtung, vorliegend in Form einer Differentialschutzeinrichtung. Die Differentialschutzeinrichtung umfasst mehrere Sensoren zum Erfassen einer elektrischen Größe, vorliegend in Form von 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 des ersten elektrischen Leiters 120 und an zwei Stellen des zweiten elektrischen Leiters 121 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 Steuereinheit 131 mittels der Differentialschutzeinrichtung einen Windungskurzschluss erkennen und eine Gegenmaßnahme einleiten.
Die Steuereinheit 131 ist dazu eingerichtet, eine erste Differenz der Stromstärken (Allgemeiner: der elektrischen Größe) an den zwei Stellen X1 , X2 des ersten elektrischen Leiters 120 und eine zweite Differenz der elektrischen Größe an den zwei Stellen X3, X4 des zweiten elektrischen Leiters 121 zu erfassen und basierend auf einer Abweichung zwischen der ersten Differenz und der zweiten Differenz ein Ausgabesignal auszugeben.
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 einen allgemeinen Aufbau einer Differentialschutzeinrichtung, wie er bei dem Ständer 21 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) Messspulen mit einer oder mehreren Windungen ausgebildet, die am entsprechenden ersten/zweiten elektrischen Leiter angeordnet sind, sodass der Strom im elektrischen Leiter einen Strom in den Messspulen induziert. Die Messspulen (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 oder abgeschaltet 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 8 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 II, 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', PWMLT 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 9 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 10 zeigt die Schutzeinrichtung in Form der Differentialschutzeinrichtung 14A der Anordnung 1 gemäß Figur 1. Die Differentialschutzeinrichtung 14A umfasst die (insgesamt 12) Stromsensoren 140. 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) für die Stromstärken gilt: 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 z.B. 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). Auch der Vergleich zwischen dem einen Komparator 141 und dem weiteren Komparator 141 kann durch einen zusätzlichen Komparator erfolgen.
Die Steuereinheit 131 weist einen Ausgang 133 auf, an welchem die Steuereinheit 131 das Ausgangssignal ausgibt.
Die Steuereinheit 131 ist beispielhaft dazu eingerichtet, ein Ausgabesignal auszugeben, welches einen Leitungsfehler (konkret einen Windungskurzschluss) anzeigt, wenn die erste Differenz und die zweite Differenz (insbesondere der jeweilige Betrag) größer sind als ein vorgegebener Differenzschwellenwert und zugleich die Abweichung kleiner ist als ein vorgegebener Abweichungsschwellenwert. Der Differenzschwellenwert beträgt z.B. 5% des Nennwerts der Stromstärke. Beispielsweise erfasst die Steuereinheit:
IUA1 - IUA2 = IUA1 -2 und
IUB1 - IUB2 = IUB1 -2,
IWA1 - IWA2 = IWA1 -2 und
IWB1 - IWB2 = IWB1 -2, sowie
IVA1 - IVA2 = IVA1 -2 und
IVB1 - IVB2 = IVB1 -2.
Liegt kein Fehler vor, dann sind die Werte IUA1 -2, IUB1 -2, IWA1 -2, IWB1 -2, IVA1 -2 und IVB1 -2 allesamt im Wesentlichen gleich 0.
Bei einem Windungskurzschluss weisen die Werte von ILIA1 -2 und ILIB1 -2 (oder IWA1 -2 und IWB1 -2 oder IVA1 -2 und IVB1 -2) jeweils dieselben, von 0 verschiedenen Werte auf. Geringe oder kurze Differenzen, sowie kurze peakförmige Differenzen können durch Messungenauigkeiten oder durch Rauschen folgen. Um dies herauszufiltern, ist die Steuereinheit 131 dazu eingerichtet, das Ausgabesignal nur dann auszugeben, wenn die erste Differenz und/oder die zweite Differenz über einen vorgegebenen Zeitraum größer ist als der vorgegebene Differenzschwellenwert. Alternativ oder zusätzlich ist die Steuereinheit 131 dazu eingerichtet, die erste Differenz und/oder die zweite Differenz als Mittelwert (z.B. als quadratischer Mittelwert oder mittels Glättung oder Filterung) über ein mitwanderndes Zeitfenster vorgegebener Länge zu erfassen.
Bei einem defekten Stromsensor 140 können hingegen die Werte von IUA1 -2 und IUB1 -2 (oder IWA1 -2 und IWB1 -2 oder IVA1 -2 und IVB1 -2) voneinander abweichen. Beispielsweise ist IUA1 -2 gleich 0 und IUB1-2 ist ungleich 0. Die Steuereinheit 131 ist daher dazu ausgebildet, eine Abweichung der ersten und der zweiten Differenz (z.B. der Werte von IUA1 -2 und IUB1-2) zu bestimmen. Da auch diese Abweichungen durch Messungenauigkeiten oder durch Rauschen folgen können (oder auch durch Offsets, Nichtlinearitäten oder Temperaturabhängigkeiten), ist die Steuereinheit 131 dazu eingerichtet, ein Ausgabesignal auszugeben, welches einen Sensorfehler angibt, wenn die Abweichung größer ist als ein vorgegebener Abweichungsschwellenwert. Alternativ oder zusätzlich ist die Steuereinheit 131 dazu eingerichtet, das einen Sensorfehler anzeigende Ausgabesignal nur dann auszugeben, wenn die Abweichung über einen vorgegebenen Zeitraum größer ist als der vorgegebene Abweichungsschwellenwert. Alternativ oder zusätzlich ist die Steuereinheit 131 dazu eingerichtet, Abweichung als Mittelwert über ein mitwanderndes Zeitfenster vorgegebener Länge zu erfassen.
Im Falle eines Sensorfehlers kann vorgesehen sein, dass die Steuereinheit 131 die Überwachung der Ströme deaktiviert wird. Einem Benutzer, z.B. einem Piloten, kann das Ausgabesignal angezeigt werden.
Die Steuereinheit 131 kann dazu ausgebildet sein, eine Spektralanalyse der erfassten elektrischen Größen durchzuführen. Zum Beispiel ist die Steuereinheit 131 dazu ausgebildet, anstatt einem Schwellwert des Rohsignals, oder zusätzlich dazu, vorbestimmte Frequenzbereiche zu analysieren, insbesondere solche, in denen das Signal eindeutiger ist. Hierzu kann z.B. ein digitaler oder ein analoger Bandpassfilter genutzt werden.
Optional überwacht die Steuereinheit 131 zusätzlich die Wechselrichtereinheiten. Ferner kann die Steuereinheit 131 die Stromsumme durch die 3 Phasen überwachen, weicht diese von 0 ab, kann die Steuereinheit 131 einen Fehler ausgeben.
Anhand Figur 10 ist ferner ein Verfahren zur Überwachung der elektrischen Maschine 2; 2‘ ersichtlich, welches umfasst:
- Beaufschlagen mehrerer Zahnwicklungen 12A-12C, die jeweils einen ersten elektrischen Leiter 120 und einen zweiten elektrischen Leiter 121 , die mindestens an einem Wicklungsabschnitt 122 entlang einer Wicklungsachse A um denselben von mehreren am Körper 10 festgelegten Zähnen 11 der elektrischen Maschine 2; 2‘ gewickelt sind und sich dabei in Richtung der Wicklungsachse A abwechseln, mit elektrischem Strom;
- Erfassen einer elektrischen Größe mit jedem von mehreren Sensoren 140, die zumindest an zwei Stellen X1 , X2, X5, X6 des ersten elektrischen Leiters 120 und zwei Stellen X3, X4, X7, X8 des zweiten elektrischen Leiters 121 von zumindest einer der Zahnwicklungen 12A-12C angeordnet sind;
- Erfassen, mittels der Steuereinheit 131 , einer ersten Differenz der elektrischen Größe an den zwei Stellen X1 , X2, X5, X6 des ersten elektrischen Leiters 120 und einer zweiten Differenz der elektrischen Größe an den zwei Stellen X3, X4, X7, X8 des zweiten elektrischen Leiters 121 und Bestimmen einer Abweichung zwischen der ersten Differenz und der zweiten Differenz; und
- Ausgeben, mittels der Steuereinheit 131 , eines Ausgabesignals basierend auf der Abweichung am Ausgang 133.
Figur 11 zeigt eine Differentialschutzeinrichtung 14B die bei der Anordnung 1 vorgesehen sein kann und z.B. an die Schaltung gemäß Figur 5 oder 6 angeschlossen ist. Wie bei Figur 10 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 den beschriebenen Schwellenwerten durchführen und entsprechend am Ausgang eine „0“ ausgeben, eine „1“ oder eine „2“. Eine „1“ zeigt dann z.B. einen Leitungsfehler an, eine „2“ einen Sensorfehler und ein „0“ einen fehlerfreien Zustand. Alternativ ist es möglich, die Ausgänge der Komparatoren 141 mit einem weiteren Komparator zu vergleichen und den Ausgang dieses Komparators an den analogen Multiplexer (z.B. Multiplexer 142A) anzuschließen.
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 12 zeigt eine Differentialschutzeinrichtung 14C die bei der Anordnung 1 vorgesehen sein kann und z.B. an die Schaltung gemäß Figur 5 oder 6 angeschlossen ist. Gemäß Figur 12 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 13 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 II, 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 14 zeigt die entsprechende Differentialschutzeinrichtung 14D, die bei der Anordnung 1 vorgesehen sein kann und an die Schaltung gemäß Figur 13 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 15 zeigt eine Differentialschutzeinrichtung 14E, die bei der Anordnung 1 vorgesehen sein kann und alternativ an die Schaltung gemäß Figur 13 angeschlossen sein kann. Die Differentialschutzeinrichtung 14E entspricht der Differentialschutzeinrichtung 14C gemäß Figur 13, wobei durch die die effektive Differenzstromstärke messenden Stromsensoren 140 lediglich 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 können, z.B. in einem Gehäuse der Wechselrichtereinheit 130A-130D angeordnet sind. Figur 16 zeigt denselben Aufbau der Zahnwicklungen 12A-12C und deren Anschluss an den Wechselrichter 13 wie Figur 13. Dabei sind Stromsensoren 140 sowohl gemäß Figur 6 angeordnet als auch Sensoren gemäß Figur 13 angeordnet. Die Steuereinheit 131 kann somit erste und zweite Differenzen gemäß Figur 6 und gemäß Figur 13 erfassen und miteinander vergleichen. Beispielsweise ermittelt die Steuereinheit 131 eine erste Abweichung mit den gemäß Figur 6 angeordneten Sensoren und eine zweite Abweichung mit den gemäß Figur 13 angeordneten Sensoren. Sind die beiden Abweichungen voneinander verschieden, erfasst die Steuereinheit 131 einen Sensorfehler und gibt ein entsprechendes Ausgabesignal aus.
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 17 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 von Figur 18 veranschaulicht.
Figur 19 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, Brennstoffzelle und/oder Generator. Die elektrische Maschine 2 wird durch die Energiequelle 3 mit Energie versorgt, wobei die Energiequelle 3 elektrisch an den Wechselrichter 13 angeschlossen ist.
Figur 20 zeigt eine Schaltung ähnlich wie oben anhand von Figur 5 beschrieben. Die Schaltung umfasst mehrere, nämlich drei Zahnwicklungen 12A-12C, die jeweils einen ersten elektrischen Leiter 120 und einen zweiten elektrischen Leiter 121 umfassen. Der erste elektrische Leiter 120 und der zweite elektrische Leiter 121 einer jeden Zahnwicklung sind mindestens an einem Wicklungsabschnitt 122, hier lediglich beispielhaft an jedem von zwei (in Reihe geschalteten) Wicklungsabschnitten 122, entlang einer Wicklungsachse A um (jeweils) denselben Zahn 11 gewickelt (wie oben beschrieben). Dabei wechseln sich der erste und der zweite elektrische Leiter 120, 121 in Richtung der Wicklungsachse A ab.
Die ersten elektrischen Leiter 120 der drei Zahnwicklungen 12A-12C sind an einem ersten Sternpunkt 123 elektrisch miteinander verbunden. Die zweiten elektrischen Leiter 121 der drei Zahnwicklungen 12A-12C sind an einem zweiten Sternpunkt 124 elektrisch miteinander verbunden.
Der Wechselrichter 13 umfasst eine erste Wechselrichteranordnung 134A mit drei Wechselrichtereinheiten 130A-130C jeweils eine für eine Phase U, V, W der dreiphasigen Wechselspannung, und eine zweite Wechselrichteranordnung 134B, mit drei weiteren Wechselrichtereinheiten 130D-130F, ebenfalls jeweils eine für eine Phase U, V, W der dreiphasigen Wechselspannung.
Die beiden Wechselrichteranordnungen 134A, 134B weisen also jeweils eine Wechselrichtereinheit 130A-130F für jede Phase U, V, W der dreiphasigen Wechselspannung auf. Jeder der drei ersten elektrischen Leiter 120 der Zahnwicklungen 12A-12C ist elektrisch an eine jeweilige Wechselrichtereinheit 130A- 130C der ersten Wechselrichteranordnung 134A angeschlossen und jeder der drei zweiten elektrischen Leiter 121 der Zahnwicklungen 12A-12C ist elektrisch an eine jeweilige Wechselrichtereinheit 130D-130F der zweiten Wechselrichteranordnung 134B angeschlossen.
Die Wechselrichteranordnungen 134A, 134B sind unabhängig voneinander aktivierbar und deaktivierbar.
An zumindest einem der elektrischen Leiter 120, 121 , hier an jedem der ersten und zweiten elektrischen Leiter 120, 121 , ist ein Sensor 140 zum Erfassen von Messwerten einer elektrischen Größe des jeweiligen elektrischen Leiters 120, 121 angeordnet. Die Sensoren 140 sind vorliegend jeweils in Form von Stromsensoren ausgebildet, welche dazu ausgebildet sind, eine durch den jeweiligen elektrischen Leiter 120, 121 fließende Stromstärke zu messen. Die Sensoren 140 sind jeweils in oder zwischen der jeweils zugeordneten Wechselrichtereinheit 130A-130F und dem entlang dem jeweiligen elektrischen Leiter 120, 121 jeweils am nächsten daran angeschlossenen Wicklungsabschnitt 122 angeordnet. Die Sensoren 140 sind also jeweils auf der Treiberseite, d.h. der Wechselrichterseite angeordnet, nicht auf der Sternpunktseite. Die Sensoren 140 können nah am Wicklungsabschnitt 122 angeordnet sein oder nah an (oder in) der jeweiligen Wechselrichtereinheit 130A-130F. Ferner können die Sensoren 140 in die jeweilige Wechselrichtereinheit 130A-130F integriert sein.
Die Anordnung 1 gemäß Figur 1 kann die Schaltung gemäß Figur 20 umfassen.
Die Steuereinheit 131 der Anordnung 1 ist dazu eingerichtet, die Messwerte der Sensoren 140 zu empfangen, basierend darauf einem oder mehreren der Messwerte zumindest einen Wert zu bestimmen, der für eine Summe der elektrischen Größe der ersten elektrischen Leiter 120 und/oder der zweiten elektrischen Leiter 121 indikativ ist (hier: der Stromstärke durch den jeweiligen elektrischen Leiter 120, 121 ). Ferner ist die Steuereinheit 131 dazu ausgebildet, basierend auf dem zumindest einen Wert ein Ausgabesignal auszugeben.
Vorliegend erfasst die Steuereinheit 131 (z.B. periodisch) die Messwerte der Sensoren 140. Sie addiert dann die Messwerte der Stromstärken der drei ersten Leiter 120. Ferner addiert die Steuereinheit 131 die Messwerte der Stromstärken der drei zweiten Leiter 120. Die beiden Summen teilt die Steuereinheit 131 (optional) durch drei und erhält so für die ersten elektrischen Leiter 120 sowie für die zweiten elektrischen Leiter 121 den jeweiligen Nullsystemstrom: I0 = 1/3 * (lu+lv+lw).
Die Steuereinheit 131 vergleicht dann die beiden erhaltenen Nullsystemströme mit einem vorgegebenen Schwellenwert. Überschreitet keiner der Nullsystemströme den Schwellenwert, geht die Steuereinheit 131 von einem fehlerfreien Betrieb aus und gibt, optional, ein entsprechendes Ausgabesignal aus. Überschreitet einer der Nullsystemströme den Schwellenwert, der andere hingegen nicht, geht die Steuereinheit 131 von einem Sensorfehler oder sonstigem Messfehler aus. Sie gibt dies mit einem einen Sensorfehler anzeigenden Ausgabesignal aus. Überschreiten hingegen beide Nullsystemströme den Schwellenwert, dann geht die Steuereinheit 131 von einem Kurzschluss aus und gibt dies mit einem einen Isolationsfehler anzeigenden Ausgabesignal aus.
Anstelle der Nullsystemströme kann die Steuereinheit 131 auch dazu proportionale Größen auswerten, z.B. direkt der wie oben beschrieben erhaltenen Summen.
Durch die Messung von zwei Nullsystemströmen wird eine redundante und geprüfte Fehlererkennung ermöglicht, sowie die Erkennung des Fehlertyps. Überschreitet zumindest einer der Nullsystemströme den Schwellenwert, erkennt die Steuereinheit 131 einen Fehler. Die Nutzung der Nullsystemkomponenten erlaubt eine besonders einfache und zugleich verlässliche Fehlererkennung.
Bei den Sensoren 140 handelt es sich z.B. um Stromwandler.
Es sei angemerkt, dass die Sensoren 140 innerhalb der elektrischen Maschine angeordnet sein können oder außerhalb der elektrischen Maschine angeordnet sein können.
Optional ermittelt die Steuereinheit 131 harmonische Frequenzen der Nullsystemströme. An einer Änderung der harmonischen Frequenzen kann die Steuereinheit 131 einen Fehler erkennen. Auf die Messwerte kann ein analoger oder ein digitaler Bandpassfilter angewandt werden.
Figur 21 zeigt im Wesentlichen die gleiche Schaltung wie Figur 20. Während allerdings gemäß Figur 20 vorgesehen ist, dass die Sternpunkte 123, 124 auf unterschiedlichen (einander gegenüberliegenden) Seiten des Körpers 10 angeordnet sind, veranschaulicht Figur 21 , dass der erste Sternpunkt 123 und der zweite Sternpunkt 124 an derselben Seite des Körpers 10 angeordnet sind. Eine solche Anordnung kann optional auch bei den anderen, hierin beschriebenen Schaltungen vorgesehen sein, alternativ ist eine Anordnung an gegenüberliegenden Seiten möglich.
Figur 22 veranschaulicht eine Schaltung, die im Wesentlichen aufgebaut ist, wie anhand von Figur 20 veranschaulicht, wobei die Wicklungen der ersten elektrischen Leiter 120 und der zweiten elektrischen Leiter 121 lediglich aus Darstellungsgründen beabstandet gezeichnet sind. In der Anordnung 1 sind diese, sowie in den Schaltungen der Figuren 20 und 21 , bifilar an den Zähnen vorgesehen. Hinsichtlich der Funktion und des Anschlusses der Schaltung wird auf die obigen Ausführungen Bezug genommen.
Gemäß Figur 22 ist vorgesehen, dass ein Sensor 140, wieder in Form eines Stromsensors, die drei ersten elektrischen Leiter 120 umgreift. Ein weiterer Sensor 140 umgreift die drei zweiten elektrischen Leiter 121.
Somit messen die beiden Stromsensoren 140 bereits hardwareseitig die Summe der Stromstärken durch die drei ersten elektrischen Leiter 120 bzw. durch die drei zweiten elektrischen Leiter 121. Die Steuerungseinheit 131 kann also direkt den Messwert (oder eine daraus berechnete Größe) von jedem der beiden Sensoren 140 mit einem entsprechenden Schwellenwert vergleichen, um so, wie oben beschrieben, einen Fehlerzustand zu erkennen.
Figur 23 zeigt eine Schaltung wie oben im Zusammenhang mit Figur 6 beschrieben, sodass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die obigen Ausführungen Bezug genommen wird. Die Sensoren 140 sind angeordnet, wie oben im Zusammenhang mit Figur 20 erläutert. Die Sensoren 140 sind beispielhaft in Form von Spulen um den jeweiligen elektrischen Leiter 120, 121 ausgebildet.
Gemäß Figur 23 ist vorgesehen, dass die Sensoren 140 der ersten elektrischen Leiter 120 miteinander in Reihe geschaltet sind. Ferner ist vorgesehen, dass die Sensoren 140 der zweiten elektrischen Leiter 120 miteinander in Reihe geschaltet sind, allerdings wie in Figur 23 gezeigt in umgekehrter Polarität im Vergleich mit den Sensoren der ersten elektrischen Leiter 120. Auf diese Weise wird bereits durch die Art der Verschaltung jeweils eine Bildung der Summe der Messwerte vorgenommen.
Ferner ist vorgesehen, dass die beiden Reihenschaltungen über eine Verbindungsleitung 147 miteinander elektrisch in Reihe geschaltet sind. Ein Spannungssensor 145 misst die Spannungsdifferenz an den beiden offenen Leiterenden der Reihenschaltung. In einem fehlerfreien Betrieb die ist die gemessene Spannungsdifferenz geringer als ein vorgegebener Schwellenwert. Übersteigt der durch den Spannungssensor 145 ausgegebene Messwert den Schwellenwert, dann geht die Steuerungseinheit 131 von einem Isolationsfehler aus.
Auch gemäß den Figuren 21 , 22 und 23 sind die Sensoren 140 an der Treiberseite angeordnet.
Die z.B. anhand der verschiedenen Figuren beschriebenen Sensoren 140 können jeweils in Form einer Rogowskispule 146 ausgebildet sein, wie beispielhaft in Figur 24 gezeigt. Die Rogowskispule 146 umgibt den jeweiligen elektrischen Leiter (hier lediglich beispielhaft dem ersten elektrischen Leiter 120). Die Rogowskispule 146 umfasst einen spulenförmig gewickelten Draht, wobei die Windungen der Spule um den Leiter 120 herum verlaufen. Ein Rückleiter verläuft um den Leiter 120 herum an der Spule zurück.
Figur 25 veranschaulicht ein Verfahren zur Überwachung einer elektrischen Maschine 2; 2‘, umfassend:
Schritt S1 : Beaufschlagen mehrerer Zahnwicklungen 12A-12C, die jeweils einen ersten elektrischen Leiter 120 und einen zweiten elektrischen Leiter 121 , die mindestens an einem Wicklungsabschnitt 122 entlang einer Wicklungsachse A um denselben von mehreren an einem Körper 10 festgelegten Zähnen 11 der elektrischen Maschine 2; 2‘ gewickelt sind und sich dabei in zumindest einer Richtung, insbesondere in Richtung der Wicklungsachse A) abwechseln, mittels einer ersten Wechselrichteranordnung 134A mit Wechselrichtereinheiten 130A-130C und einer zweiten Wechselrichteranordnung 134B mit weiteren Wechselrichtereinheiten 130D- 130F mit elektrischem Strom, wobei die Wechselrichteranordnungen 134A, 134B jeweils eine Wechselrichtereinheit 130A-130F für jede Phase U, V, W einer mehrphasigen elektrischen Wechselspannung aufweisen, wobei jeder der ersten elektrischen Leiter 120 der Zahnwicklungen 12A-12C elektrisch an eine Wechselrichtereinheit 130A-130C der ersten Wechselrichteranordnung 134A angeschlossen ist und jeder der zweiten elektrischen Leiter 121 der Zahnwicklungen 12A-12C elektrisch an eine Wechselrichtereinheit 130D-130F der zweiten Wechselrichteranordnung 134B angeschlossen ist und wobei die ersten elektrischen Leiter 120 der Zahnwicklungen 12A-12C an einem ersten Sternpunkt 123 elektrisch miteinander verbunden sind und die zweiten elektrischen Leiter 121 der Zahnwicklungen 12A-12C an einem zweiten Sternpunkt 124 elektrisch miteinander verbunden sind.
Schritt S2: Erfassen einer elektrischen Größe eines oder mehrerer der ersten oder zweiten elektrischen Leiter 120, 121 mit jedem von einem oder mehreren Sensoren 140.
Schritt S3: Empfangen, mittels einer Steuereinheit 131 , die Messwerte des Sensors 140 oder der Sensoren 140.
Schritt S4: Bestimmen, mittels der Steuereinheit 131 , basierend auf einem oder mehreren der Messwerte, zumindest einen Wert, der für eine Summe der elektrischen Größe der ersten elektrischen Leiter 120 und/oder der zweiten elektrischen Leiter 121 indikativ ist. Beispielsweise ist der Wert gleich der Summe der Stromstärken.
Schritt S5: Ausgeben, mittels einer Steuereinheit 131 , eines Ausgabesignals basierend auf dem zumindest einen Wert.
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
I Anordnung
10 Körper
I I Zahn (Ständerzahn)
12A-12C Wicklung (Zahnwicklung)
120 erster elektrischer Leiter
121 zweiter elektrischer Leiter
122 Wicklungsabschnitt
123 erster Sternpunkt
124 zweiter Sternpunkt
13 Wechselrichter
130A-130F Wechselrichtereinheit
131 Einheit (Steuereinheit)
132A-132C Leistungselektroniktreiber
133 Ausgang
134A, 134B Wechselrichteranordnung
14A-14E Schutzeinrichtung (Differentialschutzeinrichtung)
140 Sensor (Stromsensor)
141 Komparator
142A, 142B Multiplexer
143 Analog-Digital-Konverter
144 Summierer
145 Spannungssensor
146 Rogowskispule
147 Verbindungsleitung
2; 2‘ elektrische Maschine
20 Baugruppe (Läufer)
21 Baugruppe (Ständer)
3 Energiequelle
4 Luftfahrzeug
40 Propeller
A Wicklungsachse
L Luftspalt N Nordpol
S Südpol
U, V, W Phase
X1-X8 Stelle

Claims

Ansprüche
1 . Anordnung (1 ) für eine elektrische Maschine (2; 2‘), umfassend: eine Baugruppe (21 ) mit einem Körper (10) und mehreren Wicklungen (12A- 12C), die jeweils einen ersten elektrischen Leiter (120) und einen zweiten elektrischen Leiter (121 ), die mindestens an einem Wicklungsabschnitt (122) entlang einer Wicklungsachse (A) gewickelt sind und sich dabei in zumindest einer Richtung, insbesondere in Richtung der Wicklungsachse (A), abwechseln, aufweisen; mehrere Sensoren (140), die zumindest an zwei Stellen (X1 , X2, X5, X6) des ersten elektrischen Leiters (120) und zwei Stellen (X3, X4, X7, X8) des zweiten elektrischen Leiters (121 ) von zumindest einer der Wicklungen (12A- 12C) angeordnet sind, um jeweils eine elektrische Größe zu erfassen; und eine Einheit (131 ), die dazu eingerichtet ist, eine erste Differenz der elektrischen Größe an den zwei Stellen (X1 , X2, X5, X6) des ersten elektrischen Leiters (120) und eine zweite Differenz der elektrischen Größe an den zwei Stellen (X3, X4, X7, X8) des zweiten elektrischen Leiters (121 ) zu erfassen und basierend auf einer Abweichung zwischen der ersten Differenz und der zweiten Differenz ein Ausgabesignal auszugeben.
2. Anordnung (1 ) nach Anspruch 1 , wobei die Sensoren (140) in Form von Stromsensoren zur Messung einer Stromstärke durch den jeweiligen elektrischen Leiter (120, 121 ) ausgebildet sind.
3. Anordnung (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die zumindest zwei Stellen (X1- X8) des jeweiligen elektrischen Leiters (120, 121 ) über den jeweiligen Wicklungsabschnitt (122) elektrisch miteinander verbundenen sind.
4. Anordnung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Einheit (131 ) dazu eingerichtet ist, das Ausgabesignal auszugeben, wenn die Abweichung größer ist als ein vorgegebener Abweichungsschwellenwert, wobei das Ausgabesignal einen Sensorfehler anzeigt.
5. Anordnung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Einheit (131 ) dazu eingerichtet ist, ein Ausgabesignal auszugeben, welches einen Leitungsfehler anzeigt, wenn: der Betrag der ersten Differenz und/oder der Betrag der zweiten Differenz größer ist/sind als ein vorgegebener Differenzschwellenwert und die Abweichung kleiner ist als ein vorgegebener Abweichungsschwellenwert.
6. Anordnung (1 ) nach Anspruch 5, wobei die Einheit (131 ) dazu eingerichtet ist, das Ausgabesignal nur dann auszugeben, wenn der Betrag der ersten Differenz und/oder der Betrag der zweiten Differenz über einen vorgegebenen Zeitraum größer ist als der vorgegebene Differenzschwellenwert.
7. Anordnung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Einheit (131 ) dazu eingerichtet ist, die erste Differenz und/oder die zweite Differenz als Mittelwert über einen über ein vorgegebenes Zeitfenster zu erfassen und/oder mittels Filterung, insbesondere Bandpassfilterung, einen vorbestimmten Frequenzbereich aus Werten der erfassten elektrischen Größe zu extrahieren.
8. Anordnung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei: ein Sensor (140) an einer Stelle (X1 ) der zumindest zwei Stellen (X1 , X2) des ersten elektrischen Leiters (120) angeordnet ist, ein weiterer Sensor (140) an einer weiteren Stelle (X2) der zumindest zwei Stellen (X1 , X2) des ersten elektrischen Leiters (120) angeordnet ist, ein weiterer Sensor (140) an einer Stelle (X3) der zumindest zwei Stellen (X3, X4) des zweiten elektrischen Leiters (121 ) angeordnet ist und ein weiterer Sensor (140) an einer weiteren Stelle (X4) der zumindest zwei Stellen (X3, X4) des zweiten elektrischen Leiters (121 ) angeordnet ist.
9. Anordnung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei: ein Sensor (140) zur Messung einer Differenzstromstärke des ersten elektrischen Leiters (120) an über den Wicklungsabschnitt (122) elektrisch miteinander verbundenen Stellen (X5, X6) des ersten elektrischen Leiters (120) angeordnet ist, und ein weiterer Sensor (140) zur Messung einer Differenzstromstärke des zweiten elektrischen Leiters (121 ) an über den Wicklungsabschnitt (122) elektrisch miteinander verbundenen Stellen (X7, X8) des zweiten elektrischen Leiters (121 ) angeordnet ist.
10. Anordnung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend einen Wechselrichter (13) mit mehreren Wechselrichtereinheiten (130A-130F) für jeweils eine elektrische Phase (II, V, W) einer mehrphasigen elektrischen Wechselspannung, wobei jeder der ersten und zweiten elektrischen Leiter (120, 121 ) der Wicklungen (12A-12C) elektrisch an den Wechselrichter (13) angeschlossen ist.
11. Anordnung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend genau drei oder mehr Wicklungen (12A-12C) für jeweils eine Phase eines Drei- oder Mehrphasenwechselstroms.
12. Anordnung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die ersten elektrischen Leiter (120) und/oder die zweiten elektrischen Leiter (121 ) der Wicklungen (12A-12C) an einem Sternpunkt (123, 124) elektrisch miteinander verbunden sind.
13. Anordnung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste und der zweite elektrische Leiter (120, 121 ) von jeder der Wicklungen (12A-12C) mindestens am Wicklungsabschnitt (122) bifilar angeordnet sind.
14. Anordnung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jeder der ersten elektrischen Leiter (120) der Wicklungen (12A-12C) um mehrere Zähne (11 ) des Körpers (10) jeweils herum verläuft und jeder der zweiten elektrischen Leiter (121 ) der Wicklungen (12A-12C) um dieselben Zähne (11 ) jeweils herum verläuft.
15. Anordnung (1 ) für eine elektrische Maschine (2; 2‘), insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend: eine Baugruppe (21 ) mit einem Körper (10) und mehreren Wicklungen (12A- 12C), die jeweils einen ersten elektrischen Leiter (120) und einen zweiten elektrischen Leiter (121 ), die mindestens an einem Wicklungsabschnitt (122) entlang einer Wicklungsachse (A) gewickelt sind und sich dabei in zumindest einer Richtung, insbesondere in Richtung der Wicklungsachse (A), abwechseln, aufweisen, wobei die ersten elektrischen Leiter (120) der
Wicklungen (12A-12C) an einem ersten Sternpunkt (123) elektrisch miteinander verbunden sind und die zweiten elektrischen Leiter (121 ) der
Wicklungen (12A-12C) an einem zweiten Sternpunkt (124) elektrisch miteinander verbunden sind; eine erste Wechselrichteranordnung (134A) mit Wechselrichtereinheiten (130A-130C) und eine zweite Wechselrichteranordnung (134B) mit weiteren Wechselrichtereinheiten (130D-130F), wobei die
Wechselrichteranordnungen (134A, 134B) jeweils eine Wechselrichtereinheit (130A-130F) für jede Phase (U, V, W) einer mehrphasigen elektrischen Wechselspannung aufweisen, wobei jeder der ersten elektrischen Leiter (120) der Wicklungen (12A-12C) elektrisch an eine Wechselrichtereinheit (130A-130C) der ersten Wechselrichteranordnung (134A) angeschlossen ist und jeder der zweiten elektrischen Leiter (121 ) der Wicklungen (12A-12C) elektrisch an eine Wechselrichtereinheit (130D-130F) der zweiten Wechselrichteranordnung (134B) angeschlossen ist; einen oder mehrere Sensoren (140) zum Erfassen von Messwerten einer elektrischen Größe eines oder mehrerer der ersten oder zweiten elektrischen Leiter (120, 121 ); und eine Einheit (131 ), die dazu eingerichtet ist, o die Messwerte des Sensors (140) oder der Sensoren (140) zu erfassen, o basierend auf einem oder mehreren der Messwerte zumindest einen Wert zu bestimmen, der für eine Summe der elektrischen Größe der ersten elektrischen Leiter (120) und/oder der zweiten elektrischen Leiter (121 ) indikativ ist, und o basierend auf dem zumindest einen Wert ein Ausgabesignal auszugeben.
16. Anordnung (1 ) nach Anspruch 15, wobei die Einheit (131 ) dazu eingerichtet ist: o den Wert als einen ersten Nullsystemstrom der ersten elektrischen Leiter (120) und/oder den Wert oder einen weiteren Wert als einen zweiten Nullsystemstrom der zweiten elektrischen Leiter (121 ) zu ermitteln.
17. Anordnung (1) nach Anspruch 15 oder 16, wobei die Einheit (131) dazu eingerichtet ist: o einen Fehler an einem der ersten Leiter (120) zu erkennen, wenn der erste Nullsystemstrom einen vorgegebenen Schwellenwert übersteigt, und o einen Fehler an einem der zweiten Leiter (121 ) zu erkennen, wenn der zweite Nullsystemstrom einen vorgegebenen Schwellenwert übersteigt, wobei das Ausgabesignal einen Fehler anzeigt, wenn die Steuerungseinheit (131 ) einen Fehler an einem der ersten Leiter (120) erkannt hat und/oder einen Fehler an einem der zweiten Leiter (121 ) erkannt hat.
18. Anordnung (1 ) nach Anspruch 17, wobei die Einheit (131 ) dazu eingerichtet ist: o das Vorliegen eines ersten Fehlertyps zu erkennen, wenn entweder ein Fehler an einem der ersten Leiter (120) vorliegt oder ein Fehler an einem der zweiten Leiter (121 ) vorliegt, und o das Vorliegen eines zweiten Fehlertyps zu erkennen, wenn ein Fehler an einem der ersten Leiter (120) vorliegt und ein Fehler an einem der zweiten Leiter (121 ) vorliegt.
19. Anordnung (1) nach Anspruch 18, wobei das Ausgabesignal einen Fehler anzeigt, wenn die Einheit (131) den ersten Fehlertyp erkennt, und einen Isolationsfehler anzeigt, wenn die Einheit (131) den zweiten Fehlertyp erkennt.
20. Anordnung (1 ) nach einem der Ansprüche 15 bis 19, wobei an jedem der ersten und zweiten elektrischen Leiter (120, 121) jeweils einer der Sensoren (140) angeordnet ist, wobei die Sensoren (140) jeweils zwischen der jeweiligen Wechselrichtereinheit (130A-130F) und dem jeweils nächsten daran angeschlossenen Wicklungsabschnitt (122) angeordnet sind.
21. Anordnung (1) nach Anspruch 20, wobei die Sensoren (140) der ersten elektrischen Leiter (120) in Reihe geschaltet sind und die Sensoren (140) der zweiten elektrischen Leiter (121 ) in Reihe geschaltet sind, wobei die beiden Reihen an einem Ende mit umgekehrter Polarität elektrisch miteinander verbunden sind und am anderen Ende an einen Spannungssensor (145) angeschlossen sind.
22. Anordnung (1 ) nach einem der Ansprüche 15 bis 21 , wobei einer der Sensoren (140) sämtliche erste elektrische Leiter (120) umgreift und einer der Sensoren (140) sämtliche zweite elektrische Leiter (121 ) umgreift.
23. Anordnung (1 ) nach einem der Ansprüche 15 bis 22, wobei der erste Sternpunkt (123) und der zweite Sternpunkt (124) an derselben Seite des Körpers (10) angeordnet sind.
24. Anordnung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der oder die Sensoren (140) in Form von Stromsensoren zur Messung einer Stromstärke durch den jeweiligen elektrischen Leiter (120, 121 ) ausgebildet sind, wobei die Stromsensoren jeweils eine Rogowskispule (146) umfassen.
25. Anordnung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Einheit (131 ) dazu eingerichtet ist, zumindest eine Harmonische des Werts über die Zeit zu bestimmen und basierend darauf das Ausgabesignal auszugeben, insbesondere basierend auf einer Änderung der zumindest einen Harmonischen das Ausgabesignal auszugeben.
26. Elektrische Maschine (2; 2‘), umfassend die Anordnung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und eine weitere Baugruppe (20), wobei die Baugruppe (21 ) und die weitere Baugruppe (20) relativ zueinander drehbar sind.
27. Elektrische Maschine (2; 2‘) nach Anspruch 26, wobei die Baugruppe (21 ) als Ständer ausgebildet ist und die weitere Baugruppe (20) als Läufer.
28. Luftfahrzeug (4), umfassend die elektrische Maschine (2; 2‘) nach einem der Ansprüche 26 oder 27.
29. Verfahren zur Überwachung einer elektrischen Maschine (2; 2‘), umfassend:
Beaufschlagen mehrerer Wicklungen (12A-12C), die jeweils einen ersten elektrischen Leiter (120) und einen zweiten elektrischen Leiter (121 ), die mindestens an einem Wicklungsabschnitt (122) entlang einer Wicklungsachse (A) gewickelt sind und sich dabei in zumindest einer Richtung, insbesondere in Richtung der Wicklungsachse (A), abwechseln, mit elektrischem Strom;
Erfassen einer elektrischen Größe mit jedem von mehreren Sensoren (140), die zumindest an zwei Stellen (X1 , X2, X5, X6) des ersten elektrischen Leiters (120) und zwei Stellen (X3, X4, X7, X8) des zweiten elektrischen Leiters (121 ) von zumindest einer der Wicklungen (12A-12C) angeordnet sind;
Erfassen, mittels einer Einheit (131 ), einer ersten Differenz der elektrischen Größe an den zwei Stellen (X1 , X2, X5, X6) des ersten elektrischen Leiters (120) und einer zweiten Differenz der elektrischen Größe an den zwei Stellen (X3, X4, X7, X8) des zweiten elektrischen Leiters (121 ) und Bestimmen einer Abweichung zwischen der ersten Differenz und der zweiten Differenz; und Ausgeben, mittels der Einheit (131 ), eines Ausgabesignals basierend auf der Abweichung.
30. Verfahren zur Überwachung einer elektrischen Maschine (2; 2‘), umfassend:
Beaufschlagen mehrerer Wicklungen (12A-12C), die jeweils einen ersten elektrischen Leiter (120) und einen zweiten elektrischen Leiter (121 ), die mindestens an einem Wicklungsabschnitt (122) entlang einer Wicklungsachse (A) gewickelt sind und sich dabei in zumindest einer Richtung, insbesondere in Richtung der Wicklungsachse (A), abwechseln, mittels einer ersten Wechselrichteranordnung (134A) mit Wechselrichtereinheiten (130A-130C) und einer zweiten Wechselrichteranordnung (134B) mit weiteren Wechselrichtereinheiten (130D-130F) mit elektrischem Strom, wobei die Wechselrichteranordnungen (134A, 134B) jeweils eine Wechselrichtereinheit (130A-130F) für jede Phase (U, V, W) einer mehrphasigen elektrischen Wechselspannung aufweisen, wobei jeder der ersten elektrischen Leiter (120) der Wicklungen (12A-12C) elektrisch an eine Wechselrichtereinheit (130A-130C) der ersten Wechselrichteranordnung (134A) angeschlossen ist und jeder der zweiten elektrischen Leiter (121 ) der Wicklungen (12A-12C) elektrisch an eine Wechselrichtereinheit (130D-130F) der zweiten Wechselrichteranordnung (134B) angeschlossen ist und wobei die ersten elektrischen Leiter (120) der Wicklungen (12A-12C) an einem ersten Sternpunkt (123) elektrisch miteinander verbunden sind und die zweiten elektrischen Leiter (121 ) der Wicklungen (12A-12C) an einem zweiten Sternpunkt (124) elektrisch miteinander verbunden sind;
Erfassen einer elektrischen Größe eines oder mehrerer der ersten oder zweiten elektrischen Leiter (120, 121 ) mit jedem von einem oder mehreren Sensoren (140);
Empfangen, mittels einer Einheit (131 ), die Messwerte des Sensors (140) oder der Sensoren (140);
Bestimmen, mittels der Einheit (131 ), basierend auf einem oder mehreren der Messwerte, zumindest einen Wert, der für eine Summe der elektrischen Größe der ersten elektrischen Leiter (120) und/oder der zweiten elektrischen Leiter (121 ) indikativ ist; und
Ausgeben, mittels einer Einheit (131 ), eines Ausgabesignals basierend auf dem zumindest einen Wert.
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