JP3614389B2 - 電気システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ステータ要素とロータ要素と電気機械を制御するためのパワーエレクトロニクスとを備えた電気機械と、該電気機械が設けられている搭載回路網とを有し、ステータ要素が複数のコイルを有する電気機械の巻線部を担持している電気システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電気機械とは、一般に、磁場を用いて、モータの原理により電気エネルギーを機械エネルギーに変換する回転機械、或いは発電機の原理により機械エネルギーを電気エネルギーに変換する回転機械である。
【０００３】
この種の電気機械（たとえば同期装置或いは非同期装置として構成されている）は、ロータ要素とステータ要素とを備えた電気的要素を有している。ステータ要素（固定子とも言う）は通常固定部分であり、他方ロータ要素（回転子とも言う）は回転部分である。電気機械の構造の種類によっては、ステータ要素はたとえばヨークと複数の歯からなっている成層鉄心から構成される。これらの歯の間に、複数のコイルからなる電気巻線部が配置されている。この巻線部に電流が流れると、これにより電気機械に磁場が発生する。ロータ要素は、たとえば複数の磁石（たとえば永久磁石）が配置されている成層鉄心からなっている。この種の電気機械は従来広く普及しており、多面的に使用される。
【０００４】
電気機械の電気的構成要素は通常ケーシングの内部に配置されるので、外部の影響、損傷から保護されている。
電気機械をたとえば車両用の駆動装置に使用すると、いわゆる始動発電機として機能させることができる。始動発電機とは、たとえば駆動装置内の内燃エンジンのクランク軸とクラッチまたは変速装置の間に配置される永久磁石励磁型同期機械である。始動発電機により内燃エンジンを始動させることができるとともに、走行時には発電機として作動させることができ、すなわち車両の始動機および発電機として使用することができる。始動発電機は、そのケーシングを介して内燃エンジンまたは変速装置と結合されている。
【０００５】
最近では、この種の始動発電機は乗用車に使用される。他方、商業用車両（ＮＫＷ）やバスに使用する傾向もある。商業用車両およびバス用の始動発電機は、乗用車の場合とは異なり、必要とされる寿命は明らかに長い。さらに、必要とされる信頼性も乗用車の場合よりもかなり高い。
【０００６】
たとえばバスの場合、最近では、乗用車の場合と同様に、搭載回路網の電力はかなり増大している。これは、通常の電気消費装置以外に、新たな快適性の機能に対する要求が増えてきているからである。たとえば空調用のファン、車載キッチン、テレビ装置、新規な通信システム、座席照明等である。
【０００７】
このような消費装置に給電を行なうため、最近では多数のダイナモが内燃エンジンに組みつけられる。しかしながら、バスの搭載回路網において、ダイナモは非力な要素である。他方、１つのダイナモが故障しても、他のダイナモによって負荷が供給されるので、バスは支障なく走行を続けることができる。しかしこのためには、通常個々の快適機能を低減させねばならない。電子制御器等による内燃エンジンの基本的構成要素への給電、たとえば点火装置への給電は、公知のシステムでは通常確保されている。１つのダイナモが故障した場合、バスは長距離旅行の場合でも通常出発地に戻ることができるので、故障したダイナモをバス会社で交換でき、コスト上好ましい。
【０００８】
他方、始動発電機システムの個々の構成要素の寿命には限りがある。それゆえ、商業用車両およびバスの極端に長い使用期間中での個々の構成要素の故障は免れない。一般に始動発電機システムは内燃エンジンに１回しか組み付けられないので、始動発電機が故障した場合、もしくはそのパワーエレクトロニクスが故障した場合、商業用車両およびバスをそれ以上走行させることは不可能である。パワーエレクトロニクスはダイナモの場合と同様に交換が簡単であるが、始動発電機の場合は容易に交換できない。これは、始動発電機がバスのパワートレインにおいて通常内燃エンジンとクラッチまたは変速機の間に組み付けられていることによる。それゆえ、始動発電機の交換は非常に手間がかかり、高コストである。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、上記従来の技術から出発して、上記欠点を解消できる電気システムを提供することである。特に、長寿命で信頼性があり、同時にスペースの需要が少ない電気システムを提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の課題は、本発明によれば、電気機械が、内燃エンジンを備えた車両の始動発電機として構成されていること、ステータ要素が、２つまたはそれ以上の電気機械部分を形成するため、２つまたはそれ以上の互いに分離された巻線部を有していること、２つまたはそれ以上のパワーエレクトロニクスが設けられていること、各巻線部が固有のパワーエレクトロニクスと接続されていること、少なくとも１つのパワーエレクトロニクスを少なくとも一時的に遮断するための１つまたは複数の装置が設けられていること、１つまたは複数のパワーエレクトロニクスに対し冷却循環路が設けられ、複数のパワーエレクトロニクスが１つの共通の冷却循環路に接続されていることにより解決される。
【００１１】
本発明は、ステータ要素とロータ要素と電気機械を制御するためのパワーエレクトロニクスとを備えた電気機械と、該電気機械が設けられている搭載回路網とを有し、ステータ要素が、複数のコイルを有する電気機械の巻線部を担持している電気システムにおいて、ステータ要素が、２つまたはそれ以上の電気機械部分を形成するため、２つまたはそれ以上の互いに分離された巻線部を有していることを１つの特徴としている。
【００１２】
本発明による電気機械により、その寿命および信頼性を、従来の技術から知られている解決法に比べて著しく向上させることが可能になる。同時に、本発明による電気機械はスペースの需要がわずかで済むので、特に車両のパワートレインに支障なく組み込むことができる。さらに本発明による電気機械は取り付けが簡単で、材料の使用量はわずかで済み、そのロジスティックは簡潔である（これに関しては後で詳細に説明する）。本発明による電気機械は従来の電気機械に比べて効率が高く、始動時の電圧降下が小さく、エレクトロマグネティックコンパティビリティ（ＥＭＶ）の点で問題が少ない。
【００１３】
本発明の基本思想は、電気機械はスペース需要をほぼ等しくして事実上２つまたはそれ以上の部分に分割されているという点にある。このため、ステータ担持体上に２つまたはそれ以上の巻線部が設けられ、これらの巻線部は互いに分離されている。各巻線部はそれぞれ他の巻線部とは別個に結線され、制御され、作動せしめられる。すなわち電気巻宣撫は互いに電気的に分離されているので、各電気巻線部は、よってそれをベースとしている各電気機械部分は、それぞれ他の電気巻線部または電気機械部分とは独立に作動させることができる。１つの電気機械部分が故障しても、残りの電気機械部分が故障した電気機械部分の機能をも受け持つので、電気機械全体を交換する必要はない。
【００１４】
この点を具体例（これだけに限定されるものではない）を用いて説明する。電気機械を始動発電機として商業用車両或いはバスに使用する場合、従来の技術の欄で取り上げた問題を実質的に解消するには、多重始動発電機を設けねばならない。複数の電気機械を単に「直列に構成」するのは、もちろんスペース上の理由から不可能である。電気機械における典型的な故障メカニズムは巻線部の短絡であり、これはたとえば絶縁部等が老化することにより発生する。したがって、電気機械を２つまたはそれ以上の互いに独立の、相互に絶縁された巻線部を備えるように構成することにより、１つの巻線部または１つの電気機械部分が故障した場合、常に少なくとも１つの故障のない巻線部または電気機械部分は維持される。
【００１５】
したがって、本発明による電気機械は少なくとも１つの冗長的な構成要素を有している。これが意味するところは、本発明による電気機械は互いに切り離されている巻線部の数量に応じて少なくとも二重に設けられているので、１つの巻線部が故障した場合、他の巻線部が故障した巻線部の課題および機能を受け持つことができるということである。これにより、電気機械の信頼性および寿命を著しく向上させることができる。
【００１６】
さらに、電気機械を本発明に従って構成するたことにより、そのパワーが増大する。ステータ担持体上にたとえば２つの互いに独立な巻線部が設けられているとすると、ステータ巻線部は、従来の解決法、すなわちステータが１つの巻線部しか担持していない（しかし、コイルの数量は多い）従来の構成に比べて、半分である。この理由から、本発明に従って構成された電気機械は半分のインダクタンスしか持っておらず、他方それによって出力は２倍である。２つの巻線部の代わりにそれ以上の巻線部が設けられている場合も同様のことが言える。
【００１７】
本発明は、ステータ担持体上に特定の数量の独立の巻線部、よって電気機械部分が設けられていることに限定されるものではない。しかし、電気機械は２つまたは３つの独立の巻線部を有しているのが有利である。この場合には、電気機械には２つまたは３つの電気機械部分が実現可能であり、或いは実現される。
【００１８】
なお、ここで電気機械とはたとえばロータ内側構成またはロータ外側構成の機械、同期機械、非同期機械、永久磁石励磁型機械等である。特に言及に値するのはたとえば始動発電機である。特に車両用の始動発電機である。車両用の始動発電機とは、ロータがたとえば内燃エンジンのクランク軸支持部を介して支持されているような電気機械である。始動発電機は内燃エンジンの始動、停止のために使用されるばかりでなく、エンジン作動中に種々の機能を受け持つことができ、たとえばブレーキ機能、ブースター機能、バッテリー管理、アクティブな防振機能、内燃エンジンの同期化等に使用できる。この種の始動発電機はロータ外側型同期機械またはロータ内側型同期機械として構成してよく、たとえば担持要素としてのステータ担持体を介して内燃エンジンのエンジンブロックと結合されていてよい。
【００１９】
本発明による電気機械は、少なくとも１つのパワーエレクトロニクスを介して制御される。この種のパワーエレクトロニクスは本出願人による先願であるＤＥ１９９１３４５０．２に記載されており、その開示事項を本願明細書に取り入れることにする。このパワーエレクトロニクスは、複数のコンデンサと複数の電力半導体を有している電力部分からなっている。コンデンサと出力半導体とはパワーレール装置と結合されている。さらにこのパワーエレクトロニクスは出力部分のための制御ユニットを有している。制御のために、たとえばパワフルなマイクロコントローラが設けられている。さらに、給電用の装置が設けられている。パワーエレクトロニクスを介して、これと接続されている電子要素が制御される。
【００２０】
２つまたはそれ以上の巻線部が、電気機械の１つの側で結線されているのが有利である。これにより、電気機械を特に簡潔に構成することができる。
他の構成では、２つまたはそれ以上の巻線部は、電気機械の２つの側で結線されている。これにより、巻線部がいずれかの個所で接触するのが阻止される。それゆえ、この変形実施形態は特に安全である。
【００２１】
各巻線部の接続部は、１つの共通の接続装置に統合されていてよい。また、各巻線部の接続部はそれぞれ固有の接続装置に統合されていてもよい。この場合の利点は、電気機械の信頼性または安全性が向上することである。これが必要でなければ、すべての接続部をただ１つの接続装置、たとえば適当な接続ボックスに統合してもよい。
【００２２】
他の構成では、個々の巻線部は接続導体を介して結線されている。この場合、接続導体は特にリング状に構成されていてよい。このようなケースでは、１つの巻線部のコイル部分はたとえば並列に接続されていてよい。本発明は特定の結線方式に限定されるものではない。たとえば、巻線部を従来の態様で結線してもよく、このことは、個々のコイルが手で必要なように配線されることを意味している。このようなケースでは、１つの巻線部のコイル部分はたとえば直列に接続されていてよい。他方接続導体は、接続ケーブルとしてまたは接続レール（たとえば銅製レール）として構成されていてよい。
【００２３】
特に有利なのは、同様に本出願人の先願であるＤＥ１９９２０１２７．７に記載されているような結線装置を介して巻線部が結線されていることである。なお、この限りではこのＤＥ１９９２０１２７．７の開示事項を本願の明細書に取り入れることにする。この結線装置は、電気的に互いに絶縁されている接続導体を有しており、これらの接続導体は互いに同心に配置され、且つそれぞれ異なる径を有している。さらに接続導体は、巻線部の個々のステータコイルの端部のための接続装置と、電気機械との接続のための接続装置を有している。この種の接続導体（リング状に構成するのが有利である）は、結線リングとも呼ばれる結線装置を生じさせる。
【００２４】
各巻線部が１つまたは複数のコイルユニットを有し、各コイルユニットが特に３つのコイルを有しているのが有利である。この場合、１つのコイルユニットの各コイルは電気機械の特定の相巻線（Ｓｔｒａｎｇ）に割り当てられており、１つの共通の相巻線に割り当てられているコイルは互いに結線されている。電気機械のケースでは、全部でｍ個の相巻線が設けられ、これらの相巻線はそれぞれ３６０／ｍだけ位相をずらして電流で付勢される。コイルユニットが３つのコイルを有していて、各コイルが特定の相巻線に割り当てられていれば、電気機械は３つの相巻線を有することになる。
【００２５】
ステータ要素上への個々のコイルユニットの配置は、異なる巻線部のそれぞれ２つのコイルユニットが、互いに隣接するようにステータ要素上に配置されているように行なうのが有利である。このことは、ステータ要素上に常に、異なる巻線部の２つのコイルユニットが交互に配置されていることを意味している。
【００２６】
他の構成では、巻線部は、半径方向に重なるようにステータ要素上に配置されている。この場合半径方向とは、電気機械の回転軸線、特にロータ要素の回転軸線に対し垂直な方向である。電気機械の巻線部は、通常どおり適当な歯の上にある。上記実施形態では、巻線部をそれぞれ２層で配置すること、即ち半径方向に互いに間隔を持つようにそれぞれ同じ歯に配置する構成が可能である。しかしこの場合には、個々の巻線部が特に良好に絶縁されているよう配慮する必要がある。
【００２７】
他の構成では、互いに分離されている巻線部は、ステータ要素のそれぞれ１つのセグメントにコヒーレントに（ｚｕｓａｍｍｅｎｈａｅｎｇｅｎｄ）配置されている。このことは、１つの巻線部のすべてのコイルがコヒーレントにステータ要素のただ１つのセグメントに統合されていることを意味している。リング状のステータ要素上にたとえば２つの電気機械部分が互いに分離された２つの巻線部により実現されているとすると、両巻線部の個々のコイルはそれぞれたとえばステータ要素の半円上に配置されていてよい。したがって、異なる巻線部のコイルは互いに接触することがない。電気機械部分が２つ以上設けられている場合には、巻線部のコイルのために使用されるステータ要素のセグメントは対応的に小さくなる。
【００２８】
電気機械部分が同じ回転方向を有するように、個々の巻線部の位相列が選定されているのが有利である。
他の構成では、２つまたはそれ以上の電気機械部分の磁極対の数ｐおよび（または）コイル数、或いはスロットの数ｎｓは等しい。この場合、磁極対の数ｐとスロットの数ｎｓは、比ｐ／ｎｓが７／６．．．．．１４／１２．．．．．．２１／１８．．．．．．であるように選定するのが有利である。
【００２９】
２つまたはそれ以上の電気機械部分の巻線部の数が等しいのが有利である。このことは、個々の電気機械部分が同じ電圧に対して設計されていることを意味している。巻線部の数量を介してたとえば比電力をも適合させることができる。
【００３０】
２つまたはそれ以上の電気機械部分のスロット形状および（または）アクティブな長さが等しいのが有利である。このことは、個々の電気機械部分が同じ比電力に対して設計されていることを意味している。
【００３１】
２つまたはそれ以上のパワーエレクトロニクスが設けられているのが有利である。この場合、各巻線部は固有のパワーエレクトロニクスと接続されていてよい。この利点は、成層部分（磁気回路）や巻線部の数を代えずに電気機械の出力を増大させることができることである。通常、始動発電機の弱め界磁比が大きいと、インダクタンスを誘導するのは電気機械の場合境を接する構成要素である。しかし、本発明では、２つまたはそれ以上の電気機械部分を制御する２つまたはそれ以上のパワーエレクトロニクスが設けられているので、電気機械の出力は対応的に増大する。
【００３２】
ステータ要素上にたとえば２つの互いに独立な電気機械部分が設けられている場合、巻線部を１つしか備えていない電気機械に比べて両電気機械部分がそれぞれ同じトルクを有しているということは、この状況に対する適当な作動ベクトル図を作成して、ステータ要素上に巻線部を１つしか備えていない電気機械に対し評価、比較すれば、当業者にとって明らかなことである。本発明による電気機械は２つの電気機械部分を有しているので、トルクは２倍になり、したがって巻線部を１つしか備えていない電気機械に比べて電気機械全体の出力も２倍にすることができる。
【００３３】
パワーエレクトロニクスのディメンションが同一であるのが有利である。他の構成では、パワーエレクトロニクスのディメンションは異なっている。
【００３４】
１つまたは複数のパワーエレクトロニクスに対し、１つまたは複数の回転角検知センサが設けられているのが有利である。回転角検知センサによりロータの位置を正確に決定することができる。ロータの角度位置の正確な検知は、電気機械を最適に作動させるために重要である。これは、とりわけ、中間回路電圧から三相電流の供給を受けるため、通常電気機械は整流器を必要とするからである。この場合、電気機械に対し最適なトルクを発生させるためには、最大トルクを形成できるように三相交流を印加しなければならない。このためには、整流器がその都度ロータの正確な位置、よってポールホイールの正確な角度位置を検知する必要がある。このように、ロータの位置を高精度に検知することは、高効率の電気機械を得るための前提である。
【００３５】
回転角検知センサは、輪郭リング等を備えたレゾルバーとして構成されていてよい。冗長性の理由から、各パワーエレクトロニクスは、共通の輪郭リングを走査する固有のセンサを利用することができる。これにより、電気機械の信頼性がさらに向上する。電気機械がレゾルバーを備えている場合には、レゾルバーもパワーエレクトロニクスの数量に応じて多段に構成してよい。
【００３６】
２つのパワーエレクトロニクスが設けられている場合には、レゾルバーは２段に構成される。また、レゾルバーを部分的に２段に構成してもよい。たとえば、デカップリングされた２つの受信面を備えた１つの励磁巻線だけを有していてもよい。
【００３７】
１つまたは複数のパワーエレクトロニクスに対し、冷却循環路が設けられているのが有利である。この場合、複数のパワーエレクトロニクスを特に１つの共通の冷却循環路に接続してよい。これはパワーエレクトロニクスの冷却を簡単にさせる。
【００３８】
上述したように出力が増大すると、２つまたはそれ以上の電気機械部分を備えた電気機械をより好適に冷却する必要がある。電気機械がたとえば始動発電機として車両に組み込まれている場合には、電気機械は車両の内燃機関とともに冷却することができる。しかしながら、本発明による電気機械を使用する場合には、電気機械の冷却、特にそのパワーエレクトロニクスの冷却を、別個の冷却循環路によって実現するのが有利である。
【００３９】
さらに、少なくとも１つのパワーエレクトロニクスを少なくとも一時的に遮断するための１つまたは複数の装置が設けられている。これにより、必要に応じて１つまたは複数のパワーエレクトロニクスを遮断することができ、たとえば始動発電機として構成された電気機械の発電機運転時の電気負荷が小さい場合に遮断を行なうことができる。電気機械が暖まった内燃エンジンを始動させる場合にも、１つのパワーエレクトロニクスで十分である。遮断はたとえば種々の態様で行なうことができる。たとえば、適当なスイッチ要素を設けてよい。また、アクティブな短絡を生じさせてもよい。しかし本発明はこれらの例に限定されるものではない。
【００４０】
本発明による電気システムは、電気機械に関して述べた利点を有しており、したがってこれに関しては前述の説明を参照してもらいたい。
【００４１】
パワーエレクトロニクスのディメンションが同一であり、その結果搭載回路網が同電圧の回路網部分を有している構成が可能である。この場合、すでに乗用車で、特に部品数の多い高級車で使用されているようなパワーエレクトロニクスを使用するのが有利である。電気機械が始動発電機である場合、パワーエレクトロニクスは、発電機運転時に両方のパワーエレクトロニクスが同出力を搭載回路網へ放出するように制御されるのが有利である。始動運転時、たとえばエンジン作動時、ブースター作動時等の場合は、パワーエレクトロニクスも同期して作動せしめられる。このようなケースで１つのパワーエレクトロニクスを少なくとも一時的に遮断する必要がある場合には、前述したスイッチ要素をたとえば内燃エンジンとパワーエレクトロニクスの間、および（または）パワーエレクトロニクスと搭載回路網の間に設けてもよい。
【００４２】
他の構成では、パワーエレクトロニクスのディメンションは異なっており、その結果搭載回路網が異なる電圧の回路網部分を有している。このように異なる電圧を設定するのは、特殊な消費装置に高電圧または高出力を供給するためである。
【００４３】
上述した電気システムは乗用車および（または）商業用車両および（または）バスに使用するのが特に有利である。
【００４４】
次に、本発明の実施形態を添付の図面を用いて詳細に説明する。
図１ないし図３に図示した電気機械１０は従来の技術から知られているものである。この電気機械１０はいわゆる始動発電機として構成されており、その構成および機能に関しては前述の一般的な説明のなかで言及したとおりである。始動発電機はたとえば乗用車（ＰＫＷ）、商業用車両（ＮＫＷ）、バス等の車両で使用される。以下では、従来の技術から知られている解決法と本発明とをバスの始動発電機に関して説明する。
【００４５】
図１ないし図３の電気機械１０はステータ要素１１とロータ要素（図示せず）とを有している。ステータ要素１１はステータ担持体１５を介して内燃エンジン（図示せず）に固定されている。ステータ要素１１は公知の態様で成層鉄心１２を有し、成層鉄心１２上には複数のコイル３１が歯１３のまわりに巻回されている。ステータ要素１１の対応する溝１４内には巻線部３０がコイル３１の形態で設けられている。図１には、番号付けした複数の溝１４が図示されている。全部で３６個の溝１４が図示されている。もちろん、溝１４の数量、よってコイル３１の数量は、必要に応じて、および適用例に応じて変えてもよい。コイル３１は、歯１３に固定されている適当なコイル体２２上に巻回されている。コイル３１はいくつかの相巻線に分類されており、この場合１つの共通の相巻線に帰属するコイル３１は互いに結線されている。本実施形態では全部で３つの相巻線が図示されている。第１の相巻線のコイル３１は実線で、第２の相巻線のコイル３１は破線で、第３の相巻線のコイル３１は点線で示した。矢印Ｖは電気機械１０の回転角度を示している。
【００４６】
個々のコイル３０を結線するため、よって巻線部３０を結線するため、結線装置が設けられている。結線装置はリング状の３つの接続導体１６を有している。これらの接続導体１６は結線リングとも呼ばれる。個々のコイル３１は接続部１７を介して接続導体１６と適当に接続されている。
【００４７】
接続導体１６は適当な接続要素２４および接続線２３を介して接続装置３２と接続されている。接続線２３はたとえばケーブル、銅製レール等として実施されている。
【００４８】
特に図３からわかるように、接続導体１６は電気機械１０の片側２０に設けられている。
ところで、始動発電機１０の構成要素の寿命は限られている。したがって、極端に長いバスの使用期間内での故障は避けられない。始動発電機１０は内燃エンジンに１回しか取り付けられないので、始動発電機１０が故障した場合、或いはそのパワーエレクトロニクスが故障した場合、バスをそれ以上運転させることは不可能である。パワーエレクトロニクスはダイナモと同様に交換が容易であるが、始動発電機１０自体の交換は容易でない。これは、始動発電機１０がバスのパワートレインにおいて通常内燃エンジンとクラッチまたは変速機の間に組み付けられていることによる。それゆえ、始動発電機１０の交換は非常に手間がかかり、高コストである。
【００４９】
この欠点を解消するため、本発明は始動発電機１０の改良形を提案するもので、これを以下に説明する。
図４は、本発明による電気機械１０の巻回パターンである。これは基本構造において図１に図示した巻回パターンに対応しているので、同一の構成要素には同一の符号を付した。同様に、重複を避けるため、基本構造に関しては図１に対し行なった説明を参照してもらいたい。図１の従来例と図４の本発明の実施形態は同数の溝（スロット）１４を有しており、本ケースの場合それぞれ３６個の溝１４を有している。
【００５０】
図１の従来例とは異なり、本発明による電気機械１０は２つまたはそれ以上の巻線部を有しており、これらの巻線部は互いに独立にステータ要素１１により担持される。図４には２つの巻線部４０，４４が図示されている。各巻線部４０，４４は複数のコイルユニット５０，５１を有し、コイルユニット５０，５１はそれぞれ互いに隣接するようにステータ要素１１上に配置されている。
【００５１】
コイルユニット５０はそれぞれ３つのコイル４１，４２，４３からなり、コイルユニット５１はそれぞれ３つのコイル４５，４６，４７からなっている。コイルユニット５０のコイル４１，４２，４３は接続部１７を介して接続導体１６と接続され、この場合接続導体１６はリング状に構成され、結線リングからなる結線装置を形成している。コイルユニット５１のコイル４５，４６，４７は接続部１９を介して接続導体１８と接続され、この場合接続導体１８はリング状に構成され、結線リングからなる他の結線装置を形成している。
【００５２】
図４の電気機械１０は、同じ需要スペースで事実上２つの機械部分またはそれ以上の機械部分に分割されている。このために、ステータ担持体１５上には、互いに分離されている２つまたはそれ以上の巻線部４０，４４が設けられている。各巻線部４０，４４はそれぞれ他の巻線部とは切り離して結線され、制御され、作動せしめられる。このように電気巻線部４０，４４は互いに電気的に切り離されているので、各電気巻線部４０，４４と、よって各機械部分とはそれぞれ他の巻線部または他の機械部分とは独立に作動させることができる。機械部分の１つが故障しても、他の残りの機械部分が故障した機械部分の機能を受け持つので、電気機械１０全体を交換する必要はない。したがって、電気機械１０は少なくとも１つの冗長的な構成要素を有している。
【００５３】
図５と図６は本発明による電気機械１０の実施形態で、この実施形態では、図４に関連して説明した基本原理が実現されている。この電気機械１０の基本構造も図２と図３に図示した電気機械のそれに対応しているので、同一の構成要素には同一の符号を付した。電気機械１０の基本構造と基本的な機能に関しては、重複を避けるため、図２と図３に対する説明を参照してもらいたい。
【００５４】
図５と図６に図示した電気機械１０が図２と図３のものと異なっているのは、それぞれ複数のコイルユニット５０，５１から形成されている２つまたはそれ以上の（本実施形態では２つ）巻線部４０，４４が設けられていることである。各コイルユニット５０，５１は３つのコイル４１，４２，４３または４５，４６，４７を有している。異なる巻線部のそれぞれ２つのコイルユニットが互いに隣接するようにステータ要素１１上に配置されているので、常に、巻線部が異なる２つのコイルユニットが交互に配置されている。
【００５５】
巻線部４０のコイルユニット５０のコイル４１，４２，４３は接続導体１６（結線リング）を介して結線されている。このため、接続導体１６は接続要素５３と接続線５２を介して接続装置４８と接続されている。接続導体１６或いはこれから形成されている結線リング構造部は、ステータ要素１１の片側２０に配置されている。巻線部４４のコイルユニット５１のコイル４５，４６，４７は接続導体１８（結線リング）を介して結線されている（図４を参照）。このため、接続導体１８は接続要素５５と接続線５４を介して接続装置４９と接続されている。接続導体１８或いはこれから形成されている結線リング構造部は、ステータ要素１１の他の側２１に配置されている。実施形態に応じては、両接続装置４８，４９を１つの接続装置に統合してもよい。
【００５６】
図５と図６に図示した実施形態では、両巻線部４０，４４はいずれの個所においても接触していない。それゆえこの実施形態は特に安定である。接続導体１８の接続線５４は、前記他の側２１からステータ要素１１の下を通って、特にステータヨーク１３の下を通って前記片側２０へ案内させることができる。これを図６において破線で示した。接続導体１６，１８の個々の接続部は互いにそれぞれ「回転させて（ｖｅｒｄｒｅｈｔ）」配置してよい。
【００５７】
図７と図８は本発明による電気機械１０の他の実施形態を示すものである。この電気機械１０はその基本構造および基本的に機能の点で図２と図３および図５と図６に図示した電気機械のそれに対応しているので、同一の構成要素には同一の符号を付した。同一の構成要素に関しては、重複を避けるため、前記実施形態に対する説明を参照してもらいたい。
【００５８】
図７と図８に図示した実施形態では、巻線部４０，４４或いはコイルユニット５０，５１のそれぞれのコイル４１，４２，４３または４５，４６，４７は図５と図６の実施形態のように分離されており、互いに独立に結線されている。これは、それぞれ結線リングとして構成された結線装置を形成しているリング状の接続導体１６または１８を介して実現される。
【００５９】
図５と図６に図示した実施形態と異なっているのは、接続導体１６，１８が、よって対応する結線リングが半径方向に重なり合ってステータ要素１１の片側２０に配置されていることである。
【００６０】
コイル４１，４２，４３は接続部１７を介して接続導体１６と接続され、他方コイル４５，４６，４７は接続部１９を介して接続導体１８と結線されている。
図５と図６および図７と図８の実施形態の巻回パターンは、図４に図示した巻回パターンに対応させてよい。図４に図示した巻回パターンは結線状態を示すものにすぎないので、接続導体の正確な位置は重要でない。
【００６１】
図９と図１０は、本発明による電気機械１０をたとえば上述した実施形態の態様で組み込んだ電気システム７０を示すものである。電気機械１０は、接続装置４８，４９を介して電気システム７０の搭載回路網７４と接続されている。
【００６２】
両実施形態では、電気機械１０はステータ要素上にそれぞれ２つの互いに独立な巻線部を担持しており、各巻線部はそれぞれ接続装置４８または４９を介して固有のパワーエレクトロニクス７１，７２と接続されている。パワーエレクトロニクス７１，７２は、電気機械１０内部に独立な巻線部によって形成された電気機械部分を制御するために用いる。
【００６３】
図９に図示した電気システム７０の場合、搭載回路網７４は同一サイズの２つのパワーエレクトロニクス７１，７２を備えており、その結果同電圧の回路網部分７９，８０が生じる。部品数の多い高級乗用車で使用されるパワーエレクトロニクスを使用するのが有利である。両パワーエレクトロニクス７１，７２は、電気機械１０の発電機作動の際に同一のパワーを搭載回路網７４に出力するように制御されるのが有利である。このため両パワーエレクトロニクス７１，７２はＣＡＮバス７３を介して互いに接続されている。始動機作動の際にも両パワーエレクトロニクス７１，７２は同期して作動せしめられる。パワーは適当な消費装置７６に転送することができる。搭載回路網７４にはさらにバッテリー７５が設けられており、バッテリー７５は電気機械１０を介して発電機作動の際にたとえば充電させることができる。
【００６４】
電気システム７０の作動時に、両パワーエレクトロニクス７１，７２を必要としない状況が生じることがある。たとえば発電機作動時に電気的負荷が小さい場合、内燃エンジンが暖まっている際に一方のパワーエレクトロニクスで始動させる場合等である。このため、一方のパワーエレクトロニクス７１または７２を少なくとも一時的に遮断させることができる。遮断は種々の態様で行なうことができる。たとえば、適当なスイッチ要素（図示せず）を介して遮断を行なうことができる。スイッチ要素はたとえばパワーエレクトロニクスと内燃エンジンの間、パワーエレクトロニクスと搭載回路網との間などに配置してよい。他方、パワーエレクトロニクスを一時的にアクティブに短絡させてもよい。
【００６５】
一方のパワーエレクトロニクスを少なくとも一時的に遮断させることは、図１０の電気システム７０の場合も実現できる。この電気システム７０は図９のシステムと基本構造においては同じであるが、パワーエレクトロニクス７１,７２のディメンションが異なっており、よって回路網部分７９,８０に生じる電圧が異なっている点で相違している。ディメンションの相違は、たとえばパワーエレクトロニクス７２が複数のＭＯＳＦＥＴトランジスタを有し、他方パワーエレクトロニクス７２が複数のＩＧＢＴ素子を有していることにより行なわれる。
【００６６】
電圧を相違させるのは、特殊な消費装置に対し高電圧、高パワーを供給するためである。これは、たとえばバスの車載キッチンを想定している。回路網部分７９は、たとえば１４．２８Ｖまたは４２Ｖの搭載電圧に対し設計された「通常の」パワーエレクトロニクス７１により作動せしめられる。第２の回路網部分８０はこれとは異なる電圧で作動せしめられ、たとえば搭載回路網の電圧よりもかなり高い電圧、たとえば４００Ｖ以下の電圧で作動せしめられる。このためパワーエレクトロニクスは６００ＶのＩＧＢＴを備えていてよい。
【００６７】
両電圧面または回路網部分７９，８０は、変換器（本例ではＤＣＤＣ変換器）７８を介して連結されている。この実施形態では、電気機械１０に設けられた電気機械部分は異なる巻き数を持っている。
【００６８】
より高電圧の回路網部分８０からは、高電力消費装置７７、特に快適用の消費装置の形態の消費装置に給電するのが有利である。たとえば、とりわけ電気的な空調コンプレッサー等が挙げられる。商業用車両で電気システム７０を使用する場合は、より高電圧の回路網部分８０に、たとえばクレーン、清掃機等の特殊装置を接続させることができる。
【００６９】
高出力回路網部分８０にはバッテリー７５を設けないのが有利である。回路網部分８０はたとえば交流／三相交流回路網として実施される。
高電圧回路網部分８０が極端に高い出力設計の場合には、消費回路内に、有利には水冷式のロードレジスタ（図示せず）を設けてもよい。これにより、電気機械１０をリターダーの代用品として使用でき、或いは、少なくとも小型のリターダーに利用できる。ロードレジスタは切換え要素、半導体等を介して接続させることができる。場合によっては、簡単な「チョッパー回路」（ＰＷＭ）を備えたブレーキ出力調整装置でもよい。交流／三相交流回路網の場合は、たとえば制御式のブリッジ回路、たとえばいわゆるＭ３回路を使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の技術から知られている電気機械の巻回パターンを示す図である。
【図２】従来の技術から知られている図１の電気機械の平面図である。
【図３】従来の技術から知られている前記電気機械を、図２の切断線Ｂ−Ｂに沿って切断した部分側断面図である。
【図４】本発明による電気機械の巻回パターンを示す図である。
【図５】本発明による電気機械の他の実施形態の平面図である。
【図６】図５の電気機械を、図５の切断線Ｂ−Ｂに沿って切断した部分側断面図である。
【図７】本発明による電気機械のさらに他の実施形態の平面図である。
【図８】図７の電気機械を、図７の切断線Ｂ−Ｂに沿って切断した部分側断面図である。
【図９】本発明による電気システムの第１実施形態の開路図である。
【図１０】本発明による電気システムの第２実施形態の開路図である。
【符号の説明】
１０ 電気機械
１１ ステータ要素
１２ 成層鉄心
１３ 歯
１４ 溝
１５ ステータ担持体
１６ 接続導体
１７ 接続部
１８ 接続導体
１９ 接続部
２３ 接続線
２４ 接続要素
４０，４４ 巻線部
４１，４２，４３ コイル
４５，４６，４７ コイル
４９ 接続装置
５０，５１ コイルユニット
５４ 接続線
５５ 接続要素
７０ 電気システム
７１，７２ パワーエレクトロニクス
７３ ＣＡＮバス
７４ 搭載回路網
７５ バッテリー
７６ 消費装置
７７ 高電力消費装置
７８ ＤＣＤＣ変換器
７９，８０ 回路網部分
Ｖ 回転角

Claims (19)

1. ステータ要素（１１）とロータ要素と電気機械（１０）を制御するためのパワーエレクトロニクスとを備えた電気機械と、該電気機械が設けられている搭載回路網（７４）とを有し、ステータ要素（１１）が複数のコイルを有する電気機械（１０）の巻線部を担持している電気システムにおいて、
   電気機械（１０）が、内燃エンジンを備えた車両の始動発電機として構成されていること、
   ステータ要素（１１）が、２つまたはそれ以上の電気機械部分を形成するため、２つまたはそれ以上の互いに分離された巻線部（４０,４４）を有していること、
   ２つまたはそれ以上のパワーエレクトロニクス（７１ , ７２）が設けられていること、
   各巻線部（４０ , ４４）が固有のパワーエレクトロニクス（７１ , ７２）と接続されていること、
   少なくとも１つのパワーエレクトロニクス（７１ , ７２）を少なくとも一時的に遮断するための１つまたは複数の装置が設けられていること、
   １つまたは複数のパワーエレクトロニクス（７１ , ７２）に対し冷却循環路が設けられ、複数のパワーエレクトロニクス（７１ , ７２）が１つの共通の冷却循環路に接続されていること、
   を特徴とする電気システム。
2. ２つまたはそれ以上の巻線部（４０,４４）が、電気機械（１０）の１つの側（２０）で結線されていることを特徴とする、請求項１に記載の電気システム。
3. ２つまたはそれ以上の巻線部（４０,４４）が、電気機械（１０）の２つの側（２０，２１）で結線されていることを特徴とする、請求項１に記載の電気システム。
4. 各巻線部（４０,４４）の接続部が、１つの共通の接続装置（３２）に統合され、或いは、固有の接続装置（４８,４９）に統合されていることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか一つに記載の電気システム。
5. 個々の巻線部（４０,４４）が接続導体（１６,１８）を介して結線され、接続導体（１６,１８）が特にリング状に構成されていることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか一つに記載の電気システム。
6. 各巻線部（４０,４４）が１つまたは複数のコイルユニット（５０,５１）を有し、各コイルユニット（５０,５１）が特に３つのコイル（４１,４２,４３；４５,４６,４７）を有していることを特徴とする、請求項１から５までのいずれか一つに記載の電気システム。
7. 異なる巻線部（４０,４４）のそれぞれ２つのコイルユニット（５０,５１）が、互いに隣接するようにステータ要素（１１）上に配置されていることを特徴とする、請求項６に記載の電気システム。
8. 巻線部（４０,４４）が、半径方向に重なるようにステータ要素（１１）上に配置されていることを特徴とする、請求項１から５までのいずれか一つに記載の電気システム。
9. 互いに分離されている巻線部（４０,４４）が、ステータ要素（１１）のそれぞれ１つのセグメントにコヒーレントに配置されていることを特徴とする、請求項１から５までのいずれか一つに記載の電気システム。
10. 電気機械部分が同じ回転方向を有するように、個々の巻線部（４０,４４）の位相列が選定されていることを特徴とする、請求項１から９までのいずれか一つに記載の電気システム。
11. ２つまたはそれ以上の電気機械部分の磁極対の数および（または）コイル数が等しいことを特徴とする、請求項１から１０までのいずれか一つに記載の電気システム。
12. ２つまたはそれ以上の電気機械部分の巻線部の数が等しいことを特徴とする、請求項１から１１までのいずれか一つに記載の電気システム。
13. ２つまたはそれ以上の電気機械部分のスロット形状および（または）アクティブな長さが等しいことを特徴とする、請求項１から１２までのいずれか一つに記載の電気システム。
14. パワーエレクトロニクス（７１,７２）のディメンションが同一であることを特徴とする、請求項１から１３までのいずれか一つに記載の電気システム。
15. パワーエレクトロニクス（７１,７２）のディメンションが異なっていることを特徴とする、請求項１から１３までのいずれか一つに記載の電気システム。
16. １つまたは複数のパワーエレクトロニクス（７１,７２）に対し、１つまたは複数の回転角検知センサが設けられていることを特徴とする、請求項１から１５までのいずれか一つに記載の電気システム。
17. パワーエレクトロニクス（７１,７２）のディメンションが同一であり、その結果搭載回路網（７４）が同電圧の回路網部分（７９,８０）を有していることを特徴とする、請求項１から１６までのいずれか一つに記載の電気システム。
18. パワーエレクトロニクス（７１,７２）のディメンションが異なっており、その結果搭載回路網（７４）が異なる電圧の回路網部分（７９,８０）を有していることを特徴とする、請求項１から１６までのいずれか一つに記載の電気システム。
19. 請求項１から１８までのいずれか一つに記載の電気システム（７０）を乗用車および（または）商業用車両および（または）バスに使用することを特徴とする使用方法。

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