WO2021110196A1 - Elektrisches antriebssystem - Google Patents

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WO2021110196A1
WO2021110196A1 PCT/DE2020/100933 DE2020100933W WO2021110196A1 WO 2021110196 A1 WO2021110196 A1 WO 2021110196A1 DE 2020100933 W DE2020100933 W DE 2020100933W WO 2021110196 A1 WO2021110196 A1 WO 2021110196A1
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WO
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sub
drive system
motors
motor
converter
Prior art date
Application number
PCT/DE2020/100933
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English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas HUMBERT
Baao Ngoc AN
Matthias Gramann
Original Assignee
Schaeffler Technologies AG & Co. KG
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Publication date
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60LPROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L15/00Methods, circuits, or devices for controlling the traction-motor speed of electrically-propelled vehicles
    • B60L15/20Methods, circuits, or devices for controlling the traction-motor speed of electrically-propelled vehicles for control of the vehicle or its driving motor to achieve a desired performance, e.g. speed, torque, programmed variation of speed
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K16/00Machines with more than one rotor or stator
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/64Electric machine technologies in electromobility
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/72Electric energy management in electromobility

Definitions

  • the invention relates to an electric drive system with one or more shafts.
  • Electric drive systems are widely used.
  • One area of increasing importance, to which the invention is not intended to be restricted, is the motor vehicle sector, there, more specifically, the use of electrical drive systems for the propulsion of a motor vehicle.
  • An electric motor, with associated power electronics, which is used to drive an axle or a single wheel, for example, has the disadvantage in this regard that the highest efficiency of the electric motor occurs only in one or in a few operating points. Due to the demands on the drive system, in the case of motor vehicles, for example due to the most varied driving situations, continuous operation at these optimal operating points is not possible.
  • a rotor for an electric motor and a corresponding electric motor are known from WO 2018/224091 A1.
  • the rotor consists of at least two rotor units, each of which could also act alone, if appropriately equipped with windings, as the rotor of an electric motor.
  • the combination of at least two such rotor units allows a more flexible adaptation to the requirements of the electric motor.
  • the aim is to achieve this more flexible adaptation with as few different components as possible, for example as few different sheet metal cuts as possible.
  • this adaptation is static, i.e. the design of the electric motor is matched to certain requirements; adaptation to changing requirements during operation is not possible.
  • the object of the invention is therefore to specify an electrical drive system which can be adapted to changing requirements during operation.
  • the electrical drive system has at least one power converter.
  • a plurality of electric sub-motors is provided.
  • the electric sub-motors are arranged in a row and have one shaft in common. Between at least two consecutive A connection element is provided for sub-motors.
  • a supply of electrical energy to a respective sub-motor can be controlled by each interconnection element.
  • each sub-motor is an electric motor in itself, in which end windings are replaced by electrical connections in one of the interconnection elements.
  • a sub-motor with its windings and the aforementioned electrical connections in interconnection elements forms a complete electric motor.
  • the common shaft of the electrical drive system is the rotor shaft of each sub-motor.
  • the converter is used to supply the electrical drive system with electrical energy.
  • the supply of electrical energy to this sub-motor can be controlled for each sub-motor; so each sub-motor can be switched on in order to generate torque on the common shaft, or switched off if torque from this sub-motor is not required.
  • the electric drive system can be flexibly adapted to changing requirements during operation.
  • the electric drive system consists of at least two segments, each segment comprising a converter and one or more sub-motors.
  • the at least two segments are electrically decoupled by an electrical separating element.
  • the at least two segments have a common shaft.
  • the electrical isolating element can, for example, connect the phases of a sub-motor adjacent to it by a star or delta connection. This is preferably done using fixed, i.e. non-switchable, wiring.
  • the separating element fulfills an important safety function because it avoids short circuits between the segments and uncontrolled mutual feed between the segments. In the case of a motor vehicle, sudden braking or otherwise unexpected driving behavior could otherwise occur.
  • the segments can differ in essential structural parameters. So can the The number of pole pairs for a sub-motor of one segment may be different from the number of pole pairs for a sub-motor of another segment.
  • the sub-motors of a segment have the same number of pole pairs.
  • the segments can also differ in the number of phases that are used to supply the sub-motors of the respective segment with electrical energy. Different segments can also be fed with alternating currents of different frequencies.
  • each interconnection element is a power converter. This means that a separate converter is assigned to each sub-motor, and each sub-motor can therefore be controlled separately, completely independently of the other sub-motors. This embodiment thus represents a highly flexible variant of the electric drive system according to the invention.
  • an interconnection element comprises one or more switching elements.
  • the switching elements are used to electrically connect a phase of a winding of a sub-motor to a converter or to electrically disconnect it from the converter.
  • Corresponding switching elements are preferably provided for all phases of the windings of a sub-motor.
  • the switching elements can be mechanical or electronic, for example. A combination of mechanical and electronic switching elements can also be used.
  • an interconnection element can have further functions in one embodiment.
  • an interconnection element can be provided to implement different interconnection types of windings of a sub-motor with one another.
  • An interconnection element can also be designed to implement different interconnection types of windings of successive sub-motors with one another.
  • parallel or series connection is possible, as are coil switchings such as star-delta connection, star-polygon connection, star-delta-double-star connection in any combination.
  • the electric drive system is provided for driving more than one shaft.
  • Each of the shafts is at least two sub-motors of the electric drive system together.
  • at least two sub-motors for different shafts can be supplied with electrical energy from a common converter.
  • an interconnection element can be common to at least two sub-motors for different shafts. The common interconnection element is designed to realize a parallel connection of the at least two sub-motors to different shafts.
  • a sub-motor can be designed, for example, as an asynchronous motor, separately excited synchronous machine, reluctance machine or machine with scalable and disconnectable magnets. It is crucial that when the sub-motor is switched off, i.e. when the sub-motor is not supplied with electrical energy, the rotor is field-free. A field-free rotor does not exist in a permanently excited synchronous machine. A permanently excited synchronous machine can nevertheless be used as a sub-motor in the electrical drive system according to the invention. However, the permanently excited synchronous machine cannot be switched off, because when the rotor is rotating and the stator of the permanently excited synchronous machine is not energized, a voltage would be induced at the stator terminals, which could damage the power electronics.
  • the sub-motors of an electrical drive system according to the invention can be of different types, that is, without restricting the invention, for example one sub-motor of the drive system can be an asynchronous motor, and another sub-motor can be a separately excited synchronous machine.
  • Sub-motors and converters can be designed as multi-phase systems; more than three phases are expressly also possible here.
  • converters or inverters can be used as power converters.
  • Figure 1 shows an embodiment of an electric drive system according to the invention.
  • Figure 2 shows an embodiment of an electric drive system according to the invention with two segments.
  • FIG. 3 shows an embodiment of an electrical drive system according to the invention with segments.
  • FIG. 4 shows an embodiment of an electric drive system according to the invention.
  • FIG. 5 shows an embodiment of a drive system according to the invention with several shafts.
  • the electrical drive system 1 shows an electrical drive system 1 according to the invention.
  • the electrical drive system 1 is supplied with electrical energy via a converter 2.
  • a plurality of sub-motors 31, 32, 33, 34 are arranged in series, a connection element 41, 42, 43 being provided between each successive sub-motor.
  • a separating element 5 closes off the electric drive system 1 here.
  • the shaft 6 common to the sub-motors 31, 32, 33, 34, which represents the rotor shaft for each of the sub-motors 31, 32, 33, 34, is shown in dashed lines.
  • the dotted center line 400 symbolizes that the drive system 1 can contain further sub-motors and interconnection elements than just those explicitly shown in the drawing.
  • the separating element 5 forms the end of the electric drive system 1 by connecting the phases of the sub-motor 34 to one another in a star or delta connection.
  • the interconnection elements 41, 42, 43 can electrically connect the sub-motors that follow them, starting from the converter 2, to the converter 2 so that the respective sub-motor can be supplied with electrical energy, or they can electrically separate the respective sub-motor from the converter 2, so that a supply of the respective sub-motor with electrical energy from the converter 2 is not possible is. More precisely, the interconnection element 41 can electrically connect the sub-motor 32 to the converter 2 or electrically separate the sub-motor 32 from the converter 2; The interconnection element 42 can electrically connect the motor part 33 to the converter 2 or electrically disconnect the motor part 33 from the converter 2.
  • interconnection element 42 electrically separates the sub-motor 33 from the converter 2
  • all subsequent sub-motors, in particular sub-motor 34 are thereby also electrically separated from the converter 2.
  • Motor part 31 is electrically connected directly to converter 2.
  • interconnection element 41 must electrically connect sub-motor 32 to converter 2.
  • the individual sub-motors can therefore be switched on successively in order to generate torque on the shaft 6.
  • the electric drive system 1 can therefore be flexibly adapted to fluctuating requirements during operation.
  • FIG. 2 shows a further embodiment of a drive system 1 according to the invention, which here consists of two segments 100 and 200.
  • the segment 100 includes power converters 21, sub-motors 31, 32, 33 and interconnection elements 41, 42.
  • the segment 200 includes power converters 22, sub-motors 34, 35, and interconnection element 43.
  • Shaft 6 is common to the segments 100, 200.
  • the separating element 5 connects the phases of the sub-motor 33 with one another in a star or delta connection, and it likewise connects the phases of the sub-motor 34 with one another in a star or delta connection. In this way, the segments 100, 200 are electrically separated from one another by the separating element 5.
  • the converter 21 to supply the sub-motors of the segment 100 with alternating current of a first frequency
  • the converter 22 to supply the sub-motors of the segment 200 with alternating current of a second frequency; the second frequency can be different from the first frequency.
  • the sub-motors of segment 100 have a different number of pole pairs than the sub-motors of segment 200.
  • a different number of phases is used for the sub-motors of segment 100 than for the sub-motors of segment 200.
  • the interconnection elements 41 and 42 are provided for the purpose of connecting the sub-motors 32 and 33 with the converter 21, respectively connect or disconnect from the converter 21.
  • the interconnection element 43 is provided to connect the sub-motor 34 to the converter 22 or to disconnect it from the converter 22. So that interconnection element 42 can electrically connect sub-motor 33 to converter 21, sub-motor 32 must be connected to converter 21 in an electrically conductive manner by interconnection element 41.
  • FIG. 3 shows a further exemplary embodiment of a drive system 1 according to the invention with segments.
  • the electric drive system 1 shown is divided into three segments 100, 200, 300; Separating element 51 electrically separates segment 100 from segment 200, separating element 52 electrically separates segment 200 from segment 300.
  • Segment 100 comprises converters 21, sub-motors 31, 32 and interconnection element 41.
  • Segment 200 comprises sub-motors 33, 34, 35, 36, converters 22, as well Interconnection elements 42 and 43.
  • Segment 300 comprises converters 23, sub-motors 37, 38, and interconnection element 44.
  • Shaft 6 is common to segments 100, 200, 300.
  • Each converter 21, 22, 23 is provided to supply the sub-motors of the segment with electrical energy to which it belongs.
  • the electric drive system 1 comprises sub-motors 31, 32, 33, 34, 35 with these common shafts 6. Each sub-motor is assigned a converter to supply this sub-motor with electrical energy .
  • Power converter 21 is provided to supply sub-motor 31 with electrical energy;
  • Power converter 22 is provided to supply sub-motor 32 with electrical energy;
  • Converter 23 is provided to supply sub-motor 33 with electrical energy;
  • Converter 24 is provided to supply sub-motor 34 with electrical energy;
  • Power converter 25 is provided to supply sub-motor 35 with electrical energy.
  • Separating element 5 electrically closes the electric drive system 1 by connecting the phases of the sub-motor 35, for example in a star or delta connection.
  • All sub-motors of the electric drive system 1 are electrically isolated from one another in this embodiment and can be controlled completely independently of one another via their respective converters.
  • the number of phases and the number of pole pairs can be selected for each sub-motor independently of the other sub-motors.
  • the frequency of the alternating current with which the respective sub-motor is fed can also be can be selected independently of the frequency of the alternating current for other sub-motors of the drive system 1.
  • it is important here that the parameters of the number of phases, number of pole pairs and frequency of the alternating current are matched to one another in such a way that the sub-motors do not interfere with one another when several sub-motors are operated together.
  • this fact and the corresponding coordination are known to the person skilled in the art.
  • FIG. 5 shows an electric drive system 1 with several, here three, shafts 61, 62, 63.
  • Each shaft can be understood as one strand of the drive system 1 together with the sub-motors provided for driving it.
  • Line 310 includes shaft 61 and sub-motors 311, 312, 313, 314, 315; Strand 320 the shaft 62 and the sub-motors 321, 322, 323, 324, 325; Line 330, the shaft 63 and the sub-motors 331, 332, 333, 334, 335.
  • the power converters 21 and 22 are common to the strands 310, 320, 330.
  • the interconnection elements 41, 42, 43 are also common to the strands 310, 320, 330.
  • the drive system 1 is divided into segments 100, 200; this implies a corresponding subdivision of each strand 310, 320, 330.
  • sub-motors belonging to different strings 310, 320, 330 can be connected in parallel via the power converters 21, 22 and interconnection elements 41, 42, 43 common to the strings.

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Abstract

Ein elektrisches Antriebssystem (1) umfasst eine Vielzahl von Teilmotoren (31, 32, 33, 34), die eine gemeinsame Welle (6) antreiben. Die Teilmotoren (31, 32, 33, 34) werden durch mindestens einen Stromrichter (2) mit elektrischer Energie versorgt. Verschaltungselemente (41, 42, 43) zwischen den Teilmotoren (31, 32, 33, 34) verbinden einen Teilmotor (31, 32, 33, 34) mit einem der Stromrichter (2) oder trennen den Teilmotor (31, 32, 33, 34) davon.

Description

ELEKTRISCHES ANTRIEBSSYSTEM
Die Erfindung betrifft ein elektrisches Antriebssystem mit einer oder mehreren Wellen.
Elektrische Antriebssysteme sind weit verbreitet. Ein Bereich zunehmender Bedeutung, auf den die Erfindung jedoch nicht beschränkt sein soll, ist der Kraftfahrzeugbereich, dort konkreter die Verwendung von elektrischen Antriebssystemen für den Fahrantrieb eines Kraftfahrzeugs. Natürlicherweise ist man an einem möglichst effizienten Antrieb interessiert. Ein Elektromotor, mit zugehöriger Leistungselektronik, der etwa zum Antrieb einer Achse oder eines einzelnen Rades eingesetzt wird, hat diesbezüglich den Nachteil, dass der höchste Wirkungsgrad des Elektromotors nur in einem oder in wenigen Betriebspunkten auftritt. Aufgrund der Anforderungen an das Antriebssystem, bei Kraftfahrzeugen etwa aufgrund unterschiedlichster Fahrsituationen, ist ein ständiger Betrieb bei diesen optimalen Betriebspunkten nicht möglich.
Aus der WO 2018/224091 A1 sind ein Rotor für einen Elektromotor und ein entsprechender Elektromotor bekannt. Dabei besteht der Rotor aus mindestens zwei Rotoreinheiten, welche jeweils auch allein, bei entsprechender Ausstattung mit Wicklungen, als Rotor eines Elektromotors wirken könnten. Die Kombination aus wenigstens zwei solcher Rotoreinheiten erlaubt eine flexiblere Anpassung an Anforderungen an den Elektromotor. Zusätzlich wird angestrebt, diese flexiblere Anpassung mit möglichst wenig verschiedenen Bauteilen, etwa möglichst wenig unterschiedlichen Blechschnitten, zu erzielen. In jedem Fall ist diese Anpassung aber statisch, d.h. der Elektromotor wird konstruktiv auf bestimmte Anforderungen abgestimmt, eine Anpassung an wechselnde Anforderungen während des Betriebs ist nicht möglich.
Aufgabe der Erfindung ist daher, ein elektrisches Antriebssystem anzugeben, welches während des Betriebs an wechselnde Anforderungen angepasst werden kann.
Das erfindungsgemäße elektrische Antriebssystem weist mindestens einen Stromrichter auf. Erfindungsgemäß ist eine Vielzahl von elektrischen Teilmotoren vorgesehen. Die elektrischen Teilmotoren sind in einer Reihe angeordnet und haben eine Welle gemeinsam. Zwischen mindestens zwei aufeinanderfolgenden Teilmotoren ist ein Verschaltungselement vorgesehen. Durch jedes Verschaltungselement kann eine Zufuhr von elektrischer Energie zu einem jeweiligen Teilmotor gesteuert werden.
Hierbei ist jeder Teilmotor für sich ein Elektromotor, bei dem Wickelköpfe durch elektrische Verbindungen in einem der Verschaltungselemente ersetzt sind. Ein Teilmotor mit seinen Wicklungen und den genannten elektrischen Verbindungen in Verschaltungselementen bildet einen vollständigen Elektromotor. Dabei ist die gemeinsame Welle des elektrischen Antriebssystems Rotorwelle eines jeden Teilmotors. Der Stromrichter dient zur Versorgung des elektrischen Antriebssystems mit elektrischer Energie. Durch die Verschaltungselemente kann für jeden Teilmotor die Zufuhr elektrischer Energie zu diesem Teilmotor gesteuert werden; also kann jeder Teilmotor zugeschaltet werden, um Drehmoment auf die gemeinsame Welle zu erzeugen, oder abgeschaltet werden, falls Drehmoment von diesem Teilmotor nicht erforderlich ist. Auf diese Weise kann das elektrische Antriebssystem während des Betriebs flexibel an wechselnde Anforderungen angepasst werden. Es ist insbesondere möglich, durch geeignete Auswahl der jeweils Drehmoment auf die Welle erzeugenden Teilmotoren diese Teilmotoren bei oder nahe ihrem höchsten Wirkungsgrad zu betreiben und somit den Betrieb des elektrischen Antriebssystems besonders energieeffizient zu gestalten.
In einer Ausführungsform besteht das elektrische Antriebssystem aus mindestens zwei Segmenten, wobei jedes Segment einen Stromrichter sowie einen oder mehrere Teilmotoren umfasst. Die mindestens zwei Segmente sind durch ein elektrisches Trennelement elektrisch entkoppelt. Die mindestens zwei Segmente haben eine gemeinsame Welle. Das elektrische Trennelement kann etwa die Phasen eines ihm benachbarten Teilmotors durch eine Stern- oder Dreiecksschaltung miteinander verbinden. Vorzugsweise geschieht dies durch eine feste, also nicht umschaltbare, Verdrahtung. Das Trennelement erfüllt eine wichtige Sicherheitsfunktion, denn es vermeidet Kurzschlüsse zwischen den Segmenten und unkontrollierte wechselseitige Speisung zwischen den Segmenten. Im Falle eines Kraftfahrzeugs könnte es ansonsten zu plötzlichem Bremsen oder anderweitig unerwartetem Fahrverhalten kommen.
Bei Unterteilung des elektrischen Antriebssystems in Segmente können sich die Segmente in wesentlichen konstruktiven Parametern unterscheiden. So kann die Anzahl der Polpaare für einen Teilmotor eines Segments verschieden sein von der Anzahl der Polpaare für einen Teilmotor eines anderen Segments. Die Teilmotoren eines Segments stimmen dabei in der Polpaarzahl überein. Auch können sich die Segmente in der Anzahl der Phasen unterscheiden, welche zur Versorgung der Teilmotoren des jeweiligen Segments mit elektrischer Energie verwendet werden. Ebenso können verschiedene Segmente mit Wechselstrom unterschiedlicher Frequenz gespeist werden.
In einer Ausführungsform ist jedes Verschaltungselement ein Stromrichter. Damit ist jedem Teilmotor ein separater Stromrichter zugeordnet, und daher kann jeder Teilmotor völlig unabhängig von den anderen Teilmotoren separat angesteuert werden. Diese Ausführungsform stellt somit eine hochflexible Variante des erfindungsgemäßen elektrischen Antriebssystems dar.
In einer anderen Ausführungsform umfasst ein Verschaltungselement ein oder mehrere Schaltelemente. Die Schaltelemente dienen dazu, eine Phase einer Wicklung eines Teilmotors mit einem Stromrichter elektrisch zu verbinden oder von dem Stromrichter elektrisch zu trennen. Vorzugsweise sind entsprechende Schaltelemente für alle Phasen der Wicklungen eines Teilmotors vorgesehen.
Die Schaltelemente können beispielsweise mechanisch oder elektronisch sein. Auch eine Kombination von mechanischen und elektronischen Schaltelementen kann verwendet werden.
Über die Verbindung eines Teilmotors mit einem Stromrichter hinaus kann ein Verschaltungselement in einer Ausführungsform weitere Funktionen haben. So kann ein Verschaltungselement dazu vorgesehen sein, verschiedene Verschaltungsarten von Wicklungen eines Teilmotors untereinander zu realisieren. Ein Verschaltungselement kann auch dazu ausgebildet sein, verschiedene Verschaltungsarten von Wicklungen aufeinanderfolgender Teilmotoren miteinander zu realisieren. Dabei sind, ohne die Erfindung darauf zu beschränken, beispielsweise Parallel- oder Reihenschaltung möglich, ebenso Spulenumschaltungen wie Stern- Dreieck-Schaltung, Stern-Vieleck-Schaltung, Stern-Dreieck-Doppelstern-Schaltung in beliebigen Kombinationen.
In anderen Ausführungsformen ist das elektrische Antriebssystem zum Antrieb mehr als einer Welle vorgesehen. Jede der Wellen ist dabei mindestens zwei Teilmotoren des elektrischen Antriebssystems gemeinsam. Es können dabei in einer Ausgestaltung mindestens zwei Teilmotoren zu verschiedenen Wellen von einem gemeinsamen Stromrichter mit elektrischer Energie versorgt werden. Ferner kann ein Verschaltungselement mindestens zwei Teilmotoren zu verschiedenen Wellen gemeinsam sein. Das gemeinsame Verschaltungselement ist dabei dazu ausgebildet, eine Parallelschaltung der mindestens zwei Teilmotoren zu verschiedenen Wellen zu realisieren.
Allgemein kann ein Teilmotor beispielsweise als Asynchronmotor, fremderregte Synchronmaschine, Reluktanzmaschine oder Maschine mit skalier- und abschaltbaren Magneten ausgeführt sein. Entscheidend ist, dass bei abgeschaltetem Teilmotor, also wenn der Teilmotor nicht mit elektrischer Energie versorgt wird, der Rotor feldfrei ist. Bei einer permanenterregten Synchronmaschine ist ein feldfreier Rotor nicht gegeben. Eine permanenterregte Synchronmaschine kann dennoch als Teilmotor im erfindungsgemäßen elektrischen Antriebssystem eingesetzt werden. Allerdings kann die permanenterregte Synchronmaschine nicht abgeschaltet werden, denn bei drehendem Rotor und nicht bestromtem Stator der permanenterregten Synchronmaschine würde eine Spannung an den Stator-Klemmen induziert werden, welche die Leistungselektronik beschädigen könnte. Die Teilmotoren eines erfindungsgemäßen elektrischen Antriebssystems können unterschiedlichen Typs sein, also kann, ohne Beschränkung der Erfindung, beispielsweise ein Teilmotor des Antriebssystems ein Asynchronmotor sein, ein weiterer Teilmotor kann eine fremderregte Synchronmaschine sein.
Es sind unterschiedlichste Geometrien wie Radialfluss-, Axialfluss- und Transversalflussmaschinen oder Kombinationen daraus denkbar. Teilmotoren und Stromrichter können als Mehrphasensysteme ausgeführt sein, ausdrücklich sind hier auch mehr als drei Phasen möglich. Als Stromrichter können, je nach Anwendungsfall, etwa Umrichter oder Wechselrichter eingesetzt werden.
Beim Einsatz bei Kraftfahrzeugen ist es denkbar, für mehrere Fahrzeugachsen oder gar einzelne Räder jeweils ein separates erfindungsgemäßes elektrisches Antriebssystem vorzusehen.
Nachfolgend werden die Erfindung und ihre Vorteile unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Figur 1 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektrischen Antriebssystems.
Figur 2 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektrischen Antriebssystems mit zwei Segmenten.
Figur 3 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektrischen Antriebssystems mit Segmenten.
Figur 4 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektrischen Antriebssystems.
Figur 5 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Antriebssystems mit mehreren Wellen.
Die Figuren stellen lediglich Ausführungsbeispiele der Erfindung dar. Die Figuren und die zugehörige Beschreibung sollen daher nicht als Beschränkung der Erfindung auf die dargestellten Ausführungsbeispiele aufgefasst werden.
Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemäßes elektrisches Antriebssystem 1. Das elektrische Antriebssystem 1 wird über einen Stromrichter 2 mit elektrischer Energie versorgt. In Reihe angeordnet sind eine Vielzahl von Teilmotoren 31 , 32, 33, 34, wobei zwischen aufeinanderfolgenden Teilmotoren jeweils ein Verschaltungselement 41 , 42, 43 vorgesehen ist. Ein Trennelement 5 schließt hier das elektrische Antriebssystem 1 ab. Gestrichelt dargestellt ist die den Teilmotoren 31, 32, 33, 34 gemeinsame Welle 6, welche für jeden der Teilmotoren 31, 32, 33, 34 die Rotorwelle darstellt. Die gepunktete Mittellinie 400 symbolisiert, dass das Antriebssystem 1 weitere Teilmotoren und Verschaltungselemente enthalten kann als nur die explizit in der Zeichnung dargestellten.
Das Trennelement 5 bildet in dem gezeigten Beispiel den Abschluss des elektrischen Antriebssystems 1 , indem es die Phasen des Teilmotors 34 in einer Stern- oder Dreiecksschaltung miteinander verbindet. Die Verschaltungselemente 41 , 42, 43 können die ihnen vom Stromrichter 2 ausgehend gesehen jeweils nachfolgenden Teilmotoren mit dem Stromrichter 2 elektrisch verbinden, so dass der jeweilige Teilmotor mit elektrischer Energie versorgt werden kann, oder können den jeweiligen Teilmotor elektrisch von dem Stromrichter 2 trennen, so dass eine Versorgung des jeweiligen Teilmotors mit elektrische Energie von dem Stromrichter 2 nicht möglich ist. Genauer kann das Verschaltungselement 41 den Teilmotor 32 mit dem Stromrichter 2 elektrisch verbinden bzw. den Teilmotor 32 von dem Stromrichter 2 elektrisch trennen; kann das Verschaltungselement 42 den Teilmotor 33 mit dem Stromrichter 2 elektrisch verbinden bzw. den Teilmotor 33 von dem Stromrichter 2 elektrisch trennen.
Falls hier etwa das Verschaltungselement 42 den Teilmotor 33 von dem Stromrichter 2 elektrisch trennt, so sind dadurch auch alle nachfolgenden Teilmotoren, insbesondere Teilmotor 34, von dem Stromrichter 2 elektrisch getrennt. Teilmotor 31 ist direkt mit dem Stromrichter 2 elektrisch verbunden. Soll Teilmotor 32 mit elektrischer Energie versorgt werden, so muss Verschaltungselement 41 den Teilmotor 32 mit dem Stromrichter 2 elektrisch verbinden. Je nach Schaltzustand der Verschaltungselemente 41, 42, 43 können daher die einzelnen Teilmotoren sukzessive zugeschalten werden, um Drehmoment auf die Welle 6 zu erzeugen. Das elektrische Antriebssystem 1 ist daher während des Betriebs flexibel an schwankende Anforderungen anpassbar.
Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Antriebssystems 1, welches hier aus zwei Segmenten 100 und 200 besteht. Das Segment 100 umfasst Stromrichter 21 , Teilmotoren 31, 32, 33 und Verschaltungselemente 41, 42. Das Segment 200 umfasst Stromrichter 22, Teilmotoren 34, 35, sowie Verschaltungselement 43. Welle 6 ist den Segmenten 100, 200 gemeinsam. Das Trennelement 5 verbindet die Phasen des Teilmotors 33 in einer Stern- oder Dreiecksschaltung miteinander, und ebenso verbindet es die Phasen des Teilmotors 34 in einer Stern- oder Dreiecksschaltung miteinander. Auf diese Weise sind die Segmente 100, 200 durch das Trennelement 5 elektrisch voneinander getrennt. Es ist hier etwa möglich, dass der Stromrichter 21 die Teilmotoren des Segments 100 mit Wechselstrom einer ersten Frequenz versorgt, und der Stromrichter 22 die Teilmotoren des Segments 200 mit Wechselstrom einer zweiten Frequenz; die zweite Frequenz kann von der ersten Frequenz verschieden sein. Es ist denkbar, dass die Teilmotoren des Segments 100 eine andere Polpaarzahl aufweisen, als die Teilmotoren des Segments 200. Auch ist es möglich, dass für die Teilmotoren des Segments 100 eine andere Anzahl Phasen verwendet wird als für die Teilmotoren des Segments 200. Die Verschaltungselemente 41 und 42 sind dazu vorgesehen, die Teilmotoren 32 bzw. 33 mit dem Stromrichter 21 zu verbinden oder von dem Stromrichter 21 zu trennen. Das Verschaltungselement 43 ist dazu vorgesehen, den Teilmotor 34 mit dem Stromrichter 22 zu verbinden oder von dem Stromrichter 22 zu trennen. Damit Verschaltungselement 42 den Teilmotor 33 elektrisch mit Stromrichter 21 verbinden kann, muss Teilmotor 32 durch Verschaltungselement 41 elektrisch leitend mit dem Stromrichter 21 verbunden sein.
Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Antriebssystems 1 mit Segmenten. Das gezeigte elektrische Antriebssystem 1 ist in drei Segmente 100, 200, 300 unterteilt; Trennelement 51 trennt Segment 100 elektrisch von Segment 200, Trennelement 52 trennt Segment 200 elektrisch von Segment 300. Segment 100 umfasst Stromrichter 21 , Teilmotoren 31, 32 sowie Verschaltungselement 41. Segment 200 umfasst Teilmotoren 33, 34, 35, 36, Stromrichter 22, sowie Verschaltungselemente 42 und 43. Segment 300 umfasst Stromrichter 23, Teilmotoren 37, 38, sowie Verschaltungselement 44. Den Segmenten 100, 200, 300 ist Welle 6 gemeinsam. Jeder Stromrichter 21 , 22, 23 ist dazu vorgesehen, die Teilmotoren des Segments mit elektrischer Energie zu versorgen, dem er angehört.
Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektrischen Antriebssystems 1. Das elektrische Antriebssystem 1 umfasst Teilmotoren 31, 32, 33, 34, 35 mit diesen gemeinsamer Welle 6. Jedem Teilmotor ist jeweils ein Stromrichter zugeordnet, um diesen Teilmotor mit elektrischer Energie zu versorgen. So ist Stromrichter 21 vorgesehen, Teilmotor 31 mit elektrischer Energie zu versorgen; Stromrichter 22 ist vorgesehen, Teilmotor 32 mit elektrischer Energie zu versorgen; Stromrichter 23 ist vorgesehen, Teilmotor 33 mit elektrischer Energie zu versorgen; Stromrichter 24 ist vorgesehen, Teilmotor 34 mit elektrischer Energie zu versorgen; Stromrichter 25 ist vorgesehen, Teilmotor 35 mit elektrischer Energie zu versorgen. Trennelement 5 schließt das elektrische Antriebssystem 1 elektrisch ab, indem es die Phasen des Teilmotors 35 beispielsweise in einer Stern- oder Dreiecksschaltung verbindet. Alle Teilmotoren des elektrischen Antriebssystems 1 sind in dieser Ausführungsform elektrisch voneinander getrennt und können völlig unabhängig voneinander über ihren jeweiligen Stromrichter angesteuert werden. Die Anzahl der Phasen und die Anzahl der Polpaare kann für jeden Teilmotor unabhängig von den anderen Teilmotoren gewählt werden. Ebenso kann die Frequenz des Wechselstroms, mit dem der jeweilige Teilmotor gespeist wird, unabhängig von der Frequenz des Wechselstroms für andere Teilmotoren des Antriebssystems 1 gewählt werden. Wichtig ist hier allerdings, dass die Parameter Phasenzahl, Polpaarzahl und Frequenz des Wechselstroms so aufeinander abgestimmt sind, dass sich die Teilmotoren bei gemeinsamem Betrieb mehrerer Teilmotoren nicht gegenseitig behindern. Dieser Umstand und die entsprechende Abstimmung sind dem Fachmann jedoch bekannt.
Fig. 5 zeigt ein elektrisches Antriebssystem 1 mit mehreren, hier ohne Beschränkung der Erfindung drei, Wellen 61 , 62, 63. Jede Welle kann zusammen mit den zu ihrem Antrieb vorgesehenen Teilmotoren als ein Strang des Antriebssystems 1 aufgefasst werden. So beinhaltet Strang 310 die Welle 61 und die Teilmotoren 311 , 312, 313, 314, 315; Strang 320 die Welle 62 und die Teilmotoren 321, 322, 323, 324, 325; Strang 330 die Welle 63 und die Teilmotoren 331, 332, 333, 334, 335.
In dieser Ausführungsform sind die Stromrichter 21 und 22 den Strängen 310, 320, 330 gemeinsam. Ebenso sind die Verschaltungselemente 41, 42, 43 den Strängen 310, 320, 330 gemeinsam. Durch ein den Strängen 310, 320, 330 gemeinsames
Trennelement 5 wird das Antriebssystem 1 in Segmente 100, 200 unterteilt; dies impliziert eine entsprechende Unterteilung jedes Strangs 310, 320, 330.
In dieser Ausführungsform des Antriebssystems 1 können Teilmotoren, die zu verschiedenen Strängen 310, 320, 330 gehören, parallel geschalten werden, über die den Strängen gemeinsamen Stromrichter 21 , 22 und Verschaltungselemente 41 , 42, 43.
Bezugszeichenliste
1 elektrisches Antriebssystem
2 Stromrichter
5 Trennelement
6 Welle
21 - 25 Stromrichter 31 - 38 Teilmotor 41 - 44 Verschaltungselement 51, 52 Trennelement 61 - 63 Welle 100 Segment 200 Segment
310 Strang
311 - 315 Teilmotor
320 Strang
321 - 325 Teilmotor
330 Strang
331 - 335 Teilmotor
400 Mittellinie

Claims

Patentansprüche
1. Elektrisches Antriebssystem (1 ) mit mindestens einem Stromrichter (2), gekennzeichnet durch eine Vielzahl von in Reihe angeordneten Teilmotoren (31, 32, 33, 34, 35) mit den Teilmotoren (31, 32, 33, 34, 35) gemeinsamer Welle (6); ein Verschaltungselement (41, 42, 43) zwischen mindestens zwei aufeinanderfolgenden Teilmotoren (31, 32, 33, 34, 35), wobei durch jedes Verschaltungselement (41 , 42, 43) eine Zufuhr von elektrischer Energie zu einem jeweiligen Teilmotor (31, 32, 33, 34, 35) gesteuert werden kann.
2. Elektrisches Antriebssystem (1 ) nach Anspruch 1 , wobei das elektrische Antriebssystem (1) aus mindestens zwei Segmenten (100, 200) besteht, jedes Segment (100, 200) einen Stromrichter (21, 22) sowie einen oder mehrere Teilmotoren (31, 32, 33, 34, 35) umfasst, die mindestens zwei Segmente (100, 200) durch ein elektrisches Trennelement (5) elektrisch entkoppelt sind, und die mindestens zwei Segmente (100. 200) eine gemeinsame Welle (6) haben.
3. Elektrisches Antriebssystem (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, wobei jedes Verschaltungselement ein Stromrichter (21, 22, 23, 24, 25) ist.
4. Elektrisches Antriebssystem (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein Verschaltungselement (41 , 42, 43) ein oder mehrere Schaltelemente umfasst, um eine Phase einer Wicklung eines Teilmotors (31 , 32, 33, 34, 35) mit einem Stromrichter (2) elektrisch zu verbinden oder von dem Stromrichter (2) elektrisch zu trennen.
5. Elektrisches Antriebssystem (1 ) nach Anspruch 4, wobei das ein oder die mehreren Schaltelemente ein mechanisches Schaltelement oder ein elektronisches Schaltelement umfassen.
6. Elektrisches Antriebssystem (1 ) nach Anspruch 4 oder 5, wobei ein Verschaltungselement (41 , 42, 43) dazu ausgebildet ist, verschiedene Verschaltungsarten von Wicklungen eines Teilmotors (31, 32, 33, 34, 35) untereinander zu realisieren.
7. Elektrisches Antriebssystem (1 ) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei ein Verschaltungselement (41 , 42, 43) dazu ausgebildet ist, verschiedene Verschaltungsarten von Wicklungen aufeinanderfolgender Teilmotoren (31, 32, 33, 34, 35) miteinanderzu realisieren.
8. Elektrisches Antriebssystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zum
Antrieb mehr als einer Welle (61 , 62, 63), wobei jede der Wellen (61 , 62, 63) mindestens zwei Teilmotoren (311-315, 321-325, 331-335) des elektrischen Antriebssystems (1) gemeinsam ist.
9. Elektrisches Antriebssystem (1 ) nach Anspruch 8, wobei mindestens zwei Teilmotoren (311-315, 321-325, 331-335) zu verschiedenen Wellen (61, 62,
63) von einem gemeinsamen Stromrichter (21, 22) mit elektrischer Energie versorgt werden.
10. Elektrisches Antriebssystem (1 ) nach Anspruch 8 oder 9, wobei mindestens zwei Teilmotoren (311-315, 321-325, 331-335) zu verschiedenen Wellen (61, 62, 63) ein Verschaltungselement (41 , 42, 43) gemeinsam ist, und wobei dieses gemeinsame Verschaltungselement (41, 42, 43) dazu ausgebildet ist, eine Parallelschaltung der mindestens zwei Teilmotoren (311-315, 321-325, 331-335) zu verschiedenen Wellen (61, 62, 63) zu realisieren.
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