WO2022018174A1 - Operating a drive device - Google Patents

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WO2022018174A1
WO2022018174A1 PCT/EP2021/070465 EP2021070465W WO2022018174A1 WO 2022018174 A1 WO2022018174 A1 WO 2022018174A1 EP 2021070465 W EP2021070465 W EP 2021070465W WO 2022018174 A1 WO2022018174 A1 WO 2022018174A1
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WO
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inverter
inverters
winding
phase
drive device
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Application number
PCT/EP2021/070465
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German (de)
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Inventor
Walter Marx
Original Assignee
Siemens Energy Global GmbH & Co. KG
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02PCONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P25/00Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details
    • H02P25/16Arrangements 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
    • H02P25/18Arrangements 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 with arrangements for switching the windings, e.g. with mechanical switches or relays
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K11/00Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection
    • H02K11/30Structural association with control circuits or drive circuits
    • H02K11/33Drive circuits, e.g. power electronics
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K21/00Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets
    • H02K21/12Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets
    • H02K21/14Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets with magnets rotating within the armatures
    • H02K21/16Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets with magnets rotating within the armatures having annular armature cores with salient poles
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K3/00Details of windings
    • H02K3/04Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors
    • H02K3/28Layout of windings or of connections between windings

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a drive device, in particular for a watercraft, the drive device having a rotating electrical machine which has a stator having a magnetic unit and a rotor which is arranged such that it can rotate with respect to the stator and is spaced apart from the magnetic unit by an air gap , wherein the magnetic unit has slots formed on the air gap side, a first phase winding being arranged in each slot and a second phase winding electrically insulated from the first phase winding being arranged, and having an inverter arrangement which has a plurality of inverters.
  • a respective first winding phase is connected to a respective first inverter of the inverter arrangement and a respective second winding phase is connected to a respective second inverter of the inverter arrangement, the inverters being controlled in such a way that the winding phases have the same predetermined electrical Current are applied.
  • one phase winding with a first connection is connected to one inverter in each case, with two first phase windings of two respective slots arranged immediately adjacent and two second phase windings of these slots being connected in series via respective second connections, and in a first operating state, only a predetermined selection of the inverters of the inverter arrangement is activated, with a drive power to be provided in the first operating state being less than a partial power of the inverter arrangement that can be provided by the activated inverters, which is determined as a function of a maximum electric current that can be provided by the activated inverters and in a second operating state in which the drive power to be provided is greater than the partial power, all inverters of the inverter arrangement are activated.
  • the invention also relates to propulsion devices, in particular for a watercraft, with a rotating electrical machine that has a stator that has a magnetic unit and a rotor that is rotatably arranged relative to the stator and is spaced apart from the magnetic unit by an air gap, the magnetic Unit has grooves formed on the air gap side, with a first winding phase being arranged in each groove and a second winding phase electrically insulated from the first winding phase being arranged, an inverter arrangement having a plurality of inverters, wherein, according to the first aspect, a respective first winding phase is connected to one respective first inverter of the inverter arrangement is connected and a respective second phase winding is connected to a respective second inverter of the inverter arrangement, and a control device for controlling the inverter he who is designed to control the first and the second inverters in such a way that the first and the second inverters apply the same predeterminable electric current to the respective phase windings.
  • one phase winding is connected to an inverter with a first connection, with two first phase windings of two respective immediately adjacent slots and two second phase windings of these slots being connectable in series via respective second connections
  • the control device for controlling the inverters is designed to activate only a predetermined selection of the inverters of the inverter arrangement in a first operating state, wherein in the first operating state a drive power to be provided is less than a partial power of the inverter arrangement that can be provided by the activated inverters, which depends on a is determined in each case by the activated inverters, and in a second operating state in which the drive power to be provided is greater than the partial power, activate all inverters of the inverter arrangement.
  • the drive device also known as the electric drive device, serves, among other things, to be able to implement a drive function in vehicles, in particular in watercraft, during normal operation of the vehicle or ferry operation.
  • the drive device can be connected to a drive shaft.
  • the drive shaft can be directly non-rotatably connected, for example, to the rotor of the electrical machine.
  • the drive device of the generic type can be used particularly advantageously in watercraft, in particular in underwater boats.
  • the generic drive device proves to be advantageous because it can be achieved that a ship's propeller can be directly connected to the rotor or a rotor shaft of the rotor, rotatably. A gear can be avoided.
  • the drive device makes it possible to keep noise development or sound emission by the drive device as low as possible by suitably controlling the inverters. This is not only advantageous for water vehicles in general, but also particularly for submarines, as a result of which their locatability can be reduced.
  • a generic drive device is disclosed, for example, by WO 2004/068694 A1, which discloses an electrical machine for the propulsion drive of a submarine with a permanent magnetically excited synchronous machine.
  • the drive device of WO 2004/068694 A1 is intended to achieve increased availability of the drive function through redundancy, with machine noise being able to be reduced. Even if the teaching of WO 2004/068694 A1 has proven itself, disadvantages still remain. It has been shown that in the aforementioned construction, a defect in an inverter can lead to significant restrictions on the intended operation. This is particularly unfavorable for underwater boats. In this context, the aforementioned construction proves to be disadvantageous in that a repair or corresponding maintenance cannot generally be carried out during normal ferry operation.
  • the aforesaid construction requires that the drive device has to be laboriously dismantled in order to be able to replace or maintain the respective inverter or a respective inverter module. This type of repair or maintenance is therefore only possible for watercraft in the roadstead or in the port.
  • the invention is therefore based on the object of developing a generic drive device, a generic watercraft and a method for operating the drive device in such a way that improved availability can be achieved in the event of a fault in an inverter. It should preferably be possible to reduce sound emissions from the drive device.
  • the invention drives devices and methods according to the first and the second aspect and a Watercraft according to the independent claims proposed.
  • the respective second inverter in an operating state in which one of the first inverters cannot be activated, is controlled in such a way that the respective second phase winding is acted upon by twice the specified electric current when the specified electric current is less than a maximum electric current that can be provided by the respective second inverter.
  • the invention proposes in particular that, in the case of a non-activatable inverter that is connected to a respective first winding phase, in the second operating state the inverter that is connected to the respective second winding phase is is controlled that this second phase winding is acted upon by the maximum electric current that can be provided.
  • the invention proposes in particular that the control device is also designed, in an operating state in which one of the first inverters cannot be activated, to control the respective second inverter in such a way that the respective second winding strand is acted upon by twice the predefinable electric current if the predefinable electric current is less than a maximum electric current that can be provided by the respective second inverter.
  • the invention proposes in particular that the control device is also designed, in the case of a non-activatable inverter that is connected to a respective first phase winding, in the second operating state to control the inverter that is connected to the each respective second phase winding is connected to control such that this second phase winding is acted upon by the maximum electric current that can be provided.
  • the invention proposes in particular that the drive unit be designed according to the invention.
  • the invention is based, among other things, on the idea that in the case of a non-activatable inverter or a non-activatable inverter module, the operation of the drive device can not only be continued, but also noise development, for example due to an asymmetrical operating situation of the inverter arrangement, can be significantly reduced if at least a limited compensation can be created with the remaining inverters of the inverter arrangement.
  • an inverter or an inverter module cannot be activated as intended, for example due to a fault, a defect, an insulation fault or another undesirable event, not only can the partial operation of the drive unit be significantly reduced without major losses in terms of noise development to have to accept, son countries by the operational management according to the invention, a significantly improved operation can be rea lome even at higher power, with effects on the noise development development by the drive device can still be largely small. This is particularly important in the case of watercraft, such as underwater boats or the like. In contrast to the prior art, it is therefore no longer absolutely necessary to produce a high level of performance of the drive device to repair the inverter arrangement by replacing the corresponding inverter or a corresponding inverter module. Rather, it is possible to maintain a high level of performance with low noise development through targeted operational management of the drive device, in particular the inverter arrangement.
  • the invention avoids, on the one hand, that there is no longer any magnetic flux in the slot with the phase winding without current due to the non-activatable inverter.
  • An increase in the double or quadruple electrical frequency of the drive device, in particular of the inverter arrangement, can thus be reduced, if not avoided altogether.
  • the inverters especially in the case of series connection of winding strands, do not need to be switched to parallel operation, which would require all remaining inverters to be operated with the same clock frequency, which results in a significant acoustic noise emission could have, which would not occur in undisturbed normal operation.
  • the slots of the magnetic unit extend from one axial end of the magnetic unit or the stator to an opposite axial end of the magnetic unit or the stator.
  • the grooves are preferably arranged on the inside of a substantially circular peripheral opening of the stator or of the magnetic unit, namely substantially co-axially to an axis of rotation of a aisle opening arranged rotor when the rotating electrical machine is an internal rotor.
  • the grooves can be arranged correspondingly on an outer circumference of the magnetic unit.
  • Each slot has at least one first phase winding and at least one second phase winding which is electrically isolated from the first phase winding.
  • a phase winding can be formed by an electrical conductor of a stator winding of the stator or of the magnetic unit.
  • the magnetic conductor can have a round cross-section or else an angular cross-section, in particular a rectangular cross-section.
  • the winding strands can be arranged one above the other and/or next to one another in the slot.
  • a phase winding can also have more than a single electrical conductor. If there are several conductors, they can be connected in series or in parallel.
  • the grooves extend essentially parallel to the axis of rotation. Depending on the design, however, it can also be provided that the grooves are formed at an angle relative to the axis of rotation.
  • a respective first phase winding is connected to a respective first inverter of the inverter arrangement and a respective second winding phase is connected to a respective second inverter of the inverter arrangement.
  • At least a first respective connection of a respective phase winding is thus also connected to a respective inverter.
  • the respective phase windings are preferably connected to the respective inverter with their first connection and also with their respective second connection.
  • the respective inverter comprises at least one full-bridge circuit made up of switching elements, which are operated in switching operation when the inverter is operated as intended.
  • the full bridge circuit usually includes two series circuits of at least two series-connected ted switching elements. The series circuits are connected in parallel on the circuit side.
  • the first and the second connection of the respective phase winding are connected to the respective center taps of the series circuits.
  • a switching element can be formed by one or more semiconductor switching elements.
  • the switching element can also include an electromechanical switching element, for example a relay, a contactor and/or the like.
  • the semiconductor switching element can also be formed by an electromechanical switching element or any other suitable switching element.
  • the switching element in particular the semiconductor switching element, can be replaced by a transistor, in particular a field effect transistor, preferably a metal oxide field effect transistor (MOSFET), an insulated gate bipolar transistor (IGBT), but also by a gate turn-off thyristor (GTO ) and/or the like or any other type of switching elements.
  • a transistor in particular a field effect transistor, preferably a metal oxide field effect transistor (MOSFET), an insulated gate bipolar transistor (IGBT), but also by a gate turn-off thyristor (GTO ) and/or the like or any other type of switching elements.
  • MOSFET metal oxide field effect transistor
  • IGBT gate turn-off thyristor
  • the semiconductor switching elements are operated in switching mode.
  • the switching operation means that in a switched-on switching state, a very small electrical resistance is provided between the terminals of the transistor that form a contact gap, so that a high current flow is possible with a very small residual voltage.
  • the switching gap of the transistor has a high resistance, i.e. it provides a high electrical resistance, so that even with a high electrical voltage applied to the switching gap, there is essentially no or only a very small, in particular negligible, current flow.
  • the control unit is connected at least to the switching elements, in particular the semiconductor switching elements of the inverters.
  • Each inverter preferably has its own communication interface, by means of which it is in communication with the control device.
  • the control device can also be used to control activation or deactivation of the respective inverter.
  • the control unit itself can be pre-see as a separate unit. However, it is preferably part of the inverter arrangement and is particularly preferably integrated into it.
  • the inverters are controlled in such a way that the phase windings are subjected to the same predetermined electric current.
  • the specified electric current can be dependent, for example, on a drive power to be set, a drive torque to be set and/or the like.
  • the specified electric current is specified by a control device or the like connected to the control device.
  • the control device can have a corresponding hardware circuit and/or a correspondingly designed program-controlled computing unit.
  • the respective second inverter in an operating state in which one of the first inverters cannot be activated, the respective second inverter is controlled in such a way that the respective second phase winding, which is in the same slot as the first inverter connected to the first Phase winding is arranged, is acted upon by twice the predetermined electric current when the predetermined electric current is less than the maximum electric current that can be provided by the respective second inverter.
  • This can be achieved that as long as the specified electric current is less than the
  • the maximum current that can be provided by the respective second inverter can compensate for this functional failure by providing or loading the respective second phase winding in the slot in which the first phase winding is currentless because the inverter cannot be activated.
  • the respective second phase winding is acted upon by the maximum electric current that can be provided if the specified electric current is greater than the maximum current that can be provided.
  • first phase winding and a second phase winding are arranged in each slot and are electrically insulated from one another, it is possible, if only a small amount of drive power is required by the drive device, to operate some of the inverters at partial power, for example around half of the To disable inverters, preferably either those inverters that are connected to the first phase windings are connected, or the inverters, which are connected to the second phase windings. Particularly in the last-mentioned case, it can be achieved that each of the slots continues to be subjected to a magnetic flux. As a result, a good degree of efficiency with low noise emission can be guaranteed by the drive device even in partial power operation.
  • This operating state can be advantageously used particularly for low speeds of the watercraft, for example when maneuvering or when crawling, for example in an underwater boat or the like.
  • the low-power operating state can extend to a drive power that is determined by the respective maximum electric current that can be provided by the inverter. Depending on requirements, this low-power operating state can also only be implemented down to a lower power level.
  • the low power operating state can be followed by a partial power operating state which, according to the second aspect, provides for a respective series connection of first and second winding strands arranged in immediately adjacent slots.
  • this partial power operating state it is therefore provided for two immediately adjacent slots that the respective first winding strands are connected in series.
  • the respective second phase windings are also connected in series for the same slots.
  • the drive device has a switching unit which is designed to switch the respective winding strands in series in a first switching state. Provision can thus be made for a corresponding switching unit to be provided, which can provide the corresponding switching states for the phase windings in order to be able to switch between the partial power operating state and the low-power operating state.
  • the switching unit can be, for example, an electromechanical switching unit, the electromechanical switching elements such as relays, contactors and/or the like uses.
  • the switching unit can of course also have electronic switching elements for realizing the respective switching functions. A combination of these can also be provided.
  • Each inverter of the inverter arrangement is connected to a single phase winding, specifically at a first connection of the respective phase winding.
  • the second connections of the phase windings are electrically connected to one another in a predetermined manner, for example via the switching unit, in order to form the respective series circuits.
  • both electrical ends of the series circuit are formed by respective first connections of the phase windings and are electrically connected to a respective inverter.
  • This partial power operating state has the advantage that a high level of efficiency can still be achieved for the specified partial power range.
  • this type of circuit in conjunction with the inverter operation can continue to reduce the noise generated by the drive device.
  • At least two operating states are possible for the partial power operating state, namely a first operating state and a second operating state, as explained below.
  • a drive power to be provided is less than a partial power of the inverter arrangement that can be provided by the activated inverter, which depends on is determined by a maximum electric current that can be provided by the activated inverters.
  • the maximum electrical current that can be provided by an inverter is preferably the current that, for technical reasons, can be provided by the respective inverter as a maximum at an AC voltage connection of the inverter that is electrically coupled to a respective phase winding.
  • the inverters of the inverter arrangement are activated.
  • the first operating state only the series-connected first winding strands are supplied with electric current.
  • the second phase windings connected in series are supplied with electric current.
  • provision can also be made for switching between these two aforementioned configurations. Combinations of these can also be provided, in particular if at least one winding strand is supplied with electric current in all slots.
  • the problem of the inverter that cannot be activated occurs in the first operating state, it is only necessary to switch between the inverters connected to the first winding strands and the inverters connected to the second winding strands. In the first operating state, therefore, full redundancy can be achieved in relation to the failure of an inverter. In contrast, in the second operating state, the failure of the inverter can be at least partially compensated.
  • a full-power operating state in which the series connection in the partial-power operating state is dissolved and each phase winding is operated on a respective inverter.
  • the phase windings are preferably connected with both terminals to the respective inverter, which is designed for this purpose, for example, in a full-bridge circuit.
  • the inverter only needs to be designed as a half-bridge circuit.
  • the selection be specified in such a way that at least one phase winding is supplied with electric current in each slot. This has the advantage of uniform stress on the drive device and a further reduction in noise.
  • an inductance is connected in series with a respective series connection of two phase windings.
  • the inductance can also be connected in series by means of the switching unit. This allows the efficiency to further increase improve, in particular the clock frequencies of the inverters can be set almost independently of one another. This also has the advantage of further reducing noise and interference.
  • a sound emitted by the drive device is detected by means of a sound sensor and that the inverters are controlled as a function of the detected sound.
  • the inverters can be controlled accordingly, for example in relation to the clock frequency, so that overall the sound output from the drive device can be further reduced.
  • corresponding evaluation and control algorithms can be implemented by the control device, which can have a hardware circuit and/or a program-controlled computer unit for this purpose, for example.
  • the control device can be used to wobble in relation to the clock frequency of the respective inverter, so that noise can be reduced and interference can be emitted in the area of wired radio interference and/or the like.
  • the inverter arrangement has inverter modules, with a respective inverter module comprising two of the inverters that are connected in parallel between the intermediate circuit side, with two series-connectable phase windings being connected to the inverters of a respective inverter module.
  • the inverter modules can be designed as individually manageable assemblies that can preferably be provided and tested separately.
  • the inverter modules can have their own housing, for example.
  • the housings can be designed to be connected to one another.
  • the inverter modules make it possible to construct the drive device in a very compact and modular manner.
  • the inverter modules can be implemented as individually manageable structural units.
  • the inverter modules can form individually testable units.
  • the switching unit be designed to couple the respective first and second connection of a respective phase winding to a single respective inverter of a respective inverter module in a second switching state.
  • This allows a simple switchover function to be implemented that requires little wiring effort.
  • the winding strands can be supplied with electricity in almost any way and independently of one another.
  • the inverter modules are designed as separately manageable components, with the inverter modules being arranged adjacent to one another in the circumferential direction within a stator opening that is coaxial with an axis of rotation of the rotor.
  • the inverter arrangement can be easily integrated into the rotating electrical machine, so that a separate construction of the inverter arrangement, which is arranged separately from the rotating electrical machine, can be saved.
  • a high level of integration with respect to the drive device can be achieved with this design, in particular if the rotating electrical machine has a large outer circumference and/or a large number of poles.
  • the inverter modules can be designed, for example, in the manner of circular sectors and be arranged adjacent to one another in the circumferential direction.
  • the inverter modules are preferably arranged in such a way that they are essentially opposite the phase windings connected to them, so that the wiring effort can be reduced. In addition, a reduction in electromagnetic interference and/or noise can also be achieved with this configuration.
  • the rotor advantageously has a rotor opening which is formed coaxially to the axis of rotation and in which the inverter arrangement is at least partially formed.
  • the inverter arrangement is preferably arranged essentially completely in the rotor opening. This configuration is particularly suitable for electrical machines that have a large diameter with a large number of poles. As a result, a space within the rotating electrical machine can be used to accommodate the inverter arrangement.
  • the drive device can be made very compact in this way.
  • the rotor opening can be formed, for example, by forming the rotor in the area of the stator winding in the manner of a bell and/or, for example, having a blind opening at the end, in which the inverter modules of the inverter arrangement can be arranged. Even if the use of inverter modules is advantageous here, this idea is not limited to this. Basically, the inverter arrangement can of course also be provided as a compact unit that includes the individual inverters.
  • the rotor is advantageously designed to be permanently excited. In this way, a synchronous machine can be implemented in which the rotor does not require any electrical connections. This not only has advantages for the intended operation but also for safety. This proves to be advantageous, especially in the case of drives for water vehicles.
  • the exemplary embodiments explained below are preferred embodiments of the invention.
  • the features and combinations of features specified above in the description and also the features and combinations of features mentioned in the following description of exemplary embodiments and/or shown alone in the figures can be used not only in the combination specified in each case, but also in other combinations.
  • the invention also encompasses or is to be regarded as disclosed embodiments that are not explicitly shown and explained in the figures, but that result from the explained embodiments and can be generated through separate combinations of features.
  • the features, functions and/or effects illustrated in the exemplary embodiments can each represent individual features, functions and/or effects of the invention that are to be considered independently of one another and that further develop the invention independently of one another. Therefore, the exemplary embodiments are also intended to include combinations other than those in the illustrated embodiments.
  • the described embodiments can also be supplemented by further features, functions and/or effects of the invention that have already been described.
  • FIG. 1 shows a schematic basic view of a drive unit for a submersible with a permanently excited synchronous machine and an inverter arrangement integrated in the synchronous machine;
  • FIG. 2 shows a schematic sectional view of a magnetic unit of a stator and a rotor of the synchronous machine according to FIG. 1; 3 shows an enlarged representation of a region III in FIG. 2 connected to the inverter arrangement;
  • FIG. 4 shows a schematic circuit diagram of an inverter module of the inverter arrangement according to FIG a first switching state is shown;
  • FIG. 5 shows a schematic circuit diagram like FIG. 4, in which the switching unit is shown in a second switching state
  • FIG. 6 shows a schematic side view of a submersible with the drive device according to FIG.
  • FIG. 6 shows a schematic side view of a submarine 12 as a watercraft which has an electric drive unit 10 which is used for the intended ferry operation of the submarine 12 .
  • the electrical drive device 10 has a permanently excited synchronous machine 20 and an inverter arrangement 36, which are designed to be integrated into a compact unit (FIG. 1), as will be explained further below.
  • the synchronous machine 20 includes a rotor 28 which is non-rotatably connected to a first end of a drive shaft 16 ei.
  • a propeller 18 is fastened in a rotationally fixed manner to a second end of the drive shaft 16 opposite the rotor 28 .
  • the drive shaft 16 in connection with the propeller 18 can bar, that is, without the interposition of a mechanical Ge transmission, driven in rotation.
  • the inverter arrangement 36 of the electric drive unit 10 is connected to a vehicle battery 14 of the underwater boat 12 on the DC voltage intermediate circuit side, which provides electrical energy for the intended operation of the electric drive unit 10, in particular the inverter arrangement 36.
  • an internal combustion engine-driven unit can also be present, which is used to charge the vehicle battery 14 and/or alternatively to provide the electrical energy for the ferry operation of the submarine 12 on a water surface.
  • the electric drive device 10 includes the synchronous machine 20 as a rotating electric machine.
  • the synchronous machine 20 has a stator 22 and a rotor 28 which is arranged such that it can rotate with respect to the stator 22 and is spaced apart from a magnetic unit 24 of the stator 22 by an air gap 26 .
  • the synchronous machine 20 is presently designed as an internal rotor. However, the invention is not limited to this.
  • the rotor 28 is arranged within a stator opening 64 of the stator 20, wherein the Stän derö réelle 64 is coaxial with an axis of rotation 60 of the rotor 28 is formed. In the present case, the stand opening 64 is substantially circular.
  • the rotor 28 is presently designed to be permanently excited, which is why it has permanent magnets arranged adjacent to one another in the circumferential direction on a surface facing the air gap 26 and which are arranged on a laminated rotor core (not shown).
  • the magnetic unit 24 On the stator side, the magnetic unit 24 is provided, which, in addition to a stator winding, which includes winding strands 32, 34, has a magnetic yoke, which in the present case is also designed as a laminated core. Depending on However, the magnetic yoke can be formed differently and, for example, have one or more magnetizable ferrite elements and/or the like.
  • the stator opening 64 is presently provided by the magnetic unit 24 .
  • the magnetic unit 24 has grooves 30 formed on the air gap side. In this embodiment, the grooves 30 are open towards the air gap 26 .
  • a first phase winding 32 is arranged in each slot 30 .
  • a second winding phase 34 that is electrically insulated from the first winding phase 32 is arranged in each slot 30 .
  • two winding strands 32, 34 are arranged in each groove so that they are electrically isolated from one another. Depending on the design of the synchronous machine 20, however, more than two winding strands that are electrically insulated from one another can also be arranged here.
  • the phase windings 32, 34 are presently formed by conductor bars which are arranged in the respective slots.
  • the conductor bars have a substantially rectangular cross section, with an electrical insulation layer being arranged on the outer circumference of each conductor bar, which layer can include, for example, a lacquer, an insulation material such as mica or the like and/or the like .
  • the grooves 30 can be at least partially closed by a suitable groove closure element (not shown).
  • the runner 28 has a runner opening 66 which is coaxial with the axis of rotation 60 and which is embodied here as a blind opening.
  • the rotor 28 is basically bell-shaped.
  • the inverter arrangement 36 is completely arranged in the rotor opening 66 .
  • at least a part of the inverter arrangement 36 is arranged outside of the rotor opening 66, for example by placing this part in a separate inverter cabinet or the like. is ordered.
  • FIG. 2 shows a schematic sectional view through the synchronous machine 20.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a section III from FIG. 2 in a plan view radially outward, the connection of the phase windings 32, 34 to the respective inverter 40, 42, 44, 46 of the inverter arrangement 36 being shown. It can be seen from FIG. 3 that a respective first phase winding 32 is connected to a respective first inverter 40, 42 of the inverter arrangement 36. A respective second phase winding 34 is connected to a respective second inverter 44, 46 of the inverter arrangement 36.
  • the electric drive device 10 comprises a control device 68, which is designed according to a first aspect, the first and the second inverters 40, 42,
  • control device 68 is also designed, in an operating state in which one of the first inverters 40, 42 cannot be activated, to control the respective second inverter 44, 46 in such a way that the respective second phase winding 34 with the double th predetermined electric current is applied.
  • An inverter cannot be activated, for example, if there is a disrupted operating state, the inverter cannot be controlled, has a hardware defect, the phase winding 32 connected to this inverter,
  • the reduced magnetic flux caused by this can thus be compensated for by the respective second inverter 44, 46, in that the water applies twice the predetermined electric current to the phase winding 34 connected to it. Since the second phase winding 34 is arranged in the same slot 30 as the first phase winding 32 in this case, the reduced magnetic flux through the operation of the second inverter 44, 46 in connection with the second phase winding 34 be compensated. This compensation is possible as long as the electrical current that can be predetermined is smaller than the maximum electrical current that can be provided by the respective second inverter 44, 46.
  • inverters 40, 42, 44, 46 are of essentially the same design and have essentially the same electrical properties. However, this can also be deviated from in alternative configurations.
  • the maximum specifiable electrical current is greater than a maximum electrical current that can be provided by the respective second inverter 44, 46, then only the maximum electrical current that can be provided is provided with the second inverter for charging the second phase winding 34. Accordingly, no further setting option needs to be provided here on the control side.
  • the maximum current that can be provided can relate to an effective value, an average value, an absolute value and/or the same of the electric current.
  • the inverter arrangement 36 has inverter modules 48 , 50 .
  • a jewei timed inverter module 48, 50 includes two of the inverters 40, 42, 44, 46, which are connected in parallel on the intermediate circuit side. Two windings that can be switched in series Strings 32, 34 are connected to the inverters 40, 42, 44, 46 of a respective inverter module 48, 50.
  • each inverter has a full-bridge circuit of switching elements, which in the present case are formed by transistors, namely insulated gate bipolar transistors (IGBT).
  • the switching elements can also be formed by other semiconductor switching elements, for example field effect transistors such as in particular metal oxide semiconductor field effect transistors (MOSFET), but possibly also by gate turn-off thyristors (GTO) or the like. Combinations of these can of course also be provided.
  • the inverter modules 48, 50 are arranged circumferentially around the axis of rotation 60, adjacent to one another.
  • a respective inverter module 48 is arranged directly adjacent to each respective inverter module 50 in the circumferential direction.
  • the inverter modules 48, 50 are thus arranged ternating in the circumferential direction al.
  • the inverter modules 48, 50 are formed in the circumferential direction in the manner of sectors of a circle.
  • FIG. 4 and 5 show schematic circuit diagram arrangements of an inverter module 48 with the inverters 40, 42 (FIG. 4) and an inverter module 50 with the inverters 44, 46 (FIG. 5).
  • the inverters 40, 42, 44, 46 are configured essentially identically.
  • Each inverter 40, 42, 44, 46 has two series connections each containing two switching elements, in this case IGBTs.
  • the windings can be strands 32, 34 can be connected.
  • each of the phase windings 32, 34 can be individually supplied with electrical current by a respective one of the inverters 40, 42, 44, 46. This operating state is shown in FIG.
  • one phase winding 32, 34 is connected to one of the inverters 40, 42, 44, 46 with a first connection 52, 54. This can be seen from FIGS. 3 to 5.
  • Two first winding strands 32 of two slots 30 arranged immediately next to each other and two second winding strands 34 of each of these slots can be connected in series via respective second connections (FIG. 5).
  • the control device 68 is designed to activate only a predetermined selection of the inverters of the inverter arrangement 36 in a first operating state.
  • a drive power to be provided is less than a partial power of the inverter arrangement 36 that can be provided by the activated inverters, which is determined as a function of a maximum electrical current that can be provided by the activated inverters.
  • the selection includes the inverters 40, 42 of the inverter module 48.
  • the present embodiment provides that only half of the inverter modules 48, 50, namely the inverter modules 48, are activated.
  • the other inverter modules 50 are in the deactivated state.
  • the inverter modules 50 can also be activated and the inverter modules 48 can be deactivated.
  • This first operating state allows partial power operation to be implemented with high efficiency and low noise development. If the maximum partial output is reached in this first operating state, the control unit can be formed direction 68, in a second operational state, in which the drive power to be provided is greater than the partial power, all inverters 40, 42, 44, 46 of the inverter arrangement 36 or all inverter modules 48, 50 to activate.
  • control device 68 is also configured to control the inverter 44, 46 that is connected to the respective second winding phase 34 in the second operating state in such a way that these second phase windings 34 are acted upon by the maximum electric current that can be provided. It can thereby be achieved that the loss of power due to the non-activatable inverter 40, 42 can be at least partially compensated.
  • the synchronous machine 20 can therefore continue to be operated in this operating state, although a complete compensation for the power failure and with regard to the noise development cannot be achieved, but only a partial compensation. As a result, the synchronous machine 20 can continue to be operated even in partial power operation in the second operating state. If the problem of the inverter 40, 42 that cannot be activated occurs in the first operating state, provision can be made for the second inverters 44, 46 to be activated instead of the first inverters 40, 42.
  • the drive device 10 includes a switching unit 38 (FIGS. 4, 5).
  • the switching unit 38 can have electromechanical switching elements that provide the desired switching function, as follows will be described later.
  • electronic semiconductor switching elements can also be provided, at least in part, in addition to or instead of the electromechanical switching elements.
  • the switching unit 38 is designed to switch the respective phase windings 32, 34 in series in a first switching state. This is shown as an example for the inverter module 50 using FIG.
  • the switching unit 38 has three switching elements, which are not designated further.
  • a respective switching element of the switching unit 38 is intended to electrically couple the respective second connection 58 of the second phase winding 34 to a central connection of a respective one of the series circuits of the respective inverters 44, 46.
  • these two switching elements are in the off switching state. Instead, these two second connections 58 are electrically connected to one another via a third switching element and a respective inductor 62 .
  • In each of the inverters 44, 46 only one of the half-bridge circuits or series circuits needs to be activated. This allows switching losses to be reduced.
  • a respective inductor 62 is connected in series. Due to the inductance 62, a degree of freedom in relation to setting the clock frequencies of the inverters 40, 42, 44, 46 can be achieved.
  • the winding strands 32, 34 can thus basically be driven individually.
  • the second switching state of the switching unit 38 is shown in FIG. 4 using the inverter module 48 .
  • the construction according to the invention makes it possible to switch the two winding strands 32, 34 in series in the partial power range of the electric drive device 10, which are connected to a respective one of the inverter modules 48, 50. As a result, an improvement in the degree of efficiency can be achieved.
  • the additional inductance 62 also clock frequencies of the individual phases can vary almost independently of each other. This makes it possible, for example, to carry out wobbling in relation to the clock frequency, so that clock frequency components can be concealed. In particular, acoustic needles or peaks at a specific frequency can be reduced or even avoided.
  • the design of the internal inverter arrangement 36 also makes it possible for the electric drive device 10 to be very compact. However, during the intended ferry operation of the underwater boat 12, this can mean that a defective inverter module 48, 50 or a corresponding defective inverter 40, 42, 44, 46 can only be replaced with great effort. This is particularly difficult at sea because the electric drive device 10 should be completely switched off for the duration of the change or maintenance, as a result of which the watercraft 12 would then have no drive.
  • the invention makes it possible to continue driving until the next stop despite the fact that the inverter 40, 42, 44, 46 cannot be activated. However, this can degrade the acoustic properties of the drive device 10 itself. This is due to the fact that, on the one hand, the respective phase winding 32, 34, which is connected to the defective inverter 40, 42, 44, 46, can no longer be supplied with electrical current. This can lead to double and quadruple the electrical frequency of the electrical drive device 10 increasing. On the other hand, if an inverter fails in relation to the aforementioned th second aspect of the series connection in the individual circuit or the individual operation of the winding strands are switched back. However, this has the disadvantage that all inverters 40, 42, 44, 46 have to be operated at the same clock frequency, which leads to acoustically significant noise emissions, especially with regard to one or more specific frequencies, which otherwise do not occur in this speed range would.
  • the torque essentially depends on the square of the speed. This makes it possible to activate only part of the electrical drive device 10 in a lower part of the performance range of the drive device 10 .
  • the ferry operation can be continued with that part of the electric drive device 10 that does not include the defective inverter or the defective inverter module. As a result, acoustic deterioration can be largely avoided, but at least reduced. This is possible, for example, for a speed range from about 0% to about 35...40% of a nominal speed.
  • the two partial drive units are driven up to a maximum possible speed with the series connection activated, i.e. up to a speed of around 50...60% of the nominal speed.
  • the other inverters are operated as in the normal state. As a result, a deterioration in the acoustic signature can be reduced, if not avoided completely.
  • the corresponding inverter or the corresponding inverter module which is connected to winding strands that are in the same slots as the winding strands of the non-activatable inverter are arranged, with the maximum available electrical see electricity operated. In this way, an increase in the acoustic signature in the lower speed range can be almost completely compensated for and only result in an acoustic deterioration in the upper second range.

Abstract

The invention relates to a method for operating a drive device (10) having a rotating electric machine (20) which has a stator (22) having a magnetic unit (24) and a rotor (28), wherein the magnetic unit (24) has grooves (30), a first winding strand (32) and a second winding strand (34), electrically isolated from the first winding strand (32), being arranged in each groove (30), and an inverter arrangement (36) having a plurality of inverters (40, 42, 44, 46), wherein a first winding strand (32) is connected to a first inverter (40, 42) and a second winding strand (34) is connected to a second inverter (44, 46), wherein the inverters apply an identical specified electrical current to the winding strands (30, 32). According to the invention, in an operating state in which one of the first inverters (40) cannot be activated, the second inverter (44) is controlled such that the doubled specified electrical current is applied to the second winding strand (34).

Description

Beschreibung description
Betreiben einer Antriebseinrichtung Operating a drive device
Die Erfindung betrifft Verfahren zum Betreiben einer An triebseinrichtung, insbesondere für ein Wasserfahrzeug, wobei die Antriebseinrichtung eine rotierende elektrische Maschine, die einen eine magnetische Einheit aufweisenden Ständer und einen gegenüber dem Ständer drehbar angeordneten und über ei nen Luftspalt von der magnetischen Einheit beabstandeten Läu fer aufweist, wobei die magnetische Einheit luftspaltseitig ausgebildete Nuten aufweist, wobei in jeder Nut ein erster Wicklungsstrang angeordnet ist und ein vom ersten Wicklungs strang elektrisch isolierter zweiter Wicklungsstrang angeord net ist, und eine Wechselrichteranordnung aufweist, die eine Mehrzahl von Wechselrichtern aufweist. Gemäß einem ersten As pekt ist ein jeweiliger erster Wicklungsstrang an einem je weiligen ersten Wechselrichter der Wechselrichteranordnung angeschlossen und ein jeweiliger zweiter Wicklungsstrang an einem jeweiligen zweiten Wechselrichter der Wechselrichteran ordnung angeschlossen, wobei die Wechselrichter derart ge steuert werden, dass die Wicklungsstränge mit einem gleichen vorgegebenen elektrischen Strom beaufschlagt werden. Gemäß einem zweiten Aspekt ist jeweils ein Wicklungsstrang mit ei nem ersten Anschluss an jeweils einem Wechselrichter ange schlossen, wobei jeweils zwei erste Wicklungsstränge zweier jeweiliger unmittelbar benachbart angeordneter Nuten und zwei zweite Wicklungsstränge dieser Nuten über jeweilige zweite Anschlüsse in Reihe geschaltet werden, und in einem ersten Betriebszustand nur eine vorgegebene Auswahl der Wechselrich ter der Wechselrichteranordnung aktiviert wird, wobei in dem ersten Betriebszustand eine bereitzustellende Antriebsleis tung kleiner als eine durch die aktivierten Wechselrichter bereitstellbare Teilleistung der Wechselrichteranordnung ist, die abhängig von einem jeweils durch die aktivierten Wechsel richter maximal bereitstellbaren elektrischen Strom bestimmt ist, und in einem zweiten Betriebszustand, in dem die bereit zustellende Antriebsleistung größer als die Teilleistung ist, alle Wechselrichter der Wechselrichteranordnung aktiviert werden. Darüber hinaus betrifft die Erfindung Antriebsein richtungen, insbesondere für ein Wasserfahrzeug, mit einer rotierenden elektrischen Maschine, die einen eine magnetische Einheit aufweisenden Ständer und einen gegenüber dem Ständer drehbar angeordneten und über einen Luftspalt von der magne tischen Einheit beabstandeten Läufer aufweist, wobei die mag netische Einheit luftspaltseitig ausgebildete Nuten aufweist, wobei in jeder Nut ein erster Wicklungsstrang angeordnet ist und ein vom ersten Wicklungsstrang elektrisch isolierter zweiter Wicklungsstrang angeordnet ist, einer Wechselrichter anordnung, die eine Mehrzahl von Wechselrichtern aufweist, wobei gemäß dem ersten Aspekt ein jeweiliger erster Wick lungsstrang an einem jeweiligen ersten Wechselrichter der Wechselrichteranordnung angeschlossen ist und ein jeweiliger zweiter Wicklungsstrang an einem jeweiligen zweiten Wechsel richter der Wechselrichteranordnung angeschlossen ist, und einer Steuereinrichtung zum Steuern der Wechselrichter, die ausgebildet ist, die ersten und die zweiten Wechselrichter derart zu steuern, dass die ersten und die zweiten Wechsel richter die jeweiligen Wicklungsstränge mit einem gleichen vorgebbaren elektrischen Strom beaufschlagen. Ferner ist ge mäß dem zweiten Aspekt jeweils ein Wicklungsstrang mit einem ersten Anschluss an einem Wechselrichter angeschlossen, wobei jeweils zwei erste Wicklungsstränge zweier jeweiliger unmit telbar benachbart angeordneter Nuten und jeweils zwei zweite Wicklungsstränge dieser Nuten über jeweilige zweite Anschlüs se in Reihe schaltbar sind, wobei die Steuereinrichtung zum Steuern der Wechselrichter ausgebildet ist, in einem ersten Betriebszustand nur eine vorgegebene Auswahl der Wechselrich ter der Wechselrichteranordnung zu aktivieren, wobei in dem ersten Betriebszustand eine bereitzustellende Antriebsleis tung kleiner als eine durch die aktivierten Wechselrichter bereitstellbare Teilleistung der Wechselrichteranordnung ist, die abhängig von einem jeweils durch die aktivierten Wechsel richter maximal bereitstellbaren elektrischen Strom bestimmt ist, und in einem zweiten Betriebszustand, in dem die bereit zustellende Antriebsleistung größer als die Teilleistung ist, alle Wechselrichter der Wechselrichteranordnung zu aktivie ren. The invention relates to a method for operating a drive device, in particular for a watercraft, the drive device having a rotating electrical machine which has a stator having a magnetic unit and a rotor which is arranged such that it can rotate with respect to the stator and is spaced apart from the magnetic unit by an air gap , wherein the magnetic unit has slots formed on the air gap side, a first phase winding being arranged in each slot and a second phase winding electrically insulated from the first phase winding being arranged, and having an inverter arrangement which has a plurality of inverters. According to a first aspect, a respective first winding phase is connected to a respective first inverter of the inverter arrangement and a respective second winding phase is connected to a respective second inverter of the inverter arrangement, the inverters being controlled in such a way that the winding phases have the same predetermined electrical Current are applied. According to a second aspect, one phase winding with a first connection is connected to one inverter in each case, with two first phase windings of two respective slots arranged immediately adjacent and two second phase windings of these slots being connected in series via respective second connections, and in a first operating state, only a predetermined selection of the inverters of the inverter arrangement is activated, with a drive power to be provided in the first operating state being less than a partial power of the inverter arrangement that can be provided by the activated inverters, which is determined as a function of a maximum electric current that can be provided by the activated inverters and in a second operating state in which the drive power to be provided is greater than the partial power, all inverters of the inverter arrangement are activated. The invention also relates to propulsion devices, in particular for a watercraft, with a rotating electrical machine that has a stator that has a magnetic unit and a rotor that is rotatably arranged relative to the stator and is spaced apart from the magnetic unit by an air gap, the magnetic Unit has grooves formed on the air gap side, with a first winding phase being arranged in each groove and a second winding phase electrically insulated from the first winding phase being arranged, an inverter arrangement having a plurality of inverters, wherein, according to the first aspect, a respective first winding phase is connected to one respective first inverter of the inverter arrangement is connected and a respective second phase winding is connected to a respective second inverter of the inverter arrangement, and a control device for controlling the inverter he who is designed to control the first and the second inverters in such a way that the first and the second inverters apply the same predeterminable electric current to the respective phase windings. Furthermore, according to the second aspect, one phase winding is connected to an inverter with a first connection, with two first phase windings of two respective immediately adjacent slots and two second phase windings of these slots being connectable in series via respective second connections, with the control device for controlling the inverters is designed to activate only a predetermined selection of the inverters of the inverter arrangement in a first operating state, wherein in the first operating state a drive power to be provided is less than a partial power of the inverter arrangement that can be provided by the activated inverters, which depends on a is determined in each case by the activated inverters, and in a second operating state in which the drive power to be provided is greater than the partial power, activate all inverters of the inverter arrangement.
Gattungsgemäße Antriebseinrichtungen, Wasserfahrzeuge mit derartigen Antriebseinrichtungen sowie auch Verfahren zu de ren Betrieb sind im Stand der Technik bekannt. Die Antriebs einrichtung, auch elektrische Antriebseinrichtung genannt, dient unter anderem dazu, bei Fahrzeugen, insbesondere bei Wasserfahrzeugen, eine Antriebsfunktion im bestimmungsgemäßen Betrieb des Fahrzeugs beziehungsweise Fährbetrieb realisieren zu können. Zu diesem Zweck kann die Antriebseinrichtung an eine Antriebswelle angeschlossen sein. Die Antriebswelle kann beispielsweise mit dem Läufer der elektrischen Maschine un mittelbar drehfest verbunden sein. Besonders vorteilhaft kann die gattungsgemäße Antriebseinrichtung bei Wasserfahrzeugen, insbesondere bei Unterwasserbooten, eingesetzt werden. Beson ders bei Unterwasserbooten erweist sich die gattungsgemäße Antriebseinrichtung als vorteilhaft, weil mit ihr erreicht werden kann, dass eine Schiffsschraube unmittelbar mit dem Läufer beziehungsweise einer Läuferwelle des Läufers, dreh fest verbunden sein kann. Ein Getriebe kann dabei vermieden werden. Zugleich ermöglicht es die Antriebseinrichtung, durch geeignetes Steuern der Wechselrichter eine Geräuschentwick lung beziehungsweise Schallabgabe durch die Antriebseinrich tung möglichst gering zu halten. Dies ist nicht nur für Was serfahrzeuge im Allgemeinen vorteilhaft, sondern besonders auch für Unterwasserboote, wodurch deren Ortbarkeit reduziert werden kann. Generic propulsion devices, watercraft with such propulsion devices as well as methods for their operation are known in the prior art. The drive device, also known as the electric drive device, serves, among other things, to be able to implement a drive function in vehicles, in particular in watercraft, during normal operation of the vehicle or ferry operation. For this purpose, the drive device can be connected to a drive shaft. The drive shaft can be directly non-rotatably connected, for example, to the rotor of the electrical machine. The drive device of the generic type can be used particularly advantageously in watercraft, in particular in underwater boats. FITS in underwater boats, the generic drive device proves to be advantageous because it can be achieved that a ship's propeller can be directly connected to the rotor or a rotor shaft of the rotor, rotatably. A gear can be avoided. At the same time, the drive device makes it possible to keep noise development or sound emission by the drive device as low as possible by suitably controlling the inverters. This is not only advantageous for water vehicles in general, but also particularly for submarines, as a result of which their locatability can be reduced.
Eine gattungsgemäße Antriebseinrichtung offenbart zum Bei spiel die WO 2004/068694 Al, die eine elektrische Maschine für den Propulsionsantrieb eines U-Boots mit einer permanent magnetisch erregten Synchronmaschine offenbart. Durch die An triebseinrichtung der WO 2004/068694 Al soll durch Redundanz eine erhöhte Verfügbarkeit der Antriebsfunktion erreicht wer den können, wobei Maschinengeräusche reduziert werden können sollen. Auch wenn sich die Lehre der WO 2004/068694 Al be währt hat, so verbleiben dennoch Nachteile. Es hat sich nämlich gezeigt, dass bei der vorgenannten Kon struktion ein Defekt bei einem Wechselrichter zu deutlichen Einschränkungen des bestimmungsgemäßen Betriebs führen kann. Dies ist besonders für Unterwasserboote ungünstig. In diesem Zusammenhang erweist sich die vorgenannte Konstruktion dahin gehend als nachteilig, als dass eine Reparatur beziehungswei se entsprechende Wartung während des bestimmungsgemäßen Fähr betriebs in der Regel nicht durchgeführt werden kann. Die vorgenannte Konstruktion erfordert es nämlich, dass die An triebseinrichtung aufwendig zerlegt werden muss, um den je weiligen Wechselrichter beziehungsweise ein jeweiliges Wech selrichtermodul austauschen oder warten zu können. Für Was serfahrzeuge ist daher eine derartige Reparatur beziehungs weise Wartung nur auf Reede oder im Hafen möglich. A generic drive device is disclosed, for example, by WO 2004/068694 A1, which discloses an electrical machine for the propulsion drive of a submarine with a permanent magnetically excited synchronous machine. The drive device of WO 2004/068694 A1 is intended to achieve increased availability of the drive function through redundancy, with machine noise being able to be reduced. Even if the teaching of WO 2004/068694 A1 has proven itself, disadvantages still remain. It has been shown that in the aforementioned construction, a defect in an inverter can lead to significant restrictions on the intended operation. This is particularly unfavorable for underwater boats. In this context, the aforementioned construction proves to be disadvantageous in that a repair or corresponding maintenance cannot generally be carried out during normal ferry operation. The aforesaid construction requires that the drive device has to be laboriously dismantled in order to be able to replace or maintain the respective inverter or a respective inverter module. This type of repair or maintenance is therefore only possible for watercraft in the roadstead or in the port.
Zwar besteht die Möglichkeit, unter Nutzung der Redundanz mit entsprechend reduzierter Leistung den Fährbetrieb fortführen zu können, jedoch ist dies für Wasserfahrzeuge, insbesondere Unterwasserboote, ungünstig und kann gefährliche Zustände zur Folge haben. Besonders nachteilig erweist es sich, dass die Antriebseinrichtung des gestörten Wechselrichters eine erhöh te Schallabgabe bewirken kann. Dies erweist sich nicht nur als störend während des bestimmungsgemäßen Betriebs, sondern, insbesondere bei Unterwasserbooten, kann deren Ortbarkeit in unerwünschter Weise erhöht sein. Although there is the possibility of being able to continue ferry operations using the redundancy with correspondingly reduced power, this is unfavorable for watercraft, in particular underwater boats, and can result in dangerous conditions. It has proven to be particularly disadvantageous that the drive device of the faulty inverter can cause increased noise emissions. This not only proves to be disruptive during normal operation, but also, particularly in the case of submarines, can undesirably increase their locatability.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine gat tungsgemäße Antriebseinrichtung, ein gattungsgemäßes Wasser fahrzeug sowie ein Verfahren zum Betreiben der Antriebsein richtung derart weiterzubilden, dass eine verbesserte Verfüg barkeit im Falle einer Störung eines Wechselrichters erreicht werden kann. Vorzugsweise soll eine Schallabgabe durch die Antriebseinrichtung reduziert werden können. The invention is therefore based on the object of developing a generic drive device, a generic watercraft and a method for operating the drive device in such a way that improved availability can be achieved in the event of a fault in an inverter. It should preferably be possible to reduce sound emissions from the drive device.
Als Lösung werden mit der Erfindung Antriebseinrichtungen und Verfahren gemäß dem ersten und dem zweiten Aspekt sowie ein Wasserfahrzeug gemäß den unabhängigen Ansprüchen vorgeschla gen. As a solution, the invention drives devices and methods according to the first and the second aspect and a Watercraft according to the independent claims proposed.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich durch Merkmale der abhängigen Ansprüche. Advantageous developments result from features of the dependent claims.
In Bezug auf ein gattungsgemäßes Verfahren wird gemäß dem ersten Aspekt insbesondere vorgeschlagen, dass in einem Be triebszustand, in dem einer der ersten Wechselrichter nicht aktivierbar ist, der jeweilige zweite Wechselrichter derart gesteuert wird, dass der jeweilige zweite Wicklungsstrang mit dem doppelten vorgegebenen elektrischen Strom beaufschlagt wird, wenn der vorgegebene elektrische Strom kleiner als ein durch den jeweiligen zweiten Wechselrichter maximal bereit stellbarer elektrischer Strom ist. With regard to a generic method, it is proposed according to the first aspect, in particular, that in an operating state in which one of the first inverters cannot be activated, the respective second inverter is controlled in such a way that the respective second phase winding is acted upon by twice the specified electric current when the specified electric current is less than a maximum electric current that can be provided by the respective second inverter.
In Bezug auf ein gattungsgemäßes Verfahren gemäß dem zweiten Aspekt wird mit der Erfindung insbesondere vorgeschlagen, dass bei einem nicht aktivierbaren Wechselrichter, der an ei nen jeweiligen ersten Wicklungsstrang angeschlossen ist, im zweiten Betriebszustand derjenige Wechselrichter, der an dem jeweiligen zweiten Wicklungsstrang angeschlossen ist, derart gesteuert wird, dass dieser zweite Wicklungsstrang mit dem maximal bereitstellbaren elektrischen Strom beaufschlagt wird. With regard to a generic method according to the second aspect, the invention proposes in particular that, in the case of a non-activatable inverter that is connected to a respective first winding phase, in the second operating state the inverter that is connected to the respective second winding phase is is controlled that this second phase winding is acted upon by the maximum electric current that can be provided.
In Bezug auf eine gattungsgemäße Antriebseinrichtung gemäß dem ersten Aspekt wird mit der Erfindung insbesondere vorge schlagen, dass die Steuereinrichtung ferner ausgebildet ist, in einem Betriebszustand, in dem einer der ersten Wechsel richter nicht aktivierbar ist, den jeweiligen zweiten Wech selrichter derart zu steuern, dass der jeweilige zweite Wick lungsstrang mit dem doppelten vorgebbaren elektrischen Strom beaufschlagt wird, wenn der vorgebbare elektrische Strom kleiner als ein durch den jeweiligen zweiten Wechselrichter maximal bereitstellbarer elektrischer Strom ist. In Bezug auf eine gattungsgemäße Antriebseinrichtung gemäß dem zweiten Aspekt wird mit der Erfindung insbesondere vorge schlagen, dass die Steuereinrichtung ferner ausgebildet ist, bei einem nicht aktivierbaren Wechselrichter, der an einen jeweiligen ersten Wicklungsstrang angeschlossen ist, im zwei ten Betriebszustand denjenigen Wechselrichter, der an dem je weiligen zweiten Wicklungsstrang angeschlossen ist, derart zu steuern, dass dieser zweite Wicklungsstrang mit dem maximal bereitstellbaren elektrischen Strom beaufschlagt wird. With regard to a generic drive device according to the first aspect, the invention proposes in particular that the control device is also designed, in an operating state in which one of the first inverters cannot be activated, to control the respective second inverter in such a way that the respective second winding strand is acted upon by twice the predefinable electric current if the predefinable electric current is less than a maximum electric current that can be provided by the respective second inverter. With regard to a generic drive device according to the second aspect, the invention proposes in particular that the control device is also designed, in the case of a non-activatable inverter that is connected to a respective first phase winding, in the second operating state to control the inverter that is connected to the each respective second phase winding is connected to control such that this second phase winding is acted upon by the maximum electric current that can be provided.
In Bezug auf ein gattungsgemäßes Wasserfahrzeug wird mit der Erfindung insbesondere vorgeschlagen, dass die Antriebsein richtung gemäß der Erfindung ausgebildet ist. With regard to a generic watercraft, the invention proposes in particular that the drive unit be designed according to the invention.
Die Erfindung basiert unter anderem auf dem Gedanken, dass bei einem nicht aktivierbaren Wechselrichter beziehungsweise einem nicht aktivierbaren Wechselrichtermodul der Betrieb der Antriebseinrichtung nicht nur fortgesetzt werden kann, son dern darüber hinaus auch eine Geräuschentwicklung, beispiels weise aufgrund einer unsymmetrischen Betriebssituation der Wechselrichteranordnung, deutlich reduziert werden kann, wenn mit den verbliebenen Wechselrichtern der Wechselrichteranord nung zumindest ein begrenzter Ausgleich geschaffen werden kann. Lässt sich ein Wechselrichter beziehungsweise ein Wech selrichtermodul zum Beispiel aufgrund einer Störung, eines Defekts, eines Isolationsfehlers oder eines sonstigen uner wünschten Ereignisses nicht bestimmungsgemäß aktivieren, kann somit nicht nur ein erheblich reduzierter Teilbetrieb der An triebseinrichtung realisiert werden, ohne große Einbußen hin sichtlich der Geräuschentwicklung hinnehmen zu müssen, son dern durch die erfindungsgemäße Betriebsführung kann ein deutlich verbesserter Betrieb auch bei größerer Leistung rea lisiert werden, wobei Auswirkungen auf die Geräuschentwick lung durch die Antriebseinrichtung trotzdem weitgehend klein werden können. Dies ist insbesondere wichtig bei Wasserfahr zeugen wie Unterwasserbooten oder dergleichen. Anders als beim Stand der Technik ist es somit nicht mehr unbedingt er forderlich, zur Herstellung einer großen Leistungsfähigkeit der Antriebseinrichtung die Wechselrichteranordnung durch Austauschen des entsprechenden Wechselrichters beziehungswei se eines entsprechenden Wechselrichtermoduls zu reparieren. Vielmehr ist es möglich, durch eine gezielte Betriebsführung der Antriebseinrichtung, insbesondere der Wechselrichterano rdnung, eine große Leistungsfähigkeit bei geringer Geräusch entwicklung aufrechtzuerhalten. The invention is based, among other things, on the idea that in the case of a non-activatable inverter or a non-activatable inverter module, the operation of the drive device can not only be continued, but also noise development, for example due to an asymmetrical operating situation of the inverter arrangement, can be significantly reduced if at least a limited compensation can be created with the remaining inverters of the inverter arrangement. If an inverter or an inverter module cannot be activated as intended, for example due to a fault, a defect, an insulation fault or another undesirable event, not only can the partial operation of the drive unit be significantly reduced without major losses in terms of noise development to have to accept, son countries by the operational management according to the invention, a significantly improved operation can be rea lisiert even at higher power, with effects on the noise development development by the drive device can still be largely small. This is particularly important in the case of watercraft, such as underwater boats or the like. In contrast to the prior art, it is therefore no longer absolutely necessary to produce a high level of performance of the drive device to repair the inverter arrangement by replacing the corresponding inverter or a corresponding inverter module. Rather, it is possible to maintain a high level of performance with low noise development through targeted operational management of the drive device, in particular the inverter arrangement.
Bei einem Wasserfahrzeug braucht daher im Normalfall nicht bis zu einem nächsten Aufenthalt in einem Hafen oder auf Ree de mit dem defekten Wechselrichter beziehungsweise Wechsel richtermodul weitergefahren zu werden. Die akustische Eigen schaft der Antriebseinrichtung kann daher zumindest teilweise aufrechterhalten werden. In the case of a watercraft, it is therefore normally not necessary to continue driving with the defective inverter or inverter module until the next time it is in a port or on roadsteads. The acoustic properties of the drive device can therefore be maintained at least partially.
Dabei vermeidet die Erfindung, dass einerseits in der Nut mit dem aufgrund an des nicht aktivierbaren Wechselrichters un- bestromten Wicklungsstrang keine magnetische Durchflutung mehr vorliegt. Eine Erhöhung der doppelten oder vierfachen elektrischen Frequenz der Antriebseinrichtung, insbesondere der Wechselrichteranordnung, kann somit reduziert werden, wenn nicht sogar vermieden werden. Darüber hinaus brauchen andrerseits die Wechselrichter, insbesondere im Fall der Rei henschaltung von Wicklungssträngen, nicht in einen Parallel betrieb umgeschaltet zu werden, der erfordern würde, dass al le verbliebenen Wechselrichter mit derselben Taktfrequenz be trieben werden müssten, was eine markante akustische Schall abgabe zur Folge haben könnte, die im ungestörten bestim mungsgemäßen Betrieb nicht auftreten würde. The invention avoids, on the one hand, that there is no longer any magnetic flux in the slot with the phase winding without current due to the non-activatable inverter. An increase in the double or quadruple electrical frequency of the drive device, in particular of the inverter arrangement, can thus be reduced, if not avoided altogether. In addition, on the other hand, the inverters, especially in the case of series connection of winding strands, do not need to be switched to parallel operation, which would require all remaining inverters to be operated with the same clock frequency, which results in a significant acoustic noise emission could have, which would not occur in undisturbed normal operation.
Die Nuten der magnetischen Einheit erstrecken sich von einem axialen Ende der magnetischen Einheit beziehungsweise des Ständers bis zu einem gegenüberliegenden axialen Ende der magnetischen Einheit beziehungsweise des Ständers. Vorzugs weise sind die Nuten innenseitig an einer im Wesentlichen kreisförmigen Umfangsöffnung des Ständers beziehungsweise der magnetischen Einheit angeordnet, und zwar im Wesentlichen ko axial zu einer Drehachse eines ebenfalls in dieser Durch- gangsöffnung angeordneten Läufers, wenn die rotierende elekt rische Maschine ein Innenläufer ist. Bei einem Außenläufer können die Nuten entsprechend an einem Außenumfang der magne tischen Einheit angeordnet sein. The slots of the magnetic unit extend from one axial end of the magnetic unit or the stator to an opposite axial end of the magnetic unit or the stator. The grooves are preferably arranged on the inside of a substantially circular peripheral opening of the stator or of the magnetic unit, namely substantially co-axially to an axis of rotation of a aisle opening arranged rotor when the rotating electrical machine is an internal rotor. In the case of an external rotor, the grooves can be arranged correspondingly on an outer circumference of the magnetic unit.
Jede Nut weist wenigstens einen ersten Wicklungsstrang und wenigstens einen vom ersten Wicklungsstrang elektrisch iso lierten zweiten Wicklungsstrang auf. Ein Wicklungsstrang kann durch einen elektrischen Leiter einer Ständerwicklung des Ständers beziehungsweise der magnetischen Einheit gebildet sein. Der magnetische Leiter kann einen runden oder auch ei nen eckigen, insbesondere rechteckigen Querschnitt aufweisen. In der Nut können die Wicklungsstränge übereinander und/oder auch nebeneinander angeordnet sein. Ein Wicklungsstrang kann auch mehr als einen einzigen elektrischen Leiter aufweisen. Bei mehreren Leitern können diese in Reihe oder auch paral lelgeschaltet sein. Each slot has at least one first phase winding and at least one second phase winding which is electrically isolated from the first phase winding. A phase winding can be formed by an electrical conductor of a stator winding of the stator or of the magnetic unit. The magnetic conductor can have a round cross-section or else an angular cross-section, in particular a rectangular cross-section. The winding strands can be arranged one above the other and/or next to one another in the slot. A phase winding can also have more than a single electrical conductor. If there are several conductors, they can be connected in series or in parallel.
Die Nuten erstrecken sich im Wesentlichen parallel zur Dreh achse. Je nach Konstruktion kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Nuten geschrägt gegenüber der Drehachse ausgebildet sind. The grooves extend essentially parallel to the axis of rotation. Depending on the design, however, it can also be provided that the grooves are formed at an angle relative to the axis of rotation.
Beim ersten Aspekt ist ein jeweiliger erster Wicklungsstrang an einem jeweiligen ersten Wechselrichter der Wechselrichter anordnung angeschlossen und ein jeweiliger zweiter Wicklungs strang an einem jeweiligen zweiten Wechselrichter der Wech selrichteranordnung angeschlossen. Zumindest ein erster je weiliger Anschluss eines jeweiligen Wicklungsstrangs ist so mit an einen jeweiligen Wechselrichter angeschlossen. Vor zugsweise sind die jeweiligen Wicklungsstränge jedoch mit ih rem ersten Anschluss und auch mit ihrem jeweiligen zweiten Anschluss an dem jeweiligen Wechselrichter angeschlossen. In diesem Fall umfasst der jeweilige Wechselrichter zumindest eine Vollbrückenschaltung aus Schaltelementen, die im bestim mungsgemäßen Betrieb des Wechselrichters im Schaltbetrieb be trieben werden. Die Vollbrückenschaltung umfasst in der Regel zwei Reihenschaltungen aus wenigstens zwei in Reihe geschal- teten Schaltelementen. Die Reihenschaltungen sind zwischen kreisseitig parallelgeschaltet. An jeweiligen Mittelabgriffen der Reihenschaltungen sind jeweils der erste und der zweite Anschluss des jeweiligen Wicklungsstrangs angeschlossen. In the first aspect, a respective first phase winding is connected to a respective first inverter of the inverter arrangement and a respective second winding phase is connected to a respective second inverter of the inverter arrangement. At least a first respective connection of a respective phase winding is thus also connected to a respective inverter. However, the respective phase windings are preferably connected to the respective inverter with their first connection and also with their respective second connection. In this case, the respective inverter comprises at least one full-bridge circuit made up of switching elements, which are operated in switching operation when the inverter is operated as intended. The full bridge circuit usually includes two series circuits of at least two series-connected ted switching elements. The series circuits are connected in parallel on the circuit side. The first and the second connection of the respective phase winding are connected to the respective center taps of the series circuits.
Ein Schaltelement kann durch ein oder mehrere Halbleiter- schaltelemente gebildet sein. Darüber hinaus kann das Schalt element auch ein elektromechanisches Schaltelement umfassen, beispielsweise ein Relais, ein Schütz und/oder dergleichen. Dem Grunde nach kann das Halbleiterschaltelement auch durch ein elektromechanisches Schaltelement oder jedes beliebige andere geeignete Schaltelement gebildet sein. A switching element can be formed by one or more semiconductor switching elements. In addition, the switching element can also include an electromechanical switching element, for example a relay, a contactor and/or the like. In principle, the semiconductor switching element can also be formed by an electromechanical switching element or any other suitable switching element.
Das Schaltelement, insbesondere das Halbleiterschaltelement, kann durch einen Transistor, insbesondere einen Feldeffekt transistor, vorzugsweise einen Metalloxide Field Effect- Transistor (MOSFET), einen Insulated-Gate Bipolar Transistor (IGBT), aber auch durch Gate-Turn-Off-Thyristor (GTO) und/oder dergleichen oder jeglicher anderer Art von Schalt elementen gebildet sein. The switching element, in particular the semiconductor switching element, can be replaced by a transistor, in particular a field effect transistor, preferably a metal oxide field effect transistor (MOSFET), an insulated gate bipolar transistor (IGBT), but also by a gate turn-off thyristor (GTO ) and/or the like or any other type of switching elements.
Zur Bereitstellung der gewünschten Stroms durch die Wechsel richter werden die Halbleiterschaltelemente im Schaltbetrieb betrieben. In Bezug auf ein Halbleiterschaltelement unter Nutzung eines Transistors bedeutet der Schaltbetrieb, dass in einem eingeschalteten Schaltzustand zwischen den eine Schalt strecke bildenden Anschlüssen des Transistors ein sehr klei ner elektrischer Widerstand bereitgestellt wird, sodass ein hoher Stromfluss bei sehr kleiner Restspannung möglich ist.In order to provide the desired current through the inverter, the semiconductor switching elements are operated in switching mode. With regard to a semiconductor switching element using a transistor, the switching operation means that in a switched-on switching state, a very small electrical resistance is provided between the terminals of the transistor that form a contact gap, so that a high current flow is possible with a very small residual voltage.
In einem ausgeschalteten Schaltzustand ist hingegen die Schaltstrecke des Transistors hochohmig, das heißt, sie stellt einen hohen elektrischen Widerstand bereit, sodass auch bei hoher, an der Schaltstrecke anliegender elektrischer Spannung im Wesentlichen kein oder nur ein sehr geringer, insbesondere vernachlässigbarer, Stromfluss vorliegt. Hiervon unterscheidet sich ein Linearbetrieb bei Transistoren. Die Steuereinheit ist zumindest an die Schaltelemente, insbe sondere die Halbleiterschaltelemente der Wechselrichter ange schlossen. Vorzugsweise weist jeder Wechselrichter eine eige ne Kommunikationsschnittstelle auf, mittels der er mit der Steuereinrichtung in Kommunikationsverbindung steht. Dadurch kann mittels der Steuereinrichtung auch eine Aktivierung be ziehungsweise eine Deaktivierung der jeweiligen Wechselrich ter gesteuert werden. In a switched-off switching state, on the other hand, the switching gap of the transistor has a high resistance, i.e. it provides a high electrical resistance, so that even with a high electrical voltage applied to the switching gap, there is essentially no or only a very small, in particular negligible, current flow. This differs from linear operation with transistors. The control unit is connected at least to the switching elements, in particular the semiconductor switching elements of the inverters. Each inverter preferably has its own communication interface, by means of which it is in communication with the control device. As a result, the control device can also be used to control activation or deactivation of the respective inverter.
Die Steuereinheit selbst kann als separate Baueinheit vorge sehen sein. Vorzugsweise ist sie jedoch Bestandteil der Wech selrichteranordnung und besonders bevorzugt in diese inte griert angeordnet. The control unit itself can be pre-see as a separate unit. However, it is preferably part of the inverter arrangement and is particularly preferably integrated into it.
Während des bestimmungsgemäßen Betriebs werden die Wechsel richter derart gesteuert, dass die Wicklungsstränge mit einem gleichen vorgegebenen elektrischen Strom beaufschlagt werden. Der vorgegebene elektrische Strom kann zum Beispiel von einer einzustellenden Antriebsleistung, einem einzustellenden An triebsdrehmoment und/oder dergleichen abhängig sein. Vorzugs weise wird der vorgegebene elektrische Strom von einem an die Steuereinrichtung angeschlossenen Steuergerät oder derglei chen vorgegeben. Die Steuereinrichtung kann zu diesem Zweck eine entsprechende Hardware-Schaltung und/oder eine entspre chend ausgebildete programmgesteuerte Recheneinheit aufwei sen. During normal operation, the inverters are controlled in such a way that the phase windings are subjected to the same predetermined electric current. The specified electric current can be dependent, for example, on a drive power to be set, a drive torque to be set and/or the like. Preferably, the specified electric current is specified by a control device or the like connected to the control device. For this purpose, the control device can have a corresponding hardware circuit and/or a correspondingly designed program-controlled computing unit.
Gemäß dem ersten Aspekt wird vorgeschlagen, dass in einem Be triebszustand, in dem einer der ersten Wechselrichter nicht aktivierbar ist, der jeweilige zweite Wechselrichter derart gesteuert wird, dass der jeweilige zweite Wicklungsstrang, der in der gleichen Nut wie der am ersten Wechselrichter an geschlossene erste Wicklungsstrang angeordnet ist, mit dem doppelten vorgegebenen elektrischen Strom beaufschlagt wird, wenn der vorgegebene elektrische Strom kleiner als durch den jeweiligen zweiten Wechselrichter maximal bereitstellbarer elektrischer Strom ist. Dadurch kann erreicht werden, dass, solange der vorgegebene elektrische Strom kleiner als der durch den jeweiligen zweiten Wechselrichter maximal bereit stellbare Strom ist, durch Bereitstellung beziehungsweise Be aufschlagen des jeweiligen zweiten Wicklungsstrangs in der Nut, in der der erste Wicklungsstrang aufgrund des nicht ak tivierbaren Wechselrichters stromlos ist, diesen Funktions ausfall kompensieren kann. Durch die Beaufschlagung dieses zweiten Wicklungsstrangs mit dem doppelten vorgegebenen elektrischen Strom kann nämlich erreicht werden, dass der entsprechende magnetische Pol trotzdem mit der gleichen mag netischen Durchflutung beaufschlagt wird. Solange also der vorgegebene elektrische Strom kleiner als der durch den zwei ten Wechselrichter maximal bereitstellbare Strom ist, kann demnach nahezu eine vollständige Kompensation des Ausfalls des jeweiligen ersten Wechselrichters erreicht werden. According to the first aspect, it is proposed that in an operating state in which one of the first inverters cannot be activated, the respective second inverter is controlled in such a way that the respective second phase winding, which is in the same slot as the first inverter connected to the first Phase winding is arranged, is acted upon by twice the predetermined electric current when the predetermined electric current is less than the maximum electric current that can be provided by the respective second inverter. This can be achieved that as long as the specified electric current is less than the The maximum current that can be provided by the respective second inverter can compensate for this functional failure by providing or loading the respective second phase winding in the slot in which the first phase winding is currentless because the inverter cannot be activated. By acting on this second phase winding with twice the specified electric current, it can be achieved that the corresponding magnetic pole is nevertheless acted upon by the same mag netic flux. Therefore, as long as the specified electrical current is less than the maximum current that can be provided by the second inverter, almost complete compensation for the failure of the respective first inverter can be achieved.
Bezüglich des ersten Aspekts wird darüber hinaus vorgeschla gen, dass der jeweilige zweite Wicklungsstrang mit dem maxi mal bereitstellbaren elektrischen Strom beaufschlagt wird, wenn der vorgegebene elektrische Strom größer als der maximal bereitstellbare Strom ist. Dies erlaubt es, die Auswirkungen aufgrund des nicht aktivierbaren ersten Wechselrichters zu mindest anteilig durch den entsprechenden Betrieb des zweiten Wechselrichters kompensieren zu können. Dadurch kann zumin dest eine teilweise Kompensation erreicht werden, weil bei einer erhöhten Leistungsanforderung der durch den zweiten Wechselrichter bereitstellbare maximale elektrische Strom aus technischen Gründen in der Regel nicht weiter erhöht werden kann. Jedoch kann gegenüber einem Totalausfall eine deutliche Verbesserung weiterhin erreicht werden. With regard to the first aspect, it is also proposed that the respective second phase winding is acted upon by the maximum electric current that can be provided if the specified electric current is greater than the maximum current that can be provided. This makes it possible to at least partially compensate for the effects of the first inverter that cannot be activated by operating the second inverter accordingly. As a result, at least partial compensation can be achieved because, for technical reasons, the maximum electric current that can be provided by the second inverter generally cannot be increased any further when there is an increased power requirement. However, compared to a total failure, a significant improvement can still be achieved.
Dadurch, dass in jeder Nut ein erster Wicklungsstrang und ein zweiter Wicklungsstrang angeordnet sind, die voneinander elektrisch isoliert sind, besteht die Möglichkeit, wenn durch die Antriebseinrichtung lediglich eine kleine Antriebsleis tung angefordert wird, in einem Teilleistungsbetrieb einige der Wechselrichter, beispielsweise etwa die Hälfte der Wech selrichter zu deaktivieren, und zwar vorzugsweise entweder diejenigen Wechselrichter, die an die ersten Wicklungsstränge angeschlossen sind, oder die Wechselrichter, die an die zwei ten Wicklungsstränge angeschlossen sind. Besonders im letzt genannten Fall kann erreicht werden, dass weiterhin jede der Nuten mit einer magnetischen Durchflutung beaufschlagt wird. Dadurch kann auch im Teilleistungsbetrieb ein guter Wirkungs grad bei geringer Schallabgabe durch die Antriebseinrichtung gewährleistet werden. Dieser Betriebszustand - im Folgenden Kleinleistungsbetriebszustand genannt - kann besonders für geringe Geschwindigkeiten des Wasserfahrzeugs, beispielsweise beim Manövrieren oder bei Schleichfahrten, beispielsweise bei einem Unterwasserboot oder dergleichen, vorteilhaft einge setzt werden. Der Kleinleistungsbetriebszustand kann sich bis zu einer Antriebsleistung erstrecken, die durch den jeweili gen, durch die Wechselrichter maximal bereitstellbaren elektrischen Strom bestimmt ist. Je nach Bedarf kann dieser Kleinleistungsbetriebszustand auch lediglich bis zu einer kleineren Leistung hiervon realisiert sein. Because a first phase winding and a second phase winding are arranged in each slot and are electrically insulated from one another, it is possible, if only a small amount of drive power is required by the drive device, to operate some of the inverters at partial power, for example around half of the To disable inverters, preferably either those inverters that are connected to the first phase windings are connected, or the inverters, which are connected to the second phase windings. Particularly in the last-mentioned case, it can be achieved that each of the slots continues to be subjected to a magnetic flux. As a result, a good degree of efficiency with low noise emission can be guaranteed by the drive device even in partial power operation. This operating state—referred to below as the low-power operating state—can be advantageously used particularly for low speeds of the watercraft, for example when maneuvering or when crawling, for example in an underwater boat or the like. The low-power operating state can extend to a drive power that is determined by the respective maximum electric current that can be provided by the inverter. Depending on requirements, this low-power operating state can also only be implemented down to a lower power level.
An den Kleinleistungsbetriebszustand kann sich ein Teilleis tungsbetriebszustand anschließen, der gemäß dem zweiten As pekt eine jeweilige Reihenschaltung von in unmittelbar be nachbarten Nuten angeordneten ersten und zweiten Wicklungs strängen vorsieht. In diesem Teilleistungsbetriebszustand ist also für zwei unmittelbar benachbarte Nuten vorgesehen, dass die jeweiligen ersten Wicklungsstränge in Reihe geschaltet sind. Für die gleichen Nuten sind auch die jeweiligen zweiten Wicklungsstränge in Reihe geschaltet. The low power operating state can be followed by a partial power operating state which, according to the second aspect, provides for a respective series connection of first and second winding strands arranged in immediately adjacent slots. In this partial power operating state, it is therefore provided for two immediately adjacent slots that the respective first winding strands are connected in series. The respective second phase windings are also connected in series for the same slots.
Gemäß einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass die An triebseinrichtung eine Schalteinheit aufweist, die ausgebil det ist, in einem ersten Schaltzustand die jeweiligen Wick lungsstränge in Reihe zu schalten. So kann vorgesehen sein, dass eine entsprechende Schalteinheit vorgesehen ist, die die entsprechenden Schaltzustände für die Wicklungsstränge be reitstellen kann, um zwischen dem Teilleistungsbetriebszu stand und dem Kleinleistungsbetriebszustand umschalten zu können. Die Schalteinheit kann zum Beispiel eine elektrome chanische Schalteinheit sein, die elektromechanische Schalt- elemente, wie Relais, Schütze und/oder dergleichen, nutzt. Darüber hinaus kann die Schalteinheit natürlich auch elektro nische Schaltelemente zum Realisieren der jeweiligen Schalt funktionen aufweisen. Auch eine Kombination hiervon kann vor gesehen sein. According to a further development, it is proposed that the drive device has a switching unit which is designed to switch the respective winding strands in series in a first switching state. Provision can thus be made for a corresponding switching unit to be provided, which can provide the corresponding switching states for the phase windings in order to be able to switch between the partial power operating state and the low-power operating state. The switching unit can be, for example, an electromechanical switching unit, the electromechanical switching elements such as relays, contactors and/or the like uses. In addition, the switching unit can of course also have electronic switching elements for realizing the respective switching functions. A combination of these can also be provided.
Jeder Wechselrichter der Wechselrichteranordnung ist jeweils an einen einzigen Wicklungsstrang angeschlossen, und zwar an einem ersten Anschluss des jeweiligen Wicklungsstrangs. Die zweiten Anschlüsse der Wicklungsstränge sind zur Ausbildung der jeweiligen Reihenschaltungen jeweils in vorgegebener Wei se miteinander elektrisch verbunden, beispielsweise über die Schalteinheit. Das bedeutet, dass jeweils zwei in Reihe ge schaltete Wicklungsstränge an ihren jeweiligen Endanschlüssen beziehungsweise ersten Anschlüssen, an Wechselrichter jewei lige angeschlossen sind. Dadurch sind beide elektrische Enden der Reihenschaltung durch jeweilige erste Anschlüsse der Wicklungsstränge gebildet und mit einem jeweiligen Wechsel richter elektrisch verbunden. Dieser Teilleistungsbetriebszu stand hat den Vorteil, dass für den vorgegebenen Teilleis tungsbereich weiterhin ein hoher Wirkungsgrad erreicht werden kann. Zugleich kann durch diese Schaltungsart in Verbindung mit dem Wechselrichterbetrieb weiterhin eine geringere Geräu schentwicklung durch die Antriebseinrichtung realisiert wer den. Each inverter of the inverter arrangement is connected to a single phase winding, specifically at a first connection of the respective phase winding. The second connections of the phase windings are electrically connected to one another in a predetermined manner, for example via the switching unit, in order to form the respective series circuits. This means that in each case two series-connected phase windings are connected to their respective end connections or first connections to inverters. As a result, both electrical ends of the series circuit are formed by respective first connections of the phase windings and are electrically connected to a respective inverter. This partial power operating state has the advantage that a high level of efficiency can still be achieved for the specified partial power range. At the same time, this type of circuit in conjunction with the inverter operation can continue to reduce the noise generated by the drive device.
Für den Teilleistungsbetriebszustand sind ferner wenigstens zwei Betriebszustände möglich, nämlich ein erster Betriebszu stand und ein zweiter Betriebszustand, wie im Folgenden er läutert. Furthermore, at least two operating states are possible for the partial power operating state, namely a first operating state and a second operating state, as explained below.
Im ersten Betriebszustand wird nur eine vorgegebene Auswahl der Wechselrichter der Wechselrichteranordnung aktiviert.In the first operating state, only a predetermined selection of the inverters in the inverter arrangement is activated.
Dies kann eine Auswahl sein, wie sie auch für den Kleinleis tungsbetriebszustand vorgesehen ist. Im ersten Betriebszu stand ist eine bereitzustellende Antriebsleistung kleiner als eine durch die aktivierten Wechselrichter bereitstellbare Teilleistung der Wechselrichteranordnung, die abhängig von einem jeweils durch die aktivierten Wechselrichter maximal bereitstellbaren elektrischen Strom bestimmt ist. Der maximal bereitstellbare elektrische Strom eines Wechselrichters ist vorzugsweise der Strom, der aus technischen Gründen durch den jeweiligen Wechselrichter maximal an einem Wechselspannungs anschluss des Wechselrichters bereitgestellt werden kann, der mit einem jeweiligen Wicklungsstrang elektrisch gekoppelt ist. Auch hier kann vorgesehen sein, dass der erste Betriebs zustand sich bis zu der Teilleistung erstreckt. Er kann sich jedoch auch lediglich für eine kleinere Teilleistung erstre cken. This can be a selection that is also provided for the low-power operating mode. In the first operating state, a drive power to be provided is less than a partial power of the inverter arrangement that can be provided by the activated inverter, which depends on is determined by a maximum electric current that can be provided by the activated inverters. The maximum electrical current that can be provided by an inverter is preferably the current that, for technical reasons, can be provided by the respective inverter as a maximum at an AC voltage connection of the inverter that is electrically coupled to a respective phase winding. Here, too, provision can be made for the first operating state to extend to the partial performance. However, it can also only extend to a smaller part of the service.
Im zweiten Betriebszustand, in dem die bereitzustellende An triebsleistung größer als die Teilleistung ist, werden alle Wechselrichter der Wechselrichteranordnung aktiviert. Bei spielsweise kann vorgesehen sein, dass im ersten Betriebszu stand lediglich die in Reihe geschalteten ersten Wicklungs stränge mit elektrischem Strom beaufschlagt werden. Alterna tiv kann vorgesehen sein, dass lediglich die in Reihe ge schalteten zweiten Wicklungsstränge mit elektrischem Strom beaufschlagt werden. Natürlich kann auch vorgesehen sein, dass zwischen diesen beiden vorgenannten Ausgestaltungen ge wechselt wird. Auch Kombinationen hiervon können vorgesehen sein, insbesondere wenn in allen Nuten wenigstens ein Wick lungsstrang mit elektrischem Strom beaufschlagt wird. In the second operating state, in which the drive power to be provided is greater than the partial power, all the inverters of the inverter arrangement are activated. For example, it can be provided that in the first operating state only the series-connected first winding strands are supplied with electric current. Alternatively, it can be provided that only the second phase windings connected in series are supplied with electric current. Of course, provision can also be made for switching between these two aforementioned configurations. Combinations of these can also be provided, in particular if at least one winding strand is supplied with electric current in all slots.
Ist beispielsweise aufgrund eines - wie zuvor erläuterten an gegebenen Grundes - ein Wechselrichter im zweiten Betriebszu stand nicht aktivierbar, würde dies neben einer reduzierten Antriebsleistung auch zu einer deutlichen Geräuschentwicklung führen. Dies kann dadurch verbessert werden, dass bei einem nicht aktivierbaren Wechselrichter, der an einen jeweiligen ersten Wicklungsstrang angeschlossen ist, im zweiten Be triebszustand derjenige Wechselrichter, der an dem jeweiligen zweiten Wicklungsstrang angeschlossen ist, derart gesteuert wird, dass dieser zweiten Wicklungsstrang mit dem maximal be- reitstellbaren elektrischen Strom beaufschlagt wird. Dadurch kann der Ausfall des nicht aktivierbaren Wechselrichters zu- mindest teilweise kompensiert werden, sodass die Geräuschent wicklung ebenfalls reduziert werden kann. If, for example, due to a given reason--as explained above--an inverter cannot be activated in the second operating state, this would lead not only to reduced drive power but also to significant noise development. This can be improved in that, in the case of a non-activatable inverter that is connected to a respective first winding phase, the inverter that is connected to the respective second winding phase is controlled in the second operating state in such a way that this second winding phase is operated with the maximum - Electric current that can be ridden is applied. This can lead to the failure of the non-activatable inverter be at least partially compensated, so that the noise development can also be reduced.
Tritt das Problem des nicht aktivierbaren Wechselrichters da gegen im ersten Betriebszustand auf, braucht lediglich zwi schen den an die ersten Wicklungssträngen angeschlossenen Wechselrichtern und den an die zweiten Wicklungssträngen an geschlossenen Wechselrichtern gewechselt zu werden. Im ersten Betriebszustand kann daher eine volle Redundanz in Bezug auf den Ausfall eines Wechselrichters erreicht werden. Im zweiten Betriebszustand kann dagegen der Ausfall des Wechselrichters zumindest teilweise kompensiert werden. If, on the other hand, the problem of the inverter that cannot be activated occurs in the first operating state, it is only necessary to switch between the inverters connected to the first winding strands and the inverters connected to the second winding strands. In the first operating state, therefore, full redundancy can be achieved in relation to the failure of an inverter. In contrast, in the second operating state, the failure of the inverter can be at least partially compensated.
Darüber hinaus kann basierend auf dem Kleinleistungsbetriebs zustand ein Vollleistungsbetriebszustand bereitgestellt wer den, bei dem die Reihenschaltung im Teilleistungsbetriebszu stand aufgelöst wird und jeder Wicklungsstrang an einem je weiligen Wechselrichter betrieben wird. Vorzugsweise sind die Wicklungsstränge mit beiden Anschlüssen an dem jeweiligen Wechselrichter angeschlossen, der zum Beispiel hierzu in Vollbrückenschaltung ausgebildet ist. Dem Grunde nach besteht jedoch auch die Möglichkeit, die jeweiligen Wicklungsstränge in Sternschaltung zu betreiben, wodurch die Wechselrichter lediglich als Halbbrückenschaltung ausgebildet zu sein bräuchten. In addition, based on the low-power operating state, a full-power operating state can be provided, in which the series connection in the partial-power operating state is dissolved and each phase winding is operated on a respective inverter. The phase windings are preferably connected with both terminals to the respective inverter, which is designed for this purpose, for example, in a full-bridge circuit. Basically, however, there is also the possibility of operating the respective phase windings in a star connection, as a result of which the inverter only needs to be designed as a half-bridge circuit.
Es wird in Bezug auf den zweiten Aspekt ferner vorgeschlagen, dass die Auswahl derart vorgegeben wird, dass jeder Nut we nigstens ein Wicklungsstrang mit elektrischem Strom beauf schlagt wird. Dies hat den Vorteil der gleichmäßigen Bean spruchung der Antriebseinrichtung und der weiteren Reduktion der Geräuschentwicklung. With regard to the second aspect, it is also proposed that the selection be specified in such a way that at least one phase winding is supplied with electric current in each slot. This has the advantage of uniform stress on the drive device and a further reduction in noise.
Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass zu einer jeweiligen Reihenschaltung aus zwei Wicklungssträngen jeweils eine In duktivität in Reihe geschaltet wird. Das In-Reihe-Schalten der Induktivität kann ebenfalls mittels der Schalteinheit re alisiert sein. Dies erlaubt es, den Wirkungsgrad weiter zu verbessern, wobei insbesondere Taktfrequenzen der Wechsel richter nahezu unabhängig voneinander eingestellt werden kön nen. Auch dies hat den Vorteil der weiteren Reduktion von Ge räuschen und Störungen. In addition, it is proposed that an inductance is connected in series with a respective series connection of two phase windings. The inductance can also be connected in series by means of the switching unit. This allows the efficiency to further increase improve, in particular the clock frequencies of the inverters can be set almost independently of one another. This also has the advantage of further reducing noise and interference.
Ferner wird vorgeschlagen, dass mittels eines Schallsensors ein durch die Antriebseinrichtung abgegebener Schall erfasst wird und die Wechselrichter abhängig vom erfassten Schall ge steuert werden. Dies hat den Vorteil, dass die Wechselrich ter, beispielsweise in Bezug auf die Taktfrequenz, entspre chend gesteuert werden können, sodass insgesamt die Schallab gabe durch die Antriebseinrichtung weiter reduziert werden kann. Zu diesem Zweck können entsprechende Auswerte- und Steueralgorithmen durch die Steuereinrichtung realisiert wer den, die beispielsweise hierfür eine Hardware-Schaltung und/oder eine programmgesteuerte Rechnereinheit aufweisen kann. Beispielsweise kann mittels der Steuereinrichtung ein Wobbeln in Bezug auf die Taktfrequenz der jeweiligen Wechsel richter realisiert werden, sodass eine Geräuschreduktion so wie auch eine Störaussendung im Bereich leitungsgebundener Funkstörungen und/oder dergleichen erreicht werden kann. It is also proposed that a sound emitted by the drive device is detected by means of a sound sensor and that the inverters are controlled as a function of the detected sound. This has the advantage that the inverters can be controlled accordingly, for example in relation to the clock frequency, so that overall the sound output from the drive device can be further reduced. For this purpose, corresponding evaluation and control algorithms can be implemented by the control device, which can have a hardware circuit and/or a program-controlled computer unit for this purpose, for example. For example, the control device can be used to wobble in relation to the clock frequency of the respective inverter, so that noise can be reduced and interference can be emitted in the area of wired radio interference and/or the like.
Es wird ferner vorgeschlagen, dass die Wechselrichteranord nung Wechselrichtermodule aufweist, wobei ein jeweiliges Wechselrichtermodul zwei der Wechselrichter umfasst, die zwi schenkreisseitig parallelgeschaltet sind, wobei jeweils zwei in Reihe schaltbare Wicklungsstränge an die Wechselrichter eines jeweiligen Wechselrichtermoduls angeschlossen sind. Die Wechselrichtermodule können als einzeln handhabbare Baugrup pen ausgebildet sein, die vorzugsweise separat geprüft be reitgestellt werden können. Zu diesem Zweck können die Wech selrichtermodule beispielsweise ein eigenes Gehäuse aufwei sen. Die Gehäuse können ausgebildet sein, miteinander verbun den zu werden. Somit kann eine verbesserte Konstruktion, ins besondere in Bezug auf Wartung und Herstellung der Antriebs einrichtung erreicht werden. Die Wechselrichtermodule ermög lichen es, die Antriebseinrichtung sehr kompakt und modular aufzubauen. Zugleich kann durch die Wechselrichtermodule auch ein einfacher Anschluss an die Wicklungsstränge und eine elektrische Energieversorgung für die Wechselrichter reali siert werden. Die Wechselrichtermodule können als einzeln handhabbare Baueinheiten realisiert sein. Die Wechselrichter module können für sich einzeln prüfbare Baueinheiten bilden. It is also proposed that the inverter arrangement has inverter modules, with a respective inverter module comprising two of the inverters that are connected in parallel between the intermediate circuit side, with two series-connectable phase windings being connected to the inverters of a respective inverter module. The inverter modules can be designed as individually manageable assemblies that can preferably be provided and tested separately. For this purpose, the inverter modules can have their own housing, for example. The housings can be designed to be connected to one another. Thus, an improved construction, in particular in relation to maintenance and manufacture of the drive device can be achieved. The inverter modules make it possible to construct the drive device in a very compact and modular manner. At the same time, through the inverter modules too a simple connection to the winding strands and an electrical energy supply for the inverters can be realized. The inverter modules can be implemented as individually manageable structural units. The inverter modules can form individually testable units.
Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass die Schalteinheit ausgebildet ist, in einem zweiten Schaltzustand den jeweili gen ersten und zweiten Anschluss eines jeweiligen Wicklungs strangs mit einem einzigen jeweiligen Wechselrichter eines jeweiligen Wechselrichtermoduls zu koppeln. Dadurch kann eine einfache Umschaltfunktion realisiert werden, die wenig Ver drahtungsaufwand benötigt. Darüber hinaus können die Wick lungsstränge nahezu beliebig und unabhängig voneinander mit elektrischem Strom beaufschlagt werden. In addition, it is proposed that the switching unit be designed to couple the respective first and second connection of a respective phase winding to a single respective inverter of a respective inverter module in a second switching state. This allows a simple switchover function to be implemented that requires little wiring effort. In addition, the winding strands can be supplied with electricity in almost any way and independently of one another.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die Wechselrichtermodule als separat handhabbare Bauteile ausgebildet sind, wobei die Wechselrichtermodule innerhalb einer zu einer Drehachse des Läufers koaxialen Ständeröffnung in Umfangsrichtung benach bart zueinander angeordnet sind. Hierdurch kann die Wechsel richteranordnung auf einfache Weise in die rotierende elekt rische Maschine integriert werden, sodass eine separate Kon struktion der Wechselrichteranordnung, die von der rotieren den elektrischen Maschine getrennt angeordnet ist, eingespart werden kann. Durch diese Konstruktion kann eine hohe Integra tion in Bezug auf die Antriebseinrichtung erreicht werden, insbesondere wenn die rotierende elektrische Maschine einen großen Außenumfang und/oder eine hohe Anzahl von Polen auf weist. Die Wechselrichtermodule können zum Beispiel nach Art von Kreissektoren ausgebildet sein und in Umfangsrichtung be nachbart zueinander angeordnet sein. Vorzugsweise sind die Wechselrichtermodule derart angeordnet, dass sie den jeweils an ihnen angeschlossenen Wicklungssträngen im Wesentlichen gegenüberliegen, sodass ein Verdrahtungsaufwand reduziert werden kann. Darüber hinaus kann durch diese Ausgestaltung auch eine Reduktion von elektromagnetischen Störungen und/oder Geräuschen erreicht werden. Vorteilhaft weist der Läufer eine zur Drehachse koaxial aus gebildete Läuferöffnung auf, in der die Wechselrichteranord nung zumindest teilweise ausgebildet ist. Vorzugsweise ist die Wechselrichteranordnung im Wesentlichen vollständig in der Läuferöffnung angeordnet. Diese Ausgestaltung eignet sich insbesondere für elektrische Maschinen, die einen großen Durchmesser mit einer großen Anzahl von Polen aufweisen. Dadurch kann ein Raum innerhalb der rotierenden elektrischen Maschine für die Aufnahme der Wechselrichteranordnung genutzt werden. Die Antriebseinrichtung kann auf diese Weise sehr kompakt ausgebildet sein. Die Läuferöffnung kann zum Beispiel dadurch gebildet sein, dass der Läufer im Bereich der Stän derwicklung nach Art einer Glocke ausgebildet ist und/oder beispielsweise stirnseitig eine Sacköffnung aufweist, in der die Wechselrichtermodule der Wechselrichteranordnung angeord net werden können. Auch wenn hierbei die Nutzung von Wechsel richtermodulen vorteilhaft ist, ist dieser Gedanke jedoch nicht hierauf beschränkt. Dem Grunde nach kann die Wechsel richteranordnung natürlich auch als eine kompakte Einheit vorgesehen sein, die die einzelnen Wechselrichter umfasst. It is also proposed that the inverter modules are designed as separately manageable components, with the inverter modules being arranged adjacent to one another in the circumferential direction within a stator opening that is coaxial with an axis of rotation of the rotor. As a result, the inverter arrangement can be easily integrated into the rotating electrical machine, so that a separate construction of the inverter arrangement, which is arranged separately from the rotating electrical machine, can be saved. A high level of integration with respect to the drive device can be achieved with this design, in particular if the rotating electrical machine has a large outer circumference and/or a large number of poles. The inverter modules can be designed, for example, in the manner of circular sectors and be arranged adjacent to one another in the circumferential direction. The inverter modules are preferably arranged in such a way that they are essentially opposite the phase windings connected to them, so that the wiring effort can be reduced. In addition, a reduction in electromagnetic interference and/or noise can also be achieved with this configuration. The rotor advantageously has a rotor opening which is formed coaxially to the axis of rotation and in which the inverter arrangement is at least partially formed. The inverter arrangement is preferably arranged essentially completely in the rotor opening. This configuration is particularly suitable for electrical machines that have a large diameter with a large number of poles. As a result, a space within the rotating electrical machine can be used to accommodate the inverter arrangement. The drive device can be made very compact in this way. The rotor opening can be formed, for example, by forming the rotor in the area of the stator winding in the manner of a bell and/or, for example, having a blind opening at the end, in which the inverter modules of the inverter arrangement can be arranged. Even if the use of inverter modules is advantageous here, this idea is not limited to this. Basically, the inverter arrangement can of course also be provided as a compact unit that includes the individual inverters.
Vorteilhaft ist der Läufer permanenterregt ausgebildet. Auf diese Weise kann eine Synchronmaschine realisiert werden, bei der der Läufer keine elektrischen Anschlüsse benötigt. Dies hat nicht nur für den bestimmungsgemäßen Betrieb sondern auch für die Sicherheit Vorteile. Gerade bei Antrieben von Wasser fahrzeugen erweist sich dies als vorteilhaft. The rotor is advantageously designed to be permanently excited. In this way, a synchronous machine can be implemented in which the rotor does not require any electrical connections. This not only has advantages for the intended operation but also for safety. This proves to be advantageous, especially in the case of drives for water vehicles.
Die für die erfindungsgemäßen Verfahren angegebenen Vorteile und Wirkungen gelten natürlich gleichermaßen für die erfin dungsgemäßen Antriebseinrichtungen und die mit den erfin dungsgemäßen Antriebseinrichtungen ausgerüsteten Wasserfahr zeuge und umgekehrt. Insbesondere können somit Verfahrens merkmale als Vorrichtungsmerkmale und umgekehrt formuliert sein. Weitere Vorteile, Wirkungen und Merkmale ergeben sich durch die folgende Beschreibung von Ausführungsbeispielen. In den Ausführungsbeispielen bezeichnen gleiche Bezugszeichen glei che Merkmale und Funktionen. The advantages and effects specified for the method according to the invention naturally apply equally to the drive devices according to the invention and the watercraft equipped with the drive devices according to the invention and vice versa. In particular, method features can be formulated as device features and vice versa. Further advantages, effects and features result from the following description of exemplary embodiments. In the exemplary embodiments, the same reference symbols denote the same features and functions.
Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen han delt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Die vorhergehend in der Beschreibung angegebenen Merkmale, Merkmalskombinationen sowie auch die in der folgenden Be schreibung von Ausführungsbeispielen genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinati onen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar. Es sind so mit auch Ausführungen von der Erfindung umfasst beziehungs weise als offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht ex plizit gezeigt und erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungsformen hervorgehen und erzeugbar sind. Die anhand der Ausführungs beispiele dargestellten Merkmale, Funktionen und/oder Wirkun gen können für sich genommen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale, Funktionen und/oder Wirkungen der Erfindung darstellen, welche die Erfindung je weils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher sollen die Ausführungsbeispiele auch andere Kombinationen als die in den erläuterten Ausführungsformen umfassen. Darüber hinaus können die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale, Funktionen und/oder Wir kungen der Erfindung ergänzt sein. The exemplary embodiments explained below are preferred embodiments of the invention. The features and combinations of features specified above in the description and also the features and combinations of features mentioned in the following description of exemplary embodiments and/or shown alone in the figures can be used not only in the combination specified in each case, but also in other combinations. The invention also encompasses or is to be regarded as disclosed embodiments that are not explicitly shown and explained in the figures, but that result from the explained embodiments and can be generated through separate combinations of features. The features, functions and/or effects illustrated in the exemplary embodiments can each represent individual features, functions and/or effects of the invention that are to be considered independently of one another and that further develop the invention independently of one another. Therefore, the exemplary embodiments are also intended to include combinations other than those in the illustrated embodiments. In addition, the described embodiments can also be supplemented by further features, functions and/or effects of the invention that have already been described.
FIG 1 eine schematische Prinzipansicht einer Antriebsein richtung für ein Unterwasserboot mit einer permanent erregten Synchronmaschine sowie einer in der Synchron maschine integriert angeordneten Wechselrichteranord nung; 1 shows a schematic basic view of a drive unit for a submersible with a permanently excited synchronous machine and an inverter arrangement integrated in the synchronous machine;
FIG 2 in einer schematischen Schnittansicht eine magnetische Einheit eines Ständers und eines Läufers der Synchron maschine gemäß FIG 1; FIG 3 eine vergrößerte Darstellung eines Bereichs III in FIG 2 angeschlossen an die Wechselrichteranordnung; 2 shows a schematic sectional view of a magnetic unit of a stator and a rotor of the synchronous machine according to FIG. 1; 3 shows an enlarged representation of a region III in FIG. 2 connected to the inverter arrangement;
FIG 4 in einer schematischen Schaltbilddarstellung ein Wech selrichtermodul der Wechselrichteranordnung gemäß FIG 1, welches zwei zwischenkreisseitig parallelgeschalte te Wechselrichter in Vollbrückenschaltung aufweist, wobei an jeden Wechselrichter wenigstens ein Wick lungsstrang einer Ständerwicklung der Synchronmaschine gemäß FIG 1 über eine Schalteinheit angeschlossen ist, wobei die Schalteinheit in einem ersten Schaltzustand dargestellt ist; 4 shows a schematic circuit diagram of an inverter module of the inverter arrangement according to FIG a first switching state is shown;
FIG 5 eine schematische Schaltbilddarstellung wie FIG 4, bei der die Schalteinheit in einem zweiten Schaltzustand dargestellt ist; und FIG. 5 shows a schematic circuit diagram like FIG. 4, in which the switching unit is shown in a second switching state; and
FIG 6 eine schematische Seitenansicht eines Unterwasserboots mit der Antriebseinrichtung gemäß FIG 1. 6 shows a schematic side view of a submersible with the drive device according to FIG.
FIG 6 zeigt in einer schematischen Seitenansicht ein Unter wasserboot 12 als Wasserfahrzeug, welches eine elektrische Antriebseinheit 10 aufweist, die dem bestimmungsgemäßen Fähr betrieb des Unterwasserboots 12 dient. Die elektrische An triebseinrichtung 10 weist eine permanenterregte Synchronma schine 20 sowie eine Wechselrichteranordnung 36 auf, die vor liegend zu einer kompakten Einheit integriert ausgebildet sind (FIG 1), wie im Folgenden noch weiter erläutert werden wird. FIG. 6 shows a schematic side view of a submarine 12 as a watercraft which has an electric drive unit 10 which is used for the intended ferry operation of the submarine 12 . The electrical drive device 10 has a permanently excited synchronous machine 20 and an inverter arrangement 36, which are designed to be integrated into a compact unit (FIG. 1), as will be explained further below.
Die Synchronmaschine 20 umfasst einen Läufer 28, der mit ei nem ersten Ende einer Antriebswelle 16 drehfest verbunden ist. An einem dem Läufer 28 gegenüberliegenden zweiten Ende der Antriebswelle 16 ist ein Propeller 18 drehfest befestigt. Damit kann mit der elektrischen Antriebseinrichtung 10 die Antriebswelle 16 in Verbindung mit dem Propeller 18 unmittel- bar, das heißt, ohne Zwischenschaltung eines mechanischen Ge triebes, drehend angetrieben werden. The synchronous machine 20 includes a rotor 28 which is non-rotatably connected to a first end of a drive shaft 16 ei. A propeller 18 is fastened in a rotationally fixed manner to a second end of the drive shaft 16 opposite the rotor 28 . Thus, with the electric drive device 10, the drive shaft 16 in connection with the propeller 18 can bar, that is, without the interposition of a mechanical Ge transmission, driven in rotation.
Die Wechselrichteranordnung 36 der elektrischen Antriebsein richtung 10 ist gleichspannungszwischenkreisseitig an eine Fahrzeugbatterie 14 des Unterwasserboots 12 angeschlossen, die für den bestimmungsgemäßen Betrieb der elektrischen An triebseinrichtung 10, insbesondere der Wechselrichteranord nung 36, elektrische Energie bereitstellt. Nicht dargestellt ist, dass darüber hinaus ein verbrennungsmotorbetriebenes Ag gregat vorhanden sein kann, welches dazu dient, die Fahrzeug batterie 14 aufzuladen und/oder für den Fährbetrieb des Un terwasserseeboots 12 an einer Wasseroberfläche die elektri sche Energie alternativ bereitzustellen. The inverter arrangement 36 of the electric drive unit 10 is connected to a vehicle battery 14 of the underwater boat 12 on the DC voltage intermediate circuit side, which provides electrical energy for the intended operation of the electric drive unit 10, in particular the inverter arrangement 36. What is not shown is that an internal combustion engine-driven unit can also be present, which is used to charge the vehicle battery 14 and/or alternatively to provide the electrical energy for the ferry operation of the submarine 12 on a water surface.
Die elektrische Antriebseinrichtung 10 umfasst die Synchron maschine 20 als rotierende elektrische Maschine. Die Syn chronmaschine 20 weist einen Ständer 22 und einen gegenüber dem Ständer 22 drehbar angeordneten und über einen Luftspalt 26 von einer magnetischen Einheit 24 des Ständers 22 beab- standeten Läufer 28 auf. Die Synchronmaschine 20 ist vorlie gend als Innenläufer ausgebildet. Die Erfindung ist jedoch hierauf nicht beschränkt. Der Läufer 28 ist innerhalb einer Ständeröffnung 64 des Ständers 20 angeordnet, wobei die Stän deröffnung 64 koaxial zu einer Drehachse 60 des Läufers 28 ausgebildet ist. Die Ständeröffnung 64 ist vorliegend im We sentlichen kreisrund ausgebildet. The electric drive device 10 includes the synchronous machine 20 as a rotating electric machine. The synchronous machine 20 has a stator 22 and a rotor 28 which is arranged such that it can rotate with respect to the stator 22 and is spaced apart from a magnetic unit 24 of the stator 22 by an air gap 26 . The synchronous machine 20 is presently designed as an internal rotor. However, the invention is not limited to this. The rotor 28 is arranged within a stator opening 64 of the stator 20, wherein the Stän deröffnung 64 is coaxial with an axis of rotation 60 of the rotor 28 is formed. In the present case, the stand opening 64 is substantially circular.
Der Läufer 28 ist vorliegend permanenterregt ausgebildet, weshalb er an einer dem Luftspalt 26 zugewandten Oberfläche in Umfangsrichtung benachbart zueinander angeordnete Perma nentmagnete aufweist, die an einem Läuferblechpaket angeord net sind (nicht dargestellt). The rotor 28 is presently designed to be permanently excited, which is why it has permanent magnets arranged adjacent to one another in the circumferential direction on a surface facing the air gap 26 and which are arranged on a laminated rotor core (not shown).
Ständerseitig ist die magnetische Einheit 24 vorgesehen, die neben einer Ständerwicklung, die Wicklungsstränge 32, 34 um fasst, einen magnetischen Rückschluss aufweist, der vorlie gend ebenfalls als Blechpaket ausgebildet ist. Je nach Anwen- düng kann der magnetische Rückschluss jedoch aus anders aus gebildet sein und zum Beispiel ein oder mehrere magnetisier bare Ferritelemente und/oder dergleichen aufweisen. Die Stän deröffnung 64 ist vorliegend durch die magnetische Einheit 24 bereitgestellt. On the stator side, the magnetic unit 24 is provided, which, in addition to a stator winding, which includes winding strands 32, 34, has a magnetic yoke, which in the present case is also designed as a laminated core. Depending on However, the magnetic yoke can be formed differently and, for example, have one or more magnetizable ferrite elements and/or the like. The stator opening 64 is presently provided by the magnetic unit 24 .
Die magnetische Einheit 24 weist luftspaltseitig ausgebildete Nuten 30 auf. In dieser Ausgestaltung sind die Nuten 30 zum Luftspalt 26 hin offen ausgebildet. In jeder Nut 30 ist ein erster Wicklungsstrang 32 angeordnet. Darüber hinaus ist in jeder Nut 30 ein vom ersten Wicklungsstrang 32 elektrisch isolierter zweiter Wicklungsstrang 34 angeordnet. In jeder Nut sind in der vorliegenden Ausgestaltung also zwei Wick lungsstränge 32, 34 elektrisch isoliert voneinander angeord net. Je nach Konstruktion der Synchronmaschine 20 können hier jedoch auch mehr als zwei voneinander elektrisch isolierte Wicklungsstränge angeordnet sein. Die Wicklungsstränge 32, 34 sind vorliegend durch Leiterstäbe gebildet, die in den jewei ligen Nuten angeordnet sind. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Leiterstäbe einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweisen, wobei an einem äußeren Umfang eines jeweiligen Leiterstabs eine elektrische Isolationsschicht an geordnet ist, die zum Beispiel einen Lack, ein Isolationsma terial wie Glimmer oder dergleichen und/oder dergleichen um fassen kann. Die Nuten 30 können zumindest teilweise durch ein geeignetes Nutverschlusselement verschlossen sein (nicht dargestellt). The magnetic unit 24 has grooves 30 formed on the air gap side. In this embodiment, the grooves 30 are open towards the air gap 26 . A first phase winding 32 is arranged in each slot 30 . In addition, a second winding phase 34 that is electrically insulated from the first winding phase 32 is arranged in each slot 30 . In the present embodiment, two winding strands 32, 34 are arranged in each groove so that they are electrically isolated from one another. Depending on the design of the synchronous machine 20, however, more than two winding strands that are electrically insulated from one another can also be arranged here. The phase windings 32, 34 are presently formed by conductor bars which are arranged in the respective slots. For example, it can be provided that the conductor bars have a substantially rectangular cross section, with an electrical insulation layer being arranged on the outer circumference of each conductor bar, which layer can include, for example, a lacquer, an insulation material such as mica or the like and/or the like . The grooves 30 can be at least partially closed by a suitable groove closure element (not shown).
Zu erkennen ist ferner, dass der Läufer 28 eine zur Drehachse 60 koaxial ausgebildete Läuferöffnung 66 aufweist, die vor liegend als Sacköffnung ausgebildet ist. Der Läufer 28 ist in dieser Ausgestaltung also dem Grunde nach glockenartig ausge bildet. In der Läuferöffnung 66 ist die Wechselrichteranord nung 36 vorliegend vollständig angeordnet. Je nach Konstruk tion kann jedoch auch vorgesehen sein, dass zumindest ein Teil der Wechselrichteranordnung 36 außerhalb der Läuferöff nung 66 angeordnet ist, indem dieser Teil beispielsweise auch in einem separaten Wechselrichterschrank oder dergleichen an- geordnet ist. Die vorliegende Konstruktion ist ergänzend in FIG 2 dargestellt, welche eine schematische Schnittansicht durch die Synchronmaschine 20 zeigt. It can also be seen that the runner 28 has a runner opening 66 which is coaxial with the axis of rotation 60 and which is embodied here as a blind opening. In this configuration, the rotor 28 is basically bell-shaped. In the present case, the inverter arrangement 36 is completely arranged in the rotor opening 66 . Depending on the design, however, it can also be provided that at least a part of the inverter arrangement 36 is arranged outside of the rotor opening 66, for example by placing this part in a separate inverter cabinet or the like. is ordered. The present construction is additionally shown in FIG. 2, which shows a schematic sectional view through the synchronous machine 20. FIG.
FIG 3 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Aus schnitt III aus FIG 2 in einer Draufsicht radial nach außen, wobei der Anschluss der Wicklungsstränge 32, 34 an jeweiligen Wechselrichter 40, 42, 44, 46 der Wechselrichteranordnung 36 gezeigt ist. Aus FIG 3 ist ersichtlich, dass ein jeweiliger erster Wicklungsstrang 32 an einem jeweiligen ersten Wechsel richter 40, 42, der Wechselrichteranordnung 36 angeschlossen ist. Ein jeweiliger zweiter Wicklungsstrang 34 ist an einem jeweiligen zweiten Wechselrichter 44, 46 der Wechselrichter anordnung 36 angeschlossen. FIG. 3 shows a schematic representation of a section III from FIG. 2 in a plan view radially outward, the connection of the phase windings 32, 34 to the respective inverter 40, 42, 44, 46 of the inverter arrangement 36 being shown. It can be seen from FIG. 3 that a respective first phase winding 32 is connected to a respective first inverter 40, 42 of the inverter arrangement 36. A respective second phase winding 34 is connected to a respective second inverter 44, 46 of the inverter arrangement 36.
Ferner umfasst die elektrische Antriebseinrichtung 10 eine Steuereinrichtung 68, die gemäß einem ersten Aspekt ausgebil det ist, die ersten und die zweiten Wechselrichter 40, 42,Furthermore, the electric drive device 10 comprises a control device 68, which is designed according to a first aspect, the first and the second inverters 40, 42,
44, 46 derart anzusteuern, dass die ersten und die zweiten Wechselrichter 40, 42, 44, 46 die jeweiligen Wicklungsstränge 32, 34 in einem ungestörten bestimmungsgemäßen Betrieb mit einem im Wesentlichen gleichen vorgebbaren elektrischen Strom beaufschlagen. Dadurch kann ein akustisch besonders ruhiger und hinsichtlich der elektromagnetischen Verträglichkeit stö rungsarmer Betrieb der elektrischen Antriebseinrichtung 10 erreicht werden. 44, 46 to be controlled in such a way that the first and the second inverters 40, 42, 44, 46 act on the respective phase windings 32, 34 in an undisturbed, intended operation with an essentially the same predeterminable electric current. As a result, operation of the electric drive device 10 can be achieved in an acoustically particularly quiet manner and with little interference in terms of electromagnetic compatibility.
In Bezug auf den ersten Aspekt ist die Steuereinrichtung 68 ferner ausgebildet, in einem Betriebszustand, in dem einer der ersten Wechselrichter 40, 42 nicht aktivierbar ist, den jeweiligen zweiten Wechselrichter 44, 46 derart anzusteuern, dass der jeweilige zweite Wicklungsstrang 34 mit dem doppel ten vorgegebenen elektrischen Strom beaufschlagt wird. Ein Wechselrichter ist beispielsweise nicht aktivierbar, wenn ein gestörter Betriebszustand vorliegt, der Wechselrichter nicht angesteuert werden kann, einen Hardware-Defekt aufweist, der an diesem Wechselrichter angeschlossene Wicklungsstrang 32,With regard to the first aspect, the control device 68 is also designed, in an operating state in which one of the first inverters 40, 42 cannot be activated, to control the respective second inverter 44, 46 in such a way that the respective second phase winding 34 with the double th predetermined electric current is applied. An inverter cannot be activated, for example, if there is a disrupted operating state, the inverter cannot be controlled, has a hardware defect, the phase winding 32 connected to this inverter,
34 einen Isolationsfehler aufweist und/oder dergleichen. In diesem Betriebszustand kann die hierdurch verursachte redu zierte magnetische Durchflutung somit durch den jeweiligen zweiten Wechselrichter 44, 46 kompensiert werden, indem die ser den an ihn angeschlossenen Wicklungsstrang 34 mit dem doppelten vorgebbaren elektrischen Strom beaufschlagt. Da der zweite Wicklungsstrang 34 in diesem Fall in der gleichen Nut 30 wie der erste Wicklungsstrang 32 angeordnet ist, kann so mit die aufgrund der Störung auftretende reduzierte magneti sche Durchflutung durch den Betrieb des zweiten Wechselrich ters 44, 46 in Verbindung mit dem zweiten Wicklungsstrang 34 kompensiert werden. Diese Kompensation ist so lange möglich, wie der vorgebbare elektrische Strom kleiner als ein durch den jeweiligen zweiten Wechselrichter 44, 46 maximal bereit stellbarer elektrischer Strom ist. 34 has an insulation fault and/or the like. In In this operating state, the reduced magnetic flux caused by this can thus be compensated for by the respective second inverter 44, 46, in that the water applies twice the predetermined electric current to the phase winding 34 connected to it. Since the second phase winding 34 is arranged in the same slot 30 as the first phase winding 32 in this case, the reduced magnetic flux through the operation of the second inverter 44, 46 in connection with the second phase winding 34 be compensated. This compensation is possible as long as the electrical current that can be predetermined is smaller than the maximum electrical current that can be provided by the respective second inverter 44, 46.
In der vorliegenden Ausgestaltung wird davon ausgegangen, dass die Wechselrichter 40, 42, 44, 46 im Wesentlichen gleich ausgebildet sind und die im Wesentlichen gleichen elektri schen Eigenschaften aufweisen. In alternativen Ausgestaltun gen kann hiervon jedoch auch abgewichen werden. In the present embodiment, it is assumed that the inverters 40, 42, 44, 46 are of essentially the same design and have essentially the same electrical properties. However, this can also be deviated from in alternative configurations.
Ist der maximal vorgebbare elektrische Strom größer als ein durch den jeweiligen zweiten Wechselrichter 44, 46 maximal bereitstellbarer elektrischer Strom, so wird mit dem zweiten Wechselrichter lediglich der maximal bereitstellbare elektri sche Strom zum Beaufschlagen des zweiten Wicklungsstrangs 34 zur Verfügung gestellt. Hier braucht demnach steuerungsseitig keine weitere Einstellungsmöglichkeit vorgesehen zu sein. If the maximum specifiable electrical current is greater than a maximum electrical current that can be provided by the respective second inverter 44, 46, then only the maximum electrical current that can be provided is provided with the second inverter for charging the second phase winding 34. Accordingly, no further setting option needs to be provided here on the control side.
Der maximal bereitstellbare Strom kann sich auf einen Effek tivwert, einen Mittelwert, einen Absolutwert und/oder der gleichen des elektrischen Stroms beziehen. The maximum current that can be provided can relate to an effective value, an average value, an absolute value and/or the same of the electric current.
Aus FIG 3 ist weiterhin ersichtlich, dass die Wechselrichter anordnung 36 Wechselrichtermodule 48, 50 aufweist. Ein jewei liges Wechselrichtermodul 48, 50 umfasst zwei der Wechsel richter 40, 42, 44, 46, die zwischenkreisseitig parallelge schaltet sind. Jeweils zwei in Reihe schaltbare Wicklungs- stränge 32, 34 sind an die Wechselrichter 40, 42, 44, 46 ei nes jeweiligen Wechselrichtermoduls 48, 50 angeschlossen. It can also be seen from FIG. 3 that the inverter arrangement 36 has inverter modules 48 , 50 . A jewei timed inverter module 48, 50 includes two of the inverters 40, 42, 44, 46, which are connected in parallel on the intermediate circuit side. Two windings that can be switched in series Strings 32, 34 are connected to the inverters 40, 42, 44, 46 of a respective inverter module 48, 50.
Darüber hinaus ist aus FIG 3 ersichtlich, dass jeder Wechsel richter eine Vollbrückenschaltung von Schaltelementen auf weist, die vorliegend durch Transistoren, nämlich Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT), gebildet sind. In alternati ven Ausgestaltungen können die Schaltelemente jedoch auch durch andere Halbleiterschaltelemente gebildet sein, bei spielsweise Feldeffekttransistoren wie insbesondere Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors (MOSFET), aber unter Umständen auch durch Gate Turn Off Thyristoren (GTO) oder dergleichen. Natürlich können auch Kombinationen hiervon vorgesehen sein. In addition, it can be seen from FIG. 3 that each inverter has a full-bridge circuit of switching elements, which in the present case are formed by transistors, namely insulated gate bipolar transistors (IGBT). In alternative configurations, however, the switching elements can also be formed by other semiconductor switching elements, for example field effect transistors such as in particular metal oxide semiconductor field effect transistors (MOSFET), but possibly also by gate turn-off thyristors (GTO) or the like. Combinations of these can of course also be provided.
Durch die Wechselrichtermodule 48, 50 kann eine kompakte Bau art der Wechselrichteranordnung 36 erreicht werden. Dies ist anhand von FIG 1 dargestellt. In der Läuferöffnung 66 sind die Wechselrichtermodule 48, 50 umlaufend um die Drehachse 60 herum benachbart zueinander angeordnet. In Umfangsrichtung ist ein jeweiliges Wechselrichtermodul 48 benachbart zu je weiligen Wechselrichtermodulen 50 unmittelbar angeordnet. Die Wechselrichtermodule 48, 50 sind also in Umfangsrichtung al ternierend angeordnet. Darüber hinaus sind die Wechsel richtermodule 48, 50 in Umfangsrichtung vorliegend nach Art von Kreissektoren ausgebildet. Dadurch kann ein sehr kompak ter Aufbau der Wechselrichteranordnung 36 innerhalb der Läu feröffnung 66 und damit auch der koaxialen Ständeröffnung 64 erreicht werden. Through the inverter modules 48, 50, a compact design of the inverter arrangement 36 can be achieved. This is illustrated with reference to FIG. In the rotor opening 66, the inverter modules 48, 50 are arranged circumferentially around the axis of rotation 60, adjacent to one another. A respective inverter module 48 is arranged directly adjacent to each respective inverter module 50 in the circumferential direction. The inverter modules 48, 50 are thus arranged ternating in the circumferential direction al. In addition, the inverter modules 48, 50 are formed in the circumferential direction in the manner of sectors of a circle. As a result, a very compact ter structure of the inverter arrangement 36 can be achieved within the rotor opening 66 and thus also the coaxial stator opening 64 .
FIG 4 und 5 zeigen schematische Schaltbildanordnungen eines Wechselrichtermoduls 48 mit den Wechselrichtern 40, 42 (FIG 4) und eines Wechselrichtermoduls 50 mit den Wechselrichtern 44, 46 (FIG 5). Die Wechselrichter 40, 42, 44, 46 sind vor liegend im Wesentlichen identisch ausgebildet. Jeder Wechsel richter 40, 42, 44, 46 weist zwei Reihenschaltungen aus je weils zwei Schaltelementen, vorliegend IGBT's, auf. An Mit telanschlüssen der Reihenschaltungen können die Wicklungs- stränge 32, 34 angeschlossen werden. Somit kann jeder der Wicklungsstränge 32, 34 in diesem Fall individuell mit elekt rischem Strom durch einen jeweiligen der Wechselrichter 40, 42, 44, 46 beaufschlagt werden. Dieser Betriebszustand ist anhand von FIG 4 dargestellt. 4 and 5 show schematic circuit diagram arrangements of an inverter module 48 with the inverters 40, 42 (FIG. 4) and an inverter module 50 with the inverters 44, 46 (FIG. 5). In the present case, the inverters 40, 42, 44, 46 are configured essentially identically. Each inverter 40, 42, 44, 46 has two series connections each containing two switching elements, in this case IGBTs. The windings can be strands 32, 34 can be connected. Thus, in this case, each of the phase windings 32, 34 can be individually supplied with electrical current by a respective one of the inverters 40, 42, 44, 46. This operating state is shown in FIG.
Gemäß einem zweiten Aspekt ist ferner vorgesehen, dass je weils ein Wicklungsstrang 32, 34 mit einem ersten Anschluss 52, 54 an einem der Wechselrichter 40, 42, 44, 46 angeschlos sen ist. Dies ist aus FIG 3 bis 5 ersichtlich. Jeweils zwei erste Wicklungsstränge 32 zweier jeweils unmittelbar benach bart angeordneter Nuten 30 und jeweils zwei zweite Wicklungs stränge 34 dieser Nuten sind über jeweilige zweite Anschlüsse in Reihe schaltbar (FIG 5). According to a second aspect, it is also provided that one phase winding 32, 34 is connected to one of the inverters 40, 42, 44, 46 with a first connection 52, 54. This can be seen from FIGS. 3 to 5. Two first winding strands 32 of two slots 30 arranged immediately next to each other and two second winding strands 34 of each of these slots can be connected in series via respective second connections (FIG. 5).
Bei diesem zweiten Aspekt ist die Steuereinrichtung 68 ausge bildet, in einem ersten Betriebszustand nur eine vorgegebene Auswahl der Wechselrichter der Wechselrichteranordnung 36 zu aktivieren. Im ersten Betriebszustand ist eine bereitzustel lende Antriebsleistung kleiner als eine durch die aktivierten Wechselrichter bereitstellbare Teilleistung der Wechsel richteranordnung 36, die abhängig von einem jeweils durch die aktivierten Wechselrichter maximal bereitstellbaren elektri schen Strom bestimmt ist. In der vorliegenden Ausgestaltung ist zum Beispiel vorgesehen, dass die Auswahl die Wechsel richter 40, 42 des Wechselrichtermoduls 48 umfassen. In die sem Betriebszustand ist in der vorliegenden Ausgestaltung vorgesehen, dass lediglich die Hälfte der Wechselrichtermodu- le 48, 50, nämlich die Wechselrichtermodule 48, aktiviert sind. Dagegen sind die weiteren Wechselrichtermodule 50 im deaktivierten Zustand. Alternativ können natürlich auch die Wechselrichtermodule 50 aktiviert und die Wechselrichtermodu le 48 deaktiviert sein. In this second aspect, the control device 68 is designed to activate only a predetermined selection of the inverters of the inverter arrangement 36 in a first operating state. In the first operating state, a drive power to be provided is less than a partial power of the inverter arrangement 36 that can be provided by the activated inverters, which is determined as a function of a maximum electrical current that can be provided by the activated inverters. In the present embodiment, it is provided, for example, that the selection includes the inverters 40, 42 of the inverter module 48. In this operating state, the present embodiment provides that only half of the inverter modules 48, 50, namely the inverter modules 48, are activated. In contrast, the other inverter modules 50 are in the deactivated state. Alternatively, of course, the inverter modules 50 can also be activated and the inverter modules 48 can be deactivated.
Durch diesen ersten Betriebszustand kann ein Teilleistungsbe trieb mit einem hohen Wirkungsgrad und geringer Geräuschent wicklung realisiert werden. Wird in diesem ersten Betriebszu stand die maximale Teilleistung erreicht, kann die Steuerein- richtung 68 ausgebildet sein, in einem zweiten Betriebszu stand, in dem die bereitzustellende Antriebsleistung größer als die Teilleistung ist, alle Wechselrichter 40, 42, 44, 46 der Wechselrichteranordnung 36 beziehungsweise alle Wechsel- richtermodule 48, 50 zu aktivieren. This first operating state allows partial power operation to be implemented with high efficiency and low noise development. If the maximum partial output is reached in this first operating state, the control unit can be formed direction 68, in a second operational state, in which the drive power to be provided is greater than the partial power, all inverters 40, 42, 44, 46 of the inverter arrangement 36 or all inverter modules 48, 50 to activate.
Die Steuereinrichtung 68 ist ferner ausgebildet, bei einem nicht aktivierbaren Wechselrichter 40, 42, der an jeweiligen ersten Wicklungssträngen 32 angeschlossen ist, im zweiten Be triebszustand denjenigen Wechselrichter 44, 46, der an den jeweiligen zweiten Wicklungssträngen 34 angeschlossen ist, derart zu steuern, dass diese zweiten Wicklungsstränge 34 mit dem maximal bereitstellbaren elektrischen Strom beaufschlagt werden. Dadurch kann erreicht werden, dass der Leistungsaus fall aufgrund des nicht aktivierbaren Wechselrichters 40, 42 zumindest teilweise ausgeglichen werden kann. Die Synchronma schine 20 kann also auch in diesem Betriebszustand weiter be trieben werden, wobei jedoch eine vollständige Kompensation des Leistungsausfalls und in Bezug auf die Geräuschentwick lung nicht erreicht werden kann, sondern lediglich eine Teil kompensation. Dadurch kann die Synchronmaschine 20 auch im Teilleistungsbetrieb im zweiten Betriebszustand weiter be trieben werden. Tritt das Problem des nicht aktivierbaren Wechselrichters 40, 42 im ersten Betriebszustand auf, kann vorgesehen sein, dass anstelle der ersten Wechselrichter 40, 42 die zweiten Wechselrichter 44, 46 aktiviert werden. In the case of an inverter 40, 42 that cannot be activated and that is connected to the respective first winding phase 32, the control device 68 is also configured to control the inverter 44, 46 that is connected to the respective second winding phase 34 in the second operating state in such a way that these second phase windings 34 are acted upon by the maximum electric current that can be provided. It can thereby be achieved that the loss of power due to the non-activatable inverter 40, 42 can be at least partially compensated. The synchronous machine 20 can therefore continue to be operated in this operating state, although a complete compensation for the power failure and with regard to the noise development cannot be achieved, but only a partial compensation. As a result, the synchronous machine 20 can continue to be operated even in partial power operation in the second operating state. If the problem of the inverter 40, 42 that cannot be activated occurs in the first operating state, provision can be made for the second inverters 44, 46 to be activated instead of the first inverters 40, 42.
Dadurch kann eine nahezu vollständige Kompensation in Bezug auf Leistung und Geräuschentwicklung erreicht werden. Für den Fachmann ist ersichtlich, dass dies natürlich umgekehrt in Bezug auf die Wechselrichter und die Wechselrichtermodule re alisiert werden kann. As a result, an almost complete compensation in terms of performance and noise can be achieved. It is obvious for the person skilled in the art that this can of course be realized in reverse with regard to the inverters and the inverter modules.
Die vorgenannten Ausführungsbeispiele können natürlich auch miteinander kombiniert werden. Zu diesem Zweck wird gemäß ei ner weiteren Ausgestaltung vorgeschlagen, dass die Antriebs einrichtung 10 eine Schalteinheit 38 umfasst (FIG 4, 5). Die Schalteinheit 38 kann elektromechanische Schaltelemente auf weisen, die die gewünschte Schaltfunktion, wie im Folgenden noch beschrieben wird, realisieren können. Zumindest teilwei se können ergänzend oder anstelle der elektromechanischen Schaltelemente jedoch auch elektronische Halbleiterschaltele mente vorgesehen sein. Of course, the aforementioned exemplary embodiments can also be combined with one another. For this purpose, it is proposed according to a further embodiment that the drive device 10 includes a switching unit 38 (FIGS. 4, 5). The switching unit 38 can have electromechanical switching elements that provide the desired switching function, as follows will be described later. However, electronic semiconductor switching elements can also be provided, at least in part, in addition to or instead of the electromechanical switching elements.
Die Schalteinheit 38 ist ausgebildet, in einem ersten Schalt zustand die jeweiligen Wicklungsstränge 32, 34 in Reihe zu schalten. Dies ist anhand von FIG 5 exemplarisch für das Wechselrichtermodul 50 dargestellt. Die Schalteinheit 38 weist zu diesem Zweck drei nicht weiter bezeichnete Schalt elemente auf. Ein jeweiliges Schaltelement der Schalteinheit 38 ist dazu vorgesehen, den jeweiligen zweiten Anschluss 58 des zweiten Wicklungsstrangs 34 mit einem Mittelanschluss ei ner jeweiligen der Reihenschaltungen der jeweiligen Wechsel richter 44, 46 elektrisch zu koppeln. In FIG 5 sind diese beiden Schaltelemente im ausgeschalteten Schaltzustand. Stattdessen sind diese beiden zweiten Anschlüsse 58 über ein drittes Schaltelement und eine jeweilige Induktivität 62 mit einander elektrisch verbunden. Dadurch braucht bei jedem der Wechselrichter 44, 46 nur eine jeweilige der Halbbrücken schaltungen beziehungsweise Reihenschaltungen aktiviert zu werden. Dies erlaubt es, Schaltverluste zu reduzieren. The switching unit 38 is designed to switch the respective phase windings 32, 34 in series in a first switching state. This is shown as an example for the inverter module 50 using FIG. For this purpose, the switching unit 38 has three switching elements, which are not designated further. A respective switching element of the switching unit 38 is intended to electrically couple the respective second connection 58 of the second phase winding 34 to a central connection of a respective one of the series circuits of the respective inverters 44, 46. In FIG. 5, these two switching elements are in the off switching state. Instead, these two second connections 58 are electrically connected to one another via a third switching element and a respective inductor 62 . As a result, in each of the inverters 44, 46 only one of the half-bridge circuits or series circuits needs to be activated. This allows switching losses to be reduced.
In dieser Ausgestaltung ist ferner vorgesehen, dass im ersten Schaltzustand zusätzlich zu den jeweiligen Wicklungssträngen 32, 34 eine jeweilige Induktivität 62 in Reihe geschaltet wird. Durch die Induktivität 62 kann ein Freiheitsgrad in Be zug auf das Einstellen der Taktfrequenzen der Wechselrichter 40, 42, 44, 46 erreicht werden. In this embodiment, it is also provided that in the first switching state, in addition to the respective phase windings 32, 34, a respective inductor 62 is connected in series. Due to the inductance 62, a degree of freedom in relation to setting the clock frequencies of the inverters 40, 42, 44, 46 can be achieved.
In einem zweiten Schaltzustand der Schalteinheit 38 sind da gegen die jeweiligen ersten und zweiten Anschlüsse 52, 54,In a second switching state of the switching unit 38, on the other hand, the respective first and second terminals 52, 54,
56, 58 eines jeweiligen Wicklungsstrangs 32, 34 mit dem ein zigen jeweiligen Wechselrichter 40, 42, 44, 46 eines jeweili gen Wechselrichtermoduls 48, 50 gekoppelt. Die Wicklungs stränge 32, 34 können somit dem Grunde nach individuell be trieben werden. Der zweite Schaltzustand der Schalteinheit 38 ist anhand des Wechselrichtermoduls 48 in FIG 4 dargestellt. Durch die erfindungsgemäße Konstruktion ist es möglich, im Teilleistungsbereich der elektrischen Antriebseinrichtung 10 jeweils die beiden Wicklungsstränge 32, 34 in Reihe zu schal ten, die an einem jeweiligen der Wechselrichtermodule 48, 50 angeschlossen sind. Dadurch kann eine Verbesserung des Wir kungsgrads erreicht werden. Durch die zusätzliche Induktivi tät 62 können ferner Taktfrequenzen der einzelnen Phasen na hezu unabhängig voneinander variieren. Dies erlaubt es, zum Beispiel ein Wobbeln in Bezug auf die Taktfrequenz durchzu führen, sodass eine Verschleierung von Taktfrequenzanteilen erreicht werden kann. Insbesondere können akustische Nadeln beziehungsweise Peaks bei einer bestimmten Frequenz reduziert oder sogar vermieden werden. 56, 58 of a respective phase winding 32, 34 coupled to the one respective inverter 40, 42, 44, 46 of a respec gene inverter module 48, 50. The winding strands 32, 34 can thus basically be driven individually. The second switching state of the switching unit 38 is shown in FIG. 4 using the inverter module 48 . The construction according to the invention makes it possible to switch the two winding strands 32, 34 in series in the partial power range of the electric drive device 10, which are connected to a respective one of the inverter modules 48, 50. As a result, an improvement in the degree of efficiency can be achieved. The additional inductance 62 also clock frequencies of the individual phases can vary almost independently of each other. This makes it possible, for example, to carry out wobbling in relation to the clock frequency, so that clock frequency components can be concealed. In particular, acoustic needles or peaks at a specific frequency can be reduced or even avoided.
Durch die Konstruktion der innenliegenden Wechselrichterano rdnung 36 kann zudem erreicht werden, dass die elektrische Antriebseinrichtung 10 sehr kompakt ist. Während des bestim mungsgemäßen Fährbetriebs des Unterwasserbootes 12 kann dies jedoch dazu führen, dass ein defektes Wechselrichtermodul 48, 50 beziehungsweise ein entsprechender defekter Wechselrichter 40, 42, 44, 46 nur mit großem Aufwand getauscht werden kann. Gerade auf See ist dies besonders schwierig, weil für die Dauer des Wechselns beziehungsweise Wartens die elektrische Antriebseinrichtung 10 vollständig abgeschaltet sein sollte, wodurch das Wasserfahrzeug 12 dann antriebslos wäre. The design of the internal inverter arrangement 36 also makes it possible for the electric drive device 10 to be very compact. However, during the intended ferry operation of the underwater boat 12, this can mean that a defective inverter module 48, 50 or a corresponding defective inverter 40, 42, 44, 46 can only be replaced with great effort. This is particularly difficult at sea because the electric drive device 10 should be completely switched off for the duration of the change or maintenance, as a result of which the watercraft 12 would then have no drive.
Die Erfindung ermöglicht es, bis zum nächsten Aufenthalt die Fahrt trotz des nicht aktivierbaren Wechselrichters 40, 42, 44, 46 fortzusetzen. Jedoch kann dies die akustischen Eigen schaften der Antriebseinrichtung 10 verschlechtern. Dies ergibt sich dadurch, dass einerseits der jeweilige Wicklungs strang 32, 34, der am defekten Wechselrichter 40, 42, 44, 46 angeschlossen ist, nicht mehr mit elektrischem Strom beauf schlagt werden kann. Dies kann dazu führen, dass die doppelte und die vierfache elektrische Frequenz der elektrischen An triebseinrichtung 10 größer werden. Andererseits kann bei ei nem Ausfall eines Wechselrichters in Bezug auf den vorgenann- ten zweiten Aspekt von der Reihenschaltung in die Einzel schaltung beziehungsweise den Einzelbetrieb der Wicklungs stränge zurückgeschaltet werden. Dies hat jedoch den Nach teil, dass sämtliche Wechselrichter 40, 42, 44, 46 mit der gleichen Taktfrequenz betrieben werden müssen, was zu akus tisch signifikanten Geräuschabgaben führt, insbesondere in Bezug auf eine oder mehrere spezifische Frequenzen, welche ansonsten in diesem Drehzahlbereich nicht auftreten würden. The invention makes it possible to continue driving until the next stop despite the fact that the inverter 40, 42, 44, 46 cannot be activated. However, this can degrade the acoustic properties of the drive device 10 itself. This is due to the fact that, on the one hand, the respective phase winding 32, 34, which is connected to the defective inverter 40, 42, 44, 46, can no longer be supplied with electrical current. This can lead to double and quadruple the electrical frequency of the electrical drive device 10 increasing. On the other hand, if an inverter fails in relation to the aforementioned th second aspect of the series connection in the individual circuit or the individual operation of the winding strands are switched back. However, this has the disadvantage that all inverters 40, 42, 44, 46 have to be operated at the same clock frequency, which leads to acoustically significant noise emissions, especially with regard to one or more specific frequencies, which otherwise do not occur in this speed range would.
Insbesondere bei propellerbetriebenen Wasserfahrzeugen ist das Drehmoment im Wesentlichen vom Quadrat der Drehzahl ab hängig. Dies erlaubt es, in einem unteren Teilleistungsbe reich der Antriebseinrichtung 10 nur einen Teil der elektri schen Antriebseinrichtung 10 zu aktivieren. Im Falle einer Störung eines Wechselrichters kann also der Fährbetrieb mit dem Teil der elektrischen Antriebseinrichtung 10 weiterge führt werden, der den defekten Wechselrichter beziehungsweise das defekte Wechselrichtermodul nicht umfasst. Dadurch kann eine akustische Verschlechterung weitgehend vermieden, zumin dest jedoch reduziert werden. Dies ist zum Beispiel für einen Drehzahlbereich von etwa 0% bis etwa 35...40% einer Nominal drehzahl möglich. In the case of propeller-driven watercraft in particular, the torque essentially depends on the square of the speed. This makes it possible to activate only part of the electrical drive device 10 in a lower part of the performance range of the drive device 10 . In the event of a fault in an inverter, the ferry operation can be continued with that part of the electric drive device 10 that does not include the defective inverter or the defective inverter module. As a result, acoustic deterioration can be largely avoided, but at least reduced. This is possible, for example, for a speed range from about 0% to about 35...40% of a nominal speed.
Ab diesem Punkt wird bis zu einer maximal möglichen Drehzahl bei aktivierter Reihenschaltung mit beiden Teilantriebsein richtungen gefahren, das heißt, bis zu einer Drehzahl von et wa 50...60% der Nominaldrehzahl. Bis auf den nicht aktivierba ren Wechselrichter werden die übrigen Wechselrichter wie im Normalzustand betrieben. Dadurch kann eine Verschlechterung der akustischen Signatur reduziert werden, wenn nicht sogar vollständig vermieden werden. Um der akustischen Verschlech terung im unteren Frequenzbereich in Bezug auf die Erhöhung der doppelten und vierfachen elektrischen Frequenz entgegen zuwirken, kann der entsprechende Wechselrichter beziehungs weise das entsprechende Wechselrichtermodul, welches an Wick lungsstränge angeschlossen ist, die in den gleichen Nuten wie die Wicklungsstränge des nicht aktivierbaren Wechselrichters angeordnet sind, mit dem maximal bereitstellbaren elektri- sehen Strom betrieben werden. Auf diese Weise kann eine Erhö hung der akustischen Signatur im unteren Drehzahlbereich na hezu vollständig kompensiert werden und erst eine akustische Verschlechterung im oberen zweiten Bereich zur Folge haben. From this point, the two partial drive units are driven up to a maximum possible speed with the series connection activated, i.e. up to a speed of around 50...60% of the nominal speed. With the exception of the inverter that cannot be activated, the other inverters are operated as in the normal state. As a result, a deterioration in the acoustic signature can be reduced, if not avoided completely. In order to counteract the acoustic deterioration in the lower frequency range in relation to the increase in double and quadruple the electrical frequency, the corresponding inverter or the corresponding inverter module, which is connected to winding strands that are in the same slots as the winding strands of the non-activatable inverter are arranged, with the maximum available electrical see electricity operated. In this way, an increase in the acoustic signature in the lower speed range can be almost completely compensated for and only result in an acoustic deterioration in the upper second range.
Nach einer Umschaltung in den Parallelbetrieb beziehungsweise Einzelbetrieb der Wicklungsstränge, ab einer Drehzahl von et wa 50...60% der Nominaldrehzahl, können alle verbliebenen Wech selrichter betrieben werden. Um der akustischen Verschlechte- rung im unteren Frequenzbereich entgegenwirken zu können, kann das Wechselrichtermodul wird, dessen Wicklungsstränge in derselben Nut wie die des nicht aktivierbaren Wechselrichter moduls angeordnet sind, mit dem doppelten Strom beaufschlagt werden. Dadurch kann eine akustische Verschlechterung bis zu etwa 70% der Nominaldrehzahl erreicht werden. Erst bei einer größeren Drehzahl kann es dann zu einer Verschlechterung der akustischen Signatur kommen. After switching to parallel operation or individual operation of the winding strands, from a speed of around 50...60% of the nominal speed, all remaining inverters can be operated. In order to be able to counteract the acoustic deterioration in the lower frequency range, twice the current can be applied to the inverter module whose phase windings are arranged in the same slot as those of the inverter module that cannot be activated. As a result, acoustic degradation can be achieved up to about 70% of the nominal speed. Only at a higher speed can the acoustic signature deteriorate.
Die Ausführungsbeispiele dienen ausschließlich der Erläute- rung der Erfindung und sind für diese nicht beschränkend. The exemplary embodiments serve exclusively to explain the invention and are not restrictive of it.

Claims

Patentansprüche patent claims
1. Verfahren zum Betreiben einer Antriebseinrichtung (10), insbesondere für ein Wasserfahrzeug (12), wobei die Antriebs einrichtung (10) aufweist: 1. A method for operating a drive device (10), in particular for a watercraft (12), the drive device (10) having:
- eine rotierende elektrische Maschine (20), die einen eine magnetische Einheit (24) aufweisenden Ständer (22) und einen gegenüber dem Ständer (22) drehbar angeordneten und über ei nen Luftspalt (26) von der magnetischen Einheit (24) beab- standeten Läufer (28) aufweist, wobei die magnetische Einheit (24) luftspaltseitig ausgebildete Nuten (30) aufweist, wobei in jeder Nut (30) ein erster Wicklungsstrang (32) angeordnet ist und ein vom ersten Wicklungsstrang (32) elektrisch iso lierter zweiter Wicklungsstrang (34) angeordnet ist, und- A rotating electric machine (20) having a magnetic unit (24) and a stator (22) arranged rotatably relative to the stator (22) and spaced apart from the magnetic unit (24) via an air gap (26). Rotor (28), wherein the magnetic unit (24) has grooves (30) formed on the air gap side, a first phase winding (32) being arranged in each groove (30) and a second phase winding (32) electrically insulated from the first phase winding (32). 34) is arranged, and
- eine Wechselrichteranordnung (36), die eine Mehrzahl von Wechselrichtern (40, 42, 44, 46) aufweist, wobei ein jeweili ger erster Wicklungsstrang (32) an einem jeweiligen ersten Wechselrichter (40, 42) der Wechselrichteranordnung (36) an geschlossen ist und ein jeweiliger zweiter Wicklungsstrang (34) an einem jeweiligen zweiten Wechselrichter (44, 46) der Wechselrichteranordnung (36) angeschlossen ist, wobei: - An inverter arrangement (36) having a plurality of inverters (40, 42, 44, 46), a respec ger first phase winding (32) being connected to a respective first inverter (40, 42) of the inverter arrangement (36). and a respective second phase winding (34) is connected to a respective second inverter (44, 46) of the inverter arrangement (36), wherein:
- die Wechselrichter (40, 42, 44, 46) derart gesteuert wer den, dass die Wicklungsstränge (30, 32) mit einem gleichen vorgegebenen elektrischen Strom beaufschlagt werden, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Betriebszustand, in dem einer der ersten Wechsel richter (40) nicht aktivierbar ist, der jeweilige zweite Wechselrichter (44) derart gesteuert wird, dass der jeweilige zweite Wicklungsstrang (34) mit dem doppelten vorgegebenen elektrischen Strom beaufschlagt wird, wenn der vorgegebene elektrische Strom kleiner als ein durch den jeweiligen zwei ten Wechselrichter (44) maximal bereitstellbarer elektrischer Strom ist. - The inverters (40, 42, 44, 46) are controlled in such a way that the phase windings (30, 32) are subjected to the same predetermined electric current, characterized in that in an operating state in which one of the first inverters ( 40) cannot be activated, the respective second inverter (44) is controlled in such a way that the respective second phase winding (34) is charged with twice the specified electrical current if the specified electrical current is less than a current generated by the respective second inverter (44 ) is the maximum electric current that can be provided.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige zweite Wicklungsstrang (44) mit dem maximal be- reitstellbaren elektrischen Strom beaufschlagt wird, wenn der vorgegebene elektrische Strom größer als der maximal bereit stellbare Strom ist. 2. The method according to claim 1, characterized in that the respective second phase winding (44) is acted upon by the maximum available electrical current when the predetermined electric current is greater than the maximum current that can be provided.
3. Verfahren zum Betreiben einer Antriebseinrichtung (10), insbesondere für ein Wasserfahrzeug (12), wobei die Antriebs einrichtung (10) aufweist: 3. A method for operating a drive device (10), in particular for a watercraft (12), the drive device (10) having:
- eine rotierende elektrische Maschine (20), die einen eine magnetische Einheit (24) aufweisenden Ständer (22) und einen gegenüber dem Ständer (22) drehbar angeordneten und über ei nen Luftspalt (26) von der magnetischen Einheit (24) beab- standeten Läufer (28) aufweist, wobei die magnetische Einheit (24) luftspaltseitig ausgebildete Nuten (30) aufweist, wobei in jeder Nut (30) ein erster Wicklungsstrang (32) angeordnet ist und ein vom ersten Wicklungsstrang (32) elektrisch iso lierter zweiter Wicklungsstrang (34) angeordnet ist, und- A rotating electric machine (20) having a magnetic unit (24) and a stator (22) arranged rotatably relative to the stator (22) and spaced apart from the magnetic unit (24) via an air gap (26). Rotor (28), wherein the magnetic unit (24) has grooves (30) formed on the air gap side, a first phase winding (32) being arranged in each groove (30) and a second phase winding (32) electrically insulated from the first phase winding (32). 34) is arranged, and
- eine Wechselrichteranordnung (36), die eine Mehrzahl von Wechselrichtern (40, 42, 44, 46) aufweist, wobei jeweils ein Wicklungsstrang (32, 34) mit einem ersten Anschluss (52, 54) an jeweils einem Wechselrichter (40, 42, 44, 46) angeschlos sen ist, wobei: - An inverter arrangement (36), which has a plurality of inverters (40, 42, 44, 46), each phase winding (32, 34) having a first connection (52, 54) being connected to an inverter (40, 42, 44, 46) is connected, where:
- jeweils zwei erste Wicklungsstränge (32) zweier jeweiliger unmittelbar benachbart angeordneter Nuten (30) und zwei zwei te Wicklungsstränge (34) dieser Nuten (30) über jeweilige zweite Anschlüsse (56, 58) in Reihe geschaltet werden, und- in each case two first winding strands (32) of two respective slots (30) arranged directly adjacent and two second winding strands (34) of these slots (30) are connected in series via respective second connections (56, 58), and
- in einem ersten Betriebszustand nur eine vorgegebene Aus wahl der Wechselrichter (40, 42) der Wechselrichteranordnung (36) aktiviert wird, wobei in dem ersten Betriebszustand eine bereitzustellende Antriebsleistung kleiner als eine durch die aktivierten Wechselrichter (40, 42) bereitstellbare Teilleis tung der Wechselrichteranordnung (36) ist, die abhängig von einem jeweils durch die aktivierten Wechselrichter (40, 42) maximal bereitstellbaren elektrischen Strom bestimmt ist, und- In a first operating state, only a predetermined selection of the inverters (40, 42) of the inverter arrangement (36) is activated, wherein in the first operating state a drive power to be provided is less than a partial power of the inverter arrangement that can be provided by the activated inverters (40, 42). (36), which is determined as a function of a maximum electric current that can be provided by the activated inverters (40, 42), and
- in einem zweiten Betriebszustand, in dem die bereitzustel lende Antriebsleistung größer als die Teilleistung ist, alle Wechselrichter (40, 42, 44, 46) der Wechselrichteranordnung (36) aktiviert werden, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem nicht aktivierbaren Wechselrichter (40, 42), der an einen jeweiligen ersten Wicklungsstrang (32) angeschlossen ist, im zweiten Betriebszustand derjenige Wechselrichter (44, 46), der an dem jeweiligen zweiten Wicklungsstrang (34) ange schlossen ist, derart gesteuert wird, dass dieser zweite Wicklungsstrang (34) mit dem maximal bereitstellbaren elektrischen Strom beaufschlagt wird. - In a second operating state, in which the drive power to be provided is greater than the partial power, all the inverters (40, 42, 44, 46) of the inverter arrangement (36) are activated, characterized in that in the case of an inverter (40, 42) which cannot be activated and which is connected to a respective first phase winding (32), in the second operating state that inverter (44, 46) which is connected to the respective second phase winding (34) is controlled in this way that this second phase winding (34) is acted upon by the maximum electric current that can be provided.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswahl derart vorgegeben wird, dass in jeder Nut (30) wenigstens ein Wicklungsstrang (32, 34) mit elektrischem Strom beaufschlagt wird. 4. The method according to claim 3, characterized in that the selection is specified such that in each slot (30) at least one phase winding (32, 34) is supplied with electric current.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zu einer jeweiligen Reihenschaltung aus zwei Wicklungssträngen (32, 34) jeweils eine Induktivität (52) in Reihe geschaltet wird. 5. The method as claimed in one of the preceding claims, characterized in that an inductor (52) is connected in series with a respective series connection of two phase windings (32, 34).
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Schallsensors ein durch die Antriebseinrichtung (10) abgegebener Schall erfasst wird und die Wechselrichter (40, 42, 44, 46) abhängig vom erfass ten Schall gesteuert werden. 6. The method as claimed in one of the preceding claims, characterized in that a sound emitted by the drive device (10) is detected by means of a sound sensor and the inverters (40, 42, 44, 46) are controlled as a function of the detected sound.
7. Antriebseinrichtung (10), insbesondere für ein Wasserfahr zeug (12), mit: 7. Drive device (10), in particular for a water vehicle (12), with:
- einer rotierenden elektrischen Maschine (20), die einen ei ne magnetische Einheit (24) aufweisenden Ständer (22) und ei nen gegenüber dem Ständer (22) drehbar angeordneten und über einen Luftspalt (26) von der magnetischen Einheit (24) beab- standeten Läufer (28) aufweist, wobei die magnetische Einheit (24) luftspaltseitig ausgebildete Nuten (30) aufweist, wobei in jeder Nut (30) ein erster Wicklungsstrang (32) angeordnet ist und ein vom ersten Wicklungsstrang (32) elektrisch iso lierter zweiter Wicklungsstrang (34) angeordnet ist, - A rotating electrical machine (20), which has a stator (22) having a magnetic unit (24) and a stator (22) which is arranged such that it can rotate and is separated from the magnetic unit (24) by an air gap (26) stationary rotor (28), the magnetic unit (24) having slots (30) formed on the air gap side, a first winding phase (32) being arranged in each slot (30) and a second winding phase electrically isolated from the first winding phase (32). (34) is arranged,
- einer Wechselrichteranordnung (36), die eine Mehrzahl von Wechselrichtern (40, 42, 44, 46) aufweist, wobei ein jeweili ger erster Wicklungsstrang (32) an einem jeweiligen ersten Wechselrichter (40, 42) der Wechselrichteranordnung (36) an geschlossen ist und ein jeweiliger zweiter Wicklungsstrang (34) an einem jeweiligen zweiten Wechselrichter (44, 46) der Wechselrichteranordnung (36) angeschlossen ist, und - An inverter arrangement (36) having a plurality of inverters (40, 42, 44, 46), wherein a respec ger first phase winding (32) on a respective first Inverter (40, 42) of the inverter arrangement (36) is closed and a respective second phase winding (34) is connected to a respective second inverter (44, 46) of the inverter arrangement (36), and
- einer Steuereinrichtung (68) zum Steuern der Wechselrichter (40, 42, 44, 46), die ausgebildet ist, die ersten und die zweiten Wechselrichter (40, 42, 44, 46) derart zu steuern, dass die ersten und die zweiten Wechselrichter (40, 42, 44,- A control device (68) for controlling the inverter (40, 42, 44, 46), which is designed to control the first and the second inverter (40, 42, 44, 46) in such a way that the first and the second inverter (40, 42, 44,
46) die jeweiligen Wicklungsstränge (32, 34) mit einem glei chen vorgebbaren elektrischen Strom beaufschlagen, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (68) ferner ausgebildet ist, in einem Betriebszustand, in dem einer der ersten Wechselrichter (40, 42) nicht aktivierbar ist, den jeweiligen zweiten Wechsel richter (44, 46) derart zu steuern, dass der jeweilige zweite Wicklungsstrang (34) mit dem doppelten vorgebbaren elektri schen Strom beaufschlagt wird, wenn der vorgebbare elektri sche Strom kleiner als ein durch den jeweiligen zweiten Wech selrichter (44, 46) maximal bereitstellbarer elektrischer Strom ist. 46) subject the respective phase windings (32, 34) to the same predeterminable electric current, characterized in that the control device (68) is also designed in an operating state in which one of the first inverters (40, 42) cannot be activated , to control the respective second inverter (44, 46) in such a way that the respective second phase winding (34) is charged with twice the predefinable electric current if the predefinable electric current is smaller than a current through the respective second inverter (44 , 46) is the maximum electric current that can be provided.
8. Antriebseinrichtung (10), insbesondere für ein Wasserfahr zeug (12), mit: 8. Drive device (10), in particular for a water vehicle (12), with:
- einer rotierenden elektrischen Maschine (20), die einen ei ne magnetische Einheit (24) aufweisenden Ständer (22) und ei nen gegenüber dem Ständer (22) drehbar angeordneten und über einen Luftspalt (26) von der magnetischen Einheit (24) beab- standeten Läufer (28) aufweist, wobei die magnetische Einheit (24) luftspaltseitig ausgebildete Nuten (30) aufweist, wobei in jeder Nut (30) ein erster Wicklungsstrang (32) angeordnet ist und ein vom ersten Wicklungsstrang (32) elektrisch iso lierter zweiter Wicklungsstrang (34) angeordnet ist, - A rotating electrical machine (20), which has a stator (22) having a magnetic unit (24) and a stator (22) which is arranged such that it can rotate and is separated from the magnetic unit (24) by an air gap (26) stationary rotor (28), the magnetic unit (24) having slots (30) formed on the air gap side, a first winding phase (32) being arranged in each slot (30) and a second winding phase electrically isolated from the first winding phase (32). (34) is arranged,
- einer Wechselrichteranordnung (36), die eine Mehrzahl von Wechselrichtern (40, 42, 44, 46) aufweist, wobei jeweils ein Wicklungsstrang (32) mit einem ersten Anschluss (52, 54) an einem Wechselrichter (40, 42, 44, 46) angeschlossen ist, wo bei jeweils zwei erste Wicklungsstränge (32) zweier jeweili ger unmittelbar benachbart angeordneter Nuten (30) und je- weils zwei zweite Wicklungsstränge (34) dieser Nuten (30) über jeweilige zweite Anschlüsse (52, 54) in Reihe schaltbar sind, und - an inverter arrangement (36), which has a plurality of inverters (40, 42, 44, 46), each phase winding (32) having a first connection (52, 54) being connected to an inverter (40, 42, 44, 46 ) is connected, where in each case two first winding strands (32) of two respec ger directly adjacent slots (30) and each because two second phase windings (34) of these slots (30) can be connected in series via respective second connections (52, 54), and
- einer Steuereinrichtung (68) zum Steuern der Wechselrichter (40, 42, 44, 46), die ausgebildet ist, in einem ersten Be triebszustand nur eine vorgegebene Auswahl der Wechselrichter (40, 42) der Wechselrichteranordnung (36) zu aktivieren, wo bei in dem ersten Betriebszustand eine bereitzustellende An triebsleistung kleiner als eine durch die aktivierten Wech selrichter (40, 42) bereitstellbare Teilleistung der Wechsel richteranordnung (36) ist, die abhängig von einem jeweils durch die aktivierten Wechselrichter (40, 42) maximal bereit stellbaren elektrischen Strom bestimmt ist, und in einem zweiten Betriebszustand, in dem die bereitzustellende An triebsleistung größer als die Teilleistung ist, alle Wechsel richter (40, 42, 44, 46) der Wechselrichteranordnung (36) zu aktivieren, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (68) ferner ausgebildet ist, bei einem nicht aktivierbaren Wechselrichter (40, 42), der an einen je weiligen ersten Wicklungsstrang (32) angeschlossen ist, im zweiten Betriebszustand denjenigen Wechselrichter (44, 46), der an dem jeweiligen zweiten Wicklungsstrang (34) ange schlossen ist, derart zu steuern, dass dieser zweite Wick lungsstrang (34) mit dem maximal bereitstellbaren elektri schen Strom beaufschlagt wird. - A control device (68) for controlling the inverter (40, 42, 44, 46), which is designed to activate only a predetermined selection of the inverters (40, 42) of the inverter arrangement (36) in a first operating state, where at in the first operating state, a drive power to be provided is less than a partial power of the inverter arrangement (36) that can be provided by the activated inverters (40, 42), which depends on a maximum electric current that can be provided by the activated inverters (40, 42). is determined, and to activate all inverters (40, 42, 44, 46) of the inverter arrangement (36) in a second operating state in which the drive power to be provided is greater than the partial power, characterized in that the control device (68) is also formed in a non-activatable inverter (40, 42), which is connected to a respective first phase winding (32), in z wide operating state that inverter (44, 46), which is connected to the respective second phase winding (34), to control such that this second winding phase (34) is charged with the maximum available electrical current rule.
9. Antriebseinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich net, dass die Wechselrichteranordnung (36) Wechselrichtermo- dule (48, 50) aufweist, wobei ein jeweiliges Wechselrichter modul (48, 50) zwei der Wechselrichter (40, 42, 44, 46) um fasst, die zwischenkreisseitig parallelgeschaltet sind, wobei jeweils zwei in Reihe schaltbare Wicklungsstränge (32, 34) an die Wechselrichter (40, 42, 44, 46) eines jeweiligen Wechsel richtermoduls (48, 50) angeschlossen sind. 9. Drive device according to claim 8, characterized in that the inverter arrangement (36) has inverter modules (48, 50), with a respective inverter module (48, 50) two of the inverters (40, 42, 44, 46) to summarizes, which are connected in parallel on the intermediate circuit side, with two series-connectable phase windings (32, 34) to the inverter (40, 42, 44, 46) of a respective inverter module (48, 50) are connected.
10. Antriebseinrichtung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine Schalteinheit (38), die ausgebildet ist, in einem ersten Schaltzustand die jeweiligen Wicklungsstränge (32, 34) in Reihe zu schalten. 10. Drive device according to claim 9, characterized by a switching unit (38) which is formed in a first Switching state to switch the respective phase windings (32, 34) in series.
11. Antriebseinrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch ge kennzeichnet, dass die Schalteinheit (38) ausgebildet ist, in einem zweiten Schaltzustand den jeweiligen ersten und zweiten Anschluss (52, 54, 56, 58) eines jeweiligen Wicklungsstrangs11. Drive device according to claim 9 or 10, characterized in that the switching unit (38) is designed, in a second switching state, the respective first and second connection (52, 54, 56, 58) of a respective phase winding
(32, 34) mit einem einzigen jeweiligen Wechselrichter (40,(32, 34) with a single respective inverter (40,
42, 44, 46) eines jeweiligen Wechselrichtermoduls (48, 50) zu koppeln. 42, 44, 46) of a respective inverter module (48, 50).
12. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselrichtermodule (48,12. Drive device according to one of claims 9 to 11, characterized in that the inverter modules (48,
50) als separat handhabbare Bauteile ausgebildet sind, wobei die Wechselrichtermodule (48, 50) innerhalb einer zu einer Drehachse (60) des Läufers (28) koaxialen Ständeröffnung (64) in Umfangsrichtung benachbart zueinander angeordnet sind. 50) are designed as separately manageable components, the inverter modules (48, 50) being arranged adjacent to one another in the circumferential direction within a stator opening (64) coaxial with an axis of rotation (60) of the rotor (28).
13. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Läufer (28) eine zur Dreh achse (60) koaxial ausgebildete Läuferöffnung (66) aufweist, in der die Wechselrichteranordnung (36) zumindest teilweise angeordnet ist. 13. Drive device according to one of Claims 7 to 12, characterized in that the rotor (28) has a rotor opening (66) which is coaxial with the axis of rotation (60) and in which the inverter arrangement (36) is at least partially arranged.
14. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Läufer (22) permanenterregt ausgebildet ist. 14. Drive device according to one of claims 7 to 13, characterized in that the rotor (22) is designed to be permanently excited.
15. Wasserfahrzeug (12) mit einer elektrischen Antriebsein richtung (10), dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinrichtung (10) nach einem der Ansprüche 7 bis 14 ausgebildet ist. 15. Watercraft (12) with an electric drive device (10), characterized in that the drive device (10) is designed according to one of claims 7 to 14.
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