WO2022022769A1 - Modularisation of e-machine and power electronics system with the highest fill factor, e.g. slot fill factor - Google Patents

Modularisation of e-machine and power electronics system with the highest fill factor, e.g. slot fill factor Download PDF

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WO2022022769A1
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stator
winding
sub
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power module
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PCT/DE2021/100610
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Miriam Boxriker
Johannes Kolb
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Schaeffler Technologies AG & Co. KG
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    • H02K2213/12—Machines characterised by the modularity of some components

Definitions

  • the invention relates to a stator, an electric machine and a method for assembling the stator.
  • electrical machines are implemented using different winding structures.
  • a winding structure using what is known as hairpin, wave winding and random winding technology is known.
  • the voltage and current of the electrical machine are adapted to an energy source provided for the power supply via the respective number of turns, interconnection of the partial windings within a phase and via a corresponding wire cross-section.
  • a higher voltage level basically requires a higher number of windings or a higher speed of the electrical machine.
  • a stator which comprises a multiplicity of slots for accommodating one or more stator windings.
  • a conductor section of the stator winding is inserted into each of the slots, with the conductor sections being electrically connected to one another at one end, that is to say on one side of the stator, so that they form a short circuit with one another.
  • DE 10 2014 110299 A1 also discloses an electrical machine with a stator and a rotor which is movably mounted relative to it.
  • the stator includes a plurality of slots for receiving a stator winding. A conductor section of the stator winding is inserted into each slot. On one side of the stator, the conductor sections are electrically shorted together in a shorting means. The short-circuiting means comprises a cooling device.
  • DE 10 2014 113489 A1 also discloses an electrical machine with a stator.
  • the stator includes a plurality of slots formed between adjacent teeth of the stator. The slots serve to accommodate a stator winding. A conductor section of the stator winding is inserted into each slot.
  • the conductor sections of at least one pole pair are short-circuited to one another on a first side of the stator.
  • the free ends of the conductor sections are connected to a connection of a power supply unit.
  • the power supply unit comprises two ring-shaped electrical conductors between which at least one electronic power component is arranged.
  • DE 10 2014 114615 A1 discloses a winding system for a stator and/or a rotor of an electrical machine comprising a plurality of conductor sections which are arranged essentially between opposite sides of the winding system.
  • Two ring-shaped conductors are provided on a first side of the winding system, with which the conductor sections are coupled via half bridges.
  • At least one half-bridge is provided on the opposite side of the winding system, to which at least one conductor section is connected.
  • DE 10 2014 118356 A1 relates to a power supply unit which is designed to feed multiple conductor sections of a stator winding of an electrical machine.
  • the conductor sections are inserted into respective slots in the stator of the electrical machine.
  • the power supply unit in turn feeds a first of the conductor sections and a second of the conductor sections with at least one different operating parameter of a respective current function.
  • the power supply unit is set up to feed a conductor section with at least two superimposed current functions, each of which has at least one different operating parameter.
  • DE 10 2016 107937 A1 discloses a circuit arrangement for feeding a drive motor designed as a multi-phase electrical machine.
  • the circuit arrangement can be included in the drive device.
  • DE 10 2016 118634 A1 discloses a circuit arrangement for driving a stator winding of a stator of an electrical machine.
  • the stator winding has at least four electrical phases, which are designed to be supplied with their own phase current.
  • the stator winding can therefore be connected to power electronics, for example, which supplies each of the electrical phases with its own phase current.
  • the electrical phases can be formed, for example, by electrically conductive rods in slots in one or more stator laminations of the stator.
  • the winding system includes at least two first conductor sections and at least two second conductor sections.
  • the first and second conductor sections may comprise an electrically conductive material, such as copper or aluminum.
  • the stator can have slots, for example, in each of which there is a conductor section.
  • the stator can include one or more stator laminations, in which the slots are introduced.
  • the stator preferably has a large number of slots.
  • the first and second conductor sections can be electrically conductive rods, for example.
  • a stator for an electrical machine includes a plurality of sub-modules, which extend separately from one another over the circumference of the stator.
  • Each submodule has its own winding and its own power module assigned to the winding for converting direct current into alternating current, for example three-phase current.
  • a winding means the presence of at least one conductor in a slot. Based on this, there can be several conductor pieces per winding and also several conductor pieces in one slot. These can be connected in any way. Conductor sections can be connected in different slots and some slots can be skipped. A connection of conductor sections that are only adjacent to one another is not mandatory.
  • the conductor pieces are made of electrically conductive material such as copper.
  • One idea of the present invention is that a modularization of components or subsystems in the sense of a structure consisting of several identical parts is important for production, since it is only possible to scale the number of components for different power sizes and no new production has to be set up. However, if the axial length and/or the diameter of certain components has to be changed, for example to adapt to the size of the power, then different components can be used for the said identical parts.
  • stator submodules These components can again be identical parts to each other.
  • the submodules can also be referred to as stator submodules.
  • connection to a power electronics unit which in turn is connected to a high-voltage intermediate circuit and, for example, a high-voltage battery, has only limited modularization options due to large individual structures.
  • a modularization of the power electronics for a space-saving design is also provided (while a typical 3-phase design with a direct connection to a central intermediate circuit capacitor cannot be further divided or modularized).
  • the copper fill factor in the slots of the electrical machines is now improved.
  • Each submodule may have multiple windings of its own and the AC power may be polyphase AC.
  • Each power module can have its own DC+ and DC- connection and three phase connections for applying the multi-phase alternating current, for example three-phase current, to the windings. In this way, easy assignment can be achieved and a common current supply can be used.
  • the invention is not limited to three phases. More than three phases are also possible, e.g. five, six, seven, nine, ten, eleven, twelve, etc. phases, in which case each power module has a number of phase connections corresponding to the phases.
  • All power modules can be connected in series by connecting the DC+ connection of the power module to the DC connection of the power module directly adjacent to the corresponding power module.
  • the power modules can be easily adapted to the voltage of the energy source to be connected or dimensioned accordingly.
  • interconnection there are also other types of interconnection that can be used, such as parallel and combined types of interconnection.
  • Each power module of the submodules can contain its own component from the group consisting of the intermediate circuit capacitor, half bridge, transistor and diode.
  • a half-bridge is understood here to mean a component that uses at least two transistors. In this case, diodes can also be used. This means that tried and tested components can be used and there is sufficient failsafety. This refers both to the use of proven components and to a higher number of independently operating components.
  • Each power module can have its own intermediate circuit capacitor.
  • the intermediate circuit capacitor can be connected to at least three conductor sections, which are either individual conductors or each form a coil or form a plurality of coils that are connected together to form a phase. As a result, the magnetic field required for even concentricity can be generated efficiently.
  • At least one of the submodules or all submodules can have a housing that allows the submodules to be handled. It is then easier for a fitter to assemble the individual submodules to form the stator of the electrical machine.
  • the submodules can therefore only include the stator winding or also the sheet metal section.
  • Windings can be used that can be designed as follows: single-layer windings, with one phase being in a slot and comprising at least one conductor in the slot, or two-layer windings, with at least two conductors being in a slot that belong to the same phase or belong to different phases. At least three conductors form at least three phases that are interconnected to form a star point.
  • the neutral points can be arranged on the same side as the power electronics modules or on the opposite side. This results in a number of windings of one phase per submodule of 0.5 if one conductor of each phase is connected to a star point. If two conductors from different slots of the same phase are connected in series, the number of windings is 1, with three conductors 1.5, etc. However, the windings can also consist of several parallel-connected conductors per slot; this does not change the number of turns.
  • the enclosure may be provided or formed in the manner of a paper or foil or sheath or covering or solid housing.
  • the term "handling" can be understood as a handle.
  • Each power module can be arranged on a first end face of the winding or the power modules can always be arranged alternately from one submodule to the adjacent submodule viewed over the circumference on the first end face and second end face, viewed over the circumference.
  • the installation space can then be used efficiently.
  • each submodule can take up an installation space that is consistently wide (viewed in the circumferential direction), or the installation space can be larger at one end face than in an inner area spaced apart from it.
  • An embodiment can thus be created which has a winding in the axial extension of which the power module is arranged.
  • an arrangement according to a radial extension may be desired in another embodiment. Both variants can be designed on one or two sides. The latter variant of a two-sided radial extension has advantages if the power modules should/must take up more space. This advantage also applies to a one-sided extension.
  • the power modules can be in a radial extension of the stator to the outside or in an axial extension on a front side that faces the rotor turned away, be appropriate. In the radial direction, attachment radially inwards or attachment both radially inwards and outwards is also possible.
  • the power modules can be arranged alternately.
  • All submodules together can form a block that is joined together in terms of scope, which is conducive to good handling. There are then no gaps between the individual submodules.
  • the function of a DC-DC converter for the controllable adjustment of the DC voltages in the power modules can be implemented in the overall interconnection, independently of the magnitude of the voltage of the energy source.
  • At least one additional half-bridge is added to each power module for this purpose.
  • the power modules are then connected via the center taps of these additional half-bridges and also via the DC+ or alternatively DC- connection.
  • at least one choke is required at any point in the current path between the energy source and the interconnection of the submodules in each series-connected string of submodules.
  • the half-bridges and the choke together form an integral DC-DC converter or a step-up converter.
  • a DC-DC converter consisting of at least one half-bridge, at least one inductor and, if necessary, at least one capacitor is additionally installed in each power module.
  • these DC-DC converters can be implemented as step-up converters.
  • step-down converters can also be implemented using the same components. In both cases there are two connection options, namely via the corresponding tap of the DC-DC converter and additionally via the DC+ or alternatively DC- connection.
  • the object mentioned above is also achieved in that an electric machine with a stator as described above and a rotor is provided.
  • the above object is also achieved in that a method for assembling a stator, preferably as described above, for an electrical machine, preferably as described above, is provided.
  • the method includes providing a large number of sub-modules, each sub-module having its own power module with a winding connected to it.
  • the method also includes assembling the submodules to form the stator.
  • Such a process thus relates to an assembly process, the creation of the physical structure or the assembly of the stator. This includes steps of forming and forming the sub-assembly.
  • the invention relates to an electrical machine, in particular a stator thereof.
  • a winding structure in the stator of the electrical machine is segmented around a periphery of the electrical machine.
  • the respective connections of the winding structure are connected to a power module as directly as possible (by the shortest route or in the smallest space).
  • the smallest identical units or segments (submodules) consist of a stator segment with a local winding structure and an associated power module.
  • the power module and the winding structure of a respective submodule are electrically connected via at least three connections. Externally, each submodule consists of two connections.
  • the invention sometimes enables the modular design of an electrical machine with integrated power electronics.
  • the following advantages can be at least partially achieved through one or more aspects:
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a submodule of a stator
  • Figure 2 is a schematic representation of a stator with axial extension away from a first face, i.e. one-sided;
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a stator with a radial extension, on one side
  • FIG. 4 shows a schematic illustration of a stator with an axial extension away from both end faces, ie on two sides;
  • FIG. 5 shows a schematic representation of a stator with radial extension, two-sided;
  • FIG. 6 shows a schematic representation of a DC-side series connection of the submodules
  • FIG. 7 shows a schematic representation of a power module
  • FIG. 8 shows a schematic representation of a parallel connection of the submodules
  • FIG. 9 shows a schematic representation of a serial-parallel connection of the submodules
  • FIG. 10 shows a schematic representation of a first variant of an integral DC-DC converter
  • FIG. 11 shows a schematic representation of a second variant of an integral DC-DC converter
  • FIG. 12 shows a schematic representation of a first variant with an integrated DC-DC converter in the submodules
  • FIG. 13 shows a schematic representation of a second variant with an integrated DC-DC converter in the submodules
  • FIG. 14 shows a schematic representation of a distributed single-layer winding with a one-sided arrangement of the power modules
  • FIG. 15 shows a schematic representation of a distributed single-layer winding with a two-sided arrangement of the power modules
  • FIG. 16 shows a schematic representation of a distributed single-layer winding with a larger coil width and a higher number of turns
  • FIG. 17 shows a schematic representation of a distributed single-layer winding with higher overlap as a combination form
  • FIG. 18 shows a schematic representation of a two-layer winding with overlap
  • FIG. 19 shows a schematic representation of a two-layer winding without overlap
  • FIG. 20 shows a schematic representation of a two-layer winding without overlap
  • Figure 21 is a schematic representation of a 5/6 pitch distributed two layer winding without overlap.
  • Figure 22 is a schematic representation of a 5/6 pitch distributed two layer winding with overlap
  • the inventive solution consists of a segmented over the circumference of an electrical machine winding structure in the stator 1, its respective connections are connected to power electronic modules 4 as directly as possible (by the shortest route or in the smallest possible space).
  • the smallest, identical units or segments consist of a stator segment with its local winding structure 3 and the associated power module 4, see Fig. 1.
  • the power module 4 and the winding structure 3 of the stator segment are electrically connected via at least three connections (S1, S2, S3) and to the outside, the submodule 2 has two connections (DC+ 9 and DC- 10).
  • This submodule 2 represents the smallest unit as a subsystem.
  • the cylindrical arrangement of several identical submodules 2 creates a stator 1 of an electric drive in a modular manner. In the air gap, this generates a rotating magnetic field required for operation, so that a torque can be generated on a rotor.
  • the design is independent of the operating principle of the motor and can therefore in principle be used universally for all types of electrical machines (permanent magnet excited synchronous machine, reluctance machine, separately excited synchronous machine, asynchronous machine and corresponding combinations).
  • the respective power module 4 can be placed directly next to the associated motor segment using different variants, taking into account the shortest possible connections to the motor segment.
  • the motor segment refers to the stator segment with winding structure 3.
  • the dimensions of the power modules 4 and stator segments can vary here; the explained arrangements with contacting surfaces are more important, so that minimal lengths of internal electrical connections arise.
  • windings 3 are implemented with a very low number of turns and a large conductor cross section or high copper fill factor, in order to achieve a minimum of ohmic losses.
  • the manufacturing implementation can be done here by individual rods in the slots (compare I-Pin, number of coil turns 0.5) or at least a minimum number of turns per slot, which z.
  • I-Pin number of coil turns 0.5
  • U-shaped can be introduced comparable to hairpin windings.
  • This procedure generally describes the formation of all possible winding systems that meet the required character of a segmentation across the circumference of the stator of the electrical machine.
  • the procedure includes determining the number of slots (N), the number of pole pairs (p) and the number of phases (m) depending on the winding factor ( ) and harmonic leakage (cr 0 ).
  • the k coil sides connected in series can have any phase offset relative to one another
  • a power electronics submodule achieves constant power and also three symmetrically loaded phases.
  • the formation law is not limited to this and describes the realization for any number of phases.
  • higher motor phase numbers can also be generated with submodules 2 with a lower phase number if the lower phase number is a factor of the higher one. All further descriptions are consequently limited to three-phase variants, without the invention being limited thereto.
  • the power module 4 within the submodule 2 contains a power electronic circuit based on power semiconductors such as transistors 7 and diodes 8 and a local intermediate circuit capacitor 5.
  • An advantageous implementation is the three-phase bridge circuit with three half-bridges 6 corresponding to the three phases of the winding structure in the stator segment.
  • Each half bridge 6 consists of two transistors 7 in series and, for example, a freewheeling diode 8 connected in antiparallel.
  • B. IGBTs, MOSFETs, HEMTs, bipolar transistors, GTOs are used.
  • Both the diodes 8 and the transistors 7 can be based on semiconductor materials that are typical for this purpose, such as silicon, silicon carbide, gallium nitride or other suitable materials in the future.
  • Each power module 4 also contains a control and regulation unit, which controls the transistors 7, detects electrical quantities such as local intermediate circuit voltage and phase currents, and has interfaces for communication with the neighboring submodules 2 or with a central control unit (not shown in the figures ).
  • the DC-side interconnection of the submodules 2 via their respective two connections DC+ and DC- can be implemented differently depending on the required voltage adjustment between the energy source and the modules: all in series (see Fig. 6), all in parallel (see Fig. 8) or in groups mixed parallel and serial (see Fig. 9).
  • a DC-DC converter for voltage adjustment during operation can be integrated into the overall system or into each power module 4 .
  • Various variants can be provided for this. 10 shows a first variant and FIG. 11 a second variant with a central choke 11. Mixed forms are also possible with regard to the DC-side connection to the associated half-bridge 6 of the DC-DC converter. These variants are basically modular High-frequency converter comparable.
  • FIG. 12 shows a third variant and FIG. 13 shows a fourth variant with an integrated choke and, for example, an additional capacitor, a DC-DC converter being integrated in each submodule 2 .
  • FIG. 3 it should be added that there the radial direction is marked with the reference number 12, the axial direction with the reference number 13 and the circumferential direction with the reference number 14.
  • the following variants represent advantageous solutions with regard to the copper fill factor or low number of turns, with regard to strict modularization or also with regard to the shortest possible segmentation using a few slots along the circumference.
  • FIG. 14 and 15 represent a winding structure in which the submodules 2 spatially overlap in the region of the winding structures 3.
  • FIG. This is due to the phase sequence shown in the slots and the simplest way to connect the three conductors according to the three phases. These three conductors are contacted on one side with a so-called star point connection and on the other side are connected to the power module 4 via the three connections. Due to the overlap, a two-sided arrangement (see FIG. 15) of the power modules on the overlapping motor segments is advantageous here compared to a one-sided arrangement (see FIG. 14).
  • FIG. 16 shows a variant in which one conductor is also introduced per slot.
  • each phase is realized with the aid of two windings, with four line sections occupying two adjacent slots twice.
  • the first ends of the windings of the individual phases are contacted with a star point connection and the second ends are connected to the power module. Since there is no spatial overlapping of the motor segments in this variant, the power modules 4 can be advantageously arranged on one side.
  • Winding structures with two conductors per slot can be used to implement further advantageous variants with regard to the shortest possible segmentation.
  • FIG. 18 shows a structure in which each phase consists of only one line in a slot and is connected in a manner comparable to FIGS. 13 and 14. Two conductors of different phases are inserted per slot. This form represents the shortest segmentation, in which a stator segment comprises only three adjacent slots. Due to the overlapping of the motor segments, implementation using a two-sided arrangement is advantageous.
  • FIG. 20 continues the previous aspect so that one phase occupies four adjacent slots and furthermore two conductors are introduced per slot.
  • the direction of winding reverses in a phase from one turn to the next.
  • This variant also avoids an overlapping of the motor segments, so that a one-sided attachment can also be advantageously implemented here.
  • FIG. 21 shows the variant with two conductors per slot with a distributed winding. It has four windings per phase and can be implemented without overlapping.
  • FIG. 22, based on FIG. 20, shows the variant with half the number of turns and double the number of submodules 2.
  • the two-sided arrangement of the power modules 4 is advantageous due to the overlapping motor segments.
  • DHT Dedicated Hybrid Transmission

Abstract

The invention relates to a stator (1) for an electric machine, comprising a plurality of submodules (2) which extend separately from one another over the circumference of the stator (1), wherein each submodule (2) has its own winding (3) and its own power module (4) associated with the winding (3) for converting direct current into alternating current. The invention also relates to an electric machine (3) and to a method for assembling the stator (1).

Description

Modularisierunq von E-Maschine und Leistunqselektronik mit höchstem Füllfaktor, zum Beispiel Kupferfüllfaktor Modularization of e-machines and power electronics with the highest fill factor, for example copper fill factor
Die Erfindung betrifft einen Stator, eine elektrische Maschine und ein Verfahren zum Zusammenbauen des Stators. The invention relates to a stator, an electric machine and a method for assembling the stator.
Allgemein werden elektrische Maschinen mittels unterschiedlicher Wicklungsaufbauten realisiert. So ist zum Beispiel ein Wicklungsaufbau durch eine sogenannte Hairpin- , Wellenwicklungs- und Träufelwicklungstechnologie bekannt. Dabei liegt häufig ein Kupferfüllfaktor in einer Nut von ca. 50% vor (je nach Technologie). Es gibt also viele Hohlräume und einen hohen Platzbedarf für eine Isolation. Eine Spannungs- und Stromanpassung der elektrischen Maschine an eine zur Stromversorgung vorgesehene Energiequelle erfolgt über die jeweilige Windungszahl, Verschaltung der Teilwicklungen innerhalb einer Phase sowie durch einen entsprechenden Drahtquerschnitt. Eine höhere Spannungslage erfordert grundsätzlich eine höhere Windungszahl bzw. höhere Drehzahl der elektrischen Maschine. In general, electrical machines are implemented using different winding structures. For example, a winding structure using what is known as hairpin, wave winding and random winding technology is known. There is often a copper fill factor in a slot of approx. 50% (depending on the technology). So there are many cavities and a lot of space for insulation. The voltage and current of the electrical machine are adapted to an energy source provided for the power supply via the respective number of turns, interconnection of the partial windings within a phase and via a corresponding wire cross-section. A higher voltage level basically requires a higher number of windings or a higher speed of the electrical machine.
DE 10 2014 105642 A1 offenbart eine elektrische Maschine mit einem Stator und einem beweglich dazu gelagerten Rotor. Es ist hierbei ein Stator vorgesehen, der eine Vielzahl von Nuten zur Aufnahme einer oder mehrerer Statorwicklungen umfasst. In die Nuten ist je ein Leiterabschnitt der Statorwicklung eingelegt, wobei die Leiterabschnitte an einem Ende, das heißt auf einer Seite des Stators miteinander elektrisch verbunden sind, so dass sie miteinander einen Kurzschluss bilden. DE 10 2014 105642 A1 discloses an electrical machine with a stator and a rotor which is mounted so that it can move. In this case, a stator is provided which comprises a multiplicity of slots for accommodating one or more stator windings. A conductor section of the stator winding is inserted into each of the slots, with the conductor sections being electrically connected to one another at one end, that is to say on one side of the stator, so that they form a short circuit with one another.
DE 10 2014 110299 A1 offenbart ferner eine elektrische Maschine mit einem Stator und einem beweglich dazu gelagerten Rotor. Der Stator umfasst eine Vielzahl von Nuten zur Aufnahme einer Statorwicklung. In jede Nut ist je ein Leiterabschnitt der Statorwicklung eingelegt. Auf einer Seite des Stators sind die Leiterabschnitte in einem Kurzschlussmittel miteinander elektrisch kurzgeschlossen. Das Kurzschlussmittel umfasst eine Kühlvorrichtung. Auch die DE 10 2014 113489 A1 offenbart eine elektrische Maschine mit einem Stator. Der Stator umfasst eine Vielzahl von Nuten, die zwischen benachbarten Zähnen des Stators gebildet sind. Die Nuten dienen zur Aufnahme einer Statorwicklung. In jede Nut ist je ein Leiterabschnitt der Statorwicklung eingelegt. Die Leiterabschnitte mindestens eines Polpaares sind auf einer ersten Seite des Stators miteinander kurzgeschlossen. Auf einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite des Stators sind die freien Enden der Leiterabschnitte mit einem Anschluss einer Stromversorgungseinheit verbunden. Die Stromversorgungseinheit umfasst zwei ringförmig ausgebildete elektrische Leiter, zwischen denen mindestens ein leistungselektronisches Bauteil angeordnet ist. DE 10 2014 110299 A1 also discloses an electrical machine with a stator and a rotor which is movably mounted relative to it. The stator includes a plurality of slots for receiving a stator winding. A conductor section of the stator winding is inserted into each slot. On one side of the stator, the conductor sections are electrically shorted together in a shorting means. The short-circuiting means comprises a cooling device. DE 10 2014 113489 A1 also discloses an electrical machine with a stator. The stator includes a plurality of slots formed between adjacent teeth of the stator. The slots serve to accommodate a stator winding. A conductor section of the stator winding is inserted into each slot. The conductor sections of at least one pole pair are short-circuited to one another on a first side of the stator. On a second side of the stator, opposite the first side, the free ends of the conductor sections are connected to a connection of a power supply unit. The power supply unit comprises two ring-shaped electrical conductors between which at least one electronic power component is arranged.
DE 10 2014 114615 A1 offenbart ein Wicklungssystem für einen Stator und/oder einen Rotor einer elektrischen Maschine umfassend mehrere Leiterabschnitte, welche im Wesentlichen zwischen gegenüberliegenden Seiten des Wicklungssystems angeordnet sind. Auf einer ersten Seite des Wicklungssystems sind zwei ringförmige Leiter vorgesehen, mit denen die Leiterabschnitte über Halbbrücken gekoppelt sind. Auf der gegenüberliegenden Seite des Wicklungssystems ist mindestens eine Halbbrücke vorgesehen, an die mindestens ein Leiterabschnitt angeschlossen ist. DE 10 2014 114615 A1 discloses a winding system for a stator and/or a rotor of an electrical machine comprising a plurality of conductor sections which are arranged essentially between opposite sides of the winding system. Two ring-shaped conductors are provided on a first side of the winding system, with which the conductor sections are coupled via half bridges. At least one half-bridge is provided on the opposite side of the winding system, to which at least one conductor section is connected.
DE 10 2014 118356 A1 betrifft eine Stromversorgungseinheit, welche zum Speisen von mehreren Leiterabschnitten einer Statorwicklung einer elektrischen Maschine ausgelegt ist. Die Leiterabschnitte sind dabei in jeweilige Nuten des Stators der elektrischen Maschine eingelegt. Die Stromversorgungseinheit wiederum speist einen ersten der Leiterabschnitte und einen zweiten der Leiterabschnitte mit mindestens einem unterschiedlichen Betriebsparameter einer jeweiligen Stromfunktion. Alternativ oder zusätzlich ist die Stromversorgungseinheit eingerichtet, einen Leiterabschnitt mit mindestens zwei überlagerten Stromfunktionen zu speisen, die jeweils mindestens einen unterschiedlichen Betriebsparameter aufweisen. DE 10 2014 118356 A1 relates to a power supply unit which is designed to feed multiple conductor sections of a stator winding of an electrical machine. The conductor sections are inserted into respective slots in the stator of the electrical machine. The power supply unit in turn feeds a first of the conductor sections and a second of the conductor sections with at least one different operating parameter of a respective current function. Alternatively or additionally, the power supply unit is set up to feed a conductor section with at least two superimposed current functions, each of which has at least one different operating parameter.
DE 10 2016 107937 A1 offenbart eine Schaltungsanordnung zur Speisung eines als vielphasige elektrische Maschine ausgeführten Antriebsmotors. Die Schaltungsanordnung kann von der Antriebsvorrichtung umfasst sein. DE 10 2016 118634 A1 offenbart eine Schaltungsanordnung zum Ansteuern einer Statorwicklung eines Stators einer elektrischen Maschine. Die Statorwicklung weist mindestens vier elektrische Phasen auf, welche dazu ausgelegt sind, mit einem jeweils eigenen Phasenstrom gespeist zu werden. Die Statorwicklung kann also beispielsweise an eine Leistungselektronik angeschlossen sein, welche jede der elektrischen Phasen mit einem eigenen Phasenstrom versorgt. Die elektrischen Phasen können beispielsweise durch elektrisch leitfähige Stäbe in Nuten in einem oder mehreren Statorblechen des Stators gebildet sein. DE 10 2016 107937 A1 discloses a circuit arrangement for feeding a drive motor designed as a multi-phase electrical machine. The circuit arrangement can be included in the drive device. DE 10 2016 118634 A1 discloses a circuit arrangement for driving a stator winding of a stator of an electrical machine. The stator winding has at least four electrical phases, which are designed to be supplied with their own phase current. The stator winding can therefore be connected to power electronics, for example, which supplies each of the electrical phases with its own phase current. The electrical phases can be formed, for example, by electrically conductive rods in slots in one or more stator laminations of the stator.
DE 10 2017 116 145 B3 offenbart ein Wicklungssystem für einen Stator einer elektrischen Maschine und eine elektrische Maschine. Das Wicklungssystem umfasst mindestens zwei erste Leiterabschnitte und mindestens zwei zweite Leiterabschnitte. Die ersten und zweiten Leiterabschnitte können ein elektrisch leitfähiges Material aufweisen, wie zum Beispiel Kupfer oder Aluminium. Der Stator kann beispielsweise Nuten aufweisen, in welchen sich je ein Leiterabschnitt befindet. Der Stator kann ein oder mehrere Statorbleche umfassen, in welchen die Nuten eingebracht sind. Bevorzugt weist der Stator eine Vielzahl von Nuten auf. Bei den ersten und zweiten Leiterabschnitten kann es sich zum Beispiel um elektrisch leitfähige Stäbe handeln. DE 10 2017 116 145 B3 discloses a winding system for a stator of an electrical machine and an electrical machine. The winding system includes at least two first conductor sections and at least two second conductor sections. The first and second conductor sections may comprise an electrically conductive material, such as copper or aluminum. The stator can have slots, for example, in each of which there is a conductor section. The stator can include one or more stator laminations, in which the slots are introduced. The stator preferably has a large number of slots. The first and second conductor sections can be electrically conductive rods, for example.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, die Nachteile aus dem bekannten Stand der Technik zu vermeiden oder wenigstens zu mildern. Insbesondere soll die Modularisierung einer elektrischen Maschine vorangetrieben werden. It is the object of the invention to avoid or at least alleviate the disadvantages of the known prior art. In particular, the modularization of an electrical machine is to be advanced.
Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein Stator für eine elektrische Maschine bereitgestellt wird. Der Stator umfasst eine Vielzahl von Submodulen, die sich voneinander getrennt über den Umfang des Stators erstrecken. Jedes Submodul besitzt eine eigene Wicklung und ein eigenes der Wicklung zugeordnetes Leistungsmodul zum Wandeln von Gleichstrom in Wechselstrom, zum Beispiel Drehstrom. llnter einer Wicklung wird das Vorhandensein wenigstens eines Leiters in einer Nut verstanden. Darauf aufbauend können mehrere Leiterstücke pro Wicklung und auch mehrere Leiterstücke in einer Nut vorhanden sein. Diese können sich auf beliebige Art verbinden lassen. Es können dabei Leiterstücke in unterschiedlichen Nuten verbunden werden und einige Nuten übersprungen werden. Eine Verbindung von nur zueinander benachbarten Leiterstücken ist nicht zwingend. Die Leiterstücke bestehen aus elektrisch leitfähigem Material wie z.B. Kupfer. In the case of a generic device, this object is achieved according to the invention in that a stator for an electrical machine is provided. The stator includes a plurality of sub-modules, which extend separately from one another over the circumference of the stator. Each submodule has its own winding and its own power module assigned to the winding for converting direct current into alternating current, for example three-phase current. A winding means the presence of at least one conductor in a slot. Based on this, there can be several conductor pieces per winding and also several conductor pieces in one slot. These can be connected in any way. Conductor sections can be connected in different slots and some slots can be skipped. A connection of conductor sections that are only adjacent to one another is not mandatory. The conductor pieces are made of electrically conductive material such as copper.
Ein Gedanke der vorliegenden Erfindung ist, dass für die Produktion eine Modularisierung von Bauteilen bzw. Subsystemen im Sinne eines Aufbaus bestehend aus mehreren Gleichteilen wichtig ist, da für verschiedene Leistungsgrößen lediglich über die Anzahl an Komponenten skaliert werden kann und keine neue Fertigung aufgebaut werden muss. Wenn die axiale Länge und/oder der Durchmesser bestimmter Bauteile, etwa in Anpassung an die Leistungsgröße, aber zwingend verändert werden muss, so können unterschiedliche Bauteile zu den besagten Gleichteilen eingesetzt werden.One idea of the present invention is that a modularization of components or subsystems in the sense of a structure consisting of several identical parts is important for production, since it is only possible to scale the number of components for different power sizes and no new production has to be set up. However, if the axial length and/or the diameter of certain components has to be changed, for example to adapt to the size of the power, then different components can be used for the said identical parts.
Diese Bauteile können untereinander wieder Gleichteile sein. Die Submodule können auch als Statorsubmodule bezeichnet werden. These components can again be identical parts to each other. The submodules can also be referred to as stator submodules.
Es wird ein elektrisches Antriebssystem umfassend eine elektrische Maschine und eine Leistungselektronik, basierend auf drei oder mehr Phasen, realisiert. Nachteile, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind, werden vermieden. Diese Nachteile werden nachfolgend aufgeführt: An electric drive system comprising an electric machine and power electronics based on three or more phases is implemented. Disadvantages known from the prior art are avoided. These disadvantages are listed below:
• Der Anschluss an eine Leistungselektronikeinheit, die wiederum mit einem Hochvolt-Zwischenkreis und beispielsweise einer Hochvolt-Batterie verbunden ist, hat nur geringe Modularisierungsmöglichkeiten aufgrund großer Einzelaufbauten. • The connection to a power electronics unit, which in turn is connected to a high-voltage intermediate circuit and, for example, a high-voltage battery, has only limited modularization options due to large individual structures.
• Eine Verteilung der Wicklungen pro Phase über den gesamten Umfang der elektrischen Maschine führt zu langen Verbindungspfaden mit hohen ohmschen Widerständen in den Wickelköpfen sowie hohem Materialverbrauch und Platzbedarf. Es werden nun zwei oder mehr integrierte Teilmotoren mit betriebspunktoptimierten Designs möglich. • A distribution of the windings per phase over the entire circumference of the electrical machine leads to long connection paths with high ohmic resistances in the winding overhangs as well as high material consumption and space requirements. Two or more integrated sub-motors with operating point-optimized designs are now possible.
Auch ist nun bei der Erfindung eine Modularisierung der Leistungselektronik zum platzsparenden Aufbau hinreichend gegeben (während sich ein typischer 3-phasiger Aufbau mit direkter Anbindung an einen zentralen Zwischenkreiskondensatornicht weiter zerteilen bzw. modularisieren lässt). Bei der Erfindung ist nun der Kupferfüllfaktor in Nuten der elektrischen Maschinen verbessert. In the case of the invention, a modularization of the power electronics for a space-saving design is also provided (while a typical 3-phase design with a direct connection to a central intermediate circuit capacitor cannot be further divided or modularized). In the case of the invention, the copper fill factor in the slots of the electrical machines is now improved.
Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beansprucht und werden nachfolgend näher erläutert. Advantageous embodiments are claimed in the dependent claims and are explained in more detail below.
Jedes Submodul kann mehrere eigene Wicklungen besitzen und der Wechselstrom kann ein Mehrphasenwechselstrom sein. Each submodule may have multiple windings of its own and the AC power may be polyphase AC.
Jedes Leistungsmodul kann einen eigenen DC+ und DC- Anschluss und drei Phasenanschlüsse zum Beaufschlagen der Wicklungen mit dem Mehrphasenwechselstrom, zum Beispiel Drehstrom, besitzen. Hierdurch lässt sich eine leichte Zuordenbarkeit erreichen und eine gängige Bestromung bedienen. Die Erfindung ist nicht auf drei Phasen beschränkt. Es sind auch mehr als drei Phasen möglich, z.B. fünf, sechs, sieben, neun, zehn, elf, zwölf, etc. Phasen, wobei in diesem Fall jedes Leistungsmodul eine den Phasen entsprechende Anzahl von Phasenanschlüssen besitzt. Each power module can have its own DC+ and DC- connection and three phase connections for applying the multi-phase alternating current, for example three-phase current, to the windings. In this way, easy assignment can be achieved and a common current supply can be used. The invention is not limited to three phases. More than three phases are also possible, e.g. five, six, seven, nine, ten, eleven, twelve, etc. phases, in which case each power module has a number of phase connections corresponding to the phases.
Alle Leistungsmodule können seriell verschaltet sein, indem jeweils der DC+ Anschluss der Leistungsmodule mit dem DC- Anschluss des dem entsprechenden Leistungsmodul direkt benachbarten Leistungsmoduls verbunden ist. Hierdurch können die Leistungsmodule an die Spannung der zu Verschaltenden Energiequelle leicht angepasst bzw. entsprechend dimensioniert werden. Es gibt natürlich auch andere Verschaltungsarten, die einsetzbar sind, etwa parallele und kombinierte Verschaltungsarten. Jedes Leistungsmodul der Submodule kann ein eigenes Bauteil der Gruppe aus Zwischenkreiskondensator, Halbbrücke, Transistor und Diode enthalten. Hier wird unter einer Halbbrücke ein solches Bauteil verstanden, dass wenigstens zwei Transistoren einsetzt. Dabei können zusätzlich Dioden eingesetzt sein. Dadurch kann auf erprobte Komponenten gesetzt werden und eine ausreichende Ausfallsicherheit ist gegeben. Das bezieht sich sowohl auf das Verwenden von erprobten Komponenten als auch auf eine höhere Anzahl autark agierender Komponenten. All power modules can be connected in series by connecting the DC+ connection of the power module to the DC connection of the power module directly adjacent to the corresponding power module. As a result, the power modules can be easily adapted to the voltage of the energy source to be connected or dimensioned accordingly. Of course, there are also other types of interconnection that can be used, such as parallel and combined types of interconnection. Each power module of the submodules can contain its own component from the group consisting of the intermediate circuit capacitor, half bridge, transistor and diode. A half-bridge is understood here to mean a component that uses at least two transistors. In this case, diodes can also be used. This means that tried and tested components can be used and there is sufficient failsafety. This refers both to the use of proven components and to a higher number of independently operating components.
Jedes Leistungsmodul kann einen eigenen Zwischenkreiskondensator besitzen. Der Zwischenkreiskondensator kann mit mindestens drei Leiterstücken, die entweder Einzelleiter sind, oder je eine Spule bilden oder mehrere Spulen bilden, die zusammen zu einer Phase verschaltet sind, verbunden sein. Dadurch kann das für einen gleichmäßigen Rundlauf benötigte Magnetfeld effizient erzeugt werden. Each power module can have its own intermediate circuit capacitor. The intermediate circuit capacitor can be connected to at least three conductor sections, which are either individual conductors or each form a coil or form a plurality of coils that are connected together to form a phase. As a result, the magnetic field required for even concentricity can be generated efficiently.
Wenigstens eines der Submodule oder alle Submodule können eine Einhausung aufweisen, die ein Handling der Submodule ermöglicht. Einem Monteur wird es dann erleichtert die einzelnen Submodule zu dem Stator der elektrischen Maschine zusammenzusetzen. Die Submodule können also nur die Statorwicklung oder auch den Blechschnitt umfassen. Es lassen sich dabei Wicklungen einsetzen, die wie folgt ausgebildet sein können: Einschichtwicklungen, wobei hier eine Phase in einer Nut liegt und mindestens einen Leiter in der Nut umfasst, oder Zweischichtwicklungen, wobei mindestens zwei Leiter in einer Nut liegen, die zur gleichen Phase oder zu unterschiedlichen Phasen gehören. Mindestens drei Leiter bilden mindestens drei Phasen, die zusammen in einen Sternpunkt verschaltet sind. Die Sternpunkte können auf der gleichen Seite wie die Leistungselektronikmodule oder auf der gegenüberliegenden Seite angeordnet sein. Damit ergeben sich Windungszahlen einer Phase pro Submodul von 0,5, wenn jeweils ein Leiter einer Phase in einen Sternpunkt verschaltet ist. Sind zwei Leiter aus verschiedenen Nuten gleicher Phase seriell verschaltet, erhält man eine Windungszahl von 1 , bei drei Leitern von 1 ,5, etc. Die Wicklungen können aber auch aus mehreren, parallel geschalteten Leitern pro Nut bestehen; dies ändert die Windungszahl nicht. Die Einhausung kann nach Art eines Papiers oder einer Folie oder Ummantelung oder Bedeckung oder festem Gehäuse vorgesehen oder ausgebildet sein. Der Begriff „Handling“ kann als Handhabe verstanden werden. At least one of the submodules or all submodules can have a housing that allows the submodules to be handled. It is then easier for a fitter to assemble the individual submodules to form the stator of the electrical machine. The submodules can therefore only include the stator winding or also the sheet metal section. Windings can be used that can be designed as follows: single-layer windings, with one phase being in a slot and comprising at least one conductor in the slot, or two-layer windings, with at least two conductors being in a slot that belong to the same phase or belong to different phases. At least three conductors form at least three phases that are interconnected to form a star point. The neutral points can be arranged on the same side as the power electronics modules or on the opposite side. This results in a number of windings of one phase per submodule of 0.5 if one conductor of each phase is connected to a star point. If two conductors from different slots of the same phase are connected in series, the number of windings is 1, with three conductors 1.5, etc. However, the windings can also consist of several parallel-connected conductors per slot; this does not change the number of turns. The enclosure may be provided or formed in the manner of a paper or foil or sheath or covering or solid housing. The term "handling" can be understood as a handle.
Jedes Leistungsmodul kann auf einer ersten Stirnseite der Wicklung angeordnet sein oder die Leistungsmodule können immer über den Umfang gesehen abwechselnd von einem Submodul zum über den Umfang gesehen benachbarten Submodul auf der ersten Stirnseite und zweiten Stirnseite angeordnet sein. Der Bauraum lässt sich dann effizient nutzen. Each power module can be arranged on a first end face of the winding or the power modules can always be arranged alternately from one submodule to the adjacent submodule viewed over the circumference on the first end face and second end face, viewed over the circumference. The installation space can then be used efficiently.
Jedes Submodul kann über die Axiallänge gesehen einen gleichbleibend breiten (in Umfangsrichtung gesehen) Bauraum einnehmen oder der Bauraum kann an einer Stirnseite größer als in einem davon beabstandeten Innenbereich sein. Es kann also eine Ausführungsform geschaffen werden, die eine Wicklung besitzt, in deren axialer Verlängerung das Leistungsmodul angeordnet ist. Alternativ kann jedoch eine Anordnung gemäß einer radialen Verlängerung in einer anderen Ausführungsform gewünscht sein. Beide Varianten lassen sich einseitig oder zweiseitig ausgestalten. Die zuletzt genannte Variante einer zweiseitigen radialen Verlängerung hat Vorteile, wenn die Leistungsmodule mehr Bauraum in Anspruch nehmen sollen / müssen. Auch bei einer einseitigen Verlängerung stellt sich dieser Vorteil ein. Viewed over the axial length, each submodule can take up an installation space that is consistently wide (viewed in the circumferential direction), or the installation space can be larger at one end face than in an inner area spaced apart from it. An embodiment can thus be created which has a winding in the axial extension of which the power module is arranged. Alternatively, however, an arrangement according to a radial extension may be desired in another embodiment. Both variants can be designed on one or two sides. The latter variant of a two-sided radial extension has advantages if the power modules should/must take up more space. This advantage also applies to a one-sided extension.
Für Axialflussmaschinen können je nach Ausführung des Motors, z.B. Doppelstator- ein Rotor, Ein Stator-Zwei Rotoren, Ein Stator-Ein Rotor, etc., die Leistungsmodule in radialer Verlängerung des Stators nach außen oder in axialer Verlängerung an einer Stirnseite, die dem Rotor abgewandt ist, angebracht sein. In radialer Richtung ist auch eine Anbringung radial nach innen oder eine Anbringung sowohl radial innen als auch außen möglich. Dabei können die Leistungsmodule abwechselnd angeordnet werden. For axial flow machines, depending on the design of the motor, e.g. double stator one rotor, one stator two rotors, one stator one rotor, etc., the power modules can be in a radial extension of the stator to the outside or in an axial extension on a front side that faces the rotor turned away, be appropriate. In the radial direction, attachment radially inwards or attachment both radially inwards and outwards is also possible. The power modules can be arranged alternately.
Alle Submodule können zusammen einen im Umfang gesehen zusammengefügten Block bilden, was einem guten Handling zuträglich ist. Es sind dann keine Lücken zwischen den einzelnen Submodulen vorhanden. Ferner kann in der Gesamtzusammenschaltung die Funktion eines DC-DC-Wandlers zur steuerbaren Anpassung der DC-Spannungen in den Leistungsmodulen unabhängig von der Höhe der Spannung der Energiequelle realisiert werden. All submodules together can form a block that is joined together in terms of scope, which is conducive to good handling. There are then no gaps between the individual submodules. Furthermore, the function of a DC-DC converter for the controllable adjustment of the DC voltages in the power modules can be implemented in the overall interconnection, independently of the magnitude of the voltage of the energy source.
In einer ersten Variante wird hierzu in jedem Leistungsmodul mindestens eine zusätzliche Halbbrücke ergänzt. Die Verschaltung der Leistungsmodule erfolgt dann über die Mittelabgriffe dieser zusätzlichen Halbbrücken und zusätzlich über den DC+ oder alternativ DC- Anschluss. Für die Funktion dieser Variante ist im Strompfad zwischen Energiequelle und der Verschaltung der Submodule in jedem seriell geschalteten Strang von Submodulen mindestens eine Drossel an beliebiger Stelle notwendig. Die Halbbrücken und die Drossel bilden zusammen einen integralen DC-DC-Wandler bzw. einen Hochsetzsteller. In a first variant, at least one additional half-bridge is added to each power module for this purpose. The power modules are then connected via the center taps of these additional half-bridges and also via the DC+ or alternatively DC- connection. For this variant to function, at least one choke is required at any point in the current path between the energy source and the interconnection of the submodules in each series-connected string of submodules. The half-bridges and the choke together form an integral DC-DC converter or a step-up converter.
In einer zweiten Variante wird in jedes Leistungsmodul zusätzlich ein DC-DC-Wandler bestehend aus mindestens einer Halbbrücke, mindestens einer Drossel und ggf. mindestens einem Kondensator. Diese DC-DC-Wandler können wie dargestellt als Hochsetzsteller ausgeführt werden. Alternativ lassen sich mit denselben Bauteilen auch Tiefsetzsteller ausführen. In beiden Fällen gibt es hier wiederum zwei Möglichkeiten der Verschaltung, nämlich über den entsprechenden Abgriff des DC-DC-Wandlers und zusätzlich über den DC+ oder alternativ DC- Anschluss. In a second variant, a DC-DC converter consisting of at least one half-bridge, at least one inductor and, if necessary, at least one capacitor is additionally installed in each power module. As shown, these DC-DC converters can be implemented as step-up converters. Alternatively, step-down converters can also be implemented using the same components. In both cases there are two connection options, namely via the corresponding tap of the DC-DC converter and additionally via the DC+ or alternatively DC- connection.
Die oben genannte Aufgabe wird auch dadurch gelöst, dass eine elektrische Maschine mit einem Stator wie oben beschrieben und einem Rotor bereitgestellt wird. The object mentioned above is also achieved in that an electric machine with a stator as described above and a rotor is provided.
Die oben genannte Aufgabe wird ferner dadurch gelöst, dass ein Verfahren zum Zusammenbauen eines Stators, vorzugsweise wie oben beschrieben, für eine elektrische Maschine, vorzugsweise wie oben beschrieben bereitgestellt wird. Das Verfahren umfasst ein Bereitstellen einer Vielzahl von Submodulen, wobei jedes Submodul ein eigenes Leistungsmodul mit daran angeschlossener Wicklung besitzt. Das Verfahren umfasst ferner ein Zusammensetzen der Submodule zu dem Stator. Ein solches Verfahren betrifft somit ein Montageverfahren, das Schaffen des physischen Aufbaus bzw. den Zusammenbau des Stators. Dies beinhaltet Schritte des Umformens und Entstehenlassens der Unterbauteilgruppen. The above object is also achieved in that a method for assembling a stator, preferably as described above, for an electrical machine, preferably as described above, is provided. The method includes providing a large number of sub-modules, each sub-module having its own power module with a winding connected to it. The method also includes assembling the submodules to form the stator. Such a process thus relates to an assembly process, the creation of the physical structure or the assembly of the stator. This includes steps of forming and forming the sub-assembly.
Mit anderen Worten betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine, insbesondere einen Stator davon. Eine Wicklungsstruktur in dem Stator der elektrischen Maschine ist dabei um eine Peripherie der elektrischen Maschine herum segmentiert. Die jeweiligen Anschlüsse des Wicklungsaufbaus werden möglichst direkt (auf kürzestem Weg oder auf kleinstem Bauraum) mit einem Leistungsmodul verbunden. Die kleinsten identischen Einheiten oder Segmente (Submodule) bestehen aus einem Statorsegment mit einem lokalen Wicklungsaufbau und einem zugehörigen Leistungsmodul. Intern sind das Leistungsmodul und der Wicklungsaufbau eines jeweiligen Submoduls über mindestens drei Anschlüsse elektrisch verbunden. Extern besteht das jeweilige Submodul aus zwei Anschlüssen. In other words, the invention relates to an electrical machine, in particular a stator thereof. A winding structure in the stator of the electrical machine is segmented around a periphery of the electrical machine. The respective connections of the winding structure are connected to a power module as directly as possible (by the shortest route or in the smallest space). The smallest identical units or segments (submodules) consist of a stator segment with a local winding structure and an associated power module. Internally, the power module and the winding structure of a respective submodule are electrically connected via at least three connections. Externally, each submodule consists of two connections.
Die Erfindung ermöglicht mitunter den modularen Aufbau einer elektrischen Maschine mit integrierter Leistungselektronik. Folgende Vorteil können durch einen oder mehrere Aspekte zumindest teilweise erreicht werden: The invention sometimes enables the modular design of an electrical machine with integrated power electronics. The following advantages can be at least partially achieved through one or more aspects:
- Echte Modularisierbarkeit und Integration des Phasen- und Leistungselektronikaufbaus durch Segmentierung über den Umfang und damit verbunden eine hohe Packungsdichte bzw. hohe Leistungsdichte des Gesamtsystems; - True modularization and integration of the phase and power electronics structure through segmentation over the scope and the associated high packing density and high power density of the overall system;
- Höchstmöglicher Kupferfüllfaktor in der Nut (nahe 100%, Minimum an ohmschen Widerständen bzw. umgekehrt ein Minimum an Platzbedarf). - Highest possible copper fill factor in the slot (close to 100%, minimum ohmic resistance or vice versa, minimum space requirement).
- Geringer Wickelkopfanteil (Minimierung der ohmschen Widerstände und Minimierung der Kontaktstellen); - Low winding overhang (minimization of the ohmic resistance and minimization of the contact points);
- Kürzeste Leitungslängen zwischen Motor und Leistungselektronik (Minimierung der ohmschen Widerstände und Minimierung der Matenalaufwände für Kabel und Verbindungselemente); - Lösung des Zielkonflikts zwischen niedriger induzierter Spannung der elektrischen Maschine einerseits vs. hohem Spannungsniveau der Energiequelle bei hohen Leistungen (Nutzung Hochvolt (HV) -Batterie / 800V-Spannungsklasse) andererseits; - Shortest cable lengths between motor and power electronics (minimization of ohmic resistance and minimization of material costs for cables and connecting elements); - Solving the conflict of objectives between low induced voltage of the electrical machine on the one hand and high voltage level of the energy source at high power (use of high-voltage (HV) battery / 800V voltage class) on the other;
- Kompatibilität zu anderen Technologien z. B. Teilmotorkonzepte, direkte Leiterkühlung, Strom-ZDrehmomentregelung, geberlose Regelung, etc.; - Compatibility with other technologies, e.g. B. partial motor concepts, direct conductor cooling, current/torque control, sensorless control, etc.;
- Keine motorseitigen Nachteile in Bezug auf die jeweilige Betriebsweise (z. B. Drehmomentrippel, Verluste); - No motor-related disadvantages in relation to the respective mode of operation (e.g. torque ripples, losses);
- Einfacherer Aufbau und Fertigung (einfache Montage- und Verbindungsprozesse der Wicklungen, etc.); und - Easier construction and manufacturing (simple assembly and connection processes of the windings, etc.); and
- Keine Leistungselektronikseitigen Nachteile (niederfrequente pulsierende Leistungen, komplizierte Schaltungstopologien, spezielle elektronische Bauteile).- No disadvantages in terms of power electronics (low-frequency pulsating power, complicated circuit topologies, special electronic components).
Auch wenn einige der voranstehend/nachstehend beschriebenen Aspekte in Bezug auf das Verfahren beschrieben wurden, so können diese Aspekte auch auf den Stator und die elektrische Maschine zutreffen. Genauso können die voranstehend/nachstehend in Bezug auf den Stator und die elektrische Maschine beschriebenen Aspekte in entsprechender Weise auf das Verfahren zutreffen. Even if some of the aspects described above/below have been described in relation to the method, these aspects can also apply to the stator and the electric machine. Likewise, the aspects described above/below in relation to the stator and the electrical machine can apply to the method in a corresponding manner.
Ebenfalls versteht sich, dass die vorliegend verwendeten Begriffe lediglich der Beschreibung einzelner Ausführungsformen dienen und nicht als Einschränkung gelten sollen. Sofern nicht anders definiert, haben alle vorliegend verwendeten technischen und wissenschaftlichen Begriffe die Bedeutung, die dem allgemeinen Verständnis des Fachmannes auf dem für die vorliegende Offenbarung relevanten Fachgebiet entspricht; sie sind weder zu weit noch zu eng zu fassen. Werden vorliegend Fachbegriffe unzutreffend verwendet und bringen so den technischen Gedanken der vorliegenden Offenbarung nicht zum Ausdruck, sind diese durch Fachbegriffe zu ersetzen, die dem Fachmann ein richtiges Verständnis vermitteln. Die vorliegend verwendeten allgemeinen Begriffe sind auf der Grundlage der im Lexikon befindlichen Definition o- der dem Zusammenhang entsprechend auszulegen; hierbei ist eine zu enge Auslegung zu vermeiden. It should also be understood that the terms used herein are for the purpose of describing individual embodiments only and are not intended to be limiting. Unless otherwise defined, all technical and scientific terms used herein have the meaning commonly understood by those skilled in the art relevant to the present disclosure; they are neither too broad nor too narrow. If technical terms are used incorrectly here and thus do not express the technical idea of the present disclosure, they are to be replaced by technical terms that convey a correct understanding to the person skilled in the art. The ones used here general terms are to be interpreted on the basis of the definition in the lexicon or in accordance with the context; in this context, an overly narrow interpretation should be avoided.
Weitere Ziele, Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von nicht einschränkend zu verstehenden Ausführungsformen mit Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen. Bei der Beschreibung der vorliegenden Offenbarung wird auf ausführliche Erläuterungen bekannter verbundener Funktionen oder Konstruktionen verzichtet, sofern diese unnötig vom Sinn der vorliegenden Offenbarung ablenken. Dabei zeigen alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den hier offenbarten Gegenstand, auch unabhängig von ihrer Gruppierung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehungen. Die Abmessungen und Proportionen der in den Figuren gezeigten Komponenten sind hierbei nicht unbedingt maßstäblich; sie können bei zu implementierenden Ausführungsformen vom hier Veranschaulichten abweichen. Insbesondere können, in den Figuren, die Dicke der Linien, Schichten und/oder Regionen der Klarheit halber übertrieben oder untertrieben sein. Other objectives, features, advantages and possible uses emerge from the following description of non-limiting embodiments with reference to the associated drawings. In describing the present disclosure, detailed explanations of well-known related functions or constructions will be omitted unless they obscure the gist of the present disclosure. All of the features described and/or illustrated show the subject matter disclosed here, either individually or in any combination, regardless of how they are grouped in the claims or their dependencies. The dimensions and proportions of the components shown in the figures are not necessarily to scale; they may differ from what is illustrated here in embodiments to be implemented. In particular, in the figures, the thickness of the lines, layers, and/or regions may be exaggerated or understated for the sake of clarity.
Die Erfindung wird nachfolgend mit Hilfe von Zeichnungen erläutert. Es zeigen: The invention is explained below with the aid of drawings. Show it:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Submoduls eines Stators; FIG. 1 shows a schematic representation of a submodule of a stator;
Figur 2 eine schematische Darstellung eines Stators mit axialer Verlängerung von einer ersten Stirnseite weg, d.h. einseitig; Figure 2 is a schematic representation of a stator with axial extension away from a first face, i.e. one-sided;
Figur 3 eine schematische Darstellung eines Stators mit radialer Verlängerung, einseitig; FIG. 3 shows a schematic representation of a stator with a radial extension, on one side;
Figur 4 eine schematische Darstellung eines Stators mit axialer Verlängerung von beiden Stirnseiten weg, d.h. zweiseitig; Figur 5 eine schematische Darstellung eines Stators mit radialer Verlängerung, zweiseitig; FIG. 4 shows a schematic illustration of a stator with an axial extension away from both end faces, ie on two sides; FIG. 5 shows a schematic representation of a stator with radial extension, two-sided;
Figur 6 eine schematische Darstellung einer DC-seitigen Serienschaltung der Submodule; FIG. 6 shows a schematic representation of a DC-side series connection of the submodules;
Figur 7 eine schematische Darstellung eines Leistungsmoduls; FIG. 7 shows a schematic representation of a power module;
Figur 8 eine schematische Darstellung einer parallelen Verschaltung der Submodule; FIG. 8 shows a schematic representation of a parallel connection of the submodules;
Figur 9 eine schematische Darstellung einer seriell-parallel Verschaltung der Submodule; FIG. 9 shows a schematic representation of a serial-parallel connection of the submodules;
Figur 10 eine schematische Darstellung einer ersten Variante eines integralen DC-DC-Wandlers; FIG. 10 shows a schematic representation of a first variant of an integral DC-DC converter;
Figur 11 eine schematische Darstellung einer zweiten Variante eines integralen DC-DC-Wandlers; FIG. 11 shows a schematic representation of a second variant of an integral DC-DC converter;
Figur 12 eine schematische Darstellung einer ersten Variante mit integriertem DC-DC-Wandler in den Submodulen; FIG. 12 shows a schematic representation of a first variant with an integrated DC-DC converter in the submodules;
Figur 13 eine schematische Darstellung einer zweiten Variante mit integriertem DC-DC-Wandler in den Submodulen; FIG. 13 shows a schematic representation of a second variant with an integrated DC-DC converter in the submodules;
Figur 14 eine schematische Darstellung einer verteilten Einschichtwicklung mit einseitiger Anordnung der Leistungsmodule; FIG. 14 shows a schematic representation of a distributed single-layer winding with a one-sided arrangement of the power modules;
Figur 15 eine schematische Darstellung einer verteilten Einschichtwicklung mit zweiseitiger Anordnung der Leistungsmodule; Figur 16 eine schematische Darstellung einer verteilten Einschichtwicklung mit größerer Spulenweite und höherer Windungszahl; FIG. 15 shows a schematic representation of a distributed single-layer winding with a two-sided arrangement of the power modules; FIG. 16 shows a schematic representation of a distributed single-layer winding with a larger coil width and a higher number of turns;
Figur 17 eine schematische Darstellung einer verteilten Einschichtwicklung mit höherer Überlappung als Kombinationsform; FIG. 17 shows a schematic representation of a distributed single-layer winding with higher overlap as a combination form;
Figur 18 eine schematische Darstellung einer Zweischichtwicklung mit Überlappung; FIG. 18 shows a schematic representation of a two-layer winding with overlap;
Figur 19 eine schematische Darstellung einer Zweischichtwicklung ohne Überlappung; FIG. 19 shows a schematic representation of a two-layer winding without overlap;
Figur 20 eine schematische Darstellung einer Zweischichtwicklung ohne Überlappung; FIG. 20 shows a schematic representation of a two-layer winding without overlap;
Figur 21 eine schematische Darstellung einer verteilten Zweischichtwicklung mit 5/6 Sehnung ohne Überlappung; und Figure 21 is a schematic representation of a 5/6 pitch distributed two layer winding without overlap; and
Figur 22 eine schematische Darstellung einer verteilten Zweischichtwicklung mit 5/6 Sehnung mit Überlappung; Figure 22 is a schematic representation of a 5/6 pitch distributed two layer winding with overlap;
Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen ausschließlich dem Verständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Merkmale der einzelnen Ausführungsformen können untereinander ausgetauscht werden. The figures are only of a schematic nature and serve exclusively for understanding the invention. The same elements are provided with the same reference numbers. The features of the individual embodiments can be interchanged.
Der Stator der elektrischen Maschine wird nun anhand von Ausführungsformen beschrieben. The stator of the electrical machine will now be described using embodiments.
Die erfinderische Lösung besteht aus einem über den Umfang einer elektrischen Maschine segmentierten Wicklungsaufbau im Stator 1 , dessen jeweiligen Anschlüsse möglichst direkt (auf kürzestem Weg bzw. kleinstem Bauraum) mit leistungselektronischen Modulen 4 verbunden sind. Somit bestehen die kleinsten, identischen Einheiten bzw. Segmente (= Submodule 2) aus einem Statorsegment mit seinem lokalen Wicklungsaufbau 3 und dem zugehörigen Leistungsmodul 4, siehe Fig. 1. Intern sind das Leistungsmodul 4 und der Wicklungsaufbau 3 des Statorsegments elektrisch über mindestens drei Anschlüsse (S1 , S2, S3) verbunden und nach außen hin weist das Submodul 2 zwei Anschlüsse (DC+ 9 und DC- 10) auf. The inventive solution consists of a segmented over the circumference of an electrical machine winding structure in the stator 1, its respective connections are connected to power electronic modules 4 as directly as possible (by the shortest route or in the smallest possible space). Thus, the smallest, identical units or segments (= submodules 2) consist of a stator segment with its local winding structure 3 and the associated power module 4, see Fig. 1. Internally, the power module 4 and the winding structure 3 of the stator segment are electrically connected via at least three connections (S1, S2, S3) and to the outside, the submodule 2 has two connections (DC+ 9 and DC- 10).
Dieses Submodul 2 stellt die kleinste Einheit als Teilsystem dar. Durch die zylinderförmige Anordnung mehrerer gleicher Submodule 2 entsteht ein Stator 1 eines elektrischen Antriebs auf modulare Weise. Dieser erzeugt im Luftspalt ein für den Betrieb erforderliches magnetisches Drehfeld, so dass an einem Rotor ein Drehmoment erzeugt werden kann. Die Aufbauweise ist dabei unabhängig vom Wirkprinzip des Motors und kann damit prinzipiell für alle Arten von elektrischen Maschinen (permanentmagneterregte Synchronmaschine, Reluktanzmaschine, fremderregte Synchronmaschine, Asynchronmaschine sowie entsprechende Kombinationen) universell angewendet werden. This submodule 2 represents the smallest unit as a subsystem. The cylindrical arrangement of several identical submodules 2 creates a stator 1 of an electric drive in a modular manner. In the air gap, this generates a rotating magnetic field required for operation, so that a torque can be generated on a rotor. The design is independent of the operating principle of the motor and can therefore in principle be used universally for all types of electrical machines (permanent magnet excited synchronous machine, reluctance machine, separately excited synchronous machine, asynchronous machine and corresponding combinations).
Das jeweilige Leistungsmodul 4 kann dabei unter der Berücksichtigung von kürzesten Anschlüssen an das Motorsegment durch verschiedene Varianten direkt neben dem zugehörigen Motorsegment platziert werden. Das Motorsegment bezeichnet hierbei das Statorsegment mit Wicklungsaufbau 3. The respective power module 4 can be placed directly next to the associated motor segment using different variants, taking into account the shortest possible connections to the motor segment. The motor segment refers to the stator segment with winding structure 3.
Bei nur einseitiger Anordnung der Leistungsmodule 4: If the power modules 4 are only arranged on one side:
- stirnseitig in axialer Verlängerung zum Motorsegment (siehe Fig. 2); und - at the end in axial extension to the motor segment (see Fig. 2); and
- nach außen in radialer Verlängerung zum Motorsegment (siehe Fig. 3). - outwards in a radial extension to the motor segment (see Fig. 3).
Bei zweiseitiger Anordnung, zum Beispiel als zwei zueinander verdreht angeordnete Gruppen, insbesondere wenn sich aufgrund des Wicklungsaufbaus Motorsegmente räumlich überlappen: In the case of two-sided arrangement, for example as two groups arranged rotated relative to one another, especially if motor segments overlap spatially due to the winding structure:
- stirnseitig in axialer Verlängerung zum Motorsegment (Fig. 4); und - nach außen in radialer Verlängerung zum Motorsegment (Fig. 5). - Front side in axial extension to the motor segment (Fig. 4); and - outwards in a radial extension to the motor segment (Fig. 5).
Die Abmessungen der Leistungsmodule 4 und Statorsegmente können hierbei variieren, entscheidender sind die erläuterten Anordnungen mit sich berührenden Flächen, so dass minimale Längen von internen elektrischen Verbindungen entstehen. The dimensions of the power modules 4 and stator segments can vary here; the explained arrangements with contacting surfaces are more important, so that minimal lengths of internal electrical connections arise.
In jedem Statorsegment eines Submoduls 2 erfolgt die Realisierung von Wicklungen 3 mit sehr niedriger Windungszahl und großem Leiterquerschnitt respektive hohem Kupferfüllfaktor, um ein Minimum an ohmschen Verlusten zu erreichen. Die fertigungstechnische Umsetzung kann hierbei durch Einzelstäbe in den Nuten (vergleiche I-Pin, Spulenwindungszahl 0,5) oder zumindest einer minimalen Anzahl von Windungen pro Nut, welche z. B. U-förmig vergleichbar zu Hairpin-Wicklungen eingebracht werden können. In each stator segment of a submodule 2, windings 3 are implemented with a very low number of turns and a large conductor cross section or high copper fill factor, in order to achieve a minimum of ohmic losses. The manufacturing implementation can be done here by individual rods in the slots (compare I-Pin, number of coil turns 0.5) or at least a minimum number of turns per slot, which z. B. U-shaped can be introduced comparable to hairpin windings.
Das Verfahren bzw. Bildungsgesetz zur Beschreibung des Aufbaus und Generierung sämtlicher möglicher Wicklungsaufbauten ist im Folgenden beschrieben. Diese Vorgehensweise beschreibt allgemein die Bildung aller möglicher Wicklungssysteme, welche dem geforderten Charakter einer Segmentierung über den Umfang des Stators der elektrischen Maschine hinweg genügen. The procedure or formation law for describing the structure and generating all possible winding structures is described below. This procedure generally describes the formation of all possible winding systems that meet the required character of a segmentation across the circumference of the stator of the electrical machine.
Das Vorgehen beinhaltet das Festlegen der Nutzahl (N), der Polpaarzahl (p) und der Phasenzahl (m) abhängig von Wicklungsfaktor ( ) und Oberwellenstreuung (cr0). The procedure includes determining the number of slots (N), the number of pole pairs (p) and the number of phases (m) depending on the winding factor ( ) and harmonic leakage (cr 0 ).
Hierbei ist m > 3 und m = 2X mit x G H Here m > 3 and m = 2 X with x GH
Auslegungsansatz: Spannungsaufteilung der DC-Zwischenkreisspannung, um Halbleiterbauelemente kleinerer Spannungslage zu nutzen. Die Spannungslage der MOS- FETs und DC-Zwischenkreisspannung ergeben die Anzahl der Teilmodule Jeweils die Verschaltung von m Spulenseiten (m mod 2 ^ 0) oder von Spulenseiten (m mod 2 = 0, m mod 2X 0 , x G N\{0}) in einen Sternpunkt Bedingung:
Figure imgf000017_0001
Design approach: Voltage distribution of the DC intermediate circuit voltage in order to use semiconductor components with a lower voltage level. The voltage level of the MOSFETs and the DC intermediate circuit voltage result in the number of sub-modules In each case the connection of m coil sides (m mod 2 ^ 0) or of coil sides (m mod 2 = 0, m mod 2 X 0 , x GN\{0}) in a star point Condition:
Figure imgf000017_0001
- Versatz der Induktionsspannung um der m Spulenseiten zueinander - Offset of the induction voltage by the m coil sides to each other
(m mod
Figure imgf000017_0002
(m mod
Figure imgf000017_0002
2X-2TT 'm 2 X -2TT'm
- Versatz der Induktionsspannung um der — Spulenseiten zueinander (m mod 2 = 0) - Offset of the induction voltage by the — coil sides to each other (m mod 2 = 0)
- Spulenseiten sollten mglst. nahe beieinanderliegen - Coil sides should possibly. lie close together
Jeweils die Verschaltung von m Spulenseiten (m mod 2 ^ 0) oder von Spulenseiten (m mod 2 = 0, m mod 2X
Figure imgf000017_0003
0 , x G N\{0}) in einen Sternpunkt, wobei vor jeder dieser Spulenseiten k Spulenseiten der gleichen Phase in Serie geschaltet sind. The connection of m coil sides (m mod 2 ^ 0) or of coil sides (m mod 2 = 0, m mod 2 X
Figure imgf000017_0003
0 , x GN\{0}) into a neutral point, with k coil sides of the same phase being connected in series in front of each of these coil sides.
Bedingung: Condition:
- Spulenseitenorientierung nach Nutenstern muss eingehalten werden - Orientation of the coil side according to the slot star must be observed
- Die k seriell verbundenen Spulenseiten können einen beliebigen Phasenversatz zueinander aufweisen - The k coil sides connected in series can have any phase offset relative to one another
- Falls die Spulenseiten in benachbarten Nuten liegen, kann der Verschaltungsaufwand reduziert werden (ist aber keine Bedingung)
Figure imgf000017_0004
- If the coil sides are in adjacent slots, the wiring effort can be reduced (but is not a requirement)
Figure imgf000017_0004
- Versatz der Induktionsspannung um der Gesamtinduktion der (k + 1) seriell verschalteten Spulenseiten zu den anderen (m - 1) Teilsystemen mit jeweils (k + 1) seriell verschalteten Spulenseiten, die alle gemeinsam in einen Sternpunkt verschaltet sind, bei (m mod 2 ^ 0) - Offset of the induction voltage by the total induction of the (k + 1) serially connected coil sides to the other (m - 1) subsystems, each with (k + 1) serially connected coil sides, which are all connected together in a star point, at (m mod 2 ^0)
2X -27 2X -27
- Bei (m mod 2 = 0) gilt entsprechend der Gesamtinduktion der (fc + 1) seriell verschalteten Spulenseiten zu den anderen
Figure imgf000017_0005
- 1) Teilsystemen mit jeweils (fc + 1) seriell verschalteten Spulenseiten Je nach Wicklungsansatz und Segmentierungsgrad kann damit eine unterschiedliche Anzahl an Submodulen 3, welche den gesamthaften Stator 1 bilden aufgebaut werden. Die maximale Modularität im Sinne der maximalen Anzahl an realisierbaren Segmenten über den Umfang wird dabei durch die Schichtzahl (Ein- oder Zweischichtwicklung), die Nutzahl N und die Phasenzahl m bestimmt. Die Phasenzahl drei stellt aufgrund des notwendigen Minimums für die Erzeugung eines Dreh- bzw. bezogen auf das Motorsegment eines Wanderfelds eine vorteilhafte Lösung dar. Mit einer Phasenzahl drei erreicht für ein Leistungselektroniksubmodul eine konstante Leistung und außerdem drei symmetrisch belastete Phasen. Das Bildungsgesetz ist aber nicht hierauf beschränkt und beschreibt die Realisierung für beliebige Phasenzahlen. Außerdem können höhere Phasenzahlen des Motors ebenfalls mit Submodulen 2 geringerer Phasenzahl erzeugt werden, wenn die geringere Phasenzahl einen Teiler der höheren darstellt. Alle weiteren Beschreibungen beschränken sich folglich auf dreiphasige Varianten, ohne dass die Erfindung darauf beschränkt ist. - At (m mod 2 = 0) applies according to the total induction of the (fc + 1) serially connected coil sides to the others
Figure imgf000017_0005
- 1) Subsystems each with (fc + 1) serially connected coil sides Depending on the winding approach and the degree of segmentation, a different number of submodules 3, which form the entire stator 1, can thus be constructed. The maximum modularity in terms of the maximum number of segments that can be realized over the circumference is determined by the number of layers (one or two-layer winding), the number of slots N and the number of phases m. The number of phases is three because of the minimum required to generate a rotating field or, in relation to the motor segment, a traveling field, which is an advantageous solution. With a number of phases of three, a power electronics submodule achieves constant power and also three symmetrically loaded phases. However, the formation law is not limited to this and describes the realization for any number of phases. In addition, higher motor phase numbers can also be generated with submodules 2 with a lower phase number if the lower phase number is a factor of the higher one. All further descriptions are consequently limited to three-phase variants, without the invention being limited thereto.
Der Zielkonflikt zwischen niedriger Wicklungsspannung aufgrund der geringen Zahl an Windungen der Spulen in einem Motorsegment und hoher Spannung der Energiequelle aufgrund von hoher zu übertragender Leistung wird durch die Verschaltung der Module auf der Gleichspannungs- bzw. DC-Seite, vorzugsweise vergleichbar mit dem Prinzip des "Modularen Hochfrequenz Umrichters" oder "stacked polyphase bridges converter" durch eine Serienschaltung gelöst, siehe Fig. 6. The conflict of objectives between low winding voltage due to the small number of turns of the coils in a motor segment and high voltage of the energy source due to the high power to be transmitted is eliminated by connecting the modules on the DC voltage or DC side, preferably comparable to the principle of " Modular high-frequency converter" or "stacked polyphase bridges converter" solved by a series connection, see Fig. 6.
Unter dem Begriff "Leiter" sind ohne weitere Einschränkungen folgende Realisierungsformen denkbar: massiver Stab, getrennte Realisierung durch mehrere Stäbe oder Profildrähte (parallel geführt und verschaltet), (Hochfrequenz-)Litze (ggf. mit isolierten Einzelleiter). The following forms of realization are conceivable under the term "conductor" without further restrictions: solid rod, separate realization by several rods or profiled wires (guided in parallel and interconnected), (high-frequency) stranded wire (possibly with insulated individual conductors).
Das Leistungsmodul 4 innerhalb des Submoduls 2 (siehe Fig. 7) beinhaltet eine leistungselektronische Schaltung basierend auf Leistungshalbleiter wie Transistoren 7 und Dioden 8 sowie einem lokalen Zwischenkreiskondensator 5. Eine vorteilhafte Umsetzung erfolgt durch die Drehstrombrückenschaltung mit drei Halbbrücken 6 entsprechend den drei Phasen des Wicklungsaufbaus im Statorsegment. Jede Halbbrücke 6 besteht aus zwei Transistoren 7 in Serie sowie zum Beispiel einer antiparallel geschalteten Freilaufdiode 8. Bei den Transistoren 7 können verschiedene Typen, wie z. B. IGBTs, MOSFETs, HEMTs, Bipolartransistoren, GTOs zum Einsatz kommen. Sowohl die Dioden 8 als auch Transistoren 7 können auf hierfür typischen Halbleitermatenalien wie Silizium, Siliziumkarbid, Galliumnitrid oder zukünftig auch weiteren geeigneten Materialien basieren. The power module 4 within the submodule 2 (see Fig. 7) contains a power electronic circuit based on power semiconductors such as transistors 7 and diodes 8 and a local intermediate circuit capacitor 5. An advantageous implementation is the three-phase bridge circuit with three half-bridges 6 corresponding to the three phases of the winding structure in the stator segment. Each half bridge 6 consists of two transistors 7 in series and, for example, a freewheeling diode 8 connected in antiparallel. B. IGBTs, MOSFETs, HEMTs, bipolar transistors, GTOs are used. Both the diodes 8 and the transistors 7 can be based on semiconductor materials that are typical for this purpose, such as silicon, silicon carbide, gallium nitride or other suitable materials in the future.
Zur Erzeugung eines Drehspannungssystems, welches in Amplitude und Frequenz variabel gemäß dem Betriebspunkt des gesamthaften elektrischen Antriebs eingestellt wird, kommen typische Modulationsverfahren bzw. eine Pulsbreitenmodulation zum Einsatz. Jedes Leistungsmodul 4 enthält darüber hinaus eine Steuer- und Regeleinheit, welche die Ansteuerung der Transistoren 7, Erfassung von elektrischen Größen wie lokale Zwischenkreisspannung und Phasenströme realisiert sowie Schnittstellen zur Kommunikation mit den benachbarten Submodulen 2 bzw. mit einem zentralen Steuergerät aufweist (in Abbildungen nicht dargestellt). Typical modulation methods or pulse width modulation are used to generate a three-phase voltage system whose amplitude and frequency are variable according to the operating point of the entire electrical drive. Each power module 4 also contains a control and regulation unit, which controls the transistors 7, detects electrical quantities such as local intermediate circuit voltage and phase currents, and has interfaces for communication with the neighboring submodules 2 or with a central control unit (not shown in the figures ).
Die DC-seitige Verschaltung der Submodule 2 über ihre jeweiligen beiden Anschlüsse DC+ und DC- kann abhängig von der erforderlichen Spannungsanpassung zwischen der Energiequelle und den Modulen unterschiedlich realisiert werden: alle seriell (siehe Fig. 6), alle parallel (siehe Fig. 8) oder in Gruppen gemischt parallel und seriell (siehe Fig. 9). The DC-side interconnection of the submodules 2 via their respective two connections DC+ and DC- can be implemented differently depending on the required voltage adjustment between the energy source and the modules: all in series (see Fig. 6), all in parallel (see Fig. 8) or in groups mixed parallel and serial (see Fig. 9).
Zum Beispiel kann in das Gesamtsystem oder in jedes Leistungsmodul 4 ein DC-DC- Wandler zur Spannungsanpassung im Betrieb integriert werden. Hierzu können verschiedene Varianten vorgesehen sein. Fig. 10 zeigt eine erste Variante und Fig. 11 eine zweite Variante mit einer zentralen Drossel 11 , hinsichtlich des DC-seitigen Anschlusses an die zugehörige Halbbrücke 6 des DC-DC-Wandlers sind auch gemischte Formen möglich, diese Varianten sind grundsätzlich mit dem Modularen Hochfrequenz Umrichter vergleichbar. Fig. 12 zeigt eine dritte Variante und Fig. 13 eine vierte Variante mit integrierter Drossel und zum Beispiel zusätzlichem Kondensator, wobei in jedem Submodul 2 ein DC-DC-Wandler integriert ist. Zurückkommend auf Figur 3 sei ergänzt, dass dort die Radialrichtung mit dem Bezugszeichen 12, die Axialrichtung mit dem Bezugszeichen 13 und die Umfangsrichtung mit dem Bezugszeichen 14 markiert ist. For example, a DC-DC converter for voltage adjustment during operation can be integrated into the overall system or into each power module 4 . Various variants can be provided for this. 10 shows a first variant and FIG. 11 a second variant with a central choke 11. Mixed forms are also possible with regard to the DC-side connection to the associated half-bridge 6 of the DC-DC converter. These variants are basically modular High-frequency converter comparable. FIG. 12 shows a third variant and FIG. 13 shows a fourth variant with an integrated choke and, for example, an additional capacitor, a DC-DC converter being integrated in each submodule 2 . Coming back to FIG. 3, it should be added that there the radial direction is marked with the reference number 12, the axial direction with the reference number 13 and the circumferential direction with the reference number 14.
Die nachfolgenden Varianten stellen aus qualitativer Sicht vorteilhafte Lösungen bezüglich des Kupferfüllfaktors bzw. geringer Windungszahl, bezüglich einer strikten Modularisierung oder auch bezüglich einer möglichst kurzen Segmentierung über wenige Nuten entlang des Umfangs dar. From a qualitative point of view, the following variants represent advantageous solutions with regard to the copper fill factor or low number of turns, with regard to strict modularization or also with regard to the shortest possible segmentation using a few slots along the circumference.
Bei den Wicklungsaufbauten 3 und damit der Statorsegmente sind grundsätzlich zwei Formen bezüglich der sogenannten "Überlappung" zu unterscheiden. Im ersten Fall können benachbarte Wicklungsaufbauten 3 räumlich getrennt voneinander aufgebaut und damit nicht überlappend realisiert werden. Im zweiten Fall gilt diese räumliche Trennung nicht mehr und es kommt aufgrund des Wicklungsprinzips zur räumlichen Überlappung zweier oder auch mehrerer Wicklungsaufbauten 3 von benachbarten Submodulen 2. Auch wenn hier die Wicklungsaufbauten 3 und damit die Statorsegmente ein bestimmtes Volumen gemeinsam nutzen, bleiben die Leistungsmodule 4 der benachbarten Submodule 2 weiterhin räumlich getrennt voneinander. In the case of the winding structures 3 and thus the stator segments, there are basically two forms to be distinguished with regard to the so-called “overlap”. In the first case, adjacent winding assemblies 3 can be spatially separated from one another and thus not overlapping. In the second case, this spatial separation no longer applies and, due to the winding principle, two or more winding structures 3 of adjacent submodules 2 spatially overlap. Even if the winding structures 3 and thus the stator segments share a certain volume here, the power modules 4 remain the same neighboring submodules 2 continue to be spatially separated from one another.
Für die Realisierungsform der Wicklungsaufbauten mit einem Leiter pro Nut (in Einschichtwicklung), was damit einem Maximum an erreichbarem Kupferfüllfaktor entspricht, gibt es die nachfolgenden Varianten. The following variants are available for the realization of the winding structures with one conductor per slot (in a single-layer winding), which corresponds to a maximum achievable copper fill factor.
Fig. 14 und 15 stellen einen Wicklungsaufbau dar, bei dem sich die Submodule 2 im Bereich der Wicklungsaufbauten 3 räumlich überlappen. Dies liegt an der dargestellten Phasenfolge in den Nuten und der am einfachsten zu realisierenden Verschaltung der drei Leitern entsprechend der drei Phasen. Diese drei Leiter werden auf einer Seite mit einer sogenannten Sternpunktverbindung kontaktiert und auf der anderen Seite über die drei Anschlüsse mit dem Leistungsmodul 4 verbunden. Aufgrund der Überlappung eignet sich hier eine zweiseitige Anordnung (siehe Fig. 15) der Leistungsmodule an die sich überlappenden Motorsegmente vorteilhaft im Vergleich zu einer einseitigen Anordnung (siehe Fig. 14). 14 and 15 represent a winding structure in which the submodules 2 spatially overlap in the region of the winding structures 3. FIG. This is due to the phase sequence shown in the slots and the simplest way to connect the three conductors according to the three phases. These three conductors are contacted on one side with a so-called star point connection and on the other side are connected to the power module 4 via the three connections. Due to the overlap, a two-sided arrangement (see FIG. 15) of the power modules on the overlapping motor segments is advantageous here compared to a one-sided arrangement (see FIG. 14).
Fig. 16 stellt eine Variante dar, bei der weiterhin ein Leiter pro Nut eingebracht wird. Jede Phase wird hierbei gemäß Fig. 16 mit Hilfe von zwei Windungen realisiert wobei vier Leitungsabschnitte zwei Mal zwei benachbarte Nuten belegen. Wie zuvor werden die ersten Enden der Windungen der einzelnen Phasen mit einer Sternpunktverbin- dung kontaktiert und die zweiten Enden mit dem Leistungsmodul verbunden. Da in dieser Variante keine räumliche Überlappung der Motorsegmente auftritt, kann die einseitige Anordnung der Leistungsmodule 4 vorteilhaft erfolgen. FIG. 16 shows a variant in which one conductor is also introduced per slot. According to FIG. 16, each phase is realized with the aid of two windings, with four line sections occupying two adjacent slots twice. As before, the first ends of the windings of the individual phases are contacted with a star point connection and the second ends are connected to the power module. Since there is no spatial overlapping of the motor segments in this variant, the power modules 4 can be advantageously arranged on one side.
Bei Kombination der vorangegangenen Merkmale, also ein Leiter pro Nut, welcher gleichzeitig eine Phase bildet (siehe Fig. 17) ergibt sich ein Wicklungsaufbau mit geringster Windungszahl bei vergleichsweise großer Überlappung. If the above features are combined, ie one conductor per slot, which at the same time forms a phase (see FIG. 17), the result is a winding structure with the lowest number of turns with a comparatively large overlap.
Durch Wicklungsaufbauten mit zwei Leitern pro Nut (Zweischichtwicklung mit Zahnspulenwicklung oder gesehnter verteilter Wicklung), können in Bezug auf eine möglichst kurze Segmentierung weitere vorteilhafte Varianten realisiert werden. Winding structures with two conductors per slot (two-layer winding with toothed coil winding or pitched distributed winding) can be used to implement further advantageous variants with regard to the shortest possible segmentation.
Fig. 18 zeigt einen Aufbau, bei dem jede Phase aus nur einer Leitung in einer Nut besteht und vergleichbar zu Fig. 13 und 14 verschaltet sind. Pro Nut sind zwei Leiter von unterschiedlichen Phasen eingebracht. Diese Form stellt die kürzeste Segmentierung dar, bei der ein Statorsegment lediglich drei benachbarte Nuten umfasst. Aufgrund der Überlappung der Motorsegmente ist die Realisierung durch eine zweiseitige Anordnung vorteilhaft. FIG. 18 shows a structure in which each phase consists of only one line in a slot and is connected in a manner comparable to FIGS. 13 and 14. Two conductors of different phases are inserted per slot. This form represents the shortest segmentation, in which a stator segment comprises only three adjacent slots. Due to the overlapping of the motor segments, implementation using a two-sided arrangement is advantageous.
Fig. 19 zeigt eine Variante bei der wechselweise zwei Leiter derselben und dann zwei Leiter von unterschiedlichen Phasen eingebracht werden. Hieraus entstehen zwei Windungen pro Phase, wobei sich die ergebenden Motorsegmente nicht überlappen, wodurch eine einseitige Anordnung der Leistungsmodule 4 ermöglicht wird. Weiterhin ist eine Sternpunktverbindung zwischen den einen Enden der Phasen und den drei Verbindungen zu dem Leistungsmodul 4 vorhanden. 19 shows a variant in which two conductors of the same phase and then two conductors of different phases are inserted alternately. This results in two windings per phase, with the resulting motor segments not overlapping, as a result of which the power modules 4 can be arranged on one side. Farther there is a neutral point connection between the one ends of the phases and the three connections to the power module 4 .
Fig. 20 führt den vorangegangenen Aspekt fort, so dass eine Phase vier benachbarte Nuten belegt und weiterhin zwei Leiter pro Nut eingebracht sind. Dabei kehrt sich der Wickelsinn in einer Phase von einer Windung zur nächsten um. Auch diese Variante vermeidet eine Überlappung der Motorsegmente, so dass eine einseitige Anbringung auch hier vorteilhaft umgesetzt werden kann. FIG. 20 continues the previous aspect so that one phase occupies four adjacent slots and furthermore two conductors are introduced per slot. The direction of winding reverses in a phase from one turn to the next. This variant also avoids an overlapping of the motor segments, so that a one-sided attachment can also be advantageously implemented here.
Es kann ferner eine Zweischichtwicklung als gesehnte verteilte Wicklung vorgesehen sein. Hierzu zeigt Fig. 21 die Variante mit weiterhin zwei Leitern pro Nut bei einer verteilten Wicklung. Sie weist vier Windungen pro Phase auf und kann überlappungsfrei realisiert werden. Ferner zeigt Fig. 22 ausgehend von Fig. 20 die Variante bei halbierter Windungszahl und doppelter Zahl von Submodulen 2. Hier ist die zweiseitige Anordnung der Leistungsmodule 4 aufgrund der sich überlappenden Motorsegmente von Vorteil. A two-layer winding can also be provided as a pitched distributed winding. For this purpose, FIG. 21 shows the variant with two conductors per slot with a distributed winding. It has four windings per phase and can be implemented without overlapping. Furthermore, FIG. 22, based on FIG. 20, shows the variant with half the number of turns and double the number of submodules 2. Here, the two-sided arrangement of the power modules 4 is advantageous due to the overlapping motor segments.
Grundsätzlich kann die vorliegende Erfindung in allen Arten von elektrischen Antriebssystemen im Bereich E-Mobility eingesetzt werden, z. B. eAchsen, Hybridmodule, DHT(= Dedicated Hybrid Transmission)-Systemen, Radnabenantriebe. Auch ein Einsatz in elektrischen Antrieben für industrielle Zwecke ist möglich. In principle, the present invention can be used in all types of electric drive systems in the field of e-mobility, e.g. B. e-axles, hybrid modules, DHT (= Dedicated Hybrid Transmission) systems, wheel hub drives. Use in electrical drives for industrial purposes is also possible.
Die Aspekte und Merkmale, die zusammen mit einem oder mehreren der vorangehend detailliert beschriebenen Beispiele und Figuren erwähnt und beschrieben wurden, können ferner mit einem oder mehreren der anderen Beispiele kombiniert werden, um ein ähnliches Merkmal des anderen Beispiels zu ersetzen oder um das Merkmal zusätzlich in das andere Beispiel einzubringen. The aspects and features that have been mentioned and described together with one or more of the examples and figures described in detail above can also be combined with one or more of the other examples in order to replace a similar feature of the other example or to additionally incorporate the feature in bring in the other example.
Die Erfindung ist nicht in irgendeiner Weise auf die zuvor beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Es werden im Gegenteil viele Möglichkeiten für Modifikationen daran einem Durchschnittsfachmann ersichtlich, ohne von der zugrundeliegenden Idee der Erfindung abzuweichen, wie sie in den beigefügten Ansprüchen definiert ist. Bezuqszeichenliste The invention is not limited in any way to the embodiments described above. On the contrary, many possibilities for modifications thereto will become apparent to a person skilled in the art, without departing from the underlying idea of the invention as defined in the appended claims. Reference character list
Stator stator
Submodul submodule
Wicklung winding
Leistungsmodul power module
Zwischenkreiskondensator intermediate circuit capacitor
Halbbrücke half bridge
Transistor transistor
Diode diode
DC+ DC+
DC-DC
Drossel throttle
Radialrichtung radial direction
Axialrichtung axial direction
Umfangsrichtung circumferential direction
Drehstromanschluss 1 Three-phase connection 1
Drehstromanschluss 2 Three-phase connection 2
Drehstromanschluss 3 Three-phase connection 3

Claims

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Patentansprüche Stator (1 ) für eine elektrische Maschine, umfassend eine Vielzahl von Submodulen (2), die sich voneinander getrennt über den Umfang des Stators (1 ) erstrecken, wobei jedes Submodul (2) eine eigene Wicklung (3) besitzt und ein eigenes der Wicklung (3) zugeordnetes Leistungsmodul (4) zum Wandeln von Gleichstrom in Wechselstrom. Stator nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass jedes Submodul (2) mehrere eigene Wicklungen (3) besitzt und der Wechselstrom ein Mehrphasenwechselstrom ist. Stator (1 ) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Leistungsmodul (4) einen eigenen DC+ (9) und DC- (10) Anschluss und drei Phasenanschlüsse zum Beaufschlagen der Wicklungen (3) mit dem Mehrphasenwechselstrom besitzt und vorzugsweise alle Leistungsmodule (4) seriell verschaltet sind, in dem jeweils der DC+ (9) Anschluss der Leistungsmodule (4) mit dem DC- (10) Anschluss des dem entsprechenden Leistungsmodul (4) direkt benachbarten Leistungsmoduls (4) verbunden ist. Stator (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Leistungsmodul (4) der Submodule (2) ein eigenes Bauteil der Gruppe aus Zwischenkreiskondensator (5), Halbbrücke (6), Transistor (7) und Diode (8) enthält. Stator (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der Submodule (2) oder alle Submodule (2) eine solche Einhausung aufweisen, die ein Handling der Submodule (2) ermöglicht. Stator (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Leistungsmodul (4) auf einer ersten Stirnseite der Wicklung (3) angeordnet ist oder die Leistungsmodule (4) immer über den Umfang gesehen abwechselnd von einem Submodul (2) zum über den Umfang gesehen benachbarten Submodul (2) auf der ersten Stirnseite und zweiten Stirnseite angeordnet sind. Stator (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Submodul (2) über die Axiallänge gesehen einen gleichbleibend breiten Bauraum einnimmt oder der Bauraum an einer Stirnseite größer als in einem davon beabstandeten Innenbereich ist. Stator (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass alle Submodule (2) zusammen im Umfang gesehen zusammengefügten Block bilden. Elektrische Maschine mit einem Stator (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 und einem Rotor. Verfahren zum Zusammenbauen eines Stators (1 ), vorzugsweise nach einem der Ansprüche 1 bis 8, für eine elektrische Maschine, vorzugsweise nach Anspruch 9, umfassend: Claims Stator (1) for an electrical machine, comprising a plurality of sub-modules (2) which extend separately over the circumference of the stator (1), each sub-module (2) having its own winding (3) and its own Power module (4) associated with winding (3) for converting direct current into alternating current. Stator according to claim 1, characterized in that each sub-module (2) has several separate windings (3) and the alternating current is a polyphase alternating current. Stator (1) according to Claim 2, characterized in that each power module (4) has its own DC+ (9) and DC- (10) connection and three phase connections for applying the polyphase alternating current to the windings (3) and preferably all power modules (4 ) are connected in series, in which the DC+ (9) connection of the power module (4) is connected to the DC- (10) connection of the power module (4) directly adjacent to the corresponding power module (4). Stator (1) according to one of Claims 1 to 3, characterized in that each power module (4) of the submodules (2) has its own component from the group consisting of the intermediate circuit capacitor (5), half-bridge (6), transistor (7) and diode (8 ) contains. Stator (1) according to any one of claims 1 to 4, characterized in that at least one of the sub-modules (2) or all sub-modules (2) have such a housing that allows handling of the sub-modules (2). Stator (1) according to one of Claims 1 to 5, characterized in that each power module (4) is arranged on a first end face of the winding (3) or the power modules (4) are always alternately viewed over the circumference from a submodule (2) are arranged on the first end face and second end face in relation to the submodule (2) which is adjacent when viewed over the circumference. Stator (1) according to any one of claims 1 to 6, characterized in that each sub-module (2) seen over the axial length occupies a consistently wide space or the space at a front side is larger than in a spaced-apart interior. Stator (1) according to any one of claims 1 to 7, characterized in that all the sub-modules (2) together form an assembled block seen in the scope. Electrical machine with a stator (1) according to any one of claims 1 to 8 and a rotor. Method for assembling a stator (1), preferably according to one of claims 1 to 8, for an electric machine, preferably according to claim 9, comprising:
Bereitstellen einer Vielzahl von Submodulen (2), wobei jedes Submodul (2) ein eigenes Leistungsmodul (4) mit daran angeschlossener Wicklung (3) besitzt; und Zusammensetzen der Submodule zu dem Stator (1 ). Providing a multiplicity of sub-modules (2), each sub-module (2) having its own power module (4) with a winding (3) connected thereto; and assembling the submodules to form the stator (1).
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