WO2023078740A1

WO2023078740A1 - Elektrischer antrieb mit einer elektrischen maschine mit sternpunktumschaltung

Info

Publication number: WO2023078740A1
Application number: PCT/EP2022/079818
Authority: WO
Inventors: Yves Burkhardt; Gerhard Huth
Original assignee: Valeo Eautomotive Germany Gmbh
Priority date: 2021-11-04
Filing date: 2022-10-25
Publication date: 2023-05-11
Also published as: DE102021212413A1

Abstract

Es wird ein elektrischer Antrieb (17) mit einer elektrischen Maschine (1) angegeben, die als Synchronmotor, Reluktanzmotor oder permanentmagnetunterstützte Synchron-Reluktanzmaschine ausgeführt ist und bei der die Statorwicklungen (8) jeder Phase (u, v, w) in mehrere Teilstränge (u'...w'') unterteilt sind. Die Teilstränge (u''...w'') einer Phase (u, v, w) sind in Serie geschaltet oder über Schaltelemente (S1...S4) in Serie schaltbar. Der elektrische Antrieb (17) umfasst zudem Schaltelemente (S1...S4) zum Herstellen einer oder mehrerer Sternpunktschaltungen, wobei je Phase (u, v, w) die gleiche Anzahl an Teilsträngen (u'...w'') in Stern geschaltet wird. Außerdem wird ein Fahrzeug (18) mit einem solchen elektrischen Antrieb (17) angegeben.

Description

Elektrischer Antrieb mit einer elektrischen Maschine mit Sternpunktumschaltung

TECHNISCHES GEBIET

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Antrieb mit einer elektrischen Maschine sowie ein Fahrzeug mit einem solchen Antrieb. Die elektrische Maschine ist als (insbesondere permanent erregter) Synchronmotor, Reluktanzmotor oder permanentmagnetunterstützte Synchron-Reluktanzmaschine ausgeführt.

STAND DER TECHNIK

Die oben genannten elektrischen Maschinen sind an sich bekannt und werden in unterschiedlichen technischen Gebieten eingesetzt, beispielsweise für den Antrieb elektrischer Kraftfahrzeuge. Bei E-Autos kommen wegen der deutlich höheren Energieeffizienz vorwiegend permanenterregte Synchronmotoren zum Einsatz, die aufgrund ihres Oberfeldverhaltens nur in Sternschaltung betrieben werden, nicht aber in Dreieckschaltung. Eine Stern-Dreieck-Umschaltung zur Anpassung des Betriebsverhaltens der elektrischen Maschine scheidet damit aus. Typischerweise werden die Elektromotoren entweder für einen weiten Leistungsbereich mit hohem Maximaldrehmoment oder für hohe Leistung bei Maximaldrehzahl ausgelegt. Dies bringt jedoch Nachteile bezüglich Bauraum, Kosten und Wirkungsgrad der elektrischen Maschine mit sich. Alternativ kommen schaltbare Ganggetriebe zum Einsatz, die als zugkraftunterbrechungsfreie Ausführung ebenfalls Nachteile bezüglich des Wirkungsgrads aufweisen und zu erhöhten Kosten mit gesteigertem Bauraumbedarf führen.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG

Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen verbesserten elektrischen Antrieb sowie ein verbessertes Fahrzeug mit einem solchen elektrischen Antrieb anzugeben. Insbesondere soll das Betriebsverhalten der elektrischen Maschine bei kleinem Bauraum, geringen Kosten, hohem Wirkungsgrad und nach Möglichkeit ohne schaltbares Getriebe angepasst werden können.

Die Aufgabe der Erfindung wird mit einem elektrischen Antrieb mit einer elektrischen Maschine gelöst, welche einen Stator und einen zum Stator relativ drehbar gelagerten Rotor aufweist. Der Stator weist ein Statorblechpaket mit mehreren Statornuten und in den Statornuten angeordnete Statorwicklungen auf, wobei die Statorwicklungen jeder Phase in mehrere Teilstränge unterteilt sind. Weiterhin ist die elektrische Maschine als (insbesondere permanent erregter) Synchronmotor, Reluktanzmotor oder permanentmagnetunterstützte Synchron- Reluktanzmaschine ausgeführt. Die Teilstränge einer Phase sind in Serie geschaltet (oder anders gesagt zu einer Serienschaltung miteinander verbunden) oder sind über Schaltelemente in Serie schaltbar. Darüber hinaus umfasst der elektrische Antrieb Schaltelemente zum Herstellen einer oder mehrerer Sternpunktschaltungen, wobei je Phase die gleiche Anzahl an Teilsträngen in Stern geschaltet wird.

Weiterhin wird die Aufgabe durch ein Fahrzeug mit einem Antriebsstrang gelöst, der eine elektrische Maschine der oben genannten Art aufweist, die zum Antreiben des Fahrzeugs vorgesehen ist.

Mit Hilfe der vorgeschlagenen Maßnahmen kann das Betriebsverhalten der elektrischen Maschine bei kleinem Bauraum, geringen Kosten und hohem Wirkungsgrad auf einfache Weise angepasst werden. Ein schaltbares Getriebe ist dazu nicht nötig, jedoch wird die Kombination des vorgeschlagenen elektrischen Antriebs mit einem Schaltgetriebe nicht ausgeschlossen.

Mit Hilfe der vorgeschlagenen Maßnahmen kann der Drehmomentverlauf im unteren Drehzahlbereich bei einem wassergekühlten, permanenterregten Synchronmotor mit einem zusätzlichen Sternpunkt um etwa 30 % gegenüber permanenterregten Synchronmotoren ohne Sternpunktumschaltung angehoben werden. Die Sternpunktumschaltung bewirkt zudem eine Erhöhung der Maximalleistung um rund 30% in der oberen Drehzahlhälfte. Auf diese Weise kann ein breiter Drehzahlbereich mit hoher Maximalleistung erzielt werden. Da die verminderte Strangwindungszahl nach der Sternpunktumschaltung eine linear verminderte induzierte Spannung und eine quadratisch reduzierte Induktivität aufweist, ergibt sich neben der gesteigerten Maximalleistung eine deutliche Wirkungsgradsteigerung im oberen Drehzahlbereich gegenüber dem Betrieb der gesamten Statorwicklung, da signifikant weniger Strom zur Feldschwächung nötig ist (10-60%). Dies wiederum reduziert die Verluste im Wechselrichter ebenfalls erheblich, was zu einer weiteren Steigerung des Systemwirkungsgrades führt.

Grundsätzlich können die Schaltelemente als mechanische Schalter ausgeführt sein, beispielsweise als elektromechanische Relais oder Schütze. Besonders vorteilhaft ist es aber, wenn die Schaltelemente als elektronische Schalter ausgeführt sind. Beispielsweise können für diesen Zweck Halbleiter-Relais (Solid State Relais), Transistoren (insbesondere FETs und IGBTs) oder auch Thyristoren eingesetzt werden. Um einen Stromfluss in beide Richtungen zu ermöglichen, können gegebenenfalls zwei elektronische Schaltelemente antiparallel angeordnet werden, wenn diese aufgrund ihrer Bauart keinen bidirektionalen Stromfluss erlauben.

Ein „Synchronmotor“ ist ein Motor, bei dem ein konstant magnetisierter Rotor synchron von einem bewegten magnetischen Drehfeld im Stator mitgenommen wird. „Permanent erregte Synchronmotoren“ sind Motoren, deren Rotoren durch Permanentmagneten erregt sind. Ein „Reluktanzmotor“ ist eine Bauform eines Elektromotors, bei dem das Drehmoment im Rotor ausschließlich durch die Reluktanzkraft erzeugt wird. „Permanentmagnetunterstützte Synchron- Reluktanzmotoren“ („PMS-Motoren“) sind Mischformen zwischen permanent erregten Synchronmotoren und Reluktanzmotoren.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung in Zusammenschau mit den Figuren. Günstig ist es, wenn für die Sternpunktschaltung oder je Sternpunktschaltung der mehreren Sternpunktschaltungen eine Anzahl von Schaltelementen vorgesehen ist, welche der um eins reduzierten Anzahl an Phasen entspricht, und wobei je Schaltelement zwei Phasen miteinander verbindbar sind. Auf diese Weise können die vorgeschlagenen Sternpunktumschaltungen mit einer Minimalzahl an Schaltelementen durchgeführt werden.

Günstig ist es, wenn die Schaltelemente als Ein-/Ausschalter ausgeführt sind. Dadurch kann eine Sternpunktumschaltung mit technisch einfach aufgebauten Schaltelementen durchgeführt werden. Insbesondere, aber nicht nur, eignen sich hierfür elektronische Schaltelemente, da diese in aller Regel über eine Ein- /Ausschaltfunktion verfügen. Alternativ ist es auch von Vorteil, wenn die Schaltelemente als Umschalter ausgeführt sind, wobei ein Schaltelement wahlweise zwei Teilstränge einer Phase in Serie schaltet oder zwei Teilstränge unterschiedlicher Phasen in Stern schaltet. Dadurch können zwei Teilstränge einer Phase wahlweise in Serie oder in Stern geschaltet werden. Von Vorteil ist hier insbesondere, dass für eine bestimmte Sternpunktschaltung nicht benötigte Teilstränge auf einfache Weise elektrisch weg- beziehungsweise ausgeschaltet werden können.

Günstig ist es, wenn die in Serie geschalteten oder schaltbaren Teilstränge zu einer Sternschaltung miteinander verbunden sind. Auf diese Weise kann eine Umschaltung des Sternpunkts mit nur wenigen Schaltelementen erfolgen, da ein Sternpunkt fix verbunden ist, nämlich jener, bei der die Teilstränge der Phasen jeweils in Serie verbunden sind. Alternativ ist es auch von Vorteil, wenn die in Serie geschalteten oder schaltbaren Teilstränge über Schaltelemente zu einer Sternschaltung miteinander verbindbar sind. Auf diese Weise kann der besagte Sternpunkt geöffnet werden, sodass die Sternschaltung elektrisch nicht mehr wirksam ist. Vorteilhaft umfasst der elektrische Antrieb eine Steuerung, welche dazu eingerichtet ist, die Phasen der elektrischen Maschine abhängig vom Betriebszustand der elektrischen Maschine in Stern zu schalten. Da die unterschiedlichen Sternpunkte das Betriebsverhalten der elektrischen Maschine wesentlich beeinflussen, kann durch vorteilhafte Umschaltung der Sternpunkte insgesamt ein günstiger Drehmoment- beziehungsweise Leistungsverlauf erzielt werden.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die elektrische Maschine k Teilstränge je Phase sowie eine nominale Maximaldrehzahl nmax aufweist und die Steuerung dazu eingerichtet ist, für i=1 ...k-1

-) eine Umschaltung bei Drehzahlen nmax ■ i/k vorzunehmen und

-) im Bereich von 0 bis nmax/k k Teilstränge und

-) in einem Bereich von nmax ■ i/k bis nmax ■ (i+1 )/k k-i Teilstränge in Stern zu schalten.

Auf diese Weise ergibt sich ein besonders günstiger Verlauf von Drehmoment und Leistung über die Drehzahl. Konkret kann sowohl hohes Anlaufdrehmoment als auch hohe maximale Drehzahl sowie hohe Leistung im oberen Drehzahlbereich erzielt werden. Gegenüber einer herkömmlichen elektrischen Maschine mit nur einem Sternpunkt kann der Betriebsbereich einer elektrischen Maschine daher deutlich ausgeweitet werden.

In einem Beispiel wird angenommen, dass die elektrische Maschine k=2 Teilstränge je Phase aufweist. Es gilt daher i=1 . Demzufolge wird eine Umschaltung bei nmax/2 vorgenommen, wobei im Bereich von 0 bis nmax/2 zwei (zu einer Serienschaltung verbundene) Teilstränge je Phase in Stern geschaltet werden und in einem Bereich von nmax/2 bis nmax ein Teilstrang je Phase in Stern geschaltet wird. Generell können die angegebenen Werte mit einer Toleranz von ±5% oder ±10% vom Nennwert behaftet sein. In einer weiteren Ausführungsform des elektrischen Antriebs kann vorgesehen sein, dass die Schaltelemente in die elektrische Maschine integriert sind oder dass die Schaltelemente in die Steuerung integriert sind oder dass der elektrische Antrieb ein mit den Statorwicklungen verbundenes Schaltmodul aufweist, in welches die Schaltelemente integriert sind oder dass der elektrische Antrieb einen mit den Statorwicklungen verbundenen Wechselrichter aufweist, in welchen die Schaltelemente integriert sind.

Dadurch kann der elektrische Antrieb auf verschiedene Anwendungsgebiete angepasst werden. Beispielsweise kann ein elektrischer Antrieb mit in die elektrische Maschine integrierten Schaltelementen leicht mit einem herkömmlichen Wechselrichter verbunden werden. Sind die Schaltelemente in die Steuerung, das Schaltmodul oder den Wechselrichter integriert, so ergibt sich insgesamt ein kompakterer Aufbau der für den Betrieb der elektrischen Maschine vorgesehenen elektronischen Baugruppe und so weiter.

Günstig ist es weiterhin, wenn jeder Teilstrang symmetrisch um eine Rotationsachse des Rotors ausgebildet ist. Dadurch ist der Drehmomentverlauf über den Drehwinkel des Rotors gesehen ebenfalls symmetrisch ausgebildet, und es kommt im Betrieb der elektrischen Maschine zu keinen oder nur geringen Drehmomentschwankungen.

Günstig ist es schließlich, wenn die Statorwicklung als Zweischicht- Ganzlochwicklung ausgeführt ist. Dadurch kann die Sternpunktumschaltung auf eine erprobte Art der Statorwicklung angewandt werden.

Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung lassen sich auf beliebige Art und Weise kombinieren. KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind exemplarisch in den beigefügten schematischen Figuren dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 eine beispielhafte und schematisch im Halbschnitt dargestellte elektrische Maschine;

Fig. 2 ein Statorblechpaket mit einigen Statorwicklungen in Vorderansicht;

Fig. 3 ein erstes schematisch dargestelltes Beispiel für die elektrische

Verschaltung der elektrischen Maschine;

Fig. 4 wie Fig. 3, jedoch mit in der elektrischen Maschine integrierten Schaltelementen;

Fig. 5 eine beispielhafte und schematische Darstellung einer Zweischicht- Ganzlochwicklung;

Fig. 6 ein Beispiel zur Aufteilung der Zweischicht-Ganzlochwicklung aus Fig. 5 in mehrere Teilstränge;

Fig. 7 die rekombinierten Teilstränge und somit die Statorwicklung einer Phase;

Fig. 8 eine alternative Darstellung der Statorwicklung der elektrischen Maschine aus Fig. 3 und 4;

Fig. 9 wie Fig. 8, jedoch mit Schaltelementen, die als Umschalter ausgeführt sind, sowie mit einem fix verbundenem Sternpunkt; Fig. 10 einen beispielhaften Drehmoment-Drehzahl-Verlauf für die elektrische Maschine;

Fig. 11 einen beispielhaften Leistungs-Drehzahl-Verlauf für die elektrische Maschine und

Fig. 12 ein schematisch dargestelltes Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antrieb der vorgeschlagenen Art.

DETAILIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Einführend wird festgehalten, dass gleiche Teile in den unterschiedlich Ausführungsformen mit gleichen Bezugszeichen beziehungsweise gleichen Bauteilbezeichnungen versehen werden, gegebenenfalls mit unterschiedlichen Indizes. Die in der Beschreibung enthaltene Offenbarung eines Bauteils kann sinngemäß auf ein anderes Bauteil mit gleichem Bezugszeichen beziehungsweise gleicher Bauteilbezeichnung übertragen werden. Auch sind die in der Beschreibung gewählten Lageangaben, wie zum Beispiel "oben", "unten", "hinten", "vorne", "seitlich" und so weiter auf die unmittelbar beschriebene sowie dargestellte Figur bezogen und bei einer Lageänderung sinngemäß auf die neue Lage zu übertragen.

Fig. 1 zeigt einen Halbschnitt durch eine beispielhafte, schematisch dargestellte elektrische Maschine 1 . Die elektrische Maschine 1 umfasst eine Welle 2 mit einem darauf sitzenden Rotor 3, wobei die Welle 2 mit Hilfe von (Wälz)lagern 4a, 4b um eine Drehachse A gegenüber einem Stator 5 drehbar gelagert ist. Der Rotor 3 weist insbesondere nicht im einzeln dargestellte hintereinander angeordnete Rotorbleche sowie Rotormagnete oder eine Rotorwicklung auf. Der Stator 5 weist mehrere hintereinander angeordnete Statorbleche 6 auf, die gemeinsam ein Statorblechpaket 7 bilden, sowie eine am Statorblechpaket 7 angeordnete Statorwicklung 8. In dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel sitzt das erste Lager 4a in einem ersten (vorderen) Lagerschild 9 und das zweite Lager 4b in einem zweiten (hinteren) Lagerschild 10. Zwischen dem ersten Lagerschild 9 und dem zweiten Lagerschild 10 ist das Statorgehäuse 11 angeordnet, das den Stator 5 umgibt. Das erste Lagerschild 9, das zweite Lagerschild 10 und das Statorgehäuse 11 bilden gemeinsam das Maschinengehäuse oder Motorgehäuse 12.

Fig. 2 zeigt eine Vorderansicht des Statorblechpakets 7, das mehrere Statornuten 13 aufweist, in denen die Statorwicklungen 8 angeordnet sind. Zur Illustration sind nur einige der Statornuten 13 mit Statorwicklungen 8 gezeichnet, die jeweils mehrere Lagen aufweisen und den Phasen u, v, w der elektrischen Maschine 1 zugeordnet sind.

Fig. 3 zeigt nun ein erstes schematisch dargestelltes Beispiel für die elektrische Verschaltung der elektrischen Maschine 1 . Konkret sind in der Fig. 3 jeweils zwei Teilstränge u‘...w“ einer Phase u, v, w dargestellt, die in Serie geschaltet sind respektive zu einer Serienschaltung miteinander verbunden sind. Somit weist die Phase u in diesem Beispiel die beiden in Serie geschalteten Teilstränge u‘, u“ auf, die Phase v die beiden in Serie geschalteten Teilstränge v‘, v“ und die Phase w die beiden in Serie geschalteten Teilstränge w‘, w“. Erste Endpunkte der in Serie geschalteten Teilstränge u‘...w“ beziehungsweise Phasen u, v, w sind an die Anschlüsse Tu, Tv, Tw außen geführt, und zweite Endpunkte der in Serie geschalteten Teilstränge u‘...w“ beziehungsweise Phasen u, v, w sind an die Anschlüsse Tu“, Tv“, Tw“ nach außen geführt. Die Mittelabzapfungen der Serienschaltungen sind an die Anschlüsse Tu¹, Tv‘, Tw‘ nach außen geführt.

Weiterhin umfasst die in der Fig. 3 dargestellte Anordnung einen Wechselrichter 14, der eingangsseitig mit einem positiven Anschluss + und einem negativen Anschluss - einer Gleichspannungsquelle und ausgangsseitig über die Anschlüsse Tu, Tv, Tw mit den Motorphasen u, v, w verbunden ist. Mit Hilfe des Wechselrichters 14 können die Drehzahl, das Drehmoment und/oder die Leistung der elektrischen Maschine 1 in an sich bekannter Weise eingestellt und gegebenenfalls geregelt werden. Darüber hinaus umfasst die in der Fig. 3 dargestellte Anordnung eine Steuerung 15 sowie zwei Schaltmodule 16a, 16b. Das erste Schaltmodul 16a weist in diesem Beispiel zwei Schaltelemente S1 , S2 auf, die mit den Anschlüssen Tu“, Tv‘, Tw‘ der Mittelabzapfungen der Phasen u, v, w verbunden sind. Das zweite Schaltmodul 16b weist in diesem Beispiel zwei

Schaltelemente S3, S4 auf, die über die Anschlüsse Tu“, Tv“, Tw“ mit den zweiten Enden der Phasen u, v, w verbunden sind. Werden die Schaltelemente S1 , S2 geschlossen und die Schaltelemente S3, S4 geöffnet, so werden die Teilstränge u‘...w‘ in Stern geschaltet. Dabei wird je Phase u, v, w die gleiche Anzahl an Teilsträngen u‘...w‘ in Stern geschaltet. Werden die

Schaltelemente S3, S4 geschlossen und die Schaltelemente S1 , S2 geöffnet, so werden die Stränge u...w in Stern geschaltet. Dabei wird ebenfalls je Phase u, v, w die gleiche Anzahl an Teilsträngen u‘...w“ in Stern geschaltet. Denkbar ist auch, dass sowohl die Schaltelemente S1 , S2 als auch die Schaltelemente S3, S4 geöffnet sind. Die elektrische Maschine 1 läuft dann leer. Werden sowohl die Schaltelemente S1 , S2 als auch die Schaltelemente S3, S4 geschlossen, sind die Teilstränge u“...w“ kurzgeschlossen, und die elektrische Maschine 1 wird gebremst.

Die Steuerung 15 ist in diesem Beispiel mit den Schaltmodulen 16a, 16b verbunden und dazu eingerichtet, den Schaltzustand der Schaltelemente S1 , S2, S3, S4 zu beeinflussen, das heißt diese zu öffnen oder zu schließen. Zudem ist die Steuerung 15 mit dem Wechselrichter 14 verbunden. In diesem Beispiel bildet die elektrische Maschine 1 gemeinsam mit den Schaltmodulen 16a, 16b den elektrischen Antrieb 17. Denkbar wäre aber auch, dass die Schaltelemente S1 , S2, S3, S4 in einem einzigen Schaltmodul integriert sind. Insgesamt kann die elektrische Maschine 1 durch die vorgeschlagenen Maßnahmen über einen großen Betriebsbereich beeinflusst werden.

Fig. 4 zeigt eine Anordnung, welche der in Fig. 3 dargestellten Anordnung sehr ähnlich ist. Im Unterschied zu der Fig. 3 sind die Schaltelemente S1 , S2, S3, S4 jedoch in die elektrische Maschine 1 integriert, wodurch gesonderte Schaltmodule 16a, 16b entfallen können und wodurch die elektrische Maschine 1 gleichzeitig einen elektrischen Antrieb bildet. Ein weiterer Unterschied besteht darin, dass die Mittelabzapfungen der Serienschaltungen nicht nach außen geführt sind, sondern stattdessen ein mit den Schaltelementen S1 , S2, S3, S4 verbundener Steueranschluss Tc nach außen geführt ist. Über diesen kann die Steuerung 15 den Schaltzustand der Schaltelemente S1 , S2, S3, S4 beeinflussen und die Stränge u...w oder die Teilstränge u‘...w‘ bedarfsweise in Stern schalten. Dabei werden die Schaltelemente S1 , S2 und die Schaltelemente S3, S4 im Wechsel geschaltet. Das heißt, sind die Schaltelemente S1 , S2 geöffnet, dann sind die Schaltelemente S3, S4 geschlossen und umgekehrt. Die Funktionsweise der in der Fig. 4 dargestellten Anordnung ist damit der Funktionsweise der in der Fig. 3 dargestellten Anordnung sehr ähnlich, ein Leerlauf oder eine Bremsschaltung kann dagegen nicht realisiert werden. Dies wäre jedoch möglich, wenn ein gesonderter Steueranschluss für die Schaltelemente S3, S4 vorgesehen wird.

In Fig. 5 ist beispielhaft eine Zweischicht-Ganzlochwicklung schematisch dargestellt, anhand derer eine Möglichkeit zur Aufteilung der Phasen u, v, w erläutert werden soll. Die Zweischicht-Ganzlochwicklung kann dabei gesehnt oder ungesehnt ausgeführt sein. Konkret zeig die Fig. 5 zwei Wicklungslagen a1 , a2 und die Aufteilung der Statorwicklung 8 in die Phasen u, v, w. Aus der Blattebene führende Stromrichtungen sind dabei mit einem Punkt gekennzeichnet, in die Blattebene führende Stromrichtungen mit einem „x“.

Fig. 6 zeigt nun ein konkretes Beispiel zur Aufteilung der Phasen u, v, w, wobei ein Teilstrang u‘ im oberen Bereich der Fig. 6 und ein Teilstrang u“ im unteren Bereich der Fig. 6 dargestellt ist. Die Teilstränge u‘, u“ bilden dabei jeweils einen Strang einer Einschicht-Ganzlochwicklung. Aus der Fig. 6 wird auch deutlich, dass bei dieser Art der Aufteilung jeder Teilstrang u‘...w“ symmetrisch um die Rotationsachse A des Rotors 3 ausgebildet ist. Fig. 7 zeigt schließlich die rekombinierten Teilstränge u‘ und u“ und somit die Statorwicklung 8 der Phase u. Fig. 8 zeigt weiterhin eine alternative Darstellung der Statorwicklung 8 der elektrischen Maschine 1 aus den Fig. 3 und 4. Konkret sind nur die Teilstränge u‘...w“ der Phasen u, v, w sowie die Schaltelemente S1 , S2, S3, S4 dargestellt. In Fig. 8 sind darüber hinaus die beiden Sternpunkte SP1 , SP2 gut erkennbar. Sind die Schaltelemente S1 , S2 geöffnet und die Schaltelemente S3, S4 geschlossen, so ist der erste Sternpunkt SP1 wirksam, sind die Schaltelemente S1 , S2 geschlossen und die Schaltelemente S3, S4 geöffnet, dann ist der zweite Sternpunkt SP2 wirksam. Die

Schaltelemente S1 , S2, S3, S4 sind dabei als Ein-/Ausschalter ausgeführt, und die Teilstränge u‘, u“, die Teilstränge v‘, v“ sowie die Teilstränge w‘, w“ sind jeweils fix zu einer Serienschaltung verbunden.

Somit sind je (schaltbarer) Sternpunktschaltung SP1 , SP2 eine Anzahl von Schaltelementen S1 ...S4 vorgesehen, welche der um eins reduzierten Anzahl an Phasen u, v, w entspricht. Je Schaltelement S1 ...S4 sind zwei Phasen u, v, w miteinander verbindbar. Auf diese Weise können die vorgeschlagenen Umschaltungen mit einer Minimalzahl an Schaltelementen S1 ...S4 durchgeführt werden.

Fig. 9 zeigt eine weitere Ausführungsvariante, bei der im Unterschied zu der in Fig. 8 dargestellten Ausführungsvariante nicht vier Ein-/Ausschalter, sondern drei Umschalter als Schaltelemente S1 ...S3 vorgesehen sind. Zudem ist der erste Sternpunkt SP1 permanent verbunden. Mit den Umschaltern können die beiden Teilstränge u‘...w“ jeder Phase u, v, w wahlweise miteinander verbunden oder voneinander getrennt werden.

Grundsätzlich können die Schaltelemente S1...S4 als mechanische Schalter ausgeführt sein, beispielsweise als elektromechanische Relais oder Schütze. Besonders vorteilhaft ist es aber, wenn die Schaltelemente S1 ...S4 als elektronische Schalter ausgeführt sind. Beispielsweise können für diesen Zweck Halbleiter-Relais (Solid State Relais), Transistoren (insbesondere FETs und IGBTs) oder auch Thyristoren eingesetzt werden. Um einen Stromfluss in beide Richtungen zu ermöglichen, können gegebenenfalls zwei elektronische Schaltelemente antiparallel angeordnet werden, wenn diese aufgrund ihrer Bauart keinen bidirektionalen Stromfluss erlauben.

Die Fig. 10 zeigt nun den Verlauf des Drehmoments M über die Drehzahl n für die elektrische Maschine 1. Der Drehmomentverlauf M1 bezieht sich dabei auf einen Betriebszustand, bei dem der erste Sternpunkt SP1 wirksam ist, und der Drehmomentverlauf M2 auf einen Betriebszustand, bei dem der zweite Sternpunkt SP2 wirksam ist. Die elektrische Maschine 1 kann entlang des Drehmomentverlaufs M1 , M2 jeweils bis zur Erreichung einer Spannungsgrenze UG1 , UG2 betrieben werden, ab welcher das Drehmoment M1 , M2 stark abfällt. Die Maximaldrehzahl nmax der elektrischen Maschine 1 wird bei Schaltung des zweiten Sternpunkts SP2 erreicht. Ist der erste Sternpunkt SP1 wirksam, dann wird höchstens die halbe Maximaldrehzahl nmax/2 erreicht.

Die Halbierung der inneren Drehmomentkonstante hat bei gleicher Stromeinprägung eine Halbierung des inneren Drehmomentes zur Folge. Bei gleicher thermischer Auslastung ist jedoch eine höhere Stromeinprägung möglich, so dass der Drehmomentverlauf M1 bei einem wassergekühlten, permanenterregten Synchronmotor im unteren Drehzahlbereich um etwa 30 % höher ausfällt als der Drehmomentverlauf M2, so wie dies aus Fig. 10 ersichtlich ist.

Die Fig. 11 zeigt schließlich in analoger Weise den Verlauf der Leistung P über die Drehzahl n für die elektrische Maschine 1 . Der Leistungsverlauf P1 bezieht sich dabei auf einen Betriebszustand, bei dem der erste Sternpunkt SP1 wirksam ist, und der Leistungsverlauf P2 auf einen Betriebszustand, bei dem der zweite Sternpunkt SP2 wirksam ist. Zu beachten ist jedoch die im Vergleich zu Fig. 10 geänderte Skalierung der Drehzahlachse n. Aus der Fig. 11 ist erkennbar, dass die maximale Leistung P erreicht wird, wenn der der zweite Sternpunkt SP2 wirksam ist, die Leistung P jedoch schneller ansteigt, wenn der erste Sternpunkt SP1 wirksam ist. Bei der halben Maximaldrehzahl nmax/2 weisen die beiden Leistungsverläufe P1 , P2 denselben Wert auf.

Im dargestellten Beispiel ermöglicht die Sternpunktumschaltung eine Erhöhung der Maximalleistung um rund 30% in der oberen Drehzahlhälfte. Auf diese Weise kann ein breiter Drehzahlbereich hoher Maximalleistung erzielt werden. Da die verminderte Strangwindungszahl nach der Sternpunktumschaltung eine linear verminderte induzierte Spannung und eine quadratisch reduzierte Induktivität aufweist, ergibt sich neben der gesteigerten Maximalleistung eine deutliche Wirkungsgradsteigerung im oberen Drehzahlbereich gegenüber dem Betrieb der kompletten Statorwicklung 8, da signifikant weniger Strom zur Feldschwächung nötig ist (etwa 10-60%). Dies wiederum reduziert die Verluste im Wechselrichter 14 ebenfalls erheblich, was zu einer weiteren Steigerung des Systemwirkungsgrades führt. Besonders bei permanenterregten Synchronmotoren mit einer Leistungsüberhöhung im Eckpunkt zur Spannungsgrenze UG1 und einem Abfall der Maximalleistung hin zur Maximaldrehzahl nmax macht sich die mögliche Leistungssteigerung durch die Sternpunktumschaltung deutlich bemerkbar, so wie dies aus Fig. 11 ersichtlich ist.

Von Vorteil ist es nun, wenn die Steuerung 15 dazu eingerichtet ist, die Phasen u, v, w der elektrischen Maschine 1 abhängig vom Betriebszustand der elektrischen Maschine 1 in Stern zu schalten.

Insbesondere ist es dabei von Vorteil, wenn: die elektrische Maschine 1 k Teilstränge u‘...w“ je Phase u, v, w sowie eine nominale Maximaldrehzahl nmax aufweist und die Steuerung 15 dazu eingerichtet ist, für i=1 ...k-1

-) eine Umschaltung bei Drehzahlen nmax ■ i/k vorzunehmen und -) im Bereich von 0 bis n_max/k k Teilstränge u‘...w“ und

-) in einem Bereich von nmax-i/k bis nmax ■ (i+1 )/k k-i Teilstränge (u‘...w“) in Stern zu schalten. In den gezeigten Beispielen weist die elektrische Maschine k=2 Teilstränge u‘...w“ je Phase u, v, w auf. Es gilt daher i=1 . Demzufolge wird eine Umschaltung bei nmax/2 vorgenommen, wobei im Bereich von 0 bis nmax zwei Teilstränge u‘...w“ in Stern geschaltet werden und in einem Bereich von nmax/2 bis nmax ein Teilstrang u‘...w‘ in Stern geschaltet wird. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass im Bereich von 0 bis nmax/2 der erste Sternpunkt SP1 wirksam ist und in einem Bereich von n_max/2 bis nmax der zweite Sternpunkt SP2.

In einem weiteren Beispiel werden die folgenden Werte angenommen: nmax = 3000 mim¹ k = 3

Es ergibt sich daher: i = 1 , 2

Umschaltung bei n = 1000, 2000 min^-1

Drehzahlbereiche: n = 0...1000; 3 Teilstränge n = 1000...2000 min^-1 ; 2 Teilstränge n = 2000...3000 min^-1 ; 1 Teilstränge

Die vorgeschlagenen Maßnahmen können dabei für jede beliebige Anzahl an Teilsträngen u‘...w“ je Phase u, v, w vorgesehen sein.

Generell ist anzumerken, dass die angegebenen Drehzahlwerte mit einer Toleranz von ±5% oder ±10% vom Nennwert behaftet sein können. Beispielweise kann die erste Umschaltung bei einer Toleranz von ±10% daher in einem Bereich von n = 900...1 100 mim¹ erfolgen und so weiter.

Die Fig. 12 zeigt schließlich ein schematisch dargestelltes, elektrisch angetriebenes Fahrzeug 18. Das Fahrzeug 18 umfasst einen Akkumulator oder eine Batterie 19, einen mit der Batterie 19 verbundenen Wechselrichter 14, die mit dem Wechselrichter 14 verbundene elektrische Maschine 1 , ein optionales Getriebe 20, Halbachsen 21 sowie Räder 22. In an sich bekannter Weise wird die elektrische Maschine 1 über den Wechselrichter 14 mit elektrischer Energie versorgt. Über das Getriebe 20 und die Halbachsen 21 werden die Räder 22 von der elektrischen Maschine 1 angetrieben. Die elektrische Maschine 1 , das Getriebe 22 und die Halbachsen 23 sind somit Teil des Antriebsstrangs des Fahrzeugs 18. Der Antrieb des Fahrzeugs 18 erfolgt zumindest teilweise oder zeitweise durch die elektrische Maschine 1 . Das heißt, die elektrische Maschine 1 kann zum alleinigen Antrieb des Fahrzeugs 18 dienen oder zum Beispiel im Verbund mit einer Verbrennungskraftmaschine vorgesehen sein (Hybridantrieb). In dem gezeigten Beispiel ist auch eine strichliert dargestellte Verbindung zwischen dem Wechselrichter 14 und der elektrischen Maschine 1 gezeigt, welche die Steuerleitung zum Ansteuern der Schaltelemente S1...S4 (in der Fig. 13 nicht dargestellt) symbolisieren soll. In dem gezeigten Beispiel sind die

Schaltelemente S1...S4 in die elektrische Maschine 1 integriert. Selbstverständlich könnten diese auch Teil eines gesonderten Schaltmoduls 16 oder einer gesonderten Steuerung 15 sein oder den Wechselrichter 14 integriert sein.

In den oben angeführten Beispielen ist die elektrische Maschine 1 als Innenläufer ausgeführt. Gleichwertig sind die vorgeschlagenen Maßnahmen aber auch auf Außenläufer anwendbar. In diesem Fall ist der Rotor 3 nicht innerhalb des Stators 5 angeordnet, sondern außerhalb des Stators 5. Beispielsweise eignet sich eine solche Bauform besonders für den Einsatz als Nabenmotor.

Abschließend wird festgehalten, dass der Schutzbereich durch die Patentansprüche bestimmt ist. Die Beschreibung und die Zeichnungen sind jedoch zur Auslegung der Ansprüche heranzuziehen. Die in den Figuren enthaltenen Merkmale können beliebig ausgetauscht und miteinander kombiniert werden. Insbesondere wird auch festgehalten, dass die dargestellten Vorrichtungen in der Realität auch mehr oder auch weniger Bestandteile als dargestellt umfassen können. Teilweise können die dargestellten Vorrichtungen beziehungsweise deren Bestandteile auch unmaßstäblich und/oder vergrößert und/oder verkleinert dargestellt sein.

Bezugszeichenliste

1 elektrische Maschine

2 Welle

3 Rotor

4a, 4b (Wälz)lager

5 Stator

6 Statorblech

7 Statorblechpaket

8 Statorwicklung

9 erstes Lagerschild

10 zweites Lagerschild

11 Statorgehäuse

12 Motorgehäuse

13 Statornut

14 Wechselrichter

15 Steuerung

16a, 16b Schaltmodul

17 Elektrischer Antrieb

18 Fahrzeug

19 Batterie

20 Getriebe

21 Halbachse

22 Rad + positiver Anschluss einer Gleichspannungsquelle negativer Anschluss einer Gleichspannungsquelle

A Drehachse a1 , a2 Wicklungslage M Drehmoment

M1 , M2 Drehmoment bei verschiedenen Sternpunktschaltungen n Drehzahl

Hrnax Maximaldrehzahl

P Leistung P1. P2 Leistung bei verschiedenen Sternpunktschaltungen

S1...S4 Schaltelement

SP1 , SP2 Sternpunkt

Tc Steueranschluss

Tu...Tw“ Anschluss Motorphase/Strang oder Teilstrang UG1 , UG2 Spannungsgrenze bei verschiedenen Sternpunktschaltungen u, v, w Motorphase u‘...w“ Teilstrang

Claims

Patentansprüche

1 . Elektrischer Antrieb (17), umfassend eine elektrische Maschine (1 ) mit einem Stator (5), welcher ein Statorblechpaket (7) mit mehreren

Statornuten (13) und in den Statornuten (13) angeordnete Statorwicklungen (8) aufweist, wobei die Statorwicklungen (8) jeder Phase (u, v, w) in mehrere Teilstränge (u‘...w“) unterteilt sind, und einem zum Stator (5) relativ drehbar gelagerten Rotor (3), wobei die elektrische Maschine (1 ) als Synchronmotor, Reluktanzmotor oder permanentmagnetunterstützte Synchron-Reluktanzmaschine ausgeführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilstränge (u‘...w“) einer Phase (u, v, w) in Serie geschaltet sind oder über Schaltelemente (S1 ..S4) in Serie schaltbar sind und der elektrische Antrieb Schaltelemente (S1 ...S4) zum Herstellen einer oder mehrerer Sternpunktschaltungen aufweist, wobei je Phase (u, v, w) die gleiche Anzahl an Teilsträngen (u‘...w“) in Stern geschaltet wird.

2. Elektrischer Antrieb (17) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass für die Sternpunktschaltung oder je Sternpunktschaltung der mehreren Sternpunktschaltungen eine Anzahl von Schaltelementen (S1 ...S4) vorgesehen ist, welche der um eins reduzierten Anzahl an Phasen (u, v, w) entspricht, und wobei je Schaltelement (S1 ...S4) zwei Phasen (u, v, w) miteinander verbindbar sind.

3. Elektrischer Antrieb (17) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltelemente (S1 ...S4) als Ein-/Ausschalter ausgeführt sind oder die Schaltelemente (S1 ...S4) als Umschalter ausgeführt sind, wobei ein Schaltelement (S1...S4) wahlweise zwei Teilstränge (u‘...w“) einer Phase (u, v, w) in Serie schaltet oder zwei Teilstränge (u‘...w“) unterschiedlicher Phasen (u, v, w) in Stern schaltet.

4. Elektrischer Antrieb (17) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die in Serie geschalteten oder schaltbaren

Teilstränge (u‘...w“) zu einer Sternschaltung miteinander verbunden sind oder über Schaltelemente (S1 ...S4) zu einer Sternschaltung miteinander verbindbar sind.

5. Elektrischer Antrieb (17) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Steuerung (15), welche dazu eingerichtet ist, die Phasen (u, v, w) der elektrischen Maschine (1) abhängig vom Betriebszustand der elektrischen Maschine (1) in Stern zu schalten.

6. Elektrischer Antrieb (17) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (1 ) k Teilstränge (u‘...w“) je Phase (u, v, w) sowie eine nominale Maximaldrehzahl (nmax) aufweist und die Steuerung (15) dazu eingerichtet ist, für i=1 ...k-1

-) eine Umschaltung bei Drehzahlen nmax ■ i/k vorzunehmen und

-) im Bereich von 0 bis nmax/k k Teilstränge (u‘...w“) und

-) in einem Bereich von nmax ■ i/k bis nmax ■ (i+1 )/k k-i Teilstränge (u‘...w“) in Stern zu schalten.

7. Elektrischer Antrieb (17) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltelemente (S1 ...S4) in die elektrische Maschine (1) integriert sind oder dass die Schaltelemente (S1 ...S4) in die Steuerung (15) nach Anspruch 5 oder 6 integriert sind oder dass der elektrische Antrieb (17) ein mit den Statorwicklungen (8) verbundenes Schaltmodul (16a, 16b) aufweist, in welches die Schaltelemente (S1...S4) integriert sind oder dass der elektrische Antrieb (17) einen mit den Statorwicklungen (8) verbundenen Wechselrichter (14) aufweist, in welchen die Schaltelemente (S1...S4) integriert sind.

8. Elektrischer Antrieb (17) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Teilstrang (u‘...w“) symmetrisch um eine Rotationsachse (A) des Rotors (3) ausgebildet ist.

9. Elektrischer Antrieb (17) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorwicklung (8) als Zweischicht-Ganzlochwicklung ausgeführt ist.

10. Fahrzeug (18) mit einem Antriebsstrang, der einen elektrischen Antrieb (17) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 aufweist, der zum Antreiben des Fahrzeugs (18) vorgesehen ist.