DE102008049234A1

DE102008049234A1 - Elektrische Maschine, Verfahren zu deren Betrieb sowie Kraftfahrzeug mit elektrischer Maschine

Info

Publication number: DE102008049234A1
Application number: DE102008049234A
Authority: DE
Inventors: Torsten Dr. Ing. Franke
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2008-09-27
Filing date: 2008-09-27
Publication date: 2010-04-01

Abstract

Es wird eine elektrische Maschine mit mindestens einer Wicklung angegeben, wobei die mindestens eine Wicklung funktional von der elektrischen Maschine getrennt ist. Weiterhin werden ein Verfahren zum Betrieb der elektrischen Maschine sowie ein Fahrzeug mit mindestens einer solchen elektrischen Maschine vorgeschlagen.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, ein Verfahren zum Betrieb der elektrischen Maschine sowie ein Kraftfahrzeug umfassend mindestens eine elektrische Maschine.
Im Automobilbau werden aufgrund ihrer guten Regelbarkeit zunehmend elektrische Verbraucher eingesetzt. Dies erhöht entsprechend eine in einem KFZ benötigte elektrische Leistung.
Um den Bedarf an elektrischer Leistung effizient zu decken, wird vielfach auf ein Bordnetz mit einer Spannung größer als 40 V zurückgegriffen. Andererseits lassen sich elektrische Sicherheit und Komponenten der Informationselektronik effizient mit einer geringeren Versorgungsspannung (z. B. kleiner als 5 V) realisieren.
Aus diesem Grund werden Mehrspannungsbordnetze eingesetzt, deren Spannungsebenen energetisch verknüpft sind. So gibt es beispielsweise Fahrzeuge mit einem 12 V/42 V- bzw. mit einem 12 V/288 V-Bordnetz.
Es ist bekannt, die Bordnetze unterschiedlicher Spannungen mittels eines DC/DC-Wandlers zu verknüpfen.
Bekannte Systeme haben das Problem, dass zur sicheren Trennung elektrischer Potentiale zwischen den Bordnetzteilen unterschiedlicher Spannungen ein zusätzlicher elektrisch trennender magnetischer Transformator zwischengeschaltet wird.
Ein anderer Nachteil besteht darin, dass bei Einsatz getrennter Generatoren Mehrwicklungssysteme für die verschiedenen Spannungsbereiche vorgesehen sind und somit eine Ausnutzung des für das Gesamtsystem verwendeten Materiales (Gesamtleistungsdichte) gering ist.
Auch bei den Trenntransformatoren ist es von Nachteil, dass die für die Führung des magnetischen Flusses benötigten Materialien in ihren technisch nutzbaren Eigenschaften begrenzt und die darauf aufbauenden Bauteile voluminös, schwer sowie aufwendig und schlecht in ein Fahrzeug zu integrieren sind. Dies gilt auch für Schaltungen, bei denen der Transformator als Wandler ausgeführt ist und über eine eigene elektronische Steuerung verfügt.
Bekannte Ansätze bedingen eine hohe Systemkomplexität, hohe Systemkosten, hohen Bauraumbedarf sowie zusätzliches Gewicht. Beispielsweise ist für eine Bordnetzleistung von 4 kW ein bidirektionaler elektrisch trennender Wandler nötig mit einem Bauvolumen von wenigstens 5 Litern bei einem Gewicht größer als 10 kg. Weiterhin ist ein entsprechender Aufwand nötig für die Kühlung und die Überwachung des Wandlers.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die vorstehend genannten Nachteile zu vermeiden und insbesondere eine effiziente Art der Kombination von elektrischer Maschine und Transformator anzugeben.
Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich auch aus den abhängigen Ansprüchen.
Zur Lösung der Aufgabe wird eine elektrische Maschine mit mindestens einer Wicklung angegeben, wobei die mindestens eine Wicklung funktional von der elektrischen Maschine getrennt ist.
Insbesondere können eine Vielzahl von Wicklungen vorgesehen sein, die mindestens eine Spule und/oder mindestens einen Transformator darstellen.
Die funktionale Trennung der mindestens einen Wicklung von der elektrischen Maschine kann eine elektrische Trennung umfassen. Insbesondere ist eine transformatorische Aufgabe der mindestens einen Wicklung logisch und/oder funktional getrennt von einer elektromotorischen Aufgabe der elektrischen Maschine.
Unter elektrischer Maschine wird insbesondere jede elektrische Maschine verstanden, die ein elektromagnetisches Wirkprinzip nutzt. Insbesondere kann die elektrische Maschine einen Elektromotor und/oder einen Generator umfassen.
Durch diesen Ansatz ist es möglich, Komponenten der elektrischen Maschine weitgehend unabhängig und/oder zusätzlich zu der elektromotorischen Funktion der elektrischen Maschine selbst zu verwenden. Beispielsweise können ein Motoreisen, ein Eisenblech oder ein Stator eines Elektromotors dazu verwendet werden, in Kombination mit der mindestens einen Wicklung z. B. eine Spule oder einen Transformator auszugestalten. Hierdurch wird der durch die elektrische Maschine benötigte Bauraum effizient ausgenutzt.
Eine Weiterbildung ist es, dass die mindestens eine Wicklung Teil mindestens eines Transformators und/oder mindestens einer Spule ist.
Insbesondere kann es sich bei der Spule um eine Drossel, bei dem Transformator um einen Trenntransformator handeln.
Eine andere Weiterbildung ist es, dass der mindestens eine Transformator zur Energieübertragung zwischen verschiedenen Netzteilen einsetzbar ist.
Insbesondere können die Netzteile Bordnetzteile verschiedener Spannungen eines Kraftfahrzeugs sein.
Ferner ist es eine Weiterbildung, dass die mindestens eine Wicklung zumindest teilweise in einem, an einem oder durch einen zumindest teilweise ungenutzten Bereich eines Elektroblechs oder eines Motoreisens der elektrischen Maschine geführt ist.
Auch ist es eine Weiterbildung, dass die elektrische Maschine einen Stator umfasst und dass die mindestens eine Wicklung zumindest teilweise in mindestens einer Ausnehmung des Stators und/oder in mindestens einem Joch des Stators und/oder an der Außenseite des Stators angeordnet ist.
Insbesondere kann es sich bei der Ausnehmung um eine Nut, eine Öffnung oder eine Aussparung handeln.
Es ist eine Weiterbildung, dass ein Teil der mindestens einen Wicklung in der Ausnehmung des Stators und ein Teil der Wicklung an der Außenseite des Stators angeordnet ist.
Im Rahmen einer zusätzlichen Weiterbildung ist die mindestens eine Ausnehmung und/oder der Stator Wicklungen eines Teiltransformators umfasst.
Insbesondere umfasst die mindestens eine Wicklung Wicklungen mindestens eines Teiltransformators.
Eine nächste Weiterbildung besteht darin, dass mehrere Teiltransformatoren miteinander parallel und/oder seriell geschaltet sind insbesondere derart, dass ein Übersetzungsverhältnis einstellbar ist.
Ferner kann auch durch die Windungszahl der Wicklungen des jeweiligen Teiltransformators das Übersetzungsverhältnis eingestellt werden.
Eine Ausgestaltung ist es, dass die Teiltransformatoren in Gruppen zusammengefasst sind, wobei die Anzahl der Gruppen einer Anzahl der Phasen der elektrischen Maschine entspricht, wobei insbesondere ein Leistungsfluss für jede Gruppe getrennt steuerbar ist.
Insbesondere kann pro Gruppe ein Teiltransformator vorgesehen sein. Beispielsweise können die Gruppen auch jeweils eine gleiche Anzahl von Teiltransformatoren umfassen.
Dadurch ist es möglich, dass nur diejenigen Bereiche des Jochs für eine transformatorische Leistungsübertragung genutzt werden, die nicht bereits aufgrund eines elektromotorischen Drehmoments von einem magnetischen Fluss durchsetzt sind.
Eine alternative Ausführungsform besteht darin, dass der Leistungsfluss der Gruppen derart steuerbar ist, dass ein vorgegebener Sättigungswert des Magnetkreises der elektrischen Maschine eingehalten wird.
Eine nächste Ausgestaltung ist es, dass eine Steuerung vorgesehen ist für die mindestens eine Wicklung, insbesondere für mindestens einen die mindestens eine Wicklung umfassenden Transformator, wobei die Steuerung in Abhängigkeit mindestens einer der folgenden Parameter einstellbar ist:

– einer Impedanz;
– einer notwendigen oder vorgegebenen Regelungsgüte;
– einer bevorzugten Energieflussrichtung.

Auch ist es eine Ausgestaltung, dass für jeden mindestens einen Transformator eine Steuereinrichtung vorgesehen ist.
Eine andere Ausgestaltung ist es, dass der mindestens eine Transformator derart ansteuerbar ist, dass eine Sättigung des Magnetkreises durch ein Zusammenwirken von elektromechanischer und transformatorischer Energieübertragung einen vorgegebenen Wert nicht überschreitet.
Eine Weiterbildung besteht darin, dass anhand eines Arbeitspunkts der elektrischen Maschine eine vorgegebene Übertragungsleistung für den mindestens einen Transformator einstellbar ist.
Eine zusätzliche Ausgestaltung ist es, dass die Steuerung eine Ansteuerung des mindestens einen Transformators aussetzt, falls der Magnetkreis durch die elektrische Maschine stark oder vollständig genutzt wird und dass die Steuerung den mindestens einen Transformator aktiviert, falls die elektrische Maschine nur geringfügig oder gar nicht genutzt wird.
Die elektrische Maschine kann insbesondere als Motor oder als Generator genutzt werden. Eine starke Nutzung bzw. eine geringfügige Nutzung der elektrischen Maschine kann mittels eines Schwellwertvergleichs festgestellt werden. So kann bei Überschreiten eines vorgegebenen oberen Schwellwerts eine starke Nutzung und entsprechend bei Unterschreiten eines entsprechend vorgegebenen unteren Schwellwerts eine geringfügige Nutzung festgestellt werden. Dies ermöglicht entsprechend die Aktivierung und/oder Teilaktivierung der transformatorischen Aufgabe bzw. der Aktivierung der für den mindestens einen Transformator vorgesehenen Steuerung.
Hierbei sei angemerkt, dass auch überlappende Betriebsmodi möglich sind, z. B. eine teilweise, abgeschwächte oder zeitlich begrenzte Wahrnehmung der transformatorischen Aufgabe in einem Betriebsbereich der elektrischen Maschine zwischen ihren möglichen Betriebszuständen (aus, Volllast).
Insbesondere können die Arbeitspunkte der transformatorischen Aufgabe und/oder der elektromotorischen Aufgabe kontinuierlich einstellbar sein.
Auch wird die Aufgabe gelöst mittels eines Verfahrens zum Betrieb der hierin beschriebenen elektrischen Maschine.
Weiterhin wird die Aufgabe gelöst durch ein Kraftfahrzeug umfassend mindestens eine elektrische Maschine gemäß der vorliegenden Beschreibung.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen dargestellt und erläutert.
Es zeigen:
1 zwei Schnittzeichnungen durch eine elektrische Maschine umfassend einen Stator und einen Rotor, wobei der Stator zumindest teilweise Transformatorwicklungen aufweist;
2 einen Blechschnitt durch einen Stator umfassend Ausnehmungen zur Aufnahme von Wicklungen z. B. eines Transformators zur Energieübertragung zwischen verschiedenen Bordnetzen eines Fahrzeugs;
3 einen Blechschnitt durch einen Stator umfassend Ausnehmungen zur Aufnahme von Wicklungen, wobei ein Teil der Wicklungen an der Außenseite des Stators angeordnet ist;
4 einen Blechschnitt durch einen Stator umfassend Ausnehmungen zur Aufnahme von Wicklungen, wobei die Ausnehmungen zueinander versetzt angeordnet sind;
5 einen Blechschnitt durch einen Stator, wobei Wicklungen in Aussparungen des Stators angeordnet sind und im wesentlichen der Jochquerschnitt des Stators als Transformator genutzt wird;
6 eine Anordnung für eine beispielhafte Gruppierung von Wicklungen einer 3-phasigen elektrischen Maschine in Sternschaltung;
7 eine Anordnung für eine beispielhafte Gruppierung von Wicklungen einer 3-phasigen elektrischen Maschine in Sternschaltung, wobei ein Sternpunkt der elektrischen Maschine auch für die Steuerung der Transformatoren genutzt wird.
Der hier vorliegende Ansatz ermöglicht eine sichere elektrische Trennung von Bordnetzbereichen (gleicher oder unterschiedlicher Spannungen), indem ein magnetischer Kreis in einem Fahrzeug vorhandener elektrischer Motoren oder Generatoren effizient ausgenutzt wird.
Somit können Bauteile, die zumindest vorübergehend und/oder nicht vollständig für eine elektromechanische Energiewandlung der elektrischen Maschine eingesetzt sind, für eine transformatorische Energieübertragung zwischen verschiedenen Bordnetzteilen verwendet werden.
So wird beispielsweise ein konventioneller Starter nach dem Start des Verbrennungsmotors abgeschaltet und ungenutzt im Fahrzeug mitgeführt. Weiterhin ist es durch das elektromotorische Prinzip bedingt, dass zur Erzeugung einer mechanischen Bewegung nur Teile des magnetischen Kreises zur Krafterzeugung genutzt werden und dabei andere Teile des gleichen magnetischen Kreises ungenutzt sind. So wechseln sich beispielsweise bei einer bekannten Drehfeldmaschine Bereiche hoher und niedriger magnetischer Auslastung in räumlicher und zeitlicher Abfolge ab.
Der hier vorliegende Lösungsansatz ermöglicht es, die Bereiche niedriger magnetischer Auslastung für die transformatorische Kopplung der verschiedenen Bordnetzbereiche so einzusetzen, dass die elektromechanische Energiewandlung in der elektrischen Maschine nicht nachteilig beeinflusst wird und insbesondere weder die für die eigentliche Aufgabe der elektrischen Maschine erforderliche Leistungsdichte vermindert wird noch während des Betriebes energetisch nachteilige Kopplungen zwischen der elektromotorischen Aufgabe und der transformatorischen Aufgabe der elektrischen Maschine entstehen.
Diese Lösung ist unabhängig von einem elektromagnetischen Wirkprinzip der Maschine, d. h. die Lösung ist für alle bekannten Maschinentypen (Prinzip der Felderzeugung, Wicklungsaufbau, Phasenzahl, Polteilung/-anzahl, Stator-/Läuferanordnung, Linear-/Rotationsaktor etc.) anwendbar.
Wicklungsaufbau:
1 zeigt zwei Schnitte 101 und 102 durch eine elektrische Maschine umfassend einen Stator 103 und einen Rotor 104, wobei zwischen dem Stator 103 und dem Rotor 104 ein Luftspalt 107 vorgesehen ist. Weiterhin sind eine Drehachse 105 und ein Wickelkopf 108 der elektrischen Maschine gezeigt.
Der Stator 103 weist zusätzlich eine Wicklung 106 (z. B. eine Transformatorwicklung) auf, die z. B. für eine Energieübertragung zwischen Netzteilen eines Bordnetzes einsetzbar ist. Die Transformatorwicklung 106 ist funktional von der elektrischen Maschine getrennt, d. h. sie leistet keinen Beitrag zu der elektromotorischen Aufgabe der elektrischen Maschine. Vielmehr wird effizient die Tatsache ausgenutzt, dass der Stator Elektroblech aufweist, das für weitere Wicklungen genutzt werden kann und dass die elektrische Maschine zumindest zeitweise die elektromotorische Aufgabe nicht zu 100% erfüllen muss (Stillstand, Starter-Funktion, etc.).
In der Ausführungsform 101 ist die Transformatorwicklung 106 teilweise außerhalb der Stators 103 angeordnet, während in der Ausführungsform 102 die Transformatorwicklung 106 in Hin- und Rückrichtung durch den Stator 103 geführt ist.
Vorzugsweise ist die Transformatorwicklung 106 zumindest teilweise in einem Statorjoch angeordnet. Hierbei sei angemerkt, dass eine Vielzahl von Transformatorwicklungen vorgesehen sein kann. In 1 ist symbolisch eine einzelne Wicklung dargestellt.
Vorzugsweise ist in Bereichen eines Statorjochs einer elektrischen Maschine mindestens eine (zusätzliche) Aussparung in einem Elektroblech vorgesehen, in der die zusätzlichen Wicklungen für einen Transformator angeordnet sind.
2 zeigt beispielhaft einen Blechschnitt durch einen Stator umfassend Ausnehmungen 201 zur Aufnahme von Wicklungen z. B. eines Transformators zur Energieübertragung zwischen verschiedenen Bordnetzen eines Fahrzeugs.
Die Ausnehmung 201 umfasst beispielhaft Wicklungen 202, 203 in unterschiedliche Richtungen.
Beispielhaft sind die transformatorischen Wicklungen 202 in die an die Zähne der üblichen Motorwicklungen angrenzenden Jochabschnitte eingebracht und die Wicklungen des Transformators sind als Mehrkammerwicklungen insbesondere mit einer hochwertigen elektrischer Isolierung ausgeführt.
Dabei bildet beispielsweise jeder mit einer Ausnehmung versehene Bereich des Joches einen Teiltransformator.
Durch Serienschaltung und/oder Parallelschaltung der Wicklungen der Teiltransformatoren ist eine Anpassung des Übersetzungsverhältnisses an unterschiedliche Spannungen der verschiedenen Bordnetzbereiche möglich. Ferner kann das Übersetzungsverhältnis über Windungszahlen innerhalb der Teiltransformatoren vorgegeben werden.
Auch ist eine gemischte Serien-Parallel-Schaltung der Wicklungen bzw. der Teiltransformatoren möglich. Weiterhin ist es möglich, zumindest einige Ausnehmungen nur mit Windungen einer Wicklung zu versehen und dadurch die Streuinduktivität des Transformators bzw. der (Teil-)Transformatoren zu erhöhen bzw. eine oder mehrere Drosseln (z. B. zum Einsatz in einem Hochsetzsteller oder in einem Tiefsetzsteller) zu bilden. Ferner können Transformatoren mit nur einem Wicklungssystem (z. B. Spartransformatoren) als auch Transformatoren mit Anzapfungen sowie Transformatoren mit einer Vielzahl potentialgetrennter Wicklungen ausgeführt sein. Darüber hinaus ist es eine Alternative, bei vielteiligen Bordnetzen mit Teiltransformatoren jeweils verschiedene Bordnetzbereiche miteinander zu verbinden.
Eine weiterer Ansatz besteht darin, die einzelnen Teiltransformatoren so zu Gruppen zu verschalten, dass die Anzahl der Gruppen mit der Anzahl der Phasen des Elektromotors übereinstimmen und ein Leistungsfluss für jede Transformatorgruppe separat gesteuert werden kann. Dadurch ist es möglich, nur diejenigen Bereiche des Jochs für eine transformatorische Leistungsübertragung zu nutzen, die nicht bereits aufgrund eines elektromotorischen Drehmoments von einem magnetischen Fluss durchsetzt sind. Entsprechend können die jeweiligen Aussteuerung der Teiltransformatoren in allen Bereichen derart begrenzt werden, dass ein vorgegebener Sättigungswert des Magnetkreises in keinem Bereich überschritten wird und zugleich die vorgesehene Transformatorleistung effizient (z. B. maximal) ausgenutzt werden kann.
Optional kann eine Ausnehmung in den Bereichen des Jochs entfallen und stattdessen kann der Stator der Elektromaschine als magnetischer Kreis des Transformators genutzt werden. Dabei werden gemäß der in 3 gezeigten Ausführungsform die einzelnen Wicklungen derart um das Joch gelegt, dass ein Teil der Wicklung in der Nut und der andere Teil der Wicklung an der Außenseite des Stators angeordnet ist. Somit wird das Statoreisen als ein Ringkerntransformator benutzt. Das Wicklungssystem kann wieder als Drossel, potentialgetrennt, als Spartransformator und/oder als Trenntransformator o. ä. ausgeführt sein.
Bei entsprechender Anordnung der einzelnen Windungen lässt sich die Verknüpfung mit einem Hauptenergiefluss der Elektromaschine derart beeinflussen, dass diesem Hauptenergiefluss keine Leistung entnommen wird, da sich der gesamte elektromotorisch erzeugte magnetische Fluss in Umfangsrichtung zu Null ergibt, was bei Maschinen mit mehr als einem Polpaar auch für Teilbereiche des Maschinenumfangs gilt. Ebenso lässt sich mittels der Anordnung eine energetische Wechselwirkung mit dem Hauptenergiefluss der Maschine erreichen (z. B. durch in Bezug auf das bekannte Wicklungssystem des Elektromotors asymmetrische Segmentierung der zusätzlichen transformatorischen Wicklungen).
Beispielhaft zeigt 4 einen Blechschnitt durch einen Stator umfassend Ausnehmungen zur Aufnahme von Wicklungen, wobei die Ausnehmungen zueinander versetzt angeordnet sind. Ein anderes Beispiel ist in 5 dargestellt mit einem Blechschnitt durch einen Stator, wobei Wicklungen in Aussparungen des Stators angeordnet sind und im wesentlichen der Jochquerschnitt des Stators als Transformator genutzt wird.
Eine anderer Ausführungsform sieht vor, solche Bereiche eines Motoreisens für den Transformator zu nutzen, die bislang keine Bedeutung für die Führung eines magnetischen Flusses hatten und beispielsweise lediglich aus konstruktiven Gründen vorhanden sind (z. B. Außenkonturanpassung des Motors an vorgegebene Geometrien).
Beispielsweise können bei rechtwinkligen Außenkonturen des Motoreisens die außen liegenden Ecken zur Einbringung transformatorischer Wicklungen vorgesehen sein.
Weiterhin sind die vorgenannten Wicklungsanordnungen miteinander kombinierbar.
Steuerung:
Eine Steuerung der transformatorischen Wicklungen kann abhängig von deren Impedanz, von einer notwendigen oder vorgegebenen Regelungsgüte und/oder von einer bevorzugten Energieflussrichtung erfolgen insbesondere mittels gesteuerter Schaltungen auf Primär- und Sekundärseite der Transformatoren als auch mittels mechanischen Kommutierungseinrichtungen und/oder einfachen Gleichrichtern.
Ebenso ist es möglich, die verschiedenen Teiltransformatoren mit eigenen Steuereinrichtungen auszustatten. Hierbei können bekannte Steuereinrichtungen für Transformatoren, Übertrager bzw. DC-DC-Wandler eingesetzt werden. Vorzugsweise wird die Steuerung der Transformatoren räumlich, technologisch und funktional in die Steuerung des Elektromotors integriert.
Beispielsweise können die einzelnen Wicklungen der Teiltransformatoren mit einem Sternpunkt der elektrischen Maschine verschalten werden. Hierdurch kann der Aufwand für die Steuerung deutlich reduziert werden.
Eine Steuerungsstrategie berücksichtigt insbesondere unterschiedliche Möglichkeiten der einzelnen Bordnetzbereiche und/oder Möglichkeiten elektromechanischer Energiewandlung, z. B. Energie über einen Zeitraum zu speichern und Belastungsschwankungen aus den Energiespeichern abzudecken. Aufgrund der Dynamik der elektromechanischen Energiewandlung bei vergleichsweise geringen Anforderungen an die Grundlast wird vorzugsweise die elektromechanische Energiewandlung der transformatorischen Benutzung des Magnetkreises vorangestellt.
Bei hohen Anforderungen an die Kontinuität der Energieübertragung zwischen den verschiedenen Bordnetzbereichen können die Teiltransformatoren bereichsweise so angesteuert werden, dass die lokale Sättigung des Magnetkreises durch das Zusammenwirken von elektromechanischer und transformatorischer Energieübertragung einen vorgegebenen Wert (z. B. einen Maximalwert) nicht überschreitet. Hierfür wird beispielsweise die Sättigungscharakteristik der Elektromaschine in einer Software der Steuerung hinterlegt und aus einem aktuellen Arbeitspunkt der Elektromaschine (z. B. mittels Polradwinkel, Phasenströmen, Pulsmuster) wird die zulässige Übertragungsleistung eines jeden Teiltransformators ermittelt und mittels der jeweiligen Pulsmuster der Transformatorsteuerungen eingestellt.
Bei geringen Anforderungen an die Kontinuität der Energieübertragung zwischen den verschiedenen Bordnetzbereichen kann auf die bereichsweise Unterteilung des Transformators in Teiltransformatoren sowie auf deren zumindest teilweise unabhängige Ansteuerung verzichtet werden. So kann die die transformatorisch zu übertragende Leistung insgesamt effizient an die elektromechanische Ausnutzung der Maschine angepasst werden. Beispielsweise wird die transformatorische Energieübertragung ausgesetzt, falls der Magnetkreis durch die motorische und/oder generatorische Belastung der Elektromaschine bereits in hohem Maße oder vollständig ausgenutzt ist. Die Übertragungsleistung kann hingegen maximiert werden, wenn die Elektromaschine nur mit geringem Drehmoment oder überhaupt nicht als Motor und/oder Generator arbeitet, aber zugleich Energieinhalte bestimmter Bordnetzbereiche auszugleichen sind. Zwischen diesen beiden Extrema der Ansteuerung sind die Arbeitspunkte insbesondere kontinuierlich einstellbar.
6 zeigt eine Anordnung für eine beispielhafte Gruppierung von Wicklungen einer 3-phasigen elektrischen Maschine in Sternschaltung.
Die elektrische Maschine 600 umfasst Transformatoren 601 bis 603, die jeweils von der Funktion der elektrischen Maschine 600 getrennt und mit einer zugehörigen Steuerung 604 bis 606 verbunden sind und eine erste Spannungsebene 607 sowie eine zweite Spannungsebene 608 bereitstellen.
Wicklungsstränge 609 bis 611 der elektrischen Maschine 600 sind einerseits mit einer Motorsteuerung 612 und andererseits mit einem Sternpunkt 613 der elektrischen Maschine 600 verbunden.
7 zeigt eine Anordnung für eine beispielhafte Gruppierung von Wicklungen einer 3-phasigen elektrischen Maschine in Sternschaltung, wobei ein Sternpunkt der elektrischen Maschine für die Steuerung der Transformatoren genutzt wird.
Die elektrische Maschine 700 umfasst Transformatoren 701 bis 703, die jeweils von der Funktion der elektrischen Maschine 700 getrennt und mit einer zugehörigen Steuerung 704 bis 706 bzw. jeweils mit einem Sternpunkt 713 der elektrischen Maschine verbunden sind. Die Steuerungen 704 bis 706 sind mit einer ersten Spannungsebene 707 und mit einer zweiten Spannungsebene 708 verbunden.
Wicklungsstränge 709 bis 711 der elektrischen Maschine 700 sind einerseits mit einer Motorsteuerung 712 und andererseits mit dem Sternpunkt 713 verbunden.
Weitere Vorteile:
Durch den hier vorgestellten Ansatz wird der Aufwand für die Kopplung verschiedener Spannungsebenen insbesondere in einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs minimiert.
Somit sind keine zusätzlichen magnetischen Elemente erforderlich. Unterschiedliche Funktionen können mittels einer gemeinsamen Technologiebasis in einer Komponente zusammengefasst werden. Eine Anschlusstechnik erfordert vorteilhaft lediglich einen reduzierten Aufwand. Ebenso bestehen reduzierte Anforderungen an konstruktive Aufwendungen für Verkabelung, Isolation, Kühlung und Gehäuse.
Mit der Reduktion des Aufwandes einher geht eine Einsparung der Kosten für das System, des Bauraumes und des Gewichts. Verglichen mit einem herkömmlichen zwischen den Spannungsebenen verschalteten DC-/DC-Wandler gleicher Funktionalität reduzieren sich der Aufwand für Komplexität, Bauraum, Gewicht und Kosten um ca. 80%.

Claims

Elektrische Maschine mit mindestens einer Wicklung (106, 202, 203), die funktional von der elektrischen Maschine getrennt ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1, bei der die mindestens eine Wicklung (106, 202, 203) Teil mindestens eines Transformators (601, 602, 603) und/oder mindestens einer Spule ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 2, bei der der mindestens eine Transformator (601, 602, 603) zur Energieübertragung zwischen verschiedenen Netzteilen einsetzbar ist.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die mindestens eine Wicklung (106, 202, 203) zumindest teilweise in einem, an einem oder durch einen zumindest teilweise ungenutzten Bereich eines Elektroblechs oder eines Motoreisens der elektrischen Maschine geführt ist.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, – bei der die elektrische Maschine einen Stator (103) umfasst und – bei der die mindestens eine Wicklung (106, 202, 203) zumindest teilweise in mindestens einer Ausnehmung (201) des Stators (103) und/oder in mindestens einem Joch des Stators (103) und/oder an der Außenseite des Stators (103) angeordnet ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 5, bei der ein Teil der mindestens einen Wicklung (106, 202, 203) in der mindestens einen Ausnehmung (201) des Stators (103) und ein Teil der Wicklung (106, 202, 203) an der Außenseite des Stators (103) angeordnet ist.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 5 oder 6, bei der die mindestens eine Wicklung (106, 202, 203) mindestens einen Teiltransformator umfasst.
Elektrische Maschine nach Anspruch 7, bei der mehrere Teiltransformatoren miteinander parallel und/oder seriell geschaltet sind insbesondere derart, dass ein Übersetzungsverhältnis einstellbar ist.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 7 oder 8, bei der die Teiltransformatoren in Gruppen zusammengefasst sind, wobei die Anzahl der Gruppen einer Anzahl der Phasen der elektrischen Maschine entspricht, wobei insbesondere ein Leistungsfluss für jede Gruppe getrennt steuerbar ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 9, bei der der Leistungsfluss der Gruppen derart steuerbar ist, dass ein vorgegebener Sättigungswert des Magnetkreises der elektrischen Maschine eingehalten wird.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Steuerung für die mindestens eine Wicklung, insbesondere für mindestens einen die mindestens eine Wicklung umfassenden Transformator, wobei die Steuerung in Abhängigkeit mindestens einer der folgenden Parameter einstellbar ist: – Einer Impedanz; – einer notwendigen oder vorgegebenen Regelungsgüte; – einer bevorzugten Energieflussrichtung.
Elektrische Maschine nach Anspruch 11, bei der für jeden mindestens einen Transformator eine Steuereinrichtung vorgesehen ist.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 11 oder 12, bei der der mindestens eine Transformator derart ansteuerbar ist, dass eine Sättigung des Magnetkreises durch ein Zusammenwirken von elektromechanischer und transformatorischer Energieübertragung einen vorgegebenen Wert nicht überschreitet.
Elektrische Maschine nach Anspruch 13, bei der anhand eines Arbeitspunkts der elektrischen Maschine eine vorgegebene Übertragungsleistung für den mindestens einen Transformator einstellbar ist.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 11 bis 14, – bei der die Steuerung eine Ansteuerung des mindestens einen Transformators aussetzt, falls der Magnetkreis durch die elektrische Maschine stark oder vollständig genutzt wird; – bei der die Steuerung den mindestens einen Transformator aktiviert, falls die elektrische Maschine nur mit geringem Drehmoment oder überhaupt nicht als Motor und/oder Generator arbeitet.
Verfahren zum Betrieb der elektrischen Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Kraftfahrzeug umfassend mindestens eine elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 15.