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Die
Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, ein Verfahren zum
Betrieb der elektrischen Maschine sowie ein Kraftfahrzeug umfassend
mindestens eine elektrische Maschine.
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Im
Automobilbau werden aufgrund ihrer guten Regelbarkeit zunehmend
elektrische Verbraucher eingesetzt. Dies erhöht entsprechend eine in einem
KFZ benötigte
elektrische Leistung.
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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.
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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.
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Es
ist bekannt, die Bordnetze unterschiedlicher Spannungen mittels
eines DC/DC-Wandlers zu verknüpfen.
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Bekannte
Systeme haben das Problem, dass zur sicheren Trennung elektrischer
Potentiale zwischen den Bordnetzteilen unterschiedlicher Spannungen
ein zusätzlicher
elektrisch trennender magnetischer Transformator zwischengeschaltet
wird.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Diese
Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der
unabhängigen
Patentansprüche
gelöst.
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich auch aus den abhängigen Ansprüchen.
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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.
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Insbesondere
können
eine Vielzahl von Wicklungen vorgesehen sein, die mindestens eine Spule
und/oder mindestens einen Transformator darstellen.
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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.
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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.
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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.
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Eine
Weiterbildung ist es, dass die mindestens eine Wicklung Teil mindestens
eines Transformators und/oder mindestens einer Spule ist.
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Insbesondere
kann es sich bei der Spule um eine Drossel, bei dem Transformator
um einen Trenntransformator handeln.
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Eine
andere Weiterbildung ist es, dass der mindestens eine Transformator
zur Energieübertragung
zwischen verschiedenen Netzteilen einsetzbar ist.
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Insbesondere
können
die Netzteile Bordnetzteile verschiedener Spannungen eines Kraftfahrzeugs
sein.
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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.
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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.
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Insbesondere
kann es sich bei der Ausnehmung um eine Nut, eine Öffnung oder
eine Aussparung handeln.
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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.
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Im
Rahmen einer zusätzlichen
Weiterbildung ist die mindestens eine Ausnehmung und/oder der Stator
Wicklungen eines Teiltransformators umfasst.
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Insbesondere
umfasst die mindestens eine Wicklung Wicklungen mindestens eines
Teiltransformators.
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Eine
nächste
Weiterbildung besteht darin, dass mehrere Teiltransformatoren miteinander
parallel und/oder seriell geschaltet sind insbesondere derart, dass
ein Übersetzungsverhältnis einstellbar
ist.
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Ferner
kann auch durch die Windungszahl der Wicklungen des jeweiligen Teiltransformators
das Übersetzungsverhältnis eingestellt
werden.
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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.
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Insbesondere
kann pro Gruppe ein Teiltransformator vorgesehen sein. Beispielsweise
können die
Gruppen auch jeweils eine gleiche Anzahl von Teiltransformatoren
umfassen.
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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.
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Eine
alternative Ausführungsform
besteht darin, dass der Leistungsfluss der Gruppen derart steuerbar
ist, dass ein vorgegebener Sättigungswert des
Magnetkreises der elektrischen Maschine eingehalten wird.
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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.
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Auch
ist es eine Ausgestaltung, dass für jeden mindestens einen Transformator
eine Steuereinrichtung vorgesehen ist.
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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.
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Eine
Weiterbildung besteht darin, dass anhand eines Arbeitspunkts der
elektrischen Maschine eine vorgegebene Übertragungsleistung für den mindestens
einen Transformator einstellbar ist.
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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.
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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.
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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).
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Insbesondere
können
die Arbeitspunkte der transformatorischen Aufgabe und/oder der elektromotorischen
Aufgabe kontinuierlich einstellbar sein.
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Auch
wird die Aufgabe gelöst
mittels eines Verfahrens zum Betrieb der hierin beschriebenen elektrischen
Maschine.
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Weiterhin
wird die Aufgabe gelöst
durch ein Kraftfahrzeug umfassend mindestens eine elektrische Maschine
gemäß der vorliegenden
Beschreibung.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen dargestellt und
erläutert.
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Es
zeigen:
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1 zwei
Schnittzeichnungen durch eine elektrische Maschine umfassend einen
Stator und einen Rotor, wobei der Stator zumindest teilweise Transformatorwicklungen
aufweist;
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2 einen
Blechschnitt durch einen Stator umfassend Ausnehmungen zur Aufnahme
von Wicklungen z. B. eines Transformators zur Energieübertragung
zwischen verschiedenen Bordnetzen eines Fahrzeugs;
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3 einen
Blechschnitt durch einen Stator umfassend Ausnehmungen zur Aufnahme
von Wicklungen, wobei ein Teil der Wicklungen an der Außenseite
des Stators angeordnet ist;
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4 einen
Blechschnitt durch einen Stator umfassend Ausnehmungen zur Aufnahme
von Wicklungen, wobei die Ausnehmungen zueinander versetzt angeordnet
sind;
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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;
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6 eine
Anordnung für
eine beispielhafte Gruppierung von Wicklungen einer 3-phasigen elektrischen
Maschine in Sternschaltung;
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Wicklungsaufbau:
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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.
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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.).
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
Ausnehmung 201 umfasst beispielhaft Wicklungen 202, 203 in
unterschiedliche Richtungen.
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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.
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Dabei
bildet beispielsweise jeder mit einer Ausnehmung versehene Bereich
des Joches einen Teiltransformator.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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).
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Beispielsweise
können
bei rechtwinkligen Außenkonturen
des Motoreisens die außen
liegenden Ecken zur Einbringung transformatorischer Wicklungen vorgesehen
sein.
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Weiterhin
sind die vorgenannten Wicklungsanordnungen miteinander kombinierbar.
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Steuerung:
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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6 zeigt
eine Anordnung für
eine beispielhafte Gruppierung von Wicklungen einer 3-phasigen elektrischen
Maschine in Sternschaltung.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Wicklungsstränge 709 bis 711 der
elektrischen Maschine 700 sind einerseits mit einer Motorsteuerung 712 und
andererseits mit dem Sternpunkt 713 verbunden.
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Weitere Vorteile:
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Durch
den hier vorgestellten Ansatz wird der Aufwand für die Kopplung verschiedener
Spannungsebenen insbesondere in einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs
minimiert.
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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.
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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%.