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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einer elektrischen Antriebseinrichtung nach der Gattung des Hauptanspruchs. Es ist schon eine elektrische Antriebseinrichtung mit einer elektrischen Maschine und mehreren Wechselrichtern aus der
DE 10 2012 203 525 A1 bekannt, wobei die elektrische Maschine einen Rotor und einen Stator umfasst, wobei der Stator eine elektrische Mehrphasenwicklung aufweist, die mehrere Wicklungsstränge umfasst, wobei die Wicklungsstränge jeweils einer von mehreren elektrischen Phasen zugeordnet sind und jeweils an einem von mehreren Wechselrichtern angeschlossen sind. Bei dieser elektrischen Maschine sind die phasengleichen Wicklungsstränge jeweils an einem unterschiedlichen Wechselrichter angeschlossen. Die elektrische Maschine hat eine bestimmte Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie, nach der die elektrische Maschine in einem niedrigen ersten Drehzahlbereich ein im wesentlichen konstantes erstes Drehmoment liefern kann und nach der das Drehmoment in einem höheren, im sogenannten Feldschwächebereich liegenden zweiten Drehzahlbereich ausgehend vom ersten Drehmoment mit zunehmender Drehzahl abnimmt. Für einen Betrieb der elektrischen Maschine wären im zweiten Drehzahlbereich höhere Drehmomente wünschenswert, um eine bessere Beschleunigung eines mit der elektrischen Maschine angetriebenen Fahrzeuges zu erreichen. Ebenfalls bekannt sind elektrische Maschinen mit sogenannten polumschaltbaren Wicklungen, beispielsweise aus der
CH 14112 A , der
DE 759076 A oder dem Buch
„Die Wicklungen elektrischer Maschinen" von Heinrich Sequenz, Band 3, 1954, Springer Verlag.
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Vorteile der Erfindung
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Die erfindungsgemäße elektrische Antriebseinrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass die Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie der elektrischen Maschine durch eine Umschaltung der Polzahl derart veränderbar ist, dass im zweiten Drehzahlbereich der Kennlinie durch Polumschaltung ein höheres Drehmoment erzielbar ist. Dies wird erfindungsgemäß erreicht, indem der von den unterschiedlichen Wechselrichtern bereitgestellte Strom in die phasengleichen Wicklungsstränge derart gleichphasig oder gegenphasig einsteuerbar ist, dass sich bei gleichphasigem Strom eine bestimmte Polzahl und bei gegenphasigem Strom eine Verdoppelung oder Halbierung der Polzahl im Stator ergibt. Auf diese Weise ist die elektrische Maschine nach zwei unterschiedlichen Kennlinien betreibbar, wobei das jeweils höhere Drehmoment für niedrige Drehzahlen durch die Kennlinie für die doppelte Polzahl und das jeweils höhere Drehmoment für höhere Drehzahlen durch die Kennlinie für die einfache bzw. nicht verdoppelte Polzahl bereitgestellt wird.
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Die Erfindung besteht darin, die Mehrphasenwicklung in Wicklungsabschnitte aufzuteilen und diese durch separate Wechselrichter zu bestromen. Die Wicklungsabschnitte lassen sich dann unabhängig voneinander durch die separaten Wechselrichter speisen. Die Stromumkehr erfolgt, indem die Wicklungsabschnitte getrennt voneinander angesteuert werden und die Wechselrichter entweder gleichphasig oder gegenphasig betrieben werden.
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Da die elektrische Maschine abhängig vom Betrieb der Wechselrichter wahlweise mit der einfachen Polzahl gemäß einer ersten Kennlinie oder mit der doppelten bzw. halben Polzahl gemäß einer zweiten Kennlinie betreibbar ist, kann durch die elektrische Maschine ein erster Gang gemäß der ersten Kennlinie und ein zweiter Gang gemäß der zweiten Kennlinie ohne ein mechanisches Schaltgetriebe realisiert werden. Der erste Gang ist für kleine Drehzahlen, also zum Anfahren, geeignet und kann hohe Drehmomente bereitstellen, während der zweite Gang für hohe Drehzahlen geeignet ist und einen besonders guten Wirkungsgrad für ökonomisches Fahren aufweist. Die Erfindung ermöglicht also, auf ein mechanisches Schaltgetriebe im Fahrzeug zu verzichten und die Gänge und deren Umschaltung durch die Wechselrichter und deren Verschaltung elektronisch zu realisieren.
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Ein besonderer Vorteil der Erfindung ist, dass die Wechselrichter gegenüber einer elektrischen Maschine mit nur einem einzigen Wechselrichter nur jeweils für die halbe Leistung bei zwei Wechselrichtern und nur jeweils für ein Viertel der Leistung bei vier Wechselrichtern auszulegen sind. Neben den Wechselrichtern sind keine weiteren Leistungshalbleiter oder mechanische Schalter für die Polumschaltung erforderlich.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen elektrischen Antriebseinrichtung möglich.
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Nach einem ersten Ausführungsbeispiel sind zwei Wechselrichter und für jede elektrische Phase zwei Wicklungsstränge in der Mehrphasenwicklung der elektrischen Maschine vorgesehen. Diese Ausführung ist vergleichsweise kostengünstig herzustellen.
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Nach einem zweiten Ausführungsbeispiel sind vier Wechselrichter und für sechs elektrische Phasen je zwei Wicklungsstränge in der Mehrphasenwicklung der elektrischen Maschine vorgesehen. Die zwei Drehmoment-Drehzahl-Kennlinien können im Vergleich zum ersten Ausführungsbeispiel zu noch höheren Drehmomenten verschoben werden, so dass die Leistung der elektrischen Maschine erhöht wird. Außerdem wird bei diesem Ausführungsbeispiel ein sehr guter Wicklungsfaktor und ein sehr geringer Oberwellenanteil in der Felderregerkurve erreicht.
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Besonders vorteilhaft ist, wenn die demselben Wechselrichter zugeordneten Wicklungsstränge jeweils an einem Sternpunkt angeschlossen oder im Dreieck oder in einer Stern-Dreieck-Schaltung verschaltet sind, um die elektrische Maschine an die jeweiligen Wechselrichter anzupassen.
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Auch vorteilhaft ist, wenn die elektrische Wicklung der elektrischen Maschine als Einschichtwicklung ausgebildet ist, bei der in jeder Nut des Stators nur elektrische Leiter vorgesehen sind, die demselben Wicklungsstrang und derselben elektrischen Phase zugeordnet sind. Diese Wicklungsart ist besonders einfach herstellbar. Außerdem wird ein sehr guter Wicklungsfaktor und eine sehr gute Maschinenausnutzung erreicht.
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Desweiteren vorteilhaft ist, wenn die elektrische Wicklung der elektrischen Maschine als Zweischichtwicklung ausgebildet ist, bei der in jeder Nut des Stators elektrische Leiter von zwei phasenverschiedenen Wicklungssträngen vorgesehen sind. Bei dieser Wicklungsart ergeben sich besonders kleine Wickelköpfe und damit Baugrößenvorteile. Außerdem wird ein geringer Oberwellenanteil in der Felderregerkurve erzielt. Dies ist sehr vorteilhaft, da Oberwellen dazu führen, dass die Leistung bzw. das Drehmoment der elektrischen Maschine bei hohen Drehzahlen im Feldschwächbereich schneller abfällt. Zudem verursachen die Oberwellen Verlustanteile, die den Wirkungsgrad der elektrischen Maschine reduzieren.
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Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn die elektrische Wicklung der elektrischen Maschine als Zweischichtwicklung ausgebildet ist, bei der in jeder zweiten Nut des Stators elektrische Leiter von zwei phasenverschiedenen Wicklungssträngen vorgesehen sind und in den Nuten dazwischen nur elektrische Leiter desselben Wicklungsstrangs und derselben elektrischen Phase angeordnet sind. Bei dieser Ausführung wird ein guter Kompromiss zwischen gutem Wicklungsfaktor und einem geringen Oberwellenanteil erzielt.
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Vorteilhaft ist, wenn die elektrische Maschine eine Asynchronmaschine und der Rotor ein Käfigläufer ist, da die Asynchronmaschine die erfindungsgemäße Polumschaltung auf einfache Weise ermöglicht.
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Zeichnung
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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1 zeigt ein Schaltschema für eine elektrische Antriebseinrichtung mit einer elektrischen Maschine und zwei Wechselrichtern nach einem ersten Ausführungsbeispiel,
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2 einen durch den ersten Wechselrichter nach 1 erzeugten dreiphasigen ersten Stromverlauf und einen durch den zweiten Wechselrichter nach 1 erzeugten dreiphasigen zweiten Stromverlauf, wobei die beiden Wechselrichter gleichphasig betrieben sind,
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3 einen durch den ersten Wechselrichter nach 1 erzeugten dreiphasigen ersten Stromverlauf und einen durch den zweiten Wechselrichter nach 1 erzeugten dreiphasigen zweiten Stromverlauf, wobei die beiden Wechselrichter gegenphasig betrieben sind,
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4 ein Drehmoment-Drehzahl-Diagramm mit zwei Kennlinien für eine elektrische Maschine nach 1,
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5 ein Wickelschema der elektrischen Maschine nach 1 mit einer Einschichtwicklung,
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6 ein Wickelschema der elektrischen Maschine nach 1 mit einer Zweischichtwicklung,
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7 ein Wickelschema der elektrischen Maschine nach 1 mit einer alternativen Zweischichtwicklung,
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8 ein Schaltschema für eine elektrische Antriebseinrichtung mit einer elektrischen Maschine und zwei Wechselrichtern nach einem zweiten Ausführungsbeispiel,
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9 ein Schaltschema für eine elektrische Antriebseinrichtung mit einer elektrischen Maschine und zwei Wechselrichtern nach einem dritten Ausführungsbeispiel und
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10 ein Schaltschema für eine elektrische Antriebseinrichtung mit einer elektrischen Maschine und vier Wechselrichtern nach einem vierten Ausführungsbeispiel.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt ein Schaltschema für eine elektrische Antriebseinrichtung mit einer elektrischen Maschine und zwei Wechselrichtern nach einem ersten Ausführungsbeispiel.
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Die elektrische Maschine 1 ist beispielweise als Asynchronmaschine ausgebildet und umfasst einen beispielsweise als Käfigläufer ausgebildeten Rotor 2 und einen Stator 3 mit einer elektrischen Mehrphasenwicklung 4.
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Die Mehrphasenwicklung 4 weist mehrere Wicklungsstränge U1...n, V1...n, W1...n auf, die jeweils einer von mehreren elektrischen Phasen U, V, W zugeordnet und jeweils an einem von mehreren Wechselrichtern 6 angeschlossen sind. Die Wechselrichter 6 richten die Gleichspannung in Wechselspannung bzw. Gleichstrom in Wechselstrom um und sind beispielsweise als dreiphasige Umrichter in einer B6-Schaltung, also in sechspulsiger Brückenschaltung, ausgebildet.
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Nach dem ersten Ausführungsbeispiel sind zwei Wechselrichter 6.1, 6.2 und für jede der beispielsweise drei elektrischen Phasen U, V, W zwei Wicklungsstränge U1, U2; V1, V2; W1, W2 vorgesehen. Anstatt der beispielsweise drei elektrischen Phasen U, VW können aber auch sechs elektrische Phasen U, V, W, R, S, T vorgesehen sein. Die phasengleichen Wicklungsstränge U1, U2 bzw. V1, V2 bzw. W1, W2 sind jeweils an einem unterschiedlichen bzw. anderen der zwei Wechselrichter 6.1, 6.2 angeschlossen. Also ist der der Phase U zugeordnete Wicklungsstrang U1 dem ersten Wechselrichter 6.1 und der der Phase U zugeordnete Wicklungsstrang U2 dem zweiten Wechselrichter 6.2 zugeordnet. Der der Phase V zugeordnete Wicklungsstrang V1 ist wieder an einem der Anschlüsse des ersten Wechselrichters 6.1 und der der Phase V zugeordnete Wicklungsstrang V2 an einem der Anschlüsse des zweiten Wechselrichters 6.2 angeschlossen. Der der Phase W zugeordnete Wicklungsstrang W1 ist dem ersten Wechselrichter 6.1 und der der Phase W zugeordnete Wicklungsstrang W2 dem zweiten Wechselrichter 6.2 zugeordnet. Durch diese Verschaltung der Wicklungsstränge nach dem ersten Ausführungsbeispiel wird die Mehrphasenwicklung 4 in zwei Wicklungshälften geteilt, die durch die separaten Wechselrichter 6.1, 6.2 unabhängig voneinander bestromt werden können.
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Durch die Erfindung ist die Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie der elektrischen Maschine durch eine Umschaltung der Polzahl veränderbar, so dass sich eine polumschaltbare Wicklung bzw. eine polumschaltbare elektrische Maschine ergibt.
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Dies wird erfindungsgemäß erreicht, indem der von den unterschiedlichen Wechselrichtern 6.1, 6.2 bereitgestellte Strom in die phasengleichen Wicklungsstränge U1, U2 bzw. V1, V2 bzw. W1, W2 derart gleichphasig oder gegenphasig einsteuerbar ist, dass sich bei gleichphasigem Strom eine bestimmte Polzahl und bei gegenphasigem Strom eine Verdoppelung oder Halbierung der Polzahl im Stator 3 ergibt. Der Strom der jeweiligen Phase U, V, W wird also im zweiten Wechselrichter 6.2 gleichphasig oder gegenphasig zum Strom derselben Phase U, V, W im ersten Wechselrichter 6.1 angesteuert. Bei gegenphasigem Betrieb der Wechselrichter 6.1, 6.2 beträgt der Phasenversatz 180 Grad.
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Die demselben Wechselrichter 6.1, 6.2 zugeordneten Wicklungsstränge U1, V1, W1; U2, V2, W2 sind an einem von ihrem Wechselrichter 6.1, 6.2 abgewandten Ende jeweils in einem Stern verschaltet bzw. an einem Sternpunkt 7 angeschlossen.
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2 zeigt einen durch den ersten Wechselrichter 6.1 nach 1 erzeugten dreiphasigen ersten Stromverlauf und einen durch den zweiten Wechselrichter 6.2 nach 1 erzeugten dreiphasigen zweiten Stromverlauf, wobei die beiden Wechselrichter 6 von einem Steuergerät gleichphasig betrieben sind.
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Werden die beiden Wechselrichter 6 nach 1 mit gleicher Phasenlage betrieben bzw. ist der Strom in den phasengleichen Wicklungssträngen U1, U2 bzw. V1, V2 bzw. W1, W2 phasengleich, erzeugt die Mehrphasenwicklung 4 eine Felderregerkurve mit einer bestimmten Polzahl und somit ein Magnetfeld mit dieser bestimmten Polzahl.
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3 zeigt einen durch den ersten Wechselrichter 6.1 nach 1 erzeugten dreiphasigen ersten Stromverlauf und einen durch den zweiten Wechselrichter 6.2 nach 1 erzeugten dreiphasigen zweiten Stromverlauf, wobei die beiden Wechselrichter 6 von einem Steuergerät gegenphasig betrieben sind.
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Wird der Strom im zweiten Wechselrichter 6.2 gegenphasig zum ersten Wechselrichter 6.1 angesteuert, fließt der Strom in der zweiten Wicklungshälfte 4.2 in umgekehrter Richtung zum Strom in der ersten Wicklungshälfte 4.1. Die Mehrphasenwicklung 4 erzeugt dadurch eine Felderregerkurve mit der halben oder aber mit der doppelten Polzahl im Vergleich zum gleichphasigen Betrieb. Ob sich eine Halbierung oder Verdoppelung der Polzahl einstellt, hängt davon ab, welches der beiden Enden der Wicklungsstränge U1, U2; V1, V2; W1, W2 jeweils an den zugehörigen Wechselrichter 6 bzw. an den zugehörigen Sternpunkt 7 angeschlossen ist. Die Betriebsart mit der größeren Polzahl bietet ein hohes Drehmoment bei kleinen Drehzahlen. Dagegen bietet die Betriebsart mit der kleineren Polzahl eine höhere Leistung bzw. höheres Drehmoment im höheren Drehzahlbereich.
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4 zeigt ein Drehmoment-Drehzahl-Diagramm für die erfindungsgemäße elektrische Maschine mit zwei Kennlinien.
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Bei dem Diagramm nach 4 ist das Drehmoment M über der Drehzahl n aufgetragen.
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Durch die erfindungsgemäße Polumschaltung verhält sich die elektrische Maschine bei einfacher, also nicht verdoppelter Polzahl gemäß einer ersten Kennlinie K2 und bei verdoppelter Polzahl gemäß einer zweiten Kennlinie K1. Die elektrische Maschine ist also nach zwei unterschiedlichen Kennlinien K1, K2 betreibbar. Beide Kennlinien K1, K2 haben bei niedrigen Drehzahlen jeweils einen ersten Drehzahlbereich K1.1, K2.1, in dem das Drehmoment M beispielsweise im wesentlichen konstant ist, und daran anschließend für größere Drehzahlen einen dem Feldschwächebereich entsprechenden zweiten Drehzahlbereich, in dem das Drehmoment mit zunehmender Drehzahl abnimmt. Die erste Kennlinie K1 ermöglicht bei niedrigen Drehzahlen höhere Drehmomente als die zweite Kennlinie K2. Dafür liefert die zweite Kennlinie K2 bei höheren Drehzahlen höhere Drehmomente als die erste Kennlinie K1. Außerdem reicht der erste Drehzahlbereich K2.1 der zweiten Kennlinie K2 zu größeren Drehzahlen hin bis zu einer Drehzahl n2, die größer ist als die entsprechende Drehzahl n1 der ersten Kennlinie K1.
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5 zeigt ein Wickelschema der elektrischen Maschine nach 1 nach dem ersten Ausführungsbeispiel.
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Die Mehrphasenwicklung 4 und deren Wicklungsstränge sind als verteilte Schleifenwicklung in Nuten des Stators 3 angeordnet.
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Die elektrische Mehrphasenwicklung 4 ist nach 5 als Einschichtwicklung ausgebildet, bei der in jeder Nut des Stators 3 nur elektrische Leiter vorgesehen sind, die demselben Wicklungsstrang und derselben elektrischen Phase U, V, W zugeordnet sind. Die Nuten des Stators 3 sind in der 5 mit einer Nummerierung versehen.
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Alternativ kann die elektrische Mehrphasenwicklung 4 als Zweischichtwicklung ausgebildet ist, bei der in jeder Nut des Stators elektrische Leiter von zwei phasenverschiedenen Wicklungssträngen vorgesehen sind (6). Die Nuten des Stators 3 sind in der 6 ebenfalls mit einer Nummerierung versehen.
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Weiter alternativ kann die elektrische Mehrphasenwicklung 4 als Zweischichtwicklung ausgebildet sein, bei der in jeder zweiten Nut des Stators elektrische Leiter von zwei phasenverschiedenen Wicklungssträngen vorgesehen sind und in den Nuten dazwischen nur elektrische Leiter desselben Wicklungsstrangs und derselben elektrischen Phase angeordnet sind (7). Die Nuten des Stators 3 sind in der 7 analog zu den 5, 6 mit einer Nummerierung versehen.
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8 zeigt ein Schaltschema für eine elektrische Antriebseinrichtung mit einer elektrischen Maschine und zwei Wechselrichtern nach einem zweiten Ausführungsbeispiel.
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Das zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel nur darin, dass die die demselben Wechselrichter 6.1, 6.2 zugeordneten Wicklungsstränge U1, V1, W1; U2, V2, W2 der elektrischen Maschine 1 jeweils im Dreieck verschaltet sind. Bei der Dreieckschaltung die Enden von zwei dieser Wicklungsstränge jeweils einen gemeinsamen Knoten, der mit einem der Anschlüsse eines der beiden Wechselrichter 6.1, 6.2 verbunden ist. Darüber hinaus ist die elektrische Antriebseinrichtung bzw. die elektrische Maschine 1 analog zum ersten Ausführungsbeispiel ausgeführt.
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9 zeigt ein Schaltschema für eine elektrische Antriebseinrichtung mit einer elektrischen Maschine und zwei Wechselrichtern nach einem dritten Ausführungsbeispiel.
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Das dritte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel nur darin, dass die demselben Wechselrichter 6 zugeordneten Wicklungsstränge U1, V1, W1; U2, V2, W2 der elektrischen Maschine 1 jeweils in einer Stern-Dreieck-Schaltung verschaltet sind. Darüber hinaus ist die elektrische Antriebseinrichtung bzw. die elektrische Maschine 1 analog zum ersten Ausführungsbeispiel ausgeführt.
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10 zeigt ein Schaltschema für eine elektrische Maschine mit vier Wechselrichtern nach einem vierten Ausführungsbeispiel.
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Das vierte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel darin, dass anstatt zwei Wechselrichter vier Wechselrichter 6.1, 6.2, 6.3, 6.4 und für jede der beispielsweise sechs elektrischen Phasen U, V, W, R, S, T je zwei Wicklungsstränge U1, U2; V1, V2; W1, W2; R1, R2; S1, S2; T1, T2 an der elektrischen Maschine 1 vorgesehen sind. Darüber hinaus ist die elektrische Antriebseinrichtung bzw. die elektrische Maschine 1 analog zum ersten Ausführungsbeispiel ausgeführt.
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Die vier Wechselrichter stellen einen 12-pulsigen Umrichter bereit.
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Nach dem vierten Ausführungsbeispiel wird der von den Wechselrichtern 6.1, 6.2, 6.3, 6.4 bereitgestellte Strom in die phasengleichen Wicklungsstränge U1, U2 bzw. V1, V2 bzw. W1, W2 bzw. R1, R2 bzw. S1, S2 bzw. T1, T2 derart gleichphasig oder gegenphasig eingesteuert, dass sich bei gleichphasigem Strom eine bestimmte Polzahl und bei gegenphasigem Strom eine Verdoppelung oder Halbierung der Polzahl im Stator 3 ergibt. Der Strom der jeweiligen Phase U, V, W wird also im zweiten Wechselrichter 6.2 gleichphasig oder gegenphasig zum Strom derselben Phase U, V, W im ersten Wechselrichter 6.1 und der Strom der jeweiligen Phase R, S, T im vierten Wechselrichter 6.4 gleichphasig oder gegenphasig zum Strom derselben Phase R, S, T im dritten Wechselrichter 6.3 angesteuert. Bei gegenphasigem Betrieb der Wechselrichter beträgt der Phasenversatz 180 Grad.
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Durch die Verschaltung der Wicklungsstränge nach dem vierten Ausführungsbeispiel wird die Mehrphasenwicklung 4 in vier Wicklungsabschnitte geteilt, die durch die vier separaten Wechselrichter 6.1, 6.2 unabhängig voneinander bestromt werden können.
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Die demselben Wechselrichter 6.1, 6.2, 6.3, 6.4 zugeordneten Wicklungsstränge U1, V1, W1; U2, V2, W2; U3, V3, W3; U4, V4, W4 sind nach dem vierten Ausführungsbeispiel an einem von ihrem Wechselrichter 6.1, 6.2 6.3, 6.4 abgewandten Ende jeweils an einem Sternpunkt 7 angeschlossen und dadurch miteinander verbunden. Selbstverständlich ist es auch hier möglich die demselben Wechselrichter 6.1, 6.2, 6.3, 6.4 zugeordneten Wicklungsstränge alternativ in Dreieck zu verschalten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012203525 A1 [0001]
- CH 14112 A [0001]
- DE 759076 A [0001]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- „Die Wicklungen elektrischer Maschinen“ von Heinrich Sequenz, Band 3, 1954, Springer Verlag [0001]
