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Die Erfindung betrifft einen Stator einer elektrischen Maschine mit mindestens zwei mehrsträngigen Teilsystemen.
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Elektrische Kraftfahrzeugantriebe umfassen eine elektrische Maschine, die als Traktionsmaschine für das Kraftfahrzeug eingesetzt wird, sowie eine Leistungselektronik und werden regelmäßig dreisträngig bzw. dreiphasig ausgeführt. Bei zukünftig weiter leistungsgesteigerten Antrieben kann die erforderliche Leistung nicht nur mit einem dreiphasigen Umrichter bauraumoptimiert zugeführt werden. Hier bietet es sich an, aus zwei dreiphasigen Umrichtern halber Leistung eine elektrische Maschine mit zwei dreisträngigen Teilsystemen zu speisen.
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Eine elektrische Maschine besteht im Wesentlichen aus einem feststehenden Teil (Stator oder Ständer) sowie einem beweglichen Teil (Rotor oder Läufer). Der Stator umfasst z. B. einen zylindrischen Grundkörper mit einer Vielzahl von Nuten, die sich jeweils entlang einer axialen Richtung und einer radialen Richtung erstrecken und entlang einer Umfangsrichtung nebeneinander angeordnet sind und dabei zwischen einander jeweils einen Zahn ausbilden. In den Nuten sind elektrische Leiter angeordnet, wobei jeder Leiter jeweils mindestens einem Wicklungsstrang zugeordnet ist.
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Bei einer dreiphasigen Spannungsversorgung ist die Statorwicklung, die z. B. dreisträngig in Sternschaltung ausgeführt sein kann, bei Verzicht auf eine Sehnung (also die Verschiebung von Leitern der gleichen Phasenlage/ des gleichen Strangs in benachbarte Nuten) so ausgeführt, dass in jeder Nut nur Leiter angeordnet sind, die jeweils einem Wicklungsstrang und einer Phase zugeordnet sind. Entlang der Umfangsrichtung sind Nuten mit Leitern unterschiedlicher Wicklungsstränge und somit Phasenlagen abwechselnd angeordnet.
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Eine derartige Statorwicklung kann auch mit mehreren mehrsträngigen Teilsystemen, also z. B. mit zwei dreisträngigen Wicklungssystemen, aufgebaut werden. Die Teilsysteme können z. B. über eigenständige Umrichter angesteuert werden und zueinander parallel am Gleichspannungs-Zwischenkreis angebunden sein. Im Hinblick auf das Wickelschema der Statorwicklung müssen die bekannten Regeln der Wicklungseinlegung (z. B. für Hairpin-, Stab-, Wellenwicklung, etc.) beachtet werden, um eine gleiche Stromverdrängung in den Leitern sowie eine gleiche Amplitude der Induktionsspannungen in den einzelnen Strängen der Teilsysteme sicherzustellen. Demzufolge ergibt sich (bei konventioneller Wicklungsauslegung) ein großer Überlappungsbereich mit Nuten, in denen sowohl Stränge vom ersten als auch vom zweiten Teilsystem angeordnet sind. Aufgrund des großen räumlichen Überlappungsbereichs zwischen den Teilsystemen und der dadurch bedingten räumlichen Nähe der Stränge unterschiedlicher Teilsysteme sind diese miteinander induktiv stark gekoppelt.
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Es sind bei Betrieb einer derartigen elektrischen Maschine mit zwei unabhängig voneinander angesteuerten Teilsystemen, die im Stator aufgrund des Wicklungsschemas einander überlappend angeordnet sind, sehr hohe Stromwelligkeiten, also hohe Amplituden bestimmter Stromoberschwingungen, beobachtet worden, die auf die induktive Kopplung der Teilsysteme zurückgeführt werden können. Damit entstehen hohe Oberschwingungsverluste, also Zusatzverluste. Eine besonders hohe Stromwelligkeit tritt insbesondere bei Vorgabe von PWM-Interleaving, also bei einem zeitlichen Versatz der Taktperioden zwischen den Teilsystemen, auf (PWM: pulse width modulation).
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Zur Vermeidung dieser starken induktiven Verkopplung zwischen verschiedenen Wicklungssträngen ist bekannt, alternative Wicklungstypen einzusetzen, z. B. konzentrierte Wicklungen (Zahnspulenwicklungen), bei denen jeder Zahn ausschließlich von Leitern eines Strangs umwickelt ist.
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Alternativ können verteilte Wicklungen eingesetzt werden, bei der die Spulenseiten einer Spule nicht in zueinander benachbarten Nuten, sondern in entlang der Umfangsrichtung voneinander weiter beabstandet angeordneten Nuten positioniert sind. Die außerhalb der Nuten verlaufenden und die Spulenseiten verbindenden Spulenköpfe mehrerer Spulen überlappen sich dann im Bereich der Wickelköpfe. Bei bekannten verteilten Wicklungen sind Teilsysteme im Bereich der Nuten einander nicht überlappend, also räumlich vollständig voneinander getrennt angeordnet, so dass die induktive Kopplung reduziert wird.
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Bei Vorgabe der Hairpin- Technologie ist der Wicklungstyp vorgegeben. Bei einer verteilten Wicklung führt eine vollständige räumliche Trennung der Teilsysteme allerdings zu hohen Aufbauten der Wickelköpfe. Dadurch werden die axiale Länge sowie der Bauraum des elektrischen Antriebs erhöht, ohne dass Leistung und Drehmoment gesteigert werden können. Damit liegt jedoch eine Reduktion der Drehmomentdichte bzw. Leistungsdichte vor.
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Die
DE 10 2016 224 178 A1 bezieht sich auf mehrere Teilwicklungssysteme bzw. Teilwicklungen, die bei verschiedenen Phasenzahlen eingesetzt werden können, hier zweimal dreiphasig.
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Aus der
DE 10 2011 016 123 A1 ist eine dynamoelektrische Maschine bekannt, deren Stator Schlitze zur Anordnung von Wicklungen aufweist. Die Wicklungen sind in einer Wellenwicklung in den Schlitzen angeordnet.
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Die
DE 10 2018 124 784 A1 ist auf einen Stator gerichtet, wobei jeder Leiterstrang nach Art einer Wellenwicklung ausgebildet ist.
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Die
DE 10 2004 036 727 A1 ist auf eine elektrische Maschine gerichtet, wobei die Wicklungssysteme in den Nuten des Stators übereinander geschichtet angeordnet sind.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die mit Bezug auf den Stand der Technik angeführten Probleme zumindest teilweise zu lösen. Insbesondere soll ein Stator angegeben werden, der mit mehreren mehrsträngigen Teilsystemen ausgestattet ist und von mindestens zwei mehrphasigen Umrichtereinheiten betrieben werden kann, wobei Zusatzverluste im Betrieb möglichst gering ausfallen.
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Zur Lösung dieser Aufgaben trägt ein Stator einer elektrischen Maschine mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 bei. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche. Die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können durch erläuternde Sachverhalte aus der Beschreibung und/oder Details aus den Figuren ergänzt werden, wobei weitere Ausführungsvarianten der Erfindung aufgezeigt werden.
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Es wird ein Stator einer elektrischen Maschine, insbesondere für eine zweimal dreiphasige Spannungsversorgung, mit einer Drehachse und mehreren mehrsträngigen Teilsystemen vorgeschlagen. Die elektrische Maschine umfasst zumindest ein erstes dreisträngiges Teilsystem mit einer ersten Gruppe von Strängen: erster Strang, zweiter Strang, dritter Strang, sowie ein zweites dreisträngiges Teilsystem mit einer zweiten Gruppe von Strängen: vierter Strang, fünfter Strang, sechster Strang. Der Stator umfasst zumindest einen zylindrischen Grundkörper mit einer Vielzahl von Nuten, die sich jeweils entlang einer axialen Richtung und einer radialen Richtung erstrecken und entlang einer Umfangsrichtung nebeneinander angeordnet sind und dabei zwischen einander jeweils einen Zahn ausbilden. In jeder Nut ist eine Mehrzahl elektrischer Leiter angeordnet, die als verteilte Wicklung in den Nuten angeordnet sind. Jeder Leiter ist jeweils einem Strang sowie Teilsystem zugeordnet. In zumindest einer ersten Nut des Stators sind ausschließlich Leiter angeordnet, die nur einem Strang zugeordnet sind und in zumindest einer zweiten Nut sind mindestens zwei Leiter angeordnet, die voneinander unterschiedlichen Strängen, insbesondere Strängen unterschiedlicher Gruppen, zugeordnet sind.
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Die elektrische Maschine ist insbesondere eine Synchronmaschine (SM), insbesondere Permanenterregt (PSM), Reluktanz (SRM), Fremderregt (FSM) oder eine Asynchronmaschine (ASM). Die elektrische Maschine umfasst einen stehenden Stator und einen drehenden Rotor. Insbesondere ist der Rotor in der radialen Richtung außerhalb, bevorzugt aber innerhalb des Stators angeordnet. Über den Rotor kann eine Welle, z. B. eine Antriebswelle, angetrieben werden.
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Der Stator ist insbesondere ausgeführt, um von mehreren mehrphasigen Umrichtern bzw. Ansteuereinheiten angetrieben zu werden. Dabei werden mindestens zwei dreiphasige Drehstromsysteme bereitgestellt. Die einzelnen Phasenlagen jeder Gruppe von Strängen sind insbesondere um jeweils 120 Winkelgrad zueinander versetzt. Es können auch mehr als zwei dreiphasige Drehstromsysteme bereitgestellt werden. Es müssen nicht zwangsläufig mehrere dreiphasige Drehstromsysteme bereitgestellt werden. Es können z. B. auch zwei fünf- oder m-phasige Drehstromsysteme sein (mit m als Phasenzahl).
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Der Stator umfasst insbesondere einen zylindrischen Grundkörper, der an einer äußeren Umfangsfläche oder an einer inneren Umfangsfläche oder an einer Stirnseite eine Vielzahl von Nuten, auch als Schlitze bezeichnet, aufweist. Die Nuten erstrecken sich entlang der axialen Richtung oder entlang der radialen Richtung, insbesondere parallel oder quer zu der Drehachse. Die Nuten weisen eine, bei Anordnung an der Umfangsfläche sich entlang der radialen Richtung oder, bei Anordnung an einer Stirnseite sich entlang der axialen Richtung erstreckende Tiefe, eine sich entlang der Umfangsrichtung erstreckende Breite und eine, bei Anordnung an der Umfangsfläche sich entlang der axialen Richtung oder bei Anordnung an einer Stirnseite sich entlang der radialen Richtung erstreckende Länge auf. Zwischen jeweils zwei Nuten ist ein Zahn ausgebildet.
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In den Nuten sind, ausgehend von einem Nutgrund, elektrische Leiter aufeinander gestapelt, oder übereinander positioniert, und voneinander elektrisch isoliert angeordnet. Die Leiter sind mit jeweils einem Strang eines Teilsystems elektrisch leitend verbunden. Die elektrischen Leiter werden insbesondere durch Drähte bzw. Stifte oder Stäbe gebildet, die in Windungen auf dem Stator angeordnet sind. Jede Windung besteht aus einem Hinleiter und einem Rückleiter, die je eine Windungsseite in zwei unterschiedlichen Nuten bezeichnen, und kann aus einem Draht oder mehreren parallel geschalteten Drähten bestehen. Eine Spule wird durch mindestens eine Windung gebildet. Analog der Windung besteht auch die Spule aus zwei Seiten, die, wie die Windungsseiten, in zwei unterschiedlichen Nuten angeordnet sind. Die elektrischen Leiter bilden also Spulen. Die Beaufschlagung der elektrischen Leiter mit einem elektrischen Strom erzeugt in bekannter Weise ein Drehfeld, das mit dem Rotorfeld zum Antrieb des Rotors wechselwirkt.
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Die Leiter sind insbesondere nach Art einer verteilten Wicklung in den Nuten angeordnet. Bei einer verteilten Wicklung sind die Spulenseiten einer Spule nicht in zueinander benachbarten Nuten, sondern in entlang der Umfangsrichtung voneinander weiter beabstandet angeordneten Nuten positioniert. In den außerhalb der Nuten, z. B. im Bereich der Stirnseite, angeordneten Wickelköpfen, verlaufen die Leiter zumindest entlang der Umfangsrichtung und verbinden die Spulenseiten miteinander.
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Insbesondere weisen die in einer Nut aufeinander gestapelten und benachbart zueinander angeordneten Leiter unterschiedliche Verläufe im Stator auf, d. h. diese Leiter verlaufen außerhalb der einen Nut in jeweils unterschiedlichen vorherigen und/oder nachfolgenden Nuten.
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Der Stator umfasst insbesondere ein weichmagnetisches Statorpaket, z. B. bestehend aus einzelnen Lamellen oder magnetischen Verbundstoffen. Weiter umfasst der Stator die in den Nuten angeordneten Leiter, die zusammen eine Wicklung ausbilden. Die Leiter sind insbesondere als bekannte Hairpins bzw. Stäbe ausgebildet, die entlang der axialen Richtung oder entlang der radialen Richtung in die Nuten gesteckt werden und in mindestens einem Wickelkopf, die z. B. an den Stirnseiten angeordnet sind, elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Die Nuten des Stators sind gegenüber den Leitern insbesondere elektrisch isoliert ausgeführt. Der Stator weist, abhängig von der Verschaltung, insbesondere weiterhin Verschaltelemente für die Anschlüsse der Stränge auf.
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Insbesondere bilden eine Mehrzahl zueinander benachbart angeordnete erste Nuten ein erstes Ringsegment des Stators und eine Mehrzahl zueinander benachbart angeordnete zweite Nuten ein zweites Ringsegment. Ein Ringsegment umfasst insbesondere eine Mehrzahl von ersten Nuten oder eine Mehrzahl von zweiten Nuten, die benachbart zueinander angeordnet sind. Das Ringsegment erstreckt sich um die Drehachse der elektrischen Maschine über einen Winkelbereich.
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Bevorzugt sind in den ersten Nuten des ersten Ringsegments ausschließlich Leiter angeordnet, die entweder der ersten Gruppe oder der zweiten Gruppe zugeordnet sind.
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Insbesondere erstreckt sich zumindest ein Strang eines Teilsystems bzw. Drehstromsystems in ersten Nuten nur innerhalb eines definierten Ringsegments. Der Strang eines Teilsystems bildet zusammen mit den übrigen Strängen des gleichen Teilsystems im gleichen Ringsegment einen Teilstator, der zusammen mit dem Rotor als Teil-elektrische-Maschine angesehen werden kann. Insbesondere sind somit einerseits Ringsegmente realisiert, in denen keine räumliche Überlappung von unterschiedlichen Teilsystemen stattfindet und andererseits Ringsegmente, in denen eine räumliche Überlappung der Teilsysteme stattfindet.
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Die Anzahl, Größe etc., der Ringsegmente bzw. der Bereiche mit und ohne Überlappung sind dabei abhängig von der konkreten Wicklungs- und Maschinenauslegung (Anzahl der Drehstromsysteme, Strang- und Phasenzahl, Lochzahl, Polpaarzahl, Nutzahl etc.) und können in Abhängigkeit dieser Randbedingungen angepasst ausgeführt werden.
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Die Vorteile dieser Ausgestaltung eines Stators mit einem Hairpin-Wicklungsdesign gegenüber einem herkömmlichen Hairpin-Wicklungsdesign liegen insbesondere in der teilweisen und guten induktiven Entkopplung der einzelnen Teilsysteme. Diese Eigenschaft ist z. B. wichtig für ein redundantes System.
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Die Vorteile dieser Ausgestaltung im Hinblick auf ein Wicklungsdesign mit vollständig induktiv entkoppelten Wicklungssystemen, in denen also in jeder Nut ausschließlich Leiter jeweils eines Strangs und Teilsystems angeordnet sind und in denen somit eine vollständige räumliche Trennung der Teilsysteme vorliegt, also keinerlei Überlappungsbereiche vorgesehen sind, sind darin begründet, dass keine Rückführung bzw. Rückleiter im Wickelkopf zu platzieren sind, die elektromagnetisch unwirksam sind und zusätzlichen Bauraum benötigen. Der Wickelkopf ist daher platzsparender ausführbar.
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Bei dem vorgeschlagenen Stator können also somit die positiven Eigenschaften einer guten induktiven Entkopplung von unterschiedlichen Teilsystemen bei gleichzeitig platzsparender Wickelkopfkonstruktion bzw. platzsparender Leiterführung im Wickelkopf realisiert werden.
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Während also im Vergleich zu einem herkömmlichen Hairpin-Wicklungsdesign insbesondere keine Nachteile in den geometrischen Abmessungen des Wickelkopfes entstehen, ergeben sich im Hinblick auf resultierende Stromoberschwingungen und Oberschwingungsverluste durch das neue Hairpin-Wicklungsdesign mit mehreren mehrsträngigen Teilsystemen deutliche Vorteile, die auf die teilweise induktive Entkopplung zurückzuführen sind.
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Durch die Darstellung einzelner Bereiche, in denen die unterschiedlichen Teilsysteme räumlich getrennt sind und damit einander nicht überlappen, können induktive Kopplungen zwischen einzelnen Teilsystemen reduziert werden. Die bei dem hier vorgeschlagenen Wickelschema bzw. Wicklungsdesign auftretenden Koppel- bzw. Gegeninduktivitäten zwischen den Strängen unterschiedlicher Teilsysteme können entsprechend reduziert werden. Bei unabhängiger Ansteuerung der einzelnen Teilsysteme kann dadurch die gegenseitige induktive Beeinflussung zwischen den unterschiedlichen Teilsystemen maßgeblich reduziert werden. Bei somit kleineren Koppelinduktivitäten zwischen den Teilsystemen ist die aufgrund des jeweils anderen Teilsystems (und durch die Koppelinduktivitäten) begründete Stromwelligkeit geringer und nimmt in beiden Drehstromsystemen ab. Aufgrund der somit geringeren Amplituden ungewünschter Stromoberschwingungen, insbesondere der taktungsbedingten Stromoberschwingungen, werden die Oberschwingungsverluste durch das neue Wicklungsdesign reduziert. Die Oberschwingungsverluste beinhalten dabei sowohl die zusätzlichen Stromwärmeverluste in der Statorwicklung als auch die Verluste im Elektroblech, den Magneten, oder auch der Rotorwicklung etc. (abhängig vom Maschinentyp).
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Das neue Wicklungsdesign ist daher insbesondere dann von großem Vorteil, wenn z. B. die PWM-Perioden bzw. die Trägersignale der Teilsysteme, z. B. bei Anwendung einer Pulsdauermodulation, gewollt gegeneinander verschoben werden (PWM-Interleaving) und die Schaltzeitpunkte zwischen den phasengleichen Strängen der Teilsysteme unterschiedlich sind. Während bei einer herkömmlichen Wicklungsauslegung mit mehreren Drehstromsystemen beim PWM-Interleaving ohne Maßnahmen zur induktiven Entkopplung eine deutliche Stromwelligkeit resultiert und die hochfrequenten Stromoberschwingungen für zusätzliche Verluste sorgen, können die Stromwelligkeit und die Zusatzverluste mit der vorgeschlagenen Wicklungsauslegung beim PWM-Interleaving deutlich reduziert werden. Die Stromwelligkeit unterscheidet sich in diesem Fall nur geringfügig im Vergleich zu einer Wicklungsauslegung mit vollständig entkoppelten, also nicht überlappenden, Teilsystemen und ist im Vergleich zu einer Wicklung, in denen die unterschiedlichen Teilsysteme im Stator keine Überlappungsbereiche aufweisen somit nur geringfügig unterschiedlich bzw. schlechter.
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Beim PWM-Interleaving werden die Trägersignale bzw. PWM-Perioden der unterschiedlichen Teilsysteme insbesondere um einen Versatzwinkel gegeneinander verschoben. Das PWM-Interleaving wird insbesondere dann eingesetzt, wenn die Kondensatorbelastung eines zentralen Zwischenkreiskondensators reduziert werden soll. Eine somit geringerer effektiver Kondensatorwechselstrom bzw. eine geringere Kondensatorspannungswelligkeit ermöglichen eine Reduktion der Kapazität sowie des Kondensatorbauraums. Kosten und Bauraum für die Kapazität können dadurch eingespart werden.
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Dabei ist das PWM-Interleaving nur eine beispielhafte Einsatzmöglichkeit für die vorgeschlagene Wicklungsauslegung, die im Hinblick auf eine induktive Entkopplung von Teilsystemen und der möglichst geringen gegenseitigen induktiven Beeinflussung von unterschiedlichen Teilsystemen besonders vorteilhaft ist.
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Die vorgeschlagene Ausführung des Stators ist grundsätzlich auf verschiedenste Wicklungsauslegungen für alle elektrischen Maschinen mit Stab-/Hairpinwicklung anwendbar.
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Insbesondere sind alle ersten Nuten mit Leitern einer Gruppe in einem zusammenhängenden ersten Ringsegment angeordnet. Insbesondere sind alle ersten Nuten mit Leitern der ersten Gruppe in einem zusammenhängenden ersten Ringsegment und alle ersten Nuten mit Leitern der zweiten Gruppe in einem weiteren zusammenhängenden Ringsegment angeordnet.
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Insbesondere ist zwischen ersten Ringsegmenten jeweils ein zweites Ringsegment mit zweiten Nuten angeordnet.
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Insbesondere ist in jeder zweiten Nut des zweiten Ringsegments mindestens ein der ersten Gruppe zugeordneter Leiter und mindestens ein der zweiten Gruppe zugeordneter Leiter angeordnet.
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Insbesondere sind in jeder zweiten Nut des zweiten Ringsegments und ausgehend von einem Nutgrund die den unterschiedlichen Strängen und Teilsystemen zugeordneten Leiter zumindest teilweise abwechselnd, insbesondere aufeinander gestapelt, angeordnet.
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Insbesondere ist in jeder zweiten Nut die Anzahl der einem bestimmten Strang und Teilsystem zugeordneten Leiter jeweils gleich. In einer Nut befinden sich also z. B. drei Leiter eines ersten Strangs der ersten Gruppe und drei Leiter eines vierten Strangs der zweiten Gruppe.
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Insbesondere sind eine, der Anzahl der unterschiedlichen Gruppen entsprechende Anzahl von zweiten Nuten entlang der Umfangsrichtung nebeneinander angeordnet, wobei diese zweiten Nuten eine gleiche Anordnung von, voneinander unterschiedlichen Strängen zugeordneten, Leitern aufweist.
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Insbesondere sind eine, der Anzahl der unterschiedlichen Stränge aller Gruppen entsprechende Anzahl zweiter Nuten entlang der Umfangsrichtung nebeneinander angeordnet. Insbesondere sind also in einem zweiten Ringsegment, bei drei Strängen je Gruppe und zwei Gruppen, sechs zweite Nuten nebeneinander angeordnet.
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Insbesondere weist der Stator mindestens ein erstes Ringsegment und ein zweites Ringsegment, bevorzugt mindestens zwei erste Ringsegmente und zwei zweite Ringsegmente, besonders bevorzugt mehr als zwei erste Ringsegmente und mehr als zwei zweite Ringsegmente, auf, wobei eine Anzahl von ersten Nuten des mindestens einen ersten Ringsegments größer ist als eine Anzahl von zweiten Nuten des mindestens einen zweiten Ringsegments.
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Insbesondere erstreckt sich ein Leiter zwischen einem Spulenanfang und einem Spulenende durch eine Mehrzahl von Nuten und ist dabei zumindest in einer ersten Nut und in einer zweiten Nut angeordnet.
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Insbesondere umfasst der Stator höchstens vier Ringsegmente (z. B. bei zwei Teilsystemen). Insbesondere umfasst jedes erste Ringsegment einen jeweils gleichen Winkelbereich entlang der Umfangsrichtung. Insbesondere umfasst jedes zweite Ringsegment einen jeweils gleichen Winkelbereich, aber einen anderen Winkelbereich als das erste Ringsegment, entlang der Umfangsrichtung.
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Bei drei Teilsystemen können auch mehr als vier Ringsegmente vorliegen. Die Anzahl an Ringsegmenten orientiert sich an den induktiv zu entkoppelnden Teilsystemen (Drehstromsystemen). Die Anzahl der Ringsegmente ist dabei also abhängig von der Anzahl der Teilsysteme auszuwählen.
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Es wird weiter ein Antriebssystem für eine elektrische Maschine mit dem beschriebenen Stator vorgeschlagen. Das Antriebssystem umfasst eine Leistungselektronik mit zumindest einem Gleichspannungszwischenkreis mit einem Zwischenkreiskondensator zur Bereitstellung einer Spannung und eines variablen Stroms zum Antrieb der elektrischen Maschine, sowie einem ersten Umrichter zur Spannungsversorgung der elektrischen Maschine mit der ersten Gruppe von Phasen und einem zweiten Umrichter zur Spannungsversorgung der elektrischen Maschine mit der zweiten Gruppe von Phasen. Die beiden Umrichter erzeugen aus dem Gleichspannungszwischenkreis insbesondere Puls-Weiten-Modulations-Signale oder PWM-Signale, wobei erste Puls-Weiten-Modulations-Signale des ersten Umrichters und zweite Puls-Weiten-Modulations-Signale des zweiten Umrichters zueinander zeitlich versetzt erzeugbar sind (sogenanntes PWM-Interleaving).
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Insbesondere generiert jeder Umrichter Spannungen für die elektrische Maschine, indem der jeweilige Umrichter zeitlich versetzt blockförmige Spannungen aus dem Gleichspannungszwischenkreis ausschneidet. Dieses Ausschneiden wird als Pulse-Width-Modulation (PWM) bezeichnet. Die resultierenden Ströme in den einzelnen Strängen sind insbesondere annährend sinusförmig.
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Insbesondere kann der Zwischenkreiskondensator durch PWM-Interleaving bei Einsatz mehrerer Teilsysteme deutlich kleiner dimensioniert werden als bei einem nur dreiphasigen Drehstromsystem gleicher Leistung, also mit nur einem Umrichter.
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Die durch die neue Wicklungsausführung beim PWM-Interleaving verringerten Oberschwingungsströme ermöglichen insbesondere eine Reduzierung der elektrischen Verluste in der elektrischen Maschine und in der Leistungselektronik bzw. im Umrichter.
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Es wird weiter ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, zumindest umfassend einen Antriebstrang mit einer elektrischen Maschine als Traktionsantrieb, wobei die elektrische Maschine das beschriebene Antriebssystem aufweist.
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Der Anschluss des Stators an z. B. mehrere Umrichtersysteme ermöglicht insbesondere die Bereitstellung einer höheren Leistung, z. B. zum Antrieb eines Kraftfahrzeuges. Der Betrieb der Umrichter bei Erzeugung zeitlich zueinander versetzter PWM-Signale, also mit PWM-Interleaving, kann dazu führen, dass in den Windungen der elektrischen Maschine zusätzliche Stromoberschwingungen erzeugt werden. Das geschieht insbesondere dann, wenn die Leiter der ersten Gruppe in unmittelbarer Nähe, also z. B. in einer Nut, zu den Leitern der zweiten Gruppe angeordnet sind. Zur Verringerung dieses Effekts wird hier insbesondere vorgeschlagen, die Leiter der Stränge unterschiedlicher Gruppen räumlich möglichst weit voneinander zu trennen. Das wird insbesondere dadurch erreicht, dass die den drei Strängen der ersten Gruppe zugeordneten elektrischen Leiter in einem Ringsegment und die den drei Strängen der zweiten Gruppe zugeordneten elektrischen Leiter in einem anderen Ringsegment angeordnet sind. Zusätzlich sind allerdings zweite Ringsegmente vorgesehen, in denen die Stränge unterschiedlicher Gruppen in gemeinsamen Nuten verlegt sind. Damit kann der Bauraum der Wickelköpfe entscheidend verringert werden, während die Effekte hinsichtlich der zusätzlich erzeugten Stromoberschwingungen nur in geringem Maße auftreten.
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Die Ausführungen zum Stator sind insbesondere auf das Antriebssystem und das Kraftfahrzeug übertragbar und jeweils umgekehrt.
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Die Verwendung unbestimmter Artikel („ein“, „eine“, „einer“ und „eines“), insbesondere in den Patentansprüchen und der diese wiedergebenden Beschreibung, ist als solche und nicht als Zahlwort zu verstehen. Entsprechend damit eingeführte Begriffe bzw. Komponenten sind somit so zu verstehen, dass diese mindestens einmal vorhanden sind und insbesondere aber auch mehrfach vorhanden sein können.
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Vorsorglich sei angemerkt, dass die hier verwendeten Zahlwörter („erste“, „zweite“, ...) vorrangig (nur) zur Unterscheidung von mehreren gleichartigen Gegenständen, Größen oder Prozessen dienen, also insbesondere keine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge dieser Gegenstände, Größen oder Prozesse zueinander zwingend vorgeben. Sollte eine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge erforderlich sein, ist dies hier explizit angegeben oder es ergibt sich offensichtlich für den Fachmann beim Studium der konkret beschriebenen Ausgestaltung. Soweit ein Bauteil mehrfach vorkommen kann („mindestens ein“), kann die Beschreibung zu einem dieser Bauteile für alle oder ein Teil der Mehrzahl dieser Bauteile gleichermaßen gelten, dies ist aber nicht zwingend.
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Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der beiliegenden Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die angeführten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und Erkenntnissen aus der vorliegenden Beschreibung zu kombinieren. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Es zeigen:
- 1: ein Antriebssystem;
- 2: eine Statorwicklung des Antriebssystems nach 1;
- 3: ein bekanntes Wickelschema der Statorwicklung nach 2;
- 4: ein bekanntes Wickelschema einer Statorwicklung für zwei mehrsträngige Teilsysteme (Wicklungssysteme);
- 5: ein Wickelschema für einen Stator;
- 6: eine erste Leiterführung für das Wickelschema nach 5;
- 7: eine zweite Leiterführung für das Wickelschema nach 5;
- 8: eine dritte Leiterführung für das Wickelschema nach 5;
- 9: einen bekannten Stator in einer Ansicht entlang der Drehachse im Schnitt, mit dem Wickelschema nach 4;
- 10: einen Stator in einer Ansicht entlang der Drehachse im Schnitt; mit dem Wickelschema nach 5;
- 11: den Stator nach 10 in einer perspektivischen Ansicht;
- 12: den Stator nach 10 und 11 in einer Seitenansicht;
- 13: den Stator nach 10 bis 12 in einer Ansicht entlang der Drehachse;
- 14: mehrere Diagramme zu einem ersten Betrieb einer elektrischen Maschine mit einer Statorwicklung nach 4;
- 15: mehrere Diagramme zu einem zweiten Betrieb einer elektrischen Maschine mit einer Statorwicklung nach 4;
- 16: mehrere Diagramme zu einem ersten Betrieb einer elektrischen Maschine mit einer Statorwicklung nach 5; und
- 17: mehrere Diagramme zu einem zweiten Betrieb einer elektrischen Maschine mit einer Statorwicklung nach 5.
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1 zeigt ein Antriebssystem 32 umfassend eine Leistungselektronik 35 sowie eine elektrische Maschine 2. Die Leistungselektronik 35 bildet ein dreiphasiges Drehstromsystem 5, so dass der Stator 1 mit drei Strängen 7, 8, 9 und einem variierendem elektrischen Strom 41 beaufschlagt werden kann. Der Stator 1 wird mit den Spannungsblöcken aus der PWM gespeist, wodurch ein getakteter, möglichst sinusförmiger Strom 41 resultiert.
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2 zeigt eine Statorwicklung des Antriebssystems 32 nach 1. Die Statorwicklung eines Stators 1 ist dreisträngig in Sternschaltung ausgeführt, wobei über einen ersten Umrichter 33 der Leistungselektronik 35 eine Spannungsversorgung 4 der elektrischen Maschine 2 für ein dreisträngiges erstes Teilsystem 5 erfolgt, das eine erste Gruppe 6 von Strängen 7, 8, 9 umfasst. Die Statorwicklung besteht vereinfacht für jeden Strang 7, 8, 9 aus einem Widerstand 37 und einer Induktivität 36.
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In 2 ist eine Statorwicklung mit einem Wickelschema nach 4 oder 5 angedeutet (gestrichelte Darstellung). Dafür umfasst die Leistungselektronik 35 zwei Umrichter 33, 34, also einen ersten Umrichter 33 und einen zweiten Umrichter 34. Über den ersten Umrichter 33 erfolgt eine Spannungsversorgung 4 für ein dreisträngiges erstes Teilsystem 5, das eine erste Gruppe 6 von Strängen 7, 8, 9 umfasst. Über den zweiten Umrichter 34 erfolgt korrespondierend eine Spannungsversorgung 4 für ein dreisträngiges zweites Teilsystem 10, das eine zweite Gruppe 11 von Strängen 12, 13, 14 umfasst
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3 zeigt ein bekanntes Wickelschema der Statorwicklung nach 2. Die Statorwicklung ist in erste Nuten 16 eingelegt. Hier sind 48 erste Nuten 16 vorgesehen, wobei in jeder ersten Nut 16 jeweils sechs Leiter 22 angeordnet sind.
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4 zeigt ein bekanntes Wickelschema einer Statorwicklung eines Stators 1 für zwei mehrsträngige Teilsysteme 5, 10. Dafür umfasst die Leistungselektronik 35 zwei Umrichter 33, 34, also einen ersten Umrichter 33 und einen zweiten Umrichter 34 (siehe 2). Über den ersten Umrichter 33 erfolgt eine Spannungsversorgung 4 für ein dreisträngiges erstes Teilsystem 5, das eine erste Gruppe 6 von Strängen 7, 8, 9 umfasst. Über den zweiten Umrichter 34 erfolgt korrespondierend eine Spannungsversorgung 4 für ein dreisträngiges zweites Teilsystem 10, das eine zweite Gruppe 11 von Strängen 12, 13, 14 umfasst. Zusammen erfolgt also eine zweimal dreiphasige Spannungsversorgung 4. Über die Umrichter 33, 34 können aus dem einen Gleichspannungszwischenkreis Puls-Weiten-Modulations-Signale 38, 39, PWM-Signale 38, 39, erzeugt werden, wobei erste Signale 38 des ersten Umrichters 33 und zweite Signale 39 des zweiten Umrichters 34 (siehe 14 bis 17) zueinander zeitlich parallel oder zeitlich versetzt erzeugbar sind (sogenanntes PWM-Interleaving).
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Die Statorwicklung ist in zweite Nuten 17 eingelegt. Hier sind 48 zweite Nuten 17 vorgesehen, wobei in jeder zweiten Nut 17 jeweils sechs Leiter 22 angeordnet sind. Bei diesem Wickelschema (wie auch bei dem Wickelschema gemäß 3) müssen insbesondere die Regeln der Hairpin-Wicklungseinlegung beachtet werden, um eine gleiche Stromverdrängung sowie eine gleiche Amplitude der Induktionsspannungen in den Strängen 7, 8, 9, 12, 13, 14 der unterschiedlichen Teilsysteme 5, 10 sicherzustellen. Demzufolge ergibt sich ein großer Überlappungsbereich mit zweiten Nuten 17, in denen jeweils sowohl Stränge 6, 7, 8 der ersten Gruppe 6 als auch Stränge 12, 13, 14 der zweiten Gruppe 11 untergebracht sind. Aufgrund des großen räumlichen Überlappungsbereichs, nämlich über alle 48 zweite Nuten 17, zwischen den Teilsystemen 5, 10 und der dadurch bedingten räumlichen Nähe der Leiter 22 unterschiedlicher Gruppen 6, 11 sind die Drehstromsysteme stark induktiv verkoppelt.
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5 zeigt eine Wickelschema für einen Stator 1; also mit einer Statorwicklung für zwei mehrsträngige Teilsysteme 5, 10. Auf die Ausführungen zu 4, insbesondere auf die Ausführung der Leistungselektronik 35, wird Bezug genommen.
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Die zweimal dreiphasige Spannungsversorgung 4 speist ein erstes dreisträngiges Teilsystem 5 mit einer ersten Gruppe 6 von Strängen: erster Strang 7, zweiter Strang 8, dritter Strang 9, sowie ein zweites dreisträngiges Teilsystem 10 mit einer zweiten Gruppe 11 von Strängen: vierter Strang 12, fünfter Strang 13, sechster Strang 14. Der Stator 1 umfasst einen zylindrischen Grundkörper 15 mit einer Vielzahl von Nuten 16, 17, die sich jeweils entlang einer axialen Richtung 18 und einer radialen Richtung 19 erstrecken und entlang einer Umfangsrichtung 20 nebeneinander angeordnet sind und dabei zwischen einander jeweils einen Zahn 21 ausbilden. In jeder Nut 16, 17 ist eine Mehrzahl elektrischer Leiter 22 angeordnet, die als verteilte Wicklung in den Nuten 16, 17 angeordnet sind. Jeder Leiter 22 ist jeweils einem Strang 7, 8, 9, 12, 13, 14 sowie Teilsystem 5, 10 zugeordnet. In zumindest einer ersten Nut 16 des Stators 1 sind ausschließlich Leiter 22 angeordnet, die nur einem Strang 7, 8, 9, 12, 13, 14 und Teilsystem 5, 10 zugeordnet sind und in zumindest einer zweiten Nut 17 sind mindestens zwei Leiter 22 angeordnet, die voneinander unterschiedlichen Strängen 7, 8, 9, 12, 13, 14 unterschiedlicher Gruppen 6, 11 zugeordnet sind (siehe auch 10).
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Der Stator 1 umfasst einen zylindrischen Grundkörper 15, der an einer inneren Umfangsfläche 48 Nuten 16, 17, auch als Schlitze bezeichnet, aufweist. Die Nuten 16, 17 erstrecken sich entlang der axialen Richtung 18 und entlang der radialen Richtung 19 parallel zu der Drehachse 3 des dem Stator 1 zugeordneten Rotors, der in 10 nicht dargestellt ist, aber innerhalb des Stators 1 angeordnet ist. Die Nuten 16, 17 weisen eine sich entlang der radialen Richtung 19 erstreckende Tiefe, eine sich entlang der Umfangsrichtung 20 erstreckende Breite und eine sich entlang der axialen Richtung 18 erstreckende Länge auf. Zwischen jeweils zwei Nuten 16, 17 ist ein Zahn 21 ausgebildet.
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In den Nuten 16, 17 sind, ausgehend von einem Nutgrund 25 und entlang der radialen Richtung 19, elektrische Leiter 22 in sechs Nutschichten aufeinander gestapelt und voneinander elektrisch isoliert angeordnet. Die Leiter 22 sind mit jeweils einem Strang 7, 8, 9, 12, 13, 14 eines Teilsystems 5, 10 elektrisch leitend verbunden. Die elektrischen Leiter 22 werden durch Hairpins bzw. Stäbe gebildet, die in Windungen auf dem Stator 1 angeordnet sind. Jede Windung besteht aus einem Hinleiter und einem Rückleiter, die je eine Windungsseite in zwei unterschiedlichen Nuten 16, 17 bezeichnen, und kann aus einem Draht oder mehreren parallel geschalteten Drähten bestehen. Die Beaufschlagung der elektrischen Leiter 22 mit einem elektrischen Strom erzeugt in bekannter Weise ein Drehfeld, das mit dem Rotorfeld zum Antrieb des Rotors wechselwirkt.
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Die Leiter 22 sind nach Art einer verteilten Wicklung in den Nuten 16, 17 angeordnet.
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Eine Mehrzahl zueinander benachbart angeordneter erste Nuten 16 bilden ein erstes Ringsegment 23 des Stators 1 (hier Nuten 7 bis 24 und 31 bis 48 und eine Mehrzahl zueinander benachbart angeordnete zweite Nuten 17 ein zweites Ringsegment 24 (hier Nuten 1 bis 6 und 25 bis 30). In den ersten Nuten 16 des ersten Ringsegments 23 sind ausschließlich Leiter 22 angeordnet, die entweder der ersten Gruppe 6 oder der zweiten Gruppe 11 zugeordnet sind. Die Stränge 7, 8, 9 der ersten Gruppe 6 sind nur innerhalb eines einzigen ersten Ringsegments 23 angeordnet (hier in Nuten 7 bis 24). Die Stränge 12, 13, 14 der zweiten Gruppe 11 sind nur innerhalb eines einzigen anderen ersten Ringsegments 23 angeordnet (hier in Nuten 31 bis 48).
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Zwischen den zwei ersten Ringsegmenten 23 ist jeweils ein zweites Ringsegment 24 mit zweiten Nuten 17 angeordnet. In jeder zweiten Nut 17 des zweiten Ringsegments 24 sind drei der ersten Gruppe 6 zugeordnete Leiter 22 und drei der zweiten Gruppe 11 zugeordnete Leiter 22 angeordnet. In jeder zweiten Nut 17 des zweiten Ringsegments 24 und ausgehend von dem Nutgrund 25 sind die unterschiedlichen Strängen 7, 8, 9, 12, 13, 14 zugeordneten Leiter 22 abwechselnd aufeinander gestapelt angeordnet.
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Eine, der Anzahl der unterschiedlichen Gruppen 6, 11 entsprechende Anzahl von zweiten Nuten 17 sind entlang der Umfangsrichtung 20 nebeneinander angeordnet, nämlich zwei, wobei diese zwei zweiten Nuten 17 jeweils eine gleiche Anordnung von, voneinander unterschiedlichen Strängen 7, 8, 9, 12, 13, 14 zugeordneten, Leitern 22 aufweist.
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Es sind eine, der Anzahl der unterschiedlichen Stränge 7, 8, 9, 12, 13, 14 aller Gruppen 6, 11 entsprechende Anzahl zweiter Nuten 17 entlang der Umfangsrichtung 20 nebeneinander angeordnet, nämlich sechs. Es sind also in jedem der zwei zweiten Ringsegmente 24 jeweils sechs zweite Nuten 17 nebeneinander angeordnet.
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Der Stator 1 weist also zwei erste Ringsegmente 23 und zwei zweite Ringsegmente 24 auf, wobei eine Anzahl von ersten Nuten 16 der zwei ersten Ringsegmente 23 größer ist als eine Anzahl von zweiten Nuten 17 der zwei zweiten Ringsegmente 24.
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Es sind somit einerseits zwei erste Ringsegmente 23 realisiert, in denen keine räumliche Überlappung von unterschiedlichen Teilsystemen 5, 10, stattfindet und andererseits zwei zweite Ringsegmente 24, in denen eine räumliche Überlappung der Teilsysteme 5, 10 stattfindet. Der Überlappungsbereich erstreckt sich hier über zwei mal sechs zweite Nuten 17. Bei 48 Nuten 16, 17 des Stators 1 resultieren somit 36 Nuten 16, 17, in denen keine Überlappung zwischen den zwei dreisträngigen Teilsystemen 5, 10 resultiert. Jedes Teilsystem 5, 10, hier angesteuert über einen eigenen Umrichter 33, 34, hat somit jeweils 18 Nuten 16, 17 für sich allein.
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6 zeigt eine erste Leiterführung für das Wickelschema nach 5, für eine Anwendung mit einer Zwischenkreisspannung, z. B. von 800 Volt. Dargestellt ist die Leiterführung des ersten Strangs des ersten Teilsystems 7. Ausgehend von einem Spulenanfang 26 und einer ersten Stirnseite 28 des Stators 1 erstreckt sich der Leiter 22 zunächst durch eine zweite Nut 17 (hier Nut 4) hin zur zweiten Stirnseite 29. Über eine an der zweiten Stirnseite 29 vorgesehene zweite Verbindung 31 erstreckt sich der Leiter 22 im Bereich des Wickelkopfes entlang der Umfangsrichtung 20 zu einer ersten Nut 16 (hier Nut 9) und zurück zur ersten Stirnseite 28. Über eine an der ersten Stirnseite 28 vorgesehene erste Verbindung 30 erstreckt sich der Leiter 22 im Bereich des anderen Wickelkopfes entlang der Umfangsrichtung 20 zu einer zweiten Nut 17 (hier Nut 3) und zurück zur zweiten Stirnseite 29. Der Leiter 22 erstreckt sich so über die Nuten 3, 4, 9, 10, 15, 16, 21, 22 27 und 28 bis zum Spulenende 27, das sich an Nut 22 an der ersten Stirnseite 28 anschließt. Die Führung des Leiters 22 durch die Nuten 16, 17 und am Stator 1 zeigt, dass keine aufwändigen Rückführungen in den Wickelköpfen benötigt werden.
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7 zeigt eine zweite Leiterführung für das Wickelschema nach 5, für eine Anwendung mit einer gegenüber der ersten Leiterführung halbierten Zwischenkreisspannung, also z. B. von 400 Volt. Auf die Ausführungen zu 6 wird verwiesen.
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Im Unterschied zur ersten Leiterführung ist hier die Windungszahl sowie daraus resultierend die Anzahl der Leiter 22 in der Leiterführung angepasst worden. Die grundsätzliche Verschachtelung der Leiter 22 ist allerdings unverändert. Auch Überlappungsbereiche der unterschiedlichen Teilsysteme 5, 10 sind unverändert.
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Ausgehend von einem Spulenanfang 26 und einer ersten Stirnseite 28 des Stators 1 erstreckt sich der Leiter 22 des ersten Strangs 7 des ersten Teilsystems 5 zunächst durch eine zweite Nut 17 (hier Nut 4) hin zur zweiten Stirnseite 29. Über eine an der zweiten Stirnseite 29 vorgesehene zweite Verbindung 31 erstreckt sich der Leiter 22 im Bereich des Wickelkopfes entlang der Umfangsrichtung 20 zu einer ersten Nut 16 (hier Nut 9) und zurück zur ersten Stirnseite 28. Über eine an der ersten Stirnseite 28 vorgesehene erste Verbindung 30 erstreckt sich der Leiter 22 im Bereich des anderen Wickelkopfes entlang der Umfangsrichtung 20 zu einer zweiten Nut 17 (hier Nut 3) und zurück zur zweiten Stirnseite 29. Der Leiter 22 erstreckt sich so über die Nuten 3, 4, 9, 10, 15, 16, 21, 22, 27 und 28 bis zum Spulenende 27, das sich an Nut 22 an der ersten Stirnseite 28 anschließt. Die Führung des Leiters 22 durch die Nuten 16, 17 und am Stator 1 zeigt, dass keine aufwändigen Rückführungen in den Wickelköpfen benötigt werden.
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8 zeigt eine dritte Leiterführung für das Wickelschema nach 5, für eine Anwendung mit einer Zwischenkreisspannung, z. B. von 800 Volt. Auf die Ausführungen zu 6 und 7 wird verwiesen.
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Die Leiterführung und Verschachtelung des Leiters 22 ist hier unterschiedlich ausgeführt. Durch die geänderte Verschachtelung ist die Belegung der Nutschichten in den Überlappungsbereichen (also in den zweiten Nuten 17) ebenso verändert. Somit können die einzelnen Leiter 22 bzw. Hairpins in der Nut 16, 17 verschiedenen Nutschichten zugeordnet werden. Je nachdem welche Hairpins übereinander liegen (welche durchlaufende Nummer hier gewählt ist) können auch die Differenzspannungen zwischen den übereinander liegenden Hairpins beeinflusst werden. Es besteht also hier die Möglichkeit, die Differenzspannung zwischen übereinanderliegenden Hairpins zu reduzieren und somit z.B. die Durchschlagswahrscheinlichkeit bzw. Isolationsbelastung zu reduzieren.
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Ausgehend von einem Spulenanfang 26 und einer zweiten Stirnseite 29 des Stators 1 erstreckt sich der Leiter 22 des zweiten Strangs 8 des ersten Teilsystems 5 zunächst durch eine erste Nut 16 (hier Nut 20) hin zur ersten Stirnseite 28. Über eine an der ersten Stirnseite 28 vorgesehene erste Verbindung 30 erstreckt sich der Leiter 22 im Bereich des Wickelkopfes entlang der Umfangsrichtung 20 zu einer ersten Nut 16 (hier Nut 26) und zurück zur zweiten Stirnseite 29. Über eine an der zweiten Stirnseite 29 vorgesehene zweite Verbindung 31 erstreckt sich der Leiter 22 im Bereich des anderen Wickelkopfes entlang der Umfangsrichtung 20 zu einer ersten Nut 16 (hier Nut 20) und zurück zur ersten Stirnseite 28. Der Leiter 22 erstreckt sich so über die Nuten 26, 25, 20, 19, 14, 13, 8, 7, 21 bis zum Spulenende 27, das sich an Nut 1 an der zweiten Stirnseite 29 anschließt.
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9 zeigt einen bekannten Stator 1 in einer Ansicht entlang der Drehachse 3 im Schnitt, mit dem Wickelschema nach 4. Auf die Ausführungen zu 4 wird verwiesen.
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Der Stator 1 umfasst einen zylindrischen Grundkörper 15 mit einer Vielzahl von ausschließlich zweiten Nuten 17, die sich jeweils entlang einer axialen Richtung 18 und einer radialen Richtung 19 erstrecken und entlang einer Umfangsrichtung 20 nebeneinander angeordnet sind und dabei zwischen einander jeweils einen Zahn 21 ausbilden. In jeder zweiten Nut 17 ist eine Mehrzahl elektrischer Leiter 22 angeordnet, die als verteilte Wicklung in den zweiten Nuten 17 angeordnet sind. Jeder Leiter 22 ist jeweils einem Strang 7, 8, 9, 12, 13, 14 und Teilsystem 5, 10 zugeordnet. In jeder zweiten Nut 17 sind mindestens zwei Leiter 22 angeordnet, die voneinander unterschiedlichen Strängen 7, 8, 9, 12, 13, 14 unterschiedlicher Gruppen 6, 11 zugeordnet sind. Die zweiten Nuten 17 erstrecken sich entlang der axialen Richtung 18 und entlang der radialen Richtung 19 parallel zu der Drehachse 3 des dem Stator 1 zugeordneten Rotors, der in 9 nicht dargestellt, aber innerhalb des Stators 1 angeordnet ist. Die zweiten Nuten 17 weisen eine sich entlang der radialen Richtung 19 erstreckende Tiefe, eine sich entlang der Umfangsrichtung 20 erstreckende Breite und eine sich entlang der axialen Richtung 18 erstreckende Länge auf. Zwischen jeweils zwei zweiten Nuten 17 ist ein Zahn 21 ausgebildet. In den zweiten Nuten 17 sind, ausgehend von einem Nutgrund 25 und entlang der radialen Richtung 18, elektrische Leiter 22 in sechs Nutschichten aufeinander gestapelt und voneinander elektrisch isoliert angeordnet.
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Die Statorwicklung ist ausschließlich in zweite Nuten 17 eingelegt. Hier sind 48 zweite Nuten 17 vorgesehen, wobei in jeder zweiten Nut 17 jeweils sechs Leiter 22 in Nutschichten gestapelt angeordnet sind. Es ergibt sich ein großer Überlappungsbereich (siehe Pfeil, der zweites Ringsegment 24 darstellt) mit zweiten Nuten 17, in denen jeweils sowohl Stränge 6, 7, 8 der ersten Gruppe 6 als auch Stränge 12, 13, 14 der zweiten Gruppe 11 untergebracht sind. Aufgrund des großen räumlichen Überlappungsbereichs, nämlich über alle 48 zweite Nuten 17, zwischen den Teilsystemen 5, 10, und der dadurch bedingten räumlichen Nähe der Leiter 22 unterschiedlicher Gruppen 6, 11, sind die Teilsysteme 5, 10 stark induktiv verkoppelt.
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10 zeigt einen Stator 1 in einer Ansicht entlang der Drehachse 3 im Schnitt; mit dem Wickelschema nach 5. Auf die Ausführungen zu 5 wird verwiesen.
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Der Stator 1 umfasst einen zylindrischen Grundkörper 15, der an einer inneren Umfangsfläche 48 Nuten 16, 17 aufweist. Die Nuten 16, 17 erstrecken sich entlang der axialen Richtung 18 und entlang der radialen Richtung 19 parallel zu der Drehachse 3 des dem Stator 1 zugeordneten Rotors, der hier nicht dargestellt, aber innerhalb des Stators 1 angeordnet ist. Die Nuten 16, 17 weisen eine sich entlang der radialen Richtung 19 erstreckende Tiefe, eine sich entlang der Umfangsrichtung 20 erstreckende Breite und eine sich entlang der axialen Richtung 18 erstreckende Länge auf. Zwischen jeweils zwei Nuten 16, 17 ist ein Zahn 21 ausgebildet.
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11 zeigt den Stator 1 nach 10 in einer perspektivischen Ansicht. 12 zeigt den Stator 1 nach 10 und 11 in einer Seitenansicht. 13 zeigt den Stator 1 nach 10 bis 12 in einer Ansicht entlang der Drehachse 3. Das hier dargestellte Wickelschema entspricht der ersten Leiterführung nach 6, für eine Anwendung mit einer Zwischenkreisspannung von 800 Volt. Auf die Ausführungen zu den 5 und 10 wird Bezug genommen.
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Da sich die Spulen nach dem vorgeschlagenen Wicklungsschema nur innerhalb des, der jeweiligen Gruppe 6, 10 von Strängen 7, 8, 9, 12, 13, 14 zugeordneten, ersten Ringsegmentes 23 erstrecken, müssen die Pin-Enden der Leiter 22 bzw. Hairpins aus gleichen Nut-Positionen in unterschiedlichen Richtungen der Umfangsrichtung 20 verschränkt (getwistet) und miteinander kontaktiert werden. Das verursacht eine in der radialen Richtung 19 verschiedene Anzahl von Kontaktierstellen 44 im Wickelkopf (in diesem Ausführbeispiel 2 bis 4 Kontaktierstellen 44).
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14 zeigt mehrere Diagramme zu einem ersten Betrieb einer elektrischen Maschine 2 mit einer Statorwicklung nach 4. In dem oberen Diagramm ist auf der horizontalen Achse die Zeit 40 und auf der vertikalen Achse das PWM-Signal 38, 39 dargestellt. Hier liegen das erste Signal 38, also die PWM-Periode des ersten Strangs 7 der ersten Gruppe 6, und das zweite Signal 39, also die PWM-Periode des vierten Strangs 12 der zweiten Gruppe 10 zeitlich parallel zueinander.
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In dem mittleren Diagramm ist entlang der horizontalen Achse die Zeit 40 und entlang der vertikalen Achse der Strom 41 der jeweiligen Stränge 7, 8, 9 der ersten Gruppe 6 aufgetragen. Die Verläufe 43 zeigen den in den jeweiligen Strängen 7, 8, 9 resultierenden Strom 41 über der Zeit 40. Die der Sinusgrundschwingung 43 überlagerten Schwingungen stellen die Stromoberschwingungen dar.
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In dem unteren Diagramm sind für eine Fourier-Zerlegung eines Stroms 43 entlang der horizontalen Achse die Ordnungen 45 der Stromoberschwingungen und entlang der vertikalen Achse die Amplituden 42 der Stromoberschwingungen aufgetragen. Die hier eingekreisten Amplituden 42 bei bestimmten Ordnungen 45 stellen die schaltfrequenten Stromoberschwingungen (geringere Ordnungen 45) und die doppeltschaltfrequenten Stromoberschwingungen (höhere Ordnungen 45) dar.
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15 zeigt mehrere Diagramme zu einem zweiten Betrieb einer elektrischen Maschine 2 mit einer Statorwicklung nach 4. Auf die Ausführungen zu 14 wird verwiesen.
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Im Unterschied zu 14 ist hier im oberen Diagramm erkennbar, dass die PWM-Perioden, also das erste Signal 38 und das zweite Signal 39, um jeweils eine viertel Periode zueinander versetzt sind (PWM-Interleaving). Die im mittleren Diagramm erkennbaren deutlicher ausgeprägteren überlagernden Schwingungen beim PWM-Interleaving verdeutlichen die starke induktive Kopplung der einzelnen Stränge 6, 7, 8, 12, 13, 14 der jeweiligen Teilsysteme 5, 10. In dem unteren Diagramm sind die deutlich höheren Amplituden der schalt- und doppeltschaltfrequenten Stromoberschwingungen erkennbar. Die hier eingekreisten Amplituden 42 bei bestimmten Ordnungen stellen die schaltfrequenten Stromoberschwingungen (geringere Ordnungen 45) und die doppeltschaltfrequenten Stromoberschwingungen (höhere Ordnungen 45) dar.
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Die 14 und 15 zeigen die Nachteile eines bekannten Wicklungsschemas bei unabhängiger Ansteuerung von zwei Teilsystemen 5, 10 mit zwei Umrichtern 33, 34 im Strangstrom. Insbesondere bei Einsatz von PWM-Interleaving (15) ergeben sich eine hohe Stromwelligkeit bzw. hohe Amplituden der (insbesondere taktungsbedingten) Stromoberschwingungen, die ungewünscht sind und zu Zusatzverlusten führen. Die Zusatzverluste resultieren dabei überall im zugehörigen Magnetkreis (der Statorwicklung (Stromwärmeverluste), im Elektroblech, in den Magneten (permanentmagneterregte Synchronmaschine), der Rotorwicklung (Asynchronmaschine) etc.).
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16 zeigt mehrere Diagramme zu einem ersten Betrieb einer elektrischen Maschine 2 mit einer Statorwicklung nach 5. Auf die Ausführungen zu 14 wird verwiesen.
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Wie in 14 ist hier im oberen Diagramm erkennbar, dass die PWM-Perioden, also das erste Signal 38 und das zweite Signal 39, zeitlich parallel liegen. Ein gleicher Betriebspunkt wie in 14 wird gewählt. Aus den Verläufen 43 im mittleren Diagramm ist erkennbar, dass hier überlagernde Schwingungen in nur geringem Maß vorliegen. In dem unteren Diagramm sind die Amplituden der taktungsbedingten Stromoberschwingungen kaum identifizierbar. Die hier eingekreisten Amplituden 42 bei bestimmten Ordnungen stellen die schaltfrequenten Stromoberschwingungen (geringere Ordnungen 45) und die doppeltschaltfrequenten Stromoberschwingungen (höhere Ordnungen 45) dar.
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17 zeigt mehrere Diagramme zu einem zweiten Betrieb einer elektrischen Maschine 2 mit einer Statorwicklung nach 5. Auf die Ausführungen zu 15 wird verwiesen.
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Wie in 15 ist hier im oberen Diagramm erkennbar, dass die PWM-Perioden, also das erste Signal 38 und das zweite Signal 39, um eine viertel Periode zueinander versetzt liegen (PWM-Interleaving). Es wird ein gleicher Betriebspunkt wie in 15 gewählt. Aus den Verläufen 43 im mittleren Diagramm ist erkennbar, dass auch hier überlagernde Schwingungen in nur geringem Maß vorliegen. In dem unteren Diagramm sind die Amplituden der taktungsbedingten Stromoberschwingungen kaum identifizierbar. Die hier eingekreisten Amplituden 42 bei bestimmten Ordnungen stellen die schaltfrequenten Stromoberschwingungen (geringere Ordnungen 45) und die doppeltschaltfrequenten Stromoberschwingungen (höhere Ordnungen 45) dar.
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16 und 17 zeigen die Vorteile des vorgeschlagenen Wicklungsschemas bei unabhängiger Ansteuerung von zwei Teilsystemen 5, 10 mit zwei Umrichtern 33, 34 im Strangstrom. Insbesondere bei Einsatz von PWM-Interleaving (17) ergeben sich eine geringe Stromwelligkeit und sehr geringe Amplituden der (insbesondere taktungsbedingten) Stromoberschwingungen. Die Stromform, siehe die Verläufe 43, weicht nur geringfügig von der gewünschten Sinusform ab, sodass die Zusatzverluste aufgrund von Stromoberschwingungen deutlich reduziert sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Stator
- 2
- Maschine
- 3
- Drehachse
- 4
- Spannungsversorgung
- 5
- erstes Teilsystem (Drehstromsystem)
- 6
- erste Gruppe
- 7
- erster Strang
- 8
- zweiter Strang
- 9
- dritter Strang
- 10
- zweites Teilsystem (Drehstromsystem)
- 11
- zweite Gruppe
- 12
- vierter Strang
- 13
- fünfter Strang
- 14
- sechster Strang
- 15
- Grundkörper
- 16
- erste Nut
- 17
- zweite Nut
- 18
- axiale Richtung
- 19
- radiale Richtung
- 20
- Umfangsrichtung
- 21
- Zahn
- 22
- Leiter
- 23
- erstes Ringsegment
- 24
- zweites Ringsegment
- 25
- Nutgrund
- 26
- Spulenanfang
- 27
- Spulenende
- 28
- erste Stirnseite
- 29
- zweite Stirnseite
- 30
- erste Verbindung
- 31
- zweite Verbindung
- 32
- Antriebssystem
- 33
- erster Umrichter
- 34
- zweiter Umrichter
- 35
- Leistungselektronik
- 36
- Induktivität
- 37
- Widerstand
- 38
- erstes Signal
- 39
- zweites Signal
- 40
- Zeit
- 41
- Strom
- 42
- Amplitude
- 43
- Verlauf
- 44
- Kontaktierstelle
- 45
- Ordnung
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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 102016224178 A1 [0010]
- DE 102011016123 A1 [0011]
- DE 102018124784 A1 [0012]
- DE 102004036727 A1 [0013]
