DE102021212413A1 - Electric drive with an electric machine with star point switching - Google Patents

Abstract

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

An electric drive (17) with an electric machine (1) is specified, which is designed as a synchronous motor, reluctance motor or permanent magnet-supported synchronous reluctance machine and in which the stator windings (8) of each phase (u, v, w) are divided into a number of subphases ( u'...w'') are subdivided. The partial strands (u'...w'') of a phase (u, v, w) are connected in series or can be connected in series via switching elements (S1..S4). The electric drive (17) also includes switching elements (S1...S4) for producing one or more star point circuits, with each phase (u, v, w) having the same number of sub-phases (u'...w'') in star is switched. A vehicle (18) with such an electric drive (17) is also specified.

Description

TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Antrieb mit einer elektrischen Maschine sowie ein Fahrzeug mit einem solchen Antrieb. Die elektrische Maschine ist als (insbesondere permanent erregter) Synchronmotor, Reluktanzmotor oder permanentmagnetunterstützte Synchron-Reluktanzmaschine ausgeführt.The invention relates to an electric drive with an electric machine and a vehicle with such a drive. The electrical machine is designed as a (in particular permanently excited) synchronous motor, reluctance motor or permanent magnet-supported synchronous reluctance machine.

STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART

Die oben genannten elektrischen Maschinen sind an sich bekannt und werden in unterschiedlichen technischen Gebieten eingesetzt, beispielsweise für den Antrieb elektrischer Kraftfahrzeuge. Bei E-Autos kommen wegen der deutlich höheren Energieeffizienz vorwiegend permanenterregte Synchronmotoren zum Einsatz, die aufgrund ihres Oberfeldverhaltens nur in Sternschaltung betrieben werden, nicht aber in Dreieckschaltung. Eine Stern-Dreieck-Umschaltung zur Anpassung des Betriebsverhaltens der elektrischen Maschine scheidet damit aus. Typischerweise werden die Elektromotoren entweder für einen weiten Leistungsbereich mit hohem Maximaldrehmoment oder für hohe Leistung bei Maximaldrehzahl ausgelegt. Dies bringt jedoch Nachteile bezüglich Bauraum, Kosten und Wirkungsgrad der elektrischen Maschine mit sich. Alternativ kommen schaltbare Ganggetriebe zum Einsatz, die als zugkraftunterbrechungsfreie Ausführung ebenfalls Nachteile bezüglich des Wirkungsgrads aufweisen und zu erhöhten Kosten mit gesteigertem Bauraumbedarf führen.The electric machines mentioned above are known per se and are used in different technical fields, for example for driving electric motor vehicles. Due to the significantly higher energy efficiency, permanently excited synchronous motors are mainly used in e-cars, which are only operated in a star connection due to their upper field behavior, but not in a delta connection. A star-delta switchover to adapt the operating behavior of the electrical machine is therefore ruled out. Typically, the electric motors are designed either for a wide power range with high maximum torque or for high power at maximum speed. However, this entails disadvantages in terms of installation space, costs and efficiency of the electrical machine. Alternatively, switchable gear transmissions are used, which, as a design without interruptions in tractive force, also have disadvantages in terms of efficiency and lead to increased costs with increased installation space requirements.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNGDISCLOSURE OF THE INVENTION

Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen verbesserten elektrischen Antrieb sowie ein verbessertes Fahrzeug mit einem solchen elektrischen Antrieb anzugeben. Insbesondere soll das Betriebsverhalten der elektrischen Maschine bei kleinem Bauraum, geringen Kosten, hohem Wirkungsgrad und nach Möglichkeit ohne schaltbares Getriebe angepasst werden können.It is therefore an object of the invention to specify an improved electric drive and an improved vehicle with such an electric drive. In particular, the operating behavior of the electrical machine should be able to be adapted with a small installation space, low costs, high efficiency and, if possible, without a shiftable transmission.

Die Aufgabe der Erfindung wird mit einem elektrischen Antrieb mit einer elektrischen Maschine gelöst, welche einen Stator und einen zum Stator relativ drehbar gelagerten Rotor aufweist. Der Stator weist ein Statorblechpaket mit mehreren Statornuten und in den Statornuten angeordnete Statorwicklungen auf, wobei die Statorwicklungen jeder Phase in mehrere Teilstränge unterteilt sind. Weiterhin ist die elektrische Maschine als (insbesondere permanent erregter) Synchronmotor, Reluktanzmotor oder permanentmagnetunterstützte Synchron-Reluktanzmaschine ausgeführt. Die Teilstränge einer Phase sind in Serie geschaltet (oder anders gesagt zu einer Serienschaltung miteinander verbunden) oder sind über Schaltelemente in Serie schaltbar. Darüber hinaus umfasst der elektrische Antrieb Schaltelemente zum Herstellen einer oder mehrerer Sternpunktschaltungen, wobei je Phase die gleiche Anzahl an Teilsträngen in Stern geschaltet wird.The object of the invention is achieved with an electric drive with an electric machine which has a stator and a rotor which is mounted so that it can rotate relative to the stator. The stator has a stator laminated core with a plurality of stator slots and stator windings arranged in the stator slots, with the stator windings of each phase being divided into a plurality of sub-phases. Furthermore, the electrical machine is designed as a (in particular permanently excited) synchronous motor, reluctance motor or permanent magnet-supported synchronous reluctance machine. The partial strands of a phase are connected in series (or in other words connected to one another to form a series connection) or can be connected in series via switching elements. In addition, the electric drive includes switching elements for producing one or more star-point circuits, with the same number of partial strands being star-connected for each phase.

Weiterhin wird die Aufgabe durch ein Fahrzeug mit einem Antriebsstrang gelöst, der eine elektrische Maschine der oben genannten Art aufweist, die zum Antreiben des Fahrzeugs vorgesehen ist.Furthermore, the object is achieved by a vehicle with a drive train that has an electric machine of the type mentioned above, which is provided for driving the vehicle.

Mit Hilfe der vorgeschlagenen Maßnahmen kann das Betriebsverhalten der elektrischen Maschine bei kleinem Bauraum, geringen Kosten und hohem Wirkungsgrad auf einfache Weise angepasst werden. Ein schaltbares Getriebe ist dazu nicht nötig, jedoch wird die Kombination des vorgeschlagenen elektrischen Antriebs mit einem Schaltgetriebe nicht ausgeschlossen.With the help of the proposed measures, the operating behavior of the electrical machine can be adapted in a simple manner with a small installation space, low costs and high efficiency. A switchable transmission is not necessary for this, but the combination of the proposed electric drive with a manual transmission is not ruled out.

Mit Hilfe der vorgeschlagenen Maßnahmen kann der Drehmomentverlauf im unteren Drehzahlbereich bei einem wassergekühlten, permanenterregten Synchronmotor mit einem zusätzlichen Sternpunkt um etwa 30 % gegenüber permanenterregten Synchronmotoren ohne Sternpunktumschaltung angehoben werden. Die Sternpunktumschaltung bewirkt zudem eine Erhöhung der Maximalleistung um rund 30% in der oberen Drehzahlhälfte. Auf diese Weise kann ein breiter Drehzahlbereich mit hoher Maximalleistung erzielt werden. Da die verminderte Strangwindungszahl nach der Sternpunktumschaltung eine linear verminderte induzierte Spannung und eine quadratisch reduzierte Induktivität aufweist, ergibt sich neben der gesteigerten Maximalleistung eine deutliche Wirkungsgradsteigerung im oberen Drehzahlbereich gegenüber dem Betrieb der gesamten Statorwicklung, da signifikant weniger Strom zur Feldschwächung nötig ist (10-60%). Dies wiederum reduziert die Verluste im Wechselrichter ebenfalls erheblich, was zu einer weiteren Steigerung des Systemwirkungsgrades führt.With the help of the proposed measures, the torque curve in the lower speed range for a water-cooled, permanently excited synchronous motor with an additional star point can be increased by around 30% compared to permanently excited synchronous motors without star point switching. The star point switchover also increases the maximum power by around 30% in the upper half of the speed. In this way, a wide speed range with high maximum power can be achieved. Since the reduced number of phase windings after the star point switchover has a linearly reduced induced voltage and a quadratically reduced inductance, in addition to the increased maximum power, there is a significant increase in efficiency in the upper speed range compared to operation of the entire stator winding, since significantly less current is required for field weakening (10-60 %). This in turn also significantly reduces the losses in the inverter, leading to a further increase in system efficiency.

Grundsätzlich können die Schaltelemente als mechanische Schalter ausgeführt sein, beispielsweise als elektromechanische Relais oder Schütze. Besonders vorteilhaft ist es aber, wenn die Schaltelemente als elektronische Schalter ausgeführt sind. Beispielsweise können für diesen Zweck Halbleiter-Relais (Solid State Relais), Transistoren (insbesondere FETs und IGBTs) oder auch Thyristoren eingesetzt werden. Um einen Stromfluss in beide Richtungen zu ermöglichen, können gegebenenfalls zwei elektronische Schaltelemente antiparallel angeordnet werden, wenn diese aufgrund ihrer Bauart keinen bidirektionalen Stromfluss erlauben.In principle, the switching elements can be designed as mechanical switches, for example as electromechanical relays or contactors. However, it is particularly advantageous if the switching elements are designed as electronic switches. For example, semiconductor relays (solid state relays), transistors (particularly FETs and IGBTs) or else thyristors can be used for this purpose. In order to allow current to flow in both directions, two electronic switching elements can be arranged antiparallel if they do not allow a bidirectional current flow due to their design.

Ein „Synchronmotor“ ist ein Motor, bei dem ein konstant magnetisierter Rotor synchron von einem bewegten magnetischen Drehfeld im Stator mitgenommen wird. „Permanent erregte Synchronmotoren“ sind Motoren, deren Rotoren durch Permanentmagneten erregt sind. Ein „Reluktanzmotor“ ist eine Bauform eines Elektromotors, bei dem das Drehmoment im Rotor ausschließlich durch die Reluktanzkraft erzeugt wird. „Permanentmagnetunterstützte Synchron-Reluktanzmotoren“ („PMS-Motoren“) sind Mischformen zwischen permanent erregten Synchronmotoren und Reluktanzmotoren.A "synchronous motor" is a motor in which a constantly magnetized rotor is synchronously carried along by a rotating magnetic field in the stator. "Permanently excited synchronous motors" are motors whose rotors are excited by permanent magnets. A "reluctance motor" is a type of electric motor in which the torque in the rotor is generated solely by the reluctance force. "Permanent magnet-assisted synchronous reluctance motors"("PMSmotors") are hybrids between permanently excited synchronous motors and reluctance motors.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung in Zusammenschau mit den Figuren.Further advantageous refinements and developments of the invention result from the dependent claims and from the description in conjunction with the figures.

Günstig ist es, wenn für die Sternpunktschaltung oder je Sternpunktschaltung der mehreren Sternpunktschaltungen eine Anzahl von Schaltelementen vorgesehen ist, welche der um eins reduzierten Anzahl an Phasen entspricht, und wobei je Schaltelement zwei Phasen miteinander verbindbar sind. Auf diese Weise können die vorgeschlagenen Sternpunktumschaltungen mit einer Minimalzahl an Schaltelementen durchgeführt werden.It is favorable if a number of switching elements is provided for the star-point circuit or for each star-point circuit of the plurality of star-point circuits, which number corresponds to the number of phases reduced by one, and two phases can be connected to one another for each switching element. In this way, the proposed neutral point switchovers can be carried out with a minimum number of switching elements.

Günstig ist es, wenn die Schaltelemente als Ein-/Ausschalter ausgeführt sind. Dadurch kann eine Sternpunktumschaltung mit technisch einfach aufgebauten Schaltelementen durchgeführt werden. Insbesondere, aber nicht nur, eignen sich hierfür elektronische Schaltelemente, da diese in aller Regel über eine Ein-/Ausschaltfunktion verfügen. Alternativ ist es auch von Vorteil, wenn die Schaltelemente als Umschalter ausgeführt sind, wobei ein Schaltelement wahlweise zwei Teilstränge einer Phase in Serie schaltet oder zwei Teilstränge unterschiedlicher Phasen in Stern schaltet. Dadurch können zwei Teilstränge einer Phase wahlweise in Serie oder in Stern geschaltet werden. Von Vorteil ist hier insbesondere, dass für eine bestimmte Sternpunktschaltung nicht benötigte Teilstränge auf einfache Weise elektrisch weg- beziehungsweise ausgeschaltet werden können.It is favorable if the switching elements are designed as on/off switches. As a result, a star point changeover can be carried out with switching elements that are technically simple. In particular, but not exclusively, electronic switching elements are suitable for this, since they usually have an on/off function. Alternatively, it is also advantageous if the switching elements are designed as changeover switches, with a switching element selectively connecting two partial strands of one phase in series or two partial strands of different phases in star. This means that two sub-strings of one phase can be connected either in series or in star. A particular advantage here is that sub-strings that are not required for a specific star-point connection can be electrically switched off or switched off in a simple manner.

Günstig ist es, wenn die in Serie geschalteten oder schaltbaren Teilstränge zu einer Sternschaltung miteinander verbunden sind. Auf diese Weise kann eine Umschaltung des Sternpunkts mit nur wenigen Schaltelementen erfolgen, da ein Sternpunkt fix verbunden ist, nämlich jener, bei der die Teilstränge der Phasen jeweils in Serie verbunden sind. Alternativ ist es auch von Vorteil, wenn die in Serie geschalteten oder schaltbaren Teilstränge über Schaltelemente zu einer Sternschaltung miteinander verbindbar sind. Auf diese Weise kann der besagte Sternpunkt geöffnet werden, sodass die Sternschaltung elektrisch nicht mehr wirksam ist.It is favorable if the partial strands which are connected or switchable in series are connected to one another to form a star connection. In this way, the star point can be switched over with only a few switching elements, since a star point is permanently connected, namely the one in which the partial strands of the phases are each connected in series. Alternatively, it is also advantageous if the series-connected or switchable partial strands can be connected to one another via switching elements to form a star connection. In this way, said star point can be opened, so that the star connection is no longer electrically effective.

Vorteilhaft umfasst der elektrische Antrieb eine Steuerung, welche dazu eingerichtet ist, die Phasen der elektrischen Maschine abhängig vom Betriebszustand der elektrischen Maschine in Stern zu schalten. Da die unterschiedlichen Sternpunkte das Betriebsverhalten der elektrischen Maschine wesentlich beeinflussen, kann durch vorteilhafte Umschaltung der Sternpunkte insgesamt ein günstiger Drehmoment- beziehungsweise Leistungsverlauf erzielt werden.The electric drive advantageously includes a controller which is set up to switch the phases of the electric machine to star depending on the operating state of the electric machine. Since the different star points have a significant influence on the operating behavior of the electrical machine, a favorable torque or power curve can be achieved overall by advantageous switching over of the star points.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn

• - die elektrische Maschine k Teilstränge je Phase sowie eine nominale Maximaldrehzahl n_max aufweist und
• - die Steuerung dazu eingerichtet ist, für i=1...k-1
  • -) eine Umschaltung bei Drehzahlen n_max · i/k vorzunehmen und
  • -) im Bereich von 0 bis n_max/k k Teilstränge und
  • -) in einem Bereich von n_max · i/k bis n_max · (i+1)/k k-i Teilstränge in Stern zu schalten.

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

• - the electrical machine has k sub-strings per phase and a nominal maximum speed n _max and
• - the controller is set up for i=1...k-1
  • -) carry out a changeover at speeds n _max · i/k and
  • -) in the range from 0 to n _max /kk sub-strings and
  • -) in a range from n _max · i/k to n _max · (i+1)/k ki partial strands in star.

This results in a particularly favorable course of torque and power over the speed. In concrete terms, both high starting torque and high maximum speed as well as high performance in the upper speed range can be achieved. Compared to a conventional electrical machine with only one star point, the operating range of an electrical machine can therefore be significantly expanded.

In einem Beispiel wird angenommen, dass die elektrische Maschine k=2 Teilstränge je Phase aufweist. Es gilt daher i=1. Demzufolge wird eine Umschaltung bei n_max/2 vorgenommen, wobei im Bereich von 0 bis n_max/2 zwei (zu einer Serienschaltung verbundene) Teilstränge je Phase in Stern geschaltet werden und in einem Bereich von n_max/2 bis n_max ein Teilstrang je Phase in Stern geschaltet wird. Generell können die angegebenen Werte mit einer Toleranz von ±5% oder ±10% vom Nennwert behaftet sein.In one example, it is assumed that the electrical machine has k=2 sub-strings per phase. Therefore i=1 applies. Accordingly, a changeover is made at n _max /2, with two substrings per phase (connected to form a series connection) being star-connected in the range from 0 to _nmax /2 and one substring per phase in a range from n _max /2 to _nmax phase is switched to star. In general, the specified values can have a tolerance of ±5% or ±10% of the nominal value.

In einer weiteren Ausführungsform des elektrischen Antriebs kann vorgesehen sein,

• - dass die Schaltelemente in die elektrische Maschine integriert sind oder
• - dass die Schaltelemente in die Steuerung integriert sind oder
• - dass der elektrische Antrieb ein mit den Statorwicklungen verbundenes Schaltmodul aufweist, in welches die Schaltelemente integriert sind oder
• - dass der elektrische Antrieb einen mit den Statorwicklungen verbundenen Wechselrichter aufweist, in welchen die Schaltelemente integriert sind.

Dadurch kann der elektrische Antrieb auf verschiedene Anwendungsgebiete angepasst werden. Beispielsweise kann ein elektrischer Antrieb mit in die elektrische Maschine integrierten Schaltelementen leicht mit einem herkömmlichen Wechselrichter verbunden werden. Sind die Schaltelemente in die Steuerung, das Schaltmodul oder den Wechselrichter integriert, so ergibt sich insgesamt ein kompakterer Aufbau der für den Betrieb der elektrischen Maschine vorgesehenen elektronischen Baugruppe und so weiter.In a further embodiment of the electric drive it can be provided that

• - That the switching elements are integrated into the electrical machine or
• - That the switching elements are integrated into the control or
• - That the electric drive has a switching module connected to the stator windings, in which the switching elements are integrated or
• - That the electric drive has an inverter connected to the stator windings, in which the switching elements are integrated.

As a result, the electric drive can be adapted to different areas of application. For example, an electric drive with switching elements integrated into the electric machine can easily be connected to a conventional inverter. If the switching elements are integrated into the controller, the switching module or the inverter, this results overall in a more compact structure for the electronic assembly provided for operating the electrical machine and so on.

Günstig ist es weiterhin, wenn jeder Teilstrang symmetrisch um eine Rotationsachse des Rotors ausgebildet ist. Dadurch ist der Drehmomentverlauf über den Drehwinkel des Rotors gesehen ebenfalls symmetrisch ausgebildet, und es kommt im Betrieb der elektrischen Maschine zu keinen oder nur geringen Drehmomentschwankungen.It is also favorable if each sub-strand is designed symmetrically about an axis of rotation of the rotor. As a result, the torque curve is also symmetrical, viewed over the rotation angle of the rotor, and there are no or only slight torque fluctuations during operation of the electric machine.

Günstig ist es schließlich, wenn die Statorwicklung als Zweischicht-Ganzlochwicklung ausgeführt ist. Dadurch kann die Sternpunktumschaltung auf eine erprobte Art der Statorwicklung angewandt werden.Finally, it is favorable if the stator winding is designed as a two-layer all-slot winding. This means that star point switching can be applied to a tried and tested type of stator winding.

Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung lassen sich auf beliebige Art und Weise kombinieren.The above configurations and developments of the invention can be combined in any desired manner.

Figurenlistecharacter list

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

• 1 eine beispielhafte und schematisch im Halbschnitt dargestellte elektrische Maschine;
• 2 ein Statorblechpaket mit einigen Statorwicklungen in Vorderansicht;
• 3 ein erstes schematisch dargestelltes Beispiel für die elektrische Verschaltung der elektrischen Maschine;
• 4 wie 3, jedoch mit in der elektrischen Maschine integrierten Schaltelementen;
• 5 eine beispielhafte und schematische Darstellung einer Zweischicht-Ganzlochwicklung;
• 6 ein Beispiel zur Aufteilung der Zweischicht-Ganzlochwicklung aus 5 in mehrere Teilstränge;
• 7 die rekombinierten Teilstränge und somit die Statorwicklung einer Phase;
• 8 eine alternative Darstellung der Statorwicklung der elektrischen Maschine aus 3 und 4;
• 9 wie 8, jedoch mit Schaltelementen, die als Umschalter ausgeführt sind, sowie mit einem fix verbundenem Sternpunkt;
• 10 einen beispielhaften Drehmoment-Drehzahl-Verlauf für die elektrische Maschine;
• 11 einen beispielhaften Leistungs-Drehzahl-Verlauf für die elektrische Maschine und
• 12 ein schematisch dargestelltes Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antrieb der vorgeschlagenen Art.

Exemplary embodiments of the invention are shown in the accompanying schematic figures. Show it:

• 1 an exemplary electric machine shown schematically in half section;
• 2 a stator core with some stator windings in front view;
• 3 a first example shown schematically for the electrical wiring of the electrical machine;
• 4 How 3 , but with switching elements integrated in the electrical machine;
• 5 an exemplary and schematic representation of a two-layer all-slot winding;
• 6 an example of the division of the two-layer all-slot winding 5 into several strands;
• 7 the recombined sub-phases and thus the stator winding of one phase;
• 8th an alternative representation of the stator winding of the electrical machine 3 and 4 ;
• 9 How 8th , but with switching elements designed as changeover switches and with a permanently connected star point;
• 10 an exemplary torque-speed curve for the electric machine;
• 11 an exemplary power-speed curve for the electric machine and
• 12 a motor vehicle shown schematically with an electric drive of the proposed type.

DETAILIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Einführend wird festgehalten, dass gleiche Teile in den unterschiedlich Ausführungsformen mit gleichen Bezugszeichen beziehungsweise gleichen Bauteilbezeichnungen versehen werden, gegebenenfalls mit unterschiedlichen Indizes. Die in der Beschreibung enthaltene Offenbarung eines Bauteils kann sinngemäß auf ein anderes Bauteil mit gleichem Bezugszeichen beziehungsweise gleicher Bauteilbezeichnung übertragen werden. Auch sind die in der Beschreibung gewählten Lageangaben, wie zum Beispiel „oben“, „unten“, „hinten“, „vorne“, „seitlich“ und so weiter auf die unmittelbar beschriebene sowie dargestellte Figur bezogen und bei einer Lageänderung sinngemäß auf die neue Lage zu übertragen.As an introduction, it is stated that the same parts in the different embodiments are provided with the same reference numbers or the same component designations, possibly with different indices. The disclosure contained in the description of a component can be transferred analogously to another component with the same reference number or the same component designation. The position information selected in the description, such as "top", "bottom", "back", "front", "side" and so on, refers to the figure directly described and shown and, in the event of a change of position, to the new one transfer location.

1 zeigt einen Halbschnitt durch eine beispielhafte, schematisch dargestellte elektrische Maschine 1. Die elektrische Maschine 1 umfasst eine Welle 2 mit einem darauf sitzenden Rotor 3, wobei die Welle 2 mit Hilfe von (Wälz)lagern 4a, 4b um eine Drehachse A gegenüber einem Stator 5 drehbar gelagert ist. Der Rotor 3 weist insbesondere nicht im einzeln dargestellte hintereinander angeordnete Rotorbleche sowie Rotormagnete oder eine Rotorwicklung auf. Der Stator 5 weist mehrere hintereinander angeordnete Statorbleche 6 auf, die gemeinsam ein Statorblechpaket 7 bilden, sowie eine am Statorblechpaket 7 angeordnete Statorwicklung 8. In dem in 1 gezeigten Beispiel sitzt das erste Lager 4a in einem ersten (vorderen) Lagerschild 9 und das zweite Lager 4b in einem zweiten (hinteren) Lagerschild 10. Zwischen dem ersten Lagerschild 9 und dem zweiten Lagerschild 10 ist das Statorgehäuse 11 angeordnet, das den Stator 5 umgibt. Das erste Lagerschild 9, das zweite Lagerschild 10 und das Statorgehäuse 11 bilden gemeinsam das Maschinengehäuse oder Motorgehäuse 12. 1 shows a half section through an exemplary, schematically illustrated electrical machine 1. The electrical machine 1 comprises a shaft 2 with a rotor 3 seated thereon, the shaft 2 being rotated about an axis of rotation A relative to a stator 5 with the aid of (roller) bearings 4a, 4b is rotatably mounted. The rotor 3 has in particular rotor laminations, which are not shown individually, arranged one behind the other, as well as rotor magnets or a rotor winding. The stator 5 has a plurality of stator laminations 6 arranged one behind the other, which together form a laminated stator core 7, and a stator winding 8 arranged on the laminated stator core 7 1 The example shown sits the first bearing 4a in a first (front) end shield 9 and the second bearing 4b in a second (rear) end shield 10. The stator housing 11, which surrounds the stator 5, is arranged between the first end shield 9 and the second end shield 10 . The first bearing plate 9, the second bearing plate 10 and the stator housing 11 together form the machine housing or motor housing 12.

2 zeigt eine Vorderansicht des Statorblechpakets 7, das mehrere Statornuten 13 aufweist, in denen die Statorwicklungen 8 angeordnet sind. Zur Illustration sind nur einige der Statornuten 13 mit Statorwicklungen 8 gezeichnet, die jeweils mehrere Lagen aufweisen und den Phasen u, v, w der elektrischen Maschine 1 zugeordnet sind. 2 shows a front view of the stator core 7, which has a plurality of stator slots 13 in which the stator windings 8 are arranged. Only some of the stator slots 13 with stator windings 8 are shown for illustration, each of which has a plurality of layers and is assigned to the phases u, v, w of the electrical machine 1 .

3 zeigt nun ein erstes schematisch dargestelltes Beispiel für die elektrische Verschaltung der elektrischen Maschine 1. Konkret sind in der 3 jeweils zwei Teilstränge u'...w'' einer Phase u, v, w dargestellt, die in Serie geschaltet sind respektive zu einer Serienschaltung miteinander verbunden sind. Somit weist die Phase u in diesem Beispiel die beiden in Serie geschalteten Teilstränge u', u'' auf, die Phase v die beiden in Serie geschalteten Teilstränge v', v'' und die Phase w die beiden in Serie geschalteten Teilstränge w', w''. Erste Endpunkte der in Serie geschalteten Teilstränge u'...w'' beziehungsweise Phasen u, v, w sind an die Anschlüsse Tu, Tv, Tw außen geführt, und zweite Endpunkte der in Serie geschalteten Teilstränge u'...w'' beziehungsweise Phasen u, v, w sind an die Anschlüsse Tu'', Tv'', Tw'' nach außen geführt. Die Mittelabzapfungen der Serienschaltungen sind an die Anschlüsse Tu', Tv', Tw' nach außen geführt. 3 now shows a first example, shown schematically, of the electrical wiring of the electrical machine 1. Specifically, in FIG 3 in each case two partial strands u'...w'' of a phase u, v, w are shown, which are connected in series or are connected to one another to form a series circuit. Thus, in this example, the phase u has the two series-connected sub-phases u', u'', the phase v has the two series-connected sub-phases v', v'' and the phase w has the two series-connected sub-phases w', w''. First end points of the series-connected partial strands u'...w'' or phases u, v, w are routed externally to the connections Tu, Tv, Tw, and second end points of the series-connected partial strands u'...w'' or phases u, v, w are routed to the connections Tu'', Tv'', Tw'' to the outside. The center taps of the series circuits are routed to the connections Tu', Tv', Tw'.

Weiterhin umfasst die in der 3 dargestellte Anordnung einen Wechselrichter 14, der eingangsseitig mit einem positiven Anschluss + und einem negativen Anschluss - einer Gleichspannungsquelle und ausgangsseitig über die Anschlüsse Tu, Tv, Tw mit den Motorphasen u, v, w verbunden ist. Mit Hilfe des Wechselrichters 14 können die Drehzahl, das Drehmoment und/oder die Leistung der elektrischen Maschine 1 in an sich bekannter Weise eingestellt und gegebenenfalls geregelt werden.Furthermore, the in the 3 The arrangement shown has an inverter 14 which is connected on the input side to a positive connection + and a negative connection - of a DC voltage source and on the output side via the connections Tu, Tv, Tw to the motor phases u, v, w. With the help of the inverter 14, the speed, the torque and/or the power of the electrical machine 1 can be set in a manner known per se and, if necessary, regulated.

Darüber hinaus umfasst die in der 3 dargestellte Anordnung eine Steuerung 15 sowie zwei Schaltmodule 16a, 16b. Das erste Schaltmodul 16a weist in diesem Beispiel zwei Schaltelemente S1, S2 auf, die mit den Anschlüssen Tu', Tv', Tw' der Mittelabzapfungen der Phasen u, v, w verbunden sind. Das zweite Schaltmodul 16b weist in diesem Beispiel zwei Schaltelemente S3, S4 auf, die über die Anschlüsse Tu'', Tv'', Tw'' mit den zweiten Enden der Phasen u, v, w verbunden sind. Werden die Schaltelemente S1, S2 geschlossen und die Schaltelemente S3, S4 geöffnet, so werden die Teilstränge u'...w' in Stern geschaltet. Dabei wird je Phase u, v, w die gleiche Anzahl an Teilsträngen u'...w' in Stern geschaltet. Werden die Schaltelemente S3, S4 geschlossen und die Schaltelemente S1, S2 geöffnet, so werden die Stränge u...w in Stern geschaltet. Dabei wird ebenfalls je Phase u, v, w die gleiche Anzahl an Teilsträngen u'...w'' in Stern geschaltet. Denkbar ist auch, dass sowohl die Schaltelemente S1, S2 als auch die Schaltelemente S3, S4 geöffnet sind. Die elektrische Maschine 1 läuft dann leer. Werden sowohl die Schaltelemente S1, S2 als auch die Schaltelemente S3, S4 geschlossen, sind die Teilstränge u''...w'' kurzgeschlossen, und die elektrische Maschine 1 wird gebremst.In addition, the in the 3 Arrangement shown a controller 15 and two switching modules 16a, 16b. In this example, the first switching module 16a has two switching elements S1, S2, which are connected to the terminals Tu′, Tv′, Tw′ of the center taps of the phases u, v, w. In this example, the second switching module 16b has two switching elements S3, S4, which are connected to the second ends of the phases u, v, w via the connections Tu'', Tv'', Tw''. If the switching elements S1, S2 are closed and the switching elements S3, S4 are opened, then the partial strands u'...w' are star-connected. For each phase u, v, w, the same number of sub-phases u'...w' are star-connected. If the switching elements S3, S4 are closed and the switching elements S1, S2 are opened, the strands u...w are star-connected. In this case, the same number of partial strands u'...w'' are connected in star for each phase u, v, w. It is also conceivable that both the switching elements S1, S2 and the switching elements S3, S4 are open. The electrical machine 1 then runs idle. If both the switching elements S1, S2 and the switching elements S3, S4 are closed, the sub-phases u"...w" are short-circuited and the electric machine 1 is braked.

Die Steuerung 15 ist in diesem Beispiel mit den Schaltmodulen 16a, 16b verbunden und dazu eingerichtet, den Schaltzustand der Schaltelemente S1, S2, S3, S4 zu beeinflussen, das heißt diese zu öffnen oder zu schließen. Zudem ist die Steuerung 15 mit dem Wechselrichter 14 verbunden. In diesem Beispiel bildet die elektrische Maschine 1 gemeinsam mit den Schaltmodulen 16a, 16b den elektrischen Antrieb 17. Denkbar wäre aber auch, dass die Schaltelemente S1, S2, S3, S4 in einem einzigen Schaltmodul integriert sind. Insgesamt kann die elektrische Maschine 1 durch die vorgeschlagenen Maßnahmen über einen großen Betriebsbereich beeinflusst werden.In this example, the controller 15 is connected to the switching modules 16a, 16b and set up to influence the switching state of the switching elements S1, S2, S3, S4, ie to open or close them. In addition, the controller 15 is connected to the inverter 14 . In this example, the electric machine 1 together with the switching modules 16a, 16b forms the electric drive 17. However, it would also be conceivable for the switching elements S1, S2, S3, S4 to be integrated in a single switching module. Overall, the electrical machine 1 can be influenced by the proposed measures over a large operating range.

4 zeigt eine Anordnung, welche der in 3 dargestellten Anordnung sehr ähnlich ist. Im Unterschied zu der 3 sind die Schaltelemente S1, S2, S3, S4 jedoch in die elektrische Maschine 1 integriert, wodurch gesonderte Schaltmodule 16a, 16b entfallen können und wodurch die elektrische Maschine 1 gleichzeitig einen elektrischen Antrieb bildet. Ein weiterer Unterschied besteht darin, dass die Mittelabzapfungen der Serienschaltungen nicht nach außen geführt sind, sondern stattdessen ein mit den Schaltelementen S1, S2, S3, S4 verbundener Steueranschluss Tc nach außen geführt ist. Über diesen kann die Steuerung 15 den Schaltzustand der Schaltelemente S1, S2, S3, S4 beeinflussen und die Stränge u...w oder die Teilstränge u'...w' bedarfsweise in Stern schalten. Dabei werden die Schaltelemente S1, S2 und die Schaltelemente S3, S4 im Wechsel geschaltet. Das heißt, sind die Schaltelemente S1, S2 geöffnet, dann sind die Schaltelemente S3, S4 geschlossen und umgekehrt. Die Funktionsweise der in der 4 dargestellten Anordnung ist damit der Funktionsweise der in der 3 dargestellten Anordnung sehr ähnlich, ein Leerlauf oder eine Bremsschaltung kann dagegen nicht realisiert werden. Dies wäre jedoch möglich, wenn ein gesonderter Steueranschluss für die Schaltelemente S3, S4 vorgesehen wird. 4 shows an arrangement which corresponds to that in 3 shown arrangement is very similar. Unlike that 3 However, the switching elements S1, S2, S3, S4 are integrated into the electrical machine 1, which means that separate switching modules 16a, 16b can be omitted and as a result of which the electrical machine 1 forms an electrical drive at the same time. Another difference is that the center taps of the series circuits are not routed to the outside, but instead a control connection Tc connected to the switching elements S1, S2, S3, S4 is routed to the outside. The controller 15 can use this to influence the switching state of the switching elements S1, S2, S3, S4 and switch the strands u...w or the substrings u'...w' to star as required. The switching elements S1, S2 and the switching elements S3, S4 are switched alternately. This means that if the switching elements S1, S2 are open, then the switching elements S3, S4 are closed and vice versa. The functioning of the in the 4 The arrangement shown is thus the functioning of the 3 The arrangement shown is very similar, but an idle or braking circuit cannot be implemented. However, this would be possible if a separate control connection is provided for the switching elements S3, S4.

In 5 ist beispielhaft eine Zweischicht-Ganzlochwicklung schematisch dargestellt, anhand derer eine Möglichkeit zur Aufteilung der Phasen u, v, w erläutert werden soll. Die Zweischicht-Ganzlochwicklung kann dabei gesehnt oder ungesehnt ausgeführt sein. Konkret zeig die 5 zwei Wicklungslagen a1, a2 und die Aufteilung der Statorwicklung 8 in die Phasen u, v, w. Aus der Blattebene führende Stromrichtungen sind dabei mit einem Punkt gekennzeichnet, in die Blattebene führende Stromrichtungen mit einem „x“.In 5 a two-layer all-slot winding is shown schematically as an example, on the basis of which a possibility for dividing the phases u, v, w is to be explained. The two-layer all-slot winding can be designed with or without a pitch. Specifically, show them 5 two winding layers a1, a2 and the division of the stator winding 8 into the phases u, v, w. Current directions leading out of the plane of the page are marked with a dot, current directions leading into the plane of the page are marked with an “x”.

6 zeigt nun ein konkretes Beispiel zur Aufteilung der Phasen u, v, w, wobei ein Teilstrang u' im oberen Bereich der 6 und ein Teilstrang u'' im unteren Bereich der 6 dargestellt ist. Die Teilstränge u', u'' bilden dabei jeweils einen Strang einer Einschicht-Ganzlochwicklung. Aus der 6 wird auch deutlich, dass bei dieser Art der Aufteilung jeder Teilstrang u'...w'' symmetrisch um die Rotationsachse A des Rotors 3 ausgebildet ist. 7 zeigt schließlich die rekombinierten Teilstränge u' und u'' und somit die Statorwicklung 8 der Phase u. 6 now shows a specific example of the division of the phases u, v, w, with a sub-string u 'in the upper part of the 6 and a partial strand u'' in the lower area of the 6 is shown. The partial strands u', u'' each form a strand of a single-layer all-slot winding. From the 6 It is also clear that with this type of division, each partial strand u'...w'' is formed symmetrically about the axis of rotation A of the rotor 3 . 7 finally shows the recombined subphases u' and u'' and thus the stator winding 8 of phase u.

8 zeigt weiterhin eine alternative Darstellung der Statorwicklung 8 der elektrischen Maschine 1 aus den 3 und 4. Konkret sind nur die Teilstränge u'...w'' der Phasen u, v, w sowie die Schaltelemente S1, S2, S3, S4 dargestellt. In 8 sind darüber hinaus die beiden Sternpunkte SP1, SP2 gut erkennbar. Sind die Schaltelemente S1, S2 geöffnet und die Schaltelemente S3, S4 geschlossen, so ist der erste Sternpunkt SP1 wirksam, sind die Schaltelemente S1, S2 geschlossen und die Schaltelemente S3, S4 geöffnet, dann ist der zweite Sternpunkt SP2 wirksam. Die Schaltelemente S1, S2, S3, S4 sind dabei als Ein-/Ausschalter ausgeführt, und die Teilstränge u', u'', die Teilstränge v', v'' sowie die Teilstränge w', w'' sind jeweils fix zu einer Serienschaltung verbunden. 8th also shows an alternative representation of the stator winding 8 of the electrical machine 1 from FIGS 3 and 4 . Specifically, only the sub-phases u'...w'' of the phases u, v, w and the switching elements S1, S2, S3, S4 are shown. In 8th the two star points SP1, SP2 are also easily recognizable. If the switching elements S1, S2 are open and the switching elements S3, S4 are closed, then the first star point SP1 is active; if the switching elements S1, S2 are closed and the switching elements S3, S4 are open, then the second star point SP2 is active. The switching elements S1, S2, S3, S4 are in the form of on/off switches, and the subsections u′, u″, the subsections v′, v″ and the subsections w′, w″ are each fixed to one connected in series.

Somit sind je (schaltbarer) Sternpunktschaltung SP1, SP2 eine Anzahl von Schaltelementen S1...S4 vorgesehen, welche der um eins reduzierten Anzahl an Phasen u, v, w entspricht. Je Schaltelement S1...S4 sind zwei Phasen u, v, w miteinander verbindbar. Auf diese Weise können die vorgeschlagenen Umschaltungen mit einer Minimalzahl an Schaltelementen S1...S4 durchgeführt werden.Thus, for each (switchable) neutral point circuit SP1, SP2, a number of switching elements S1...S4 are provided, which corresponds to the number of phases u, v, w reduced by one. Two phases u, v, w can be connected to one another for each switching element S1...S4. In this way, the proposed switchovers can be carried out with a minimum number of switching elements S1...S4.

9 zeigt eine weitere Ausführungsvariante, bei der im Unterschied zu der in 8 dargestellten Ausführungsvariante nicht vier Ein-/Ausschalter, sondern drei Umschalter als Schaltelemente S1 ...S3 vorgesehen sind. Zudem ist der erste Sternpunkt SP1 permanent verbunden. Mit den Umschaltern können die beiden Teilstränge u'...w'' jeder Phase u, v, w wahlweise miteinander verbunden oder voneinander getrennt werden. 9 shows a further variant in which, in contrast to the 8th illustrated embodiment not four on / off switches, but three switches are provided as switching elements S1 ... S3. In addition, the first star point SP1 is permanently connected. With the changeover switches, the two partial strands u'...w'' of each phase u, v, w can be optionally connected to one another or separated from one another.

Grundsätzlich können die Schaltelemente S1...S4 als mechanische Schalter ausgeführt sein, beispielsweise als elektromechanische Relais oder Schütze. Besonders vorteilhaft ist es aber, wenn die Schaltelemente S1...S4 als elektronische Schalter ausgeführt sind. Beispielsweise können für diesen Zweck Halbleiter-Relais (Solid State Relais), Transistoren (insbesondere FETs und IGBTs) oder auch Thyristoren eingesetzt werden. Um einen Stromfluss in beide Richtungen zu ermöglichen, können gegebenenfalls zwei elektronische Schaltelemente antiparallel angeordnet werden, wenn diese aufgrund ihrer Bauart keinen bidirektionalen Stromfluss erlauben.In principle, the switching elements S1...S4 can be designed as mechanical switches, for example as electromechanical relays or contactors. However, it is particularly advantageous if the switching elements S1 . . . S4 are designed as electronic switches. For example, semiconductor relays (solid state relays), transistors (particularly FETs and IGBTs) or else thyristors can be used for this purpose. In order to allow current to flow in both directions, two electronic switching elements can be arranged antiparallel if they do not allow a bidirectional current flow due to their design.

Die 10 zeigt nun den Verlauf des Drehmoments M über die Drehzahl n für die elektrische Maschine 1. Der Drehmomentverlauf M1 bezieht sich dabei auf einen Betriebszustand, bei dem der erste Sternpunkt SP1 wirksam ist, und der Drehmomentverlauf M2 auf einen Betriebszustand, bei dem der zweite Sternpunkt SP2 wirksam ist. Die elektrische Maschine 1 kann entlang des Drehmomentverlaufs M1, M2 jeweils bis zur Erreichung einer Spannungsgrenze UG1, UG2 betrieben werden, ab welcher das Drehmoment M1, M2 stark abfällt. Die Maximaldrehzahl n_max der elektrischen Maschine 1 wird bei Schaltung des zweiten Sternpunkts SP2 erreicht. Ist der erste Sternpunkt SP1 wirksam, dann wird höchstens die halbe Maximaldrehzahl n_max/2 erreicht.The 10 now shows the curve of the torque M over the speed n for the electric machine 1. The torque curve M1 relates to an operating state in which the first star point SP1 is effective, and the torque curve M2 to an operating state in which the second star point SP2 is effective. The electric machine 1 can be operated along the torque curve M1, M2 until a voltage limit UG1, UG2 is reached, from which the torque M1, M2 drops sharply. The maximum speed n _max of the electrical machine 1 is reached when the second star point SP2 is switched on. If the first star point SP1 is active, then at most half the maximum speed n _max /2 is reached.

Die Halbierung der inneren Drehmomentkonstante hat bei gleicher Stromeinprägung eine Halbierung des inneren Drehmomentes zur Folge. Bei gleicher thermischer Auslastung ist jedoch eine höhere Stromeinprägung möglich, so dass der Drehmomentverlauf M1 bei einem wassergekühlten, permanenterregten Synchronmotor im unteren Drehzahlbereich um etwa 30 % höher ausfällt als der Drehmomentverlauf M2, so wie dies aus 10 ersichtlich ist.Halving the internal torque constant results in halving the internal torque with the same current applied. With the same thermal load, however, a higher current impression is possible, so that the torque curve M1 in a water-cooled, permanently excited synchronous motor in the lower speed range is about 30% higher than the torque curve M2, as this turns out 10 is evident.

Die 11 zeigt schließlich in analoger Weise den Verlauf der Leistung P über die Drehzahl n für die elektrische Maschine 1. Der Leistungsverlauf P1 bezieht sich dabei auf einen Betriebszustand, bei dem der erste Sternpunkt SP1 wirksam ist, und der Leistungsverlauf P2 auf einen Betriebszustand, bei dem der zweite Sternpunkt SP2 wirksam ist. Zu beachten ist jedoch die im Vergleich zu 10 geänderte Skalierung der Drehzahlachse n. Aus der 11 ist erkennbar, dass die maximale Leistung P erreicht wird, wenn der der zweite Sternpunkt SP2 wirksam ist, die Leistung P jedoch schneller ansteigt, wenn der erste Sternpunkt SP1 wirksam ist. Bei der halben Maximaldrehzahl n_max/2 weisen die beiden Leistungsverläufe P1, P2 denselben Wert auf.The 11 finally shows in an analogous manner the curve of the power P over the speed n for the electric machine 1. The power curve P1 refers to an operating state in which the first star point SP1 is effective, and the power curve P2 to an operating state in which the second star point SP2 is effective. However, it should be noted that compared to 10 changed scaling of the speed axis n. From the 11 it can be seen that the maximum power P is reached when the second star point SP2 is active, but the power P increases more quickly when the first star point SP1 is active. At half the maximum speed n _max /2, the two power curves P1, P2 have the same value.

Im dargestellten Beispiel ermöglicht die Sternpunktumschaltung eine Erhöhung der Maximalleistung um rund 30% in der oberen Drehzahlhälfte. Auf diese Weise kann ein breiter Drehzahlbereich hoher Maximalleistung erzielt werden. Da die verminderte Strangwindungszahl nach der Sternpunktumschaltung eine linear verminderte induzierte Spannung und eine quadratisch reduzierte Induktivität aufweist, ergibt sich neben der gesteigerten Maximalleistung eine deutliche Wirkungsgradsteigerung im oberen Drehzahlbereich gegenüber dem Betrieb der kompletten Statorwicklung 8, da signifikant weniger Strom zur Feldschwächung nötig ist (etwa 10-60%). Dies wiederum reduziert die Verluste im Wechselrichter 14 ebenfalls erheblich, was zu einer weiteren Steigerung des Systemwirkungsgrades führt. Besonders bei permanenterregten Synchronmotoren mit einer Leistungsüberhöhung im Eckpunkt zur Spannungsgrenze UG1 und einem Abfall der Maximalleistung hin zur Maximaldrehzahl n_max macht sich die mögliche Leistungssteigerung durch die Sternpunktumschaltung deutlich bemerkbar, so wie dies aus 11 ersichtlich ist.In the example shown, the star point switch enables the maximum power to be increased by around 30% in the upper half of the speed. In this way, a wide speed range with high maximum power can be achieved. Since the reduced number of phase turns has a linearly reduced induced voltage and a quadratically reduced inductance after the star point switchover, there is a significant increase in efficiency in the upper speed range compared to the operation of the complete stator winding 8 in addition to the increased maximum power, since significantly less current is required for field weakening (approx 10-60%). This in turn also reduces the losses in the inverter 14 considerably, which leads to a further increase in the system efficiency. Especially with permanently excited synchronous motors with a power increase in the corner point to the voltage limit UG1 and a drop in the maximum power towards the maximum speed n _max , the possible increase in power through the star point switchover is clearly noticeable, as this shows 11 is evident.

Von Vorteil ist es nun, wenn die Steuerung 15 dazu eingerichtet ist, die Phasen u, v, w der elektrischen Maschine 1 abhängig vom Betriebszustand der elektrischen Maschine 1 in Stern zu schalten.It is now advantageous if the controller 15 is set up to star-connect the phases u, v, w of the electrical machine 1 depending on the operating state of the electrical machine 1 .

Insbesondere ist es dabei von Vorteil, wenn:

• - die elektrische Maschine 1 k Teilstränge u'...w'' je Phase u, v, w sowie eine nominale Maximaldrehzahl n_max aufweist und
• - die Steuerung 15 dazu eingerichtet ist, für i=1...k-1
  • -) eine Umschaltung bei Drehzahlen n_max · i/k vorzunehmen und
  • -) im Bereich von 0 bis n_max/k k Teilstränge u'...w'' und
  • -) in einem Bereich von n_max · i/k bis n_max · (i+1)/k k-i Teilstränge (u'...w'') in Stern zu schalten.

In particular, it is advantageous if:

• - the electrical machine has 1 k partial strands u'...w'' per phase u, v, w and a nominal maximum speed n _max and
• - the controller 15 is set up for i=1...k-1
  • -) carry out a changeover at speeds n _max · i/k and
  • -) in the range from 0 to n _max /kk substrings u'...w'' and
  • -) in a range from n _max i/k to n _max (i+1)/k ki partial strands (u'...w'') to star.

In den gezeigten Beispielen weist die elektrische Maschine k=2 Teilstränge u'...w'' je Phase u, v, w auf. Es gilt daher i=1. Demzufolge wird eine Umschaltung bei n_max/2 vorgenommen, wobei im Bereich von 0 bis n_max zwei Teilstränge u'...w'' in Stern geschaltet werden und in einem Bereich von n_max/2 bis n_max ein Teilstrang u'...w' in Stern geschaltet wird. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass im Bereich von 0 bis n_max/2 der erste Sternpunkt SP1 wirksam ist und in einem Bereich von n_max/2 bis n_max der zweite Sternpunkt SP2.In the examples shown, the electrical machine has k=2 sub-phases u'...w'' per phase u, v, w. Therefore i=1 applies. Accordingly, a changeover is made at n _max /2, with two partial strands u'...w'' being star-connected in the range from 0 to n _max and one partial strand u' in a range from n _max /2 to n _max . ..w' is connected in star. In other words, this means that the first star point SP1 is effective in the range from 0 to n _max /2 and the second star point SP2 in a range from n _max /2 to n _max .

In einem weiteren Beispiel werden die folgenden Werte angenommen: $${\text{n}}_{\text{max}}=3000{\text{ min}}^{-1}$$

In another example, the following values are assumed: $${\text{n}}_{\text{Max}}=3000{\text{at least}}^{-1}$$

Es ergibt sich daher: $$\text{k}=3$$

Umschaltung bei n = 1000, 2000 min^-1 Drehzahlbereiche: n = 0...1000; 3 Teilstränge n = 1000...2000 min^-1; 2 Teilstränge n = 2000...3000 min^-1; 1 TeilsträngeIt therefore follows: $$\text{k}=3$$

Changeover at n = 1000, 2000 ^rpm Speed ranges: n = 0...1000; 3 partial strands n = 1000...2000 min ^-1 ; 2 partial strands n = 2000...3000 min ^-1 ; 1 partial strands

Die vorgeschlagenen Maßnahmen können dabei für jede beliebige Anzahl an Teilsträngen u'...w'' je Phase u, v, w vorgesehen sein.The proposed measures can be provided for any number of partial strands u'...w'' per phase u, v, w.

Generell ist anzumerken, dass die angegebenen Drehzahlwerte mit einer Toleranz von ±5% oder ±10% vom Nennwert behaftet sein können. Beispielweise kann die erste Umschaltung bei einer Toleranz von ±10% daher in einem Bereich von n = 900...1100 min^-1 erfolgen und so weiter.In general, it should be noted that the specified speed values can have a tolerance of ±5% or ±10% of the nominal value. For example, with a tolerance of ±10%, the first switchover can therefore take place in a range from n = 900...1100 min ^-1 and so on.

Die 12 zeigt schließlich ein schematisch dargestelltes, elektrisch angetriebenes Fahrzeug 18. Das Fahrzeug 18 umfasst einen Akkumulator oder eine Batterie 19, einen mit der Batterie 19 verbundenen Wechselrichter 14, die mit dem Wechselrichter 14 verbundene elektrische Maschine 1, ein optionales Getriebe 20, Halbachsen 21 sowie Räder 22. In an sich bekannter Weise wird die elektrische Maschine 1 über den Wechselrichter 14 mit elektrischer Energie versorgt. Über das Getriebe 20 und die Halbachsen 21 werden die Räder 22 von der elektrischen Maschine 1 angetrieben. Die elektrische Maschine 1, das Getriebe 22 und die Halbachsen 23 sind somit Teil des Antriebsstrangs des Fahrzeugs 18. Der Antrieb des Fahrzeugs 18 erfolgt zumindest teilweise oder zeitweise durch die elektrische Maschine 1. Das heißt, die elektrische Maschine 1 kann zum alleinigen Antrieb des Fahrzeugs 18 dienen oder zum Beispiel im Verbund mit einer Verbrennungskraftmaschine vorgesehen sein (Hybridantrieb). In dem gezeigten Beispiel ist auch eine strichliert dargestellte Verbindung zwischen dem Wechselrichter 14 und der elektrischen Maschine 1 gezeigt, welche die Steuerleitung zum Ansteuern der Schaltelemente S1...S4 (in der 13 nicht dargestellt) symbolisieren soll. In dem gezeigten Beispiel sind die Schaltelemente S1...S4 in die elektrische Maschine 1 integriert. Selbstverständlich könnten diese auch Teil eines gesonderten Schaltmoduls 16 oder einer gesonderten Steuerung 15 sein oder den Wechselrichter 14 integriert sein.The 12 finally shows a schematically illustrated, electrically driven vehicle 18. The vehicle 18 comprises an accumulator or a battery 19, an inverter 14 connected to the battery 19, the electric machine 1 connected to the inverter 14, an optional transmission 20, semi-axles 21 and wheels 22. The electrical machine 1 is supplied with electrical energy via the inverter 14 in a manner known per se. The wheels 22 are driven by the electric machine 1 via the transmission 20 and the semi-axles 21 . The electric machine 1, the transmission 22 and the semi-axles 23 are thus part of the drive train of the vehicle 18. The vehicle 18 is driven at least partially or temporarily by the electric machine 1. This means that the electric machine 1 can be used to drive the vehicle alone 18 serve or be provided, for example, in combination with an internal combustion engine (hybrid drive). The example shown also shows a connection between the inverter 14 and the electric machine 1, shown in dashed lines, which connects the control line for driving the switching elements S1...S4 (in the 13 not shown) should symbolize. In the example shown, the switching elements S1 ... S4 are integrated into the electrical machine 1. Of course, these could also be part of a separate switching module 16 or a separate controller 15 or be integrated into the inverter 14 .

In den oben angeführten Beispielen ist die elektrische Maschine 1 als Innenläufer ausgeführt. Gleichwertig sind die vorgeschlagenen Maßnahmen aber auch auf Außenläufer anwendbar. In diesem Fall ist der Rotor 3 nicht innerhalb des Stators 5 angeordnet, sondern außerhalb des Stators 5. Beispielsweise eignet sich eine solche Bauform besonders für den Einsatz als Nabenmotor.In the examples given above, the electrical machine 1 is designed as an internal rotor. Equally, however, the proposed measures can also be applied to external rotors. In this case, the rotor 3 is not arranged inside the stator 5, but outside the stator 5. For example, such a design is particularly suitable for use as a hub motor.

Abschließend wird festgehalten, dass der Schutzbereich durch die Patentansprüche bestimmt ist. Die Beschreibung und die Zeichnungen sind jedoch zur Auslegung der Ansprüche heranzuziehen. Die in den Figuren enthaltenen Merkmale können beliebig ausgetauscht und miteinander kombiniert werden. Insbesondere wird auch festgehalten, dass die dargestellten Vorrichtungen in der Realität auch mehr oder auch weniger Bestandteile als dargestellt umfassen können. Teilweise können die dargestellten Vorrichtungen beziehungsweise deren Bestandteile auch unmaßstäblich und/oder vergrößert und/oder verkleinert dargestellt sein.Finally, it is stated that the scope of protection is determined by the patent claims. However, the description and drawings should be used to interpret the claims. The features contained in the figures can be arbitrarily exchanged and combined with one another. In particular, it is also stated that the devices shown are in reality may also include more or fewer components than shown. In some cases, the devices shown or their components may also be shown not to scale and/or enlarged and/or reduced.

BezugszeichenlisteReference List

11

elektrische Maschineelectric machine

22

WelleWave

33

Rotorrotor

4a, 4b4a, 4b

(Wälz)lager(Roller bearing

55

Stator stator

66

Statorblechstator lamination

77

Statorblechpaketstator core

88th

Statorwicklungstator winding

99

erstes Lagerschildfirst bearing plate

1010

zweites Lagerschild second bearing plate

1111

Statorgehäusestator housing

1212

Motorgehäusemotor housing

1313

Statornutstator slot

1414

Wechselrichterinverter

1515

Steuerung steering

16a, 16b16a, 16b

Schaltmodulswitching module

1717

Elektrischer AntriebElectric drive

1818

Fahrzeugvehicle

1919

Batteriebattery

2020

Getriebe transmission

2121

Halbachsesemi-axis

2222

Radwheel

++

positiver Anschluss einer Gleichspannungsquellepositive connection of a DC voltage source

--

negativer Anschluss einer Gleichspannungsquellenegative connection of a DC voltage source

AA

Drehachseaxis of rotation

a1, a2a1, a2

Wicklungslagewinding position

MM

Drehmomenttorque

M1, M2M1, M2

Drehmoment bei verschiedenen SternpunktschaltungenTorque with different neutral point connections

nn

Drehzahlnumber of revolutions

nmaxn max

Maximaldrehzahlmaximum speed

PP

LeistungPerformance

P1, P2P1, P2

Leistung bei verschiedenen SternpunktschaltungenPerformance with different star point circuits

S1...S4S1...S4

Schaltelementswitching element

SP1, SP2SP1, SP2

Sternpunktstar point

Tctc

Steueranschlusscontrol port

Tu...Tw''Tu...Tw''

Anschluss Motorphase/Strang oder TeilstrangConnection of motor phase/string or partial string

UG1, UG2UG1, UG2

Spannungsgrenze bei verschiedenen SternpunktschaltungenVoltage limit for different neutral point circuits

u, v, wand many more

Motorphasemotor phase

u'...w''u'...w''

Teilstrangpartial strand

Claims (10)

Elektrischer Antrieb (17), umfassend eine elektrische Maschine (1) mit - einem Stator (5), welcher ein Statorblechpaket (7) mit mehreren Statornuten (13) und in den Statornuten (13) angeordnete Statorwicklungen (8) aufweist, wobei die Statorwicklungen (8) jeder Phase (u, v, w) in mehrere Teilstränge (u'...w'') unterteilt sind, und - einem zum Stator (5) relativ drehbar gelagerten Rotor (3), - wobei die elektrische Maschine (1) als Synchronmotor, Reluktanzmotor oder permanentmagnetunterstützte Synchron-Reluktanzmaschine ausgeführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass - die Teilstränge (u'...w'') einer Phase (u, v, w) in Serie geschaltet sind oder über Schaltelemente (S1..S4) in Serie schaltbar sind und - der elektrische Antrieb Schaltelemente (S1...S4) zum Herstellen einer oder mehrerer Sternpunktschaltungen aufweist, wobei je Phase (u, v, w) die gleiche Anzahl an Teilsträngen (u'...w'') in Stern geschaltet wird.Electrical drive (17), comprising an electrical machine (1) with - a stator (5), which has a stator core (7) with a plurality of stator slots (13) and stator windings (8) arranged in the stator slots (13), the stator windings (8) of each phase (u, v, w) are subdivided into a plurality of sub-phases (u'...w''), and - a rotor (3) mounted so that it can rotate relative to the stator (5), - the electrical machine ( 1) is designed as a synchronous motor, reluctance motor or permanent magnet-supported synchronous reluctance machine, characterized in that - the partial strands (u'...w'') of a phase (u, v, w) are connected in series or via switching elements (S1. .S4) can be connected in series and - the electrical drive has switching elements (S1...S4) for producing one or more star point circuits, with each phase (u, v, w) having the same number of sub-phases (u'...w '') is connected in star. Elektrischer Antrieb (17) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die Sternpunktschaltung oder je Sternpunktschaltung der mehreren Sternpunktschaltungen eine Anzahl von Schaltelementen (S1...S4) vorgesehen ist, welche der um eins reduzierten Anzahl an Phasen (u, v, w) entspricht, und wobei je Schaltelement (S1 ...S4) zwei Phasen (u, v, w) miteinander verbindbar sind.Electric drive (17) after claim 1 , characterized in that a number of switching elements (S1...S4) is provided for the star-point circuit or for each star-point circuit of the plurality of star-point circuits, which corresponds to the number of phases (u, v, w) reduced by one, and wherein each switching element ( S1 ... S4) two phases (u, v, w) can be connected to each other. Elektrischer Antrieb (17) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass - die Schaltelemente (S1...S4) als Ein-/Ausschalter ausgeführt sind oder - die Schaltelemente (S1...S4) als Umschalter ausgeführt sind, wobei ein Schaltelement (S1...S4) wahlweise zwei Teilstränge (u'...w'') einer Phase (u, v, w) in Serie schaltet oder zwei Teilstränge (u'...w'') unterschiedlicher Phasen (u, v, w) in Stern schaltet.Electric drive (17) after claim 1 or 2 , characterized in that - the switching elements (S1 ... S4) are designed as on / off switches or - the switching elements (S1 ... S4) are designed as changeover switches, with a switching element (S1 ... S4) optionally two Sub-strings (u'...w'') of one phase (u, v, w) are connected in series or two sub-strings (u'...w'') of different phases (u, v, w) are connected in star. Elektrischer Antrieb (17) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die in Serie geschalteten oder schaltbaren Teilstränge (u'...w'') zu einer Sternschaltung miteinander verbunden sind oder über Schaltelemente (S1 ...S4) zu einer Sternschaltung miteinander verbindbar sind.Electric drive (17) according to one of Claims 1 until 3 , characterized in that the series-connected or switchable sub-strands (u '... w '') miteinan to a star connection which are connected or which can be connected to one another via switching elements (S1 ...S4) to form a star connection. Elektrischer Antrieb (17) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Steuerung (15), welche dazu eingerichtet ist, die Phasen (u, v, w) der elektrischen Maschine (1) abhängig vom Betriebszustand der elektrischen Maschine (1) in Stern zu schalten.Electric drive (17) according to one of Claims 1 until 4 , characterized by a controller (15) which is set up to switch the phases (u, v, w) of the electrical machine (1) depending on the operating state of the electrical machine (1) in star. Elektrischer Antrieb (17) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass - die elektrische Maschine (1) k Teilstränge (u'...w'') je Phase (u, v, w) sowie eine nominale Maximaldrehzahl (n_max) aufweist und - die Steuerung (15) dazu eingerichtet ist, für i=1 ...k-1 -) eine Umschaltung bei Drehzahlen n_max · i/k vorzunehmen und -) im Bereich von 0 bis n_max/k k Teilstränge (u'...w'') und -) in einem Bereich von n_max · i/k bis n_max · (i+1)/k k-i Teilstränge (u'...w'') in Stern zu schalten.Electric drive (17) after claim 5 , characterized in that - the electrical machine (1) has k partial strands (u'...w'') per phase (u, v, w) and a nominal maximum speed (n _max ) and - the controller (15) for this is set up, for i=1...k-1 -) switching at speeds n _max · i/k and -) in the range from 0 to n _max /kk sub-strands (u'...w'') and -) in a range from n _max i/k to n _max (i+1)/k ki partial strands (u'...w'') to star. Elektrischer Antrieb (17) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, - dass die Schaltelemente (S1 ...S4) in die elektrische Maschine (1) integriert sind oder - dass die Schaltelemente (S1 ...S4) in die Steuerung (15) nach Anspruch 5 oder 6 integriert sind oder - dass der elektrische Antrieb (17) ein mit den Statorwicklungen (8) verbundenes Schaltmodul (16a, 16b) aufweist, in welches die Schaltelemente (S1...S4) integriert sind oder - dass der elektrische Antrieb (17) einen mit den Statorwicklungen (8) verbundenen Wechselrichter (14) aufweist, in welchen die Schaltelemente (S1...S4) integriert sind.Electric drive (17) according to one of Claims 1 until 6 , characterized in that - that the switching elements (S1 ... S4) are integrated into the electrical machine (1) or - that the switching elements (S1 ... S4) in the controller (15). claim 5 or 6 are integrated or - that the electric drive (17) has a stator windings (8) connected switching module (16a, 16b), in which the switching elements (S1 ... S4) are integrated or - that the electric drive (17) a with the stator windings (8) connected inverter (14), in which the switching elements (S1 ... S4) are integrated. Elektrischer Antrieb (17) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Teilstrang (u'...w'') symmetrisch um eine Rotationsachse (A) des Rotors (3) ausgebildet ist.Electric drive (17) according to one of Claims 1 until 7 , characterized in that each sub-strand (u'...w'') is formed symmetrically about an axis of rotation (A) of the rotor (3). Elektrischer Antrieb (17) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorwicklung (8) als Zweischicht-Ganzlochwicklung ausgeführt ist.Electric drive (17) according to one of Claims 1 until 8th , characterized in that the stator winding (8) is designed as a two-layer all-slot winding. Fahrzeug (18) mit einem Antriebsstrang, der einen elektrischen Antrieb (17) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 aufweist, der zum Antreiben des Fahrzeugs (18) vorgesehen ist.Vehicle (18) with a drive train having an electric drive (17) according to one of Claims 1 until 9 has, which is provided for driving the vehicle (18).

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