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DE102016201444B4 - Gleichspannungswandler-Anordnung für eine elektrische Maschine - Google Patents

Gleichspannungswandler-Anordnung für eine elektrische Maschine Download PDF

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Abstract

Gleichspannungswandler-Anordnung für eine elektrische Maschine (10), die Gleichspannungswandler-Anordnung umfassend einen Gleichspannungswandler (18, 19) und einen Stator (1) mit einer ersten Wicklung (9) und wenigstens einer zweiten Wicklung (5), wobei die erste Wicklung (9) zum Betrieb der elektrischen Maschine (10) eingerichtet ist, und die wenigstens eine zweite Wicklung (5) zur Bereitstellung einer Induktivität (L) für den Gleichspannungswandler (18, 19) eingerichtet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Gleichspannungswandler-Anordnung für eine elektrische Maschine.
  • In einer elektrischen Maschine dient typischerweise ein Statorblechpaket dem Antrieb eines Rotors, wobei eine Stator-Wicklung durch einen Stromfluss ein magnetisches Feld bewirkt, welches ein Moment zwischen dem Stator und dem Rotor zu dessen rotierendem Antrieb erzeugt.
  • Das Dokumente DE 196 52 186 A1 offenbart einen elektrischen Motor mit einem Stator, einem in diesem Stator angeordneten Rotor und eine Steuereinrichtung. Ferner offenbart das Dokument eine vom Motorstrom durchflossene Spule mit einem Kern. Hierbei ist der Kern der Spule innerhalb des Stators angeordnet, welcher als magnetischer Kreis genutzt wird.
  • Das Dokument US 4 220 883 A betrifft eine Statorkernanordnung für einen Elektromotor. Die Statorkernanordnung weist eine Mehrzahl an Lamellen aus einem magnetischen Material auf, wobei die Lamellen in einem Stapel angeordnet werden, um einen Kern mit einem Loch zu bilden, welches sich in Längsrichtung durch den Kern erstreckt. Das Loch ist dazu eingerichtet, einen Rotor aufzunehmen und weist eine Mehrzahl an Schlitzen zur Aufnahme von Spulen, welche die Windungen des Motors bilden, auf.
  • In Elektrofahrzeugen und Hybridfahrzeugen wird zur Unterstützung eines 12V-Bordnetzes typischerweise ein Gleichspannungswandler verwendet. Ein Gleichspannungswandler wandelt eine Gleichspannung in eine Gleichspannung mit höherem, niedrigerem oder invertiertem Spannungsniveau um, was mittels eines periodisch arbeitenden elektronischen Schalters und mittels wenigstens eines Zwischenspeichers für Energie erfolgt. Als Zwischenspeicher bzw. zur Isolation kommt entweder eine Induktivität oder ein Transformator (für höhere Spannungen) zum Einsatz. Die Induktivität bzw. der Transformator wird weiterhin zum Filtern hochfrequenter Stromanteile benötigt, welche im Gleichspannungswandler erzeugt werden. Für die Induktivität bzw. den Transformator ist ein relativ großer Bauraum vorzuhalten, welche zudem auch einen verhältnismäßig hohen Kostenanteil in den Gleichspannungswandlern bilden.
  • Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Gleichspannungswandler-Anordnung für eine elektrische Maschine bereitzustellen, welche besonders klein baut und kostengünstig ist.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der nachfolgenden Beschreibung sowie der Figuren.
  • Die erfindungsgemäße Gleichspannungswandler-Anordnung für eine elektrische Maschine umfasst einen Gleichspannungswandler und einen Stator mit einer ersten Wicklung und wenigstens einer zweiten Wicklung, wobei die erste Wicklung zum Betrieb der elektrischen Maschine eingerichtet ist, und die wenigstens eine zweite Wicklung zur Bereitstellung einer Induktivität für den Gleichspannungswandler eingerichtet ist.
  • Die wenigstens eine zweite Wicklung kann in ein Blechpaket des Stators einer elektrischen Maschine eingebracht sein und stellt eine zusätzliche Induktivität bereit, welche der Gleichspannungswandler für seinen Betrieb nutzen kann. Die Induktivität der wenigstens einen zweiten Wicklung kann als Zwischenspeicher, als Isolationselement und als Filterelement für hochfrequente Stromanteile, welche im Gleichspannungswandler erzeugt werden, genutzt werden.
  • Die Wicklung kann bevorzugt derart an dem Stator angeordnet sein, dass jeder Leiter der zweiten Wicklung, der durch den Stator in axialer Richtung verläuft und dem magnetischen Feld eines Poles ausgesetzt ist, in Reihe zu einem weiteren Leiter geschaltet ist, der für jede magnetische Anregung und Stellung des Rotors dem gleichen Feld wie dem Feld des ersten Leiters ausgesetzt ist. Die Verbindung der beiden Leiter erfolgt bevorzugt auf einer Seite des Stators in Bezug zur Drehachse. Dadurch heben sich die induzierten Spannungen in dieser Leiterschleife auf und an den Enden auf der anderen Seite ist kein Potentialunterschied messbar. Die wenigstens eine zweite Wicklung wird somit besonders wenig vom magnetischen Fluss im Stator, welcher durch den Betrieb der elektrischen Maschine erzeugt wird, beeinflusst.
  • Teile des Gleichspannungswandlers sind somit in den Stator integriert, wodurch bestehende Strukturen genutzt werden können. Insbesondere kann die wenigstens eine zweite Wicklung durch ein ohnehin vorhandenes Kühlsystem für die erste Wicklung des Stators gekühlt werden.
  • Weitere auch für den Gleichspannungswandler nutzbare Strukturen des Stators bzw. der elektrischen Maschine sind beispielsweise die Wicklungstechnik, PCB-Anbindung, Stromversorgung und der Mikroprozessor. In diesem Zusammenhang ist gemäß einer Ausführungsform insbesondere vorgesehen, dass eine Leistungselektronik des Gleichspannungswandlers in eine Platine eines Inverters der elektrischen Maschine integriert ist.
  • Der Stator kann weiterhin mehrere zweite Wicklungen aufweisen. Die mehreren zweiten Wicklungen sind innerhalb des Stators verteilt und leisten einen Beitrag, dass die Stromstärke innerhalb der einzelnen Leitungen minimiert bzw. besonders klein gehalten wird.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die wenigstens eine zweite Wicklung zwei parallel verlaufende Drähte bzw. Leiter. Durch die zwei parallel zueinander verlaufenden Drähte wird ein Transformator erzeugt, was insbesondere für Anwendungen mit Hochvoltsystemen vorteilhaft ist. Auch Übertragungsverhältnisse ungleich 1 können mit dieser Ausführungsform bei entsprechender Anpassung der zweiten Wicklung realisiert werden.
  • Ebenfalls kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass ein Sternpunkt der elektrischen Maschine einen getakteten und geregelten Spannungsausgang bereitstellt. Dies ermöglicht auf besonders einfache Weise eine Integration von Inverter und Gleichspannungswandler.
  • Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigt
    • 1 eine perspektivische Teilansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Gleichspannungswandler-Anordnung mit einer zweiten Wicklung,
    • 2 eine perspektivische Ansicht der zweiten Wicklung nach 1,
    • 3 einen elektrischen Schaltplan eines Ausführungsbeispiels einer Gleichspannungswandler-Anordnung für ein Niedrigvoltsystem,
    • 4 einen elektrischen Schaltplan eines Ausführungsbeispiels einer Gleichspannungswandler-Anordnung für ein Hochvoltsystem,
    • 5 einen elektrischen Schaltplan eines Ausführungsbeispiels einer Gleichspannungswandler-Anordnung für ein Niedrigvoltsystem und
    • 6 einen elektrischen Schaltplan eines Ausführungsbeispiels einer Gleichspannungswandler-Anordnung für ein Hochvoltsystem.
  • 1 zeigt den oberen Teil eines Stators 1 einer nicht weiter durch 1 gezeigten elektrischen Maschine. Der Stator umfasst entlang seines inneren Umfangs 2 angeordnete Wicklungsnuten 3 für eine nicht dargestellte erste Wicklung zum Betrieb der elektrischen Maschine. Entlang eines äußeren Umfangs 4 des Stators 2 ist eine zweite Wicklung 5 zur Bereitstellung einer Induktivität für einen nicht durch 1 gezeigten Gleichspannungswandler angeordnet.
  • Wie insbesondere aus 2 ersichtlich, umfasst die zweite Wicklung 5 vier parallel zueinander sowie parallel zu einer Längsachse des Stators 1 verlaufende Leiterabschnitte 6, wobei jeder der Leiterabschnitte 6 vier parallel zueinander sowie parallel zu der Längsachse verlaufende Leiter 7 bzw. Drähte umfasst. Die Leiterabschnitte 6 sind an einander gegenüberliegenden stirnseitigen Enden des Stators 1 über Stege 8 miteinander verbunden.
  • 3 zeigt Niedervoltnetz, z.B. ein 48V-Netz, mit drei Phasen u, v und w einer ersten Wicklung 9 eines Stators einer elektrischen Maschine 10 mit einem Inverter 11, wobei die elektrische Maschine 10 hier als Generator zum Betreiben einer Last RL arbeitet. Innerhalb des Stators ist eine Induktivität LStator vorgesehen, welche durch eine zweite Wicklung 5 innerhalb des Stators gebildet wird und einem Gleichspannungswandler zur Verfügung steht. Der Sternpunkt der elektrischen Maschine 10 wird gemäß diesem Ausführungsbeispiel für die Bereitstellung eines getakteten und geregelten Spannungsausgangs genutzt, wodurch eine Integration von Inverter 11 und Gleichspannungswandler bereitgestellt wird.
  • 4 zeigt ein Hochvoltnetz HV mit drei Phasen u, v und w einer ersten Wicklung 9 eines Stators einer elektrischen Maschine 10 mit einem Inverter 11, wobei die elektrische Maschine 10 als Generator zum Betreiben einer Last RL arbeitet, welche in einem Niedervoltnetz LV angeordnet ist. Innerhalb des Stators ist ein Transformator 12 angeordnet, welcher eine höhere Gleichspannung in dem Hochvoltnetz HV in eine niedrigere Gleichspannung in dem Niedervoltnetz transformiert, wobei der Transformator 12 - wie durch 1 gezeigt - durch zwei parallel zueinander verlaufende Leiter bzw. Drähte gebildet wird und einem Gleichspannungswandler zur Verfügung steht. Der Sternpunkt der elektrischen Maschine 10 wird gemäß diesem Ausführungsbeispiel für die Bereitstellung eines getakteten und geregelten Spannungsausgangs genutzt, wodurch eine Integration von Inverter 11 und Gleichspannungswandler bereitgestellt wird.
  • 5 zeigt einen Gleichspannungswandler 18 in Form eines Tief- und Hochsetzstellers mit der Induktivität 5 die durch die in 1 gezeigte Anordnung von Leitern in einem Stator in einer zweiten Wicklung gebildet wird. Zum Betrieb eines Tiefsetzstellers an einer Last 16 aus der Quelle 15 werden der Schalter 14 und die Spannungsquelle 13 nicht benötigt. Zur Realisierung eines Hochsetzstellers wird die Quelle 13 und der Schalter 14 benötigt wobei der parallele Widerstand 16 und die Spannungsquelle 15 entfallen.
  • 6 zeigt einen Gleichspannungswandler 19 mit dem Transformator 5 der durch die in 1 beschriebene Anordnung von Leitern in einem Stator in einer zweiten Wicklung gebildet wird. In dieser Anordnung wird eine Last 16 in einem Niedervoltnetz aus der Hochvoltquelle 17 betrieben.

Claims (6)

  1. Gleichspannungswandler-Anordnung für eine elektrische Maschine (10), die Gleichspannungswandler-Anordnung umfassend einen Gleichspannungswandler (18, 19) und einen Stator (1) mit einer ersten Wicklung (9) und wenigstens einer zweiten Wicklung (5), wobei die erste Wicklung (9) zum Betrieb der elektrischen Maschine (10) eingerichtet ist, und die wenigstens eine zweite Wicklung (5) zur Bereitstellung einer Induktivität (LStator) für den Gleichspannungswandler (18, 19) eingerichtet ist.
  2. Gleichspannungswandler-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Leistungselektronik des Gleichspannungswandlers (11) in eine Platine eines Inverters integriert ist.
  3. Gleichspannungswandler-Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (1) mehrere zweite Wicklungen (5) aufweist.
  4. Gleichspannungswandler-Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine zweite Wicklung (5) zwei parallel verlaufende Drähte (7) umfasst.
  5. Gleichspannungswandler-Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sternpunkt (S) der elektrischen Maschine (10) einen getakteten und geregelten Spannungsausgang bereitstellt.
  6. Elektrische Maschine (10) umfassend eine Gleichspannungswandler-Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche.
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Owner name: SCHAEFFLER TECHNOLOGIES AG & CO. KG, DE

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