DE102020200327A1

DE102020200327A1 - Maschinenkomponente einer elektrischen Maschine

Info

Publication number: DE102020200327A1
Application number: DE102020200327.0A
Authority: DE
Inventors: Ralf Schmid
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-01-13
Filing date: 2020-01-13
Publication date: 2021-07-15
Also published as: WO2021144068A1

Abstract

Es ist schon eine Maschinenkomponente einer elektrischen Maschine bekannt, umfassend Zähne, an denen jeweils ein Erregermodul vorgesehen ist, das jeweils Eingangsanschlüsse zur Verbindung mit einer Gleichspannungsquelle oder mit einer Wechselspannungsquelle, jeweils zumindest eine Leiterbahn zur Bildung einer Einzelzahnwicklung und zumindest einen Halbleiterschalter zur Erzeugung einer an der zumindest einen Leiterbahn anliegenden Phasenwechselspannung aufweist.Die Leistung einer die erfindungsgemäße Maschinenkomponente aufweisenden elektrischen Maschine kann während des Betriebs der elektrischen Maschine einfach eingestellt oder verstellt werden, so dass eine einfache Drehzahl- bzw. Drehmomentregelung ermöglicht wird.Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die auf dem jeweiligen Erregermodul (3) ausgebildete Einzelzahnwicklung (5) jeweils aus mehreren elektrisch parallel geschalteten Teilspulen (10) gebildet ist und dass auf dem jeweiligen Erregermodul (3) pro Teilspule (10) mindestens ein Halbleiterschalter (6) zur Erzeugung einer an der jeweiligen Teilspule (10) anliegenden Phasenwechselspannung vorgesehen ist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Maschinenkomponente, insbesondere Rotor oder Stator, einer elektrischen Maschine nach der Gattung des Hauptanspruchs.
Es ist schon eine Maschinenkomponente einer elektrischen Maschine aus der DE102016224859 A1 bekannt, umfassend Zähne, an denen jeweils ein Erregermodul vorgesehen ist, das jeweils Eingangsanschlüsse zur Verbindung mit einer Gleichspannungsquelle oder mit einer Wechselspannungsquelle, jeweils zumindest eine Leiterbahn zur Bildung einer Einzelzahnwicklung und zumindest einen Halbleiterschalter zur Erzeugung einer an der zumindest einen Leiterbahn anliegenden Phasenwechselspannung aufweist.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Maschinenkomponente mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass die Leistung der elektrischen Maschine während des Betriebs der elektrischen Maschine einfach einstellbar oder verstellbar ist, so dass eine einfache Drehzahl- bzw. Drehmomentregelung ermöglicht wird. Dies wird erfindungsgemäß erreicht, indem die auf dem jeweiligen Erregermodul ausgebildete Einzelzahnwicklung jeweils aus mehreren elektrisch parallel geschalteten Teilspulen gebildet ist und dass auf dem jeweiligen Erregermodul pro Teilspule mindestens ein Halbleiterschalter zur Erzeugung einer an der jeweiligen Teilspule anliegenden Phasenwechselspannung vorgesehen ist. Dadurch, dass die jeweilige Einzelzahnwicklung und die Leistungselektronik zur Ansteuerung der jeweiligen Einzelzahnwicklung jeweils in demselben Erregermodul an einem der Zähne der elektrischen Maschine vorgesehen sind, kann jede Einzelzahnwicklung individuell angesteuert werden. Außerdem kann der elektrische Widerstand jeder Einzelzahnwicklung durch Zu- bzw. Abschalten von einzelnen Teilspulen verändert und dadurch die Leistung der elektrischen Maschine eingestellt werden.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Maschinenkomponente möglich.
Vorteilhaft ist, wenn im Falle einer Gleichspannungsquelle auf dem Erregermodul pro Teilspule mindestens zwei Halbleiterschalter zur Umwandlung einer an den Eingangsanschlüssen anliegenden Eingangs-Gleichspannung der Gleichspannungsquelle in eine Phasenwechselspannung vorgesehen ist. Alternativ kann im Falle einer Wechselspannungsquelle auf dem Erregermodul pro Teilspule auch ein einzelner Halbleiterschalter zur Umwandlung einer an den Eingangsanschlüssen anliegenden Eingangs-Phasenwechselspannung der Wechselspannungsquelle in eine modifizierte Phasenwechselspannung vorgesehen sein. Auf diese Weise wird die Phasenwechselspannung zum Betreiben der elektrischen Maschine nicht in einer externen Leistungselektronik, sondern in dem am jeweiligen Zahn angeordneten Erregermodul erzeugt.
Nach einer vorteilhaften Ausführung umschließen die Erregermodule jeweils den zugeordneten Zahn der Maschinenkomponente, wobei die Teilspulen des jeweiligen Erregermoduls jeweils mehrere in radialer Richtung bezüglich einer Zahnachse des jeweiligen Zahns übereinander angeordnete Spulenseiten aufweisen.
Besonders vorteilhaft ist, wenn die Erregermodule jeweils einen elektrisch isolierenden Modulträger, insbesondere eine Folie, aufweisen, auf dem die dem jeweiligen Erregermodul zugeordneten Teilspulen und Halbleiterschalter ausgebildet sind, wobei der Modulträger des jeweiligen Erregermoduls in radialer Richtung bezüglich der Zahnachse des jeweiligen Zahns übereinander angeordnete Trägerschichten aufweist, wobei die Halbleiterschalter des Erregermoduls auf einer der Trägerschichten vorgesehen sind und wobei die Teilspulen sich über mehrere der Trägerschichten erstrecken. Auf diese Weise wird Einzelzahnwicklung und die Leistungselektronik zur Ansteuerung der jeweiligen Einzelzahnwicklung in demselben Bauteil realisiert.
Weiterhin vorteilhaft ist, wenn die Teilspulen jedes Erregermoduls über eine entsprechende Steuerung der zugeordneten Halbleiterschalter zu- oder abschaltbar sind, wobei die Halbleiterschalter insbesondere über leitungsgebundene oder leitungsungebundene Steuersignale, insbesondere optische oder elektromagnetische Steuersignale, eines Steuergerätes ansteuerbar sind. Auf diese Weise kann der elektrische Widerstand der Wicklung der elektrischen Maschine durch Zu- bzw. Abschalten von Teilspulen verändert und dadurch die Leistung der elektrischen Maschine eingestellt werden. Durch leitungsungebundene Steuerleitungen kann eine aufwendige und bauraumbeanspruchende Verkabelung vermieden werden.
Nach einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel können die Erregermodule jeweils eine einzige elektrische Phase oder mehrere elektrische Phasen umfassen.
Auch vorteilhaft ist, wenn die Erregermodule jeweils einen Ausgangsanschluss zur Verbindung mit einem Sternpunkt oder einem Punkt einer Dreiecksschaltung aufweisen. Auf diese Weise wird eine funktionierende elektrische Maschine realisiert.
Darüber hinaus können die Halbleiterschalter vorteilhafterweise als Feldeffekttransistor (FET), insbesondere als MOS-FET oder als Graphen-Feldeffekttransistor (GFET) ausgebildet sein. Die Leiterbahnen können zur Bildung der Teilspulen der Erregermodule aus einem elektrisch leitenden Material, insbesondere aus Kupfer, Silber, Gold, Graphen oder Carbon-Nanotubes, gebildet sein.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine elektrische Maschine mit einer erfindungsgemäßen Maschinenkomponente.
Vorteilhaft ist, wenn die elektrische Maschine ein Steuergerät umfasst, mit dem die Halbleiterschalter der Maschinenkomponente zur Steuerung der elektrischen Maschine ansteuerbar sind. Auf diese Weise wird die Einstellung der Leistung der elektrischen Maschine während des Betriebs der elektrischen Maschine realisiert.
Figurenliste
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

1 zeigt in vereinfachter Weise ein erfindungsgemäßes Erregermodul an einer Maschinenkomponente einer elektrischen Maschine und
2 ein elektrisches Ersatzschaltbild des Erregermoduls nach 1.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels
1 zeigt in vereinfachter Weise ein erfindungsgemäßes Erregermodul an einer Maschinenkomponente einer elektrischen Maschine. 2 zeigt ein elektrisches Ersatzschaltbild des Erregermoduls nach 1.
Die Maschinenkomponente 1 einer elektrischen Maschine, insbesondere ein Rotor oder ein Stator, weist Zähne 2 auf, an denen jeweils zumindest ein Erregermodul 3 vorgesehen ist. Die Erregermodule 3 haben jeweils Eingangsanschlüsse 4 zur Verbindung mit einer Spannungsquelle 7, jeweils zumindest eine Leiterbahn zur Bildung einer Einzelzahnwicklung 5 und zumindest einen Halbleiterschalter 6 zur Erzeugung einer an der Einzelzahnwicklung 5 anliegenden Phasenwechselspannung. Die Spannungsquelle 7 ist gemäß dem Ausführungsbeispiel eine Gleichspannungsquelle, kann aber alternativ auch eine Wechselspannungsquelle sein. Die Erregermodule 3 umschließen jeweils den zugeordneten Zahn 2 der Maschinenkomponente.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die auf dem jeweiligen Erregermodul 3 ausgebildete Einzelzahnwicklung 5 jeweils aus mehreren elektrisch parallel geschalteten Teilspulen 10 gebildet ist und dass auf dem jeweiligen Erregermodul 3 pro Teilspule 10 mindestens ein Halbleiterschalter 6 zur Erzeugung einer an der jeweiligen Teilspule 10 anliegenden Phasenwechselspannung vorgesehen ist. Die der jeweiligen Teilspule 10 zugeordneten Halbleiterschalter 6 sind entlang des Strompfades zwischen den Eingangsanschlüssen 4 und der jeweiligen Teilspule 10 angeordnet.
Im Falle der Verwendung einer Gleichspannungsquelle 7 sind auf dem Erregermodul 3 pro Teilspule 10 mindestens zwei Halbleiterschalter 6 zur Umwandlung einer an den Eingangsanschlüssen 4 anliegenden Eingangs-Gleichspannung der Gleichspannungsquelle 7 in eine Phasenwechselspannung vorgesehen. Alternativ kann im Falle der Verwendung einer Wechselspannungsquelle 7 auf dem Erregermodul 3 pro Teilspule 10 auch ein einzelner Halbleiterschalter 6 zur Umwandlung einer an den Eingangsanschlüssen 4 anliegenden Eingangs-Phasenwechselspannung der Wechselspannungsquelle 7 in eine modifizierte Phasenwechselspannung vorgesehen sein.
Die Teilspulen 10 des jeweiligen Erregermoduls 3 haben jeweils mehrere in radialer Richtung bezüglich einer Zahnachse 11 des jeweiligen Zahns 2 übereinander angeordnete Spulenseiten. Um diesen Aufbau zu erreichen, können die Erregermodule 3 jeweils einen elektrisch isolierenden Modulträger 13 aufweisen, auf dem die Teilspulen 10 und die den Teilspulen 10 zugeordneten Halbleiterschalter 6 ausgebildet sind. Der Modulträger 13 kann beispielsweise aus einer Keramik oder einem Polyamidimid (PAI) hergestellt und beispielsweise folienartig ausgeführt sein. Der Modulträger 13 des jeweiligen Erregermoduls 3 weist in radialer Richtung bezüglich der Zahnachse 11 des jeweiligen Zahns 2 gesehen übereinander angeordnete Trägerschichten 14 auf. Die Halbleiterschalter 6 des jeweiligen Erregermoduls 3 sind dabei auf zumindest einer der Trägerschichten 14 vorgesehen. Die Teilspulen 10 des jeweiligen Erregermoduls 3 erstrecken sich dagegen über mehrere der Trägerschichten 14.
Die Halbleiterschalter 6 der Erregermodule 3 können beispielsweise als Feldeffekttransistor (FET), insbesondere als MOS-FET oder als Graphen-Feldeffekttransistor (GFET) ausgebildet sein. Die Teilspulen 10 der Erregermodule 3 sind aus einem elektrisch leitenden Material, beispielsweise aus Kupfer, Silber, Gold, Graphen oder Carbon-Nanotubes, hergestellt.
Die Teilspulen 10 der einzelnen Erregermodule 3 sind jeweils über eine Steuerung der zugeordneten Halbleiterschalter 6 zu- oder abschaltbar. Dazu sind die Halbleiterschalter 6 über leitungsgebundene oder leitungsungebundene Steuersignale eines Steuergerätes 15 ansteuerbar. Zur Vermeidung von aufwendiger Verkabelung sind die Steuersignale beispielsweise optische oder elektromagnetische Steuersignale.
Die Erregermodule 3 haben jeweils einen Ausgangsanschluss 18 zur Verbindung mit einem Sternpunkt oder einem Punkt einer Dreiecksschaltung. Nach dem Ausführungsbeispiel in 1 und 2 ist der Ausgangsanschluss 18 an einen Sternpunkt 19 angeschlossen. Die Anschlüsse 4,18 der Erregermodule 3 sind beispielsweise mit sogenannten Busbars 20 elektrisch verbunden, von denen zwei Busbars 20 an die Spannungsquelle 7 angeschlossen sind und von denen eine Busbar 20 gemäß dem Ausführungsbeispiel den Sternpunkt 19 bildet.
Pro Erregermodul 3 kann, wie in 2 gezeigt, eine einzige elektrische Phase vorgesehen sein. Alternativ können pro Erregermodul 3 jedoch auch mehrere elektrische Phasen ausgeführt sein.
Die Erregermodule 3 können beispielsweise mit einem Verfahren aus der Halbleitertechnologie oder mit einem Druckverfahren, insbesondere mit einem 3D-Druckverfahren, hergestellt sein.
Die Zahnachsen 11 der Zähne 2 verlaufen beispielsweise in radialer Richtung bezüglich einer Maschinenachse 12 der Maschinenkomponente 1.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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.
Zitierte Patentliteratur

DE 102016224859 A1 [0002]

Claims

Maschinenkomponente (1), insbesondere Rotor oder Stator, einer elektrischen Maschine, umfassend Zähne (2), an denen jeweils ein Erregermodul (3) vorgesehen ist, das jeweils Eingangsanschlüsse (4) zur Verbindung mit einer Gleichspannungsquelle oder mit einer Wechselspannungsquelle, jeweils zumindest eine Leiterbahn zur Bildung einer Einzelzahnwicklung (5) und zumindest einen Halbleiterschalter (6) zur Erzeugung einer an der Einzelzahnwicklung (5) anliegenden Phasenwechselspannung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die auf dem jeweiligen Erregermodul (3) ausgebildete Einzelzahnwicklung (5) jeweils aus mehreren elektrisch parallel geschalteten Teilspulen (10) gebildet ist und dass auf dem jeweiligen Erregermodul (3) pro Teilspule (10) mindestens ein Halbleiterschalter (6) zur Erzeugung einer an der jeweiligen Teilspule (10) anliegenden Phasenwechselspannung vorgesehen ist.
Maschinenkomponente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Erregermodul (3) pro Teilspule (10) - mindestens zwei Halbleiterschalter (6) zur Umwandlung einer an den Eingangsanschlüssen (4) anliegenden Eingangs-Gleichspannung in eine Phasenwechselspannung oder - ein einzelner Halbleiterschalter (6) zur Umwandlung einer an den Eingangsanschlüssen (4) anliegenden Eingangs-Phasenwechselspannung in eine modifizierte Phasenwechselspannung vorgesehen sind.
Maschinenkomponente nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erregermodule (3) jeweils den zugeordneten Zahn (2) der Maschinenkomponente (1) umschließen und die Teilspulen (10) des jeweiligen Erregermoduls (3) jeweils mehrere in radialer Richtung bezüglich einer Zahnachse (11) des jeweiligen Zahns (2) übereinander angeordnete Spulenseiten aufweisen.
Maschinenkomponente nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Erregermodule (3) jeweils einen elektrisch isolierenden Modulträger (13), insbesondere eine Folie, aufweisen, auf dem die dem jeweiligen Erregermodul (3) zugeordneten Teilspulen (10) und Halbleiterschalter (6) ausgebildet sind, wobei der Modulträger (13) des jeweiligen Erregermoduls (3) in radialer Richtung bezüglich der Zahnachse (11) des jeweiligen Zahns (2) übereinander angeordnete Trägerschichten (14) aufweist, wobei die Halbleiterschalter (6) des Erregermoduls (3) auf einer der Trägerschichten (14) vorgesehen sind und wobei die Teilspulen (10) sich über mehrere der Trägerschichten (14) erstrecken.
Maschinenkomponente nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilspulen (10) der einzelnen Erregermodule (3) jeweils über eine Steuerung der zugeordneten Halbleiterschalter (6) des Erregermoduls (3) zu- oder abschaltbar sind, wobei die Halbleiterschalter (6) über leitungsgebundene oder leitungsungebundene Steuersignale (16), insbesondere optische oder elektromagnetische Steuersignale, eines Steuergerätes (15) ansteuerbar sind.
Maschinenkomponente nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erregermodule (3) jeweils eine einzige elektrische Phase oder mehrere elektrische Phasen umfassen.
Maschinenkomponente nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erregermodule (3) jeweils einen Ausgangsanschluss (18) zur Verbindung mit einem Sternpunkt (19) oder einem Punkt einer Dreiecksschaltung aufweisen.
Maschinenkomponente nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschalter (6) als Feldeffekttransistor (FET), insbesondere als MOS-FET oder als Graphen-Feldeffekttransistor (GFET) ausgebildet sind und/oder dass die Leiterbahnen zur Bildung der Teilspulen (10) der Erregermodule (3) aus einem elektrisch leitenden Material, insbesondere aus Kupfer, Silber, Gold, Graphen oder Carbon-Nanotubes, gebildet sind.
Elektrische Maschine mit einer Maschinenkomponente (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Elektrische Maschine nach Anspruch 9 umfassend ein Steuergerät (15), mit dem die Halbleiterschalter (6) der Maschinenkomponente (1) zur Steuerung der elektrischen Maschine ansteuerbar sind.