WO2022022768A1 - Stator having winding structures for modular electric machines - Google Patents

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WO2022022768A1
WO2022022768A1 PCT/DE2021/100579 DE2021100579W WO2022022768A1 WO 2022022768 A1 WO2022022768 A1 WO 2022022768A1 DE 2021100579 W DE2021100579 W DE 2021100579W WO 2022022768 A1 WO2022022768 A1 WO 2022022768A1
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stator
winding
phase
windings
submodules
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PCT/DE2021/100579
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Inventor
Johannes Kolb
Miriam Boxriker
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Schaeffler Technologies AG & Co. KG
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K3/00Details of windings
    • H02K3/04Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors
    • H02K3/28Layout of windings or of connections between windings
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K11/00Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection
    • H02K11/30Structural association with control circuits or drive circuits
    • H02K11/33Drive circuits, e.g. power electronics
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K2213/00Specific aspects, not otherwise provided for and not covered by codes H02K2201/00 - H02K2211/00
    • H02K2213/03Machines characterised by numerical values, ranges, mathematical expressions or similar information
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K2213/00Specific aspects, not otherwise provided for and not covered by codes H02K2201/00 - H02K2211/00
    • H02K2213/12Machines characterised by the modularity of some components

Definitions

  • the invention relates to a stator, an electric machine and a method for assembling the stator.
  • electrical machines are implemented using different winding structures.
  • a winding structure using what is known as hairpin, wave winding and random winding technology is known.
  • the voltage and current of the electrical machine are adapted to an energy source provided for the power supply via the respective number of turns, connection of the partial windings within a phase and through a corresponding wire cross-section.
  • a higher voltage level generally requires a higher number of windings or a higher speed of the electrical machine.
  • a stator which comprises a multiplicity of slots for accommodating one or more stator windings.
  • a conductor section of the stator winding is inserted into each of the slots, with the conductor sections being electrically connected to one another at one end, that is to say on one side of the stator, so that they form a short circuit with one another.
  • DE 10 2014 110299 A1 also discloses an electrical machine with a stator and a rotor which is movably mounted relative to it.
  • the stator includes a plurality of slots for receiving a stator winding. A conductor section of the stator winding is inserted into each slot. On one side of the stator, the conductor sections are electrically shorted together in a shorting means. The short-circuiting means comprises a cooling device.
  • DE 10 2014 113489 A1 also discloses an electrical machine with a stator.
  • the stator includes a plurality of slots formed between adjacent teeth of the stator. The slots serve to accommodate a stator winding. A conductor section of the stator winding is inserted into each slot.
  • the conductor sections of at least one pole pair are shorted together on a first side of the stator.
  • the power supply unit comprises two ring-shaped electrical conductors between which at least one electronic power component is arranged.
  • DE 10 2014 114615 A1 discloses a winding system for a stator and/or a rotor of an electrical machine comprising a plurality of conductor sections which are arranged essentially between opposite sides of the winding system.
  • Two ring-shaped conductors are provided on a first side of the winding system, with which the conductor sections are coupled via half bridges.
  • At least one half-bridge is provided on the opposite side of the winding system, to which at least one conductor section is connected.
  • DE 10 2014 118356 A1 relates to a power supply unit which is designed to feed multiple conductor sections of a stator winding of an electrical machine.
  • the conductor sections are inserted into respective slots in the stator of the electrical machine's.
  • the power supply unit in turn feeds a first of the conductor sections and a second of the conductor sections with at least one different operating parameter of a respective current function.
  • the power supply unit is set up to feed a conductor section with at least two superimposed current functions, each of which has at least one different operating parameter.
  • DE 10 2016 107937 A1 discloses a circuit arrangement for feeding a drive motor designed as a multi-phase electrical machine.
  • the circuit arrangement can be comprised by the drive device.
  • DE 10 2016 118634 A1 discloses a circuit arrangement for driving a stator winding of a stator of an electrical machine.
  • the stator winding has at least four electrical phases, which are designed to be fed with a respective separate phase current.
  • the stator winding can therefore be connected to power electronics, for example, which supplies each of the electrical phases with its own phase current.
  • the electrical phases can be formed, for example, by electrically conductive rods in slots in one or more stator laminations of the stator.
  • the winding system comprises at least two first conductor sections and at least two second conductor sections.
  • the first and second conductor sections may comprise an electrically conductive material, such as copper or aluminum.
  • the stator can have slots, for example, in each of which there is a conductor section.
  • the stator can include one or more stator laminations, in which the slots are introduced.
  • the stator preferably has a large number of slots.
  • the first and second conductor portions may be electrically conductive rods.
  • a stator for an electrical machine includes a plurality of sub-modules, which extend separately from one another over the circumference of the stator.
  • Each submodule has its own winding and its own power module assigned to the winding for converting direct current into alternating current, for example three-phase current.
  • a winding is understood to mean the presence of at least one conductor in a slot. Based on this, there can be several conductor pieces per winding and also several conductor pieces in one slot. These can be connected in any way. Conductor sections can be connected in different slots and some slots can be skipped. A connection of only zuei nander adjacent conductor sections is not mandatory.
  • the conductor pieces are made of electrically conductive material such as copper.
  • One idea of the present invention is that a modularization of components or subsystems in the sense of a structure consisting of several identical parts is important for production, since scaling for different power ratings is only possible via the number of components and no new production is set up must become. However, if the axial length and/or the diameter of certain components has to be changed, for example to adapt to the size of the power, then different components can be used for the said identical parts. These components can again be identical parts to each other.
  • the submodules can also be referred to as stator submodules.
  • a power electronics unit which in turn is connected to a high-voltage intermediate circuit and, for example, a high-voltage battery, only has limited modularization options due to large individual structures.
  • Each submodule may have multiple windings of its own and the AC power may be polyphase AC.
  • Each power module can have its own DC+ and DC- connection and three phase connections for charging the windings with the polyphase alternating current, for example three-phase current. This makes it easy to allocate and operate a common power supply.
  • the invention is not limited to three phases. More than three phases are also possible, e.g. five, six, seven, nine, ten, eleven, twelve, etc. phases, in which case each power module has a number of phase connections corresponding to the phases.
  • All power modules can be connected in series by connecting the DC+ connection of the power module to the DC- connection of the power module directly adjacent to the corresponding power module.
  • the power modules can be easily adapted to the voltage of the energy source to be connected or dimensioned accordingly.
  • connection There are of course other types of connection that can also be used, such as parallel and combined types of connection.
  • Each power module of the submodules can contain its own component from the group consisting of the intermediate circuit capacitor, half-bridge, transistor and diode.
  • a half-bridge understood such a component that at least two Transisto ren uses. In this case, diodes can also be used. This means that tried and tested components can be used and there is sufficient failsafety. This refers both to the use of proven components and to a higher number of independently operating components.
  • Each power module can have its own intermediate circuit capacitor. It is advantageous if the capacitor is connected to the DC+ and DC- terminals and to the 2 connections of each half-bridge in the submodule. The corresponding control of the half-bridges then ensures that the windings are energized, which in turn generate the circulating magnetic field. As a result, the magnetic field required for even concentricity can be generated efficiently.
  • At least one of the submodules or all submodules can have a housing that allows the submodules to be handled. It is then made easier for a fitter to assemble the individual submodules into the stator of the electrical machine.
  • the submodules can therefore only include the stator winding or also the sheet metal section.
  • Windings can be used that can be formed as follows: single-layer windings, in which case one phase is in a slot and includes at least one conductor in the slot, or two-layer windings, in which at least two conductors are in a slot and belong to the same phase or belong to different phases. At least three conductors form at least three phases that are interconnected to form a star point.
  • the neutral points can be arranged on the same side as the power electronics modules or on the opposite side. This results in a phase number of turns of 0.5 per submodule if one phase conductor is connected to a neutral point. If two conductors from different slots of the same phase are connected in series, the number of windings is 1, with three conductors 1.5, etc. However, the windings can also consist of several parallel-connected conductors per slot; this does not change the number of turns.
  • the enclosure may be provided or formed in the manner of a paper or foil or sheath or covering or solid housing.
  • the term "handling" can be understood as a handle.
  • Each power module can be arranged on a first end face of the winding, or the power modules can always be arranged alternately, viewed over the circumference, from one submodule to the adjacent submodule, viewed over the circumference, on the first end face and second end face.
  • the installation space can then be used efficiently.
  • each winding can be of the same design and, on the other hand, the windings of at least two of the submodules can be of different designs.
  • each sub-module can be implemented using a formation law as described below. At least one of the following variables can be included in the formation law for a winding scheme of the respective winding: number of slots, number of pole pairs, number of layers and number of phases.
  • each submodule can take up an installation space that is consistently wide (viewed in the circumferential direction), or the installation space can be larger at one end face than in an inner area spaced apart from it.
  • An embodiment can thus be created which has a winding in the axial extension of which the power module is arranged.
  • an arrangement according to a radial extension in another embodiment may be desired. Both variants can be designed on one or two sides. The latter variant of a two-sided radial extension has advantages if the power modules should/must take up more space. This advantage also applies to a one-sided extension.
  • the power modules can be in a radial extension of the stator to the outside or in an axial extension on one Front side facing away from the rotor, be attached. In the radial direction, attachment radially inwards or attachment both radially inwards and outwards is also possible.
  • the power modules can be arranged alternately.
  • a DC-DC converter for the controllable adjustment of the DC voltages in the power modules can be implemented independently of the magnitude of the voltage of the energy source in the overall interconnection.
  • At least one additional half-bridge is added to each power module.
  • the power modules are then connected via the center taps of these additional half-bridges and also via the DC+ or alternatively DC- connection.
  • at least one choke is required at any point in the current path between the energy source and the interconnection of the submodules in each series-connected string of submodules.
  • the half-bridges and the choke together form an integral DC-DC converter or a step-up converter.
  • a DC-DC converter consisting of at least one half-bridge, at least one inductor and possibly at least one capacitor is additionally installed in each power module.
  • these DC-DC converters can be implemented as step-up converters.
  • step-down converters can also be implemented using the same components. In both cases there are two connection options, namely via the corresponding tap of the DC-DC converter and additionally via the DC+ or alternatively DC- connection.
  • the above object is also achieved in that an electrical machine with a stator as described above and a rotor is provided.
  • a method for assembling a stator, preferably as described above, for an electrical machine, preferably as described above, is provided.
  • the method includes providing a large number of submodules, each submodule having its own power module with a winding connected to it.
  • the method also includes assembling the submodules into the stator.
  • Such a method thus relates to an assembly method, the creation of the physical structure or the assembly of the stator. This includes steps of forming and forming the sub-assembly.
  • each submodule occupies a consistently wide installation space over the axial length, or if the installation space on one end face is larger than in an inner region spaced apart from it.
  • the invention relates to an electrical machine, in particular a stator thereof.
  • a winding structure in the stator of the electrical machine is segmented around a periphery of the electrical machine.
  • the respective connections of the winding structure are connected to the power module as directly as possible (by the shortest route or in the smallest possible space).
  • the smallest identical units or segments (submodules) consist of a stator segment with a local winding structure and an associated power module. Internally, the power module and the winding structure of a respective submodule are electrically connected via at least three connections. Externally, each submodule consists of two connections.
  • the invention sometimes enables the modular design of an electrical machine with integrated power electronics.
  • the following advantages can be at least partially achieved through one or more aspects: True modularization and integration of the phase and power electronics structure through segmentation over the circumference and the associated high packing density and high power density of the overall system;
  • the invention can also provide suitable winding systems for the electrical machine or the stator.
  • the optimization goals for these windings and their special properties include a very high copper fill factor, short cable lengths per phase or short connections between the individual conductors in the slot and to the connections of the power modules, as well as simple manufacture and assembly.
  • this winding scheme is not limited to radial flux machines in which the windings are arranged over the circumference of the machine in accordance with a lateral surface of a cylinder.
  • This can also be used for axial flow machines.
  • the windings lie in one plane, which is always arranged orthogonally to the axis of rotation of the rotor of the machine.
  • the stator with these windings thus forms one or possibly several discs of an axial flux machine.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a submodule of a stator
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a stator with an axial extension away from a first end face, ie on one side;
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a stator with a radial extension, on one side
  • FIG. 4 is a schematic representation of a stator with axial extension away from both ends, i.e. on both sides;
  • FIG. 5 shows a schematic representation of a stator with radial extension, two-sided;
  • FIG. 6 shows a schematic representation of a DC-side series connection of the submodules
  • FIG. 7 shows a schematic representation of a power module
  • FIG. 8 shows a schematic representation of a parallel interconnection of the submodules
  • FIG. 9 shows a schematic representation of a serial-parallel connection of the submodules
  • FIG. 10 shows a schematic representation of a first variant of an integral DC-DC converter
  • FIG. 11 shows a schematic representation of a second variant of an integral DC-DC converter
  • FIG. 12 shows a schematic representation of a first variant with an integrated DC-DC converter in the submodules
  • FIG. 13 shows a schematic representation of a second variant with an integrated DC-DC converter in the submodules
  • FIG. 14 shows a schematic representation of a distributed single-layer winding with a one-sided arrangement of the power modules
  • FIG. 15 shows a schematic representation of a distributed single-layer winding with a two-sided arrangement of the power modules
  • FIG. 16 shows a schematic representation of a distributed single-layer winding with a larger coil width and a higher number of turns
  • FIG. 17 shows a schematic representation of a distributed single-layer winding with higher overlap as a combination form
  • FIG. 18 shows a schematic representation of a two-layer winding with overlap
  • FIG. 19 shows a schematic representation of a two-layer winding without overlap
  • FIG. 20 shows a schematic representation of a two-layer winding without overlap
  • Figure 21 is a schematic representation of a 5/6 pitch distributed two layer winding without overlap
  • Figure 22 is a schematic representation of a 5/6 pitch distributed two layer winding with overlap;
  • the figures are only of a schematic nature and serve exclusively for understanding the invention.
  • the same elements are given the same reference numbers.
  • the features of the individual embodiments can be interchanged.
  • a stator 1 of the electrical machine will now be described using embodiments.
  • the inventive solution consists of a segmented winding structure in the stator 1 over the circumference of an electrical machine, the respective connections of which are connected as directly as possible (by the shortest path or in the smallest possible space) to electronic power modules 4 .
  • the smallest, identical units or segments consist of a stator segment with its local winding structure 3 and the associated power module 4, see Fig. 1.
  • the power module 4 and the winding structure 3 of the stator segment are electrically connected via at least three Connections (S1, S2, S3) are connected and towards the outside the submodule 2 has two connections (DC+ 9 and DC- 10).
  • This sub-module 2 represents the smallest unit as a sub-system.
  • the zylinderför-shaped arrangement of several identical sub-modules 2 creates a stator 1 of an electrical drive's in a modular manner. This creates a rotating magnetic field in the air gap that is required for operation, so that a torque can be generated on a rotor.
  • the design is independent of the operating principle of the motor and can therefore in principle be used universally for all types of electrical machines (permanent magnet excited synchronous machine, reluctance machine, separately excited synchronous machine, asynchronous machine and corresponding combinations).
  • the respective power module 4 can be placed directly next to the associated motor segment using different variants, taking into account the shortest possible connections to the motor segment.
  • the motor segment refers to the stator segment with winding structure 3. If the power modules 4 are only arranged on one side:
  • the dimensions of the power modules 4 and stator segments can vary here; the explained arrangements with contacting surfaces are more important, so that the lengths of internal electrical connections are kept to a minimum.
  • windings 3 are implemented with a very low number of turns and a large conductor cross section or high copper fill factor, in order to achieve a minimum of ohmic losses.
  • the production-related implementation can be done here by individual rods in the slots (compare I-Pin, number of coil turns 0.5) or at least a minimum number of turns per slot, which z.
  • I-Pin number of coil turns 0.5
  • U-shaped can be introduced comparable to hairpin windings.
  • This procedure generally describes the formation of all possible winding systems which meet the required character of a segmentation over the circumference of the stator of the electrical machine.
  • the procedure includes determining the number of slots (N), the number of pole pairs (p) and the number of phases (m) and the number of layers (single-layer or two-layer) depending on the winding factor (x) and harmonic scattering (s 0 ).
  • the approach applies to m > 2, whereby a lower voltage level is achieved for each submodule by distributing the DC link voltage across the various submodules.
  • semiconductor components with a lower voltage level, for example silicon MOSFETs, the lowest number of conductors in a slot, for example one, and the lowest number of turns, for example 0.5.
  • the degree of segmentation results from the DC link voltage, the desired voltage level for the semiconductor components and the selection of the useful number, number of phases, number of layers and number of pole pairs and the respective connection options listed below.
  • the minimum number of conductors in a slot is one for a single-layer winding and two conductors for a two-layer winding.
  • a conductor can be made of any electrically conductive material, in particular copper or aluminum.
  • one or more conductors are in a slot and the same current (amplitude, frequency, phase position) should flow through them, they can be connected in parallel or in series and are referred to as the coil side in the following. However, one or two conductors per slot or a parallel connection of several conductors is particularly suitable for the idea according to the invention.
  • coil side rows Connected to the star point or several coil sides are connected in series (hereinafter referred to as coil side rows) and several coil side rows with a different overall phase position are connected to a star point.
  • coil side rows Connected to the star point or several coil sides are connected in series (hereinafter referred to as coil side rows) and several coil side rows with a different overall phase position are connected to a star point.
  • ⁇ Coil sides should be as close together as possible o Connection of m T coil sides in a star point and thus obtaining more star points than in the first point through the following conditions
  • Coil sides should be as close together as possible o Connection of m T coil sides in a star point if there are several odd-numbered divisors of m, and thus obtaining more star points than in the first point through the following conditions
  • phase numbers that are powers of two require an additional star point connection that is more heavily loaded than the phase connections, three direct phase connections are assumed in the smallest possible version.
  • the highest fill factor is achieved with a conductor that completely fills the slot. If the conductor is to be understood as a conductor bundle, i.e. made up of several parallel conductor sections, the fill factor is lower because the insulation is applied to a larger surface and its proportion in comparison to the total volume is therefore higher.
  • a conductor or bundle of conductors can be completely adapted to the shape of the slot so that there are no free spaces in the slot.
  • the modules can also be nested differently; this is also correspondingly possible for the other examples.
  • Three conductors (or bundles of conductors), one conductor per slot, number of windings 0.5; based on a toothed coil winding or pitched winding: shortest segments, i.e. 6 slots per 2 pairs of poles (2 submodules per 2 pairs of poles) each one-sided or two-sided arrangement,
  • Three conductors (or bundles of conductors), one conductor per slot, number of windings greater than 0.5; based on a distributed winding:
  • Three conductors (or bundles of conductors), one conductor per slot, number of turns greater than 0.5; starting from a toothed coil winding or long-pitched winding
  • a different number of submodules 2 which form the entire stator 1, can thus be constructed.
  • the maximum modularity in terms of the maximum number of segments that can be realized over the circumference is determined by the number of layers (one or two-layer winding), the number of slots N and the number of phases m.
  • the number of phases three represents an advantageous solution due to the minimum required for the generation of a rotating field or, in relation to the motor segment, a traveling field. With a number of phases three, a constant power and also three symmetrically loaded phases. However, the formation law is not limited to this and describes the realization for any number of phases.
  • higher motor phase numbers can also be generated with submodules 2 with a lower phase number if the lower phase number is a factor of the higher one. All further descriptions are therefore limited to three-phase variants, without the invention being limited thereto.
  • the power module 4 within the submodule 2 contains a power electronic circuit based on power semiconductors such as transistors 7 and diodes 8 and a local intermediate circuit capacitor 5.
  • An advantageous conversion is carried out by the three-phase bridge circuit with three half-bridges 6 corresponding to the three phases the winding structure in the stator segment.
  • Each half-bridge 6 consists of two transistors 7 in series and, for example, an antiparallel maral ended freewheeling diode 8.
  • the transistors 7 different types, such. B. IGBTs, MOSFETs, HEMTs, bipolar transistors, GTOs are used.
  • Both the diodes 8 and transistors 7 can be based on typical semiconductor materials such as silicon, silicon carbide, gallium nitride or other suitable materials in the future. Typical modulation methods or pulse width modulation are used to generate a three-phase voltage system whose amplitude and frequency are variable according to the operating point of the entire electrical drive.
  • each power module 4 contains a control and regulation unit, which controls the transistors 7, detects electrical quantities such as the local intermediate circuit voltage and phase currents, and has interfaces for communication with the neighboring submodules 2 or with a central control unit (not shown in the figures). shown).
  • the DC-side interconnection of the submodules 2 via their respective two connections DC+ and DC- can be implemented differently depending on the required voltage adjustment between the energy source and the modules: all in series (see Fig. 6), all in parallel (see Fig. 8) or in groups mixed parallel and serial (see Fig. 9).
  • a DC-DC converter for voltage adjustment during operation can be integrated into the overall system or into each power module 4 .
  • Various variants can be provided for this purpose. 10 shows a first variant and FIG. 11 shows a second variant with a central choke 11. Mixed forms are also possible with regard to the DC-side connection to the associated half-bridge 6 of the DC-DC converter Comparable to modular high-frequency converters.
  • FIG. 12 shows a third variant and FIG. 13 shows a fourth variant with an integrated choke and, for example, an additional capacitor, a DC-DC converter being integrated in each submodule 2 .
  • the following variants are available for implementing the winding structure with one conductor per slot (in a single-layer winding), which corresponds to a maximum achievable copper fill factor.
  • FIG. 14 and 15 represent a winding structure in which the submodules 2 spatially overlap in the region of the winding structures 3.
  • FIG. This is due to the phase sequence shown in the slots and the easiest way to connect the three conductors according to the three phases. These three conductors are contacted on one side with a so-called star point connection and on the other side are connected to the power module 4 via the three connections.
  • FIG. 16 shows a variant in which one conductor is also introduced per slot.
  • each phase is realized with the aid of two windings four cable sections occupy two adjacent slots twice.
  • the first ends of the windings of the individual phases are contacted with a star point connection and the second ends are connected to the power module. Since there is no spatial overlapping of the motor segments in this variant, the power modules 4 can be advantageously arranged on one side.
  • Winding structures with two conductors per slot can be used to implement further advantageous variants with regard to the shortest possible segmentation.
  • FIG. 18 shows a structure in which each phase consists of only one line in a slot and is connected in a manner comparable to FIGS. 13 and 14.
  • FIG. Two conductors of different phases are inserted per slot. This form represents the shortest segmentation, in which a stator segment comprises only three adjacent slots. Due to the overlapping of the motor segments, implementation using a two-sided arrangement is advantageous.
  • FIG. 20 continues the previous aspect so that one phase occupies four adjacent slots and furthermore two conductors are introduced per slot. The direction of winding reverses in a phase from one turn to the next. This variant also avoids an overlapping of the motor segments, so that a one-sided attachment can also be implemented advantageously here.
  • FIG. 21 shows the variant with two conductors per slot with a distributed winding. It has four windings per phase and can be implemented without overlapping.
  • FIG. 22, based on FIG. 20, shows the variant with a halved number of turns and double the number of submodules 2.
  • the two-sided arrangement of the power modules 4 is advantageous due to the overlapping motor segments.
  • the aspects and features mentioned and described together with one or more of the examples and figures detailed above may be further combined with one or more of the other examples to replace a similar feature of the other example or to Remember to add it to the other example.

Abstract

The invention relates to a stator (1) for an electric machine, comprising a plurality of submodules (2) which extend separately from one another along the circumference of the stator (1), wherein each submodule (2) has a dedicated winding (3) and a dedicated power module (4) associated with the winding (3) for converting direct current into multi-phase alternating current. The invention also relates to an electric machine and to a method for assembling the stator (1).

Description

Stator mit Wicklunqsaufbauten für modulare E-Maschinen Stator with winding structures for modular electric machines
Die Erfindung betrifft einen Stator, eine elektrische Maschine und ein Verfahren zum Zusammenbauen des Stators. The invention relates to a stator, an electric machine and a method for assembling the stator.
Allgemein werden elektrische Maschinen mittels unterschiedlicher Wicklungsaufbau ten realisiert. So ist zum Beispiel ein Wicklungsaufbau durch eine sogenannte Hairpin- , Wellenwicklungs- und Träufelwicklungstechnologie bekannt. Dabei liegt häufig ein Kupferfüllfaktor in einer Nut von ca. 50% vor (je nach Technologie). Es gibt also viele Hohlräume und einen hohen Platzbedarf für eine Isolation. Eine Spannungs- und Stromanpassung der elektrischen Maschine an eine zur Stromversorgung vorgese hene Energiequelle erfolgt über die jeweilige Windungszahl, Verschaltung der Teil wicklungen innerhalb einer Phase sowie durch einen entsprechenden Drahtquer schnitt. Eine höhere Spannungslage erfordert grundsätzlich eine höhere Windungs zahl bzw. höhere Drehzahl der elektrischen Maschine. In general, electrical machines are implemented using different winding structures. For example, a winding structure using what is known as hairpin, wave winding and random winding technology is known. There is often a copper fill factor in a slot of approx. 50% (depending on the technology). So there are many cavities and a lot of space for insulation. The voltage and current of the electrical machine are adapted to an energy source provided for the power supply via the respective number of turns, connection of the partial windings within a phase and through a corresponding wire cross-section. A higher voltage level generally requires a higher number of windings or a higher speed of the electrical machine.
DE 10 2014 105642 A1 offenbart eine elektrische Maschine mit einem Stator und ei nem beweglich dazu gelagerten Rotor. Es ist hierbei ein Stator vorgesehen, der eine Vielzahl von Nuten zur Aufnahme einer oder mehrerer Statorwicklungen umfasst. In die Nuten ist je ein Leiterabschnitt der Statorwicklung eingelegt, wobei die Leiterab schnitte an einem Ende, das heißt auf einer Seite des Stators miteinander elektrisch verbunden sind, so dass sie miteinander einen Kurzschluss bilden. DE 10 2014 105642 A1 discloses an electrical machine with a stator and a rotor which is mounted so that it can move. In this case, a stator is provided which comprises a multiplicity of slots for accommodating one or more stator windings. A conductor section of the stator winding is inserted into each of the slots, with the conductor sections being electrically connected to one another at one end, that is to say on one side of the stator, so that they form a short circuit with one another.
DE 10 2014 110299 A1 offenbart ferner eine elektrische Maschine mit einem Stator und einem beweglich dazu gelagerten Rotor. Der Stator umfasst eine Vielzahl von Nu ten zur Aufnahme einer Statorwicklung. In jede Nut ist je ein Leiterabschnitt der Statorwicklung eingelegt. Auf einer Seite des Stators sind die Leiterabschnitte in ei nem Kurzschlussmittel miteinander elektrisch kurzgeschlossen. Das Kurzschlussmittel umfasst eine Kühlvorrichtung. Auch die DE 10 2014 113489 A1 offenbart eine elektrische Maschine mit einem Sta tor. Der Stator umfasst eine Vielzahl von Nuten, die zwischen benachbarten Zähnen des Stators gebildet sind. Die Nuten dienen zur Aufnahme einer Statorwicklung. In jede Nut ist je ein Leiterabschnitt der Statorwicklung eingelegt. Die Leiterabschnitte mindestens eines Polpaares sind auf einer ersten Seite des Stators miteinander kurz geschlossen. Auf einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite des Sta tors sind die freien Enden der Leiterabschnitte mit einem Anschluss einer Stromver sorgungseinheit verbunden. Die Stromversorgungseinheit umfasst zwei ringförmig ausgebildete elektrische Leiter, zwischen denen mindestens ein leistungselektroni sches Bauteil angeordnet ist. DE 10 2014 110299 A1 also discloses an electrical machine with a stator and a rotor which is movably mounted relative to it. The stator includes a plurality of slots for receiving a stator winding. A conductor section of the stator winding is inserted into each slot. On one side of the stator, the conductor sections are electrically shorted together in a shorting means. The short-circuiting means comprises a cooling device. DE 10 2014 113489 A1 also discloses an electrical machine with a stator. The stator includes a plurality of slots formed between adjacent teeth of the stator. The slots serve to accommodate a stator winding. A conductor section of the stator winding is inserted into each slot. The conductor sections of at least one pole pair are shorted together on a first side of the stator. On a second side of the stator, opposite the first side, the free ends of the conductor sections are connected to a connection of a power supply unit. The power supply unit comprises two ring-shaped electrical conductors between which at least one electronic power component is arranged.
DE 10 2014 114615 A1 offenbart ein Wicklungssystem für einen Stator und/oder ei nen Rotor einer elektrischen Maschine umfassend mehrere Leiterabschnitte, welche im Wesentlichen zwischen gegenüberliegenden Seiten des Wicklungssystems ange ordnet sind. Auf einer ersten Seite des Wicklungssystems sind zwei ringförmige Leiter vorgesehen, mit denen die Leiterabschnitte über Halbbrücken gekoppelt sind. Auf der gegenüberliegenden Seite des Wicklungssystems ist mindestens eine Halbbrücke vor gesehen, an die mindestens ein Leiterabschnitt angeschlossen ist. DE 10 2014 114615 A1 discloses a winding system for a stator and/or a rotor of an electrical machine comprising a plurality of conductor sections which are arranged essentially between opposite sides of the winding system. Two ring-shaped conductors are provided on a first side of the winding system, with which the conductor sections are coupled via half bridges. At least one half-bridge is provided on the opposite side of the winding system, to which at least one conductor section is connected.
DE 10 2014 118356 A1 betrifft eine Stromversorgungseinheit, welche zum Speisen von mehreren Leiterabschnitten einer Statorwicklung einer elektrischen Maschine aus gelegt ist. Die Leiterabschnitte sind dabei in jeweilige Nuten des Stators der elektri schen Maschine eingelegt. Die Stromversorgungseinheit wiederum speist einen ers ten der Leiterabschnitte und einen zweiten der Leiterabschnitte mit mindestens einem unterschiedlichen Betriebsparameter einer jeweiligen Stromfunktion. Alternativ oder zusätzlich ist die Stromversorgungseinheit eingerichtet, einen Leiterabschnitt mit min destens zwei überlagerten Stromfunktionen zu speisen, die jeweils mindestens einen unterschiedlichen Betriebsparameter aufweisen. DE 10 2014 118356 A1 relates to a power supply unit which is designed to feed multiple conductor sections of a stator winding of an electrical machine. The conductor sections are inserted into respective slots in the stator of the electrical machine's. The power supply unit in turn feeds a first of the conductor sections and a second of the conductor sections with at least one different operating parameter of a respective current function. Alternatively or additionally, the power supply unit is set up to feed a conductor section with at least two superimposed current functions, each of which has at least one different operating parameter.
DE 10 2016 107937 A1 offenbart eine Schaltungsanordnung zur Speisung eines als vielphasige elektrische Maschine ausgeführten Antriebsmotors. Die Schaltungsanord nung kann von der Antriebsvorrichtung umfasst sein. DE 10 2016 118634 A1 offenbart eine Schaltungsanordnung zum Ansteuern einer Statorwicklung eines Stators einer elektrischen Maschine. Die Statorwicklung weist mindestens vier elektrische Phasen auf, welche dazu ausgelegt sind, mit einem je weils eigenen Phasenstrom gespeist zu werden. Die Statorwicklung kann also bei spielsweise an eine Leistungselektronik angeschlossen sein, welche jede der elektri schen Phasen mit einem eigenen Phasenstrom versorgt. Die elektrischen Phasen können beispielsweise durch elektrisch leitfähige Stäbe in Nuten in einem oder mehre ren Statorblechen des Stators gebildet sein. DE 10 2016 107937 A1 discloses a circuit arrangement for feeding a drive motor designed as a multi-phase electrical machine. The circuit arrangement can be comprised by the drive device. DE 10 2016 118634 A1 discloses a circuit arrangement for driving a stator winding of a stator of an electrical machine. The stator winding has at least four electrical phases, which are designed to be fed with a respective separate phase current. The stator winding can therefore be connected to power electronics, for example, which supplies each of the electrical phases with its own phase current. The electrical phases can be formed, for example, by electrically conductive rods in slots in one or more stator laminations of the stator.
DE 10 2017 116 145 B3 offenbart ein Wicklungssystem für einen Stator einer elektri schen Maschine und eine elektrische Maschine. Das Wicklungssystem umfasst min destens zwei erste Leiterabschnitte und mindestens zwei zweite Leiterabschnitte. Die ersten und zweiten Leiterabschnitte können ein elektrisch leitfähiges Material aufwei sen, wie zum Beispiel Kupfer oder Aluminium. Der Stator kann beispielsweise Nuten aufweisen, in welchen sich je ein Leiterabschnitt befindet. Der Stator kann ein oder mehrere Statorbleche umfassen, in welchen die Nuten eingebracht sind. Bevorzugt weist der Stator eine Vielzahl von Nuten auf. Bei den ersten und zweiten Leiterab schnitten kann es sich zum Beispiel um elektrisch leitfähige Stäbe handeln. DE 10 2017 116 145 B3 discloses a winding system for a stator of an electrical machine and an electrical machine. The winding system comprises at least two first conductor sections and at least two second conductor sections. The first and second conductor sections may comprise an electrically conductive material, such as copper or aluminum. The stator can have slots, for example, in each of which there is a conductor section. The stator can include one or more stator laminations, in which the slots are introduced. The stator preferably has a large number of slots. For example, the first and second conductor portions may be electrically conductive rods.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, die Nachteile aus dem bekannten Stand der Technik zu vermeiden oder wenigstens zu mildern. Insbesondere soll die Modularisierung ei ner elektrischen Maschine vorangetrieben werden. It is the object of the invention to avoid or at least alleviate the disadvantages of the known prior art. In particular, the modularization of an electrical machine is to be promoted.
Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein Stator für eine elektrische Maschine bereitgestellt wird. Der Stator umfasst eine Vielzahl von Submodulen, die sich voneinander getrennt über den Umfang des Stators erstrecken. Jedes Submodul besitzt eine eigene Wicklung und ein eigenes der Wicklung zugeordnetes Leistungsmodul zum Wandeln von Gleich strom in Wechselstrom, zum Beispiel Drehstrom. Unter einer Wicklung wird das Vorhandensein wenigstens eines Leiters in einer Nut verstanden. Darauf aufbauend können mehrere Leiterstücke pro Wicklung und auch mehrere Leiterstücke in einer Nut vorhanden sein. Diese können sich auf beliebige Art verbinden lassen. Es können dabei Leiterstücke in unterschiedlichen Nuten verbun den werden und einige Nuten übersprungen werden. Eine Verbindung von nur zuei nander benachbarten Leiterstücken ist nicht zwingend. Die Leiterstücke bestehen aus elektrisch leitfähigem Material wie z.B. Kupfer. In the case of a generic device, this object is achieved according to the invention in that a stator for an electrical machine is provided. The stator includes a plurality of sub-modules, which extend separately from one another over the circumference of the stator. Each submodule has its own winding and its own power module assigned to the winding for converting direct current into alternating current, for example three-phase current. A winding is understood to mean the presence of at least one conductor in a slot. Based on this, there can be several conductor pieces per winding and also several conductor pieces in one slot. These can be connected in any way. Conductor sections can be connected in different slots and some slots can be skipped. A connection of only zuei nander adjacent conductor sections is not mandatory. The conductor pieces are made of electrically conductive material such as copper.
Ein Gedanke der vorliegenden Erfindung ist, dass für die Produktion eine Modularisie rung von Bauteilen bzw. Subsystemen im Sinne eines Aufbaus bestehend aus mehre ren Gleichteilen wichtig ist, da für verschiedene Leistungsgrößen lediglich über die An zahl an Komponenten skaliert werden kann und keine neue Fertigung aufgebaut wer den muss. Wenn die axiale Länge und/oder der Durchmesser bestimmter Bauteile, etwa in Anpassung an die Leistungsgröße, aber zwingend verändert werden muss, so können unterschiedliche Bauteile zu den besagten Gleichteilen eingesetzt werden. Diese Bauteile können untereinander wieder Gleichteile sein. Die Submodule können auch als Statorsubmodule bezeichnet werden. One idea of the present invention is that a modularization of components or subsystems in the sense of a structure consisting of several identical parts is important for production, since scaling for different power ratings is only possible via the number of components and no new production is set up must become. However, if the axial length and/or the diameter of certain components has to be changed, for example to adapt to the size of the power, then different components can be used for the said identical parts. These components can again be identical parts to each other. The submodules can also be referred to as stator submodules.
Es wird ein elektrisches Antriebssystem umfassend eine elektrische Maschine und eine Leistungselektronik, basierend auf drei oder mehr Phasen, realisiert. Nachteile, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind, werden vermieden. Diese Nachteile werden nachfolgend aufgeführt: An electric drive system comprising an electric machine and power electronics based on three or more phases is implemented. Disadvantages known from the prior art are avoided. These disadvantages are listed below:
• Eine Leistungselektronikeinheit, die wiederum mit einem Hochvolt-Zwischen- kreis und beispielsweise einer Hochvolt-Batterie verbunden ist, hat nur geringe Modularisierungsmöglichkeiten aufgrund großer Einzelaufbauten. • A power electronics unit, which in turn is connected to a high-voltage intermediate circuit and, for example, a high-voltage battery, only has limited modularization options due to large individual structures.
• Eine Verteilung der Wicklungen pro Phase über den gesamten Umfang der elektrischen Maschine führt zu langen Verbindungspfaden mit hohen ohm schen Widerständen in den Wickelköpfen sowie hohem Materialverbrauch und Platzbedarf. Es werden nun zwei oder mehr integrierte Teilmotoren mit betriebspunktoptimierten Designs möglich. • A distribution of the windings per phase over the entire circumference of the electrical machine leads to long connection paths with high ohmic resistances in the winding overhangs as well as high material consumption and space requirements. Two or more integrated sub-motors with operating point-optimized designs are now possible.
Auch ist nun bei der Erfindung eine Modularisierung der Leistungselektronik zum platzsparenden Aufbau hinreichend gegeben (während sich ein typischer 3-phasiger Aufbau mit direkter Anbindung an einen zentralen Zwischenkreiskondensator nicht weiter zerteilen bzw. modularisieren lässt). Bei der Erfindung ist nun der Kupferfüllfak tor in Nuten der elektrischen Maschinen verbessert. In the case of the invention, there is also sufficient modularization of the power electronics for space-saving construction (while a typical 3-phase construction with a direct connection to a central intermediate circuit capacitor cannot be further divided or modularized). In the invention, the copper filling factor is now improved in the grooves of the electrical machines.
Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beansprucht und wer den nachfolgend näher erläutert. Advantageous embodiments are claimed in the dependent claims and who explained in more detail below.
Jedes Submodul kann mehrere eigene Wicklungen besitzen und der Wechselstrom kann ein Mehrphasenwechselstrom sein. Each submodule may have multiple windings of its own and the AC power may be polyphase AC.
Jedes Leistungsmodul kann einen eigenen DC+ und DC- Anschluss und drei Phasen anschlüsse zum Beaufschlagen der Wicklungen mit dem Mehrphasenwechselstrom, zum Beispiel Drehstrom, besitzen. Hierdurch lässt sich eine leichte Zuordenbarkeit er reichen und eine gängige Bestromung bedienen. Die Erfindung ist nicht auf drei Pha sen beschränkt. Es sind auch mehr als drei Phasen möglich, z.B. fünf, sechs, sieben, neun, zehn, elf, zwölf, etc. Phasen, wobei in diesem Fall jedes Leistungsmodul eine den Phasen entsprechende Anzahl von Phasenanschlüssen besitzt. Each power module can have its own DC+ and DC- connection and three phase connections for charging the windings with the polyphase alternating current, for example three-phase current. This makes it easy to allocate and operate a common power supply. The invention is not limited to three phases. More than three phases are also possible, e.g. five, six, seven, nine, ten, eleven, twelve, etc. phases, in which case each power module has a number of phase connections corresponding to the phases.
Alle Leistungsmodule können seriell verschaltet sein, indem jeweils der DC+ An schluss der Leistungsmodule mit dem DC- Anschluss des dem entsprechenden Leis tungsmodul direkt benachbarten Leistungsmoduls verbunden ist. Hierdurch können die Leistungsmodule an die Spannung der zu verschaltenden Energiequelle leicht an gepasst bzw. entsprechend dimensioniert werden. Es gibt natürlich auch andere Ver schaltungsarten, die einsetzbar sind, etwa parallele und kombinierte Verschaltungsar ten. Jedes Leistungsmodul der Submodule kann ein eigenes Bauteil der Gruppe aus Zwischenkreiskondensator, Halbbrücke, Transistor und Diode enthalten. Hier wird un- ter einer Halbbrücke ein solches Bauteil verstanden, dass wenigstens zwei Transisto ren einsetzt. Dabei können zusätzlich Dioden eingesetzt sein. Dadurch kann auf er probte Komponenten gesetzt werden und eine ausreichende Ausfallsicherheit ist ge geben. Das bezieht sich sowohl auf das Verwenden von erprobten Komponenten als auch auf eine höhere Anzahl autark agierender Komponenten. All power modules can be connected in series by connecting the DC+ connection of the power module to the DC- connection of the power module directly adjacent to the corresponding power module. As a result, the power modules can be easily adapted to the voltage of the energy source to be connected or dimensioned accordingly. There are of course other types of connection that can also be used, such as parallel and combined types of connection. Each power module of the submodules can contain its own component from the group consisting of the intermediate circuit capacitor, half-bridge, transistor and diode. Here we ter a half-bridge understood such a component that at least two Transisto ren uses. In this case, diodes can also be used. This means that tried and tested components can be used and there is sufficient failsafety. This refers both to the use of proven components and to a higher number of independently operating components.
Jedes Leistungsmodul kann einen eigenen Zwischenkreiskondensator besitzen. Es ist von Vorteil, wenn der Kondensator mit den DC+ und DC- Klemmen und mit den je weils 2 Anschlüssen einer jeden Halbbrücke im Submodul verbunden ist. Die entspre chende Ansteuerung der Halbbrücken sorgt dann für die Bestromung der Wicklungen, welche dann wiederum das umlaufende Magnetfeld erzeugen. Dadurch kann das für einen gleichmäßigen Rundlauf benötigte Magnetfeld effizient erzeugt werden. Each power module can have its own intermediate circuit capacitor. It is advantageous if the capacitor is connected to the DC+ and DC- terminals and to the 2 connections of each half-bridge in the submodule. The corresponding control of the half-bridges then ensures that the windings are energized, which in turn generate the circulating magnetic field. As a result, the magnetic field required for even concentricity can be generated efficiently.
Wenigstens eines der Submodule oder alle Submodule können eine Einhausung auf weisen, die ein Handling der Submodule ermöglicht. Einem Monteur wird es dann er leichtert die einzelnen Submodule zu dem Stator der elektrischen Maschine zusam menzusetzen. Die Submodule können also nur die Statorwicklung oder auch den Blechschnitt umfassen. Es lassen sich dabei Wicklungen einsetzen, die wie folgt aus gebildet sein können: Einschichtwicklungen, wobei hier eine Phase in einer Nut liegt und mindestens einen Leiter in der Nut umfasst, oder Zweischichtwicklungen, wobei mindestens zwei Leiter in einer Nut liegen, die zur gleichen Phase oder zu unter schiedlichen Phasen gehören. Mindestens drei Leiter bilden mindestens drei Phasen, die zusammen in einen Sternpunkt verschaltet sind. Die Sternpunkte können auf der gleichen Seite wie die Leistungselektronikmodule oder auf der gegenüberliegenden Seite angeordnet sein. Damit ergeben sich Windungszahlen einer Phase pro Submo dul von 0,5, wenn jeweils ein Leiter einer Phase in einen Sternpunkt verschaltet ist. Sind zwei Leiter aus verschiedenen Nuten gleicher Phase seriell verschaltet, erhält man eine Windungszahl von 1, bei drei Leitern von 1,5, etc. Die Wicklungen können aber auch aus mehreren, parallel geschalteten Leitern pro Nut bestehen; dies ändert die Windungszahl nicht. Die Einhausung kann nach Art eines Papiers oder einer Folie oder Ummantelung oder Bedeckung oder festem Gehäuse vorgesehen oder ausgebildet sein. Der Begriff „Handling“ kann als Handhabe verstanden werden. At least one of the submodules or all submodules can have a housing that allows the submodules to be handled. It is then made easier for a fitter to assemble the individual submodules into the stator of the electrical machine. The submodules can therefore only include the stator winding or also the sheet metal section. Windings can be used that can be formed as follows: single-layer windings, in which case one phase is in a slot and includes at least one conductor in the slot, or two-layer windings, in which at least two conductors are in a slot and belong to the same phase or belong to different phases. At least three conductors form at least three phases that are interconnected to form a star point. The neutral points can be arranged on the same side as the power electronics modules or on the opposite side. This results in a phase number of turns of 0.5 per submodule if one phase conductor is connected to a neutral point. If two conductors from different slots of the same phase are connected in series, the number of windings is 1, with three conductors 1.5, etc. However, the windings can also consist of several parallel-connected conductors per slot; this does not change the number of turns. The enclosure may be provided or formed in the manner of a paper or foil or sheath or covering or solid housing. The term "handling" can be understood as a handle.
Jedes Leistungsmodul kann auf einer ersten Stirnseite der Wicklung angeordnet sein oder die Leistungsmodule können immer über den Umfang gesehen abwechselnd von einem Submodul zum über den Umfang gesehen benachbarten Submodul auf der ersten Stirnseite und zweiten Stirnseite angeordnet sein. Der Bauraum lässt sich dann effizient nutzen. Each power module can be arranged on a first end face of the winding, or the power modules can always be arranged alternately, viewed over the circumference, from one submodule to the adjacent submodule, viewed over the circumference, on the first end face and second end face. The installation space can then be used efficiently.
Jede Wicklung kann zum einen gleich ausgeführt sein und zum anderen können die Wicklungen von wenigstens zwei der Submodule verschiedenartig ausgeführt sein. On the one hand, each winding can be of the same design and, on the other hand, the windings of at least two of the submodules can be of different designs.
Ferner kann die Wicklung jedes Submoduls anhand eines Bildungsgesetzes, wie un ten beschrieben, ausgeführt sein. Mindestens eines der folgenden Größen kann für ein Wicklungsschema der jeweiligen Wicklung in das Bildungsgesetz einfließen: Nut zahl, Polpaarzahl, Schichtzahl und Phasenzahl. Furthermore, the winding of each sub-module can be implemented using a formation law as described below. At least one of the following variables can be included in the formation law for a winding scheme of the respective winding: number of slots, number of pole pairs, number of layers and number of phases.
Jedes Submodul kann über die Axiallänge gesehen einen gleichbleibend breiten (in Umfangsrichtung gesehen) Bauraum einnehmen oder der Bauraum kann an einer Stirnseite größer als in einem davon beabstandeten Innenbereich sein. Es kann also eine Ausführungsform geschaffen werden, die eine Wicklung besitzt, in deren axialer Verlängerung das Leistungsmodul angeordnet ist. Alternativ kann jedoch eine Anord nung gemäß einer radialen Verlängerung in einer anderen Ausführungsform ge wünscht sein. Beide Varianten lassen sich einseitig oder zweiseitig ausgestalten. Die zuletzt genannte Variante einer zweiseitigen radialen Verlängerung hat Vorteile, wenn die Leistungsmodule mehr Bauraum in Anspruch nehmen sollen / müssen. Auch bei einer einseitigen Verlängerung stellt sich dieser Vorteil ein. Viewed over the axial length, each submodule can take up an installation space that is consistently wide (viewed in the circumferential direction), or the installation space can be larger at one end face than in an inner area spaced apart from it. An embodiment can thus be created which has a winding in the axial extension of which the power module is arranged. Alternatively, however, an arrangement according to a radial extension in another embodiment may be desired. Both variants can be designed on one or two sides. The latter variant of a two-sided radial extension has advantages if the power modules should/must take up more space. This advantage also applies to a one-sided extension.
Für Axialflussmaschinen können je nach Ausführung des Motors, z.B. Doppelstator ein Rotor, Ein Stator-Zwei Rotoren, Ein Stator-Ein Rotor, etc., die Leistungsmodule in radialer Verlängerung des Stators nach außen oder in axialer Verlängerung an einer Stirnseite, die dem Rotor abgewandt ist, angebracht sein. In radialer Richtung ist auch eine Anbringung radial nach innen oder eine Anbringung sowohl radial innen als auch außen möglich. Dabei können die Leistungsmodule abwechselnd angeordnet werden. For axial flow machines, depending on the design of the motor, eg double stator one rotor, one stator-two rotors, one stator-one rotor, etc., the power modules can be in a radial extension of the stator to the outside or in an axial extension on one Front side facing away from the rotor, be attached. In the radial direction, attachment radially inwards or attachment both radially inwards and outwards is also possible. The power modules can be arranged alternately.
Alle Submodule können zusammen einen im Umfang gesehen zusammengefügten Block bilden, was einem guten Handling zuträglich ist. Es sind dann keine Lücken zwi schen den einzelnen Submodulen vorhanden. All submodules together can form a block that is joined together in terms of scope, which is conducive to good handling. There are then no gaps between the individual submodules.
Ferner kann in der Gesamtzusammenschaltung die Funktion eines DC-DC-Wandlers zur steuerbaren Anpassung der DC-Spannungen in den Leistungsmodulen unabhän gig von der Höhe der Spannung der Energiequelle realisiert werden. Furthermore, the function of a DC-DC converter for the controllable adjustment of the DC voltages in the power modules can be implemented independently of the magnitude of the voltage of the energy source in the overall interconnection.
In einer ersten Variante wird hierzu in jedem Leistungsmodul mindestens eine zusätz liche Halbbrücke ergänzt. Die Verschaltung der Leistungsmodule erfolgt dann über die Mittelabgriffe dieser zusätzlichen Halbbrücken und zusätzlich über den DC+ oder al ternativ DC- Anschluss. Für die Funktion dieser Variante ist im Strompfad zwischen Energiequelle und der Verschaltung der Submodule in jedem seriell geschalteten Strang von Submodulen mindestens eine Drossel an beliebiger Stelle notwendig. Die Halbbrücken und die Drossel bilden zusammen einen integralen DC-DC-Wandler bzw. einen Hochsetzsteller. In a first variant, at least one additional half-bridge is added to each power module. The power modules are then connected via the center taps of these additional half-bridges and also via the DC+ or alternatively DC- connection. For this variant to function, at least one choke is required at any point in the current path between the energy source and the interconnection of the submodules in each series-connected string of submodules. The half-bridges and the choke together form an integral DC-DC converter or a step-up converter.
In einer zweiten Variante wird in jedes Leistungsmodul zusätzlich ein DC-DC-Wandler bestehend aus mindestens einer Halbbrücke, mindestens einer Drossel und ggf. min destens einem Kondensator. Diese DC-DC-Wandler können wie dargestellt als Hoch setzsteller ausgeführt werden. Alternativ lassen sich mit denselben Bauteilen auch Tiefsetzsteller ausführen. In beiden Fällen gibt es hier wiederum zwei Möglichkeiten der Verschaltung, nämlich über den entsprechenden Abgriff des DC-DC-Wandlers und zusätzlich über den DC+ oder alternativ DC- Anschluss. In a second variant, a DC-DC converter consisting of at least one half-bridge, at least one inductor and possibly at least one capacitor is additionally installed in each power module. As shown, these DC-DC converters can be implemented as step-up converters. Alternatively, step-down converters can also be implemented using the same components. In both cases there are two connection options, namely via the corresponding tap of the DC-DC converter and additionally via the DC+ or alternatively DC- connection.
Die oben genannte Aufgabe wird auch dadurch gelöst, dass eine elektrische Ma schine mit einem Stator wie oben beschrieben und einem Rotor bereitgestellt wird. Die oben genannte Aufgabe wird ferner dadurch gelöst, dass ein Verfahren zum Zu sammenbauen eines Stators, vorzugsweise wie oben beschrieben, für eine elektri sche Maschine, vorzugsweise wie oben beschrieben bereitgestellt wird. Das Verfah ren umfasst ein Bereitstellen einer Vielzahl von Submodulen, wobei jedes Submodul ein eigenes Leistungsmodul mit daran angeschlossener Wicklung besitzt. Das Verfah ren umfasst ferner ein Zusammensetzen der Submodule zu dem Stator. Ein solches Verfahren betrifft somit ein Montageverfahren, das Schaffen des physischen Aufbaus bzw. den Zusammenbau des Stators. Dies beinhaltet Schritte des Umformens und Entstehenlassens der Unterbauteilgruppen. The above object is also achieved in that an electrical machine with a stator as described above and a rotor is provided. The above object is further achieved in that a method for assembling a stator, preferably as described above, for an electrical machine, preferably as described above, is provided. The method includes providing a large number of submodules, each submodule having its own power module with a winding connected to it. The method also includes assembling the submodules into the stator. Such a method thus relates to an assembly method, the creation of the physical structure or the assembly of the stator. This includes steps of forming and forming the sub-assembly.
Es ist ferner von Vorteil, wenn jedes Submodul über die Axiallänge gesehen einen gleichbleibend breiten Bauraum einnimmt oder der Bauraum an einer Stirnseite grö ßer als in einem davon beabstandeten Innenbereich ist. It is also advantageous if each submodule occupies a consistently wide installation space over the axial length, or if the installation space on one end face is larger than in an inner region spaced apart from it.
Auch ist es von Vorteil, wenn alle Submodule zusammen einen über den Umfang ge sehen zusammengefügten Block bilden. It is also advantageous if all the submodules together form a block that is joined together over the circumference.
Mit anderen Worten betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine, insbesondere ei nen Stator davon. Eine Wicklungsstruktur in dem Stator der elektrischen Maschine ist dabei um eine Peripherie der elektrischen Maschine herum segmentiert. Die jeweili gen Anschlüsse des Wicklungsaufbaus werden möglichst direkt (auf kürzestem Weg oder auf kleinstem Bauraum) mit dem Leistungsmodul verbunden. Die kleinsten identi schen Einheiten oder Segmente (Submodule) bestehen aus einem Statorsegment mit einem lokalen Wicklungsaufbau und einem zugehörigen Leistungsmodul. Intern sind das Leistungsmodul und der Wicklungsaufbau eines jeweiligen Submoduls über min destens drei Anschlüsse elektrisch verbunden. Extern besteht das jeweilige Submodul aus zwei Anschlüssen. In other words, the invention relates to an electrical machine, in particular a stator thereof. A winding structure in the stator of the electrical machine is segmented around a periphery of the electrical machine. The respective connections of the winding structure are connected to the power module as directly as possible (by the shortest route or in the smallest possible space). The smallest identical units or segments (submodules) consist of a stator segment with a local winding structure and an associated power module. Internally, the power module and the winding structure of a respective submodule are electrically connected via at least three connections. Externally, each submodule consists of two connections.
Die Erfindung ermöglicht mitunter den modularen Aufbau einer elektrischen Maschine mit integrierter Leistungselektronik. Folgende Vorteil können durch einen oder meh rere Aspekte zumindest teilweise erreicht werden: Echte Modularisierbarkeit und Integration des Phasen- und Leistungselektroni- kaufbaus durch Segmentierung über den Umfang und damit verbunden eine hohe Packungsdichte bzw. hohe Leistungsdichte des Gesamtsystems; The invention sometimes enables the modular design of an electrical machine with integrated power electronics. The following advantages can be at least partially achieved through one or more aspects: True modularization and integration of the phase and power electronics structure through segmentation over the circumference and the associated high packing density and high power density of the overall system;
Höchstmöglicher Kupferfüllfaktor in der Nut (nahe 100%, Minimum an ohm schen Widerständen bzw. umgekehrt ein Minimum an Platzbedarf). Highest possible copper fill factor in the slot (close to 100%, minimum of ohmic resistances or, conversely, a minimum of space required).
Geringer Wickelkopfanteil (Minimierung der ohmschen Widerstände und Mini mierung der Kontaktstellen); Low winding overhang (minimization of the ohmic resistance and minimization of the contact points);
Kürzeste Leitungslängen zwischen Motor und Leistungselektronik (Minimierung der ohmschen Widerstände und Minimierung der Materialaufwände für Kabel und Verbindungselemente); Shortest cable lengths between motor and power electronics (minimization of ohmic resistance and minimization of material costs for cables and connecting elements);
Lösung des Zielkonflikts zwischen niedriger induzierter Spannung der elektri schen Maschine einerseits vs. hohem Spannungsniveau der Energiequelle bei hohen Leistungen (Nutzung Hochvolt (HV) -Batterie / 800V-Spannungsklasse) andererseits; Solving the conflict of objectives between low induced voltage of the electrical machine on the one hand and high voltage level of the energy source at high power (use of high-voltage (HV) battery / 800V voltage class) on the other;
Kompatibilität zu anderen Technologien z. B. Teilmotorkonzepte, direkte Leiter kühlung, Strom-/Drehmomentregelung, geberlose Regelung, etc.; Compatibility with other technologies, e.g. B. partial motor concepts, direct conductor cooling, current/torque control, sensorless control, etc.;
Keine motorseitigen Nachteile in Bezug auf die jeweilige Betriebsweise (z. B. Drehmomentrippel, Verluste); No motor-related disadvantages in relation to the respective mode of operation (e.g. torque ripples, losses);
Einfacherer Aufbau und Fertigung (einfache Montage- und Verbindungspro zesse der Wicklungen, etc.); und Simpler structure and manufacture (simple assembly and connection processes of the windings, etc.); and
Keine Leistungselektronikseitigen Nachteile (niederfrequente pulsierende Leis tungen, komplizierte Schaltungstopologien, spezielle elektronische Bauteile). Ferner kann die Erfindung auch passende Wicklungssysteme für die elektrische Ma schine bzw. den Stator vorsehen. Die Optimierungsziele für diese Wicklungen und da mit ihre speziellen Eigenschaften sind unter anderem ein sehr hoher Kupferfüllfaktor, kurze Leitungslängen pro Phase bzw. kurze Verbindungen zwischen den einzelnen Leitern in der Nut und zu den Anschlüssen der Leistungsmodule, sowie eine einfache Herstellung und Montage. No disadvantages in terms of power electronics (low-frequency pulsating power, complicated circuit topologies, special electronic components). Furthermore, the invention can also provide suitable winding systems for the electrical machine or the stator. The optimization goals for these windings and their special properties include a very high copper fill factor, short cable lengths per phase or short connections between the individual conductors in the slot and to the connections of the power modules, as well as simple manufacture and assembly.
Mitunter sind folgende beispielhafte Kerngedanken der Erfindung hierin enthalten, die zu entsprechenden Vorteilen/Effekten führen können: -> segmentierte Wicklung mit geringer Erstreckung über den Umfang des Sta tors, und The following exemplary core ideas of the invention are sometimes included here, which can lead to corresponding advantages/effects: -> segmented winding with a small extent over the circumference of the stator, and
-> möglichst wenige Windungen bzw. Leiterstücke in einer Nut und im Wickel kopf, -> as few windings or conductor sections as possible in a slot and in the end winding,
-> höchster Kupferfüllfaktor für geringe ohmsche Widerstände, da wenig Flä- che im Nutquerschnitt durch Isolierung beansprucht wird, -> Highest copper fill factor for low ohmic resistances, since little area in the slot cross-section is required for insulation,
-> weniger und kürzere Verbindungsstücke im Wickelkopf reduzieren ohm sche Widerstände aufgrund kürzerer Leitungslängen, -> fewer and shorter connectors in the end winding reduce ohmic resistance due to shorter cable lengths,
-> kompakte Bauweise durch wenige Kreuzungen von Leitern im Wickelkopf, lediglich eine Sternpunktverbindung statt Verschaltungen der Polpaare, -> einfache Herstellung der Leiterstücke bzw. Teilwicklungen (z. B. aufgrund ihrer einfachen Formgebung vergleichbar zu I-Pin oder Hairpin oder sogar durch einen Gussprozess), -> Compact design due to few crossings of conductors in the end winding, only a star point connection instead of interconnecting the pole pairs, -> Simple production of the conductor sections or partial windings (e.g. due to their simple shape comparable to I-pin or hairpin or even through a casting process ),
-> weniger Kontaktstallen bei der Verschaltung der Wicklungen führt zu weni ger Ausfallwahrscheinlichkeit und geringerem Herstellaufwand, -> beliebige Formgebung der Leiterstücke bzw. unterschiedliche Formgebung des Leiters im Nut- und Wickelkopfbereich für kompakten Aufbau und mög licher Integration einer Nutkühlung bzw. direkten Leiterkühlung durch Aus bildung eines Kühlkanals. -> fewer contact stalls when connecting the windings leads to a lower probability of failure and less manufacturing effort, -> Any shape of the conductor sections or different shape of the conductor in the slot and winding head area for compact design and possible integration of slot cooling or direct conductor cooling by forming a cooling channel.
Neben der Variante, dass alle Wicklungsaufbauten der Submodule für eine E-Maschine gleich ausgeführt sind, können die einzelnen Wicklungsaufbau ten auch verschieden (aber weiterhin einzeln gemäß des Bildungsgeset zes) realisiert werden. In addition to the variant that all winding structures of the submodules for an electric machine are identical, the individual winding structures can also be implemented differently (but still individually in accordance with the Education Act).
Der Einsatz dieses Wicklungsschemas ist nicht auf Radialflussmaschinen, bei denen die Wicklungen entsprechend einer Mantelfläches eines Zylin ders über den Umfang der Maschine angeordnet werden, beschränkt. So kann dieses auch für Axialflussmaschinen angewendet werden. Hierbei lie gen die Wicklungen in einer Ebene, welche stets orthogonal zur Drehachse des Rotors der Maschine angeordnet ist. Damit bildet der Stator mit diesen Wicklungen eine oder ggf. mehrere Scheiben einer Axialflussmaschine aus. The use of this winding scheme is not limited to radial flux machines in which the windings are arranged over the circumference of the machine in accordance with a lateral surface of a cylinder. This can also be used for axial flow machines. In this case, the windings lie in one plane, which is always arranged orthogonally to the axis of rotation of the rotor of the machine. The stator with these windings thus forms one or possibly several discs of an axial flux machine.
Den Ausgangspunkt bildet das Bildungsgesetz zu den Varianten des Wick lungsschemas. Dieses Bildungsgesetz wird in der Figurenbeschreibung wiedergegeben. The starting point is the formation law for the variants of the winding scheme. This law of formation is reproduced in the description of the figures.
Anstatt Kupfer können grundsätzlich auch weitere elektrisch leitfähige Materialien vor teilhaft zum Einsatz kommen, z. B. Aluminium. Instead of copper, other electrically conductive materials can also be used in principle, e.g. e.g. aluminium.
Auch wenn einige der voranstehend/nachstehend beschriebenen Aspekte in Bezug auf das Verfahren beschrieben wurden, so können diese Aspekte auch auf den Stator und die elektrische Maschine zutreffen. Genauso können die voranstehend/nachste hend in Bezug auf den Stator und die elektrische Maschine beschriebenen Aspekte in entsprechender Weise auf das Verfahren zutreffen. Ebenfalls versteht sich, dass die vorliegend verwendeten Begriffe lediglich der Be schreibung einzelner Ausführungsformen dienen und nicht als Einschränkung gelten sollen. Sofern nicht anders definiert, haben alle vorliegend verwendeten technischen und wissenschaftlichen Begriffe die Bedeutung, die dem allgemeinen Verständnis des Fachmannes auf dem für die vorliegende Offenbarung relevanten Fachgebiet ent spricht; sie sind weder zu weit noch zu eng zu fassen. Werden vorliegend Fachbe griffe unzutreffend verwendet und bringen so den technischen Gedanken der vorlie genden Offenbarung nicht zum Ausdruck, sind diese durch Fachbegriffe zu ersetzen, die dem Fachmann ein richtiges Verständnis vermitteln. Die vorliegend verwendeten allgemeinen Begriffe sind auf der Grundlage der im Lexikon befindlichen Definition o- der dem Zusammenhang entsprechend auszulegen; hierbei ist eine zu enge Ausle gung zu vermeiden. Even if some of the aspects described above/below have been described in relation to the method, these aspects can also apply to the stator and the electric machine. Likewise, the aspects described above/below in relation to the stator and the electrical machine can apply to the method in a corresponding manner. It should also be understood that the terms used herein are for the purpose of describing particular embodiments only and are not intended to be limiting. Unless otherwise defined, all technical and scientific terms used herein have the meaning commonly understood by those skilled in the art relevant to the present disclosure; they are neither too broad nor too narrow. If technical terms are used incorrectly in the present case and thus do not express the technical idea of the present disclosure, they are to be replaced by technical terms that convey a correct understanding to the person skilled in the art. The general terms used here are to be interpreted on the basis of the definition in the lexicon or in accordance with the context; in this case, an overly narrow interpretation is to be avoided.
Weitere Ziele, Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von nicht einschränkend zu verstehenden Ausfüh rungsformen mit Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen. Bei der Beschreibung der vorliegenden Offenbarung wird auf ausführliche Erläuterungen bekannter verbundener Funktionen oder Konstruktionen verzichtet, sofern diese unnötig vom Sinn der vorlie genden Offenbarung ablenken. Dabei zeigen alle beschriebenen und/oder bildlich dar gestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den hier offenbarten Ge genstand, auch unabhängig von ihrer Gruppierung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehungen. Die Abmessungen und Proportionen der in den Figuren gezeigten Komponenten sind hierbei nicht unbedingt maßstäblich; sie können bei zu implemen tierenden Ausführungsformen vom hier Veranschaulichten abweichen. Insbesondere können, in den Figuren, die Dicke der Linien, Schichten und/oder Regionen der Klar heit halber übertrieben oder untertrieben sein. Other objectives, features, advantages and possible uses result from the following description of non-limiting embodiments with reference to the accompanying drawings. In describing the present disclosure, detailed explanations of well-known related functions or constructions will be omitted insofar as they unnecessarily distract from the spirit of the present disclosure. All of the features described and/or illustrated show the subject matter disclosed here, either individually or in any combination, regardless of how they are grouped in the claims or their dependencies. The dimensions and proportions of the components shown in the figures are not necessarily to scale; they may deviate from what is illustrated here in embodiments to be implemented. In particular, in the figures, the thickness of the lines, layers, and/or regions may be exaggerated or understated for clarity.
Die Erfindung wird nachfolgend mit Hilfe von Zeichnungen erläutert. Es zeigen: The invention is explained below with the aid of drawings. Show it:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Submoduls eines Stators; Figur 2 eine schematische Darstellung eines Stators mit axialer Verlängerung von einer ersten Stirnseite weg, d.h. einseitig; FIG. 1 shows a schematic representation of a submodule of a stator; FIG. 2 shows a schematic representation of a stator with an axial extension away from a first end face, ie on one side;
Figur 3 eine schematische Darstellung eines Stators mit radialer Verlängerung, einseitig; FIG. 3 shows a schematic representation of a stator with a radial extension, on one side;
Figur 4 eine schematische Darstellung eines Stators mit axialer Verlängerung von beiden Stirnseiten weg, d.h. zweiseitig; Figur 5 eine schematische Darstellung eines Stators mit radialer Verlängerung, zweiseitig; Figure 4 is a schematic representation of a stator with axial extension away from both ends, i.e. on both sides; FIG. 5 shows a schematic representation of a stator with radial extension, two-sided;
Figur 6 eine schematische Darstellung einer DC-seitigen Serienschaltung der Submodule; FIG. 6 shows a schematic representation of a DC-side series connection of the submodules;
Figur 7 eine schematische Darstellung eines Leistungsmoduls; FIG. 7 shows a schematic representation of a power module;
Figur 8 eine schematische Darstellung einer parallelen Verschaltung der Submo dule; FIG. 8 shows a schematic representation of a parallel interconnection of the submodules;
Figur 9 eine schematische Darstellung einer seriell-parallel Verschaltung der Submodule; FIG. 9 shows a schematic representation of a serial-parallel connection of the submodules;
Figur 10 eine schematische Darstellung einer ersten Variante eines integralen DC-DC-Wandlers; FIG. 10 shows a schematic representation of a first variant of an integral DC-DC converter;
Figur 11 eine schematische Darstellung einer zweiten Variante eines integralen DC-DC-Wandlers; Figur 12 eine schematische Darstellung einer ersten Variante mit integriertem DC-DC-Wandler in den Submodulen; Figur 13 eine schematische Darstellung einer zweiten Variante mit integriertem DC-DC-Wandler in den Submodulen; FIG. 11 shows a schematic representation of a second variant of an integral DC-DC converter; FIG. 12 shows a schematic representation of a first variant with an integrated DC-DC converter in the submodules; FIG. 13 shows a schematic representation of a second variant with an integrated DC-DC converter in the submodules;
Figur 14 eine schematische Darstellung einer verteilten Einschichtwicklung mit einseitiger Anordnung der Leistungsmodule; FIG. 14 shows a schematic representation of a distributed single-layer winding with a one-sided arrangement of the power modules;
Figur 15 eine schematische Darstellung einer verteilten Einschichtwicklung mit zweiseitiger Anordnung der Leistungsmodule; Figur 16 eine schematische Darstellung einer verteilten Einschichtwicklung mit größerer Spulenweite und höherer Windungszahl; FIG. 15 shows a schematic representation of a distributed single-layer winding with a two-sided arrangement of the power modules; FIG. 16 shows a schematic representation of a distributed single-layer winding with a larger coil width and a higher number of turns;
Figur 17 eine schematische Darstellung einer verteilten Einschichtwicklung mit höherer Überlappung als Kombinationsform; FIG. 17 shows a schematic representation of a distributed single-layer winding with higher overlap as a combination form;
Figur 18 eine schematische Darstellung einer Zweischichtwicklung mit Überlap pung; FIG. 18 shows a schematic representation of a two-layer winding with overlap;
Figur 19 eine schematische Darstellung einer Zweischichtwicklung ohne Überlap pung; FIG. 19 shows a schematic representation of a two-layer winding without overlap;
Figur 20 eine schematische Darstellung einer Zweischichtwicklung ohne Überlap pung; Figur 21 eine schematische Darstellung einer verteilten Zweischichtwicklung mit 5/6 Sehnung ohne Überlappung; und FIG. 20 shows a schematic representation of a two-layer winding without overlap; Figure 21 is a schematic representation of a 5/6 pitch distributed two layer winding without overlap; and
Figur 22 eine schematische Darstellung einer verteilten Zweischichtwicklung mit 5/6 Sehnung mit Überlappung; Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen ausschließlich dem Ver ständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen ver sehen. Die Merkmale der einzelnen Ausführungsformen können untereinander ausge tauscht werden. Figure 22 is a schematic representation of a 5/6 pitch distributed two layer winding with overlap; The figures are only of a schematic nature and serve exclusively for understanding the invention. The same elements are given the same reference numbers. The features of the individual embodiments can be interchanged.
Ein Stator 1 der elektrischen Maschine wird nun anhand von Ausführungsformen be schrieben. A stator 1 of the electrical machine will now be described using embodiments.
Die erfinderische Lösung besteht aus einem über den Umfang einer elektrischen Ma schine segmentierten Wicklungsaufbau im Stator 1 , dessen jeweiligen Anschlüsse möglichst direkt (auf kürzestem Weg bzw. kleinstem Bauraum) mit leistungselektroni schen Modulen 4 verbunden sind. Somit bestehen die kleinsten, identischen Einheiten bzw. Segmente (= Submodule 2) aus einem Statorsegment mit seinem lokalen Wick lungsaufbau 3 und dem zugehörigen Leistungsmodul 4, siehe Fig. 1. Intern sind das Leistungsmodul 4 und der Wicklungsaufbau 3 des Statorsegments elektrisch über mindestens drei Anschlüsse (S1 , S2, S3) verbunden und nach außen hin weist das Submodul 2 zwei Anschlüsse (DC+ 9 und DC- 10) auf. The inventive solution consists of a segmented winding structure in the stator 1 over the circumference of an electrical machine, the respective connections of which are connected as directly as possible (by the shortest path or in the smallest possible space) to electronic power modules 4 . Thus, the smallest, identical units or segments (= submodules 2) consist of a stator segment with its local winding structure 3 and the associated power module 4, see Fig. 1. Internally, the power module 4 and the winding structure 3 of the stator segment are electrically connected via at least three Connections (S1, S2, S3) are connected and towards the outside the submodule 2 has two connections (DC+ 9 and DC- 10).
Dieses Submodul 2 stellt die kleinste Einheit als Teilsystem dar. Durch die zylinderför mige Anordnung mehrerer gleicher Submodule 2 entsteht ein Stator 1 eines elektri schen Antriebs auf modulare Weise. Dieser erzeugt im Luftspalt ein für den Betrieb er forderliches magnetisches Drehfeld, so dass an einem Rotor ein Drehmoment erzeugt werden kann. Die Aufbauweise ist dabei unabhängig vom Wirkprinzip des Motors und kann damit prinzipiell für alle Arten von elektrischen Maschinen (permanentmagneter regte Synchronmaschine, Reluktanzmaschine, fremderregte Synchronmaschine, Asynchronmaschine sowie entsprechende Kombinationen) universell angewendet werden. This sub-module 2 represents the smallest unit as a sub-system. The zylinderför-shaped arrangement of several identical sub-modules 2 creates a stator 1 of an electrical drive's in a modular manner. This creates a rotating magnetic field in the air gap that is required for operation, so that a torque can be generated on a rotor. The design is independent of the operating principle of the motor and can therefore in principle be used universally for all types of electrical machines (permanent magnet excited synchronous machine, reluctance machine, separately excited synchronous machine, asynchronous machine and corresponding combinations).
Das jeweilige Leistungsmodul 4 kann dabei unter der Berücksichtigung von kürzesten Anschlüssen an das Motorsegment durch verschiedene Varianten direkt neben dem zugehörigen Motorsegment platziert werden. Das Motorsegment bezeichnet hierbei das Statorsegment mit Wicklungsaufbau 3. Bei nur einseitiger Anordnung der Leistungsmodule 4: The respective power module 4 can be placed directly next to the associated motor segment using different variants, taking into account the shortest possible connections to the motor segment. The motor segment refers to the stator segment with winding structure 3. If the power modules 4 are only arranged on one side:
- stirnseitig in axialer Verlängerung zum Motorsegment (siehe Fig. 2); und - at the end in axial extension to the motor segment (see Fig. 2); and
- nach außen in radialer Verlängerung zum Motorsegment (siehe Fig. 3). - outwards in a radial extension to the motor segment (see Fig. 3).
Bei zweiseitiger Anordnung, zum Beispiel als zwei zueinander verdreht angeordnete Gruppen, insbesondere wenn sich aufgrund des Wicklungsaufbaus Motorsegmente räumlich überlappen: In the case of two-sided arrangement, for example as two groups arranged rotated relative to one another, especially if motor segments overlap spatially due to the winding structure:
- stirnseitig in axialer Verlängerung zum Motorsegment (Fig. 4); und - Front side in axial extension to the motor segment (Fig. 4); and
- nach außen in radialer Verlängerung zum Motorsegment (Fig. 5). - outwards in a radial extension to the motor segment (Fig. 5).
Die Abmessungen der Leistungsmodule 4 und Statorsegmente können hierbei variie ren, entscheidender sind die erläuterten Anordnungen mit sich berührenden Flächen, so dass minimale Längen von internen elektrischen Verbindungen entstehen. The dimensions of the power modules 4 and stator segments can vary here; the explained arrangements with contacting surfaces are more important, so that the lengths of internal electrical connections are kept to a minimum.
In jedem Statorsegment eines Submoduls 2 erfolgt die Realisierung von Wicklungen 3 mit sehr niedriger Windungszahl und großem Leiterquerschnitt respektive hohem Kup ferfüllfaktor, um ein Minimum an ohmschen Verlusten zu erreichen. Die fertigungs technische Umsetzung kann hierbei durch Einzelstäbe in den Nuten (vergleiche I-Pin, Spulenwindungszahl 0,5) oder zumindest einer minimalen Anzahl von Windungen pro Nut, welche z. B. U-förmig vergleichbar zu Hairpin-Wicklungen eingebracht werden können. In each stator segment of a submodule 2, windings 3 are implemented with a very low number of turns and a large conductor cross section or high copper fill factor, in order to achieve a minimum of ohmic losses. The production-related implementation can be done here by individual rods in the slots (compare I-Pin, number of coil turns 0.5) or at least a minimum number of turns per slot, which z. B. U-shaped can be introduced comparable to hairpin windings.
Das Verfahren bzw. Bildungsgesetz zur Beschreibung des Aufbaus und Generierung sämtlicher möglicher Wicklungsaufbauten ist im Folgenden beschrieben. Diese Vorge hensweise beschreibt allgemein die Bildung aller möglicher Wicklungssysteme, wel che dem geforderten Charakter einer Segmentierung über den Umfang des Stators der elektrischen Maschine hinweg genügen. Das Vorgehen beinhaltet das Festlegen der Nutzahl (N), der Polpaarzahl (p) und der Phasenzahl (m) und der Anzahl der Schichten (Einschicht- oder Zweischicht) abhän gig von Wicklungsfaktor (x) und Oberwellenstreuung (s0). The procedure or formation law for describing the structure and generating all possible winding structures is described below. This procedure generally describes the formation of all possible winding systems which meet the required character of a segmentation over the circumference of the stator of the electrical machine. The procedure includes determining the number of slots (N), the number of pole pairs (p) and the number of phases (m) and the number of layers (single-layer or two-layer) depending on the winding factor (x) and harmonic scattering (s 0 ).
Es wird zwischen ungeradzahligen Phasenzahlen (mmod 2 0), geradzahligen Pha- senzahlen mit ungeradzahligem Teiler (— mod 2 0,x e N\{0}), und geradzahligenIt is divided between odd phase numbers (mmod 2 0), even phase numbers with an odd divisor (— mod 2 0,x e N\{0}), and even phase numbers
Phasenzahlen nur mit geradzahligen Teilern (m = 2x,x e N\{0}) unterschieden. Der Ansatz gilt für m > 2, wobei durch die Aufteilung der DC-Zwischenkreisspannung auf die verschiedenen Submodule eine geringere Spannungslage für jedes Submodul er reicht wird. Dadurch sind die Verwendung von Halbleiterbauelementen geringerer Spannungslage, z.B. Silizium-MOSFETs, geringste Leiterzahlen in einer Nut, z.B. eins, und geringste Windungszahlen, z.B. 0,5, möglich. Phase numbers only differentiated with even-numbered dividers (m = 2 x ,xe N\{0}). The approach applies to m > 2, whereby a lower voltage level is achieved for each submodule by distributing the DC link voltage across the various submodules. This makes it possible to use semiconductor components with a lower voltage level, for example silicon MOSFETs, the lowest number of conductors in a slot, for example one, and the lowest number of turns, for example 0.5.
Der Segmentierungsgrad ergibt sich aus der DC-Zwischenkreisspannung, der ge wünschten Spannungslage für die Halbleiterbauelemente und der Auswahl der Nutz ahl, Phasenzahl, Schichtzahl und Polpaarzahl und der jeweiligen nachher aufgeführ ten Verschaltungsmöglichkeiten. The degree of segmentation results from the DC link voltage, the desired voltage level for the semiconductor components and the selection of the useful number, number of phases, number of layers and number of pole pairs and the respective connection options listed below.
Die geringstmögliche Anzahl an Leitern in einer Nut beträgt eins bei einer Einschicht wicklung und zwei Leiter bei einer Zweischichtwicklung. The minimum number of conductors in a slot is one for a single-layer winding and two conductors for a two-layer winding.
Ein Leiter kann aus jedwedem elektrisch leitfähigen Material hergestellt sein, insbe sondere Kupfer oder Aluminium. A conductor can be made of any electrically conductive material, in particular copper or aluminum.
Liegen ein oder mehrere Leiter in einer Nut und sollen vom gleichen Strom (Amplitude, Frequenz, Phasenlage) durchflossen werden, so können diese parallel o- der in Serie geschaltet sein und werden nachfolgend als Spulenseite bezeichnet. Für den erfindungsgemäßen Gedanken bieten sich allerdings insbesondere ein bzw. zwei Leiter pro Nut oder eine Parallelschaltung mehrerer Leiter an. If one or more conductors are in a slot and the same current (amplitude, frequency, phase position) should flow through them, they can be connected in parallel or in series and are referred to as the coil side in the following. However, one or two conductors per slot or a parallel connection of several conductors is particularly suitable for the idea according to the invention.
Zwei Ausprägungen sind für die verschiedenen Phasenzahlen möglich. Entweder es werden nur Spulenseiten verschiedener Phasenlagen direkt miteinander in einen Sternpunkt verschaltet oder mehrere Spulenseiten werden seriell verschaltet (nachfol gend als Spulenseitenreihung bezeichnet) und mehrere Spulenseitenreihungen mit unterschiedlicher Gesamtphasenlage in einen Sternpunkt verschaltet. Je nach Vor auswahl der Phasenzahl ergeben sich die Bedingungen einer Verschaltung. Diese sollen nun nachfolgend aufgeführt werden: Two forms are possible for the different numbers of phases. Either coil sides of different phase angles are directly connected to one another Connected to the star point or several coil sides are connected in series (hereinafter referred to as coil side rows) and several coil side rows with a different overall phase position are connected to a star point. Depending on the pre-selection of the number of phases, the conditions for an interconnection result. These should now be listed below:
Für die Verschaltung von Spulenseiten verschiedener Phasenlagen in einen Stern punkt: For connecting coil sides with different phase positions to a star point:
• Für ungeradzahlige Phasenzahlen m (m mod 2 0) o Verschaltung von m Spulenseiten in einen Sternpunkt durch folgende Bedingungen • For odd phase numbers m (m mod 2 0) o Connection of m coil sides in a star point through the following conditions
Versatz der Induktionsspannung um — der m Spulenseiten zuei nander Offset of the induction voltage by — the m coil sides to each other
Spulenseiten sollten möglichst nahe beieinander liegen o Verschaltung von mT Spulenseiten in einen Sternpunkt und damit Erhalt mehrerer Sternpunkte als im ersten Punkt durch folgende Bedingungen Coil sides should be as close together as possible o Connection of m T coil sides in a star point and thus obtaining more star points than in the first point through the following conditions
3 < mT < m und m mod mT = 0 3 < m T < m and m mod m T = 0
Figure imgf000020_0001
Versatz der Induktionsspannung um — TU f der mT Spulenseiten zuei- nander; zwischen den Systemen mit jeweils eigenem Sternpunkt besteht ein Phasenversatz von — m
Figure imgf000020_0001
offset of the induction voltage by — TU f the m T coil sides to each other; between the systems, each with its own star point, there is a phase offset of - m
Spulenseiten sollten möglichst nahe beieinanderliegen Coil sides should be as close together as possible
• Für geradzahlige Phasenzahlen mit mind. einem ungeradzahligen Teiler mod 2 0,x E N\{0}) Verschaltung von m Spulenseiten in einen Sternpunkt durch folgende Bedingungen • For even phase numbers with at least one odd divisor mod 2 0,x EN\{0}) Connection of m coil sides in a star point through the following conditions
Versatz der Induktionsspannung bei ^ Spulenseiten um ^ · 2X zueinander und zwischen den 2X Systemen (mit dem 2X- Ver- satz) einen Versatz der Systeme von
Figure imgf000021_0001
Offset of the induction voltage at ^ coil sides by ^ · 2 X to each other and between the 2 X systems (with the 2 X - offset) an offset of the systems of
Figure imgf000021_0001
Spulenseiten sollten möglichst nahe beieinanderliegen Verschaltung von
Figure imgf000021_0002
Spulenseiten in einen Sternpunkt und damit Erhalt mehrerer Sternpunkte als im ersten Punkt durch folgende Bedingungen
Coil sides should be as close together as possible Connection of
Figure imgf000021_0002
Coil sides in a star point and thus obtaining more star points than in the first point through the following conditions
Variante 1 : Für 2X gilt, dass ^ mod 2 0,x E N\{0} · Versatz der Induktionsspannung der
Figure imgf000021_0003
Spulenseiten von
Figure imgf000021_0004
· 2X zueinander; zwischen den Systemen mit jeweils ei genem Sternpunkt besteht ein Phasenversatz von
Figure imgf000021_0005
Variant 1 : For 2 X it applies that ^ mod 2 0,x EN\{0} · offset of the induction voltage of the
Figure imgf000021_0003
coil sides of
Figure imgf000021_0004
· 2 X to each other; between the systems, each with its own star point, there is a phase shift of
Figure imgf000021_0005
• Spulenseiten sollten möglichst nahe beieinanderliegen • Coil sides should be as close together as possible
Variante 2: Für 2X gilt, dass ^ mod 2 = 0,x e N\{0} und mod 2
Figure imgf000021_0006
Y 0,y e N\{0} und y > x
Variant 2: For 2 X it holds that ^ mod 2 = 0,xe N\{0} and mod 2
Figure imgf000021_0006
Y 0,ye N\{0} and y > x
• Versatz der Induktionsspannung der
Figure imgf000021_0007
Spulenseiten von
Figure imgf000021_0008
· 2y zueinander und zwischen den ( 2y~x ) Systemen (mit
Figure imgf000021_0009
dem — m · 2y- Versatz) einen Versatz der Systeme von — m ·
• Offset of the induction voltage
Figure imgf000021_0007
coil sides of
Figure imgf000021_0008
· 2 y to each other and between the ( 2 y~x ) systems (with
Figure imgf000021_0009
the — m · 2 y - offset) an offset of the systems of — m ·
2X zwischen den Systemen mit jeweils eigenem Stern punkt besteht ein Phasenversatz von
Figure imgf000021_0010
2 X between the systems, each with its own star point, there is a phase offset of
Figure imgf000021_0010
Spulenseiten sollten möglichst nahe beieinanderliegen o Verschaltung von mT Spulenseiten in einen Sternpunkt, wenn mehrere ungeradzahlige Teiler von m vorhanden sind, und damit Erhalt mehrerer Sternpunkte als im ersten Punkt durch folgende Bedingungen Coil sides should be as close together as possible o Connection of m T coil sides in a star point if there are several odd-numbered divisors of m, and thus obtaining more star points than in the first point through the following conditions
3 < mT < m und m mod mT = 0 und mT mod 2 0 3 < m T < m and m mod m T = 0 and m T mod 2 0
3 < mT2 < m und m mod mT2 = 0 und mT2 mod 2 0 und 3 < m T2 < m and m mod m T2 = 0 and m T2 mod 2 0 and
Figure imgf000022_0001
Versatz der Induktionsspannung um — der mT Spulenseiten zuei- nander; zwischen den einzelnen mT2 Sternpunktsystemen muss ein Phasenversatz von — — — und zwischen 2X Systemen ein
Figure imgf000022_0002
Figure imgf000022_0001
offset of the induction voltage by — the m T coil sides to each other; between the individual m T2 star point systems there must be a phase shift of — — — and between 2 X systems
Figure imgf000022_0002
Phasenversatz von — phase shift from —
Spulenseiten sollten möglichst nahe beieinanderliegen Coil sides should be as close together as possible
• Für geradzahlige Phasenzahlen, wobei die Phasenzahl eine Zweierpotenz ist (m = 2x,x e N\{0} ) o Diese Sternpunktverschaltung benötigt immer einen zusätzlichen An schluss jedes Sternpunkts an die Leistungselektronik des jeweiligen Submoduls, wodurch, um kurze Leiterlängen zu gewährleisten, der Sternpunkt und die Leistungselektronik des Submoduls nahe beieinan derliegen sollten. Dies kann beispielsweise durch die Lage der Leis tungselektronik auf der gleichen Seite wie der Sternpunkt des Submo duls erreicht werden. Der Anschluss der Sternpunkte kann über einen Mittelabgriff zwischen zwei Kondensatoren, welche in ihrer Serienschal tung den Zwischenkreiskapazität des Leistungsmoduls bilden, erfolgen. Alternativ können die Sternpunkte über den Phasenanschluss einer oder mehrerer zusätzlicher Halbbrücken, welche an die Zwischenkreisspan nung angebunden sind, mit dem Leistungsmodul verbunden werden. o Verschaltung von m Spulenseiten in einen Sternpunkt durch folgende Bedingungen • For an even number of phases, where the number of phases is a power of two (m = 2 x ,xe N\{0} ) o This star point connection always requires an additional connection of each star point to the power electronics of the respective submodule, which means that, in order to ensure short conductor lengths, the star point and the power electronics of the submodule should be close together. This can be achieved, for example, by locating the power electronics on the same side as the star point of the submodule. The star points can be connected via a center tap between two capacitors which, when connected in series, form the intermediate circuit capacitance of the power module. Alternatively, the neutral points can be connected to the power module via the phase connection of one or more additional half-bridges, which are connected to the intermediate circuit voltage. o Connection of m coil sides in a star point through the following conditions
Versatz der Induktionsspannung bei 2 Spulenseiten um
Figure imgf000023_0001
zuei- nander, damit ergeben sich — Teilsysteme; bei — der Teilsysteme beträgt der Phasenversatz von Teilsystem zu Teilsystem
Figure imgf000023_0002
und
Displacement of the induction voltage with 2 coil sides
Figure imgf000023_0001
to each other, resulting in — subsystems; at — the subsystems is the phase shift from subsystem to subsystem
Figure imgf000023_0002
and
771 zwischen den zwei —Teilsystemen — damit kann die kleinste Sternpunktbelastung gewährleistet werden 771 between the two —subsystems — so that the smallest neutral point load can be guaranteed
Spulenseiten sollten möglichst nahe beieinanderliegen o Verschaltung von 2 Spulenseiten in einen Sternpunkt (Sternpunktbelas tung ist höher als bei der ersten Möglichkeit) und damit folgt der Erhalt mehrerer Sternpunkte als im ersten Punkt durch folgende Bedingungen Coil sides should be as close together as possible o Connection of 2 coil sides in one star point (star point load is higher than in the first option) and this means that more star points are obtained than in the first point due to the following conditions
Versatz der Induktionsspannung bei 2 Spulenseiten um
Figure imgf000023_0003
zuei nander, damit ergeben sich g Systeme mit eigenem Sternpunkt und eigenem Submodulanschluss; bei
Figure imgf000023_0004
der Systeme beträgt der Phasenversatz von Teilsystem zu Teilsystem
Figure imgf000023_0005
und zwischen den zwei —Teilsystemen —
Displacement of the induction voltage with 2 coil sides
Figure imgf000023_0003
to each other, resulting in g systems with their own star point and their own submodule connection; at
Figure imgf000023_0004
of the systems is the phase shift from subsystem to subsystem
Figure imgf000023_0005
and between the two —subsystems—
Spulenseiten sollten möglichst nahe beieinanderliegen Coil sides should be as close together as possible
Für die Verschaltung von Spulenseitenreihungen verschiedener Phasenlagen in einen Sternpunkt: For the interconnection of coil side rows of different phase positions in a star point:
• Es sind k e N\{0} Spulenseiten in Serie geschaltet, was hier als Spulenseiten reihung bezeichnet wird; diese Spulenseiten können einen beliebigen Phasen versatz zueinander aufweisen. • There are k e N\{0} coil sides connected in series, which is referred to here as the coil side series; these coil sides can have any phase offset to one another.
Für das Bildungsgesetz können die zuvor für die Verschaltung von Spulensei ten in einen Sternpunkt beschriebenen Bedingungen verwendet werden. An statt Spulenseite ist dann jedoch Spulenseitenreihungen zu verwenden und der Phasenversatz zwischen Spulenseiten wird zum Gesamtphasenversatz zwi schen Spulenseitenreihungen The conditions described above for the connection of coil sides in a star point can be used for the formation law. Instead of coil side, however, coil side rows are to be used and the Phase offset between coil sides becomes the total phase offset between rows of coil sides
Nach dem Bildungsgesetz sollen im Folgenden verschiedene Varianten, die aus dem Bildungsgesetz entstehen, aufgeführt werden. Der Startpunkt der Betrachtungen ist der sich durch die Nutzahl, Polpaarzahl, Schichtzahl und Phasenzahl aufspannende Nutenspannungsstern. According to the Education Act, various variants resulting from the Education Act are listed below. The starting point of the considerations is the slot voltage star spanned by the number of slots, number of pole pairs, number of layers and number of phases.
Nach dem Bildungsgesetz sind an einen Sternpunkt in der kleinstmöglichen Ausfüh rung 3 Leiter angeschlossen. Da Phasenzahlen, die Zweierpotenzen sind, eine zu sätzlichen Sternpunktanschluss benötigen, der höher belastet wird, als die Phasenan schlüsse, wird in der kleinstmöglichen Ausführung von drei direkten Phasenanschlüs sen ausgegangen. Der höchste Füllfaktor wird bei einem die Nut voll ausfüllenden Lei ter erreicht. Ist der Leiter als Leiterbündel, d.h. ausgeführt aus mehreren parallelen Leiterstücken zu verstehen, ergibt sich ein geringerer Füllfaktor, da die Isolation auf eine größere Oberfläche aufgebracht ist und sich damit ihr Anteil im Vergleich zum Gesamtvolumen erhöht. Ein Leiter oder Leiterbündel kann der Form der Nut komplett angepasst sein, so dass sich keine freien Räume in der Nut ergeben. According to the Education Act, 3 conductors are connected to a star point in the smallest possible version. Since phase numbers that are powers of two require an additional star point connection that is more heavily loaded than the phase connections, three direct phase connections are assumed in the smallest possible version. The highest fill factor is achieved with a conductor that completely fills the slot. If the conductor is to be understood as a conductor bundle, i.e. made up of several parallel conductor sections, the fill factor is lower because the insulation is applied to a larger surface and its proportion in comparison to the total volume is therefore higher. A conductor or bundle of conductors can be completely adapted to the shape of the slot so that there are no free spaces in the slot.
Der Übersicht halber und um die Knappheit der Ausführungen zu bewahren wird von einer Darstellung der Varianten abgesehen und im Folgenden lediglich exemplarisch ohne Figuren beschrieben. For the sake of clarity and in order to keep the explanations concise, the variants are not presented and are described below only as examples without figures.
1 .Variante 1st variant
Drei Leiter (oder Leiterbündel), ein Leiter pro Nut, Wicklungszahl 0,5; ausgehend von einer verteilten Wicklung: kürzeste Segmente, d.h. 6 Nuten pro Polpaar (2 Submodule pro Polpaar) je weils einseitige oder zweiseitige Anordnung Segmente mit ansteigender Nutzahl pro Polpaar • entweder durch höhere Grundphasenzahl m und Aufteilen in mT = 3 o mit m=6 und mT = 3 ergibt 12 Nuten pro Polpaar bei einseitiger Anord nung und bei zweiseitiger Anordnung o mit m=9 und mT = 3 ergibt 18 Nuten pro Polpaar o Etc. Three conductors (or bundles of conductors), one conductor per slot, number of windings 0.5; based on a distributed winding: shortest segments, ie 6 slots per pair of poles (2 submodules per pair of poles) each Weil one-sided or two-sided arrangement segments with increasing number of slots per pair of poles • either through a higher number of basic phases m and dividing into m T = 3 o with m = 6 and m T = 3 results in 12 slots per pair of poles with one-sided arrangement and with two-sided arrangement o with m = 9 and m T = 3 results in 18 slots per pair of poles o Etc.
• oder durch gleiche Grundphasenzahl m=3 und mit ansteigender Lochzahl q>1 o mit m=3 und q=2 ergibt 12 Nuten pro Polpaar einseitiger Anordnung und bei zweiseitiger Anordnung o mit m=3 und q=3 ergibt 18 Nuten pro Polpaar o Etc. • or with the same number of basic phases m=3 and with an increasing number of holes q>1 o with m=3 and q=2 results in 12 slots per pair of poles with one-sided arrangement and with two-sided arrangement o with m=3 and q=3 results in 18 slots per pair of poles o Etc.
Die Module können auch anders verschachtelt sein; auch bei den anderen Beispielen ist dies entsprechend möglich. The modules can also be nested differently; this is also correspondingly possible for the other examples.
2. Variante 2nd variant
Drei Leiter (oder Leiterbündel), ein Leiter pro Nut, Wicklungszahl 0,5; ausgehend von einer Zahnspulenwicklung bzw. gesehnten Wicklung: kürzeste Segmente, d.h. 6 Nuten pro 2 Polpaare (2 Submodule pro 2 Polpaare) jeweils einseitige oder zweiseitige Anordnung, Three conductors (or bundles of conductors), one conductor per slot, number of windings 0.5; based on a toothed coil winding or pitched winding: shortest segments, i.e. 6 slots per 2 pairs of poles (2 submodules per 2 pairs of poles) each one-sided or two-sided arrangement,
Segmente mit ansteigender Polpaarzahl (benötigte Nutzahl pro Segment nimmt ebenfalls zu) -> verschiedene Polpaarzahlen pro Nutzahl pro Segment möglich; durch andere Phasenansteuerung/- reihung und kürzeren oder längeren Stern punktverbund, Segments with an increasing number of pole pairs (the number of slots required per segment also increases) -> different numbers of pole pairs per number of slots per segment possible; through different phase control/sequence and shorter or longer star point network,
• höhere Grundphasenzahl m und Aufteilen in m_T=3 o m=6, N= 12, p=5, m_T=3 o m=9, N= 18, p=8, m_T=3 • higher number of basic phases m and division into m_T=3 o m=6, N= 12, p=5, m_T=3 o m=9, N= 18, p=8, m_T=3
• gleiche Grundphasenzahl m=3 und längeres Verbindungssegment o m=3, N= 12, p=5 o m=3, N=18, p=8 3. Variante • same number of basic phases m=3 and longer connecting segment om=3, N= 12, p=5 om=3, N=18, p=8 3rd variant
Drei Leiter (oder Leiterbündel), ein Leiter pro Nut, Wicklungszahl größer 0,5; ausge hend von einer verteilten Wicklung: Three conductors (or bundles of conductors), one conductor per slot, number of windings greater than 0.5; based on a distributed winding:
Wicklungszahl gleich 1 Number of windings equal to 1
- kürzeste Segmente, d.h. 6 Nuten pro Polpaar (1 Submodul pro Polpaar)- shortest segments, i.e. 6 slots per pair of poles (1 submodule per pair of poles)
- jeweils einseitige oder zweiseitige Anordnung - each one-sided or two-sided arrangement
- Segmente mit ansteigender Nutzahl pro Polpaar - Segments with an increasing number of slots per pair of poles
• entweder durch höhere Grundphasenzahl m und Aufteilen in m_T=3 o mit m=6 und m_T=3 ergibt 12 Nuten pro Polpaar einseitiger An ordnung und bei zweiseitiger Anordnung • either through a higher number of basic phases m and division into m_T=3 o with m=6 and m_T=3 results in 12 slots per pair of poles in a one-sided arrangement and in a two-sided arrangement
• gleiche Grundphasenzahl m=3 und längeres Verbindungssegment o mit m=3 und q=2 ergibt 12 Nuten pro Polpaar bei einseitiger An ordnung und bei zweiseitiger Anordnung • same number of basic phases m=3 and longer connecting segment o with m=3 and q=2 results in 12 slots per pair of poles with one-sided arrangement and with two-sided arrangement
Wicklungszahl gleich 1,5 Number of turns equal to 1.5
- kürzeste Segmente, d.h. 6 Nuten pro Polpaar (2 Submodul pro 3 Polpaar)- shortest segments, i.e. 6 slots per pair of poles (2 submodules per 3 pair of poles)
- jeweils einseitige oder zweiseitige Anordnung - each one-sided or two-sided arrangement
- Segmente mit ansteigender Nutzahl pro Polpaar - Segments with an increasing number of slots per pair of poles
• entweder durch höhere Grundphasenzahl m und Aufteilen in m_T=3 o mit m=6 und m_T=3 ergibt 12 Nuten pro Polpaar einseitiger Anord nung • either through a higher number of basic phases m and division into m_T=3 o with m=6 and m_T=3 results in 12 slots per pole pair of one-sided arrangement
• gleiche Grundphasenzahl m=3 und längeres Verbindungssegment o mit m=3 und q=2 ergibt 12 Nuten pro Polpaar • same number of basic phases m=3 and longer connection segment o with m=3 and q=2 results in 12 slots per pair of poles
Wicklungszahl gleich 2 Number of windings equal to 2
- kürzeste Segmente und Wicklungszahl gleich 2, d.h. 12 Nuten pro Polpaar (1 Submodule pro 2 Polpaare) - shortest segments and number of windings equal to 2, i.e. 12 slots per pair of poles (1 submodule per 2 pairs of poles)
- jeweils einseitige oder zweiseitige Anordnung - each one-sided or two-sided arrangement
- Segmente mit ansteigender Nutzahl pro Polpaar • entweder durch höhere Grundphasenzahl m und Aufteilen in m_T=3 o mit m=6 und m_T=3 ergibt 12 Nuten pro Polpaar bei einseitiger An ordnung und bei zweiseitiger Anordnung - Segments with an increasing number of slots per pair of poles • either through a higher number of basic phases m and division into m_T=3 o with m=6 and m_T=3 results in 12 slots per pole pair with one-sided arrangement and with two-sided arrangement
• gleiche Grundphasenzahl m=3 und längeres Verbindungssegment o mit m=3 und q=2 ergibt 12 Nuten pro Polpaar • same number of basic phases m=3 and longer connection segment o with m=3 and q=2 results in 12 slots per pair of poles
4. Variante 4th variant
Drei Leiter (oder Leiterbündel), ein Leiter pro Nut, Wicklungszahl größer als 0,5; aus gehend von einer Zahnspulenwicklung bzw. gesehnten Wicklung Three conductors (or bundles of conductors), one conductor per slot, number of turns greater than 0.5; starting from a toothed coil winding or long-pitched winding
Wicklungszahl gleich 1 , 3 Nuten pro Polpaar (1 Submodul pro Polpaar) ansteigende Wicklungszahl/höhere Grundphasenzahl m/längere Verbindungs stücke Number of windings equal to 1, 3 slots per pair of poles (1 submodule per pair of poles) increasing number of windings/higher number of basic phases m/longer connecting pieces
5. Variante 5th variant
Fünf Leiter (oder Leiterbündel), ein Leiter pro Nut oder zwei Leiter pro Nut, Wicklungs zahl gleich oder größer als 0,5 etc. ein Leiter pro Nut Five conductors (or bundles of conductors), one conductor per slot or two conductors per slot, number of windings equal to or greater than 0.5, etc. one conductor per slot
• Wicklungszahl 0,5 o 10 Nuten pro Polpaar (2 Submodule pro Polpaar) o 10 Nuten pro 4 Polpaare (1 Submodul pro 2 Polpaare) • Number of windings 0.5 o 10 slots per pair of poles (2 submodules per pair of poles) o 10 slots per 4 pairs of poles (1 submodule per 2 pairs of poles)
• Wicklungszahl 1 und ein Leiter pro Nut o 10 Nuten pro Polpaar (1 Submodul pro Polpaar) o 10 Nuten pro 4 Polpaare (1 Submodul pro 4 Polpaare) zwei Leiter pro Nut • Number of windings 1 and one conductor per slot o 10 slots per pair of poles (1 submodule per pair of poles) o 10 slots per 4 pairs of poles (1 submodule per 4 pairs of poles) two conductors per slot
• Wicklungszahl 0,5 o 5 Nuten pro 2 Polpaare (1 Submodul pro Polpaar) 6. Variante • Number of windings 0.5 or 5 slots per 2 pairs of poles (1 submodule per pair of poles) 6th variant
Drei Leiter (oder Leiterbündel), zwei Leiter pro Nut, Wicklungszahl gleich oder größer als 0,5 kürzeste Segmente, d.h. 3 Nuten pro Polpaar (2 Submodule pro Polpaar), z.B. (N=18, p=6, m=3) Three conductors (or bundles of conductors), two conductors per slot, number of windings equal to or greater than 0.5 shortest segments, i.e. 3 slots per pole pair (2 submodules per pole pair), e.g. (N=18, p=6, m=3)
Wicklungszahl 1 Number of windings 1
• 3 Nuten pro Polpaar (1 Submodul pro Polpaar) • 3 slots per pair of poles (1 submodule per pair of poles)
Wicklungszahl 2 Number of windings 2
• 5 Pole pro 6 Nuten (1 Submodul pro 6 Nuten), z.B. (N=12, p=5, m=3)• 5 poles per 6 slots (1 submodule per 6 slots), e.g. (N=12, p=5, m=3)
• 1 Polpaar pro 12 Nuten (2 Submodule pro Polpaar), 5/6 Sehnung, ver teilte Wicklung, zweiseitige Anordnung, überlappend • 1 pair of poles per 12 slots (2 submodules per pair of poles), 5/6 pitch, distributed winding, two-sided arrangement, overlapping
Wicklungszahl 3 Number of windings 3
• 8 Pole pro 9 Nuten (1 Submodul pro 4 Polpaare), z.B. (N=18, p=8, m=3) Wicklungszahl 4 • 8 poles per 9 slots (1 submodule per 4 pole pairs), e.g. (N=18, p=8, m=3) number of windings 4
• 1 Polpaar pro 12 Nuten (1 Submodul pro Polpaar), 5/6 Sehnung, ver teilte Wicklung, einseitige Anordnung, nicht überlappend • 1 pair of poles per 12 slots (1 submodule per pair of poles), 5/6 pitch, distributed winding, one-sided arrangement, non-overlapping
Die oben genannten Varianten sind Beispiele im Sinne des Bildungsgesetzes. The variants mentioned above are examples within the meaning of the Education Act.
Je nach Wicklungsansatz und Segmentierungsgrad kann damit eine unterschiedliche Anzahl an Submodulen 2, welche den gesamthaften Stator 1 bilden aufgebaut wer den. Die maximale Modularität im Sinne der maximalen Anzahl an realisierbaren Seg menten über den Umfang wird dabei durch die Schichtzahl (Ein- oder Zweischicht wicklung), die Nutzahl N und die Phasenzahl m bestimmt. Die Phasenzahl drei stellt aufgrund des notwendigen Minimums für die Erzeugung eines Dreh- bzw. bezogen auf das Motorsegment eines Wanderfelds eine vorteilhafte Lösung dar. Mit einer Pha senzahl drei erreicht für ein Leistungselektroniksubmodul eine konstante Leistung und außerdem drei symmetrisch belastete Phasen. Das Bildungsgesetz ist aber nicht hie rauf beschränkt und beschreibt die Realisierung für beliebige Phasenzahlen. Außer dem können höhere Phasenzahlen des Motors ebenfalls mit Submodulen 2 geringerer Phasenzahl erzeugt werden, wenn die geringere Phasenzahl einen Teiler der höheren darstellt. Alle weiteren Beschreibungen beschränken sich folglich auf dreiphasige Vari anten, ohne dass die Erfindung darauf beschränkt ist. Depending on the winding approach and the degree of segmentation, a different number of submodules 2, which form the entire stator 1, can thus be constructed. The maximum modularity in terms of the maximum number of segments that can be realized over the circumference is determined by the number of layers (one or two-layer winding), the number of slots N and the number of phases m. The number of phases three represents an advantageous solution due to the minimum required for the generation of a rotating field or, in relation to the motor segment, a traveling field. With a number of phases three, a constant power and also three symmetrically loaded phases. However, the formation law is not limited to this and describes the realization for any number of phases. In addition, higher motor phase numbers can also be generated with submodules 2 with a lower phase number if the lower phase number is a factor of the higher one. All further descriptions are therefore limited to three-phase variants, without the invention being limited thereto.
Der Zielkonflikt zwischen niedriger Wicklungsspannung aufgrund der geringen Zahl an Windungen der Spulen in einem Motorsegment und hoher Spannung der Energie quelle aufgrund von hoher zu übertragender Leistung wird durch die Verschaltung der Module auf der Gleichspannungs- bzw. DC-Seite, vorzugsweise vergleichbar mit dem Prinzip des "Modularen Hochfrequenz Umrichters" oder "stacked polyphase bridges Converter" durch eine Serienschaltung gelöst, siehe Fig. 6. The conflict of objectives between low winding voltage due to the small number of turns of the coils in a motor segment and high voltage of the energy source due to the high power to be transmitted is eliminated by connecting the modules on the DC voltage or DC side, preferably comparable to the principle of the "Modular high-frequency converter" or "stacked polyphase bridges converter" solved by a series connection, see Fig. 6.
Unter dem Begriff "Leiter" sind ohne weitere Einschränkungen folgende Realisierungs formen denkbar: massiver Stab, getrennte Realisierung durch mehrere Stäbe oder Profildrähte (parallel geführt und verschaltet), (Hochfrequenz-)Litze (ggf. mit isolierten Einzelleiter). The following forms of implementation are conceivable under the term "conductor" without further restrictions: solid rod, separate realization by several rods or profile wires (guided in parallel and connected), (high-frequency) stranded wire (possibly with insulated individual conductors).
Das Leistungsmodul 4 innerhalb des Submoduls 2 (siehe Fig. 7) beinhaltet eine leis tungselektronische Schaltung basierend auf Leistungshalbleiter wie Transistoren 7 und Dioden 8 sowie einem lokalen Zwischenkreiskondensator 5. Eine vorteilhafte Um setzung erfolgt durch die Drehstrombrückenschaltung mit drei Halbbrücken 6 entspre chend den drei Phasen des Wicklungsaufbaus im Statorsegment. Jede Halbbrücke 6 besteht aus zwei Transistoren 7 in Serie sowie zum Beispiel einer antiparallel geschal teten Freilaufdiode 8. Bei den Transistoren 7 können verschiedene Typen, wie z. B. IGBTs, MOSFETs, HEMTs, Bipolartransistoren, GTOs zum Einsatz kommen. Sowohl die Dioden 8 als auch Transistoren 7 können auf hierfür typischen Halbleitermateria lien wie Silizium, Siliziumkarbid, Galliumnitrid oder zukünftig auch weiteren geeigneten Materialien basieren. Zur Erzeugung eines Drehspannungssystems, welches in Amplitude und Frequenz variabel gemäß dem Betriebspunkt des gesamthaften elektrischen Antriebs eingestellt wird, kommen typische Modulationsverfahren bzw. eine Pulsbreitenmodulation zum Einsatz. Jedes Leistungsmodul 4 enthält darüber hinaus eine Steuer- und Regelein heit, welche die Ansteuerung der Transistoren 7, Erfassung von elektrischen Größen wie lokale Zwischenkreisspannung und Phasenströme realisiert sowie Schnittstellen zur Kommunikation mit den benachbarten Submodulen 2 bzw. mit einem zentralen Steuergerät aufweist (in Abbildungen nicht dargestellt). The power module 4 within the submodule 2 (see Fig. 7) contains a power electronic circuit based on power semiconductors such as transistors 7 and diodes 8 and a local intermediate circuit capacitor 5. An advantageous conversion is carried out by the three-phase bridge circuit with three half-bridges 6 corresponding to the three phases the winding structure in the stator segment. Each half-bridge 6 consists of two transistors 7 in series and, for example, an antiparallel geschal ended freewheeling diode 8. The transistors 7 different types, such. B. IGBTs, MOSFETs, HEMTs, bipolar transistors, GTOs are used. Both the diodes 8 and transistors 7 can be based on typical semiconductor materials such as silicon, silicon carbide, gallium nitride or other suitable materials in the future. Typical modulation methods or pulse width modulation are used to generate a three-phase voltage system whose amplitude and frequency are variable according to the operating point of the entire electrical drive. In addition, each power module 4 contains a control and regulation unit, which controls the transistors 7, detects electrical quantities such as the local intermediate circuit voltage and phase currents, and has interfaces for communication with the neighboring submodules 2 or with a central control unit (not shown in the figures). shown).
Die DC-seitige Verschaltung der Submodule 2 über ihre jeweiligen beiden Anschlüsse DC+ und DC- kann abhängig von der erforderlichen Spannungsanpassung zwischen der Energiequelle und den Modulen unterschiedlich realisiert werden: alle seriell (siehe Fig. 6), alle parallel (siehe Fig. 8) oder in Gruppen gemischt parallel und seriell (siehe Fig. 9). The DC-side interconnection of the submodules 2 via their respective two connections DC+ and DC- can be implemented differently depending on the required voltage adjustment between the energy source and the modules: all in series (see Fig. 6), all in parallel (see Fig. 8) or in groups mixed parallel and serial (see Fig. 9).
Zum Beispiel kann in das Gesamtsystem oder in jedes Leistungsmodul 4 ein DC-DC- Wandler zur Spannungsanpassung im Betrieb integriert werden. Hierzu können ver schiedene Varianten vorgesehen sein. Fig. 10 zeigt eine erste Variante und Fig. 11 eine zweite Variante mit einer zentralen Drossel 11 , hinsichtlich des DC-seitigen An schlusses an die zugehörige Halbbrücke 6 des DC-DC-Wandlers sind auch gemischte Formen möglich, diese Varianten sind grundsätzlich mit dem Modularen Hochfre quenz Umrichter vergleichbar. Fig. 12 zeigt eine dritte Variante und Fig. 13 eine vierte Variante mit integrierter Drossel und zum Beispiel zusätzlichem Kondensator, wobei in jedem Submodul 2 ein DC-DC-Wandler integriert ist. For example, a DC-DC converter for voltage adjustment during operation can be integrated into the overall system or into each power module 4 . Various variants can be provided for this purpose. 10 shows a first variant and FIG. 11 shows a second variant with a central choke 11. Mixed forms are also possible with regard to the DC-side connection to the associated half-bridge 6 of the DC-DC converter Comparable to modular high-frequency converters. FIG. 12 shows a third variant and FIG. 13 shows a fourth variant with an integrated choke and, for example, an additional capacitor, a DC-DC converter being integrated in each submodule 2 .
Zurückkommend auf Figur 3 sei ergänzt, dass dort die Radialrichtung mit dem Be zugszeichen 12, die Axialrichtung mit dem Bezugszeichen 13 und die Umfangsrich tung mit dem Bezugszeichen 14 markiert ist. Die nachfolgenden Varianten stellen aus qualitativer Sicht vorteilhafte Lösungen be züglich des Kupferfüllfaktors bzw. geringer Windungszahl, bezüglich einer strikten Mo dularisierung oder auch bezüglich einer möglichst kurzen Segmentierung über wenige Nuten entlang des Umfangs dar. Coming back to FIG. 3, it should be added that there the radial direction is marked with the reference number 12, the axial direction with the reference number 13 and the circumferential direction with the reference number 14. From a qualitative point of view, the following variants represent advantageous solutions with regard to the copper fill factor or low number of turns, with regard to strict modularization or also with regard to the shortest possible segmentation using a few slots along the circumference.
Bei den Wicklungsaufbauten 3 und damit der Statorsegmente sind grundsätzlich zwei Formen bezüglich der sogenannten "Überlappung" zu unterscheiden. Im ersten Fall können benachbarte Wicklungsaufbauten 3 räumlich getrennt voneinander aufgebaut und damit nicht überlappend realisiert werden. Im zweiten Fall gilt diese räumliche Trennung nicht mehr und es kommt aufgrund des Wicklungsprinzips zur räumlichen Überlappung zweier oder auch mehrerer Wicklungsaufbauten 3 von benachbarten Submodulen 2. Auch wenn hier die Wicklungsaufbauten 3 und damit die Statorseg mente ein bestimmtes Volumen gemeinsam nutzen, bleiben die Leistungsmodule 4 der benachbarten Submodule 2 weiterhin räumlich getrennt voneinander. In the case of the winding structures 3 and thus the stator segments, there are basically two forms to be distinguished with regard to the so-called “overlap”. In the first case, adjacent winding assemblies 3 can be spatially separated from one another and thus not overlapping. In the second case, this spatial separation no longer applies and, due to the winding principle, two or more winding structures 3 from adjacent submodules 2 spatially overlap. Even if the winding structures 3 and thus the stator segments share a certain volume here, the power modules 4 remain of the adjacent submodules 2 continue to be spatially separated from each other.
Für die Realisierungsform der Wicklungsaufbauten mit einem Leiter pro Nut (in Ein schichtwicklung), was damit einem Maximum an erreichbarem Kupferfüllfaktor ent spricht, gibt es die nachfolgenden Varianten. The following variants are available for implementing the winding structure with one conductor per slot (in a single-layer winding), which corresponds to a maximum achievable copper fill factor.
Fig. 14 und 15 stellen einen Wicklungsaufbau dar, bei dem sich die Submodule 2 im Bereich der Wicklungsaufbauten 3 räumlich überlappen. Dies liegt an der dargestell ten Phasenfolge in den Nuten und der am einfachsten zu realisierenden Verschaltung der drei Leitern entsprechend der drei Phasen. Diese drei Leiter werden auf einer Seite mit einer sogenannten Sternpunktverbindung kontaktiert und auf der anderen Seite über die drei Anschlüsse mit dem Leistungsmodul 4 verbunden. 14 and 15 represent a winding structure in which the submodules 2 spatially overlap in the region of the winding structures 3. FIG. This is due to the phase sequence shown in the slots and the easiest way to connect the three conductors according to the three phases. These three conductors are contacted on one side with a so-called star point connection and on the other side are connected to the power module 4 via the three connections.
Aufgrund der Überlappung eignet sich hier eine zweiseitige Anordnung (siehe Fig. 15) der Leistungsmodule an die sich überlappenden Motorsegmente vorteilhaft im Ver gleich zu einer einseitigen Anordnung (siehe Fig. 14). Due to the overlap, a two-sided arrangement (see FIG. 15) of the power modules on the overlapping motor segments is advantageous here compared to a one-sided arrangement (see FIG. 14).
Fig. 16 stellt eine Variante dar, bei der weiterhin ein Leiter pro Nut eingebracht wird. Jede Phase wird hierbei gemäß Fig. 16 mit Hilfe von zwei Windungen realisiert wobei vier Leitungsabschnitte zwei Mal zwei benachbarte Nuten belegen. Wie zuvor werden die ersten Enden der Windungen der einzelnen Phasen mit einer Sternpunktverbin dung kontaktiert und die zweiten Enden mit dem Leistungsmodul verbunden. Da in dieser Variante keine räumliche Überlappung der Motorsegmente auftritt, kann die einseitige Anordnung der Leistungsmodule 4 vorteilhaft erfolgen. FIG. 16 shows a variant in which one conductor is also introduced per slot. According to FIG. 16, each phase is realized with the aid of two windings four cable sections occupy two adjacent slots twice. As before, the first ends of the windings of the individual phases are contacted with a star point connection and the second ends are connected to the power module. Since there is no spatial overlapping of the motor segments in this variant, the power modules 4 can be advantageously arranged on one side.
Bei Kombination der vorangegangenen Merkmale, also ein Leiter pro Nut, welcher gleichzeitig eine Phase bildet (siehe Fig. 17) ergibt sich ein Wicklungsaufbau mit ge ringster Windungszahl bei vergleichsweise großer Überlappung. If the above features are combined, ie one conductor per slot, which at the same time forms a phase (see FIG. 17), the result is a winding structure with the lowest number of turns and a comparatively large overlap.
Durch Wicklungsaufbauten mit zwei Leitern pro Nut (Zweischichtwicklung mit Zahnspulenwicklung oder gesehnter verteilter Wicklung), können in Bezug auf eine möglichst kurze Segmentierung weitere vorteilhafte Varianten realisiert werden. Winding structures with two conductors per slot (two-layer winding with toothed coil winding or pitched distributed winding) can be used to implement further advantageous variants with regard to the shortest possible segmentation.
Fig. 18 zeigt einen Aufbau, bei dem jede Phase aus nur einer Leitung in einer Nut be steht und vergleichbarzu Fig. 13 und 14 verschaltet sind. Pro Nut sind zwei Leiter von unterschiedlichen Phasen eingebracht. Diese Form stellt die kürzeste Segmentierung dar, bei der ein Statorsegment lediglich drei benachbarte Nuten umfasst. Aufgrund der Überlappung der Motorsegmente ist die Realisierung durch eine zweiseitige Anord nung vorteilhaft. FIG. 18 shows a structure in which each phase consists of only one line in a slot and is connected in a manner comparable to FIGS. 13 and 14. FIG. Two conductors of different phases are inserted per slot. This form represents the shortest segmentation, in which a stator segment comprises only three adjacent slots. Due to the overlapping of the motor segments, implementation using a two-sided arrangement is advantageous.
Fig. 19 zeigt eine Variante bei der wechselweise zwei Leiter derselben und dann zwei Leiter von unterschiedlichen Phasen eingebracht werden. Hieraus entstehen zwei Windungen pro Phase, wobei sich die ergebenden Motorsegmente nicht überlappen, wodurch eine einseitige Anordnung der Leistungsmodule 4 ermöglicht wird. Weiterhin ist eine Sternpunktverbindung zwischen den einen Enden der Phasen und den drei Verbindungen zu dem Leistungsmodul 4 vorhanden. 19 shows a variant in which two conductors of the same phase and then two conductors of different phases are inserted alternately. This results in two windings per phase, with the resulting motor segments not overlapping, as a result of which the power modules 4 can be arranged on one side. Furthermore, there is a neutral point connection between the one ends of the phases and the three connections to the power module 4 .
Fig. 20 führt den vorangegangenen Aspekt fort, so dass eine Phase vier benachbarte Nuten belegt und weiterhin zwei Leiter pro Nut eingebracht sind. Dabei kehrt sich der Wickelsinn in einer Phase von einer Windung zur nächsten um. Auch diese Variante vermeidet eine Überlappung der Motorsegmente, so dass eine einseitige Anbringung auch hier vorteilhaft umgesetzt werden kann. FIG. 20 continues the previous aspect so that one phase occupies four adjacent slots and furthermore two conductors are introduced per slot. The direction of winding reverses in a phase from one turn to the next. This variant also avoids an overlapping of the motor segments, so that a one-sided attachment can also be implemented advantageously here.
Es kann ferner eine Zweischichtwicklung als gesehnte verteilte Wicklung vorgesehen sein. Hierzu zeigt Fig. 21 die Variante mit weiterhin zwei Leitern pro Nut bei einer ver- teilten Wicklung. Sie weist vier Windungen pro Phase auf und kann überlappungsfrei realisiert werden. Ferner zeigt Fig. 22 ausgehend von Fig. 20 die Variante bei halbier ter Windungszahl und doppelter Zahl von Submodulen 2. Hier ist die zweiseitige An ordnung der Leistungsmodule 4 aufgrund der sich überlappenden Motorsegmente von Vorteil. Grundsätzlich kann die vorliegende Erfindung in allen Arten von elektrischen Antriebs systemen im Bereich E-Mobility eingesetzt werden, z. B. eAchsen, Hybridmodule, DHT(= Dedicated Hybrid Transmission)-Systemen, Radnabenantriebe. Auch ein Ein satz in elektrischen Antrieben für industrielle Zwecke ist möglich. Die Aspekte und Merkmale, die zusammen mit einem oder mehreren der vorange hend detailliert beschriebenen Beispiele und Figuren erwähnt und beschrieben wur den, können ferner mit einem oder mehreren der anderen Beispiele kombiniert wer den, um ein ähnliches Merkmal des anderen Beispiels zu ersetzen oder um das Merk mal zusätzlich in das andere Beispiel einzubringen. A two-layer winding can also be provided as a pitched distributed winding. For this purpose, FIG. 21 shows the variant with two conductors per slot with a distributed winding. It has four windings per phase and can be implemented without overlapping. Furthermore, FIG. 22, based on FIG. 20, shows the variant with a halved number of turns and double the number of submodules 2. Here, the two-sided arrangement of the power modules 4 is advantageous due to the overlapping motor segments. In principle, the present invention can be used in all types of electric drive systems in the field of e-mobility, e.g. B. e-axles, hybrid modules, DHT (= Dedicated Hybrid Transmission) systems, wheel hub drives. A set in electric drives for industrial purposes is also possible. The aspects and features mentioned and described together with one or more of the examples and figures detailed above may be further combined with one or more of the other examples to replace a similar feature of the other example or to Remember to add it to the other example.
Die Erfindung ist nicht in irgendeiner Weise auf die zuvor beschriebenen Ausführungs formen beschränkt. Es werden im Gegenteil viele Möglichkeiten für Modifikationen da ran einem Durchschnittsfachmann ersichtlich, ohne von der zugrundeliegenden Idee der Erfindung abzuweichen, wie sie in den beigefügten Ansprüchen definiert ist. The invention is not in any way limited to the forms of embodiment described above. On the contrary, many possibilities for modifications thereto will become apparent to a person skilled in the art, without departing from the underlying idea of the invention as defined in the appended claims.
Bezuqszeichenliste Stator Submodul Wicklung Leistungsmodul Zwischenkreiskondensator Halbbrücke Transistor Diode DC+ (-Anschluss) DC (-Anschluss) Drossel Radialrichtung Axialrichtung Umfangsrichtung Drehstromanschluss 1 Drehstromanschluss 2 Drehstromanschluss 3 List of reference symbols Stator Submodule Winding Power module Intermediate circuit capacitor Half-bridge Transistor Diode DC + (connection) DC (connection) Choke Radial direction Axial direction Circumferential direction Three-phase connection 1 Three-phase connection 2 Three-phase connection 3

Claims

Patentansprüche patent claims
1. Stator (1 ) für eine elektrische Maschine, umfassend eine Vielzahl von Submo dulen (2), die sich voneinander getrennt über den Umfang des Stators (1) er strecken, wobei jedes Submodul (2) eine eigene Wicklung (3) besitzt und ein eigenes der Wicklung (3) zugeordnetes Leistungsmodul (4) zum Wandeln von Gleichstrom in Wechselstrom besitzt. 1. Stator (1) for an electrical machine, comprising a plurality of submodules (2) that stretch separately from one another over the circumference of the stator (1), each submodule (2) having its own winding (3) and has its own power module (4) associated with the winding (3) for converting direct current into alternating current.
2. Stator (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass jedes Submodul (2) mehrere eigene Wicklungen (3) besitzt und der Wechselstrom ein Mehrpha senwechselstrom ist und/oder jede Wicklung (3) gleich ausgeführt ist und/oder jedes Leistungsmodul (4) einen eigenen DC+ (9) und DC- (10) Anschluss und drei Phasenanschlüsse zum Beaufschlagen der Wicklungen (3) mit dem Mehr phasenwechselstrom besitzt und insbesondere alle Leistungsmodule (4) seriell verschaltet sind, in dem jeweils der DC+ (9) Anschluss der Leistungsmodule (4) mit dem DC- (10) Anschluss des dem entsprechenden Leistungsmodul (4) di rekt benachbarten Leistungsmoduls (4) verbunden ist. 2. Stator (1) according to claim 1, characterized in that each submodule (2) has a plurality of windings (3) of its own and the alternating current is a multi-phase alternating current and/or each winding (3) is of the same design and/or each power module ( 4) has its own DC+ (9) and DC- (10) connection and three phase connections for applying the multi-phase alternating current to the windings (3) and in particular all power modules (4) are connected in series, in which the DC+ (9) connection each the power modules (4) are connected to the DC (10) connection of the power module (4) directly adjacent to the corresponding power module (4).
3. Stator (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wick lungen (3) von wenigstens zwei der Submodule (2) verschiedenartig ausgeführt sind. 3. Stator (1) according to claim 1 or 2, characterized in that the windings (3) of at least two of the submodules (2) are designed differently.
4. Stator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklung (3) jedes Submoduls (2) anhand eines Bildungsgesetzes ausge führt ist, wobei mindestens eines der folgenden Größen für ein Wicklungs schema der jeweiligen Wicklung (3) in das Bildungsgesetz einfließt: Nutzahl, Polpaarzahl, Schichtzahl und Phasenzahl. 4. Stator (1) according to one of Claims 1 to 3, characterized in that the winding (3) of each submodule (2) is based on a formation law, with at least one of the following variables for a winding scheme of the respective winding (3 ) flows into the formation law: number of slots, number of pole pairs, number of layers and number of phases.
5. Elektrische Maschine mit einem Stator (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 und einem Rotor. 5. Electrical machine with a stator (1) according to any one of claims 1 to 4 and a rotor.
6. Verfahren zum Zusammenbauen eines Stators (1), vorzugsweise nach einem der Ansprüche 1 bis 4, für eine elektrische Maschine, vorzugsweise nach An spruch 5, umfassend: 6. Method for assembling a stator (1), preferably according to one of claims 1 to 4, for an electrical machine, preferably according to claim 5, comprising:
Bereitstellen einer Vielzahl von Submodulen (2), wobei jedes Submodul (2) ein eigenes Leistungsmodul (4) mit daran angeschlossener Wicklung (3) besitzt; und Zusammensetzen der Submodule zu dem Stator (1). Providing a multiplicity of sub-modules (2), each sub-module (2) having its own power module (4) with a winding (3) connected thereto; and assembling the submodules to form the stator (1).
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