AT526546B1 - Elektromotor - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Elektromotor (10), insbesondere für eine Verwendung zum Antrieb eines Fahrzeugs, aufweisend einen permanenterregten Läufer (20) und einen Stator (30) mit einer Vielzahl von Statorwicklungen (40), welche auf Statorwicklungsgruppen (42) mit je wenigstens zwei Statorwicklungen (40) aufgeteilt sind, wobei in jeder Statorwicklungsgruppe (42) eine erste Statorwicklungsteilgruppe (44a) zu einer zweiten Statorwicklungsteilgruppe (44b) spitzwinklig oder parallel ausgerichtet ist, wobei weiter zwischen der ersten Statorwicklungsteilgruppe (44a) und der zweiten Statorwicklungsteilgruppe (44b) eine Schaltvorrichtung (50) angeordnet ist für ein schaltbares elektrisches Verbinden der ersten Statorwicklungsteilgruppe (44a) und der zweiten Statorwicklungsteilgruppe (44b) mit zumindest teilweise entgegengesetzt ausgerichteter Stromrichtung für eine wenigstens teilweise Kompensation des induzierten magnetischen Flusses der Statorwicklungsgruppe (42) dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltvorrichtung (50) einen Kontrollanschluss (54) aufweist, welcher signalkommunizierend mit einem Umrichter (60) des Elektromotors (10) verbunden ist.

Description

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Beschreibung

ELEKTROMOTOR

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft einen Elektromotor, insbesondere für eine Verwendung zum Antrieb eines Fahrzeugs sowie ein Schaltverfahren für ein Aktivieren einer Schaltvorrichtung bei einem Elektromotor.

[0002] Es ist bekannt, dass Elektromotoren unter anderem auch für den Antrieb von Fahrzeugen verwendet werden. Für einen solchen Einsatz sind bestimmte Rahmenbedingungen bei der Auslegung und Konstruktion eines solchen Elektromotors zu beachten. Zum einen ist ein sehr hohes Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen für den Anfahrprozess eines Fahrzeugs gewünscht. Zum anderen sind für höhere Geschwindigkeiten sehr hohe Drehzahlen erforderlich, für welche jedoch ein niedriges Drehmoment ausreicht. Dies führt dazu, dass die Elektromotoren für das Erfüllen des hohen Drehmoments mit einer Konstruktionsweise ausgestattet sind, welche bei höheren Drehzahlen zu sehr hohen Klemmenspannungen durch einen entsprechend hohen induzierten magnetischen Fluss führen würde.

[0003] Um diese unerwünscht hohe induzierte Spannung zu vermeiden, welche Schäden im Motor oder am Umrichter verursachen kann, wird üblicherweise ein solcher Elektromotor in einem sogenannten Feldschwächebetrieb bei hohen Drehzahlen betrieben. Darunter ist zu verstehen, dass der zugeordnete Umrichter den Elektromotor mit einem Feldschwächungsstrom beaufschlagt, welcher bei hohen Drehzahlen dazu führt, dass der magnetische Fluss abgeschwächt und entsprechend die daraus resultierende induzierte Spannung reduziert wird. Dies ist beispielsweise aus der Veröffentlichung NIPP, E. "Alternative to field-weakening of surface-mounted permanent-magnet motors for variable-speed drives" In: IAS ’95. Conference Record of the 1995 IEEE Industry Applications Conference Thirtieth IAS Annual Meeting. Oktober 1995 (10.1995). Bd. 1, Seiten 191-198 Bd.1., XP010193065 bekannt. Weiters ist beispielsweise aus der DE 3814244 A bekannt, mehrere Anschlussklemmen mit entsprechenden Verschaltungen der Wicklungen vorzusehen und diese über einen Schaltschütz zu schalten. [0004] Nachteilhaft bei den bekannten Lösungen ist es jedoch, dass bei der Auslegung der Elektromotoren auch der Fehlerfall des Umrichters berücksichtigt werden muss. Der Fehlerfall beinhaltet eine Situation, bei welcher bei einer hohen Drehzahl der Feldschwächebetrieb vom Umrichter nur noch zum Teil oder überhaupt nicht mehr aufrechterhalten werden kann. Mit anderen Worten führt dies dazu, dass ohne den Feldschwächebetrieb entsprechend hohe Spannungen entstehen, welche die einzelnen elektrischen Komponenten in einem solchen Fehlerfall aushalten müssen. Das bedeutet, dass ein sehr hoher Sicherheitsfaktor bei der Auslegung der einzelnen Komponenten des Elektromotors berücksichtigt werden muss, damit auch für den sehr unwahrscheinlichen Fehlerfall eines defekten oder eingeschränkten Umrichters keine Beschädigung des Elektromotors und seiner Komponenten eintritt. [0005] Üblicherweise führt dies dazu, dass Elektromotoren hinsichtlich des grundsätzlich technisch möglichen Drehmoments zum freigegebenen Drehmoment mit einem Faktor 2 oder noch größer als Sicherheit ausgelegt werden müssen. Das bedeutet, dass die Elektromotoren nur die Hälfte oder weniger des grundsätzlich möglichen Drehmoments zur Verfügung stellen, weil der verkettete Fluss reduziert werden muss, um im Fehlerfall die maximal zulässigen Spannungen nicht zu überschreiten und damit die Systemsicherheit zu gewährleisten. [0006] Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in kostengünstiger und einfacher Weise die hohe Sicherheit auch beim Ausfall eines Feldschwächebetriebs bei einem Elektromotor zu gewährleisten und gleichzeitig den Elektromotor mit geringerem Sicherheitsaufschlag auslegen und konstruieren zu können. [0007] Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch einen Elektromotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Schaltverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den

[0004] Nachteilhaft bei den bekannten Lösungen ist es jedoch, dass bei der Auslegung der Elektromotoren auch der Fehlerfall des Umrichters berücksichtigt werden muss. Der Fehlerfall beinhaltet eine Situation, bei welcher bei einer hohen Drehzahl der Feldschwächebetrieb vom Umrichter nur noch zum Teil oder überhaupt nicht mehr aufrechterhalten werden kann. Mit anderen Worten führt dies dazu, dass ohne den Feldschwächebetrieb entsprechend hohe Spannungen entstehen, welche die einzelnen elektrischen Komponenten in einem solchen Fehlerfall aushalten müssen. Das bedeutet, dass ein sehr hoher Sicherheitsfaktor bei der Auslegung der einzelnen Komponenten des Elektromotors berücksichtigt werden muss, damit auch für den sehr unwahrscheinlichen Fehlerfall eines defekten oder eingeschränkten Umrichters keine Beschädigung des Elektromotors und seiner Komponenten eintritt.

[0005] Üblicherweise führt dies dazu, dass Elektromotoren hinsichtlich des grundsätzlich technisch möglichen Drehmoments zum freigegebenen Drehmoment mit einem Faktor 2 oder noch größer als Sicherheit ausgelegt werden müssen. Das bedeutet, dass die Elektromotoren nur die Hälfte oder weniger des grundsätzlich möglichen Drehmoments zur Verfügung stellen, weil der verkettete Fluss reduziert werden muss, um im Fehlerfall die maximal zulässigen Spannungen nicht zu überschreiten und damit die Systemsicherheit zu gewährleisten.

[0006] Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in kostengünstiger und einfacher Weise die hohe Sicherheit auch beim Ausfall eines Feldschwächebetriebs bei einem Elektromotor zu gewährleisten und gleichzeitig den Elektromotor mit geringerem Sicherheitsaufschlag auslegen und konstruieren zu können.

[0007] Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch einen Elektromotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Schaltverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den

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Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Elektromotor beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Schaltverfahren und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.

[0008] Erfindungsgemäß dient ein Elektromotor insbesondere einer Verwendung zum Antrieb eines Fahrzeugs. Ein solcher Elektromotor weist einen permanent erregten Läufer und einen Stator mit einer Vielzahl von Statorwicklungen auf. Die Statorwicklungen sind in Statorwicklungsgruppen mit je wenigstens zwei Statorwicklungen aufgeteilt. Ein erfindungsgemäßer Elektromotor zeichnet sich dadurch aus, dass in jeder Statorwicklungsgruppe eine erste Statorwicklungsteilgruppe zu einer zweiten Statorwicklungsteilgruppe spitzwinkelig oder parallel ausgerichtet ist.

[0009] Dabei ist zwischen der ersten Statorwicklungsteilgruppe und der zweiten Statorwicklungsteilgruppe eine Schaltvorrichtung angeordnet für ein schaltbares elektrisches Verbinden der ersten Statorwicklungsteilgruppe mit der zweiten Statorwicklungsteilgruppe mit zumindest teilweise entgegengesetzt ausgerichteter Stromrichtung für eine wenigstens teilweise Kompensation des induzierten magnetischen Flusses der Statorwicklungsgruppe.

[0010] Der erfindungsgemäße Kerngedanke beruht auf der grundsätzlichen Konstruktionsweise eines permanent erregten Elektromotors. Der permanent erregte Läufer ist drehbar innerhalb des Stators gelagert, und der Stator ist mit einer Vielzahl von Statorwicklungen ausgestattet, welche das rotierende Magnetfeld für die Rotation des Läufers vorgeben können. Auch die Statorfunktionalität des Stators und der Statorwicklungen ist im Wesentlichen identisch zu den bekannten Elektromotoren.

[0011] Der erfindungsgemäße Kerngedanke beruht darauf, dass nun die Statorwicklungen in Statorwicklungsgruppen aufgeteilt sind. Jede dieser Statorwicklungsgruppen weist wenigstens zwei Teilgruppen auf, also eine erste Statorwicklungsteilgruppe und eine zweite Statorwicklungsteilgruppe. Diese Statorwicklungsteilgruppen sind zueinander spitzwinkelig ausgerichtet, insbesondere sogar mit einem Winkel von 0°, also parallel zueinander.

[0012] Beim Stromfluss durch jede dieser Statorwicklungsteilgruppen wird in der physikalisch bekannten Weise auch ein magnetischer Fluss induziert. Wird der Stator regulär betrieben, sind die Stromrichtungen in den Statorwicklungsteilgruppen gleichgerichtet. Das bedeutet, dass ein magnetischer Fluss induziert wird, welcher in der gewünschten Weise ein rotierendes Magnetfeld und damit eine Rotationsbewegung des Läufers erzeugt. Im Fehlerfall, also hier in einem Fall bei welchem der Feldschwächebetrieb durch einen Umrichter nicht aufrechterhalten werden kann, würde dies zu sehr hohen induzierten Klemmenspannung führen. Je nach Fehlerfall, können daraus hohe Ströme bei hohen Drehzahlen in diesen Statorwicklungsteilgruppen führen. Die hohen Ströme würden entsprechend dem in der Einleitung geschilderten Fall zu einem hohen Bremsmoment führen, wodurch es wiederum zu mechanischer Beschädigung oder auch Entmagnetisierung des Läufers oder anderer Komponenten kommen könnte.

[0013] Um dies nun zu vermeiden, ist bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Elektromotors die Schaltvorrichtung vorgesehen. Diese ist im Normalbetrieb geöffnet, sodass in den einzelnen Statorwicklungsteilgruppen ein paralleler Stromfluss in der gewünschten Betriebsweise stattfinden kann. Im Fehlerfall, wenn also kein oder nur eingeschränkter Feldschwächebetrieb durch den Umrichter möglich ist, wird die Schaltvorrichtung geschlossen, sodass sich die relative Stromrichtung der einen Statorwicklungsteilgruppe zur anderen Statorwicklungsteilgruppe umdreht. Das bedeutet, dass innerhalb der Statorwicklungsgruppe zwei Statorwicklungsteilgruppen unterschiedlich ausgerichtete Stromrichtungen im Fehlerfall aufweisen, welche gegenläufig zueinander ausgerichtet sind. Aus elektrischer Sicht führt dies dazu, dass jede Statorwicklungsteilgruppe bei geschlossener Schaltvorrichtung nun einen magnetischen Fluss induziert, welcher entsprechend der spitzwinkeligen oder sogar parallelen Ausrichtung zur anderen Statorwicklungsteilgruppe eine entgegengesetzte Ausrichtung zum induzierten magnetischen Fluss der anderen Statorwicklungsteilgruppe aufweist. Bei perfekter paralleler, also mit einem Winkel von 0°, ausgerichteter Korrelation der beiden Statorwicklungsteilgruppen, führt dies dazu, dass durch die

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Verschaltung mit gegenläufigen Stromrichtungen der induzierte magnetische Fluss der ersten Statorwicklungsteilgruppe dem induzierten magnetischen Fluss der zweiten Statorwicklungsteilgruppe vollständig entgegengerichtet ist und entsprechend der resultierende magnetische Fluss bei 0 liegt, da sich die induzierten magnetischen Flüsse gegenseitig kompensieren.

[0014] Hier ist bereits gut zu erkennen, dass für die grundsätzliche Funktionsweise nicht zwingend eine parallele Ausrichtung für eine vollständige Kompensation notwendig ist. Vielmehr reicht es aus, wenn für den Umrichter-Defektfall eine Kompensation durch gegenläufige Ausrichtung der Stromflüsse innerhalb der Statorwicklungsteilgruppen in einer quantitativen Weise besteht, welche eine Beschädigung der Komponenten und/oder eine Entmagnetisierung des Läufers unterbindet. Dies kann bereits bei den später noch erläuterten spitzen Winkeln von circa 30° oder weniger der Fall sein.

[0015] Bei einem erfindungsgemäßen Elektromotor kann nun also eine sehr einfach ausgebildete Schaltvorrichtung in einer Fehlersituation des Umrichters eine Schutzfunktion für den Elektromotor und seine Komponenten zur Verfügung stellen. Dies führt zu einer Vielzahl von Vorteilen. Zum einen wird auf diese Weise eine hohe Sicherheit gewährleistet, da auch bei einem Ausfall des Umrichters durch eine einfach und sicher wirkende Komponente in Form einer Schaltvorrichtung eine sehr einfache Sicherungsfunktionalität gewährleistet werden kann. Diese Sicherheitsfunktion ist im Wesentlichen fehlerfrei, da sie durch die konstruktive Auslegung der Ausrichtung der Statorwicklungsteilgruppen relativ zueinander zur Verfügung gestellt ist und dementsprechend nicht durch Verfahrensfehler im Schaltverfahren beeinträchtigt werden kann. Sobald die Schaltvorrichtung in einer Fehlersituation geschlossen ist, bildet sich die Sicherungsfunktion durch die Konstruktion und Bauweise des Elektromotors automatisch durch die physikalischen und elektrischen Grundlagen aus, was zur entsprechenden Ausfallsicherheit oder sogar Ausfallfreiheit der Sicherungsfunktionalität führt.

[0016] Da nun auch für den Ausfall einer Umrichterfunktion hinsichtlich eines Feldschwächebetriebs eine hohe Sicherheit besteht, kann auf diese zusätzliche Absicherung bei der Konstruktion des Elektromotors Rücksicht genommen werden. Mit anderen Worten ist es bei einer auf diese Weise ausgestalteten Konstruktionsform des Elektromotors nicht mehr notwendig, die bisher üblichen Sicherheitsaufschläge für den Fehlerfall eines nicht mehr funktionierenden Feldschwächebetriebs zu verwenden. Dies führt dazu, dass bei einem identischen Elektromotor mit identischer Größe und grundsätzlicher Bauweise dessen vollständige Leistungskapazität hinsichtlich des technisch möglichen Drehmoments auch tatsächlich abgerufen werden kann, während bei klassischer und konventioneller Bauweise der Sicherheitsaufschlag nur circa die Hälfte des zur Verfügung stehenden Drehmoments auch tatsächlich der Nutzung freigegeben wird. Mit anderen Worten können gleich große Elektromotoren mit einer massiv erhöhten Leistungsfähigkeit, also beispielsweise dem doppelten oder sogar dreifachen Drehmoment, betrieben werden. Ist für ein Fahrzeug das bisher vorhandene Drehmoment ausreichend, können die bekannten Elektromotoren für den Antrieb des gleichen Fahrzeugs nun mit entsprechend geringerer, insbesondere halbierter Größe zur Verfügung gestellt, werden. Neben einem reduzierten Gewicht führt dies zu massiver Ressourcenschonung, da eine deutlich erhöhte Leistung mit reduzierter Komplexität und reduziertem Gewicht sowie weniger Materialeinsatz für den Elektromotor erreicht werden kann.

[0017] Es kann weiter von Vorteil sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Elektromotor eine Statorwicklungsgruppe einer elektrischen Phase zugeordnet ist, sodass innerhalb dieser elektrischen Phase durch die Schaltvorrichtung die relative Stromrichtung für die Statorwicklungsteilgruppen verändert werden kann. Dies kann auch als doppelte Phase in der Konstruktionsweise bezeichnet werden. Mit anderen Worten verlaufen die doppelten Stränge dieser Phase innerhalb der Statorwicklungsteilgruppe, vorzugsweise parallel zueinander, sodass es möglich wird durch ein Umschalten diese Parallelität zu nutzen, um eine ideale, gegenläufige Stromrichtung und damit gegenläufige Induktion eines magnetischen Flusses zu gewährleisten. Dies führt aus technischer und physikalischer Sicht zu einer idealen Lösung, jedoch zu einer etwas aufwendigeren Wicklungsweise, da die Wicklungen doppelt für den Stator gewickelt werden müssen. Grundsätzlich ist eine solche Lösung zumindest teilweise auch kombinierbar mit der in den nachfolgenden

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Absätzen noch erläuterten weiteren Lösung.

[0018] Zusätzlich oder alternativ zu der voranstehenden Ausführungsform ist es auch von Vorteil, wenn bei einem erfindungsgemäßen Elektromotor die Statorwicklungsteilgruppen in einer Statorwicklungsgruppe unterschiedlichen elektrischen Phasen zugeordnet sind, sodass die relative Stromrichtung durch diese unterschiedlichen elektrischen Phasen durch die Schaltvorrichtung verändert werden kann. Dies wird insbesondere bei mehrphasigen, zum Beispiel sechsphasigen Elektromotoren eingesetzt, sodass diese Phasen im Normalbetrieb in der üblichen Weise verschaltet und betrieben werden können, während im Fehlerfall die erfindungsgemäße Kompensation des induzierten magnetischen Flusses durch die entsprechend unterschiedlichen Stromrichtungen in den zugeordneten unterschiedlichen elektrischen Phasen gewährleistet ist. Im Gegensatz zur doppelten Phase gemäß dem voranstehenden Absatz kann dies auch als „phasenübergreifende“ Konstruktionsweise bezeichnet werden. Die Verschaltung wird bei einer solchen externen Phasenlösung noch vereinfacht, da bei einer Sternschaltung unterschiedliche Phasen zum Beispiel bei einem sechsphasigen Elektromotor sehr einfach und kostengünstig über einen gemeinsamen Sternpunkt der Sternschaltung miteinander verschaltet werden können. Dies führt dazu, dass die Schaltvorrichtung sehr einfach und kostengünstig ausgebildet sein kann, da bei dem Fehlerfall die Schaltvorrichtung selbst insbesondere stromfrei und damit lastfrei ist.

[0019] Vorteile bringt es ebenfalls mit sich, wenn bei einem erfindungsgemäßen Elektromotor wenigstens drei Statorwicklungsgruppen je zwei Statorwicklungsteilgruppen aufweisen für je eine elektrische Phase einer Ausbildung des Stators mit sechs elektrischen Phasen. Darunter ist ein Elektromotor mit sechs Phasen zu verstehen, welche entsprechend in insgesamt zwei Sternschaltungen miteinander verschaltet sind. Auch hier ist wieder gut zu erkennen, wie die Schaltvorrichtung die beiden Sternpunkte der beiden dreiphasigen Sternschaltungen sehr einfach und kostengünstig miteinander für den verschalteten Fall verbinden kann. Dabei sind insbesondere konstruktiv gegenüberliegende Phasen, zum Beispiel die erste und die fünfte Phase, die zweite und die sechste Phase sowie die dritte und die vierte Phase miteinander über die Schaltvorrichtungen verbindbar, sodass insgesamt mit drei einzelnen Schaltmitteln diese Verschaltung stattfinden kann. Im elektrischen Sinn werden also die jeweils miteinander korrelierten gegenüberliegenden elektrischen Phasen in Serie geschaltet, sodass durch die gegenüberliegende Ausrichtung auf Basis der Konstruktion die gewünschte Kompensation des induzierten magnetischen Flusses stattfinden kann.

[0020] Auch von Vorteil ist es, wenn bei einem erfindungsgemäßen Elektromotor die Schaltvorrichtung für jede Statorwicklungsteilgruppe ein separates Schaltmittel aufweist. Dies ist insbesondere bei dem sechsphasigen Elektromotor gemäß dem voranstehenden Absatz der Fall, sodass für jedes korrelierende Phasenpaar ein separates Schaltmittel vorgesehen ist. Damit können für jede einzelne Statorwicklungsteilgruppe eine entsprechende separate Verschaltung stattfinden, sodass entsprechend bei sechs Phasen insgesamt zwölf Schaltmittel vorgesehen sein können. Damit wird sozusagen ein teilgruppenintegriertes Schalten möglich, sodass für jede Teilgruppe eine entsprechende Verbindung hergestellt und auch wieder getrennt werden kann. Damit ist insbesondere ein verbessertes Verschalten möglich als dies bei der parallelen phaseninternen oder als doppelte Phase bezeichneten Lösung im Absatz weiter oben der Fall ist.

[0021] Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn bei einem erfindungsgemäßen Elektromotor die Schaltvorrichtung ein zentrales Schaltmittel aufweist für eine schaltbare elektrische Verbindung der Sternpunkte der jeweils drei der insgesamt sechs elektrischen Phasen. Selbstverständlich kann dies auch auf Elektromotoren mit deutlich mehr Phasen angewendet werden. Bei der Ausbildung eines zentralen Schaltmittels, insbesondere frei von separaten einzelnen Schaltmitteln der Phasen, wird eine weitere Reduktion der Komplexität der Konstruktionsweise des Elektromotors gewährleistet. Darüber hinaus können alle Verschaltungen innerhalb der einzelnen Phasen bestehen bleiben, sodass der geringste Eingriff in die Konstruktionsweise des Elektromotors besteht. Mit anderen Worten bildet das zentrale Schaltmittel einen einzigen Schalter und damit eine einzige zentrale Schaltmöglichkeit für die gesamte Kompensation in einem Fehlerfall aus. Insbesondere führt dies zu invertierter Sternschaltung für die eine Hälfte der Phasen und für eine normale Sternschaltung für die andere Hälfte der Phasen.

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[0022] Darüber hinaus weist die Schaltvorrichtung die des erfindungsgemäßen Elektromotors einen Kontrollanschluss auf, welcher signalkommunizierend mit einem Umrichter des Elektromotors verbunden ist. Damit ist es möglich, vom Umrichter einen Fehlerfall zu erkennen, welcher zum Beispiel als Funktionseinschränkung des Feldschwächebetriebes darstellbar ist. Die Funktionseinschränkung kann ein vollständiger Defekt des Feldschwächebetriebes oder eine Reduktion des benötigten Feldschwächebetriebes sein. Der Feldschwächebetrieb kann qualitativ und/oder quantitativ mit einer Vorgabe abgeglichen werden, um den Fehlerfall einfach und sicher erkennen zu können. Diese Information über den Kontrollanschluss kann nun eine Signalkommunikation zur Verfügung stellen, welche die Schaltrichtung einfach und eindeutig ein- und ausschalten kann.

[0023] Von Vorteil ist es darüber hinaus, wenn bei einem erfindungsgemäßen Elektromotor die spitzwinkelige oder parallele Anordnung der Statorwicklungsteilgruppen identisch oder im Wesentlichen identisch ist. Das bedeutet, dass für alle Statorwicklungsteilgruppen, insbesondere für alle Statorwicklungsgruppen, identische Winkel und damit eine identische Konstruktionsweise vorgesehen ist, sodass im Fehlerfall die identische Kompensationsfunktion für den induzierten magnetischen Fluss für alle Statorwicklungsgruppen gewährleistet werden kann. Mit anderen Worten wird eine rotationssymmetrische Kompensationsabsicherung zur Verfügung gestellt.

[0024] Weitere Vorteile kann es mit sich bringen, wenn bei einem erfindungsgemäßen Elektromotor die Statorwicklungsteilgruppen zueinander einen Teilgruppenwinkel von weniger als 30° vorzugsweise weniger als 15° insbesondere von weniger als 10° zueinander aufweisen. Bevorzugt ist der Winkel bei 0°, sodass eine parallele Ausrichtung der Statorwicklungsteilgruppen zur Verfügung gestellt ist. Jedoch wird hier gut erkennbar, dass auch eine spitzwinkelige Anordnung von zum Beispiel 30° oder weniger zueinander zu einer Teilkompensation führt, da die Stromrichtung und damit die Richtung des induzierten magnetischen Flusses zwar nicht vollständig gegenläufig, aber zumindest spitzwinkelig zueinander ausgerichtet ist. Dies führt zumindest zu einer Teilkompensation und entsprechend zumindest zu einem Teilschutz wie er in der voranstehenden Erläuterung beschrieben wurde.

[0025] Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Schaltverfahren für ein Aktivieren einer Schaltvorrichtung bei einem erfindungsgemäßen Elektromotor, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: - Überwachen einer Funktionsfähigkeit eines Feldschwächebetriebs beim Elektromotor, - Erkennen einer Funktionsbeeinträchtigung des Feldschwächebetriebs beim Elektromotor, - Schalten der Schaltvorrichtung für ein elektrisches Verbinden der ersten Statorwicklungsteilgruppe und der zweiten Statorwicklungsteilgruppe mit zumindest teilweise entgegengesetzt ausgerichteter Stromrichtung, für eine wenigstens teilweise Kompensation des induzierten magnetischen Flusses der Statorwicklungsgruppe.

[0026] Durch den Einsatz bei einem erfindungsgemäßen Elektromotor bringt ein erfindungsgemäßes Schaltverfahren die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf einen erfindungsgemäßen Elektromotor erläutert worden sind. Der Schritt der Überwachung kann dabei sowohl in quantitativer, aber auch in qualitativer Weise geschehen. So kann also die Funktionsfähigkeit des Feldschwächebetriebs als vorhanden oder nicht vorhanden, aber auch qualitativ gemessen und mit einem entsprechenden Grenzwert verglichen werden.

[0027] Es kann Vorteile mit sich bringen, wenn bei einem erfindungsgemäßen Schaltvorgang der Schaltvorgang leistungsfrei erfolgt. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Schaltvorrichtung konstruktiv in der Lage ist, zwei Sternpunkte von zwei dreiphasigen Sternschaltungen miteinander zu verbinden und der Teilgruppenwinkel im Wesentlichen 0° beträgt. Diese Funktion ist also mit der Konstruktionsweise korreliert und führt dazu, dass eine kleinere und vor allem einfachere und kostengünstigere Schaltvorrichtung einsetzbar ist.

[0028] Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind.

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[0029] Es zeigen schematisch:

[0030] Fig. 1 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Elektromotors, [0031] Fig. 2 eine Schaltsituation eines erfindungsgemäßen Elektromotors, [0032] Fig. 3 eine schematische Schaltmöglichkeit des Elektromotors der Figur 1,

[0033] Fig. 4 eine weitere schematische Schaltmöglichkeit des Elektromotors der Figur 1,

[0034] Fig. 5 eine weitere Ausführungsform einer Schaltmöglichkeit eines Elektromotors gemäß der Figur 1,

[0035] Fig. 6 eine weitere Ausführungsform einer Konstruktionsweise von Statorwicklungsgruppen.

[0036] Die Figur 1 zeigt schematisch im Querschnitt einen Elektromotor 10. Dieser ist mit einem permanent erregten Läufer 20 ausgestattet, welcher von einem Stator 30 umgeben ist. Der Stator 30 ist hier mit einer Vielzahl von Statorwicklungsgruppen 42 versehen, welche in insgesamt drei Statorwicklungsgruppen 42 jeweils zwei Statorwicklungsteilgruppen 44a und 44b aufweisen. Darunter ist zu verstehen, dass in jeder der Statorwicklungsgruppen 42 zwei Statorwicklungsteilgruppen 44a und 44b vorgesehen sind, welche nun in der Lage sind, parallel oder seriell verschaltet zu werden. Im Normalbetrieb sind gemäß der Darstellung in der Figur 3 die Phasen 1 mit 5, 2 mit 6 und 3 mit 4 so geschaltet, dass die gewünschte Induktion stattfindet und der Läufer rotiert.

[0037] Für einen Fehlerfall, wenn also bei hohen Drehzahlen kein Feldschwächebetrieb möglich ist, kann gemäß der Figur 4 durch eine Vielzahl von insgesamt zwölf einzelnen Schaltmitteln 52 der Schaltvorrichtung 50 ein Verschalten stattfinden, sodass die Phasen 1 und 5, 2 und 6 und 3 und 4 miteinander so verschaltet werden, dass deren Induktion zu einem gegenläufigen magnetischen Fluss führt. Dies führt dazu, dass sich der entstehende magnetischen Fluss gegenseitig aufhebt und der gewünschte erfindungsgemäße Schutzeffekt entsteht.

[0038] Die Figur 5 zeigt noch eine Lösung, bei welcher die Schaltvorrichtung 50 ein zentrales Schaltmittel 52 aufweist, sodass insbesondere mit Bezug auf die Lösung der Figur 4 eine deutliche Reduktion der Anzahl der einzelnen Schaltmittel 52 erzielt werden kann. Auch ist hier noch ein Kontrollanschluss 54 an der Schaltvorrichtung 50 dargestellt, welcher die gewünschte Signalkommunikation mit dem Umrichter zur Verfügung stellen kann.

[0039] In der Figur 6 ist eine Lösung dargestellt, bei welcher in jeder Statorwicklungsgruppe 42 die einzelnen Statorwicklungsteilgruppen 44a und 44b phasenintegriert gegenläufig zueinander betreibbar sind. Diese sind parallel ausgerichtet und können im Normalbetrieb im oberen Fall parallel und im unteren Fall seriell verschaltet werden. Dies führt dazu, dass im Fehlerfall die gewünschte Kompensation der entsprechend auch gegenläufigen induzierten magnetischen Flüsse stattfinden kann.

[0040] Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen.

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BEZUGSZEICHENLISTE

10 Elektromotor

20 Läufer

30 Stator

40 Statorwicklung

42 Statorwicklungsgruppen

44a erste Statorwicklungsteilgruppe 44b zweite Statorwicklungsteilgruppe 50 Schaltvorrichtung

52 Schaltmittel

54 Kontrollanschluss

60 Umrichter

P elektrische Phase

Claims (10)

x bes AT 526 546 B1 2025-08-15 Ss N Patentansprüche

1. Elektromotor (10), insbesondere für eine Verwendung zum Antrieb eines Fahrzeugs, aufweisend einen permanenterregten Läufer (20) und einen Stator (30) mit einer Vielzahl von Statorwicklungen (40), welche auf Statorwicklungsgruppen (42) mit je wenigstens zwei Statorwicklungen (40) aufgeteilt sind, wobei in jeder Statorwicklungsgruppe (42) eine erste Statorwicklungsteilgruppe (44a) zu einer zweiten Statorwicklungsteilgruppe (44b) spitzwinklig oder parallel ausgerichtet ist, wobei weiter zwischen der ersten Statorwicklungsteilgruppe (44a) und der zweiten Statorwicklungsteilgruppe (44b) eine Schaltvorrichtung (50) angeordnet ist für ein schaltbares elektrisches Verbinden der ersten Statorwicklungsteilgruppe (44a) und der zweiten Statorwicklungsteilgruppe (44b) mit zumindest teilweise entgegengesetzt ausgerichteter Stromrichtung für eine wenigstens teilweise Kompensation des induzierten magnetischen Flusses der Statorwicklungsgruppe (42), dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltvorrichtung (50) einen Kontrollanschluss (54) aufweist, welcher signalkommunizierend mit einem Umrichter (60) des Elektromotors (10) verbunden ist.

2. Elektromotor (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Statorwicklungsgruppe (42) einer elektrischen Phase (P) zugeordnet ist, so dass innerhalb dieser elektrischen Phase (P) durch die Schaltvorrichtung (50) die relative Stromrichtung für die Statorwicklungsteilgruppen (44a, 44b) verändert werden kann.

3. Elektromotor (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorwicklungsteilgruppen (44a, 44b) in einer Statorwicklungsgruppe (42) unterschiedlichen elektrischen Phasen (P) zugeordnet sind, so dass die relative Stromrichtung durch diese unterschiedlichen elektrischen Phasen (P) durch die Schaltvorrichtung (50) verändert werden kann.

4. Elektromotor (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens drei Statorwicklungsgruppen (42) je zwei Statorwicklungsteilgruppen (44a, 44b) aufweisen für je eine elektrische Phase (P) einer Ausbildung des Stators (30) mit sechs elektrischen Phasen (P).

5. Elektromotor (10) nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltvorrichtung (50) für jede Statorwicklungsteilgruppe (44a, 44b) ein separates Schaltmittel (52) aufweist.

6. Elektromotor (10) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltvorrichtung (50) eine zentrales Schaltmittel (52) aufweist für eine schaltbare elektrische Verbindung der Sternpunkte der jeweils drei der insgesamt sechs elektrischen Phasen

(P).

7. Elektromotor (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die spitzwinklige oder parallele Anordnung der Statorwicklungsteilgruppen (44a, 44b) identisch oder im Wesentlichen identisch ist.

8. Elektromotor (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorwicklungsteilgruppen (44a, 44b) zueinander einen Teilgruppenwinkel von weniger als 30°, vorzugsweise weniger als 15°, insbesondere von weniger als 10° zueinander aufweisen.

9. Schaltverfahren für ein Aktiveren einer Schaltvorrichtung (50) bei einem Elektromotor (10) mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

- Überwachen einer Funktionsfähigkeit eines Feldschwächebetriebs beim Elektromotor (10),

- Erkennen einer Funktionsbeeinträchtigung des Feldschwächebetriebs beim Elektromotor (10),

- Schalten der Schaltvorrichtung (50) für ein elektrisches Verbinden der ersten Statorwicklungsteilgruppe (44a) und der zweiten Statorwicklungsteilgruppe (44b) mit zumindest teilweise entgegengesetzt ausgerichteter Stromrichtung für eine wenigstens teilweise Kompensation des induzierten magnetischen Flusses der Statorwicklungsgruppe (42).

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10. Schaltverfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltvorgang leistungsfrei erfolgt.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen