WO2014180637A2 - Elektrische maschine, insbesondere für eine lenkhilfe eines kraftfahrzeugs - Google Patents

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electrical machine
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    • H02K2213/06—Machines characterised by the presence of fail safe, back up, redundant or other similar emergency arrangements

Definitions

  • the invention relates to an electric machine, in particular for a steering aid of a motor vehicle, according to the preamble of claim 1, and a drive device with an electric machine according to the invention.
  • electrical machines inter alia in the form of permanent-magnet synchronous motors
  • Steering is a basic function of a motor vehicle, which must be ensured at all times of the ride. Therefore, it is helpful for safety reasons that the power steering allows the steering of the vehicle even with a defect of the electric machine and provides sufficient steering assistance.
  • steering aids with electric machines for applying the supporting torque for steering there is a risk that the electric machine acts in a defect of the power amplifier by the driver's steering movement and generates a regenerative moment opposite the supporting moment. To prevent such an effect, the power steering is usually completely disabled in case of a defect to allow a purely manual steering without any steering assistance.
  • a power steering apparatus which has a motor with a main and auxiliary coil winding.
  • a steering assisting torque is applied by means of the auxiliary coil winding and control electronics for the auxiliary coil winding continues.
  • this can be partially intercepted defects in the control electronics of the engine, however, occur defects in the engine itself, such as by a short circuit between the main and auxiliary coil winding, it can still lead to a failure of the engine and thus to a failure of the power steering device.
  • the object of the invention is therefore to show a drive device which is at least partially operable with high reliability.
  • the object is achieved by means of an electric machine of the type mentioned above, which has at least two drive units operated independently of one another for driving the rotor device of the electric machine.
  • the invention is based on the basic concept of winding units of the electric machine by electrical supply. Group together to drive units to form a plurality of drive units within the stator. Each drive unit is suitable for itself to exert a torque on the rotor device and thus to maintain the function of the electric machine. In this way, a redundancy of drive units within an electrical machine is created, which means that in the event of failure of a drive unit with the remaining drive units still a torque can be generated to apply, for example, sufficient for steering steering assistance.
  • the drive units are independently of each other as individual drive units.
  • the purpose is to exclude the influence of a fault in a drive unit on the remaining drive units.
  • Operate independently includes in addition to the exercise of the function of the electric machine in the broader sense, measures that must be taken to achieve the greatest possible independence of the drive units, for example.
  • the drive units as far as spatially and electrically separate as far as possible to influence each other to reduce.
  • the drive units are controlled in a coordinated manner, in order to normally produce a torque which is equivalent to that of a conventional electric machine, for example a permanent magnet synchronous motor (PMSM).
  • PMSM permanent magnet synchronous motor
  • the drive units have at least one basic scheme of a minimum number of winding units, which is sufficient to drive the rotor device.
  • the arrangement and electrical coupling or interconnection and the minimum number of winding units determine the structure of a basic scheme.
  • the drive unit can be expanded by arranging several basic schematics.
  • the basic schemas can be used adjacent to be arranged one another. Alternatively, it is also conceivable that the basic schemas combined into a drive unit are not arranged spatially adjacent to one another.
  • the electrical machines may comprise drive units having the same number of basic schemas. It is also conceivable, however, to realize electrical machines with several drive units whose number of basic schematics differ from one another.
  • the minimum number of winding units per basic scheme is three winding units, but may also be an integer multiple of three winding units depending on the interconnection of the winding units.
  • each drive unit has terminals for supplying the current, wherein the terminals of the drive units are each electrically decoupled from each other.
  • the terminals of the drive units for supplying the current are not electrically connected to each other.
  • each drive unit has the same number of winding units, in particular basic schematics.
  • the contribution of the torque applied by a drive unit is thus generated in equal proportions by the drive units.
  • the regenerative effect of a defective drive unit is less than the torque that can be applied by the intact drive unit. Only at higher speeds does the inhibiting torque increase due to the regenerative effect and the driving torque is increasingly reduced.
  • the generator unit can be sufficiently compensated for by the still intact drive units given a uniform distribution of the winding units on the drive units.
  • the embodiment allows the use of equally designed components, such as in the control device or power amplifier.
  • the drive unit and the control device connected thereto are switched off, so that via the defective drive unit no rotating field is generated anymore.
  • an embodiment of the electric machine according to the invention is also advantageous in which the number of winding units, in particular basic schemes, per drive unit is unequal. This allows in particular a variety of implementation possibilities of an electric machine according to the invention, in which the torques to be generated by the drive units are divided differently.
  • an embodiment of the invention of the electric machine having two drive units.
  • the invention is particularly cost-effective in this way and at the same time provides sufficient for a variety of applications redundancy of the drive units.
  • Particularly advantageous is an embodiment of the invention of the electric machine, in which the drive units are arranged adjacent to each other.
  • the winding units of a drive unit in the stator device are arranged directly adjacent to one another. This arrangement has the advantage that the drive units with their associated control devices can be electrically connected without crossing and in this way a short circuit between the drive units can be better prevented constructively.
  • an embodiment of the machine according to the invention in which an electrically insulating means is arranged between the winding units of different drive units.
  • an embodiment of the electric machine according to the invention is advantageous, which has a stator device with a plurality of winding segments, and in each case a winding unit is arranged on a winding segment.
  • a particularly good insulation of the winding units to each other can be ensured.
  • a single tooth winding of the winding units is particularly advantageous in terms of a simple design and control availability of the electrical machine, as well as the reduction of the risk of short circuits.
  • the electrical machine according to the invention is further developed in that the winding units of a drive unit can be connected to each other by means of a star connection or delta connection.
  • Each strand of the star or delta connection can have a plurality of winding units, wherein the winding units can be connected within the train in series or in parallel to each other.
  • the basic principle of the division of the electric machine into several drive units and the resulting redundancy is given in the same way.
  • the invention further comprises a drive device, in particular for a steering aid of a motor vehicle, with an electric machine according to one of the preceding embodiments. Further areas of application of the drive device are, for example, brake systems, transmission controls, etc.
  • the drive device in each case has a control device for operating a drive unit.
  • the control device preferably comprises a power output stage.
  • a control device is preferred which has a unit for controlling the power output stage and controlling the power output stage.
  • the drive units are largely independently operable. Further preferred embodiments are illustrated in the following description of embodiments with reference to figures. Show it: Fig. 1 is a perspective view of a stator and rotor device of a first embodiment of the electric machine, Fig. 2 is a perspective view of the
  • FIG. 3 is a schematic representation of the electrical circuits of the winding units of the electrical machine
  • FIG. 4 shows a schematic representation of the basic schematics of a second exemplary embodiment of the electric machine
  • FIG. 5 shows a schematic illustration of the basic schematics of a further exemplary embodiment of the electrical machine.
  • Fig. 6 is a schematic representation of the electrical circuit of the electrical machine with a control device.
  • FIG. 1 shows an exemplary embodiment of an electric machine 10 according to the invention (see FIG. 6) with a stator device
  • winding units 21a-21f and 31a-31f each having first 22a-22f, 32a-32f and second terminals 23a-23f, 33a-33f are disposed on the stator device 1 (see Fig. 3).
  • a plurality of winding units 21a-21f and 31a-31f are connected by means of the terminals 22a-22f, 32a-32f; 23a-23f, 33a-33f are thus electrically coupled to a drive unit 20, 30 in order to generate a magnetic field for driving the rotor device by means of a plurality of phase currents
  • the electric machine 10 in this embodiment has two independently operated drive units 20, 30 for driving the rotor device 2, wherein a dividing line 6 for illustrating the separation of the drive units 20, 30 in Figure 3 is located.
  • the stator device 1 is annular and has an outer wall 3. Within the stator device 1 is a recess in which the rotor device 2 is arranged and as a result of the energization of the winding units 21a-21f; 31a-31f is excited to turn.
  • the stator device 1 has a plurality of winding segments 4, namely, according to the number of winding units 21a-21f, 31a-31f. On a winding segment 4, a winding unit 21a-21f, 31a-31f is arranged in each case. Between the winding segments 4, a clearance 5 is provided to prevent contact between the winding units 21a-21f, 31a-31f.
  • the free space 5 is dimensioned such that even with a thermal expansion of the winding units 21a-21f, 31a-31f no contact between the winding units is formed.
  • an electrically insulating means is arranged, which electrically isolates the drive units 20, 30 from each other.
  • the winding units 21a-21f, 31a-31f are wound on the winding segments 4 as single-tooth windings.
  • the winding segments 4 are formed so that the winding units 21a-21f, 31a-31f can be arranged without contact with each other.
  • the winding units 21a-21f, 31a-31f are formed of a plurality of windings of an electrically conductive wire. Preference is given to the use of a copper wire with an insulating lacquer coating.
  • the winding units 21a-21f, 31a-31f are respectively adjacent and insulated from each other within the stator device 1. Each winding unit 21a-21f, 31a-31f has two terminals 22a-22f, 32a-32f (input side) and 23a-23f, 33a-33f (output side), respectively.
  • each winding unit 21a and 21d are electrically coupled in series with one another to form a winding strand.
  • the second output-side terminal 23a of the winding unit 21a is electrically coupled or connected to the first input-side terminal 22d of the winding unit 21d.
  • the winding units of the second drive unit 30 are connected to each other.
  • the winding strands are interconnected in a neutral point 29. It is also conceivable to connect the winding strands to form a triangular circuit.
  • the winding unit 21a is provided for the supply of the current of the phase Wl. Accordingly, the winding units 21b and 21c are provided for supplying the currents of the phases Vi and Ul.
  • FIGS. 4 and 5 show the arrangement and the interconnection of the winding units 21a-21f, 31a-31f further embodiments in a schematic cut-open to a plane representation.
  • the winding units 21a-21c, 21d-21f each form a basic diagram 25a, 25b.
  • At the winding units 21a-21c, 21d-21f is in each case a phase of the AC voltage Ul, Vi, Wl.
  • a magnetic field is formed, each with a pair of poles.
  • the drive unit 20 can be extended by repeating the basic schemas 25a, 25b, as desired.
  • FIG. 1 An alternative basic scheme is shown in FIG.
  • the respective adjacent winding units 21a and 21b are electrically coupled to each other.
  • the winding units 21a, 21b are electrically coupled to each other such that in the winding unit 21a, the current in the winding direction and in the winding unit 21b, the current runs counter to the winding direction, indicated by the cross and point in the winding units 21a, 21b.
  • the basic scheme 26, 36 has six winding units 21a-21f, 31a-31f according to this circuit example. With a corresponding current supply, a magnetic field with 2.5 pole pairs is created, so that a magnetic field with a total of five pole pairs is created in two drive units 20, 30.
  • Each drive unit comprises at least one basic scheme. It is also conceivable, however, to install a drive unit with two basic schematics and a further drive unit with a basic scheme in an electrical machine.
  • the drive units 20, 30 are arranged along the circumference of the stator device 1 on one half each and adjacent to one another, as shown schematically in FIG. As long as both drive units 20, 30 are functioning properly, the electric machine operates like a conventional electric machine. In the event that a drive unit fails, a proper magnetic field can be generated at least via the intact drive unit 20, 30 in order to continue to generate a torque.
  • Each drive unit 20, 30 has the same number of winding units 21a-21f, 31a-31f and provides about half of the torque even if one drive unit 20, 30 fails.
  • Each drive unit has in each case three connections 22a-22c, 32a-32c for supplying currents in the phases W1, Vi, Ul or W2, V2, U2.
  • the connections of the drive units are each electrically decoupled from each other, as shown in Figure 6. This will be described in more detail with reference to the following embodiment of a drive device 40 according to the invention.
  • FIG. 6 shows a schematic representation of an electrical circuit of a drive device 40 with an electric machine 10 according to the invention.
  • the steering aid also has in each case a control device 41a, 41b for operating the drive units 20, 30.
  • the control devices 41, 41b each comprise a power output stage 43a, 43b, which is designed in the form of a B6 bridge. It also includes a gate drive unit 42a, 42b. These are each controlled via a controller (not shown here) with a pulse-width-modulated signal PWM.
  • each drive unit 20, 30 the electric machine 10 has its own connections 22a-22c and 32a-32c for supplying the flows.
  • Each drive unit is electrically coupled to its own control device 41a, 41b and is independently powered.
  • the decoupling of the drive units can be controlled by the entire control erkette be performed to the power source to accommodate in this way two completely decoupled drive units 20, 30 in an electric machine.
  • This decoupling of the drive units 20, 30 ensures that a fault or defect in one of the drive units 20, 30 does not affect the functionality of the other drive unit 20, 30.
  • a sufficient torque can thus be applied even in the event of a failure of a drive unit 20, 30 in order to effectively support the steering of the motor vehicle.
  • the drive device can be installed only with a few adjustments in currently known power steering or power steering devices. Despite several redundant drive units, the electric machine of the drive device consumes no additional installation space, since the structure of the motor does not change in principle.
  • the control device in particular the transistors of the power output stages, can be realized with smaller electronic components, since the maximum current load decreases according to the number of drive units.
  • Circuit arrangement for operating an electrical machine which has a plurality of lines (U, V, W) for each phase of an alternating current for operating the electric machine, each line (U, V, W) having a plurality of series-connected switching elements having a half-bridge form, wherein the half-bridge between two switching elements a connection and wherein the circuit arrangement can be electrically coupled to the electrical machine via the connections of the half-bridge,
  • each line has a plurality of half-bridges which are electrically connected in parallel with each other.
  • Circuit arrangement wherein the electric machine has a plurality of drive units, characterized in that the half bridges of a line (U, V, W) are each assigned to different drive units.
  • Circuit arrangement according to one of embodiments 1 and 2, wherein the electric machine comprises a plurality of star circuits connected winding strands, each forming a drive unit, characterized in that the half bridges of a line (U, V, W) are each assigned to different star circuits.
  • Circuit arrangement wherein the electric machine has a plurality of winding circuits connected to delta circuits, each of which form a drive unit, characterized in that the half bridges of a line are to be assigned to different delta circuits.
  • Circuit arrangement according to one of the preceding embodiments, wherein the circuit arrangement comprises conductors for conducting the current, characterized in that the cross section of the conductors between the switching elements of the half-bridge and / or the connection of a half-bridge and the electrical machine is smaller than the cross-section of a conductor for conducting of the maximum operating current of the electric machine.
  • Circuit arrangement according to one of the preceding embodiments, characterized in that the line has two half-bridges connected in parallel with one another.

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Abstract

Es wird eine elektrische Maschine (10), insbesondere für eine Lenkhilfe (40) eines Kraftfahrzeugs, vorgeschlagen, aufweisend eine Statorvorrichtung (1) und eine Rotorvorrichtung (2), und mehrere Wicklungseinheiten (21a-21f, 31a-31f ) mit einem ersten (22a-22f, 32a-32f) und zweiten Anschluss (23a-23f, 33a-33f), die an der Statorvorrichtung (1) angeordnet sind, wobei mehrere Wicklungseinheiten (21a-21f, 31a-31f) mittels der Anschlüsse (22a-22f, 32a-32f; 23a-23f, 33a-33f) derart zu einer Antriebseinheit (20, 30) elektrisch gekoppelt sind, um mittels Stromzufuhr ein Magnetfeld zum Antreiben der Rotorvorrichtung (2) der elektrischen Maschine (10) zu erzeugen. Dabei weist die Elektrische Maschine (10) mindestens zwei unabhängig voneinander betriebene Antriebseinheiten (20, 30) zum Antreiben der Rotorvorrichtung (2) der elektrischen Maschine (10) auf.

Description

Beschreibung
Elektrische Maschine, insbesondere für eine Lenkhilfe eines Kraftfahrzeugs
Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, insbesondere für eine Lenkhilfe eines Kraftfahrzeugs, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie eine Antriebsvorrichtung mit einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine.
Elektrische Maschinen stellen ein wesentliches Element von vielen Antriebsvorrichtungen dar. Der Ausfall der elektrischen Maschine hat daher auch zur Folge, dass die Vorrichtung als solche vollständig ausfällt.
Beispielsweise kommen elektrische Maschinen, u. a. in Form von permanenterregten Synchronmotoren, in Lenkhilfen für Kraftfahrzeuge zum Einsatz, um die Lenkbewegungen des Fahrers zu unterstützen. Das Lenken stellt eine Grundfunktion eines Kraftfahrzeugs dar, die zu jeder Zeit der Fahrt gewährleistet sein muss. Daher ist es aus Sicherheitsgründen hilfreich, dass die Lenkhilfe selbst bei einem Defekt der elektrischen Maschine die Lenkung des Fahrzeugs ermöglicht und ausreichend Lenkunterstützung bietet. Bei Lenkhilfen mit elektrischen Maschinen zur Aufbringung des unterstützenden Moments zur Lenkung besteht jedoch die Gefahr, dass die elektrische Maschine bei einem Defekt der Endstufe durch die Lenkbewegung des Fahrers generatorisch wirkt und ein dem unterstützenden Moment entgegengesetztes Moment aufbringt. Um einen solchen Effekt zu verhindern, wird die Lenkhilfe bei einem Defekt üblicherweise vollständig abgeschaltet, um ein rein manuelles Lenken ohne jegliche Lenkunterstützung zu ermöglichen. Bekannt ist es hierzu nach DE 1019736 eine Sicherheitsschaltung für elektronisch kommutierte Motoren in die Lenkhilfe einzubauen, die im Falle eines Fehlers den Stromfluss durch die Wicklungen des Motors verhindern. Der Stromkreis des Motors wird geöffnet und bewirkt somit kein die Lenkbewegung hemmendes oder gar blockierendes Moment. Jedoch fällt damit die Lenkunterstützung gänzlich weg, so dass bei insbesondere schweren Kraftfahrzeugen das Lenken weiterhin viel Kraftaufwand erfordert .
Nach DE 102005004875 AI ist weiterhin eine Servolenkvorrichtung bekannt, die einen Motor mit einer Haupt- und Hilfsspulenwicklung aufweist. Im Falle des Ausfalls der Steuerelektronik für die Hauptspulenwicklung wird mittels der Hilfsspulenwicklung und einer Steuerelektronik für die Hilfsspulenwicklung weiterhin ein lenkunterstützendes Moment aufgebracht. Hiermit können zwar Defekte in der Steuerelektronik des Motors teilweise abgefangen werden, treten jedoch Defekte im Motor selbst auf, wie beispielsweise durch einen Kurzschluss zwischen Haupt- und Hilfsspulenwicklung, so kann es dennoch zu einem Ausfall des Motors und damit zu einem Ausfall der Servolenkvorrichtung kommen .
Aufgabe der Erfindung ist es daher eine Antriebsvorrichtung aufzuzeigen, die mit einer hohen Zuverlässigkeit zumindest teilweise betreibbar ist.
Die Aufgabe wird gelöst mittels einer elektrischen Maschine eingangs genannter Art, die mindestens zwei unabhängig von- einander betriebene Antriebseinheiten zum Antreiben der Rotorvorrichtung der elektrischen Maschine aufweist.
Die Erfindung basiert auf den Grundgedanken die Wicklungseinheiten der elektrischen Maschine durch elektrischen Zu- sammenschluss derart zu Antriebseinheiten zu gruppieren, um innerhalb der Statorvorrichtung mehrere Antriebseinheiten zu bilden. Jede Antriebseinheit ist für sich dazu geeignet, um ein Drehmoment auf die Rotoreinrichtung auszuüben und damit die Funktion der elektrischen Maschine aufrecht zu erhalten. Auf diese Weise wird eine Redundanz an Antriebseinheiten innerhalb einer elektrischen Maschine geschaffen, die dazu führt, dass im Falle eines Ausfalls einer Antriebseinheit mit den restlichen Antriebseinheiten noch ein Drehmoment erzeugbar ist, um beispielsweise eine für die Lenkung ausreichende Lenkunterstützung aufzubringen .
Wesentlich hierbei ist es die Antriebseinheiten unabhängig voneinander als einzelne Antriebseinheiten zu betreiben. Zweck ist es den Einfluss eines Fehlers in einer Antriebseinheit auf die restlichen Antriebseinheiten auszuschließen. Unabhängig betreiben umfasst neben der Ausübung der Funktion der elektrischen Maschine im weiteren Sinne auch Maßnahmen, die zu ergreifen sind, um eine möglichst große Unabhängigkeit der Antriebseinheiten zu erreichen, bspw. die Antriebseinheiten soweit voneinander räumlich als auch elektrisch zu trennen, um den Einfluss zueinander weitestgehend zu verringern. Gleichzeitig werden die Antriebseinheiten aufeinander abgestimmt angesteuert, um im Normalfall ein Drehmoment zu erzeugen, das dem einer konventionellen elektrischen Maschine, bspw. eines Permanentmagnet-Synchronmotors (PMSM) , gleichkommt.
Die Antriebseinheiten weisen mindestens ein Grundschema aus einer Mindestanzahl an Wicklungseinheiten auf, die ausreicht, um die Rotorvorrichtung anzutreiben. Die Anordnung und elektrische Kopplung bzw. Verschaltung sowie die Mindestanzahl der Wicklungseinheiten bestimmen den Aufbau eines Grundschemas. Die Antriebseinheit ist mittels Anordnung mehrerer Grundschematas erweiterbar. Die Grundschematas können dabei benachbart zu- einander angeordnet sein. Alternativ ist es auch denkbar, dass die zu einer Antriebseinheit zusammengefassten Grundschematas nicht räumlich angrenzend zueinander angeordnet sind. Die elektrischen Maschinen können Antriebseinheiten umfassen, die gleich viele Grundschematas aufweisen. Denkbar ist es aber auch elektrische Maschinen mit mehreren Antriebseinheiten zu realisieren, deren Anzahl an Grundschematas sich voneinander unterscheiden . Die Mindestanzahl von Wicklungseinheiten je Grundschemata beträgt drei Wicklungseinheiten, kann je nach Verschaltung der Wicklungseinheiten aber auch ein ganzzahliges Vielfaches von drei Wicklungseinheiten betragen.
Vorteilhafterweise wird die erfindungsgemäße elektrische Maschine dadurch weitergebildet, dass jede Antriebseinheit Anschlüsse zum Zuführen des Stroms aufweist, wobei die Anschlüsse der Antriebseinheiten jeweils voneinander elektrisch entkoppelt sind. Vorzugsweise sind die Anschlüsse der Antriebseinheiten zum Zuführen des Stroms elektrisch nicht miteinander verbunden. Darüber hinaus ist es bevorzugt den Antriebseinheiten jeweils separate Steuervorrichtungen zuzuordnen. Mittels der Entkopplung der Stromzufuhr zwischen den Antriebseinheiten ist auf einfache Weise ein voneinander unabhängiger Betrieb der Antriebseinheiten realisierbar. Die Verwendung redundanter Steuervorrichtungen erlaubt dabei eine weitergehende Redundanz und Unabhängigkeit der Antriebseinheiten voneinander.
Die erfindungsgemäße elektrische Maschine wird ferner dadurch vorteilhaft weitergebildet, dass jede Antriebseinheit gleich viele Wicklungseinheiten, insbesondere Grundschematas, aufweist. Der Beitrag des Drehmoments, den eine Antriebseinheit aufbringt, wird auf diese Weise in gleichen Anteilen von den Antriebseinheiten erzeugt. Insbesondere bei Verwendung der elektrischen Maschine bei niedrigen Drehzahlen hat sich herausgestellt, dass der generatorische Effekt einer defekten Antriebseinheit geringer ist als das Drehmoment, das durch die intakte Antriebseinheit aufgebracht werden kann. Erst bei höheren Drehzahlen steigt das hemmende Drehmoment durch den generatorischen Effekt an und hebt das antreibende Drehmoment zunehmend auf. Im Fehlerfall, wo ein Notlauf mit geringerer Drehzahl und geringerem Moment akzeptiert werden kann, kann bei einer gleichmäßigen Verteilung der Wicklungseinheiten auf die Antriebseinheiten die generatorische Wirkung der defekten Antriebseinheit durch die noch intakten Antriebseinheiten ausreichend kompensiert werden. Des Weiteren erlaubt die Ausführungsform die Verwendung gleichermaßen ausgelegter Bauteile, wie bspw. in der Steuervorrichtung oder Endstufe. Im Falle eines Defektes einer Antriebseinheit wird die Antriebseinheit und die damit verbundene Steuervorrichtung abgeschaltet, so dass über die defekte Antriebseinheit kein Drehfeld mehr erzeugt wird. Je nach Anwendungsfall ist aber auch eine erfindungsgemäße Ausführungsform der elektrischen Maschine vorteilhaft, bei der die Anzahl der Wicklungseinheiten, insbesondere Grundschematas , je Antriebseinheit ungleich ist. Dies ermöglicht insbesondere vielfältige Realisierungsmöglichkeiten einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine, bei der die von den Antriebseinheiten zu erzeugenden Drehmomente unterschiedlich aufgeteilt sind.
Besonders bevorzugt ist eine erfindungsgemäße Ausführungsform der elektrischen Maschine, die zwei Antriebseinheiten aufweist. Die Erfindung ist auf diese Weise besonders kostengünstig realisierbar und bietet zugleich eine für eine Vielzahl von Anwendungsfällen ausreichende Redundanz der Antriebseinheiten. Besonders vorteilhaft ist eine erfindungsgemäße Ausführungsform der elektrischen Maschine, bei der die Antriebseinheiten benachbart zueinander angeordnet sind. Bei dieser Ausführungsform sind die Wicklungseinheiten einer Antriebseinheit in der Statorvorrichtung unmittelbar benachbart zueinander angeordnet. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass die den Antriebseinheiten mit ihren zugeordneten Steuervorrichtungen kreuzungsfrei elektrisch verbunden werden können und auf diese Weise ein Kurzschluss zwischen den Antriebseinheiten besser konstruktiv vorgebeugt werden kann.
Denkbar ist jedoch auch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine, bei der die Grundschematas unterschiedlicher Antriebseinheiten benachbart zueinander angeordnet sind. Die Grundschematas unterschiedlicher Antriebseinheiten sind abwechselnd zueinander angeordnet.
Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Maschine, bei der zwischen den Wicklungseinheiten unterschiedlicher Antriebseinheiten ein elektrisch isolierendes Mittel angeordnet ist. Mittels dieser Ausführungsform ist eine besonders platzsparende und zugleich sichere Isolierung der Antriebseinheiten zueinander möglich, um einen elektrischen Kurzschluss vorzubeugen und die elektrische Entkopplung der Antriebseinheiten sicherzustellen.
Weiterhin ist eine erfindungsgemäße Ausführungsform der elektrischen Maschine vorteilhaft, die eine Statorvorrichtung mit mehreren Wicklungssegmenten aufweist, und bei der auf einem Wicklungssegment jeweils eine Wicklungseinheit angeordnet ist. Auf diese Weise kann eine besonders gute Isolation der Wicklungseinheiten zueinander sichergestellt werden. Eine Einzelzahnbewicklung der Wicklungseinheiten ist besonders vorteilhaft im Hinblick auf eine einfache Auslegung und Steuer- barkeit der elektrischen Maschine, sowie der Verminderung der Kurzschlussgefahr .
Vorteilhafterweise wird die erfindungsgemäße elektrische Ma- schine dadurch weitergebildet, dass die Wicklungseinheiten einer Antriebseinheit mittels einer Sternschaltung oder Dreieckschaltung miteinander verbunden sein können. Jeder Strang der Stern- oder Dreiecksschaltung kann mehrere Wicklungseinheiten aufweisen, wobei die Wicklungseinheiten innerhalb des Strangs in Reihe oder parallel zueinander geschaltet sein können. Das Grundprinzip der Aufteilung der elektrischen Maschine in mehrere Antriebseinheiten und die sich daraus ergebende Redundanz ist in gleicher Weise gegeben. Die Erfindung umfasst des Weiteren eine Antriebsvorrichtung, insbesondere für eine Lenkhilfe eines Kraftfahrzeugs, mit einer elektrischen Maschine nach einem der vorstehenden Ausführungsformen. Weitere Einsatzbereiche der Antriebsvorrichtung sind bspw. Bremssysteme, Getriebesteuerungen, usw.
Gemäß einer vorteilhaften erfindungsgemäßen Ausführungsform weist die Antriebsvorrichtung jeweils eine Steuervorrichtung zum Betreiben einer Antriebseinheit auf. Die Steuervorrichtung umfasst vorzugsweise eine Leistungsendstufe. Darüber hinaus ist eine Steuervorrichtunug bevorzugt, die eine Einheit zum Steuern der Leistungsendstufe und Kontrollieren der Leistungsendstufe aufweist. Auf diese Weise sind die Antriebseinheiten weitestgehend unabhängig voneinander betreibbar. Weitere bevorzugte Ausführungsformen sind in der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen an Hand von Figuren dargestellt. Es zeigen: Fig. 1 eine perspektivische Ansicht auf eine Stator- und Rotorvorrichtung eines ersten Ausführungsbeispiels der elektrischen Maschine, Fig. 2 eine perspektivische Ansicht auf die
Statorvorrichtung des ersten Ausführungsbeispiels,
Fig. 3 eine schematische Darstellung der elektrischen Schaltungen der Wicklungseinheiten der elektrischen Maschine,
Fig. 4 eine schematische Darstellung der Grundschematas eines zweiten Ausführungsbeispiels der elektrischen Maschine, und Fig. 5 eine schematische Darstellung der Grundschematas eines weiteren Ausführungsbeispiels der elektrischen Maschine.
Fig. 6 eine schematische Darstellung der elektrischen Schaltung der elektrischen Maschine mit einer Steuervorrichtung.
Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine 10 (s. Figur 6) mit einer Statorvorrichtung
1 und Rotorvorrichtung 2, wie sie beispielsweise in einer Lenkhilfe eines Kraftfahrzeugs Einsatz findet. An der Statorvorrichtung 1 sind zwölf Wicklungseinheiten 21a-21f und 31a-31f mit jeweils einem ersten 22a-22f, 32a-32f und zweiten Anschluss 23a-23f, 33a-33f angeordnet (s. Figur 3).
Mehrere Wicklungseinheiten 21a-21f und 31a-31f sind mittels der Anschlüsse 22a-22f, 32a-32f; 23a-23f, 33a-33f derart zu einer Antriebseinheit 20, 30 elektrisch gekoppelt, um mittels mehrerer Phasenströme ein Magnetfeld zum Antreiben der Rotorvorrichtung
2 der elektrischen Maschine 10 zu erzeugen, vgl. auch Figur 6. Die elektrische Maschine 10 in diesem Ausführungsbeispiel weist zwei unabhängig voneinander betriebene Antriebseinheiten 20, 30 zum Antreiben der Rotorvorrichtung 2 auf, wobei eine Trennlinie 6 zur Veranschaulichung der Trennung der Antriebseinheiten 20, 30 in Figur 3 eingezeichnet ist.
Die Statorvorrichtung 1 ist ringförmig gebildet und weist eine Außenwand 3 auf. Innerhalb der Statorvorrichtung 1 befindet sich eine Ausnehmung, in welcher die Rotorvorrichtung 2 angeordnet ist und als Folge der Bestromung der Wicklungseinheiten 21a-21f; 31a-31f zum Drehen angeregt wird. Die Statorvorrichtung 1 weist mehrere Wicklungs Segmente 4 auf, nämlich entsprechend der Anzahl der Wicklungseinheiten 21a-21f, 31a-31f. Auf einem Wicklungssegment 4 ist jeweils eine Wicklungseinheit 21a-21f, 31a-31f angeordnet. Zwischen den Wicklungssegmenten 4 ist ein Freiraum 5 vorgesehen, um einen Kontakt zwischen den Wicklungseinheiten 21a-21f, 31a-31f zu vermeiden. Der Freiraum 5 ist dabei so bemessen, dass auch bei einer Wärmeausdehnung der Wicklungseinheiten 21a-21f, 31a-31f kein Kontakt zwischen den Wicklungseinheiten entsteht. In dem Freiraum 5a, 5f zwischen den Wicklungseinheiten 21a, 31a und 21f, 31f unterschiedlicher Antriebseinheiten 20, 30 ist ein elektrisch isolierendes Mittel angeordnet, das die Antriebseinheiten 20, 30 voneinander elektrisch isoliert. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Wicklungseinheiten 21a-21f, 31a-31f als Einzelzahnwicklungen auf den Wicklungssegmenten 4 aufgewickelt. Die Wicklungs Segmente 4 sind so ausgebildet, dass die Wicklungseinheiten 21a-21f, 31a-31f kontaktfrei zueinander angeordnet werden können.
Die Wicklungseinheiten 21a-21f, 31a-31f werden aus mehreren Wicklungen eines elektrisch leitfähigen Drahtes gebildet. Bevorzugt ist die Verwendung eines Kupferdrahtes mit einer isolierenden Lackbeschichtung . Die Wicklungseinheiten 21a-21f, 31a-31f sind jeweils benachbart und isoliert zueinander innerhalb der Statorvorrichtung 1 angeordnet. Jede Wicklungseinheit 21a-21f, 31a-31f weist jeweils zwei Anschlüsse 22a-22f, 32a-32f (eingangsseitig) und 23a-23f, 33a-33f ( ausgangsseitig) auf .
Wie in Figur 6 zu sehen sind jeweils zwei Wicklungseinheiten, bspw. 21a und 21d in Reihe miteinander zu einem Wicklungsstrang elektrisch gekoppelt. Hierzu ist der zweite ausgangsseitige Anschluss 23a der Wicklungseinheit 21a mit dem ersten ein- gangsseitigen Anschluss 22d der Wicklungseinheit 21d elektrisch gekoppelt bzw. verbunden. Denkbar wäre auch eine parallele Kopplung der Wicklungseinheiten 21a-21f, d.h. 21a parallel zu 21d, 21b parallel zu 21e und 21c parallel zu 21f . Entsprechend sind die Wicklungseinheiten der zweiten Antriebseinheit 30 miteinander verbunden. Die Wicklungsstränge sind miteinander in einem Sternpunkt 29 miteinander verbunden. Denkbar ist es auch die Wicklungs stränge zu einer Dreiecks Schaltung zu verbinden. An den Wicklungssträngen liegt jeweils eine Phase Ul, Vi, Wl der Wechselspannung an. Der erste Anschluss 22a der Wicklungseinheit 21a ist für die Zufuhr des Stroms der Phase Wl vorgesehen. Entsprechend sind die Wicklungseinheiten 21b und 21c für die Zufuhr der Ströme der Phasen Vi und Ul vorgesehen.
Die Figuren 4 und 5 zeigen die Anordnung und die Verschaltung der Wicklungseinheiten 21a-21f, 31a-31f weiterer Ausführungsbeispiele in einer schematischen zu einer Ebene aufgeschnittenen Darstellung. Zum besseren Verständnis werden hier die gleichen Bezugszeichen wie im ersten Ausführungsbeispiels verwendet. Das Prinzip wird anhand der Antriebseinheit 20 beschrieben. Die Beschreibung ist aber analog auf die Antriebseinheit 30 anwendbar . Die Wicklungseinheiten 21a-21c, 21d-21f bilden jeweils ein Grundschema 25a, 25b. An den Wicklungseinheiten 21a-21c, 21d-21f liegt jeweils eine Phase der Wechselspannung Ul, Vi, Wl an. Durch Zufuhr von Strom zu den Wicklungseinheiten 21a-21c, 21d-21f der Grundschematas 25a, 25b bildet sich ein Magnetfeld mit jeweils einem Polpaar. Die Antriebseinheit 20 lässt sich durch Wiederholung der Grundschematas 25a, 25b, beliebig erweitern.
Ein alternatives Grundschema ist in Figur 5 gezeigt. In diesem Ausführungsbeispiel sind die jeweils zueinander benachbarten Wicklungseinheiten 21a und 21b miteinander elektrisch gekoppelt . An den beiden Wicklungseinheiten 21a und 21b liegt eine Phasenspannung Ul an. Die Wicklungseinheiten 21a, 21b sind so miteinander elektrisch gekoppelt, dass in der Wicklungseinheit 21a der Strom in Wicklungsrichtung und in der Wicklungseinheit 21b der Strom entgegen der Wicklungsrichtung verläuft, angedeutet durch das Kreuz und Punkt in den Wicklungseinheiten 21a, 21b. Das Grundschema 26, 36 weist gemäß diesem Schaltungsbeispiel sechs Wicklungseinheiten 21a-21f, 31a-31f auf. Bei entspre- chender Zufuhr mit Strom entsteht ein Magnetfeld mit 2,5 Polpaaren, so dass bei zwei Antriebseinheiten 20, 30 ein Magnetfeld mit insgesamt fünf Polpaaren entsteht.
Die Ausführung der Grundschematas selbst sowie die Anzahl der Grundschematas je Antriebseinheit kann an den jeweiligen Bedarf angepasst ausgelegt werden. Jede Antriebseinheit umfasst mindestens ein Grundschema. Denkbar ist es aber auch eine Antriebseinheit mit zwei Grundschematas und eine weitere Antriebseinheit mit einem Grundschema in einer elektrischen Maschine einzubauen.
Die Antriebseinheiten 20, 30 sind entlang des Umfangs der Statorvorrichtung 1 auf jeweils einer Hälfte und benachbart zueinander angeordnet, wie in Figur 3 schematisch dargestellt. Solange beide Antriebseinheiten 20, 30 ordnungsgemäß funktionieren, arbeitet die elektrische Maschine wie eine konventionelle elektrische Maschine. Im Falle, dass eine Antriebseinheit ausfällt, ist zumindest über die intakte Antriebseinheit 20, 30 ein ordnungsgemäßes Magnetfeld erzeugbar, um weiter ein Drehmoment zu erzeugen. Jede Antriebseinheit 20, 30 weist gleich viele Wicklungseinheiten 21a-21f, 31a-31f auf und stellt auch bei einem Ausfall einer Antriebseinheit 20, 30 etwa die Hälfte des Drehmoments zur Verfügung.
Jede Antriebseinheit weist jeweils drei Anschlüsse 22a-22c, 32a-32c zum Zuführen von Strömen in den Phasen Wl, Vi, Ul bzw. W2, V2, U2 auf. Die Anschlüsse der Antriebseinheiten sind jeweils voneinander elektrisch entkoppelt, wie in Figur 6 dargestellt. Dies wird anhand des folgenden Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung 40 näher beschrieben.
Figur 6 zeigt eine schematische Darstellung einer elektrischen Schaltung einer Antriebsvorrichtung 40 mit einer erfindungs- gemäßen elektrischen Maschine 10. Die Lenkungshilfe weist zudem jeweils eine Steuervorrichtung 41a, 41b zum Betreiben der Antriebseinheiten 20, 30 auf. Die Steuervorrichtungen 41, 41b umfassen jeweils eine Leistungsendstufe 43a, 43b, die in Form einer B6-Brücke ausgebildet ist. Ferner umfasst sie eine Gate Drive Unit 42a, 42b . Diese werden jeweils über einen Controller (hier nicht gezeigt) mit einem pulsweiten modulierten Signal PWM angesteuert .
Wie auch in Figur 1 zu sehen weist die elektrische Maschine 10 für jede Antriebseinheit 20, 30 eigene Anschlüsse 22a-22c und 32a-32c zum Zuführen der Ströme auf. Jede Antriebseinheit ist mit einer eigenen Steuervorrichtung 41a, 41b elektrisch gekoppelt und wird unabhängig voneinander mit Strom versorgt. Die Entkopplung der Antriebseinheiten kann durch die gesamte Steu- erkette bis zur Stromquelle durchgeführt werden, um auf diese Weise zwei vollständig voneinander entkoppelte Antriebseinheiten 20, 30 in eine elektrische Maschine unterzubringen.
Durch diese Entkopplung der Antriebseinheiten 20, 30 wird gewährleistet, dass ein Fehler oder Defekt in einem der Antriebseinheiten 20, 30 nicht die Funktionsfähigkeit der anderen Antriebseinheit 20, 30 beeinträchtigt. Mittels der Redundanz der Antriebseinheiten 20, 30 kann damit auch bei einem Ausfall einer Antriebseinheit 20, 30 ein ausreichendes Drehmoment aufgebracht werden, um die Lenkung des Kraftfahrzeugs wirksam zu unterstützen .
Die Antriebsvorrichtung kann nur mit wenigen Anpassungen in derzeit bekannten Lenkhilfen bzw. Servolenkungsvorrichtungen eingebaut werden. Die elektrische Maschine der Antriebsvorrichtung verbraucht trotz mehrerer redundanter Antriebseinheiten keinen zusätzlichen Bauraum, da sich der Aufbau des Motors prinzipiell nicht ändert. Die Steuervorrichtung, insbesondere die Transistoren der Leistungsendstufen, kann mit kleineren elektronischen Bauteilen realisiert werden, da sich die maximale Stromlast entsprechend der Anzahl der Antriebseinheiten verkleinert .
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen
Ausführungsform 1
Schaltungsanordnung zum Betreiben einer elektrischen Maschine, die mehrere Leitungen (U, V, W) für jeweils eine Phase eines Wechselstroms zum Betreiben der elektrischen Maschine aufweist, wobei jede Leitung (U, V, W) mehrere in Reihe geschaltete Schaltelemente aufweist, die eine Halbbrücke bilden, wobei die Halbbrücke zwischen zwei Schaltelementen einen Anschluss aufweist, und wobei die Schaltungsanordnung über die Anschlüsse der Halbbrücke mit der elektrischen Maschine elektrisch koppelbar ist,
dadurch gekennzeichnet, dass jede Leitung mehrere Halbbrücken aufweist, die elektrisch parallel zueinander geschaltet sind.
Ausführungsform 2
Schaltungsanordnung nach Ausführungsform 1, wobei die elektrische Maschine mehrere Antriebseinheiten aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbbrücken einer Leitung (U, V, W) jeweils unterschiedlichen Antriebseinheiten zuzuordnen sind.
Ausführungsform 3
Schaltungsanordnung nach einem der Ausführungsformen 1 und 2, wobei die elektrische Maschine mehrerezu Sternschaltungen geschaltete Wicklungsstränge aufweist, die jeweils eine Antriebseinheit bilden, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbbrücken einer Leitung (U, V, W) jeweils unterschiedlichen Sternschaltungen zuzuordnen sind.
Ausführungsform 4
Schaltungsanordnung nach Ausführungsform 1, wobei die elektrische Maschine mehrere zu Dreieckschaltungen geschaltete Wicklungsstränge aufweist, die jeweils eine Antriebseinheit bilden, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbbrücken einer Leitung jeweils unterschiedlichen Dreieckschaltungen zuzuordnen sind .
Ausführungsform 5
Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ausführungsformen, wobei die Schaltelemente Transistoren aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass der maximal tragbare Betriebsstrom des Transistors kleiner ist als der maximale Betriebsstrom der elektrischen Maschine. Ausführungsform 6
Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ausführungsformen, wobei die Schaltungsanordnung Leiter zum Leiten des Stroms aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der Leiter zwischen den Schaltelementen der Halbbrücke und / oder dem Anschluss einer Halbbrücke und der elektrischen Maschine kleiner ist als der Querschnitt eines Leiters zum Leiten des maximalen Betriebs Stroms der elektrischen Maschine.
Ausführungsform 7
Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ausführungsformen, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung zwei parallel zueinander geschaltete Halbbrücken aufweist.
Ausführungsform 8
Antriebsvorrichtung, insbesondere für eine Lenkhilfe eines Kraftfahrzeugs, mit einer Schaltungsanordnung nach einem der Ausführungsformen 1 bis 6.

Claims

Patentansprüche
1. Elektrische Maschine (10) einer Antriebsvorrichtung, insbesondere für eine Lenkhilfe (40) eines Kraftfahrzeugs, aufweisend
eine Statorvorrichtung (1) und eine Rotorvorrichtung (2), und mehrere Wicklungseinheiten (21a-21f, 31a-31f) mit einem ersten (22a-22f, 32a-32f) und zweiten Anschluss (23a-23f, 33a-33f), die an der Statorvorrichtung (1) angeordnet sind, wobei mehrere Wicklungseinheiten (21a-21f, 31a-31f) mittels der Anschlüsse (22a-22f, 32a-32f ; 23a-23f, 33a-33f ) derart zu einer Antriebseinheit (20, 30) elektrisch gekoppelt sind, um mittels Stromzufuhr ein Magnetfeld zum Antreiben der Rotorvorrichtung (2) der elektrischen Maschine (10) zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrische Maschine (10) mindestens zwei unabhängig voneinander betriebene Antriebseinheiten (20, 30) zum Antreiben der Rotorvorrichtung (2) der elektrischen Maschine (10) aufweist.
2. Elektrische Maschine (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Antriebseinheit (20, 30) Anschlüsse (22a-22c, 32a-32c) zum Zuführen des Stroms aufweist, wobei die Anschlüsse (22a-22c, 32a-32c) der Antriebseinheiten (20, 30) jeweils voneinander elektrisch entkoppelt sind.
3. Elektrische Maschine (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede Antriebseinheit (20, 30) gleich viele Wicklungseinheiten (21a-21f, 31a-31f) aufweist .
4. Elektrische Maschine (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Wicklungseinheiten (21a-21f, 31a-31f) je Antriebseinheit (20, 30) ungleich ist.
5. Elektrische Maschine (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrische Maschine (10) zwei Antriebseinheiten (20, 30) aufweist.
6. Elektrische Maschine (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinheiten (20, 30) benachbart zueinander angeordnet sind.
7. Elektrische Maschine (10) nach einem der vorstehenden An- Sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Wicklungseinheiten (21a-21f, 31a-31f) unterschiedlicher Antriebseinheiten ein elektrisch isolierendes Mittel angeordnet ist .
8. Elektrische Maschine (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorvorrichtung (1) mehrere Wicklungssegmente (4) aufweist, und dass auf einem Wicklungssegment (4) jeweils eine Wicklungseinheit (21a-21f, 31a-31f) angeordnet ist.
9. Elektrische Maschine (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungseinheiten mittels einer Sternschaltung oder Dreiecksschaltung miteinander elektrisch verbunden sind.
10. Antriebsvorrichtung (40), insbesondere für eine Lenkhilfe eines Kraftfahrzeugs, mit einer elektrischen Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
11. Antriebsvorrichtung (40) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Lenkhilfe jeweils eine Steuervorrichtung (41a, 41b) zum Betreiben einer Antriebseinheit (20, 30) aufweist.
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