本發(fā)明涉及一種具有電機(jī)和變流器的電機(jī)單元、一種具有這種電機(jī)單元的車輛以及一種用于運(yùn)行這種電機(jī)單元的方法。

背景技術(shù)：

1、在電機(jī)中，尤其是在用作馬達(dá)和/或發(fā)電機(jī)的電機(jī)中，并且尤其是也在用于車輛中時，使用逆變器(變流器)，以便對所產(chǎn)生的交流電流進(jìn)行整流或者對所施加的直流電流進(jìn)行交流變換。為此，尤其也設(shè)置有能量存儲器、如電池，所述能量存儲器或所述電池能夠通過其來充電或者從中提取用于運(yùn)行電機(jī)的能量。尤其是當(dāng)電機(jī)(也)被用作車輛的牽引驅(qū)動裝置時，通常需要也能夠從外部、即例如從(公共的或私人的)電網(wǎng)中給能量存儲器充電。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、根據(jù)本發(fā)明，提出了具有獨立權(quán)利要求的特征的電機(jī)單元、車輛以及用于運(yùn)行這種電機(jī)單元的方法。有利的設(shè)計方案是從屬權(quán)利要求以及以下說明的主題。

2、本發(fā)明涉及電機(jī)和所屬的變流器或逆變器以及其運(yùn)行。由電機(jī)和所屬的變流器構(gòu)成的組合在本發(fā)明的范圍內(nèi)應(yīng)被稱為電機(jī)單元。典型地，變流器在此安置或被安裝到電機(jī)的端部上，但同樣也可以安置或被安裝在電機(jī)的一側(cè)上。電機(jī)單元在此可以是車輛的一部分，尤其是也可以用作牽引驅(qū)動裝置。作為電機(jī)例如考慮同步電機(jī)、同步磁阻電機(jī)、感應(yīng)電機(jī)、永磁同步電機(jī)和其它電機(jī)。下面，將綜合地描述電機(jī)單元及其運(yùn)行。

3、典型的電機(jī)例如具有三個相或其倍數(shù)；在本發(fā)明的范圍內(nèi)，在此尤其是具有至少兩個電分離的、分別具有三個相的相組的電機(jī)是感興趣的，即例如具有六個、九個、十二個或十五個相的電機(jī)。典型地，在此各三個相形成一個組(相組)；一組的三個相在此也相互接線，例如以星形電路或三角形電路來接線。相(或相繞組)在此被引入到電機(jī)的定子中(其因此形成定子繞組)。但是原則上本發(fā)明也已經(jīng)可以在兩個電分離的分別具有至少一個相的相組中應(yīng)用。

4、此外，電機(jī)具有轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子可以被永久激勵和/或受外來激勵。此外，優(yōu)選的使用在所謂的高壓應(yīng)用中，其中電機(jī)以例如48v或更高的電壓來運(yùn)行。

5、在此，所述變流器對于所述電機(jī)的每個相端子具有一個半橋。在一個相組中有三個相的情況下，給每個相都被分配有一個相端子，而在一個相組中只有一個或兩個相的情況下設(shè)置有兩個相端子。在此，給每個相組都分配有一個半橋組。因此，在兩個分別具有三個相的相組的情況下，存在兩個分別具有三個半橋的半橋組。半橋又包括兩個開關(guān)或開關(guān)元件(例如mosfet或igbt)，所述開關(guān)或開關(guān)元件的中間分接頭(在兩個開關(guān)之間的分接頭)連接到所屬的相端子上。半橋的兩個其他的端子-即直流電壓側(cè)的端子-典型地共同地連接到各一個(正的或負(fù)的)直流電壓端子上。變流器因此具有直流電壓端子，其又被設(shè)置用于連接到諸如電池的能量存儲器上。典型地，在直流電壓端子之間也設(shè)置有中間電路電容器，必要時也為每個半橋組設(shè)置有中間電路電容器。優(yōu)選地，這種變流器在此是雙向的，也就是說，其既可以將直流電壓轉(zhuǎn)換為交流電壓(用于電機(jī)的馬達(dá)式運(yùn)行)，也可以將交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓(用于電機(jī)的發(fā)電機(jī)式運(yùn)行以及必要時的再生式運(yùn)行)。

6、典型地，半橋在此(通過其中間分接頭)與所屬的相或者說相端子電(直接)連接。為了能夠從外部(并且不僅僅通過電機(jī)的發(fā)電機(jī)式運(yùn)行)給例如布置在車輛中的能量存儲器充電，必須設(shè)置用于外部電源的連接可能性。原則上，在此考慮車載(集成在車輛中)和非車載(與車輛分開設(shè)置的)充電裝置或充電設(shè)備。尤其是，由于節(jié)省成本和重量，車載充電裝置是優(yōu)選的。

7、在本發(fā)明的范圍內(nèi)，現(xiàn)在第一相組的相或相端子在電機(jī)中如所提及的那樣相互接線并且此外分別經(jīng)由ac開關(guān)或ac開關(guān)單元(例如可以使用半導(dǎo)體開關(guān)、如mosfet或igbt)與分別所屬的半橋連接。換言之，因此第一相組能夠與變流器電分離。第二相組(以及必要時存在的其他相組)的相或相端子分別(直接)與分別所屬的半橋電連接。原則上在此不排除，在那里也設(shè)置開關(guān)或其他元件，然而對于在本發(fā)明的范圍中的重要的運(yùn)行，至少在一些實施方式中，在所述其余的相和所屬的半橋之間的電連接而言是必要的。

8、ac開關(guān)在此又分別被構(gòu)造成使得在第一開關(guān)位置相應(yīng)的相(或相端子)通過ac開關(guān)與相應(yīng)的半橋電連接，而在第二開關(guān)位置相應(yīng)的相與相應(yīng)的半橋分離。此外，ac開關(guān)中的至少兩個被構(gòu)造成使得在第二開關(guān)位置相應(yīng)的相或相應(yīng)的相端子與ac充電觸頭電連接，其中ac充電觸頭被設(shè)置為交流電壓端子或者與ac充電觸頭連接。如后面還要詳細(xì)解釋的那樣，優(yōu)選的是，所有三個開關(guān)相應(yīng)地構(gòu)造，也就是說也存在三個充電觸頭或交流電壓端子。換言之，因此這些ac開關(guān)尤其用作換向開關(guān)，所述換向開關(guān)能夠?qū)⒌谝幌嘟M交替地與變流器或與ac充電觸頭連接。

9、然后可以將外部的交流電壓，例如電流或能量供應(yīng)網(wǎng)連接到這些ac充電觸頭或交流電壓端子上。這例如可以通過如下插頭實現(xiàn)，該插頭被插入到插座(或者通常是ac充電端子)中，該插頭又具有交流電壓端子。也可考慮，在車輛上設(shè)置插頭(例如通過線纜直接連接)。在電機(jī)單元運(yùn)行時，可以根據(jù)運(yùn)行方式將ac開關(guān)(例如通過相應(yīng)的控制裝置)置于第一或第二開關(guān)位置(總是同時地將所有ac開關(guān))。

10、ac開關(guān)和/或ac充電觸頭在此例如可以布置或裝入變流器內(nèi)部(當(dāng)在那里存在足夠的附加空間時)或變流器外部。例如可以考慮布置在殼體上。

11、此外，在本發(fā)明的范圍內(nèi)，第二半橋組的半橋(即分配給第二相組的那些半橋)的直流電壓側(cè)的端子相互連接并且分別通過dc開關(guān)或dc開關(guān)單元—例如可以使用半導(dǎo)體開關(guān)、如mosfet或igbt—與直流電壓端子連接。換言之，因此第二半橋組能夠與能量存儲器電分離。而第一半橋組的半橋的直流電壓側(cè)的端子優(yōu)選相互連接并且直接與直流電壓端子連接。原則上在此不排除，在那里也設(shè)置開關(guān)或其他元件，然而對于在本發(fā)明的范圍內(nèi)的重要運(yùn)行，至少在一些實施方式中，在第二半橋組的半橋和直流電壓端子或能量存儲器之間的電連接而言是必要的。

12、在此，所述dc開關(guān)又分別被構(gòu)造成使得在第一開關(guān)位置，第二半橋組的半橋的相應(yīng)的直流電壓側(cè)的端子通過dc開關(guān)與相應(yīng)的直流電壓端子電連接，并且在第二開關(guān)位置，第二半橋組的半橋的相應(yīng)的直流電壓側(cè)的端子與相應(yīng)的直流電壓端子分離。dc開關(guān)還被構(gòu)造成使得在第二開關(guān)位置，第二半橋組的半橋的相應(yīng)的直流電壓側(cè)的端子與dc充電觸頭電連接，其中，dc充電觸頭被設(shè)置為直流電壓端子或者與直流電壓端子連接。換言之，因此這些dc開關(guān)尤其用作換向開關(guān)，所述換向開關(guān)能夠?qū)⒌诙霕蚪M交替地與直流電壓端子或與dc充電觸頭連接。

13、在這些dc充電觸頭或直流電壓端子上可以連接外部的直流電壓，例如電流或能量供應(yīng)網(wǎng)。這可以例如通過插頭實現(xiàn)，該插頭被插入到插座(或者通常是dc充電端子)中，該插頭又具有直流電壓端子。也可考慮，在車輛上設(shè)置插頭(例如通過線纜直接連接)。在電機(jī)單元運(yùn)行時，可以根據(jù)運(yùn)行方式將dc開關(guān)(例如通過相應(yīng)的控制裝置)置于第一或第二開關(guān)位置(總是同時地將所有dc開關(guān))。

14、dc開關(guān)和/或dc充電觸頭在此例如可以布置或裝入變流器內(nèi)部(當(dāng)在那里存在足夠的附加空間時)或變流器外部。例如可以考慮布置在殼體上。

15、在此要提及的是，ac開關(guān)和dc開關(guān)的概念僅在其使用目的之后、即用于切換交流電壓端子(ac代表英語“alternating?current、交流電流”)或用于切換直流電壓端子(dc代表英語“direct?current、直流電流”)。開關(guān)本身例如也可以是相同的。

16、為了運(yùn)行電機(jī)，即尤其為了以馬達(dá)和/或發(fā)電機(jī)的方式運(yùn)行，將ac開關(guān)和dc開關(guān)置于第一開關(guān)位置。由此，第一相組的相與所屬的半橋電連接(如這對于其余的相總歸適用的那樣)；ac充電觸頭不連接并且因此不工作。第二半橋組的半橋與所屬的直流電壓端子電連接(如這對于其余的半橋總歸適用的那樣)；dc充電觸頭不連接并且因此不工作。因此，這允許通常的運(yùn)行，以便例如利用車輛電行駛或再生。

17、為了在連接的能量存儲器和外部的交流電壓系統(tǒng)之間傳輸能量，也就是例如為了從作為交流電壓系統(tǒng)的交流電壓源對能量存儲器進(jìn)行外部充電或者為了將能量從能量存儲器向具有交流電壓供應(yīng)作為交流電壓系統(tǒng)的負(fù)載饋送，將ac開關(guān)置于第二開關(guān)位置，而dc開關(guān)則置于第一開關(guān)位置。于是，外部的交流電壓系統(tǒng)、例如交流電壓源可以與交流電壓端子連接，例如借助相應(yīng)的充電插頭。為此可以考慮例如，在車輛中使用時在插入充電插頭時將ac開關(guān)自動地(例如通過相應(yīng)的控制裝置)置于第二開關(guān)位置。但是，同樣也可以規(guī)定(必要時手動地)切換到外部的充電模式或饋送模式中。

18、因此，電流例如從外部的交流電壓源通過ac開關(guān)流入第一相組的相中。在電機(jī)中，第一相組的相與其余相電分離(通常，每個相組的三個相分別與其余相電分離)。以這種方式形成變壓器，使得施加在第一相組的相或相繞組上的交流電壓在其余的相中相應(yīng)地感應(yīng)出、(在六相電機(jī)中其余的三相或相繞組)相應(yīng)地感應(yīng)出交流電壓。因此，第一相組的相繞組用作變壓器的初級繞組，其余的相繞組用作次級繞組。經(jīng)變換的交流電壓于是施加在第二半橋組的半橋上。尤其是電機(jī)在此這樣構(gòu)成，使得它一方面可以在機(jī)電能的轉(zhuǎn)換模式(機(jī)械到電的方向和其它方向)中，而且在靜態(tài)模式或在靜止?fàn)顟B(tài)中有效地或以足夠的效率運(yùn)行。這允許電機(jī)作為變壓器以在能量轉(zhuǎn)換時足夠的效率來運(yùn)行。

19、第二半橋組的半橋通過dc開關(guān)與直流電壓端子連接，該半橋于是用作用于對能量存儲器或電池充電的整流器。通過在電機(jī)中的電分離，交流電壓端子此外與典型地處于高電壓的部件、如變流器和電池電解耦。在此，借助半橋可以首先將變流器與外部的交流電壓源同步，例如通過相調(diào)控環(huán)；然后從交流電壓源中給能量存儲器充電。

20、在此，不僅三相(在第一組相中為三個相的情況下)而且單相交流電壓可以用作用于充電的交流電壓或交流電壓源。在三相交流電壓的情況下，相應(yīng)地需要三個ac充電觸頭或交流電壓觸頭，其中，在其中的每兩個之間施加一個相。在單相交流電壓的情況下，僅需要兩個ac充電觸頭或交流電壓觸頭。第三ac開關(guān)然后還可以與ac充電觸頭連接，但是隨后例如不使用ac充電觸頭；也可以考慮的是，第三ac開關(guān)在第二位置不具有另外的連接。

21、尤其也適宜的是，電機(jī)單元被構(gòu)造用于連接至三相交流電壓和單相交流電壓兩者。為此例如所提及的ac充電端子可以構(gòu)造為適配器或者具有這樣的適配器，其可以根據(jù)所希望的作為充電電壓的交流電壓來更換。也可以考慮，設(shè)置兩個ac充電端子，一個用于單相的交流電壓，一個用于三相的交流電壓(必要的配對件或者充電插頭在此是不同的)，其中根據(jù)選擇的情況建立ac充電觸頭與一個或者另一個ac充電端子的連接。也可以考慮的是，只設(shè)置一個具體的ac充電端子，但是使用不同的充電線纜，但這些充電線纜在ac充電端子側(cè)具有相同的插頭(或插座)，其中必要時并不是所有的觸頭都被占用。

22、通過這種方式提供的集成的充電裝置在此也允許通過控制變流器通過匹配無功功率來匹配充電電流的功率因數(shù)。因此，變流器可以實現(xiàn)統(tǒng)一的功率因數(shù)或者也可以實現(xiàn)其他所期望的功率因數(shù)。

23、在此，特別的優(yōu)點也在于，在第一相組的相繞組中的電流流動與在其余的相繞組中的電流流動相反。因此，通過這些電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩抵消，結(jié)果是至少平均為零的轉(zhuǎn)矩。于是，不需要用于防止馬達(dá)轉(zhuǎn)動的機(jī)械鎖止。

24、此外，不需要接近相中性點，這降低了電機(jī)設(shè)計和制造的復(fù)雜性。此外，不需要相繞組的重新結(jié)構(gòu)(分離的繞組的串聯(lián)或并聯(lián))或硬件的重新配置。

25、尤其是電機(jī)在此被構(gòu)造成使得該電機(jī)在電機(jī)械能的轉(zhuǎn)換模式(電機(jī)旋轉(zhuǎn))中和在靜態(tài)模式中或在靜止?fàn)顟B(tài)中在能量轉(zhuǎn)換時具有高效率，在該靜止?fàn)顟B(tài)中該電機(jī)于是作為高效率的變壓器運(yùn)行。電機(jī)的漏電感作為電感濾波器起作用，由此減小或平滑電流紋波，這也抑制了差分噪聲。同樣，不需要附加的功率電子部件(至多所提及的開關(guān)以及必要時附加的無源濾波器)。在任何情況下，至少僅小的差分共模扼流圈是必需的。

26、利用所提出的電機(jī)單元的另一種可能性是，能量可以從能量存儲器被饋送到連接到交流電壓端子上的系統(tǒng)中，例如電網(wǎng)或其他負(fù)載。為此，ac開關(guān)也被置于第二開關(guān)位置。因此，例如可以提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性，提高功率質(zhì)量并且可以在電網(wǎng)故障的情況下恢復(fù)電壓。

27、為了在所連接的能量存儲器與外部的直流電壓系統(tǒng)之間傳輸能量，也就是例如為了從作為直流電壓系統(tǒng)的直流電壓源對能量存儲器進(jìn)行充電，或者為了將能量從能量存儲器向一個具有作為直流電壓系統(tǒng)的直流電壓供應(yīng)的負(fù)載饋送，將ac開關(guān)置于第一開關(guān)位置，而將dc開關(guān)相反置于第二開關(guān)位置。于是外部的直流電壓系統(tǒng)、例如直流電壓源可以與直流電壓端子連接，例如借助相應(yīng)的充電插頭。例如，為此可以考慮，當(dāng)在車輛中使用時，當(dāng)插入充電插頭時，dc開關(guān)自動地(例如通過相應(yīng)的控制裝置)被置于第二開關(guān)位置。但是，同樣也可以規(guī)定(必要時手動地)切換到外部的充電模式或饋送模式中。

28、因此，電流例如從外部的直流電壓源經(jīng)由dc開關(guān)流入第二半橋組的半橋中。第二半橋組與第一半橋組一起形成有源dc-dc變換器，第二相組的相與其電分離的第一相組的相一起形成電絕緣部。

29、所提出的電機(jī)單元的另一種可能性是，能量可以從能量存儲器被饋送到連接到直流電壓端子的系統(tǒng)中，例如直流電壓電網(wǎng)或其他負(fù)載。為此，dc開關(guān)也被置于第二開關(guān)位置，ac開關(guān)也被置于第一位置。因此，例如可以提高直流電壓電網(wǎng)的穩(wěn)定性，提高功率質(zhì)量并且可以在電網(wǎng)故障的情況下恢復(fù)電壓。

30、此外，利用所提出的系統(tǒng)可以允許在外部的直流電壓系統(tǒng)和外部的交流電壓系統(tǒng)之間傳輸能量。在此，ac開關(guān)被置于第二開關(guān)位置并且dc開關(guān)同樣被置于第二開關(guān)位置。電流流動在此可以在兩個方向上進(jìn)行，也就是從直流電壓系統(tǒng)到交流電壓系統(tǒng)或相反地進(jìn)行。

31、此外，本發(fā)明的主題還在于一種具有根據(jù)本發(fā)明的電機(jī)單元的車輛。該電機(jī)單元在此可以用作牽引驅(qū)動裝置，但也可以考慮在較小的機(jī)器中使用其它應(yīng)用。如已經(jīng)提到的那樣，車輛可以具有充電端子，該充電端子設(shè)置用于與配對件、特別是充電插頭或充電插座連接，該充電端子于是也具有交流電壓端子。

32、本發(fā)明的其它優(yōu)點和設(shè)計方案由說明書和附圖得出。

33、本發(fā)明借助實施例在附圖中示意性地示出并且在下面參照附圖進(jìn)行描述。