本发明涉及一种具有电机和变流器的电机单元、一种具有这种电机单元的车辆以及一种用于运行这种电机单元的方法。
背景技术：
1、在电机中，尤其是在用作马达和/或发电机的电机中，并且尤其是也在用于车辆中时，使用逆变器(变流器)，以便对所产生的交流电流进行整流或者对所施加的直流电流进行交流变换。为此，尤其也设置有能量存储器、如电池，所述能量存储器或所述电池能够通过其来充电或者从中提取用于运行电机的能量。尤其是当电机(也)被用作车辆的牵引驱动装置时，通常需要也能够从外部、即例如从(公共的或私人的)电网中给能量存储器充电。
技术实现思路
1、根据本发明，提出了具有独立权利要求的特征的电机单元、车辆以及用于运行这种电机单元的方法。有利的设计方案是从属权利要求以及以下说明的主题。
2、本发明涉及电机和所属的变流器或逆变器以及其运行。由电机和所属的变流器构成的组合在本发明的范围内应被称为电机单元。典型地，变流器在此安置或被安装到电机的端部上，但同样也可以安置或被安装在电机的一侧上。电机单元在此可以是车辆的一部分，尤其是也可以用作牵引驱动装置。作为电机例如考虑同步电机、同步磁阻电机、感应电机、永磁同步电机和其它电机。下面，将综合地描述电机单元及其运行。
3、典型的电机例如具有三个相或其倍数；在本发明的范围内，在此尤其是具有至少两个电分离的、分别具有三个相的相组的电机是感兴趣的，即例如具有六个、九个、十二个或十五个相的电机。典型地，在此各三个相形成一个组(相组)；一组的三个相在此也相互接线，例如以星形电路或三角形电路来接线。相(或相绕组)在此被引入到电机的定子中(其因此形成定子绕组)。但是原则上本发明也已经可以在两个电分离的分别具有至少一个相的相组中应用。
4、此外，电机具有转子，该转子可以被永久激励和/或受外来激励。此外，优选的使用在所谓的高压应用中，其中电机以例如48v或更高的电压来运行。
5、在此，所述变流器对于所述电机的每个相端子具有一个半桥。在一个相组中有三个相的情况下，给每个相都被分配有一个相端子，而在一个相组中只有一个或两个相的情况下设置有两个相端子。在此，给每个相组都分配有一个半桥组。因此，在两个分别具有三个相的相组的情况下，存在两个分别具有三个半桥的半桥组。半桥又包括两个开关或开关元件(例如mosfet或igbt)，所述开关或开关元件的中间分接头(在两个开关之间的分接头)连接到所属的相端子上。半桥的两个其他的端子-即直流电压侧的端子-典型地共同地连接到各一个(正的或负的)直流电压端子上。变流器因此具有直流电压端子，其又被设置用于连接到诸如电池的能量存储器上。典型地，在直流电压端子之间也设置有中间电路电容器，必要时也为每个半桥组设置有中间电路电容器。优选地，这种变流器在此是双向的，也就是说，其既可以将直流电压转换为交流电压(用于电机的马达式运行)，也可以将交流电压转换为直流电压(用于电机的发电机式运行以及必要时的再生式运行)。
6、典型地，半桥在此(通过其中间分接头)与所属的相或者说相端子电(直接)连接。为了能够从外部(并且不仅仅通过电机的发电机式运行)给例如布置在车辆中的能量存储器充电，必须设置用于外部电源的连接可能性。原则上，在此考虑车载(集成在车辆中)和非车载(与车辆分开设置的)充电装置或充电设备。尤其是，由于节省成本和重量，车载充电装置是优选的。
7、在本发明的范围内，现在第一相组的相或相端子在电机中如所提及的那样相互接线并且此外分别经由ac开关或ac开关单元(例如可以使用半导体开关、如mosfet或igbt)与分别所属的半桥连接。换言之，因此第一相组能够与变流器电分离。第二相组(以及必要时存在的其他相组)的相或相端子分别(直接)与分别所属的半桥电连接。原则上在此不排除，在那里也设置开关或其他元件，然而对于在本发明的范围中的重要的运行，至少在一些实施方式中，在所述其余的相和所属的半桥之间的电连接而言是必要的。
8、ac开关在此又分别被构造成使得在第一开关位置相应的相(或相端子)通过ac开关与相应的半桥电连接，而在第二开关位置相应的相与相应的半桥分离。此外，ac开关中的至少两个被构造成使得在第二开关位置相应的相或相应的相端子与ac充电触头电连接，其中ac充电触头被设置为交流电压端子或者与ac充电触头连接。如后面还要详细解释的那样，优选的是，所有三个开关相应地构造，也就是说也存在三个充电触头或交流电压端子。换言之，因此这些ac开关尤其用作换向开关，所述换向开关能够将第一相组交替地与变流器或与ac充电触头连接。
9、然后可以将外部的交流电压，例如电流或能量供应网连接到这些ac充电触头或交流电压端子上。这例如可以通过如下插头实现，该插头被插入到插座(或者通常是ac充电端子)中，该插头又具有交流电压端子。也可考虑，在车辆上设置插头(例如通过线缆直接连接)。在电机单元运行时，可以根据运行方式将ac开关(例如通过相应的控制装置)置于第一或第二开关位置(总是同时地将所有ac开关)。
10、ac开关和/或ac充电触头在此例如可以布置或装入变流器内部(当在那里存在足够的附加空间时)或变流器外部。例如可以考虑布置在壳体上。
11、此外，在本发明的范围内，第二半桥组的半桥(即分配给第二相组的那些半桥)的直流电压侧的端子相互连接并且分别通过dc开关或dc开关单元—例如可以使用半导体开关、如mosfet或igbt—与直流电压端子连接。换言之，因此第二半桥组能够与能量存储器电分离。而第一半桥组的半桥的直流电压侧的端子优选相互连接并且直接与直流电压端子连接。原则上在此不排除，在那里也设置开关或其他元件，然而对于在本发明的范围内的重要运行，至少在一些实施方式中，在第二半桥组的半桥和直流电压端子或能量存储器之间的电连接而言是必要的。
12、在此，所述dc开关又分别被构造成使得在第一开关位置，第二半桥组的半桥的相应的直流电压侧的端子通过dc开关与相应的直流电压端子电连接，并且在第二开关位置，第二半桥组的半桥的相应的直流电压侧的端子与相应的直流电压端子分离。dc开关还被构造成使得在第二开关位置，第二半桥组的半桥的相应的直流电压侧的端子与dc充电触头电连接，其中，dc充电触头被设置为直流电压端子或者与直流电压端子连接。换言之，因此这些dc开关尤其用作换向开关，所述换向开关能够将第二半桥组交替地与直流电压端子或与dc充电触头连接。
13、在这些dc充电触头或直流电压端子上可以连接外部的直流电压，例如电流或能量供应网。这可以例如通过插头实现，该插头被插入到插座(或者通常是dc充电端子)中，该插头又具有直流电压端子。也可考虑，在车辆上设置插头(例如通过线缆直接连接)。在电机单元运行时，可以根据运行方式将dc开关(例如通过相应的控制装置)置于第一或第二开关位置(总是同时地将所有dc开关)。
14、dc开关和/或dc充电触头在此例如可以布置或装入变流器内部(当在那里存在足够的附加空间时)或变流器外部。例如可以考虑布置在壳体上。
15、在此要提及的是，ac开关和dc开关的概念仅在其使用目的之后、即用于切换交流电压端子(ac代表英语“alternating current、交流电流”)或用于切换直流电压端子(dc代表英语“direct current、直流电流”)。开关本身例如也可以是相同的。
16、为了运行电机，即尤其为了以马达和/或发电机的方式运行，将ac开关和dc开关置于第一开关位置。由此，第一相组的相与所属的半桥电连接(如这对于其余的相总归适用的那样)；ac充电触头不连接并且因此不工作。第二半桥组的半桥与所属的直流电压端子电连接(如这对于其余的半桥总归适用的那样)；dc充电触头不连接并且因此不工作。因此，这允许通常的运行，以便例如利用车辆电行驶或再生。
17、为了在连接的能量存储器和外部的交流电压系统之间传输能量，也就是例如为了从作为交流电压系统的交流电压源对能量存储器进行外部充电或者为了将能量从能量存储器向具有交流电压供应作为交流电压系统的负载馈送，将ac开关置于第二开关位置，而dc开关则置于第一开关位置。于是，外部的交流电压系统、例如交流电压源可以与交流电压端子连接，例如借助相应的充电插头。为此可以考虑例如，在车辆中使用时在插入充电插头时将ac开关自动地(例如通过相应的控制装置)置于第二开关位置。但是，同样也可以规定(必要时手动地)切换到外部的充电模式或馈送模式中。
18、因此，电流例如从外部的交流电压源通过ac开关流入第一相组的相中。在电机中，第一相组的相与其余相电分离(通常，每个相组的三个相分别与其余相电分离)。以这种方式形成变压器，使得施加在第一相组的相或相绕组上的交流电压在其余的相中相应地感应出、(在六相电机中其余的三相或相绕组)相应地感应出交流电压。因此，第一相组的相绕组用作变压器的初级绕组，其余的相绕组用作次级绕组。经变换的交流电压于是施加在第二半桥组的半桥上。尤其是电机在此这样构成，使得它一方面可以在机电能的转换模式(机械到电的方向和其它方向)中，而且在静态模式或在静止状态中有效地或以足够的效率运行。这允许电机作为变压器以在能量转换时足够的效率来运行。
19、第二半桥组的半桥通过dc开关与直流电压端子连接，该半桥于是用作用于对能量存储器或电池充电的整流器。通过在电机中的电分离，交流电压端子此外与典型地处于高电压的部件、如变流器和电池电解耦。在此，借助半桥可以首先将变流器与外部的交流电压源同步，例如通过相调控环；然后从交流电压源中给能量存储器充电。
20、在此，不仅三相(在第一组相中为三个相的情况下)而且单相交流电压可以用作用于充电的交流电压或交流电压源。在三相交流电压的情况下，相应地需要三个ac充电触头或交流电压触头，其中，在其中的每两个之间施加一个相。在单相交流电压的情况下，仅需要两个ac充电触头或交流电压触头。第三ac开关然后还可以与ac充电触头连接，但是随后例如不使用ac充电触头；也可以考虑的是，第三ac开关在第二位置不具有另外的连接。
21、尤其也适宜的是，电机单元被构造用于连接至三相交流电压和单相交流电压两者。为此例如所提及的ac充电端子可以构造为适配器或者具有这样的适配器，其可以根据所希望的作为充电电压的交流电压来更换。也可以考虑，设置两个ac充电端子，一个用于单相的交流电压，一个用于三相的交流电压(必要的配对件或者充电插头在此是不同的)，其中根据选择的情况建立ac充电触头与一个或者另一个ac充电端子的连接。也可以考虑的是，只设置一个具体的ac充电端子，但是使用不同的充电线缆，但这些充电线缆在ac充电端子侧具有相同的插头(或插座)，其中必要时并不是所有的触头都被占用。
22、通过这种方式提供的集成的充电装置在此也允许通过控制变流器通过匹配无功功率来匹配充电电流的功率因数。因此，变流器可以实现统一的功率因数或者也可以实现其他所期望的功率因数。
23、在此，特别的优点也在于，在第一相组的相绕组中的电流流动与在其余的相绕组中的电流流动相反。因此，通过这些电流产生的转矩抵消，结果是至少平均为零的转矩。于是，不需要用于防止马达转动的机械锁止。
24、此外，不需要接近相中性点，这降低了电机设计和制造的复杂性。此外，不需要相绕组的重新结构(分离的绕组的串联或并联)或硬件的重新配置。
25、尤其是电机在此被构造成使得该电机在电机械能的转换模式(电机旋转)中和在静态模式中或在静止状态中在能量转换时具有高效率，在该静止状态中该电机于是作为高效率的变压器运行。电机的漏电感作为电感滤波器起作用，由此减小或平滑电流纹波，这也抑制了差分噪声。同样，不需要附加的功率电子部件(至多所提及的开关以及必要时附加的无源滤波器)。在任何情况下，至少仅小的差分共模扼流圈是必需的。
26、利用所提出的电机单元的另一种可能性是，能量可以从能量存储器被馈送到连接到交流电压端子上的系统中，例如电网或其他负载。为此，ac开关也被置于第二开关位置。因此，例如可以提高电网的稳定性，提高功率质量并且可以在电网故障的情况下恢复电压。
27、为了在所连接的能量存储器与外部的直流电压系统之间传输能量，也就是例如为了从作为直流电压系统的直流电压源对能量存储器进行充电，或者为了将能量从能量存储器向一个具有作为直流电压系统的直流电压供应的负载馈送，将ac开关置于第一开关位置，而将dc开关相反置于第二开关位置。于是外部的直流电压系统、例如直流电压源可以与直流电压端子连接，例如借助相应的充电插头。例如，为此可以考虑，当在车辆中使用时，当插入充电插头时，dc开关自动地(例如通过相应的控制装置)被置于第二开关位置。但是，同样也可以规定(必要时手动地)切换到外部的充电模式或馈送模式中。
28、因此，电流例如从外部的直流电压源经由dc开关流入第二半桥组的半桥中。第二半桥组与第一半桥组一起形成有源dc-dc变换器，第二相组的相与其电分离的第一相组的相一起形成电绝缘部。
29、所提出的电机单元的另一种可能性是，能量可以从能量存储器被馈送到连接到直流电压端子的系统中，例如直流电压电网或其他负载。为此，dc开关也被置于第二开关位置，ac开关也被置于第一位置。因此，例如可以提高直流电压电网的稳定性，提高功率质量并且可以在电网故障的情况下恢复电压。
30、此外，利用所提出的系统可以允许在外部的直流电压系统和外部的交流电压系统之间传输能量。在此，ac开关被置于第二开关位置并且dc开关同样被置于第二开关位置。电流流动在此可以在两个方向上进行，也就是从直流电压系统到交流电压系统或相反地进行。
31、此外，本发明的主题还在于一种具有根据本发明的电机单元的车辆。该电机单元在此可以用作牵引驱动装置，但也可以考虑在较小的机器中使用其它应用。如已经提到的那样，车辆可以具有充电端子，该充电端子设置用于与配对件、特别是充电插头或充电插座连接，该充电端子于是也具有交流电压端子。
32、本发明的其它优点和设计方案由说明书和附图得出。
33、本发明借助实施例在附图中示意性地示出并且在下面参照附图进行描述。
1.一种电机单元(160)，具有电机(130)和变流器(140)，电机具有两个相组(p1、p2)，每个相组具有至少一个相(u1、v1、w1、u2、v2、w2)，其中变流器具有两个半桥组，每个半桥组具有至少一个半桥，其中给每个相组都分配有一个半桥组，使得电机的每个相端子设置有一个半桥(144)，其中变流器具有直流电压端子(b+、b-)，直流电压端子被设置用于连接到能量存储器(150)，
2.根据权利要求1所述的电机单元(160)，其中，第一相组(p1)的相与第二相组(p2)的相电分离。
3.根据权利要求1或2所述的电机单元(160)，其中，第一半桥组的半桥的直流电压侧的端子相互连接并且直接与直流电压端子(b+、b-)连接。
4.根据前述权利要求中任一项所述的电机单元(160)，其中，两个相组(p1、p2)分别具有三个相(u1、v1、w1；u2、v2、w2)和三个相端子，并且其中，所有三个ac开关(180.1、182.1、184.1)被构造成使得在第二开关位置(s2)，相应的相端子与充电触头(190.1、192.1、194.1)电连接。
5.根据前述权利要求中任一项所述的电机单元(160)，其中，变流器(140)双向地构造。
6.根据前述权利要求中任一项所述的电机单元(160)，还具有控制装置(186.1)，控制装置被设置用于将ac开关(180.1、182.1、184.1)选择性地置于第一开关位置(s1)或第二开关位置(s2)，和/或具有控制装置(186.2)，控制装置被设置用于将dc开关(180.2、182.2)选择性地置于第一开关位置(s1)或第二开关位置(s2)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的电机单元(160)，其被构造为车辆(100)的牵引驱动装置。
8.一种车辆(100)，其具有根据前述权利要求中任一项所述的电机单元(160)并且具有能量存储器(150)、尤其是电池，能量存储器与变流器(150)的直流电压端子(b+、b-)电连接。
9.根据权利要求8所述的车辆(100)，车辆还具有ac充电端子(170.1)，其被设置用于与配对件、尤其充电插头或充电插座连接，并且具有交流电压端子；和/或车辆具有dc充电端子(170.2)，其被设置用于与配对件、尤其充电插头或充电插座连接，并且具有直流电压端子。
10.一种用于运行根据权利要求1至7中任一项所述的电机单元(160)或根据权利要求8或9所述的车辆的方法，其中，ac开关和dc开关根据运行方式被置于第一开关位置(s1)或第二开关位置(s2)。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，为了电机(130)的运行、尤其是电机(130)的马达式和/或发电机式运行，将ac开关和dc开关置于第一开关位置(s1)。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其中，为了在所连接的能量存储器(150)和外部的交流电压系统之间传输能量，将ac开关置于第二开关位置(s2)并且将dc开关置于第一开关位置(s1)，其中，尤其是将外部的交流电压系统(178.1)与交流电压端子(190.1、192.1、194.1)连接。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的方法，其中，为了在所连接的能量存储器(150)和外部的直流电压系统之间传输能量，将ac开关置于第一开关位置(s1)并且将dc开关置于第二开关位置(s2)，其中，尤其是将外部的直流电压系统(178.2)与直流电压端子(190.2、192.2)连接。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，借助第二半桥组的半桥，变流器(140)首先与外部的交流电压系统(178.1)同步，然后在能量存储器(150)与交流电压系统之间传输能量。
15.根据权利要求9或10所述的方法，其中，为了在外部的直流电压系统和外部的交流电压系统之间传输能量，将ac开关置于第二开关位置(s2)并且将dc开关置于第二开关位置(s2)，其中，尤其是将外部的直流电压系统(178.2)与直流电压端子连接，并且将外部的交流电压系统(178.1)与交流电压端子连接。
