Beschreibung

Die vorliegende Offenbarung bezieht sich insbesondere auf eine Baugruppe für eine elektrische Maschine, eine elektrische Maschine mit einer solchen Baugruppe und ein Luftfahrzeug mit einer solchen elektrischen Maschine.

Derartige Baugruppen umfassen einen Körper, z.B. in Form eines Blechpakets, mehrere am Körper festgelegte Zähne, und mehrere Zahnwicklungen, durch welche die Zähne umwickelt sind. Durch Anlegen von insbesondere zeitlich veränderlichen Spannungen an die Zahnwicklungen werden magnetische Felder aufgebaut, welche z.B. eine Relativbewegung zwischen der Baugruppe und einer weiteren Baugruppe bewirken. Bei der Baugruppe handelt es sich z.B. um einen Ständer und bei der weiteren Baugruppe um einen Läufer.

Gerade bei mehrphasigen Drehfeldmaschinen, insbesondere mit einem permanenterregten Läufer, erweist es sich als problematisch, wenn innerhalb einer Zahnwicklung ein Wicklungskurzschluss auftritt. Insbesondere bei derartigen elektrischen Maschinen besteht das Problem, dass bei einem Wicklungskurzschluss im bestimmungsgemäßen Betrieb ein großer elektrischer Strom induziert werden kann, welcher zu einer thermischen Zerstörung der Zahnwicklungen führen kann. Nicht nur, aber besonders, bei Luftfahrzeugen, bei denen z.B. permanenterregte Drehfeldmaschinen zum Einsatz kommen, hat dies eine besondere Relevanz.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Baugruppe für eine elektrische Maschine anzugeben.

Gemäß einem Aspekt wird eine Baugruppe für eine elektrische Maschine angegeben, umfassend einen Körper, mehrere am Körper festgelegte Zähne, mehrere Zahnwicklungen und eine Differentialschutzeinrichtung. Jede der Zahnwicklungen weist einen ersten elektrischen Leiter und einen zweiten elektrischen zweiten Leiter auf. Die ersten und zweiten Elektrischen Leiter sind jeweils mindestens an einem Wicklungsabschnitt entlang einer Wicklungsachse um denselben Zahn herum gewickelt und wechseln sich dabei in Richtung der Wicklungsachse ab. Die Differentialschutzeinrichtung umfasst mehrere Sensoren, insbesondere Stromsensoren, die zumindest an zwei Stellen von einer der Zahnwicklungen jeweils eine Spannung am und/oder eine Stromstärke durch den ersten Leiter oder den zweiten Leiter erfassen.

Eine derartige Baugruppe ermöglicht es, besonders zuverlässig einen Windungskurzschluss zwischen benachbarten Windungen eines Wicklungsabschnitts, also zwischen dem entsprechenden ersten und zweiten elektrischen Leiter, zu erkennen, um Gegenmaßnahmen einzuleiten, wie beispielsweise ein Abschalten einer Stromzufuhr, und eine elektrische Maschine mit der Baugruppe in einem sicheren Betrieb herunterzufahren, um gefährliche Betriebszustände zu vermeiden. Zumindest am Wicklungsabschnitt oder den Wicklungsabschnitten (optional vollständig) sind der erste elektrische Leiter und der zugehörige zweite elektrische Leiter voneinander elektrisch isoliert. Der Stromsensor umfasst z.B. einen Hall-Sensor und/oder einen Schleifensensor. Somit wird eine auf Stromsignalen basierende Detektion eines Fehlers unter Verwendung von zwei getrennten elektrischen Leitern ermöglicht.

Optional umfasst die Differentialschutzeinrichtung Stromsensoren, die zur Messung einer Stromstärke durch den ersten elektrischen Leiter an zumindest zwei Stellen des ersten elektrischen Leiters angeordnet sind, die über den mindestens einen Wicklungsabschnitt elektrisch miteinander verbunden sind, und/oder Stromsensoren, die zur Messung einer Stromstärke durch den zweiten elektrischen Leiter an zumindest zwei Stellen des zweiten elektrischen Leiters angeordnet sind, die über den mindestens einen Wicklungsabschnitt elektrisch miteinander verbunden sind. Aus der Differenz der gemessenen Stromstärken beiderseits des mindestens einen Wicklungsabschnitts kann besonders zuverlässig ein Kurzschluss im mindestens einen Wicklungsabschnitt erkannt werden.

In einer Ausgestaltung werden Signale der Stromsensoren zur Messung der Stromstärke durch den ersten elektrischen Leiter an einen Komparator bereitgestellt und/oder Signale der Stromsensoren zur Messung der Stromstärke durch den zweiten elektrischen Leiter werden an einen Komparator bereitgestellt. Dies erlaubt eine besonders schnelle Reaktionszeit. Die Baugruppe kann einen Komparator oder mehrere Komparatoren umfassen. Der Komparator oder jeder der Komparatoren erhält Signale von zwei der Stromsensoren und vergleicht diese miteinander. Das Vergleichsergebnis stellt der Komparator (stellen die Komparatoren) als Differenzsignal bereit.

Die Baugruppe kann einen analogen oder digitalen Multiplexer umfassen, an den Differenzsignale mehrerer Komparatoren bereitgestellt werden. Das ermöglicht die parallele Überwachung mehrerer Zahnwicklungen.

In einer alternativen oder zusätzlichen Ausgestaltung umfasst die Differentialschutzeinrichtung einen Stromsensor, der zur Messung einer effektiven Stromstärke durch den ersten Leiter an zwei Stellen des ersten elektrischen Leiters angeordnet ist, die über den mindestens einen Wicklungsabschnitt elektrisch miteinander verbunden sind, und/oder einen Stromsensor, der zur Messung einer effektiven Stromstärke durch den zweiten Leiter an zwei Stellen des zweiten elektrischen Leiters angeordnet ist, die über den mindestens einen Wicklungsabschnitt elektrisch miteinander verbunden sind. Das ermöglicht eine Auswertung mit besonders wenigen Komponenten, insbesondere ohne zusätzlichen Komparator und mit besonders wenigen Stromsensoren. Die zwei Stellen des ersten und/oder des zweiten elektrischen Leiters sind z.B. so angeordnet, dass ein Strom durch den entsprechenden elektrischen Leiter an den beiden Stellen im Vergleich miteinander in antiparallelen Richtungen fließt. Die beiden Stellen des ersten und/oder zweiten elektrischen Leiters sind z.B. benachbart zueinander, insbesondere aneinander anliegend angeordnet. Optional sind zwei Endabschnitte desselben elektrischen Leiters durch denselben Stromsensor geführt.

Jeder der ersten und/oder zweiten elektrischen Leiter der Zahnwicklungen kann elektrisch an einen Wechselrichter anschließbar oder angeschlossen sein. Das ermöglicht die Verwendung einer Gleichspannungsquelle wie einer Batterie.

Die Baugruppe umfasst z.B. (insbesondere genau) drei Zahnwicklungen für jeweils eine Phase eines Dreiphasenwechselstroms. Damit umfasst die Baugruppe z.B. insgesamt sechs (erste und zweite) elektrische Leiter.

Sämtliche erste elektrische Leiter von jeder der Zahnwicklungen können an einem (ersten) Sternpunkt elektrisch miteinander verbunden sein. Ferner können sämtliche zweite elektrische Leiter von jeder der Zahnwicklungen an einem (zweiten) Sternpunkt elektrisch miteinander verbunden sein. Hierdurch wird ein besonders einfacher Aufbau ermöglicht.

Die Differentialschutzeinrichtung kann einen oder mehrere Spannungssensoren als Sensor(en) umfassen. Optional ist der Spannungssensor (oder sind die Spannungssensoren jeweils) so angeschlossen, dass er (sie jeweils) eine Spannung an einem oder beiden Sternpunkten messen kann (können), z.B. mit Bezug auf ein Erdpotential. Alternativ oder zusätzlich ist ein Spannungssensor an beide Sternpunkte angeschlossen, um eine Spannung zwischen den Sternpunkten zu messen.

Der erste und der zweite elektrische Leiter sind insbesondere (mindestens am wenigstens einen Wicklungsabschnitt) bifilar angeordnet. Dadurch, dass die Windungen des ersten und des zweiten elektrischen Leiters bifilar angeordnet sind, kann ein Wicklungskurzschluss somit zunächst zwischen dem ersten und dem zweiten elektrischen Leiter auftreten. Werden die durch den ersten und den zweiten elektrischen Leiter gebildeten Teilzahnwicklungen elektrisch beaufschlagt, kann die Auswirkung eines Wicklungskurzschlusses somit erheblich reduziert werden. Beispielsweise verläuft jeder der ersten elektrischen Leiter der Zahnwicklungen um jeden von mehreren Zähnen herum und/oder jeder der zweiten elektrischen Leiter der Zahnwicklungen verläuft um jeden von mehreren Zähnen herum, insbesondere jeweils um dieselben Zähne wie der zugehörige erste elektrische Leiter.

Gemäß einem Aspekt wird eine elektrische Maschine bereitgestellt. Die elektrische Maschine umfasst die Baugruppe nach einer beliebigen, hierin beschriebenen Ausgestaltung, z.B. als Ständer. Die elektrische Maschine umfasst ferner eine weitere Baugruppe, z.B. als Läufer, wobei die Baugruppe und die weitere Baugruppe relativ zueinander bewegbar, insbesondere drehbar sind.

Bei der elektrischen Maschine ist z.B. der Ständer als Stator vorgesehen, der z.B. eine im Wesentlichen kreisförmige Öffnung zur Aufnahme eines als Rotor ausgebildeten Läufers bereitstellt. In der Öffnung ist der Läufer z.B. drehbar gelagert angeordnet, wobei zwischen dem Läufer und dem Ständer ein Luftspalt ausgebildet ist. Diese Bauform wird auch als Innenläufer bezeichnet. Alternativ ist eine Bauform vorgesehen, bei der der Läufer den Ständer radial umgibt. Derartige Bauformen werden auch Außenläufer genannt.

Die elektrische Maschine ist eine Vorrichtung, die elektrische Energie in mechanische Energie, insbesondere Bewegungsenergie, in einem Motorbetrieb, und/oder mechanische Energie in eine elektrische Energie in einem Generatorbetrieb umformt. Bei der Bewegung handelt es sich z.B. um eine Drehbewegung, die vom Läufer ausgeführt wird. Der Ständer ist z.B. drehfest bezüglich einer die elektrische Maschine tragenden Lagerung angeordnet. Bei einer Drehbewegung handelt es sich folglich insbesondere um eine Drehbewegung des Läufers gegenüber dem Ständer.

Die elektrische Maschine kann einen Wechselrichter umfassen, insbesondere mit mehreren Wechselrichtereinheiten für jeweils eine elektrische Phase einer mehrphasigen elektrischen Wechselspannung. Die Wechselrichtereinheiten sind optional an die ersten elektrischen Leiter von jeder der Zahnwicklungen elektrisch angeschlossen und/oder die Wechselrichtereinheiten sind an die zweiten elektrischen Leiter von jeder der Zahnwicklungen elektrisch angeschlossen. Sämtliche Wechselrichtereinheiten können durch dieselbe Energiequelle mit Energie versorgt werden.

Gemäß einem Aspekt wird ein Fahrzeug, insbesondere ein Luftfahrzeug, bereitgestellt, umfassend die elektrische Maschine nach einer beliebigen, hierin beschriebenen Ausgestaltung, insbesondere zum Antrieb einer Schub erzeugenden Vorrichtung, z.B. eines Propellers. Die Vorteile der hierin beschriebenen elektrischen Maschine kommen bei einem Fahrzeug, insbesondere bei einem Luftfahrzeug, besonders zum Tragen. Es sei allerdings angemerkt, dass die Baugruppe auch z.B. in einer Gaspumpe, in einem Schiffsmotor oder in einer Windturbine oder generell in einem Generator eingesetzt werden kann.

Es werden nun beispielhaft Ausführungsformen mit Bezug auf die Figuren beschrieben; in den Figuren zeigen:

Figur 1 eine schematische Schnittdarstellung eines grundlegenden

Aufbaus einer permanenterregten, dreiphasigen elektrischen Maschine als Innenläufer;

Figur 2 eine schematische, perspektivische Explosionsansicht eines Aufbaus einer Baugruppe in Form eines Ständers der elektrischen Maschine gemäß Figur 1 mit Zahnwicklungen;

Figur 3 eine schematische Darstellung eines Teils einer Zahnwicklung der Baugruppe gemäß Figur 2, bei der Windungen eines ersten und eines zweiten elektrischen Leiters bifilar angeordnet sind;

Figur 4 eine schematische Darstellung einer permanenterregten elektrischen Maschine für einen Betrieb an einer dreiphasigen elektrischen Wechselspannung;

Figuren 5 und 6 schematische Schaltbilddarstellungen von Zahnwicklungen und

Wechselrichtereinheiten eines Wechselrichters der elektrischen Maschine gemäß Figur 2 bzw. Figur 4;

Figur 7 eine weitere schematische Schaltbilddarstellung von Zahnwicklungen und Wechselrichtereinheiten eines Wechselrichters; Figur 8 ein Schaltbild einer Differentialschutzeinrichtung; Figur 9 Schaltsignale für die Wechselrichtereinheiten; Figur 10 ein Blockschaltbild von Komponenten des Wechselrichters;

Figur 11 bis 13 Blockschaltbilder von Komponenten von

Differentialschutzeinrichtungen für die Zahnwicklungen der Figuren 5 bis 7;

Figur 14 eine weitere schematische Schaltbilddarstellung von

Zahnwicklungen und Wechselrichtereinheiten eines Wechselrichters;

Figur 15 und 16 Blockschaltbilder von Komponenten von

Differentialschutzeinrichtungen für die Zahnwicklungen der Figur 14;

Figur 17 ein Blockschaltbild eines mehrphasigen Differentialschutzes;

Figur 18 und 19 Blockschaltbilder von Anordnungen zur Messung von Spannungsdifferenzen zwischen Sternpunkten, z.B. von einer der Anordnungen gemäß Figur 5-7 und 14; und

Figur 20 ein Luftfahrzeug in Form eines Flugzeugs mit einem elektrisch angetriebenen Propeller und der elektrischen Maschine.

Figur 1 zeigt in einer schematischen Schnittdarstellung eine rotierende elektrische Maschine 2 in Form einer permanenterregten Synchronmaschine. Aus Figur 1 ist ersichtlich, dass die elektrische Maschine 2 vorliegend als Innenläufer ausgebildet ist. Die elektrische Maschine 2 umfasst eine Baugruppe in Form eines Ständers 1 , der eine nicht bezeichnete Öffnung, insbesondere Durchgangsöffnung, aufweist, in der eine weitere Baugruppe in Form eines Läufers 20 drehbar gelagert angeordnet ist.

Der Ständer 1 umfasst einen Körper 10 in Form eines Blechpakets, an welchem Zähne festgelegt sind, die im Folgenden als Ständerzähne 11 bezeichnet werden. Die Ständerzähne 11 sind auf einen Luftspalt L zwischen dem Körper 10 des Ständers 1 und dem Läufer 20 ausgerichtet. Die Ständerzähne 11 stehen radial vom Körper 10 ab, vorliegend radial nach innen. Der Ständer 1 weist eine Ständerwicklung auf, die mehrere Zahnwicklungen 12A-12C umfasst. Die Ständerwicklung ist vorliegend für einen dreiphasigen Betrieb ausgebildet, das heißt, an eine dreiphasige Wechselspannung mit Phasen U, V, W angeschlossen. Im bestimmungsgemäßen Betrieb der elektrischen Maschine 2 ist die Ständerwicklung entsprechend mit der Wechselspannung beaufschlagt.

Der Läufer 20 ist vorliegend als Schenkelpolläufer ausgebildet, der zur Bereitstellung des magnetischen Flusses Permanentmagnete umfasst. In der vorliegenden Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Läufer 20 genau einen magnetischen Nordpol N und einen magnetischen Südpol S aufweist. Bei alternativen Ausgestaltungen können auch mehr magnetische Pole in Umfangsrichtung quer zu einer Drehachse des Läufers 20 (relativ zum Ständer 1 ) alternierend vorgesehen sein.

Der Läufer 20 ist drehbar gelagert. Durch die dreiphasige Wechselspannung, deren Phasen U, V, W um jeweils 120° phasenverschoben sind, wird ein magnetisches Drehfeld im bestimmungsgemäßen Betrieb erzeugt, welches mit dem durch den Läufer 20 bereitgestellten permanenterregten Magnetfeld zusammenwirkt, sodass in einem Motorbetrieb eine entsprechende Drehbewegung des Läufers 20 gegenüber dem Ständer 1 herbeigeführt werden kann. Vorliegend ist vorgesehen, dass die elektrische Maschine 2 als Antriebsmotor für eine Luftschraube eines Luftfahrzeugs dient. In Figur 1 sind schematisch die Abschnitte der Ständerwicklung dargestellt, die den jeweiligen Phasen U, V, W zugeordnet sind. Jeweils eine der Zahnwicklungen 12A-12C ist jeweils einer der Phasen U, V, W zugeordnet.

Die Ständerwicklung der elektrischen Maschine 2 ist an einen dreiphasig ausgebildeten Wechselrichter 13 angeschlossen. Der Wechselrichter 13 stellt die elektrische Wechselspannung mit den drei Phasen U, V, W bereit. Der Wechselrichter 13 bezieht die für den bestimmungsgemäßen Betrieb erforderliche elektrische Energie aus einer an den Wechselrichter 13 angeschlossenen Energiequelle 3. In der vorliegenden Ausgestaltung handelt es sich bei der Energiequelle 3 um eine Gleichspannungsquelle, die elektrische Energie aus einem geeigneten elektrischen Energiespeicher, beispielsweise einem Akkumulator oder dergleichen, bereitstellt. Alternativ oder ergänzend kann eine Brennstoffzelle und/oder dergleichen oder bei stationären Anwendungen auch eine Energieversorgung aus einem öffentlichen Energieversorgungsnetz vorgesehen sein, wozu ein Gleichrichter zum Umwandeln eines Wechselstroms des öffentlichen Energieversorgungsnetzes in Gleichstrom vorgehsehen sein kann.

Der Wechselrichter 13 weist für die Bereitstellung der Phasen U, V, W zugeordnete Wechselrichtereinheiten auf, welche weiter unten im Zusammenhang z.B. mit Figur 5 näher erläutert werden. Dabei weist jede Wechselrichtereinheit eine eigene Flalbbrückenschaltung auf. Die Flalbbrückenschaltungen sind an einem in Figur 1 nicht weiter dargestellten Gleichspannungszwischenkreis des Wechselrichters 13 angeschlossen, um hierdurch mit elektrischer Energie versorgt zu werden. Die Gleichspannungszwischenkreise können eine Spannung von 25 V oder mehr, von 100 V oder mehr oder z.B. im Bereich von 800 bis 3000 V aufweisen.

Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass die Flalbbrückenschaltung eine Reihenschaltung aus zwei elektronischen Schaltelementen (z.B. Transistoren) aufweist, die an die Zwischenkreisgleichspannung des Wechselrichters 13 angeschlossen sind. Die elektronischen Schaltelemente werden in nachfolgend im Zusammenhang mit Figur 9 näher erläuterter Weise in einem Taktbetrieb betrieben, der zum Beispiel Taktmuster nach Art eines PWM-Signals bereitstellt. An einem jeweiligen Mittelabgriff der Flalbbrückenschaltungen steht dann die entsprechende Phase U, V, W der dreiphasigen Wechselspannung zur Verfügung. Durch die Induktivität der Zahnwicklungen 12A-12C erfolgt eine entsprechende Filterung, sodass sich für jede der Phasen U, V, W ein entsprechender Wechselstrom einstellt, der bei geeigneter Steuerung der Wechselrichtereinheiten nahezu sinusförmig ausgebildet sein kann.

Der Wechselrichter 13 wird hier der Einfachheit halber zur Baugruppe, also dem Ständer 1 , und damit zur elektrischen Maschine 2 gezählt, kann zusammen damit aber auch als eine elektrische Antriebseinrichtung bezeichnet werden.

Figur 2 zeigt eine schematische Explosionsdarstellung des Ständers 1 der elektrischen Maschine 2. Zu erkennen ist, dass der Ständer 1 den Körper 10 aufweist, bei dem Ständerzähne 11 mittels einer mechanischen Verbindung mit dem ringförmigen Körper 10 zusammengefügt und somit daran festgelegt, insbesondere mechanisch fixiert werden können. Alternativ sind die Ständerzähne 11 z.B. einstückig mit dem Körper

10 ausgebildet.

Die Ständerzähne 11 sind mit jeweiligen Wicklungsabschnitten 122 der Zahnwicklungen 12A-12C bestückt. Die Ständerwicklung weist eine Mehrzahl von Zahnwicklungen 12A-12C auf, und zwar vorliegend genau drei. Eine jeweilige der Zahnwicklungen 12A-12C ist im Allgemeinen mindestens an einem der Ständerzähne

11 angeordnet. Vorliegend erstreckt sich jede der Zahnwicklungen 12A-12C über mehrere, hier zwei (konkret zwei gegenüberliegende), Ständerzähne 11. Hierzu weisen die Zahnwicklungen 12A-12C im Allgemeinen jeweils mindestens einen, hier mehrere, nämlich zwei, Wicklungsabschnitte 122 auf. Jeder Wicklungsabschnitt 122 umgibt (genau) einen Ständerzahn 11 .

Jede der Zahnwicklungen 12A-12C weist einen jeweiligen ersten elektrischen Leiter 120 auf, der an jedem der Wicklungsabschnitte 122 in einer Mehrzahl von Windungen umlaufend um den jeweiligen Ständerzahn 11 herum angeordnet ist. Zwischen den Wicklungsabschnitten 122 umfasst der erste elektrische Leiter 120 einen oder mehrere entsprechende Verbindungsabschnitte, über den/die die Abschnitte des ersten elektrischen Leiters 120 an den Wicklungsabschnitten 122 elektrisch miteinander verbunden sind.

Jede der Zahnwicklungen 12A-12C weist ferner einen jeweiligen zweiten elektrischen Leiter 121 auf, der ebenfalls an jedem der Wicklungsabschnitte 122 in einer Mehrzahl von Windungen umlaufend um den jeweiligen Ständerzahn 11 herum angeordnet ist. Zwischen den Wicklungsabschnitten 122 umfasst der zweite elektrische Leiter 121 einen oder mehrere entsprechende Verbindungsabschnitte, über den/die die Abschnitte des zweiten elektrischen Leiters 121 an den Wicklungsabschnitten 122 elektrisch miteinander verbunden sind.

Die ersten elektrischen Leiter 120 und die zweiten elektrischen Leiter 121 weisen jeweils Endabschnitte auf, an denen sie in weiter unten noch näher beschriebener Weise angeschlossen sind. Zwischen den jeweiligen Endabschnitten sind die ersten elektrischen Leiter 120 und die zweiten elektrischen Leiter 121 elektrisch voneinander isoliert. Die Zahnwicklungen 12A-12C sind in der elektrischen Maschine 2 entsprechend verschaltet, sodass der dreiphasige Anschluss an den Wechselrichter 13 vorliegt.

Figur 3 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Wicklungsabschnitt 122 von einer der Zahnwicklungen 12A-12C. Dabei ist der erste elektrische Leiter 120 um den in Figur 3 nicht dargestellten Ständerzahn 11 herum gewickelt. Die Wicklung an dem Ständerzahn 11 erstreckt sich dabei um und entlang einer Wicklungsachse A. Vorliegend ist die Wicklung nach Art einer entlang der Wicklungsachse A langgestreckten Spule ausgebildet. Je nach Ausgestaltung und Konstruktion kann auch vorgesehen sein, dass eine mehrlagige Wicklung vorgesehen ist, um beispielsweise eine entsprechend hohe magnetische Durchflutung mit einem vorgegebenen elektrischen Strom erreichen zu können.

Ferner umfasst der Wicklungsabschnitt 122 der Zahnwicklung 12A-12C den jeweiligen vom ersten elektrischen Leiter 120 elektrisch isolierten zweiten elektrischen Leiter 121 . Auch der zweite elektrische Leiter 121 weist eine Mehrzahl von umlaufend um denselben Ständerzahn 11 herum angeordneten Windungen auf, sodass sich die Wicklung an dem Ständerzahn 11 um und entlang der Wicklungsachse A erstreckt. Die jeweiligen Windungen des ersten und des zweiten elektrischen Leiters 120, 121 sind bifilar angeordnet. Das heißt, dass entlang der Wicklungsachse A des Wicklungsabschnitts 122 (mit Ausnahme der äußersten beiden Windungen) immer eine Windung des ersten elektrischen Leiters 120 zwischen zwei benachbarten Windungen des zweiten elektrischen Leiters 121 angeordnet ist (und umgekehrt). Dies hat den Vorteil, dass bei einem Windungskurzschluss zwischen zwei benachbart angeordneten Windungen der Windungskurzschluss immer zwischen dem ersten elektrischen Leiter 120 und dem zweiten elektrischen Leiter 121 auftritt. Ein Windungskurzschluss erfolgt also nicht innerhalb einer Wicklung desselben elektrischen Leiters. Hierdurch können große Ströme im Falle eines Windungskurzschlusses, und damit große thermische und elektrische Beanspruchungen, verhindert werden. Optional besteht jeder erste elektrische Leiter 120 und/oder jeder zweite elektrische Leiter 121 aus zwei gegeneinander isolierten Einzelleitern.

Figur 4 zeigt in einer schematischen Darstellung eine elektrische Maschine 2‘ in Form einer Synchronmaschine, die im Unterschied zur elektrischen Maschine 2 gemäß Figur 1 und 2 nicht sechs-polig, sondern nunmehr zwölf-polig ausgebildet ist. Daher weist der entsprechende Ständer zwölf Ständerzähne 11 auf. Diese sind vorliegend in Umfangsrichtung äquidistant angeordnet. In einer durch den Ständer gebildeten Durchgangsöffnung ist wiederum der Läufer 20 angeordnet, der in dieser Ausgestaltung ebenfalls zwölf-polig ausgebildet ist und somit sechs Nordpole N und sechs Südpole S in Umfangsrichtung bereitstellt, die alternierend angeordnet sind. Auch hier ist vorgesehen, dass der magnetische Fluss, der durch den Läufer 20 bereitgestellt wird, durch Permanentmagnete bereitgestellt wird, die z.B. im Bereich des äußeren Umfangs des Läufers 20 angeordnet sind.

Jeder der Ständerzähne 11 ist auch hier mit einem Wicklungsabschnitt 122 von einer der drei Zahnwicklungen ausgerüstet. Jede der drei Zahnwicklungen weist wieder einen jeweiligen ersten elektrischen Leiter und einen jeweiligen zweiten elektrischen Leiter auf (in Figur 4 lediglich zur Veranschaulichung durch unterschiedliche Strichstärken dargestellt), die bifilar auf die jeweiligen Ständerzähne 11 aufgewickelt sind. Diese elektrische Maschine 2‘ ist ebenfalls für eine Beaufschlagung mit einer dreiphasigen elektrischen Wechselspannung ausgebildet, wobei jede der Phasen wieder mit U, V, W bezeichnet ist.

Figur 5 zeigt eine elektrische Verschaltung der Zahnwicklungen 12A-12C und der Wechselrichtereinheiten 130A-130F des Wechselrichters 13 der elektrischen Maschine 2 gemäß Figur 1 .

Die (vorliegend drei) ersten elektrischen Leiter 120 der Zahnwicklungen 12A-12C bilden ein erstes Wicklungssystem und die (vorliegend drei) zweiten elektrischen Leiter 121 der Zahnwicklungen 12A-12C bilden ein zweites Wicklungssystem. Das erste Wicklungssystem ist an drei Wechselrichtereinheiten 130A-130C angeschlossen. Dabei sind die ersten elektrischen Leiter 120 jeweils mit einem Endabschnitt WA2, VA2, UA2 an eine der Wechselrichtereinheiten 130A-130C angeschlossen. Die jeweiligen anderen Endabschnitte WA1 , VA1 , UA1 der ersten elektrischen Leiter 120 sind an einem ersten Sternpunkt 123 elektrisch miteinander verbunden. Das zweite Wicklungssystem ist an drei Wechselrichtereinheiten 130D-130F angeschlossen. Dabei sind die zweiten elektrischen Leiter 121 jeweils mit einem Endabschnitt WB1 , VB1 , UB1 an eine der Wechselrichtereinheiten 130D-130F angeschlossen. Die jeweiligen anderen Endabschnitte WB2, VB2, UB2 der zweiten elektrischen Leiter 121 sind an einem zweiten Sternpunkt 124 elektrisch miteinander verbunden.

Der Wechselrichter 13 umfasst folglich sechs Wechselrichtereinheiten 130A-130F, jeweils zwei für eine der drei Phasen U, V, W, und von diesen zwei jeweils eine für das erste Wicklungssystem und eine für das zweite Wicklungssystem. Wie bereits beschrieben weist jede Wechselrichtereinheit 130A-130D eine Halbbrückenschaltung auf. Ein optionaler Kondensator dient jeweils als Tiefpassfilter.

An den Wechselrichtereinheiten 130A-130D des Wechselrichters 13 liegt eine (vorliegend dieselbe) Gleichspannung an (gekennzeichnet mit HV+ und HV-). Beispielsweise beträgt die Gleichspannung 25 V oder mehr, 100 V oder mehr oder 800 bis 3000 V.

Ferner sind die insgesamt sechs Wicklungsabschnitte 122 für die sechs Ständerzähne 11 gezeigt, wobei eine jede Wicklung der ersten und zweiten elektrischen Leiter 120, 121 nur schematisch dargestellt ist.

Es wird nun zunächst die Zahnwicklung 12A für eine erste Phase W betrachtet. Die Zahnwicklung 12A umfasst einen ersten elektrischen Leiter 120 und einen zweiten elektrischen Leiter 121. Beide elektrische Leiter 120, 121 erstrecken sich über die Wicklungsabschnitte 122 an denselben (zwei) Ständerzähnen 11 , sind aber voneinander isoliert. Beide elektrische Leiter 120, 121 weisen die bereits erwähnten zwei Endabschnitte WA1 , WA2, WB 1 , WB2 auf. Beide elektrische Leiter 120, 121 sind zwischen ihren Endabschnitten WA1 , WA2, WB1 , WB2 frei von Abzweigungen. Die elektrischen Leiter 120, 121 stellen jeweils eine elektrische Verbindung zwischen den jeweiligen beiden Endabschnitten WA1 , WA2, WB1 , WB2 her. Die Wicklungsabschnitte 122 der Zahnwicklung 12A liegen zwischen den Endabschnitten WA1 , WA2, WB1 , WB2 der elektrischen Leiter 120, 121 . Der erste elektrische Leiter 120 ist mit einem Endabschnitt WA2 an eine erste Wechselrichtereinheit 130A des Wechselrichters 13 elektrisch angeschlossen und mit dem anderen Endabschnitt WA1 mit dem ersten Sternpunkt 123 elektrisch verbunden. Der zweite elektrische Leiter 121 ist mit einem Endabschnitt WB1 an eine vierte Wechselrichtereinheit 130D des Wechselrichters 13 elektrisch angeschlossen und mit dem anderen Endabschnitt WB2 mit einem zweiten Sternpunkt 124 elektrisch verbunden.

Die Endabschnitte des ersten elektrischen Leiters 120 der Zahnwicklung 12B für eine zweite Phase V sind mit VA1 und VA2 bezeichnet. Der erste elektrische Leiter 120 ist mit einem Endabschnitt VA2 an den Wechselrichter 13, konkret an eine zweite Wechselrichtereinheit 130B davon, elektrisch angeschlossen und mit dem anderen Endabschnitt VA1 mit dem ersten Sternpunkt 123 elektrisch verbunden.

Entsprechend sind die Endabschnitte des zweiten elektrischen Leiters 121 der Zahnwicklung 12B für die zweite Phase V mit VB1 und VB2 bezeichnet. Der zweite elektrische Leiter 121 ist mit einem Endabschnitt VB1 an den Wechselrichter 13, konkret an eine fünfte Wechselrichtereinheit 130E davon, elektrisch angeschlossen und mit dem anderen Endabschnitt VB2 mit dem zweiten Sternpunkt 124 elektrisch verbunden.

Die Endabschnitte des ersten elektrischen Leiters 120 der Zahnwicklung 12C für eine dritte Phase U sind mit UA1 und UA2 bezeichnet. Der erste elektrische Leiter 120 ist mit einem Endabschnitt UA2 an den Wechselrichter 13, konkret an eine dritte Wechselrichtereinheit 130C davon, elektrisch angeschlossen und mit dem anderen Endabschnitt UA1 mit dem ersten Sternpunkt 123 elektrisch verbunden.

Entsprechend sind die Endabschnitte des zweiten elektrischen Leiters 121 der Zahnwicklung 12C für die dritte Phase U mit UB1 und UB2 bezeichnet. Der zweite elektrische Leiter 121 ist mit einem Endabschnitt UB1 an den Wechselrichter 13, konkret an eine sechste Wechselrichtereinheit 130F davon, elektrisch angeschlossen und mit dem anderen Endabschnitt UB2 mit dem zweiten Sternpunkt 124 elektrisch verbunden. Der Ständer 1 umfasst ferner eine weiter unten noch näher beschriebene Differentialschutzeinrichtung. Die Differentialschutzeinrichtung umfasst mehrere Stromsensoren 140. Jeder der Stromsensoren 140 ist am ersten oder zweiten elektrischen Leiter 120, 121 angeordnet und misst die Stromstärke des darin fließenden Stroms. Im Allgemeinen sind an zumindest zwei Stellen von zumindest einer (oder jeder) der Zahnwicklungen 12A-12C jeweils ein Stromsensor 140 angeordnet. Im gezeigten Beispiel sind pro Zahnwicklung 12A-12C vier Stromsensoren vorgesehen. Die Stromsensoren 140 umfassen jeweils einen Hall- Sensor. Optional ist der Hall-Sensor an einen ferromagnetischen Fluss-Konzentrator gekoppelt, der z.B. den jeweiligen elektrischen Leiner 120, 121 umgreift und optional einen V-förmig zulaufenden Abschnitt umfasst, an dessen spitzen Ende der Hall- Sensor angeordnet ist.

Bei jeder der Zahnwicklungen 12A-12C ist dabei ein Stromsensor 140 an einer ersten Stelle X1 am (ersten) elektrischen Leiter 120 angeordnet. Diese (erste) Stelle X1 befindet sich in Bezug auf den elektrischen Pfad zwischen dem Endabschnitt WA2 und dem entlang des elektrischen Pfades des ersten elektrischen Leiters 120 zu diesem Endabschnitt WA2 nächstgelegenen Wicklungsabschnitt 122. Ein weiterer Stromsensor 140 ist an einer (zweiten) Stelle X2 am ersten elektrischen Leiter 120 angeordnet. Diese (zweite) Stelle X2 befindet sich in Bezug auf den elektrischen Pfad zwischen dem Endabschnitt WA1 und dem entlang des elektrischen Pfades des ersten elektrischen Leiters 120 zu diesem Endabschnitt WA1 nächstgelegenen Wicklungsabschnitt 122. Ein weiterer Stromsensor 140 ist an einer (dritten) Stelle X3 am zweiten elektrischen Leiter 121 angeordnet. Diese (dritte) Stelle X3 befindet sich in Bezug auf den elektrischen Pfad zwischen dem Endabschnitt WB2 und dem entlang des elektrischen Pfades des zweiten elektrischen Leiters 121 zu diesem Endabschnitt WB2 nächstgelegenen Wicklungsabschnitt 122. Ein weiterer Stromsensor 140 ist an einer (vierten) Stelle X4 am zweiten elektrischen Leiter 121 angeordnet. Diese (vierte) Stelle X4 befindet sich in Bezug auf den elektrischen Pfad zwischen dem Endabschnitt WB1 und dem entlang des elektrischen Pfades des zweiten elektrischen Leiters 121 zu diesem Endabschnitt WB1 nächstgelegenen Wicklungsabschnitt 122.

Somit liegen in Bezug auf die elektrischen Pfade die Wicklungsabschnitte 122 jeweils zwischen den Stromsensoren 140. Durch die Ermittlung einer Differenz (insbesondere im Vergleich mit einem Schwellenwert) der durch die Stromsensoren 140 erfassten Stromstärken an der ersten Stelle X1 und der zweiten Stelle X2 und/oder entsprechend einer Differenz zwischen der dritten Stelle X3 und der vierten Stelle X4 kann die Differentialschutzeinrichtung einen Windungskurzschluss erkennen und eine Gegenmaßnahme einleiten.

Ferner ist es möglich, dass die Differentialschutzeinrichtung die Differenz der Stromstärken zwischen der ersten oder zweiten Stelle X1 , X2 einerseits und der dritten oder vierten Stelle X3, X4 andererseits überwacht (und z.B. mit einem Schwellenwert vergleicht), und basierend darauf eine Gegenmaßnahme einleiten kann.

Bei der zweiten und dritten Zahnwicklung 12B, 12C sind die Stromsensoren 140 entsprechend der ersten Zahnwicklung 12A angeordnet.

Figur 6 zeigt im Wesentlichen dieselbe Verschaltung wie Figur 5, wobei jedoch mehr Wicklungsabschnitte 122 veranschaulicht sind. Es ist ersichtlich, dass die Zahnwicklungen 12A-12C je nach Anwendungsfall eine kleinere oder größere Zahl an Wicklungsabschnitten 122 aufweisen kann, z.B. insgesamt sechs (vgl. insbesondere Figuren 2 und 5), zwölf (vgl. insbesondere Figur 4) oder 18.

Während gemäß Figuren 5 und 6 die Zahnwicklungen 12A-12C zwischen den Wechselrichtereinheiten 130A-130F angeordnet sind, wird darauf hingewiesen, dass diese Anordnung lediglich beispielhaft ist.

Ferner ist ersichtlich, dass in den Figuren 5 und 6 die an die Wechselrichtereinheiten 130A-130F angeschlossenen Endabschnitte der ersten und zweiten Leiter 120, 121 von jeder einzelnen der Zahnwicklungen 12A-12C in Bezug auf die gemeinsamen Wicklungsabschnitte 122 voneinander abgewandt sind.

Figur 7 zeigt eine abgewandelte Anordnung, bei der die Ströme nur an (genau) einer Stelle pro elektrischem Leiter 120, 121 je Phase gemessen werden. Diese Ströme werden z.B. mit einem drei- oder mehrphasigen Differentialschutz überwacht. Dieser Differentialschutz bildet z.B. die Summe der Ströme (insbesondere die Gesamtsumme aller gemessenen Ströme, alternativ jeweils die Summe der beiden Ströme pro Phase) und löst aus, wenn die Summe nicht mehr gleich Null ist (oder insbesondere nicht mehr in einem vorgegebenen oder vorgebbaren Toleranzbereich um oder an Null liegt). Alternativ kann ein Summierverstärker verwendet werden und/oder die Stromsignale werden digital erfasst und die Summenbildung erfolgt in der Wechselrichtersteuerung wie weiter unten im Zusammenhang mit Figur 13 beschrieben.

Wie in Figur 7 gezeigt, können der eine Stromsensor 140 pro Phase an einer ersten Stelle am ersten elektrischen Leiter 120 und der andere Stromsensor 140 der jeweiligen Phase an einer zweiten Stelle am zweiten elektrischen Leiter 121 angeordnet sein. Hierbei können, wie gezeigt, die erste und die zweite Stelle in Bezug auf die Wicklungsabschnitte 122 an entgegengesetzten Enden der jeweiligen elektrischen Leiter 120, 121 angeordnet sein.

Figur 17 zeigt einen optionalen mehrphasigen Differentialschutz, z.B. für die Anordnung gemäß Figur 7. Dabei sind die an den ersten elektrischen Leitern 120 angeordneten Stromsensoren 140 an einen ersten Summierer 144 angeschlossen. Ferner sind die an den zweiten elektrischen Leitern 121 angeordneten Stromsensoren 140 an einen zweiten Summierer 144 angeschlossen. Der erste Summierer 144 summiert die gemessenen Ströme der daran angeschlossenen Stromsensoren 140. Der zweite Summierer 144 summiert die gemessenen Ströme der daran angeschlossenen Stromsensoren 140. Die Steuereinheit 131 vergleicht die beiden so erhaltenen Summen (und ist entsprechend hierzu ausgebildet). Alternativ kann ein Komparator zwischen die Summierer 144 und die Steuereinheit 131 geschaltet sein, der den Vergleich durchführt und das Vergleichsergebnis an die Steuereinheit 131 signalisiert.

Figur 8 zeigt einen allgemeinen Aufbau einer Differentialschutzeinrichtung, wie er bei dem Ständer 1 vorgesehen sein kann. Im Allgemeinen vergleicht die Differentialschutzeinrichtung zwei an unterschiedlichen Stellen gemessene Stromstärken miteinander.

Dabei wird eine zu überwachende Komponente durch einen Block veranschaulicht. Dabei handelt es sich vorliegend um den Teil des ersten elektrischen Leiters 120 oder des zweiten elektrischen Leiters 121 von einer der Zahnwicklungen 12A-12C zwischen dessen jeweiligen Endabschnitten. Die Stromsensoren 140 sind hier als (optional) einfach oder mehrfach gewundene Drahtabschnitte ausgebildet, die am entsprechenden ersten/zweiten elektrischen Leiter angeordnet sind, sodass ein Strom im elektrischen Leiter einen Strom in dem Drahtabschnitt induziert. Die Drahtabschnitte (oder im Allgemeinen die Stromsensoren 140) sind in Reihe in einen geschlossenen Stromkreis geschaltet. Sind die Stromstärken der in beiden Stromsensoren 140 induzierten Ströme gleich, dann fließt kein Strom über eine Querverbindung zwischen der einen und der anderen elektrischen Verbindung der Stromsensoren 140. Fließt allerdings ein Teil des Stroms durch den überwachten elektrischen Leiter in den bifilaren anderen elektrischen Leiter, dann ergibt sich eine Differenz, die zu einem Strom in der Querverbindung führt. Dieser Querstrom wird durch die Differentialschutzeinrichtung überwacht und z.B. mit einem Schwellenwert verglichen. Basierend darauf kann eine Gegenmaßnahme eingeleitet werden, z.B. ein optionaler Schalter (z.B. in Form eines Relais) im elektrischen Leiter geöffnet werden.

Ferner kann als Gegenmaßnahme ein in den überwachten elektrischen Leiter 120, 121 eingeleiteter Strom verändert, z.B. reduziert werden, indem die Transistoren zumindest der daran angeschlossenen Wechselrichtereinheit 130A-130F basierend auf der Erfassung eines Differenzstromes verändert angesteuert werden. Die Ansteuerung der Transistoren erfolgt mittels Signalen, vorliegend mittels pulsdauermodulierten Signalen, die auch kurz als PWM-Signale bezeichnet werden können (pulse width modulation). Die PWM-Signale wechseln zwischen zwei diskreten Werten, z.B. „an“ und „aus“, welche den entsprechenden Transistor öffnen bzw. schließen.

Figur 9 zeigt ein Beispiel für solche PWM-Signale, wobei das X für die jeweilige Phase U, V, W steht. Die PWM-Signale für die einzelnen Phasen U, V, W sind z.B. gleich, nur zeitlich verschoben.

Ferner wird zu jedem PWMX-Signal ein umgekehrtes PWMX'-Signal bereitgestellt, welches im zeitlichen Verlauf jeweils den in Bezug auf das PWMX-Signal anderen diskreten Wert annimmt. Wie z.B. anhand der Figuren 5 und 6 veranschaulicht, ist bei jeder der Zahnwicklungen 12A-12C an den an den positiven Pol HV+ der Gleichspannung angeschlossenen Transistor der Wechselrichtereinheit 130A, 130B, 130C des ersten elektrischen Leiters 120 das umgekehrte PWM-Signal PWMW, PWMV', PWMU' angelegt. An den an den negativen Pol HV- der Gleichspannung angeschlossenen Transistor der Wechselrichtereinheit 130A, 130B, 130C des ersten elektrischen Leiters 120 ist demgegenüber das PWM-Signal PWMW, PWMV, PWMU angelegt.

Bei den zweiten elektrischen Leitern 121 sind die PWM-Signale umgekehrt angelegt. An den an den positiven Pol HV+ der Gleichspannung angeschlossenen Transistor der Wechselrichtereinheit 130D, 130E, 130F des zweiten elektrischen Leiters 121 ist das PWM-Signal PWMW, PWMV, PWMU angelegt. An den an den negativen Pol HV- der Gleichspannung angeschlossenen Transistor der Wechselrichtereinheit 130D, 130E, 130F des zweiten elektrischen Leiters 121 ist demgegenüber das umgekehrte PWM-Signal PWMW, PWMV‘, PWMU' angelegt.

Es ist also ersichtlich, dass die Wechselrichtereinheiten 130A-130C der ersten elektrischen Leiter 120 mit denselben PWM-Signalen beaufschlagt werden, wie die Wechselrichtereinheiten 130D-130F der zweiten elektrischen Leiter 121.

Figur 10 veranschaulicht die Erzeugung der PWM-Signale und der umgekehrten PWM-Signale. Die Steuereinheit 131 des Inverters erzeugt Signale für die drei Phasen U, V, W, die hier als pwmu, pwmv, pwmw bezeichnet sind. Diese werden an jeweils einen Leistungselektroniktreiber 132A-132C bereitgestellt, der basierend darauf die PWM-Signale und die umgekehrten PWM-Signale für die entsprechende Phase U, V, W erzeugt. Die Leistungselektroniktreiber 132A-132C sind (z.B. elektrisch) an die Wechselrichtereinheiten 130A-130F der jeweiligen Phase U, V, W angeschlossen.

Figur 11 zeigt die Differentialschutzeinrichtung 14A des Ständers 1 gemäß Figur 1 . Die Differentialschutzeinrichtung 14A umfasst die (insgesamt 12) Stromsensoren 140, wobei es auch möglich wäre nur sechs Stromsensoren 140 für die ersten elektrischen Leiter 120 oder nur sechs Stromsensoren 140 für die zweiten elektrischen Leiter 121 vorzusehen. Die übrigen in Figur 5 gezeigten Komponenten sind hier lediglich zur vereinfachten Anschauung nicht erneut dargestellt. Ferner umfasst die Differentialschutzeinrichtung 14A mehrere Komparatoren 141 , vorliegend sechs. An jeden Komparator 141 sind zwei Stromsensoren 140 angeschlossen, was hier bildlich vereinfacht durch eine Linie dargestellt ist. Beispielsweise sind die Stromsensoren 140 jeweils elektrisch an den jeweiligen Komparator 141 angeschlossen. Der jeweilige Komparator 141 ist so an die Stromsensoren 140 angeschlossen, dass er die dadurch bereitgestellten, für die Stromstärke im entsprechenden elektrischen Leiter 120, 121 indikativen Stromsignale erfassen kann. Der Komparator 141 vergleicht die bereitgestellten Stromsignale der beiden Stromsensoren 140 miteinander und stellt das Vergleichsergebnis als Differenzsignal an die Steuereinheit 131 bereit. Ist eine vorgegebene Bedingung erfüllt, z.B., wenn ein Differenzsignal einen Schwellenwert über- oder unterschreitet, dann stellt die Steuereinheit 131 einen Fehler fest.

Solange (im Rahmen der Messgenauigkeit) gilt für die Stromstärken: IUA1 = IUA2; IUB1 = IUB2; IVA1 = IVA2; IVB1 = IVB2; IWA1 = IWA2; und IWB1 = IWB2, ist kein Fehler vorhanden.

Durch das Erfassen einer Stromstärke IUA1 (an der Stelle X2) ungleich einer Stromstärke IUA2 (Stelle X1 ) und/oder einer Stromstärke IUB1 (Stelle X4) ungleich einer Stromstärke IUB2 (Stelle X3) (oder entsprechend für eine der anderen Phasen V, W), erkennt die Steuereinheit 131 einen Windungskurzschluss. Gilt dies für gleich zwei Phasen gleichzeitig, erkennt die Steuereinheit 131 (optional) einen Kurzschluss zwischen zwei Phasen.

Bei Erkennen eines Fehlers schaltet die Steuereinheit 131 optional alle PWM-Signale ab (z.B. auf null). Optional werden der positive und oder der negative Pol HV+, HV- der Gleichspannungsquelle 3 von den Wechselrichtereinheiten 130A-130F getrennt.

Bei einem Kurzschluss zwischen Wicklungsabschnitten derselben Phase bewirkt die Steuereinheit 131 optional einen dreiphasigen Kurzschluss.

So kann die Steuereinheit 131 erfassen, ob (bestimmte) erste und zweite elektrische Leiter 120, 121 einen Windungskurzschluss aufweisen. In diesem Fall stellt die Steuereinheit 131 entsprechend veränderte PWM-Signale und umgekehrte PWM- Signale bereit. Die Signale der Stromsensoren 140 an der ersten Stelle X1 und an der zweiten Stelle X2 sind an einen Komparator 141 angeschlossen (allgemeiner: werden miteinander verglichen). Alternativ oder zusätzlich (insbesondere zur Redundanz) sind die Signale der Stromsensoren 140 an der dritten Stelle X3 und an der vierten Stelle X4 an einen weiteren Komparator 141 (allgemeiner: werden miteinander verglichen).

Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Signale der Stromsensoren 140 an der ersten Stelle X1 und an der dritten Stelle X3 an einen Komparator 141 angeschlossen sind (allgemeiner: werden miteinander verglichen), und/oder dass die Signale der Stromsensoren 140 an der zweiten Stelle X2 und an der vierten Stelle X4 an einen Komparator 141 angeschlossen sind (allgemeiner: werden miteinander verglichen).

Figur 12 zeigt eine Differentialschutzeinrichtung 14B die bei dem Ständer 1 vorgesehen sein kann und z.B. an die Schaltung gemäß Figur 5, 6 oder 7 angeschlossen ist. Wie bei Figur 11 sind die Stromsensoren 140 an die Komparatoren 141 angeschlossen. Diese stellen ihre Differenzsignale aber an einen analogen Multiplexer 142A bereit. Der Multiplexer 142A stellt an seinem Ausgang z.B. in zeitlicher Abfolge (mit fester Frequenz) nacheinander das Differenzsignal der einzelnen Komparatoren bereit. Dieser Ausgang ist an einen Analog-Digital-Konverter, ADC 143 angeschlossen. Der ADC 143 wandelt die analogen Signale der Komparatoren in digitale Signale um. Diese Digitalsignale werden an die Steuereinheit 131 ausgegeben. Die Steuereinheit 131 kann den Vergleich mit einem Schwellenwert durchführen und bei Über- oder Unterschreiten an seinem Digitalausgang eine logische „1“ ausgeben, andernfalls eine logische „0“. Eine logische „1“ zeigt dann also einen Fehler an. Auf diese Weise kann die Steuereinheit 131 erfassen, ob zwischen den elektrischen Leitern 120, 121 einen Kurzschluss besteht.

Optional werden der Multiplexer 142A, der ADC 143 und/oder die Steuereinheit 131 zu einem Mikroprozessor oder SoC (System on a Chip) zusammengefasst, z.B. einem 8-Bit Flash-Mikrokontroller. Die Steuereinheit 131 umfasst zum Beispiel eine Vektorregelung (field oriented control, FOC).

Figur 13 zeigt eine Differentialschutzeinrichtung 14B die bei dem Ständer 1 vorgesehen sein kann und z.B. an die Schaltung gemäß Figur 5, 6 oder 7 angeschlossen ist. Gemäß Figur 13 sind die Stromsensoren jeweils an einen ADC 143 von mehreren (hier 12) ADCs 143 angeschlossen. Die Ausgänge der ADCs 143 sind an einen digitalen Multiplexer 142B angeschlossen und dessen Ausgang an die Steuereinheit 131 .

Figur 14 zeigt im Wesentlichen denselben Aufbau der Zahnwicklungen 12A-12C und deren Anschluss an den Wechselrichter 13 wie Figur 6. Im Unterschied dazu sind die Abschnitte der elektrischen Leiter 120, 121 zwischen den Endabschnitten und den Wicklungsabschnitten 122 jedoch so gelegt, dass Abschnitte beiderseits der Wicklungsabschnitte 122 (in Bezug auf den elektrischen Pfad der jeweiligen elektrischen Leiter 120, 121 ) an einer Stelle benachbart (insbesondere in Bezug auf die Stromflussrichtung antiparallel) zueinander verlaufen, z.B. aneinander anliegen. Dies ermöglicht es, nur einen Stromsensor 140 pro elektrischen Leiter 120, 121 zu verwenden. Vorliegend genügen daher sechs Stromsensoren 140 zur Überwachung aller sechs elektrischen Leiter 120, 121 der Phasen U, V, W.

Ein Strom durch den ersten elektrischen Leiter 120 an einer (ersten) Stelle X5 des ersten elektrischen Leiters 120 (jeder Phase U, V, W) induziert einen Strom in einem Stromsensor 140. Ein Strom durch den ersten elektrischen Leiter 120 an einer (zweiten) Stelle X6 des ersten elektrischen Leiters 120 fließt antiparallel im Vergleich mit der anderen (ersten) Stelle X5 und induziert daher einen Strom im selben Stromsensor 140 mit umgekehrtem Vorzeichen. Sind die Stromstärken an den beiden Stellen X5, X6 gleich, ist die effektiv induzierte Stromstärke gleich Null. Somit ist der Stromsensor 140 zur Messung einer effektiven Differenzstromstärke durch den ersten Leiter 120 an Stellen X5, X6 des ersten elektrischen Leiters 120 angeordnet, die über den Wicklungsabschnitt 122 elektrisch miteinander verbunden sind.

Ferner induziert ein Strom durch den zweiten elektrischen Leiter 121 an einer (dritten) Stelle X7 des zweiten elektrischen Leiters 121 (jeder Phase U, V, W) einen Strom in einem weiteren Stromsensor 140. Ein Strom durch den zweiten elektrischen Leiter 121 an einer (vierten) Stelle X8 des zweiten elektrischen Leiters 121 fließt antiparallel im Vergleich mit der anderen (dritten) Stelle X7 und induziert daher einen Strom im selben Stromsensor 140 mit umgekehrtem Vorzeichen. Sind die Stromstärken an den beiden Stellen X7, X8 gleich, ist die effektiv induzierte Stromstärke gleich Null. Somit ist der Stromsensor 140 zur Messung einer effektiven Differenzstromstärke durch den zweiten elektrischen Leiter 121 an Stellen X7, X8 des zweiten elektrischen Leiters 121 angeordnet, die über den Wicklungsabschnitt 122 elektrisch miteinander verbunden sind.

Figur 15 zeigt die entsprechende Differentialschutzeinrichtung 14D, die bei dem Ständer 1 vorgesehen sein kann und an die Schaltung gemäß Figur 14 angeschlossen ist. Die Differentialschutzeinrichtung 14D entspricht der Differentialschutzeinrichtung 14B gemäß Figur 12, wobei durch die die effektive Differenzstromstärke messenden Stromsensoren 140 keine Komparatoren nötig sind.

Figur 16 zeigt eine Differentialschutzeinrichtung 14E, die bei dem Ständer 1 vorgesehen sein kann und alternativ an die Schaltung gemäß Figur 14 angeschlossen sein kann. Die Differentialschutzeinrichtung 14E entspricht der Differentialschutzeinrichtung 14C gemäß Figur 13, wobei durch die die effektive Differenzstromstärke messenden Stromsensoren 140 lediglich drei (oder wenn wie gezeigt redundante Sensoren verwendet werden, sechs) ADCs 143 nötig sind.

Es sei allgemein angemerkt, dass die Steuereinheit 131 Gegenmaßnahmen einleiten kann, alternativ aber auch vorgesehen sein kann, dass der Fehler zunächst einem Benutzer angezeigt wird, der dann über ein Eingabemittel eine der beschriebenen Gegenmaßnahmen aktivieren kann.

Ferner sei angemerkt, dass die zu den Wechselrichtereinheiten 130A-130D benachbarten Stromsensoren 140 optional in die jeweilige Wechselrichtereinheit 130A-130D integriert sein kann, z.B. in einem Gehäuse der Wechselrichtereinheit 130A-130D angeordnet ist.

Alternativ oder zusätzlich kann an den Sternpunkten 123 und 124 die Spannung gemessen werden. Diese Spannungen können mit einem oder mehreren Komparatoren 141 verglichen werden, z.B. jeweils bezogen auf ein Erdpotential oder ein anderes Referenzpotential, wie anhand der Figur 18 veranschaulicht. Das Vergleichsergebnis des Komparators 141 kann an die Steuereinheit 131 ausgegeben werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Spannung zwischen den beiden Sternpunkten 123, 124 mittels eines Spannungssensors 145 gemessen werden. Diese Spannung kann an die Steuereinheit 131 ausgegeben werden, wie anhand vom Figur 19 veranschaulicht.

Figur 20 zeigt ein Luftfahrzeug 4 in Form eines elektrisch angetriebenen Flugzeugs. Das Luftfahrzeug 4 umfasst einen Propeller 40, der durch die vorstehend beschriebene elektrische Maschine 2 gemäß Figur 2 (alternativ durch die elektrische Maschine 2‘ gemäß Figur 4) angetrieben ist.

Das Luftfahrzeug 4 umfasst ferner eine Energiequelle 3 in Form einer elektrischen Batterie. Die elektrische Maschine 2 wird durch die Energiequelle 3 mit Energie versorgt, wobei die Energiequelle 3 elektrisch an den Wechselrichter 13 angeschlossen ist.

Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist und verschiedene Modifikationen und

Verbesserungen vorgenommen werden können, ohne von den hier beschriebenen Konzepten abzuweichen. Beliebige der Merkmale können separat oder in Kombination mit beliebigen anderen Merkmalen eingesetzt werden, sofern sie sich nicht gegenseitig ausschließen, und die Offenbarung dehnt sich auf alle Kombinationen und Unterkombinationen eines oder mehrerer Merkmale, die hier beschrieben werden, aus und umfasst diese.

Bezugszeichenliste

1 Baugruppe, Ständer

10 Körper

11 Ständerzahn

12A-12C Zahnwicklung

120 erster elektrischer Leiter

121 zweiter elektrischer Leiter

122 Wicklungsabschnitt

123 erster Sternpunkt

124 zweiter Sternpunkt 13 Wechselrichter

130A-130F Wechselrichtereinheit

131 Steuereinheit

132A-132C Leistungselektroniktreiber

14A-14E Differentialschutzeinrichtung

140 Stromsensor

141 Komparator

142A, 142B Multiplexer

143 Analog-Digital-Konverter

144 Summierer

145 Spannungssensor 2; 2‘ elektrische Maschine

20 weitere Baugruppe, Läufer

3 Energiequelle

4 Luftfahrzeug

40 Propeller

A Wicklungsachse

L Luftspalt

N Nordpol

5 Südpol

U, V, W Phase X1-X8 Stelle