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Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einem N-phasigen Inverter und mit einer N-phasigen elektrischen Maschine, wobei jede Phase des Inverters einer bestimmten Phase der elektrischen Maschine zugeordnet und über einen Phasenleiter mit dieser elektrisch verbunden ist.
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In der Antriebstechnik für Automobile kommen vermehrt elektrische Maschinen zum Einsatz, die von leistungselektronischen Baueinheiten, die als Inverter, Wechselrichter oder Antriebselektronik bezeichnet werden, mit elektrischer Leistung gespeist werden. Dabei werden in einem Fahrzeug immer mehr elektrische und elektronische Komponenten in einem kleinen Bauraum konzentriert.
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Bedingt durch die hohen Taktfrequenzen des Inverters, die sich im hohen Niederfrequenzbereich, d. h. bis zu 100 kHz, bewegt, kommt es zu hochfrequenten Störungen, die sich durch Oberwellen der sinusförmigen Grundwelle der Phasenströme und durch die Flankensteilheit der Schaltsignale durch den Inverter ergeben. Im Frequenzspektrum befinden sich diese Störungen im Bereich > 1 MHz. Diese Störungen breiten sich als Spannungs- bzw. Stromschwankungen über die Phasenleiter in Form von Parasitärkapazitäten, d. h. kapazitiver Kopplung, und Streuinduktivitäten, d. h. induktiver Kopplung, mitunter im gesamten Fahrzeug aus und können andere Fahrzeugkomponenten wie z. B. ein Radioempfangsgerät stören. Nach dem Stand der Technik können als Maßnahme gegen die Störsignale die elektrische Maschine und der Inverter über eine Erdungslitze geerdet werden, siehe etwa
EP 2514078 A1 .
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Fahrzeug mit einem N-phasigen Inverter und mit einer N-phasigen elektrischen Maschine zu beschreiben.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Fahrzeug gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Erfindungsgemäß ist den Phasenleitern ein elektrisch leitendes Leitersystem zugeordnet, das Leitersystem ist von den Phasenleitern elektrisch isoliert angeordnet und das Leitersystem ist im Wesentlichen parallel zu den Phasenleitern angeordnet.
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Dies bedeutet, dass das Leitersystem im Wesentlichen zusammen mit den Phasenleitern verlegt ist. Als Effekt resultiert daraus, dass die Impedanz für Störströme im Fahrzeug minimal ist und der Spannungsabfall der Störspannung minimiert wird. Die minimierte Impedanz resultiert daraus, dass Störströme aus physikalischen Gründen – hier ist auf das Grundprinzip verwiesen, dass sich Strom vom höheren Potential zum niedrigeren Potential ausbreitet, – die Eigenschaft aufweisen, einen elektrischen Störstromkreis von der Störquelle zu einer Senke hin zu schließen. Hier fungiert der Inverter als Quelle und als Senke.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Leitersystem eine erste elektrische Anbindung und eine zweite elektrische Anbindung auf, die erste elektrische Anbindung ist innerhalb eines Gehäuses des Inverters ausgeführt und es ist die zweite elektrische Anbindung innerhalb eines Gehäuses der elektrischen Maschine ausgeführt.
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Nach dieser Ausführungsform reicht das Leitersystem jeweils in das Innere der Gehäuse der Komponenten. Dies hat den besonderen Vorteil, dass der Störstrom über einen möglichst niederimpedanten und räumlich kurzen Weg zur Verfügung gestellt wird. Je niederimpedanter der Störstromkreis ist, desto geringer ist der Abfall an Störspannungen im Fahrzeug.
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Nach einer weiteren Variante der Erfindung weist der elektrische Inverter für jede Phasen einen Phasenausgang auf, es ist die erste elektrische Anbindung von allen Phasenausgängen galvanisch getrennt und die erste elektrische Anbindung ist mit einem ersten Masseverbindungspunkt innerhalb des Gehäuses des Inverters verbunden.
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Die elektrische Anbindung des Leitersystems ist also innerhalb des Gehäuses des Inverters, jedoch von den Phasenausgängen und von Phasenabgriffen innerhalb des Inverters isoliert, ausgebildet.
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Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die elektrische Maschine für jede Phase einen Phaseneingang auf, es ist die zweite elektrische Anbindung von allen Phaseneingängen galvanisch getrennt und die zweite elektrische Anbindung ist mit einem zweiten Masseverbindungspunkt innerhalb des Gehäuses des Inverters verbunden.
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Die elektrische Anbindung des Leitersystems ist also innerhalb des Gehäuses der elektrischen Maschine, jedoch von den Phasenausgängen und von Phasenabgriffen innerhalb des Inverters isoliert, ausgebildet.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der erste Masseverbindungspunkt mit dem Gehäuse des Inverters elektrisch leitend verbunden ist und der zweite Masseverbindungspunkt mit dem Gehäuse der elektrischen Maschine elektrisch leitend verbunden ist.
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Dies bedeutet, dass die beiden Masseverbindungspunkte innerhalb der jeweiligen Gehäuse eine elektrische Verbindung zu den jeweiligen Gehäusen herstellen.
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Auf diese Weise wird ein parasitär, kapazitiv gekoppelter Störstrom, der sich z. B. auf das Gehäuse der elektrischen Maschine überträgt, über das Leitersystem gerichtet abgeführt.
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Nach einer besonders bevorzugten Alternative ist das Leitersystem im Wesentlichen als elektrischer Flacheiter ausgeführt, wobei der Flachleiter eingliedrig oder N-gliedrig ausgebildet ist.
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Ein mehrgliedriger Leiter hat gegenüber einem eingliedrigen Flachleiter Gewichtsvorteile. Insbesondere bei einem eingliedrigen Leiter wird der Proximity-Effekt geschickt ausgenutzt, der bewirkt, dass ein hochfrequenter Störstrom in kürzester Distanz zum jeweiligen Phasenleiter, über den sich der Störstrom fortpflanzt, fliesst. Es kommt also in dem Flachleiter zu einer Ausbildung einer Stromverteilung, die im wesentlichen N Stück Strompfade auf dem Flachleiter zeigt, wobei jeder der Strompfade einem der N Stück Phasenleiter zuordenbar ist. Diese Strompfade verlaufen auf dem Flachleiter parallel im kürzest möglichen Abstand zu den Phasenleitern.
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Besondere Bedeutung kommt dabei dem Abstand zwischen den Phasenleitern und dem Leitersystem zu. Durch den Proximity-Effekt bedingt fließt der Strom auf dem Rückleiter in kleinstmöglichem Abstand zu den jeweiligen Phasenleiter zurück. Dadurch wird die durch den Stromkreis aus Hin- und Rückleiter aufgespannte Fläche weiter minimiert und somit die Impedanz verringert. Dies wirkt sich wiederum positiv auf das elektrische Emissionsverhalten der gesamten Leitungsanordnung aus Phasenleitern und Leitersystem aus, da dadurch der Störspannungsabfall minimiert wird.
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Die Erfindung beruht auf den nachfolgend dargelegten Überlegungen:
In mechanisch verbundenen Kombinationen aus Inverter (IV) und elektrischer Maschine (EM) werden die beiden Komponenten aus akustischen und mechanischen Gründen oftmals entkoppelt. Diese Entkopplung bewirkt eine galvanische Trennung von Inverter und Maschine. Bislang werden im Stand der Technik die durch die Entkopplung entstehenden Übergänge durch flexible galvanische Verbindungen, insbesondere Litzen, an den Außenseiten der Komponenten überbrückt.
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Über die außenliegenden Verbindungen werden Störungen auf das Gehäuse der Komponenten geführt, was zu einer unerwünschten elektromagnetischen Abstrahlung führt. Außerdem stellen die Litzen bauartbedingt infolge der erforderlichen Leitungslängen eine erhöhte Impedanz dar, welche wiederum zu einer erhöhten elektromagnetischen Abstrahlung der Komponenten führt.
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Die elektromagnetische Abstrahlung kann sowohl den Rundfunkempfang in einem Fahrzeug und andere elektronische Komponenten beeinträchtigen. Weiterhin sind außenliegende Litzen verstärkt Einflüssen wie Korrosion und Alterung ausgesetzt, welche die elektrischen Eigenschaften im Laufe der Zeit weiter verschlechtern und die negativen elektromagnetischen Abstrahlungen, die als Störung für andere Komponenten wirken können, weiter verschlechtern.
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Außerdem stellen Metalllitzen, z. B. aus Kupfer, einen nicht unerheblichen Kosten und Gewichtsfaktor dar.
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Hochfrequente Strom- bzw. Spannungsstörungen, welche von der Invertereinheit ausgehen und hier als IStör bzw. UStör bezeichnet werden, sind dem Nutzsignal der elektrischen Maschine überlagert und breiten sich über die Phasenleitungen bzw. Stromschienen, die zwischen dem Inverter und der EM angeordnet sind, zur Maschine hin aus.
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Die Störungen weisen aus physikalischen Gründen – hier ist auf das Grundprinzip verwiesen, dass sich Strom vom höheren Potential zum niedrigeren Potential ausbreitet, – die Eigenschaft auf, einen elektrischen Stromkreis von der Quelle (hier der IV) zur Senke (hier ebenfalls der IV) hin zu schließen.
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Durch eine mechanische Entkopplung von EM und IV ist ein Rückpfad jedoch galvanisch unterbrochen. Dieser galvanisch hochohmige Übergang stellt für den Störstom IStör im Vergleich zu einem Übergang mit einer Litze nach dem Stand der Technik eine höhere Impedanz dar. Dies liegt an der elektrischer Störstromkreis ohne eine Litze über einen längeren Strompfad, z. B. über Karosserie- bzw. Gehäuseteile führt. Mit dem längeren Strompfad ist zudem eine weitere Erhöhung der Störspannung UStör im Vergleich zur Situation mit angebrachter Litze verbunden.
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Es wird alternativ vorgeschlagen, die Länge des Strompfades des elektrischen Störstromkreises in geschickter Weise zu optimieren. Dazu wird ein allen Phasen gemeinsamer oder ein jeder einzelnen Phase der EM zugeordneter, flächig ausgeführter Leiter zum Phasenleiter isoliert und parallel zu diesem angeordnet. Dieser Leiter bzw. diese Leiter werden als Leitersystem bezeichnet. Das Leitersystem verbindet die elektrische Masse des IV mit der Masse der EM in derem gedichteten Bereich. Der gedichtete Bereich ist ein Bereich innerhalb eines Gehäuses der EM, der gegen das Eindringen von Feuchtigkeit in geeigneter Weise, z. B. durch eine Kunststoffeinhausung, geschützt ist.
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Diese Ausführung ist besonders vorteilhaft. Die Führung des Störstroms führt alternativ zur Führung des Störstroms über eine Litze von Gehäuseaußenseite zu Gehäuseaußenseite von der EM innerhalb deren Gehäuses zurück zum IV, d. h. auf einem optimiert kurzen Leitungsweg parallel zum Phasenleiter. Dies führt zu einer Verminderung der Impedanz des Störstromkreises durch eine nahezu maximale mögliche Verkürzung des Störstromrückpfades. Ermöglicht wird dies durch die räumlich möglichst enge Führung des Leitersystems relativ zu den Phasenleitern.
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Mit dieser Maßnahme geht eine erhebliche Reduzierung der elektromagnetischen Abstrahlung einher. Die Problematik von Korrosion und Alterung der elektrischen Verbindung zwischen EM und IV reduziert sich im Vergleich zu einer Verbindung mit einer Litze deutlich bei gleichzeitiger Gewichts- und Kostenreduktion.
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Im Folgenden wird anhand der beigefügten Zeichnungen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Daraus ergeben sich weitere Details, bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung.
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Im Einzelnen zeigt schematisch
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1 Inverter und elektrische Maschine mit Phasenleitern und Leitersystem zur Entstörung
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Die 1 zeigt schematisch einen Ausschnitt eines Hochvoltbordnetzes eines Fahrzeugs mit einen 3-phasigen Inverter (1) mit drei Phasenausgängen (u, v, w) einer Brückenschaltungseinheit (2) des Inverters mit drei Halbbrücken. Über drei Phasenleitungen werden die Phasenströme zu einem Statorsystem einer elektrischen Maschine (3) übertragen. Inverter, Brückenschaltungseinheit und elektrische Maschine verfügen jeweils über ein Gehäuse (1a, 2a, 3a).
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Die Phasenströme sind bezüglich ihrer Grundwelle als Sinussignal ausgebildet. Infolge von nicht ideal funktionierenden Systemen und durch die Flankensteilheit beim Schalten der Hallbrücken (im kHz-Bereich) ist die Grundwelle im Frequenzspektrum mit hochfrequenten Störsignalen überlagert (im MHz-Bereich).
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Bei hohen Frequenzen werden Störstromkreise, gebildet durch die Störspannung UStör eine Störquelle (6) und den Störstrom IStör überwiegend durch parasitäre Kapazitäten geschlossen. Beispielsweise können sich elektromagnetische Störungen über eine maschinenseitige parasitäre Kapazität (4) auf das Gehäuse der elektrischen Maschine übertragen. Dieser Effekt wird auch als Gleichtaktstörung bezeichnet.
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Nach dem Stand der Technik ist das Gehäuse der elektrischen Maschine (3a) mit dem Gehäuse des Inverters (2a) über einen elektrischen Leiter elektrisch verbunden (nicht in 1 gezeigt).
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Um eine Beeinflussung angeschlossener Komponente im Fahrzeug durch weitere Kopplungen zu verhindern, ist nach der Ausführungsform in 1 ein Leitersystem (5, gestrichelt) zwischen dem Inverter und der elektrischen Maschine angeordnet. Dieses Leitersystem fungiert jedoch im Wesentlichen nicht als Rückleiter für die funktionalen Phasenströme des N-Leiter Systems sondern als Rückleitersystem für hochfrequente Störströme der Anordnung aus elektrischer Maschine und Inverter.
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Das Leitersystem ist als ein flächiger, metallischer Leiter ausgeführt, der galvanisch getrennt von den Phasenausgängen von innerhalb des Gehäuses der Brückenschaltungseinheit in das Innere des Gehäuses der elektrischen Maschine führt. In der elektrischen Maschine ist das Leitersystem ebenfalls galvanisch von den Phaseneingängen getrennt integriert.
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Die jeweiligen elektrischen Anbindungen des Leitersystems im Inverter und in der elektrischen Maschine sind leitend mit Masseverbindungspunkten innerhalb dieser Komponenten elektrisch verbunden. Dies kann auf Seiten der elektrischen Maschine das Gehäuse (3a) und auf Seiten des Inverters das Gehäuse der Brückenschaltungseinheit (2a) sein, die jeweils von deren Innenseiten kontaktiert sind. Zur Kontaktierung eignen sich bevorzugt nichtstarre, leitende Elemente (7a, 7b) für eine mechanische Entkopplung von den jeweiligen Gehäusen, z. B. mit Massebändern.
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Zusätzlich ist der metallische Flachleiter parallel zu den Phasenleitern angeordnet mit einem minimalen räumlichen Abstand. Der Abstand ist nach unten im Wesentlichen limitiert durch Aspekte, die sich z. B. aus Anforderungen an eine leichte Montierbarkeit, an Kurzschlusssicherheit durch Erschütterungen sowie an Mindestabstände betreffend Luft- und Kriechstrecken für eine Überschlagssicherheit ergeben.
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Durch diese Anordnung des Leitersystems werden Störströme wirkungsvoll zur Störquelle (6) zurückgeführt.
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Durch die räumliche Nähe wird die Impedanz der Leiterschleife, die durch den Störstromkreis gebildet wird, bestehend aus Phasenleiter und Flachleiter des Leitersystems minimiert. Dadurch ergibt sich eine niedrigere Impedanz gegenüber z. B. einer technischen Lösung mit Massebändern außerhalb der Komponenten, nach welcher die Rückleitung über die Gehäuseaußenseiten von elektrischer Maschine (3a) und Inverter (1a) und eine diese elektrisch verbindende Litze zustande kommt (nicht in 1 abgebildet). In diesem Sinne ist in dem vorliegenden Dokument der Begriff der Minimierung der Impedanz zu verstehen.
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Weiterhin wird durch die Ausnutzung des Proximity Effekts eine energetische Optimierung des Störstromflusses und somit eine weitere Verringerung der Induktivität der Leiterschleife über das Leitersystem gegenüber einer Lösung bspw. aus Kabeln oder Litzen über die Gehäuseaußenseiten von elektrischer Maschine und Inverter erreicht.
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Vorteilhaft an dieser Lösung ist neben der effektiven Entstörung des Systems im hochfrequenten Bereich auch deren Haltbarkeit und Robustheit. Dies folgt daraus, dass sämtliche der Entstörung dienenden elektrischen Anbindungen innerhalb von Gehäusen ausgebildet ist. Damit erhöht sich die Korrosionsfestigkeit.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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