DE102014209868A1

DE102014209868A1 - Control method and circuit arrangement for operating a drive machine

Info

Publication number: DE102014209868A1
Application number: DE102014209868.8A
Authority: DE
Inventors: Thomas Schencke
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2014-05-23
Filing date: 2014-05-23
Publication date: 2015-11-26

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Steuerverfahren und eine Schaltungsanordnung zum Betrieb einer elektrischen Antriebsmaschine (24), welche einen Rotor mit mindestens einem Polpaar und einen Stator mit einer elektrischen Wicklung besitzt. Die Wicklung weist m ≥ 1 Spulengruppen auf, die mit m Phasen (50–61) bestromt werden und jeweils n ≥ 1 gleichphasig bestromte Spulen (70–81) umfassen. In einem Schritt des Verfahrens werden Steuersignale für alle m Phasen (50–61) der Antriebsmaschine (24) generiert. Die Steuersignale werden in einem weiteren Schritt für n Treiberschaltungen (02–05) bereitgestellt. Jede der Treiberschaltungen (02–05) umfasst einen eigenen Stromrichter (10–13) für die m Phasen (50–61). Ein weiterer Schritt des Verfahrens umfasst das Bereitstellen von m·n Eingangsströmen durch die Stromrichter (10–13) und das Liefern der Eingangsströme an die einzelnen Spulen (70–81). Die Eingangsströme derselben Phase (50–61) weisen im Wesentlichen denselben Wert auf.The present invention relates to a control method and a circuit arrangement for operating an electric drive machine (24), which has a rotor with at least one pole pair and a stator with an electrical winding. The winding has m ≥ 1 coil groups, which are energized with m phases (50-61) and in each case n ≥ 1 in-phase energized coils (70-81) include. In one step of the method, control signals for all m phases (50-61) of the drive machine (24) are generated. The control signals are provided in a further step for n driver circuits (02-05). Each of the driver circuits (02-05) comprises its own power converter (10-13) for the m phases (50-61). Another step of the method includes providing m * n input currents through the power converters (10-13) and providing the input currents to the individual coils (70-81). The input currents of the same phase (50-61) have substantially the same value.

Description

Die Erfindung betrifft ein Steuerverfahren zum Betrieb einer rotierenden elektrischen Antriebsmaschine, gemäß welchem Eingangsströme zur Bestromung von Spulen einer elektrischen Wicklung der Antriebsmaschine gesteuert werden und eine Schaltstromsituation von Leistungsschaltern verbessert wird, indem erforderliche Schaltströme der Leistungsschalter reduziert werden. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Schaltungsanordnung zum Betrieb einer elektrischen Antriebsmaschine mit einer elektrischen Wicklung.The invention relates to a control method for operating a rotating electric drive machine, according to which input currents are controlled for energizing coils of an electrical winding of the prime mover and a switching current situation of circuit breakers is improved by required switching currents of the circuit breakers can be reduced. Furthermore, the invention relates to a circuit arrangement for operating an electric drive machine with an electrical winding.

Elektrische rotierende Antriebsmaschinen werden in verschiedenen Größen und mit unterschiedlichen Anforderungen an deren Leistungen in Maschinen, beispielsweise im Bereich des Maschinen- und Automatenbaus, des Fahrzeugbaus oder auch in Haushaltsgeräten eingesetzt. Sie werden mit Wechselstrom oder Gleichstrom betrieben und sind durch verschiedene Kenngroßen, wie beispielsweise einer elektrischen Leistung, einer Drehzahl, einer strombezogenen Leistungsaufnahme, einer Leistungsabgabe oder auch durch einen Wirkungsgrad charakterisiert.Electric rotating drive machines are used in various sizes and with different demands on their performance in machines, for example in the field of mechanical engineering and automatic construction, vehicle construction or in household appliances. They are operated with AC or DC and are characterized by various characteristics, such as an electrical power, a speed, a current-related power consumption, a power output or by an efficiency.

Die US 8,497,648 B2 zeigt ein Synchronmotor-Antriebssystem mit einer Steuereinheit und einem Wechselrichtermodul, das aus mehreren Wechselrichtern gebildet ist. Das Antriebssystem reduziert Vibrationen und Geräusche an einem Synchronmotor, der eine hohe Ausgangsleistung liefern soll. Der Synchronmotor weist mehrere Phasenspulengruppen auf, die sich jeweils aus drei Spulengruppen zusammensetzen und in der Form einer Sternschaltung miteinander verbunden sind. Dabei wird jede Phasenspulengruppe von einem Wechselrichter elektrisch gespeist. Im Antriebssystem werden aktuelle Werte der Phasenwinkel und der Ausgangsströme der Wechselrichter gemessen und an die Steuerung übermittelt. Parallel dazu werden Positionsdaten des Rotors ermittelt und ebenfalls an die Steuerung übergeben. Die Steuerung erarbeitet aus allen Daten Signale, die an Stelleinheiten der Wochselrichter geleitet werden. Die Wechselrichter speisen deren zugehörige Phasenspulengruppen mit korrigierten Strömen und mit versetzten Phasenwinkeln.The US 8,497,648 B2 shows a synchronous motor drive system with a control unit and an inverter module, which is formed of a plurality of inverters. The drive system reduces vibration and noise on a synchronous motor designed to deliver high output power. The synchronous motor has a plurality of phase coil groups, each composed of three coil groups and connected to each other in the form of a star connection. Each phase coil group is electrically powered by an inverter. In the drive system, current values of the phase angles and the output currents of the inverters are measured and transmitted to the controller. Parallel to this, position data of the rotor are determined and also transferred to the controller. From all the data, the control system generates signals that are routed to the setting units of the weekly judges. The inverters feed their associated phase coil groups with corrected currents and offset phase angles.

Beim Einsatz von Stromrichtern ist problematisch, dass der auszugebene Strom des Stromrichters, insbesondere bei Niederspannungsanwendungen mit hohen Antriebsleistungen einen sehr hohen Wert erreichen kann. Dies führt zu ungünstigen Leitungsquerschnitten, die hohe Kosten verursachen. In der Praxis werden die Stromrichter daher aufwändig als kaskadierte Teilumrichter oder als Matrix-Umrichter ausgebildet.When using converters, it is problematic that the output current of the power converter, especially in low-voltage applications with high drive power can reach a very high value. This leads to unfavorable cable cross-sections, which cause high costs. In practice, the power converters are therefore elaborately designed as a cascaded partial converter or as a matrix converter.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Steuerverfahren und eine Schaltungsanordnung zum Betrieb einer elektrischen Antriebsmaschine zur Verfügung zu stellen, durch welche die Schaltstromsituation am Stromrichter verbessert ist.The object of the present invention is to provide a control method and a circuit arrangement for operating an electric drive machine, by means of which the switching current situation at the power converter is improved.

Die Aufgabe wird durch ein Steuerverfahren gemäß dem beigefügten Anspruch 1 gelöst. Die Aufgabe wird weiterhin durch die Schaltungsanordnung gemäß dem beigefügten nebengeordneten Anspruch 3 gelöst.The object is achieved by a control method according to the appended claim 1. The object is further achieved by the circuit arrangement according to the attached independent claim 3.

Das erfindungsgemäße Steuerverfahren ist für einen Betrieb einer elektrischen Antriebsmaschine vorgesehen, welche einen Rotor mit mindestens einem Polpaar und einen Stator mit einer elektrischen Wicklung besitzt. Die Wicklung weist eine Anzahl m ≥ 1 an Spulengruppen auf, die mit m Phasen eines Eingangsstromes bestromt werden, wobei bevorzugt m ≥ 2 und weiter bevorzugt m = 3 ist. Jede der m Spulengruppen umfasst eine Anzahl n ≥ 1 gleichphasig bestromter Spulen, wobei bevorzugt n ≥ 2 und weiter bevorzugt n ≥ 4 ist. Dabei bilden die m Spulengruppen in Summe ein einphasiges oder mehrphasiges System. Dreiphasige Systeme mit m = 3 sind als eine Sternschaltung oder eine Dreiecksschaltung verschaltbar. Durch eine Verschaltung von Spulen jeder der m Phasen miteinander sind Teilmaschinen der Antriebsmaschine bildbar.The control method according to the invention is intended for operation of an electric drive machine which has a rotor with at least one pole pair and a stator with an electrical winding. The winding has a number m ≥ 1 of coil groups, which are energized with m phases of an input current, wherein preferably m ≥ 2, and more preferably m = 3. Each of the m coil groups comprises a number of n ≥ 1 coils energized in phase, preferably n ≥ 2 and more preferably n ≥ 4. The m coil groups in total form a single-phase or multi-phase system. Three-phase systems with m = 3 can be interconnected as a star connection or a triangular circuit. By interconnecting coils of each of the m phases with each other, partial machines of the drive machine can be formed.

In einem Schritt des Steuerverfahrens werden Steuersignale für alle m Phasen der Antriebsmaschine generiert. Im einfachsten Fall werden im Wert gleichbleibende, analoge und/oder digitale Steuersignale generiert.In one step of the control method, control signals are generated for all m phases of the drive machine. In the simplest case, constant, analog and / or digital control signals are generated in value.

In einer vorteilhaften Ausführungsform wird das einzelne Steuersignal aus einer Vielzahl von Prozessparametern generiert, die mittels Detektoren direkt in einem Steuerkreislauf und/oder an der Antriebsmaschine ermittelt werden und zur Verarbeitung an eine Steuereinheit übertragen werden. So ist das Steuerverfahren optimierbar und Regelgrößen je nach Anwendungsfall und Betriebsbedingungen anpassbar. Der Detektor kann beispielsweise ein Positionssensor zur Überwachung einer Rotorstellung, ein Temperatursensor, ein Strommessgerät, ein Spannungsmessgerät, ein Frequenzmesser oder auch ein Drehzahlsensor sein.In an advantageous embodiment, the individual control signal is generated from a plurality of process parameters, which are determined by means of detectors directly in a control circuit and / or on the drive machine and are transmitted to a control unit for processing. Thus, the control method can be optimized and controlled variables can be adapted depending on the application and operating conditions. The detector may be, for example, a position sensor for monitoring a rotor position, a temperature sensor, an ammeter, a voltage meter, a frequency meter or a speed sensor.

In einem weiteren Schritt werden die Steuersignale an n Treiberschaltungen bereitgestellt, wobei jede der n Treiberschaltungen einen eigenen Stromrichter für die m Phasen umfasst und diesen steuert. Die Stromrichter, beispielweise in Form von Wechselrichtern, können insbesondere jeweils einen Leistungsschalter darstellen. Die Steuersignale beinhalten beispielsweise Informationen über elektrische Sollströme, wobei die Sollsträme erforderliche Eingangsströme zum Schalten der Stromrichter, beispielsweise MOSFETs, sind. Funktionell wandeln die Stromrichter eine Stromart in eine andere Stromart um und generieren die erforderlichen Eingangsströme zum Speisen der m Phasen der Antriebsmaschine. Prinzipiell kann das einzelne Steuersignal ebenso ein Spannungssignal oder ein Frequenzsignal sein.In a further step, the control signals are provided to n driver circuits, each of the n driver circuits comprising and controlling a separate converter for the m phases. The power converters, for example in the form of inverters, may in particular each represent a circuit breaker. The control signals include, for example, information about nominal electrical currents, the nominal currents required input currents for switching the power converters, for example, MOSFETs are. Functionally, the converters convert one type of current into another type of current and generate the required input currents for feeding the m phases of the prime mover. In principle, the single control signal may also be a voltage signal or a frequency signal.

Bei einer abgewandelten Ausführungsform wird ein einziges Steuersignal generiert, welches an jede der Treiberschaltungen übermittelt wird.In a modified embodiment, a single control signal is generated, which is transmitted to each of the driver circuits.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird jede der n Treiberschaltungen, nämlich insbesondere auch der Stromrichter der jeweiligen Treiberschaltung, durch jeweils einen eigenen elektrischen Energiespeicher gespeist. Die elektrischen Energiespeicher können jeweils durch eine Batterie oder durch einen Superkondensator gebildet sein.In a preferred embodiment of the method, each of the n driver circuits, namely in particular the power converter of the respective driver circuit, each fed by its own electrical energy storage. The electrical energy storage can each be formed by a battery or by a supercapacitor.

In einem weiteren Schritt des Verfahrens werden m·n Eingangsströme von den Stromrichtern bereitgestellt und an die einzelnen Spulen der Antriebsmaschine weitergeleitet. Erfindungsgemäß weisen die Eingangsströme derselben Phase im Wesentlichen denselben Wert auf, d. h. diejenigen der Eingangsströme, welche derselben Phase der m Phasen zugeordnet sind, sind technisch gleich.In a further step of the method, m × n input currents are provided by the power converters and forwarded to the individual coils of the drive machine. According to the invention, the input currents of the same phase have substantially the same value, i. H. those of the input currents which are assigned to the same phase of the m phases are technically the same.

Grundsätzlich ist es möglich, das Verfahren um mindestens einen Verfahrensschritt zu erweitern und beispielsweise temporär nur einzelne Treiberschaltungen mit dem Steuersignal zu steuern bzw. zu regeln, sodass die anderen Treiberschaltungen während dieser Zeiten abgeschaltet sind. Die Steuereinheit verarbeitet dabei ermittelte Prozessparameter und wertet diese aus. Je nach Lastanforderung der Antriebsmaschine werden die Teilmaschinen ab- oder zugeschaltet.In principle, it is possible to expand the method by at least one method step and to temporarily control, for example, only individual driver circuits with the control signal, so that the other driver circuits are switched off during these times. The control unit processes determined process parameters and evaluates them. Depending on the load requirement of the prime mover, the dividing machines are switched off or switched on.

Weiterhin betrifft die Erfindung eine Schaltungsanordnung zum Betrieb einer elektrischen Antriebsmaschine, wobei die elektrische Antriebsmaschine einen Rotor mit mindestens einem Polpaar und einen Stator mit einer elektrischen Wicklung besitzt. Die elektrische Wicklung weist eine Anzahl m ≥ 1 an Spulengruppen auf, die m Phasen bilden und jeweils n ≥ 1 gleichphasig zu bestromende Spulen besitzen. Die Schaltungsanordnung umfasst n elektrische Treiberschaltungen, die jeweils einen eigenen Leistungsschalter umfassen, der durch einen Stromrichter gebildet ist. Die Schaltungsanordnung umfasst weiterhin jeweils einen elektrischen Energiespeicher für jede der n Treiberschaltungen, sodass jede der n Treiberschaltungen durch jeweils einen eigenen Energiespeicher elektrisch speisbar ist. Die Energiespeicher dienen insbesondere der Speisung oder der Pufferung der Stromrichter.Furthermore, the invention relates to a circuit arrangement for operating an electric drive machine, wherein the electric drive machine has a rotor with at least one pole pair and a stator with an electrical winding. The electrical winding has a number m ≥ 1 of coil groups which form m phases and each have n ≥ 1 in-phase coils to be energized. The circuit arrangement comprises n electric drive circuits, each comprising a separate power switch, which is formed by a power converter. The circuit arrangement further comprises in each case an electrical energy store for each of the n driver circuits, so that each of the n driver circuits can be electrically fed by its own energy store. The energy storage are used in particular for feeding or buffering the power converter.

Die Energiespeicher sind bevorzugt jeweils durch eine Batterie oder durch einen Superkondensator gebildet.The energy stores are preferably each formed by a battery or by a supercapacitor.

Die Energiespeicher können jeweils einen elektrischen Stromausgleich für die Treiberschaltungen bilden, indem sie fehlende oder schwankende Ströme ausgleichen.The energy stores can each provide an electrical current compensation for the driver circuits by compensating for missing or fluctuating currents.

Je nach einer Anzahl der m Phasen der Antriebsmaschine sind die Spulengruppen als ein einphasiges oder mehrphasiges System verschaltet. Dreiphasige Systeme sind als eine Sternschaltung oder eine Dreiecksschaltung verschaltbar. Durch eine Verschaltung von Spulen jeder der m Phasen miteinander sind Teilmaschinen der Antriebsmaschine bildbar. Dabei ist jede der Teilmaschinen von einem eigenständig betriebenen bevorzugt mehrphasigen Stromrichter elektrisch gespeist, um zu schaltende Ströme durch eine Aufteilung auf mehrere Stromrichter zu reduzieren. So sind die Stromrichter und Leitungsquerschnitte von Stromleitungen in vorteilhafter Weise kleiner dimensionierbar. Prinzipiell ist es jedoch möglich, mit einem Stromrichter mehrere Teilmaschinen anzusteuern und dabei mehrere Stromrichter parallel zu betreiben. Die Teilmaschinen sind auch in einer Reihen-Parallelschaltung betreibbar.Depending on a number of m phases of the drive machine, the coil groups are connected as a single-phase or multi-phase system. Three-phase systems can be interconnected as a star connection or a triangular circuit. By interconnecting coils of each of the m phases with each other, partial machines of the drive machine can be formed. In this case, each of the sub-machines is powered by an independently powered preferably polyphase power converter to reduce currents to be switched by splitting several converters. Thus, the power converters and cable cross sections of power lines are advantageously smaller dimensioned. In principle, however, it is possible to control a number of submachines with one power converter and to operate several power converters in parallel. The sub-machines are also operable in a series-parallel connection.

Durch die Möglichkeit einer einzelnen Ansteuerung parallel geschalteter Teilmaschinen sind diese bezogen auf eine Leistungsanforderung der Antriebsmaschine auch einzeln ab- und zuschaltbar. Damit ist es möglich, Teilmaschinen bei einer schwachen Beanspruchung der Antriebsmaschine abzuschalten und Verluste an den Stromrichtern zu reduzieren. Weiterhin ist vorteilhaft, dass die Teilmaschinen im Falle eines ermittelten Defekts abschaltbar sind, um so mögliche Folgeschäden an anderen Bauteilen zu vermeiden. Des Weiteren ist ein kostengünstiges Austauschen von defekten Bauteilen ermöglicht.Due to the possibility of a single control parallel connected submachines these are based on a power requirement of the prime mover and individually switched off and added. This makes it possible to disconnect part machines at a low stress of the prime mover and to reduce losses to the converters. Furthermore, it is advantageous that the sub-machines can be switched off in the case of a detected defect so as to avoid possible consequential damage to other components. Furthermore, a cost-effective replacement of defective components is possible.

In einer bevorzugten Ausführung ist die Antriebsmaschine ein Elektromotor eines Fahrzeugs. Die n Treiberschaltungen sind insbesondere für eine Betriebsspannung zwischen 10 V und 100 V ausgelegt. Darüber hinaus sind auch andere Betriebsspannungen größer als 100 V oder kleiner als 10 V möglich.In a preferred embodiment, the prime mover is an electric motor of a vehicle. The n driver circuits are designed in particular for an operating voltage between 10 V and 100 V. In addition, other operating voltages greater than 100 V or less than 10 V are possible.

Grundsätzlich kann die Antriebsmaschine durch eine Drehfeldmaschine, durch eine blockkommutierte Antriebsmaschine, wie eine permanenterregte Synchronmaschine (PSM), eine Asynchronmaschine (ASM) oder auch eine bürstenlose Gleichstrommaschine gebildet sein. Die Anzahl der Phasen hängt vom Typ der Antriebsmaschine ab und entspricht der Anzahl m ≥ 1.In principle, the drive machine can be formed by a rotating field machine, by a block-commutated drive machine, such as a permanent-magnet synchronous machine (PSM), an asynchronous machine (ASM) or even a brushless DC machine. The number of phases depends on the type of prime mover and corresponds to the number m ≥ 1.

Die Antriebsmaschine kann als Innenläufer oder als Außenläufer ausgebildet sein. Auch kann es sich um eine rotatorische oder lineare Maschine handeln. Bei einem Linearmotor ist der Rotor durch einen Läufer gebildet. The prime mover can be designed as an internal rotor or as an external rotor. It can also be a rotary or linear machine. In a linear motor, the rotor is formed by a rotor.

Die Schaltungsanordnung ist bevorzugt in einem Steuerkreislauf integriert, in welchem eine Steuereinheit zum Regeln und/oder Steuern der Treiberschaltungen vorhanden ist. Dabei ist die Steuereinheit in der bevorzugten Ausführung eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS). In weiteren Ausführungsmöglichkeiten ist die Steuereinheit ein Controller zum Steuern von Vorgängen oder ein Industrie-PC, der auch zusätzliche Funktionen, wie beispielsweise eine Visualisierung von Prozessen oder ein Erstellen und/oder Verwalten von Statistiken ermöglicht.The circuit arrangement is preferably integrated in a control circuit in which a control unit for controlling and / or controlling the driver circuits is present. The control unit in the preferred embodiment is a programmable logic controller (PLC). In other embodiments, the control unit is a controller for controlling operations or an industrial PC that also provides additional functions such as visualization of processes or creation and / or management of statistics.

Die von der Steuereinheit gesteuerten Treiberschaltungen wandeln jeweils einen Eingangsstrom in einen Ausgangsstrom um, der einem erforderlichen Schaltstrom des nachgeschalteten Stromrichters entspricht. In Abhängigkeit vom Anwendungsfall sind verschiedenartige Treiberschaltungen einsetzbar. In der bevorzugten Ausführung ist die Treiberschaltung eine Gegentakt-Treiberschaltung, da diese hohe Ausgangsströme liefern kann. Alternativ sind Logikgatter einsetzbar, die parallel geschaltet den erforderlichen Schaltstrom für den einzelnen Stromrichter liefern. Weiterhin sind auch einfache Treiberschaltungen aus beispielsweise einem Bipolar-Transistor und einem Pull-up-Widerstand anwendbar.The control circuits controlled by the control unit each convert an input current into an output current which corresponds to a required switching current of the downstream power converter. Depending on the application, various driver circuits can be used. In the preferred embodiment, the driver circuit is a push-pull driver circuit, as it can deliver high output currents. Alternatively, it is possible to use logic gates which, connected in parallel, supply the required switching current for the individual power converter. Furthermore, simple driver circuits of, for example, a bipolar transistor and a pull-up resistor are applicable.

Die durch die Treiberschaltung gesteuerten Stromrichter können als ein Gleichrichter oder ein Wechselrichter ausgeführt sein. In der bevorzugten Ausführung sind die Stromrichter Wechselrichter, welche die Spulengruppen eines Drehfeldantriebs elektrisch speisen. Vorteilhaft sind die Wechselrichter im Wesentlichen durch einen Feldeffekttransistor (MOSFET) gebildet. Weitere Stromrichter, wie beispielsweise Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT), Dioden oder Thyristoren sind ebenso einsetzbar. Auch Brückenschaltungen, wie beispielsweise eine Sechspulsbrückenschaltung, sind bevorzugt als Stromrichter mit einer Treiberschaltung kombinierbar.The power converter controlled by the drive circuit may be implemented as a rectifier or an inverter. In the preferred embodiment, the power converters are inverters that electrically feed the coil groups of a rotary field drive. Advantageously, the inverters are essentially formed by a field-effect transistor (MOSFET). Other power converters such as insulated gate bipolar transistors (IGBTs), diodes or thyristors can also be used. Also, bridge circuits, such as a six-pulse bridge circuit, are preferably combined as a power converter with a driver circuit.

Die Aufteilung der Eingangsströme auf die Anzahl von Teilmaschinen wirkt sich zudem positiv auf eine Kühlung der Stromrichter aus. Durch eine gesamt vergrößerte Kühlfläche mehrerer Stromrichter werden sogenannte Hot Spots vermieden und einer Zerstörung der Stromrichter durch zu hohe Temperaturen effektiv entgegengewirkt. Bevorzugt sind die Treiberschaltungen mit den Stromrichtern in der Antriebsmaschine, oder in räumlicher Nähe zu der Antriebsmaschine angeordnet, um kurze Leitungen zu realisieren. Auf diese Weise ist gegenüber langen elektrischen Anschlussleitungen eine verbesserte elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) erreichbar. Es sind beispielsweise bei Fahrzeuganwendungen nur zwei Hochstromleitungen für Plus und Minus erforderlich, die ggf. keine EMV-Schirmung benötigen.The distribution of the input currents to the number of sub-machines also has a positive effect on a cooling of the power converters. Through a total enlarged cooling surface of multiple power converters so-called hot spots are avoided and effectively counteracted destruction of the power converter by excessive temperatures. Preferably, the driver circuits are arranged with the power converters in the prime mover, or in spatial proximity to the prime mover to realize short lines. In this way, compared to long electrical leads improved electromagnetic compatibility (EMC) can be achieved. For example, in vehicle applications, only two high current lines for plus and minus are required, which may not require EMC shielding.

Zur Reduzierung von Schwingungen und den damit verbundenen Geräuschen können die ausgebildeten Teilmaschinen auch phasenversetzt angesteuert werden.To reduce vibrations and the associated noise, the trained part machines can also be controlled out of phase.

Grundsätzlich weist die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung bevorzugt auch diejenigen Merkmale auf, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Steuerverfahren beschrieben sind.In principle, the circuit arrangement according to the invention preferably also has those features which are described in connection with the control method according to the invention.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:Further advantages and details of the invention will become apparent from the following description of a preferred embodiment of the invention in comparison with the prior art, with reference to the drawing. Show it:

1: eine bevorzugte Ausführung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung als Blockschaltbild; und 1 a preferred embodiment of a circuit arrangement according to the invention as a block diagram; and

2: eine aus dem Stand der Technik bekannte Schaltungsanordnung als Blockschaltbild. 2 : A known from the prior art circuit arrangement as a block diagram.

1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zum Betrieb einer rotierenden Antriebsmaschine 24, die einen Rotor mit mindestens einem Polpaar (nicht gezeigt) und einen Stator mit einer elektrischen Wicklung umfasst, die durch zwölf Spulen 70–81 gebildet ist. Dabei umfasst die Schaltungsanordnung eine Steuereinheit 01. Die Schaltungsanordnung umfasst weiterhin vier Treiberschaltungen 02, 03, 04, 05, die je einen von vier Leistungsschaltern 10, 11, 12, 13 steuern, und vier Energiespeicher 20, 21, 22, 23, die über Versorgungsleitungen 110, 111, 112, 113 die Treiberschaltungen 02–05 und damit auch die Leistungsschalter 10–13 elektrisch speisen oder zumindest puffern. Dabei speisen die Leistungsschalter 10–13 über je drei Phasenleiter 50–61 die Spulen 70–81 der elektrischen Wicklung. Je drei Spulen 70, 71, 72; 73, 74, 75; 76, 77, 78; 79, 80, 81 der drei Phasen sind in Sternschaltung miteinander verschaltet und bilden jeweils gemeinsam eine dreiphasige Teilmaschine 90, 91, 92, 93. Dabei ist darauf zu achten, dass jede der Teilmaschinen 90–93 ihren eigenen Sternpunkt besitzt und kein gemeinsamer Sternpunkt gebildet wird. Jede der vier Teilmaschinen 90–93 wird durch eine dreiphasige Spannungsquelle 95, 96, 97, 98 gespeist. 1 shows a preferred embodiment of a circuit arrangement according to the invention for operating a rotating drive machine 24 comprising a rotor having at least one pole pair (not shown) and a stator having an electrical winding passing through twelve coils 70 - 81 is formed. In this case, the circuit arrangement comprises a control unit 01 , The circuit arrangement further comprises four driver circuits 02 . 03 . 04 . 05 , each one of four circuit breakers 10 . 11 . 12 . 13 control, and four energy storage 20 . 21 . 22 . 23 that have utility lines 110 . 111 . 112 . 113 the driver circuits 02 - 05 and with it the circuit breakers 10 - 13 feed or at least buffer it. The circuit breakers feed in the process 10 - 13 via three phase conductors each 50 - 61 the spools 70 - 81 the electrical winding. Three coils each 70 . 71 . 72 ; 73 . 74 . 75 ; 76 . 77 . 78 ; 79 . 80 . 81 The three phases are connected in star connection with each other and together form a three-phase sub-machine 90 . 91 . 92 . 93 , It is important to ensure that each of the sub-machines 90 - 93 has its own star point and no common star point is formed. Each of the four submachines 90 - 93 is powered by a three-phase voltage source 95 . 96 . 97 . 98 fed.

Es sind somit vier gleichartige und parallel zueinander verlaufende Steuerstrecken 30, 31, 32, 33 ausgebildet, die ausgehend von der Steuereinheit 01 je eine der vier Treiberschaltungen 02–05 mit je einem der Energiespeicher 20–23 umfasst. Die Steuerstrecken 30–33 umfassen weiterhin den an die jeweilige Treiberschaltung 02–05 angeschlossenen Leistungsschalter 10–13. Jede der vier Treiberschaltungen 02–05 ist mit je einem Ausgang der Steuereinheit 01 über eine Signalleitung 40, 41, 42, 43 verbunden, um Steuersignale von der Steuereinheit 01 empfangen zu können. Die Steuereinheit 01 generiert Steuersignale für die zu steuernden Ströme auf den Phasenleitern 50–61 der Antriebsmaschine 24.There are thus four similar and parallel control paths 30 . 31 . 32 . 33 formed, starting from the control unit 01 one each of the four driver circuits 02 - 05 each with one of the energy storage 20 - 23 includes. The tax stretches 30 - 33 further comprise the to the respective driver circuit 02 - 05 connected circuit breaker 10 - 13 , Each of the four driver circuits 02 - 05 is each with an output of the control unit 01 via a signal line 40 . 41 . 42 . 43 connected to control signals from the control unit 01 to be able to receive. The control unit 01 generates control signals for the currents to be controlled on the phase conductors 50 - 61 the prime mover 24 ,

Die Treiberschaltungen 02–05 beliefern die Leistungsschalter 10–13 über Stromleitungen 100, 101, 102, 103 mit Strömen, die im Vergleich zu Eingangsströmen der Treiberschaltungen 02–05 erhöht sind und erforderlichen Schaltströmen der Leistungsschalter 10–13 entsprechen.The driver circuits 02 - 05 supply the circuit breakers 10 - 13 via power lines 100 . 101 . 102 . 103 with currents compared to input currents of the driver circuits 02 - 05 are increased and required switching currents of the circuit breaker 10 - 13 correspond.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zeigt eine Aufteilung der Steuersignale und der zu schaltenden Ströme der Steuerstrecken 30, 31, 32, 33. Dadurch ist ermöglicht, die zu schaltenden Ströme, die für eine Versorgung der Antriebsmaschine 24 erforderlich sind, auf kleinere Teilströme zu begrenzen, um eine günstigere Bauteildimensionierung zu erzielen. Weiterhin wird durch die Aufteilung der von den Leistungsschaltern 10–13 gelieferten Eingangsströme auf die einzelnen Teilmaschinen 90–93 erreicht, dass die Teilmaschinen 90–93 eigenständig betrieben werden können. Jede der Teilmaschinen 90–93 ist unabhängig von den anderen Teilmaschinen 90–93 ab- und zuschaltbar. So wird ein hinsichtlich Lastanforderung optimierter Betrieb der Antriebsmaschine 24 erzielt. Ebenso kann eine der Teilmaschinen 90–93 im Falle eines Defekts separat abgeschaltet werden.The circuit arrangement according to the invention shows a division of the control signals and the currents of the control paths to be switched 30 . 31 . 32 . 33 , This makes it possible, the currents to be switched, for a supply of the prime mover 24 are required to limit to smaller partial flows in order to achieve a more favorable component dimensioning. Furthermore, the distribution of the circuit breakers 10 - 13 supplied input currents to the individual sub-machines 90 - 93 achieved that the part machines 90 - 93 can be operated independently. Each of the submachines 90 - 93 is independent of the other submachines 90 - 93 can be switched off and on. Thus, an optimized in terms of load request operation of the prime mover 24 achieved. Likewise, one of the submachines 90 - 93 be shut off separately in the event of a defect.

2 zeigt eine aus dem Stand der Technik bekannte Schaltungsanordnung zum Betrieb der rotierenden Antriebsmaschine 24, die zunächst der in 1 gezeigten Antriebsmaschine 24 gleicht. Dabei umfasst die Schaltungsanordnung eine Steuereinheit 201. Die Schaltungsanordnung umfasst weiterhin eine Treiberschaltung 202, die einen Leistungsschalter 210 steuert. Dabei speist der Leistungsschalter 210 über drei Phasenleiter 250, 251, 252 die Spulen 70–81 der elektrischen Wicklung. Jede von je vier gleichphasigen Spulen 70, 73, 76, 79; 71, 74, 77, 80; 72, 75, 78, 81 wird von dem zugehörigen Phasenleiter 250, 251, 252 des Leistungsschalters 210 bestromt. 2 shows a known from the prior art circuit arrangement for operating the rotary drive machine 24 , who is the first in 1 shown drive machine 24 like. In this case, the circuit arrangement comprises a control unit 201 , The circuit arrangement further comprises a driver circuit 202 that have a circuit breaker 210 controls. The circuit breaker feeds 210 over three phase conductors 250 . 251 . 252 the spools 70 - 81 the electrical winding. Each of four in-phase coils 70 . 73 . 76 . 79 ; 71 . 74 . 77 . 80 ; 72 . 75 . 78 . 81 is from the associated phase conductor 250 . 251 . 252 of the circuit breaker 210 energized.

Im Unterschied zur erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung steuert die Steuereinheit 201 gemäß dem Stand der Technik lediglich die einzelne Treiberschaltung 202. Über eine Signalleitung 240 übermittelt die Steuereinheit 201 ein generiertes Steuersignal an die Treiberschaltung 202. Gleichzeitig speist die Steuereinheit 201 über die Signalleitung 240 die Treiberschaltung 202. An die Treiberschaltung 202 schließt sich der Leistungsschalter 210 an, der von der Treiberschaltung 202 über eine Stromleitung 211 mit einem Strom gesteuert wird. Dabei entspricht ein ausgangsseitiger Strom der Treiberschaltung 202 einem erforderlichen Schaltstrom für den Leistungsschalter 210. Der Leistungsschalter 210 beliefert die Spulen 70, 71, 72; 73, 74, 75; 76, 77, 78; 79, 80, 81 der Antriebsmaschine 24 mit Eingangsströmen. Die Phasenleiter 250, 251, 252 versorgen im Unterschied zur erfindungsgemäßen Schaltanordnung mehrere gleichphasige Spulen 70, 73, 76, 79; 71, 74, 77, 80; 72, 75, 78, 81, wobei die gleichphasigen Spulen 70‚ 73, 76, 79; 71, 74, 77, 80; 72, 75, 78, 81 parallel geschaltet sind.In contrast to the circuit arrangement according to the invention controls the control unit 201 according to the prior art, only the single driver circuit 202 , Via a signal line 240 transmits the control unit 201 a generated control signal to the driver circuit 202 , At the same time the control unit feeds 201 over the signal line 240 the driver circuit 202 , To the driver circuit 202 closes the circuit breaker 210 on, by the driver circuit 202 via a power line 211 is controlled by a current. In this case, an output-side current corresponds to the driver circuit 202 a required switching current for the circuit breaker 210 , The circuit breaker 210 supplies the coils 70 . 71 . 72 ; 73 . 74 . 75 ; 76 . 77 . 78 ; 79 . 80 . 81 the prime mover 24 with input currents. The phase conductors 250 . 251 . 252 supply, in contrast to the switching arrangement according to the invention several in-phase coils 70 . 73 . 76 . 79 ; 71 . 74 . 77 . 80 ; 72 . 75 . 78 . 81 , wherein the in-phase coils 70 . 73 . 76 . 79 ; 71 . 74 . 77 . 80 ; 72 . 75 . 78 . 81 are connected in parallel.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

0101: Steuereinheitcontrol unit
02–0502-05: Treiberschaltungendriver circuits
10–1310-13: Leistungsschalterbreakers
20–2320-23: Energiespeicherenergy storage
2424: Antriebsmaschineprime mover
30–3330-33: Steuerstreckecontrol range
40–4340-43: Signalleitungsignal line
50–6150-61: Phasenleiterphase conductor
70–8170-81: SpuleKitchen sink
90–9390-93: Teilmaschinepart machine
95–9895-98: Spannungsquellevoltage source
100–103100-103: Stromleitungpower line
110–113110-113: Versorgungsleitungsupply line
201201: Steuereinheitcontrol unit
202202: Treiberschaltungdriver circuit
210210: Leistungsschalterbreakers
211211: Stromleitungpower line
240240: Signalleitungsignal line
250–252250-252: Phasenleiterphase conductor

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 8497648 B2 [0003]

Claims

Control method for operating a rotating electric drive machine ( 24 ), which has a rotor with at least one pair of poles and a stator with an electrical winding, wherein the electrical winding has m ≥ 1 coil groups with m phases ( 50 - 61 ) and in each case n ≥ 1 equi-phase energized coils ( 70 - 81 ), the control method comprising the steps of: generating control signals for all m phases ( 50 - 61 ) of the prime mover ( 24 ); Providing the control signals to n driver circuits ( 02 - 05 ), each with its own converter ( 10 - 13 ) for the m phases ( 50 - 61 ); and • providing m * n input currents through the power converters ( 10 - 13 ) and supplying these input currents to the individual coils ( 70 - 81 ), all input currents of the same phase ( 50 - 61 ) have substantially the same value.

Control method according to Claim 1, characterized in that the n driver circuits ( 02 - 05 ) by an electrical energy store ( 20 - 23 ) are fed.

Circuit arrangement for operating an electric drive machine ( 24 ), wherein the electric drive machine has a rotor with at least one pole pair and a stator with an electrical winding, which has a number m ≥ 1 of coil groups, the m phases ( 50 - 61 ) and in each case n ≥ 1 in-phase coils to be energized ( 70 - 81 ), wherein the circuit arrangement n electrical drive circuits ( 02 - 05 ), each having its own converter ( 10 - 13 ) for the m phases ( 50 - 61 ), characterized in that the circuit arrangement further comprises an electrical energy store ( 20 - 23 ) for each of the n driver circuits ( 02 - 05 ).

Circuit arrangement according to Claim 3, characterized in that it is used to operate the drive machine (10) formed by an electric motor ( 24 ) of a vehicle, wherein the n electrical drive circuits ( 02 - 05 ) are designed for an operating voltage between 10 V and 100 V.