DE102016118634A1

DE102016118634A1 - Schaltungsanordnung und elektrische Maschine

Info

Publication number: DE102016118634A1
Application number: DE102016118634.1A
Authority: DE
Inventors: Adrian Patzak; Florian BACHHEIBL
Original assignee: Volabo GmbH
Current assignee: Molabo GmbH
Priority date: 2016-09-30
Filing date: 2016-09-30
Publication date: 2018-04-05
Also published as: CN109845086A; US10938333B2; CN109845086B; US20190245473A1; WO2018060337A1

Abstract

Es wird eine Schaltungsanordnung (10) zum Ansteuern einer Statorwicklung (11) eines Stators (12) einer elektrischen Maschine (13) angegeben. Die Statorwicklung (11) weist mindestens vier elektrische Phasen (φ) auf, welche dazu ausgelegt sind mit einem jeweils eigenen Phasenstrom (I_n) gespeist zu werden. Jeder elektrischen Phase (φ) ist ein Modulationssignal (M) zugeordnet und die Modulationssignale (M) sind zueinander phasenverschoben, so dass die Statorwicklung (11) dazu ausgelegt ist ein Drehfeld zu erzeugen. Mindestens zwei Trägersignale (T) zur Erzeugung der Phasenströme (I_n) werden bereitgestellt und die elektrischen Phasen (φ) sind in mindestens zwei Gruppen aufgeteilt, denen je ein Trägersignal (T) zugeordnet ist. Die Trägersignale (T) weisen einen Phasenversatz (θ) zueinander auf. Außerdem wird eine elektrische Maschine (13) mit einer Schaltungsanordnung (10) angegeben.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Ansteuern einer Statorwicklung eines Stators einer elektrischen Maschine und eine elektrische Maschine.
Elektrische Maschinen können motorisch oder generatorisch betrieben werden. Die elektrische Maschine kann einen Stator und einen relativ dazu beweglich gelagerten Rotor umfassen. Der Stator kann eine elektrische Wicklung umfassen, welche an ein Stromsystem angeschlossen wird, das mehrphasig sein kann.
Elektrische Maschinen können beispielsweise als Motor in Hybrid- und Batterie-elektrischen Fahrzeugen verwendet werden. Dabei besteht bei diesen Fahrzeugen das Problem, dass die Batteriespannungen sehr hoch sind und deshalb auch die Umrichter für hohe Spannungen ausgelegt sein müssen. Aufgrund der hohen Batteriespannungen sind Isolierungs- und Sicherheitsmaßnahmen notwendig. Wird ein elektrischer Motor bei einer kleineren Batteriespannung betrieben, treten höhere Stromstärken an der Batterie und im übrigen Bordnetz auf. Das heißt, die Bestandteile des Bordnetzes müssen für diese hohen Stromstärken ausgelegt sein.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, eine Schaltungsanordnung zum Ansteuern einer Statorwicklung eines Stators einer elektrischen Maschine anzugeben, welche sicher betrieben werden kann und günstig hergestellt werden kann. Eine weitere Aufgabe besteht darin, eine elektrische Maschine anzugeben, welche sicher betrieben werden und günstig hergestellt werden kann.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Schaltungsanordnung zum Ansteuern einer Statorwicklung eines Stators einer elektrischen Maschine weist die Statorwicklung mindestens vier elektrische Phasen auf, welche dazu ausgelegt sind, mit einem jeweils eigenen Phasenstrom gespeist zu werden. Die Statorwicklung kann also beispielsweise an eine Leistungselektronik angeschlossen sein, welche jede der elektrischen Phasen mit einem eigenen Phasenstrom versorgt. Die elektrischen Phasen können beispielsweise durch elektrisch leitfähige Stäbe in Nuten in einem oder mehreren Statorblechen des Stators gebildet sein.
Bei der Schaltungsanordnung ist jeder elektrischen Phase ein Modulationssignal zugeordnet und die Modulationssignale sind zueinander phasenverschoben, so dass die Statorwicklung dazu ausgelegt ist, ein Drehfeld zu erzeugen. Die Modulationssignale können beispielsweise sinusförmig sein. Durch die Phasenverschiebung der Modulationssignale werden im Stator im Betrieb der elektrischen Maschine eine Anzahl von magnetischen Polen erzeugt, die sich entlang des Umfangs eines Luftspalts zwischen einem Stator und einem Rotor der elektrischen Maschine drehen. Kann ein Rotor der elektrischen Maschine mit der Polpaarzahl des Stators interagieren, so kann der Rotor durch das Drehfeld angetrieben werden.
Es werden mindestens zwei Trägersignale zur Erzeugung der Phasenströme bereitgestellt. Die Trägersignale können die Form eines Dreiecksignals oder eines Sägezahnsignals aufweisen. Die Phasenströme können dabei durch Pulsweitenmodulation mit Sinusdreieckvergleich erzeugt werden.
Dabei sind die elektrischen Phasen in mindestens zwei Gruppen aufgeteilt, denen je ein Trägersignal zugeordnet ist und die Trägersignale weisen einen Phasenversatz zueinander auf. Falls die elektrischen Phasen beispielsweise in zwei Gruppen aufgeteilt sind, kann der Phasenversatz zwischen den Trägersignalen 180 Grad betragen.
Wenn eine elektrische Maschine mit einer kleinen Batteriespannung betrieben wird, beispielsweise kleiner als 60 Volt, können sehr hohe Batterieströme und sehr hohe Ströme im Bordnetz auftreten. Deshalb ist es vorteilhaft die Wege zwischen der Batterie und der Leistungselektronik kurz zu halten. Besonders hohe Ströme können in einem Zwischenkreis der Leistungselektronik auftreten, wo jeder elektrischen Phase eine dedizierte Halbbrücke zur Erzeugung der Phasenströme zugeordnet ist. Der an einem zentralen Zwischenkreiskondensator auftretende Strom kann als der Wechselanteil der überlagerten Phasenströme angenommen werden. Der Effektivwert I_C des Stromes am Zwischenkreiskondensator hängt vom Zeitverlauf des Stromes i_C ab, wie in Gleichung 1 gezeigt:
wobei hier über eine Zeitdauer T gemittelt wird.
Falls der Phasenversatz zwischen den Trägersignalen 0 beträgt, überlagern sich auch die Phasenströme am Zwischenkreiskondensator ohne Phasenversatz, was zu hohen Amplituden des Stroms am Zwischenkreiskondensator führen kann. Durch den Phasenversatz der verschiedenen Trägersignale kann jedoch der Effektivwert des Stroms am Zwischenkreiskondensator reduziert werden. Durch das Bereitstellen von mindestens zwei Trägersignalen können die Halbbrücken im Zwischenkreis versetzt zueinander angesteuert werden. Deshalb sind nicht alle Phasenströme gleichzeitig maximal, sondern sie sind zeitlich zueinander versetzt.
Eine Reduzierung des Stromes am Zwischenkreiskondensator kann jedoch nur erreicht werden, wenn die Statorwicklung mehr als drei, also mindestens vier elektrische Phasen aufweist. Diese können dann von mindestens zwei Trägersignalen angesteuert werden. Wenn der maximal am Zwischenkreiskondensator auftretende Strom verringert wird, kann auch der Zwischenkreiskondensator selbst verkleinert werden. Mit dieser Art der Ansteuerung kann also die Schaltungsanordnung sicherer betrieben werden, da nur kleine Spannungen auftreten und sie kann günstig hergestellt werden, da der Zwischenkreiskondensator kleiner ausgelegt sein kann.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Schaltungsanordnung zum Ansteuern einer Statorwicklung eines Stators einer elektrischen Maschine weist die Statorwicklung mindestens vier elektrische Phasen auf, welche dazu ausgelegt sind, mit einem jeweils eigenen Phasenstrom gespeist zu werden. Die Schaltungsanordnung umfasst ein Mittel, um jeder elektrischen Phase ein Modulationssignal zuzuordnen und die Modulationssignale zueinander phasenzuverschieben, so dass die Statorwicklung dazu ausgelegt ist, ein Drehfeld zu erzeugen. Die Schaltungsanordnung umfasst weiter ein Mittel zur Erzeugung von mindestens zwei Trägersignalen zur Erzeugung der Phasenströme. Dabei sind die elektrischen Phasen in mindestens zwei Gruppen aufgeteilt, denen je ein Trägersignal zugeordnet ist und die Trägersignale weisen einen Phasenversatz zueinander auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Schaltungsanordnung sind die Modulationssignale zueinander um 360 / N·p Grad verschoben, wobei N die Anzahl der elektrischen Phasen bezeichnet und p eine natürliche Zahl ist. Somit können im Betrieb der elektrischen Maschine im Stator mindestens zwei Pole erzeugt werden. Die Phasenströme in der elektrischen Wicklung erzeugen ein Drehfeld, welches zeitlich veränderlich ist, so dass in einem Rotor der elektrischen Maschine ein Drehmoment erzeugt werden kann, falls dieser mit der Polpaarzahl des Stators interagiert. Falls p die Polpaarzahl des Stators ist, können im Stator auch Drehfelder mit einer Polpaarzahl von größer als 1 erzeugt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Schaltungsanordnung ist die Frequenz des Trägersignals größer als die Frequenz des Modulationssignals. Bevorzugt ist die Frequenz des Trägersignals viel größer als die Frequenz des Modulationssignals.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Schaltungsanordnung werden die jeweiligen Phasenströme durch Pulsweitenmodulation erzeugt. Die Phasenströme können zum Beispiel durch Pulsweitenmodulation mit Sinusdreieckvergleich erzeugt werden. Es ist auch möglich, dass das Trägersignal die Form eines Sägezahnsignals aufweist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Schaltungsanordnung tritt im Betrieb der Schaltungsanordnung keine Spannung, welche größer als 60 Volt ist, auf. Somit kann die elektrische Maschine im Bereich der Schutzkleinspannung betrieben werden. Das bedeutet, dass weniger Isolierungs- und Sicherheitsmaßnahmen notwendig sind. Somit ist eine günstigere Produktion möglich und eine vereinfachte Wartung und Reparatur.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Schaltungsanordnung ist die Schaltungsanordnung dazu ausgelegt, in Hybrid- oder Batterie-elektrischen Fahrzeugen verwendet zu werden. Die Schaltungsanordnung kann auch in Flugzeugen oder Schiffen mit Hybrid- oder Batterie-elektrischen Antrieben verwendet werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Schaltungsanordnung wird die Statorwicklung durch mindestens vier elektrisch leitfähige Stäbe gebildet, welche sich jeweils in einer Nut im Stator befinden und wobei jeweils ein Stab eine elektrische Phase bildet. Die elektrisch leitfähigen Stäbe können in Teilstäbe unterteilt sein oder mehrere Stäbe umfassen und beispielsweise mit Kupfer oder Aluminium gebildet sein. Der Stator der elektrischen Maschine weist also mindestens vier Nuten auf, in denen sich je ein elektrisch leitfähiger Stab befindet. Der Stator kann ein Statorblechpaket umfassen, in welches die Nuten eingebracht sind. Bevorzugt weist der Stator eine Vielzahl von Nuten auf. Durch die separate Ansteuerung der elektrisch leitfähigen Stäbe ist es möglich, verschiedene Polpaarzahlen im Stator einzustellen. Die Anzahl der Polpaare kann also auch im Betrieb der elektrischen Maschine angepasst werden. Im Vergleich zu anderen elektrischen Wicklungen für einen Stator ist es in diesem Fall möglich eine hohe Anzahl von elektrischen Phasen zu stellen. Damit ist es vorteilhafterweise möglich, die Phasenströme durch mindestens zwei Trägersignale zu erzeugen, welche einen Phasenversatz zueinander aufweisen. Somit kann der maximal auftretende Strom am Zwischenkreiskondensator reduziert werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Schaltungsanordnung umfassen die mindestens zwei Gruppen der elektrischen Phasen jeweils gleich viele elektrische Phasen. Eine Anzahl von 15 elektrischen Phasen kann also beispielsweise in drei Gruppen mit jeweils fünf Phasen aufgeteilt werden oder in fünf Gruppen mit jeweils drei elektrischen Phasen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Schaltungsanordnung umfassen die mindestens zwei Gruppen der elektrischen Phasen jeweils unterschiedlich viele elektrische Phasen. Diese Aufteilung der elektrischen Phasen kann insbesondere vorteilhaft sein, wenn die Anzahl der elektrischen Phasen eine Primzahl ist.
Im Folgenden werden die hier beschriebene Schaltungsanordnung und die elektrische Maschine in Verbindung mit Ausführungsbeispielen und den dazugehörigen Figuren näher erläutert.
1A und 1B zeigen einen Teil eines Ausführungsbeispiels der Schaltungsanordnung.
2A und 2B zeigen Ausführungsbeispiele der Schaltungsanordnung.
3A und 3B zeigen beispielhafte Halbbrücken zur Erzeugung der Phasenströme.
Mit den 4A und 4B wird die Erzeugung der Phasenströme mit einem Trägersignal verdeutlicht.
Mit den 5A und 5B wird die Erzeugung der Phasenströme mit zwei Trägersignalen verdeutlicht.
Die 6A und 6B zeigen qualitative Stromzeiger für 60 Statorstäbe.
In den 7 und 8 sind analytische Berechnungen des Stroms am Zwischenkreiskondensator gezeigt.
In 9 ist eine numerische Berechnung des Stroms am Zwischenkreiskondensator gezeigt.
In 10 sind mehrere Modulationssignale und ein Trägersignal dargestellt.
In 11 sind 15 zueinander verschobene Trägersignale gezeigt.
12 zeigt den Strom am Zwischenkreiskondensator für verschiedene Phasenverschiebungen der Trägersignale.
In den 13A und 13B sind qualitative Stromzeiger für 15 virtuelle Phasen dargestellt.
14 zeigt den Strom am Zwischenkreiskondensator für verschiedene Gruppierungen der Trägersignale.
Die 15A und 15B zeigen qualitative Stromzeiger für 14 Phasen.
In den 16 und 17 ist der Strom am Zwischenkreiskondensator für verschiedene Gruppierungen der Trägersignale gezeigt.
In 18 sind die Phasenströme für 13 Phasen gezeigt.
In den 19A und 19B sind Ausführungsbeispiele eines Stators gezeigt.
In 1A ist ein Teil eines Ausführungsbeispiels einer Schaltungsanordnung 10 für eine elektrische Maschine 13 gezeigt. In einem Trägersignalgenerator 15 werden Trägersignale T generiert. In einem Modulationsgenerator 14 werden Modulationssignale M_n generiert. Die Trägersignale T können beispielsweise die Form eines Sägezahns oder eines Dreiecks aufweisen. Die Modulationssignale M_n können sinusförmig sein. In einem Schaltsignalgenerator 16 werden die Trägersignale T und die Modulationssignale M_n miteinander verglichen und Schaltsignale S_n ⁺, S_n ^– erzeugt, wobei n eine natürliche Zahl zwischen 1 und N ist. Mit den Schaltsignalen S_n ⁺, S_n ^– werden Phasenströme I_n erzeugt, mit welchen elektrische Phasen φ einer Statorwicklung 11 angesteuert werden. Die Trägersignale T weisen eine höhere Frequenz als die Modulationssignale M_n auf. Durch die Modulationssignale M_n werden die verschiedenen elektrischen Phasen φ der Statorwicklung 11 phasenverschoben zueinander angesteuert. Dadurch wird in einem Stator 12 der elektrischen Maschine 13 ein Drehfeld erzeugt. Im Schaltsignalgenerator 16 werden die Trägersignale T und die Modulationssignale M_n miteinander verglichen, so dass die Phasenströme I_n mittels Pulsweitenmodulation durch zum Beispiel Sinusdreieckvergleich erzeugt werden. Dadurch wird im Schaltsignalgenerator 16 ein Tastverhältnis für die Phasenströme I_n erzeugt. Dies geschieht auf einer gemeinsamen Zeitbasis t. Um die maximal auftretenden Ströme in der Schaltungsanordnung 10 zu reduzieren, werden die elektrischen Phasen φ von Trägersignalen T angesteuert, welche phasenverschoben zueinander sind. Die Phasenverschiebung zwischen den Trägersignalen T ist durch einen Phasenversatz θ_n gegeben.
In 1B ist ähnlich wie in 1A ein Teil eines Ausführungsbeispiels der Schaltungsanordnung 10 für eine elektrische Maschine 13 gezeigt. Im Gegensatz zu 1A werden in diesem Fall zueinander phasenverschobene Trägersignale T_n im Trägersignalgenerator 15 erzeugt. Das bedeutet, die Trägersignale T_n sind um einen Winkel θ zueinander phasenverschoben. Im Beispiel in 1A wird im Trägersignalgenerator 15 ein Trägersignal T erzeugt, welches zur Ansteuerung von verschiedenen Gruppen von elektrischen Phasen φ um den Phasenversatz θ_n phasenverschoben wird.
In 2A ist eine Logik 17 mit einer Vielzahl von Schaltsignalgeneratoren 16 gezeigt. Wenn die Statorwicklung 11 eine Anzahl von N elektrischen Phasen φ aufweist, werden in der Schaltungsanordnung 10 N Phasenströme I₁ bis I_N erzeugt. Dazu werden in der Logik 17 ein Trägersignal T und die Modulationssignale M₁ bis M_N erzeugt. Die Schaltungsanordnung 10 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel N Schaltsignalgeneratoren 16. Diese erzeugen die Schaltsignale S₁ ⁺, S₁– bis S_N ⁺, S_N ^–. Die Logik 17 gibt die gemeinsame Zeitbasis t vor. Außerdem gibt die Logik 17 den Phasenversatz θ₁ bis θ_N zwischen den Trägersignalen T vor.
In 2B ist ähnlich wie in 2A eine Logik 17 mit einer Vielzahl von Schaltsignalgeneratoren 16 gezeigt. In diesem Fall werden in der Logik 17 um einen Phasenversatz θ zueinander phasenverschobene Trägersignale T_n erzeugt.
In 3A sind eine Vielzahl von Halbbrücken 19, die von den Schaltsignalgeneratoren 16 der Schaltungsanordnung 10 angesteuert werden, gezeigt. Mit den Halbbrücken 19 werden die Phasenströme I_n erzeugt. In diesem Ausführungsbeispiel weist der Zwischenkreis mit der Vielzahl der Halbbrücken 19 einen zentralen Zwischenkreiskondensator 18 auf. Jede der Halbbrücken 19 umfasst mindestens zwei Feldeffekttransistoren 20. Durch die Phasenverschiebung θ zwischen den verschiedenen Trägersignalen T wird ein Strom I_C am Zwischenkreiskondensator 18 minimiert.
In 3B sind zwei Halbbrücken 19 gezeigt. In diesem Ausführungsbeispiel ist jeder der Halbbrücken 19 ein Zwischenkreiskondensator 18 zugeordnet. Es ist auch möglich, dass einige Halbbrücken 19 einen jeweils zugeordneten Zwischenkreiskondensator 18 aufweisen und den anderen Halbbrücken 19 ein zentraler Zwischenkreiskondensator 18 zugeordnet ist.
In 4A sind qualitative Stromzeiger für vier elektrische Phasen φ gezeigt. Die elektrischen Phasen φ werden jeweils mit einem eigenen Phasenstrom I_n gespeist, wobei die Phasenströme I_n in diesem Fall jeweils um 90 Grad zueinander phasenverschoben sind. Mit den dargestellten Phasenströmen I₁ bis I₄ wird durch die Statorwicklung 11 ein Drehfeld mit zwei Polen erzeugt.
In 4B sind vier Modulationssignale M₁ bis M₄ und ein Trägersignal T gezeigt. Auf der y-Achse ist die Amplitude über der Zeit t auf der x-Achse aufgetragen. Wie in 4A gezeigt, sind die vier Modulationssignale M₂ bis M₄ um jeweils 90 Grad phasenverschoben zueinander. In diesem Ausführungsbeispiel ist den vier Modulationssignalen M₁ bis M₄ ein Trägersignal T zugeordnet. Das Trägersignal T weist die Form eines Dreiecks auf. Die Frequenz des Trägersignals T ist größer als die Frequenz der Modulationssignale M₁ bis M₄.
5A zeigt vier qualitative Stromzeiger für vier elektrische Phasen φ. Es werden also vier unterschiedliche Phasenströme I₁ bis I₄ erzeugt, welche um jeweils 90 Grad zueinander phasenverschoben sind. In diesem Fall ist den Strömen I₁ und I₃ ein Trägersignal T₁ zugeordnet und den Phasenströmen I₂ und I₄ ein Trägersignal T₂. Die gestrichelte Linie deutet also die Zuordnung des Trägersignals T₁ und die durchgezogene Linie die Zuordnung des Trägersignals T₂ an.
In 5B sind vier Modulationssignale M₂ bis M₄ und zwei Trägersignale T₁ und T₂ gezeigt. Die Amplitude ist auf der y-Achse gegen die Zeit t auf der x-Achse aufgetragen. Die vier Modulationssignale M₁ bis M₄ sind um jeweils 90 Grad zueinander phasenverschoben. Den Modulationssignalen M₁ und M₃ ist das Trägersignal T₁ zugeordnet, welches mit einer gestrichelten Linie dargestellt ist. Den Modulationssignalen M₂ und M₄ ist das Trägersignal T₂ zugeordnet, welches mit einer durchgezogenen Linie dargestellt ist. Die zwei Trägersignale T₁ und T₂ sind um 180 Grad zueinander phasenverschoben.
In 6A sind qualitative Stromzeiger für 60 elektrische Phasen φ gezeigt. Beispielsweise kann die Statorwicklung 11 im Stator 12 durch elektrisch leitfähige Stäbe 21 in Nuten 22 gebildet sein. In diesem Ausführungsbeispiel umfasst die Statorwicklung 11 60 elektrisch leitfähige Stäbe 21. Die elektrisch leitfähigen Stäbe 21 werden mit einem jeweils eigenen Phasenstrom I₁ bis I₆₀ gespeist. Die elektrischen Phasen φ weisen eine Phasenverschiebung von 6 Grad zueinander auf. Deshalb erzeugt die Statorwicklung 11 ein Drehfeld mit zwei magnetischen Polen.
6B zeigt qualitative Stromzeiger für 60 elektrische Phasen φ. In diesem Beispiel sind die elektrischen Phasen φ um jeweils 24 Grad zueinander phasenverschoben. Somit wird in der Statorwicklung 11 ein Drehfeld mit acht Polen erzeugt. Das bedeutet, dass jeweils vier Phasenströme I_n gleich in Amplitude und Phasenverschiebung sind. Beispielsweise weisen die Ströme I₁, I₁₆, I₃₁ und I₄₆ die gleiche Amplitude und die gleiche Phasenverschiebung auf.
7 zeigt eine analytische Berechnung des Stromes am Zwischenkreiskondensator 18 für vier verschiedene Anzahlen N von elektrischen Phasen φ. Der Strom I_C am Zwischenkreiskondensator 18 kann als der Wechselanteil der überlagerten Phasenströme I_n angenommen werden. Auf der y-Achse ist der Strom I_C am Zwischenkreiskondensator 18 normiert auf den Batteriestrom aufgetragen. Auf der x-Achse ist der Modulationsindex aufgetragen. Der Strom I_C am Zwischenkreiskondensator 18 ist für Statorwicklungen 11 mit unterschiedlichen Anzahlen N von elektrischen Phasen φ gezeigt. Für eine Anzahl der elektrischen Phasen φ von N = 3 ist der Strom I_C am Zwischenkreiskondensator 18 am höchsten. Ab einer Anzahl N von 15 elektrischen Phasen φ der Statorwicklung 11 nimmt der Strom I_C am Zwischenkreiskondensator 18 nur noch geringfügig mit steigender Anzahl N der elektrischen Phasen φ ab.
In 8 ist eine analytische Berechnung des Stromes am Zwischenkreiskondensator 18 für drei verschiedene Anzahlen N der elektrischen Phasen φ gezeigt. Auf der y-Achse ist der Strom I_C am Zwischenkreiskondensator 18 in Kiloampere aufgetragen. Auf der x-Achse ist der Modulationsindex aufgetragen. Der Strom I_C am Zwischenkreiskondensator 18 ist für eine Anzahl N von 15 elektrischen Phasen φ maximal. In diesem Fall ist eine Zwischenkreisspannung von nur 24 Volt vorgegeben, weshalb sehr hohe Batterieströme und damit auch sehr hohe Ströme am Zwischenkreiskondensator 18 auftreten.
In 9 ist eine numerische Berechnung des Stroms I_C am Zwischenkreiskondensator 18 gezeigt. Der Strom I_C wurde für einen Umrichter mit 15 elektrischen Phasen φ berechnet. In diesem Fall werden die Phasenströme I_n durch Pulsweitenmodulation durch Sinusdreieckvergleich erzeugt. Auf der y-Achse ist der Strom I_C am Zwischenkreiskondensator 18 auf eins normiert aufgetragen. Auf der x-Achse ist die Zeit in Millisekunden aufgetragen. Insgesamt zeigen die analytischen Berechnungen Abweichungen von weniger als drei Prozent zu der numerischen Simulation.
In 10 sind 15 Modulationssignale M und ein Trägersignal T dargestellt. In diesem Fall wird also bei der Pulsweitenmodulation für alle elektrischen Phasen φ dasselbe Trägersignal T verwendet. In 10 sind numerische Simulationen eines Dreieck-Trägersignals T und einer Vielzahl von sinusförmigen Modulationssignalen M gezeigt. Auf der y-Achse ist die Amplitude aufgetragen und auf der x-Achse ist die Zeit in Millisekunden aufgetragen. Die Frequenz des Trägersignals T ist viel größer als die Frequenzen der Modulationssignale M, weshalb die Modulationssignale M im dargestellten Zeitabschnitt nur eine geringe Veränderung der Amplitude zeigen. Bei der Pulsweitenmodulation wird jeweils ein Schaltsignal S_n ⁺ zur Erzeugung eines Phasenstroms I_n über eine Halbbrücke 19 als logische 1 erzeugt, wenn die Amplitude des Modulationssignals M größer ist als die Amplitude des Trägersignals T. Ansonsten wird das Schaltsignal S_n ⁺ als logische 0 erzeugt. Außerdem wird ein Schaltsignal S_n ^– zur Erzeugung eines Phasenstromes I_n als logische 1 erzeugt, wenn die Amplitude des Modulationssignals M kleiner oder gleich der Amplitude des Trägersignals T ist und ansonsten wird das Schaltsignal S_n ^– als logische 0 erzeugt. In 10 ist gezeigt, dass zu manchen Zeitpunkten, beispielsweise in den eingekreisten Bereichen, die Phasenströme I_n von allen 15 elektrischen Phasen φ zum Effektivwert des Stroms I_C am Zwischenkreiskondensator 18 beitragen. Zu den im negativen Bereich der y-Achse markierten Zeitpunkten ist also die Amplitude der Modulationssignale M für alle 15 elektrischen Phasen φ größer als die Amplitude des Trägersignals T. Das bedeutet, dass der überlagerte Strom I_C am Zwischenkreiskondensator 18 zu diesen Zeitpunkten maximal wird.
In 11 sind 15 zueinander verschobene Trägersignale T₁ bis T₁₅ gezeigt. Auf der y-Achse ist die Amplitude aufgetragen und auf der x-Achse ist die Zeit t in Millisekunden aufgetragen. Die 15 Trägersignale T weisen jeweils eine Phasenverschiebung von 24 Grad zueinander auf. Der Modulationsindex beträgt 50% und der Leistungsfaktor 0,95. Wird bei einer Statorwicklung 11 mit 15 elektrischen Phasen φ jeweils ein Trägersignal T einer elektrischen Phase φ zugeordnet, so ergeben die numerischen Simulationen eine Erhöhung des Stroms am Zwischenkreiskondensator 18.
In 12 ist der Strom I_c am Zwischenkreiskondensator 18 für verschiedene Phasenverschiebungen θ zwischen den Trägersignalen T gezeigt. Auf der y-Achse ist der Strom I_c am Zwischenkreiskondensator 18 normiert auf den Phasenstrom In aufgetragen. Auf der x-Achse ist die Phasenverschiebung θ zwischen den Trägersignalen T aufgetragen. Das bedeutet, falls die Phasenströme I_n nur mit einem Trägersignal T erzeugt werden, es also eine Phasenverschiebung von 0 zwischen den Trägersignalen T gibt, beträgt der Strom I_c am Zwischenkreiskondensator 18 266% des Phasenstroms I_n. Werden mehrere Trägersignale T zur Erzeugung der Phasenströme I_n bereitgestellt und diese um beispielsweise 24 Grad zueinander phasenverschoben, wird der Strom I_C am Zwischenkreiskondensator 18 deutlich erhöht im Vergleich zur Erzeugung der Phasenströme I_n mit nur einem Trägersignal T. Es ist jedoch auch gezeigt, dass der Strom I_C am Zwischenkreiskondensator 18 für andere Phasenverschiebungen θ zwischen den Trägersignalen T deutlich reduziert werden kann. Beispielsweise beträgt der Strom I_C am Zwischenkreiskondensator 18 im Falle einer Phasenverschiebung von θ = 72° lediglich 54% des Phasenstroms I_n.
In 13A sind qualitative Stromzeiger für 60 elektrische Phasen φ gezeigt. Jeder der elektrischen Phasen φ ist ein Phasenstrom I_n zugeordnet. Die elektrischen Phasen φ sind jeweils um 24 Grad zueinander phasenverschoben. Daher weisen jeweils vier Phasenströme I_n die gleiche Amplitude und die gleiche Phase auf. Das heißt, es wird eine virtuelle Phasenanzahl V definiert, welche in diesem Fall 15 beträgt. Die virtuelle Phasenanzahl V ist gegeben durch: V = N / p' (2) wobei p die Anzahl der magnetischen Polpaare des Stators angibt.
Zur Ansteuerung der elektrischen Phasen φ durch unterschiedliche Trägersignale T werden die elektrischen Phasen φ in Gruppen aufgeteilt. In diesem Beispiel werden die elektrischen Phasen φ in fünf Dreiergruppen aufgeteilt. Eine der Dreiergruppen ist durch die gestrichelten Pfeile gebildet. Das heißt, die elektrischen Phasen φ innerhalb von einer Gruppe sind jeweils um den gleichen Winkel zueinander phasenverschoben. In diesem Fall sind die drei elektrischen Phasen φ einer Gruppe um jeweils 120 Grad zueinander verschoben. Das heißt, in diesem Ausführungsbeispiel werden fünf Trägersignale T bereitgestellt, welche jeweils einer Gruppe von elektrischen Phasen φ zugeordnet sind. Da es insgesamt fünf Trägersignale T gibt, sind diese um: θ = 360° / 5 = 72° zueinander phasenverschoben. Wie in 12 gezeigt ist der Strom I_C am Zwischenkreiskondensator 18 für diese Art der Ansteuerung reduziert gegenüber einer Ansteuerung mit nur einem Trägersignal T.
In 13B sind wie in 13A qualitative Stromzeiger für 60 elektrische Phasen φ dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel werden die 15 virtuellen Phasen in drei Fünfergruppen aufgeteilt, was bedeutet, dass drei Trägersignale T bereitgestellt werden. Eine der Fünfergruppen ist durch gestrichelte Pfeile hervorgehoben. Da nur drei Trägersignale T bereitgestellt werden, sind diese um: θ = 360° / 3 = 120° zueinander phasenverschoben. Auch bei dieser Art der Ansteuerung ist der Strom I_C am Zwischenkreiskondensator 18 reduziert gegenüber einer Ansteuerung mit nur einem Trägersignal T.
In 14 ist der Strom I_C am Zwischenkreiskondensator 18 für unterschiedliche Anzahlen von Trägersignalen T dargestellt. Auf der y-Achse ist der Strom I_C am Zwischenkreiskondensator 18 normiert auf den Phasenstrom In dargestellt. Auf der x-Achse ist der Modulationsindex aufgetragen. Der Leistungsfaktor beträgt 0,8. Die Kurve 14a stellt den Strom I_C am Zwischenkreiskondensator 18 für eine Erzeugung der Phasenströme I_n mit nur einem Trägersignal T dar. Wie oben gezeigt, treten am Zwischenkreiskondensator 18 durch die Überlagerung der Phasenströme I_n höhere Ströme als die Phasenströme I_n auf. Die Kurve 14b zeigt den Strom I_C am Zwischenkreiskondensator 18 für den Fall, welcher in 13A dargestellt ist. Es werden fünf Trägersignale T bereitgestellt, welche um 72 Grad zueinander phasenverschoben sind. Die 15 virtuellen Phasen werden in fünf Dreiergruppen aufgeteilt. Kurve 14c zeigt den Strom I_C am Zwischenkreiskondensator 18 für die Anordnung in 13B. Das heißt, es werden drei Trägersignale T bereitgestellt und die 15 virtuellen Phasen werden in drei Fünfergruppen aufgeteilt. Durch die Erzeugung der Phasenströme I_n durch mehrere Trägersignale T kann also der Strom I_C am Zwischenkreiskondensator 18 reduziert werden. Je nach Modulationsindex ist es vorteilhafter, bei 15 virtuellen Phasen die Phasen in drei Fünfergruppen oder in fünf Dreiergruppen aufzuteilen.
In 15A sind qualitative Stromzeiger für 14 elektrische Phasen φ dargestellt. Die 14 elektrischen Phasen φ sind jeweils um etwa 26 Grad zueinander phasenverschoben. Zur Ansteuerung mit mehreren Trägersignalen T können die 14 elektrischen Phasen φ beispielsweise in zwei Siebenergruppen aufgeteilt werden. Eine der Siebenergruppen ist in 15A gestrichelt dargestellt.
In 15B sind qualitative Stromzeiger für 14 elektrische Phasen φ dargestellt. Bei 14 elektrischen Phasen φ ist es ebenfalls möglich, die Phasen in sieben Zweiergruppen aufzuteilen. Eine dieser Zweiergruppen ist in 15B gestrichelt dargestellt.
In 16 ist der Strom I_C am Zwischenkreiskondensator 18 für unterschiedliche Anzahlen von Trägersignalen T dargestellt. Auf der y-Achse ist der Strom I_C am Zwischenkreiskondensator 18 normiert auf den Phasenstrom In aufgetragen. Auf der x-Achse ist der Modulationsindex aufgetragen. Der Leistungsfaktor beträgt 0,8. Kurve 16a zeigt den Strom I_C am Zwischenkreiskondensator 18 für den Fall, welcher in 15A dargestellt ist. Die 14 elektrischen Phasen der elektrischen Wicklung 11 werden in zwei Siebenergruppen aufgeteilt. Das heißt, es werden zwei Trägersignale T bereitgestellt, welche um 180 Grad zueinander phasenverschoben sind. Die Kurve 16b zeigt den Strom I_C am Zwischenkreiskondensator 18 für den Fall, dass die Phasenströme I_n mit nur einem Trägersignal T erzeugt werden. Die Kurve 16c zeigt den Strom I_C am Zwischenkreiskondensator 18 für den Fall, welcher in 15B gezeigt ist. In diesem Fall werden die 14 elektrischen Phasen φ in sieben Zweiergruppen aufgeteilt. Die sieben Trägersignale T sind um etwa 51 Grad zueinander phasenverschoben. Die Erzeugung der Phasenströme I_n durch zwei Trägersignale T, wie in Kurve 16a gezeigt, trägt also nicht zu einer Reduzierung des Stroms am Zwischenkreiskondensator 18 bei. Jedoch ist für die Erzeugung der Phasenströme I_n mit sieben Trägersignalen T eine Reduzierung des Stroms am Zwischenkreiskondensator 18 gezeigt.
In 17 ist der Strom I_C am Zwischenkreiskondensator 18 für verschiedene Anzahlen von Trägersignalen T gezeigt. Auf der y-Achse ist der Strom I_C am Zwischenkreiskondensator 18 normiert auf den Phasenstrom I_n aufgetragen. Auf der x-Achse ist der Modulationsindex aufgetragen. Der Leistungsfaktor beträgt 0,8. In diesem Ausführungsbeispiel umfasst die Statorwicklung 11 dreizehn elektrische Phasen φ. Das heißt, die Anzahl N der elektrischen Phasen φ ist eine Primzahl. Daher können die elektrischen Phasen φ nicht in Gruppen mit gleicher Anzahl N von elektrischen Phasen φ aufgeteilt werden. Daher werden bei diesem Ausführungsbeispiel die elektrischen Phasen φ in Gruppen mit unterschiedlichen Anzahlen N von elektrischen Phasen φ aufgeteilt.
Kurve 17a zeigt den Strom I_C am Zwischenkreiskondensator 18 für eine Gruppe mit sechs elektrischen Phasen und eine Gruppe mit sieben elektrischen Phasen. Das heißt, in diesem Fall werden zwei Trägersignale T bereitgestellt. Kurve 17b zeigt den Strom I_C am Zwischenkreiskondensator 18 für eine Erzeugung der Phasenströme I_n mit nur einem Trägersignal T. Die Kurve 17c zeigt den Strom I_C am Zwischenkreiskondensator 18, wobei die elektrischen Phasen φ in drei Dreiergruppen und eine Vierergruppe aufgeteilt sind. Das heißt, in diesem Fall werden vier Trägersignale T bereitgestellt. Die Kurve 17d zeigt den Strom I_C am Zwischenkreiskondensator 18 für eine Aufteilung der elektrischen Phasen φ in fünf Zweiergruppen und eine Dreiergruppe. Die Kurve 17e zeigt den Strom I_C am Zwischenkreiskondensator 18 für eine Aufteilung der elektrischen Phasen φ in zwei Vierergruppen und eine Fünfergruppe. Insgesamt sind die Ausführungsbeispiele der Kurven 17c, 17d und 17e vorteilhaft gegenüber der Erzeugung der Phasenströme I_n mit nur einem Trägersignal T. Somit ist es auch möglich, für Statorwicklungen 11, deren Anzahl N der elektrischen Phasen φ eine Primzahl ist, eine Reduzierung des Stroms am Zwischenkreiskondensator 18 zu erreichen.
In 18 sind die Phasenströme I_n der dreizehn elektrischen Phasen φ gezeigt. Auf der y-Achse sind die Phasenströme I_n in Ampere aufgetragen und auf der x-Achse ist die Zeit t in Millisekunden aufgetragen. Da die Anzahl N der elektrischen Phasen φ in diesem Fall eine Primzahl ist, werden die elektrischen Phasen φ in Gruppen mit unterschiedlichen Anzahlen N von elektrischen Phasen φ aufgeteilt. Dies führt dazu, dass die Phasenströme I_n asymmetrisch verlaufen. In dem gezeigten Beispiel sind die Abweichungen vom symmetrischen Verlauf jedoch gering. Asymmetrische Verläufe der Phasenströme I_n können beispielsweise durch eine Stromregelung kompensiert werden.
19A zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Stators 12 einer elektrischen Maschine 13. Der Stator 12 umfasst ein Statorblechpaket 23, in welches Nuten 22 eingebracht sind. In jeder Nut 22 befindet sich ein elektrisch leitfähiger Stab 21. Die Stäbe 21 sind auf einer ersten Seite des Stators 12 mit einem Kurzschlussring 24 elektrisch leitend miteinander verbunden und bilden eine elektrische Wicklung 11 des Stators 12. Auf einer zweiten Seite des Stators 12 sind die Stäbe 21 frei von einem Kurzschlussring 24. Ein Rotor der elektrischen Maschine 13 kann im Stator 12 angeordnet sein.
19B zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Stators 12, welcher an einer Stromversorgungseinheit 25 der Leistungselektronik angeschlossen ist. Die Stäbe 21 in den Nuten 22 können separat von der Stromversorgungseinheit 25 gespeist werden.
Bezugszeichenliste

10: Schaltungsanordnung
11: Statorwicklung
12: Stator
13: elektrische Maschine
14: Modulationsgenerator
15: Trägersignalgenerator
16: Schaltsignalgenerator
17: Logik
18: Zwischenkreiskondensator
19: Halbbrücke
20: Feldeffekttransistor
21: Stab
22: Nuten
23: Statorblechpaket
24: Kurzschlussring
25: Stromversorgungseinheit
I_C: Strom
I_n: Phasenstrom
M: Modulationssignal
N: Anzahl der elektrischen Phasen
S_n ⁺: Schaltsignal
S_n ^–: Schaltsignal
T: Trägersignal
t: Zeit
V: virtuelle Phasenanzahl
φ: elektrische Phase
θ: Phasenversatz der Trägersignale

Claims

Schaltungsanordnung (10) zum Ansteuern einer Statorwicklung (11) eines Stators (12) einer elektrischen Maschine (13), wobei: – die Statorwicklung (11) mindestens vier elektrische Phasen (φ) aufweist, welche dazu ausgelegt sind mit einem jeweils eigenen Phasenstrom (I_n) gespeist zu werden, – jeder elektrischen Phase (φ) ein Modulationssignal (M) zugeordnet ist und die Modulationssignale (M) zueinander phasenverschoben sind, so dass die Statorwicklung (11) dazu ausgelegt ist ein Drehfeld zu erzeugen, – mindestens zwei Trägersignale (T) zur Erzeugung der Phasenströme (I_n) bereitgestellt werden, – die elektrischen Phasen (φ) in mindestens zwei Gruppen aufgeteilt sind, denen je ein Trägersignal (T) zugeordnet ist, und – die Trägersignale (T) einen Phasenversatz (θ) zueinander aufweisen.
Schaltungsanordnung (10) zum Ansteuern einer Statorwicklung (11) eines Stators (12) einer elektrischen Maschine (13) gemäß Anspruch 1, wobei die Modulationssignale (M) zueinander um 360 / N·p Grad verschoben sind und N die Anzahl der elektrischen Phasen (φ) bezeichnet und p eine natürliche Zahl ist.
Schaltungsanordnung (10) zum Ansteuern einer Statorwicklung (11) eines Stators (12) einer elektrischen Maschine (13) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Frequenz des Trägersignals (T) größer als die Frequenz des Modulationssignals (M) ist.
Schaltungsanordnung (10) zum Ansteuern einer Statorwicklung (11) eines Stators (12) einer elektrischen Maschine (13) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die jeweiligen Phasenströme (I_n) durch Pulsweitenmodulation erzeugt werden.
Schaltungsanordnung (10) zum Ansteuern einer Statorwicklung (11) eines Stators (12) einer elektrischen Maschine (13) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei im Betrieb der Schaltungsanordnung (10) keine Spannung, welche größer als 60 V ist, auftritt.
Schaltungsanordnung (10) zum Ansteuern einer Statorwicklung (11) eines Stators (12) einer elektrischen Maschine (13) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Schaltungsanordnung (10) dazu ausgelegt ist in hybrid- oder batterieelektrischen Fahrzeugen verwendet zu werden.
Schaltungsanordnung (10) zum Ansteuern einer Statorwicklung (11) eines Stators (12) einer elektrischen Maschine (13) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Statorwicklung (11) durch mindestens vier elektrisch leitfähige Stäbe (21) gebildet wird, welche sich jeweils in einer Nut (22) im Stator (12) befinden und wobei jeweils ein Stab (21) eine elektrische Phase (φ) bildet.
Schaltungsanordnung (10) zum Ansteuern einer Statorwicklung (11) eines Stators (12) einer elektrischen Maschine (13) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die mindestens zwei Gruppen der elektrischen Phasen (φ) jeweils gleich viele elektrische Phasen (φ) umfassen.
Schaltungsanordnung (10) zum Ansteuern einer Statorwicklung (11) eines Stators (12) einer elektrischen Maschine (13) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die mindestens zwei Gruppen der elektrischen Phasen (φ) jeweils unterschiedlich viele elektrische Phasen (φ) umfassen.
Elektrische Maschine (13), mit: – einem Stator (12), welcher mindestens vier Nuten (22) aufweist, in welchen sich je ein elektrisch leitfähiger Stab (21) befindet, wobei die Stäbe (21) eine Statorwicklung (11) bilden, und jeder der Stäbe (21) eine elektrische Phase (φ) bildet und dazu ausgelegt ist mit einem jeweils eigenen Phasenstrom (I_n) gespeist zu werden, – einem Modulationsgenerator (14), der dafür ausgelegt ist für jede elektrische Phase (φ) ein Modulationssignal (M) zu erzeugen, wobei die Modulationssignale (M) zueinander phasenverschoben sind, so dass die Statorwicklung (11) dazu ausgelegt ist ein Drehfeld zu erzeugen, – einem Trägersignalgenerator (15), der dazu ausgelegt ist mindestens zwei Trägersignale (T) zur Erzeugung der Phasenströme (I_n) bereit zu stellen, wobei: – die elektrischen Phasen (φ) in mindestens zwei Gruppen aufgeteilt sind, denen je ein Trägersignal (T) zugeordnet ist, und – die Trägersignale (T) einen Phasenversatz (θ) zueinander aufweisen.