DE102019130306A1

DE102019130306A1 - Elektromaschine

Info

Publication number: DE102019130306A1
Application number: DE102019130306.0A
Authority: DE
Inventors: Thomas Hubert; Johannes Wende
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2019-11-11
Filing date: 2019-11-11
Publication date: 2021-05-12

Abstract

Eine Elektromaschine (10) hat eine Statoranordnung (60), eine Rotoranordnung (90), eine Steueranordnung (20) und eine Wechselrichteranordnung (30), welche Statoranordnung (60) eine erste Wicklungsanordnung (61) mit ersten Wicklungsanordnungsanschlüssen (71, 72, 73) und eine zweite Wicklungsanordnung (62) mit zweiten Wicklungsanordnungsanschlüssen (81, 82, 83) aufweist, welche Wechselrichteranordnung (30) einen ersten Wechselrichter (31), einen zweiten Wechselrichter (32), eine erste Stromerfassungsvorrichtung (33) zur Erzeugung eines ersten Stromsignals (11) und eine zweite Stromerfassungsvorrichtung (34) zur Erzeugung eines zweiten Stromsignals (12) aufweist, welche Steueranordnung (20) eine Steuervorrichtung (23), einen ersten Stromregler (21), einen zweiten Stromregler (22) und eine Kompensationssignalerzeugungsvorrichtung (24) aufweist, welcher erste Stromregler (21) dazu ausgebildet ist, durch Zuführung eines ersten Stellwertsignals (SW1) an den ersten Wechselrichter (31) das erste Stromsignal (11) auf ein erstes Stromsollsignal (11S) zu regeln, welche Kompensationssignalerzeugungsvorrichtung (24) dazu ausgebildet ist, ein Kompensationssignal (COMP) zu erzeugen, welches Kompensationssignal (COMP) abhängig ist von der Abweichung des ersten Stromsignals (11) vom ersten Stromsollsignal (11S), welcher zweite Stromregler (22) dazu ausgebildet ist, durch Zuführung eines zweiten Stellwertsignals (SW2) an den zweiten Wechselrichter (32) das zweite Stromsignal (12) auf ein zweites Stromsollsignal (I2SC) zu regeln, welches zweite Stromsollsignal (I2SC) abhängig ist vom Kompensationssignal (COMP).

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektromaschine.
Die CN 105 720 875 A zeigt eine Wicklungsanordnung, bei der die einzelnen Wicklungen auf einer Seite mit einer ersten Endstufe und auf der anderen Seite mit einer zweiten Endstufe verbunden sind.
Die EP 0 266 598 A2 zeigt einen Servoantrieb mit zwei dreiphasigen Wechselrichtern, die zwei getrennte Strangsysteme bestromen. Die Grundschwingungen in den einzelnen Phasenwicklungen sind gleich, aber die durch die Taktung hervorgerufenen Oberschwingungen in den einzelnen Phasenwicklungen haben einen stark unterschiedlichen Phasenwinkel.
Die US 2017 / 0 294 864 A1 zeigt einen Motor mit einer Mehrzahl von unabhängigen Wicklungen, welche von einer Mehrzahl von Wechselrichtern bestromt werden. Durch ein Umschaltmuster werden niedrige harmonische Oberwellen der Spannung reduziert.
Die US 2019 / 0 047 613 A1 zeigt eine Steuervorrichtung für eine dreiphasige Drehmaschine mit zwei dreiphasigen Wicklungsanordnungen und zwei Wechselrichtern. Die Wechselrichter generieren Wechselströme mit gleicher Amplitude und unterschiedlichem Phasenwinkel. Ein Generator für harmonische Schwingungen erzeugt einen Überlagerungsstrom für die erste harmonische Oberschwingung.
Die WO 2017 / 0 186 392 A1 zeigt einen Motor mit zwei Wechselrichtern, denen jeweils eine Wicklung zugeordnet ist. Die Wechselrichter haben Schaltelemente aus unterschiedlichen Halbleitermaterialen.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine neue Elektromaschine bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand des Anspruchs 1.
Eine Elektromaschine hat eine Statoranordnung, eine Rotoranordnung, eine Steueranordnung und eine Wechselrichteranordnung, welche Rotoranordnung einen Rotor aufweist, welche Statoranordnung eine erste Wicklungsanordnung mit ersten Wicklungsanordnungsanschlüssen und eine zweite Wicklungsanordnung mit zweiten Wicklungsanordnungsanschlüssen aufweist, um ein Drehmoment auf den Rotor zu bewirken, welche Wechselrichteranordnung einen ersten Wechselrichter, einen zweiten Wechselrichter, eine erste Stromerfassungsvorrichtung und eine zweite Stromerfassungsvorrichtung aufweist, welcher erste Wechselrichter mit der ersten Wicklungsanordnung verschaltet ist, welcher zweite Wechselrichter mit der zweiten Wicklungsanordnung verschaltet ist, welche erste Stromerfassungsvorrichtung dazu ausgebildet ist, ein erstes Stromsignal zu erzeugen, welches erste Stromsignal einen ersten Strom zwischen dem ersten Wechselrichter und einem der ersten Wicklungsanordnungsanschlüsse charakterisiert, welche zweite Stromerfassungsvorrichtung dazu ausgebildet ist, ein zweites Stromsignal zu erzeugen, welches zweite Stromsignal einen zweiten Strom zwischen dem zweiten Wechselrichter und einem der zweiten Wicklungsanordnungsanschlüsse charakterisiert, welche Steueranordnung eine Steuervorrichtung, einen ersten Stromregler, einen zweiten Stromregler und eine Kompensationssignalerzeugungsvorrichtung aufweist, welcher erste Stromregler dazu ausgebildet ist, durch Zuführung eines ersten Stellwertsignals an den ersten Wechselrichter das erste Stromsignal auf ein erstes Stromsollsignal zu regeln, welches erste Stromsollsignal abhängig ist von der Drehstellung des Rotors, welche Kompensationssignalerzeugungsvorrichtung dazu ausgebildet ist, ein Kompensationssignal zu erzeugen, welches Kompensationssignal abhängig ist von der Abweichung des ersten Stromsignals vom ersten Stromsollsignal, welcher zweite Stromregler dazu ausgebildet ist, durch Zuführung eines zweiten Stellwertsignals an den zweiten Wechselrichter das zweite Stromsignal auf ein zweites Stromsollsignal zu regeln, welches zweite Stromsollsignal abhängig ist von der Drehstellung des Rotors und vom Kompensationssignal.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind das erste Stromsollsignal und das zweite Stromsollsignal abhängig von der Drehstellung des Rotors. Die Vorgabe der Stromsollsignale in Abhängigkeit von der Drehstellung ermöglicht eine schnellere Reaktion der Elektromaschine und einen sicheren Anlauf.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind jedem als Paar vorgesehenem ersten Wicklungsanschluss und zweiten Wicklungsanschluss ein entsprechender erster Stromregler, ein entsprechender zweiter Stromregler und eine auf beide Stromregler wirkende Kompensationssignalerzeugungsvorrichtung zugeordnet.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das erste Stellwertsignal eine erste Taktfrequenz auf, das zweite Stellwertsignal weist eine zweite Taktfrequenz auf, und die zweite Taktfrequenz ist höher als die erste Taktfrequenz. Beim ersten Wechselrichter treten hierdurch geringere Schaltverluste auf, und der zweite Wechselrichter kann mit hoher Genauigkeit arbeiten.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die zweite Taktfrequenz mindestens um den Faktor 3,5 höher als die erste Taktfrequenz, bevorzugt mindestens um den Faktor 7,0. Diese Faktoren haben sich als vorteilhaft erwiesen für eine gute Kompensation der Oberschwingungen des ersten Wechselrichters. Bevorzugte Faktoren sind 4,0 und 8,0.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die erste Taktfrequenz und die zweite Taktfrequenz abhängig von mindestens einem Kriterium vorgegeben aus der Gruppe bestehend aus:

- Betriebspunkt der Elektromaschine (10),
- Temperatur in der Elektromaschine (10), und
- Ladezustandswert einer zur Stromversorgung der Elektromaschine (10) verwendeten Batterie.

Hierdurch kann beispielsweise bei niedrigen Drehzahlen eine niedrigere Frequenz verwendet werden, ohne die Regelqualität stark negativ zu beeinflussen, und bei hohen Drehzahlen können hohe Regelqualitäten durch eine gute Regelung sichergestellt werden. Bei einem geringen Ladezustandswert der Batterie können die Frequenzen abgesenkt werden, um die Schaltverluste im Umrichter zu verringern. Bevorzugt können mehrere der Kriterien oder alle Kriterien der Gruppe verwendet werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform arbeitet der erste Stromregler mit einer ersten Regelrate, der zweite Stromregler arbeitet mit einer zweiten Regelrate, und die zweite Regelrate ist höher als die erste Regelrate. Dies führt zu einem genauen zweiten Regler und einem sparsamen ersten Stromregler.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die erste Wicklungsanordnung und die zweite Wicklungsanordnung als unabhängig voneinander bestrombare Wicklungsanordnungen ausgebildet. Durch eine solche getrennte Ausbildung können die Wicklungsanordnungen weitgehend unabhängig voneinander bestromt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist jeder ersten Wicklung der ersten Wicklungsanordnung eine antiparallel verschaltete zweite Wicklung der zweiten Wicklungsanordnung zugeordnet, und der erste Wechselrichter und der zweite Wechselrichter sind dazu ausgebildet, zu jeder ersten Wicklung der ersten Wicklungsanordnung, die mit einer ersten Phase bestromt wird, eine zugeordnete zweite Wicklung der zweiten Wicklungsanordnung gegenphasig zu bestromen. Dies ermöglicht eine einfache Kompensation.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist jeder ersten Wicklung der ersten Wicklungsanordnung eine parallel verschaltete zweite Wicklung der zweiten Wicklungsanordnung zugeordnet, und der erste Wechselrichter und der zweite Wechselrichter sind dazu ausgebildet, zu jeder ersten Wicklung der ersten Wicklungsanordnung, die mit einer ersten Phase bestromt wird, eine zugeordnete zweite Wicklung der zweiten Wicklungsanordnung gleichphasig zu bestromen. Dies ermöglicht eine einfache Verschaltung.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Statoranordnung einen Statorkern mit Statornuten auf. Über die Nuten ist das Anbringen der Wicklungen bevorzugt möglich.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind in mindestens einer Statornut sowohl ein erster Leiter der ersten Wicklungsanordnung als auch ein zweiter Leiter der zweiten Wicklungsanordnung vorgesehen. Durch ein solches Vorsehen der Leiter unterschiedlicher Wicklungsanordnungen ist eine hohe Symmetrie erzielbar.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die erste Wicklungsanordnung und die zweite Wicklungsanordnung derart verschaltet, dass bei einer gegenphasigen Ansteuerung des zweiten Wechselrichters relativ zum ersten Wechselrichter beim ersten Leiter und beim zweiten Leiter in der mindestens einen Statornut in die gleiche Richtung, also mit dem gleichen Vorzeichen, bestromt wird. Der Einfluss der Wicklungen addiert sich, und sie können entsprechend für geringere Ströme ausgelegt werden. Anders ausgedrückt muss die Richtung der magnetischen Durchflutung gleich sein.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Wechselrichteranordnung bidirektional ausgebildet, um eine Gleichrichtung im generatorischen Betrieb der Elektromaschine zu ermöglichen. Beim Antrieb arbeitet die Wechselrichteranordnung als Wechselrichter, und im generatorischen Betrieb als Gleichrichter.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind im zweiten Wechselrichter Halbleiterschalter vorgesehen, welche bei gleicher Schaltfrequenz niedrigere Schaltverluste haben als entsprechende Halbleiterschalter des ersten Wechselrichters. Da der zweite Wechselrichter mit höheren Frequenzen arbeitet, ist dies zur Reduzierung der Verluste vorteilhaft. Der erste Wechselrichter kann dagegen auf Grund der niedrigeren Frequenzen mit einfacheren und günstigeren Halbleiterschaltern arbeiten.
Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen und in den Zeichnungen dargestellten, in keiner Weise als Einschränkung der Erfindung zu verstehenden Ausführungsbeispielen sowie aus den Unteransprüchen. Es zeigt

1 in einer schematischen Darstellung den Aufbau einer Elektromaschine,
2 in einer schematischen Darstellung eine Wechselrichteranordnung und eine Statoranordnung,
3 ein Diagramm mit Phasenströmen für die Statoranordnung von 2,
4 ein Stromzeigerdiagramm mit den Phasenbeziehungen der Phasenströme von 3,
5 ein Wicklungsschema für die Statoranordnung von 2,
6 in einer schematischen Darstellung eine weitere Ausführungsform der Wechselrichteranordnung und Statoranordnung,
7 ein Diagramm mit Phasenströmen für die Statoranordnung von 6,
8 ein Stromzeigerdiagramm mit den Phasenbeziehungen der Phasenströme von 7,
9 ein Wicklungsschema für die Statoranordnung von 6,
10 ein Ausführungsbeispiel einer dreiphasigen Statoranordnung mit zwei dreiphasigen Wicklungsanordnungen,
11 ein Ausführungsbeispiel einer dreiphasigen Statoranordnung mit zwei dreiphasigen Wicklungsanordnungen,
12 eine dreiphasige Statoranordnung,
13 ein schematisches Diagramm einer Spannungserzeugung zwischen zwei Leitern einer Wicklungsanordnung von 1,
14 in schematischer Darstellung ein Frequenzspektrum der in der Wechselrichteranordnung auftretenden Frequenzen, und
15 in schematischer Darstellung unterschiedliche Signale der Wechselrichteranordnung,

Im Folgenden sind gleiche oder gleichwirkende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden üblicherweise nur einmal beschrieben. Die Beschreibung ist figurenübergreifend aufeinander aufbauend, um unnötige Wiederholungen zu vermeiden.
1 zeigt den schematischen Aufbau einer Elektromaschine 10. Die Elektromaschine 10 hat eine Statoranordnung 60, eine Rotoranordnung 90, eine Steueranordnung 20 und eine Wechselrichteranordnung 30. Die Rotoranordnung 90 weist einen Rotor 91 auf, und bevorzugt ist eine - nicht dargestellte - Lageranordnung vorgesehen.
Die Statoranordnung 60 hat eine erste Wicklungsanordnung 61 mit ersten Wicklungsanordnungsanschlüssen 71, 72, 73 und eine zweite Wicklungsanordnung 62 mit zweiten Wicklungsanordnungsanschlüssen 81, 82, 83. Die erste Wicklungsanordnung 61 und die zweite Wicklungsanordnung 62 sind im Ausführungsbeispiel von 1 als Dreieckschaltung geschaltet. Alternativ ist bspw. eine Sternschaltung möglich, vgl. 2 und 6. Durch eine geeignete Bestromung der ersten Wicklungsanordnung 61 und der zweiten Wicklungsanordnung 62 kann ein gewünschtes Drehmoment 92 auf den Rotor 91 erzeugt werden.
Die Wechselrichteranordnung 30 hat einen ersten Wechselrichter 31, einen zweiten Wechselrichter 32, eine erste Stromerfassungsvorrichtung 33 und eine zweite Stromerfassungsvorrichtung 34. Der erste Wechselrichter 31 ist mit der ersten Wicklungsanordnung 61 verschaltet, und der zweite Wechselrichter 32 ist mit der zweiten Wicklungsanordnung 62 verschaltet. Im Ausführungsbeispiel ist der erste Wechselrichter 31 über drei Leitungen mit den ersten Wicklungsanordnungsanschlüssen 71, 72, 73 verschaltet, und der zweite Wechselrichter 32 ist über drei Leitungen mit den zweiten Wicklungsanordnungsanschlüssen 81, 82, 83 verschaltet.
Die erste Stromerfassungsvorrichtung 33 ist dazu ausgebildet, ein erstes Stromsignal 11 zu erzeugen, welches erste Stromsignal 11 einen ersten Strom zwischen dem ersten Wechselrichter 31 und einem der ersten Wicklungsanordnungsanschlüsse 71, 72, 73 charakterisiert. Die zweite Stromerfassungsvorrichtung 34 ist dazu ausgebildet, ein zweites Stromsignal 12 zu erzeugen, welches zweite Stromsignal 12 einen zweiten Strom zwischen dem zweiten Wechselrichter 32 und einem der zweiten Wicklungsanordnungsanschlüsse 81, 82, 83 charakterisiert.
Die Steueranordnung 20 weist eine Steuervorrichtung 23, einen ersten Stromregler 21, einen zweiten Stromregler 22 und eine Kompensationssignalerzeugungsvorrichtung 24 auf. Der erste Stromregler 21 ist dazu ausgebildet, durch Zuführung eines ersten Stellwertsignals SW1 an den ersten Wechselrichter 31 das erste Stromsignal 11 auf ein erstes Stromsollsignal I1S zu regeln. Das erste Stromsollsignal I1S ist abhängig von der Drehstellung phi des Rotors 91.
Die Kompensationssignalerzeugungsvorrichtung 24 ist dazu ausgebildet, ein Kompensationssignal COMP zu erzeugen. Das Kompensationssignal COMP ist abhängig von der Abweichung des ersten Stromsignals 11 vom ersten Stromsollsignal 11S.
Der zweite Stromregler 22 ist dazu ausgebildet, durch Zuführung eines zweiten Stellwertsignals SW2 an den zweiten Wechselrichter 32 das zweite Stromsignal 12 auf ein zweites Stromsollsignal I2SC zu regeln. Das zweite Stromsollsignal I2SC ist abhängig von der Drehstellung phi des Rotors 91 und vom Kompensationssignal COMP.
Das erste Stellwertsignal SW1 und das zweite Stellwertsignal SW2 können gleich als getaktete Signale zur Ansteuerung der Halbleiterschalter der Wechselrichter 31, 32 erzeugt werden, oder aber in einem ersten Schritt als Vorgabesignal für eine - nicht dargestellte - Takterzeugungsvorrichtung für die Ansteuerung der Halbleiterschalter erzeugt werden. Die Takterzeugungsvorrichtung erzeugt den endgültigen Stellwert.
Ein Rotorlagegeber 27 ist vorgesehen, um die Rotorstellung des Rotors 91 zu erfassen und ein Rotorstellungssignal phi über eine Leitung 28 der Steuervorrichtung 23 zuzuführen. Die Steuervorrichtung 23 erzeugt in Abhängigkeit vom Rotorstellungssignal phi das Stromsollsignal I1S und das Stromsollsignal I2S. Die Signale I1S und I2S können bspw. wie folgt gleichphasig erzeugt werden: $I 1 S = A sin (phi + 2 pi i / 3)$
$I2S = A sin (phi + 2 pi i / 3)$
mit

A: Amplitude
phi: elektrischer Drehwinkel im Bogenmaß
i: Phasenindex mit i = 0, 1, 2
pi: Kreiszahl pi

Der elektrische Drehwinkel phi(t) ist zeitabhängig und kann dargestellt werden als $phi = ω \cdot t + phi_0$
phi_0 bezeichnet einen Offset-Winkel, welcher beispielsweise lastabhängig gewählt werden kann.
Der Index i gibt die Phase an, und die einzelnen Phasen sind um 120 °el. zueinander phasenverschoben. Für eine gegenphasige Bestromung kann bei I2S die Amplitude A durch -A ersetzt werden.
Der erste Stromregler 21 kann direkt mit dem Stromsollsignal I1S arbeiten.
Der zweite Stromregler 22 arbeitet mit dem Stromsollsignal 12SC, welches aus dem drehstellungsabhängigen Signal I2S und dem Kompensationssignal COMP erzeugt wird. In Abhängigkeit von der Verschaltung der ersten Wicklungsanordnung 61 und der zweiten Wicklungsanordnung 62 kann das Stromsollsignal I2SC bspw. berechnet werden als $I 2 SC = I 2 S + COMP$
oder $2 SC = I 2 S - COMP$
Die erste Wicklungsanordnung 61 und die zweite Wicklungsanordnung 62 sind im Ausführungsbeispiel als getrennte Wicklungsanordnungen 61, 62 ausgebildet, die Wicklungsanordnungsanschlüsse 71, 72, 73 sind also nicht direkt mit den Wicklungsanschlüssen 81, 82, 83 verbunden, sondern allenfalls indirekt bei entsprechenden Schaltzuständen der Wechselrichteranordnung 30.
Die Wicklungen 74 und 84 sind im Ausführungsbeispiel an gleicher Stelle um den Rotor 91 herum angeordnet, sie sind jedoch bevorzugt gegensinnig gewickelt, wie dies durch den Punkt an den Wicklungen 74 und 84 gekennzeichnet ist. Um mit der Wicklung 84 einen magnetischen Fluss zu erzeugen, welcher dem magnetischen Fluss der Wicklung 74 entspricht, muss das Signal zwischen den Wicklungsanordnungsanschlüssen 81 und 82 gegenphasig sein zum Signal an den Wicklungsanordnungsanschlüssen 71, 72. Gleiches gilt für die Wicklungen 76 und 86 sowie für die Wicklungen 75 und 85.
2 zeigt schematisch eine Ausführungsform der Wechselrichteranordnung 30 und deren Verschaltung mit der Statoranordnung 60.
Die Statoranordnung 60 ist mit einer als Sternschaltung geschalteten Wicklungsanordnung 61 und einer als Sternschaltung geschalteten Wicklungsanordnung 62 ausgebildet.
Die Wechselrichteranordnung 30 wird durch einen Gleichstromzwischenkreis 36 mit einer Leitung 37, einer Leitung 38 und einem Zwischenkreiskondensator 35 zwischen der Leitung 37 und der Leitung 38 gespeist.
Der Gleichstromzwischenkreis 36 wird bspw. durch eine - nicht dargestellte - Traktionsbatterie und/oder durch einen Gleichrichter mit einer Spannung versorgt.
Im Ausführungsbeispiel sind der erste Wechselrichter 31 und der zweite Wechselrichter 32 örtlich zusammen ausgebildet.
Der erste Wechselrichter 31 hat einen ersten Brückenzweig mit einem Anschluss 47A, einen zweiten Brückenzweig mit einem Anschluss 48A und einen dritten Brückenzweig mit einem Anschluss 49A.
Der Anschluss 47A ist über einen Schalter 41A mit der Leitung 37 und über einen Schalter 42A mit der Leitung 38 verbunden.
Der Anschluss 48A ist über einen Schalter 43A mit der Leitung 37 und über einen Schalter 44A mit der Leitung 38 verbunden.
Der Anschluss 49A ist über einen Schalter 45A mit der Leitung 37 und über einen Schalter 46A mit der Leitung 38 verbunden.
Der zweite Wechselrichter 32 hat einen ersten Brückenzweig mit einem Anschluss 47B, einen zweiten Brückenzweig mit einem Anschluss 48B und einen dritten Brückenzweig mit einem Anschluss 49B.
Der Anschluss 47B ist über einen Schalter 41 B mit der Leitung 37 und über einen Schalter 42B mit der Leitung 38 verbunden.
Der Anschluss 48B ist über einen Schalter 43B mit der Leitung 37 und über einen Schalter 44B mit der Leitung 38 verbunden.
Der Anschluss 49B ist über einen Schalter 45B mit der Leitung 37 und über einen Schalter 46B mit der Leitung 38 verbunden.
Der Anschluss 47A ist mit dem Wicklungsanordnungsanschluss 71 verbunden, der Anschluss 48A mit dem Wicklungsanordnungsanschluss 72 und der Anschluss 49A mit dem Wicklungsanordnungsanschluss 73. Der Anschluss 47B ist mit dem Wicklungsanordnungsanschluss 81 verbunden, der Anschluss 48B mit dem Anschluss 82 und der Anschluss 49B mit dem Anschluss 83.
Die erste Wicklungsanordnung 61 und die zweite Wicklungsanordnung 62 sind wie angedeutet antiparallel verschaltet. Durch die gewählte Verschaltung müssen die einander zugeordneten Wicklungen 74, 84 bzw. 75, 85 bzw. 76, 86 gegenphasig bestromt werden. Dies kann bspw. dadurch erfolgen, dass die Schalter 45A und 45B für die Anschlüsse 49A, 49B entsprechend gegenphasig geschaltet werden. Durch die gewählte Verschaltung der ersten Wicklungsanordnung 61 und der zweiten Wicklungsanordnung 62 fließt bei leitend geschalteten Schaltern 45A und 42A der Strom in der Wicklung 74 von rechts nach links, und der Strom in der Wicklung 84 fließt bei leitend geschalteten Schaltern 46B und 41B ebenfalls von rechts nach links. Aufgrund der zueinander gegensinnigen Wicklungen 74, 84 wird bei einer gegenphasigen Bestromung ein magnetischer Fluss in die gleiche Richtung erzeugt.
3 zeigt die Ströme 171, 172, 173, 181, 182 und I83 durch die Wicklungsanordnungsanschlüsse 71, 72, 73, 81, 82 und 83. Es ist zu sehen, dass die Ströme 171 und 181 gegenphasig verlaufen, ebenso die Ströme 172, 182 sowie die Ströme 173, 183.
4 zeigt ein Stromzeigerdiagramm, aus dem die Phasenbeziehungen der einzelnen Ströme 171, 172, 173, 181, 182 und I83 mit der gegenphasigen Ansteuerung deutlich werden.
5 zeigt beispielhaft ein mögliches Wicklungsschema für die Statoranordnung 60 mit 12 Nuten, die in der oberen Zeile mit 0 bis 11 durchnummeriert sind. Die Wicklungen 74, 75 und 76 sind mit den Buchstaben a, b, c gekennzeichnet, und die Wicklungen 84, 85 86 sind mit den Buchstaben d ,e, f. Großbuchstaben kennzeichnen eine erste Richtung der Wicklung durch die jeweilige Nut, und Kleinbuchstaben eine zur ersten Richtung entgegengesetzte zweite Richtung. Die Wicklung kann beispielsweise durch Pins ausgeführt werden, welche in die Nuten eingeführt und anschließend an den Stirnseiten der Statoranordnung 60 verschaltet werden.
Das gezeigte Wicklungsschema hat in jeder Nut zwei unterschiedliche Wicklungen, und hierdurch kann der Stator mit den separaten Wicklungsanordnungen 61, 62 symmetrisch aufgebaut werden.
6 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform der Wechselrichteranordnung 30 und deren Verschaltung mit der Statoranordnung 60.
Die Statoranordnung 60 ist mit einer als Sternschaltung geschalteten Wicklungsanordnung 61 und einer als Sternschaltung geschalteten Wicklungsanordnung 62 ausgebildet.
Wie durch die Punkte an den Wicklungen 74, 75, 76, 84, 85, 86 angedeutet sind diese paarweise gleichsinnig vorgesehen, und die Wicklungen 74, 84 bzw. 75, 85 bzw. 76, 86 werden jeweils gleichphasig angesteuert. Alternativ ist es - wie beispielsweise im Ausführungsbeispiel von 2 - möglich, die Wicklungen 74, 84 paarweise gegensinnig gewickelt vorzusehen, ebenso die Wicklungen 75, 85 und 76, 86.
7 zeigt die Ströme 171, 172, 173, 181, I82 und I83 durch die Wicklungsanordnungsanschlüsse 71, 72, 73, 81, 82 und 83. Es ist zu sehen, dass die Ströme 171 und 181 gleichphasig verlaufen, ebenso die Ströme 172, I82 sowie die Ströme 173, 183.
8 zeigt ein Stromzeigerdiagramm, aus dem die Phasenbeziehungen der einzelnen Ströme 171, 172, 173, 181, I82 und I83 mit der gleichphasigen Ansteuerung deutlich werden.
9 gibt ein Wicklungsschema wie in 5 an. Beim gezeigten Wicklungsschema sind die Wicklungen 74, 84 bzw. 75, 85 bzw. 76, 86 gleichsinnig verschaltet, und dies wird dadurch deutlich, dass die jeweiligen Buchstaben entweder ausschließlich Großbuchstaben A bis F oder ausschließlich Kleinbuchstaben a bis f sind. Bei einem solchen Wicklungsschema würden die Richtungen der Phasenströme 181, I82 bzw. I83 den Richtungen der Phasenströme 171, 172, I73 entsprechen, sie wären also gleichphasig und gleichsinnig. Ein beispielhaftes gegenphasiges Wicklungsschema ist in 5 gezeigt.
10 zeigt eine Statoranordnung 60 mit einem Statorkern 100. Der Statorkern 100 ist üblicherweise als Statorblechpaket ausgebildet. Am Statorkern 100 sind beispielhaft zwölf Nuten 101, 102, 103, 104, 105, 106, 107, 108, 109, 110, 111 und 112 vorgesehen. Die Wicklungsanordnung ist als Durchmesserwicklungsanordnung ausgeführt. Die drei Wicklungen der ersten Wicklungsanordnung 61 werden mit den Buchstaben a, b, c bezeichnet, und die drei Wicklungen der zweiten Wicklungsanordnung 62 mit d, e, f. Hierbei zeigen Großbuchstaben A, B, C, D, E, F eine erste Richtung des jeweiligen Wicklungsleiters durch die zugeordnete Nut und Kleinbuchstaben a, b, c, d, e, f eine zweite, der ersten Richtung entgegengesetzte Richtung an. In den Nuten 101, 104, 105, 108, 109 und 112 verlaufen die Wicklungen jeweils in eine erste Richtung, und in den Nuten 102, 103, 106, 107, 110 und 111 in eine zweite entgegengesetzte Richtung. Der Wicklung a ist jeweils eine gegensinnig geschaltete Wicklung d benachbart zugeordnet, der Wicklung b ist jeweils eine gegensinnig geschaltete Wicklung e zugeordnet, und der Wicklung c ist jeweils eine gegensinnig geschaltete Wicklung f zugeordnet. Jede der zwölf Nuten enthält jeweils nur Leiter einer der Wicklungen a, b, c, d, e, f. Die Wicklungen a, d bzw. b, e bzw. c, f werden jeweils gegenphasig angesteuert, so dass beispielsweise bei A und d der Wicklungsstrom jeweils in die Darstellung nach unten hineinfließt und bei a und D jeweils aus der Darstellung nach oben heraus fließt. Hierdurch wird beispielsweise ein antreibendes Drehmoment auf den zweipoligen Rotor 91 bewirkt.
Die dargestellte Statoranordnung 60 hat somit zwei dreiphasige Wicklungsanordnungen 61, 62, und der Rotor 91 ist zweipolig ausgebildet. Der elektrische Winkel phi_el stimmt bei einem zweipoligen Rotor 91 mit dem mechanischen Winkel phi_mech der Elektromaschine 10 überein.
11 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Statoranordnung 60 mit dem Statorkern 100. Im Unterschied zu 10 sind in jeder Nut 101 bis 112 zwei unterschiedliche Wicklungen vorgesehen. Beispielsweise sind in der oberen Nut 101 und in der Nut 102 links davon jeweils die gegensinnigen Wicklungen A und d und in der unteren Nut 107 und in der Nut 108 rechts davon die gegensinnigen Wicklungen a und D vorgesehen. Zusätzlich sind bevorzugt der Wicklungsabschnitt A und der Wicklungsabschnitt d jeweils einmal radial innen und einmal radial außen vorgesehen. Dies ergibt eine gute Symmetrie zwischen der ersten Wicklungsanordnung 61 und der zweiten Wicklungsanordnung 62.
Es ist auch möglich, mehr als zwei Pins bzw. Wicklungen in jeder Nut vorzusehen, beispielsweise vier bis acht Pins pro Nut. Neben der Ausbildung der Wicklungen durch Pins ist beispielsweise auch eine Ausbildung durch einen Wicklungsdraht mit üblicher Wickeltechnik möglich.
Es sind auch Statoranordnungen 60 mit beispielsweise 18 Nuten, 24 Nuten oder einer größeren Anzahl möglich. Der Rotor 91 kann beispielsweise auch vierpolig, sechspolig, achtpolig sein oder eine noch höhere Polzahl aufweisen.
12 zeigt eine Statoranordnung 160 mit einem Statorkern 1100 und einer dreiphasigen Wicklungsanordnung 161 mit den Wicklungen a, b, c und dient als Vergleich zur Veranschaulichung der Neuerungen in den vorhergehenden Figuren. Die Nuten sind mit 1101 bis 1106 bezeichnet. Der Rotor ist mit 191 bezeichnet.
13 zeigt schematisch eine Ausbildung einer Leiterspannung U71 zwischen den Wicklungsanordnungsanschlüssen 71 und 72. Das Tastverhältnis TV des PWM-Signals S71 verändert sich beispielsweise mit der Höhe der gewünschten Spannung, und der Strom resultiert aus der Spannung. Die effektive Spannung U_eff der Grundschwingung ergibt sich beispielsweise in Abhängigkeit der Spannung U_37 an der Leitung 37 von 2 bzw. 6 aus $U_eff = U_37 * TV$
Im linearen Bereich ist die Grundschwingungsspannung proportional zum Modulationsgrad.
Die Höhe der Zwischenkreisspannung ist mit U_dc gekennzeichnet.
Eine volle elektrische Periode der Spannung beginnt beispielsweise bei einem elektrischen Winkel phi_el (im Bogenmaß) von 0 und endet bei 2 pi.
14 zeigt ein Frequenzspektrum der im realen Betrieb bei einer dreiphasigen Elektromaschine 10 auftretenden Frequenzen der Leiterspannung. Die getaktete Umschaltung der Halbleiterschalter findet beispielsweise bei einer Taktfrequenz f_c (englisch: carrier frequency) statt, und hierdurch entstehen Oberschwingungen im Bereich der Vielfachen der Taktfrequenz f_c, beispielsweise bei 2 f_c und 3 f_c. Der Abstand der Oberschwingungen von der Taktfrequenz f_c bzw. deren Vielfachen ist von der Grundschwingungsfrequenz abhängig, die wiederum abhängig ist von der Drehzahl und von der Polzahl bzw. deren Vielfachen. Die Oberschwingungen führen zu zusätzlichen Verlusten sowohl im Blechpaket (Eisenverluste) und der Wicklungsanordnung (Kupferverluste) der Elektromaschine 10 als auch in den Permanentmagneten der Rotoranordnung (Wirbelstromverluste). Diese Verluste reduzieren ggf. im rotorkritischen System die Dauerleistung signifikant und führen zudem zur Reduktion der Reichweite batteriebetriebener Fahrzeuge.
Die konventionelle dreiphasige Speisung bietet kaum Möglichkeiten, bei vorgegebener Taktfrequenz die durch die Wechselrichterspeisung verursachten Oberfelder wirksam zu unterdrücken, ohne das Maschinenverhalten signifikant zu beeinflussen. Die Folgen der Oberschwingungsströme können durch Sekundärmaßnahmen wie Magnetsegmentierung reduziert werden. Diese Maßnahmen sind aber aufwändig und teuer.
Durch die beschriebene Wechselrichteranordnung 30 kann der zweite Wechselrichter 32, der mit einer höheren Frequenz arbeitet als der erste Wechselrichter und bevorzugt auch schneller arbeitet, die Folgen der Oberschwingungen des ersten Wechselrichters 31 zumindest teilweise kompensieren und hierdurch zu einer deutlichen Reduktion der Oberschwingungen im magnetischen Fluss führen.
Die zweite Taktfrequenz f2 ist bevorzugt mindestens um den Faktor 3,5 höher als die erste Taktfrequenz f1, bevorzugt mindestens um den Faktor 7,0. Bevorzugte Faktoren sind 4,0 bzw. 8,0. Hierdurch kann der zweite Wechselrichter 32 die Auswirkungen der Oberschwingungen des ersten Wechselrichters 31 qualitativ gut ausregeln.
Der erste Wechselrichter 31 arbeitet mit einer vorgegebenen Taktfrequenz f1, welche beispielsweise im Bereich 2 kHz - 8 kHz liegt. Die Taktfrequenz f2 des zweiten Wechselrichters 32 liegt entsprechend höher.
Die Höhe der ersten Frequenz f1 und der zweiten Frequenz f2 wird bevorzugt abhängig vom Betriebspunkt der Elektromaschine 10 vorgegeben. Bei niedrigen Drehzahlen ist beispielsweise eine geringere Frequenz ausreichend, und dies führt bei ausreichender Regelgenauigkeit zu geringeren Schaltverlusten. Bei hohen Drehzahlen und/oder hoher mechanischer Leistung der Elektromaschine 10 können dagegen beispielsweise die Frequenzen f1, f2 angehoben werden, um eine bessere Regelung - bei gleichzeitig höheren Schaltverlusten - zu erzielen. Die Anpassung der Frequenzbereiche kann dabei beispielsweise in einer oder mehreren Stufen oder aber kontinuierlich erfolgen. Bevorzugt kann die Anpassung der Frequenzen f1, f2 zusätzlich oder alternativ in Abhängigkeit von der Rotortemperatur der Elektromaschine oder vom Ladezustand der Batterie eines batteriebetriebenen Fahrzeugs erfolgen.
Beispielsweise können bei niedrigen Drehzahlen bzw. Fahrzeuggeschwindigkeiten Taktfrequenzen von 2 kHz für den ersten Wechselrichter 31 und 16 kHz für den zweiten Wechselrichter 32 gewählt werden, und die Taktfrequenzen werden näherungsweise linear mit steigender Drehzahl bis auf 8 kHz für den ersten Wechselrichter 31 und 64 kHz für den zweiten Wechselrichter 32 vorgegeben. Dies führt zu einer sparsamen Wechselrichtung bei niedrigen Drehzahlen und zu einer hochqualitativen Wechselrichtung bei hohen Drehzahlen, wobei der Oberschwingungsgehalt im Strom bzw. im magnetischen Fluss niedrig ist.
Für den zweiten Wechselrichter 32 werden bevorzugt höherwertige Halbleiterschalter (z.B. SiC-Halbleiter) mit geringeren Schaltverlusten verwendet als für den ersten Wechselrichter 31 (z.B. Si-Halbleiter). Dieser Betrieb der Wechselrichter 31, 32 in unterschiedlichen Frequenzbereichen ist daher von den Kosten her sehr interessant, da die Kompensation nur im zweiten Wechselrichter erfolgt.
Insbesondere bei Digitalreglern ist die Regelgenauigkeit unter anderem von der Regelrate abhängig, also von der Anzahl der Berechnungen der Regelabweichung pro Zeiteinheit. Der erste Stromregler 21 arbeitet mit einer ersten Regelrate, der zweite Stromregler 22 arbeitet mit einer zweiten Regelrate, und die zweite Regelrate ist bevorzugt höher als die erste Regelrate.
15 zeigt vereinfacht und beispielhaft das Prinzip der Erfindung anhand von Kurven 130 bis 136.
Die Kurve 130 zeigt die Grundschwingung des durch die erste Wechselrichteranordnung 31 erzeugten Stroms mit einer zu kompensierenden ersten Oberschwingung. Die Kurve 131 zeigt das Signal COMP zur Kompensation der ersten Oberschwingung, die sich beispielsweise aus der Differenz der Kurve 130 und dem Sollwert für die Kurve 130 ergibt. Das Signal COMP hat eine Phasenverschiebung von ca. 180° zur Oberschwingung. Es wird also ein Kompensationsstrom COMP gestellt, der die Auswirkungen des Oberschwingungsstromanteils der Kurve 130 auf den magnetischen Fluss kompensiert.
Die Kurve 132 zeigt den Sollwert I2S für die zweite Wechselrichteranordnung 32, und die Kurve 133 zeigt den durch die zweite Wechselrichteranordnung 32 in Abhängigkeit vom Sollwert I2S und vom Signal COMP erzeugten Stroms. Da die zweite Wechselrichteranordnung 32 mit einer höheren Frequenz arbeitet als die erste Wechselrichteranordnung, sind bei der Kurve 133 zweite Oberschwingungen 134 vorhanden, die eine höhere Frequenz haben als die erste Oberschwingung.
Die Kurve 135 ergibt die sich durch den ersten Wechselrichter 31 und den zweiten Wechselrichter 32 insgesamt ergebende resultierende Schwingung ohne Kompensation durch das Signal COMP, und sie enthält sowohl die von der ersten Wechselrichteranordnung 31 erzeugte erste Oberschwingung mit der niedrigeren Frequenz als auch die von der zweiten Wechselrichteranordnung 32 erzeugte zweite Oberschwingung mit der höheren Frequenz. Die Kurve 136 zeigt die entsprechende resultierende Schwingung mit Kompensation der von der ersten Wechselrichteranordnung 31 erzeugten Oberschwingung mit der niedrigeren Frequenz durch das Signal COMP.
Die Amplitude der zweiten Oberschwingung ist zur besseren Kenntlichmachung überhöht gewählt. Da die Amplitude der zweiten Oberschwingung wegen der höheren Frequenz deutlich geringer ist als die Amplitude der ersten Oberschwingung, hat die Kurve 136 in der Realität eine deutlich geringere Abweichung von der Idealkurve als die Kurve 135 und die von der ersten Wechselrichteranordnung 31 erzeugten Kurve 130.
Naturgemäß sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung vielfältige Abwandlungen und Modifikationen möglich.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

CN 105720875 A [0002]
EP 0266598 A2 [0003]

Claims

Elektromaschine (10) mit einer Statoranordnung (60), einer Rotoranordnung (90), einer Steueranordnung (20) und einer Wechselrichteranordnung (30), welche Rotoranordnung (90) einen Rotor (91) aufweist, welche Statoranordnung (60) eine erste Wicklungsanordnung (61) mit ersten Wicklungsanordnungsanschlüssen (71, 72, 73) und eine zweite Wicklungsanordnung (62) mit zweiten Wicklungsanordnungsanschlüssen (81, 82, 83) aufweist, um ein Drehmoment (92) auf den Rotor (91) zu bewirken, welche Wechselrichteranordnung (30) einen ersten Wechselrichter (31), einen zweiten Wechselrichter (32), eine erste Stromerfassungsvorrichtung (33) und eine zweite Stromerfassungsvorrichtung (34) aufweist, welcher erste Wechselrichter (31) mit der ersten Wicklungsanordnung (61) verschaltet ist, welcher zweite Wechselrichter (32) mit der zweiten Wicklungsanordnung (62) verschaltet ist, welche erste Stromerfassungsvorrichtung (33) dazu ausgebildet ist, ein erstes Stromsignal (11) zu erzeugen, welches erste Stromsignal (11) einen ersten Strom zwischen dem ersten Wechselrichter (31) und einem der ersten Wicklungsanordnungsanschlüsse (71, 72, 73) charakterisiert, welche zweite Stromerfassungsvorrichtung (34) dazu ausgebildet ist, ein zweites Stromsignal (12) zu erzeugen, welches zweite Stromsignal (12) einen zweiten Strom zwischen dem zweiten Wechselrichter (32) und einem der zweiten Wicklungsanordnungsanschlüsse (81, 82, 83) charakterisiert, welche Steueranordnung (20) eine Steuervorrichtung (23), einen ersten Stromregler (21), einen zweiten Stromregler (22) und eine Kompensationssignalerzeugungsvorrichtung (24) aufweist, welcher erste Stromregler (21) dazu ausgebildet ist, durch Zuführung eines ersten Stellwertsignals (SW1) an den ersten Wechselrichter (31) das erste Stromsignal (11) auf ein erstes Stromsollsignal (11S) zu regeln, welche Kompensationssignalerzeugungsvorrichtung (24) dazu ausgebildet ist, ein Kompensationssignal (COMP) zu erzeugen, welches Kompensationssignal (COMP) abhängig ist von der Abweichung des ersten Stromsignals (I1) vom ersten Stromsollsignal (I1S), welcher zweite Stromregler (22) dazu ausgebildet ist, durch Zuführung eines zweiten Stellwertsignals (SW2) an den zweiten Wechselrichter (32) das zweite Stromsignal (I2) auf ein zweites Stromsollsignal (I2SC) zu regeln, welches zweite Stromsollsignal (I2SC) abhängig ist vom Kompensationssignal (COMP).
Elektromaschine nach Anspruch 1, bei welcher das erste Stromsollsignal (I1S) und das zweite Stromsollsignal (I2SC) abhängig sind von der Drehstellung (phi) des Rotors (91).
Elektromaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher das erste Stellwertsignal (SW1) eine erste Taktfrequenz (f1) aufweist, bei welcher das zweite Stellwertsignal (SW2) eine zweite Taktfrequenz (f2) aufweist, und bei welcher die zweite Taktfrequenz (f2) höher ist als die erste Taktfrequenz (f1).
Elektromaschine nach Anspruch 3, bei welcher die zweite Taktfrequenz (f2) mindestens um den Faktor 3,5 höher ist als die erste Taktfrequenz (f1), bevorzugt mindestens um den Faktor 7,0.
Elektromaschine nach Anspruch 3 oder 4, bei welcher die erste Taktfrequenz (f1) und die zweite Taktfrequenz (f2) abhängig von mindestens einem Kriterium vorgegeben sind aus der Gruppe bestehend aus: - Betriebspunkt der Elektromaschine (10), - Temperatur in der Elektromaschine (10), und - Ladezustandswert einer zur Stromversorgung der Elektromaschine (10) verwendeten Batterie.
Elektromaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der erste Stromregler (21) mit einer ersten Regelrate arbeitet, bei welcher der zweite Stromregler (22) mit einer zweiten Regelrate arbeitet, und bei welcher die zweite Regelrate höher ist als die erste Regelrate.
Elektromaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher jeder ersten Wicklung (74, 75, 76) der ersten Wicklungsanordnung (61) eine antiparallel verschaltete zweite Wicklung (84, 85, 86) der zweiten Wicklungsanordnung (62) zugeordnet ist, und bei welcher der erste Wechselrichter (31) und der zweite Wechselrichter (32) dazu ausgebildet sind, zu jeder ersten Wicklung (74, 75, 76) der ersten Wicklungsanordnung (61), die mit einer ersten Phase bestromt wird, eine zugeordnete zweite Wicklung (84, 85, 86) der zweiten Wicklungsanordnung (62) gegenphasig zu bestromen.
Elektromaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei welcher jeder ersten Wicklung (74, 75, 76) der ersten Wicklungsanordnung (61) eine parallel verschaltete zweite Wicklung (84, 85, 86) der zweiten Wicklungsanordnung (62) zugeordnet ist, und bei welcher der erste Wechselrichter (31) und der zweite Wechselrichter (32) dazu ausgebildet sind, zu jeder ersten Wicklung (74, 75, 76) der ersten Wicklungsanordnung (61), die mit einer ersten Phase bestromt wird, eine zugeordnete zweite Wicklung (84, 85, 86) der zweiten Wicklungsanordnung (62) gleichphasig zu bestromen.
Elektromaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Statoranordnung (60) einen Statorkern (100) mit Statornuten (101) aufweist.
Elektromaschine nach Anspruch 9, bei welcher in mindestens einer Statornut (101) sowohl ein erster Leiter der ersten Wicklungsanordnung (61) als auch ein zweiter Leiter der zweiten Wicklungsanordnung (62) vorgesehen sind.
Elektromaschine nach Anspruch 10, bei welcher die erste Wicklungsanordnung (61) und die zweite Wicklungsanordnung (62) derart verschaltet sind, dass bei einer gegenphasigen Ansteuerung des zweiten Wechselrichters (32) relativ zum ersten Wechselrichter (31) beim ersten Leiter und beim zweiten Leiter in der mindestens einen Statornut (10) in die gleiche Richtung bestromt wird.
Elektromaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Wechselrichteranordnung (60) bidirektional ausgebildet ist, um eine Gleichrichtung im generatorischen Betrieb der Elektromaschine (10) zu ermöglichen.
Elektromaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher im zweiten Wechselrichter (32) Halbleiterschalter (41B, 42B, ...) vorgesehen sind, welche bei gleicher Schaltfrequenz niedrigere Schaltverluste haben als entsprechende Halbleiterschalter (41A, 42A, ...) des ersten Wechselrichters (31).