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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Filtervorrichtung für ein elektrisches Antriebssystem sowie ein elektrisches Antriebssystem mit einer solchen Filtervorrichtung. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung die Reduktion elektromagnetischer Beeinträchtigungen in einem elektrischen Antriebssystem.
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Stand der Technik
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Während des Betriebs einer elektrischen Maschine in einem elektrischen Antriebssystem können durch das elektrische Antriebssystem Störungen verursacht werden. Bei diesen Störungen kann es sich beispielsweise um hochfrequente Störsignale handeln, die beispielsweise den Rundfunkempfang negativ beeinflussen. Daher müssen derartige Störsignale zuverlässig eliminiert oder zumindest ausreichend gedämpft werden, um eine Beeinträchtigung weiterer Geräte in der Umgebung des Antriebssystems zu vermeiden. Hierzu müssen geeignete Filtervorrichtungen vorgesehen sein, die elektromagnetische Störsignale zuverlässig abschwächen.
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Die Druckschrift
DE 10 2015 224 872 A1 beschreibt eine Filterbaugruppe für Hochvoltverbindungen. Die Filteranordnung ist vollständig in die Leistungselektronik, beispielsweise in die Leistungselektronik eines elektrischen Antriebssystems integriert. Insbesondere kann die Filterbaugruppe ein Ringkernelement aufweisen, das innerhalb des Filtergehäuses angeordnet ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft eine Filtervorrichtung für ein elektrisches Antriebssystem sowie ein elektrisches Antriebssystem mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Weitere Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Demgemäß ist vorgesehen:
- Eine Filtervorrichtung für ein elektrisches Antriebssystem. Die Filtervorrichtung kann insbesondere zur Reduktion elektromagnetischer Störungen von dem Antriebssystem eingesetzt werden. Die Filtervorrichtung umfasst eine erste Filtereinrichtung, eine zweite Filtereinrichtung sowie ein geschirmtes Verbindungselement. Die erste Filtereinrichtung ist dazu ausgelegt, an einem ersten Anschluss mit einer elektrischen Energiequelle gekoppelt zu werden. Die zweite Filtereinrichtung ist in einem Stromrichter des elektrischen Antriebssystems integriert. Beispielsweise kann über die zweite Filtereinrichtung an einem zweiten Anschluss elektrische Energie bereitgestellt werden, die von dem Stromrichter zur Ansteuerung einer elektrischen Maschine genutzt werden kann. Das geschirmte Verbindungselement ist dazu ausgelegt, einen zweiten Anschluss der ersten Filtereinrichtung mit einem Anschluss der zweiten Filtereinrichtung elektrisch zu koppeln. Insbesondere kann für jedes Antriebssystem des zweiten Anschlusses der ersten Filtereinrichtung eine separate geschirmte Verbindung zu einem korrespondierenden Anschlusselement am Anschluss der zweiten Filtereinrichtung vorgesehen sein. Die erste Filtereinrichtung und die zweite Filtereinrichtung können dazu ausgelegt sein, Wechselspannungsanteile, insbesondere höherfrequente Frequenzanteile zu filtern bzw. zu dämpfen.
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Weiterhin ist vorgesehen:
- Ein elektrisches Antriebssystem mit einer elektrischen Maschine, einem Stromrichter und einer erfindungsgemäßen Filtervorrichtung. Der elektrische Stromrichter ist dazu ausgelegt, die elektrische Maschine unter Verwendung einer bereitgestellten Eingangsgleichspannung anzusteuern. Die zweite Filtereinrichtung der erfindungsgemäßen Filtervorrichtung und der Stromrichter können insbesondere in einer gemeinsamen Baugruppe angeordnet sein. Beispielsweise können die zweite Filtereinrichtung und der Stromrichter in einem gemeinsamen Gehäuse oder auf einer gemeinsamen Leiterplatte angeordnet sein. Die erste Filtereinrichtung ist räumlich getrennt von der Baugruppe mit dem elektrischen Stromrichter und der zweiten Filtereinrichtung angeordnet. Insbesondere kann die zweite Filtereinrichtung außerhalb eines Gehäuses oder einer Leiterplatte vorgesehen sein, welche die zweite Filtereinrichtung und den Stromrichter umfasst.
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Vorteile der Erfindung
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass von einem elektrischen Antriebssystem, insbesondere einem Antriebssystem mit Stromrichter und elektrischer Maschine höherfrequente Störsignale ausgehen können. Diese Störsignale können weitere elektrische oder elektronische Geräte oder Komponenten in der Umgebung des elektrischen Antriebssystems beeinträchtigen. Daher müssen die in dem elektrischen Antriebssystem auftretenden Störsignale ausreichend und zuverlässig eliminiert oder zumindest gedämpft werden. Hierzu können beispielsweise in einem Stromrichter eines elektrischen Antriebssystems Baugruppen vorgesehen sein, welche die auftretenden Störsignale filtern. Auf diese Weise kann eine ausreichende elektromagnetische Verträglichkeit gewährleistet werden.
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Für den Aufbau eines sogenannten EMV-Filters, welches die auftretenden Störsignale in ausreichendem Maße dämpft, sind in der Regel unterschiedliche Bauelemente erforderlich. Neben kapazitiven Bauelementen sind dabei insbesondere auch induktive Bauelemente erforderlich. Während die kapazitiven Bauelemente in der Regel mittels relativ kleiner Kondensatoren realisiert werden können, erfordern induktive Bauelemente oft ein relativ großes Volumen - verbunden mit einem entsprechend hohen Gewicht. Daher ist für ein vollständiges EMV-Filter auch ein entsprechend großes Bauvolumen mit damit einhergehendem hohen Gewicht erforderlich.
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Darüber hinaus sind je nach Anwendungsbereich und Einsatzort auch unterschiedliche Anforderungen für die Filterung der auftretenden Störsignale zu beachten. So können beispielsweise aufgrund unterschiedlicher Frequenzbereiche für Rundfunk- oder Mobilfunkübertragungen auch unterschiedliche Vorgaben für die Filterung der auftretenden Störsignale des elektrischen Antriebssystems zu beachten sein. Weiterhin können je nach Konfiguration des elektrischen Antriebssystems auch verschiedenartige Frequenzen in den Störsignalen auftreten, die entsprechend gedämpft oder eliminiert werden müssen. Hierzu müssen die dabei verwendeten Filterelemente auf den jeweiligen entsprechenden Anwendungsfall individuell angepasst werden.
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Ausgehend von diesen Rahmenbedingungen ist es eine Idee der vorliegenden Erfindung, das Filter für die Filterung von elektromagnetischen Störsignalen modular aufzubauen. Insbesondere kann ein Teil des Filters direkt zusammen mit den weiteren Komponenten des Stromrichters für das elektrische Antriebssystem kombiniert werden. Ein weiterer Teil des Filters kann separat, also außerhalb der Baugruppe mit dem Stromrichter, vorgesehen sein. Die beiden Teile des Filters können dabei mittels einer geschirmten Verbindung elektrisch miteinander verbunden werden.
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Auf diese Weise ist es möglich, den Stromrichter sehr kompakt aufzubauen. Insbesondere, wenn großvolumige und schwere Komponenten für die Filterung der Störsignale in den Teil des Filters ausgelagert werden, der separat angeordnet ist, so kann der Stromrichter und somit das elektrische Antriebssystem besonders kompakt ausgeführt werden. Die weiteren, großvolumigen und schweren Komponenten dagegen können an einer separaten Position angeordnet werden. Beispielsweise können die weiteren Komponenten der ersten Filtereinrichtung nahezu beliebig in einem Elektrofahrzeug mit einem solchen Antriebssystem positioniert werden. Dies ermöglicht es, den Bauraum des entsprechenden Systems, wie beispielsweise eines Elektrofahrzeugs, besonders effizient zu nutzen.
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Darüber hinaus kann durch eine Zweiteilung der Filterung auch die Filterung in einen ersten, beispielsweise kundenspezifischen Teil und einen zweiten, systemspezifischen Teil getrennt werden. Insbesondere können beispielsweise die systemspezifischen Teile in der zweiten Filtereinrichtung gemeinsam mit dem Stromrichter implementiert werden. Auf diese Weise kann durch einfache Variation der ersten Filtereinrichtung die erste Filtereinrichtung und somit das gesamte System kundenspezifisch angepasst werden. Auf diese Weise ist es möglich, das elektrische Antriebssystem mit Stromrichtern und zweiter Filtereinrichtung für eine Vielzahl von Anwendungsfällen zu konzipieren und die individuelle Anpassung, beispielsweise die kundenspezifischen Vorgaben oder die individuellen Anpassungen auf einzelne Rahmenbedingungen, jeweils durch Anpassen der separaten, ersten Filtereinrichtung vorzunehmen. Auf diese Weise kann die Filtervorrichtung besonders einfach an eine Vielzahl von unterschiedlichen Vorgaben angepasst werden.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst die erste Filtereinrichtung ein induktives Bauelement. Beispielsweise kann es sich bei dem induktiven Bauelement um eine Drossel oder ähnliches handeln. Gerade induktive Bauelemente, die gegebenenfalls auch einen Kern aus einem ferrithaltigen Material oder ähnlichem umfassen, erfordern ein hohes Bauvolumen. Durch das Anordnen der Filterelemente mit induktiven Charakter außerhalb einer Baugruppe mit dem Stromrichter, kann die Stromrichterbaugruppe besonders kompakt und leicht realisiert werden. Zusätzlich oder alternativ kann die zweite Filtereinrichtung ein kapazitives Bauelement umfassen. Kapazitive Bauelemente, wie zum Beispiel Kondensatoren, wie sie für die Filterung von elektromagnetischen Störsignalen eingesetzt werden, erfordern in der Regel nur ein relativ geringes Bauvolumen. Daher können derartige Bauelemente besonders einfach und ohne großes Bauvolumen gemeinsam mit dem Stromrichter in einer Baugruppe, beispielsweise innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses realisiert werden. Entsprechend können die hochfrequenten Anteile eines Störsignals unmittelbar direkt bei dem Stromrichter gefiltert werden. Darüber hinaus können auch in der ersten Filtereinrichtung kapazitive Bauelemente, insbesondere zur Filterung von Störungen vorgesehen sein. Beispielsweise können gerade kapazitive Bauelemente mit einer großen Kapazität und einem entsprechen großen Volumen auch außerhalb der zweiten Filtereinrichtung, also z.B. in der ersten Fintereinrichtung vorgesehen sein.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst die zweite Filtereinrichtung einen oder mehrere Kondensatoren. Insbesondere kann jeweils zwischen einem Bezugspotential und einem Anschlusselement des Anschlusses der zweiten Filtereinrichtung ein Kondensator angeordnet sein. Derartige Kondensatoren sind beispielsweise auch als sogenannte Y-Kondensatoren bekannt. Darüber hinaus kann auch zwischen zwei Anschlusselementen des Anschlusses der zweiten Filtereinrichtung ein Kondensator vorgesehen sein, beispielsweise ein sogenannter X-Kondensator.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das geschirmte Verbindungselement mehrere koaxiale Kabelverbindungen. Insbesondere kann jeweils zwischen einem Anschlusselement des zweiten Anschlusses der ersten Filtereinrichtung und einem korrespondierenden Anschlusselement des Anschlusses der zweiten Filtereinrichtung eine koaxiale Kabelverbindung vorgesehen sein. Auf diese Weise kann jedes Anschlusselement der ersten Filtereinrichtung mit einem korrespondierenden Anschlusselement der zweiten Filtereinrichtung über ein geeignetes Koaxialkabel verbunden sein. Die Schirmung der Koaxialkabel kann dabei insbesondere mit einem Bezugspotential verbunden sein.
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Gemäß einer Ausführungsform des elektrischen Antriebssystems bilden die elektrische Maschine, der Stromrichter und die zweite Filtereinrichtung eine gemeinsame Baugruppe. Derartige kompakte Anordnungen sind beispielsweise auch unter dem Begriff „Aggregat“, eAchse", „eAxle“ oder „eAxis“ bekannt.
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Gemäß einer Ausführungsform des elektrischen Antriebssystems umfasst das Antriebssystem ferner ein mechanisches Getriebe. In diesem Fall kann auch das mechanische Getriebe gemeinsam mit der elektrischen Maschine dem Stromrichter und der zweiten Filtereinrichtung als gemeinsame Baugruppe realisiert werden.
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Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, soweit sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich den Ausführungsbeispielen beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu den jeweiligen Grundformen der Erfindung hinzufügen.
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Figurenliste
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Dabei zeigen:
- 1: eine schematische Darstellung eines Prinzipschaltbilds eines elektrischen Antriebssystems mit einer Filtereinrichtung gemäß einer Ausführungsform; und
- 2: eine schematische Darstellung eines Prinzipschaltbilds eines elektrischen Antriebssystems mit einer Filtereinrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Prinzipschaltbilds eines elektrischen Antriebssystems 1. Das elektrische Antriebssystem 1 umfasst beispielsweise einen Stromrichter 20 und eine elektrische Maschine 30. Der Stromrichter 20 kann beispielsweise aus einer bereitgestellten Eingangsgleichspannung eine ein- oder mehrphasige elektrische Spannung generieren, die an der elektrischen Maschine 30 bereitgestellt wird. Entsprechend der bereitgestellten Spannung kann auf diese Weise an der elektrischen Maschine 30 ein gewünschtes Drehmoment und/oder eine gewünschte Drehzahl eingestellt werden. Bei der Ansteuerung der elektrischen Maschine 30 durch den Stromrichter 20 können gegebenenfalls Störsignale, insbesondere hochfrequente Störsignale auftreten. Um den Betrieb weiterer elektrischer oder elektronischer Geräte in der Umgebung des Antriebssystems 1 nicht zu beeinträchtigen und eventuell vorhandene gesetzliche Bestimmungen zu erfüllen, müssen diese Störsignale eliminiert oder zumindest in ausreichendem Maße gedämpft werden. Hierzu ist eine entsprechende Filtervorrichtung vorgesehen, die beispielsweise als EMV-Filter bezeichnet wird.
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In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt die Filterung der Störsignale mittels zwei räumlich getrennt angeordneter Filtereinrichtungen 11 und 12. Eine erste Filtereinrichtung 11 kann beispielsweise außerhalb des Stromrichters 20 als separate Baugruppe vorgesehen sein. Eine zweite Filtereinrichtung 12 kann beispielsweise gemeinsam mit dem Stromrichter 20 als gemeinsame Baugruppe realisiert sein. Beispielsweise kann die zweite Filtereinrichtung 12 im gleichen Gehäuse angeordnet sein, in dem auch der Stromrichter 20 implementiert ist. Insbesondere können die zweite Filtereinrichtung 12 und der Stromrichter 20 auch auf einer gemeinsamen Leiterplatte oder ähnlichem angeordnet sein.
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Die erste Filtereinrichtung 11 und die zweite Filtereinrichtung 12 sind über eine geschirmte Verbindung 13 elektrisch miteinander verbunden. Beispielsweise kann für jede Verbindung zwischen der ersten Filtereinrichtung 11 und der zweiten Filtereinrichtung 12 eine separate geschirmte Verbindung, wie zum Beispiel ein Koaxialkabel oder ähnliches, vorgesehen sein. Die Schirmung kann dabei mit einem gemeinsamen Bezugspotential verbunden sein. Darüber hinaus können auch die erste Filtereinrichtung 11 und die zweite Filtereinrichtung 12 ein gemeinsames Bezugspotential aufweisen.
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Auf diese Weise kann zum Beispiel mittels der zweiten Filtereinrichtung 12 eine erste Filterung von Störsignalen realisiert werden. Beispielsweise können in der zweiten Filtereinrichtung 12 diejenigen Bauelemente für die Filterung der Störsignale implementiert werden, welche nur einen geringen Bauraum bzw. ein geringes Gewicht erfordern. Weitere Komponenten, insbesondere Komponenten, welche ein hohes Gewicht bzw. ein großes Bauraumvolumen erfordern, können darüber hinaus in der ersten Filtereinrichtung 11 verbaut werden. Zum Beispiel können kapazitive Bauelemente, die in der Regel nur ein geringes Gewicht und Volumen erfordern, in der zweiten Filtereinrichtung 12 vorgesehen sein. Induktive Bauelemente, wie zum Beispiel Drosseln, Ferritkerne, etc. können dagegen in der ersten Filtereinrichtung 11 integriert werden. Auf diese Weise kann der Stromrichter 20 mit der zweiten Filtereinrichtung 12 besonders kompakt realisiert werden. Die erste Filtereinrichtung 11 kann außerhalb dieser Anordnung des Stromrichters 20 mit der zweiten Filtereinrichtung 12 an einem separaten Ort vorgesehen sein. Dies ermöglicht eine effiziente Ausnutzung des Bauraums und der räumlichen Gegebenheiten für ein elektrisches Antriebssystem 1.
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Darüber hinaus kann beispielsweise mittels der zweiten Filtereinrichtung 12 eine systemspezifische Filterung von Störsignalen vorgesehen sein. Beispielsweise kann diese systemspezifische Filterung auf die Komponenten des Stromrichters 20 sowie der elektrischen Maschine 30 abgestimmt sein. Darüber hinaus kann eine anwendungsspezifische Filterung und eine individuelle Anpassung der Filtereigenschaften mittels der ersten Filtereinrichtung 11 vorgesehen sein. Beispielsweise kann die erste Filtereinrichtung 11 die Filterung auf regionale Vorschriften oder individuelle Vorgaben anpassen. Auf diese Weise kann das elektrische Antriebssystem mit Stromrichter 20 und elektrischer Maschine 30 gemeinsam mit der zweiten Filtereinrichtung 12 in großen Stückzahlen produziert werden. Durch eine individuelle Anpassung der ersten Filtereinrichtung 10 kann darüber hinaus jeweils eine anwendungs- oder kundenspezifische Anpassung erfolgen.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines Prinzipschaubilds eines elektrischen Antriebssystems 1 gemäß einer Ausführungsform. Hierbei gelten alle zuvor im Zusammenhang mit 1 gemachten Ausführungsformen. 2 veranschaulicht weitere Einzelheiten eines Aufbaus des elektrischen Antriebssystems 1, insbesondere der Filtereinrichtungen 11, 12 in einer ,Ausführungsform.
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Wie beispielsweise in 2 zu erkennen ist, kann die erste Filtereinrichtung 11 an einem ersten Anschluss 111 mit einer Gleichspannungsquelle 40 gekoppelt werden. An einem zweiten Anschluss 112 kann die erste Filtereinrichtung 11 über die beiden geschirmten Verbindungen 131, 132 mit korrespondierenden Anschlusselementen eines Anschlusses 121 der zweiten Filtereinrichtung 12 verbunden werden. Die erste Filtereinrichtung 11, die zweite Filtereinrichtung 12, sowie die Schirmungen der Koaxialkabel 131, 132 können jeweils mit einem gemeinsamen Bezugspotential verbunden werden. Die erste Filtereinrichtung 11 kann insbesondere induktive Bauelemente L1, L2 umfassen. Beispielsweise kann die erste Filtereinrichtung 11 eine oder mehrere Drosselspulen sowie gegebenenfalls Ferritkerne umfassen.
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Die zweite Filtereinrichtung 12 kann insbesondere einen oder mehrere Kondensatoren C1, C2, C3 umfassen. Beispielsweise kann zwischen jedem Anschlusselement und dem Bezugspotential ein Kondensator C1, C2 vorgesehen sein. Zusätzlich oder alternativ kann zwischen den beiden Anschlusselementen, also Plus- und Minuspol ein Kondensator C3 vorgesehen sein. Insbesondere können die Induktivitäten in der Filtereinrichtung 11 und die Kondensatoren C1, C2, C3 in der zweiten Filtereinrichtung 12 aufeinander abgestimmt werden. Auf diese Weise können gezielt die zu unterdrückenden Frequenzen bzw. Frequenzbereiche auf den jeweiligen Anwendungsfall angepasst werden.
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Für einen besonders kompakten Aufbau können nicht nur der Stromrichter 20 und die zweite Filtereinrichtung 12 als gemeinsame Baugruppe realisiert werden, sondern es ist auch möglich, darüber hinaus elektrischen Antrieb und gegebenenfalls ein Getriebe sowie eine erforderliche Kühleinrichtung als eine kompakte Baugruppe zu realisieren.
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Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung eine Filtervorrichtung für ein elektrisches Antriebssystem. Die Filtervorrichtung ist dazu vorgesehen, elektrische Störsignale zu filtern, wie sie während des Betriebs des elektrischen Antriebssystems auftreten können. Hierzu ist es vorgesehen, einen Teil der Filtereinrichtung gemeinsam mit einem Stromrichter des elektrischen Antriebssystems als eine Baugruppe auszuführen und einen weiteren Teil der Filtervorrichtung als separate Baugruppe vorzusehen. Die beiden Teile der Filtervorrichtung zur Filterung der Störsignale sind dabei über geschirmte Verbindungen, wie zum Beispiel Koaxialkabel, miteinander verbunden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015224872 A1 [0003]
