DE102020110634A1

DE102020110634A1 - Control of an electrical machine with a stator that has more than three phases

Info

Publication number: DE102020110634A1
Application number: DE102020110634.3A
Authority: DE
Inventors: Daniel Glose
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2020-04-20
Filing date: 2020-04-20
Publication date: 2021-10-21

Abstract

Die Erfindung betrifft insbesondere eine vielphasige elektrische Maschine mit einem Rotor, mit einem Stator, mit mehr als drei im Betrieb ansteuerbaren Phasen und mit einer Steuereinheit, die derart ausgebildet ist, dass sie im Betrieb die Phasen zur Erzeugung eines auf den Rotor einwirkenden Drehmoments mit einem Drehstrom beaufschlagt, wobei ein Verlauf des magnetischen Drehfeldes durch eine Überlagerung einer sinusförmigen Grundwelle mit mindestens einer sinusförmigen Oberwelle darstellbar ist,wobei gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung der Drehstrom zur Reduktion von Amplitudenspitzen mit einem ersten Phasenwinkel eingestellt wird, der von einem zweiten Phasenwinkel des Drehstroms verschieden ist, wobei der zweite Phasenwinkel einem Phasenwinkel für einen verlustminimalbetriebenen Betrieb der elektrischen Maschine entspricht, und wobei der erste Phasenwinkel derart gewählt ist, dass eine Überhöhung der Amplitudenspitzen, die durch eine Überlagerung der Amplitudenspitzen der Grundwelle des Drehstroms mit den Amplitudenspitzen der mindestens einen Oberwelle des Drehstroms hervorgerufen wird, gegenüber einer korrespondierenden Überhöhung der Amplitudenspitzen bei einer Überlagerung entsprechend dem zweiten Phasenwinkel reduziert ist,und/oderwobei gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung der Drehstrom zur Reduktion von Verlusten von der Steuereinheit derart vorgebbar ist, dass eine maximale statorfeste Kreisspannung nicht überschritten wird, und wobei zur Bestimmung der maximalen Kreisspannung sowohl der Kreisspannungsanteil der Grundwelle als auch der Kreisspannungsanteil mindestens einer Oberwelle berücksichtigt wird.The invention relates in particular to a multi-phase electrical machine with a rotor, with a stator, with more than three phases that can be controlled during operation and with a control unit which is designed in such a way that, during operation, the phases for generating a torque acting on the rotor with a Three-phase current is applied, wherein a course of the magnetic rotating field can be represented by superimposing a sinusoidal fundamental wave with at least one sinusoidal harmonic, wherein according to a first aspect of the invention the three-phase current is set to reduce amplitude peaks with a first phase angle that is different from a second phase angle of the three-phase current is different, wherein the second phase angle corresponds to a phase angle for operation of the electrical machine with minimal loss, and the first phase angle is selected such that an increase in the amplitude peaks caused by a superposition of the amplitude peaks is the reason wave of the three-phase current is caused with the amplitude peaks of the at least one harmonic of the three-phase current, is reduced compared to a corresponding increase in the amplitude peaks with an overlay corresponding to the second phase angle, and / or wherein, according to a second aspect of the invention, the three-phase current to reduce losses from the control unit in such a way It can be specified that a maximum stator-fixed circular voltage is not exceeded, and both the circular voltage component of the fundamental wave and the circular voltage component of at least one harmonic are taken into account to determine the maximum circular voltage.

Description

GEBIET DER ERFINDUNGFIELD OF THE INVENTION

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine sowie ein Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Maschine und ein elektrisch antreibbares Fahrzeug mit einem Stator, der mehr als drei Phasen aufweist, im Folgenden auch als „vielphasig“ definiert. Davon ist beispielsweise ein einziger Wicklungssatz mit mehr als drei Phasen umfasst. Es können aber auch zwei Wicklungssätze mit insgesamt mehr als vier Phasen umfasst sein. Vorzugsweise werden mindestens zwei Wicklungssätze mit mehr je drei Phasen umfasst. Es sind jedoch auch weitere beliebige Kombinationen mit verschieden-phasigen Wicklungssätzen möglich, die minimal vier Phasen aufweisen. Zusammengefasst wird unter „vielphasig“ als mehr als dreiphasig verstanden.The invention relates to an electrical machine and a method for operating an electrical machine and an electrically drivable vehicle with a stator that has more than three phases, also defined below as “multi-phase”. This includes, for example, a single set of windings with more than three phases. However, two winding sets with a total of more than four phases can also be included. At least two sets of windings, each with more than three phases, are preferably included. However, any other combinations with different-phase winding sets that have a minimum of four phases are also possible. In summary, “multi-phase” is understood as more than three-phase.

TECHNISCHER HINTERGRUNDTECHNICAL BACKGROUND

Elektrische Maschinen, insbesondere elektrische Motoren, werden heutzutage in verschiedenen Anwendungen eingesetzt. Elektrische Maschinen werden auch bei elektrisch angetriebenen Fahrzeugen als elektrische Antriebsmaschine eingesetzt. Unter elektrischer Antriebsmaschine werden vorliegend insbesondere elektrische Maschinen verstanden, die einen Vortrieb in Form eines Drehmoments für ein Kraftfahrzeug erzeugen. Dazu werden häufig sogenannte Asynchronmaschinen oder Reluktanzmaschinen eingesetzt. Dabei soll die elektrische Energie aus einer Batterie oder einem Akku möglichst effizient genutzt werden. Hierzu werden idealerweise der Wirkungsgrad und das Drehmoment einer elektrischen Maschine optimiert.Electric machines, in particular electric motors, are used in various applications nowadays. Electric machines are also used as electric drive machines in electrically powered vehicles. In the present case, an electric drive machine is understood to mean in particular electric machines that generate propulsion in the form of a torque for a motor vehicle. So-called asynchronous machines or reluctance machines are often used for this purpose. The electrical energy from a battery should be used as efficiently as possible. For this purpose, the efficiency and the torque of an electrical machine are ideally optimized.

Elektrische Maschinen umfassen üblicherweise einen Rotor und einen Stator, zwischen denen ein Luftspalt ausgebildet ist. Der Stator umfasst Wicklungen. Werden diese mit einem elektrischen Strom beaufschlagt, kann sich im Luftspalt ein magnetisches Drehfeld einstellen, wodurch ein den Rotor antreibendes Drehmoment hervorgerufen werden kann.Electrical machines usually comprise a rotor and a stator, between which an air gap is formed. The stator includes windings. If an electric current is applied to these, a magnetic rotating field can be set up in the air gap, which can produce a torque that drives the rotor.

Solche elektrischen Drehfeldmaschinen werden in der Regel verlustminimal betrieben. Das bedeutet, dass die Ströme bei einem gewünschten Drehmoment in der Maschine so gewählt werden, dass die Verluste minimal sind. Die Ströme werden dabei mit einem Leistungsteil (z.B. einem Umrichter optional in Verbindung mit einem Stromregler) eingeregelt.Such electrical induction machines are usually operated with minimal losses. This means that at a desired torque in the machine, the currents are selected in such a way that the losses are minimal. The currents are regulated with a power unit (e.g. a converter optionally in connection with a current controller).

Bei derartigen Drehfeldmaschinen mit hoher Phasenanzahl (mehr als 3; „vielphasig“) ergeben sich bei hohen Drehzahlen Stromoberwellen in der Ansteuerungselektronik. Die Oberwellen resultieren aus den gegenseitigen Wechselwirkungen, die in der elektrischen Maschine auftreten. Die Oberwellen sind für höherphasige Maschinen im Vergleich zu dreiphasigen Antrieben höher, da die wirksame Induktivität für diese Oberwellen geringer ist. Überlagert sich nun die Grundwelle mit einer solchen Oberwelle, so entstehen je nach Phasenlage Spitzenströme (Amplitudenspitzen), die deutlich höher sein können als die der reinen Grundwelle des Drehstroms. Dadurch können erhöhte Verluste auftreten und gegebenenfalls auch Bauteile geschädigt werden.In such rotary field machines with a high number of phases (more than 3; “polyphase”), current harmonics occur in the control electronics at high speeds. The harmonics result from the mutual interactions that occur in the electrical machine. The harmonics are higher for higher-phase machines compared to three-phase drives, as the effective inductance for these harmonics is lower. If the fundamental wave is now superimposed with such a harmonic, peak currents (amplitude peaks) arise depending on the phase position, which can be significantly higher than those of the pure fundamental wave of the three-phase current. This can lead to increased losses and possibly damage to components.

Zum technischen Hintergrund wird vollinhaltlich auf die nicht vorveröffentlichte DE 10 2020 104 437 Bezug genommen.For the technical background, the full content of the not previously published DE 10 2020 104 437 Referenced.

Die zugrundeliegende technische Aufgabe kann darin gesehen werden, eine elektrische Maschine und ein entsprechendes Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Maschine bereitzustellen, die einerseits eine erhöhte Leistungsausgabe bereitstellt wird, bei der gleichzeitig die Verluste und das Ausfallrisiko vorteilhaft aber verringert werden.The underlying technical task can be seen in providing an electrical machine and a corresponding method for operating an electrical machine which, on the one hand, provides increased power output while at the same time advantageously reducing the losses and the risk of failure.

Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst.The object is achieved by the subjects of the independent claims.

Vorteilhafte Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Varianten sind Gegenstand der Unteransprüche. Die im Hinblick auf die elektrische Maschine aufgeführten Vorteile und bevorzugten Ausgestaltungen sind sinngemäß auf das Verfahren zu übertragen und umgekehrt. Das Verfahren zum Betrieb der elektrischen Maschine dient insbesondere zum Betrieb der nachfolgend beschriebenen elektrischen Maschine. In der nachfolgenden Beschreibung wird an geeigneten Stellen und zum besseren Verständnis zu der Beschreibung der elektrischen Maschine parallel auch auf das Verfahren zum Betrieb der elektrischen Maschine eingegangen.Advantageous refinements, developments and variants are the subject of the subclaims. The advantages and preferred configurations listed with regard to the electrical machine are to be transferred accordingly to the method and vice versa. The method for operating the electrical machine is used in particular to operate the electrical machine described below. In the following description, the method for operating the electrical machine is also discussed in parallel at suitable points and for a better understanding of the description of the electrical machine.

Es wird unter anderem eine elektrische Maschine bereitgestellt. Die elektrische Maschine kann insbesondere eine elektrische Antriebsmaschine für ein Kraftfahrzeug sein, insbesondere für ein elektrisch antreibbares Fahrzeug.Among other things, an electrical machine is provided. The electrical machine can in particular be an electrical drive machine for a motor vehicle, in particular for an electrically drivable vehicle.

Die Erfindung betrifft insbesondere eine vielphasige elektrische Maschine mit einem Rotor, mit einem Stator, mit mehr als drei im Betrieb ansteuerbaren Phasen und mit einer Steuereinheit, die derart ausgebildet ist, dass sie im Betrieb die Phasen zur Erzeugung eines auf den Rotor einwirkenden Drehmoments mit einem Drehstrom beaufschlagt, wobei ein Verlauf des magnetischen Drehfeldes durch eine Überlagerung einer sinusförmigen Grundwelle mit mindestens einer sinusförmigen Oberwelle darstellbar ist,
wobei gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung der Drehstrom zur Reduktion von Amplitudenspitzen mit einem ersten Phasenwinkel eingestellt wird, der von einem zweiten Phasenwinkel des Drehstroms verschieden ist, wobei der zweite Phasenwinkel einem Phasenwinkel für einen verlustminimalbetriebenen Betrieb der elektrischen Maschine entspricht, und wobei der erste Phasenwinkel derart gewählt ist, dass eine Überhöhung der Amplitudenspitzen, die durch eine Überlagerung der Amplitudenspitzen der Grundwelle des Drehstroms mit den Amplitudenspitzen der mindestens einen Oberwelle des Drehstroms hervorgerufen wird, gegenüber einer korrespondierenden Überhöhung der Amplitudenspitzen bei einer Überlagerung entsprechend dem zweiten Phasenwinkel reduziert ist,
und/oder
wobei gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung der Drehstrom zur Reduktion von Verlusten von der Steuereinheit derart vorgebbar ist, dass eine maximale statorfeste Kreisspannung nicht überschritten wird, und wobei zur Bestimmung der maximalen Kreisspannung sowohl der Kreisspannungsanteil der Grundwelle als auch der Kreisspannungsanteil mindestens einer Oberwelle berücksichtigt wird.The invention relates in particular to a multi-phase electrical machine with a rotor, with a stator, with more than three phases that can be activated during operation and with a control unit which is designed in such a way that, during operation, the phases for generating a torque acting on the rotor with a Three-phase current is applied, wherein a course of the magnetic rotating field can be represented by superimposing a sinusoidal fundamental wave with at least one sinusoidal harmonic,
wherein, according to a first aspect of the invention, the three-phase current for reducing amplitude peaks is set with a first phase angle that is different from a second phase angle of the three-phase current, wherein the second phase angle corresponds to a phase angle for a loss-driven operation of the electrical machine, and the first phase angle is selected such that an increase in the amplitude peaks caused by a The superposition of the amplitude peaks of the fundamental wave of the three-phase current with the amplitude peaks of the at least one harmonic of the three-phase current is caused, compared to a corresponding increase in the amplitude peaks with a superposition corresponding to the second phase angle,
and or
according to a second aspect of the invention, the three-phase current for reducing losses can be specified by the control unit in such a way that a maximum stator-fixed circuit voltage is not exceeded, and both the circuit voltage component of the fundamental wave and the circuit voltage component of at least one harmonic are taken into account to determine the maximum circuit voltage .

Es wird darauf hingewiesen, dass der erste Aspekt und der zweite Aspekt der Erfindung sowohl jeweils für sich eigenständige Erfindungen darstellen als auch in vorteilhafterweise kombinierbar sind.It should be noted that the first aspect and the second aspect of the invention both represent independent inventions and can also be advantageously combined.

Vorzugsweise wird der Soll-Drehstrom von der Steuereinheit aufgrund mindestens eines Kennfeldes vorgegeben, das in einem Offline-Betrieb abhängig von der Drehzahl und abhängig von den bestimmten maximalen Kreisspannungsanteilen für mögliche Zwischenkreisspannungen zu ermitteln ist.The target three-phase current is preferably specified by the control unit on the basis of at least one characteristic map, which is to be determined in offline operation as a function of the speed and as a function of the determined maximum circuit voltage components for possible intermediate circuit voltages.

Die elektrische Maschine kann einen ringförmigen, um eine Rotationsachse ausgebildeten und um die Rotationsachse drehbar ausgebildeten Rotor umfassen.The electrical machine can comprise an annular rotor which is configured about an axis of rotation and is configured to be rotatable about the axis of rotation.

Die elektrische Maschine kann auch einen ringförmigen Stator umfassen. Der Stator kann um die Rotationsachse derart angeordnet sein, dass er den Rotor umfangsseitig konzentrisch umgeben kann. Der Stator kann den Rotor derart umgeben, dass in einer radialen Richtung betrachtet zwischen dem Rotor und dem Stator ein Luftspalt ausgebildet sein kann. Der Stator kann zwei dreiphasige, im Betrieb ansteuerbare Wicklungssätze aufweisen.The electrical machine can also include an annular stator. The stator can be arranged around the axis of rotation in such a way that it can concentrically surround the rotor on the circumferential side. The stator can surround the rotor in such a way that, viewed in a radial direction, an air gap can be formed between the rotor and the stator. The stator can have two three-phase winding sets that can be controlled during operation.

Die elektrische Maschine kann auch eine Steuereinheit aufweisen. Die Steuereinheit kann derart eingerichtet und ausgebildet sein, dass im Betrieb von der Steuereinheit zu einer Ansteuerung der elektrischen Maschine die Wicklungssätze mit einem Drehstrom beaufschlagt werden können und sich hierdurch ein magnetisches Drehfeld im Luftspalt zur Erzeugung eines auf den Rotor einwirkenden Drehmoments einstellen kann.The electrical machine can also have a control unit. The control unit can be set up and designed in such a way that, during operation, the control unit can act on the winding sets with a three-phase current in order to control the electrical machine, and a rotating magnetic field can thereby be set in the air gap to generate a torque acting on the rotor.

Der Verlauf des magnetischen Drehfeldes kann durch eine Überlagerung einer sinusförmigen Grundwelle mit einer oder mehreren sinusförmigen Oberwellen approximierbar sein.The course of the rotating magnetic field can be approximated by superimposing a sinusoidal fundamental wave with one or more sinusoidal harmonics.

Der Drehstrom kann zur Reduktion von Amplitudenspitzen (Spitzenströmen) mit einem ersten Phasenwinkel eingestellt werden, der von einem zweiten Phasenwinkel des Drehstroms verschieden sein kann. Der zweite Phasenwinkel kann einem Phasenwinkel für einen verlustminimalbetriebenen Betrieb der elektrischen Maschine entsprechen.To reduce amplitude peaks (peak currents), the three-phase current can be set with a first phase angle, which can be different from a second phase angle of the three-phase current. The second phase angle can correspond to a phase angle for operation of the electrical machine with minimal loss.

Der erste Phasenwinkel kann derart gewählt sein, dass eine Überhöhung der Amplitudenspitzen, die durch eine Überlagerung der Amplitudenspitzen (Spitzenströme) der Grundwelle des Drehstroms mit den Amplitudenspitzen einer oder mehrerer Oberwellen des Drehstroms hervorgerufen werden kann, gegenüber einer korrespondierenden Überhöhung der Amplitudenspitzen des Drehstroms bei einer Überlagerung entsprechend dem zweiten Phasenwinkel reduziert sein kann.The first phase angle can be selected in such a way that an increase in the amplitude peaks, which can be caused by superimposing the amplitude peaks (peak currents) of the fundamental wave of the three-phase current with the amplitude peaks of one or more harmonics of the three-phase current, compared to a corresponding increase in the amplitude peaks of the three-phase current at a Superposition can be reduced according to the second phase angle.

Die so eingerichtete elektrische Maschine ermöglicht es vorteilhafterweise die Überhöhung der Amplitudenspitzen (Spitzenströme) des Drehstroms, die in Folge einer Überlagerung der Grundwelle mit einer oder mehreren Oberwellen des Drehstroms auftritt, geringer ausfallen zu lassen als im verlustminimalen Betriebsmodus der Maschine. Dadurch kann durch die erhöhte Anzahl an Phasen die von der Maschine ausgebbare Leistung erhöht werden und gleichzeitig können die Belastungen für die Komponenten verringert werden, so dass das Ausfallrisiko der elektrischen Maschine vorteilhaft verringert wird.The electrical machine set up in this way advantageously makes it possible to increase the amplitude peaks (peak currents) of the three-phase current, which occurs as a result of the superimposition of the fundamental wave with one or more harmonics of the three-phase current, to be less than in the minimum-loss operating mode of the machine. As a result, due to the increased number of phases, the power that can be output by the machine can be increased and, at the same time, the loads on the components can be reduced, so that the risk of failure of the electrical machine is advantageously reduced.

Der Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator kann sehr klein sein. Insbesondere kann der Luftspalt eine Ausdehnung von größer 1 mm und kleiner 10 mm aufweisen, weiter insbesondere größer 2 mm und kleiner 5 mm.The air gap between the rotor and the stator can be very small. In particular, the air gap can have an extension of greater than 1 mm and less than 10 mm, further in particular greater than 2 mm and less than 5 mm.

Der Stator kann Statorzähne aufweisen. Die Statorzähne können generell auf den Rotor zugerichtet sein. An den Statorzähnen können die Wicklungen der Wicklungssätze angeordnet sein. Die Wicklungen können eine entsprechende Wicklungsanzahl aufweisen, um ein bestimmtes Drehmoment erzielen zu können. Ein Wicklungssatz kann insbesondere drei Wicklungen entsprechend einem dreiphasigen Wicklungssatz umfassen. Die Wicklungen eines Wicklungssatzes können bezüglich des Umfangs des Stators einen Winkelversatz von 120° zueinander aufweisen. Der erste Wicklungssatz kann bezüglich des Umfangs des Stators relativ zum zweiten Wicklungssatz einen vorgegebenen Winkelversatz aufweisen, insbesondere von 30°. Hierdurch können die Wicklungssätze eine diskrete, symmetrische Wicklungsverteilung ausbilden. Die Wicklungen jedes Wicklungssatzes können mit dem Drehstrom bzw. einzelnen Phasen des Drehstroms beaufschlagbar sein. Unter dreiphasigen, im Betrieb ansteuerbaren Wicklungssätzen kann speziell verstanden werden, dass je ein Wicklungssatz drei Spulen aufweist, welche im angesteuerten Zustand jeweils an eine Phase eines Drehstromnetzes angeschlossen sein können. Bei der elektrischen Maschine kann es sich vorliegend also insbesondere um eine sechsphasige elektrische Maschine handeln.The stator can have stator teeth. The stator teeth can generally be aligned with the rotor. The windings of the winding sets can be arranged on the stator teeth. The windings can have a corresponding number of windings in order to be able to achieve a specific torque. A winding set can in particular comprise three windings corresponding to a three-phase winding set. The windings of a winding set can have an angular offset of 120 ° to one another with respect to the circumference of the stator. With respect to the circumference of the stator, the first set of windings can have a predetermined angular offset relative to the second set of windings, in particular of 30 °. This allows the winding sets to form a discrete, symmetrical winding distribution. the The windings of each winding set can be supplied with the three-phase current or individual phases of the three-phase current. Three-phase winding sets that can be activated during operation can be specifically understood to mean that each winding set has three coils, which in the activated state can each be connected to one phase of a three-phase network. In the present case, the electrical machine can therefore in particular be a six-phase electrical machine.

Die Steuereinheit kann zu einer Einstellung der vorgegebenen Frequenz und/oder einer Amplitude des eingeprägten Drehstromes ausgebildet sein. Unter eingeprägt wird vorliegend allgemein die Bestromung der Wicklungssätze mit dem Drehstrom verstanden. Die Steuereinheit kann eine Datenerfassungseinheit umfassen. Die Steuereinheit kann auch Schaltelemente umfassen, mittels denen die Beaufschlagung der Wicklungen der Wicklungssätze bestimmbar ist. Die Schaltelemente können Teil eines oder mehrerer Umrichter bzw. Stromregler sein, die als zu der Steuereinheit zugehörend angesehen werden können. Insbesondere kann die Steuereinheit eingerichtet sein, um Ein- und Ausschaltzeitpunkte der Beaufschlagung der Wicklungen mit dem Drehstrom festzulegen. Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, um die Steuerung der Beaufschlagung der Wicklungen mit dem Drehstrom in Abhängigkeit der Winkellage des Rotors relativ zum Stator auszuführen. Dazu kann die elektrische Maschine einen Lagegeber oder einen ähnlichen Sensor umfassen, mittels dem die Winkellage des Rotors relativ zum Stator bestimmbar sein kann. Der Lagegeber oder ähnliche Sensor kann mit der Steuereinheit gekoppelt sein oder kann ein Teil davon sein.The control unit can be designed to set the predetermined frequency and / or an amplitude of the impressed three-phase current. In the present case, impressed is generally understood to mean the energization of the winding sets with the three-phase current. The control unit can comprise a data acquisition unit. The control unit can also comprise switching elements by means of which the application of the windings of the winding sets can be determined. The switching elements can be part of one or more converters or current regulators, which can be viewed as belonging to the control unit. In particular, the control unit can be set up to determine the switch-on and switch-off times when the windings are subjected to the three-phase current. The control unit can be set up to control the application of the windings with the three-phase current as a function of the angular position of the rotor relative to the stator. For this purpose, the electrical machine can comprise a position encoder or a similar sensor, by means of which the angular position of the rotor relative to the stator can be determined. The position encoder or similar sensor can be coupled to the control unit or can be part of it.

Das magnetische Drehfeld kann im Luftspalt radial verlaufen, also in oder entgegen der Radialrichtung. In Umfangsrichtung, also in Drehrichtung des Rotors, kann das magnetische Drehfeld einen Verlauf nach Art eines Rechteck-Treppen-Signals aufweisen, welcher durch eine Überlagerung einer sinusförmigen Grundwelle mit sinusförmigen Oberwellen approximierbar sein kann. Insofern kann der Verlauf des magnetischen Drehfeldes mit Hilfe der Fourier-Reihenentwicklung in eine sinusförmige Grundwelle und eine Anzahl an sinusförmigen Oberwellen ungerader Ordnung approximierbar sein. Aufgrund der symmetrischen Wicklungsverteilung und des dadurch erzeugten symmetrischen magnetischen Feldes, treten dann bei der zuvor genannten Fourierentwicklung des magnetischen Drehfeldes lediglich ungerade Ordnungen der Oberwellen auf. In diesem Zusammenhang werden nachfolgend oftmals die Grundwelle und die auftretenden Oberwellen des magnetischen Drehfeldverlaufes für eine Beschreibung oder zur Erklärung maschinentypischer Effekte, z.B. die Erzeugung des Drehmoments durch das magnetische Drehfeld herangezogen. Wird vorliegend vereinfacht beispielsweise ein Drehmoment erwähnt, welches durch eine ausgewählte Oberwelle erzeugt wird, so ist darunter zu verstehen, dass nicht die ausgewählte Oberwelle direkt das Drehmoment erzeugt, sondern dass die Oberwelle allenfalls das sich einstellende magnetische Drehfeld verursacht, welches durch die ausgewählte Oberwelle zumindest teilweise approximierbar ist.The rotating magnetic field can run radially in the air gap, that is, in or against the radial direction. In the circumferential direction, that is, in the direction of rotation of the rotor, the rotating magnetic field can have a course in the manner of a rectangular staircase signal, which can be approximated by superimposing a sinusoidal fundamental wave with sinusoidal harmonics. In this respect, the course of the rotating magnetic field can be approximated with the aid of the Fourier series expansion into a sinusoidal fundamental wave and a number of sinusoidal harmonics of odd order. Because of the symmetrical winding distribution and the symmetrical magnetic field generated thereby, only odd orders of the harmonics then occur in the aforementioned Fourier expansion of the rotating magnetic field. In this context, the fundamental wave and the harmonics of the rotating magnetic field are often used in the following for a description or explanation of typical machine effects, e.g. the generation of torque by the rotating magnetic field. If, in the present case, for example, a torque that is generated by a selected harmonic is mentioned in a simplified manner, it is to be understood that it is not the selected harmonic that directly generates the torque, but that the harmonic at most causes the magnetic rotating field that is established, which is at least caused by the selected harmonic is partially approximable.

Eine derartige Betrachtung des magnetischen Drehfeldes als eine Überlagerung einer sinusförmigen Grundwelle mit sinusförmigen Oberwellen kann somit vorliegend stellvertretend für das magnetische Drehfeld als drehmomenterzeugender Faktor innerhalb der elektrischen Maschine herangezogen werden. Oberwellen können weiterhin in Abhängigkeit ihrer Ordnung entweder in Richtung des magnetischen Drehfeldes oder entgegen des magnetischen Drehfeldes verlaufen. So kann beispielsweise bei der vorliegenden Maschine jede zweite auftretende Oberwelle ab der 5. Oberwelle (also die 5., 9., 13. usw.) in Richtung des magnetischen Drehfeldes verlaufen. Die jeweils dazwischen liegenden Oberwellen (also die 7., 11., usw.) können jedoch entgegen der Richtung des magnetischen Drehfeldes verlaufen. Generell führen die auftretenden Oberwellen zu unerwünschten parasitären Drehmomenten, die im Betrieb der elektrischen Maschine zu einer erhöhten Geräuschentwicklung führen. Unter „verlaufen die Oberwellen“ wird vorliegend speziell verstanden, dass die Extremwerte der jeweiligen sinusförmigen Wellen in ihrem Abstand zueinander konstant bleiben, jedoch in Umfangsrichtung (bei einem Verlaufen in Richtung des magnetischen Drehfeldes) beziehungsweise entgegen der Umfangsrichtung (bei einem Verlaufen entgegen der Richtung des Drehfeldes) wandern. Oberwellen weisen dabei also eine höhere Frequenz im Verglich zur Grundwelle auf.Such a consideration of the rotating magnetic field as a superposition of a sinusoidal fundamental wave with sinusoidal harmonics can thus be used in the present case to represent the rotating magnetic field as a torque-generating factor within the electrical machine. Harmonics can continue to run either in the direction of the rotating magnetic field or against the rotating magnetic field, depending on their order. In the present machine, for example, every second harmonic that occurs from the 5th harmonic (i.e. the 5th, 9th, 13th, etc.) can run in the direction of the rotating magnetic field. The harmonics in between (i.e. the 7th, 11th, etc.) can, however, run against the direction of the rotating magnetic field. In general, the harmonics that occur lead to undesired parasitic torques, which lead to increased noise development when the electrical machine is in operation. In the present case, “run the harmonics” specifically means that the extreme values of the respective sinusoidal waves remain constant in their distance from one another, but in the circumferential direction (if they run in the direction of the rotating magnetic field) or counter to the circumferential direction (if they run counter to the direction of the Rotating field). Harmonics have a higher frequency compared to the fundamental wave.

So kann es auf der Grundlage einer Approximation des magnetischen Drehfeldes ermöglicht sein, mit Hilfe der Steuereinheit durch eine vorteilhafte Bestromung der Wicklungssätze optimierte Verläufe des magnetischen Drehfeldes und somit eine Optimierung des erzeugten Drehmoments zu erreichen.On the basis of an approximation of the rotating magnetic field, it can be made possible, with the aid of the control unit, to achieve optimized curves of the rotating magnetic field and thus an optimization of the torque generated by advantageously energizing the winding sets.

Der Drehstrom muss vorliegend als vektorielle Größe mit mehreren Komponenten verstanden werden. Innerhalb der elektrischen Maschine treten zudem gegenseitige Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen magnetischen Feldern auf, die bei Beaufschlagung der einzelnen Wicklungen induziert werden. Ferner bilden die beiden Wicklungssätze zwei überlagerte dreiphasige Wicklungssysteme aus, da sie konstruktionsbedingt einen vorgegebenen Winkelversatz zueinander aufweisen. Der Winkelversatz kann insbesondere 30° betragen. Durch diese konstruktionsbedingte Abweichung vom Idealschema (120°) und den inhärenten Wechselwirkungen innerhalb der elektrischen Maschine, kommt es zur Generierung von Stromoberwellen. Ferner bedingt die Winkellage der verschiedenen Wicklungen der Wicklungssätze, dass das resultierende Drehfeld in optimaler Form nicht durch die Grundwelle approximierbar sein kann, sondern vielmehr durch eine oder mehrere Oberwellen, die aufgrund der erhöhten Frequenz die Winkelpositionen der Wicklungen besser wiedergeben können. Insbesondere kann das resultierende Drehfeld durch die 5. Oberwelle approximierbar sein.In the present case, the three-phase current must be understood as a vector quantity with several components. Mutual interactions between the various magnetic fields also occur within the electrical machine, which are induced when the individual windings are applied. Furthermore, the two winding sets form two superimposed three-phase winding systems, since they have a predetermined angular offset from one another due to their design. The angular offset can in particular be 30 °. It comes from this design-related deviation from the ideal scheme (120 °) and the inherent interactions within the electrical machine for generating current harmonics. Furthermore, the angular position of the various windings of the winding sets means that the resulting rotating field cannot be approximated in optimal form by the fundamental wave, but rather by one or more harmonics, which can better reflect the angular positions of the windings due to the increased frequency. In particular, the resulting rotating field can be approximated by the 5th harmonic.

Eigentlich würde man nun die Wicklungen jedes Wicklungssatzes für sich genommen mit dem Drehstrom entsprechend einem verlustminimalen Betriebsmodus unter Beachtung des Phasenversatzes von 30° beaufschlagen. Dadurch würden in einer phasenabhängigen Betrachtungsweise Extremwerte der Grundwelle an den Winkellagen der jeweiligen Wicklungen auftreten. Allerdings würden dann die Extremwerte der Oberwellen ebenfalls an denselben Winkellagen der jeweiligen Wicklungen auftreten. In diesem Fall könnten die Spitzenströme (Amplitudenspitzen) durch die Überlagerung der Grundwelle des Drehstroms mit einer oder mehreren Oberwellen (insbesondere der fünften Oberwelle) zu groß werden, so dass dies einen Sicherheitsmechanismus auslösen könnte, der eine Abschaltung der Maschine zur Folge haben könnte. Schlimmstenfalls könnten auch Bauteile der elektrischen Maschine beschädigt werden.Actually, one would now apply the three-phase current to the windings of each set of windings individually in accordance with an operating mode with minimal loss, taking into account the phase offset of 30 °. As a result, in a phase-dependent approach, extreme values of the fundamental wave would occur at the angular positions of the respective windings. However, the extreme values of the harmonics would then also occur at the same angular positions of the respective windings. In this case, the peak currents (amplitude peaks) could become too large due to the superimposition of the fundamental wave of the three-phase current with one or more harmonics (especially the fifth harmonic), so that this could trigger a safety mechanism that could result in the machine being switched off. In the worst case, components of the electrical machine could also be damaged.

Der Drehstrom kann von einem entsprechenden Netzteil mit drei Phasenkomponenten (lu, Iv, Iw) bereitgestellt werden. Diese können dann über eine Clarke-Transformation in einen statorfesten und entkoppelten Strom mit entsprechenden Komponenten transformiert werden. Anschließend können dann mittels einer Park-Transformation die Komponenten Id (drehmomentbildende Komponente) und Iq (flussbildende Komponente) bestimmt werden. Gemäß der d/q-Transformation bilden die Id und Iq dann generell orthogonal zueinanderstehende Komponenten zur Beschreibung des Drehstroms, wobei das d/q-Koordinatensystem mit dem Rotor entsprechend seiner Kreisfrequenz mitrotiert. Für eine zeitlich konstante Drehzahl kann das Drehfeld dann in Form zweier zeitlich konstanter Größen d und q beschrieben werden.The three-phase current can be provided by a corresponding power supply unit with three phase components (lu, Iv, Iw). These can then be transformed into a stator-fixed and decoupled current with corresponding components via a Clarke transformation. The components Id (torque-forming component) and Iq (flux-forming component) can then be determined by means of a Park transformation. According to the d / q transformation, the Id and Iq then generally form orthogonal components for describing the three-phase current, the d / q coordinate system rotating with the rotor according to its angular frequency. For a speed that is constant over time, the rotating field can then be described in the form of two quantities d and q that are constant over time.

Der Phasenwinkel zwischen Iq und Id ist in diesem Koordinatensystem dann also 90° für den verlustminimalen Betriebsmodus der elektrischen Maschine. Das könnte generell aber zur bereits skizzierten Überhöhung der Spitzenströme und damit zum Ausfall der Maschine oder zur Schädigung von Komponenten führen.The phase angle between Iq and Id is then 90 ° in this coordinate system for the operating mode of the electrical machine with the minimum loss. In general, however, this could lead to the already outlined increase in the peak currents and thus to failure of the machine or damage to components.

Deshalb kann von diesem Phasenwinkel vorliegend abgewichen werden (sogenannter Reduktions-Betriebsmodus). Zumindest für einen Wicklungssatz kann der genutzte Phasenwinkel vom Phasenwinkel zwischen Id und Iq des verlustminimalen Betriebsmodus abweichen. Der dadurch eingestellte Phasenwinkel (auch erster Phasenwinkel) kann dazu führen, dass eine geringe Asymmetrie auftritt. In Folge der Asymmetrie kann im Vergleich zum verlustminimalen Betriebsmodus beim orthogonalen Phasenwinkel (auch zweiter Phasenwinkel) eine Verringerung der Spitzenströme (Amplitudenspitzen) erzielbar sein. Dadurch können die Spitzenströme in ihrer Amplitude abgeschwächt werden, weil die jeweiligen Extremwerte der Grundwelle und der einen oder mehreren Oberwellen nicht mehr bei den gleichen Winkellagen auftreten. Somit kann zwar die ausgebbare Leistung der elektrischen Maschine erhöht werden (gegenüber einer Maschine mit weniger Phasen), aber vorteilhafterweise kann gleichzeitig die Beanspruchung an die elektronischen Bauteile reduziert werden.It is therefore possible to deviate from this phase angle in the present case (so-called reduction operating mode). At least for one set of windings, the phase angle used can deviate from the phase angle between Id and Iq of the operating mode with minimal loss. The phase angle set in this way (also the first phase angle) can lead to a slight asymmetry occurring. As a result of the asymmetry, a reduction in the peak currents (amplitude peaks) can be achieved in comparison to the operating mode with minimal loss in the orthogonal phase angle (also the second phase angle). As a result, the peak currents can be weakened in their amplitude, because the respective extreme values of the fundamental wave and the one or more harmonics no longer occur at the same angular positions. Thus, although the output power of the electrical machine can be increased (compared to a machine with fewer phases), the stress on the electronic components can advantageously be reduced at the same time.

Die Steuereinheit kann eine Regelung umfassen, um Regelspannungen für die Komponenten Id und Iq bereitzustellen, mittels denen die Istwerte dieser Komponenten den Sollwerten der Komponenten angeglichen werden können. Die elektrische Maschine kann insofern Sensoren umfassen, um die Istwerte der Komponenten zu bestimmen und diese für die Steuereinheit bereitzustellen. Die Sollwerte können von außen (z.B. durch einen Benutzer) vorgegeben sein und können von einem bereitzustellenden Drehmoment abhängen.The control unit can include a control system in order to provide control voltages for the components Id and Iq, by means of which the actual values of these components can be matched to the setpoint values of the components. To this extent, the electrical machine can comprise sensors in order to determine the actual values of the components and to provide them to the control unit. The setpoint values can be specified externally (e.g. by a user) and can depend on a torque to be provided.

Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, den ersten Phasenwinkel des Drehstroms zur Reduzierung von Amplitudenspitzen (Spitzenströmen) des Drehstroms derart einzustellen, dass zwischen den Amplitudenspitzen der Grundwelle des Drehstroms und den Amplitudenspitzen der einen oder mehreren Oberwellen des Drehstroms eine Phasenwinkeldifferenz von zumindest 0,5° besteht. Die Phasenwinkeldifferenz kann auch zumindest 1° betragen, insbesondere auch zumindest 2°, weiter insbesondere auch zumindest 5°, 10° oder 15°. Die maximale Größe der Phasenwinkeldifferenz kann von der gewählten Oberwelle abhängen. Für eine n-te Oberwelle kann die maximale Phasenwinkeldifferenz 180°/n betragen, also für die 5. Oberwelle z.B. 36°. Die Einstellung, bei der die Phasenwinkeldifferenz zwischen den Amplitudenspitzen der Grundwelle des Drehstroms und den Amplitudenspitzen der einen oder mehreren Oberwellen des Drehstroms erzeugt wird, kann einem erfindungsgemäßen Betriebsmodus (auch Reduktions-Betriebsmodus) der elektrischen Maschine entsprechen. Die Einstellung, bei der die Phasenwinkeldifferenz zwischen den Amplitudenspitzen der Grundwelle des Drehstroms und den Amplitudenspitzen der einen oder mehreren Oberwellen des Drehstroms nicht auftreten würde oder vernachlässigbar ist, kann einem Betriebsmodus der elektrischen Maschine mit minimalen Verlusten entsprechen (auch verlustminimaler Betriebsmodus). Der verlustminimale Betriebsmodus kann derart eingerichtet sein, dass das sich einstellende magnetische Drehfeld hauptsächlich durch die Grundwelle approximiert sein kann. Dabei kann der zweite Phasenwinkel der Grundwelle des Drehstroms einem Phasenwinkel von 90° entsprechen. Das bedeutet, dass im Reduktions-Betriebsmodus die Grundwelle des Drehstroms mit einer oder mehreren Oberwellen des Drehstroms überlagert sein kann, um das entsprechende überlagerte (und approximierte) Drehfeld bereitstellen zu können, dass dabei vorteilhafterweise allerdings die Extremwerte der Spitzenströme verringerte Amplituden gegenüber der Konfiguration des verlustminimalen Betriebsmodus aufweisen.The control unit can be set up to set the first phase angle of the three-phase current to reduce amplitude peaks (peak currents) of the three-phase current in such a way that there is a phase angle difference of at least 0.5 ° between the amplitude peaks of the fundamental wave of the three-phase current and the amplitude peaks of the one or more harmonics of the three-phase current . The phase angle difference can also be at least 1 °, in particular also at least 2 °, further in particular also at least 5 °, 10 ° or 15 °. The maximum size of the phase angle difference can depend on the selected harmonic. For an nth harmonic, the maximum phase angle difference can be 180 ° / n, that is, for the 5th harmonic, for example 36 °. The setting in which the phase angle difference between the amplitude peaks of the fundamental wave of the three-phase current and the amplitude peaks of the one or more harmonics of the three-phase current is generated can correspond to an operating mode according to the invention (also reduction operating mode) of the electrical machine. The setting in which the phase angle difference between the amplitude peaks of the fundamental wave of the three-phase current and the amplitude peaks of the one or more harmonics of the three-phase current would not occur or is negligible, can correspond to an operating mode of the electrical machine with minimal losses (also loss-minimal operating mode). Of the The operating mode with the minimum loss can be set up in such a way that the rotating magnetic field that is established can mainly be approximated by the fundamental wave. The second phase angle of the fundamental wave of the three-phase current can correspond to a phase angle of 90 °. This means that in the reduction operating mode the fundamental wave of the three-phase current can be superimposed with one or more harmonics of the three-phase current in order to be able to provide the corresponding superimposed (and approximated) rotating field, but that advantageously the extreme values of the peak currents have reduced amplitudes compared to the configuration of the Have minimal loss operating mode.

Die Phasenlage der Wicklungssätze kann bezogen auf einen Rotorlagewinkel gleich sein. Dementsprechend können die Wicklungen beider Wicklungssätze mit einer Grundwelle beaufschlagt werden, die die Erzeugung der zuvor diskutierten Phasenverschiebung zwischen den Amplitudenspitzen der Grundwelle des Drehstroms und den Amplitudenspitzen der einen oder mehreren Oberwellen des Drehstroms hervorruft. Denkbar ist aber auch, dass nur die Wicklungen eines Wicklungssatzes mit einer derartigen Grundwelle des Drehstroms entsprechend dem ersten Betriebsmodus beaufschlagt werden und die Wicklungen zumindest eines anderen Wicklungssatzes mit einer Grundwelle entsprechend dem zweiten Betriebsmodus beaufschlagt werden.The phase position of the winding sets can be the same in relation to a rotor position angle. Accordingly, a fundamental wave can be applied to the windings of both winding sets, which causes the generation of the previously discussed phase shift between the amplitude peaks of the fundamental wave of the three-phase current and the amplitude peaks of the one or more harmonics of the three-phase current. However, it is also conceivable that only the windings of a winding set are acted upon with such a basic wave of three-phase current according to the first operating mode and the windings of at least one other winding set are acted upon with a basic wave according to the second operating mode.

Der erste Phasenwinkel kann auch derart von dem zweiten Phasenwinkel verschieden sein, dass die eine erste Polarität aufweisenden Amplitudenspitzen der Grundwelle des Drehstroms mit eine zweite Polarität aufweisenden Amplitudenspitzen der einen oder mehreren Oberwellen des Drehstroms überlagert werden können. Dabei ist die erste Polarität von der zweiten Polarität verschieden. Dadurch werden bei der Überlagerung Amplitudenspitzen der Grundwelle und der einen oder mehreren Oberwellen des Drehstroms mit gegensätzlichen Polaritäten überlagert. Es kann sich somit eine „destruktive“ Überlagerung ergeben. Dadurch können die Amplitudenspitzen des Drehfeldes in besonders effektiver Weise reduziert werden.The first phase angle can also be different from the second phase angle in such a way that the amplitude peaks of the fundamental wave of the three-phase current having a first polarity can be superimposed with amplitude peaks of the one or more harmonics of the three-phase current having a second polarity. The first polarity is different from the second polarity. As a result, during the superposition, amplitude peaks of the fundamental wave and the one or more harmonics of the three-phase current with opposite polarities are superimposed. This can result in a “destructive” overlay. As a result, the amplitude peaks of the rotating field can be reduced in a particularly effective way.

Bevorzugt kann es sich bei der ausgewählten Oberwelle zur Approximation des Drehfeldes um die Oberwelle 5. Ordnung handeln (auch als 5. Oberwelle bezeichnet). Das bedeutet, dass das auf den Rotor einwirkende Drehmoment durch ein magnetisches Drehfeld erzeugbar sein kann, dessen Verlauf durch eine Überlagerung der Grundwelle und der Oberwelle 5. Ordnung approximierbar sein kann. Ein durch die 5. Oberwelle approximierter Drehfeldverlauf zur Erzeugung eines Drehmoments hat sich experimentell als geeignet erwiesen. Von besonderer Bedeutung hierbei ist, dass das sich einstellende magnetische Drehfeld, welches durch die 5. Oberwelle zumindest teilweise approximiert ist, eine synchrone, also vorliegend die gleiche Umfangsrichtung aufweist, wie die Umfangsrichtung der Grundwelle und somit wie das magnetische Drehfeld. Dies ist eine zwingende Voraussetzung, damit das mittels der 5. Oberwelle erzeugte Drehmoment als ein beschleunigendes Drehmoment wirkt und somit den Rotor antreibt.The selected harmonic for approximating the rotating field can preferably be the harmonic 5 . Acting order (also known as 5th harmonic). This means that the torque acting on the rotor can be generated by a rotating magnetic field, the course of which is produced by superimposing the fundamental wave and the harmonic 5 . Order can be approximated. A rotating field curve approximated by the 5th harmonic for generating a torque has proven to be suitable experimentally. It is of particular importance here that the rotating magnetic field which is established, which is at least partially approximated by the 5th harmonic, has a synchronous, i.e. in the present case the same circumferential direction as the circumferential direction of the fundamental wave and thus like the rotating magnetic field. This is a mandatory requirement so that the torque generated by the 5th harmonic acts as an accelerating torque and thus drives the rotor.

Die Überlagerung der Grundwelle und der einen oder mehreren Oberwellen zur Approximation des Drehfeldes kann auch derart sein, dass die Grundwelle eine vernachlässigbare Amplitude aufweist und das Drehfeld insofern im Wesentlichen durch die eine oder mehreren Oberwellen approximierbar sein kann, insbesondere der Oberwelle 5. Ordnung.The superimposition of the fundamental wave and the one or more harmonics to approximate the rotating field can also be such that the fundamental wave has a negligible amplitude and the rotating field can therefore essentially be approximated by the one or more harmonics, in particular the harmonic 5 . Order.

Bei der elektrischen Maschine kann es sich vorliegend um eine elektrische Maschine nach Art einer sogenannten Asynchronmaschine handeln. In anderen Worten dreht sich der Rotor im Betrieb nicht mit der gleichen Geschwindigkeit wie das magnetische Drehfeld.In the present case, the electrical machine can be an electrical machine in the manner of a so-called asynchronous machine. In other words, the rotor does not rotate at the same speed as the rotating magnetic field during operation.

Die elektrische Maschine kann aber auch nach Art einer Synchronmaschine betreibbar sein. Insofern können die Frequenz des Rotors und die Geschwindigkeit des magnetischen Drehfeldes auch gleich sein.However, the electrical machine can also be operated in the manner of a synchronous machine. In this respect, the frequency of the rotor and the speed of the rotating magnetic field can also be the same.

Die elektrische Maschine kann nach Art einer Reluktanzmaschine betrieben werden. Unter Reluktanzmaschine wird vorliegend allgemein eine Bauform einer elektrischen Maschine verstanden, bei der das auf den Rotor einwirkende Drehmoment durch die Reluktanzkraft erzeugt wird. Die Reluktanz beschreibt den magnetischen Widerstand. Im Betrieb „strebt“ der Rotor allgemein eine von dem magnetischen Feld abhängige Stellung an, bei der der magnetische Widerstand ein Minimum aufweist. Aufgrund des Drehfeldes wandert diese Stelle umfangsseitig um die Rotationsachse und „zieht“ somit den Rotor mit.The electrical machine can be operated in the manner of a reluctance machine. In the present case, reluctance machine is generally understood to mean a design of an electrical machine in which the torque acting on the rotor is generated by the reluctance force. The reluctance describes the magnetic resistance. During operation, the rotor generally “seeks” a position that is dependent on the magnetic field and at which the magnetic resistance has a minimum. Due to the rotating field, this point moves around the circumference of the axis of rotation and thus “pulls” the rotor with it.

Die elektrische Maschine kann im verlustminimalen Betriebsmodus einen optimalen Wirkungsgrad aufweisen.The electrical machine can have an optimal degree of efficiency in the operating mode with minimal losses.

Zur Ansteuerung, also zur Bestromung der Wicklungssätze, kann die Steuereinheit bevorzugt je einen Umrichter für einen Wicklungssatz aufweisen. Vorliegend kann die Steuereinheit also zwei Umrichter umfassen, die jeweils zur Bestromung von jeweils einem Wicklungssatz ausgebildet sind. Hierzu kann es sich bei den Umrichtern vorzugsweise um dreiphasige Umrichter handeln, welche eingangsseitig an einem Gleichstromzwischenkreis innerhalb des Kraftfahrzeuges oder an eine Batterie des Kraftfahrzeuges anschließbar sind. Der Gleichstromzwischenkreis oder die Batterie können zu einer Energiebereitstellung für die elektrische Maschine heranziehbar sein. Ausgangsseitig können die Umrichter jeweils zusätzliche Stromregler umfassen, mittels denen die Amplituden des Drehstroms einstellbar sein können. Insofern können die Umrichter eingerichtet sein, um entsprechende Steuerspannungen für die Regelung der Amplituden, die durch die Stromrichter vorgenommen werden kann, bereitzustellen. Anschließend können die Stromregler ausgangsseitig an die drei Phasen eines Wicklungssatzes angeschlossen sein.For control, that is to say for energizing the winding sets, the control unit can preferably have one converter for each winding set. In the present case, the control unit can therefore comprise two converters, each of which is designed to supply current to one set of windings. For this purpose, the converters can preferably be three-phase converters which can be connected on the input side to a direct current intermediate circuit within the motor vehicle or to a battery of the motor vehicle. Of the DC link or the battery can be used to provide energy for the electrical machine. On the output side, the converters can each include additional current regulators, by means of which the amplitudes of the three-phase current can be set. In this respect, the converters can be set up to provide corresponding control voltages for regulating the amplitudes, which can be carried out by the converters. The output side of the current regulator can then be connected to the three phases of a winding set.

Die Umrichter (mit den optionalen Stromrichtern) können weiterhin derart ausgebildet sein, dass eine Frequenz und/oder eine Amplitude der einzelnen Ströme der Wicklungssätze im Betrieb der elektrischen Maschine derart einstellbar sein können, dass daraus die bereits beschriebenen durch die jeweiligen Wellen approximierten Drehfeldverläufe resultieren können. Die Einstellung der Amplitude und/oder Frequenz kann beispielsweise über eine Ansteuerung mit einem Steuersignal von Halbleiterschaltelementen innerhalb der Umrichter bewirkbar sein. Das Steuersignal kann vorliegend beispielsweise von der Steuereinheit bereitgestellt werden. Hierzu können beispielsweise die jeweiligen zur Einstellung eines bestimmten Betriebsmodus erforderlichen unterschiedlichen Stromwerte für jede Phase in der Steuereinheit hinterlegt sein, insbesondere in Abhängigkeit der aktuellen Fahrsituation wie z.B. der aktuellen Lastanforderung. Die Ermittlung der für einen jeweiligen Betriebsmodus erforderlichen Phasenstromwerte kann beispielsweise simulationsbasiert mit Hilfe von marktüblichen Programmen erfolgen, speziell im Rahmen der Entwicklung eines derartigen Maschinentyps. Die auf diesem Wege ermittelten Phasenstromwerte können dann z.B. für das jeweilige Kraftfahrzeug in einen Speicher der Steuereinheit eingelesen werden.The converters (with the optional converters) can furthermore be designed in such a way that a frequency and / or an amplitude of the individual currents of the winding sets can be set during operation of the electrical machine in such a way that the rotating field curves already described, approximated by the respective waves, can result therefrom . The amplitude and / or frequency can be set, for example, by triggering a control signal from semiconductor switching elements within the converter. In the present case, the control signal can be provided by the control unit, for example. For this purpose, for example, the different current values required for setting a specific operating mode can be stored in the control unit for each phase, in particular as a function of the current driving situation, such as the current load requirement. The phase current values required for a particular operating mode can be determined, for example, on the basis of simulations with the aid of commercially available programs, especially in the context of the development of such a machine type. The phase current values determined in this way can then be read into a memory of the control unit, e.g. for the respective motor vehicle.

Im Betrieb der elektrischen Maschine kann eine Erfassung der aktuellen Ist-Phasenströme erfolgen. Um einen Betriebsmodus einzustellen, können vorzugsweise die für den betreffenden Betriebsmodus hinterlegten Phasenstromwerte durch die Umrichter (mit den optionalen Stromreglern) eingestellt werden, d.h. die einzelnen Phasen mit den entsprechenden Stromwerten beaufschlagt werden. Eine Einstellung der Phasenströme kann beispielsweise nach Art eines Soll-Ist-Wert Vergleiches (wie bereits erläutert) erfolgen, bei dem ein aktueller Phasenstrom erfasst wird und durch den jeweiligen Umrichter an den erforderlichen Wert angeglichen werden kann. Es erfolgt also eine Regelung auf den gewünschten Wert. Durch die angepasste Bestromung der Wicklungssätze kann sich dann der gewünschte Drehfeldverlauf einstellen.The current actual phase currents can be recorded when the electrical machine is in operation. In order to set an operating mode, the phase current values stored for the respective operating mode can preferably be set by the converter (with the optional current regulators), i.e. the individual phases can be supplied with the corresponding current values. The phase currents can be set, for example, in the manner of a target / actual value comparison (as already explained) in which a current phase current is recorded and can be adjusted to the required value by the respective converter. So there is a regulation to the desired value. The desired rotating field curve can then be set through the adapted current supply to the winding sets.

Alternativ oder ergänzend können die Umrichter, beispielsweise die Zwischenkreise der Umrichter, miteinander verbunden sein, um eine genauere Synchronisation der Bestromung der Wicklungssätze zu erreichen.As an alternative or in addition, the converters, for example the intermediate circuits of the converters, can be connected to one another in order to achieve a more precise synchronization of the current supply to the winding sets.

Die Wicklungssätze können beispielsweise um 60° zueinander versetzt angeordnet sein, so dass die einzelnen Wicklungen gleichmäßig um den Umfang verteilt angeordnet sein können. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung können die beiden Wicklungssätze umfangsseitig jedoch um einen Winkel von 30° zueinander versetzt am Stator angeordnet sein. Durch diese diskrete Wicklungsverteilung kann inhärent ein bevorzugter Verlauf des magnetischen Drehfeldes erzeugt werden, der insbesondere durch die 5.Oberwelle des Drehfeldes approximierbar sein kann. Somit kann es hierdurch weiterhin ermöglicht sein, seitens der Steuereinheit zur Einstellung des auf den Rotor einwirkenden Drehmoments die 5.Oberwelle in Betrag (Amplitude) und Phase zu variieren.The winding sets can be arranged offset from one another by 60 °, for example, so that the individual windings can be arranged evenly distributed around the circumference. According to a preferred embodiment, however, the two winding sets can be arranged on the stator circumferentially offset by an angle of 30 ° to one another. This discrete winding distribution can inherently generate a preferred course of the rotating magnetic field, which can be approximated in particular by the 5th harmonic of the rotating field. In this way, it can also be possible for the control unit to vary the magnitude (amplitude) and phase of the 5th harmonic in order to adjust the torque acting on the rotor.

Bevorzugt kann der Rotor nach Art eines Käfigläufers ausgebildet sein. Hierzu kann der Rotor mehrere gleichmäßig umfangsseitig angeordnete und sich entlang der Rotationsachse erstreckende Rotorstäbe aufweisen. Die Rotorstäbe können zudem in Umfangsrichtung voneinander beabstandet angeordnet sein.The rotor can preferably be designed in the manner of a squirrel cage. For this purpose, the rotor can have a plurality of rotor bars which are arranged uniformly on the circumference and extend along the axis of rotation. The rotor bars can also be arranged at a distance from one another in the circumferential direction.

Unter Käfigläufer wird vorliegend speziell eine Rotorbauform verstanden, bei der die einzelnen Rotorstäbe jeweils endseitig mittels eines ringförmigen Rotorelements, miteinander mechanisch und bevorzugt elektrisch verbunden sind. Aufgrund der elektrischen Verbindung wird der Käfigläufer auch als Kurzschlussläufer bezeichnet, da die einzelnen Rotorstäbe durch das ringförmige Rotorelement untereinander elektrisch kurzgeschlossen sind.In the present case, squirrel cage is specifically understood to mean a rotor design in which the individual rotor bars are each connected to one another mechanically and preferably electrically at the ends by means of an annular rotor element. Due to the electrical connection, the squirrel cage rotor is also referred to as a squirrel cage rotor, since the individual rotor bars are electrically short-circuited to one another by the ring-shaped rotor element.

Der Vorteil dieser Rotorausgestaltung ist, dass der Käfigläufer die für Asynchronmaschinen bevorzugte Rotorgeometrie beziehungsweise -bauweise darstellt. Hierdurch kann auf Standardbauteile und insbesondere herkömmliche Fertigungsverfahren für den Rotor zurückgegriffen werden.The advantage of this rotor design is that the squirrel cage is the preferred rotor geometry or design for asynchronous machines. This means that standard components and, in particular, conventional manufacturing processes for the rotor can be used.

Die Anzahl an Rotorstäben kann einem Doppelten der Ordnung der einen ausgewählten Oberwelle des Drehfeldes entsprechen. Vorliegend kann der Rotor also vorzugsweise zehn Rotorstäbe aufweisen, da die für den Reduktions-Betriebsmodus ausgewählte Oberwelle des Drehfeldes die Ordnung 5 aufweisen kann.The number of rotor bars can correspond to twice the order of the one selected harmonic of the rotating field. In the present case, the rotor can therefore preferably have ten rotor bars, since the harmonic of the rotating field selected for the reduction operating mode is the order 5 may have.

Durch diese Ausgestaltung des Rotors kann eine Interaktion des Rotors mit dem durch die ausgewählte Oberwelle (vorliegend die 5.Oberwelle des Drehfeldes) approximierten Drehfeld zur Erzeugung eines Drehmoments erreicht und optimiert werden. Die Rotorstäbe können weiterhin bevorzugt ein elektrisch leitfähiges, jedoch magnetisch schlecht leitendes Material, beispielsweise Kupfer aufweisen.With this configuration of the rotor, an interaction of the rotor with the rotating field approximated by the selected harmonic (in this case the 5th harmonic of the rotating field) for generating a torque can be achieved and optimized. The rotor bars can also preferably be a have electrically conductive, but magnetically poorly conductive material, for example copper.

Zwischen benachbarten Rotorstäben kann ein magnetisch permeables Material, beispielsweise geblechter Stahl angeordnet sein. Die Anordnung des magnetisch permeablen Materials kann einer Optimierung der Interaktion des Rotors dienen, insbesondere mit dem durch die ausgewählte Oberwelle approximierten magnetischen Drehfeld.A magnetically permeable material, for example laminated steel, can be arranged between adjacent rotor bars. The arrangement of the magnetically permeable material can serve to optimize the interaction of the rotor, in particular with the rotating magnetic field approximated by the selected harmonic.

Die Wicklungssätze können zueinander um einen Winkel von im Wesentlichen 30° elektrisch versetzt ausgebildet sein. D.h. die dreiphasigen Drehströme der beiden Wicklungssätze können in einem verlustminimalen Betriebsmodus der elektrischen Maschine um im Wesentlichen 30° phasenverschoben sein. Dieser Wert kann sich bei der und durch die Auslegung der elektrischen Maschine ergeben.The winding sets can be designed to be electrically offset from one another by an angle of essentially 30 °. This means that the three-phase currents of the two winding sets can be phase-shifted by essentially 30 ° in a minimal-loss operating mode of the electrical machine. This value can result from and through the design of the electrical machine.

Diese Phasenverschiebung kann ebenfalls den Vorteil haben, dass der approximierte Verlauf des magnetischen Drehfeldes die gewünschte 5.Oberwelle aufweist, welche zur Erzeugung eines Drehmoments herangezogen wird. Der Verlauf des magnetischen Drehfeldes nähert sich allgemein bei sechsphasigen Maschinen besser an einen (gewünschten reinen) sinusförmigen Verlauf an als beispielsweise bei einer dreiphasigen Maschine.This phase shift can also have the advantage that the approximated course of the rotating magnetic field has the desired 5th harmonic, which is used to generate a torque. The course of the rotating magnetic field generally approximates a (desired, pure) sinusoidal course better in six-phase machines than, for example, in a three-phase machine.

Die dreiphasigen Wicklungssätze können jeweils nach einer Sternschaltung verschaltet sein. Unter der Sternschaltung wird vorliegend verstanden, dass die drei Phasen eines jeweiligen Wicklungssatzes an einem Ende miteinander elektrisch verbunden sein können. Mit dem jeweiligen anderen Ende können die drei Phasen der Wicklungssätze an jeweils eine Phase der Steuereinheit, insbesondere des Umrichters angeschlossen sein. Somit kann jede Phase eines Wicklungssatzes an eine Phase des Drehstromnetzes angeschlossen sein.The three-phase winding sets can each be connected in a star connection. In the present case, the star connection is understood to mean that the three phases of a respective winding set can be electrically connected to one another at one end. With the respective other end, the three phases of the winding sets can each be connected to one phase of the control unit, in particular of the converter. This means that each phase of a winding set can be connected to one phase of the three-phase network.

Dadurch können sich innerhalb der verschalteten Wicklungssätze die Summe aller auftretenden Ströme zu Null ergeben und keine Oberwellen auftreten, deren Ordnung einem Vielfachen der Zahl 3 entsprechen. Aus diesem Grund tritt im approximierten Drehfeldverlauf vorliegend auch keine 3. Oberwelle auf. Unter dem Sternpunkt wird vorliegend allgemein der Punkt in der Verschaltung eines Wicklungssatzes verstanden, an dem die drei Phasen miteinander elektrische verbunden sind.As a result, the sum of all currents occurring within the interconnected winding sets can result in zero and no harmonics occur whose order is a multiple of the number 3 correspond. For this reason, there is also no 3rd harmonic in the approximated rotating field curve. In the present case, the star point is generally understood to mean the point in the interconnection of a winding set at which the three phases are electrically connected to one another.

Die dreiphasigen Wicklungssätze können jeweils einen potentialfreien Sternpunkt aufweisen. D.h. der Sternpunkt ist insbesondere nicht mit beispielsweise einem Massepotential verbunden. Diese Ausgestaltung ist durch die sich gegenseitig aufhebenden Ströme innerhalb des Sternpunktes ermöglicht.The three-phase winding sets can each have a potential-free star point. This means that the star point is in particular not connected to a ground potential, for example. This configuration is made possible by the mutually canceling currents within the star point.

Hierdurch ist der Fertigungs- und Verschaltungsaufwand der elektrischen Maschine deutlich reduziert.This significantly reduces the manufacturing and wiring costs for the electrical machine.

Es wird auch ein Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Maschine bereitgestellt. Insbesondere kann das Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Antriebsmaschine für ein Kraftfahrzeug ausgebildet sein. Die elektrische Maschine kann einen ringförmigen, um eine Rotationsachse ausgebildeten und um die Rotationsachse drehbar ausgebildeten Rotor umfassen. Ferner kann die Maschine einen ringförmigen Stator umfassen. Der Stator kann um die Rotationsachse derart angeordnet sein, dass er den Rotor umfangsseitig konzentrisch umgibt. Dies kann derart sein, dass in einer Radialrichtung betrachtet zwischen dem Rotor und dem Stator ein Luftspalt ausgebildet sein kann. Der Stator kann zwei dreiphasige, im Betrieb ansteuerbare Wicklungssätze aufweisen. Die Maschine kann auch eine Steuereinheit umfassen.A method for operating an electrical machine is also provided. In particular, the method can be designed to operate an electric drive machine for a motor vehicle. The electrical machine can comprise an annular rotor which is configured about an axis of rotation and is configured to be rotatable about the axis of rotation. The machine can further comprise an annular stator. The stator can be arranged around the axis of rotation in such a way that it concentrically surrounds the rotor on the circumferential side. This can be such that, viewed in a radial direction, an air gap can be formed between the rotor and the stator. The stator can have two three-phase winding sets that can be controlled during operation. The machine can also comprise a control unit.

Das Verfahren kann basierend auf der Steuereinheit zumindest das Approximieren eines Verlaufs eines magnetischen Drehfeldes basierend auf einer Überlagerung einer sinusförmigen Grundwelle mit einer oder mehreren sinusförmigen Oberwellen umfassen.Based on the control unit, the method can include at least approximating a profile of a rotating magnetic field based on a superposition of a sinusoidal fundamental wave with one or more sinusoidal harmonics.

Das Verfahren kann auch das Auswählen eines ersten Phasenwinkels eines Drehstroms derart umfassen, dass eine Überhöhung der Amplitudenspitzen des Drehstroms, die durch eine Überlagerung der Amplitudenspitzen der Grundwelle des Drehstroms mit den Amplitudenspitzen einer oder mehrerer Oberwellen des Drehstroms hervorgerufen werden kann, gegenüber einer korrespondierenden Überhöhung der Amplitudenspitzen bei einer Überlagerung entsprechend einem zweiten Phasenwinkel des Drehstroms reduziert sein kann. Der zweite Phasenwinkel kann einem Phasenwinkel für einen verlustminimalbetriebenen Betriebsmodus der elektrischen Maschine entsprechen. Der erste Phasenwinkel kann von dem zweiten Phasenwinkel verschieden sein.The method can also include selecting a first phase angle of a three-phase current in such a way that an increase in the amplitude peaks of the three-phase current, which can be caused by superimposing the amplitude peaks of the fundamental wave of the three-phase current with the amplitude peaks of one or more harmonics of the three-phase current, compared to a corresponding increase in the Amplitude peaks can be reduced with a superposition corresponding to a second phase angle of the three-phase current. The second phase angle can correspond to a phase angle for an operating mode of the electrical machine that is operated with minimal losses. The first phase angle can be different from the second phase angle.

Das Verfahren kann ferner das Einstellen des Drehstroms mit dem ersten Phasenwinkel umfassen.The method can further include setting the three-phase current with the first phase angle.

Auch kann das Verfahren das Beaufschlagen der Wicklungssätze der elektrischen Maschine mit dem eingestellten Drehstrom durch die Steuereinheit zum Ansteuern der elektrischen Maschine derart umfassen, dass sich hierdurch ein approximierter Verlauf des magnetischen Drehfeldes im Luftspalt zur Erzeugung eines auf den Rotor einwirkenden Drehmoments einstellen kann.The method can also include the application of the set three-phase current to the winding sets of the electrical machine by the control unit for controlling the electrical machine in such a way that an approximate course of the magnetic rotating field in the air gap can be set to generate a torque acting on the rotor.

Somit wird vorteilhafterweise ein Verfahren bereitgestellt, bei dem die erzielbare Leistung erhöht sein kann, bei dem gleichzeitig aber die Belastungen für die elektronischen Bauteile reduzierbar sind, zumindest reduzierbar gegenüber einem verlustminimalen Betriebsmodus.A method is thus advantageously provided in which the achievable performance can be increased, but in which at the same time the loads on the electronic components can be reduced, at least in a manner that can be reduced compared to an operating mode with minimal losses.

Es wird auch ein elektrisch antreibbares Fahrzeug bereitgestellt, das eine elektrische Maschine wie zuvor beschrieben umfasst oder das eine elektrische Maschine umfasst, die entsprechend dem zuvor beschriebenen Verfahren betrieben wird. Im Sinne der vorliegenden Erfindung können elektrisch antreibbare Fahrzeuge insbesondere Landfahrzeuge umfassen, nämlich unter anderem Elektroroller, E-Scooter, Zweiräder, Motorräder, Dreiräder, Trikes, Quads, Gelände- und Straßenfahrzeuge wie Personenkraftwagen, Busse, Lastkraftwagen und andere Nutzfahrzeuge, Schienenfahrzeuge (Bahnen), aber auch Wasserfahrzeuge (Boote) und Luftfahrzeuge wie Hubschrauber, Multicopter, Propellerflugzeuge und Strahlflugzeuge, welche zumindest einen dem Vortrieb des Fahrzeugs dienenden Elektromotor aufweisen. Fahrzeuge können bemannt oder unbemannt sein. Neben reinen Elektrofahrzeugen (BEV) können auch Hybridelektrofahrzeuge (HEV), Plug-In-Hybride (PHEV) und Brennstoffzellenfahrzeuge (FCHV) umfasst sein.An electrically drivable vehicle is also provided which comprises an electrical machine as described above or which comprises an electrical machine which is operated in accordance with the method described above. For the purposes of the present invention, electrically driven vehicles can in particular include land vehicles, namely, among other things, electric scooters, e-scooters, two-wheelers, motorcycles, three-wheelers, trikes, quads, off-road and road vehicles such as passenger cars, buses, trucks and other commercial vehicles, rail vehicles (trains) , but also watercraft (boats) and aircraft such as helicopters, multicopters, propeller planes and jet planes, which have at least one electric motor used to propel the vehicle. Vehicles can be manned or unmanned. In addition to pure electric vehicles (BEV), hybrid electric vehicles (HEV), plug-in hybrids (PHEV) and fuel cell vehicles (FCHV) can also be included.

Zum Inhalt der DE 10 2020 104 437 liegen dieser Erfindung folgende erweiternde Überlegungen zugrunde:

Erster Aspekt der Erfindung:
- Elektrische Drehfeldmaschinen werden in der Regel verlustminimal betrieben. D.h. bei einem gewünschten Drehmoment werden die Ströme in der Maschine so gewählt, dass die Verluste minimal sind. Die Ströme werden mit einem Leistungsteil (z.B. Umrichter) eingeregelt.

To the content of the DE 10 2020 104 437 this invention is based on the following expanding considerations:

First aspect of the invention:
- Electric induction machines are usually operated with minimal losses. In other words, at a desired torque, the currents in the machine are selected in such a way that the losses are minimal. The currents are regulated with a power unit (e.g. converter).

Bei Drehfeldmaschinen mit hoher Phasenanzahl (mehr als 3) ergeben sich bei hohen Drehzahlen Stromoberwellen. Diese Oberwellen sind im Vergleich zu dreiphasigen Antrieben höher, da die wirksame Induktivität für diese Oberwellen geringer ist. Überlagern sich nun die Grundwelle mit einer solchen Oberwelle, so entstehen je nach Phasenlage Stromspitzen, die deutlich höher sein können als die der reinen Grundwelle. Dies kann zu höheren Verlusten und Schädigung von Bauteilen führen.In rotary field machines with a high number of phases (more than 3), current harmonics occur at high speeds. Compared to three-phase drives, these harmonics are higher because the effective inductance for these harmonics is lower. If the fundamental wave is now superimposed with such a harmonic, current peaks arise, depending on the phase position, which can be significantly higher than those of the pure fundamental wave. This can lead to higher losses and damage to components.

Es werden gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung demnach Ströme in der Maschine eingestellt, die die Amplitudenspitzen der Grundwelle mit der negativen Amplitudenspitze einer oder mehrerer Oberwellen überlagert. So reduzieren sich die Stromspitzen signifikant.According to the first aspect of the invention, currents are therefore set in the machine which superimpose the amplitude peaks of the fundamental wave with the negative amplitude peak of one or more harmonics. This significantly reduces the current peaks.

Zweiter erweiterter Aspekt der Erfindung:

Bei vielphasigen (vorzugsweise zwei dreiphasigen) Antrieben werden die Soll-Phasenströme für einen bestimmten Arbeitspunkt (Drehmoment bei gegebener Drehzahl und Zwischenkreisspannung) auf Basis gängiger dq-Strom Drehmomentgleichungen optimiert.

Second extended aspect of the invention:

In the case of multi-phase (preferably two three-phase) drives, the nominal phase currents are optimized for a specific operating point (torque at a given speed and intermediate circuit voltage) on the basis of common dq current torque equations.

Der Erfinder hat bei Versuchen erkannt, dass bestimmte Stromoberwellen bei dieser Topologie sehr ausgeprägt sind. Diese Oberwellen verursachen Verluste und sind nicht in der Optimierung berücksichtigt. Auch wird angenommen, dass das mögliche Ausregeln dieser Oberwellen einen Spannungsvorhalt benötigt und die Zwischenkreisspannung nicht vollständig ausgenutzt werden kann.During experiments, the inventor recognized that certain current harmonics are very pronounced in this topology. These harmonics cause losses and are not taken into account in the optimization. It is also assumed that the possible regulation of these harmonics requires a voltage lead and that the intermediate circuit voltage cannot be fully utilized.

Es wird daher erweiternd ein Optimierungsverfahren vorgeschlagen, welches die zusätzlichen Freiheitsgrade, also Ströme, mitberücksichtigt.In addition, an optimization method is therefore proposed which also takes into account the additional degrees of freedom, that is to say currents.

Es werden:

1. die durch mögliche Oberwellen erzeugten Verluste berücksichtigt und
2. die nötige Spannung zur Regelung der Oberwellen berücksichtigt

It will:

1. the losses generated by possible harmonics are taken into account and
2. the voltage required to regulate the harmonics is taken into account

Die beiden Aspekte der Erfindung werden vorzugsweise kombiniert.The two aspects of the invention are preferably combined.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt, anhand derer die Erfindung genauer erläutert wird, wobei die Ausführungsbeispiel auf eine vielphasige elektrische Maschine mit insbesondere zwei dreiphasigen Wicklungssätzen gerichtet sind:

- 1 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung eines Ersatzschaltbildes der Wicklungen,
- 2 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung zweier Umrichter der elektrischen Maschine,
- 3 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung der Verarbeitung eines Drehstroms, insbesondere in der Steuereinheit,
- 4 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung der Drehströme der Wicklungssätze,
- 5 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung eines Verfahrens zum Betrieb einer elektrischen Maschine,
- 6 zeigt im Zeitbereich eine vereinfachte schematische Darstellung des Verfahrens zum Betrieb einer elektrischen Maschine gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung,
- 7 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung der Erweiterung der Vorrichtung und des Verfahrens zum Betrieb einer elektrischen Maschine gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung und
- 8 zeigt eine Offline Optimierung zur Erstellung von Kennfeldern für eine Online Anwendung in der Steuereinheit.

In the drawing, exemplary embodiments of the invention are shown, on the basis of which the invention is explained in more detail, the exemplary embodiment being directed to a polyphase electrical machine with in particular two three-phase winding sets:

- 1 shows a simplified schematic representation of an equivalent circuit diagram of the windings,
- 2 shows a simplified schematic representation of two converters of the electrical machine,
- 3 shows a simplified schematic representation of the processing of a three-phase current, in particular in the control unit,
- 4th shows a simplified schematic representation of the three-phase currents of the winding sets,
- 5 shows a simplified schematic representation of a method for operating an electrical machine,
- 6th shows a simplified schematic representation in the time domain the method for operating an electrical machine according to the first aspect of the invention,
- 7th shows a simplified schematic representation of the expansion of the device and the method for operating an electrical machine according to the second aspect of the invention and
- 8th shows an offline optimization for the creation of maps for an online application in the control unit.

1 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung eines Ersatzschaltbildes der Wicklungen. 1 shows a simplified schematic representation of an equivalent circuit diagram of the windings.

Die elektrische Maschine 100 umfasst einen Rotor und einen Stator (nicht gezeigt). Der Stator umfasst in der vorliegenden Ausführungsform zwei Wicklungssätze, die je drei Wicklungen 110 umfassen. Für jeden Wicklungssatz sind die jeweils drei Wicklungen 110 entsprechend einem Winkelversatz von 120° entlang des Umfangs des Stators angeordnet. Die beiden Wicklungssätze weisen wiederum einen Winkelversatz 112 auf, der vorliegend 30° beträgt. Die Wicklungen jedes Wicklungssatzes sind generell entsprechend einer Sternschaltung 130 angeordnet. Das bedeutet, dass die drei Wicklungen 110 des ersten Wicklungssatzes in einem ersten Sternpunkt M1 zusammengeschlossen sind. Die jeweils anderen Enden der Wicklungen 110 des ersten Wicklungssatzes werden mit einem nachfolgend erläuterten ersten Umrichter 150 gekoppelt und mit den Wechselströmen U1, W1, V1 beaufschlagt. Analog sind die drei Wicklungen 110 des zweiten Wicklungssatzes in einem zweiten Sternpunkt M2 zusammengeschlossen und die jeweils anderen Enden mit einem zweiten Umrichter 160 gekoppelt, so dass sie mit den Wechselströmen U2, W2, V2 beaufschlagt werden.The electric machine 100 includes a rotor and a stator (not shown). In the present embodiment, the stator comprises two sets of windings, each with three windings 110 include. For each set of windings there are three windings 110 arranged according to an angular offset of 120 ° along the circumference of the stator. The two winding sets in turn have an angular offset 112 which is 30 ° in the present case. The windings of each winding set are generally in accordance with a star connection 130 arranged. That means the three windings 110 of the first winding set in a first star point M1 are affiliated. The other ends of the windings 110 of the first winding set are with a first converter explained below 150 coupled and with the alternating currents U1 , W1 , V1 applied. The three windings are analogous 110 of the second set of windings in a second star point M2 connected and the other ends with a second converter 160 coupled so that they are with the alternating currents U2 , W2 , V2 be applied.

Der Drehstrom eines Wicklungssatzes ist vorliegend als Vektorstrom zu verstehen, der die Stromkomponenten U1, V1, W1 bzw. U2, V2, W2 umfasst. Diese einzelnen Komponenten können insofern als verschiedene Phasen des jeweiligen Drehstroms angesehen werden.In the present case, the three-phase current of a winding set is to be understood as a vector current, which is the current components U1 , V1 , W1 respectively. U2 , V2 , W2 includes. In this respect, these individual components can be viewed as different phases of the respective three-phase current.

2 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung zweier Umrichter der elektrischen Maschine. Die elektrische Maschine 100 umfasst einen ersten Umrichter 150 und einen zweiten Umrichter 160. Die beiden Umrichter 150, 160 sind in ihrem generellen Aufbau und der Funktionsweise einander gleich. 2 shows a simplified schematic representation of two converters of the electrical machine. The electric machine 100 includes a first converter 150 and a second converter 160 . The two converters 150 , 160 are identical in their general structure and mode of operation.

Der erste Umrichter 150 ist eingangsseitig mit einer Gleichspannungsquelle 152 gekoppelt, durch die eine DC-Gleichspannung für den Umrichter 150 bereitgestellt wird. Der Umrichter 150 umfasst dann in bekannter Form Kondensatoren 154 und Schaltelemente 156, insbesondere Halbleiterschaltelemente, sowie Zwischenabgriffe 158, um ausgangsseitig Wechselspannungssignale bereitzustellen. Vorliegend ist der erste Umrichter 150 eingerichtet, um die Wechselspannungssignale bereitzustellen, die generell den Wechselstromsignalen U1, V1, W1 entsprechen. Diese dienen dann der Beaufschlagung der Wicklungen 110 des ersten Wicklungssatzes. Der erste Umrichter 150 ist ausgangsseitig noch mit einem zusätzlichen Stromregler (nicht gezeigt) gekoppelt, der basierend auf den von dem ersten Umrichter 150 bereitgestellten Wechselspannungssignalen entsprechende Wechselstromsignale U1, V1, W1 ausgibt. Der zusätzliche Stromregler dient dazu, basierend auf einem Vergleich von Istströmen, die in der elektrischen Maschine 100 vorliegen, und Sollströmen, die einem gewünschten Drehmoment entsprechen, eine Nachregelung der Istströme zu bestimmen, um die jeweilige Differenz auszugleichen. Insofern hat der zusätzliche Stromregler insbesondere Einfluss auf die Amplituden der Wechselstromsignale U1, V1, W1. Mit diesen Wechselstromsignalen werden dann die Wicklungen 110 des ersten Wicklungssatzes beaufschlagt.The first converter 150 is on the input side with a DC voltage source 152 coupled through which a DC direct voltage for the converter 150 provided. The converter 150 then includes capacitors in a known form 154 and switching elements 156 , in particular semiconductor switching elements, as well as intermediate taps 158 to provide AC voltage signals on the output side. Here is the first converter 150 set up to provide the AC voltage signals that are generally the AC signals U1 , V1 , W1 correspond. These then serve to act on the windings 110 of the first set of windings. The first converter 150 is also coupled on the output side to an additional current regulator (not shown), which is based on the from the first converter 150 AC signals corresponding to provided AC voltage signals U1 , V1 , W1 issues. The additional current regulator is used based on a comparison of actual currents in the electrical machine 100 are present, and setpoint currents that correspond to a desired torque to determine a readjustment of the actual currents in order to compensate for the respective difference. In this respect, the additional current regulator has an influence in particular on the amplitudes of the alternating current signals U1 , V1 , W1 . These alternating current signals are then used to make the windings 110 of the first winding set applied.

In entsprechender Weise ist der zweite Umrichter 160 eingerichtet, Wechselspannungssignale bereitzustellen, die durch einen zusätzlichen Stromregler (nicht gezeigt) zur Bereitstellung der Wechselstromsignale U2, V2, W2 verarbeitet werden. Auch dabei wird eine entsprechende Regelung berücksichtigt, um Differenzen zwischen den Istströmen in der elektrischen Maschine 100 und Sollströmen, die einem gewünschten Drehmoment entsprechen, auszugleichen.The second converter is in a corresponding manner 160 set up to provide alternating voltage signals that are generated by an additional current regulator (not shown) for providing the alternating current signals U2 , V2 , W2 are processed. Here, too, a corresponding regulation is taken into account in order to avoid differences between the actual currents in the electrical machine 100 and balance target currents corresponding to a desired torque.

Die Stromregler können in diesem Zusammenhang insbesondere eingerichtet sein, um die gegenseitigen Wechselwirkungen, zwischen den einzelnen Phasen der Drehströme, die innerhalb der elektrischen Maschine 100 auftreten, bei der Regelung zu berücksichtigen. Insbesondere durch die Kopplung zwischen den beiden dreiphasigen Wicklungssätzen führt die Rückkopplung des einen Systems auf das jeweils andere System zu vergleichsweise hohen Strömen bei vergleichsweise niedrigen Spannungen. Unter anderem deshalb treten in der elektrischen Maschine 100 die genannten Stromoberwellen auf.In this context, the current regulators can in particular be set up to control the mutual interactions between the individual phases of the three-phase currents that occur within the electrical machine 100 occur to be taken into account in the regulation. In particular, due to the coupling between the two three-phase winding sets, the feedback from one system to the other system leads to comparatively high currents at comparatively low voltages. Therefore, among other things, occur in the electrical machine 100 the mentioned current harmonics.

3 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung der Verarbeitung eines Drehstroms. 3 shows a simplified schematic representation of the processing of a three-phase current.

Zunächst werden die in der elektrischen Maschine 100 vorliegenden Phasenströme bestimmt. Dazu umfasst die elektrische Maschine geeignete Sensoren, die die entsprechenden Informationen an die Steuereinheit ausgeben. Die Ist-Phasenströme 170 lu, Iv, Iw, Ix werden dann basierend auf einer Clarke-Transformation 172 in Stator-feste Ströme 174 transformiert, die als voneinander entkoppelt angesehen werden können. Die Stator-festen und entkoppelten Ströme 174 werden anschließend basierend auf einer Park-Transformation 176 (d/q-Transformation) in ein Rotor-festes Koordinatensystem (d/q-Koordinatensystem) transformiert. Das d/q-Koordinatensystem ist generell derart, dass es mit dem Rotor entsprechend seiner Drehgeschwindigkeit mitrotiert. Die beiden Stromkomponenten 178 Id, Iq können dann als drehmomentbildende Komponente (Id) und flussbildende Komponente (Iq) angesehen werden. Die Komponenten 178 stehen generell eigentlich orthogonal zueinander im Bezugssystem des d/q-Koordinatensystems.First are those in the electrical machine 100 existing phase currents determined. For this purpose, the electrical machine includes suitable sensors that output the corresponding information to the control unit. The actual phase currents 170 lu, Iv, Iw, Ix are then based on a Clarke transform 172 in stator-fixed currents 174 transformed, which can be viewed as decoupled from each other. The stator-fixed and decoupled currents 174 are then based on a park transformation 176 (d / q transformation) into a rotor-fixed coordinate system (d / q-coordinate system) transformed. The d / q coordinate system is generally such that it rotates with the rotor according to its rotational speed. The two power components 178 Id, Iq can then be viewed as the torque-forming component (Id) and the flux-forming component (Iq). The components 178 are generally actually orthogonal to one another in the reference system of the d / q coordinate system.

Anschließend findet die Regelung 184 der Stromkomponenten statt. Dazu werden die Ist-Stromkomponenten 178 Id, Iq mit den Soll-Stromkomponenten 180 Id*, Iq* verglichen. Die Soll-Stromkomponenten 180 Id*, Iq* sind dabei durch ein von der elektrischen Maschine 100 bereitzustellendes Drehmoment bestimmt. Dadurch ergeben sich jeweilige Differenzen 182. Diese Sollstrom-/Iststrom-Differenzen werden anhand der Regelung 184 ausgeglichen. Die Regelung 184 stellt dazu entsprechende Steuerspannungen 186 Ud, Uq bereit, um die jeweiligen Differenzen auszugleichen. Die Regelung 184 ist dabei derart, dass sie die in der elektrischen Maschine 100 auftretenden Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Phasen berücksichtigt. Die Regelung 184 kann insbesondere Teil der Steuereinheit sein. Aus den Steuerspannungen 186 Ud, Uq werden basierend auf zusätzlichen Stromreglern die entsprechenden Wechselstromsignale mit den jeweiligen Amplituden für die Wicklungen 110 bereitgestellt.The scheme then takes place 184 of the power components instead. For this purpose, the actual current components 178 Id, Iq with the target current components 180 Id *, Iq * compared. The target current components 180 Id *, Iq * are by one of the electrical machine 100 Determined to be provided torque. This results in respective differences 182 . These target current / actual current differences are calculated using the control 184 balanced. The regulation 184 provides the corresponding control voltages for this 186 Ud, Uq ready to compensate for the respective differences. The regulation 184 is such that it is used in the electrical machine 100 occurring interactions between the individual phases are taken into account. The regulation 184 can in particular be part of the control unit. From the control voltages 186 Ud, Uq are based on additional current regulators, the corresponding alternating current signals with the respective amplitudes for the windings 110 provided.

4 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung der Drehströme 190 der Wicklungssätze. 4th shows a simplified schematic representation of the three-phase currents 190 of the winding sets.

Wie vorher erläutert stehen die einzelnen Stromkomponenten Id, Iq im rotorfesten Koordinatensystem eigentlich orthogonal zueinander. Der derartige Phasenwinkel von 90° entspricht insofern der herkömmlichen verlustminimalen Betriebsweise der elektrischen Maschine 100 entsprechend dem zweiten Betriebsmodus. Von dieser Art der Beaufschlagung wird jedoch vorliegend für die Wicklungen 110 beider Wicklungssätze abgewichen. Für die Wicklungen 110 des ersten und zweiten Wicklungssatzes wird der Phasenwinkel abgeändert. Insofern ist der Phasenwinkel für die Stromkomponente Id relativ zum rotorfesten Strom I für beide Wicklungssätze 192, 194 gleich. Generell ist aber auch denkbar, dass der Phasenwinkel für einen Wicklungssatz 192 verschieden vom entsprechenden Phasenwinkel für den anderen Wicklungssatz 194. Mittels beider Vorgehensweisen wird dadurch bewusst eine Asymmetrie in das System eingebracht. Somit kann vorteilhaft vermieden werden, dass die Extremwerte der Stromoberwellen an den gleichen Winkellagen auftreten (bezogen auf den Umfang des Stators bzw. den Rotorlagewinkel), wie die Extremwerte der Stromgrundwelle. Folglich fällt die Überlagerung der Amplitudenspitzen bezüglich der Amplitude schwächer aus.As previously explained, the individual current components Id, Iq are actually orthogonal to one another in the coordinate system fixed to the rotor. The phase angle of 90 ° of this type corresponds to the conventional operating mode of the electrical machine with minimal loss 100 corresponding to the second operating mode. However, this type of application is present for the windings 110 both winding sets deviated. For the windings 110 of the first and second set of windings, the phase angle is changed. In this respect, the phase angle for the current component Id is relative to the rotor-fixed current I for both sets of windings 192 , 194 same. In general, however, it is also conceivable that the phase angle for a winding set 192 different from the corresponding phase angle for the other set of windings 194 . Using both approaches, an asymmetry is deliberately introduced into the system. It can thus advantageously be avoided that the extreme values of the current harmonics occur at the same angular positions (based on the circumference of the stator or the rotor position angle) as the extreme values of the current fundamental wave. As a result, the superposition of the amplitude peaks turns out to be weaker with regard to the amplitude.

5 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung eines Verfahrens 200 zum Betrieb einer elektrischen Maschine. 5 shows a simplified schematic representation of a method 200 for operating an electrical machine.

Das Verfahren umfasst generell die Verfahrensschritte 202, 204, 206, und 208.The process generally comprises the process steps 202 , 204 , 206 , and 208 .

In Schritt 202 wird ein Verlauf des Drehfeldes entsprechend einem gewünschten Drehmoment basierend auf einer Überlagerung einer sinusförmigen Grundwelle mit einer oder mehreren sinusförmigen Oberwellen approximiert. Das bedeutet, dass basierend auf einem gewünschten Drehmoment der elektrischen Maschine 100 das dazu benötigte magnetische Drehfeld durch die entsprechende Überlagerung approximiert wird.In step 202 a course of the rotating field corresponding to a desired torque is approximated based on a superposition of a sinusoidal fundamental wave with one or more sinusoidal harmonics. This means that based on a desired torque of the electric machine 100 the required rotating magnetic field is approximated by the corresponding superimposition.

In Schritt 204 wird ein erster Phasenwinkel eines Drehstroms derart ausgewählt, dass eine Überhöhung der Amplitudenspitzen des Drehstroms, die durch eine Überlagerung der Amplitudenspitzen der Grundwelle des Drehstroms mit den Amplitudenspitzen einer oder mehrerer Oberwellen des Drehstroms hervorgerufen wird, gegenüber einer korrespondierenden Überhöhung der Amplitudenspitzen bei einer Überlagerung entsprechend einem zweiten Phasenwinkel des Drehstroms reduziert ist. Dabei entspricht der zweite Phasenwinkel einem Phasenwinkel für einen verlustminimalbetriebenen Betriebsmodus (herkömmlichen Betriebsmodus) der elektrischen Maschine. Der erste Phasenwinkel ist vom zweiten Phasenwinkel verschieden.In step 204 a first phase angle of a three-phase current is selected in such a way that an increase in the amplitude peaks of the three-phase current, which is caused by a superposition of the amplitude peaks of the fundamental wave of the three-phase current with the amplitude peaks of one or more harmonics of the three-phase current, compared to a corresponding increase in the amplitude peaks in the case of an overlay corresponding to a second phase angle of the three-phase current is reduced. The second phase angle corresponds to a phase angle for an operating mode operated with minimal losses (conventional operating mode) of the electrical machine. The first phase angle is different from the second phase angle.

In Schritt 206 wird der Drehstrom entsprechend dem ersten Phasenwinkel eingestellt. Das bedeutet, dass eine Asymmetrie in der Beaufschlagung der Wicklungen 110 der elektrischen Maschine 100 hervorgerufen wird, so dass die Überlagerung der Extremwerte der Stromspitzen der Grundwelle und der einen oder mehreren Oberwellen nicht mehr bei gleichen Winkellagen auftreten.In step 206 the three-phase current is set according to the first phase angle. This means that there is an asymmetry in the loading of the windings 110 of the electric machine 100 is caused so that the superposition of the extreme values of the current peaks of the fundamental wave and the one or more harmonics no longer occur at the same angular positions.

In Schritt 208 werden die Wicklungen 110 der Wicklungssätze der elektrischen Maschine 100 mit dem in Schritt 206 eingestellten Drehstrom durch die Steuereinheit zum Ansteuern der elektrischen Maschine 100 derart beaufschlagt, dass sich hierdurch der in 202 approximierte Verlauf des magnetischen Drehfeldes im Luftspalt zur Erzeugung eines auf den Rotor einwirkenden Drehmoments einstellt.In step 208 become the windings 110 of the winding sets of the electrical machine 100 with that in step 206 set three-phase current by the control unit to control the electrical machine 100 acted upon in such a way that the course of the rotating magnetic field approximated in 202 is thereby set in the air gap for generating a torque acting on the rotor.

6 zeigt im Zeitbereich eine vereinfachte schematische Darstellung des Verfahrens zum Betrieb einer vielphasigen elektrischen Maschine, hier wieder mit zwei dreiphasigen Wickelsätzen, gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung. Demnach wird der erste Phasenwinkel φ1 derart gewählt, dass eine Überhöhung der Amplitudenspitzen, die durch eine Überlagerung der Amplitudenspitzen der Grundwelle des Drehstroms mit den Amplitudenspitzen der mindestens einen Oberwelle des Drehstroms hervorgerufen wird (linker gestrichelter Kreis des Verlaufs V1), gegenüber einer korrespondierenden Überhöhung der Amplitudenspitzen bei einer Überlagerung entsprechend dem zweiten Phasenwinkel reduziert ist (rechter gestrichelter Kreis des Verlaufs V2). 6th shows, in the time domain, a simplified schematic representation of the method for operating a polyphase electrical machine, here again with two three-phase winding sets, according to the first aspect of the invention. Accordingly, the first phase angle φ1 is selected in such a way that an increase in the amplitude peaks caused by superimposing the amplitude peaks of the fundamental wave of the three-phase current with the amplitude peaks of the at least one harmonic of the three-phase current is caused (left dashed circle of the curve V1 ), compared to a corresponding increase in the amplitude peaks in the case of an overlay corresponding to the second phase angle (right dashed circle of the course V2 ).

7 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung der Erweiterung der Vorrichtung und des Verfahrens zum Betrieb einer elektrischen Maschine. Hierbei wird der Gegenstand der 3 erweitert. Ein Teil der Komponenten der 3 sind hier in der Steuereinheit SG dargestellt. Die Erweiterung betrifft einen Drehstrom-Bestimmungsblock IB zur Vorgabe der Soll-Ströme Iq* und Id* für eine Online Anwendung in der Steuereinheit SG. 7th shows a simplified schematic representation of the expansion of the device and the method for operating an electrical machine. Here the subject of 3 expanded. Part of the components of the 3 are shown here in the control unit SG. The extension relates to a three-phase current determination block IB for specifying the target currents Iq * and Id * for an online application in the control unit SG.

8 zeigt eine Offline Optimierung zur Erstellung von Kennfeldern K für eine Online Anwendung in der Steuereinheit SG der 7. 8th shows an offline optimization for the creation of maps K for an online application in the control unit SG of the 7th .

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine ungleichmäßige Belastung der beiden Wicklungssätze zu Verlusten führen könnte, insbesondere wenn die maximal mögliche statorfeste Kreisspannung Umax nicht eingehalten wird. Weiterhin liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, dass zur Bestimmung der maximalen Kreisspannung sowohl der Kreisspannungsanteil U1 der Grundwelle als auch der Kreisspannungsanteil U5 zumindest der dominantesten Oberwelle (hier die 5. Ordnung als niedrigste auftretende Oberwelle) zu berücksichtigen ist. Mit anderen Worten sind nur die Soll-Drehströme Id* und Iq* abhängig von einem Betriebspunkt (bei vorgegebener Soll-Drehzahl N_soll und vorgegebenem Soll-Drehmoment M_soll der elektrischen Maschine) von der Steuereinheit SG vorzugeben, die dieser begrenzenden Erkenntnis Rechnung tragen (siehe auch 7). Dazu wird erfindungsgemäß in der Steuereinheit SG mindestens ein Kennfeld K vorgesehen, das erfindungsgemäß in einem Offline-Optimierungs-Prozess zu ermitteln ist (siehe 8).The invention is based on the knowledge that uneven loading of the two winding sets could lead to losses, in particular if the maximum possible stator-fixed circuit voltage Umax is not maintained. Furthermore, the invention is based on the knowledge that to determine the maximum circuit voltage, both the circuit voltage component U1 the fundamental wave as well as the circular voltage component U5 at least the most dominant harmonic (here the 5th order as the lowest occurring harmonic) must be taken into account. In other words, only the target three-phase currents Id * and Iq * are to be specified by the control unit SG as a function of an operating point (with a specified target speed N_soll and specified target torque M_soll of the electrical machine), which take this limiting knowledge into account (see also 7th ). For this purpose, according to the invention, at least one characteristics map K is provided in the control unit SG, which, according to the invention, is to be determined in an offline optimization process (see FIG 8th ).

Bei der Offline-Optimierung werden abhängig vom Betriebspunkt, insbesondere abhängig von der vorgegebenen Drehzahl N, und abhängig von den grundsätzlich steuerbaren Drehströmen Id und Iq anhand von für eine elektrische Maschine grundsätzlich bekannten Induktivitätstabellen IT sowohl die maximal möglichen Kreisspannungsanteile U1 der Grundwelle - sich ergebend aus den Spannungs-Komponenten Uq und Ud - als auch die maximal möglichen Kreisspannungsanteile U5 zumindest einer Oberwelle - sich ergebend aus den Spannungs-Komponenten Ux und Uy - bestimmt. Daraus wird anschließend das mindestens eine Kennfeld K bestimmt, das in der Steuereinheit SG für den Online-Betrieb gemäß 7 abgespeichert wird.In offline optimization, depending on the operating point, in particular depending on the specified speed N, and depending on the basically controllable three-phase currents Id and Iq, both the maximum possible circuit voltage components are determined using inductance tables IT which are basically known for an electrical machine U1 the fundamental wave - resulting from the voltage components Uq and Ud - as well as the maximum possible circular voltage components U5 at least one harmonic - resulting from the voltage components Ux and Uy - is determined. From this, the at least one characteristics map K is then determined, which is in accordance with the control unit SG for online operation 7th is saved.

In 8 ist der Zusammenhang der Kreisspannungsanteile U1 und U5 in einem für die Betrachtung von Kreisspannungen grundsätzlich üblichen Hexagon dargestellt. Die beiden Kreisspannungsanteile U1 und U5 dürfen zur Bestimmung des erfindungsgemäßen neuen Kreisspannungs-Maximums addiert (überlagert) nicht den Innenkreis des Hexagons überschreiten. Der Kreisspannungsanteil U5 dreht sich dabei in die Gegenrichtung des Kreisspannungsanteils U1. Durch eine derart betrachtete Endlichkeit der Spannungen und damit der Drehströme wird eine neue Art eines Kennfeldes K bestimmt, durch das Verluste in ihrer Entstehung verhindert werden, indem der Einfluss der Oberwellen einer Grundwelle sowohl spannungsbezogen als auch amplitudenbezogen bei der Vorgabe der Soll-Ströme Id* und Iq* automatisch berücksichtigt ist.In 8th is the relationship between the circular voltage components U1 and U5 shown in a hexagon, which is generally used for the consideration of circular voltages. The two circular voltage components U1 and U5 added (superimposed) must not exceed the inner circle of the hexagon to determine the new maximum circular voltage according to the invention. The circular stress component U5 rotates in the opposite direction of the circular voltage component U1 . By considering the finiteness of the voltages and thus the three-phase currents, a new type of characteristic map K is determined, through which losses are prevented in their development by the influence of the harmonics of a fundamental wave both voltage-related and amplitude-related when specifying the setpoint currents Id * and Iq * is automatically taken into account.

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

DE 102020104437 [0006, 0066]

Claims

Device for controlling a multiphase electrical machine (100) with a rotor, with a stator, with more than three phases that can be controlled during operation and with a control unit (SG) which is designed in such a way that, during operation, it controls the phases for generating an on the A three-phase current (Id, Iq) is applied to the torque acting on the rotor, where a course of the rotating magnetic field can be represented by superimposing a sinusoidal fundamental wave with at least one sinusoidal harmonic, wherein the three-phase current to reduce amplitude peaks is set with a first phase angle (φ1) that is different from a second phase angle of the three-phase current, the second phase angle corresponding to a phase angle for operation of the electrical machine with minimal loss, and wherein the first phase angle (φ1) is chosen such that an increase in the amplitude peaks, which is caused by a superposition of the amplitude peaks of the fundamental wave of the three-phase current with the amplitude peaks of the at least one harmonic of the three-phase current, compared to a corresponding increase in the amplitude peaks in the case of an overlay corresponding to the second phase angle is reduced.

Device for controlling a multiphase electrical machine (100) with a rotor, with a stator, with more than three phases that can be controlled during operation and with a control unit (SG) which is designed in such a way that, during operation, it controls the phases for generating an on the A three-phase current (Id, Iq) is applied to the torque acting on the rotor, where a course of the rotating magnetic field can be represented by superimposing a sinusoidal fundamental wave with at least one sinusoidal harmonic, The three-phase current (Id *, Iq *) for reducing losses can be specified by the control unit (SG) in such a way that a maximum stator-fixed circuit voltage is not exceeded, whereby both the circular voltage component (U1) of the fundamental wave and the circular voltage component (U5) of at least one harmonic are taken into account to determine the maximum circuit voltage.

Electrical machine (100) according to one of the preceding claims, wherein the target three-phase current (Id *, Iq *) can be specified by the control unit (SG) on the basis of at least one characteristic map (K) which, in offline operation, is dependent on the speed ( N) and is to be determined depending on the determined maximum circuit voltage components (U1, U5) for possible intermediate circuit voltages (Udc).

Electrical machine (100) according to one of the preceding claims, wherein only the most dominant harmonic of the three-phase current is included to reduce an amount of the amplitude peaks and / or to reduce the losses.

Electrically drivable vehicle comprising an electrical machine according to one of the preceding claims.

Computer program product for a control unit (SG) for controlling an electrical machine according to one of the preceding claims.