-
GEBIET DER ERFINDUNG
-
Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem und ein elektrisch antreibbares Fahrzeug.
-
TECHNISCHER HINTERGRUND
-
Antriebssysteme, die elektrische Maschinen umfassen, 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. 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. Dazu werden häufig Synchronmaschinen eingesetzt.
-
Synchronmaschinen umfassen zumindest einen Rotor und einen Stator, zwischen denen ein Luftspalt ausgebildet ist. Rotoren von Synchronmaschinen weisen dabei entweder Permanentmagnete oder fremderregte Rotorwicklungen auf. Der Stator umfasst Statorwicklungen. Werden diese mit einem elektrischen Strom beaufschlagt, kann sich im Luftspalt ein magnetisches Drehfeld einstellen, wodurch ein den Rotor antreibendes Drehmoment hervorgerufen werden kann.
-
Eine Synchronmaschine, die eine erhöhte Statorwicklungszahl aufweist, ermöglicht eine höhere maximale erzielbare Maschinenleistung. Zwischen den Statorwicklungen und der Rotorwicklung tritt im Betrieb aber eine magnetische Kopplung auf. Diese kann dazu führen, dass durch Rotoroberschwingungen in den Phasenströmen der Statorwicklungen Oberwellen induziert werden. Diese Oberwellen verursachen Verluste, so dass die erzielbare maximale Maschinenleistung nachteilig beeinflusst wird. Zudem sind die beteiligten Komponenten höheren Beanspruchungen ausgesetzt, was sich nachteilig auf die Lebensdauer auswirken kann.
-
Die Oberwellen können generell durch zusätzliche Filter abgeschwächt oder vermieden werden. Solche Filter erhöhen aber die Komplexität, das Gewicht und die Kosten des Antriebssystems. Ein anderer Ansatz umfasst die Bereitstellung einer Stromregelung mit großer Bandbreite. Dazu wird aber eine erhöhte Schaltfrequenz der beteiligten Wechselrichter benötigt, die wiederum zu erhöhten Verlusten führt.
-
ZUSAMMENFASSUNG
-
Die zugrundeliegende technische Aufgabe kann darin gesehen werden, ein Antriebssystem und ein elektrisch antreibbares Fahrzeug bereitzustellen, mittels dem einerseits eine erhöhte Leistungsausgabe bereitstellt wird, bei dem gleichzeitig die Verluste aber verringert werden.
-
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Varianten sind Gegenstand der Unteransprüche.
-
Es wird unter anderem ein Antriebssystem bereitgestellt. Das Antriebssystem umfasst eine elektrische Maschine. Die elektrische Maschine ist nach Art einer Synchronmaschine eingerichtet.
-
Die elektrische Maschine umfasst einen um eine Rotationsachse drehbar ausgebildeten Rotor mit zumindest einer fremderregten Rotorwicklung.
-
Die elektrische Maschine umfasst auch zumindest einen Stator mit zumindest zwei Statorwicklungssätzen. Jeder Statorwicklungssatz weist zumindest drei Statorwicklungen auf.
-
Das Antriebssystem umfasst zudem eine Steuereinheit. Die Steuereinheit ist derart eingerichtet und ausgebildet ist, dass die zumindest eine Rotorwicklung im Betrieb mit einem ersten Stromsignal beaufschlagt wird und die Statorwicklungen im Betrieb zumindest teilweise mit unterschiedlichen Stromphasen eines mehrphasigen zweiten Stromsignals beaufschlagt werden und sich hierdurch ein magnetisches Drehfeld zur Erzeugung eines auf den Rotor einwirkenden Drehmoments einstellt.
-
Das Antriebssystem umfasst auch zumindest einen Wechselrichter. Das mehrphasige Stromsignal zur Beaufschlagung der Statorwicklungen wird basierend auf dem zumindest einen Wechselrichter bereitgestellt.
-
Ferner umfasst das Antriebssystem zumindest einen Gleichrichter. Durch den Gleichrichter wird ein Gleichstromsignal bereitgestellt.
-
Das zur Beaufschlagung der zumindest einen Rotorwicklung verwendete erste Stromsignal basiert zumindest auf dem durch den Gleichrichter bereitgestellten Gleichstromsignal und einem Oberwellen-Wechselstromanteil. Basierend auf der Beaufschlagung der zumindest einen Rotorwicklung mit dem zumindest einen Oberwellen-Wechselstromanteil werden Oberwellen zumindest einer Stromphase des mehrphasigen Stromsignals, die durch eine im Betrieb zwischen der zumindest einen Rotorwicklung und den Statorwicklungen auftretenden magnetischen Kopplung verursacht sind, verringert.
-
Das Antriebssystem kann auch einen zusätzlichen Wechselrichter umfassen, basierend auf dem der Oberwellen-Wechselstromanteil zur Beaufschlagung der zumindest einen Rotorwicklung bereitgestellt wird. Alternativ kann der zumindest eine Oberwellen-Wechselstromanteil auch durch den Wechselrichter bereitgestellt werden, der auch das mehrphasige Stromsignal zur Beaufschlagung der Statorwicklungen bereitstellt.
-
Im Betrieb rotiert der Rotor mit einer bestimmten Rotationsfrequenz um die Rotationsachse relativ zum Stator. Oberwellen des Rotors, die Frequenzen aufweisen, die ein ganzzahliges Vielfaches der Rotationsfrequenz und/oder des Drehfeldes sind, können durch die magnetische Kopplung und die dadurch verbundene niedrige Impedanz Oberwellen (Oberschwingungsströme) in den Zuleitungen (Stromphasen) der Statorwicklungen verursachen. Diese Oberwellen (Oberschwingungsströme) können Belastungsspitzen verursachen. Das führt einerseits dazu, dass die beteiligten Bauteile (z.B. Wechselrichter, Statorwicklungen, Zuleitungen) zusätzlichen Beanspruchungen (z.B. erhöhten maximalen Stromamplituden) standhalten müssen und andererseits dazu, dass das von der elektrischen Maschine bereitgestellte maximale Drehmoment verringert ist. Denn zur Vermeidung von Schäden und/oder einer vorzeitigen Abnutzung an den relevanten Komponenten kann dann die Maschine nicht dauerhaft bei der eigentlich maximalen Sollleistung betrieben werden.
-
Vorliegend stellt die Fremderregung der Rotorwicklung mittels des Gleichrichters einen zusätzlichen Freiheitsgrad zur Kompensation der durch die magnetische Kopplung in den Stromphasen der Statorwicklungen verursachten Oberwellen bereit. Bei Permanentmagnet-Synchronmaschinen fehlt dieser Freiheitsgrad. Das für die Rotorwicklung bereitgestellte Stromsignal kann also derart angepasst werden, dass die Oberwellen in den Stromphasen der Statorwicklungen kompensiert und/oder verringert werden. Das wie zuvor beschrieben ausgebildete Antriebssystem ermöglicht es, bei dem für die Rotorwicklung vorgesehenen Stromsignal zumindest einen zusätzlichen Oberwellen-Wechselstromanteil (neben dem Gleichstromanteil) vorzusehen, der sich mit den durch die magnetische Kopplung verursachten Oberwellen der Stromphasen der Statorwicklungen in „destruktiver“ Art überlagert und/oder ausgleicht, so dass deren nachteilige Auswirkungen zumindest verringert werden.
-
Der zumindest eine Wechselrichter und der zumindest eine Gleichrichter sowie auch der optionale zusätzliche Wechselrichter (Bereitstellung des zumindest einen Oberwellen-Wechselstromanteils) können mit zumindest einem Regelkreis mittels Echtzeitkommunikationsmitteln gekoppelt sein. Der zumindest eine Regelkreis kann eingerichtet sein, eine Phase und/oder eine Amplitude des zumindest einen Oberwellen-Wechselstromanteils unter Berücksichtigung der Betriebszustände des Gleichrichters und/oder des Wechselrichters und/oder der Regelung durch die Steuereinheit derart zu bestimmen, dass die durch die magnetische Kopplung verursachten Oberwellen zumindest einer Stromphase des mehrphasigen Stromsignals einer Amplitude nach verringert werden. Der zumindest eine Oberwellen-Wechselstromanteil kann auch derart bestimmt werden, dass die die durch die magnetische Kopplung verursachten Oberwellen im Wesentlichen kompensiert werden können.
-
In anderen Worten kann der Regelkreis mit geeigneten Sensoren gekoppelt sein, die eine Information über momentan vorherrschende durch die magnetische Kopplung verursachte Oberwellen zumindest einer Stromphase des mehrphasigen Stromsignals bereitstellen. Ferner kann der Regelkreis mit dem Wechselrichter und dem Gleichrichter gekoppelt sein, um in Echtzeit zumindest einen Oberwellen-Wechselstromanteil in den vom Gleichrichter für die zumindest eine Rotorwicklung bereitgestellten Gleichstrom zusätzlich einzukoppeln. Der zumindest eine eingekoppelte Oberwellen-Wechselstromanteil kann dabei nach Phase und/oder Amplitude bezüglich der durch die magnetische Kopplung verursachten Oberwelle zumindest einer Stromphase derart ausgebildet sein, dass sich nach Wechselwirkung basierend auf der magnetischen Kopplung innerhalb der Synchronmaschine die Oberwelle der zumindest einen Stromphase der Amplitude nach in „destruktiver“ Art verringert und/oder im Wesentlichen kompensiert wird. Dabei kann der Regelkreis auch die Funktionalität weiterer Regelungen oder Regelkreise berücksichtigen, insbesondere der Regelung durch die Steuereinheit, die dazu dienen können, die Stromphasen in Abhängigkeit der in der elektrischen Maschine vorherrschenden Istströme im Vergleich zu durch das gewünschte Drehmoment bestimmten Sollströmen und/oder in Abhängigkeit einer Winkellage des Rotors bezüglich des Stators und/oder einer Rotationsgeschwindigkeit des Rotors zu bestimmen. Der die Amplitude und/oder Phase des Oberwellen-Wechselstromanteils bestimmende Regelkreis kann also insbesondere mit dem gewöhnlichen Erreger-Regelkreis und/oder Wechselrichter-Stromregler gekoppelt sein und deren jeweilige Regelung berücksichtigen.
-
Unter Echtzeitkommunikationsmitteln kann vorliegend eine Kommunikationsstruktur, ein Bussystem oder ähnliches verstanden werden, welche/welches eine Regelung derart ermöglicht, dass eine Abtastrate der Regelung kürzer ist als die durch die Rotationsfrequenz bestimmte Periodendauer des Rotors. Insbesondere kann die Abtastrate um wenigstens einen Faktor 10, weiter insbesondere einen Faktor 100, weiter insbesondere einen Faktor 1000 kleiner sein als die Periodendauer des Rotors. Die Echtzeitkommunikation kann auch eine derart schnelle Regelung ermöglichen, dass die restlichen generell variablen Größen der Synchronmaschine für ein durch die Abtastrate der Echtzeitkommunikation bestimmtes Zeitintervall als konstant angenommen werden können. Dadurch kann vorteilhafterweise die Einkopplung der Oberwellen-Wechselstromanteile derart erfolgen, dass sie die durch die magnetische Kopplung verursachten Oberwellen reduzieren oder kompensieren können, ohne dass sich letztere in der Zwischenzeit maßgeblich geändert hätten.
-
Der Wechselrichter, der Gleichrichter und der Regelkreis können auch derart eingerichtet sein, dass mehrere Oberwellen-Wechselstromanteile vorgesehen sind. Die zumindest eine Rotorwicklung kann mit den mehreren Oberwellen-Wechselstromanteile mit jeweiligen Amplituden und/oder Phasen derart beaufschlagt werden, dass die durch die magnetische Kopplung verursachten Oberwellen für jede Stromphase des mehrphasigen Stromsignals (also für jede Statorwicklung) einer Amplitude nach verringert und/oder im Wesentlichen kompensiert werden. Da die einzelnen Statorwicklungen mit den unterschiedlichen Stromphasen beaufschlagt werden, können also die aus der magnetischen Kopplung resultierenden nachteiligen Auswirkungen für jede der Statorwicklungen reduziert und/oder kompensiert werden. Zu diesem Zweck können insbesondere mehrere Wechselrichter und/oder Regelkreise einer korrespondierenden Art vorgesehen sein. Alternativ können der Wechselrichter und/oder der Regelkreis auch mehrphasig ausgebildet sein, also derart, dass die beschriebenen Vorteile durch einzelne Komponenten für alle Stromphasen in entsprechender Weise bereitgestellt werden können. Somit kann trotz erhöhter Wicklungszahl, die generell eine erhöhte Leistungsausgabe der elektrischen Maschine ermöglicht, die Verlustleistung reduziert werden. Zudem wird dadurch auch die Beanspruchung der beteiligten Komponenten reduziert.
-
Der zumindest eine Oberwellen-Wechselstromanteil kann eine erste Frequenz aufweisen. Eine zweite Frequenz einer Grundwelle kann auf einer Rotationsfrequenz des Rotors und/oder des Drehfelds basieren. Die erste Frequenz kann ein ganzzahliges Vielfaches der zweiten Frequenz sein. Da die Synchronmaschine vorliegend einen Stator mit zumindest 2 drei-phasigen Statorwicklungssätzen umfasst, können die durch die magnetische Kopplung verursachten parasitären Oberwellen in den Stromphasen der Statorwicklungen insbesondere Oberwellen der Grundfrequenz sein. Um diese zu kompensieren, müssen die zur Kompensation vorgesehenen Oberwellen-Wechselstromanteile ebenso Frequenzen aufweisen, die einem Vielfachen der Grundfrequenz entsprechen.
-
Insbesondere kann die Frequenz des zumindest einen Oberwellen-Wechselstromanteils einer Frequenz der 4. oder 6. Oberwelle entsprechen. Dadurch können Oberwellen auf der Statorseite der 5. oder 7. Ordnung kompensierbar sein. Somit kann der Modulationsindex, der erreichbar ist, vorteilhaft erhöht werden, so dass auch die Maschinenausgangsleistung (maximal bereitstellbares Drehmoment) erhöht werden kann.
-
Basierend auf der Steuereinheit können die Statorwicklungssätze im Betrieb mit einem Drehstrom beaufschlagt werden, also jeweils mit einzelnen Stromphasen eines Drehstroms. Dabei können die Statorwicklungen eines jeweiligen Statorwicklungssatzes mit unterschiedlichen Stromphasen des Drehstroms beaufschlagt werden. Eine Anzahl der Stromphasen kann zumindest sechs sein.
-
Der Drehstrom muss vorliegend als vektorielle Größe mit mehreren Komponenten verstanden werden. 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 Rotationsfrequenz mitrotiert. Für eine zeitlich konstante Drehzahl kann das Drehfeld dann in Form zweier zeitlich konstanter Größen d und q beschrieben werden.
-
Der Rotor kann kreisförmig sein. Der Stator kann kreisförmig sein. Der Stator kann um die Rotationsachse angeordnet sein. Der Stator kann derart angeordnet sein, dass zwischen dem Rotor und dem Stator ein Luftspalt ausgebildet ist.
-
Der Stator kann Statorzähne aufweisen. Die Statorzähne können generell auf den Rotor zugerichtet sein. An den Statorzähnen können die Statorwicklungen der Statorwicklungssätze angeordnet sein. Die Statorwicklungen können eine entsprechende Wicklungszahl aufweisen, um ein bestimmtes Drehmoment erzielen zu können. Die Statorwicklungen eines Statorwicklungssatzes können bezüglich des Umfangs des Stators einen Winkelversatz von 120° zueinander aufweisen. Der erste Statorwicklungssatz kann bezüglich des Umfangs des Stators relativ zum zweiten Statorwicklungssatz einen vorgegebenen Winkelversatz aufweisen, insbesondere von 30°. Hierdurch können die einzelnen Statorwicklungssätze jeweils für sich genommen eine diskrete, symmetrische Wicklungsverteilung ausbilden. Dagegen können die Statorwicklungen in ihrer Gesamtheit bezüglich des Umfangs des Stators ungleich verteilt sein. Die so beschriebene Phasenverschiebung kann es ermöglichen, ungerade Oberschwingungen (5. oder 7. Ordnung) innerhalb des Stators zu vermeiden. Jedoch können diese im Stator durch die magnetische Kopplung mit der fremderregten Rotorwicklung generell trotzdem induziert werden.
-
Der Winkelversatz von 30° kann zu einer Paarbildung von Statorwicklungen bezüglich des Umfangs führen, wobei jedes Paar jeweils eine Statorwicklung eines Statorwicklungssatzes umfassen kann. Zwischen allen Statorwicklungen der elektrischen Maschine und der Rotorwicklung kann im Betrieb eine magnetische Kopplung auftreten, die die Stromphase der jeweiligen Statorwicklungen beeinflusst, so dass Oberwellen erzeugt werden können. Für entsprechend ungerade Rotoroberschwingungen (5. oder 7. Ordnung) kann die Statorimpedanz (besonders große magnetische Kopplung, Streuinduktivität) allerdings sehr niedrig sein, so dass derartige Oberschwingungen durch den fremderregten Rotor in den Statorwicklungen und deren Stromphasen hervorgerufen werden können. Die so dennoch induzierten Oberwellen können dann basierend auf dem zumindest einen Oberwellen-Wechselstromanteil, mit dem die Rotorwicklung beaufschlagt wird, verringert und/oder kompensiert.
-
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.
-
Die Statorwicklungssätze können jeweils nach einer Sternschaltung mit einem potentialfreien Sternpunkt verschaltet sein. Die Sternpunkte der unterschiedlichen Statorwicklungssätze können voneinander galvanisch getrennt sein. Unter der Sternschaltung wird vorliegend verstanden, dass die drei Phasen eines jeweiligen Statorwicklungssatzes an einem Ende miteinander elektrisch verbunden sein können. Mit dem jeweiligen anderen Ende können die drei Phasen der Statorwicklungssätze an jeweils eine Stromphase der Steuereinheit und/oder des/der Wechselrichter angeschlossen sein. Somit kann jede Phase eines Statorwicklungssatzes an eine Phase des Drehstromnetzes angeschlossen sein.
-
Der Sternpunkt kann insbesondere nicht mit einem Massepotential verbunden ist. Diese Ausgestaltung ist durch die sich gegenseitig aufhebenden Ströme innerhalb des Sternpunktes ermöglicht. Hierdurch ist der Fertigungs- und Verschaltungsaufwand der elektrischen Maschine deutlich reduziert. Dadurch können sich innerhalb der verschalteten Statorwicklungssätze die Summe aller auftretenden Ströme zu Null ergeben und keine Oberwellen auftreten, deren Ordnung einem Vielfachen der Zahl 3 entsprechen.
-
Die Steuereinheit kann in Verbindung mit dem zumindest einen Wechselrichter und/oder in Verbindung mit einem Wechselrichter-Regelkreis zu einer Einstellung der vorgegebenen Frequenz und/oder einer Amplitude des eingeprägten mehrphasigen Stroms ausgebildet sein. Der Wechselrichter kann dazu optional insbesondere entsprechende Stromregler für die einzelnen Stromphasen des mehrphasigen Stromsignals aufweisen. Dabei kann insbesondere ein Drehstrom eingeprägt werden. Unter eingeprägt wird vorliegend allgemein die Bestromung der Statorwicklungen mit einem mehrphasigen Strom, insbesondere einem Drehstrom verstanden. Die Steuereinheit kann eine Datenerfassungseinheit umfassen. Die Steuereinheit und/oder der Wechselrichter mit dem/n optionalen Stromregler/n kann auch Schaltelemente umfassen, mittels denen die Beaufschlagung der Statorwicklungen bestimmbar ist. Die Schaltelemente können Teil eines oder mehrerer Wechselrichter und/oder der Stromregler sein, die als zu der Steuereinheit zugehörend angesehen werden können. Insbesondere kann die Steuereinheit eingerichtet sein, um Ein- und Ausschaltzeitpunkte der Beaufschlagung der Statorwicklungen mit dem Strom (Drehstrom) festzulegen. Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, um die Steuerung der Beaufschlagung der Statorwicklungen mit dem Strom 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.
-
Der Regelkreis zur Bestimmung des zumindest einen Oberwellen-Wechselstromanteils kann dann insbesondere auch so eingerichtet sein, dass die Rotorlage bei der Bestimmung des Oberwellen-Wechselstromanteils berücksichtigt wird. In anderen Worten kann der Oberwellen-Wechselstromanteil derart in das Stromsignal, mit dem die zumindest eine Rotorwicklung beaufschlagt wird, eingekoppelt werden, dass die gewünschte Kompensation der Oberwellen in den Stromphasen auch erzielt wird. Alternativ kann die Phase des zumindest einen Oberwellen-Wechselstromanteils entsprechend angepasst werden.
-
Die elektrische Maschine kann insbesondere auch Sensoren umfassen mittels denen die in der elektrischen Maschine zwischen einer ersten und einer zweiten Statorwicklung und/oder der Rotorwicklung auftretende Kopplung bestimmbar ist. Alternativ oder ergänzend können auch Sensoren derart vorgesehen sein, dass die durch die magnetische Kopplung verursachten Oberwellen detektierbar sind. Die Steuereinheit und insbesondere der Regelkreis können dann eingerichtet sein, die detektierten Oberwellen bei der Bestimmung des zumindest einen entsprechenden Oberwellen-Wechselstromanteils zu berücksichtigen.
-
Da die elektrische Maschine insbesondere zwei Statorwicklungssätze mit jeweils drei Statorwicklungen aufweisen kann, kann es sich bei dem Wechselrichter vorzugsweise um zwei dreiphasige Wechselrichter handeln, welche eingangsseitig an einem Gleichstromzwischenkreis innerhalb des Kraftfahrzeuges und/oder an eine Batterie des Kraftfahrzeuges anschließbar sind. Der Gleichstromzwischenkreis und/oder die Batterie können zu einer Energiebereitstellung für die elektrische Maschine heranziehbar sein. Ausgangsseitig können die Wechselrichter jeweils mit optionalen Stromreglern gekoppelt sein, mittels denen die Amplituden des Drehstroms einstellbar sein können. Insofern können die Wechselrichter eingerichtet sein, um entsprechende Steuerspannungen für die Regelung der Amplituden, die durch die Stromregler vorgenommen werden kann, bereitzustellen.
-
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.
-
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. So kann es auf der Grundlage einer Approximation des magnetischen Drehfeldes ermöglicht sein, mit Hilfe der Steuereinheit durch eine vorteilhafte Bestromung der Statorwicklungssätze optimierte Verläufe des magnetischen Drehfeldes und somit eine Optimierung des erzeugten Drehmoments zu erreichen. Gleichzeitig können die parasitären Oberwellen, die aus der magnetischen Kopplung zwischen den Statorwicklungen und der zumindest einen Rotorwicklung der elektrischen Maschine resultieren, durch die entsprechende Einspeisung von entsprechend nach Phase und Amplitude angepassten Oberwellen-Wechselstromsignalanteilen in das zur Beaufschlagung der Rotorwicklung genutzte Stromsignal einer Amplitude nach reduziert und/oder sogar im Wesentlichen kompensiert werden.
-
Die elektrische Maschine kann aber auch nach Art einer Synchronmaschine betreibbar sein. Insofern können die Frequenz des Rotors und die Geschwindigkeit des magnetischen Drehfeldes gleich sein.
-
Der Wechselrichter zur Bereitstellung des mehrphasigen Stromsignals kann nach Art eines Vollbrücken-Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlers eingerichtet sein. Der Wandler kann dann diagonal aktive Schaltelemente umfassen.
-
Der Wechselrichter mit dem/den optionalen Stromregler/n können weiterhin derart ausgebildet sein, dass eine Frequenz und/oder eine Amplitude der einzelnen Ströme der Statorwicklungssätze 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 Wechselrichter 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.
-
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 den Wechselrichter 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 erfolgen, bei dem ein aktueller Phasenstrom erfasst wird und durch den jeweiligen Wechselrichter an den erforderlichen Wert angeglichen werden kann. Es erfolgt also eine Regelung auf den gewünschten Wert. Durch die angepasste Bestromung der Statorwicklungssätze kann sich dann der gewünschte Drehfeldverlauf einstellen, wobei die parasitären aus der magnetischen Kopplung resultierenden Oberwellen kompensiert oder zumindest abgeschwächt sind.
-
Alternativ oder ergänzend können Zwischenkreise des/r Wechselrichter miteinander verbunden sein, um eine genauere Synchronisation der Bestromung der Statorwicklungssätze zu erreichen.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt wird auch ein elektrisch antreibbares Fahrzeug bereitgestellt, das ein Antriebssystem wie zuvor beschrieben umfasst. 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.
-
Figurenliste
-
- - 1 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung eines Ersatzschaltbildes des Antriebssystems,
- - 2 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung eines Ersatzschaltbildes der elektrischen Maschine mit den Statorwicklungen, und
- - 3 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung zweier Wechselrichter.
-
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
-
1 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung eines Ersatzschaltbildes des Antriebssystems 50. Hier wird zunächst der generelle Aufbau des Antriebssystems 50 verdeutlicht. Das Antriebssystem 50 umfasst eine Spannungsquelle 152, eine Steuereinheit 90, einen Regelkreis 95, eine elektrische Maschine 100 mit einem Rotor 102 und einem Stator 104, einen Gleichrichter 150, einen ersten Wechselrichter 160 und einen zweiten Wechselrichter 165. Der erste und der zweite Wechselrichter 160, 165 können auch in einem einzigen Wechselrichter zusammengefasst sein. Der Rotor 102 umfasst eine fremderregte Rotorwicklung. Der Stator 104 umfasst zwei dreiphasige Statorwicklungssätze mit jeweils drei Statorwicklungen 110. Zumindest der Wechselrichter 165 ist mehrphasig.
-
Die Spannungsquelle 152 kann zum Beispiel ein Akkumulator eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs sein, also eine Gleichspannungsquelle. Die Spannungsquelle 152 ist als nicht zum Antriebssystem 50 zugehörend zu betrachten (optional) und deshalb mit gestrichelten Linien dargestellt.
-
Der Gleichrichter 150 ist mit der Spannungsquelle 152 gekoppelt oder zumindest wird dem Gleichrichter 150 eine entsprechende Gleichspannung eingangsseitig bereitgestellt. Ausgangsseitig ist der Gleichrichter 150 sowohl mit dem Rotor 102 der elektrischen Maschine 100, dem ersten Wechselrichter 160 und auch mit dem zweiten Wechselrichter 165 gekoppelt. Der erste Wechselrichter 160 ist ausgangsseitig ebenfalls mit dem Rotor 102 der elektrischen Maschine 100 gekoppelt. Der von dem Gleichrichter 150 für die Rotorwicklung des Rotors 102 ausgegebene Gleichstrom wird mit dem vom ersten Wechselrichter 160 bereitgestellten Oberwellen-Wechselstromanteil durch ein Kopplungselement 161 zu einem für die Rotorwicklung des Rotors 102 bereitgestellten Gesamtstrom zusammengefügt. Insofern wird der vom Gleichrichter 150 für die Rotorwicklung bereitgestellte Gleichstrom durch einen entsprechenden Wechselstrom (Oberwellen-Wechselstromanteil), der vom ersten Wechselrichter 160 bereitgestellt wird, modifiziert.
-
Der zweite Wechselrichter 165 stellt das mehrphasige Stromsignal für die Statorwicklungen 110 des Stators 104 bereit.
-
Die Steuereinheit 90 ist zumindest mit dem Gleichrichter 150, dem zweiten Wechselrichter 165 und der elektrischen Maschine 100 gekoppelt. Die Steuereinheit 90 ist eingerichtet, um das durch den zweiten Wechselrichter 165 bereitgestellte mehrphasige Stromsignal für die Statorwicklungen 110 derart auszulegen, dass die Statorwicklungen 110 mit Stromphasen entsprechender Amplituden und Phasen so beaufschlagt werden, dass ein gewünschtes Drehmoment durch die elektrische Maschine 100 erzielt wird. Diese Regelung der Steuereinheit kann auf einem Iststrom-/Sollstrom-Vergleich basieren. Die Steuereinheit 90 kann eingerichtet sein, bei dieser nur die Statorwicklungen 110 betreffenden Regelung die magnetische Kopplung unter zwischen den Statorwicklungen 110 zu berücksichtigen. Die Sollströme der einzelnen Stromphasen können dabei in Abhängigkeit der gewünschten Ausgangsleistung in einem Speicher hinterlegt sein. Der zweite Wechselrichter 165 kann optional entsprechende Stromregler aufweisen, um insbesondere die Phasen und/oder Amplituden der bereitgestellten Stromphasen anzupassen.
-
Die magnetische Kopplung zwischen Rotor 102 und Stator 104 (genauer zwischen deren Wicklungen) der elektrischen Maschine kann dazu führen, dass durch den Rotor 102 Oberwellen in den Stromphasen der Statorwicklungen 110 erzeugt werden.
-
Der Regelkreis 95 ist deshalb mit der Steuereinheit 90, dem Gleichrichter 150, dem ersten Wechselrichter 160, dem zweiten Wechselrichter 165 und der elektrischen Maschine 100 mittels Echtzeitkommunikationsmitteln gekoppelt. Der Regelkreis 95 kann basierend auf entsprechenden Sensoren Informationen über Ordnung, Phase und Amplitude von in den Stromphasen der Statorwicklungen 110 induzierten Oberwellen erhalten. Der Regelkreis 95 berücksichtigt dann die zeitabhängigen Regelungszustände des Gleichrichters 150, des ersten Wechselrichters 160, des zweiten Wechselrichters 165 und optional auch der Steuereinheit 90, um Oberwellen-Wechselstromanteile derart zu bestimmen, dass die in den Stromphasen der Statorwicklungen 110 induzierten Oberwellen verringert und/oder kompensiert werden können. In anderen Worten, der für die Rotorwicklung des Rotors 102 bereitgestellte Strom wird mit einem Wechselstromanteil derart modifiziert, dass dieser basierend auf der magnetischen Kopplung mit den Statorwicklungen 110 innerhalb der elektrischen Maschine 100 gerade dazu führt, dass effektiv keine Oberwellen in den Stromphasen der Statorwicklungen 110 verursacht werden (oder nur Oberwellen mit verringerter Amplitude). Um den von dem ersten Stromrichter 160 bereitgestellten Oberwellen-Wechselstromanteil nach Phase und Amplitude entsprechend anpassen zu können, kann der erste Wechselrichter optional einen Stromregler aufweisen.
-
Der Regelkreis 95 kann bei der Bestimmung des Oberwellen-Wechselstromanteils auch die Regelung des mehrphasigen Stromsignals durch die Steuereinheit 90 berücksichtigen. Der Regelkreis 95 kann auch als zu der Steuereinheit zugehörend angesehen werden.
-
Die Stromregler der Wechselrichter 160, 165 können entsprechende Leistungsschalter, insbesondere Halbleitertransistoren umfassen, um Ströme entsprechender Amplituden bereitzustellen.
-
2 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung eines Ersatzschaltbildes der elektrischen Maschine 100 mit sechs Statorwicklungen 110.
-
Der Stator 104 umfasst in der vorliegenden Ausführungsform zwei Statorwicklungssätze, die je drei Statorwicklungen 110 umfassen. Für jeden Statorwicklungssatz sind die jeweils drei Statorwicklungen 110 entsprechend einem Winkelversatz von 120° entlang des Umfangs des Stators 104 angeordnet. Die beiden Statorwicklungssätze weisen wiederum einen Winkelversatz 112 auf, der vorliegend 30° beträgt. Die Statorwicklungen jedes Statorwicklungssatzes sind generell entsprechend einer Sternschaltung 130 angeordnet. Das bedeutet, dass die drei Statorwicklungen 110 des ersten Statorwicklungssatzes in einem ersten Sternpunkt M1 zusammengeschlossen sind. Die jeweils anderen Enden der Statorwicklungen 110 des ersten Statorwicklungssatzes werden mit einem nachfolgend erläuterten Wechselrichter 165a und entsprechendem Stromregler gekoppelt und mit den Stromphasen U1', W1', V1' beaufschlagt. Analog sind die drei Statorwicklungen 110 des zweiten Statorwicklungssatzes in einem zweiten Sternpunkt M2 zusammengeschlossen und die jeweils anderen Enden mit einem weiteren Wechselrichter 165b und entsprechendem Stromregler gekoppelt, so dass sie mit den Stromphasen U2', W2', V2' beaufschlagt werden. Die beiden Wechselrichter 165a, 165b stellen zusammen das mehrphasige Stromsignal für die Statorwicklungen entsprechend dem zuvor beschriebenen zweiten Wechselrichter 165 bereit.
-
Durch die Anordnung der Statorwicklungen 110 in korrespondierenden aber versetzten Statorwicklungssätzen ergeben sich drei Statorwicklungspaare 120 mit je einer Statorwicklung eines Statorwicklungssatzes. Beispielhaft wird das Statorwicklungspaar 120a durch eine erste Statorwicklung 110a des ersten Statorwicklungssatzes und eine erste Statorwicklung 110b des zweiten Statorwicklungssatzes gebildet. Durch die spezifische Anordnung der ersten und zweiten Statorwicklung 110a, 110b des ersten Statorwicklungspaares 120a kommt es zwischen diesen Statorwicklungen zu einer besonders starken magnetischen Kopplung innerhalb der elektrischen Maschine 100. Die magnetische Kopplung bewirkt eine Streuinduktivität. Dadurch führen vergleichsweise geringe Spannungsdifferenzen zwischen den beiden Statorwicklungen 110, 110b des Statorwicklungspaares 120a zu vergleichsweise hohen Stromschwankungen in der jeweils anderen Statorwicklung des Statorwicklungspaares 120a. Dabei kann vor allem die Änderung des Stroms stark beeinflusst werden. Diese magnetische Kopplung unter den Statorwicklungen 110 wird durch die Steuereinheit 90 bei der Bestimmung und Bereitstellung der Stromphasen anhand des zweiten Wechselrichters 165 berücksichtigt.
-
Der Drehstrom eines Statorwicklungssatzes ist vorliegend als Vektorstrom zu verstehen, der ausgehend vom zweiten Wechselrichter 165 mit ausgangsseitig gekoppelten Stromreglern die Stromkomponenten U1', V1', W1' und U2', V2', W2' umfasst. Durch die Stromregler werden diese Stromkomponenten modifiziert, um eine Phasen- und/oder Amplitudenanpassung vornehmen zu können. Die einzelnen Stromkomponenten können insofern als verschiedene Phasen des jeweiligen Drehstroms angesehen werden.
-
Der Rotor 102 rotiert im Betrieb mit einer bestimmten Rotationsfrequenz um die Rotationsachse. Zusätzlich zu der zuvor beschrieben magnetischen Kopplung unter den Statorwicklungen 110 tritt auch eine magnetische Kopplung der Statorwicklungen 110 mit der zumindest einen Rotorwicklung auf. Dadurch können durch die Rotorwicklung Oberwellen in den Stromphasen der Statorwicklungen 110 induziert werden. Die Frequenz dieser Oberwellen ist ein ganzzahliges Vielfaches der Rotationsfrequenz des Rotors/Drehfelds. Aufgrund der Geometrie des Stators 104, also der spezifischen Ausführung von zwei drei-phasigen Statorwicklungssätzen mit einem 30° Winkelversatz, können insbesondere Oberwellen der 5. und/oder 7. Ordnung induziert werden. Diese Oberwellen können zu Stromspitzen führen, so dass eine erhöhte Verlustleistung bewirkt wird und das maximal erzielbare Drehmoment nachteilig beeinflusst wird. Zudem wird dadurch eine erhöhte Beanspruchung der beteiligten Komponenten verursacht, so dass deren Lebensdauer herabgesetzt wird. Deshalb werden diese Oberwellen wie zuvor mit Bezug auf 1 beschrieben durch den entsprechenden Oberwellen-Wechselstromanteil, mit dem die Rotorwicklung beaufschlagt wird verringert und/oder kompensiert.
-
3 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung zweier Wechselrichter 165a, 165b des Antriebssystems 50. Die beiden Wechselrichter 165a, 165b sind in ihrem generellen Aufbau und der Funktionsweise einander gleich und dienen der Bereitstellung der Stromphasen des mehrphasigen Stromsignals. Alternativ kann das Antriebssystem 50 auch nur einen einzigen Wechselrichter 165 aufweisen, soweit dieser die benötigte Stromphasenanzahl ausgibt.
-
Der erste Wechselrichter 165a ist eingangsseitig mit einer Gleichspannungsquelle 152 gekoppelt, durch die eine DC-Gleichspannung für den Wechselrichter 165a bereitgestellt wird. Der Wechselrichter 165a umfasst dann in bekannter Form Kondensatoren 167 und Schaltelemente 168, insbesondere Halbleiterschaltelemente, sowie Zwischenabgriffe 169, um ausgangsseitig Wechselspannungen bereitzustellen. Vorliegend ist der erste Wechselrichter 165a eingerichtet, um die Wechselspannungen bereitzustellen, die generell den Stromphasen U1, V1, W1 entsprechen. Diese werden ausgangsseitig an jeweilige Stromregler ausgegeben, werden durch diese nach Phase und Amplitude angepasst und dienen anschließend der Beaufschlagung der Statorwicklungen 110 des ersten Statorwicklungssatzes. Der Stromregler stellt also basierend auf den von dem ersten Wechselrichter 165a bereitgestellten Wechselspannungen entsprechende Stromphasen U1', V1', W1' bereit. Der 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 ermöglichen, um die jeweilige Differenz auszugleichen. Insofern hat der Stromregler insbesondere Einfluss auf die Phasen und Amplituden der Stromphasen U1', V1', W1'.
-
In entsprechender Weise ist der zweite Wechselrichter 165b eingerichtet, Wechselspannungen bereitzustellen, die durch einen entsprechenden Stromregler zur Bereitstellung der Stromphasen 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.
