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Die Erfindung betrifft eine elektrische Vorrichtung zur Kompensation von Gleichtaktstörungen in einer elektrischen Maschine, ein System und eine elektrische Maschine.
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In elektronischen Vorrichtungen, die schaltende Komponenten wie beispielsweise Transistoren umfassen, treten durch die Schaltvorgänge Potentialdifferenzen zwischen elektrischen Leitern auf, welche dann zu Gleichtaktstörströmen über Kapazitäten führen. 1 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung der Entstehung von Gleichtaktstörungen. Die Elektroden eines Transistors, insbesondere die Drain-Elektrode 12, oder deren Zuleitungen sind gegenüber dem Massepotential 14 eines Gehäuses 16 (Bezugspotential) in der Regel elektrisch isoliert. Da die Permittivität der elektrischen Isolierung 18 nicht unendlich groß ist, stellt diese Anordnung eine parasitäre Kapazität 20 dar. Durch Potentialvariationen der Drain-Elektrode 12 dieser parasitären Kapazität 20 gegenüber dem Massepotential 14 werden Gleichtaktstörungen (auch Common-Mode-Störungen) erzeugt, die die elektromagnetische Verträglichkeit nachteilig beeinflussen. Die Störungen treten im Gleichtakt mit den Schaltvorgängen der Drain-Elektrode 12 auf. Die Gleichtaktstörungen können sowohl für positive wie auch für negative Spannungspotentiale gegenüber dem Massepotential 14 auftreten. Die Gleichtaktstörungen wirken sich daher auch nachteilig auf die Funktionsweise von Komponenten der elektronischen Vorrichtung aus. Aufgrund der Gleichtaktstörungen müssen aufwendige und daher kostenintensive Filterelemente vorgesehen werden, um gesetzliche Grenzwerte einhalten zu können.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, derartige Gleichtaktstörungen zu kompensieren oder zumindest zu verringern.
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Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Es werden unter anderem eine elektrische Vorrichtung zur Kompensation von Gleichtaktstörungen in einer elektrischen Maschine, ein System sowie eine elektrische Maschine bereitgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben. Einzelne Aspekte werden mit Bezug auf einzelne Gegenstände erläutert. Dennoch sind die Aspekte wechselseitig entsprechend übertragbar.
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Gemäß einem ersten Aspekt wird eine elektrische Vorrichtung zur Kompensation von Gleichtaktstörungen in einer elektrischen Maschine bereitgestellt. Die Vorrichtung umfasst zumindest ein Kompensationsnetzwerk mit zumindest einer Kompensationswicklung und einem Kompensationskondensator. Die Kompensationswicklung und der Kompensationskondensator sind in einer Reihenschaltung angeordnet. Die zumindest eine Kompensationswicklung wirkt mit zumindest einer Statorwicklung der elektrischen Maschine derart zusammen, dass ein den Gleichtaktstörungen entgegenwirkender Kompensationsstrom erzeugt wird.
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Die elektrische Maschine kann mit einem Stromrichter gekoppelt sein. Aufgrund der Schaltvorgänge von Schaltelementen des Stromrichters können die Gleichtaktstörungen auftreten. Um Grenzwerte an die elektromagnetische Verträglichkeit einzuhalten, können mit dem Stromrichter gekoppelte Filterelemente vorgesehen sein.
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Durch das Kompensationsnetzwerk können die Gleichtaktstörungen vorteilhafterweise zumindest teilweise kompensiert werden. Dadurch wird die elektromagnetische Verträglichkeit in der elektrischen Maschine verbessert. Es treten weniger Störungen auf, weshalb die Grenzwerte auch mit weniger komplexen und kostenintensiven Filterelementen eingehalten werden können. Insgesamt weist die Maschine verringerte Herstellungskosten auf.
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Der erzeugte Kompensationsstrom kann eine Phasenverschiebung von 180° gegenüber den Gleichtaktstörungen aufweisen. Dadurch weist der Kompensationsstrom eine den Gleichtaktstörungen entgegengesetzte Amplitude auf. Deshalb können die auftretenden und nicht zu vermeidenden Gleichtaktstörungen in der Amplitude verringert oder sogar kompensiert werden.
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Das Kompensationsnetzwerk kann passiv sein. Das bedeutet, dass das Kompensationsnetzwerk ausschließlich passive elektrische Bauteile umfassen kann. Passive Bauelemente sind besonders günstig. Die Herstellungskosten der Vorrichtung sind gering.
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Alternativ oder ergänzend kann die zumindest eine Kompensationswicklung eine Windungszahl aufweisen, die der Windungszahl der zumindest einen Statorwicklung entspricht. Dies vereinfacht die Auslegung des Kompensationsnetzwerks, da dann nur noch geringere Anforderungen an den Kompensationskondensator gestellt werden, um das Kompensationsnetzwerk derart auslegen zu können, dass die Gleichtaktstörungen hinsichtlich der Amplitude kompensiert werden.
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Die Kompensationswicklung kann mit der zumindest einen Statorwicklung entsprechend einem Übertrager ausgebildet sein. Ein Übertrager wird vorliegend als Spezialfall eines Transformators angesehen. Beim Übertrager sind die Wicklungszahlen identisch. Beim Übertrager können die Wicklungen dann gegenläufig angeordnet sein. Zudem ermöglicht die Anordnung als Übertrager, dass eine Spiegelung des verursachenden Spannungsänderungen, also des Spannungsanstiegs bzw. -abfalls, im Kompensationsnetzwerk erzeugt wird. Der Übertrager ermöglicht, die Spiegelung anhand des Wicklungssinns derart zu wählen, dass dadurch der 180° Phasenversatz besonders einfach erzielt werden kann.
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Alternativ oder ergänzend kann die Kompensationswicklung als Zusatzwicklung auf der zumindest einen Statorwicklung ausgebildet sein. Dadurch kann das generelle Layout der elektrischen Maschine trotz der zusätzlichen Kompensationswicklung unverändert sein.
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Die elektrische Maschine kann ein Gehäuse aufweisen. In dem Gehäuse kann zumindest ein Rotor und ein Stator der elektrischen Maschine angeordnet sein. Das Kompensationsnetzwerk kann dann derart ausgelegt sein, dass der Kompensationskondensator innerhalb oder außerhalb des Gehäuses angeordnet sein kann. Vorteilhaft kann das Gehäuse elektrisch leitend sein und auf dem Massepotential liegen..
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Der Kompensationskondensator kann auch als Hochpass wirken. Somit ist er für hochfrequente Signale durchlässig. Niederfrequente Signale werden durch ihn aber blockiert.
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Alternativ oder ergänzend können der Kompensationskondensator und die Kompensationswicklung derart ausgelegt und eingerichtet sein, dass das Produkt aus Kapazität des Kompensationskondensators und Induktivität der Kompensationswicklung gleich dem Produkt aus Induktivität der zumindest einen Statorwicklung und einer parasitären Kapazität ist, basierend auf der die zumindest teilweise kompensierten Gleichtaktstörungen verursacht sind. Wird diese Bedingung erfüllt, so werden die Gleichtaktstörungen nach Phase und Amplitude vorteilhafterweise komplett kompensiert, soweit Randeffekte wie Kontaktwiderstände, oder ähnliches vernachlässigt werden.
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Gemäß einem zweiten Aspekt wird ein System aus elektrischen Vorrichtungen für eine n-phasige elektrische Maschine bereitgestellt. Die elektrische Maschine umfasst zumindest eine einer jeweiligen Stromphase zugeordnete Statorwicklung. Das System umfasst zumindest n elektrische Vorrichtungen der zuvor beschriebenen Art. Zumindest eine einer jeweiligen Stromphase zugeordnete Statorwicklung wirkt mit jeweils einer der n elektrischen Vorrichtungen zusammen. Die elektrische Maschine kann mit einem Stromrichter gekoppelt sein. Dann wird also für jede der n Stromphasen der elektrischen Maschine vorteilhaft jeweils eine elektrische Vorrichtung mit einem Kompensationsnetzwerk bereitgestellt. Deshalb können dann die Gleichtaktstörungen für sämtliche n Stromphasen der elektrischen Maschine kompensiert werden. Dadurch kann ein Stromrichter, der mit den Stromphasen der elektrischen Maschine gekoppelt ist, vorteilhafterweise gleichtaktstörungsfrei betrieben werden. Auf diese Weise können die Anforderungen an die ansonsten vorzusehenden Filterelemente, um die Vorgaben an die elektromagnetische Verträglichkeit einzuhalten, reduziert sein.
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Das System kann ferner einen Zwischenkreiskondensator für die elektrische Maschine aufweisen. Die Stromphasen der elektrischen Maschine können in einem Sternpunkt gekoppelt sein. Der Sternpunkt kann dann mit einem Mittelpunkt des Zwischenkreiskondensators elektrisch gekoppelt sein. Der Zwischenkreiskondensator kann dazu zumindest zwei Teilkondensatoren aufweisen. Dadurch wird die Möglichkeit bereitgestellt, die Gleichtaktstörungen aus der Gesamtgruppe der n Stromphasen zu kompensieren.
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Die elektrische Maschine kann 3m-phasig sein, wobei m eine natürliche Zahl größer 0 ist. Entsprechend kann die Stromphasenanzahl ein ganzzahliges Vielfaches von 3 sein. Das entspricht der typischen Auslegung von heutigen elektrischen Maschinen.
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Sämtliche im Hinblick auf den zweiten Aspekt erläuterten Merkmale sind einzeln oder in Kombination auf den ersten Aspekt übertragbar.
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Gemäß einem dritten Aspekt wird eine elektrische Maschine für ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug bereitgestellt. Die elektrische Maschine umfasst ein System der zuvor beschriebenen Art. Die elektrische Maschine ist mit einem Stromrichter gekoppelt.
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Die elektrische Maschine kann nach Art einer Synchronmaschine eingerichtet sein.
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Die elektrische Maschine umfasst einen um eine Rotationsachse drehbar ausgebildeten Rotor mit zumindest einer fremderregten Rotorwicklung.
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Die elektrische Maschine umfasst auch zumindest einen Stator mit zumindest einem Statorwicklungssatz. Der Statorwicklungssatz weist zumindest n Statorwicklungen auf.
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Sämtliche im Hinblick auf den dritten Aspekt erläuterten Merkmale sind einzeln oder in Kombination auf den ersten und/oder zweiten Aspekt übertragbar. Das System kann also auch zumindest n Kompensationsnetzwerke, eine elektrische Maschine und einen Stromrichter umfassen.
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Insbesondere wird auch ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug bereitgestellt, das eine elektrische Maschine wie zuvor beschrieben umfasst.
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Im Sinne der vorliegenden Erfindung können zumindest teilweise elektrisch angetriebene 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.
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Sämtliche im Hinblick auf den vierten Aspekt erläuterten Merkmale sind einzeln oder in Kombination auf den ersten und/oder zweiten und/oder dritten Aspekt übertragbar.
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Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen derselben werden im Folgenden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Beispiele näher beschrieben und erläutert. Die der Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmenden Merkmale können einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination erfindungsgemäß angewandt werden. Es zeigen:
- - 1 eine vereinfachte schematische Darstellung der Entstehung von Gleichtaktstörungen,
- - 2 eine vereinfachte schematische Darstellung einer elektrischen Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform, und
- - 3 eine vereinfachte schematische Darstellung einer Kompensationswicklung.
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Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand von beispielhaften Ausführungsformen beschrieben, die lediglich als Beispiele dienen und den Umfang des vorliegenden Schutzrechts nicht einschränken sollen.
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2 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung einer elektrischen Vorrichtung 30 gemäß einer Ausführungsform.
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Gezeigt ist eine 3-phasige elektrische Maschine 32 für ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug. Die elektrische Maschine 32 ist in einem Gehäuse 34 angeordnet. Insbesondere der Rotor und der Stator der elektrischen Maschine 32 sind in einem vom Gehäuse 34 umschlossenen Volumen angeordnet.
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Ferner ist ein Stromrichter 36 bei der elektrischen Maschine 32 vorgesehen, der vorliegend als B6-Brücke ausgebildet ist.
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Zudem gibt es einen Zwischenkreiskondensator 40, der als Pufferkondensator dient. Der Zwischenkreiskondensator 40 umfasst vorliegend zwei Teilkondensatoren 42, 44, zwischen denen ein Mittelabgriff 46 des Zwischenkreiskondensators 40 ausgebildet ist.
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Die elektrische Maschine 32 ist mit einer Gleichspannungsquelle 48 gekoppelt. Die Gleichspannungsquelle 48 kann ein Hochvoltspeicher des Fahrzeugs sein. Der Stromrichter 36 ist zwischen den positiven und negativen Potentialen der Gleichspannungsquelle 48 gekoppelt.
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Die elektrische Maschine 32 ist vorliegend drei-phasig mit den Stromphasen n1, n2, n3. Die Stromphasen n1 - n3 liegen an Statorwicklungen an, die elektrisch anhand von Zuleitungen 50, 52, 54 mit Zwischenabgriffen von jeweiligen Transistor-Paaren des Stromrichters 36 verbunden sind.
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Die Zuleitungen 50, 52, 54 sowie die Statorwicklungen der Stromphasen n1, n2, n3 sind elektrisch gegenüber dem Massepotential 58 isoliert. Durch die Schaltvorgänge der Transistoren 38 des Stromrichters 36 variieren aber die Potentialdifferenzen relativ zu Masse. Deshalb werden Gleichtaktstörungen induziert, die hier als parasitäre Kapazitäten 56A, 56B, 56C dargestellt sind. Die Gleichtaktstörungen entstehen unabhängig davon, ob an den Statorwicklungen und den Zuleitungen 50, 52, 54 positive oder negative Spannungspotentiale anliegen.
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Um die Gleichtaktstörungen zu kompensieren, sind Kompensationsnetzwerke 59 vorgesehen. Ein Kompensationsnetzwerk 59 umfasst ausschließlich passive Komponenten. Deshalb kann es auch als passives Kompensationsnetzwerk 59 bezeichnet werden. Das Kompensationsnetzwerk 59 umfasst zumindest eine Kompensationswicklung 60 und einen Kompensationskondensator 62.
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Die Kompensationswicklung 60 ist innerhalb des Gehäuses 34 der elektrischen Maschine 32 angeordnet. Der Kompensationskondensator 62 ist außerhalb des Gehäuses 34 angeordnet. Der Kompensationskondensator 62 kann aber auch innerhalb des Gehäuses 34 angeordnet sein. Die Kompensationswicklung 60 und der Kompensationskondensator 62 sind in einer Reihenschaltung angeordnet.
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Das Kompensationsnetzwerk 59 ist der Stromphase n3 zugeordnet. Die Kompensationswicklung 60 wirkt mit der Statorwicklung der Stromphase n3 zusammen. Insbesondere ist die Kompensationswicklung 60 mit der Statorwicklung der Stromphase n3 als ein Übertrager 64 ausgebildet. Das bedeutet, dass die Statorwicklung der Stromphase n3 und die Kompensationswicklung 60 gleiche Windungszahlen aufweisen.
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Die Kompensationswicklung 60 ist zudem mit dem Massepotential 58 elektrisch verbunden.
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Die Kompensationswicklung 60 und der Kompensationskondensator 62 sind entsprechend der nachfolgenden Bedingung ausgelegt. Das Produkt aus Windungszahl der Kompensationswicklung 60 und Kapazität des Kompensationskondensators 62 ist gleich dem Produkt aus Windungszahl der zugeordneten Statorwicklung der Stromphase n3 und der jeweiligen parasitären Kapazität 56A. Da die Windungszahlen der Kompensationswicklung 60 und der Statorwicklung der Stromphase n3 gleich sind, muss der Kompensationskondensator 62 also eine Kapazität aufweisen, die derjenigen der parasitären Kapazität 56A entspricht. Die parasitäre Kapazität kann mit einer Netznachbildung und einem EMI Receiver (electromagnetic interference) im Vorhinein bestimmt werden. Anschließend kann der Kompensationskondensator 62 entsprechend ausgelegt werden.
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Die Stromphasen n1, n2, n3 der elektrischen Maschine 32 sind in einem Sternpunkt 66 gekoppelt. Der Sternpunkt 66 der elektrischen Maschine 32 ist mit dem Zwischenabgriff 46 des Zwischenkreiskondensators 40 elektrisch verbunden. Der Zwischenabgriff 46 kann auch als Mittelpunktsabgriff bezeichnet werden, da die Teilkondensatoren 42, 44 gleiche Kapazitäten aufweisen.
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Wenn die Kompensationswicklung 60 und der Kompensationskondensator 62 entsprechend ausgelegt sind, können die Gleichtaktstörungen in einfacher Weise kompensiert werden. Die Ausbildung der Kompensationswicklung 60 mit der Statorwicklung der Stromphase n3 als Übertrager 64 sorgt dafür, dass bei unterschiedlicher Wicklungsrichtung eine Phasenverschiebung von 180° sichergestellt wird. Zudem kann beim Übertrager 64 ein besonders gutes Kopplungsverhältnis erzielt werden.
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Ohne die Kompensationsnetzwerke 59, müssten zur Einhaltung der gesetzlichen Vorgaben an die elektromagnetische Verträglichkeit komplexe und kostenintensive Filterelemente für die Stromphasen vorgesehen werden, die vorliegend eingespart werden können.
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Von den Kompensationsnetzwerken 59 ist der Übersichtlichkeit halber vorliegend nur eines gezeigt. Im Allgemeinen entspricht die Anzahl der vorhandenen Kompensationsnetzwerke 59 aber der Anzahl der Stromphasen n der elektrischen Maschine 32. Dann ist jeweils ein Kompensationsnetzwerk 59 für jede Stromphase ausgelegt, um die jeweiligen Gleichtaktstörungen zu kompensieren. Also weist eine n-phasige elektrische Maschine 32 n entsprechende Übertrager 64 auf. Jedes Kompensationsnetzwerk 59 wird entsprechend der vorgenannten Bedingungen ausgelegt. Die Verbindung zwischen Sternpunkt 66 und Zwischenabgriff 46 des Zwischenkreiskondensators sorgt für eine symmetrische Auslegung.
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3 eine vereinfachte schematische Darstellung einer Kompensationswicklung 60. Die Kompensationswicklung 60 ist direkt auf der Statorwicklung 66 als Zusatzwicklung ausgebildet. Lediglich eine elektrische Isolierung 68 ist zwischen den Wicklungen vorgesehen. Dadurch wird ein gutes Kopplungsverhältnis zwischen der Kompensationswicklung 60 und der Statorwicklung 66 bereitgestellt.
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Obwohl die Erfindung in Bezug auf eine oder mehrere Implementierungen dargestellt und beschrieben wurde, werden Fachleute beim Lesen und Verstehen dieser Beschreibung und der beigefügten Zeichnungen gleichwertige Änderungen und Modifikationen feststellen. Darüber hinaus kann ein bestimmtes Merkmal der Offenbarung zwar in Bezug auf nur eine von mehreren Implementierungen offenbart worden sein, aber dieses Merkmal kann mit einem oder mehreren anderen Merkmalen der anderen Implementierungen kombiniert werden.
