-
Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine.
-
Für die elektromagnetische Verträglichkeit von elektrischen Maschinen spielen Gleichtaktstörungen eine große Rolle, und zur Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit ist eine Verringerung der Gleichtaktstörungen vorteilhaft. Unter Gleichtaktstörungen werden in der Elektrotechnik Störspannungen und -ströme auf den Verbindungsleitungen zwischen elektrischen Komponenten oder elektrischen Bauelementen verstanden, welche sich mit gleicher Phasenlage und Stromrichtung sowohl auf der Hinleitung als auch der Rückleitung zwischen diesen Komponenten ausbreiten.
-
Die
US 10,978,948 B2 zeigt einen DC/DC-Wandler mit verschränkter Umschaltung.
-
Die
EP 2 433 830 A1 zeigt ein Verfahren zum Bereitstellen elektrischer Energie aus einer angetriebenen Drehstrom-Synchronmaschine mit einem mehrphasigen Umrichter, welche einen aktiven Kurzschluss ermöglicht.
-
Die
DE 10 2010 040 222 A1 zeigt einen Multiphasenwandler mit mehreren gekoppelten Phasen und deren räumliche Anordnung.
-
Die
WO 90 / 06618 zeigt einen AC/AC-Direktumrichter, insbesondere einen mehrphasigen Trapezumrichter.
-
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine neue elektrische Maschine bereit zu stellen.
-
Diese Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand des Anspruchs 1.
-
Eine elektrische Maschine weist eine Statoranordnung, eine Rotoranordnung, einen Zwischenkreis mit einer ersten Leitung, einer zweiten Leitung und einer Zwischenkreiskondensatoranordnung, einen ersten Umrichter, einen zweiten Umrichter und eine Umrichteransteuervorrichtung mit einer Trägersignalerzeugungsvorrichtung auf, welche Statoranordnung eine erste Wicklungsanordnung und eine zweite Wicklungsanordnung aufweist, welche erste Wicklungsanordnung und zweite Wicklungsanordnung mehrphasig ausgebildet sind, welche erste Wicklungsanordnung erste Wicklungsanschlüsse und erste Wicklungen aufweist, welche zweite Wicklungsanordnung zweite Wicklungsanschlüsse und zweite Wicklungen aufweist, welche ersten Wicklungen jeweils zwischen zwei ersten Wicklungsanschlüssen verschaltet sind, welche zweiten Wicklungen jeweils zwischen zwei zweiten Wicklungsanschlüssen verschaltet sind, welche ersten Wicklungen jeweils mindestens einen ersten Strang aufweisen, welche zweiten Wicklungen jeweils mindestens einen zweiten Strang aufweisen, welche erste Wicklungsanordnung und zweite Wicklungsanordnung die gleiche Polzahl aufweisen, welcher erste Umrichter und welcher zweite Umrichter beide an den Gleichstromzwischenkreis mit der Zwischenkreiskondensatoranordnung angeschlossen sind, welcher erste Umrichter Halbleiterschalter aufweist, welcher zweite Umrichter Halbleiterschalter aufweist, welche Trägersignalerzeugungsvorrichtung dazu ausgebildet ist, ein erstes Trägersignal und ein zweites Trägersignal zu erzeugen, welches erste Trägersignal und welches zweite Trägersignal die gleiche Trägersignalfrequenz aufweisen, welche Trägersignalerzeugungsvorrichtung dazu ausgebildet ist, eine Phasenverschiebung zwischen dem ersten Trägersignal und dem zweiten Trägersignal in Abhängigkeit von einem Phasenverschiebungssignal variabel zu beeinflussen, und welche Umrichteransteuervorrichtung dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit vom ersten Trägersignal mindestens ein erstes getaktetes Ansteuersignal mit einem ersten Tastverhältnis zu erzeugen und an den ersten Umrichter auszugeben, um mindestens einen ersten Halbleiterschalter des ersten Umrichters anzusteuern, und in Abhängigkeit vom zweiten Trägersignal mindestens ein zweites getaktetes Ansteuersignal mit einem zweiten Tastverhältnis zu erzeugen und an den zweiten Umrichter auszugeben, um mindestens einen zweiten Halbleiterschalter des zweiten Umrichters anzusteuern.
-
Die Möglichkeit, die Phasenverschiebung zwischen den Trägersignalen zu verändern, ermöglicht eine Beeinflussung der Gleichtaktstörungen und der Belastung der Zwischenkreiskondensatoranordnung.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wirken die erste Wicklungsanordnung und die zweite Wicklungsanordnung auf dieselbe Rotoranordnung. Bei einer Rotoranordnung mit Permanentmagneten wechselwirken also sowohl die erste Wicklungsanordnung als auch die zweite Wicklungsanordnung mit den Permanenmagneten.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist jedem ersten Wicklungsanschluss ein zweiter Wicklungsanschluss zugeordnet, bei welchem zweiten Wicklungsanschluss der Strom um 180° phasenverschoben ist zum Strom durch den ersten Wicklungsanschluss. Anders ausgedrückt ist der Strom invertiert. Dies ergibt bei antiparallel verschalteten Wicklungen einen magnetischen Fluss in die gleiche Richtung, so dass die elektrische Maschine durch beide Wicklungsanordnungen angetrieben oder gebremst werden kann.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die elektrische Maschine derart ausgebildet,
- - dass der mindestens eine erste Halbleiterschalter mindestens einen ersten Halbleiterschalter umfasst, welcher zwischen einem der ersten Wicklungsanschlüsse und der ersten Leitung verschaltet ist, und der mindestens eine zweite Halbleiterschalter mindestens einen zweiten Halbleiterschalter umfasst, welcher zwischen einem der zweiten Wicklungsanschlüsse und der zweiten Leitung verschaltet ist, oder
- - dass der mindestens eine erste Halbleiterschalter mindestens einen ersten Halbleiterschalter umfasst, welcher zwischen einem der ersten Wicklungsanschlüsse und der zweiten Leitung verschaltet ist, und der mindestens eine zweite Halbleiterschalter mindestens einen zweiten Halbleiterschalter umfasst, welcher zwischen einem der zweiten
Wicklungsanschlüsse und der ersten Leitung verschaltet ist. Dies ermöglicht an dem entsprechenden Wicklungsanschluss der ersten Wicklungsanordnung und an dem entsprechenden Wicklungsanschluss der zweiten Wicklungsanordnung einen relativ zueinander invertierten Strom.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Umrichteransteuervorrichtung dazu ausgebildet, in einem ersten Zustand das erste Trägersignal und das zweite Trägersignal derart vorzugeben, dass der mindestens eine erste Halbleiterschalter und der mindestens eine zweite Halbleiterschalter bei einer Ansteuerung, bei der das erste Tastverhältnis und das zweite Tastverhältnis gleich sind, gleichzeitig leitend geschaltet und gleichzeitig nicht-leitend geschaltet sind. Der erste Zustand ermöglicht eine gute Unterdrückung der Gleichtaktstörungen.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Umrichteransteuervorrichtung dazu ausgebildet, in einem zweiten Zustand das erste Trägersignal und das zweite Trägersignal derart vorzugeben, dass der mindestens eine erste Halbleiterschalter und der mindestens eine zweite Halbleiterschalter bei einer Ansteuerung, bei der das erste Tastverhältnis und das zweite Tastverhältnis gleich sind, zumindest zeitweise nicht gleichzeitig leitend geschaltet und nicht gleichzeitig nicht-leitend geschaltet sind. Hierdurch ergeben sich unterschiedliche Umschaltzeitpunkte, und die Zwischenkreisanordnung wird entlastet.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Umrichteransteuervorrichtung dazu ausgebildet, einen Wechsel zwischen dem ersten Zustand und dem zweiten Zustand zu ermöglichen. Dies ermöglicht eine gute Reduzierung von Gleichtaktstörungen, sofern dies von der Leistung her möglich ist, und bei hohen Leistungen eine Entlastung der Zwischenkreiskondensatoranordnung.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die elektrische Maschine einen ersten Betriebszustandsbereich und einen zweiten Betriebszustandsbereich auf, in welchem ersten Betriebszustandsbereich die elektrische Maschine mit einer geringeren elektrischen Leistung arbeitet als im zweiten Betriebszustandsbereich, und bei welcher die Umrichteransteuervorrichtung dazu ausgebildet ist, im ersten Betriebszustandsbereich im ersten Zustand zu arbeiten und im zweiten Betriebszustandsbereich im zweiten Zustand zu arbeiten. Die elektrische Maschine kann hierdurch im Spannungsfeld zwischen geringer Gleichtaktstörung und geringer Belastung der Zwischenkreiskondensatoranordnung betrieben werden.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Umrichteransteuervorrichtung dazu ausgebildet, im zweiten Zustand das erste Trägersignal und das zweite Trägersignal derart vorzugeben, dass das Leitendschalten und Nicht-Leitendschalten des mindestens einen ersten Halbleiterschalters bei einer Ansteuerung, bei der das erste Tastverhältnis und das zweite Tastverhältnis gleich sind, eine vorgegebene erste Phasenverschiebung zum Leitendschalten und Nicht-Leitendschalten des mindestens einen zweiten Halbleiterschalters hat, welche Phasenverschiebung betragsmäßig zwischen 20° und 160° liegt, bevorzugt zwischen 40° und 140°, weiter bevorzugt zwischen 60° und 120°. In diesen Winkelbereichen kann die Belastung der Zwischenkreiskondensatoranordnung stark verringert werden.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Umrichteransteuervorrichtung dazu ausgebildet, das Phasenverschiebungssignal in Abhängigkeit von einem Betriebszustand der elektrischen Maschine vorzugeben. Anhand des Betriebszustands kann vorteilhaft festgelegt werden, ob die Gleichtaktstörungen unterdrückt werden können oder eine Entlastung der Zwischenkreiskondensatoranordnung zweckmäßig ist.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Umrichteransteuervorrichtung dazu ausgebildet, den Betriebszustand der elektrischen Maschine zu bestimmen in Abhängigkeit von mindestens einer Betriebszustandsgröße aus der Betriebszustandsgrößengruppe bestehend aus:
- - Drehzahl der elektrischen Maschine,
- - mindestens ein Strom durch die erste Wicklungsanordnung,
- - mindestens ein Strom durch die zweite Wicklungsanordnung,
- - mindestens ein Strom durch die erste Wicklungsanordnung und mindestens ein Strom durch die zweite Wicklungsanordnung,
- - elektrische Leistung im ersten Umrichter,
- - elektrische Leistung im zweiten Umrichter, und
- - mittleres Tastverhältnis des mindestens einen ersten getakteten Ansteuersignal und des mindestens einen zweiten getakteten Ansteuersignals.
-
Diese Betriebszustandsgrößen ermöglichen eine gute Bestimmung des Betriebszustands.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weisen die ersten Wicklungen und die zweiten Wicklungen die gleiche Strangwindungszahl auf. Hierdurch führen gleiche Spannungsmuster (ggf. invertiert) zu ähnlichen Strömen in den Wicklungen.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Halbleiterschalter mindestens einen Halbleiterschaltertyp auf aus der Halbleiterschaltertypengruppe bestehend aus:
- - Siliciumcarbid-Halbleiterschalter, und
- - Galliumnitrid-Halbleiterschalter.
-
Diese Halbleiterschaltertypen ermöglichen ein sehr schnelles Schalten und damit beispielweise eine Reduzierung der Schaltverluste.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das erste Tastverhältnis eines der ersten Halbleiterschalter gleich groß vorgegeben wie das zweite Tastverhältnis eines der zweiten Halbleiterschalter. Die jeweils einander zugeordneten Wicklungen können hierdurch gleichzeitig leitend und nicht-leitend geschaltet werden.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die zweiten Wicklungen jeweils einer der ersten Wicklungen derart zugeordnet, dass die durch die Rotoranordnung induzierten Spannungen bei den zugeordneten ersten und zweiten Wicklungen Nulldurchgänge an denselben Rotorstellungen der Rotoranordnung aufweisen. Durch die Zuordnung können diese Wicklungen jeweils in den gleichen Rotorstellungsbereichen bei entsprechender Bestromung antreibend oder bremsend wirken.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist jede der ersten Wicklungen jeweils antiparallel verschaltet zu einer der zweiten Wicklungen. Die antiparallele Verschaltung kann entweder durch eine Umkehr der Wicklungsrichtung erfolgen oder aber bei einer Sternpunktschaltung durch eine invertierte Verschaltung des Wicklungsanschlusses und des Sternpunkts.
-
Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen und in den Zeichnungen dargestellten, in keiner Weise als Einschränkung der Erfindung zu verstehenden Ausführungsbeispielen sowie aus den Unteransprüchen. Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Es zeigt:
- 1 in schematischer Darstellung eine elektrische Maschine mit zwei Umrichtern,
- 2 in schematischer Darstellung die Umrichter von 1 und zwei Wicklungsanordnungen,
- 3 einen schematischen Aufbau einer Wicklung,
- 4 eine Umrichteransteuervorrichtung,
- 5 einen Schaltungszustand eines der Umrichter,
- 6 von einem Umrichter erzeugte Spannungen an den Wicklungsanschlüssen,
- 7 beide Wicklungsanordnungen von 2,
- 8 Gleichtaktspannungen an Sternpunkten der Wicklungsanordnungen,
- 9 Betriebspunkte der elektrischen Maschine, und
- 10 ein Ausführungsbeispiel mit zwei Wicklungsanordnungen.
-
Im Folgenden sind gleiche oder gleich wirkende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden üblicherweise nur einmal beschrieben. Die Beschreibung ist figurenübergreifend aufeinander aufbauend, um unnötige Wiederholungen zu vermeiden.
-
1 zeigt eine elektrische Maschine 20 mit einer Statoranordnung 21, einer Rotoranordnung 22, einem Zwischenkreis 30, einem ersten Umrichter 41, einem zweiten Umrichter 42 und einer Umrichteransteuervorrichtung 23. Der Zwischenkreis 30 hat eine erste Leitung 31, eine zweite Leitung 32 und eine Zwischenkreiskondensatoranordnung 34.
-
Die elektrische Maschine 20 kann als Antrieb bzw. Motor genutzt werden, sie kann aber bevorzugt auch zumindest zeitweise als Generator genutzt werden. Die Statoranordnung 21 ist mehrphasig ausgebildet, und sie hat im Ausführungsbeispiel Wicklungsanschlüsse 63U, 63V, 63W und 64U, 64V, 64W. Eine Nut 17 eines Statorkerns ist schematisch angedeutet.
-
Eine Rotorstellungssensoranordnung 71 ist an der Rotoranordnung 22 vorgesehen und über eine Leitung 72 mit der Umrichteransteuervorrichtung 23 verbunden. Eine Strommessanordnung 73 und eine Strommessanordnung 74 sind dazu vorgesehen, mindestens einen durch den ersten Umrichter 41 bzw. zweiten Umrichter 42 erzeugten Strom zu messen und ein entsprechendes Messsignal I_63U, I_63V, I_63W, I_64U, I_64V, I_64W über eine Leitung 75 bzw. 76 an die Umrichteransteuervorrichtung 23 auszugeben.
-
Die Umrichteransteuervorrichtung 23 ist über eine Leitung 27 mit dem ersten Umrichter 41 und über eine Leitung 28 mit dem zweiten Umrichter 42 verbunden. Über die Leitung 27 kann mindestens ein erstes getaktetes Ansteuersignal 24 an den ersten Umrichter 41 ausgegeben werden, und über die Leitung 28 kann mindestens ein zweites getaktetes Ansteuersignal 25 an den zweiten Umrichter 42 ausgegeben werden.
-
Die Zwischenkreiskondensatoranordnung 34 weist im Ausführungsbeispiel einen einzigen Kondensator auf. Sie kann jedoch auch aus einer Parallelschaltung und/oder Serienschaltung mehrerer Kondensatoren ausgebildet sein. Im ersten Umrichter 41 ist schematisch ein Halbleiterschalter 43.1 eingezeichnet, und im zweiten Umrichter 42 ein zweiter Halbleiterschalter 43.2. Die Halbleiterschalter 43.1 und 43.2 sind im Ausführungsbeispiel als Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) mit Freilaufdiode dargestellt. Die Freilaufdiode kann integriert oder als separates Bauteil vorgesehen sein. Es sind auch andere bipolare Transistoren, MOSFETs oder andere Halbleiterschalter möglich.
-
Bevorzugt werden als Halbleiterschalter zumindest teilweise Siliciumcarbid-Halbleiterschalter und/oder Galliumnitrid-Halbleiterschalter verwendet. Diese Halbleiterschalter ermöglichen hohe Spannungsanstiegsgeschwindigkeiten und erlauben als schnellschaltende Halbleiterschalter hohe Taktfrequenzen.
-
2 zeigt schematisch eine Ausführungsform des ersten Umrichters 41 und des zweiten Umrichters 42, welche einerseits mit dem Zwischenkreis 30 und andererseits mit der Statoranordnung 21 verschaltet sind.
-
Die Statoranordnung 21 weist eine erste Wicklungsanordnung 51 und eine zweite Wicklungsanordnung 52 auf. Die erste Wicklungsanordnung 51 und die zweite Wicklungsanordnung 52 sind jeweils mehrphasig ausgebildet, und sie haben die gleiche Polzahl.
-
Die erste Wicklungsanordnung 51 weist erste Wicklungsanschlüsse 63U, 63V, 63W und erste Wicklungen 61U, 61V, 61W auf.
-
Die zweite Wicklungsanordnung 52 weist zweite Wicklungsanschlüsse 64U, 64V, 64W und zweite Wicklungen 62U, 62V, 62W auf.
-
Die erste Wicklungsanordnung 51 und die zweite Wicklungsanordnung 52 sind im Ausführungsbeispiel als Sternpunkt-Verschaltung mit einem Sternpunkt 65 bzw. einem Sternpunkt 66 verschaltet.
-
Die erste Wicklung 61U ist einerseits mit dem Wicklungsanschluss 63U und andererseits mit dem Sternpunkt 65 verschaltet.
-
Die Wicklung 61V ist einerseits mit dem Wicklungsanschluss 63V und andererseits mit dem Sternpunkt 65 verschaltet.
-
Die Wicklung 61W ist einerseits mit dem Wicklungsanschluss 63W und andererseits mit dem Sternpunkt 65 verschaltet.
-
Die Wicklung 62U ist einerseits mit dem Wicklungsanschluss 64U und andererseits mit dem Sternpunkt 66 verschaltet.
-
Die Wicklung 62V ist einerseits mit dem Wicklungsanschluss 64V und andererseits mit dem Sternpunkt 66 verschaltet.
-
Die Wicklung 62W ist einerseits mit dem Wicklungsanschluss 64W und andererseits mit dem Sternpunkt 66 verschaltet.
-
Im Ausführungsbeispiel sind - schematisch angedeutet - die Wicklung 61U der Wicklung 62U zugeordnet, die Wicklung 61V der Wicklung 62V zugeordnet und die Wicklung 61W der Wicklung 62W zugeordnet. Die einander zugeordneten Wicklungen sind antiparallel mit den zugeordneten Umrichtern 41, 42 verschaltet, so dass die Wicklungsanschlüsse für die Erzeugung eines magnetischen Flusses in die gleiche Richtung (beispielsweise antreibend oder bremsend) in die entgegengesetzte Richtung bestromt werden müssen. Hierbei können bspw. die Wicklungen 61U, 62U in den gleichen Statornuten verlaufen, oder sie können um jeweils eine oder mehrere Statornuten versetzt verlaufen.
-
Der erste Umrichter 41 hat einen Halbleiterschalter 43.1, welcher zwischen dem Wicklungsanschluss 63U und der Leitung 31 verschaltet ist, einen Halbleiterschalter 43.2, welcher zwischen dem Wicklungsanschluss 63V und der Leitung 31 verschaltet ist, einen Halbleiterschalter 43.3, welcher zwischen dem Wicklungsanschluss 63W und der Leitung 31 verschaltet ist, einen Halbleiterschalter 43.4, welcher zwischen dem Wicklungsanschluss 63U und der Leitung 32 verschaltet ist, einen Halbleiterschalter 43.5, welcher zwischen dem Wicklungsanschluss 63V und der Leitung 32 verschaltet ist, und einen Halbleiterschalter 43.6, welcher zwischen dem Wicklungsanschluss 63W und der Leitung 32 verschaltet ist.
-
Der zweite Umrichter 42 hat einen Halbleiterschalter 44.1, welcher zwischen dem Wicklungsanschluss 64U und der Leitung 31 verschaltet ist, einen Halbleiterschalter 44.2, welcher zwischen dem Wicklungsanschluss 64V und der Leitung 31 verschaltet ist, einen Halbleiterschalter 44.3, welcher zwischen dem Wicklungsanschluss 64W und der Leitung 31 verschaltet ist, einen Halbleiterschalter 44.4, welcher zwischen dem Wicklungsanschluss 64U und der Leitung 32 verschaltet ist, einen Halbleiterschalter 44.5, welcher zwischen dem Wicklungsanschluss 64V und der Leitung 32 verschaltet ist, und einen Halbleiterschalter 44.6, welcher zwischen dem Wicklungsanschluss 64W und der Leitung 32 verschaltet ist.
-
Der erste Umrichter 41 und der zweite Umrichter 42 haben im Ausführungsbeispiel für jeden Wicklungsanschluss einen „oberen“ Halbleiterschalter, über welchen sie mit der Leitung 31 verbindbar sind, und einen „unteren“ Halbleiterschalter, über welchen sie mit der Leitung 32 verbindbar sind. Im vorliegenden Fall sind die erste Wicklungsanordnung 51 und die zweite Wicklungsanordnung 52 jeweils dreiphasig ausgebildet, sie können jedoch bspw. auch fünfphasig oder siebenphasig oder mit einer anderen Mehrphasigkeit ausgebildet sein. In diesem Fall müsste die Schaltung der Umrichter 41, 42 entsprechend erweitert werden.
-
Die erste Wicklungsanordnung 51 und die zweite Wicklungsanordnung 52 können alternativ zur Sternverschaltung in einer Dreiecksverschaltung verschaltet werden.
-
3 zeigt beispielhaft den Aufbau der Wicklung 61U, welche zwischen dem Wicklungsanschluss 63U und dem Sternpunkt 65 verschaltet ist. Die Wicklung 61 U ist im Ausführungsbeispiel zweisträngig mit den beiden parallel geschalteten Strängen 61 U1 und 61 U2 ausgebildet. Die beiden Stränge 61U1 und 61 U2 können hierbei an derselben Stelle der Statoranordnung 21 vorgesehen sein, oder sie können an unterschiedlichen Stellen der Statoranordnung 21 vorgesehen sein. Wenn die Rotoranordnung 22 bspw. vierpolig ausgebildet ist, kann der Strang 61U1 in einem ersten Umfangsbereich der Statoranordnung 21 vorgesehen sein, und der Strang 61U2 kann in einem um 180° mechanisch versetzten Umfangsbereich der Statoranordnung 21 vorgesehen sein. Hierdurch sind die beiden Stränge 61U1 und 61U2 in ihrer Wechselwirkung mit der Rotoranordnung 22 elektrisch bzw. magnetisch gleich wirkend. Anders ausgedrückt entspricht bei einem vierpoligen Rotor eine mechanische Umdrehung von 360° mechanisch zwei elektrischen Umdrehungen bzw. 720° elektrisch.
-
Die Wicklungen 61U, 61V, 61W und die Wicklungen 62U, 62V, 62W haben bevorzugt die gleiche Strangwindungszahl, und hierdurch entstehen bei einer entsprechenden Ansteuerung durch die Umrichter 41, 42 annähernd gleiche Ströme durch die einzelnen Wicklungen.
-
4 zeigt die Umrichteransteuervorrichtung 23 in schematischer Ausführung.
-
Die Umrichteransteuervorrichtung 23 hat eine Eingabeschnittstelle 93, eine Trägersignalerzeugungsvorrichtung 90, eine Steuervorrichtung 95, eine Ausgabevorrichtung 101 und eine Ausgabevorrichtung 102.
-
Über die Eingabeschnittstelle 93 können der Umrichteransteuervorrichtung 23 Messsignale zugeführt werden, bspw. die Rotorstellung phi, die durch die Rotorstellungssensoranordnung 71 erzeugt wird. Weitere Möglichkeiten sind Messsignale für die Ströme durch die Wicklungsanschlüsse, also insbesondere die Messsignale I_63U, I_63V, I_63W, I_64U, I_64V und I_64W. Diese Signale können bspw. durch die Strommessanordnungen 73, 74 von 1 erzeugt werden.
-
Die Eingabeschnittstelle 93 führt die entsprechenden Werte über die Leitung 94 der Steuervorrichtung 95 zu. Die Steuervorrichtung 95 erzeugt ein Phasenverschiebungssignal TP und führt dieses über eine Leitung 96 der Trägersignalerzeugungsvorrichtung 90 zu.
-
Die Steuervorrichtung 95 erzeugt im Ausführungsbeispiel ein Signal 103 und führt dieses über die Leitung 97 der Ausgabevorrichtung 101 zu, und die Steuervorrichtung 95 erzeugt ein Signal 104 und führt dieses über die Leitung 98 der Ausgabevorrichtung 102 zu. Die Signale 103, 104 geben im Ausführungsbeispiel die gewünschte Spannungsform durch die einzelnen Wicklungen oder durch die Wicklungsanschlüsse vor. Die Steuervorrichtung 95 steuert zudem über eine Leitung 99 die Ausgabevorrichtung 101 und über eine Leitung 100 die Ausgabevorrichtung 102 an.
-
Die Trägersignalerzeugungsvorrichtung 90 erzeugt ein erstes Trägersignal 91 und führt dieses über die Leitung 99 der Ausgabevorrichtung 101 zu, und sie erzeugt ein zweites Trägersignal 92 und führt dieses über eine Leitung 100 der Ausgabevorrichtung 102 zu.
-
Das erste Trägersignal 91 und das zweite Trägersignal 92 haben die gleiche Trägersignalfrequenz, und die Trägersignalerzeugungsvorrichtung 90 ist dazu ausgebildet, in Abhängigkeit von dem Phasenverschiebungssignal TP eine Phasenverschiebung zwischen dem ersten Trägersignal 91 und dem zweiten Trägersignal 92 variabel zu beeinflussen. Das erste Trägersignal 91 und das zweite Trägersignal 92 können beispielsweise als Dreiecksignale oder als Sägezahnsignale (ansteigend bis zum Maximum mit direkt anschließendem Sprung zum Minimum, oder umgekehrt) erzeugt werden, oder sie können in einem Mikrocontroller oder Mikroprozessor durch eine interne Zeitschleife (mit oder ohne Timer) verwirklicht werden.
-
In Abhängigkeit von dem ersten Trägersignal 91 und dem Signal 103 erzeugt die Ausgabevorrichtung 101 mindestens ein erstes getaktetes Ansteuersignal 24 mit einem ersten Tastverhältnis, und das erste getaktete Ansteuersignal 24 wird an den ersten Umrichter 41 ausgegeben.
-
In gleicher Weise erzeugt die Ausgabevorrichtung 102 in Abhängigkeit von dem zweiten Trägersignal 92 und dem Signal 104 ein zweites getaktetes Ansteuersignal 25 mit einem zweiten Tastverhältnis und gibt dieses an den zweiten Umrichter 42 aus, um mindestens einen zweiten Halbleiterschalter des zweiten Umrichters 42 anzusteuern.
-
Bevorzugt sind das erste Tastverhältnis und das zweite Tastverhältnis gleich groß.
-
Im Ausführungsbeispiel sind die Trägersignale 91, 92 relativ zueinander invertiert, und auch die Signale 103, 104 sind relativ zueinander invertiert, Dies hat den Vorteil, dass man am Vorzeichen der Signale 103, 104 bestimmen kann, ob der obere oder untere Halbleiterschalter aktuell leitend geschaltet werden soll, und das getaktete Signal kann weiterhin durch einen Vergleich der Signale 92 und 104 bestimmt werden. Alternativ können die genannten Signale 92 und 104 nicht invertiert bzw. nicht um 180° phasenverschoben sein, wobei dann durch eine geänderte Logik bestimmt werden muss, ob die oberen oder unteren Halbleiterschalter leitend geschaltet werden sollen. Es gibt also unterschiedliche Möglichkeiten, das Leitendschalten bzw. Nicht-Leitendschalten im ersten und zweiten Umrichter bzw. deren Phasendifferenz zu beeinflussen.
-
5 zeigt schematisch einen Schaltungszustand des ersten Umrichters 41 und der ersten Wicklungsanordnung 51. Der zweite Umrichter 42 und die zweite Wicklungsanordnung 52 sind nicht dargestellt.
-
Der Zwischenkreis 30 hat den Zwischenkreiskondensator 34, und der Zwischenkreis 30 wird bspw. von einer - nicht dargestellten - Hochvoltbatterie eines Fahrzeugs oder von einem - nicht dargestellten AC/DC-Wandler gespeist.
-
Parallel zur Zwischenkreiskondensatoranordnung 34 sind ein erster Y-Kondensator 18.1 und ein zweiter Y-Kondensator 18.2 vorgesehen, wobei der erste Y-Kondensator 18.1 zwischen der Leitung 31 und einem Punkt 19 verschaltet ist und der zweite Y-Kondensator 18.2 zwischen dem Punkt 19 und der Leitung 32 verschaltet ist. Der Punkt 19 ist mit Masse GND 99 verbunden.
-
Im Ausführungsbeispiel sind die Halbleiterschalter 43.1, 43.5 und 43.6 leitend geschaltet (angedeutet durch (1) und (-1)), und ein Strom fließt von der Leitung 31 über den Halbleiterschalter 43.1 und über die Wicklung 61U zum Sternpunkt 65, und vom Sternpunkt 65 fließt der Strom einerseits über die Wicklung 61V und den Halbleiterschalter 43.5 zur Leitung 32 und andererseits über die Wicklung 61W und den Halbleiterschalter 43.6 zur zweiten Leitung 32. Dadurch, dass die Halbleiterschalter getaktet angesteuert werden, tritt am Sternpunkt 65 eine Gleichtaktspannung U65 auf, welche bspw. gegen Masse GND 99 gemessen werden kann.
-
6 zeigt in schematischer Darstellung eine Spannung Ua am Wicklungsanschluss 63U, eine Spannung Ub am Wicklungsanschluss 63V und eine Spannung Uc am Wicklungsanschluss 63W. Die Spannungen sind jeweils auf die in 5 eingezeichnete Spannung Udc normiert. Die Spannungen Ua, Ub und Uc sind entsprechend den Ansteuersignalen 24, 25 von 1 bzw. 4 getaktet, und im vorliegenden Fall wird das Tastverhältnis bspw. für eine sinusförmige Bestromung vorgegeben. Hierbei werden die Wicklungsanschlüsse derart mit den Leitungen 31 bzw. 32 verbunden, dass in der Wicklung 61U bspw. ein sinusförmiger Strom in die Wicklung eingeprägt wird, und in den Wicklungen 61V und 61Wjeweils ein um 120° verschobener sinusförmiger Strom entsteht. Die ebenfalls normierte Gleichtaktspannung U65 ist im untersten Diagramm dargestellt, und sie wechselt mit den Schaltzuständen der Halbleiterschalter.
-
In der elektrischen Maschine sind kapazitive Kopplungen zwischen unterschiedlichen Bereichen vorhanden. Bspw. folgt das Potenzial an der - nicht dargestellten - Welle der Rotoranordnung 21 dem mittleren Wicklungspotenzial, und hierdurch entstehen Wechselwirkungen innerhalb der elektrischen Maschine 20. Die Lagerspannung an den Lagern der Welle ist ebenfalls ein Abbild der Gleichtaktspannung. Bei hohen Gleichtaktspannungen muss deshalb bspw. die Welle mit Masse GND 99 verbunden werden.
-
7 zeigt die erste Wicklungsanordnung 51 mit dem Sternpunkt 65 und die zweite Wicklungsanordnung 52 mit dem Sternpunkt 66.
-
Am Sternpunkt 65 entsteht die Gleichtaktspannung U65, und am Sternpunkt 66 entsteht eine Gleichtaktspannung U66 durch die entsprechende Verbindung der Wicklungsanschlüsse mit der Leitung 31 bzw. 32.
-
8 zeigt als Diagramm 121 die auf die Spannung Udc normierte Gleichtaktspannung U65, als Diagramm 122 die auf die Spannung Udc normierte Gleichtaktspannung U65, und als Diagramm 123 die aus der Summe der Gleichtaktspannungen U65 und U66 resultierende, ebenfalls normierte Gesamt-Gleichtaktspannung Ucm.
-
Durch das Vorsehen der beiden antiparallel verschalteten Wicklungsanordnungen 51 und 52 und die inverse Ansteuerung verlaufen die Gleichtaktspannungen U65 und U66 jeweils in unterschiedliche Richtungen, und die Gleichtaktspannungen können im Mittel zumindest reduziert werden, und dies führt zu einer Verbesserung der Motoreigenschaften und ermöglicht ggf. das Weglassen zusätzlicher Erdungsvorrichtungen. Mathematisch heben sich die Gleichtaktspannungen U65 und U66 bei gleichem Tastverhältnis der getakteten Signale vollständig auf. In der Praxis ist die Gesamt-Gleichtaktspannung zumindest reduziert.
-
Bei identischem Tastverhältnis sind die Ansteuersignale und die Verschaltung mit der Leitung 31 bzw. 32 jeweils invertiert, an mindestens einem der Wicklungsanschlüsse der ersten Wicklungsanordnung 51 ist also beispielsweise der mit der Leitung 31 verbundene Halbleiterschalter leitend, wenn an mindestens einem der Wicklungsanschlüsse der zweiten Wicklungsanordnung 52 der mit der Leitung 32 verbundene Halbleiterschalter leitend ist, und umgekehrt.
-
Dadurch, dass der erste Umrichter 41 und der zweite Umrichter 42 an den Wicklungsanschlüssen relativ zueinander invertierte Spannungen ausgeben, werden die Gleichtaktstörungen reduziert. Dies führt ggf. zu einer Reduzierung von Lagerströmen in den Lagern zwischen der Rotoranordnung und der Statoranordnung und zu einer Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV). Dieser erste Betriebsmodus, der auch als erster Zustand Z1 bezeichnet werden kann, führt zu einer Reduzierung der Gesamt-Gleichtaktstörung, er führt aber auch zu einer vergleichsweise starken Belastung der Zwischenkreiskondensatoranordnung 34 (vgl. 5).
-
Insbesondere bei einer hohen Last an der elektrischen Maschine 20 treten starke Ströme auf, und damit ist auch die Belastung der Zwischenkreiskondensatoranordnung 34 hoch. Daher ist es vorteilhaft, bei einer hohen Last an der elektrischen Maschine 20 die Zwischenkreiskondensatoranordnung 34 zu entlasten. Dies kann vorteilhaft dadurch erzielt werden, dass die Steuervorrichtung 95 von 4 ein geändertes Phasenverschiebungssignal TP an die Trägersignalerzeugungsvorrichtung 90 ausgibt und hierdurch eine Phasenverschiebung zwischen dem ersten Trägersignal 91 und dem zweiten Trägersignal 92 bewirkt. Dies führt dazu, dass die Wechsel der Schaltzustände der Halbleiterschalter des ersten Umrichters 41 und des zweiten Umrichters 42 nicht mehr oder zumindest mit geringerer Häufigkeit gleichzeitig stattfinden, und hierdurch wird die Zwischenkreiskondensatoranordnung 34 entlastet.
-
Der durch die einzelnen Wicklungen fließende Strom fließt auch dann weiter, wenn der zugehörige Halbleiterschalter der Endstufe 51 bzw. 52 nicht-leitend wird, da die Spulen bestrebt sind, den Strom durch Umwandlung der magnetischen Energie aufrecht zu erhalten. Dies wird auch als Selbstinduktion der Spule bezeichnet. Daher sind auch die antiparallel zu den Halbleiterschaltern geschalteten Freilaufdioden in den Umrichtern 41, 42 vorteilhaft, sofern die Halbleiterschalter nicht bereits selbst einen Stromfluss in die entgegengesetzte Richtung ermöglichen.
-
Im Folgenden wird auf Grundlage der beschriebenen Effekte die Erzeugung der Trägersignale in der Umrichteransteuervorrichtung 23 systematisch beschrieben.
-
Die Umrichteransteuervorrichtung 23 ist dazu ausgebildet, in einem ersten Zustand Z1 das erste Trägersignal 91 und das zweite Trägersignal 92 derart vorzugeben, dass der mindestens eine erste Halbleiterschalter 43.1, 43.5 und der mindestens eine zweite Halbleiterschalter 44.2, 44.4 bei einer Ansteuerung, bei der das erste Tastverhältnis TV1 und das zweite Tastverhältnis TV2 gleich sind, gleichzeitig leitend geschaltet und gleichzeitig nicht-leitend geschaltet sind. Die Umschaltzeitpunkte sind somit miteinander synchronisiert. Auf Grund der bevorzugt antiparallelen Verschaltung der ersten Wicklungen und der zweiten Wicklungen wird beispielsweise der Wicklungsanschluss 63U von 2 über den Halbleiterschalter 43.1 in Abhängigkeit von einem ersten getakteten Signal mit der ersten Leitung 31 verbunden, und der Wicklungsanschluss 64U wird über den Halbleiterschalter 44.4 in Abhängigkeit von einem zweiten getakteten Signal mit der Leitung 32 derart verbunden, dass im ersten Zustand Z1 jeweils gleichzeitig ein Strom durch die Halbleiterschalter 43.1 und 44.4 fließt. Bevorzugt wird das Tastverhältnis gleich vorgegeben, bei einer Stromregelung in beiden Wicklungsanordnungen 51, 52 kann es aber auch zeitweise leicht unterschiedlich sein. Hierdurch ergibt sich in den Wicklungen 61U und 62U bzw. an den Wicklungsanschlüssen 63U und 64U ein zueinander inverser Strom, der auf Grund der antiparallelen Verschaltung der Wicklungen 61 U, 62U zu einem auf die Rotoranordnung 22 gleich wirkenden magnetischen Fluss führt. Bei einer dreiphasigen sinusförmigen Bestromung werden an den Wicklungsanschlüssen 63V, 64V beispielsweise um 120° elektrisch verschobene getaktete Spannungen angelegt, und an den Wicklungsanschlüssen 63W, 64W um 240° elektrisch verschobene getaktete Spannungen.
-
Die Umrichteransteuervorrichtung 23 ist bevorzugt dazu ausgebildet, in einem zweiten Zustand Z2 das erste Trägersignal 91 und das zweite Trägersignal 92 derart vorzugeben, dass der mindestens eine erste Halbleiterschalter 43.1, 43.5 und der mindestens eine zweite Halbleiterschalter 44.2, 44.4 bei einer Ansteuerung, bei der das erste Tastverhältnis TV1 und das zweite Tastverhältnis TV2 gleich sind, zumindest zeitweise nicht gleichzeitig leitend geschaltet und nicht gleichzeitig nicht-leitend geschaltet sind. Hierdurch wird die Zwischenkreiskondensatoranordnung entlastet.
-
Bevorzugt ist die Umrichteransteuervorrichtung 23 dazu ausgebildet, einen Wechsel zwischen dem ersten Zustand Z1 und dem zweiten Zustand Z2 zu ermöglichen. Bei einem Betrieb der elektrischen Maschine 20 mit geringer Leistung kann der erste Zustand Z1 gewählt werden, um die Gleichtaktstörungen zu reduzieren, und bei hoher Leistung kann der zweite Zustand gewählt werden, um eine Beschädigung oder eine Lebensdauerverringerung der Zwischenkreiskondensatoranordnung zu verhindern. Auch innerhalb des zweiten Zustands Z2 kann durch eine entsprechende Änderung des Phasenverschiebungssignals TP fein abgestimmt werden, ob die Gleichtaktstörungen stärker reduziert werden oder die Zwischenkreiskondensatoranordnung stärker entlastet wird.
-
Bevorzugt ist bei der elektrischen Maschine 20 die Umrichteransteuervorrichtung 23 dazu ausgebildet, im zweiten Zustand Z2 das erste Trägersignal 91 und das zweite Trägersignal 92 derart vorzugeben, dass das Leitendschalten und Nicht-Leitendschalten des mindestens einen ersten Halbleiterschalters 43.1, 43.5 bei einer Ansteuerung, bei der das erste Tastverhältnis TV1 und das zweite Tastverhältnis TV2 gleich sind, eine vorgegebene erste Phasenverschiebung zum Leitendschalten und Nicht-Leitendschalten des mindestens einen zweiten Halbleiterschalters 44.2, 44.4 hat, welche Phasenverschiebung betragsmäßig zwischen 20° und 160° liegt, bevorzugt zwischen 40° und 140°, weiter bevorzugt zwischen 60° und 120°. Diese Wertebereiche ermöglichen eine gute Entlastung der Zwischenkreiskondensatoranordnung.
-
9 zeigt ein Diagramm, in dem auf der Abszisse die Drehzahl und auf der Ordinate das durch die elektrische Maschine 20 erzeugte Drehmoment aufgetragen sind. Die Linie 130 zeigt das mit der elektrischen Maschine 20 erzielbare maximale Drehmoment. Im Grunddrehzahlbereich sind ein oberer Bereich 131A und ein unterer Bereich 132A eingezeichnet, und bei höheren Drehzahlen sind beispielhaft ein oberer Bereich 131B und ein unterer Bereich 132B eingezeichnet. Ein hohes Drehmoment M entspricht einer hohen Last, und ein niedriges Drehmoment M einer niedrigen Last. Das Drehmoment M ist üblicherweise abhängig vom Strom durch die Wicklungsanordnungen, und es kann somit auch der Strom betrachtet werden.
-
Bei einer hohen Last bzw. einem hohen Drehmoment M ist es vorteilhaft, den Zwischenkreis zu entlasten, da bei hohen Strömen auch große Zwischenkreisströme in der Zwischenkreiskondensatoranordnung 34 fließen. Daher wird im oberen Bereich 131A das Phasenverschiebungssignal TP derart vorgegeben, dass die Umschaltzeitpunkte der Umrichter 41, 42 möglichst selten aufeinander fallen und hierdurch - auf Kosten höherer Gleichtaktstörungen - eine Entlastung der Zwischenkreiskondensatoranordnung 34 eintritt. Hierdurch wird die Lebensdauer der elektrischen Maschine 20 erhöht.
-
Bei einer niedrigen Last treten dagegen geringere Ströme in der Zwischenkreiskondensatoranordnung 34 auf und diese muss nicht zusätzlich geschützt werden. Daher wird im unteren Bereich 132A durch Vorgabe eines entsprechenden Phasenverschiebungssignals TP eine Verringerung der Gleichtaktstörungen durchgeführt, indem die Gleichtaktspannung Ucm durch gleichzeitiges oder zumindest zeitnahes Umschalten der Umrichter 41, 42 ausgelöscht oder zumindest verringert wird.
-
Zwischen den Bereichen 131A und 132A kann ein Übergangsbereich vorgesehen werden, in dem beispielsweise ein kontinuierlicher oder stufenweiser Übergang erfolgt, und es kann bevorzugt eine Hysterese vorgesehen werden, um eine häufig wechselnde Vorgabe des Phasenverschiebungssignals TP im Übergangsbereich zu verhindern.
-
Beispielhaft sind die Grenzen des Übergangs bei höheren Drehzahlen bei einem niedrigeren Drehmoment M gewählt. Hierbei wird im oberen Bereich 131B wie im Bereich 131A gesteuert, und im unteren Bereich 132B wie im Bereich 132A.
-
Allgemein kann man sagen, dass bei der elektrischen Maschine 20 bevorzugt die Umrichteransteuervorrichtung 23 dazu ausgebildet ist, das Phasenverschiebungssignal TP in Abhängigkeit von einem Betriebszustand der elektrischen Maschine 20 vorzugeben.
-
Der Betriebszustand kann auf unterschiedliche Art bestimmt werden. Beispielsweise kann der Betriebszustand der elektrischen Maschine 20 bestimmt werden in Abhängigkeit von mindestens einer Betriebszustandsgröße aus der Betriebszustandsgrößengruppe bestehend aus:
- - Drehzahl der elektrischen Maschine 20,
- - mindestens ein Strom durch die erste Wicklungsanordnung,
- - mindestens ein Strom durch die zweite Wicklungsanordnung,
- - mindestens ein Strom durch die erste Wicklungsanordnung und mindestens ein Strom durch die zweite Wicklungsanordnung,
- - elektrische Leistung im ersten Umrichter 41,
- - elektrische Leistung im zweiten Umrichter 42, und
- - mittleres Tastverhältnis des mindestens einen ersten getakteten Ansteuersignal 24 und des mindestens einen zweiten getakteten Ansteuersignals 25.
-
10 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines 2 x 3-phasigen Wicklungssystems mit antiparalleler Verschaltung.
-
Hierbei können die Wicklungen 61U, 61V, 61W beispielsweise in anderen Winkelbereichen vorgesehen sein als die Wicklungen 62U, 62V, 62W. Bei einer vierpoligen Rotoranordnung 21 können beispielsweise die Wicklungen 61U, 61V, 61W in einem Winkelbereich 0° mechanisch bis 180° mechanisch und die Wicklungen 62U, 62V, 62W in einem Winkelbereich 180° mechanisch bis 0° mechanisch vorgesehen sein. Wie zuvor beschrieben können die zugeordneten Wicklungen aber auch in den gleichen Winkelbereichen vorgesehen sein.
-
Beispielhaft werden Daten einer elektrischen Maschine 20 für ein Fahrzeug angegeben. Die Nutzahl beträgt 54. Die Polzahl des Stators beträgt 6. Die erste Wicklungsanordnung 51 und die zweite Wicklungsanordnung 52 haben jeweils drei Phasen. Jede Wicklungsanordnung 51, 52 hat bevorzugt acht Leiter in jeder Nut, es sind also in jeder Nut 16 Leiter von jeweils zwei zugeordneten Wicklungen vorgesehen. Die Strangwindungszahl beträgt 24 Strangwindungen pro Strang. Verschaltet sind die Wicklungsanordnungen 51, 52 in einer antiparallelen Sternschaltung. Die genannten Zahlen sind beispielhaft, und sie werden vom Fachmann an die jeweils erforderliche Leistung, Spannung und Größe der elektrischen Maschine 20 angepasst.
-
Naturgemäß sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung viele Abwandlungen und Modifikationen möglich.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- US 10978948 B2 [0003]
- EP 2433830 A1 [0004]
- DE 102010040222 A1 [0005]
- WO 90/06618 [0006]
