WO2018060337A1 - Schaltungsanordnung und elektrische maschine - Google Patents

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WO2018060337A1
WO2018060337A1 PCT/EP2017/074641 EP2017074641W WO2018060337A1 WO 2018060337 A1 WO2018060337 A1 WO 2018060337A1 EP 2017074641 W EP2017074641 W EP 2017074641W WO 2018060337 A1 WO2018060337 A1 WO 2018060337A1
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stator
electrical
circuit arrangement
stator winding
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Adrian Patzak
Florian Bachheibl
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Volabo Gmbh
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    • H02M7/53878—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters in a bridge configuration with automatic control of output voltage or current by time shifting switching signals of one diagonal pair of the bridge with respect to the other diagonal pair
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    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • the present invention relates to a circuit arrangement for driving a
  • Stator winding of a stator of an electric machine and an electric machine Stator winding of a stator of an electric machine and an electric machine.
  • Electric machines can be operated by motor or generator.
  • the electric machine may include a stator and a rotor movably mounted relative thereto.
  • the stator may comprise an electrical winding which connects to a
  • Power system is connected, which can be multi-phase.
  • Electric machines can be used, for example, as an engine in hybrid and battery electric vehicles.
  • the problem with these vehicles is that the battery voltages are very high and therefore the converters must also be designed for high voltages. Due to the high battery voltages, insulation and safety measures are necessary. If an electric motor is operated at a lower battery voltage, higher currents occur at the battery and in the rest of the electrical system. This means that the components of the electrical system must be designed for these high currents.
  • An object to be solved is to provide a circuit arrangement for driving a stator winding of a stator of an electrical machine, which can be operated safely and can be manufactured inexpensively. Another object is to provide an electrical machine which operates safely and can be manufactured inexpensively.
  • the stator winding has at least four electrical phases which are designed to be supplied with their own phase current.
  • the stator winding can therefore be connected, for example, to power electronics which supply each of the electrical phases with their own phase current.
  • the electrical phases can, for example, by electrically conductive rods may be formed in grooves in one or more stator laminations of the stator.
  • a modulating signal is associated with each electrical phase, and the modulating signals are out of phase with each other so that the stator winding is configured to generate a rotating field.
  • the modulation signals may be sinusoidal, for example. Due to the phase shift of
  • Modulation signals are generated in the stator during operation of the electric machine, a number of magnetic poles, which rotate along the circumference of an air gap between a stator and a rotor of the electric machine. If a rotor of the electric machine can interact with the pole pair number of the stator, then the rotor can be driven by the rotating field.
  • At least two carrier signals are provided for generating the phase currents.
  • the carrier signals may be in the form of a triangular signal or a sawtooth signal.
  • the phase currents can by pulse width modulation with
  • the electrical phases are divided into at least two groups, each associated with a carrier signal and the carrier signals have a phase offset to each other.
  • the phase offset between the carrier signals may be 180 degrees.
  • each electrical phase is assigned a dedicated half-bridge for generating the phase currents.
  • the current occurring at a central DC link capacitor can be assumed to be the AC component of the superimposed phase currents.
  • the effective value I c of the current on the link capacitor depends on the time course of the current i c , as shown in Equation 1: being averaged over a period of time T.
  • phase offset between the carrier signals is 0, the phase currents on the DC link capacitor also overlap without phase offset, which is too high
  • Phase offset of the various carrier signals however, the RMS value of the current can be reduced at the DC link capacitor.
  • the half bridges in the intermediate circuit can be controlled offset from one another. Therefore, not all phase currents are maximum at the same time, but they are offset in time.
  • a reduction in the current at the DC link capacitor can only be achieved if the stator winding has more than three, ie at least four electrical phases. These can then be controlled by at least two carrier signals. If the maximum occurring at the DC link capacitor current is reduced, and the DC link capacitor itself can be reduced.
  • DC link capacitor can be made smaller.
  • the stator winding has at least four electrical phases which are designed to be supplied with their own phase current.
  • the circuitry includes means for associating a modulating signal with each electrical phase and phase shifting the modulation signals relative to each other so that the stator winding is configured to generate a rotating field.
  • the circuit arrangement further comprises a means for generating at least two carrier signals for generating the phase currents.
  • the electrical phases are divided into at least two groups, each having a carrier signal is assigned and the carrier signals have a phase offset to each other.
  • the circuit arrangement the
  • p is a natural number.
  • the phase currents in the electrical winding generate a rotating field, which is variable in time, so that in a rotor of the electric machine, a torque can be generated, if it interacts with the number of pole pairs of the stator. If p is the pole pair number of the stator, rotating fields with a pole pair number greater than 1 can also be generated in the stator.
  • the frequency of the carrier signal is greater than the frequency of the modulation signal.
  • the frequency of the carrier signal is much larger than the frequency of the modulation signal.
  • the respective phase currents are generated by pulse width modulation.
  • the phase currents can for
  • Example can be generated by pulse width modulation with sine-triangle comparison. It is also possible that the carrier signal has the shape of a sawtooth signal.
  • no voltage which is greater than 60 volts occurs during operation of the circuit arrangement.
  • the electric machine can be operated in the field of safety extra-low voltage. This means that less insulation and safety measures are necessary. Thus, a cheaper production is possible and a simplified maintenance and repair.
  • Circuitry designed to be used in hybrid or battery electric vehicles can also be used in aircraft or ships with hybrid or battery electric drives.
  • the circuit arrangement can also be used in aircraft or ships with hybrid or battery electric drives.
  • Stator winding formed by at least four electrically conductive rods, which are each located in a groove in the stator and wherein each rod forms an electrical phase.
  • the electrically conductive rods may be divided into partial rods or comprise a plurality of rods and be formed, for example, with copper or aluminum.
  • the stator of the electric machine thus has at least four grooves, in each of which an electrically conductive rod is located.
  • the stator may comprise a laminated stator core in which the grooves are made.
  • the stator has a plurality of grooves. Due to the separate control of the electrically conductive rods, it is possible to set different pole pairs in the stator. The number of pole pairs can therefore also be adapted during operation of the electrical machine. Compared to other electric windings for a stator, it is possible in this case to provide a high number of electrical phases. Thus, it is advantageously possible, the
  • Phase currents to be generated by at least two carrier signals which a
  • the at least two groups of the electrical phases each comprise the same number of electrical phases.
  • a number of 15 electrical phases can be divided into, for example, three groups of five phases each, or five groups of three electrical phases each.
  • the at least two groups of the electrical phases each comprise different numbers of electrical ones
  • Phases This division of the electrical phases may be particularly advantageous if the number of electrical phases is a prime number.
  • Figures 1 A and 1B show a part of an exemplary embodiment of
  • FIGS. 2A and 2B show exemplary embodiments of the circuit arrangement.
  • Figures 3A and 3B show exemplary half-bridges for generating the phase currents.
  • FIGS. 4A and 4B illustrate the generation of the phase currents with a carrier signal.
  • FIGS. 5A and 5B illustrate the generation of the phase currents with two carrier signals.
  • Figures 6A and 6B show qualitative current phasors for 60 stator bars.
  • FIGS. 7 and 8 are analytical calculations of the current on
  • FIG. 9 shows a numerical calculation of the current at the DC link capacitor.
  • FIG. 10 shows a plurality of modulation signals and a carrier signal. In FIG. 11, 15 mutually shifted carrier signals are shown.
  • Figure 12 shows the current at the DC link capacitor for various reasons
  • Figures 13A and 13B are qualitative current phasors for 15 virtual phases
  • Figure 14 shows the current at the DC link capacitor for various reasons
  • Figures 15A and 15B show qualitative current phasors for 14 phases.
  • FIG. 18 shows the phase currents for 13 phases.
  • FIGS. 19A and 19B Exemplary embodiments of a stator are shown in FIGS. 19A and 19B.
  • FIG. 1A shows part of an exemplary embodiment of a circuit arrangement 10 for an electrical machine 13.
  • carrier signals T are generated.
  • modulation signals M n are generated.
  • the carrier signals T may, for example, have the form of a sawtooth or a triangle.
  • the modulation signals M n may be sinusoidal. In one
  • Switching signal generator 16 the carrier signals T and the modulation signals M n are compared with each other and generates switching signals S n + , S n ⁇ , where n is a natural number between 1 and N. With the switching signals S n + , S n ⁇ phase currents I n are generated, with which electrical phases ⁇ of a stator winding 11 are driven.
  • Carrier signals T have a higher frequency than the modulation signals M n .
  • the modulation signals M n By means of the modulation signals M n , the different electrical phases .phi.
  • Stator winding 11 phase-shifted driven to each other.
  • a rotating field is generated in a stator 12 of the electric machine 13.
  • the carrier signals T and the modulation signals M n are compared with each other, so that the phase currents I n by means of pulse width modulation by, for example
  • Sine triangle comparison can be generated.
  • a duty cycle for the phase currents I n is generated in the switching signal generator 16. This happens on a common time base t.
  • the electrical phases ⁇ are driven by carrier signals T, which are phase-shifted from one another. The phase shift between the carrier signals
  • T is given by a phase offset ⁇ ⁇ .
  • FIG. 1B similar to FIG. 1A, a part of an exemplary embodiment of FIG.
  • Circuit arrangement 10 for an electric machine 13 is shown.
  • mutually phase-shifted carrier signals T n in FIG. 1A in this case mutually phase-shifted carrier signals T n in FIG. 1A
  • Carrier signal generator 15 generates. This means that the carrier signals T n are phase-shifted by an angle ⁇ .
  • the carrier signals T n are phase-shifted by an angle ⁇ .
  • Figure 1 A is in
  • Carrier signal generator 15 generates a carrier signal T, which is used to drive different groups of electrical phases ⁇ to the phase offset ⁇ ⁇
  • FIG. 2A shows a logic 17 with a plurality of switching signal generators 16.
  • the stator winding 11 has a number of N electrical phases ⁇ , 10 N phase currents Ii to IN are generated in the circuit arrangement.
  • a carrier signal T and the modulation signals Mi to MN are generated in the logic 17.
  • Circuit arrangement 10 in this exemplary embodiment comprises N
  • Switching signal generators 16 These generate the switching signals Si + , Sf to SN + , SN ⁇ .
  • the logic 17 specifies the common time base t. In addition, the logic 17 gives the
  • FIG. 2B similarly to FIG. 2A, a plurality of logic 17 is shown
  • FIG. 3A a plurality of half-bridges 19, which are driven by the switching signal generators 16 of the circuit arrangement 10, are shown.
  • the half-bridges 19 generate the phase currents I n .
  • the switching signal generators 16 of the circuit arrangement 10 are shown.
  • Each of the half-bridges 19 comprises at least two field-effect transistors 20.
  • the phase shift ⁇ between the various carrier signals T minimizes a current Ic at the intermediate-circuit capacitor 18.
  • FIG. 3B shows two half-bridges 19.
  • each of the half bridges 19 is assigned an intermediate circuit capacitor 18. It is also possible for some half bridges 19 to have a respectively assigned intermediate circuit capacitor 18 have and the other half-bridges 19 is associated with a central DC link capacitor 18.
  • FIG. 4A shows qualitative current phasors for four electrical phases ⁇ .
  • the electrical phases ⁇ are each supplied with their own phase current I n , the phase currents I n being phase-shifted by 90 degrees in this case in each case.
  • FIG. 4B shows four modulation signals Mi to M 4 and a carrier signal T. On the y-axis, the amplitude over time t is plotted on the x-axis. As shown in Figure 4A, the four modulation signals Mi through M 4 are each 90 degrees
  • Modulation signals Mi to M 4 associated with a carrier signal T.
  • the carrier signal T has the shape of a triangle.
  • the frequency of the carrier signal T is greater than the frequency of the modulation signals Mi to M 4 .
  • FIG. 5A shows four qualitative current phasors for four electrical phases ⁇ .
  • four different phase currents Ii to I 4 are generated, which are phase-shifted by 90 degrees to each other.
  • the currents Ii and I 3 are on
  • FIG. 5B shows four modulation signals Mi to M 4 and two carrier signals Ti and T 2 . The amplitude is plotted on the y-axis versus time t on the x-axis. The four modulation signals Mi to M 4 are 90 degrees to each other
  • the modulation signals Mi and M3, the carrier signal Ti is assigned, which is shown with a dashed line.
  • the modulation signals M 2 and M 4 , the carrier signal T 2 is assigned, which is shown by a solid line.
  • the two carrier signals Ti and T 2 are 180 degrees to each other
  • FIG. 6A shows qualitative current vectors for 60 electrical phases ⁇ .
  • the stator winding 11 may be formed in the stator 12 by electrically conductive rods 21 in grooves 22.
  • the stator winding 11 comprises 60 electrically conductive rods 21.
  • the electrically conductive rods 21 are supplied with their own phase currents Ii to I 6 o.
  • the electrical phases ⁇ have a
  • stator winding 11 Phase shift of 6 degrees to each other. Therefore, the stator winding 11 generates a rotating field with two magnetic poles.
  • FIG. 6B shows qualitative current vectors for 60 electrical phases ⁇ .
  • the electrical phases ⁇ are phase-shifted by 24 degrees each other.
  • a rotating field with eight poles is generated in the stator winding 11.
  • four phase currents I n are equal in amplitude and phase shift.
  • the currents Ii, Ii 6, 131 and he have the same amplitude and the same phase shift.
  • FIG. 7 shows an analytical calculation of the current at the DC link capacitor 18 for four different numbers N of electrical phases ⁇ .
  • DC link capacitor 18 can be assumed as the alternating component of the superimposed phase currents I n .
  • the current Ic on the DC link capacitor 18 is normalized to the battery current on the y-axis.
  • the modulation index is plotted on the x axis.
  • FIG. 8 shows an analytical calculation of the current at the intermediate circuit capacitor 18 for three different numbers N of the electrical phases ⁇ .
  • the current Ic is plotted on the intermediate circuit capacitor 18 in kiloamps.
  • the x-axis the current Ic is plotted on the intermediate circuit capacitor 18 in kiloamps.
  • Axis is plotted the modulation index.
  • the current Ic at the DC link capacitor 18 is maximum for a number N of 15 electrical phases ⁇ .
  • FIG. 9 shows a numerical calculation of the current Ic at the intermediate circuit capacitor 18.
  • the current Ic was calculated for a converter with 15 electrical phases ⁇ .
  • the phase currents I n by pulse width modulation by
  • DC link capacitor 18 is normalized to one. The time in milliseconds is plotted on the x-axis. Overall, the analytical calculations show
  • FIG. 10 shows 15 modulation signals M and one carrier signal T. In this case, therefore, the same carrier signal T is used in the pulse width modulation for all electrical phases ⁇ .
  • FIG. 10 shows numerical simulations of a triangular carrier signal T and of a multiplicity of sinusoidal modulation signals M. The amplitude is plotted on the y-axis and the time in is on the x-axis
  • the frequency of the carrier signal T is much larger than the frequencies of the modulation signals M, which is why the modulation signals M in
  • a switching signal S n + for generating a phase current I n across a half bridge 19 is generated as a logical 1 in each case when the amplitude of the
  • Modulation signal M is greater than the amplitude of the carrier signal T. Otherwise, the switching signal S n + is generated as a logic 0. In addition, a switching signal S n ⁇ for generating a phase current I n as a logical 1 is generated when the amplitude of
  • Modulation signal M is less than or equal to the amplitude of the carrier signal T and otherwise the switching signal S n ⁇ is generated as a logical 0.
  • FIG. 10 shows that at some times, for example in the circled areas, the phase currents I n of all 15 electrical phases ⁇ to the effective value of the current Ic am
  • FIG. 11 shows 15 mutually shifted carrier signals Ti to Tis. The amplitude is plotted on the y-axis and the time t in milliseconds is plotted on the x-axis. The 15 carrier signals T each have a phase shift of 24 degrees to each other. The modulation index is 50% and the power factor is 0.95. If a carrier signal T of an electrical phase ⁇ is assigned to a stator winding 11 with 15 electrical phases ⁇ , the numerical simulations result in an increase of the current at the intermediate circuit capacitor 18. In FIG. 12, the current Ic at the intermediate circuit capacitor 18 is different
  • Phase shifts ⁇ between the carrier signals T shown. On the y-axis, the current Ic at the intermediate circuit capacitor 18 is normalized to the phase current I n .
  • the phase shift ⁇ between the carrier signals T is plotted on the x axis. This means that if the phase currents I n are generated only with a carrier signal T, ie there is a phase shift of 0 between the carrier signals T, the current Ic at the DC link capacitor 18 is 266% of the phase current I n .
  • Ic at the DC link capacitor 18 for other phase shifts ⁇ between the carrier signals T can be significantly reduced.
  • the current Ic at the DC link capacitor 18 in the case of a phase shift of ⁇ 72 ° only 54% of the phase current I n .
  • FIG. 13A shows qualitative current phasors for 60 electrical phases ⁇ .
  • Each of the electrical phases ⁇ is assigned a phase current I n .
  • the electrical phases ⁇ are each phase-shifted by 24 degrees. Therefore, each have four
  • Phase currents I n the same amplitude and the same phase. That is, a virtual phase number V is defined, which is 15 in this case.
  • the virtual phase number V is defined, which is 15 in this case.
  • Phase number V is given by: (2) where p indicates the number of magnetic pole pairs of the stator.
  • p indicates the number of magnetic pole pairs of the stator.
  • the electrical phases ⁇ are divided into groups. In this example, the
  • electrical phases ⁇ divided into five triplets.
  • One of the triplets is formed by the dashed arrows. That is, the electrical phases ⁇ within one group are each out of phase with each other by the same angle. In this case, the three electrical phases ⁇ of a group are shifted by 120 degrees to each other. That is, in this embodiment, five carrier signals T are provided, each associated with a group of electrical phases ⁇ . Since there are a total of five carrier signals T, these are around:
  • DC link capacitor 18 for this type of control reduced compared to a drive with only one carrier signal T.
  • FIG. 13B as in FIG. 13A, qualitative current phasors for 60 electrical phases ⁇ are shown.
  • the 15 virtual phases are divided into three groups of five, which means that three carrier signals T are provided.
  • One of the groups of five is highlighted by dashed arrows. Because only three
  • Carrier signals T are provided, these are:
  • the DC link capacitor 18 normalized to the phase current I n shown.
  • the modulation index is plotted on the x axis.
  • the power factor is 0.8.
  • the curve 14a represents the current Ic at the DC link capacitor 18 for generating the
  • Phase currents I n with only one carrier signal T As shown above, occur on
  • DC link capacitor 18 for the case shown in Figure 13A.
  • Five carrier signals T are provided, which are phase-shifted by 72 degrees with respect to each other.
  • the 15 virtual phases are divided into five triplets.
  • Curve 14c shows the current Ic at the DC link capacitor 18 for the arrangement in FIG. 13B. That is, three carrier signals T are provided and the 15 virtual phases are divided into three groups of five.
  • FIG. 15A shows qualitative current phasors for 14 electrical phases ⁇ .
  • the 14 electrical phases ⁇ are each phase-shifted by about 26 degrees with respect to each other.
  • the 14 electrical phases ⁇ can be divided, for example, into two groups of seven. One of the groups of seven is shown in dashed lines in FIG. 15A.
  • FIG. 15B shows qualitative current phasors for 14 electrical phases ⁇ . With 14 electrical phases ⁇ it is also possible to divide the phases into seven groups of two. One of these groups of two is shown by dashed lines in FIG. 15B. In FIG. 16, the current Ic at the DC link capacitor 18 is different
  • Curve 16a shows the current Ic on the DC link capacitor 18 in the case shown in Figure 15A.
  • the 14 electrical phases of the electrical winding 1 1 are divided into two groups of seven. That is, two carrier signals T are provided which are 180 degrees out of phase with each other.
  • the curve 16b shows the current Ic at the DC link capacitor 18 in the event that the phase currents I n are generated with only one carrier signal T.
  • the curve 16c shows the current Ic am
  • Link capacitor 18 for the case shown in Fig. 15B.
  • the 14 electric phases ⁇ are divided into seven groups of two.
  • the seven carrier signals T are phase-shifted by about 51 degrees with respect to each other.
  • the generation of the phase currents I n by two carrier signals T, as shown in curve 16 a thus does not contribute to a reduction of the current at the intermediate circuit capacitor 18.
  • a reduction of the current at the DC link capacitor 18 is shown.
  • the current Ic at the intermediate circuit capacitor 18 is shown for different numbers of carrier signals T. On the y-axis, the current Ic is on
  • the stator winding 1 1 comprises thirteen electrical phases ⁇ . That is, the number N of the electric phases ⁇ is a prime number. Therefore, the electric phases ⁇ can not be divided into groups of equal number N of electric phases ⁇ . Therefore, in this embodiment, the electric phases ⁇ are divided into groups having different numbers N of electric phases ⁇ .
  • Curve 17a shows the current Ic on the DC link capacitor 18 for a group with six electrical phases and a group with seven electrical phases. That is, in this case, two carrier signals T are provided.
  • Curve 17b shows the current Ic am
  • the curve 17c shows the current Ic at the DC link capacitor 18, wherein the electrical phases ⁇ are divided into three triplets and a group of four. That is, four carrier signals T are provided in this case.
  • the curve 17d shows the current Ic at the DC link capacitor 18 for a division of the electrical phases ⁇ in five groups of two and a triad.
  • the curve 17e shows the current Ic am DC link capacitor 18 for a division of the electrical phases ⁇ into two groups of four and a group of five.
  • the embodiments of the curves 17c, 17d and 17e are advantageous over the generation of the phase currents I n with only one carrier signal T.
  • stator windings 11 whose number N of the electrical phases ⁇ is a prime number, a reduction of the current at the
  • FIG. 18 shows the phase currents I n of the thirteen electrical phases ⁇ .
  • the phase currents I n are plotted in amperes on the y-axis, and the time t in milliseconds is plotted on the x-axis. Since the number N of the electric phases ⁇ is a prime number in this case, the electric phases ⁇ are divided into groups having different numbers N of electric phases ⁇ . This causes the phase currents In to be asymmetric. In the example shown, however, the deviations from the symmetrical course are small. Asymmetric curves of the phase currents I n can be compensated for example by a current control.
  • FIG. 19A shows an exemplary embodiment of a stator 12 of an electric machine 13.
  • the stator 12 comprises a stator lamination packet 23 into which slots 22 are made.
  • each groove 22 is an electrically conductive rod 21.
  • the rods 21 are electrically connected to each other on a first side of the stator 12 with a short-circuit ring 24 and form an electrical winding 11 of the stator 12.
  • On a second side of the stator 12 are the Rods 21 free of a short-circuit ring 24.
  • a rotor of the electric machine 13 may be arranged in the stator 12.
  • FIG. 19B shows an embodiment of a stator 12,
  • V virtual phase number
  • ⁇ electrical phase

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Abstract

Es wird eine Schaltungsanordnung (10) zum Ansteuern einer Statorwicklung (11) eines Stators (12) einer elektrischen Maschine (13) angegeben. Die Statorwicklung (11) weist mindestens vier elektrische Phasen (In) auf, welche dazu ausgelegt sind mit einem jeweils eigenen Phasenstrom (In) gespeist zu werden. Jeder elektrischen Phase (φ) ist ein Modulationssignal (M) zugeordnet und die Modulationssignale (M) sind zueinander phasenverschoben, so dass die Statorwicklung (11) dazu ausgelegt ist ein Drehfeld zu erzeugen. Mindestens zwei Trägersignale (T) zur Erzeugung der Phasenströme (In) werden bereitgestellt und die elektrischen Phasen (φ) sind in mindestens zwei Gruppen aufgeteilt, denen je ein Trägersignal (T) zugeordnet ist. Die Trägersignale (T) weisen einen Phasenversatz (θ) zueinander auf. Außerdem wird eine elektrische Maschine (13) mit einer Schaltungsanordnung (10) angegeben.

Description

Beschreibung
SCHALTUNGSANORDNUNG UND ELEKTRISCHE MASCHINE Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Ansteuern einer
Statorwicklung eines Stators einer elektrischen Maschine und eine elektrische Maschine.
Elektrische Maschinen können motorisch oder generatorisch betrieben werden. Die elektrische Maschine kann einen Stator und einen relativ dazu beweglich gelagerten Rotor umfassen. Der Stator kann eine elektrische Wicklung umfassen, welche an ein
Stromsystem angeschlossen wird, das mehrphasig sein kann.
Elektrische Maschinen können beispielsweise als Motor in Hybrid- und Batterieelektrischen Fahrzeugen verwendet werden. Dabei besteht bei diesen Fahrzeugen das Problem, dass die Batteriespannungen sehr hoch sind und deshalb auch die Umrichter für hohe Spannungen ausgelegt sein müssen. Aufgrund der hohen Batteriespannungen sind Isolierungs- und Sicherheitsmaßnahmen notwendig. Wird ein elektrischer Motor bei einer kleineren Batteriespannung betrieben, treten höhere Stromstärken an der Batterie und im übrigen Bordnetz auf. Das heißt, die Bestandteile des Bordnetzes müssen für diese hohen Stromstärken ausgelegt sein.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, eine Schaltungsanordnung zum Ansteuern einer Statorwicklung eines Stators einer elektrischen Maschine anzugeben, welche sicher betrieben werden kann und günstig hergestellt werden kann. Eine weitere Aufgabe besteht darin, eine elektrische Maschine anzugeben, welche sicher betrieben werden und günstig hergestellt werden kann.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Schaltungsanordnung zum Ansteuern einer Statorwicklung eines Stators einer elektrischen Maschine weist die Statorwicklung mindestens vier elektrische Phasen auf, welche dazu ausgelegt sind, mit einem jeweils eigenen Phasenstrom gespeist zu werden. Die Statorwicklung kann also beispielsweise an eine Leistungselektronik angeschlossen sein, welche jede der elektrischen Phasen mit einem eigenen Phasenstrom versorgt. Die elektrischen Phasen können beispielsweise durch elektrisch leitfähige Stäbe in Nuten in einem oder mehreren Statorblechen des Stators gebildet sein.
Bei der Schaltungsanordnung ist jeder elektrischen Phase ein Modulationssignal zugeordnet und die Modulationssignale sind zueinander phasenverschoben, so dass die Statorwicklung dazu ausgelegt ist, ein Drehfeld zu erzeugen. Die Modulationssignale können beispielsweise sinusförmig sein. Durch die Phasenverschiebung der
Modulationssignale werden im Stator im Betrieb der elektrischen Maschine eine Anzahl von magnetischen Polen erzeugt, die sich entlang des Umfangs eines Luftspalts zwischen einem Stator und einem Rotor der elektrischen Maschine drehen. Kann ein Rotor der elektrischen Maschine mit der Polpaarzahl des Stators interagieren, so kann der Rotor durch das Drehfeld angetrieben werden.
Es werden mindestens zwei Trägersignale zur Erzeugung der Phasenströme bereitgestellt. Die Trägersignale können die Form eines Dreiecksignals oder eines Sägezahnsignals aufweisen. Die Phasenströme können dabei durch Pulsweitenmodulation mit
Sinusdreieckvergleich erzeugt werden.
Dabei sind die elektrischen Phasen in mindestens zwei Gruppen aufgeteilt, denen je ein Trägersignal zugeordnet ist und die Trägersignale weisen einen Phasenversatz zueinander auf. Falls die elektrischen Phasen beispielsweise in zwei Gruppen aufgeteilt sind, kann der Phasenversatz zwischen den Trägersignalen 180 Grad betragen.
Wenn eine elektrische Maschine mit einer kleinen Batteriespannung betrieben wird, beispielsweise kleiner als 60 Volt, können sehr hohe Batterieströme und sehr hohe Ströme im Bordnetz auftreten. Deshalb ist es vorteilhaft die Wege zwischen der Batterie und der Leistungselektronik kurz zu halten. Besonders hohe Ströme können in einem
Zwischenkreis der Leistungselektronik auftreten, wo jeder elektrischen Phase eine dedizierte Halbbrücke zur Erzeugung der Phasenströme zugeordnet ist. Der an einem zentralen Zwischenkreiskondensator auftretende Strom kann als der Wechselanteil der überlagerten Phasenströme angenommen werden. Der Effektivwert Ic des Stromes am Zwischenkreiskondensator hängt vom Zeitverlauf des Stromes ic ab, wie in Gleichung 1 gezeigt:
Figure imgf000005_0001
wobei hier über eine Zeitdauer T gemittelt wird.
Falls der Phasenversatz zwischen den Trägersignalen 0 beträgt, überlagern sich auch die Phasenströme am Zwischenkreiskondensator ohne Phasenversatz, was zu hohen
Amplituden des Stroms am Zwischenkreiskondensator führen kann. Durch den
Phasenversatz der verschiedenen Trägersignale kann jedoch der Effektivwert des Stroms am Zwischenkreiskondensator reduziert werden. Durch das Bereitstellen von mindestens zwei Trägersignalen können die Halbbrücken im Zwischenkreis versetzt zueinander angesteuert werden. Deshalb sind nicht alle Phasenströme gleichzeitig maximal, sondern sie sind zeitlich zueinander versetzt. Eine Reduzierung des Stromes am Zwischenkreiskondensator kann jedoch nur erreicht werden, wenn die Statorwicklung mehr als drei, also mindestens vier elektrische Phasen aufweist. Diese können dann von mindestens zwei Trägersignalen angesteuert werden. Wenn der maximal am Zwischenkreiskondensator auftretende Strom verringert wird, kann auch der Zwischenkreiskondensator selbst verkleinert werden. Mit dieser Art der
Ansteuerung kann also die Schaltungsanordnung sicherer betrieben werden, da nur kleine Spannungen auftreten und sie kann günstig hergestellt werden, da der
Zwischenkreiskondensator kleiner ausgelegt sein kann.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Schaltungsanordnung zum Ansteuern einer Statorwicklung eines Stators einer elektrischen Maschine weist die Statorwicklung mindestens vier elektrische Phasen auf, welche dazu ausgelegt sind, mit einem jeweils eigenen Phasenstrom gespeist zu werden. Die Schaltungsanordnung umfasst ein Mittel, um jeder elektrischen Phase ein Modulationssignal zuzuordnen und die Modulationssignale zueinander phasenzuverschieben, so dass die Statorwicklung dazu ausgelegt ist, ein Drehfeld zu erzeugen. Die Schaltungsanordnung umfasst weiter ein Mittel zur Erzeugung von mindestens zwei Trägersignalen zur Erzeugung der Phasenströme. Dabei sind die elektrischen Phasen in mindestens zwei Gruppen aufgeteilt, denen je ein Trägersignal zugeordnet ist und die Trägersignale weisen einen Phasenversatz zueinander auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Schaltungsanordnung sind die
360
Modulationssignale zueinander um— * p Grad verschoben, wobei N die Anzahl der
° N ^ '
elektrischen Phasen bezeichnet und p eine natürliche Zahl ist. Somit können im Betrieb der elektrischen Maschine im Stator mindestens zwei Pole erzeugt werden. Die Phasenströme in der elektrischen Wicklung erzeugen ein Drehfeld, welches zeitlich veränderlich ist, so dass in einem Rotor der elektrischen Maschine ein Drehmoment erzeugt werden kann, falls dieser mit der Polpaarzahl des Stators interagiert. Falls p die Polpaarzahl des Stators ist, können im Stator auch Drehfelder mit einer Polpaarzahl von größer als 1 erzeugt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Schaltungsanordnung ist die Frequenz des Trägersignals größer als die Frequenz des Modulationssignals. Bevorzugt ist die Frequenz des Trägersignals viel größer als die Frequenz des Modulationssignals.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Schaltungsanordnung werden die jeweiligen Phasenströme durch Pulsweitenmodulation erzeugt. Die Phasenströme können zum
Beispiel durch Pulsweitenmodulation mit Sinusdreieckvergleich erzeugt werden. Es ist auch möglich, dass das Trägersignal die Form eines Sägezahnsignals aufweist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Schaltungsanordnung tritt im Betrieb der Schaltungsanordnung keine Spannung, welche größer als 60 Volt ist, auf. Somit kann die elektrische Maschine im Bereich der Schutzkleinspannung betrieben werden. Das bedeutet, dass weniger Isolierungs- und Sicherheitsmaßnahmen notwendig sind. Somit ist eine günstigere Produktion möglich und eine vereinfachte Wartung und Reparatur.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Schaltungsanordnung ist die
Schaltungsanordnung dazu ausgelegt, in Hybrid- oder Batterie-elektrischen Fahrzeugen verwendet zu werden. Die Schaltungsanordnung kann auch in Flugzeugen oder Schiffen mit Hybrid- oder Batterie-elektrischen Antrieben verwendet werden. Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Schaltungsanordnung wird die
Statorwicklung durch mindestens vier elektrisch leitfähige Stäbe gebildet, welche sich jeweils in einer Nut im Stator befinden und wobei jeweils ein Stab eine elektrische Phase bildet. Die elektrisch leitfähigen Stäbe können in Teilstäbe unterteilt sein oder mehrere Stäbe umfassen und beispielsweise mit Kupfer oder Aluminium gebildet sein. Der Stator der elektrischen Maschine weist also mindestens vier Nuten auf, in denen sich je ein elektrisch leitfähiger Stab befindet. Der Stator kann ein Statorblechpaket umfassen, in welches die Nuten eingebracht sind. Bevorzugt weist der Stator eine Vielzahl von Nuten auf. Durch die separate Ansteuerung der elektrisch leitfähigen Stäbe ist es möglich, verschiedene Polpaarzahlen im Stator einzustellen. Die Anzahl der Polpaare kann also auch im Betrieb der elektrischen Maschine angepasst werden. Im Vergleich zu anderen elektrischen Wicklungen für einen Stator ist es in diesem Fall möglich eine hohe Anzahl von elektrischen Phasen zu stellen. Damit ist es vorteilhafterweise möglich, die
Phasenströme durch mindestens zwei Trägersignale zu erzeugen, welche einen
Phasenversatz zueinander aufweisen. Somit kann der maximal auftretende Strom am Zwischenkreiskondensator reduziert werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Schaltungsanordnung umfassen die mindestens zwei Gruppen der elektrischen Phasen jeweils gleich viele elektrische Phasen. Eine Anzahl von 15 elektrischen Phasen kann also beispielsweise in drei Gruppen mit jeweils fünf Phasen aufgeteilt werden oder in fünf Gruppen mit jeweils drei elektrischen Phasen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Schaltungsanordnung umfassen die mindestens zwei Gruppen der elektrischen Phasen jeweils unterschiedlich viele elektrische
Phasen. Diese Aufteilung der elektrischen Phasen kann insbesondere vorteilhaft sein, wenn die Anzahl der elektrischen Phasen eine Primzahl ist.
Im Folgenden werden die hier beschriebene Schaltungsanordnung und die elektrische Maschine in Verbindung mit Ausführungsbeispielen und den dazugehörigen Figuren näher erläutert. Figuren 1 A und 1B zeigen einen Teil eines Ausfuhrungsbeispiels der
S chaltungs anordnung .
Figuren 2A und 2B zeigen Ausführungsbeispiele der Schaltungsanordnung.
Figuren 3A und 3B zeigen beispielhafte Halbbrücken zur Erzeugung der Phasenströme.
Mit den Figuren 4A und 4B wird die Erzeugung der Phasenströme mit einem Trägersignal verdeutlicht.
Mit den Figuren 5A und 5B wird die Erzeugung der Phasenströme mit zwei Trägersignalen verdeutlicht.
Die Figuren 6A und 6B zeigen qualitative Stromzeiger für 60 Statorstäbe.
In den Figuren 7 und 8 sind analytische Berechnungen des Stroms am
Zwischenkreiskondensator gezeigt.
In Figur 9 ist eine numerische Berechnung des Stroms am Zwischenkreiskondensator gezeigt.
In Figur 10 sind mehrere Modulationssignale und ein Trägersignal dargestellt. In Figur 11 sind 15 zueinander verschobene Trägersignale gezeigt.
Figur 12 zeigt den Strom am Zwischenkreiskondensator für verschiedene
Phasenverschiebungen der Trägersignale.
In den Figuren 13A und 13B sind qualitative Stromzeiger für 15 virtuelle Phasen
dargestellt.
Figur 14 zeigt den Strom am Zwischenkreiskondensator für verschiedene
Gruppierungen der Trägersignale. Die Figuren 15A und 15B zeigen qualitative Stromzeiger für 14 Phasen.
In den Figuren 16 und 17 ist der Strom am Zwischenkreiskondensator für verschiedene
Gruppierungen der Trägersignale gezeigt.
In Figur 18 sind die Phasenströme für 13 Phasen gezeigt.
In den Figuren 19A und 19B sind Ausführungsbeispiele eines Stators gezeigt.
In Figur 1A ist ein Teil eines Ausführungsbeispiels einer Schaltungsanordnung 10 für eine elektrische Maschine 13 gezeigt. In einem Trägersignalgenerator 15 werden Trägersignale T generiert. In einem Modulationsgenerator 14 werden Modulationssignale Mn generiert. Die Trägersignale T können beispielsweise die Form eines Sägezahns oder eines Dreiecks aufweisen. Die Modulationssignale Mn können sinusförmig sein. In einem
Schaltsignalgenerator 16 werden die Trägersignale T und die Modulationssignale Mn miteinander verglichen und Schaltsignale Sn +, Sn ~ erzeugt, wobei n eine natürliche Zahl zwischen 1 und N ist. Mit den Schaltsignalen Sn +, Sn ~ werden Phasenströme In erzeugt, mit welchen elektrische Phasen φ einer Statorwicklung 11 angesteuert werden. Die
Trägersignale T weisen eine höhere Frequenz als die Modulationssignale Mn auf. Durch die Modulationssignale Mn werden die verschiedenen elektrischen Phasen φ der
Statorwicklung 11 phasenverschoben zueinander angesteuert. Dadurch wird in einem Stator 12 der elektrischen Maschine 13 ein Drehfeld erzeugt. Im Schaltsignalgenerator 16 werden die Trägersignale T und die Modulationssignale Mn miteinander verglichen, so dass die Phasenströme In mittels Pulsweitenmodulation durch zum Beispiel
Sinusdreieckvergleich erzeugt werden. Dadurch wird im Schaltsignalgenerator 16 ein Tastverhältnis für die Phasenströme In erzeugt. Dies geschieht auf einer gemeinsamen Zeitbasis t. Um die maximal auftretenden Ströme in der Schaltungsanordnung 10 zu reduzieren, werden die elektrischen Phasen φ von Trägersignalen T angesteuert, welche phasenverschoben zueinander sind. Die Phasenverschiebung zwischen den Trägersignalen
T ist durch einen Phasenversatz θη gegeben. In Figur 1B ist ähnlich wie in Figur 1A ein Teil eines Ausführungsbeispiels der
Schaltungsanordnung 10 für eine elektrische Maschine 13 gezeigt. Im Gegensatz zu Figur 1A werden in diesem Fall zueinander phasenverschobene Trägersignale Tn im
Trägersignalgenerator 15 erzeugt. Das bedeutet, die Trägersignale Tn sind um einen Winkel Θ zueinander phasenverschoben. Im Beispiel in Figur 1 A wird im
Trägersignalgenerator 15 ein Trägersignal T erzeugt, welches zur Ansteuerung von verschiedenen Gruppen von elektrischen Phasen φ um den Phasenversatz θη
phasenverschoben wird. In Figur 2A ist eine Logik 17 mit einer Vielzahl von Schaltsignalgeneratoren 16 gezeigt. Wenn die Statorwicklung 11 eine Anzahl von N elektrischen Phasen φ aufweist, werden in der Schaltungsanordnung 10 N Phasenströme Ii bis IN erzeugt. Dazu werden in der Logik 17 ein Trägersignal T und die Modulationssignale Mi bis MN erzeugt. Die
Schaltungsanordnung 10 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel N
Schaltsignalgeneratoren 16. Diese erzeugen die Schaltsignale Si+, Sf bis SN+, SN~. Die Logik 17 gibt die gemeinsame Zeitbasis t vor. Außerdem gibt die Logik 17 den
Phasenversatz θι bis ΘΝ zwischen den Trägersignalen T vor.
In Figur 2B ist ähnlich wie in Figur 2A eine Logik 17 mit einer Vielzahl von
Schaltsignalgeneratoren 16 gezeigt. In diesem Fall werden in der Logik 17 um einen Phasenversatz Θ zueinander phasenverschobene Trägersignale Tn erzeugt.
In Figur 3A sind eine Vielzahl von Halbbrücken 19, die von den Schaltsignalgeneratoren 16 der Schaltungsanordnung 10 angesteuert werden, gezeigt. Mit den Halbbrücken 19 werden die Phasenströme In erzeugt. In diesem Ausführungsbeispiel weist der
Zwischenkreis mit der Vielzahl der Halbbrücken 19 einen zentralen
Zwischenkreiskondensator 18 auf. Jede der Halbbrücken 19 umfasst mindestens zwei Feldeffekttransistoren 20. Durch die Phasenverschiebung Θ zwischen den verschiedenen Trägersignalen T wird ein Strom Ic am Zwischenkreiskondensator 18 minimiert.
In Figur 3B sind zwei Halbbrücken 19 gezeigt. In diesem Ausführungsbeispiel ist jeder der Halbbrücken 19 ein Zwischenkreiskondensator 18 zugeordnet. Es ist auch möglich, dass einige Halbbrücken 19 einen jeweils zugeordneten Zwischenkreiskondensator 18 aufweisen und den anderen Halbbrücken 19 ein zentraler Zwischenkreiskondensator 18 zugeordnet ist.
In Figur 4A sind qualitative Stromzeiger für vier elektrische Phasen φ gezeigt. Die elektrischen Phasen φ werden jeweils mit einem eigenen Phasenstrom In gespeist, wobei die Phasenströme In in diesem Fall jeweils um 90 Grad zueinander phasenverschoben sind. Mit den dargestellten Phasenströmen Ii bis I4 wird durch die Statorwicklung 11 ein Drehfeld mit zwei Polen erzeugt. In Figur 4B sind vier Modulationssignale Mi bis M4 und ein Trägersignal T gezeigt. Auf der y- Achse ist die Amplitude über der Zeit t auf der x- Achse aufgetragen. Wie in Figur 4A gezeigt, sind die vier Modulationssignale Mi bis M4 um jeweils 90 Grad
phasenverschoben zueinander. In diesem Ausführungsbeispiel ist den vier
Modulationssignalen Mi bis M4 ein Trägersignal T zugeordnet. Das Trägersignal T weist die Form eines Dreiecks auf. Die Frequenz des Trägersignals T ist größer als die Frequenz der Modulationssignale Mi bis M4.
Figur 5A zeigt vier qualitative Stromzeiger für vier elektrische Phasen φ. Es werden also vier unterschiedliche Phasenströme Ii bis I4 erzeugt, welche um jeweils 90 Grad zueinander phasenverschoben sind. In diesem Fall ist den Strömen Ii und I3 ein
Trägersignal Ti zugeordnet und den Phasenströmen I2 und I4 ein Trägersignal T2. Die gestrichelte Linie deutet also die Zuordnung des Trägersignals Ti und die durchgezogene Linie die Zuordnung des Trägersignals T2 an. In Figur 5B sind vier Modulationssignale Mi bis M4 und zwei Trägersignale Ti und T2 gezeigt. Die Amplitude ist auf der y- Achse gegen die Zeit t auf der x- Achse aufgetragen. Die vier Modulationssignale Mi bis M4 sind um jeweils 90 Grad zueinander
phasenverschoben. Den Modulationssignalen Mi und M3 ist das Trägersignal Ti zugeordnet, welches mit einer gestrichelten Linie dargestellt ist. Den Modulationssignalen M2 und M4 ist das Trägersignal T2 zugeordnet, welches mit einer durchgezogenen Linie dargestellt ist. Die zwei Trägersignale Ti und T2 sind um 180 Grad zueinander
phasenverschoben. In Figur 6A sind qualitative Stromzeiger für 60 elektrische Phasen φ gezeigt.
Beispielsweise kann die Statorwicklung 11 im Stator 12 durch elektrisch leitfähige Stäbe 21 in Nuten 22 gebildet sein. In diesem Ausführungsbeispiel umfasst die Statorwicklung 11 60 elektrisch leitfähige Stäbe 21. Die elektrisch leitfähigen Stäbe 21 werden mit einem jeweils eigenen Phasenstrom Ii bis I6o gespeist. Die elektrischen Phasen φ weisen eine
Phasenverschiebung von 6 Grad zueinander auf. Deshalb erzeugt die Statorwicklung 11 ein Drehfeld mit zwei magnetischen Polen.
Figur 6B zeigt qualitative Stromzeiger für 60 elektrische Phasen φ. In diesem Beispiel sind die elektrischen Phasen φ um jeweils 24 Grad zueinander phasenverschoben. Somit wird in der Statorwicklung 11 ein Drehfeld mit acht Polen erzeugt. Das bedeutet, dass jeweils vier Phasenströme In gleich in Amplitude und Phasenverschiebung sind. Beispielsweise weisen die Ströme Ii, Ii 6, 131 und he die gleiche Amplitude und die gleiche Phasenverschiebung auf.
Figur 7 zeigt eine analytische Berechnung des Stromes am Zwischenkreiskondensator 18 für vier verschiedene Anzahlen N von elektrischen Phasen φ. Der Strom Ic am
Zwischenkreiskondensator 18 kann als der Wechselanteil der überlagerten Phasenströme In angenommen werden. Auf der y- Achse ist der Strom Ic am Zwischenkreiskondensator 18 normiert auf den Batteriestrom aufgetragen. Auf der x- Achse ist der Modulationsindex aufgetragen. Der Strom Ic am Zwischenkreiskondensator 18 ist für Statorwicklungen 11 mit unterschiedlichen Anzahlen N von elektrischen Phasen φ gezeigt. Für eine Anzahl der elektrischen Phasen φ von N = 3 ist der Strom Ic am Zwischenkreiskondensator 18 am höchsten. Ab einer Anzahl N von 15 elektrischen Phasen φ der Statorwicklung 11 nimmt der Strom Ic am Zwischenkreiskondensator 18 nur noch geringfügig mit steigender Anzahl
N der elektrischen Phasen φ ab.
In Figur 8 ist eine analytische Berechnung des Stromes am Zwischenkreiskondensator 18 für drei verschiedene Anzahlen N der elektrischen Phasen φ gezeigt. Auf der y- Achse ist der Strom Ic am Zwischenkreiskondensator 18 in Kiloampere aufgetragen. Auf der x-
Achse ist der Modulationsindex aufgetragen. Der Strom Ic am Zwischenkreiskondensator 18 ist für eine Anzahl N von 15 elektrischen Phasen φ maximal. In diesem Fall ist eine Zwischenkreisspannung von nur 24 Volt vorgegeben, weshalb sehr hohe Batterieströme und damit auch sehr hohe Ströme am Zwischenkreiskondensator 18 auftreten.
In Figur 9 ist eine numerische Berechnung des Stroms Ic am Zwischenkreiskondensator 18 gezeigt. Der Strom Ic wurde für einen Umrichter mit 15 elektrischen Phasen φ berechnet. In diesem Fall werden die Phasenströme In durch Pulsweitenmodulation durch
Sinusdreieckvergleich erzeugt. Auf der y- Achse ist der Strom Ic am
Zwischenkreiskondensator 18 auf eins normiert aufgetragen. Auf der x- Achse ist die Zeit in Millisekunden aufgetragen. Insgesamt zeigen die analytischen Berechnungen
Abweichungen von weniger als drei Prozent zu der numerischen Simulation.
In Figur 10 sind 15 Modulationssignale M und ein Trägersignal T dargestellt. In diesem Fall wird also bei der Pulsweitenmodulation für alle elektrischen Phasen φ dasselbe Trägersignal T verwendet. In Figur 10 sind numerische Simulationen eines Dreieck- Trägersignals T und einer Vielzahl von sinusförmigen Modulationssignalen M gezeigt. Auf der y- Achse ist die Amplitude aufgetragen und auf der x- Achse ist die Zeit in
Millisekunden aufgetragen. Die Frequenz des Trägersignals T ist viel größer als die Frequenzen der Modulationssignale M, weshalb die Modulationssignale M im
dargestellten Zeitabschnitt nur eine geringe Veränderung der Amplitude zeigen. Bei der Pulsweitenmodulation wird jeweils ein Schaltsignal Sn + zur Erzeugung eines Phasenstroms In über eine Halbbrücke 19 als logische 1 erzeugt, wenn die Amplitude des
Modulationssignals M größer ist als die Amplitude des Trägersignals T. Ansonsten wird das Schaltsignal Sn + als logische 0 erzeugt. Außerdem wird ein Schaltsignal Sn ~ zur Erzeugung eines Phasenstromes In als logische 1 erzeugt, wenn die Amplitude des
Modulationssignals M kleiner oder gleich der Amplitude des Trägersignals T ist und ansonsten wird das Schaltsignal Sn ~ als logische 0 erzeugt. In Figur 10 ist gezeigt, dass zu manchen Zeitpunkten, beispielsweise in den eingekreisten Bereichen, die Phasenströme In von allen 15 elektrischen Phasen φ zum Effektivwert des Stroms Ic am
Zwischenkreiskondensator 18 beitragen. Zu den im negativen Bereich der y- Achse markierten Zeitpunkten ist also die Amplitude der Modulationssignale M für alle 15 elektrischen Phasen φ größer als die Amplitude des Trägersignals T. Das bedeutet, dass der überlagerte Strom Ic am Zwischenkreiskondensator 18 zu diesen Zeitpunkten maximal wird. In Figur 11 sind 15 zueinander verschobene Trägersignale Ti bis Tis gezeigt. Auf der y- Achse ist die Amplitude aufgetragen und auf der x- Achse ist die Zeit t in Millisekunden aufgetragen. Die 15 Trägersignale T weisen jeweils eine Phasenverschiebung von 24 Grad zueinander auf. Der Modulationsindex beträgt 50 % und der Leistungsfaktor 0,95. Wird bei einer Statorwicklung 11 mit 15 elektrischen Phasen φ jeweils ein Trägersignal T einer elektrischen Phase φ zugeordnet, so ergeben die numerischen Simulationen eine Erhöhung des Stroms am Zwischenkreiskondensator 18. In Figur 12 ist der Strom Ic am Zwischenkreiskondensator 18 für verschiedene
Phasenverschiebungen Θ zwischen den Trägersignalen T gezeigt. Auf der y- Achse ist der Strom Ic am Zwischenkreiskondensator 18 normiert auf den Phasenstrom In aufgetragen. Auf der x- Achse ist die Phasenverschiebung Θ zwischen den Trägersignalen T aufgetragen. Das bedeutet, falls die Phasenströme In nur mit einem Trägersignal T erzeugt werden, es also eine Phasenverschiebung von 0 zwischen den Trägersignalen T gibt, beträgt der Strom Ic am Zwischenkreiskondensator 18 266 % des Phasenstroms In. Werden mehrere
Trägersignale T zur Erzeugung der Phasenströme In bereitgestellt und diese um
beispielsweise 24 Grad zueinander phasenverschoben, wird der Strom Ic am
Zwischenkreiskondensator 18 deutlich erhöht im Vergleich zur Erzeugung der
Phasenströme In mit nur einem Trägersignal T. Es ist jedoch auch gezeigt, dass der Strom
Ic am Zwischenkreiskondensator 18 für andere Phasenverschiebungen Θ zwischen den Trägersignalen T deutlich reduziert werden kann. Beispielsweise beträgt der Strom Ic am Zwischenkreiskondensator 18 im Falle einer Phasenverschiebung von Θ = 72° lediglich 54 % des Phasenstroms In.
In Figur 13 A sind qualitative Stromzeiger für 60 elektrische Phasen φ gezeigt. Jeder der elektrischen Phasen φ ist ein Phasenstrom In zugeordnet. Die elektrischen Phasen φ sind jeweils um 24 Grad zueinander phasenverschoben. Daher weisen jeweils vier
Phasenströme In die gleiche Amplitude und die gleiche Phase auf. Das heißt, es wird eine virtuelle Phasenanzahl V definiert, welche in diesem Fall 15 beträgt. Die virtuelle
Phasenanzahl V ist gegeben durch: (2) wobei p die Anzahl der magnetischen Polpaare des Stators angibt. Zur Ansteuerung der elektrischen Phasen φ durch unterschiedliche Trägersignale T werden die elektrischen Phasen φ in Gruppen aufgeteilt. In diesem Beispiel werden die
elektrischen Phasen φ in fünf Dreiergruppen aufgeteilt. Eine der Dreiergruppen ist durch die gestrichelten Pfeile gebildet. Das heißt, die elektrischen Phasen φ innerhalb von einer Gruppe sind jeweils um den gleichen Winkel zueinander phasenverschoben. In diesem Fall sind die drei elektrischen Phasen φ einer Gruppe um jeweils 120 Grad zueinander verschoben. Das heißt, in diesem Ausführungsbeispiel werden fünf Trägersignale T bereitgestellt, welche jeweils einer Gruppe von elektrischen Phasen φ zugeordnet sind. Da es insgesamt fünf Trägersignale T gibt, sind diese um:
360°
Θ = = 72°
5 zueinander phasenverschoben. Wie in Figur 12 gezeigt ist der Strom Ic am
Zwischenkreiskondensator 18 für diese Art der Ansteuerung reduziert gegenüber einer Ansteuerung mit nur einem Trägersignal T.
In Figur 13B sind wie in Figur 13A qualitative Stromzeiger für 60 elektrische Phasen φ dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel werden die 15 virtuellen Phasen in drei Fünfergruppen aufgeteilt, was bedeutet, dass drei Trägersignale T bereitgestellt werden. Eine der Fünfergruppen ist durch gestrichelte Pfeile hervorgehoben. Da nur drei
Trägersignale T bereitgestellt werden, sind diese um:
360°
Θ = = 120°
3 zueinander phasenverschoben. Auch bei dieser Art der Ansteuerung ist der Strom Ic am Zwischenkreiskondensator 18 reduziert gegenüber einer Ansteuerung mit nur einem Trägersignal T. In Figur 14 ist der Strom Ic am Zwischenkreiskondensator 18 für unterschiedliche
Anzahlen von Trägersignalen T dargestellt. Auf der y- Achse ist der Strom Ic am
Zwischenkreiskondensator 18 normiert auf den Phasenstrom In dargestellt. Auf der x- Achse ist der Modulationsindex aufgetragen. Der Leistungsfaktor beträgt 0,8. Die Kurve 14a stellt den Strom Ic am Zwischenkreiskondensator 18 für eine Erzeugung der
Phasenströme In mit nur einem Trägersignal T dar. Wie oben gezeigt, treten am
Zwischenkreiskondensator 18 durch die Überlagerung der Phasenströme In höhere Ströme als die Phasenströme In auf. Die Kurve 14b zeigt den Strom Ic am
Zwischenkreiskondensator 18 für den Fall, welcher in Figur 13A dargestellt ist. Es werden fünf Trägersignale T bereitgestellt, welche um 72 Grad zueinander phasenverschoben sind. Die 15 virtuellen Phasen werden in fünf Dreiergruppen aufgeteilt. Kurve 14c zeigt den Strom Ic am Zwischenkreiskondensator 18 für die Anordnung in Figur 13B. Das heißt, es werden drei Trägersignale T bereitgestellt und die 15 virtuellen Phasen werden in drei Fünfergruppen aufgeteilt. Durch die Erzeugung der Phasenströme In durch mehrere
Trägersignale T kann also der Strom Ic am Zwischenkreiskondensator 18 reduziert werden. Je nach Modulationsindex ist es vorteilhafter, bei 15 virtuellen Phasen die Phasen in drei Fünfergruppen oder in fünf Dreiergruppen aufzuteilen. In Figur 15 A sind qualitative Stromzeiger für 14 elektrische Phasen φ dargestellt. Die 14 elektrischen Phasen φ sind jeweils um etwa 26 Grad zueinander phasenverschoben. Zur Ansteuerung mit mehreren Trägersignalen T können die 14 elektrischen Phasen φ beispielsweise in zwei Siebenergruppen aufgeteilt werden. Eine der Siebenergruppen ist in Figur 15A gestrichelt dargestellt.
In Figur 15B sind qualitative Stromzeiger für 14 elektrische Phasen φ dargestellt. Bei 14 elektrischen Phasen φ ist es ebenfalls möglich, die Phasen in sieben Zweiergruppen aufzuteilen. Eine dieser Zweiergruppen ist in Figur 15B gestrichelt dargestellt. In Figur 16 ist der Strom Ic am Zwischenkreiskondensator 18 für unterschiedliche
Anzahlen von Trägersignalen T dargestellt. Auf der y- Achse ist der Strom Ic am
Zwischenkreiskondensator 18 normiert auf den Phasenstrom In aufgetragen. Auf der x- Achse ist der Modulationsindex aufgetragen. Der Leistungsfaktor beträgt 0,8. Kurve 16a zeigt den Strom Ic am Zwischenkreiskondensator 18 für den Fall, welcher in Figur 15A dargestellt ist. Die 14 elektrischen Phasen der elektrischen Wicklung 1 1 werden in zwei Siebenergruppen aufgeteilt. Das heißt, es werden zwei Trägersignale T bereitgestellt, welche um 180 Grad zueinander phasenverschoben sind. Die Kurve 16b zeigt den Strom Ic am Zwischenkreiskondensator 18 für den Fall, dass die Phasenströme In mit nur einem Trägersignal T erzeugt werden. Die Kurve 16c zeigt den Strom Ic am
Zwischenkreiskondensator 18 für den Fall, welcher in Figur 15B gezeigt ist. In diesem Fall werden die 14 elektrischen Phasen φ in sieben Zweiergruppen aufgeteilt. Die sieben Trägersignale T sind um etwa 51 Grad zueinander phasenverschoben. Die Erzeugung der Phasenströme In durch zwei Trägersignale T, wie in Kurve 16a gezeigt, trägt also nicht zu einer Reduzierung des Stroms am Zwischenkreiskondensator 18 bei. Jedoch ist für die Erzeugung der Phasenströme In mit sieben Trägersignalen T eine Reduzierung des Stroms am Zwischenkreiskondensator 18 gezeigt. In Figur 17 ist der Strom Ic am Zwischenkreiskondensator 18 für verschiedene Anzahlen von Trägersignalen T gezeigt. Auf der y- Achse ist der Strom Ic am
Zwischenkreiskondensator 18 normiert auf den Phasenstrom In aufgetragen. Auf der x- Achse ist der Modulationsindex aufgetragen. Der Leistungsfaktor beträgt 0,8. In diesem Ausführungsbeispiel umfasst die Statorwicklung 1 1 dreizehn elektrische Phasen φ. Das heißt, die Anzahl N der elektrischen Phasen φ ist eine Primzahl. Daher können die elektrischen Phasen φ nicht in Gruppen mit gleicher Anzahl N von elektrischen Phasen φ aufgeteilt werden. Daher werden bei diesem Ausführungsbeispiel die elektrischen Phasen φ in Gruppen mit unterschiedlichen Anzahlen N von elektrischen Phasen φ aufgeteilt. Kurve 17a zeigt den Strom Ic am Zwischenkreiskondensator 18 für eine Gruppe mit sechs elektrischen Phasen und eine Gruppe mit sieben elektrischen Phasen. Das heißt, in diesem Fall werden zwei Trägersignale T bereitgestellt. Kurve 17b zeigt den Strom Ic am
Zwischenkreiskondensator 18 für eine Erzeugung der Phasenströme In mit nur einem Trägersignal T. Die Kurve 17c zeigt den Strom Ic am Zwischenkreiskondensator 18, wobei die elektrischen Phasen φ in drei Dreiergruppen und eine Vierergruppe aufgeteilt sind. Das heißt, in diesem Fall werden vier Trägersignale T bereitgestellt. Die Kurve 17d zeigt den Strom Ic am Zwischenkreiskondensator 18 für eine Aufteilung der elektrischen Phasen φ in fünf Zweiergruppen und eine Dreiergruppe. Die Kurve 17e zeigt den Strom Ic am Zwischenkreiskondensator 18 für eine Aufteilung der elektrischen Phasen φ in zwei Vierergruppen und eine Fünfergruppe. Insgesamt sind die Ausführungsbeispiele der Kurven 17c, 17d und 17e vorteilhaft gegenüber der Erzeugung der Phasenströme In mit nur einem Trägersignal T. Somit ist es auch möglich, für Statorwicklungen 11, deren Anzahl N der elektrischen Phasen φ eine Primzahl ist, eine Reduzierung des Stroms am
Zwischenkreiskondensator 18 zu erreichen.
In Figur 18 sind die Phasenströme In der dreizehn elektrischen Phasen φ gezeigt. Auf der y- Achse sind die Phasenströme In in Ampere aufgetragen und auf der x- Achse ist die Zeit t in Millisekunden aufgetragen. Da die Anzahl N der elektrischen Phasen φ in diesem Fall eine Primzahl ist, werden die elektrischen Phasen φ in Gruppen mit unterschiedlichen Anzahlen N von elektrischen Phasen φ aufgeteilt. Dies führt dazu, dass die Phasenströme In asymmetrisch verlaufen. In dem gezeigten Beispiel sind die Abweichungen vom symmetrischen Verlauf jedoch gering. Asymmetrische Verläufe der Phasenströme In können beispielsweise durch eine Stromregelung kompensiert werden.
Figur 19A zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Stators 12 einer elektrischen Maschine 13. Der Stator 12 umfasst ein Statorblechpaket 23, in welches Nuten 22 eingebracht sind. In jeder Nut 22 befindet sich ein elektrisch leitfähiger Stab 21. Die Stäbe 21 sind auf einer ersten Seite des Stators 12 mit einem Kurzschlussring 24 elektrisch leitend miteinander verbunden und bilden eine elektrische Wicklung 11 des Stators 12. Auf einer zweiten Seite des Stators 12 sind die Stäbe 21 frei von einem Kurzschlussring 24. Ein Rotor der elektrischen Maschine 13 kann im Stator 12 angeordnet sein. Figur 19B zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Stators 12,
welcher an einer Stromversorgungseinheit 25 der Leistungselektronik angeschlossen ist. Die Stäbe 21 in den Nuten 22 können separat von der Stromversorgungseinheit 25 gespeist werden. Bezugszeichenliste
10 : S chaltungsanordnung
11 : Statorwicklung
12: Stator
13: elektrische Maschine
14: Modulationsgenerator
15: Trägersignalgenerator
16 : S chaltsignalgenerator
17: Logik
18: Zwischenkreiskondensator
19: Halbbrücke
20: Feldeffekttransistor
21 : Stab
22: Nuten
23: Statorblechpaket
24: Kurzschlussring
25 : Stromversorgungseinheit
Ic: Strom
In: Phasenstrom
M: Modulationssignal
N: Anzahl der elektrischen Phasen
Sn +: Schaltsignal
Sn ": Schaltsignal
T: Trägersignal
t: Zeit
V: virtuelle Phasenanzahl φ: elektrische Phase
Θ: Phasenversatz der Trägersignale

Claims

Patentansprüche
1. Schaltungsanordnung (10) zum Ansteuern einer Statorwicklung (11) eines Stators (12) einer elektrischen Maschine (13), wobei:
- die Statorwicklung (11) mindestens vier elektrische Phasen (φ) aufweist, welche dazu ausgelegt sind mit einem jeweils eigenen Phasenstrom (In) gespeist zu werden,
- jeder elektrischen Phase (φ) ein Modulationssignal (M) zugeordnet ist und die
Modulationssignale (M) zueinander phasenverschoben sind, so dass die Statorwicklung (11) dazu ausgelegt ist ein Drehfeld zu erzeugen,
- mindestens zwei Trägersignale (T) zur Erzeugung der Phasenströme (In) bereitgestellt werden,
- die elektrischen Phasen (φ) in mindestens zwei Gruppen aufgeteilt sind, denen je ein Trägersignal (T) zugeordnet ist, und
- die Trägersignale (T) einen Phasenversatz (Θ) zueinander aufweisen.
2. Schaltungsanordnung (10) zum Ansteuern einer Statorwicklung (11) eines Stators (12) einer elektrischen Maschine (13) gemäß Anspruch 1, wobei die Modulationssignale (M)
360
zueinander um— * p Grad verschoben sind und N die Anzahl der elektrischen Phasen (φ) bezeichnet und p eine natürliche Zahl ist.
3. Schaltungsanordnung (10) zum Ansteuern einer Statorwicklung (11) eines Stators (12) einer elektrischen Maschine (13) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Frequenz des Trägersignals (T) größer als die Frequenz des Modulationssignals (M) ist.
4. Schaltungsanordnung (10) zum Ansteuern einer Statorwicklung (11) eines Stators (12) einer elektrischen Maschine (13) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die jeweiligen Phasenströme (In) durch Pulsweitenmodulation erzeugt werden.
5. Schaltungsanordnung (10) zum Ansteuern einer Statorwicklung (11) eines Stators (12) einer elektrischen Maschine (13) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei im
Betrieb der Schaltungsanordnung (10) keine Spannung, welche größer als 60 V ist, auftritt.
6. Schaltungsanordnung (10) zum Ansteuern einer Statorwicklung (11) eines Stators (12) einer elektrischen Maschine (13) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Schaltungsanordnung (10) dazu ausgelegt ist in hybrid- oder batterieelektrischen
Fahrzeugen verwendet zu werden.
7. Schaltungsanordnung (10) zum Ansteuern einer Statorwicklung (11) eines Stators (12) einer elektrischen Maschine (13) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Statorwicklung (11) durch mindestens vier elektrisch leitfähige Stäbe (21) gebildet wird, welche sich jeweils in einer Nut (22) im Stator (12) befinden und wobei jeweils ein Stab (21) eine elektrische Phase (φ) bildet.
8. Schaltungsanordnung (10) zum Ansteuern einer Statorwicklung (11) eines Stators (12) einer elektrischen Maschine (13) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die mindestens zwei Gruppen der elektrischen Phasen (φ) jeweils gleich viele elektrische Phasen (φ) umfassen.
9. Schaltungsanordnung (10) zum Ansteuern einer Statorwicklung (11) eines Stators (12) einer elektrischen Maschine (13) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die mindestens zwei Gruppen der elektrischen Phasen (φ) jeweils unterschiedlich viele elektrische Phasen (φ) umfassen.
10. Elektrische Maschine (13), mit:
- einem Stator (12), welcher mindestens vier Nuten (22) aufweist, in welchen sich je ein elektrisch leitfähiger Stab (21) befindet, wobei die Stäbe (21) eine Statorwicklung (11) bilden, und jeder der Stäbe (21) eine elektrische Phase (φ) bildet und dazu ausgelegt ist mit einem jeweils eigenen Phasenstrom (In) gespeist zu werden,
- einem Modulationsgenerator (14), der dafür ausgelegt ist für jede elektrische Phase (φ) ein Modulationssignal (M) zu erzeugen, wobei die Modulationssignale (M) zueinander phasenverschoben sind, so dass die Statorwicklung (11) dazu ausgelegt ist ein Drehfeld zu erzeugen,
- einem Trägersignalgenerator (15), der dazu ausgelegt ist mindestens zwei Trägersignale (T) zur Erzeugung der Phasenströme (In) bereit zu stellen, wobei: - die elektrischen Phasen (φ) in mindestens zwei Gruppen aufgeteilt sind, denen je ein Trägersignal (T) zugeordnet ist, und
- die Trägersignale (T) einen Phasenversatz (Θ) zueinander aufweisen.
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