WO2020221388A1 - Motorsteuerungseinheit mit einem magnetisierbaren kopplungselement und elektromotorbaugruppe - Google Patents

Motorsteuerungseinheit mit einem magnetisierbaren kopplungselement und elektromotorbaugruppe Download PDF

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WO2020221388A1
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induction
module
electric motor
motor
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Baao Ngoc AN
Andreas HUMBERT
Jens KROITZSCH
Matthias Gramann
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Schaeffler Technologies AG & Co. KG
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    • H03H1/0007—Constructional details of impedance networks whose electrical mode of operation is not specified or applicable to more than one type of network of radio frequency interference filters

Definitions

  • the invention relates to an engine control unit for controlling a
  • Electric motor according to the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to an electric motor assembly according to claim 10.
  • an electric motor is controlled by a
  • the motor control unit effects the commutation required for the electric motor by setting the phase voltages of the electric motor and contains switching elements that are used as IGBTs and, due to the increasing motor voltages and increased demands on energy consumption, as wideband gap semiconductors, for example as SiC power semiconductors or GaN power semiconductors , can be executed.
  • connections between the motor control unit and the electric motor existing electric motor assembly can for example be installed as a drive in a vehicle.
  • the electric motors operated in the high-voltage range are controlled by fast-switching switching elements in the motor control unit. Due to the high voltage gradients in each switching process of the switching elements, steep voltage rises in the pulsed phase voltages can occur. For example, the voltage pulses triggered by these high voltage gradients can lead to partial discharges in the stator insulation, which can result in breakdowns in the stator winding.
  • output filters are used which are designed as du / dt filters, as sine-formers or, in particular, if the
  • Resonance frequency of such du / dt filter can be designed as a sine filter.
  • a motor control unit with an output filter is described in US Pat. No. 5,686,806 A1, for example. This is an output filter between the
  • the output filter is a low-pass filter with an ohmic resistance
  • the object of the present invention is to improve an electric motor assembly with an electric motor.
  • Electric motor assemblies should be more reliable, more stable, longer lasting and consume less energy.
  • the installation space of the engine control unit is to be reduced.
  • the motor control unit can be manufactured more cheaply and constructed smaller.
  • the installation space taken up by the induction elements can be reduced.
  • the electromagnetic coupling via the coupling element is preferably carried out with a magnetic permeability which is at least 10 times as high, in particular at least 100 times as high as that of air.
  • the engine control unit can be installed in a vehicle or other traffic or transportation means.
  • the motor control unit can use the electric motor to drive the vehicle.
  • the engine control unit can be assigned to a hybrid module of the vehicle.
  • the electric motor can have at least three or more motor phases.
  • the induction element can be integrated in the switching module. This allows the component and manufacturing costs of the motor control circuit to be reduced.
  • the induction element can be assigned independently to the switching module as an external module.
  • the switching module can have at least one
  • the coupling element can electromagnetically couple the first and second inductances to one another, preferably in series and / or in parallel.
  • Inductance can have the same or preferably opposite polarity exhibit. A different polarity can reduce or prevent saturation of the coupling element.
  • the switching module has to
  • the first as well as the second or a further half-bridge module can also be jointly assigned to a single motor phase.
  • the half-bridge modules assigned to a respective motor phase can be connected in parallel. This allows the power of the motor phase to be increased.
  • the induction module is as
  • Filter module designed to filter the first phase signal output by the first half-bridge module to the electric motor.
  • the filter module can also be used to filter the from the second half-bridge module to the electric motor
  • the filter module can form a low-pass filter.
  • the filter module can form a du / dt filter, in particular a sine filter, or a sine former or similar filters. This can reduce the voltage gradients of the switching module and the electrical
  • the electric motor can be operated with a better degree of efficiency through a sinusoidal filter.
  • the heat load in the electric motor can decrease.
  • the induction module can form a DC voltage converter.
  • the coupling element has a first inductance influencing and magnetizable first active section, which is assigned to the first induction element, and a second inductivity influencing and magnetizable second active section, which is assigned to the second induction element.
  • first inductance influencing and magnetizable first active section which is assigned to the first induction element
  • second inductivity influencing and magnetizable second active section which is assigned to the second induction element.
  • the coupling element has a magnetizable coupling section which electromagnetically connects the first and second active section outside the first and second induction element
  • the magnetic flux in the coupling section is greater than in its surroundings, in particular greater than in air.
  • first and second induction elements are arranged adjacently along a first axis and the coupling section extends essentially along the first axis.
  • the coupling element has a magnetizable further effective section which contributes to the first inductance and is assigned to the first induction element.
  • the coupling element can additionally have a magnetizable further effective section which contributes to the second inductance and is assigned to the second induction element.
  • Active section arranged adjacent to a second axis perpendicular to the first axis.
  • the second and further active sections can be arranged adjacently along the second axis.
  • the first active section and further active sections can have the same or different lengths.
  • the first and further active sections can be arranged in the first induction element uniformly or offset from one another.
  • the coupling section can electromagnetically connect the first and further operative sections to one another.
  • Coupling section can electromagnetically connect the second and further active sections to one another
  • the coupling element is constructed from a ferromagnetic material.
  • the coupling element can comprise an iron core.
  • the magnetic permeability of the coupling element can preferably be much greater than that of air.
  • an electric motor assembly according to claim 10 is proposed to solve at least one of the aforementioned objects.
  • the electric motor can be in be installed in a vehicle.
  • the electric motor can drive the vehicle or another means of traffic or transportation.
  • the electric motor can be assigned to a flybridge module of the vehicle.
  • Figure 1 A block diagram of a motor control unit in a special
  • FIG. 2 A block diagram of a motor control unit in a further special embodiment of the invention.
  • FIG. 3 A motor control unit in a further special
  • FIG. 4 A motor control unit in a further special
  • FIG. 5 A motor control unit in a further special
  • FIG. 6 A motor control unit in a further special
  • FIG. 7 A motor control unit in a further special
  • FIG 8 A motor control unit in a further special
  • FIG. 1 shows a block diagram of a motor control unit 10 in a special embodiment of the invention.
  • the engine control unit 10 is part of a
  • the electric motor assembly 12 can be installed in a vehicle.
  • the electric motor 14 can drive the Effect vehicle and be assigned to a hybrid module of the vehicle.
  • the electric motor 14 has n motor phases Pi, that is to say starting with a first
  • the engine control unit 10 comprises a switching module 16, which n
  • Half-bridge modules Mi that is, starting from a first half-bridge module M1 up to an n-th half-bridge module Mn.
  • Each half-bridge module Mi is assigned, for example, to a motor phase Pi of the electric motor 14 and causes a phase signal at the respective motor phase Mi.
  • the first half-bridge module M1 is assigned to the first motor phase P1 of the electric motor 14 and causes a first phase signal to the first motor phase P1.
  • the first and second half-bridge modules M1 and M2 can also be assigned to the first motor phase P1, for example.
  • Each half-bridge module Mi preferably has at least two switching elements 18, which can be designed as IGBT or other wideband gap semiconductors, for example SiC power semiconductors or GaN power semiconductors.
  • the motor control unit 10 comprises an induction module 20 which has m induction elements Fi, that is, starting from a first induction element F1 up to an m-th induction element Fm.
  • An induction element Fi is here in particular assigned to a half-bridge module Mi and is effective
  • the first induction element F1 is the first
  • Half-bridge module assigned to M1 The number m of induction elements Fi is thus equal to the number n of half-bridge modules Mi. However, the number of can
  • Half-bridge modules be Mi.
  • Each induction element Fi has an inductance Li, that is, starting from a first inductance L1 up to an m-th inductance Lm.
  • the first induction element F1 has a first inductance L1.
  • the respective inductance Li can be determined by suitable coil winding in the respective
  • Influence induction element Fi For example, the polarity in the respective Induction element Fi can be the same or preferably different across all induction elements Fi.
  • the induction module 20 is preferably designed as a filter module 22 for filtering the from the respective Flalbmaschine module Mi to the electric motor 14 via the
  • the filter module 22 can form a low-pass filter, in particular a du / dt filter, particularly preferably a sine filter or sine shaper or some other filter.
  • a du / dt filter can reduce the voltage gradients of the switching module 16 for controlling the electric motor 14 and thereby reduce the electrical loads in the
  • Stator winding of the electric motor 14 can be reduced.
  • the electric motor 14 can be operated with a better efficiency by means of a sinusoidal filter.
  • Heat load in the electric motor 14 can decrease.
  • the induction module 20 has a common to the induction elements Fi
  • the coupling element 24 here in particular couples the respective inductances Li electromagnetically in series with one another. A direct component of the magnetic flux can be reduced or prevented by a different polarity of the respective inductances Li.
  • the coupling element 24 is constructed from a ferromagnetic material and comprises an iron core.
  • the magnetic permeability of the coupling element 24 can preferably be much greater, for example more than 100 times higher than that of air.
  • the coupling element 24 has m each magnetizable effective section Bi, starting from a first effective section B1 up to an m-th effective section Bm, which are assigned to the respective induction element Fi and thereby influence the inductances Li.
  • the coupling element 24 has a magnetizable coupling section 26, which the active sections Bi
  • the magnetizable first effective section B1 is the first
  • the magnetizable second active section B2 is assigned to the second induction element F2 and influences the second inductance L2.
  • the magnetic flux in the first and second active section B1, B2 is greater than in its surroundings, in particular greater than in air.
  • the respective inductances Li can be made smaller.
  • FIG. 2 shows a block diagram of a motor control unit 10 in a further special embodiment of the invention.
  • the half-bridge modules Mij are arranged here in a matrix arrangement with a number I of columns and a number k of rows.
  • Each half-bridge module Mij has an induction element Fij.
  • the induction elements F 1 i are arranged adjacently along a first axis 28 and the induction elements Fkj are arranged adjacently along a second axis 30 extending perpendicularly with respect to the first axis 28.
  • the coupling section 26 extends along the first axis 28 and the second axis 30 outside the induction elements Fij and electromagnetically connects the active sections Bij to one another. When an external magnetic field is applied, the magnetic flux in the coupling section 26 is greater than in its surroundings, in particular greater than in air.
  • the half-bridge modules Mij can be connected to one another in a serial and / or parallel arrangement.
  • each individual half-bridge module Mij can be assigned to a motor phase, with which a total of I x k motor phases are controlled.
  • the half-bridge modules Mij arranged in a respective column i can also be jointly assigned to a motor phase, whereby a total of I motor phases are controlled.
  • FIG. 3 shows a motor control unit 10 in a further special one
  • the switching module 16 consists of three
  • Half-bridge modules Mi which are arranged adjacently along the first axis 28.
  • the induction module 20 is integrated in the switching module 16.
  • Half-bridge module Mi in each case assigned induction elements Fi have respective inductances Li, which are electromagnetically coupled to one another via the coupling element 24.
  • FIG. 4 shows a motor control unit 10 in a further special embodiment of the invention.
  • the half-bridge modules Mij are constructed from M11 to M23 in a matrix arrangement.
  • the induction module 20 is integrated in the switching module 16.
  • the induction elements Fij assigned to each half-bridge module Mij have respective inductances Lij, which over the
  • Coupling element 24 are electromagnetically coupled to one another.
  • the coupling section 26 arranged outside the respective induction elements Fij extends mainly along the second axis 30.
  • FIG. 5 shows a motor control unit 10 in a further special one
  • Induction elements Fi are arranged uniformly long and evenly in the respective induction elements Fi.
  • Induction element F1 has a first active section B1 and another
  • Active section B1 ‘ both of which are electromagnetically connected to one another by the coupling section 26 outside the induction elements Fi.
  • an engine control unit 10 is in a further specific one
  • Embodiment of the invention shown.
  • the active sections Bi and the further active sections Bi ' are arranged offset to one another.
  • the active sections Bi and the further active sections Bi ' are electromagnetically connected to one another by the coupling section 26 outside the induction elements Fi.
  • FIG. 7 shows a motor control unit 10 in a further special one
  • the induction elements Fi are arranged adjacently along the first axis 28.
  • the coupling section 26 extends outside the induction elements Fi essentially along the first axis 28.
  • an engine control unit 10 is in another particular one
  • the induction elements Fi are independently assigned to the switching module 16.
  • the induction module 20 is connected to the switching module 16 as an external module, for example.
  • the number and arrangement of the induction elements Fi assigned to each half-bridge module Mi can be selected as required.
  • an induction element Fi can be assigned to each half-bridge module Mi.
  • no induction element Fi is assigned to one or more half-bridge modules Mi or that several induction elements Fi are assigned to a half-bridge module Mi.
  • two half-bridge modules Mi can be jointly assigned to an induction element Fi and a motor phase.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Motorsteuerungseinheit (10) zur Ansteuerung eines zumindest eine erste Motorphase (P1) aufweisenden Elektromotors (14), umfassend ein Schaltmodul (16), das zur Erzeugung wenigstens eines ersten Phasensignals an der ersten Motorphase (P1) ein erstes Halbbrückenmodul (M1) aufweist, ein Induktionsmodul (20) mit einem ersten Induktionselement (F1), das dem ersten Halbbrückenmodul (M1) zugeordnet und wirksam zwischen dem ersten Halbbrückenmodul (M1) und dem Elektromotor (14) angeordnet ist und das eine erste Induktivität (L1) aufweist und einem getrennt von dem ersten Induktionselement (F1) ausgeführten zweiten Induktionselement (F2), das eine zweite Induktivität (L2) aufweist, wobei das Induktionsmodul (20) ein dem ersten und zweiten Induktionselement (F1, F2) gemeinsam zugeordnetes magnetisierbares Kopplungselement (24) aufweist, über das die erste und zweite Induktivität (L1, L2) elektromagnetisch miteinander koppelbar sind. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Elektromotorbaugruppe (12) mit einer derartigen Motorsteuerungseinheit (10).

Description

Motorsteuerungseinheit mit einem magnetisierbaren Kopplungselement und
Elektromotorbaugruppe
Beschreibungseinleitung
Die Erfindung betrifft eine Motorsteuerungseinheit zur Ansteuerung eines
Elektromotors nach dem Oberbegriff von Anspruch 1. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Elektromotorbaugruppe nach Anspruch 10.
Die Ansteuerung eines Elektromotors erfolgt bekanntermaßen durch eine
Motorsteuerungseinheit in Form einer Leistungselektronik. Die
Motorsteuerungseinheit bewirkt die für den Elektromotor gewünschte Kommutierung über die Einstellung der Phasenspannungen des Elektromotors und enthält dabei Schaltelemente, die als IGBT und aufgrund der zunehmenden Motorspannungen und gestiegenen Ansprüche an den Energieverbrauch als Wideband-Gap Halbleiter, beispielsweise als SiC-Leistungshalbleiter oder als GaN-Leistungshalbleiter, ausgeführt sein können.
Die aus der Motorsteuerungseinheit, dem Elektromotor und den elektrischen
Verbindungen zwischen der Motorsteuerungseinheit und dem Elektromotor bestehende Elektromotorbaugruppe kann beispielsweise als Fahrantrieb in einem Fahrzeug eingebaut sein. Die dabei im Hochvoltbereich betriebenen Elektromotoren werden durch schnell schaltende Schaltelemente der Motorsteuerungseinheit angesteuert. Durch die hohen Spannungsgradienten bei jedem Schaltvorgang der Schaltelemente können steile Spannungsanstiege der gepulsten Phasenspannungen auftreten. Beispielsweise können die durch diese hohen Spannungsgradienten ausgelösten Spannungsimpulse zu Teilentladungen in der Statorisolierung führen, die Durchschläge in der Statorwicklung zur Folge haben können. Um die
Spannungsimpulse zu verringern, ist es bekannt, die Anstiegszeit der
Spannungsflanken und damit die Spannungsgradienten durch geeignete
Ausgangsfilter zu verringern. Dabei werden Ausgangsfilter eingesetzt, die als du/dt- Filter, als Sine-Former oder insbesondere bei geeigneter Wahl der
Resonanzfrequenz derartiger du/dt-Filter als Sinusfilter ausgeführt sein können. Eine Motorsteuerungseinheit mit einem Ausgangsfilter ist beispielsweise in US 5,686,806 A1 beschrieben. Darin wird ein Ausgangsfilter zwischen die
Motoransteuerung und die elektrische Verbindung zu dem Elektromotor geschaltet. Der Ausgangsfilter ist ein Tiefpassfilter mit einem ohmschen Widerstand zur
Dämpfung der elektrischen Energie bei der Ansteuerung des Elektromotors.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Elektromotorbaugruppe mit einem Elektromotor zu verbessern. Die Motorsteuerungseinheit und die
Elektromotorbaugruppe soll zuverlässiger, beständiger, länger haltbar sein, sowie weniger Energie verbrauchen. Der Bauraum der Motorsteuerungseinheit soll verringert werden.
Wenigstens eine dieser Aufgaben wird durch eine Motorsteuerungseinheit mit den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst. Dadurch kann die Ansteuerung des
Elektromotors verbessert und der Elektromotor effizienter betrieben werden. Die Motorsteuerungseinheit kann günstiger hergestellt und kleiner aufgebaut werden.
Der durch die Induktionselemente eingenommene Bauraum kann verringert werden.
Die elektromagnetische Kopplung über das Kopplungselement erfolgt bevorzugt mit einer magnetischen Permeabilität, die wenigstens 10 mal so hoch, insbesondere wenigstens 100 mal so hoch wie die von Luft ist.
Die Motorsteuerungseinheit kann in einem Fahrzeug oder einem anderem Verkehrs oder Transportmittel eingebaut sein. Die Motorsteuerungseinheit kann mit dem Elektromotor einen Antrieb des Fahrzeugs bewirken. Die Motorsteuerungseinheit kann einem Hybridmodul des Fahrzeugs zugeordnet sein. Der Elektromotor kann zumindest drei oder mehr Motorphasen aufweisen.
Das Induktionselement kann in dem Schaltmodul integriert sein. Dadurch können die Bauteil- und Herstellungskosten der Motorsteuerschaltung verringert werden. Das Induktionselement kann dem Schaltmodul als externes Modul eigenständig zugeordnet sein. Das Schaltmodul kann wenigstens einen
Zwischenkreiskondensator aufweisen.
Das Kopplungselement kann die erste und zweite Induktivität elektromagnetisch miteinander bevorzugt seriell und/oder parallel koppeln. Die erste und zweite
Induktivität können eine gleiche oder bevorzugt eine entgegengesetzte Polung aufweisen. Durch eine unterschiedliche Polung kann eine Sättigung des Kopplungselements verringert oder verhindert werden.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung weist das Schaltmodul zur
Erzeugung wenigstens eines zweiten Phasensignals an einer zweiten Motorphase des Elektromotors ein zweites Halbbrückenmodul auf wobei das zweite
Induktionselement dem zweiten Halbbrückenmodul zugeordnet und wirksam zwischen dem zweiten Halbbrückenmodul und dem Elektromotor angeordnet ist.
Das erste sowie das zweite oder ein weiteres Halbbrückenmodul können gemeinsam auch einer einzelnen Motorphase zugeordnet sein. Die einer jeweiligen Motorphase zugeordneten Halbbrückenmodule können parallel verschaltet sein. Dadurch kann die Leistung der Motorphase erhöht werden.
In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist das Induktionsmodul als
Filtermodul zur Filterung des von dem ersten Halbbrückenmodul an den Elektromotor ausgegebenen ersten Phasensignals ausgeführt. Das Filtermodul kann auch zur Filterung des von dem zweiten Halbbrückenmodul an den Elektromotor
ausgegebenen zweiten Phasensignals ausgeführt sein. Das Filtermodul kann einen Tiefpassfilter bilden. Das Filtermodul kann einen du/dt-Filter, insbesondere einen Sinusfilter, oder einen Sine-Former oder gleichartige Filter bilden. Dadurch können die Spannungsgradienten des Schaltmoduls verringert und die elektrischen
Belastungen in der Statorwicklung des Elektromotors verringert werden. Durch einen Sinusfilter kann der Elektromotor mit einem besseren Wirkungsgrad betrieben werden. Die Wärmebelastung in dem Elektromotor kann abnehmen. Alternativ oder zusätzlich kann das Induktionsmodul einen Gleichspannungswandler bilden.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung weist das Kopplungselement einen die erste Induktivität beeinflussenden und magnetisierbaren ersten Wirkabschnitt, der dem ersten Induktionselement zugeordnet ist und einen die zweite Induktivität beeinflussenden und magnetisierbaren zweiten Wirkabschnitt, der dem zweiten Induktionselement zugeordnet ist, auf. Der magnetische Fluss in dem ersten und/oder zweiten Wirkabschnitt ist bei anliegendem äußeren Magnetfeld größer als in dessen Umgebung, insbesondere größer als in Luft. ln einer speziellen Ausführung der Erfindung weist das Kopplungselement einen magnetisierbaren Kopplungsabschnitt auf, der den ersten und zweiten Wirkabschnitt elektromagnetisch außerhalb des ersten und zweiten Induktionselements
miteinander verbindet. Der magnetische Fluss in dem Kopplungsabschnitt ist bei anliegendem äußeren Magnetfeld größer als in dessen Umgebung, insbesondere größer als in Luft.
In einer weiteren speziellen Ausführung der Erfindung sind das erste und zweite Induktionselement entlang einer ersten Achse benachbart angeordnet und der Kopplungsabschnitt erstreckt sich im Wesentlichen entlang der ersten Achse.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung weist das Kopplungselement einen zu der ersten Induktivität beitragenden und magnetisierbaren weiteren Wirkabschnitt, der dem ersten Induktionselement zugeordnet ist, auf. Das Kopplungselement kann zusätzlich einen zu der zweiten Induktivität beitragenden und magnetisierbaren weiteren Wirkabschnitt, der dem zweiten Induktionselement zugeordnet ist, aufweisen.
In einer speziellen Ausführung der Erfindung sind der erste und weitere
Wirkabschnitt entlang einer zu der ersten Achse senkrecht verlaufenden zweiten Achse benachbart angeordnet. Der zweite und weitere Wirkabschnitt können entlang der zweiten Achse benachbart angeordnet sein. Der erste Wirkabschnitt und weitere Wirkabschnitt können eine gleiche oder unterschiedliche Länge aufweisen. Der erste und weitere Wirkabschnitt können in dem ersten Induktionselement gleichmäßig oder versetzt zueinander angeordnet sein. Der Kopplungsabschnitt kann den ersten und weiteren Wirkabschnitt elektromagnetisch miteinander verbinden. Der
Kopplungsabschnitt kann den zweiten und weiteren Wirkabschnitt elektromagnetisch miteinander verbinden
In einer speziellen Ausführung der Erfindung ist das Kopplungselement aus einem ferromagnetischen Material aufgebaut. Das Kopplungselement kann einen Eisenkern umfassen. Die magnetische Permeabilität des Kopplungselements kann bevorzugt viel größer als die von Luft sein.
Weiterhin wird zur Lösung wenigstens einer der zuvor genannten Aufgaben eine Elektromotorbaugruppe nach Anspruch 10 vorgeschlagen. Der Elektromotor kann in einem Fahrzeug eingebaut sein. Der Elektromotor kann einen Antrieb des Fahrzeugs oder eines anderen Verkehrs- oder Transportmittels bewirken. Der Elektromotor kann einem Flybridmodul des Fahrzeugs zugeordnet sein.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Figurenbeschreibung und den Abbildungen.
Figurenbeschreibung
Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Abbildungen ausführlich beschrieben. Es zeigen im Einzelnen:
Figur 1 : Ein Blockschaltbild einer Motorsteuerungseinheit in einer speziellen
Ausführungsform der Erfindung.
Figur 2: Ein Blockschaltbild einer Motorsteuerungseinheit in einer weiteren speziellen Ausführungsform der Erfindung.
Figur 3: Eine Motorsteuerungseinheit in einer weiteren speziellen
Ausführungsform der Erfindung.
Figur 4: Eine Motorsteuerungseinheit in einer weiteren speziellen
Ausführungsform der Erfindung.
Figur 5: Eine Motorsteuerungseinheit in einer weiteren speziellen
Ausführungsform der Erfindung.
Figur 6: Eine Motorsteuerungseinheit in einer weiteren speziellen
Ausführungsform der Erfindung.
Figur 7: Eine Motorsteuerungseinheit in einer weiteren speziellen
Ausführungsform der Erfindung.
Figur 8: Eine Motorsteuerungseinheit in einer weiteren speziellen
Ausführungsform der Erfindung.
Figur 1 zeigt ein Blockschaltbild einer Motorsteuerungseinheit 10 in einer speziellen Ausführungsform der Erfindung. Die Motorsteuerungseinheit 10 ist Teil einer
Elektromotorbaugruppe 12 der ein Elektromotor 14 zugehört, der wiederum durch die Motorsteuerungseinheit 10 angesteuert wird. Die Elektromotorbaugruppe 12 kann in einem Fahrzeug eingebaut sein. Der Elektromotor 14 kann einen Antrieb des Fahrzeugs bewirken und einem Hybridmodul des Fahrzeugs zugeordnet sein. Der Elektromotor 14 weist n Motorphasen Pi, also angefangen von einer ersten
Motorphase P1 bis zu einer n-ten Motorphase Pn auf, über die die Ansteuerung des Elektromotors 14 ausgehend von der Motorsteuerungseinheit 10 erfolgt.
Die Motorsteuerungseinheit 10 umfasst ein Schaltmodul 16, das n
Halbbrückenmodule Mi, also angefangen von einem ersten Halbbrückenmodul M1 bis zu einem n-ten Halbbrückenmodul Mn aufweist. Jedes Halbbrückenmodul Mi ist beispielsweise jeweils einer Motorphase Pi des Elektromotors 14 zugeordnet und bewirkt jeweils ein Phasensignal an der jeweiligen Motorphase Mi. Beispielsweise ist das erste Halbbrückenmodul M1 der ersten Motorphase P1 des Elektromotors 14 zugeordnet und bewirkt ein erstes Phasensignal an der ersten Motorphase P1. Auch können beispielsweise das erste und zweite Halbbrückenmodul M1 und M2 der ersten Motorphase P1 zugeordnet sein. Jedes Halbbrückenmodul Mi weist bevorzugt wenigstens zwei Schaltelemente 18 auf, die als IGBT oder andere Wideband-Gap- Halbleiter, beispielsweise SiC-Leistungshalbleiter oder GaN-Leistungshalbleiter ausgeführt sein können.
Weiterhin umfasst die Motorsteuerungseinheit 10 ein Induktionsmodul 20, das m Induktionselemente Fi, also angefangen von einem ersten Induktionselement F1 bis zu einem m-ten Induktionselement Fm, aufweist. Ein Induktionselement Fi ist hier insbesondere jeweils einem Halbbrückenmodul Mi zugeordnet und wirksam
zwischen dem jeweiligen Halbbrückenmodul Mi und dem Elektromotor 14
angeordnet. Beispielsweise ist das erste Induktionselement F1 dem ersten
Halbbrückenmodul M1 zugeordnet. Die Anzahl m an Induktionselementen Fi ist somit gleich der Anzahl n an Halbbrückenmodulen Mi. Jedoch kann die Anzahl an
Induktionselementen Fi auch unterschiedlich zu der Anzahl n an
Halbbrückenmodulen Mi sein.
Jedes Induktionselement Fi weist dabei eine Induktivität Li, also angefangen von einer ersten Induktivität L1 bis zu einer m-ten Induktivität Lm, auf. Beispielsweise weist das erste Induktionselement F1 eine erste Induktivität L1 auf. Die jeweilige Induktivität Li lässt sich durch geeignete Spulenwicklung in dem jeweiligen
Induktionselement Fi beeinflussen. Beispielsweise kann die Polung in dem jeweiligen Induktionselement Fi über alle Induktionselemente Fi hinweg gleich oder bevorzugt unterschiedlich sein.
Das Induktionsmodul 20 ist bevorzugt als Filtermodul 22 ausgeführt zur Filterung der von dem jeweiligen Flalbbrückenmodul Mi an den Elektromotor 14 über die
Motorphasen Pi ausgegebenen jeweiligen Phasensignale. Das Filtermodul 22 kann einen Tiefpassfilter, insbesondere einen du/dt-Filter, besonders bevorzugt einen Sinusfilter oder Sine-Former oder einen anderen Filter bilden. Durch einen du/dt- Filter können die Spannungsgradienten des Schaltmoduls 16 zur Ansteuerung des Elektromotors 14 verringert und dadurch die elektrischen Belastungen in der
Statorwicklung des Elektromotors 14 verringert werden. Durch einen Sinusfilter kann der Elektromotor 14 mit einem besseren Wirkungsgrad betrieben werden. Die
Wärmebelastung in dem Elektromotor 14 kann abnehmen.
Das Induktionsmodul 20 weist ein den Induktionselementen Fi gemeinsam
zugeordnetes magnetisierbares Kopplungselement 24 auf, über das die jeweiligen Induktivitäten Li elektromagnetisch miteinander gekoppelt sind. Dadurch kann der durch die Induktionselemente Fi eingenommene Bauraum verringert werden. Die Motorsteuerungseinheit 10 kann günstiger hergestellt und kleiner aufgebaut werden. Das Kopplungselement 24 koppelt hier insbesondere die jeweiligen Induktivitäten Li elektromagnetisch seriell miteinander. Durch eine unterschiedliche Polung der jeweiligen Induktivitäten Li kann ein Gleichanteil des magnetischen Flusses verringert oder verhindert werden.
Das Kopplungselement 24 ist aus einem ferromagnetischen Material aufgebaut und umfasst einen Eisenkern. Die magnetische Permeabilität des Kopplungselements 24 kann bevorzugt viel größer, beispielsweise mehr als 100 mal höher als die von Luft sein. Das Kopplungselement 24 weist m jeweils magnetisierbare Wirkabschnitte Bi, angefangen von einem ersten Wirkabschnitt B1 bis hin zu einem m-ten Wirkabschnitt Bm, auf, die dem jeweiligen Induktionselement Fi zugeordnet sind und dabei die Induktivitäten Li jeweils beeinflussen. Das Kopplungselement 24 weist einen magnetisierbaren Kopplungsabschnitt 26 auf, der die Wirkabschnitte Bi
elektromagnetisch außerhalb der Induktionselemente Fi miteinander verbindet.
Beispielsweise ist der magnetisierbare erste Wirkabschnitt B1 dem ersten
Induktionselement F1 zugeordnet und beeinflusst die erste Induktivität L1 und der magnetisierbare zweite Wirkabschnitt B2 ist dem zweiten Induktionselement F2 zugeordnet und beeinflusst die zweite Induktivität L2. Der magnetische Fluss in dem ersten und zweiten Wirkabschnitt B1 , B2 ist bei anliegendem äußeren Magnetfeld größer als in dessen Umgebung, insbesondere größer als in Luft. Dadurch können die jeweiligen Induktivitäten Li kleiner aufgebaut werden.
In Figur 2 ist ein Blockschaltbild einer Motorsteuerungseinheit 10 in einer weiteren speziellen Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Die Halbbrückenmodule Mij sind hier in einer Matrixanordnung mit einer Anzahl I an Spalten und einer Anzahl k an Zeilen angeordnet. Jedes Halbbrückenmodul Mij weist ein Induktionselement Fij auf.
Die Induktionselemente F 1 i sind entlang einer ersten Achse 28 benachbart angeordnet und die Induktionselemente Fkj sind entlang einer gegenüber der ersten Achse 28 senkrecht verlaufenden zweiten Achse 30 benachbart angeordnet. Der Kopplungsabschnitt 26 erstreckt sich entlang der ersten Achse 28 und der zweiten Achse 30 außerhalb der Induktionselemente Fij und verbindet die Wirkabschnitte Bij elektromagnetisch miteinander. Der magnetische Fluss in dem Kopplungsabschnitt 26 ist bei anliegendem äußeren Magnetfeld größer als in dessen Umgebung, insbesondere größer als in Luft.
Die Halbbrückenmodule Mij können in serieller und/oder paralleler Anordnung miteinander verschaltet sein. Beispielsweise kann jedes einzelne Halbbrückenmodul Mij einer Motorphase zugeordnet sein, womit insgesamt I x k Motorphasen angesteuert werden. Auch können die in einer jeweiligen Spalte i angeordneten Halbbrückenmodule Mij gemeinsam einer Motorphase zugeordnet sein, womit insgesamt I Motorphasen angesteuert werden.
Figur 3 zeigt eine Motorsteuerungseinheit 10 in einer weiteren speziellen
Ausführungsform der Erfindung. Das Schaltmodul 16 besteht aus drei
Halbbrückenmodulen Mi, die entlang der ersten Achse 28 benachbart angeordnet sind. Das Induktionsmodul 20 ist in dem Schaltmodul 16 integriert. Die jedem
Halbbrückenmodul Mi jeweils zugeordneten Induktionselemente Fi weisen jeweilige Induktivitäten Li auf, die über das Kopplungselement 24 elektromagnetisch miteinander gekoppelt sind. lm Figur 4 ist eine Motorsteuerungseinheit 10 in einer weiteren speziellen Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Die Halbbrückenmodule Mij sind dabei von M11 bis M23 in einer Matrixanordnung aufgebaut. Das Induktionsmodul 20 ist in dem Schaltmodul 16 integriert. Die jedem Halbbrückenmodul Mij zugeordneten Induktionselemente Fij weisen jeweilige Induktivitäten Lij auf, die über das
Kopplungselement 24 elektromagnetisch miteinander gekoppelt sind. Der außerhalb der jeweiligen Induktionselemente Fij angeordnete Kopplungsabschnitt 26 erstreckt sich dabei hauptsächlich entlang der zweiten Achse 30.
Figur 5 zeigt eine Motorsteuerungseinheit 10 in einer weiteren speziellen
Ausführungsform der Erfindung. Die jeweiligen Wirkabschnitte Bi der
Induktionselemente Fi sind gleichmäßig lang und gleichmäßig in den jeweiligen Induktionselementen Fi angeordnet. Jedem Induktionselement Fi sind dabei zwei Wirkabschnitte Bi und Bi' zugeordnet. Beispielsweise umfasst das erste
Induktionselement F1 einen ersten Wirkabschnitt B1 und einen weiteren
Wirkabschnitt B1‘, die beide durch den Kopplungsabschnitt 26 außerhalb der Induktionselemente Fi elektromagnetisch miteinander verbunden sind.
In Figur 6 ist eine Motorsteuerungseinheit 10 in einer weiteren speziellen
Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Hier sind der Wirkabschnitte Bi und die weiteren Wirkabschnitte Bi' versetzt zueinander angeordnet. Die Wirkabschnitte Bi und die weiteren Wirkabschnitte Bi' sind durch den Kopplungsabschnitt 26 außerhalb der Induktionselemente Fi elektromagnetisch miteinander verbunden.
Figur 7 zeigt eine Motorsteuerungseinheit 10 in einer weiteren speziellen
Ausführungsform der Erfindung. Die Induktionselemente Fi sind entlang der ersten Achse 28 benachbart angeordnet. Der Kopplungsabschnitt 26 erstreckt sich dabei außerhalb der Induktionselemente Fi im Wesentlichen entlang der ersten Achse 28.
In Figur 8 ist eine Motorsteuerungseinheit 10 in einer weiteren speziellen
Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Die Induktionselemente Fi sind eigenständig dem Schaltmodul 16 zugeordnet. Dabei ist das Induktionsmodul 20 beispielsweise als externes Modul an dem Schaltmodul 16 angebunden. Dadurch kann die Anzahl und Anordnung der jedem Halbbrückenmodul Mi zugeordneten Induktionselemente Fi beliebig nach Anforderung gewählt werden. Beispielsweise kann jedem Halbbrückenmodul Mi ein Induktionselement Fi zugeordnet werden. Jedoch kann auch vorgesehen sein, einem oder mehreren Halbbrückenmodulen Mi kein Induktionselement Fi zuzuordnen oder einem Halbbrückenmodul Mi mehrere Induktionselemente Fi zuzuordnen. Beispielsweise können zwei Halbbrückenmodule Mi gemeinsam einem Induktionselement Fi und einer Motorphase zugeordnet sein.
Bezugszeichenliste
10 Motorsteuerungseinheit
12 Elektromotorbaugruppe
14 Elektromotor
16 Schaltmodul
18 Schaltelement
20 Induktionsmodul
22 Filtermodul
24 Kopplungselement
26 Kopplungsabschnitt
28 erste Achse
30 zweite Achse B1 erster Wirkabschnitt
B2 zweiter Wirkabschnitt
Bi Wirkabschnitt
Bi' Wirkabschnitt
Bij Wirkabschnitt
Bm m-ter Wirkabschnitt
F1 erstes Induktionselement
F2 zweites Induktionselement
Fm m-tes Induktionselement
Fi Induktionselement Fij Induktionselement L1 erste Induktivität
L2 zweite Induktivität
Li Induktivität
Lm m-te Induktivität
M1 erstes Halbbrückenmodul Mn n-tes Halbbrückenmodul Mi Halbbrückenmodul Mij Halbbrückenmodul P1 erste Motorphase
Pn n-te Motorphase
Pi Motorphase

Claims

Patentansprüche
1. Motorsteuerungseinheit (10) zur Ansteuerung eines zumindest eine erste
Motorphase (P1 ) aufweisenden Elektromotors (14), umfassend
ein Schaltmodul (16), das zur Erzeugung wenigstens eines ersten
Phasensignals an der ersten Motorphase (P1 ) ein erstes Halbbrückenmodul (M1 ) aufweist,
ein Induktionsmodul (20) mit
einem ersten Induktionselement (F1 ), das dem ersten Halbbrückenmodul (M1 ) zugeordnet und wirksam zwischen dem ersten Halbbrückenmodul (M1 ) und dem Elektromotor (14) angeordnet ist und das eine erste Induktivität (L1 ) aufweist und
einem getrennt von dem ersten Induktionselement (F1 ) ausgeführten zweiten Induktionselement (F2), das eine zweite Induktivität (L2) aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Induktionsmodul (20) ein dem ersten und zweiten Induktionselement (F1 , F2) gemeinsam zugeordnetes magnetisierbares Kopplungselement (24) aufweist, über das die erste und zweite Induktivität (L1 , L2) elektromagnetisch miteinander koppelbar sind.
2. Motorsteuerungseinheit (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltmodul (16) zur Erzeugung wenigstens eines zweiten Phasensignals an einer zweiten Motorphase (P2) des Elektromotors (14) ein zweites
Halbbrückenmodul (M2) aufweist, wobei das zweite Induktionselement (F2) dem zweiten Halbbrückenmodul (M2) zugeordnet und wirksam zwischen dem zweiten Halbbrückenmodul (M2) und dem Elektromotor (14) angeordnet ist.
3. Motorsteuerungseinheit (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, dass das Induktionsmodul (20) als Filtermodul (22) zur Filterung des von dem ersten Halbbrückenmodul (M1 ) an den Elektromotor (14) ausgegebenen ersten Phasensignals ausgeführt ist.
4. Motorsteuerungseinheit (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kopplungselement (24) einen die erste Induktivität (L1 ) beeinflussenden und magnetisierbaren ersten Wirkabschnitt (B1 ), der dem ersten Induktionselement (F1 ) zugeordnet ist und einen die zweite Induktivität (L2) beeinflussenden und magnetisierbaren zweiten
Wirkabschnitt (B2), der dem zweiten Induktionselement (F2) zugeordnet ist, aufweist.
5. Motorsteuerungseinheit (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kopplungselement (24) einen magnetisierbaren Kopplungsabschnitt (26) aufweist, der den ersten und zweiten Wirkabschnitt (B1 , B2)
elektromagnetisch außerhalb des ersten und zweiten Induktionselements (F1 , F2) miteinander verbindet.
6. Motorsteuerungseinheit (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und zweite Induktionselement (F1 , F2) entlang einer ersten Achse (28) benachbart angeordnet sind und sich der Kopplungsabschnitt (26) im Wesentlichen entlang der ersten Achse (28) erstreckt.
7. Motorsteuerungseinheit (10) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, dass das Kopplungselement (24) einen zu der ersten
Induktivität (L1 ) beitragenden und magnetisierbaren weiteren Wirkabschnitt (B1‘), der dem ersten Induktionselement (F1 ) zugeordnet ist, aufweist.
8. Motorsteuerungseinheit (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und weitere Wirkabschnitt (B1 , B1 ') entlang einer zu der ersten Achse (28) senkrecht verlaufenden zweiten Achse (30) benachbart
angeordnet sind.
9. Motorsteuerungseinheit (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kopplungselement (24) aus einem ferromagnetischen Material aufgebaut ist.
10. Elektromotorbaugruppe (12) mit einer Motorsteuerungseinheit (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche und einem durch die
Motorsteuerungseinheit (10) gesteuerten Elektromotor (14).
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