WO2022002491A1 - Antriebssystem mit oberwelleneinspeisung - Google Patents

Antriebssystem mit oberwelleneinspeisung Download PDF

Info

Publication number
WO2022002491A1
WO2022002491A1 PCT/EP2021/064160 EP2021064160W WO2022002491A1 WO 2022002491 A1 WO2022002491 A1 WO 2022002491A1 EP 2021064160 W EP2021064160 W EP 2021064160W WO 2022002491 A1 WO2022002491 A1 WO 2022002491A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
current
stator
rotor
drive system
stator windings
Prior art date
Application number
PCT/EP2021/064160
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Said El-Barbari
Jovan Knezevic
Daniel Glose
Original Assignee
Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft filed Critical Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
Priority to US18/003,762 priority Critical patent/US20230261599A1/en
Priority to CN202180028919.XA priority patent/CN115443606A/zh
Publication of WO2022002491A1 publication Critical patent/WO2022002491A1/de

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P25/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details
    • H02P25/02—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details characterised by the kind of motor
    • H02P25/022—Synchronous motors
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P21/00—Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation
    • H02P21/05—Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation specially adapted for damping motor oscillations, e.g. for reducing hunting
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P21/00—Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation
    • H02P21/50—Vector control arrangements or methods not otherwise provided for in H02P21/00- H02P21/36
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P25/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details
    • H02P25/16—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details characterised by the circuit arrangement or by the kind of wiring
    • H02P25/22—Multiple windings; Windings for more than three phases
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P27/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage
    • H02P27/04—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage
    • H02P27/06—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using dc to ac converters or inverters
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/64—Electric machine technologies in electromobility

Definitions

  • the invention relates to a drive system and an electrically drivable vehicle.
  • Electric machines are also used as electric drive machines in electrically powered vehicles.
  • an electric drive machine is understood to mean, in particular, electric machines that generate propulsion in the form of a torque for a motor vehicle.
  • the electrical energy from a battery should be used as efficiently as possible.
  • the efficiency and the torque of an electrical machine are ideally optimized. Synchronous machines are often used for this purpose.
  • Synchronous machines comprise at least one rotor and one stator, between which an air gap is formed.
  • the rotors of synchronous machines have either permanent magnets or separately excited rotor windings.
  • the stator includes stator windings. If an electric current is applied to them, a rotating magnetic field can be set up in the air gap, which can produce a torque that drives the rotor.
  • a synchronous machine that has an increased number of stator windings enables a higher maximum achievable machine power.
  • a magnetic coupling occurs between the stator windings and the rotor winding during operation. This can lead to harmonics being induced in the phase currents of the stator windings by rotor harmonics. These harmonics cause losses so that the maximum achievable machine performance is adversely affected.
  • those involved are Components exposed to higher stresses, which can have a detrimental effect on the service life.
  • the harmonics can generally be weakened or avoided by using additional filters.
  • Such filters increase the complexity, the weight and the costs of the drive system.
  • Another approach involves providing high bandwidth current regulation. However, this requires an increased switching frequency of the inverters involved, which in turn leads to increased losses.
  • a drive system includes an electric machine.
  • the electrical machine is set up in the manner of a synchronous machine.
  • the electrical machine comprises a rotor which is designed to be rotatable about an axis of rotation and has at least one separately excited rotor winding.
  • the electrical machine also includes at least one stator with at least two stator winding sets. Each stator winding set has at least three stator windings.
  • the drive system also includes a control unit. The control unit is set up and designed such that a first current signal is applied to the at least one rotor winding during operation and different current phases of a polyphase second current signal are at least partially applied to the stator windings during operation, thereby creating a rotating magnetic field to generate an on the rotor acting torque adjusts.
  • the drive system also includes at least one inverter. The polyphase current signal for acting on the stator windings is provided based on the at least one inverter.
  • the drive system also includes at least one rectifier. A direct current signal is provided by the rectifier.
  • the first current signal used to act on the at least one rotor winding is based at least on the direct current signal provided by the rectifier and a harmonic alternating current component. Based on the application of the at least one harmonic alternating current component to the at least one rotor winding, harmonic waves of at least one current phase of the polyphase current signal, which are caused by a magnetic coupling occurring during operation between the at least one rotor winding and the stator windings, are reduced.
  • the drive system can also include an additional inverter, based on which the harmonic alternating current component is provided to act on the at least one rotor winding.
  • the at least one harmonic alternating current component can also be provided by the inverter, which also provides the polyphase current signal to act on the stator windings.
  • the rotor rotates with a certain rotational frequency around the axis of rotation relative to the stator. Harmonics of the rotor that have frequencies that are an integral multiple of the rotation frequency and / or the rotating field can cause harmonics (harmonic currents) in the supply lines (current phases) of the stator windings due to the magnetic coupling and the resulting low impedance. These harmonics (harmonic currents) can cause peak loads. On the one hand, this means that the components involved (e.g. inverters, stator windings, supply lines) have to withstand additional loads (e.g. increased maximum current amplitudes) and, on the other hand, the maximum torque provided by the electrical machine is reduced.
  • harmonics of the rotor that have frequencies that are an integral multiple of the rotation frequency and / or the rotating field can cause harmonics (harmonic currents) in the supply lines (current phases) of the stator windings due to the magnetic coupling and the resulting low impedance. These harmonics (harmonic currents) can cause peak loads
  • the machine can then not be operated continuously at the actual maximum target output.
  • the external excitation of the rotor winding by means of the rectifier provides an additional degree of freedom to compensate for the harmonics caused by the magnetic coupling in the current phases of the stator windings.
  • This degree of freedom is missing in permanent magnet synchronous machines.
  • the current signal provided for the rotor winding can therefore be adapted in such a way that the harmonics in the current phases of the stator windings are compensated and / or reduced.
  • the drive system designed as described above makes it possible to provide at least one additional harmonic alternating current component (in addition to the direct current component) for the current signal provided for the rotor winding, which superimposes and “destructively” overlaps the harmonics of the current phases of the stator windings caused by the magnetic coupling / or compensates, so that their adverse effects are at least reduced.
  • the at least one inverter and the at least one rectifier as well as the optional additional inverter can be coupled to at least one control loop by means of real-time communication means.
  • the at least one control loop can be set up to determine a phase and / or an amplitude of the at least one harmonic alternating current component, taking into account the operating states of the rectifier and / or the inverter and / or the regulation by the control unit in such a way that the magnetic coupling Harmonic waves caused by at least one current phase of the polyphase current signal can be reduced according to an amplitude.
  • the at least one harmonic alternating current component can also be determined in such a way that the harmonic waves caused by the magnetic coupling can essentially be compensated.
  • control loop can be coupled to suitable sensors which provide information about currently prevailing harmonics caused by the magnetic coupling of at least one current phase of the polyphase current signal.
  • control loop can be coupled to the inverter and the rectifier in order to additionally couple in real time at least one harmonic alternating current component into the direct current provided by the rectifier for the at least one rotor winding.
  • the at least one coupled-in harmonic alternating current component can in this case according to Phase and / or amplitude with respect to the harmonic caused by the magnetic coupling of at least one current phase can be designed in such a way that after interaction based on the magnetic coupling within the synchronous machine, the amplitude of the harmonic of the at least one current phase is reduced and / or in a “destructive” manner is essentially compensated.
  • the control loop can also take into account the functionality of further controls or control loops, in particular the control by the control unit, which can be used to determine the current phases as a function of the actual currents prevailing in the electrical machine in comparison to setpoint currents determined by the desired torque and / or as a function to determine an angular position of the rotor with respect to the stator and / or a rotational speed of the rotor.
  • the control loop determining the amplitude and / or phase of the harmonic alternating current component can therefore in particular be coupled to the usual excitation control loop and / or inverter current controller and take their respective control into account.
  • real-time communication means can be understood to mean a communication structure, a bus system or the like which enables regulation such that a sampling rate of the regulation is shorter than the period of the rotor determined by the rotation frequency.
  • the sampling rate can be at least a factor of 10, further in particular a factor 100, further in particular a factor 1000 smaller than the period duration of the rotor.
  • the real-time communication can also enable such a fast regulation that the remaining, generally variable quantities of the synchronous machine can be assumed to be constant for a time interval determined by the sampling rate of the real-time communication.
  • the harmonic alternating current components can advantageously be coupled in such that they can reduce or compensate for the harmonic waves caused by the magnetic coupling without the latter having changed significantly in the meantime.
  • the inverter, the rectifier and the control loop can also be set up in such a way that several harmonic alternating current components are provided.
  • the at least one rotor winding can be acted upon by the plurality of harmonic alternating current components with respective amplitudes and / or phases in such a way that those caused by the magnetic coupling Harmonics for each current phase of the polyphase current signal (that is to say for each stator winding) can be reduced according to an amplitude and / or substantially compensated for. Since the different current phases are applied to the individual stator windings, the adverse effects resulting from the magnetic coupling can be reduced and / or compensated for for each of the stator windings.
  • inverter and / or control loops of a corresponding type can be provided.
  • the inverter and / or the control loop can also be designed in a multiphase manner, that is to say in such a way that the advantages described can be provided in a corresponding manner by individual components for all current phases.
  • the power loss can be reduced. This also reduces the stress on the components involved.
  • the at least one harmonic alternating current component can have a first frequency.
  • a second frequency of a fundamental wave can be based on a rotation frequency of the rotor and / or the rotating field.
  • the first frequency can be an integral multiple of the second frequency. Since the synchronous machine in the present case comprises a stator with at least 2 three-phase stator winding sets, the parasitic harmonics caused by the magnetic coupling in the current phases of the stator windings can in particular be harmonics of the fundamental frequency. In order to compensate for this, the harmonic alternating current components provided for compensation must also have frequencies which correspond to a multiple of the fundamental frequency.
  • the frequency of the at least one harmonic alternating current component can correspond to a frequency of the 4th or 6th harmonic.
  • harmonics on the stator side of the 5th or 7th order can be compensated.
  • the modulation index that can be achieved can thus advantageously be increased, so that the machine output power (maximum torque that can be provided) can also be increased.
  • a three-phase current can be applied to the stator winding sets during operation, that is to say with individual ones Current phases of a three-phase current.
  • the stator windings of a respective stator winding set can have different current phases of the three-phase current applied to them.
  • a number of the current phases can be at least six.
  • the three-phase current must be understood as a vector quantity with several components.
  • the three-phase current can be provided by a corresponding power supply unit with three phase components (lu, Iv, Iw). These can then be transformed into a stator-fixed and decoupled current with corresponding components via a Clarke transformation.
  • the components Id (torque-generating component) and Iq (flux-generating component) can then be determined by means of a Park transformation.
  • the Id and Iq then generally form orthogonal components for describing the three-phase current, the d / q coordinate system rotating with the rotor according to its rotational frequency. For a speed that is constant over time, the rotating field can then be described in the form of two quantities d and q that are constant over time.
  • the rotor can be circular.
  • the stator can be circular.
  • the stator can be arranged around the axis of rotation.
  • the stator can be arranged such that an air gap is formed between the rotor and the stator.
  • the stator can have stator teeth.
  • the stator teeth can generally be aligned with the rotor.
  • the stator windings of the stator winding sets can be arranged on the stator teeth.
  • the stator windings can have a corresponding number of windings in order to be able to achieve a specific torque.
  • the stator windings of a stator winding set can have an angular offset of 120 ° to one another with respect to the circumference of the stator.
  • the first stator winding set can have a predetermined angular offset relative to the second stator winding set, in particular of 30 °.
  • the individual stator winding sets can each, taken individually, form a discrete, symmetrical winding distribution.
  • the stator windings in their entirety can be unevenly distributed with respect to the circumference of the stator.
  • the phase shift described in this way can make it possible to produce odd Avoid harmonics (5th or 7th order) within the stator.
  • odd Avoid harmonics (5th or 7th order) within the stator.
  • these can generally still be induced in the stator due to the magnetic coupling with the separately excited rotor winding.
  • the angular offset of 30 ° can lead to the formation of pairs of stator windings with respect to the circumference, wherein each pair can each comprise a stator winding of a stator winding set.
  • a magnetic coupling can occur between all stator windings of the electrical machine and the rotor winding during operation, which influences the current phase of the respective stator windings so that harmonics can be generated.
  • the stator impedance particularly large magnetic coupling, leakage inductance
  • the harmonic waves thus induced can then be reduced and / or compensated for based on the at least one harmonic alternating current component with which the rotor winding is applied.
  • the rotor can preferably be designed in the manner of a squirrel cage.
  • the rotor can have a plurality of rotor bars which are arranged uniformly on the circumference and extend along the axis of rotation.
  • the rotor bars can also be arranged at a distance from one another in the circumferential direction.
  • the stator winding sets can each be connected to a star connection with a potential-free star point.
  • the star points of the different stator winding sets can be galvanically isolated from one another.
  • the star connection is understood to mean that the three phases of a respective stator winding set can be electrically connected to one another at one end. With the respective other end, the three phases of the stator winding sets can each be connected to a current phase of the control unit and / or the inverter (s).
  • each phase of a stator winding set can be connected to a phase of the three-phase network.
  • the star point cannot be connected to a ground potential.
  • This configuration is made possible by the mutually canceling currents within the star point. This significantly reduces the manufacturing and interconnection outlay for the electrical machine. Through this The sum of all currents occurring within the interconnected stator winding sets can result in zero and no harmonics occur whose order corresponds to a multiple of the number 3.
  • the control unit can be designed in connection with the at least one inverter and / or in connection with an inverter control loop for setting the predetermined frequency and / or an amplitude of the impressed polyphase current.
  • the inverter can in particular optionally have corresponding current regulators for the individual current phases of the multiphase current signal.
  • a three-phase current can be impressed.
  • impressed is generally understood to mean the energization of the stator windings with a multiphase current, in particular a three-phase current.
  • the control unit can comprise a data acquisition unit.
  • the control unit and / or the inverter with the optional current regulator (s) can also include switching elements, by means of which the loading of the stator windings can be determined.
  • the switching elements can be part of one or more inverters and / or the current regulator, which can be viewed as belonging to the control unit.
  • the control unit can be set up to determine the switch-on and switch-off times when the current (three-phase current) is applied to the stator windings.
  • the control unit can be set up to control the application of the current to the stator windings as a function of the angular position of the rotor relative to the stator.
  • the electrical machine can comprise a position encoder or a similar sensor, by means of which the angular position of the rotor relative to the stator can be determined.
  • the position encoder or similar sensor can be coupled to the control unit or can be part of it.
  • the control loop for determining the at least one harmonic alternating current component can then in particular also be set up in such a way that the rotor position is taken into account when determining the harmonic alternating current component.
  • the harmonic alternating current component can be coupled into the current signal with which the at least one rotor winding is applied in such a way that the desired compensation of the harmonics in the current phases is also achieved.
  • the phase of the at least one harmonic alternating current component can be adapted accordingly.
  • the electrical machine can in particular also comprise sensors by means of which the coupling occurring in the electrical machine between a first and a second stator winding and / or the rotor winding can be determined.
  • sensors can also be provided in such a way that the harmonics caused by the magnetic coupling can be detected.
  • the control unit and in particular the control loop can then be set up to take into account the detected harmonics when determining the at least one corresponding harmonic alternating current component.
  • the inverter can preferably be two three-phase inverters, which can be connected on the input side to a direct current intermediate circuit within the motor vehicle and / or to a battery of the motor vehicle.
  • the DC link and / or the battery can be used to provide energy for the electrical machine.
  • the inverters can each be coupled to optional current regulators, by means of which the amplitudes of the three-phase current can be set. In this respect, the inverters can be set up to provide corresponding control voltages for regulating the amplitudes, which can be carried out by the current regulator.
  • the rotating magnetic field can run radially in the air gap, that is, in or against the radial direction.
  • the rotating magnetic field can have a course in the manner of a rectangular staircase signal, which can be approximated by superimposing a sinusoidal fundamental wave with sinusoidal harmonics.
  • the course of the rotating magnetic field can be approximated with the aid of the Fourier series expansion into a sinusoidal fundamental wave and a number of sinusoidal harmonics of odd order.
  • Such a consideration of the rotating magnetic field as a superposition of a sinusoidal fundamental wave with sinusoidal harmonics can thus be used as a representative of the rotating magnetic field as a torque-generating factor within the electrical machine. So it can be based on an approximation of the Magnetic rotating field be made possible with the help of the control unit by an advantageous energization of the stator winding sets to achieve optimized curves of the magnetic rotating field and thus an optimization of the torque generated.
  • the parasitic harmonics which result from the magnetic coupling between the stator windings and the at least one rotor winding of the electrical machine, can be reduced in amplitude by appropriately feeding in harmonic alternating current signal components, which are adjusted according to phase and amplitude, into the current signal used to act on the rotor winding and / or even substantially compensated.
  • the electrical machine can also be operated in the manner of a synchronous machine.
  • the frequency of the rotor and the speed of the rotating magnetic field can be the same.
  • the inverter for providing the polyphase current signal can be set up in the manner of a full-bridge direct current-direct current converter.
  • the converter can then comprise diagonally active switching elements.
  • the inverter with the optional current regulator (s) can also be designed in such a way that a frequency and / or an amplitude of the individual currents of the stator winding sets can be set during operation of the electrical machine in such a way that the rotating field curves already described are approximated by the respective waves can result.
  • the amplitude and / or frequency can be set, for example, by triggering a control signal from semiconductor switching elements within the inverter.
  • the control signal can be provided by the control unit, for example.
  • the different current values required for setting a specific operating mode can be stored in the control unit for each phase, in particular as a function of the current driving situation such as the current load requirement.
  • phase current values required for a respective operating mode can be determined, for example, on the basis of simulations with the aid of commercially available programs, especially in the context of the development of such a machine type. Those determined in this way Phase current values can then be read into a memory of the control unit, for example for the respective motor vehicle.
  • the current actual phase currents can be recorded when the electrical machine is in operation.
  • the phase current values stored for the respective operating mode can preferably be set by the inverter with the optional current regulators, i.e. the individual phases can be supplied with the corresponding current values.
  • the phase currents can be set, for example, in the manner of a target / actual value comparison, in which a current phase current is recorded and can be adjusted to the required value by the respective inverter. So there is a regulation to the desired value.
  • the adjusted current supply to the stator winding sets can then set the desired course of the rotating field, with the parasitic harmonics resulting from the magnetic coupling being compensated or at least weakened.
  • intermediate circuits of the inverter (s) can be connected to one another in order to achieve a more precise synchronization of the current supply to the stator winding sets.
  • an electrically drivable vehicle which comprises a drive system as described above.
  • electrically driven vehicles can in particular include land vehicles, namely, among other things, electric scooters, e-scooters, two-wheelers, motorcycles, three-wheelers, trikes, quads, off-road and road vehicles such as passenger cars, buses, trucks and other commercial vehicles, rail vehicles (trains) , but also watercraft (boats) and aircraft such as helicopters, multicopters, propeller planes and jet planes, which have at least one electric motor used to propel the vehicle.
  • Vehicles can be manned or unmanned.
  • pure electric vehicles BEV
  • HEV hybrid electric vehicles
  • PHEV plug-in hybrids
  • FCHV fuel cell vehicles
  • FIG. 1 shows a simplified schematic representation of a
  • Fig. 2 shows a simplified schematic representation of a
  • FIG. 3 shows a simplified schematic representation of two inverters.
  • Figure 1 shows a simplified schematic representation of a
  • the drive system 50 comprises a voltage source 152, a control unit 90, a control circuit 95, an electrical machine 100 with a rotor 102 and a stator 104, a rectifier 150, a first inverter 160 and a second inverter 165.
  • the first and the second inverter 160 , 165 can also be combined in a single inverter.
  • the rotor 102 comprises a separately excited rotor winding.
  • the stator 104 comprises two three-phase stator winding sets, each with three stator windings 110. At least the inverter 165 is multi-phase.
  • the voltage source 152 can be, for example, an accumulator of an electrically drivable vehicle, that is to say a direct voltage source.
  • the voltage source 152 is to be regarded as not belonging to the drive system 50 (optional) and is therefore shown with dashed lines.
  • the rectifier 150 is coupled to the voltage source 152 or at least the rectifier 150 is provided with a corresponding DC voltage on the input side. On the output side, the rectifier 150 is coupled both to the rotor 102 of the electrical machine 100, the first inverter 160 and also to the second inverter 165. The first inverter 160 is also coupled on the output side to the rotor 102 of the electrical machine 100.
  • the direct current output by the rectifier 150 for the rotor winding of the rotor 102 is combined with the harmonic alternating current component provided by the first inverter 160 through a coupling element 161 combined to form a total current provided for the rotor winding of the rotor 102.
  • the direct current provided by the rectifier 150 for the rotor winding is modified by a corresponding alternating current (harmonic alternating current component) that is provided by the first inverter 160.
  • the second inverter 165 provides the polyphase current signal for the stator windings 110 of the stator 104.
  • the control unit 90 is coupled at least to the rectifier 150, the second inverter 165 and the electrical machine 100.
  • the control unit 90 is set up to interpret the polyphase current signal provided by the second inverter 165 for the stator windings 110 in such a way that the stator windings 110 have current phases of corresponding amplitudes and phases applied to them in such a way that a desired torque is achieved by the electrical machine 100.
  • This regulation of the control unit can be based on an actual current / target current comparison.
  • the control unit 90 can be set up to take into account the magnetic coupling between the stator windings 110 in this regulation, which only affects the stator windings 110.
  • the target currents of the individual current phases can be stored in a memory as a function of the desired output power.
  • the second inverter 165 can optionally have corresponding current regulators in order, in particular, to adapt the phases and / or amplitudes of the current phases provided.
  • the magnetic coupling between the rotor 102 and the stator 104 (more precisely between their windings) of the electrical machine can lead to the rotor 102 generating harmonics in the current phases of the stator windings 110.
  • the control loop 95 is therefore coupled to the control unit 90, the rectifier 150, the first inverter 160, the second inverter 165 and the electrical machine 100 by means of real-time communication means.
  • the control circuit 95 can, based on corresponding sensors, obtain information about the order, phase and amplitude of harmonics induced in the current phases of the stator windings 110.
  • the control circuit 95 then takes into account the time-dependent control states of the rectifier 150, the first Inverter 160, the second inverter 165 and optionally also the control unit 90 in order to determine harmonic alternating current components such that the harmonic waves induced in the current phases of the stator windings 110 can be reduced and / or compensated.
  • the current provided for the rotor winding of the rotor 102 is modified with an alternating current component in such a way that, based on the magnetic coupling with the stator windings 110 within the electrical machine 100, this just means that there are effectively no harmonics in the current phases of the stator windings 110 caused (or only harmonics with reduced amplitude).
  • the first inverter can optionally have a current regulator.
  • control circuit 95 can also take into account the regulation of the polyphase current signal by the control unit 90.
  • the control loop 95 can also be viewed as belonging to the control unit.
  • the current regulators of the inverters 160, 165 can include corresponding power switches, in particular semiconductor transistors, in order to provide currents of corresponding amplitudes.
  • FIG. 2 shows a simplified schematic illustration of an equivalent circuit diagram of the electrical machine 100 with six stator windings 110.
  • the stator 104 comprises two stator winding sets, each of which comprises three stator windings 110.
  • the three stator windings 110 are arranged along the circumference of the stator 104 in accordance with an angular offset of 120 °.
  • the two stator winding sets again have an angular offset 112, which in the present case is 30 °.
  • the stator windings of each stator winding set are generally arranged in a star connection 130. This means that the three stator windings 110 of the first stator winding set are connected together in a first star point M1.
  • stator windings 110 of the first stator winding set are connected to an inverter 165a, which is explained below, and a corresponding current regulator coupled and applied to the current phases U1 ', W1', V1 '.
  • the three stator windings 110 of the second stator winding set are connected together in a second star point M2 and the respective other ends are coupled to a further inverter 165b and corresponding current regulator so that the current phases U2 ', W2', V2 'are applied to them.
  • the two inverters 165a, 165b together provide the polyphase current signal for the stator windings in accordance with the previously described second inverter 165.
  • stator winding pairs 120 each with one stator winding of a stator winding set.
  • stator winding pair 120a is formed by a first stator winding 110a of the first stator winding set and a first stator winding 110b of the second stator winding set.
  • the specific arrangement of the first and second stator windings 110a, 110b of the first stator winding pair 120a results in a particularly strong magnetic coupling within the electrical machine 100 between these stator windings. The magnetic coupling causes a leakage inductance.
  • the three-phase current of a stator winding set is to be understood here as a vector current which, starting from the second inverter 165 with current regulators coupled on the output side, comprises the current components U1 ', V1', W1 'and U2', V2 ', W2'. These current components are modified by the current regulator in order to be able to carry out a phase and / or amplitude adjustment. In this respect, the individual current components can be viewed as different phases of the respective three-phase current.
  • the rotor 102 rotates at a specific rotational frequency about the axis of rotation.
  • stator windings 110 there is also a magnetic coupling between the stator windings 110 and the at least one rotor winding.
  • the rotor winding can induce harmonics in the current phases of the stator windings 110.
  • the frequency of these harmonics is an integral multiple of the rotation frequency of the rotor / rotating field. Due to the geometry of the stator 104, that is to say the specific design of two three-phase stator winding sets with an angular offset of 30 °, harmonics of the 5th and / or 7th order in particular can be induced.
  • harmonics can lead to current peaks, so that an increased power loss is caused and the maximum achievable torque is adversely affected. In addition, this causes increased stress on the components involved, so that their service life is reduced. Therefore, as previously described with reference to FIG. 1, these harmonics are reduced and / or compensated for by the corresponding harmonic alternating current component with which the rotor winding is applied.
  • FIG. 3 shows a simplified schematic representation of two inverters 165a, 165b of the drive system 50.
  • the two inverters 165a, 165b are identical in their general structure and mode of operation and are used to provide the current phases of the polyphase current signal.
  • the drive system 50 can also have only a single inverter 165, provided that it outputs the required number of current phases.
  • the first inverter 165a is coupled on the input side to a DC voltage source 152, by means of which a DC direct voltage is provided for the inverter 165a.
  • the inverter 165a then comprises, in a known form, capacitors 167 and switching elements 168, in particular semiconductor switching elements, as well as intermediate taps 169 in order to provide alternating voltages on the output side.
  • the first inverter 165a is set up to provide the alternating voltages which generally correspond to the current phases U1, V1, W1. These are output to the respective current regulator, are adjusted by these according to phase and amplitude and then serve to act on the stator windings 110 of the first stator winding set.
  • the current regulator therefore provides corresponding current phases U1 ', V1', W1 'based on the alternating voltages provided by the first inverter 165a.
  • the current regulator is used, based on a comparison of actual currents that are present in electrical machine 100, and target currents that correspond to a desired torque, to enable readjustment of the actual currents in order to compensate for the respective difference.
  • the current regulator has an influence in particular on the phases and amplitudes of the current phases U1 ', V1', W1 '.
  • the second inverter 165b is set up to provide alternating voltages which are processed by a corresponding current regulator to provide the current phases U2 ‘, V2‘, W2 ‘.
  • a corresponding regulation is also taken into account here in order to compensate for differences between the actual currents in the electrical machine 100 and setpoint currents which correspond to a desired torque.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Control Of Ac Motors In General (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem. Das Antriebssystem umfasst eine elektrische Maschine, die nach Art einer Synchronmaschine eingerichtet ist. Die Maschine umfasst einen um eine Rotationsachse drehbar ausgebildeten Rotor mit zumindest einer fremderregten Rotorwicklung und zumindest einen Stator mit zumindest zwei Statorwicklungssätzen, wobei jeder Statorwicklungssatz zumindest drei Statorwicklungen aufweist. Das Antriebssystem umfasst auch eine Steuereinheit, die derart eingerichtet und ausgebildet ist, dass die zumindest eine Rotorwicklung im Betrieb mit einem ersten Stromsignal beaufschlagt wird und die Statorwicklungen im Betrieb zumindest teilweise mit unterschiedlichen Stromphasen eines mehrphasigen zweiten Stromsignals beaufschlagt werden und sich hierdurch ein magnetisches Drehfeld zur Erzeugung eines auf den Rotor einwirkenden Drehmoments einstellt. Zudem umfasst das Antriebssystem zumindest einen Wechselrichter, wobei das mehrphasige Stromsignal zur Beaufschlagung der Statorwicklungen basierend auf dem zumindest einen Wechselrichter bereitgestellt wird, und zumindest einen Gleichrichter, wobei durch den Gleichrichter ein Gleichstromsignal bereitgestellt wird. Das zur Beaufschlagung der zumindest einen Rotorwicklung verwendete erste Stromsignal basiert zumindest auf dem durch den Gleichrichter bereitgestellten Gleichstromsignal und einem Oberwellen-Wechselstromanteil. Basierend auf der Beaufschlagung der zumindest einen Rotorwicklung mit dem zumindest einen Oberwellen-Wechselstromanteil werden Oberwellen zumindest einer Stromphase des mehrphasigen Stromsignals, die durch eine im Betrieb zwischen der zumindest einen Rotorwicklung und den Statorwicklungen auftretenden magnetischen Kopplung verursacht sind, verringert.

Description

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

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Antriebssystem (50) umfassend: eine elektrische Maschine (100), die nach Art einer Synchronmaschine eingerichtet ist und welche aufweist: einen um eine Rotationsachse drehbar ausgebildeten Rotor (102) mit zumindest einer fremderregten Rotorwicklung, und zumindest einen Stator (104) mit zumindest zwei Statorwicklungssätzen, wobei jeder Statorwicklungssatz zumindest drei Statorwicklungen (110) aufweist, eine Steuereinheit (90), die derart eingerichtet und ausgebildet ist, dass die zumindest eine Rotorwicklung im Betrieb mit einem ersten Stromsignal beaufschlagt wird und die Statorwicklungen (110) im Betrieb zumindest teilweise mit unterschiedlichen Stromphasen eines mehrphasigen zweiten Stromsignals beaufschlagt werden und sich hierdurch ein magnetisches Drehfeld zur Erzeugung eines auf den Rotor einwirkenden Drehmoments einstellt, zumindest einen Wechselrichter (165), wobei das mehrphasige Stromsignal zur Beaufschlagung der Statorwicklungen basierend auf dem zumindest einen Wechselrichter bereitgestellt wird, und zumindest einen Gleichrichter (150), wobei durch den Gleichrichter ein Gleichstromsignal bereitgestellt wird, wobei das zur Beaufschlagung der zumindest einen Rotorwicklung verwendete erste Stromsignal zumindest auf dem durch den Gleichrichter bereitgestellte Gleichstromsignal und einem Oberwellen-Wechselstromanteil basiert, und wobei basierend auf der Beaufschlagung der zumindest einen Rotorwicklung mit dem zumindest einen Oberwellen-Wechselstromanteil Oberwellen zumindest einer Stromphase des mehrphasigen Stromsignals, die durch eine im Betrieb zwischen der zumindest einen Rotorwicklung und den Statorwicklungen auftretenden magnetischen Kopplung verursacht sind, verringert werden.
2. Antriebssystem (50) nach Anspruch 1, wobei der zumindest eine Wechselrichter (165) und der zumindest eine Gleichrichter (150) mit zumindest einem Regelkreis (95) mittels Echtzeitkommunikationsmitteln gekoppelt sind, wobei der zumindest eine Regelkreis eingerichtet ist, eine Phase und/oder eine Amplitude des zumindest einen Oberwellen-Wechselstromanteils derart zu bestimmen, dass die durch die magnetische Kopplung verursachten Oberwellen zumindest einer Stromphase des mehrphasigen Stromsignals einer Amplitude nach verringert werden, insbesondere einer Amplitude nach kompensiert werden.
3. Antriebssystem (50) nach Anspruch 2, wobei der Wechselrichter (165), der Gleichrichter (150) und der Regelkreis (95) derart eingerichtet sind, dass die zumindest eine Rotorwicklung mit mehreren Oberwellen-Wechselstromanteilen mit jeweiligen Amplituden und/oder Phasen derart beaufschlagt wird, dass die durch die magnetische Kopplung verursachten Oberwellen für jede Stromphase des mehrphasigen Stromsignals einer Amplitude nach verringert werden, insbesondere einer Amplitude nach kompensiert werden.
4. Antriebssystem (50) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der zumindest eine Oberwellen-Wechselstromanteil eine erste Frequenz aufweist, wobei eine zweite Frequenz einer Grundwelle auf einer Rotationsfrequenz des Rotors (102) und/oder des Drehfelds basiert, und wobei die erste Frequenz ein ganzzahliges Vielfaches der zweiten Frequenz ist.
5. Antriebssystem (50) nach Anspruch 4, wobei die erste Frequenz der Oberwellen-Wechselstromanteil zumindest der 4. und/oder 6. Oberwelle entspricht.
6. Antriebssystem (50) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Steuereinheit (90) die Statorwicklungen (110) im Betrieb mit unterschiedlichen Stromphasen (U1‘, V1‘, W1‘, U2‘, V2‘, W2‘) eines Drehstroms beaufschlagt, und wobei eine Anzahl der Stromphasen zumindest sechs ist.
7. Antriebssystem (50) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Statorwicklungen (110) eines Statorwicklungssatzes um 120° bezüglich einer Rotationsachse des Rotors (102) zueinander versetzt angeordnet sind, wobei die zumindest zwei Statorwicklungssätze um 30° zueinander versetzt angeordnet sind, und wobei die beiden Statorwicklungssätze zueinander um 30° elektrisch versetzt ausgebildet sind.
8. Antriebssystem (50) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Statorwicklungssätze jeweils nach einer Sternschaltung (130) mit einem potentialfreien Sternpunkt (M1, M2) verschaltet sind, wobei die Sternpunkte der unterschiedlichen Statorwicklungssätze voneinander galvanisch getrennt sind.
9. Elektrisch antreibbares Fahrzeug umfassend ein Antriebssystem (50) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
PCT/EP2021/064160 2020-06-30 2021-05-27 Antriebssystem mit oberwelleneinspeisung WO2022002491A1 (de)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US18/003,762 US20230261599A1 (en) 2020-06-30 2021-05-27 Drive System Having Harmonics Infeed
CN202180028919.XA CN115443606A (zh) 2020-06-30 2021-05-27 带有谐波馈电的驱动系统

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102020117149.8A DE102020117149A1 (de) 2020-06-30 2020-06-30 Antriebssystem mit Oberwelleneinspeisung
DE102020117149.8 2020-06-30

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2022002491A1 true WO2022002491A1 (de) 2022-01-06

Family

ID=76250329

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2021/064160 WO2022002491A1 (de) 2020-06-30 2021-05-27 Antriebssystem mit oberwelleneinspeisung

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20230261599A1 (de)
CN (1) CN115443606A (de)
DE (1) DE102020117149A1 (de)
WO (1) WO2022002491A1 (de)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1906523A1 (de) * 2005-07-11 2008-04-02 Hitachi, Ltd. Steuerung für einen synchronmotor des feldwicklungstyps, elektrisches antriebssystem, elektrisches vierradfahrzeug und hybrid-automobil
DE102016219147A1 (de) * 2016-10-04 2018-04-05 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Verfahren zur Reduzierung von Schall und/oder Drehmomentwelligkeit bei fremderregten elektrischen Maschinen
DE102016224374A1 (de) * 2016-12-07 2018-06-07 Zf Friedrichshafen Ag Verfahren und Anordnung zur Ansteuerung einer mindestens 6-phasigen PSM-Maschine
DE102018202005A1 (de) * 2018-02-08 2019-08-08 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Elektrische Maschine sowie Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Maschine

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
ITTO20040399A1 (it) * 2004-06-16 2004-09-16 Univ Catania Sistema e metodo di controllo per azionamenti elettrici con motori in corrente alternata.
US7710081B2 (en) * 2006-10-27 2010-05-04 Direct Drive Systems, Inc. Electromechanical energy conversion systems
CN110323898B (zh) 2014-11-26 2022-04-12 科勒公司 交流发电机转子控制器
DE102018202967A1 (de) 2018-02-28 2019-08-29 Robert Bosch Gmbh Steuereinheit für eine elektrische Maschine

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1906523A1 (de) * 2005-07-11 2008-04-02 Hitachi, Ltd. Steuerung für einen synchronmotor des feldwicklungstyps, elektrisches antriebssystem, elektrisches vierradfahrzeug und hybrid-automobil
DE102016219147A1 (de) * 2016-10-04 2018-04-05 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Verfahren zur Reduzierung von Schall und/oder Drehmomentwelligkeit bei fremderregten elektrischen Maschinen
DE102016224374A1 (de) * 2016-12-07 2018-06-07 Zf Friedrichshafen Ag Verfahren und Anordnung zur Ansteuerung einer mindestens 6-phasigen PSM-Maschine
DE102018202005A1 (de) * 2018-02-08 2019-08-08 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Elektrische Maschine sowie Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Maschine

Also Published As

Publication number Publication date
US20230261599A1 (en) 2023-08-17
CN115443606A (zh) 2022-12-06
DE102020117149A1 (de) 2021-12-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE60027806T2 (de) Vorrichtung zum Antrieb eines Fahrzeugs unter Verwendung von umrichtergesteuerten Motoren und Getrieben
DE69313744T2 (de) Wechselstrom-Antriebseinrichting mit veränderbarer Geschwindigkeit und Elektrofahrzeug hierfür
EP3224929B1 (de) Permanenterregte synchronmaschine und kraftfahrzeugsystem
DE102010003707A1 (de) Verfahren, Systeme und Vorrichtung zur Steuerung des Betriebs von zwei Wechselstrom(AC)-Maschinen
DE102010028056A1 (de) Verfahren, Systeme und vorrichtung zur Steuerung des Betriebs von zwei Wechselstrom (AC) -Maschinen
DE102006021354A1 (de) Elektrische Maschine, insbesondere Synchronmotor, mit redundanten Statorwicklungen
WO2010149439A2 (de) Vorrichtung zur versorgung eines elektrischen antriebes für ein kraftfahrzeug
EP2483146A2 (de) Elektrische antriebswelle und fahrzeug mit einer derartigen elektrischen antriebswelle
DE102013009776A1 (de) Motorantriebssystem
DE102009000616A1 (de) Redundante Entladung eines DC-Busses für ein Elektromotorsystem
DE102021111048B4 (de) Bandbreiten-aufteilende oberwellenregelung zur verbesserung des akustischen verhaltens eines elektrischen antriebssystems
DE102011003372A1 (de) Dual source automotive propulsion system and method of operation
WO2014140068A2 (de) Verfahren und vorrichtung zum betreiben eines bordnetzes
WO2006125764A1 (de) Elektrische antriebsmaschine
DE102020112092A1 (de) Mehrphasiges Antriebssystem mit Kopplungskompensation
DE102023103545A1 (de) Fehlertolerantes turbogeneratorsystem
WO2022002491A1 (de) Antriebssystem mit oberwelleneinspeisung
DE102020104437A1 (de) Versatz der Stromgrundwellen bei mehrphasigen Antrieben
EP3449560B1 (de) Verfahren zum ausschalten einer mehrphasigen elektrischen maschine in einem kraftfahrzeug
DE102014226570A1 (de) Asynchronmaschine für sicherheitsrelevante Einsatzgebiete
DE102020110634A1 (de) Ansteuerung einer elektrischen Maschine mit einem Stator, der mehr als drei Phasen aufweist
DE202016001273U1 (de) Elektrische Maschine für elektrisches Fahrzeug
EP3532335A1 (de) Antriebssystem für ein elektrisch angetriebnes kraftfahrzeug
DE102020103883B4 (de) Verfahren zur Ansteuerung einer elektrischen Maschine, elektrische Antriebeinrichtung und Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug
EP4287467A1 (de) Elektromotorsystem

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 21729477

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 21729477

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1