WO2022248163A1 - Kompensationsnetzwerk - Google Patents

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WO2022248163A1
WO2022248163A1 PCT/EP2022/061663 EP2022061663W WO2022248163A1 WO 2022248163 A1 WO2022248163 A1 WO 2022248163A1 EP 2022061663 W EP2022061663 W EP 2022061663W WO 2022248163 A1 WO2022248163 A1 WO 2022248163A1
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WO
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compensation
winding
electrical machine
electrical
capacitor
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PCT/EP2022/061663
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French (fr)
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Emmanouil KARDAMITSIS-THEOFILOU
Friedrich SCHULTHEISS
Original Assignee
Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
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Publication date
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    • 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
    • H02P29/00—Arrangements for regulating or controlling electric motors, appropriate for both AC and DC motors
    • H02P29/50—Reduction of harmonics
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K11/00—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection
    • H02K11/40—Structural association with grounding devices
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/12—Arrangements for reducing harmonics from ac input or output
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    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/53—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M7/537—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters
    • H02M7/5387—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters in a bridge configuration
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H1/00—Constructional details of impedance networks whose electrical mode of operation is not specified or applicable to more than one type of network
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H1/00—Constructional details of impedance networks whose electrical mode of operation is not specified or applicable to more than one type of network
    • H03H2001/0014—Capacitor filters, i.e. capacitors whose parasitic inductance is of relevance to consider it as filter

Definitions

  • the invention relates to an electrical device for compensating for common-mode interference in an electrical machine, a system and an electrical machine.
  • FIG. 1 shows a simplified schematic representation of the formation of common-mode interference.
  • the electrodes of a transistor, in particular the drain electrode 12, or their leads are generally electrically insulated from the ground potential 14 of a housing 16 (reference potential). Since the permittivity of the electrical insulation 18 is not infinitely large, this arrangement represents a parasitic capacitance 20. Variations in the potential of the drain electrode 12 of this parasitic capacitance 20 with respect to the ground potential 14 produce common-mode interference (also common-mode interference), which adversely affect electromagnetic compatibility. The disturbances occur synchronously with the switching processes of the drain electrode 12.
  • the common-mode interference can occur both for positive and for negative voltage potentials with respect to ground potential 14 .
  • the common-mode interference therefore also has an adverse effect on the functioning of components of the electronic device. Due to the common-mode interference, complex and therefore expensive filter elements must be provided in order to be able to comply with legal limit values.
  • the invention is therefore based on the object of compensating for or at least reducing such common-mode interference.
  • an electrical device for compensating for common-mode interference in an electrical machine includes at least one compensation network with at least one compensation winding and a compensation capacitor.
  • the compensation winding and the compensation capacitor are arranged in a series circuit.
  • the at least one compensation winding interacts with at least one stator winding of the electrical machine in such a way that a compensation current counteracting the common-mode interference is generated.
  • the electrical machine can be coupled to a power converter.
  • Common-mode interference can occur due to the switching operations of the switching elements of the power converter.
  • filter elements coupled to the power converter can be provided.
  • the common-mode interference can advantageously be at least partially compensated for by the compensation network. This improves the electromagnetic compatibility in the electrical machine. There are fewer disturbances, which is why the limit values can also be met with less complex and cost-intensive filter elements. Overall, the machine has reduced manufacturing costs.
  • the compensation current generated can have a phase shift of 180° compared to the common-mode interference.
  • the compensation current has an amplitude opposite to that of the common-mode interference. Therefore, the common-mode interference that occurs and cannot be avoided can be reduced in amplitude or even compensated for.
  • the compensation network can be passive. This means that the compensation network only includes passive electrical components can. Passive components are particularly cheap. The manufacturing costs of the device are low.
  • the at least one compensation winding can have a number of turns that corresponds to the number of turns of the at least one stator winding. This simplifies the design of the compensation network, since only lower demands are then placed on the compensation capacitor in order to be able to design the compensation network in such a way that the common-mode interference is compensated for in terms of amplitude.
  • the compensation winding can be formed with the at least one stator winding in accordance with a transformer.
  • a transformer is viewed as a special case of a transformer.
  • the number of windings in the transformer is identical.
  • the windings can then be arranged in opposite directions.
  • the arrangement as a transformer makes it possible for the voltage changes that caused it, ie the voltage rise or fall, to be mirrored in the compensation network.
  • the transformer makes it possible to select the mirroring based on the sense of the winding in such a way that the 180° phase offset can be achieved in a particularly simple manner.
  • the compensation winding can be designed as an additional winding on the at least one stator winding.
  • the general layout of the electrical machine can remain unchanged despite the additional compensation winding.
  • the electric machine can have a housing. At least one rotor and one stator of the electrical machine can be arranged in the housing.
  • the compensation network can then be designed in such a way that the compensation capacitor can be arranged inside or outside the housing.
  • the housing can advantageously be electrically conductive and lie at ground potential. .
  • the compensation capacitor can also act as a high-pass filter. It is therefore permeable to high-frequency signals. However, it blocks low-frequency signals.
  • the compensation capacitor and the compensation winding can be designed and set up in such a way that the product of the capacitance of the compensation capacitor and the inductance of the compensation winding is equal to the product of the inductance of the at least one stator winding and a parasitic capacitance, based on which the at least partially compensated common-mode interference is caused are. If this condition is met, then the common-mode interference is advantageously completely compensated for in terms of phase and amplitude, provided edge effects such as contact resistances or the like are neglected.
  • a system of electrical devices for an n-phase electrical machine includes at least one stator winding assigned to a respective current phase.
  • the system comprises at least n electrical devices of the type described above. At least one stator winding assigned to a respective current phase interacts with one of the n electrical devices.
  • the electrical machine can be coupled to a power converter.
  • An electrical device with a compensation network is then advantageously provided for each of the n current phases of the electrical machine. Therefore, the common-mode interference can then be compensated for all n current phases of the electrical machine.
  • a power converter that is coupled to the current phases of the electrical machine can advantageously be operated without common-mode interference. In this way, the requirements for the filter elements that are otherwise to be provided in order to comply with the specifications for electromagnetic compatibility can be reduced.
  • the system can also have an intermediate circuit capacitor for the electric machine.
  • the current phases of the electrical machine can be coupled in a star point.
  • the star point can then be electrically coupled to a midpoint of the intermediate circuit capacitor.
  • the intermediate circuit capacitor can have at least two partial capacitors. This provides the possibility of compensating for the common-mode interference from the entire group of n current phases.
  • the electrical machine can be 3m-phase, where m is a natural number greater than 0.
  • the current phase number can be an integer be a multiple of 3. This corresponds to the typical design of today's electrical machines.
  • an electric machine for an at least partially electrically powered vehicle includes a system of the type described above.
  • the electrical machine is coupled to a power converter.
  • the electrical machine can be 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 electric machine also includes at least one stator with at least one set of stator windings.
  • the stator winding set has at least n stator windings.
  • the system can also include at least n compensation networks, an electrical machine and a power converter.
  • an at least partially electrically powered vehicle which comprises an electric machine as described above.
  • At least partially electrically powered vehicles can include, in particular, land vehicles, namely 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 aircraft and jet aircraft, 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. 2 shows a simplified schematic representation of an electrical device according to an embodiment
  • FIG. 3 shows a simplified schematic representation of a compensation winding.
  • FIG. 2 shows a simplified schematic representation of an electrical device 30 according to an embodiment.
  • a 3-phase electrical machine 32 for an at least partially electrically driven vehicle is shown.
  • the electrical machine 32 is arranged in a housing 34 .
  • the rotor and the stator of the electrical machine 32 are arranged in a volume enclosed by the housing 34 .
  • a power converter 36 is provided in the electric machine 32, which in the present case is designed as a B6 bridge.
  • an intermediate circuit capacitor 40 which serves as a buffer capacitor.
  • the intermediate circuit capacitor 40 includes the present two part capacitors 42, 44, between which a center tap 46 of the intermediate circuit capacitor 40 is formed.
  • the electric machine 32 is coupled to a DC voltage source 48 .
  • the DC voltage source 48 can be a high-voltage battery of the vehicle.
  • the power converter 36 is coupled between the positive and negative potentials of the DC voltage source 48 .
  • the electrical machine 32 is three-phase with the current phases n1, n2, n3.
  • the current phases n1-n3 are applied to stator windings which are electrically connected to intermediate taps of respective transistor pairs of the converter 36 by means of supply lines 50, 52, 54.
  • the supply lines 50, 52, 54 and the stator windings of the current phases n1, n2, n3 are electrically insulated from the ground potential 58. Due to the switching operations of the transistors 38 of the power converter 36, however, the potential differences vary relative to ground. Therefore, common-mode interference is induced, which is shown here as parasitic capacitances 56A, 56B, 56C. The common-mode interference occurs regardless of whether positive or negative voltage potentials are present at the stator windings and the supply lines 50, 52, 54.
  • Compensation networks 59 are provided to compensate for the common-mode interference.
  • a compensation network 59 includes only passive components. It can therefore also be referred to as a passive compensation network 59 .
  • Compensation network 59 includes at least one compensation winding 60 and one compensation capacitor 62.
  • the compensation winding 60 is arranged inside the housing 34 of the electrical machine 32 .
  • the compensation capacitor 62 is arranged outside of the housing 34 .
  • the compensation capacitor 62 can also be arranged within the housing 34 .
  • the compensation winding 60 and the compensation capacitor 62 are arranged in a series circuit.
  • the compensation network 59 is assigned to the current phase n3.
  • Compensation winding 60 interacts with the stator winding of current phase n3 together.
  • the compensation winding 60 is designed as a transformer 64 with the stator winding of the current phase n3. This means that the stator winding of the current phase n3 and the compensation winding 60 have the same number of turns.
  • Compensation winding 60 is also electrically connected to ground potential 58 .
  • the compensation winding 60 and the compensation capacitor 62 are designed according to the following condition.
  • the product of the number of turns of the compensation winding 60 and the capacitance of the compensation capacitor 62 is equal to the product of the number of turns of the associated stator winding of the current phase n3 and the respective parasitic capacitance 56A. Since the number of turns of the compensation winding 60 and the stator winding of the current phase n3 are the same, the compensation capacitor 62 must therefore have a capacitance which corresponds to that of the parasitic capacitance 56A.
  • the parasitic capacitance can be determined in advance using a simulated network and an EMI (electromagnetic interference) receiver. The compensation capacitor 62 can then be designed accordingly.
  • the current phases n1, n2, n3 of the electrical machine 32 are coupled at a star point 66.
  • Star point 66 of electrical machine 32 is electrically connected to intermediate tap 46 of intermediate circuit capacitor 40 .
  • the intermediate tap 46 can also be referred to as a midpoint tap, since the partial capacitors 42, 44 have the same capacitance.
  • the compensation winding 60 and the compensation capacitor 62 are designed accordingly, the common-mode interference can be compensated for in a simple manner.
  • the formation of the compensation winding 60 with the stator winding of the current phase n3 as a transformer 64 ensures that a phase shift of 180° is ensured with different winding directions.
  • a particularly good coupling ratio can be achieved with the transformer 64 .
  • each compensation network 59 is designed according to the above conditions.
  • the connection between star point 66 and intermediate tap 46 of the intermediate circuit capacitor ensures a symmetrical design.
  • FIG 3 shows a simplified schematic representation of a compensation winding 60.
  • the compensation winding 60 is formed directly on the stator winding 66 as an additional winding. Only electrical insulation 68 is provided between the windings. This provides a good coupling ratio between the bucking winding 60 and the stator winding 66 .

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

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Vorrichtung zur Kompensation von Gleichtaktstörungen in einer elektrischen Maschine, ein System aus elektrischen Vorrichtungen und ein Fahrzeug. Die Vorrichtung umfasst zumindest ein Kompensationsnetzwerk mit zumindest einer Kompensationswicklung und einem Kompensationskondensator. Die Kompensationswicklung und der Kompensationskondensator sind in einer Reihenschaltung angeordnet. Die zumindest eine Kompensationswicklung wirkt mit zumindest einer Statorwicklung der elektrischen Maschine derart zusammen, dass ein den Gleichtaktstörungen entgegenwirkender Kompensationsstrom erzeugt wird.

Description

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

Claims

Patentansprüche
1. Elektrische Vorrichtung (30) zur Kompensation von Gleichtaktstörungen in einer elektrischen Maschine (32), wobei die Vorrichtung zumindest ein Kompensationsnetzwerk (59) mit zumindest einer Kompensationswicklung (60) und einem Kompensationskondensator (62) umfasst, wobei die Kompensationswicklung und der Kompensationskondensator in einer Reihenschaltung angeordnet sind, und wobei die zumindest eine Kompensationswicklung mit zumindest einer Statorwicklung (66) der elektrischen Maschine derart zusammenwirkt, dass ein den Gleichtaktstörungen entgegenwirkender Kompensationsstrom erzeugt wird.
2. Elektrische Vorrichtung (30) nach Anspruch 1, wobei der Kompensationsstrom eine Phasenverschiebung von 180° gegenüber den Gleichtaktstörungen aufweist.
3. Elektrische Vorrichtung (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kompensationswicklung (60) eine Windungszahl aufweist, die der Windungszahl der zumindest einen Statorwicklung (66) entspricht.
4. Elektrische Vorrichtung (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kompensationswicklung (60) mit der zumindest einen Statorwicklung (66) entsprechend einem Übertrager (64) ausgebildet ist.
5. Elektrische Vorrichtung (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kompensationswicklung (60) als Zusatzwicklung auf der zumindest einen Statorwicklung (66) ausgebildet ist.
6. Elektrische Vorrichtung (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kompensationskondensator (62) als Hochpass wirkt.
7. Elektrische Vorrichtung (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kompensationskondensator (62) und die Kompensationswicklung (60) derart ausgelegt und eingerichtet sind, dass das Produkt aus Kapazität des Kompensationskondensators und Induktivität der Kompensationswicklung gleich dem Produkt aus Induktivität der zumindest einen Statorwicklung (66) und einer parasitären Kapazität (56A) ist, wobei aufgrund der parasitären Kapazität die kompensierten Gleichtaktstörungen verursacht sind.
8. System aus elektrischen Vorrichtungen (30) für eine n-phasige elektrische Maschine (32), wobei die elektrische Maschine zumindest eine einer jeweiligen Stromphase (n1, n2, n3) zugeordnete Statorwicklung (66) umfasst, wobei das System zumindest n elektrische Vorrichtungen nach einem der Patentansprüche 1 bis 7 umfasst, und wobei die zumindest eine einer jeweiligen Stromphase zugeordnete Statorwicklung mit jeweils einer der n elektrischen Vorrichtungen zusammenwirkt.
9. System nach Anspruch 8, wobei das System ferner einen Zwischenkreiskondensator (40) für die elektrische Maschine (32) aufweist, wobei die Stromphasen (n1, n2, n3) der elektrischen Maschine in einem Sternpunkt (66) gekoppelt sind, und wobei der Sternpunkt mit einem Mittelpunkt (46) des Zwischenkreiskondensators elektrisch gekoppelt ist.
10. System nach einem der Ansprüche 8 oder 9, wobei die elektrische Maschine (32) 3m-phasig ist, wobei m eine natürliche Zahl größer 0 ist.
11. Elektrische Maschine (32) für ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug mit einem System nach einem der Ansprüche 8 bis 10.
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