DE102018202005A1 - Electric machine and method for operating an electric machine - Google Patents
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Abstract
Es wird eine elektrische Maschine (2), insbesondere elektrische Antriebsmaschine für ein Kraftfahrzeug angegeben, welche aufweist:- einen ringförmigen, um eine Rotationsachse (R) ausgebildeten und um die Rotationsachse (R) drehbar ausgebildeten Rotor (6),- einen ringförmigen Stator (4), der um die Rotationsachse (R) derart angeordnet ist, dass er den Rotor (6) umfangsseitig konzentrisch umgibt, derart, dass in einer Radialrichtung (5) betrachtet zwischen dem Rotor (6) und dem Stator (4) ein Luftspalt (14) ausgebildet ist, wobei der Stator (4) zwei dreiphasige, im Betrieb ansteuerbare Wicklungssätze (12a,b) aufweist sowie- eine Steuereinheit (22), die derart eingerichtet und ausgebildet ist, dass im Betrieb von der Steuereinheit (22) zu einer Ansteuerung der elektrischen Maschine (2) die Wicklungssätze (12a,b) mit einem Drehstrom (l~) beaufschlagt werden und sich hierdurch ein magnetisches Drehfeld (B) im Luftspalt (14) einstellt zur Erzeugung eines auf den Rotor (6) einwirkenden Drehmoments (M), wobei der Verlauf des magnetischen Drehfeldes (B) durch eine Überlagerung einer sinusförmigen Grundwelle (GW) mit sinusförmigen Oberwellen (OW) approximierbar ist und die Steuereinheit (22) zur Ansteuerung der elektrischen Maschine (2) in unterschiedliche Betriebsmodi ausgebildet ist, wobei in Abhängigkeit einer vorgegebenen Maschinenanforderung im Betrieb die elektrische Maschine (2) mit einem dieser Betriebsmodi angesteuert wird.The invention relates to an electric machine (2), in particular an electric drive machine for a motor vehicle, comprising: - an annular rotor (6) formed around a rotation axis (R) and rotatable about the rotation axis (R), - an annular stator ( 4) which is arranged around the rotation axis (R) such that it surrounds the rotor (6) concentrically concentrically, such that viewed in a radial direction (5) between the rotor (6) and the stator (4) an air gap ( 14), wherein the stator (4) has two three-phase, in operation controllable winding sets (12a, b) and a control unit (22) which is set up and configured such that in operation from the control unit (22) to a Actuation of the electric machine (2) the winding sets (12a, b) with a three-phase current (l ~) are acted upon and thereby a magnetic rotary field (B) in the air gap (14) adjusts to produce a on the rotor (6) acting D torques (M), wherein the course of the magnetic rotating field (B) by a superimposition of a sinusoidal fundamental wave (GW) with sinusoidal harmonics (OW) is approximated and the control unit (22) for controlling the electric machine (2) is formed in different operating modes , wherein in dependence on a predetermined machine requirement during operation, the electric machine (2) is controlled with one of these operating modes.
Description
Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine sowie ein Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Maschine.The invention relates to an electrical machine and a method for operating an electrical machine.
Elektrische Maschinen, insbesondere elektrische Motoren werden heutzutage in verschiedenen Anwendungen eingesetzt. In diesem Zusammenhang existieren verschiedene Typen und Formen von elektrischen Maschinen.Electric machines, in particular electric motors are used today in various applications. In this connection, various types and shapes of electric machines exist.
Elektrische Maschinen sind 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. Typische Leistungen derartiger elektrischer Antriebsmaschinen weisen beispielsweise Werte von mehreren 100kW auf.Electric machines are also used in electrically driven vehicles as an electric drive machine. Under electric drive machine in the present case are understood in particular electrical machines that produce a propulsion in the form of a torque for a motor vehicle. Typical performances of such electric drive machines have, for example, values of several 100 kW.
Die verschiedenen Typen und Formen der elektrischen Maschinen weisen üblicherweise funktionsprinzipbedingte Vor- und Nachteile auf.The various types and shapes of electrical machines usually have functional principle-related advantages and disadvantages.
Beispielsweise sind heutzutage in der Kraftfahrzeugindustrie häufig sogenannte Asynchronmaschinen oder Reluktanzmaschinen eingesetzt.For example, so-called asynchronous machines or reluctance machines are frequently used today in the motor vehicle industry.
Bei der heutigen Entwicklung elektrischer Maschinen, insbesondere von elektrischen Antriebsmaschinen in Kraftfahrzeugen, liegt der Schwerpunkt somit häufig in einer Optimierung der Vorteile und einer Reduzierung und vorzugsweise Vermeidung der Nachteile einer jeweiligen elektrischen Maschine. Üblicherweise ist ein Großteil der Nachteile von elektrischen Maschinen typ- und funktionsübergreifend auf elektrische oder magnetische Verluste zurückzuführen. Unter elektrischen Verlusten werden vorliegend allgemeine spannungs- oder strombehaftete Verluste, beispielsweise Leiterverluste verstanden. Unter magnetischen Verlusten werden vorliegend Verluste verstanden, die eine Schwächung oder eine Streuung eines für die Drehmomenterzeugung der elektrischen Maschine notwendigen magnetischen Feldes zur Folge haben und somit beispielsweise Wirkungsgradverluste hervorrufen.In today's development of electrical machines, in particular of electric drive machines in motor vehicles, the focus is thus often in an optimization of the advantages and a reduction and preferably avoiding the disadvantages of a respective electric machine. Usually, a large part of the disadvantages of electrical machines across types and functions is due to electrical or magnetic losses. Under electrical losses are understood in the present general voltage or current-carrying losses, such as conductor losses. In the present case, magnetic losses are understood to mean losses which result in a weakening or scattering of a magnetic field necessary for the torque generation of the electrical machine and thus, for example, cause losses in efficiency.
So weist die bereits genannte Asynchronmaschine beispielweise den Nachteil auf, dass im Rotor einer solchen Maschine betriebspunktabhängige und nicht vernachlässigbare Rotorverluste auftreten.Thus, the already mentioned asynchronous machine, for example, has the disadvantage that in the rotor of such a machine operating point-dependent and not negligible rotor losses occur.
Ein Nachteil der ebenfalls bereits genannten Reluktanzmaschine ist ein erhöhter Blindleistungsbedarf, welcher sich insbesondere beim Anlaufen der Maschine negativ auf den Wirkungsgrad auswirkt.A disadvantage of the reluctance machine also mentioned above is an increased reactive power demand, which has a negative effect on the efficiency, in particular when starting the machine.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Maschine, speziell eine elektrische Antriebsmaschine für ein Kraftfahrzeug anzugeben, die einen optimierten Wirkungsgrad aufweist. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Maschine anzugeben, die einen optimierten Wirkungsgrad aufweist.Proceeding from this, the present invention seeks to provide an electric machine, especially an electric drive machine for a motor vehicle, which has an optimized efficiency. Furthermore, the invention has the object to provide a method for operating an electrical machine, which has an optimized efficiency.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine elektrische Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 15. The object is achieved by an electric machine with the features of
Vorteilhafte Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Varianten sind Gegenstand der Unteransprüche. Die im Hinblick auf die elektrische Maschine aufgeführten Vorteile und bevorzugten Ausgestaltungen sind sinngemäß auf das Verfahren zu übertragen und umgekehrt. Das Verfahren zum Betrieb der elektrischen Maschine dient insbesondere zum Betrieb der nachfolgend beschriebenen elektrischen Maschine. In der nachfolgenden Beschreibung wird an geeigneten Stellen und zum besseren Verständnis zu der Beschreibung der elektrischen Maschine parallel auch auf das Verfahren zum Betrieb der elektrischen Maschine eingegangen. Die elektrische Maschine ist insbesondere als eine elektrische Antriebsmaschine für ein Kraftfahrzeug ausgebildet.Advantageous embodiments, developments and variants are the subject of the dependent claims. The advantages and preferred embodiments listed with regard to the electrical machine are to be transferred analogously to the method and vice versa. The method for operating the electrical machine is used in particular for operating the electrical machine described below. In the following description, the method for operating the electric machine will be discussed in parallel at the appropriate places and for better understanding of the description of the electrical machine. The electric machine is designed in particular as an electric drive machine for a motor vehicle.
Die elektrische Maschine weist einen ringförmigen Rotor auf, der um eine Rotationsachse und um die Rotationsachse drehbar ausgebildet ist.The electric machine has an annular rotor which is designed to be rotatable about an axis of rotation and about the axis of rotation.
Zudem weist die elektrische Maschine einen ringförmigen Stator auf, der um die Rotationsachse derart angeordnet ist, dass er den Rotor umfangsseitig und konzentrisch umgibt, derart, dass sich in einer Radialrichtung betrachtet zwischen dem Rotor und dem Stator ein Luftspalt ausbildet. Der Stator weist zwei dreiphasige, im Betrieb ansteuerbare Wicklungssätze auf, die um einen vorgegebenen Winkel zueinander versetzt an dem Stator angeordnet sind. Hierdurch bilden die Wicklungssätze eine diskrete, symmetrische Wicklungsverteilung aus. Unter dreiphasigen, im Betrieb ansteuerbaren Wicklungssätzen wird vorliegend speziell verstanden, dass je ein Wicklungssatz drei Spulen aufweist, welche im angesteuerten Zustand jeweils an eine Phase eines Drehstromnetzes angeschlossen sind. Bei der elektrischen Maschine handelt es sich vorliegend also um eine sechsphasige elektrische Maschine.In addition, the electric machine has an annular stator, which is arranged around the axis of rotation such that it surrounds the rotor circumferentially and concentrically, such that, viewed in a radial direction, an air gap is formed between the rotor and the stator. The stator has two three-phase, in operation controllable winding sets, which are arranged offset by a predetermined angle to the stator. As a result, the winding sets form a discrete, symmetrical winding distribution. In the present case, three-phase winding sets which can be controlled during operation are specifically understood to mean that one set of windings each has three coils which, in the controlled state, are each connected to one phase of a three-phase network. In the present case, the electric machine is therefore a six-phase electrical machine.
Im Betrieb wird ein Wicklungssatz, also drei Spulen mit einem Drehstrom bestromt, also angesteuert. D.h. jede Spule des jeweiligen Wicklungssatzes wird mit einem vorzugsweise sinusförmigen Wechselstrom mit einer vorgegebenen Frequenz beaufschlagt.In operation, a winding set, so three coils are energized with a three-phase current, so driven. That is, each coil of the respective winding set is with a preferably sinusoidal AC applied to a predetermined frequency.
Zudem weist die elektrische Maschine eine Steuereinheit auf, die derart eingerichtet ist, dass im Betrieb die Wicklungssätze von der Steuereinheit mit dem bereits erläuterten Drehstrom beaufschlagt werden. D.h. die Steuereinheit ist zu einer Einstellung der vorgegebenen Frequenz und/oder einer Amplitude des eingeprägten Drehstromes ausgebildet. Unter eingeprägt wird vorliegend allgemein die Bestromung der Wicklungssätze mit dem Drehstrom verstanden. Hierdurch stellt sich im Luftspalt ein sich in Umfangsrichtung drehendes magnetisches Drehfeld ein, welches zur Erzeugung eines auf den Rotor einwirkenden Drehmoments dient.In addition, the electric machine has a control unit which is set up in such a way that, during operation, the winding sets are subjected to the already explained three-phase current by the control unit. That the control unit is designed to set the predetermined frequency and / or an amplitude of the impressed three-phase current. Under stamped in the present case is understood in general the energization of the winding sets with the three-phase current. As a result, a rotating magnetic field rotating in the circumferential direction sets in the air gap, which serves to generate a torque acting on the rotor.
Bei der elektrischen Maschine handelt es sich vorliegend um eine elektrische Maschine nach Art einer sogenannten Asynchronmaschine. D.h., dass sich der Rotor im Betrieb nicht mit der gleichen Geschwindigkeit dreht, wie das magnetische Drehfeld. Der Rotor dreht somit asynchron zum magnetischen Drehfeld. Das Wirkprinzip von Asynchronmaschinen ist grundsätzlich bekannt, sodass auf eine detaillierte Beschreibung dessen vorliegend verzichtet wird.In the present case, the electrical machine is an electrical machine of the type of a so-called asynchronous machine. That is, in operation, the rotor does not rotate at the same speed as the rotating magnetic field. The rotor thus rotates asynchronously to the magnetic rotating field. The operating principle of asynchronous machines is basically known, so that a detailed description of this is dispensed with here.
Das magnetische Drehfeld verläuft im Luftspalt radial, also in oder entgegen der Radialrichtung. In Umfangsrichtung, also in Drehrichtung des Rotors, weist das magnetische Drehfeld einen Verlauf nach Art eines Rechteck-Treppen-Signals, welcher durch eine Überlagerung einer sinusförmigen Grundwelle mit sinusförmigen Oberwellen approximiert ist. Mit anderen Worten: Der Verlauf des magnetischen Drehfeldes ist mit Hilfe der Fourier-Reihenentwicklung in eine sinusförmige Grundwelle und eine Anzahl an sinusförmigen Oberwellen ungerader Ordnung approximierbar. Aufgrund der symmetrischen Wicklungsverteilung und des dadurch erzeugten symmetrischen magnetischen Feldes, treten bei der zuvor genannten Fourierentwicklung des magnetischen Drehfeldes lediglich ungerade Ordnungen der Oberwellen auf. In diesem Zusammenhang werden oftmals die Grundwelle und die auftretenden Oberwellen des magnetischen Drehfeldverlaufes für eine Beschreibung oder zur Erklärung maschinentypischer Effekte, z.B. die Erzeugung des Drehmoments durch das magnetische Drehfeld herangezogen. Wird vorliegend vereinfacht beispielsweise ein Drehmoment erwähnt, welches durch eine ausgewählte Oberwelle erzeugt wird, so ist darunter zu verstehen, dass das nicht die ausgewählte Oberwelle direkt das Drehmoment erzeugt, sondern das sich einstellende magnetische Drehfeld, welches durch die ausgewählte Oberwelle approximiert ist.The magnetic rotating field extends radially in the air gap, ie in or against the radial direction. In the circumferential direction, ie in the direction of rotation of the rotor, the magnetic rotating field has a course in the manner of a rectangular staircase signal, which is approximated by a superimposition of a sinusoidal fundamental wave with sinusoidal harmonics. In other words, the course of the magnetic rotating field can be approximated by means of the Fourier series development into a sinusoidal fundamental wave and a number of sinusoidal harmonics of odd order. Owing to the symmetrical winding distribution and the symmetrical magnetic field generated thereby, only odd orders of the harmonics occur in the aforementioned Fourier development of the magnetic rotating field. In this connection, the fundamental wave and the occurring harmonics of the rotating magnetic field course are often used for a description or explanation of machine-typical effects, e.g. the generation of the torque used by the magnetic rotating field. If, for example, a torque is mentioned here in a simplified manner, which is generated by a selected harmonic, it is to be understood that the selected harmonic does not generate the torque directly, but rather the rotating magnetic field which is approximated by the selected harmonic.
Eine derartige Betrachtung des magnetischen Drehfeldes als eine Überlagerung einer sinusförmigen Grundwelle mit sinusförmigen Oberwellen kann somit vorliegend stellvertretend für das magentische Drehfeld als Drehmomenterzeugender Faktor innerhalb der elektrischen Maschine herangezogen werden. Oberwellen verlaufen weiterhin in Abhängigkeit ihrer Ordnung entweder in Richtung des magnetischen Drehfeldes oder entgegen des magnetischen Drehfeldes. So verläuft beispielsweise bei der vorliegenden Maschine jede zweite auftretende Oberwelle ab der 5. Oberwelle (also die 5., 9., 13. usw.) in Richtung des magnetischen Drehfeldes. Die jeweils dazwischen liegenden Oberwellen (also die 7., 11., usw.) verlaufen jedoch entgegen der Richtung des magnetischen Drehfeldes. Generell führen die auftretenden Oberwellen beispielsweise zu unerwünschten parasitären Drehmomenten, die beispielsweise im Betrieb der elektrischen Maschine zu einer erhöhten Geräuschentwicklung führen. Unter „verlaufen die Oberwellen“ wird vorliegend speziell verstanden, dass die Extremwerte der jeweiligen sinusförmigen Wellen in ihrem Abstand zueinander konstant bleiben, jedoch in Umfangsrichtung (bei einem Verlaufen in Richtung des magnetischen Drehfeldes) beziehungsweise entgegen der Umfangsrichtung (bei einem Verlaufen entgegen der Richtung des Drehfeldes) wandern.Such a consideration of the magnetic rotating field as a superimposition of a sinusoidal fundamental wave with sinusoidal harmonics can thus be used as representative of the magnetic field of rotation as a torque-generating factor within the electric machine. Harmonics continue to run depending on their order either in the direction of the magnetic rotating field or against the magnetic rotating field. For example, in the present machine every second harmonic occurring from the 5th harmonic (ie the 5th, 9th, 13th, etc.) runs in the direction of the magnetic rotating field. However, each intermediate harmonics (ie the 7th, 11th, etc.) run counter to the direction of the magnetic rotating field. In general, the harmonics that occur, for example, lead to undesirable parasitic torques that lead to increased noise, for example, during operation of the electric machine. The term "run the harmonics" is specifically understood in the present case that the extreme values of the respective sinusoidal waves remain constant in their distance from each other, but in the circumferential direction (when running in the direction of the magnetic rotating field) or counter to the circumferential direction (in a direction opposite to the direction of the Rotating field).
So ist es auf der Grundlage einer Approximation des magnetischen Drehfeldes ermöglicht, mit Hilfe der Steuereinheit durch eine vorteilhafte Bestromung der Wicklungssätze optimierte Verläufe des magnetischen Drehfeldes und somit des erzeugten Drehmoments zu erreichen. Der Stand der Technik sieht hierzu vor, eine Dämpfung oder eine Unterdrückung der auftretenden Oberwellen zu erreichen.Thus, on the basis of an approximation of the magnetic rotating field, it is possible, with the aid of the control unit, to achieve optimized courses of the magnetic rotating field and thus of the generated torque by advantageous energizing of the winding sets. The prior art provides for this purpose to achieve a damping or suppression of the harmonics occurring.
Im Unterschied zu bisherigen Lösungsansätzen, die eine Dämpfung oder Unterdrückung der auftretenden Oberwellen vorsehen, wird in dieser Anmeldung ein Lösungsansatz verfolgt, bei dem bewusst ein oder mehrere Betriebsmodi vorgesehen ist/sind, bei dem/denen die zumindest eine ausgewählte Oberwelle nicht unterdrückt, sondern noch vorzugsweise verstärkt (im Vergleich zur Grundwelle) ist.In contrast to previous approaches that provide attenuation or suppression of the occurring harmonics, in this application, a solution is pursued in which one or more modes of operation is deliberately provided / are, in which / which at least one selected harmonic not suppressed, but still preferably amplified (compared to the fundamental).
Die Steuereinheit ist hierbei zu einer Ansteuerung der Maschine in zumindest folgende unterschiedliche Betriebsmodi ausgebildet.The control unit is designed to control the machine in at least the following different operating modes.
In einem ersten Betriebsmodus ist der Verlauf des sich einstellenden magnetischen Drehfeldes hauptsächlich durch eine ausgewählte Oberwelle approximiert. Dieser Betriebsmodus wird auch als wirkungsgradoptimierter Betriebsmodus bezeichnet. Im ersten Betriebsmodus wird die elektrische Maschine nach Art einer Reluktanzmaschine betrieben, worauf im weiteren Verlauf der Beschreibung noch detaillierter eingegangen wird.In a first operating mode, the course of the rotating magnetic field that arises is mainly approximated by a selected harmonic. This mode of operation is also referred to as an efficiency-optimized mode of operation. In the first operating mode, the electric machine is operated in the manner of a reluctance machine, which will be discussed in more detail later in the description.
In einem zweiten Betriebsmodus ist der Verlauf des sich einstellenden magnetischen Drehfeldes hauptsächlich durch die Grundwelle approximiert. Die Grundwelle ist die ausschlaggebende Welle für einen Betrieb der elektrischen Maschine, der ein hohes Drehmoment fordert. Hierbei wird die Maschine zudem nach Art einer Asynchronmaschine betrieben. Asynchronmaschinen weisen beispielsweise insbesondere bei hohen Drehmomentanforderungen Wirkungsgrade > 90% auf. Unter hohen Drehmomentanforderungen werden vorliegend beispielsweise Drehmomente verstanden, die zumindest Zweidrittel des Maximaldrehmoments der elektrischen Maschine entsprechen Somit ist unter dem zweiten Betriebsmodus beispielsweise ein Betriebsmodus verstanden, bei dem ein hohes Drehmoment zum Antreiben des Kraftfahrzeuges, beispielsweise bei einer Bergauf-Fahrt oder beim Beschleunigen des Kraftfahrzeuges aus dem Stand, gefordert ist. Dieser Betriebsmodus wird auch drehmomentoptimierter Betriebsmodus bezeichnet.In a second mode of operation is the course of the adjusting magnetic Rotary field mainly approximated by the fundamental wave. The fundamental wave is the decisive wave for operation of the electric machine, which requires a high torque. Here, the machine is also operated in the manner of an asynchronous machine. For example, asynchronous machines have efficiencies> 90%, especially with high torque requirements. By high torque requirements are understood in the present example, torques corresponding to at least two-thirds of the maximum torque of the electric machine Thus, the second operating mode, for example, understood an operating mode in which a high torque for driving the motor vehicle, for example when driving uphill or when accelerating the motor vehicle from the state, is required. This operating mode is also called torque-optimized operating mode.
Die beiden Bezeichnungen drehmomentoptimiert und wirkungsradoptimiert dienen vorliegend vorrangig einer genaueren und einfacheren Unterscheidung. Sie schränken den Vorteil des jeweiligen Betriebsmodus jedoch nicht darauf ein. Vielmehr liegt ein wesentlicher Aspekt der Erfindung darin, sowohl im ersten Betriebsmodus als auch im zweiten Betriebsmodus Vorteile hinsichtlich einer Wirkungsgradoptimierung zu erzielen.The two terms torque-optimized and effective wheel optimized serve in the present case primarily a more accurate and easier distinction. However, they do not limit the benefit of the particular operating mode. Rather, an essential aspect of the invention is to achieve advantages in terms of efficiency optimization both in the first operating mode and in the second operating mode.
In einem dritten Betriebsmodus ist der Verlauf des sich einstellenden magnetischen Drehfeldes durch eine Überlagerung der Grundwelle mit der ausgewählten Oberwelle approximiert.In a third operating mode, the course of the rotating magnetic field that arises is approximated by a superposition of the fundamental wave with the selected harmonic.
Unter „hauptsächlich durch die ausgewählte Oberwelle“ wird vorliegend speziell verstanden, dass bei einem Überlagern von mehreren Oberwellen mit der Grundwelle zur Approximation des Verlaufs des magnetischen Drehfeldes, der Amplitudenanteil der ausgewählten Oberwelle > 90% ist. Speziell ist der Amplitudenanteil der ausgewählten Oberwelle 100%. D.h. das Drehfeld wird dabei mathematisch am besten durch die ausgewählte Oberwelle ohne Anteile der Grundwelle approximiert. Mit anderen Worten: Das auf den Rotor einwirkende Drehmoment ist also lediglich durch die ausgewählte Oberwelle „erzeugt“. Betrachtet werden dabei bevorzugt Oberwellen bis maximal zur 9. Ordnung oder maximal zur 7. Ordnung.By "mainly by the selected harmonic wave" is specifically understood here that when superimposing several harmonics with the fundamental wave for approximation of the course of the magnetic rotating field, the amplitude component of the selected harmonic> 90%. Specifically, the amplitude component of the selected harmonic is 100%. That The spin field is mathematically best approximated by the selected harmonic without parts of the fundamental wave. In other words, the torque acting on the rotor is thus "generated" only by the selected harmonic. Harmonics are preferably considered up to a maximum of the 9th order or a maximum of the 7th order.
Das Verständnis von „hauptsächlich durch die Grundwelle“ für den zweiten Betriebsmodus erfolgt hierbei sinngemäß.The understanding of "mainly by the fundamental wave" for the second operating mode is carried out analogously.
In Abhängigkeit einer vorgegebenen Maschinenanforderung wird im Betrieb die elektrische Maschine mit einem der unterschiedlichen Betriebsmodi angesteuert. Unter Ansteuerung wird vorliegend allgemein eine Bestromung der Wicklungssätze verstanden. Die Ansteuerung erfolgt hierbei in Abhängigkeit der vorgegebenen Maschinenanforderung beispielsweise derart, dass die Drehströme, mit denen die Wicklungssätze beaufschlagt werden, zur Einstellung der unterschiedlichen Betriebsmodi in ihrem Wert verändert werden.Depending on a predetermined machine requirement, the electric machine is controlled with one of the different operating modes during operation. In the present case, activation is generally understood to mean an energization of the winding sets. In this case, the control takes place as a function of the predetermined machine requirement, for example in such a way that the three-phase currents with which the winding sets are applied are changed in their value for setting the different operating modes.
Zweckdienlicherweise ist die vorgegebene Maschinenanforderung das durch das magnetische Drehfeld erzeugte und auf den Rotor einwirkende Drehmoment. Vorliegend wird unter dem einwirkenden Drehmoment insbesondere ein - den Rotor - beschleunigendes Drehmoment verstanden. Dieser Ausgestaltung liegt der Gedanke zugrunde, dass das auf den Rotor einwirkende Drehmoment als ein wesentlicher Parameter der elektrischen Maschine anzusehen ist. Insbesondere im Hinblick der Ausbildung der elektrischen Maschine als Antriebsmaschine eines Kraftfahrzeuges, werden beispielsweise in einem Fahrbetrieb unterschiedliche Drehmomente von der Maschine abgerufen, die somit unterschiedliche Maschinenanforderungen darstellen. Durch die von der vorgegebenen Maschinenanforderung abhängigen unterschiedlichen Betriebsmodi, ist die elektrische Maschine an die unterschiedlichen Drehmomentanforderungen vorteilhaft anpassbar.Conveniently, the predetermined machine demand is the torque generated by the magnetic rotating field and applied to the rotor. In the present case, the acting torque is understood to mean, in particular, a torque that accelerates the rotor. This embodiment is based on the idea that the torque acting on the rotor is to be regarded as an essential parameter of the electric machine. In particular, with regard to the design of the electrical machine as a drive machine of a motor vehicle, different torques are retrieved from the machine, for example, in a driving operation, which thus represent different machine requirements. By dependent on the predetermined machine requirement different operating modes, the electric machine is advantageously adaptable to the different torque requirements.
Bevorzugt handelt es sich bei der ausgewählten Oberwelle um die Oberwelle
Dieser Ausgestaltung liegt der Gedanke zugrunde, dass sich ein durch die 5. Oberwelle approximierter Drehfeldverlauf zur Erzeugung eines Drehmoments als geeignet erwiesen hat. Von besonderer Bedeutung hierbei ist, dass das sich einstellende magnetische Drehfeld, welches durch die 5. Oberwelle approximiert ist, eine synchrone, also vorliegend die gleiche Umfangsrichtung aufweist, wie die Umfangsrichtung der Grundwelle und somit wie das magnetische Drehfeld. Dies ist eine zwingende Voraussetzung, damit das mittels der
In dem ersten Betriebsmodus wird die elektrische Maschine aufgrund des durch die 5.Oberwelle approximierten Drehfeldverlaufs nach Art einer Reluktanzmaschine betrieben. Unter Reluktanzmaschine wird vorliegen allgemein eine Bauform einer elektrischen Maschine verstanden, bei der das auf den Rotor einwirkende Drehmoment durch die Reluktanzkraft erzeugt wird. Die Reluktanz beschreibt den magnetischen Widerstand. Im Betrieb „strebt“ der Rotor allgemein eine von dem magnetischen Feld abhängige Stellung an, bei der der magnetische Widerstand ein Minimum aufweist. Aufgrund des Drehfeldes, wandert diese Stelle umfangsseitig um die Rotationsachse und „zieht“ somit den Rotor mit.In the first operating mode, the electrical machine is operated in the manner of a reluctance machine on the basis of the rotational field profile approximated by the fifth superelevation. Under reluctance machine will generally be a design of a understood electrical machine in which the torque acting on the rotor is generated by the reluctance force. The reluctance describes the magnetic resistance. In operation, the rotor generally "seeks" for a magnetic field dependent position where the magnetic resistance is at a minimum. Due to the rotating field, this point moves circumferentially around the axis of rotation and thus "pulls" the rotor with.
Ein Vorteil hierbei ist, dass die elektrische Maschine im ersten Betriebsmodus für geringere Drehmomente wirkungsgradoptimiert ist. Dieser Betriebsmodus wurde deswegen zuvor bereits als wirkungsgradoptimierter Betriebsmodus bezeichnet. Insbesondere Reluktanzmaschinen haben sich hierbei als geeignet erwiesen. Unter geringeren Drehmomenten werden vorliegend beispielsweise Drehmomente verstanden, die vorzugsweise einer Hälfte und speziell einem Drittel eines Maximaldrehmoments der elektrischen Maschine entsprechen.One advantage here is that the electric machine is optimized for efficiency in the first operating mode for lower torques. This operating mode has therefore already been referred to as an efficiency-optimized operating mode. In particular reluctance machines have proven to be suitable. In the present case, lower torques are understood to mean, for example, torques which preferably correspond to one-half and in particular one-third of a maximum torque of the electric machine.
Im Hinblick auf die Antriebsmaschine eines Kraftfahrzeuges ist somit vorliegend unter dem ersten Betriebsmodus beispielsweise ein Betriebsmodus zu verstehen, der bei einer Fahrt eingestellt wird, bei der ein im Wesentlichen gleichmäßiges und niedriges Drehmoment gefordert ist, beispielsweise bei einer Autobahnfahrt mit einer gleichmäßigen Geschwindigkeit. Eine Einstellung des ersten Betriebsmodus erfolgt beispielsweise seitens der Steuereinheit durch eine geeignete Bestromung der Wicklungssätze. Die elektrische Maschine kann hierbei im ersten Betriebsmodus auch nach Art einer Synchronmaschine betrieben werden.With regard to the prime mover of a motor vehicle, in the present case, the first operating mode is, for example, an operating mode that is set during a journey in which a substantially uniform and low torque is required, for example, at a uniform speed on a motorway. An adjustment of the first operating mode, for example, by the control unit by a suitable energization of the winding sets. In this case, the electric machine can also be operated in the manner of a synchronous machine in the first operating mode.
Bevorzugt ist die Steuereinheit derart eingerichtet, dass im Betrieb in Abhängigkeit der vorgegebenen Maschinenanforderung die Maschine mit dem ersten Betriebsmodus oder dem zweiten Betriebsmodus angesteuert wird. Hierin ist der Vorteil zu sehen, dass die Maschine individuell und optimiert auf die vorgegebene Maschinenanforderung anpassbar und eingestellt werden kann, was im Hinblick einer Wirkungsgradoptimierung beispielsweise zu einer längeren Akkulaufzeit des elektrischen Kraftfahrzeuges und somit einer verbesserten Reichweite führt.Preferably, the control unit is set up such that, in operation, the machine is controlled with the first operating mode or the second operating mode as a function of the predetermined machine requirement. Herein, the advantage is seen that the machine can be customized and optimized individually adapted to the given machine requirement and set, resulting in terms of efficiency optimization, for example, to a longer battery life of the electric motor vehicle and thus an improved range.
Gemäß einer alternativen Weiterbildung ist die Steuereinheit derart eingerichtet, dass im Betrieb in Abhängigkeit der vorgegebenen Maschinenanforderung die Maschine mit dem dritten Betriebsmodus angesteuert wird. Hierbei ist ein Amplitudenanteil der ausgewählten Oberwelle (vorliegend vorzugsweise der 5. Oberwelle) bei einem Überlagern mit der Grundwelle zur Approximation des Verlaufs des magnetischen Drehfeldes vorzugsweise > 25%. insbesondere ist der Amplitudenanteil hierbei >50% und speziell > 75%. Die Amplitudenanteile >50% und >75% stellen hierbei jeweils Teil-Betriebsmodi des dritten Betriebsmodus dar.According to an alternative development, the control unit is set up such that, in operation, the machine is controlled with the third operating mode as a function of the predetermined machine requirement. In this case, an amplitude component of the selected harmonic (in the present case preferably of the fifth harmonic) in the case of a superimposition with the fundamental for approximating the course of the magnetic rotating field is preferably> 25%. in particular, the amplitude component here is> 50% and especially> 75%. The amplitude components> 50% and> 75% in each case represent partial operating modes of the third operating mode.
Von besonderer Bedeutung ist, dass gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung die Betriebsmodi in Abhängigkeit eines Nutzersignals im Betrieb der elektrischen Maschine, also beispielsweise während einer Fahrt des Kraftfahrzeuges, wechselbar sind. D.h. in Abhängigkeit einer während der Fahrt auftretenden Drehmomentanforderung, wechselt die elektrische Maschine beispielsweise von dem ersten Betriebsmodus in den zweiten Betriebsmodus. Dieser „Wechsel“ erfolgt bevorzugt durch eine sich ändernde Bestromung der Wicklungssätze durch die Steuereinheit. Somit wird unter dem Nutzersignal vorliegend vorzugsweise ein Signal für eine auftretende oder wechselnde Drehmomentanforderung verstanden. Bei dem Nutzersignal handelt es sich beispielweise um ein elektrisches Signal, welches von einer Steuerelektronik (beispielsweise bei einem autonomen Fahren) des Kraftfahrzeuges an die Steuereinheit ausgesendet wird. Dies erfolgt beispielsweise in Abhängigkeit eines Profilwechsels der Fahrbahn, z.B. wenn sich die Neigung der Fahrbahn ändert. Alternativ handelt es sich bei dem Nutzersignal beispielsweise um eine Änderung der Gaspedalstellung. Weiterhin alternativ oder ergänzend ist der Wechsel der Betriebsmodi durch eine manuelle Eingabe eines „Wechselsignals“ des Fahrers ermöglicht.Of particular importance is that according to a preferred embodiment, the operating modes in response to a user signal during operation of the electric machine, so for example during a journey of the motor vehicle, are interchangeable. That Depending on a torque request occurring during the journey, the electric machine changes, for example, from the first operating mode to the second operating mode. This "change" is preferably carried out by a changing energization of the winding sets by the control unit. Thus, the present signal is preferably understood to mean a signal for an occurring or changing torque request. The user signal is, for example, an electrical signal which is transmitted by control electronics (for example in the case of autonomous driving) of the motor vehicle to the control unit. This takes place, for example, as a function of a change in the profile of the roadway, e.g. when the inclination of the road changes. Alternatively, the user signal is, for example, a change in the accelerator pedal position. As an alternative or in addition, the change of the operating modes is made possible by a manual input of a "change signal" of the driver.
Der Vorteil dieser Ausgestaltung ist in der Kombination der Wirkungsweisen der bereits eingangs erwähnten Maschinentypen (Asynchronmaschine und Reluktanzmaschine) zu sehen. In diesem Zusammenhang werden betriebsbereichsabhängigen Vorteile dieser Maschinentypen, insbesondere hinsichtlich des Wirkungsgrades in einer Maschine vereint. Mit anderen Worten: Es ist somit eine maschinenanforderungsabhängige Wahl zwischen dem Betriebsverfahren der Asynchronmaschine (vorzugsweise bei erforderlichem hohem Drehmoment) und dem Betriebsverfahren der Reluktanzmaschine (vorzugsweise bei erforderlichem geringerem Drehmoment) bei Verwendung von nur einer elektrischen Maschine allein durch eine geeignete Bestromung der Wicklungssätze seitens der Steuereinheit und des sich daraufhin einstellenden magnetischen Drehfeldes erreicht.The advantage of this embodiment can be seen in the combination of the modes of action of the machine types already mentioned in the introduction (asynchronous machine and reluctance machine). In this context, operating range-dependent advantages of these types of machines, in particular with regard to the efficiency in a machine are combined. In other words, it is thus a machine request-dependent choice between the operating method of the asynchronous machine (preferably when required high torque) and the operating method of the reluctance machine (preferably with lower torque required) when using only one electric machine solely by a suitable energization of the winding sets by the Control unit and then adjusting magnetic rotary field achieved.
Zur Ansteuerung, also zur Bestromung der Wicklungssätze, weist die Steuereinheit bevorzugt je einen Umrichter für einen Wicklungssatz auf. Vorliegend weist die Steuereinheit also zwei Umrichter auf, die jeweils zur Bestromung von jeweils einem Wicklungssatz ausgebildet sind. Hierzu handelt es sich bei den Umrichtern vorzugsweise um dreiphasige Umrichter, welche eingangsseitig an einem Gleichstromzwischenkreis innerhalb des Kraftfahrzeuges oder an eine Batterie des Kraftfahrzeuges, welche zu einer Energiebereitstellung für die elektrische Maschine herangezogen wird, angeschlossen sind. Ausgangsseitig sind die Umrichter jeweils an die drei Phasen eines Wicklungssatzes angeschlossen.To control, ie for energizing the winding sets, the control unit preferably has a respective converter for a winding set. In the present case, the control unit thus has two converters which are each designed to supply current to each of a set of windings. For this purpose, the inverters are preferably three-phase converters, which are input to a DC intermediate circuit within the motor vehicle or to a battery of the motor vehicle, which to an energy supply for the electric machine is used, are connected. On the output side, the inverters are each connected to the three phases of a winding set.
Die Umrichter sind weiterhin derart ausgebildet, dass eine Frequenz und/oder eine Amplitude der einzelnen Ströme der Wicklungssätze im Betrieb der elektrischen Maschine derart eingestellt werden, dass sich die bereits beschriebenen durch die jeweiligen Wellen approximierten Drehfeldverläufe einstellen. Die Einstellung der Amplitude und/oder Frequenz erfolgt beispielsweise über eine Ansteuerung mit einem Steuersignal von Halbleiterschaltelementen innerhalb der Umrichter. Das Steuersignal wird vorliegend beispielsweise von der Steuereinheit bereitgestellt. Hierzu sind beispielsweise die jeweiligen zur Einstellung eines bestimmten Betriebsmodus erforderlichen unterschiedlichen Stromwerte für jede Phase in der Steuereinheit hinterlegt, insbesondere in Abhängigkeit der aktuellen Fahrsituation wie z.B. der aktuellen Lastanforderung. D.h. während des Fahrbetriebs wird in Abhängigkeit der aktuellen Lastanforderung auf hinterlegte Phasenstromwerte für die Ansteuerung der Maschine zurückgegriffen. Die Ermittlung der für einen jeweiligen Betriebsmodus erforderlichen Phasenstromwerte erfolgt beispielsweise simulationsbasiert mit Hilfe von marktüblichen Programmen, speziell im Rahmen der Entwicklung eines derartigen Maschinentyps. Die auf diesem Wege ermittelten Phasenstromwerte werden dann z.B. für das jeweilige Kraftfahrzeug in einen Speicher der Steuereinheit eingelesen.The inverters are furthermore designed in such a way that a frequency and / or an amplitude of the individual currents of the winding sets are adjusted during operation of the electrical machine in such a way that the rotational field characteristics already approximated by the respective waves are established. The adjustment of the amplitude and / or frequency takes place, for example, via a control with a control signal of semiconductor switching elements within the converter. The control signal is presently provided by the control unit, for example. For this purpose, for example, the respective different current values required for setting a specific operating mode for each phase are stored in the control unit, in particular as a function of the current driving situation, such as the current driving situation. the current load request. That During the driving operation, stored phase current values for controlling the machine are used as a function of the current load request. The determination of the phase current values required for a respective operating mode is carried out, for example, simulation-based with the aid of commercially available programs, especially in the context of the development of such a type of machine. The phase current values determined in this way are then determined e.g. for the respective motor vehicle read into a memory of the control unit.
Im Betrieb der elektrischen Maschine erfolgt eine Erfassung der aktuellen Ist-Phasenströme. Um einen Betriebsmodus einzustellen, werden vorzugsweise die für den betreffenden Betriebsmodus hinterlegten Phasenstromwerte durch die Umrichter eingestellt, d.h. die einzelnen Phase mit den entsprechenden Stromwerten beaufschlagt. Eine Einstellung der Phasenströme erfolgt beispielsweise nach Art eines Soll-Ist-Wert Vergleiches, bei dem ein aktueller Phasenstrom erfasst wird und durch den jeweiligen Umrichter an den erforderlichen Wert angeglichen wird. Es erfolgt also eine Regelung auf den gewünschten Wert.During operation of the electrical machine, the current actual phase currents are detected. In order to set an operating mode, the phase current values stored for the operating mode concerned are preferably set by the inverters, i. the individual phase is supplied with the corresponding current values. An adjustment of the phase currents takes place, for example, in the manner of a nominal-actual-value comparison, in which a current phase current is detected and adjusted by the respective converter to the required value. So there is a regulation to the desired value.
Durch die angepasste Bestromung der Wicklungssätze stellt sich dann der gewünschte Drehfeldverlauf ein. Die Steuersoftware kann weiterhin beispielsweise mit der bereits erwähnten Steuerelektronik des Kraftfahrzeuges verbunden sein, um mit dieser zwecks eines Wechsels der Betriebsmodi und somit eines Wechsels der Bestromung der Wicklungssätze zu interagieren.The adapted energization of the winding sets then sets the desired rotary field course. The control software may also be connected, for example, with the aforementioned control electronics of the motor vehicle to interact with this for the purpose of a change of operating modes and thus a change in the energization of the winding sets.
Alternativ oder ergänzend sind die Umrichter, beispielsweise die Zwischenkreise der Umrichter, miteinander verbunden, um eine genauere Synchronisation der Bestromung der Wicklungssätze zu erreichen.Alternatively or additionally, the converters, for example the intermediate circuits of the converters, are connected to one another in order to achieve a more precise synchronization of the current flows of the winding sets.
Die Wicklungssätze sind beispielsweise um 60° zueinander versetzt angeordnet, so dass die einzelnen Wicklungen gleichmäßig um den Umfang verteilt angeordnet sind. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung sind die beiden Wicklungssätze umfangsseitig jedoch um einen Winkel von 30° zueinander versetzt am Stator angeordnet. Durch diese diskrete Wicklungsverteilung wird inhärent ein bevorzugter Verlauf des magnetischen Drehfeldes erzeugt, der sich insbesondere durch die 5.Oberwelle approximieren lässt. Mit anderen Worten: Es wird aufgrund der zuvor genannten Wicklungsverteilung eine 5.Oberwelle im Drehfeldverlauf erzeugt, die insbesondere zur Drehmomenterzeugung gemäß des ersten Betriebsmodus herangezogen wird. Somit ist es hierdurch weiterhin ermöglicht seitens der Steuereinheit zur Einstellung des auf den Rotor einwirkenden Drehmoments im ersten Betriebsmodus die 5.Oberwelle in Betrag (Amplitude) und Phase zu variieren.The winding sets are arranged, for example offset by 60 ° to each other, so that the individual windings are distributed uniformly around the circumference. According to a preferred embodiment, however, the two sets of windings are circumferentially arranged offset at an angle of 30 ° to each other on the stator. This discrete winding distribution inherently produces a preferred course of the magnetic rotating field, which can be approximated in particular by the fifth superelevation. In other words, due to the aforementioned winding distribution, a 5.sup.sharp in the rotating field course is generated, which is used in particular for torque generation in accordance with the first operating mode. Thus, it is thereby further allowed on the part of the control unit for adjusting the torque acting on the rotor in the first operating mode to vary the 5.Oberwelle in magnitude (amplitude) and phase.
Bevorzugt ist der Rotor nach Art eines Käfigläufers ausgebildet. Hierzu weist der Rotor mehrere gleichmäßig umfangsseitig angeordnete und sich entlang der Rotationsachse erstreckende Rotorstäbe auf. Die Rotorstäbe sind zudem in Umfangsrichtung voneinander beabstandet angeordnet.Preferably, the rotor is designed in the manner of a cage rotor. For this purpose, the rotor has a plurality of circumferentially arranged and extending along the axis of rotation rotor rods. The rotor rods are also arranged spaced apart in the circumferential direction.
Unter Käfigläufer wird vorliegend speziell eine Rotorbauform verstanden, bei der die einzelnen Rotorstäbe jeweils endseitig mittels eines ringförmigen Rotorelements, miteinander mechanisch und bevorzugt elektrisch verbunden sind. Aufgrund der elektrischen Verbindung wird der Käfigläufer auch als Kurzschlussläufer bezeichnet, da die einzelnen Rotorstäbe durch das ringförmige Rotorelement untereinander elektrisch kurzgeschlossen sind.In the present case, a squirrel-cage rotor is especially understood to mean a rotor design in which the individual rotor rods are mechanically and preferably electrically connected to each other at the end by means of an annular rotor element. Due to the electrical connection of the squirrel cage rotor is also referred to as squirrel cage, since the individual rotor rods are electrically shorted together by the annular rotor element.
Der Vorteil dieser Rotorausgestaltung ist, dass der Käfigläufer die für Asynchronmaschinen bevorzugte Rotorgeometrie beziehungsweise -bauweise darstellt. Hierdurch kann auf Standardbauteile und insbesondere herkömmliche Fertigungsverfahren für den Rotor zurückgegriffen werden. Weiterhin ist hierdurch der Betrieb der elektrischen Maschine, insbesondere im zweiten Betriebsmodus sichergestellt, bei dem die elektrische Maschine wie bereits erwähnt nach Art einer Asynchronmaschine arbeitet.The advantage of this rotor design is that the squirrel cage rotor is the preferred rotor geometry or design for asynchronous machines. This makes it possible to resort to standard components and in particular conventional manufacturing methods for the rotor. Furthermore, this ensures the operation of the electric machine, in particular in the second operating mode, in which the electric machine operates as already mentioned in the manner of an asynchronous machine.
Gemäß einer zweckdienlichen Weiterbildung entspricht die Anzahl an Rotorstäben einem Doppelten der Ordnung der einen ausgewählten Oberwelle. Vorliegend weist der Rotor also vorzugsweise zehn Rotorstäbe auf, da die für den ersten Betriebsmodus ausgewählte Oberwelle die Ordnung
Durch diese Ausgestaltung des Rotors ist eine Interaktion des Rotors mit dem durch die ausgewählte Oberwelle (vorliegend die 5.Oberwelle) approximierten Drehfeldes im ersten Betriebsmodus zur Erzeugung eines Drehmoments erreicht und optimiert. Die Rotorstäbe weisen weiterhin bevorzugt ein elektrisch leitfähiges, jedoch magnetisch schlecht leitendes Material, beispielsweise Kupfer auf.Due to this design of the rotor is an interaction of the rotor with the through the selected harmonic wave (in this case, the 5.Oberwelle) approximated rotating field in the first operating mode for generating a torque achieved and optimized. The rotor rods furthermore preferably have an electrically conductive, but magnetically poorly conducting material, for example copper.
Weiterhin bevorzugt ist jeweils zwischen benachbarten Rotorstäben ein magnetisch permeables Material, beispielsweise geblechter Stahl angeordnet. Die Anordnung des magnetisch permeablen Materials dient einer Optimierung der Interaktion des Rotors, insbesondere im ersten Betriebsmodus mit dem durch die ausgewählte Oberwelle approximierten magnetischen Drehfeldes.Further preferably, a magnetically permeable material, for example, a bent steel, is arranged in each case between adjacent rotor rods. The arrangement of the magnetically permeable material serves to optimize the interaction of the rotor, in particular in the first operating mode with the magnetic rotating field approximated by the selected harmonic.
Zweckdienlicherweise sind die Wicklungssätze zueinander um einen Winkel von 30° elektrisch versetzt ausgebildet. D.h. die dreiphasigen Drehströme der beiden Wicklungssätze sind um 30° phasenverschoben. Dieser Wert ergibt sich bei der und durch die Auslegung der elektrischen Maschine. Mit anderem Worten: Bei der Auslegung der elektrischen Maschine, insbesondere bei der Auslegung einer erforderlichen Phasenverschiebung, um im Betrieb ein synchrones magnetisches Drehfeld zu erreichen, wird üblicherweise der volle elektrische Winkel von 360° durch das Doppelte der Phasenzahl geteilt. Vorliegend weist die elektrische Maschine zwei Wicklungssätze mit jeweils drei Phasen auf, also wird bei der Ermittlung der erforderlichen Phasenverschiebung der elektrische Winkel von 360° durch 12 (2xAnzahl der Gesamtphasen) geteilt, was eine Phasenverschiebung von 30° ergibt.Conveniently, the winding sets are mutually electrically offset by an angle of 30 °. That the three-phase three-phase currents of the two sets of windings are phase-shifted by 30 °. This value results in and through the design of the electrical machine. In other words, in the design of the electrical machine, especially in the design of a required phase shift to achieve a synchronous magnetic rotating field during operation, usually the full electrical angle of 360 ° is divided by twice the number of phases. In the present case, the electrical machine has two sets of windings each with three phases, so in determining the required phase shift, the electrical angle of 360 ° is divided by 12 (2 x number of total phases), resulting in a phase shift of 30 °.
Diese Phasenverschiebung hat ebenfalls den Vorteil, dass der approximierte Verlauf des magnetischen Drehfeldes die gewünschte 5.Oberwelle aufweist, welche zur Erzeugung eines Drehmoments herangezogen wird. Der Verlauf des magnetischen Drehfeldes nähert sich allgemein bei sechsphasigen Maschinen besser an einen (gewünschten reinen) sinusförmigen Verlauf an, als beispielsweise bei einer dreiphasigen Maschine.This phase shift also has the advantage that the approximated course of the magnetic rotating field has the desired 5.Oberwelle, which is used to generate a torque. The course of the magnetic rotating field generally approaches better in six-phase machines to a (desired pure) sinusoidal course, as for example in a three-phase machine.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung sind die dreiphasigen Wicklungssätze jeweils nach einer Sternschaltung verschaltet. Unter der Sternschaltung wird vorliegend verstanden, dass die drei Phasen eines jeweiligen Wicklungssatzes an einem Ende miteinander elektrisch verbunden sind. Mit dem jeweiligen anderen Ende sind die drei Phasen der Wicklungssätze an jeweils eine Phase der Steuereinheit, insbesondere des Umrichters angeschlossen. Somit ist jede Phase eines Wicklungssatzes an eine Phase des Drehstromnetzes angeschlossen.According to a preferred embodiment, the three-phase winding sets are each connected according to a star connection. In the present case, star connection is understood to mean that the three phases of a respective winding set are electrically connected to one another at one end. At the respective other end, the three phases of the winding sets are connected to one phase each of the control unit, in particular of the converter. Thus, each phase of a winding set is connected to one phase of the three-phase network.
Der Vorteil dieser Ausgestaltung ist, dass sich innerhalb der verschalteten Wicklungssätze die Summe aller auftretenden Ströme zu Null ergibt und keine Oberwellen auftreten, deren Ordnung einem Vielfachen der Zahl
In einer bevorzugten Weiterbildung weisen die dreiphasigen Wicklungssätze jeweils einen potentialfreien Sternpunkt auf. D.h. der Sternpunkt ist insbesondere nicht mit beispielsweise einem Massepotential verbunden. Diese Ausgestaltung ist durch die sich gegenseitig aufhebenden Ströme innerhalb des Sternpunktes ermöglicht.In a preferred embodiment, the three-phase winding sets each have a floating star point. That in particular, the neutral point is not connected to, for example, a ground potential. This embodiment is made possible by the mutually canceling currents within the neutral point.
Hierdurch ist der Fertigungs- und Verschaltungsaufwand der elektrischen Maschine deutlich reduziert.As a result, the production and Verschaltungsaufwand the electrical machine is significantly reduced.
Gemäß einer zweckdienlichen Ausgestaltung ist die elektrische Maschine in einem Kraftfahrzeug angeordnet und dient hierbei, wie bereits eingangs erwähnt als elektrischer Antriebsmotor. Das Kraftfahrzeug ist hierbei entweder als ein Plug-In Hybrid Fahrzeug (Verbrennungsmotor und Elektromotor) oder als ein rein elektromotorisch angetriebenes Kraftfahrzeug ausgebildet.According to an expedient embodiment, the electric machine is arranged in a motor vehicle and serves here, as already mentioned as an electric drive motor. The motor vehicle here is designed either as a plug-in hybrid vehicle (internal combustion engine and electric motor) or as a motor vehicle driven purely by electric motor.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Diese zeigen in teilweise stark vereinfachten Darstellungen:
-
1 einen grob skizzierten Querschnitt einer sechsphasigen elektrischen Maschine, -
2 eine grob skizzierte Verschaltung der sechsphasigen elektrischen Maschine an eine Steuereinheit, -
3 eine grob skizzierte perspektivische Darstellung eines Rotors, -
4 der skizzierte Verlauf des magnetischen Drehfeldes im ersten Betriebsmodus, -
5 der skizzierte Verlauf des magnetischen Drehfeldes im zweiten Betriebsmodus sowie -
6 der skizzierte Verlauf des magnetischen Drehfeldes im dritten Betriebsmodus.
-
1 a roughly sketched cross-section of a six-phase electric machine, -
2 a roughly sketched interconnection of the six-phase electrical machine to a control unit, -
3 a roughly sketched perspective view of a rotor, -
4 the sketched course of the magnetic rotating field in the first operating mode, -
5 the sketched course of the magnetic rotating field in the second operating mode and -
6 the sketched course of the magnetic rotating field in the third operating mode.
In den Figuren sind gleichwirkende Teile mit den gleichen Bezugszeichen dargestellt.In the figures, like-acting parts are represented by the same reference numerals.
An dem Stator
Zwischen dem Rotor
Die beiden Wicklungssätze
Eine mögliche Verschaltung der elektrischen Maschine
Die elektrische Maschine
Alle im Bezug auf die Wicklungssätze
Die beiden Wicklungssätze
Zur Beaufschlagung der Wicklungssätze
Um eine insbesondere synchrone Feldverteilung innerhalb des Luftspalts
In
Die Rotorstäbe
Nachfolgend wird anhand der Beschreibung der
In
Wie bereits im Rahmen dieser Anmeldung erläutert, ist der Verlauf des magnetischen Drehfeldes
Der in
In
Hierbei ist der Verlauf des magnetischen Drehfeldes
In dem Betriebsmodus gemäß
In
Die Überlagerung der Grundwelle
In den
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.The invention is not limited to the embodiments described above. Rather, other variants of the invention can be derived therefrom by the person skilled in the art without departing from the subject matter of the invention. In particular, all the individual features described in connection with the exemplary embodiments can also be combined with one another in other ways, without departing from the subject matter of the invention.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 22
- elektrische Maschineelectric machine
- 44
- Statorstator
- 55
- Radialrichtungradial direction
- 66
- Rotorrotor
- 88th
- Statorpolstator
- 1010
- Statorwicklungstator
- 12a,b12a, b
- Wicklungssätzewinding sets
- 1414
- Luftspaltair gap
- 16a-f16a-f
- SpulenDo the washing up
- 1818
- Sternschaltungstar connection
- 2020
- Sternpunktstar point
- 2222
- Steuereinheitcontrol unit
- 24a,b24a, b
- Umrichterinverter
- 2626
- Rotorstäberotor bars
- 2828
- Kurzschlussring Shorting ring
- αα
- Umfangswinkelcircumferential angle
- ΔφΔφ
- elektrischer Phasenversatzelectrical phase offset
- BB
- magnetisches Drehfeldmagnetic rotating field
- l~l ~
- DrehstromThree-phase
- MM
- Drehmomenttorque
- RR
- Rotationsachseaxis of rotation
- U1,V1,W1U1, V1, W1
- Phasen des ersten UmrichtersPhases of the first inverter
- U2,V2,W2U2, V2, W2
- Phasen des zweiten UmrichtersPhases of the second inverter
- GWGW
- sinusförmige Grundwellesinusoidal fundamental
- OWOW
- sinusförmige Oberwellesinusoidal harmonic
- OW5 OW 5
-
Oberwelle
5 . Ordnungharmonic5 , order - ÜWUW
- ÜberlagerungswelleSuperposition wave
Claims (15)
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---|---|---|---|
DE102018202005.1A DE102018202005A1 (en) | 2018-02-08 | 2018-02-08 | Electric machine and method for operating an electric machine |
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