SCHALTUNGSANORDNUNG UND ELEKTRISCHE MASCHINE Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Ansteuern einer

Statorwicklung eines Stators einer elektrischen Maschine und eine elektrische Maschine.

Elektrische Maschinen können motorisch oder generatorisch betrieben werden. Die elektrische Maschine kann einen Stator und einen relativ dazu beweglich gelagerten Rotor umfassen. Der Stator kann eine elektrische Wicklung umfassen, welche an ein

Stromsystem angeschlossen wird, das mehrphasig sein kann.

Elektrische Maschinen können beispielsweise als Motor in Hybrid- und Batterieelektrischen Fahrzeugen verwendet werden. Dabei besteht bei diesen Fahrzeugen das Problem, dass die Batteriespannungen sehr hoch sind und deshalb auch die Umrichter für hohe Spannungen ausgelegt sein müssen. Aufgrund der hohen Batteriespannungen sind Isolierungs- und Sicherheitsmaßnahmen notwendig. Wird ein elektrischer Motor bei einer kleineren Batteriespannung betrieben, treten höhere Stromstärken an der Batterie und im übrigen Bordnetz auf. Das heißt, die Bestandteile des Bordnetzes müssen für diese hohen Stromstärken ausgelegt sein.

Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, eine Schaltungsanordnung zum Ansteuern einer Statorwicklung eines Stators einer elektrischen Maschine anzugeben, welche sicher betrieben werden kann und günstig hergestellt werden kann. Eine weitere Aufgabe besteht darin, eine elektrische Maschine anzugeben, welche sicher betrieben werden und günstig hergestellt werden kann.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Schaltungsanordnung zum Ansteuern einer Statorwicklung eines Stators einer elektrischen Maschine weist die Statorwicklung mindestens vier elektrische Phasen auf, welche dazu ausgelegt sind, mit einem jeweils eigenen Phasenstrom gespeist zu werden. Die Statorwicklung kann also beispielsweise an eine Leistungselektronik angeschlossen sein, welche jede der elektrischen Phasen mit einem eigenen Phasenstrom versorgt. Die elektrischen Phasen können beispielsweise durch elektrisch leitfähige Stäbe in Nuten in einem oder mehreren Statorblechen des Stators gebildet sein.

Bei der Schaltungsanordnung ist jeder elektrischen Phase ein Modulationssignal zugeordnet und die Modulationssignale sind zueinander phasenverschoben, so dass die Statorwicklung dazu ausgelegt ist, ein Drehfeld zu erzeugen. Die Modulationssignale können beispielsweise sinusförmig sein. Durch die Phasenverschiebung der

Modulationssignale werden im Stator im Betrieb der elektrischen Maschine eine Anzahl von magnetischen Polen erzeugt, die sich entlang des Umfangs eines Luftspalts zwischen einem Stator und einem Rotor der elektrischen Maschine drehen. Kann ein Rotor der elektrischen Maschine mit der Polpaarzahl des Stators interagieren, so kann der Rotor durch das Drehfeld angetrieben werden.

Es werden mindestens zwei Trägersignale zur Erzeugung der Phasenströme bereitgestellt. Die Trägersignale können die Form eines Dreiecksignals oder eines Sägezahnsignals aufweisen. Die Phasenströme können dabei durch Pulsweitenmodulation mit

Sinusdreieckvergleich erzeugt werden.

Dabei sind die elektrischen Phasen in mindestens zwei Gruppen aufgeteilt, denen je ein Trägersignal zugeordnet ist und die Trägersignale weisen einen Phasenversatz zueinander auf. Falls die elektrischen Phasen beispielsweise in zwei Gruppen aufgeteilt sind, kann der Phasenversatz zwischen den Trägersignalen 180 Grad betragen.

Wenn eine elektrische Maschine mit einer kleinen Batteriespannung betrieben wird, beispielsweise kleiner als 60 Volt, können sehr hohe Batterieströme und sehr hohe Ströme im Bordnetz auftreten. Deshalb ist es vorteilhaft die Wege zwischen der Batterie und der Leistungselektronik kurz zu halten. Besonders hohe Ströme können in einem

Zwischenkreis der Leistungselektronik auftreten, wo jeder elektrischen Phase eine dedizierte Halbbrücke zur Erzeugung der Phasenströme zugeordnet ist. Der an einem zentralen Zwischenkreiskondensator auftretende Strom kann als der Wechselanteil der überlagerten Phasenströme angenommen werden. Der Effektivwert I _c des Stromes am Zwischenkreiskondensator hängt vom Zeitverlauf des Stromes i _c ab, wie in Gleichung 1 gezeigt: wobei hier über eine Zeitdauer T gemittelt wird.

Falls der Phasenversatz zwischen den Trägersignalen 0 beträgt, überlagern sich auch die Phasenströme am Zwischenkreiskondensator ohne Phasenversatz, was zu hohen

Amplituden des Stroms am Zwischenkreiskondensator führen kann. Durch den

Phasenversatz der verschiedenen Trägersignale kann jedoch der Effektivwert des Stroms am Zwischenkreiskondensator reduziert werden. Durch das Bereitstellen von mindestens zwei Trägersignalen können die Halbbrücken im Zwischenkreis versetzt zueinander angesteuert werden. Deshalb sind nicht alle Phasenströme gleichzeitig maximal, sondern sie sind zeitlich zueinander versetzt. Eine Reduzierung des Stromes am Zwischenkreiskondensator kann jedoch nur erreicht werden, wenn die Statorwicklung mehr als drei, also mindestens vier elektrische Phasen aufweist. Diese können dann von mindestens zwei Trägersignalen angesteuert werden. Wenn der maximal am Zwischenkreiskondensator auftretende Strom verringert wird, kann auch der Zwischenkreiskondensator selbst verkleinert werden. Mit dieser Art der

Ansteuerung kann also die Schaltungsanordnung sicherer betrieben werden, da nur kleine Spannungen auftreten und sie kann günstig hergestellt werden, da der

Zwischenkreiskondensator kleiner ausgelegt sein kann.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Schaltungsanordnung zum Ansteuern einer Statorwicklung eines Stators einer elektrischen Maschine weist die Statorwicklung mindestens vier elektrische Phasen auf, welche dazu ausgelegt sind, mit einem jeweils eigenen Phasenstrom gespeist zu werden. Die Schaltungsanordnung umfasst ein Mittel, um jeder elektrischen Phase ein Modulationssignal zuzuordnen und die Modulationssignale zueinander phasenzuverschieben, so dass die Statorwicklung dazu ausgelegt ist, ein Drehfeld zu erzeugen. Die Schaltungsanordnung umfasst weiter ein Mittel zur Erzeugung von mindestens zwei Trägersignalen zur Erzeugung der Phasenströme. Dabei sind die elektrischen Phasen in mindestens zwei Gruppen aufgeteilt, denen je ein Trägersignal zugeordnet ist und die Trägersignale weisen einen Phasenversatz zueinander auf.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Schaltungsanordnung sind die

360

Modulationssignale zueinander um— * p Grad verschoben, wobei N die Anzahl der

° N ^ '

elektrischen Phasen bezeichnet und p eine natürliche Zahl ist. Somit können im Betrieb der elektrischen Maschine im Stator mindestens zwei Pole erzeugt werden. Die Phasenströme in der elektrischen Wicklung erzeugen ein Drehfeld, welches zeitlich veränderlich ist, so dass in einem Rotor der elektrischen Maschine ein Drehmoment erzeugt werden kann, falls dieser mit der Polpaarzahl des Stators interagiert. Falls p die Polpaarzahl des Stators ist, können im Stator auch Drehfelder mit einer Polpaarzahl von größer als 1 erzeugt werden.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Schaltungsanordnung ist die Frequenz des Trägersignals größer als die Frequenz des Modulationssignals. Bevorzugt ist die Frequenz des Trägersignals viel größer als die Frequenz des Modulationssignals.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Schaltungsanordnung werden die jeweiligen Phasenströme durch Pulsweitenmodulation erzeugt. Die Phasenströme können zum

Beispiel durch Pulsweitenmodulation mit Sinusdreieckvergleich erzeugt werden. Es ist auch möglich, dass das Trägersignal die Form eines Sägezahnsignals aufweist.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Schaltungsanordnung tritt im Betrieb der Schaltungsanordnung keine Spannung, welche größer als 60 Volt ist, auf. Somit kann die elektrische Maschine im Bereich der Schutzkleinspannung betrieben werden. Das bedeutet, dass weniger Isolierungs- und Sicherheitsmaßnahmen notwendig sind. Somit ist eine günstigere Produktion möglich und eine vereinfachte Wartung und Reparatur.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Schaltungsanordnung ist die

Schaltungsanordnung dazu ausgelegt, in Hybrid- oder Batterie-elektrischen Fahrzeugen verwendet zu werden. Die Schaltungsanordnung kann auch in Flugzeugen oder Schiffen mit Hybrid- oder Batterie-elektrischen Antrieben verwendet werden. Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Schaltungsanordnung wird die

Statorwicklung durch mindestens vier elektrisch leitfähige Stäbe gebildet, welche sich jeweils in einer Nut im Stator befinden und wobei jeweils ein Stab eine elektrische Phase bildet. Die elektrisch leitfähigen Stäbe können in Teilstäbe unterteilt sein oder mehrere Stäbe umfassen und beispielsweise mit Kupfer oder Aluminium gebildet sein. Der Stator der elektrischen Maschine weist also mindestens vier Nuten auf, in denen sich je ein elektrisch leitfähiger Stab befindet. Der Stator kann ein Statorblechpaket umfassen, in welches die Nuten eingebracht sind. Bevorzugt weist der Stator eine Vielzahl von Nuten auf. Durch die separate Ansteuerung der elektrisch leitfähigen Stäbe ist es möglich, verschiedene Polpaarzahlen im Stator einzustellen. Die Anzahl der Polpaare kann also auch im Betrieb der elektrischen Maschine angepasst werden. Im Vergleich zu anderen elektrischen Wicklungen für einen Stator ist es in diesem Fall möglich eine hohe Anzahl von elektrischen Phasen zu stellen. Damit ist es vorteilhafterweise möglich, die

Phasenströme durch mindestens zwei Trägersignale zu erzeugen, welche einen

Phasenversatz zueinander aufweisen. Somit kann der maximal auftretende Strom am Zwischenkreiskondensator reduziert werden.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Schaltungsanordnung umfassen die mindestens zwei Gruppen der elektrischen Phasen jeweils gleich viele elektrische Phasen. Eine Anzahl von 15 elektrischen Phasen kann also beispielsweise in drei Gruppen mit jeweils fünf Phasen aufgeteilt werden oder in fünf Gruppen mit jeweils drei elektrischen Phasen.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Schaltungsanordnung umfassen die mindestens zwei Gruppen der elektrischen Phasen jeweils unterschiedlich viele elektrische

Phasen. Diese Aufteilung der elektrischen Phasen kann insbesondere vorteilhaft sein, wenn die Anzahl der elektrischen Phasen eine Primzahl ist.

Im Folgenden werden die hier beschriebene Schaltungsanordnung und die elektrische Maschine in Verbindung mit Ausführungsbeispielen und den dazugehörigen Figuren näher erläutert. Figuren 1 A und 1B zeigen einen Teil eines Ausfuhrungsbeispiels der

S chaltungs anordnung .

Figuren 2A und 2B zeigen Ausführungsbeispiele der Schaltungsanordnung.

Figuren 3A und 3B zeigen beispielhafte Halbbrücken zur Erzeugung der Phasenströme.

Mit den Figuren 4A und 4B wird die Erzeugung der Phasenströme mit einem Trägersignal verdeutlicht.

Mit den Figuren 5A und 5B wird die Erzeugung der Phasenströme mit zwei Trägersignalen verdeutlicht.

Die Figuren 6A und 6B zeigen qualitative Stromzeiger für 60 Statorstäbe.

In den Figuren 7 und 8 sind analytische Berechnungen des Stroms am

Zwischenkreiskondensator gezeigt.

In Figur 9 ist eine numerische Berechnung des Stroms am Zwischenkreiskondensator gezeigt.

In Figur 10 sind mehrere Modulationssignale und ein Trägersignal dargestellt. In Figur 11 sind 15 zueinander verschobene Trägersignale gezeigt.

Figur 12 zeigt den Strom am Zwischenkreiskondensator für verschiedene

Phasenverschiebungen der Trägersignale.

In den Figuren 13A und 13B sind qualitative Stromzeiger für 15 virtuelle Phasen

dargestellt.

Figur 14 zeigt den Strom am Zwischenkreiskondensator für verschiedene

Gruppierungen der Trägersignale. Die Figuren 15A und 15B zeigen qualitative Stromzeiger für 14 Phasen.

In den Figuren 16 und 17 ist der Strom am Zwischenkreiskondensator für verschiedene

Gruppierungen der Trägersignale gezeigt.

In Figur 18 sind die Phasenströme für 13 Phasen gezeigt.

In den Figuren 19A und 19B sind Ausführungsbeispiele eines Stators gezeigt.

In Figur 1A ist ein Teil eines Ausführungsbeispiels einer Schaltungsanordnung 10 für eine elektrische Maschine 13 gezeigt. In einem Trägersignalgenerator 15 werden Trägersignale T generiert. In einem Modulationsgenerator 14 werden Modulationssignale M _n generiert. Die Trägersignale T können beispielsweise die Form eines Sägezahns oder eines Dreiecks aufweisen. Die Modulationssignale M _n können sinusförmig sein. In einem

Schaltsignalgenerator 16 werden die Trägersignale T und die Modulationssignale M _n miteinander verglichen und Schaltsignale S _n ⁺ , S _n ^~ erzeugt, wobei n eine natürliche Zahl zwischen 1 und N ist. Mit den Schaltsignalen S _n ⁺ , S _n ^~ werden Phasenströme I _n erzeugt, mit welchen elektrische Phasen φ einer Statorwicklung 11 angesteuert werden. Die

Trägersignale T weisen eine höhere Frequenz als die Modulationssignale M _n auf. Durch die Modulationssignale M _n werden die verschiedenen elektrischen Phasen φ der

Statorwicklung 11 phasenverschoben zueinander angesteuert. Dadurch wird in einem Stator 12 der elektrischen Maschine 13 ein Drehfeld erzeugt. Im Schaltsignalgenerator 16 werden die Trägersignale T und die Modulationssignale M _n miteinander verglichen, so dass die Phasenströme I _n mittels Pulsweitenmodulation durch zum Beispiel

Sinusdreieckvergleich erzeugt werden. Dadurch wird im Schaltsignalgenerator 16 ein Tastverhältnis für die Phasenströme I _n erzeugt. Dies geschieht auf einer gemeinsamen Zeitbasis t. Um die maximal auftretenden Ströme in der Schaltungsanordnung 10 zu reduzieren, werden die elektrischen Phasen φ von Trägersignalen T angesteuert, welche phasenverschoben zueinander sind. Die Phasenverschiebung zwischen den Trägersignalen

T ist durch einen Phasenversatz θ _η gegeben. In Figur 1B ist ähnlich wie in Figur 1A ein Teil eines Ausführungsbeispiels der

Schaltungsanordnung 10 für eine elektrische Maschine 13 gezeigt. Im Gegensatz zu Figur 1A werden in diesem Fall zueinander phasenverschobene Trägersignale T _n im

Trägersignalgenerator 15 erzeugt. Das bedeutet, die Trägersignale T _n sind um einen Winkel Θ zueinander phasenverschoben. Im Beispiel in Figur 1 A wird im

Trägersignalgenerator 15 ein Trägersignal T erzeugt, welches zur Ansteuerung von verschiedenen Gruppen von elektrischen Phasen φ um den Phasenversatz θ _η

phasenverschoben wird. In Figur 2A ist eine Logik 17 mit einer Vielzahl von Schaltsignalgeneratoren 16 gezeigt. Wenn die Statorwicklung 11 eine Anzahl von N elektrischen Phasen φ aufweist, werden in der Schaltungsanordnung 10 N Phasenströme Ii bis IN erzeugt. Dazu werden in der Logik 17 ein Trägersignal T und die Modulationssignale Mi bis MN erzeugt. Die

Schaltungsanordnung 10 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel N

Schaltsignalgeneratoren 16. Diese erzeugen die Schaltsignale Si ⁺ , Sf bis SN ⁺ , SN ^~ . Die Logik 17 gibt die gemeinsame Zeitbasis t vor. Außerdem gibt die Logik 17 den

Phasenversatz θι bis ΘΝ zwischen den Trägersignalen T vor.

In Figur 2B ist ähnlich wie in Figur 2A eine Logik 17 mit einer Vielzahl von

Schaltsignalgeneratoren 16 gezeigt. In diesem Fall werden in der Logik 17 um einen Phasenversatz Θ zueinander phasenverschobene Trägersignale T _n erzeugt.

In Figur 3A sind eine Vielzahl von Halbbrücken 19, die von den Schaltsignalgeneratoren 16 der Schaltungsanordnung 10 angesteuert werden, gezeigt. Mit den Halbbrücken 19 werden die Phasenströme I _n erzeugt. In diesem Ausführungsbeispiel weist der

Zwischenkreis mit der Vielzahl der Halbbrücken 19 einen zentralen

Zwischenkreiskondensator 18 auf. Jede der Halbbrücken 19 umfasst mindestens zwei Feldeffekttransistoren 20. Durch die Phasenverschiebung Θ zwischen den verschiedenen Trägersignalen T wird ein Strom Ic am Zwischenkreiskondensator 18 minimiert.

In Figur 3B sind zwei Halbbrücken 19 gezeigt. In diesem Ausführungsbeispiel ist jeder der Halbbrücken 19 ein Zwischenkreiskondensator 18 zugeordnet. Es ist auch möglich, dass einige Halbbrücken 19 einen jeweils zugeordneten Zwischenkreiskondensator 18 aufweisen und den anderen Halbbrücken 19 ein zentraler Zwischenkreiskondensator 18 zugeordnet ist.

In Figur 4A sind qualitative Stromzeiger für vier elektrische Phasen φ gezeigt. Die elektrischen Phasen φ werden jeweils mit einem eigenen Phasenstrom I _n gespeist, wobei die Phasenströme I _n in diesem Fall jeweils um 90 Grad zueinander phasenverschoben sind. Mit den dargestellten Phasenströmen Ii bis I ₄ wird durch die Statorwicklung 11 ein Drehfeld mit zwei Polen erzeugt. In Figur 4B sind vier Modulationssignale Mi bis M ₄ und ein Trägersignal T gezeigt. Auf der y- Achse ist die Amplitude über der Zeit t auf der x- Achse aufgetragen. Wie in Figur 4A gezeigt, sind die vier Modulationssignale Mi bis M ₄ um jeweils 90 Grad

phasenverschoben zueinander. In diesem Ausführungsbeispiel ist den vier

Modulationssignalen Mi bis M ₄ ein Trägersignal T zugeordnet. Das Trägersignal T weist die Form eines Dreiecks auf. Die Frequenz des Trägersignals T ist größer als die Frequenz der Modulationssignale Mi bis M ₄ .

Figur 5A zeigt vier qualitative Stromzeiger für vier elektrische Phasen φ. Es werden also vier unterschiedliche Phasenströme Ii bis I ₄ erzeugt, welche um jeweils 90 Grad zueinander phasenverschoben sind. In diesem Fall ist den Strömen Ii und I ₃ ein

Trägersignal Ti zugeordnet und den Phasenströmen I ₂ und I ₄ ein Trägersignal T ₂ . Die gestrichelte Linie deutet also die Zuordnung des Trägersignals Ti und die durchgezogene Linie die Zuordnung des Trägersignals T ₂ an. In Figur 5B sind vier Modulationssignale Mi bis M ₄ und zwei Trägersignale Ti und T ₂ gezeigt. Die Amplitude ist auf der y- Achse gegen die Zeit t auf der x- Achse aufgetragen. Die vier Modulationssignale Mi bis M ₄ sind um jeweils 90 Grad zueinander

phasenverschoben. Den Modulationssignalen Mi und M3 ist das Trägersignal Ti zugeordnet, welches mit einer gestrichelten Linie dargestellt ist. Den Modulationssignalen M ₂ und M ₄ ist das Trägersignal T ₂ zugeordnet, welches mit einer durchgezogenen Linie dargestellt ist. Die zwei Trägersignale Ti und T ₂ sind um 180 Grad zueinander

phasenverschoben. In Figur 6A sind qualitative Stromzeiger für 60 elektrische Phasen φ gezeigt.

Beispielsweise kann die Statorwicklung 11 im Stator 12 durch elektrisch leitfähige Stäbe 21 in Nuten 22 gebildet sein. In diesem Ausführungsbeispiel umfasst die Statorwicklung 11 60 elektrisch leitfähige Stäbe 21. Die elektrisch leitfähigen Stäbe 21 werden mit einem jeweils eigenen Phasenstrom Ii bis I ₆ o gespeist. Die elektrischen Phasen φ weisen eine

Phasenverschiebung von 6 Grad zueinander auf. Deshalb erzeugt die Statorwicklung 11 ein Drehfeld mit zwei magnetischen Polen.

Figur 6B zeigt qualitative Stromzeiger für 60 elektrische Phasen φ. In diesem Beispiel sind die elektrischen Phasen φ um jeweils 24 Grad zueinander phasenverschoben. Somit wird in der Statorwicklung 11 ein Drehfeld mit acht Polen erzeugt. Das bedeutet, dass jeweils vier Phasenströme I _n gleich in Amplitude und Phasenverschiebung sind. Beispielsweise weisen die Ströme Ii, Ii 6, 131 und he die gleiche Amplitude und die gleiche Phasenverschiebung auf.

Figur 7 zeigt eine analytische Berechnung des Stromes am Zwischenkreiskondensator 18 für vier verschiedene Anzahlen N von elektrischen Phasen φ. Der Strom Ic am

Zwischenkreiskondensator 18 kann als der Wechselanteil der überlagerten Phasenströme I _n angenommen werden. Auf der y- Achse ist der Strom Ic am Zwischenkreiskondensator 18 normiert auf den Batteriestrom aufgetragen. Auf der x- Achse ist der Modulationsindex aufgetragen. Der Strom Ic am Zwischenkreiskondensator 18 ist für Statorwicklungen 11 mit unterschiedlichen Anzahlen N von elektrischen Phasen φ gezeigt. Für eine Anzahl der elektrischen Phasen φ von N = 3 ist der Strom Ic am Zwischenkreiskondensator 18 am höchsten. Ab einer Anzahl N von 15 elektrischen Phasen φ der Statorwicklung 11 nimmt der Strom Ic am Zwischenkreiskondensator 18 nur noch geringfügig mit steigender Anzahl

N der elektrischen Phasen φ ab.

In Figur 8 ist eine analytische Berechnung des Stromes am Zwischenkreiskondensator 18 für drei verschiedene Anzahlen N der elektrischen Phasen φ gezeigt. Auf der y- Achse ist der Strom Ic am Zwischenkreiskondensator 18 in Kiloampere aufgetragen. Auf der x-

Achse ist der Modulationsindex aufgetragen. Der Strom Ic am Zwischenkreiskondensator 18 ist für eine Anzahl N von 15 elektrischen Phasen φ maximal. In diesem Fall ist eine Zwischenkreisspannung von nur 24 Volt vorgegeben, weshalb sehr hohe Batterieströme und damit auch sehr hohe Ströme am Zwischenkreiskondensator 18 auftreten.

In Figur 9 ist eine numerische Berechnung des Stroms Ic am Zwischenkreiskondensator 18 gezeigt. Der Strom Ic wurde für einen Umrichter mit 15 elektrischen Phasen φ berechnet. In diesem Fall werden die Phasenströme I _n durch Pulsweitenmodulation durch

Sinusdreieckvergleich erzeugt. Auf der y- Achse ist der Strom Ic am

Zwischenkreiskondensator 18 auf eins normiert aufgetragen. Auf der x- Achse ist die Zeit in Millisekunden aufgetragen. Insgesamt zeigen die analytischen Berechnungen

Abweichungen von weniger als drei Prozent zu der numerischen Simulation.

In Figur 10 sind 15 Modulationssignale M und ein Trägersignal T dargestellt. In diesem Fall wird also bei der Pulsweitenmodulation für alle elektrischen Phasen φ dasselbe Trägersignal T verwendet. In Figur 10 sind numerische Simulationen eines Dreieck- Trägersignals T und einer Vielzahl von sinusförmigen Modulationssignalen M gezeigt. Auf der y- Achse ist die Amplitude aufgetragen und auf der x- Achse ist die Zeit in

Millisekunden aufgetragen. Die Frequenz des Trägersignals T ist viel größer als die Frequenzen der Modulationssignale M, weshalb die Modulationssignale M im

dargestellten Zeitabschnitt nur eine geringe Veränderung der Amplitude zeigen. Bei der Pulsweitenmodulation wird jeweils ein Schaltsignal S _n ⁺ zur Erzeugung eines Phasenstroms I _n über eine Halbbrücke 19 als logische 1 erzeugt, wenn die Amplitude des

Modulationssignals M größer ist als die Amplitude des Trägersignals T. Ansonsten wird das Schaltsignal S _n ⁺ als logische 0 erzeugt. Außerdem wird ein Schaltsignal S _n ^~ zur Erzeugung eines Phasenstromes I _n als logische 1 erzeugt, wenn die Amplitude des

Modulationssignals M kleiner oder gleich der Amplitude des Trägersignals T ist und ansonsten wird das Schaltsignal S _n ^~ als logische 0 erzeugt. In Figur 10 ist gezeigt, dass zu manchen Zeitpunkten, beispielsweise in den eingekreisten Bereichen, die Phasenströme I _n von allen 15 elektrischen Phasen φ zum Effektivwert des Stroms Ic am

Zwischenkreiskondensator 18 beitragen. Zu den im negativen Bereich der y- Achse markierten Zeitpunkten ist also die Amplitude der Modulationssignale M für alle 15 elektrischen Phasen φ größer als die Amplitude des Trägersignals T. Das bedeutet, dass der überlagerte Strom Ic am Zwischenkreiskondensator 18 zu diesen Zeitpunkten maximal wird. In Figur 11 sind 15 zueinander verschobene Trägersignale Ti bis Tis gezeigt. Auf der y- Achse ist die Amplitude aufgetragen und auf der x- Achse ist die Zeit t in Millisekunden aufgetragen. Die 15 Trägersignale T weisen jeweils eine Phasenverschiebung von 24 Grad zueinander auf. Der Modulationsindex beträgt 50 % und der Leistungsfaktor 0,95. Wird bei einer Statorwicklung 11 mit 15 elektrischen Phasen φ jeweils ein Trägersignal T einer elektrischen Phase φ zugeordnet, so ergeben die numerischen Simulationen eine Erhöhung des Stroms am Zwischenkreiskondensator 18. In Figur 12 ist der Strom Ic am Zwischenkreiskondensator 18 für verschiedene

Phasenverschiebungen Θ zwischen den Trägersignalen T gezeigt. Auf der y- Achse ist der Strom Ic am Zwischenkreiskondensator 18 normiert auf den Phasenstrom I _n aufgetragen. Auf der x- Achse ist die Phasenverschiebung Θ zwischen den Trägersignalen T aufgetragen. Das bedeutet, falls die Phasenströme I _n nur mit einem Trägersignal T erzeugt werden, es also eine Phasenverschiebung von 0 zwischen den Trägersignalen T gibt, beträgt der Strom Ic am Zwischenkreiskondensator 18 266 % des Phasenstroms I _n . Werden mehrere

Trägersignale T zur Erzeugung der Phasenströme I _n bereitgestellt und diese um

beispielsweise 24 Grad zueinander phasenverschoben, wird der Strom Ic am

Zwischenkreiskondensator 18 deutlich erhöht im Vergleich zur Erzeugung der

Phasenströme I _n mit nur einem Trägersignal T. Es ist jedoch auch gezeigt, dass der Strom

Ic am Zwischenkreiskondensator 18 für andere Phasenverschiebungen Θ zwischen den Trägersignalen T deutlich reduziert werden kann. Beispielsweise beträgt der Strom Ic am Zwischenkreiskondensator 18 im Falle einer Phasenverschiebung von Θ = 72° lediglich 54 % des Phasenstroms I _n .

In Figur 13 A sind qualitative Stromzeiger für 60 elektrische Phasen φ gezeigt. Jeder der elektrischen Phasen φ ist ein Phasenstrom I _n zugeordnet. Die elektrischen Phasen φ sind jeweils um 24 Grad zueinander phasenverschoben. Daher weisen jeweils vier

Phasenströme I _n die gleiche Amplitude und die gleiche Phase auf. Das heißt, es wird eine virtuelle Phasenanzahl V definiert, welche in diesem Fall 15 beträgt. Die virtuelle

Phasenanzahl V ist gegeben durch: (2) wobei p die Anzahl der magnetischen Polpaare des Stators angibt. Zur Ansteuerung der elektrischen Phasen φ durch unterschiedliche Trägersignale T werden die elektrischen Phasen φ in Gruppen aufgeteilt. In diesem Beispiel werden die

elektrischen Phasen φ in fünf Dreiergruppen aufgeteilt. Eine der Dreiergruppen ist durch die gestrichelten Pfeile gebildet. Das heißt, die elektrischen Phasen φ innerhalb von einer Gruppe sind jeweils um den gleichen Winkel zueinander phasenverschoben. In diesem Fall sind die drei elektrischen Phasen φ einer Gruppe um jeweils 120 Grad zueinander verschoben. Das heißt, in diesem Ausführungsbeispiel werden fünf Trägersignale T bereitgestellt, welche jeweils einer Gruppe von elektrischen Phasen φ zugeordnet sind. Da es insgesamt fünf Trägersignale T gibt, sind diese um:

360°

Θ = = 72°

5 zueinander phasenverschoben. Wie in Figur 12 gezeigt ist der Strom Ic am

Zwischenkreiskondensator 18 für diese Art der Ansteuerung reduziert gegenüber einer Ansteuerung mit nur einem Trägersignal T.

In Figur 13B sind wie in Figur 13A qualitative Stromzeiger für 60 elektrische Phasen φ dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel werden die 15 virtuellen Phasen in drei Fünfergruppen aufgeteilt, was bedeutet, dass drei Trägersignale T bereitgestellt werden. Eine der Fünfergruppen ist durch gestrichelte Pfeile hervorgehoben. Da nur drei

Trägersignale T bereitgestellt werden, sind diese um:

360°

Θ = = 120°

3 zueinander phasenverschoben. Auch bei dieser Art der Ansteuerung ist der Strom Ic am Zwischenkreiskondensator 18 reduziert gegenüber einer Ansteuerung mit nur einem Trägersignal T. In Figur 14 ist der Strom Ic am Zwischenkreiskondensator 18 für unterschiedliche

Anzahlen von Trägersignalen T dargestellt. Auf der y- Achse ist der Strom Ic am

Zwischenkreiskondensator 18 normiert auf den Phasenstrom I _n dargestellt. Auf der x- Achse ist der Modulationsindex aufgetragen. Der Leistungsfaktor beträgt 0,8. Die Kurve 14a stellt den Strom Ic am Zwischenkreiskondensator 18 für eine Erzeugung der

Phasenströme I _n mit nur einem Trägersignal T dar. Wie oben gezeigt, treten am

Zwischenkreiskondensator 18 durch die Überlagerung der Phasenströme I _n höhere Ströme als die Phasenströme I _n auf. Die Kurve 14b zeigt den Strom Ic am

Zwischenkreiskondensator 18 für den Fall, welcher in Figur 13A dargestellt ist. Es werden fünf Trägersignale T bereitgestellt, welche um 72 Grad zueinander phasenverschoben sind. Die 15 virtuellen Phasen werden in fünf Dreiergruppen aufgeteilt. Kurve 14c zeigt den Strom Ic am Zwischenkreiskondensator 18 für die Anordnung in Figur 13B. Das heißt, es werden drei Trägersignale T bereitgestellt und die 15 virtuellen Phasen werden in drei Fünfergruppen aufgeteilt. Durch die Erzeugung der Phasenströme I _n durch mehrere

Trägersignale T kann also der Strom Ic am Zwischenkreiskondensator 18 reduziert werden. Je nach Modulationsindex ist es vorteilhafter, bei 15 virtuellen Phasen die Phasen in drei Fünfergruppen oder in fünf Dreiergruppen aufzuteilen. In Figur 15 A sind qualitative Stromzeiger für 14 elektrische Phasen φ dargestellt. Die 14 elektrischen Phasen φ sind jeweils um etwa 26 Grad zueinander phasenverschoben. Zur Ansteuerung mit mehreren Trägersignalen T können die 14 elektrischen Phasen φ beispielsweise in zwei Siebenergruppen aufgeteilt werden. Eine der Siebenergruppen ist in Figur 15A gestrichelt dargestellt.

In Figur 15B sind qualitative Stromzeiger für 14 elektrische Phasen φ dargestellt. Bei 14 elektrischen Phasen φ ist es ebenfalls möglich, die Phasen in sieben Zweiergruppen aufzuteilen. Eine dieser Zweiergruppen ist in Figur 15B gestrichelt dargestellt. In Figur 16 ist der Strom Ic am Zwischenkreiskondensator 18 für unterschiedliche

Anzahlen von Trägersignalen T dargestellt. Auf der y- Achse ist der Strom Ic am

Zwischenkreiskondensator 18 normiert auf den Phasenstrom I _n aufgetragen. Auf der x- Achse ist der Modulationsindex aufgetragen. Der Leistungsfaktor beträgt 0,8. Kurve 16a zeigt den Strom Ic am Zwischenkreiskondensator 18 für den Fall, welcher in Figur 15A dargestellt ist. Die 14 elektrischen Phasen der elektrischen Wicklung 1 1 werden in zwei Siebenergruppen aufgeteilt. Das heißt, es werden zwei Trägersignale T bereitgestellt, welche um 180 Grad zueinander phasenverschoben sind. Die Kurve 16b zeigt den Strom Ic am Zwischenkreiskondensator 18 für den Fall, dass die Phasenströme I _n mit nur einem Trägersignal T erzeugt werden. Die Kurve 16c zeigt den Strom Ic am

Zwischenkreiskondensator 18 für den Fall, welcher in Figur 15B gezeigt ist. In diesem Fall werden die 14 elektrischen Phasen φ in sieben Zweiergruppen aufgeteilt. Die sieben Trägersignale T sind um etwa 51 Grad zueinander phasenverschoben. Die Erzeugung der Phasenströme I _n durch zwei Trägersignale T, wie in Kurve 16a gezeigt, trägt also nicht zu einer Reduzierung des Stroms am Zwischenkreiskondensator 18 bei. Jedoch ist für die Erzeugung der Phasenströme I _n mit sieben Trägersignalen T eine Reduzierung des Stroms am Zwischenkreiskondensator 18 gezeigt. In Figur 17 ist der Strom Ic am Zwischenkreiskondensator 18 für verschiedene Anzahlen von Trägersignalen T gezeigt. Auf der y- Achse ist der Strom Ic am

Zwischenkreiskondensator 18 normiert auf den Phasenstrom I _n aufgetragen. Auf der x- Achse ist der Modulationsindex aufgetragen. Der Leistungsfaktor beträgt 0,8. In diesem Ausführungsbeispiel umfasst die Statorwicklung 1 1 dreizehn elektrische Phasen φ. Das heißt, die Anzahl N der elektrischen Phasen φ ist eine Primzahl. Daher können die elektrischen Phasen φ nicht in Gruppen mit gleicher Anzahl N von elektrischen Phasen φ aufgeteilt werden. Daher werden bei diesem Ausführungsbeispiel die elektrischen Phasen φ in Gruppen mit unterschiedlichen Anzahlen N von elektrischen Phasen φ aufgeteilt. Kurve 17a zeigt den Strom Ic am Zwischenkreiskondensator 18 für eine Gruppe mit sechs elektrischen Phasen und eine Gruppe mit sieben elektrischen Phasen. Das heißt, in diesem Fall werden zwei Trägersignale T bereitgestellt. Kurve 17b zeigt den Strom Ic am

Zwischenkreiskondensator 18 für eine Erzeugung der Phasenströme I _n mit nur einem Trägersignal T. Die Kurve 17c zeigt den Strom Ic am Zwischenkreiskondensator 18, wobei die elektrischen Phasen φ in drei Dreiergruppen und eine Vierergruppe aufgeteilt sind. Das heißt, in diesem Fall werden vier Trägersignale T bereitgestellt. Die Kurve 17d zeigt den Strom Ic am Zwischenkreiskondensator 18 für eine Aufteilung der elektrischen Phasen φ in fünf Zweiergruppen und eine Dreiergruppe. Die Kurve 17e zeigt den Strom Ic am Zwischenkreiskondensator 18 für eine Aufteilung der elektrischen Phasen φ in zwei Vierergruppen und eine Fünfergruppe. Insgesamt sind die Ausführungsbeispiele der Kurven 17c, 17d und 17e vorteilhaft gegenüber der Erzeugung der Phasenströme I _n mit nur einem Trägersignal T. Somit ist es auch möglich, für Statorwicklungen 11, deren Anzahl N der elektrischen Phasen φ eine Primzahl ist, eine Reduzierung des Stroms am

Zwischenkreiskondensator 18 zu erreichen.

In Figur 18 sind die Phasenströme I _n der dreizehn elektrischen Phasen φ gezeigt. Auf der y- Achse sind die Phasenströme I _n in Ampere aufgetragen und auf der x- Achse ist die Zeit t in Millisekunden aufgetragen. Da die Anzahl N der elektrischen Phasen φ in diesem Fall eine Primzahl ist, werden die elektrischen Phasen φ in Gruppen mit unterschiedlichen Anzahlen N von elektrischen Phasen φ aufgeteilt. Dies führt dazu, dass die Phasenströme In asymmetrisch verlaufen. In dem gezeigten Beispiel sind die Abweichungen vom symmetrischen Verlauf jedoch gering. Asymmetrische Verläufe der Phasenströme I _n können beispielsweise durch eine Stromregelung kompensiert werden.

Figur 19A zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Stators 12 einer elektrischen Maschine 13. Der Stator 12 umfasst ein Statorblechpaket 23, in welches Nuten 22 eingebracht sind. In jeder Nut 22 befindet sich ein elektrisch leitfähiger Stab 21. Die Stäbe 21 sind auf einer ersten Seite des Stators 12 mit einem Kurzschlussring 24 elektrisch leitend miteinander verbunden und bilden eine elektrische Wicklung 11 des Stators 12. Auf einer zweiten Seite des Stators 12 sind die Stäbe 21 frei von einem Kurzschlussring 24. Ein Rotor der elektrischen Maschine 13 kann im Stator 12 angeordnet sein. Figur 19B zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Stators 12,

welcher an einer Stromversorgungseinheit 25 der Leistungselektronik angeschlossen ist. Die Stäbe 21 in den Nuten 22 können separat von der Stromversorgungseinheit 25 gespeist werden. Bezugszeichenliste

10 : S chaltungsanordnung

11 : Statorwicklung

12: Stator

13: elektrische Maschine

14: Modulationsgenerator

15: Trägersignalgenerator

16 : S chaltsignalgenerator

17: Logik

18: Zwischenkreiskondensator

19: Halbbrücke

20: Feldeffekttransistor

21 : Stab

22: Nuten

23: Statorblechpaket

24: Kurzschlussring

25 : Stromversorgungseinheit

Ic: Strom

I _n : Phasenstrom

M: Modulationssignal

N: Anzahl der elektrischen Phasen

S _n ⁺ : Schaltsignal

S _n ^" : Schaltsignal

T: Trägersignal

t: Zeit

V: virtuelle Phasenanzahl φ: elektrische Phase

Θ: Phasenversatz der Trägersignale