CN105992937A - 将至少能够机动地运行的电的旋转场机的定子绕阻通电并测量其温度 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于将能够机动地运行的旋转场机的定子绕阻通电的方法，其中将所述定子绕阻各施以相电流，所述相电流通过应用基于向量的方法来预定。将所述相电流至少部分地施以偏置电流，所述偏置电流通过基于向量的方法这样来确定，它们在所述旋转场机中不具有力矩有效性。

Description

将至少能够机动地运行的电的旋转场机的定子绕阻通电并测量其温度

本发明涉及根据专利独立权利要求的前序的、用于将至少能够机动地运行的电的旋转场机的定子绕阻通电的方法、用于确定这样的定子绕阻的温度的方法以及用于实行所谓的方法的器件。

背景技术

机动车中的用于将机械能转化为电能的发电机是已知的。在这种情况下大多应用齿形电极发电机（Klauenpolgenerator）。对应于现有技术，这些齿形电极发电机大多配备有电的激励。因为齿形电极发电机大多三相地产生三相电流，则对于通常的机动车的直流车载电网来说整流是必需的。现有技术是以半导体二极管为基础的整流器。

也能够被用于车辆驱动的（即也能够是机动地运行的）发电机在混合动力汽车领域是已知的。在此的目的是：在低转速时支持内燃机（升压运行、涡轮孔补偿），在所述转速中，此内燃机还不提供该内燃机的完全的转矩。除此之外能够通过有源的电的制动器将车辆的动能回馈给电的车载电网（回收）。在这种情况下通常采用永久励磁的同步电机，其在较高的电压（典型地，大于100伏）时被运行。这导致了相比而言与传动系中的显著的变化相联接的、复杂的系统结构以及相比而言由于高电压的缘故的昂贵的防护措施。

电的旋转场机也是已知的。其能够构造为无零线（Nullleiter）的三相电机。在机动的运行中应用的对应于旋转场机或者说其定子绕阻的相电流能够公知地通过应用面向向量的调节方法（也称为向量调节）来预定。此外使用克拉克变换和/或帕克变换（或者说相应的逆变换）。对于三相的旋转场机来说，关于在克拉克变换中的向量α和β或者说在帕克变换中的向量d和q明确地定义了所有三个相电流，因为只有两个相电流能够被自由地确定且第三相电流由其余两个电流的合计而得出。

下面将概念如“电的旋转场机”、“电的旋转场驱动装置”和“电动机”同义地应用。在各个情况下其涉及至少有时机动地、如有可能也再生地（例如用于回收）能够运行的电机，其定子绕组在机动地运行中通过换流器将电流（相电流）根据操控模式来换向，从而构造电的旋转场。“定子绕组”或“定子绕阻”就此由电的线圈以例如星形的连接或者三角形的连接的形式而形成一个或多个装置。如果下面论述：“相位”被通电或者被施以电流，这意味着，相应的电流流动通过各定子绕阻。对此所谓的陈述是意义相同的。

为了使电机、尤其它的定子绕阻免受高温，希望知道的是其实际的温度。在此，没有温度传感器的辅助措施的已知的方法借助于定子绕阻的电阻确定来工作。利用由此求得的欧姆电阻能够确定绕阻的温度。不过测量精度依赖于电流测量的公差、用于计算的马达型号的精度且主要依赖于机器的欧姆电阻相对于总无功阻抗的份额。

因此在没有温度传感器的辅助措施的情况下存在改进提供相应的用于尽可能精确的确定温度的量的可行方案的需要。

发明内容

在此背景下，本发明提出了具有专利独立权利要求的特征的、用于将至少能够机动地运行的电的旋转场机的定子绕阻通电的方法、用于确定这样的定子绕阻的温度的方法以及用于实行该所谓的方法的器件。优选的实施方案各是专利从属权利要求的主题以及下面的说明书的主题。

发明优势

本发明的核心是在将电的旋转场机的n相或者说n定子绕阻（下面也称为“n-相系统”）通电时对自由度的有针对性的充分利用，并且具体而言这样地：能够调整在对形成转矩的场没有作用的单个的相位中的电流份额。这使得改进对相位中或者说定子绕阻中的各（依赖于温度的）欧姆电阻的确定成为可能。根据本发明的方法例如在操控旋转场机时通过应用用于调节向量的方法来实行。不过本发明就控制向量或其它方法而言给予了同样的优点。相应的方法下面通过概念“基于向量的方法”来总结。主要出于清楚的原因而进行对用于调节向量的方法的下文的特定的参考。

本发明用一个五相的电的旋转场机的例子来描述。已知的用于三相的系统的克拉克变换根据本发明被扩展至五相的系统，以便能够完全地描述将该系统。经此能够实现对定子的更准确的温度测量和不同的附加功能。不过本发明如下面所解释的那样适合于所有的旋转场机，就所述旋转场机而言存在足够数量的自由度以用于调整相电流，从而能够调整在这些对形成转矩的场没有作用的相位中的电流份额。

所谓的附加功能包括在没有生成总的转矩的情况下尤其对定子绕阻的通电（例如以便能够在停止运转的情况下有针对性地加热定子绕阻以用于自身测试和/或校准功能）以及包括在五相的系统情况下使用相电流的谐和的谐波。通过瞬时地应用的克拉克变化（参看下面的方程3），这里并不是所有的谐波都能够被看到。

本发明从一种用于将机动地驱动的旋转场机的定子绕阻通电的方法出发，其中，将所述定子绕阻各施以相电流，所述相电流通过应用基于向量的方法来预定。根据本发明设置：将所述相电流至少部分地施以偏置电流，所述偏置电流通过基于向量的方法这样来确定，其在所述旋转场机中不具有力矩有效性。

如果用于加载定子绕阻的电流或电流份额产生了作用在旋转场机的转子上的转矩，则在此应用概念“力矩有效性”。如所提及的那样，定子绕阻按传统地利用起到构造电的旋转场的作用的操控模式来整流。即这些定子绕阻拥有力矩有效性或者说是力矩有效的。与此相反，本发明设置：使用以下电流或（附加的）电流份额，其对自身考虑来说不施加或施加不值得注意的力到转子上，即不拥有或拥有可被忽略的力矩有效性。

使用根据本发明的方法的前提条件是，如已经提及的那样，附加于无零线的惯常的三相的旋转场机中存有的自由度，用于给定子绕阻通电的自由度的数量的存在性。也如下面的关于附图所解释的那样，在这样的三相的旋转场机中自由度的数量为二。

基于基尔霍夫定律（也称为节点电流定律），在这样的旋转场机的相位中的电流的总和必须为零。在将三相的旋转场机或者说其定子绕阻通电时，就此会“消耗”两个用于形成力矩的通电的现有的自由度。在更高相的旋转场机或也在具有零线的三相的旋转场机中却存在至少另一个自由度，其能够被用于给相电流外加直流电流份额（偏置电流），该直流电流份额就其而言并不促成转矩形成。

如果在本发明中表述的是“偏置电流”（给相电流施以所述“偏置电流”），则其有效地涉及了相加量或者说相减量，将相电流以该相加量或者说相减量进行提高或减少。就此，它涉及例如直流电流或直流电流份额，也如下面还解释的那样，即涉及恒定的偏置电流。这在通过应用依据基础的基于向量的方法来确定。具有相应的偏置电流的加载换句话说包括例如与（正的或负的）直流电流的叠加。

不过在本申请中“偏置电流”也可被理解为改变中的电流。无力矩有效性的电流并不是必须绝对恒定的，而是也能够（足够低频地）改变。基于向量的方法在此能够涉及用于γ或者说δ的改变的值。也如下面解释的那样，在高频时欧姆电阻的影响会更小，从而其不再能够用于确定温度。但是，如果并非力矩有效的电流份额的频率足够小，则确定温度是有可能的。

如果有相电流作为恒定电流（或在电流值为零时），则例如通过恒定的偏置电流而得出了各恒定的电流流动。因而如果恒定的直流电流流动通过所有的定子绕阻，则这不会导致旋转场机中的力矩形成，不过定子绕阻会自身加热。这能够例如利用预定的最大电流而也被用于相应的定子绕阻的校准功能和/或用于测试。

相反，如果相电流，如典型地在相应的旋转场机的机动地运行的情况中那样，作为以特定的相电流幅值和特定的相电流频率围绕平均值振荡（在没有本发明的利用偏置电流的加载的情况下，电流围绕零位线振荡）的电流被预定，则由于根据本发明的利用偏置电流的加载的缘故，相反地会出现相应的正弦形式的相电流的基线的升高或减小。

也如下面解释的那样，偏置电流根据本发明以变换规则为基础来预定，所述变换规则涉及由克拉克变换而推导出的变换规则。利用此，能够将不依赖于力矩有效的电流向量的且自身不拥有力矩有效性的电流向量换算至相应的电流值且应用于确定偏置量。

如已经解释的那样，根据本发明的方法尤其适合用于将旋转场机的定子绕阻通电，就该旋转场机而言存在至少四个自由度以用于通电。以同样的方式，本发明适合用于构造为同步电机或异步电机的旋转场机。

本发明的主题尤其也是一种用于确定旋转场机的定子绕阻的温度的方法，就该方法而言求得定子绕阻的欧姆电阻。在此，至少在求得定子绕阻的欧姆电阻的期间根据一种如之前所解释的那样的方法来将所述定子绕阻通电。该通电也能够尤其在求得欧姆电阻之前施行，从而能够再现地加热定子绕阻。

一种根据本发明的计算单元，例如是电的旋转场机的控制器，尤其编程技术地被设立用于实施根据本发明的方法。

所述方法以软件形式的实施也是有利的，这是因为这一点产生特别小的成本，特别是当执行中的控制器还被用于其它的任务以及因此总归是存在的时。用于提供计算机程序的合适的数据载体尤其是软盘、硬盘、闪存、EEPROM、CD-ROM、DVD等。经由计算机网络（英特网、以太网等）对程序的下载也是可行的。

本发明的其它优点和设计方案从说明书以及所附的附图中得出。

显然，前面提到的以及接下来还要阐释的特征不仅能使用在相应地说明的组合中，也能使用在其它的组合中或单独使用，而不脱离本发明的框架。

本发明在附图中示意地表明且在下面参照附图作详细地描述。

附图说明

图1在示意的部分展示中示出了能够采用根据本发明的方法的五相的旋转场机。

图2在示意的展示中图解说明了在五相的旋转场机中的相电流的有效方向。

图2A至2C在用于五相的向量图解中图解说明了电流的逆向变换的问题。

图3A和3B在不使用根据本发明的方法的情况下在向量图解中图解说明了相电流和电流。

图3A和3B在使用根据本发明的方法的情况下在向量图解中图解说明了相电流和电流。

具体实施方式

在本发明中采用了例如一种五相的同步的旋转场机。不过，这里为了解释，首先探讨具有相应的三相的定子绕阻的三相的同步的旋转场机。

对于相应的三相的旋转场机来说，所述节点电流定律提到的是：如一般所已知的是，相电流（下面用于Ia、Ib和Ic来表示）的总和必须为零。从所述相电流Ia、Ib和Ic中能够因此自由地选择两个电流，第三电流各根据节点电流定律来得出。换句话说，能够挑选具有两个自由度的相电流。

克拉克变换，也称为α、β变换，用于：将如在具有轴a、b和c（也可选择用U、V和W等来表示）的相应的三相的旋转场机时的三相的量转变至具有轴α和β的更简单的两轴的坐标系中。克拉克变换连同d、q变换是用于旋转场机的向量调节的数学基础且描述了多个可能的空间矢量图解中的一个。

克拉克变换的所基于的直角的坐标系等同于对于静止的定子所选择的坐标系且在复平面内映射了实部α和虚部β。三个定子绕阻在三相的旋转场机中以120°的角度相互偏置，其中根据定义，轴a（或者说U）与实轴α重合。克拉克变换将三个相电流Ia、Ib和Ic转变为在α、β坐标系中的两个等值的电流。

对于克拉克变换适用的是：

对应地适用于逆克拉克变换的是：

而五相的旋转场机根据节点电流定律拥有四个能够选择的相电流，剩下的第五相电流再次由相电流的总和必须是零的要求来得出。即存在四个自由度。

五相的旋转场机的相电流下面用Ia至Ie来表示。这些相电流的有效方向类似于在三相的旋转场机中那样布置，不过其中相邻相位之间的角度为72°（2π/5）。图2在具有轴α和β的图中的示意的展示中图解说明了在五相的旋转场机中的相电流的有效方向。

为了进一步图解说明，图1示出了一种五相的旋转场机10，就该旋转场机而言定子的五个定子绕阻11以星形接法相互连接。为了将定子绕阻11通电，设置了五个电的接头A至E，这些电的接头与交流电源12连接、例如与通过控制设备13操控的十脉冲的有源的逆变器的输出口连接。经过交流电源12向着接头0、例如接地端下降的电压用UA0至UE0来表示，相电流用Ia至Ie来表示。

由相电流合成的定子的场能够同样在两轴的α、β坐标系中表明。为此，应用用于五相的相适应的克拉克变换：

不过在向量图解中的电流Iα和Iβ的至相电流Ia至Ie的逆向变换这里并不能够再明确地施行，因为在四个存在的自由度时的相电流由多种因素决定。

如图2A至2C中所示出的那样，让同一合成的向量通过相电流的多个组合生成。这里，图2A至2C图解说明了用于各合成的在α、β坐标系中的等效的合成的向量α=2.5和β=0（其本身为了清楚而没有表明）的不同的组合可能性。单个的相位的向量Ia至Ie是从坐标系的原点出发来表明的。画虚线地表明的向量Ib'至Ie'是为了向量相加而平行推移的向量。即向量Ia至Ie相互线性相关。

不过如在三相的系统中的那样，相电流的正弦形式的走向是所期望的。相位通电的实施因此通过关于转子位置角的正弦形式的走向来施行。由于预定相电流的正弦曲线和相等的幅值，因而明确的逆克拉克变换还是可能的，如下面的方程表明的那样。其也对应于图2A。

四个自由度中的任两个通过形成转矩的份额α、β来描述。对于剩下的两个自由度来说，根据本发明将克拉克变换这样来扩展，即对相电流的α、β向量没有作用。两个附加的自由度下面用γ、δ来表示。这个份额在下面的变换中表明为：

对此逆变换相应地为：

在组合中得出了扩展的克拉克变换：

或者说倒转的扩展的克拉克变换：

值Iγ和Iδ对Iα和Iβ没有影响且因此对转矩没有作用。通过由量γ和δ利用根据方程6的逆变换至相量的变换以及紧接着的到α、β的坐标系中的克拉克变换，能够将所提到的变量的不依赖关系相互示出（这里为了清楚而没有表明）。

下面解释：在考虑之前所解释的基础的情况下在运行旋转场机期间如何能够施行用于确定温度的必需的改进的电阻测量。

首先解释：如何能够根据现有技术仅利用α、β的坐标或者说由这里所推导出的d、q坐标来施行电阻计算。该d、q系和在这种情况下应用的帕克变换是从文献中已知的且因此这里不作进一步解释。在这里适用：

其中U_d和U_q表示为在d、q坐标中的定子电压，id和iq表示为在d、q坐标中的定子电流，Ψ_R表示为转子磁链，Rs表示为定子电阻以及L_d和L_q表示为导线纵向电感或者说导线横向电感。

如在方程9中看到的那样，电压比例/电流比例不仅依赖于定子电阻而且还依赖于电感和感应的电压。转速越大，则欧姆电阻的影响越小。但电的旋转场机主要在高转速时被运行。因此用于确定温度的电阻计算难以可行。

温度和电阻之间的关系是从文献中已知的：

这里根据本发明可以获得显著的改进：

对于以场为导向的运行来说，电流Iα和Iβ是以已知的方式被调整和调节的。Iγ和Iδ的值（如上面导出的那样）不依赖于此且能够任意地在运行界限之内被调整。因此可能的是，平行地安置附加的电流向量。

在以场为导向的在静止的状态下的运行期间，α、β向量以旋转场机的电的转角的频率在恒定的矢量长度的情况下旋转。因此α、β向量的角频率与旋转场机的回转速度相联系。附加的γ、δ向量现在使得这些相位被施以叠加的直流电压成为可能。则设定了叠加的直流电流。通过γ、δ直流电流向量并不产生三重转矩（Drehmomentripel）。

换句话说，即在机动的运行中，用以向量为导向的调节方法来预定第一电流向量（α、β向量），以便给定子绕阻施以电流，这些电流在旋转场机中产生转矩。附加地预定第二电流向量（γ、δ向量），以便给定子绕阻施以电流（偏置电流），这些电流在旋转场机中不产生转矩。

在图3A和3B或者说4A和4B中，各相电流（图3A或者说4A）和旋转的α、β向量（图3B或者说4B）通过以弧度为单位的相位角φ来表明。在该展示中根据图3B，γ、δ为零。在图4B中图解说明了具有叠加的γ、δ直流电流份额（偏置电流）的同一α、β向量。不过经此而产生的转矩是相等的，因为通过γ、δ直流电流份额，没有转矩被感应。

通过利用R=U/I的电阻确定，能够通过根据关于电阻的方程10的温度系数来确定定子绕阻的温度。

相对于根据现有技术的温度确定来说的优点首先在于，不必进行对电感的一同计算，且第二在于，为此在计算中的系统中也不必存有电感的高准确的机器型号。因此温度能够与利用没有转矩偏差的至今的方法相比明显地更准确地被计算出。

如果期望的话，也能够在旋转场机中在不产生任一转矩的情况下调整相电流。此外能够唯独应用γ、δ向量（无α、β向量）。对此的应用为：例如旋转场机的所有相位的均匀的加热和/或相电流直至最大电流的自身测试。

由于在α、β坐标系中的相电流的不完全的映射的缘故，在根据方程5或者说6的唯独的变换或者说逆变换（即在通过应用α、β坐标系的惯常的克拉克变换时）时并不是所有的谐和的谐波都能够被看见。因而所述谐波意为，所述谐波拥有相电流的基本频率的整数倍。下面的表格示出了各谐波映射到哪个系统中：

基波的倍数	1	2	3	4	5	6	7	8	9
										映象为	α，β	γ，δ	γ，δ	α，β	-	α，β	γ，δ	γ，δ	α，β

第五个谐波不能够出现，因为经此不遵循五个相电流的求和规则。能够根据本发明在各系统（α、β或γ、δ）中进行校正或者说补偿。这根据现有技术是不可能的。

应当强调的是，在本发明中也能够使用替代的变换规则。在下面的方程中给出示例。

本发明适合用于具有五相位的电的旋转场机，不过原则上也用于具有相应的自由度的数量的其他的旋转场机，例如具有零线的三相的旋转场机。

本发明也能够用在具有两个用于转子的定子绕阻的装置的旋转场机中，例如用在具有以两组各三个定子绕阻方式的六个定子绕阻的旋转场机中。在最后提及的装置中，例如定子绕阻在所述组中的每个中以120°的角度相互偏置，且两个组的定子绕阻相互再者偏置30°地布置。该所谓的角度仅仅视为示例。

它因而涉及两个三相的绕阻装置，其各以星形配置的方式布置（下面也称为“星形”）。所述星形配置也能够作为三角形接法或星形和三角形混杂地来建立。绕阻的角度偏量（在该情况中电地30°）如提及的那样也能够占据其他的角度。（例如）以30°的电的角度偏量来安装绕阻装置。由此对于两个单个星形接法得出了各分离的修正角度的克拉克变换：

为了达到零转矩，必须满足条件α和β总共为零：

在选择相电流时，三相的机器有两个自由度。

就解释过的双星配置而言存在四个自由度。因此能够采用根据本发明的方法。

现在为了将转矩自由的电流向量加进（einprägen）这样的旋转场机中，必需的是，单个星形的合成的α、β向量具有相同的幅值地、以相反的方向被示出。因此这里也有可能的是，加入没有转矩作用的直流电流，例如以便测量定子温度或利用附加的自由度的其它的可行方案。

α、β坐标的角位置能够自由地选择且也能够占据其他的位置。重要的是单个绕阻的合成的向量的可比性。

Claims (11)

1. 用于给能够机动地运行的旋转场机（10）的定子绕阻（11）通电的方法，在该方法中，给所述定子绕阻（11）施以相电流（Ia—Ie），所述相电流通过使用基于向量的方法来预定，其特征在于，给所述相电流（Ia—Ie）至少部分地施以偏置电流，所述偏置电流通过基于向量的方法这样来确定，即所述偏置电流在所述旋转场机（10）中不具有力矩有效性。

2. 按照权利要求1所述的方法，就该方法而言，所述相电流（Ia—Ie）通过基于向量的方法这样来预定，即所述相电流以相电流幅值和相电流频率围绕平均值振荡，其中，所述相电流幅值和所述相电流频率在所述旋转场机（10）的所要求的旋转速度和/或所要求的转矩的基础上被确定且平均值对应于所述偏置电流。

3. 按照权利要求1或2所述的方法，就该方法而言所述偏置电流在变换规则的基础上来预定，利用此变换规则将第二电流向量（γ，δ）换算至电流值，所述第二电流向量不依赖于力矩有效的第一电流向量（α，β）。

4. 按照上述权利要求中的任一项所述的方法，应用该方法以用于给旋转场机（10）的定子绕阻（11）通电，就该旋转场机而言存在至少四个自由度以用于通电。

5. 按照上述权利要求中的任一项所述的方法，采用该方法以用于给旋转场机（10）通电，该旋转场机构造为同步电机或异步电机。

6. 按照上述权利要求中的任一项所述的方法，采用该方法以用于给具有以两组各三个定子绕阻方式的六个定子绕阻的旋转场机（10）通电，其中，在每组中，所述定子绕阻彼此偏置且两组的定子绕阻同样彼此偏置地布置。

7. 用于确定能够机动地运行的旋转场机（10）的定子绕阻（11）的温度的方法，就该方法而言，求得所述定子绕阻（11）的欧姆电阻，其特征在于，至少在求得所述定子绕阻（11）的欧姆电阻期间，根据按照上述权利要求中的任一项所述的方法给所述定子绕阻（11）通电。

8. 按照权利要求7所述的方法，就该方法而言，在求得所述定子绕阻（11）的欧姆电阻之前，根据按照权利要求1至6中的任一项所述的方法，对于预定的时间，给定子绕阻（11）通电，从而将所述定子绕阻（11）加温。

9. 能够机动地运行的旋转场机（10）的计算单元，尤其控制设备（13），其被设立用于执行按照上述权利要求中的任一项所述的方法。

10. 计算机程序，该计算机程序使得计算单元执行按照权利要求1至8中的任一项所述的方法，当该计算机程序在尤其按照权利要求9所述的计算单元上实施时。

11. 一种能够由机器读取的储存介质，所述储存介质带有储存在其上的按照权利要求10所述的计算机程序。