DE10031423A1 - Vorrichtung zur Ermittlung der Drehlage des Rotors einer elektrischen Maschine - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ermittlung der Drehlage des Rotors (15) einer elektrischen Maschine (1) relativ zum Stator (13), wobei die Maschine im Stern verschaltete, jeweils wenigstens eine Polwicklung enthaltende Phasenstränge (4-6) aufweist und sich die Induktivität der Phasenstränge abhängig von der Rotordrehlage im Verhältnis zueinander ändert. Erfindungsgemäß ist der elektrischen Maschine eine Drossel mit durch die Ströme in den Phasensträngen kompensierter Induktivität vorgeschaltet und der Sternpunkt (7) ist für eine gegen die Drehfrequenz des Rotors hohe Frequenz einer an den Phasenstrangenden oder über der Drossel (22) abgreifbaren, durch die Rotordrehlage beeinflußten Meßspannung kurzgeschlossen oder unterliegt wenigstens einer Dämpfung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ermittlung der Drehlage des Rotors einer elektri­ schen Maschine relativ zum Stator, wobei die Maschine im Stern verschaltete, jeweils wenigstens eine Polwicklung enthaltende Phasenstränge aufweist und sich die Induktivität der Phasenstränge abhängig von der Rotordrehlage im Verhältnis zueinander ändert.

Bekanntermaßen ist die für den induktiven Widerstand maßgebende Induktivität der Pol­ wicklungen elektrischer Maschinen, vor allem bedingt durch Schwankungen der Intensität des Erregerfeldes beim Verdrehen des Rotors gegen den Stator, nicht konstant. Die Stärke des Erregerfeldes beeinflußt die Permeabilität des Wicklungskernmaterials, so daß sich mit der Stärke des Erregerfeldes die Induktivität der Polwicklungen ändert. Diese Drehlage­ abhängigkeit der Polwicklungsinduktivität läßt sich zur Ermittlung der Drehlage des Rotors relativ zum Stator nutzen. Aus der WO 99/09645 ist eine fremderregte, nach dem Impulswei­ tenmodulationsverfahren betriebene elektrische Maschine mit mehreren im Stern verschalte­ ten Phasensträngen bekannt, bei der zur Ermittlung der Drehlage das am Sternpunkt auftre­ tende Potential ausgewertet wird. Das Sternpunktpotential zeigt Variationen, die darauf beruhen, daß sich abhängig von der Rotordrehlage die Induktivitäten der Phasenstränge im Verhältnis zueinander ändern. Nachteilig auf die Genauigkeit der Messung wirken sich dabei parasitäre Kapazitäten der Maschine aus.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue Vorrichtung der ein­ gangs erwähnten Art zu schaffen, die Drehlagemessungen mit höherer Genauigkeit oder/und ohne Potentialabgriff im Innern des Motors ermöglicht.

Die diese Aufgabe lösende Vorrichtung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der elektrischen Maschine eine Drossel mit durch die Ströme in den Phasensträngen kompensierter Induktivität vorgeschaltet ist, und daß der Sternpunkt für eine gegen die Drehfrequenz des Rotors hohe Frequenz einer an den Phasenstrangenden oder über der Drossel abgreifbaren, durch die Rotordrehlage beeinflußten Meßspannung kurzgeschlossen ist oder wenigstens einer Dämpfung unterliegt.

Während die stromkompensierte Drossel keinen die Stromversorgung der elektrischen Maschine behindernden Wechselstromwiderstand darstellt, bildet sie für die höherfrequente Meßspannung jedoch einen merklichen solchen Widerstand, weil die durch die Meßspan­ nung erzeugten Ströme über die Kurzschlußverbindung aus dem Sternpunkt abfließen und die Drossel für solche Ströme nicht kompensiert ist. Vorteilhaft kann an den Enden der Pha­ senstränge oder über der Drossel eine drehlageabhängiges Meßsignal abgegriffen werden, das durch parasitäre Kapazitäten der elektrischen Maschine nicht oder nur wenig verfälscht ist.

Vorzugsweise ist der Sternpunkt über eine RC-Kombination mit einem festen Spannungs­ bezugspunkt, z. B. einem Spannungsnullpunkt, verbunden. In dieser RC-Kombination wird der Kondensator ausreichend groß gewählt, so daß für die Meßfrequenzen ein so geringer Wechselstromwiderstand gebildet ist, daß das Potential am Sternpunkt praktisch festgehal­ ten wird. Der ohmsche Widerstand in der RC-Kombination sorgt für eine Dämpfung von Schwingungen in dem durch den Kondensator, die Polwicklungen und die Drossel gebilde­ ten Schwingkreis.

Vorzugsweise ist die Induktivität der für die Meßspannungsfrequenz unkompensierten Drossel groß gegen die drehlageabhängige Phasenstranginduktivität, so daß der Einfluß der Pha­ senstranginduktivitäten nur gering ist. Die Spannung an den Phasenstrangenden der elektri­ schen Maschine zeigt dann den Spannungshub, der sich am Sternpunkt ohne die beschrie­ bene RC-Kombination einstellen würde und kann sich praktisch frei bewegen.

Während es denkbar ist, an die elektrische Maschine eine Wechselspannung mit der erfor­ derlichen hohen Frequenz als Meßspannung anzulegen, ist die Maschine in einem bevorzug­ ten Ausführungsbeispiel der Erfindung zum Betrieb nach dem Impulsweitenmodulationsver­ fahren vorgesehen und die im Vergleich zur Rotordrehfrequenz hochfrequente Meßspan­ nung wird durch die Betriebsspannungsimpulse gebildet.

Ein Abgriff eines durch die Meßspannung gebildeten drehlageabhängigen Meßsignals kann einerseits an den Phasenstrangenden vorgesehen sein, wobei ein über Widerstände mit den Phasenenden verbundener Meßpunkt gewissermaßen als künstlicher Sternpunkt gebildet werden kann. Alternativ ist eine Induktionswicklung zum Abgriff eines durch die Meßspan­ nung gebildeten drehlageabhängigen Meßsignals von der Drossel vorgesehen. Vorzugs­ weise ist ein Ende dieser Induktionswicklung mit dem Sternpunkt verbunden, während das andere Ende an einer Potentialmeßeinrichtung anliegt. Durch die Verbindung des einen Wicklungsendes mit dem Sternpunkt kann am anderen Wicklungsende ein korrigiertes Meß­ signal abgegriffen werden, aus dem am Sternpunkt noch auftretende geringe Potential­ änderungen eliminiert sind. Effektiv wird damit die über den Stranginduktivitäten abfallende Spannung gemessen.

Eine noch genauere Meßsignalkorrektur kann erreicht werden, wenn die Drossel an ihrem dem Potentialmeßpunkt abgewandten Ende jeweils über einen Widerstand mit jedem der Eingänge der stromkompensierten Drossel verbunden ist.

Die Erfindung soll nun anhand von Ausführungsbeispielen und der beiliegenden, sich auf diese Ausführungsbeispiele beziehenden Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine elektrische Maschine mit einer Vorrichtung zur Ermittlung der Drehlage gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel nach der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2 eine elektrische Maschine mit einer Vorrichtung zur Drehlageermittlung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel nach der vorliegenden Erfindung,

Fig. 3 eine Teilschnittansicht der elektrischen Maschine gemäß Fig. 1 und 2,

Fig. 4 eine Darstellung, welche die Abhängigkeit der Induktivität der Polwicklungen von der Drehlage des Rotors der elektrischen Maschine von Fig. 3 erläutert,

Fig. 5 eine die Beschaltung der Phasenstränge der elektrischen Maschine von Fig. 1 und 2 bei Anwendung des Impulsweitenmodulationsverfahrens erläuternde Darstellung,

Fig. 6 eine elektrische Maschine mit einer Vorrichtung zur Drehlageermittlung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel nach der vorliegenden Erfindung, und

Fig. 7 eine der Vorrichtung zur Drehlageermittlung gemäß Fig. 6 zugrundeliegende Schal­ tung.

Mit dem Bezugszeichen 1 ist in der Schemadarstellung von Fig. 1 ein Elektromotor bezeich­ net, der über eine Steuerung 2 seine Betriebsspannung aus einer Batterie 3 bezieht. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel bildet die Steuerung 2 eine gesonderte Baueinheit.

Bei dem Elektromotor 1 handelt es sich um einen dreiphasenbetriebenen Synchronmotor mit Phasensträngen 4 bis 6, die bei 7 unter Bildung einer Sternschaltung miteinander verbunden sind.

Der Sternpunkt 7 ist über eine Reihenschaltung aus einem Kondensator 8 und einen ohm­ schen Widerstand 9 an Masse gelegt, d. h. mit dem Potentialnullpunkt verbunden.

Die Phasenstränge 4 bis 6 weisen jeweils einen durch mehrere Polwicklungen (Fig. 3) gebil­ deten induktiven Widerstand 10 und einen ohmschen Widerstand 11 von geringer Größe auf.

Wie Fig. 3 zu entnehmen ist, sind die Polwicklungen der Phasenstränge 4 bis 6 (RST) an Pol­ köpfen 12 vorgesehen, die am Stator 13 der elektrischen Maschine gebildet sind, wobei die Polwicklungen jedes dritten Polkopfs untereinander zur Bildung eines der Phasenstränge 4 bis 6 verbunden sind. Mit dem Bezugszeichen 14 sind in der Fig. 3 an einem ringförmigen Rotor 15 angebrachte Permanentmagnete zur Erzeugung eines Erregerfeldes bezeichnet, wobei durch abwechselnde Anordnung eines magnetischen Nordpols und magnetischen Südpols aufeinanderfolgende, um den Umfang des ringförmigen Rotors 15 verteilte magnetische Perioden gebildet sind. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Permanentmagnete 14 in durch Stege 16 gegeneinander abgegrenzten Ausnehmungen 17 angeordnet. Entlang dem in Fig. 3 eingezeichneten Drehwinkel Δϕ ändert sich das die Polköpfe 13 durchsetzende Magnetfeld, damit die Permeabilität des Materials der Polköpfe 12 und so letztlich die Induk­ tivität L der Polwicklungen.

Fig. 4 zeigt diese Änderung ΔL der Induktivität L über den Drehwinkel ϕ, wobei die Induktivi­ tätsänderung ΔL in jeder Winkelperiode Δϕ bis zu einem Maximum ansteigt und dann wieder abfällt.

Zu diesem Verlauf trägt geringfügig auch die Gestaltung des ringförmigen Rotors aus Eisen mit durch die Stege 16 und Ausnehmungen 17 ungleichmäßig um den Umfang verteilter Eisenmenge bei.

Die dem Sternpunkt 7 abgewandten Enden der Phasenstränge 4 bis 6 sind mit Stromzufüh­ rungen 18 bis 20 verbunden, wobei in dem gezeigten Ausführungsbeispiel am Motor 1 Steckverbindungen 21 zum Anschluß der Stromzuführungen vorgesehen sind.

Mit dem Bezugszeichen 22 ist eine stromkompensierte Drossel mit drei Wicklungen 23 und einem gemeinsamen Eisenkern 24 bezeichnet. Jede der Stromzuführungen 18 bis 20 enthält eine der Wicklungen 23.

Die Stromführungen 18 bis 19 sind an ihrem dem Motor 1 entgegengesetzten Ende mit einer Leistungsschaltereinrichtung 25 verbunden, welche die Zuführungen 18 bis 20 zyklisch ent­ sprechend einem Betrieb des Motors 1 nach dem Impulsweitenmodulationsverfahren mit Betriebsspannungsimpulsen belegt.

Die Leistungsschaltereinrichtung 25 steht mit einer zentralen Steuereinheit 26 in Verbindung, die zweckmäßig einen unter anderem zur Steuerung der Leistungsschaltereinrichtung 25 programmierten Computer enthält.

Mit dem Bezugszeichen 27 ist eine in die Drossel 22 integrierte Induktionswicklung bezeich­ net, deren Windungszahl in dem gezeigten Ausführungsbeispiel gleich der Windungszahl der Wicklungen 23 ist, wobei der Drehsinn der Induktionswicklung umgekehrt zu demjenigen der Wicklungen 23 ist. Ein Ende der Induktionswicklung ist mit einer Spannungsmeßeinrichtung 28 und das andere Ende mit dem Sternpunkt 7 des Motors verbunden. Die Spannungs­ meßeinrichtung 28 steht ferner in Verbindung mit der zentralen Steuereinheit 26, welche die von der Spannungsmeßeinrichtung 29 ermittelten Spannungen auswertet.

Im Motorbetrieb werden die die Drosselwicklungen 23 enthaltenden Stromzuführungen 18 bis 20 über die elektronische Leistungsschaltereinrichtung 35 impulsweise mit der Batterie 3 verbunden, wobei in jedem Zyklus gemäß Fig. 5 jede der Stromzuführungen einmal mit der Batteriespannung U₀ belegt ist und die jeweils anderen Stromzuführungen an Masse M lie­ gen. Die Dauer eines Zyklus' beträgt in dem betrachteten Ausführungsbeispiel 50 µs, die Be­ schaltungsfrequenz liegt also bei 20 kHz. Je nach gewünschter Bestromung des Motors wer­ den die Impulslängen variiert, wobei sich die an den einzelnen Stromzuführungen anliegen­ den Impulse der Batteriespannung zeitlich überlappen können.

Kapazität und ohmscher Widerstand der RC-Kombination 8, 9 sind so bemessen, daß sie für die im Rahmen der Impulsweitenmodulation erzeugten Betriebsfrequenzen des Synchron­ motors 1, die unterhalb etwa 200 Hz liegen, einen großen Wechselstromwiderstand bildet, über den kein oder nur ein geringer Strom solcher Frequenzen fließen kann. Damit ist die Summe der in den Sternpunkt 7 fließenden Ströme etwa gleich Null. In der Drossel 22 kann sich daher kein Magnetfeld aufbauen, d. h. die Drossel bildet keinen die Stromversorgung des Elektromotors 1 behindernden Widerstand.

Wären die Drossel 22 und die RC-Kombination 8, 9 nicht vorhanden, so würde es am Stern­ punkt 7 beim Einschalten der Impulse mit der Spannung U₀ zu einer Spannungsänderung kommen, deren Größe vom jeweiligen Verhältnis der Phasenstranginduktivitäten zueinander und damit der Rotordrehlage abhängt. Durch den Kondensator 8 der RC-Kombination 8, 9, die für die Impulsbeschaltungsfrequenz nur einen geringen Wechselstromwiderstand bildet, wird das Potential am Sternpunkt jedoch fest gehalten. Für Ströme, die in den Kondensator hinein- oder aus dem Kondensator herausfließen, ist die Drossel 22 nicht kompensiert. So kommt es zu einem der genannten Spannungsänderung entsprechenden Spannungshub an den Phasenenden bzw. einer entsprechenden Spannung über der Drossel, der bzw. die als Maß für die Rotordrehlage dienen kann.

Letztere Spannung wird bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1 mit Hilfe der Induktions­ wicklung 27 ermittelt, wobei die Spannungsmeßeinrichtung 28 das jeweilige Potential an einem Ende der Induktionswicklung 27 bestimmt. Durch die Verbindung des anderen Endes der Induktionswicklung 27 mit dem Sternpunkt 7 ergibt sich ein korrigiertes Meßsignal, aus dem verfälschende, am Sternpunkt infolge des von Null verschiedenen Wechselstromwider­ standes der RC-Kombination 8, 9 auftretende Spannungsvariationen geringer Höhe eliminiert sind.

Die Spannungsmeßeinrichtung 28 erfaßt z. B. zu einem bestimmten Zeitpunkt nach Einschal­ tung des Betriebsspannungsimpulses einen Spannungswert als durch die zentrale Steuerein­ heit 26 auszuwertendes Meßsignal. In der Steuereinheit 26 ist eine Tabelle gespeichert, in der Meßsignale in Zuordnung zu den entsprechenden Drehwinkelwerten enthalten sind, so daß mit Hilfe der Tabellen für ein ermitteltes Meßsignal der jeweilige Drehwinkel innerhalb einer Winkelperiode Aϕ bestimmt werden kann. Zur Bestimmung eines Gesamtdrehwinkels ϕ ist in der zentralen Steuereinheit eine Zähleinrichtung programmiert, welche die Zahl der von einem Bezugspunkt an durchlaufenen Drehwinkelintervalle Δϕ ermittelt.

Die beschriebene Spannungsmessung und Auswertung kann in jedem Impulsbeschaltungs­ zyklus oder nach einer vorgegebenen Anzahl von Zyklen wiederholt werden.

Es wird nun auf Fig. 2 Bezug genommen, wo gleiche oder gleichwirkende Teile mit derselben Bezugszahl, der jedoch der Buchstabe a beigefügt ist, bezeichnet sind.

Das Ausführungsbeispiel von Fig. 2 unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1 dadurch, daß zum Abgreifen eines drehlageabhängigen Meßsignals keine Induktions­ schleife verwendet ist, sondern Stromzuführungen 18a bis 20a für einen Elektromotor 1a jeweils über einen Widerstand 29 zu einem Meßpunkt 30 zusammengeführt sind.

Es wird nun auf die Fig. 6 und 7 Bezug genommen, wo gleiche oder gleichwirkende Teile mit derselben Bezugszahl, der jedoch der Buchstabe b beigefügt ist, bezeichnet sind.

Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 6 weist eine stromkompensierte Drossel 22b mit Wick­ lungen 23b ferner eine Induktionswicklung 27b auf. Ein Ende der Induktionswicklung 27b ist mit einem Potentialmeßpunkt 30b verbunden, während das andere Ende zu einem "künst­ lichen Sternpunkt" führt, der über drei Widerstände 29b jeweils mit den drei Ausgängen einer Leistungsschaltereinrichtung 25b bzw. den Eingängen für die Wicklungen 23b der strom­ kompensierten Drossel 22b verbunden ist.

In dieser Ausführungsform läßt sich zwischen dem Potentialmeßpunkt 30b und einem Potentialmeßpunkt 30b am Sternpunkt als Potentialdifferenz ein drehlageabhängiges Spannungssignal abgreifen, das gegenüber dem Signal der Ausführungsform von Fig. 1 noch genauer korrigiert ist. Eine Spannungssignalmeßeinrichtung 28b umfaßt einen galvanisch getrennten Verstärker mit dem Sternpunkt 30b' als Bezugspotential.

Claims (7)

1. Vorrichtung zur Ermittlung der Drehlage des Rotors (15) einer elektrischen Maschine (1) relativ zum Stator (13), wobei die Maschine im Stern verschaltete, jeweils wenigstens eine Polwicklung enthaltende Phasenstränge (4-6) aufweist und sich die Induktivität der Pha­ senstränge abhängig von der Rotordrehlage im Verhältnis zueinander ändert, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrischen Maschine eine Drossel (22) mit durch die Ströme in den Phasen­ strängen (4-6) kompensierter Induktivität vorgeschaltet ist, und daß der Sternpunkt (7) für eine gegen die Drehfrequenz des Rotors (15) hohe Frequenz einer an den Phasenstrang­ enden oder über der Drossel (22) abgreifbaren, durch die Rotordrehlage beeinflußten Meßspannung kurzgeschlossen ist oder wenigstens einer Dämpfung unterliegt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sternpunkt (7) über eine RC-Kombination (8, 9) mit einem Potentialbezugspunkt verbunden ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivität der für die Meßspannungsfrequenz unkompensierten Drossel (22) groß gegen die drehlageabhängige Phasenstranginduktivität ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschine zum Betrieb nach dem Impulsweitenmodulationsverfahren vorgesehen und die im Vergleich zur Rotordrehfrequenz hochfrequente Meßspannung durch die Betriebsspannungsimpulse gebildet ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Abgriff (30) eines durch die Meßspannung gebildeten drehlageabhängigen Meß­ signals an wenigstens einem der Phasenenden vorgesehen ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis S. dadurch gekennzeichnet, daß eine Induktionswicklung (27) zum Abgriff eines durch die Meßspannung gebildeten drehlageabhängigen Meßsignals von der Drossel (22) vorgesehen ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ende der Induktionswicklung (27) mit dem Sternpunkt (7) verbunden ist oder daß ein Ende der Induktionswicklung (27b) jeweils über einen Widerstand (29b) mit jedem der Eingänge der Drossel (22) verbunden ist.