DE102008010950A1 - Sensorless operated permanent magnet excited electrical machine, in particular for a fuel cell unit of a motor vehicle, and a method for operating a sonsorlos operated permanent magnet electric machine - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine sensorlos betriebene permanentmagneterregte elektrische Maschine (1), insbesondere für eine Brennstoffzelleneinheit eines Kraftwagens, insbesondere eines Personenkraftwagens, mit einem eine Statorwicklung (3) aufweisenden Stator (2) und einem bezüglich des Stators (2) rotatorisch bewegbar gelagerten Rotor, welcher mindestens einen einen Nordpolbereich und einen Südpolbereich umfassenden Permanentmagnet aufweist, und mit einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung (5), welche mit der Statorwicklung (3) gekoppelt und zum Bestromen der Statorwicklung (3) ausgebildet ist, wobei die Steuer- und/oder Regeleinrichtung (5) zum Bestromen der Statorwicklung (3) in einem Stillstand der elektrischen Maschine (1) ausgebildet ist, und der Rotor durch das Bestromen im Stillstand in einer von einer Totpunktstellung verschiedenen Ruhewinkelstellung festlegbar ist.The invention relates to a sensorless operated permanent magnet electric machine (1), in particular for a fuel cell unit of a motor vehicle, in particular a passenger car, with a stator (2) having a stator winding (3) and a rotatably movably mounted rotor (2) with respect to the stator comprising at least one permanent magnet comprising a north pole region and a south pole region, and having a control and / or regulating device (5) which is coupled to the stator winding (3) and designed to energize the stator winding (3), the control and / or Control device (5) for energizing the stator winding (3) is formed at a standstill of the electric machine (1), and the rotor is fixed by the Bestromen at a standstill in a different rest position from a dead center position.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine sensorlos betriebene permanentmagneterregte elektrische Maschine, insbesondere für eine Brennstoffzelleneinheit eines Kraftwagens, insbesondere eines Personenkraftwagens, mit einem eine Statorwicklung aufweisenden Stator und einem bezüglich des Stators rotatorisch bewegbar gelagerten Rotor, welcher mindestens einen einen Nordpolbereich und einen Südpolbereich umfassenden Permanentmagnet aufweist, und mit einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung, welche mit der Statorwicklung gekoppelt und zum Bestromen der Statorwicklung ausgebildet ist. Überdies betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen elektrischen Maschine.The The present invention relates to a sensorless operated permanent magnet excited electric machine, in particular for a fuel cell unit a motor vehicle, in particular a passenger car, with a a stator winding stator and a respect of the stator rotatably movably mounted rotor, which at least one comprising a north pole region and a south pole region Permanent magnet has, and with a control and / or regulating device, which is coupled to the stator winding and for energizing the stator winding is trained. Moreover, the present invention relates a method for operating such an electric machine.
Vorliegend gilt das Interesse einem sensorlosen Antrieb für ein Brennstoffzellensystem eines einen Hybridantrieb aufweisenden Kraftwagens, insbesondere Personenkraftwagens. Ein sensorloser Antrieb bietet vor allem Vorteile im Hinblick auf Robustheit sowie Kosten. Bei sensorlosen Antrieben muss eine elektrische Maschine eine richtige Rotorstellung während eines Startvorganges für den nachfolgenden Betrieb jedes mal neu finden. Dies erfolgt durch ein gesteuertes Anfahren der Maschine mit einer relativ geringen Drehzahl und benötigt einen Zeitraum von etwa 1 bis 5 Sekunden, einen so genannten Initialisierungszeitraum. Ist nun das Brennstoffzellensystem aus Wirkungsgradgründen mit einer Start/Stop-Strategie betrieben, so zeigt sich der obige Initialisierungszeitraum besonders nachteilig und kann bei Kraftwagen nicht zugelassen werden.present the interest is a sensorless drive for a fuel cell system a motor vehicle having a hybrid drive, in particular Passenger car. A sensorless drive offers advantages above all in terms of robustness and cost. For sensorless drives An electric machine needs a proper rotor position during a startup process for the subsequent operation of each find new times. This is done by a controlled start of the Machine with a relatively low speed and needed a period of about 1 to 5 seconds, a so-called initialization period. Is now the fuel cell system for efficiency reasons operated with a start / stop strategy, the above shows Initialization period particularly disadvantageous and can be with motor vehicles not be allowed.
Aus dem Stand der Technik sind bereits Lösungen bekannt, welche im Hinblick auf die obige Start/Stop-Strategie ein rasches Anfahren der elektrischen Maschine gewährleisten. Einem von der Anmelderin stammenden Verfahren zufolge, wird die elektrische Maschine mit einer bestimmten Mindestdrehzahl bei einem abgestellten Kraftwagen Weiterbetrieben.Out The prior art solutions are already known, which in view of the above start / stop strategy, a quick start ensure the electrical machine. One of the Applicant originating method, the electric machine with a certain minimum speed at a parked car Next farms.
Überdies
offenbart die Druckschrift
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine sensorlos betriebene permanentmagneterregte elektrische Maschine sowie ein Verfahren zum Betreiben einer sensorlos betriebenen permanentmagneterregten elektrischen Maschine zu schaffen, bei welcher bzw. bei welchem mit geringem Aufwand Maßnahmen getroffen sind, die gewährleisten, dass die elektrische Maschine aus einem Stillstand schnell, insbesondere ohne eine Initialisierungszeit, geregelt angefahren werden kann.Of the Invention is based on the object, a sensorless operated permanent magnet-excited electric machine and a method for operating a sensorless operated permanent magnet excited to create electrical machine, in which or at which with little effort, measures are taken to ensure that that the electric machine from a standstill fast, in particular without an initialization time, can be approached regulated.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine sensorlos betriebene permanentmagneterregte elektrische Maschine mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1, sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen nach Patentanspruch 7, gelöst.These The object is achieved by a sensorless operated permanent magnet excited electrical machine with the features according to claim 1, and by a method with the features of claim 7, solved.
Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.advantageous Further developments and embodiments of the invention are in specified in the dependent claims.
Eine erfindungsgemäße sensorlos betriebene permanentmagneterregte elektrische Maschine, insbesondere für eine Brennstoffzelleneinheit eines Kraftwagens, insbesondere eines Personenkraftwagens, umfasst einen eine Statorwicklung aufweisenden Stator und einen bezüglich des Stators rotatorisch bewegbar gelagerten Rotor, welcher mindestens einen einen Nordpolbereich und einen Südpolbereich umfassenden Permanentmagnet aufweist. Die elektrische Maschine umfasst eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung, welche mit der Statorwicklung gekoppelt und zum Bestromen der Statorwicklung ausgebildet ist. Ein wesentlicher Gedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Steuer- und/oder Regeleinrichtung zum Bestromen der Statorwicklung in einem Stillstand der elektrischen Maschine ausgebildet ist, und der Rotor durch das Bestromen im Stillstand in einer von einer Totpunktstellung verschiedenen Ruhewinkelstellung festlegbar ist.A Sensorless operated permanent magnet excited according to the invention electric machine, in particular for a fuel cell unit a motor vehicle, in particular a passenger car, includes a stator winding having a stator and a respect of the stator rotatably movably mounted rotor, which at least one comprising a north pole region and a south pole region Permanent magnet has. The electric machine includes a Control and / or regulating device, which with the stator winding coupled and is designed to energize the stator winding. An essential idea of the present invention is that the control and / or regulating device for energizing the stator winding is formed at a standstill of the electric machine, and the rotor by the energizing at a standstill in one of a dead center position different rest angle position can be fixed.
Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht mit anderen Worten darin, dass die Steuer- und/oder Regeleinrichtung der permanentmagneterregten elektrischen Maschine derart im Stillstand der Maschine bestromt wird, dass der den Permanentmagnet aufweisende Rotor in einer von der Steuer- und/oder Regeleinrichtung bekannten Ruhewinkelstellung fixiert bzw. festgehalten wird. Durch die erfindungsgemäße elektrische Maschine wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass eine Winkelstellung des Rotors im Stillstand der Maschine nicht ermittelt werden muss, sondern von der Steuer- und/oder Regeleinrichtung bekannt ist, so dass gewährleistet wird, dass die elektrische Maschine direkt geregelt und nicht gesteuert angefahren bzw. gestartet werden kann. Hierdurch wird sichergestellt, dass die für das Anfahren der elektrischen Maschine notwendige Initialisierungszeit im Hinblick auf eine Start/Stop-Strategie eines Hybridantriebs im Kraftwagen bzw. im Hinblick auf ein schnelles Starten der elektrischen Maschine entfällt. Dadurch, dass keine weiteren Elemente notwendig sind, um den Rotor im Stillstand der Maschine in der bekannten Ruhewinkelstellung festzuhalten, wird somit eine bauteilreduzierte elektrische Maschine geschaffen. So übernimmt die Statorwicklung die Aufgabe des Festhaltens des den Permanentmagnet umfassenden Rotors. Darüber hinaus ist auch die notwendige Stromaufnahme viel geringer als im Falle, dass die elektrische Maschine mit einer Mindestdrehzahl betrieben wird, wodurch eine im Hinblick auf die Stromaufnahme energieeffiziente elektrische Maschine geschaffen wird.In other words, a basic idea of the present invention is that the control and / or regulating device of the permanent magnet-excited electric machine is energized at standstill of the machine such that the rotor having the permanent magnet is fixed in a rest angle position known by the control and / or regulating device or detained. By the electric machine according to the invention is achieved in an advantageous manner that an angular position of the rotor at standstill of the machine is not has to be determined, but is known by the control and / or regulating device, so as to ensure that the electric machine can be controlled directly and not controlled started or started. This ensures that the necessary for the startup of the electrical machine initialization time in terms of a start / stop strategy of a hybrid drive in the car or with regard to a quick start of the electric machine deleted. The fact that no further elements are necessary to hold the rotor at a standstill of the machine in the known rest angle position, thus a component-reduced electric machine is created. Thus, the stator winding takes over the task of holding the rotor comprising the permanent magnet. In addition, the necessary power consumption is much lower than in the case that the electric machine is operated at a minimum speed, whereby an energy-efficient in terms of power consumption electrical machine is created.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass durch das Bestromen der Statorwicklung im Stillstand der elektrischen Maschine der Rotor in einer Ruhewinkelstellung festgelegt bzw. gehalten wird, welche von der Totpunktstellung möglichst weit entfernt angeordnet ist. Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass durch das Bestromen der Statorwicklung im Stillstand der elektrischen Maschine der Rotor in einer Ruhewinkelstellung festgelegt bzw. gehalten wird, welche von der Totpunktstellung um einen Winkel von 90° bis 270° entfernt angeordnet ist. Besonders bevorzugt ist die Ruhewinkelstellung von der Totpunktstellung um einen Winkel von 150° bis 210°, insbesondere um einen Winkel von 180°, entfernt angeordnet.Especially can be provided that by energizing the stator winding at standstill of the electric machine, the rotor in a rest angle position is set or held, which as possible from the dead center is located far away. It can preferably be provided that by energizing the stator winding at standstill of the electrical Machine the rotor is set or held in a rest angle position, which from the dead center by an angle of 90 ° to 270 ° away. Particularly preferred is the Rest angle position from the Totpunktstellung by an angle of 150 ° to 210 °, in particular by an angle of 180 °, arranged away.
Vorzugsweise umfasst die Statorwicklung drei Spulenstränge, wobei die elektrische Maschine zum Betrieb mit Drehstrom ausgebildet ist. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Stator eine Mehrzahl von über den Umfang des Stators gleichmäßig beabstandet angeordneten Zähnen aufweist, wobei in dieser Ausführungsform die Statorwicklung insbesondere als Zahnwicklung ausgebildet sein kann.Preferably the stator winding comprises three coil strands, wherein the electrical machine is designed for operation with three-phase current. In particular, it can be provided that the stator has a plurality from across the circumference of the stator evenly having spaced teeth, wherein in this Embodiment, the stator winding in particular as a tooth winding can be trained.
In einer Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Steuer- und/oder Regeleinrichtung eine Steuer- und/oder Regeleinheit, insbesondere einen Mikroprozessor umfasst, welcher zum Steuern und/oder Regeln eines Drehzahlverhaltens der elektrischen Maschine ausgebildet ist. Bevorzugt umfasst die Steuer- und/oder Regeleinrichtung einen Spannungswandler, insbesondere einen Drehstromregler, mittels welchem eine Gleichspannung in einen Drehstrom zum Betreiben der elektrischen Maschine umwandelbar ist.In In one embodiment it can be provided that the control and / or regulating device a control and / or regulating unit, in particular a microprocessor, which is for controlling and / or regulating a speed behavior of the electric machine is formed. Preferably, the control and / or regulating device comprises a voltage converter, in particular a three-phase regulator, by means of which a DC voltage in a three-phase current for operating the electric machine convertible is.
Insbesondere ist vorgesehen, dass die Steuer- und/oder Regeleinheit der Steuer- und/oder Regeleinrichtung der elektrischen Maschine mit dem Spannungswandler, insbesondere dem Drehstromregler, gekoppelt ist, wobei der Spannungswandler, insbesondere der Drehstromregler, vorzugsweise mit drei Spulensträngen der Statorwicklung des Stators gekoppelt ist.Especially It is foreseen that the tax and / or regulatory unit of the tax and / or regulating device of the electrical machine with the voltage converter, in particular the three-phase regulator, wherein the voltage converter, in particular the three-phase regulator, preferably with three coil strands the stator winding of the stator is coupled.
Bevorzugt ist der Spannungswandler von der Steuer- und/oder Regeleinheit ansteuerbar. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Spannungswandler mit einer Gleichspannungsquelle, insbesondere einer Batterie, gekoppelt ist, wobei der Spannungswandler insbesondere in der Lage ist, eine Gleichspannung bzw. eine gleichgerichtete Spannung in einen Drehstrom zu wandeln, mit welchem die elektrische Maschine versorgbar ist.Prefers the voltage converter can be controlled by the control and / or regulating unit. In particular, it can be provided that the voltage converter with a DC voltage source, in particular a battery coupled is, wherein the voltage converter is in particular capable of a DC voltage or a rectified voltage in a three-phase current to convert, with which the electric machine is supplied.
Vorzugsweise kann der Spannungswandler eine Brückenschaltung mit mehreren Transistoren aufweisen, wobei die elektrische Maschine insbesondere elektronisch kommutiert werden kann. Hierdurch wird erreicht, dass das Drehzahlverhalten der elektrischen Maschine mittels der Steuer- und/oder Regeleinheit über den Spannungswandler, insbesondere den Drehstromregler, insbesondere die elektronische Brückenschaltung, auf technisch einfache und zuverlässige Weise geregelt werden kann. Insbesondere im Hinblick auf ein schnelles bzw. rasches Anfahren der elektrischen Maschine wird somit gewährleistet, dass die Steuer- und/oder Regeleinheit in der Lage ist, über den Spannungswandler, insbesondere den Drehstromregler, insbesondere die Brückenschaltung, einen oder mehrere der Spulenstränge der Statorwicklung im Stillstand der elektrischen Maschine zu bestromen, so dass sichergestellt wird, dass der Rotor in der von der Totpunktstellung verschiedenen Ruhewinkelstellung verbleibt und die elektrische Maschine von Anfang an geregelt und nicht gesteuert werden kann.Preferably the voltage converter can be a bridge circuit with several Transistors, wherein the electric machine in particular can be commutated electronically. This ensures that the speed behavior of the electric machine by means of the control and / or control unit via the voltage converter, in particular the three-phase current regulator, in particular the electronic bridge circuit, regulated in a technically simple and reliable way can be. Especially with regard to a fast or rapid Starting the electric machine is thus ensured that the control unit is capable of over the voltage converter, in particular the three-phase controller, in particular the bridge circuit, one or more of the coil strands of Stator winding at standstill of the electric machine to energize, so as to ensure that the rotor is in the dead center position different resting angle position remains and the electric machine regulated from the beginning and can not be controlled.
In einer Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Steuer- und/oder Regeleinrichtung zum Bestromen nur eines Spulenstrangs der Statorwicklung im Stillstand der elektrischen Maschine ausgebildet ist. Insbesondere im Hinblick auf ein energieeffizientes Betreiben der elektrischen Maschine ist es ausreichend, lediglich einen der Spulenstränge im Stillstand der elektrischen Maschine zu bestromen, um eine vordefinierte und von der Steuer- und/oder Regeleinrichtung bekannte Ruhewinkelstellung des Rotors im Hinblick auf ein schnelles bzw. rasches Anfahren der elektrischen Maschine zu erreichen.In In one embodiment it can be provided that the control and / or control device for energizing only one coil strand the stator winding formed at a standstill of the electric machine is. Especially with regard to energy-efficient operation It is sufficient for the electrical machine, only one of the Coil strands at standstill of the electric machine too energize to a predefined and from the control and / or regulating device known rest angle position of the rotor with a view to a fast or to achieve rapid startup of the electrical machine.
In einer alternativen Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Steuer- und/oder Regeleinrichtung zum Bestromen von mindestens zwei Spulensträngen der Statorwicklung im Stillstand der elektrischen Maschine ausgebildet ist.In an alternative embodiment may be provided that the control and / or regulating device for energizing at least two coil strands of the stator winding at standstill of the electrical Machine is formed.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren ist zum Betreiben einer sensorlos betriebenen bzw. angesteuerten permanentmagneterregten elektrischen Maschine, insbesondere für eine Brennstoffzelleneinheit eines Kraftwagens, insbesondere eines Personenkraftwagens, ausgebildet. Dabei umfasst die elektrische Maschine einen eine Statorwicklung aufweisenden Stator und einen bezüglich des Stators rotatorisch bewegbar gelagerten Rotor, welcher mindestens einen einen Nordpolbereich und einen Südpolbereich umfassenden Permanentmagnet aufweist, wobei die Statorwicklung mittels einer mit der Statorwicklung gekoppelten Steuer- und/oder Regeleinrichtung bestromt wird. Ein Grundgedanke besteht hierbei darin, dass die Statorwicklung mittels der Steuer- und/oder Regeleinrichtung in einem Stillstand der elektrischen Maschine bestromt wird, und der Rotor durch das Bestromen im Stillstand in einer von einer Totpunktstellung verschiedenen Ruhewinkelstellung festgehalten wird.One Method according to the invention is for operating a sensorless operated or driven permanent magnet excited electric machine, in particular for a fuel cell unit a motor vehicle, especially a passenger car trained. In this case, the electric machine comprises a stator winding having a stator and one with respect to the stator rotatory movably mounted rotor, which has at least one north pole region and a permanent magnet comprising a south pole region, wherein the stator winding by means of a coupled to the stator winding Control and / or regulating device is energized. A basic idea consists in the fact that the stator winding by means of the control and / or control device in a standstill of the electrical machine is energized, and the rotor by the Bestromen in the stoppage in a different from a dead center position rest position is held.
Bei dem Verfahren kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Statorwicklung drei Spulenstränge umfasst, die mittels der Steuer- und/oder Regeleinrichtung mit Drehstrom bestromt werden.at The method may in particular be provided that the stator winding comprises three coil strands, which by means of the control and / or Control device to be energized with three-phase current.
Vorzugsweise wird ein Drehzahlverhalten der elektrischen Maschine mittels einer Steuer- und/oder Regeleinheit, insbesondere eines Mikroprozessors, der Steuer- und/oder Regeleinrichtung gesteuert und/oder geregelt.Preferably is a speed behavior of the electric machine by means of a Control and / or regulating unit, in particular a microprocessor, the control and / or regulating device controlled and / or regulated.
Bevorzugt wird eine Gleichspannung mittels eines Spannungswandlers, insbesondere eines Drehstromreglers, der Steuer- und/oder Regeleinrichtung in einen Drehstrom zum Betreiben der elektrischen Maschine umgewandelt.Prefers is a DC voltage by means of a voltage converter, in particular a three-phase regulator, the control and / or regulating device in converted a three-phase current for operating the electric machine.
Bei dem Verfahren wird bevorzugt nur ein Spulenstrang der Statorwicklung mittels der Steuer- und/oder Regeleinrichtung im Stillstand der elektrischen Maschine bestromt.at The method is preferably only a coil strand of the stator winding by means of the control and / or regulating device at standstill of energized electrical machine.
Alternativ kann vorgesehen sein, dass mindestens zwei Spulenstränge der Statorwicklung mittels der Steuer- und/oder Regeleinrichtung im Stillstand der elektrischen Maschine bestromt wird.alternative can be provided that at least two coil strands the stator winding by means of the control and / or regulating device is energized at standstill of the electric machine.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine sind als vorteilhafte Ausführungen des erfindungsgemäßen Verfahrens anzusehen.advantageous Embodiments of the electrical according to the invention Machine are as advantageous embodiments of the invention View procedure.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der beigefügten Zeichnung.Further Advantages, features and details of the invention will become apparent the following description of a preferred embodiment as well as with the enclosed drawing.
Die einzige Figur zeigt eine sensorlos betriebene permanentmagneterregte elektrische Maschine gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.The only figure shows a sensorless operated permanent magnet excited electrical machine according to one embodiment of the present invention.
Eine
in der Figur wiedergegebene sensorlos betriebene permanentmagneterregte
elektrische Maschine
Die
elektrische Maschine
Die
Statorwicklung
Darüber
hinaus umfasst die elektrische Maschine
An
dieser Stelle sei erwähnt, dass die elektrische Maschine
Vorliegend
richtet sich das Interesse auf ein Erkennen einer Rotorstellung
während eines Startvorgangs der sensorlos betriebenen elektrischen
Maschine
- 11
- permanentmagneterregte elektrische Maschinepermanent magnet electric machine
- 22
- Statorstator
- 33
- Statorwicklungstator
- 3a, 3b, 3c3a, 3b, 3c
- Spulensträngecoil sets
- 4a, 4b, 4c4a, 4b, 4c
- Anschlusspoleconnecting poles
- 55
- Steuer- und/oder RegeleinrichtungTax- and / or control device
- 66
- Steuer- und/oder RegeleinheitTax- and / or control unit
- 77
- SpannungswandlerDC converter
- 88th
- Signalleitungensignal lines
- 99
- GleichspannungsquelleDC voltage source
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