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Stand der Technik
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Drehbare
Energiewandler, zu denen sowohl Elektromotoren als auch elektrische
Generatoren zählen,
umfassen im Allgemeinen einen Stator und einen gegenüber diesem
drehbar angeordneten Rotor. Um einen Betriebszustand eines solchen
drehbaren Energiewandlers zu steuern, werden Steuerungen verwendet,
die einen oder mehrere auf den Energiewandler bezogene Parameter
auswerten, beispielsweise eine Temperatur eines Abschnittes des Energiewandlers.
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Ein
Bestimmen einer Temperatur eines auf dem Rotor befindlichen Abschnitts
vom Stator aus oder eines auf dem Stator befindlichen Abschnitts vom
Rotor aus ist wegen der relativen Drehbewegung allgemein aufwändig. Lagerstellen
zwischen Stator und Rotor haben sich als schlechte Wärmeleiter
erwiesen und stehen nicht notwendigerweise in einem guten thermischen
Kontakt mit dem Abschnitt, dessen Temperatur zu bestimmen ist. Bekannte
Ansätze
zur Temperaturbestimmung umfassen indirekte Messungen, beispielsweise
von Infrarotstrahlung, und drahtgebundene oder drahtlose Übertragung von
Temperatur-Messwerten,
wie beispielsweise mittels Schleifringen bzw. elektromagnetischer
Wellen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Technik anzugeben, mittels
derer eine Temperaturerfassung über
die beiden sich relativ zueinander drehenden Teile eines drehbaren
Energiewandlers ermöglicht
wird. Dabei betrifft die Problemstellung grundsätzlich sowohl Elektromotoren,
die elektrische Energie in Bewegungsenergie umwandeln, als auch Generatoren,
die Bewegungsenergie in elektrische Energie umwandeln.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1, eine Steuerung nach Anspruch
5, einen integrierten Wandler nach Anspruch 7 und ein Verfahren
nach Anspruch 8. Unteransprüche
geben mögliche
bzw. vorteilhafte Ausgestaltungen wieder.
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Nach
einem ersten Aspekt umfasst eine Vorrichtung zur Bestimmung einer
Temperatur eines Abschnitts eines ersten Teils eines drehbaren Energiewandlers,
wobei der erste Teil drehbar gegenüber einem zweiten Teil des
Energiewandlers angeordnet ist, einen mit dem Abschnitt des ersten
Teils thermisch gekoppelten Permanentmagneten, einen am zweiten
Teil angeordneten Sensor zur Bestimmung des Magnetfelds des Permanentmagneten
und eine Verarbeitungseinrichtung, die dazu ausgebildet ist, die
Temperatur des Permanentmagneten auf der Basis des Magnetfeld zu
bestimmen.
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Mittels
Bestimmung des Magnetfelds kann eine die Grenze zwischen dem ersten
und dem zweiten Teil überspannende
Bestimmung der Temperatur des Permanentmagneten durchgeführt werden.
Der Permanentmagnet und der Sensor können bereits Teil eines konventionellen
drehbaren Energiewandlers sein, so dass die Temperaturbestimmung
keine oder nur geringe Änderungen
am Energiewandler erfordert.
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Der
Permanentmagnet und der Sensor können
Teile einer Vorrichtung zur Erfassung einer rotatorischen Lage des
ersten Teils gegenüber
dem zweiten Teil sein, so dass eine zusätzliche Bestimmung der Temperatur
lediglich eine geänderte
Verarbeitung von vom Sensor bereitgestellten Signalen erfordert.
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Der
Abschnitt des ersten Teils kann ein Wickelkopf sein. Erfahrungsgemäß bilden
sich im Betrieb eines drehbaren Energiewandlers die höchsten Temperaturen
im Bereich des Wickelkopfes; gleichzeitig ist der Wickelkopf besonders
empfindlich gegen zu hohe Temperatur, so dass ein thermischer Schutz
des Energiewandlers auf dieser Temperatur basieren kann.
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Ein
Abstand zwischen dem Permanentmagneten und dem Sensor kann von einer
rotatorischen Lage des ersten Teils gegenüber dem zweiten Teil abhängig sein
und die Verarbeitungseinrichtung kann dazu ausgebildet sein, den
Abstand bei der Bestimmung der Temperatur zu berücksichtigen. So muss der Permanentmagnet
nicht koaxial zur Drehachse des ersten Teils angeordnet sein, und
es kann beispielsweise auch ein Permanentmagnet verwendet werden,
der Teil der Energieübertragung
des Energiewandlers ist.
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Nach
einem zweiten Aspekt umfasst eine Steuerung für einen drehbaren Energiewandler
die oben beschriebene Vorrichtung und eine elektrische Ansteuereinrichtung
zur Ansteuerung des Energiewandlers auf der Basis der bestimmten
Temperatur. Die Steuerung kann beispielsweise an dem Teil des Energiewandlers
befestigt sein, der ein Stator ist. Auf der Basis der bestimmten
Temperatur kann die Steuerung eine Schutzfunktion bei thermischer Überlastung
bieten. Allgemein kann ein Einfluss der Temperatur auf die Steuerung
beispielsweise einer Drehgeschwindigkeit, eines Drehmoments, eines
Drehwinkels oder einer übertragenen
Energie des Energiewandlers kompensiert werden.
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Nach
einem dritten Aspekt umfasst ein integrierter Elektromotor, insbesondere
für einen
Lenkantrieb für
ein Kraftfahrzeug, einen drehbaren Energiewandler und die oben beschriebene
Steuerung. Der integrierte Wandler kann eine Einheit darstellen, die
austauschbar zu einem konventionellen Elektromotor ohne Temperaturbestimmung
ist.
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Nach
einem vierten Aspekt der Erfindung umfasst ein Verfahren zum Bestimmen
einer Temperatur eines Abschnitts eines ersten Teils eines drehbaren
Energiewandlers, wobei der erste Teil drehbar gegenüber einem
zweiten Teil des Energiewandlers angeordnet ist, die Schritte des
Erfassens eines Magnetfelds eines thermisch mit dem Abschnitt des
ersten Teils gekoppelten Permanentmagneten mittels eines am zweiten
Teil des Energiewandlers angeordneten Sensors und des Bestimmens
der Temperatur auf der Basis des Magnetfelds.
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Insbesondere
kann das Verfahren in einer Steuerung durchgeführt werden, die bereits einen
am ersten Teil angeordneten Permanentmagneten und einen am zweiten
Teil angeordneten Sensor zur Erfassung einer rotatorischen Lage
des ersten Teils gegenüber
dem zweiten Teil umfasst. Eine mit dem Sensor verbundene Verarbeitungseinheit
zur Steuerung des Energiewandlers kann in diesem Fall allein durch
Veränderung
ihrer beispielsweise in Software umgesetzten Funktionalität zur zusätzlichen
Berücksichtigung
der Temperatur erweitert werden. Es kann möglich sein, eine bestehende
Steuerung auch nachträglich
um die Funktion der Temperaturbestimmung zu erweitern.
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Das
vom Sensor bestimmte Magnetfeld kann von einer rotatorischen Lage
des ersten Teils gegenüber
dem zweiten Teil abhängig
sein und die Temperatur kann zusätzlich
auf der Basis der rotatorischen Lage bestimmt werden. So kann das
Verfahren auch ohne Änderungen
an einem Energiewandler durchgeführt
werden, der einen exzentrischen Permanentmagneten umfasst, beispielsweise
als Teil seiner Energieübertragung.
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Das
vom Sensor bestimmte Magnetfeld kann von einer rotatorischen Lage
des ersten Teils gegenüber
dem zweiten Teil abhängig
sein, wobei die Temperatur auf der Basis eines maximalen Magnetfelds während einer
vollen Umdrehung des ersten Teils gegenüber dem zweiten Teil bestimmt
wird. Diese einfache Bestimmung erlaubt eine Temperaturmessung pro
relativer Umdrehung der beiden Teile, ohne eine genauere Bestimmung
der rotatorischen Lage beider Teile zu erfordern. Diese Ausführungsform
ist besonders einfach und robust umsetzbar. Eine entsprechende Vorgehensweise
mit Bruchteilen einer vollen Umdrehung ist bei Verwendung eines
Permanentmagneten mit mehreren magnetischen Polpaaren möglich.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Im
Folgenden wird die Erfindung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben, in denen:
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1 ein
Blockschaltbild eines integrierten Wandlers;
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2 eine
Detailansicht einer Anordnung an einem Energiewandler nach 1;
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3 eine
zu 2 alternative Anordnung;
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4 ein
Diagramm exemplarischer magnetischer Flüsse des Permanentmagneten von 1; und
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5 ein
Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Verwendung in der Verarbeitungseinrichtung
von 1
darstellen.
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Identische
bzw. einander entsprechende Elemente tragen die gleichen Bezugszeichen
in allen Figuren.
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1 zeigt
ein Blockschaltbild 100 eines integrierten Lenkantriebs 195 für ein Kraftfahrzeug.
Ein Elektromotor 110 ist mit einer Ansteuerung 120 verbunden,
die einen Energiefluss von einer Energiezufuhr (angedeutet durch
einen Pfeil) zum Elektromotor 110 steuert. Der Elektromotor 110 treibt
eine Welle 130 an. Die Welle 130 kann auch vom
Elektromotor 110 umfasst sein. Ein Wickelkopf 140 ist
mit der Welle 130 des Elektromotors 130 verbunden.
Ein Permanentmagnet 150 ist starr im Bereich des Wickelkopfes 140 derart
an der Welle 130 angebracht, dass er die Temperatur des
Wickelkopfes 140 zumindest annähernd annimmt. Der Permanentmagnet 150 kann Teil
des Energieübertragungskonzepts
des Elektromotors 110 oder ein dedizierter Lage-Gebermagnet sein.
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Ein
Sensor 160 erfasst ein durch den Permanentmagneten 150 hervorgerufenes
Magnetfeld in Betrag und Richtung und stellt einer Verarbeitungseinrichtung 170 mittels
einer Verbindung ein entsprechendes Signal bereit. Der Sensor 160 kann
die magnetische Flussdichte und/oder die magnetische Feldstärke des
Magnetfelds bestimmen. Der Sensor 160 kann ein beliebiger
Magnetfeldsensor sein, beispielsweise ein Fluxgate, ein Hall-Effekt-Sensor,
ein magnetoresistiver Sensor unter Nutzung des anisotropen magnetoresistiven
Effekts (AMR-Effekts), oder eine Kombination daraus sein. Der Sensor 160 kann
dazu ausgebildet sein, zusätzlich
zu einem Betrag der durch den Permanentmagneten 150 hervorgerufenen
magnetischen Flussdichte die rotatorische Lage der magnetischen
Flussdichte zu bestimmen, um Rückschlüsse auf
eine rotatorische Lage der Welle 130 zu erlauben, was Steuerungszwecken
dienen kann. Der Permanentmagnet 150, der Sensor 160 und
die Verarbeitungseinrichtung 170 bilden eine Vorrichtung
zur Temperaturbestimmung 175. Eine Steuerung 185 umfasst
die Elemente der Vorrichtung 175 und zusätzlich die
Ansteuerung 120.
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Die
Verarbeitungseinrichtung 170 bestimmt auf der Basis des
Signals des Sensors 160 eine rotatorische Lage und eine
Temperatur des Permanentmagneten 150 bzw. des Wickelkopfes 140.
Die Verarbeitungseinrichtung 170 ist zum Austausch von Steuerinformationen
mit einer Steuerschnittstelle 180 des integrierten Wandlers 190 und
ferner zur Beeinflussung des Elektromotors 110 mit der
Ansteuerung 120 verbunden. Die Steuerschnittstelle 180 kann
beispielsweise zu einem CAN-Bus eines Kraftfahrzeugs führen. In
Abhängigkeit
von Signalen an der Steuerschnittstelle 180 steuert die
Verarbeitungseinrichtung 170 die Ansteuerung 120 derart,
dass der Elektromotor 110 so mit Energie beaufschlagt wird,
dass er einen bezüglich
seiner Drehgeschwindigkeit, Drehposition, Drehrichtung, des durch
ihn übertragenen Drehmoments
und/oder anderer auf den Elektromotor 110 bezogener Parameter
definierten Betriebszustand einnimmt.
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2 zeigt
eine Detailansicht des Elektromotors 110 aus 1.
Aus Gründen
der Klarheit sind nur die für
die folgende Erläuterung
relevanten Elemente des Elektromotors 110 dargestellt;
weitere Elemente, wie beispielsweise ein Gehäuse oder Wellenlager, sind
nicht dargestellt. Der Elektromotor 110 umfasst einen ersten
Teil (Rotor) 210 und zweiten Teil (Stator) 220.
Die in 2 dargestellten magnetischen Pole des Permanentmagneten 150 sind
rein veranschaulichend.
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In
Bezug auf die Erfindung könnte
an Stelle des Elektromotors 110 auch ein elektrischer Generator
mit einem ersten Teil 210 (Stator) und einem zweiten Teil 220 (Rotor)
verwendet werden. Welcher der Teile 210, 220 Stator
und welcher Rotor ist, ist allgemein ohne Belang, da die Erfindung
auf eine Temperaturbestimmung über
die Grenzen der sich zueinander drehenden Teile 210, 220 abzielt.
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Zur
Erzeugung der Kräfte,
die für
eine Drehung des Rotors 210 gegenüber dem Stator 220 erforderlich
sind, kann jeder Teil 210, 220 des Elektromotors 110 Permanentmagneten
und/oder Elektromagneten umfassen. Die Welle 130 ist drehfest
mit dem Rotor 210 verbunden und umfasst den Wickelkopf 140.
An einer unteren Stirnfläche
der Welle 130 ist der Permanentmagnet 150 so befestigt,
dass seine magnetischen Pole in einer zur Drehachse der Welle 130 senkrechten
Ebene liegen. Der Permanentmagnet 150 befindet sich in
thermischem Kontakt mit dem Wickelkopf 140, dessen Temperatur
bestimmt werden soll. Grundsätzlich
kann der Permanentmagnet 150 auch mit einem anderen Abschnitt des ersten
Teils 210, dessen Temperatur bestimmt werden soll, thermisch
gekoppelt sein, beispielsweise mit dem am höchsten thermisch belasteten
oder dem thermisch empfindlichsten Abschnitt des ersten Teils 210.
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Jenseits
der unteren Stirnfläche
der Welle 130 ist eine ECU-Platine 230 (electronic
control unit, elektronische Steuereinheit) angeordnet, die den Sensor 160 trägt. Die
ECU-Platine 230 ist drehfest mit dem Stator 220 verbunden.
Sowohl die Verarbeitungseinrichtung 170 als auch die Ansteuerung 120 aus 1 können auf
der ECU-Platine 230 angeordnet sein. Der Permanentmagnet
liegt bezüglich
der Welle 130 zentriert über dem Sensor 160.
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Bei
einer Drehung des Rotors 210 gegenüber dem Stator 220 bleibt
ein Abstand zwischen den magnetischen Polen des Permanentmagneten 150 und
dem Sensor 160 konstant, es ändert sich jedoch die Richtung
der magnetischen Flussdichte durch den Sensor 160. Erwärmt sich
der Wickelkopf 140 der Welle 130, so pflanzt sich
die Wärme über das untere
Ende der Welle 130 zum Permanentmagneten 150 fort.
In der Folge verringert sich die durch den Permanentmagneten 150 hervorgerufene
magnetische Flussdichte. Mittels des Sensors 160 wird die magnetische
Flussdichte abgetastet und an die Verarbeitungseinrichtung 170 aus 1 weitergeleitet, um
daraus die Temperatur des Rotors 210 des Elektromotors 110 zu
bestimmen.
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3 zeigt
eine Detailansicht des Elektromotors 110 aus 1 in
einer alternativen Ausführungsform.
Im Unterschied zu 2 ist der Permanentmagnet 150 kein
dedizierter Lage-Gebermagnet, sondern Teil des ersten Teils (Rotor) 210 des
Elektromotors 110 und an einer Umsetzung von elektrischer in
mechanische Energie beteiligt. Die in 3 dargestellten
magnetischen Pole des Permanentmagneten 150 sind rein veranschaulichend.
Außerdem
ist der Sensor 160 nicht in fluchtend mit der Welle 130 des Elektromotors 110,
sondern exzentrisch zu dieser an der unteren Stirnseite des Elektromotors 110 auf
der ECU-Platine 230 angeordnet, so dass sich einmal pro
Umdrehung des Rotors 210 ein minimaler Abstand zwischen
einem magnetischen Pol des Permanentmagneten 150 und dem
Sensor 160 einstellt. Die zu bestimmende Temperatur betrifft
anstelle des Wickelkopfes 140 in 2 den Rotor 210.
In einer weiteren Ausführungsform
kann der Permanentmagnet 150 auch ein dedizierter, nicht
mit der Welle 130 fluchtender Lage-Gebermagnet sein.
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Der
Sensor 160 ist dazu eingerichtet, einen Betrag der durch
den Permanentmagneten 150 hervorgerufenen magnetischen
Flussdichte zu bestimmen. Bei einer gleichmäßigen Rotation des Rotors 210 hat
ein Verlauf der magnetischen Flussdichte am Sensor 160 eine
periodische Form, die grob einem Sinussignal ähnelt. Je höher die Temperatur des Permanentmagneten 150 ist,
desto niedriger sind alle Werte dieses Verlaufs und umgekehrt. Ist
der magnetische Fluss maximal, so hat der Rotor eine Lage eingenommen,
in der der Abstand zwischen dem Permanentmagneten 150 und
dem Sensor 160 minimal ist.
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Eine
Temperaturänderung
des Permanentmagneten 150 kann allgemein durch Vergleichen
von Abschnitten des vom Sensor 150 gelieferten Signals erfolgen,
die zu gleichen rotatorischen Positionen des Rotors 210 gegenüber dem
Stator 220 und damit dem gleichen Abstand zwischen dem
Permanentmagneten 150 gegenüber dem Sensor 160 gehören. Außer den
Maxima des Signals können
beispielsweise auch Minima und Wendepunkte identifiziert werden, um
aus den jeweiligen magnetischen Flussdichten auf eine Temperatur
des Permanentmagneten 150 zu schließen.
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In
weiteren Ausführungsformen
können
auch zunächst
die rotatorische Position des Rotors 210 gegenüber dem
Stator 220 und/oder der Abstand zwischen dem Permanentmagneten 150 zum
Sensor 160 bestimmt werden, und anschließend auf
deren Basis und auf Basis der magnetischen Flussdichte die Temperatur
bestimmt werden.
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4 zeigt
ein Diagramm 400 exemplarischer magnetischer Flussdichten
des Permanentmagneten 150 von 1 in Abhängigkeit
eines Messabstands und einer Temperatur. In einer horizontalen Richtung
ist der Abstand d eines Messortes von einem magnetischen Pol des
Permanentmagneten 150 in Millimeter (mm) angetragen und
in vertikaler Richtung ist eine magnetische Flussdichte in Millitesla
(mT) angetragen. Ein erster Graph 410 zeigt einen Verlauf
der durch den Permanentmagneten 150 hervorgerufenen magnetischen
Flussdichte B über
Abstände
d zwischen 1 und 4 mm bei einer Temperatur des Permanentmagneten 150 von
25°C. Der
Verlauf 420 zeigt einen entsprechenden Verlauf bei einer Temperatur
von 125°C.
Bei gängigen
integrierten Wandlern 190 beträgt der Abstand d ca. 2,3 bis
4 mm. Die betrachteten Temperaturen liegen unterhalb der Curie-Temperatur,
jenseits derer der Permanentmagnet 150 seine magnetischen
Eigenschaften verliert. Es ist erkennbar, wie sowohl ein Abstand
als auch eine Temperatur des Permanentmagneten Einfluss auf den
von ihm hervorgerufenen magnetischen Fluss hat. In Kenntnis des
Abstandes kann aus dem magnetischen Fluss auf die Temperatur des
Permanentmagneten geschlossen werden.
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Das
Diagramm 400 kann durch weitere Verläufe von Flussdichten über Abstände bei
anderen als den dargestellten Temperaturen zu einem Kennfeld ergänzt werden.
Das Kennfeld kann auch aus einer Vielzahl diskreter Messungen der
Flussdichte bei unterschiedlichen Temperaturen und Abständen bestimmt
werden. Das Kennfeld kann als Fläche
in einem Raum aufgefasst werden, der in den Dimensionen Temperatur,
Abstand und magnetische Flussdichte aufgespannt wird. Zusätzliche
Punkte auf der Fläche
können
interpoliert bzw. extrapoliert werden. Das Kennfeld ist charakteristisch
für den
verwendeten Permanentmagneten 150 und kann numerisch in Form
von Tupeln [Abstand; magnetische Flussdichte; Temperatur] oder als
funktionale oder algorithmische Angabe in einem Speicher abgelegt
sein. Das Kennfeld kann eine beliebige Anzahl Dimensionen aufweisen,
die neben der Temperatur und dem Abstand noch weitere Parameter
erfassen, beispielsweise eine Betriebsdauer des Energiewandlers.
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5 zeigt
ein schematisches Ablaufdiagramm 500 eines Verfahrens zur
Temperaturbestimmung des Wickelkopfes 140 in der Verarbeitungseinrichtung 170 in 1.
In einem Schritt 510 befindet sich das Verfahren im Startzustand.
In einem anschließenden
Schritt 520 wird ein Betrag einer magnetischen Flussdichte
mittels des Sensors 160 bestimmt. Anschließend wird
in einem Schritt 530 die Richtung der magnetischen Flussdichte
bestimmt. Die Schritte 520 und 530 können auch
in vertauschter Reihenfolge durchgeführt werden.
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Danach
wird in einem Schritt 540 ein Abstand zwischen einem Pol
des Permanentmagneten 150 und dem Sensor 160 bestimmt,
und in einem weiter folgenden Schritt 550 wird die Temperatur
des Permanentmagneten 150 auf der Basis der magnetischen
Flussdichte und des Abstandes bestimmt. Der Zusammenhang von Abstand,
Temperatur und Flussdichte für
den Permanentmagneten 150 ist im Verfahren bekannt, beispielsweise
in Form des Diagramms 400 aus 4 oder in
Form eines entsprechend erweiterten Kennfelds für den Permanentmagneten 150.
Das Bestimmen der Temperatur auf der Basis des Diagramms 400oder
des Kennfeldes kann ein Interpolieren oder Extrapolieren umfassen.
Die Schritte 540 und 550 können auch parallel oder in umgekehrter
Reihenfolge abgearbeitet werden. In einem dann folgenden Schritt 560 wird
eine Ansteuerung für
den Elektromotor 110 aus 1 auf der
Basis der bestimmten Temperatur, der rotarorischen Lage und einer
vorliegenden Anforderung bestimmt. Diese Ansteuerung wird in einem
folgenden Schritt 570 an den Elektromotor ausgegeben. Danach
kehrt das Verfahren zum Schritt 520 zurück und durchläuft von
Neuem.
