DE102012220842A1

DE102012220842A1 - Method for characterizing magnet of rotor of synchronous machine, involves orienting rotor such that magnet is aligned to winding, measuring neutral point voltage at connecting node, and characterizing magnet with regard to magnetic flux

Info

Publication number: DE102012220842A1
Application number: DE201210220842
Authority: DE
Inventors: Allan Muschel
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2012-11-15
Filing date: 2012-11-15
Publication date: 2014-05-15

Abstract

The method involves orienting the rotor (13) such that the magnet (17) is aligned to an excited primary winding (7) of the stator. The neutral point voltage at a connecting node (5) is measured, in which a secondary winding (9) and a tertiary winding (11) of the stator are electrically connected to a reference potential. The magnet is characterized with regard to a magnetic flux based on the measured neutral-point voltage. Independent claims are included for the following: (1) a method for operating a permanently excited synchronous machine; (2) a method for determining a temperature of a synchronous machine; (3) a method for determining a correlation between a neutral point voltage of a stator and the magnetic flux of a magnet of a rotor indexed size; (4) a method for characterizing a magnet of a rotor of an induction machine; (5) an apparatus for characterizing a magnet of a rotor of a synchronous machine; and (6) a computer program product for storing on a computer-readable storage medium for characterizing a magnet of a rotor of a synchronous machine.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Charakterisieren eines Magneten eines Rotors einer Synchronmaschine, ein Verfahren zum Betreiben einer permanent erregten Synchronmaschine, ein Verfahren zum Bestimmen einer Temperatur einer Synchronmaschine und ein Verfahren zum Bestimmen einer Abhängigkeit zwischen einer Sternpunktspannung und einer den magnetischen Fluss eines Magneten eines Rotors indizierenden Größe. The present invention relates to a method and apparatus for characterizing a magnet of a rotor of a synchronous machine, a method of operating a permanent-magnet synchronous machine, a method of determining a temperature of a synchronous machine, and a method of determining a relationship between a neutral voltage and a magnetic flux a magnet of a rotor indicating size.

Eine permanent erregte Synchronmaschine umfasst einen Stator mit mehreren Wicklungen, insbesondere drei Wicklungen oder mit 3 Phasen angesteuerte Wicklungen, und einen Rotor mit Magneten, insbesondere Permanentmagneten, welcher relativ zu dem Stator rotieren kann, insbesondere als Außenrotor oder als Innenrotor. A permanent magnet synchronous machine comprises a stator with a plurality of windings, in particular three windings or windings controlled with 3 phases, and a rotor with magnets, in particular permanent magnets, which can rotate relative to the stator, in particular as an outer rotor or as an inner rotor.

DE 199 61 884 A1 offenbart eine Anordnung zur kontaktlosen Erfassung von Drehwinkeln, Drehmomenten und sonstigen, vorzugsweise rotatorischen Größen zwischen rotierenden Teilen, wodurch eine Veränderung des magnetischen Flusses abhängig vom Differenzwinkel zwischen Rotor und Stator stattfindet. Dazu ist im Luftspalt zwischen Rotor und Stator ein Hallsensor angeordnet, welcher den magnetischen Fluss in ein elektrisches Signal umwandelt. DE 199 61 884 A1 discloses an arrangement for non-contact detection of angles of rotation, torques and other, preferably rotational variables between rotating parts, whereby a change in the magnetic flux takes place depending on the difference angle between the rotor and stator. For this purpose, a Hall sensor is arranged in the air gap between the rotor and stator, which converts the magnetic flux into an electrical signal.

Es ist beobachtet worden, dass aufgrund einer Streuung der Remanenz eines eingesetzten Magnetmaterials der Zusammenhang zwischen Drehmoment der Synchronmaschine und dem dazu notwendigen elektrischen Strom Schwankungen unterworfen ist. Ferner ist beobachtet worden, dass sich die Eigenschaften des eingesetzten Magnetmaterials in Abhängigkeit von einer Temperatur der Synchronmaschine bzw. einer Temperatur des Magneten ändern. Mit zunehmender Erwärmung, d.h. steigender Temperatur der Magnete geht die Magnetisierung oder das erzeugte Magnetfeld zurück und ab einer bestimmten Temperatur findet ein kompletter Verlust der Magnetisierung statt. Herkömmlicherweise muss zum Überwachen dieses Effekts ein Temperatursensor verbaut werden, was die Synchronmaschine teuer und kompliziert macht. It has been observed that due to a scattering of the remanence of an inserted magnetic material, the relationship between the torque of the synchronous machine and the electric current necessary therefor is subject to variations. Furthermore, it has been observed that the properties of the magnetic material used change depending on a temperature of the synchronous machine or a temperature of the magnet. With increasing heating, i. As the temperature of the magnets increases, the magnetization or the magnetic field produced decreases and, at a certain temperature, a complete loss of the magnetization takes place. Conventionally, to monitor this effect, a temperature sensor must be installed, which makes the synchronous machine expensive and complicated.

Herkömmlicherweise werden die Synchronmaschinen mit einer Drehmomenterfassung betrieben und einmalig kalibriert, um den gewünschten Zusammenhang zwischen Drehmoment und notwendigem Strom zu bestimmen. Im Normalbetrieb wird die Synchronmaschine jedoch aus Kostengründen nicht mit einem Drehmomentsensor betrieben. Alternativ kann eine Kalibrierung der Synchronmaschine mit einem Kurzschlussversuch erfolgen, wobei bei drehender Maschine der Kurzschlussstrom gemessen wird. Die Höhe des Kurzschlussstromes ist ein Maß für den Polradfluss, falls der Widerstand und die Induktivität der Maschine als bekannt vorausgesetzt werden. Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, dass der Fehler der Stromerfassung in die Betrachtung mit eingeht und häufig der Kurzschlussstrom nicht hinein genau erfasst werden kann, um den Polradfluss nachführen zu können. Conventionally, the synchronous machines are torqued and calibrated once to determine the desired relationship between torque and required current. In normal operation, however, the synchronous machine is not operated for cost reasons with a torque sensor. Alternatively, a calibration of the synchronous machine can be carried out with a short-circuit test, wherein the short-circuit current is measured when the machine is rotating. The magnitude of the short circuit current is a measure of the pole wheel flux if the resistance and inductance of the machine are assumed to be known. However, this method has the disadvantage that the error of the current detection is included in the consideration and often the short-circuit current can not be accurately recorded in order to track the Polradflussfluss.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, verbesserte Verfahren und Vorrichtungen zum Charakterisieren eines Magneten eines Rotors einer Synchronmaschine bereitzustellen, ein verbessertes Verfahren zum Betreiben einer permanent erregten Synchronmaschine bereitzustellen, ein Verfahren zum Bestimmen einer Temperatur einer Synchronmaschine bereitzustellen, ein Verfahren zum Kalibrieren bzw. zum Bestimmen einer Abhängigkeit zwischen einer Sternpunktspannung eines Status mit drei Wicklungen und einer den magnetischen Fluss eines Magneten eines Rotors indizierenden Größe bereitzustellen, sowie eine Vorrichtung zum Charakterisieren eines Magneten eines Rotors einer Synchronmaschine bereitzustellen, welche Verfahren und Vorrichtungen Nachteile beheben oder vermindern, welche im Stand der Technik beobachtet wurden. An object of the present invention is to provide improved methods and apparatus for characterizing a magnet of a rotor of a synchronous machine, to provide an improved method of operating a permanent magnet synchronous machine, to provide a method of determining a temperature of a synchronous machine, a method of calibrating Determining a dependency between a neutral point voltage of a three-winding state and a magnetic flux indicative of a magnet of a rotor; and an apparatus for characterizing a magnet of a rotor of a synchronous machine, which methods and devices eliminate or reduce disadvantages found in the prior art Technique were observed.

Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert. The object is solved by the subject matters of the independent claims. Further embodiments are defined in the dependent claims.

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ein Magnet eines Rotors einer Synchronmaschine hinsichtlich eines magnetischen Flusses charakterisiert werden, indem der Magnet auf eine erste erregte Wicklung des Stators ausgerichtet wird, eine Sternpunktspannung bei einem Verbindungsknoten, bei dem die erste, eine zweite und eine dritte Wicklung des Stators elektrisch verbunden sind, gegen ein Bezugspotential gemessen wird. Damit kann der Magnet hinsichtlich eines magnetischen Flusses basierend auf der gemessenen Sternpunktspannung charakterisiert werden.According to an embodiment of the present invention, a magnet of a rotor of a synchronous machine may be characterized in terms of magnetic flux by aligning the magnet with a first energized winding of the stator, a neutral point voltage at a connection node where the first, second and third windings of the stator are electrically connected to a reference potential is measured. Thus, the magnet can be characterized in terms of magnetic flux based on the measured neutral point voltage.

Der Magnet kann insbesondere ein Permanentmagnet sein, welcher eine nicht im Detail bekannte Zusammensetzung von Materialien aufweist, bzw. dessen tatsächlich erzeugtes magnetisches Feld (oder Polradfluss) von einem gewünschten magnetischen Feld um einen unbekannten Betrag streut bzw. abweicht. Der Rotor kann ein Außenrotor oder ein Innenrotor sein, welcher relativ zu dem Stator rotieren kann. Die Synchronmaschine kann insbesondere ein Synchronmotor sein. Der Rotor kann mit Hilfe einer geeigneten Erregung der ersten Wicklung oder auch mit Hilfe geeigneter Erregungen der übrigen Wicklungen orientiert werden, oder kann mit Hilfe eines zusätzlichen Aktuators oder per Hand orientiert werden. Die Ausrichtung des Magneten relativ zu der ersten erregten Wicklung des Stators kann dabei zu einer Maximierung des magnetischen Feldes bzw. des magnetischen Flusses in einem Kern der ersten Wicklung (oder zu einer maximalen Überlagerung bzw. Parallelausrichtung zwischen vom Magneten und der ersten erregten Wicklung erzeugten Magnetfeldern) führen. Die erste Wicklung des Stators kann in Sättigung betrieben werden, wodurch ein maximales von der ersten Wicklung erzeugbares magnetisches Feld erzeugt ist. Die Sternpunktspannung kann als ein Sternpunktspotenzial gegenüber dem Bezugspotenzial bestimmt werden. In particular, the magnet may be a permanent magnet which has a composition of materials not known in detail, or whose actual magnetic field (or pole wheel flux) scatters or deviates from a desired magnetic field by an unknown amount. The rotor may be an outer rotor or an inner rotor which can rotate relative to the stator. The synchronous machine may in particular be a synchronous motor. The rotor can be oriented by means of a suitable excitation of the first winding or else by means of suitable excitation of the remaining windings, or can be carried out with the aid of an additional actuator or by hand be oriented. The orientation of the magnet relative to the first excited winding of the stator can thereby maximize the magnetic field or flux in a core of the first winding (or to a maximum overlap or parallel alignment between magnetic fields generated by the magnet and the first energized winding ) to lead. The first winding of the stator can be operated in saturation, whereby a maximum generated by the first winding magnetic field is generated. The neutral point voltage can be determined as a neutral potential with respect to the reference potential.

Die erste, die zweite und die dritte Wicklung des Stators sind in Sternschaltung miteinander verbunden. Aufgrund der in Sättigung erregten ersten Wicklung kann die Sternpunktspannung von magnetischen Eigenschaften des Magneten des Rotors abhängen. Insbesondere kann der Magnet hinsichtlich eines von ihm erzeugten Polradflusses basierend auf der gemessenen Sternpunktspannung charakterisiert werden. Die erste Wicklung kann dabei eine Induktivität aufweisen und kann bei Erregung einen Ständerfluss erzeugen. Der Magnet hingegen kann den Polradfluss erzeugen, welcher auch die Größe des von dem Magneten erzeugten magnetischen Feldes bestimmt bzw. charakterisiert bzw. dazu proportional ist. Dabei kann das Magnetfeld des rotierenden Magneten, insbesondere Permanentmagneten, in der ersten Wicklung (sowie auch in der zweiten Wicklung und in der dritten Wicklung) eine Spannung erzeugen, die proportional zur elektromechanischen Winkelgeschwindigkeit und dem Polradfluss ist, welcher von den Magneten erzeugt ist. Diese Spannung wird auch als Polradspannung bezeichnet und kann beispielsweise durch Multiplikation aus dem Polradfluss sowie der Winkelgeschwindigkeit erhalten werden. The first, the second and the third winding of the stator are connected in star connection with each other. Due to the saturation excited first winding, the neutral point voltage may depend on magnetic properties of the magnet of the rotor. In particular, the magnet can be characterized in terms of a Polradflusses generated by it based on the measured neutral point voltage. The first winding can have an inductance and can generate a stator flux when excited. The magnet, however, can generate the Polradfluss, which also determines the size of the magnetic field generated by the magnet or is characterized or proportional thereto. In this case, the magnetic field of the rotating magnet, in particular permanent magnets, in the first winding (as well as in the second winding and in the third winding) generate a voltage which is proportional to the electromechanical angular velocity and the Polradfluss which is generated by the magnets. This voltage is also referred to as Polradspannung and can be obtained for example by multiplication of the Polradfluss and the angular velocity.

Dabei kann der Magnet während der Messung der Sternpunktspannung auch rotiert werden, wobei jedoch der Messzeitpunkt zu dem Zeitpunkt erfolgt, zu dem der Magnet auf die erste erregte Wicklung des Stators ausgerichtet ist. In this case, the magnet can also be rotated during the measurement of the neutral point voltage, but the measurement time takes place at the time at which the magnet is aligned with the first excited winding of the stator.

Die Induktivität der ersten Wicklung kann durch den von dem Magneten erzeugten Polradfluss gesättigt werden, wobei der Effekt der Sättigung an der Sternpunktspannung abgelesen werden kann. Die Sternpunktspannung kann insbesondere von der Polradstellung bzw. Orientierung des Magneten, von der Qualität des Magneten und der Temperatur des Magneten abhängen. Allgemein gesprochen kann daher die Höhe der Sternpunktspannung auch von dem Polradfluss abhängen. Der Stator kann symmetrisch aufgebaut sein. The inductance of the first winding can be saturated by the pole wheel flux generated by the magnet, whereby the effect of the saturation can be read off at the neutral point voltage. The star point voltage may in particular depend on the pole wheel position or orientation of the magnet, on the quality of the magnet and the temperature of the magnet. Generally speaking, therefore, the magnitude of the neutral point voltage may also depend on the pole wheel flux. The stator can be symmetrical.

Daher kann bei der Charakterisierung des Magneten gemäß einigen Ausführungsbeispielen eine Zuordnungstabelle verwendet werden, welche einer Vielzahl von Sternpunktspannungen eine entsprechende Vielzahl von magnetischen Flüssen (oder Polradflüssen) zuordnet. Diese Zuordnung kann insbesondere gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bestimmt worden sein und kann beispielsweise in gespeicherter Form als Tabelle, als mathematischer Zusammenhang oder in grafischer Form abgelegt sein. Therefore, in the characterization of the magnet according to some embodiments, an allocation table may be used which associates a plurality of neutral point voltages with a corresponding plurality of magnetic fluxes (or pole wheel fluxes). In particular, this assignment may have been determined according to an embodiment of the present invention and may be stored, for example, in a stored form as a table, as a mathematical relationship or in graphical form.

Die Messung der Sternpunktspannung kann dabei unter einer definierten Temperaturbedingung erfolgen, welche auch zum Erstellen der Zuordnungstabelle verwendet worden sein kann. The measurement of the neutral point voltage can be done under a defined temperature condition, which may also have been used to create the allocation table.

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das Verfahren ferner auf Bestimmen einer Abweichung der gemessenen Sternpunktspannung von einer erwarteten Spannung. Das Charakterisieren erfolgt basierend auf der bestimmten Abweichung, wobei der magnetische Fluss des Magneten insbesondere umso höher bestimmt oder charakterisiert wird je höher die Sternpunktspannung oder die Abweichung ist. According to an embodiment of the present invention, the method further comprises determining a deviation of the measured neutral point voltage from an expected voltage. The characterization is based on the determined deviation, wherein the magnetic flux of the magnet is in particular determined or characterized the higher the higher the neutral point voltage or the deviation.

Die erwartete Spannung kann einer Spannung entsprechen, für die der Magnet einen bestimmten magnetischen Fluss erzeugt, bzw. einen bestimmten vordefinierten Polradfluss erzeugt. Die Druckschrift DE 10 2008 042 390 A1 offenbart ein Verfahren zur Diagnose von Fehlerzuständen einer im Stern gewickelten Drehmaschine, wobei ein Sternpunktpotenzial einer Drehfeldmaschine überwacht wird, um einen Fehlerzustand zu erkennen. Die in dieser Druckschrift beschriebenen Verfahren zum Messen der Sternpunktspannung können gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden, insbesondere zum Bestimmen oder Definieren der erwarteten Spannungen. Das Bestimmen der Abweichung der gemessenen Sternpunktspannung von der erwarteten Spannung kann das Verfahren vereinfachen und eine genauere Charakterisierung des Magneten erlauben. The expected voltage may correspond to a voltage for which the magnet generates a certain magnetic flux or generates a certain predefined pole wheel flux. The publication DE 10 2008 042 390 A1 discloses a method for diagnosing fault conditions of a star wound lathe, wherein a neutral point potential of a rotating field machine is monitored to detect a fault condition. The methods for measuring the neutral point voltage described in this document can be used according to embodiments of the present invention, in particular for determining or defining the expected voltages. Determining the deviation of the measured neutral point voltage from the expected voltage may simplify the process and allow a more accurate characterization of the magnet.

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die erwartete Spannung proportional zu einer Eingangsgleichspannung eines Umrichters, welcher die drei Wicklungen mittels Pulsweitenmodulation von Leistungstransistoren zum Schalten der Eingangsgleichspannung auf die drei Wicklungen erregt. Damit kann das Verfahren eine Schwankung oder eine Änderung der Eingangsgleichspannung des Umrichters mit berücksichtigen, ohne die Charakterisierung des Magneten zu verfälschen. According to an embodiment of the present invention, the expected voltage is proportional to a DC input voltage of an inverter which energizes the three windings by means of pulse width modulation of power transistors for switching the DC input voltage to the three windings. Thus, the method can take into account a fluctuation or a change in the input DC voltage of the converter, without falsifying the characterization of the magnet.

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die erwartete Spannung zeitlich abhängig von einer an die erste Wicklung, zweite Wicklung und/oder die dritte Wicklung angelegten Spannung, wobei die erwartete Spannung in bestimmten Zeitbereichen idealisiert 1/2 der Eingangsgleichspannung entspricht bzw. weniger als 0% bis 10% von 1/2 der Eingangsgleichspannung abweicht. Insbesondere kann die erwartete Spannung zu bestimmten Zeitbereichen etwa bzw. genau 1/2 der Eingangsgleichspannung betragen. Aufgrund dieser Konkretisierung der erwarteten Spannung kann die Abweichung leichter bestimmt werden um somit auch die Charakterisierung des Magneten zu vereinfachen. According to an embodiment of the present invention, the expected voltage is time dependent on a voltage applied to the first winding, second winding and / or the third winding, wherein the expected voltage is in certain Idealized time ranges 1/2 the DC input voltage corresponds or deviates less than 0% to 10% from 1/2 of the DC input voltage. In particular, the expected voltage at certain time ranges may be approximately or exactly 1/2 of the DC input voltage. Due to this specification of the expected stress, the deviation can be determined more easily and thus also to simplify the characterization of the magnet.

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine vorbekannte Abhängigkeit, insbesondere in Form einer Tabelle oder eines mathematischen Zusammenhanges, zwischen Sternpunktspannung bzw. Abweichung von der erwarteten Spannung und einer den magnetischen Fluss indizierenden Größe zur Charakterisierung verwendet, insbesondere um aus der gemessenen Sternpunktspannung einen zugeordneten magnetischen Fluss des Rotors zu bestimmen. Die vorbekannte Abhängigkeit kann dabei insbesondere gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bestimmt worden sein. Das Verwenden der vorbekannten Abhängigkeit vereinfacht das Verfahren, welches insbesondere auch zur Kalibration der Synchronmaschine erweitert werden kann, wie weiter unten im Detail ausgeführt ist. According to one embodiment of the present invention, a previously known dependency, in particular in the form of a table or a mathematical relationship, between the star point voltage and the magnetic flux indicative quantity is used for the characterization, in particular to determine an associated magnetic field from the measured neutral point voltage To determine the flow of the rotor. The previously known dependence can be determined in particular according to another embodiment of the present invention. Using the previously known dependence simplifies the method, which can be extended in particular also for the calibration of the synchronous machine, as explained in detail below.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird das Orientieren des Rotors derart durchgeführt, dass ein vom Magneten erzeugtes magnetisches Feld maximal mit einem von der ersten erregten Wicklung des Stators erzeugten magnetischen Feld überlagert, sodass insbesondere ein in (insbesondere einem Kern) der ersten Wicklung erzeugtes magnetisches Moment bzw. ein erzeugter magnetischer Fluss maximal ist. According to one embodiment of the invention, the orientation of the rotor is performed in such a way that a magnetic field generated by the magnet is superimposed maximally with a magnetic field generated by the first excited winding of the stator, such that in particular a magnetic moment generated in (in particular a core) of the first winding or a generated magnetic flux is maximum.

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das Verfahren ferner auf: Erfassen einer Rotorposition, insbesondere unter Verwendung einer Hall-Sonde,
wobei das Orientieren des Rotors in Abhängigkeit der erfassten Rotorposition durchgeführt wird. Ein Erfassen der Rotorposition erleichtert das Orientieren des Rotors, beispielsweise wenn der Rotor mehrere Magnete, wie etwa drei Magnete aufweist, welche insbesondere hintereinander charakterisiert werden können. According to an embodiment of the present invention, the method further comprises: detecting a rotor position, in particular using a Hall probe,
wherein the orientation of the rotor is performed in dependence on the detected rotor position. Detecting the rotor position facilitates the orientation of the rotor, for example when the rotor has a plurality of magnets, such as three magnets, which in particular can be characterized in series.

Insbesondere können die verschiedenen Magnete des Rotors verschiedene magnetische Felder bzw. Polradflüsse erzeugen, welche jeweils durch Ausführungsformen der Erfindung charakterisiert werden können. In particular, the various magnets of the rotor may produce different magnetic fields, respectively, which may each be characterized by embodiments of the invention.

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Sternpunktspannung bei einer vorbestimmten Temperatur der Synchronmaschine bzw. des Magneten gemessen. Damit kann das Verfahren zur Charakterisierung des Magneten eine höhere Genauigkeit erlangen. Insbesondere kann die vorbestimmte Temperatur derjenigen Temperatur gleichen oder zumindest ähneln, welche zur Erstellung der Zuordnungstabelle zwischen Sternpunktspannung und Polradfluss bzw. magnetischem Feld vorlag. According to an embodiment of the present invention, the neutral point voltage is measured at a predetermined temperature of the synchronous machine or the magnet. Thus, the method of characterizing the magnet can achieve higher accuracy. In particular, the predetermined temperature may be the same or at least similar to that which existed for establishing the allocation table between neutral point voltage and pole wheel flux or magnetic field.

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das Verfahren ferner auf: Messen einer Temperatur der Synchronmaschine bzw. des Magneten, wobei das Charakterisieren des Magneten hinsichtlich des magnetischen Flusses ferner basierend auf der gemessenen Temperatur erfolgt. Hiermit wird ermöglicht, das Verfahren nicht nur bei der vordefinierten oder vorbestimmten Temperatur durchzuführen, sondern auch bei einer von dieser vorbestimmten Temperatur abweichenden Temperatur. Hierbei kann bei einer Temperatur oberhalb der vordefinierten Temperatur das magnetische Feld, welches von dem Magneten erzeugt ist, in einer vorbekannten Weise oder in einer modellierbaren Weise abnehmen, was bei der Charakterisierung des Magneten berücksichtigt werden kann. According to an embodiment of the present invention, the method further comprises: measuring a temperature of the synchronous machine or the magnet, wherein characterizing the magnet with respect to the magnetic flux is further based on the measured temperature. This makes it possible to perform the method not only at the predefined or predetermined temperature, but also at a different temperature from this predetermined temperature. Here, at a temperature above the predefined temperature, the magnetic field generated by the magnet may decrease in a known manner or in a modelable manner, which may be taken into account in the characterization of the magnet.

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das vorbeschriebene Verfahren für die zweite Wicklung und/oder in die dritte Wicklung wiederholt, wobei die gemessenen Sternpunktspannungen gemittelt werden bzw. in Kombination verarbeitet werden und die Charakterisierung des Magneten basierend auf dem Mittelwert oder einem durch Kombination der Sternpunktspannungen erhaltenen Wert durchgeführt wird. Dabei können Unterschiede in den magnetischen oder elektrischen Eigenschaften der verschiedenen Wicklungen mit berücksichtigt werden, ohne die Charakterisierung des Magneten negativ zu beeinflussen. Insbesondere können alle Wicklungen in Sättigung betrieben werden. Aufgrund von Materialschwankungen oder Fertigungstoleranzen kann es jedoch nichtsdestotrotz zur Ausbildung verschieden großer magnetischer Felder der in Sättigung betriebenen Wicklungen kommen, was die Charakterisierung des Magneten beeinträchtigen könnte, wenn eine derartige Mittelung nicht durchgeführt würde. According to an embodiment of the present invention, the above-described method is repeated for the second winding and / or in the third winding, wherein the measured neutral voltages are averaged and the characterization of the magnet based on the average value or one by combination of the neutral point voltages value is carried out. Differences in the magnetic or electrical properties of the different windings can be taken into account without adversely affecting the characterization of the magnet. In particular, all windings can be operated in saturation. Nonetheless, due to material variations or manufacturing tolerances, the magnetization fields of the saturable windings may nevertheless vary in size, which could affect the characterization of the magnet if such averaging were not performed.

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist bereitgestellt ein Verfahren zum Betreiben einer permanenterregten Synchronmaschine, insbesondere mit einem Rotor mit mehreren Magneten, aufweisend: Durchführen eines Verfahrens gemäß einer der vorangehenden Ausführungsformen, insbesondere für alle Magnete des Rotors; Bestimmen einer Abhängigkeit zwischen durch die Wicklungen fließendem Erregungsstrom und von der Synchronmaschine erzeugtem Drehmoment basierend auf der Charakterisierung der Magnete; Ansteuern der Synchronmaschine bei einem gegebenen gewünschten Drehmoment unter Verwendung der Abhängigkeit zwischen Erregungsstrom und von der Synchronmaschine erzeugtem Drehmoment. According to one embodiment of the present invention, there is provided a method of operating a permanent-magnet synchronous machine, in particular with a rotor having a plurality of magnets, comprising: performing a method according to one of the preceding embodiments, in particular for all the magnets of the rotor; Determining a dependence between excitation current flowing through the windings and torque generated by the synchronous machine based on the characterization of the magnets; Driving the synchronous machine at a given desired torque using the Dependence between excitation current and torque generated by the synchronous machine.

Die Eigenschaften, insbesondere der erzeugte Polradfluss, jedes einzelnen Magneten des Rotors kann zu dem Zusammenhang bzw. der Abhängigkeit zwischen einem Erregungsstrom und von der Synchronmaschine erzeugtem Drehmoment beitragen. Durch Charakterisierung der sämtlichen Magnete des Rotors hinsichtlich ihres magnetischen Feldes bzw. ihres Polradflusses ist ermöglicht, die individuellen Beiträge zum Drehmoment der einzelnen Magnete zu bestimmen und die Beiträge aufzusummieren, um die Abhängigkeit zwischen durch die Wicklung fließenden Erregungsströmen und von der gesamten Synchronmaschine erzeugtem Drehmoment zu bestimmen. Aufgrund dieses Zusammenhangs bzw. dieser Abhängigkeit kann die Synchronmaschine mit größerer Genauigkeit ein gewünschtes Drehmoment erzeugen, indem die Abhängigkeit verwendet wird, um den zuzuführenden Erregungsstrom zu definieren. The properties, in particular the generated pole wheel flux, of each individual magnet of the rotor can contribute to the relationship between an excitation current and torque generated by the synchronous machine. By characterizing all the magnets of the rotor with respect to their magnetic field or flux, it is possible to determine the individual contributions to the torque of the individual magnets and to sum up the contributions to the dependence between excitation currents flowing through the winding and torque generated by the entire synchronous machine determine. Because of this relationship, the synchronous machine can produce a desired torque with greater accuracy by using the dependency to define the excitation current to be supplied.

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann eine Temperatur einer Synchronmaschine mit einem Stator und einem Rotor bestimmt werden, indem der Rotor derart orientiert wird, dass ein Magnet auf eine erste erregte Wicklung des Stators ausgerichtet wird und eine Sternpunktspannung bei einem Verbindungsknoten, bei dem die erste, eine zweite und eine dritte Wicklung des Stators elektrisch verbunden sind, gegen ein Bezugspotential gemessen bzw. bestimmt wird. Aus der Abweichung der gemessenen Sternpunktspannung von einer erwarteten Spannung kann ein Temperatursignal bestimmt werden. According to an embodiment of the present invention, a temperature of a synchronous machine having a stator and a rotor may be determined by orienting the rotor such that a magnet is aligned with a first energized winding of the stator and a neutral point voltage at a connection node at which the first , a second and a third winding of the stator are electrically connected, is measured or determined against a reference potential. From the deviation of the measured neutral point voltage from an expected voltage, a temperature signal can be determined.

Hierbei kann der Effekt genutzt werden, dass das von dem Magneten erzeugte magnetische Feld mit steigender Temperatur abnimmt, sodass auch die Sternpunktspannung von der Temperatur des Magneten abhängen sollte. Somit kann der Effekt für eine einfache Temperaturmessung verwendet werden, ohne einen Temperatursensor herkömmlicher Art zu erfordern. Here, the effect can be used that the magnetic field generated by the magnet decreases with increasing temperature, so that the neutral point voltage should depend on the temperature of the magnet. Thus, the effect can be used for a simple temperature measurement without requiring a temperature sensor of conventional type.

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das Verfahren ferner auf, falls die Temperatur oberhalb eines Temperaturschwellwerts und/oder eine Sättigung der Statorpole bzw. Wicklungen unterhalb eines Schwellwertes liegt: Vorsehen von Schutzmaßnahmen, insbesondere Kurzschließen der ersten, zweiten, und/oder dritten Wicklung, Trennen der ersten, zweiten und/oder dritten Wicklung von der Eingangsgleichspannung, Reduzieren von Erregungsstrom durch die erste, zweite und/oder dritte Wicklung, Verstärken einer Kühlung der ersten, zweiten, und/oder dritten Wicklung. Damit kann eine Beschädigung von Komponenten der Synchronmaschine abgewendet oder vermindert werden. According to one embodiment of the present invention, the method further comprises, if the temperature is above a threshold temperature and / or a saturation of the stator poles or windings below a threshold value: provision of protective measures, in particular short-circuiting of the first, second, and / or third winding, Separating the first, second and / or third winding from the DC input voltage, reducing excitation current through the first, second and / or third winding, amplifying a cooling of the first, second, and / or third winding. Thus, damage to components of the synchronous machine can be averted or reduced.

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist bereitgestellt ein Verfahren zum Bestimmen einer Abhängigkeit zwischen einer Sternpunktspannung eines Stators mit drei Wicklungen und einer den magnetischen Fluss eines Magneten eines Rotors indizierenden Größe, aufweisend: Messen eines ersten Wertes der den magnetischen Fluss eines ersten Magneten indizierenden Größe; Orientieren des Rotors relativ zum Stator derart, dass der erste Magnet auf eine erste erregte Wicklung des Stators ausgerichtet ist; Messen einer ersten Sternpunktspannung bei einem Verbindungsknoten, bei dem die erste, eine zweite und eine dritte Wicklung des Stators elektrisch verbunden sind, gegen ein Bezugspotential; Zuordnen der ersten Sternpunktspannung und des ersten Wertes der den magnetischen Fluss des ersten Magneten indizierenden Größe; Messen mindestens eines zweiten Wertes der den magnetischen Fluss mindestens eines zweiten Magneten indizierenden Größe; Orientieren des Rotors relativ zum Stator derart, dass der mindestens eine zweite Magnet auf die erste Wicklung des Stators ausgerichtet ist; Messen einer zweiten Sternpunktspannung bei dem Verbindungsknoten gegen das Bezugspotential; und Zuordnen der zweiten Sternpunktspannung und des zweiten Wertes der den magnetischen Fluss des zweiten Magneten indizierenden Größe; und Speichern der Zuordnungen. According to an embodiment of the present invention, there is provided a method of determining a relationship between a neutral point voltage of a stator having three windings and a magnetic flux indicative of a magnet of a rotor, comprising: measuring a first value of the magnitude indicative of the magnetic flux of a first magnet; Orienting the rotor relative to the stator such that the first magnet is aligned with a first energized winding of the stator; Measuring a first neutral point voltage at a connection node in which the first, second and third windings of the stator are electrically connected to a reference potential; Assigning the first neutral point voltage and the first value of the magnetic flux indicative of the first magnet size; Measuring at least a second value of the magnitude indicative of the magnetic flux of at least one second magnet; Orienting the rotor relative to the stator such that the at least one second magnet is aligned with the first winding of the stator; Measuring a second neutral point voltage at the connection node against the reference potential; and associating the second neutral point voltage and the second value of the magnetic flux indicative of the second magnet; and storing the assignments.

Der erste und der zweite Magnet können Teile von unterschiedlichen (oder gleichen) Rotoren sein, sodass gemäß einigen Ausführungsbeispielen eine Tabelle erhalten werden kann, die unterschiedlichen gemessene Sternpunktspannungen zu Rotoren unterschiedlicher Güte zuordnet. Beispielsweise kann das Feld des Rotors demjenigen eines einzelnen Stabmagneten entsprechen, sodass mittels der Messung der Rotor vollständig charakterisiert werden kann. The first and second magnets may be parts of different (or same) rotors, so that according to some embodiments a table may be obtained which maps different measured neutral voltages to different grade rotors. For example, the field of the rotor may correspond to that of a single bar magnet, so that by means of the measurement the rotor can be fully characterized.

Alternativ kann ein einziger Rotor mehrere, also mindestens den ersten Magneten und den zweiten Magneten umfassen. Insbesondere kann der Rotor drei Magnete umfassen, welche sämtlich gemäß Ausführungsformen der Erfindung charakterisiert werden können. Das Verfahren dieser Ausführungsformen ist insbesondere anwendbar, um eine Zuordnungstabelle zu erzeugen, welche in Verfahren zum Charakterisieren von Magneten verwendet werden kann. Alternatively, a single rotor may comprise a plurality, that is to say at least the first magnet and the second magnet. In particular, the rotor may comprise three magnets, all of which may be characterized according to embodiments of the invention. The method of these embodiments is particularly applicable to generate an allocation table that can be used in methods for characterizing magnets.

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das Verfahren ferner auf: Interpolieren von Zwischenwerten zwischen dem ersten Wert und dem zweiten Wert bzw. der ersten Sternpunktspannung und der zweiten Sternpunktspannung. Das Interpolieren der Zwischenwerte erlaubt auch eine Zuordnung von einer gemessenen Sternpunktspannung zu einem magnetischen Feld bzw. Polradfluss, wenn die gemessene Sternpunktspannung nicht explizit als vorherbestimmte Sternpunktspannung in der Zuordnungstabelle vorhanden ist, jedoch als ein interpolierter Wert erzeugt werden kann, insbesondere aus benachbarten Sternpunktspannungen, die zuvor in dem Verfahren zum Bestimmen einer Abhängigkeit zwischen einer Sternpunktspannung eines Stators und einer den magnetischen Fluss eines Magneten eines Rotors indizierenden Größe gemessen worden sind. According to an embodiment of the present invention, the method further comprises: interpolating intermediate values between the first value and the second value or the first neutral point voltage and the second neutral point voltage. Interpolating the intermediate values also permits assignment of a measured neutral point voltage to a magnetic field flux if the measured neutral point voltage is not explicitly present as a predetermined neutral point voltage in the allocation table, but can be generated as an interpolated value, in particular from adjacent neutral point voltages previously used in the method have been measured for determining a dependence between a neutral point voltage of a stator and a magnitude indicative of the magnetic flux of a magnet of a rotor.

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist bereitgestellt ein Verfahren zum Charakterisieren eines Magneten eines Rotors einer Drehfeldmaschine, aufweisend: Durchführen eines Verfahrens zum Bestimmen einer Abhängigkeit zwischen einer Sternpunktspannung eines Stators mit drei Wicklungen und einer den magnetischen Fluss eines Magneten eines Rotors indizierenden Größe gemäß einer der vorgenannten Ausführungsformen; und Durchführen eines Verfahrens zum Charakterisieren eines Magneten eines Rotors einer Drehfeldmaschine gemäß einer der vorgenannten Ausführungsformen unter Verwendung der bestimmten Abhängigkeit zwischen der Sternpunktspannung und der den magnetischen Fluss des Magneten indizierenden Größe. Damit werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise kombiniert, um eine Kalibration bzw. eine Charakterisierung eines Magneten eines Rotors durchführen zu können. According to an embodiment of the present invention, there is provided a method of characterizing a magnet of a rotor of a rotating field machine comprising: performing a method of determining a relationship between a neutral voltage of a stator having three windings and a magnetic flux indicative of a magnet of a rotor according to any one of aforementioned embodiments; and performing a method of characterizing a magnet of a rotor of a rotating field machine according to one of the aforementioned embodiments using the determined dependence between the neutral point voltage and the magnetic flux indicative of the magnet. Thus, embodiments of the present invention are combined in an advantageous manner in order to carry out a calibration or a characterization of a magnet of a rotor can.

Es sollte bemerkt werden, dass Merkmale, welche individuell oder in irgendeiner Kombination im Zusammenhang mit einem Verfahren zum Charakterisieren eines Magneten eines Rotors einer Synchronmaschine beschrieben, offenbart oder erklärt worden sind, auch individuell oder in irgendeiner Kombination auf einer Vorrichtung zum Charakterisieren eines Magneten eines Rotors einer Synchronmaschine anwendbar sind. It should be noted that features described, disclosed or explained individually or in any combination in connection with a method of characterizing a magnet of a rotor of a synchronous machine, also individually or in any combination on a device for characterizing a magnet of a rotor a synchronous machine are applicable.

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist bereitgestellt eine Vorrichtung zum Charakterisieren eines Magneten eines Rotors einer Synchronmaschine, aufweisend: einen Treiber, welcher ausgebildet ist, den Rotor derart zu orientieren, dass der Magnet auf eine erste erregte Wicklung des Stators ausgerichtet ist; ein Messmodul, welches ausgebildet ist, eine Sternpunktspannung bei einem Verbindungsknoten, bei dem die erste, eine zweite und eine dritte Wicklung des Stators elektrisch verbunden sind, gegen ein Bezugspotential zu messen; und ein Verarbeitungssystem, welches ausgebildet ist, den Magneten hinsichtlich eines magnetischen Flusses basierend auf der gemessenen Sternpunktspannung zu charakterisieren. Mit dieser Vorrichtung ist das oben beschriebene Verfahren zum Charakterisieren eines Magneten vorteilhafterweise durchführbar. According to an embodiment of the present invention there is provided an apparatus for characterizing a magnet of a rotor of a synchronous machine, comprising: a driver configured to orient the rotor so that the magnet is aligned with a first energized winding of the stator; a measuring module configured to measure a neutral point voltage at a connection node in which the first, second and third windings of the stator are electrically connected to a reference potential; and a processing system configured to characterize the magnet for magnetic flux based on the measured neutral point voltage. With this device, the above-described method for characterizing a magnet is advantageously feasible.

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Computerprogrammprodukt, insbesondere auf einem computer-lesbaren Medium gespeichert, bereitgestellt, welches ausgebildet ist, wenn von einem Prozessor ausgeführt, ein Verfahren gemäß Ausführungsformen wie oben beschrieben auszuführen oder zu steuern. According to one embodiment of the present invention, there is provided a computer program product, in particular stored on a computer readable medium, adapted to be executed or controlled by a processor to execute or control a method according to embodiments as described above.

1 zeigt in schematischer Form eine Synchronmaschine bzw. eine Drehfeldmaschine und eine Vorrichtung zum Charakterisieren eines Magneten eines Rotors der Synchronmaschine gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wenn der Magnet auf eine Wicklung ausgerichtet ist; 1 shows in schematic form a synchronous machine and a device for characterizing a magnet of a rotor of the synchronous machine according to an embodiment of the present invention, when the magnet is aligned with a winding;

2 zeigt die in 1 gezeigten Komponenten, wenn der Magnet nicht auf eine Wicklung ausgerichtet ist; 2 shows the in 1 shown components, when the magnet is not aligned with a winding;

3 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Charakterisieren eines Magneten eines Rotors einer Synchronmaschine gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; 3 FIG. 10 is a flowchart of a method for characterizing a magnet of a rotor of a synchronous machine according to an embodiment of the present invention; FIG.

4 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahren zum Bestimmen einer Temperatur einer Drehfeldmaschine gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und 4 FIG. 12 is a flowchart showing a method of determining a temperature of a rotating field machine according to an embodiment of the present invention; FIG. and

5 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Bestimmen einer Abhängigkeit zwischen einer Sternpunktspannung eine Stators und einer den magnetischen Fluss eines Magneten eines Rotors indizierenden Größe gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 5 FIG. 12 shows a flowchart of a method for determining a relationship between a neutral point voltage of a stator and a variable indicative of the magnetic flux of a magnet of a rotor according to an embodiment of the present invention.

Beispielhafte Ausführungsbeispiele werden nun in Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben. Dabei wird vorab darauf hingewiesen, dass die Figuren nicht notwendigerweise maßstabsgetreu gezeichnet sind und dass, um gewisse Merkmale oder Eigenschaften hervorzuheben, bestimmte Komponenten durch Verwendung einer anderen Strichstärke oder Schraffur künstlich hervorgehoben sein können. Exemplary embodiments will now be described with reference to the accompanying figures. It should be understood in advance that the figures are not necessarily drawn to scale and that in order to highlight certain features or properties, certain components may be artificially emphasized using a different line width or hatching.

Es wird explizit darauf hingewiesen, dass weitere Ausführungsbeispiele durch die in den nachfolgenden Figuren gezeigten speziellen Implementierungen nicht eingeschränkt werden sollen. Insbesondere soll die Tatsache, dass bestimmte Funktionalitäten in den folgenden Figuren bezüglich spezieller Entitäten, spezifischer Funktionsblöcke oder spezifischer Vorrichtungen beschrieben werden, nicht so ausgelegt werden, dass diese Funktionalitäten in weiteren Ausführungsbeispielen auf dieselbe Art und Weise verteilt sein sollen oder gar müssen. In weiteren Ausführungsbeispielen mögen bestimmte, nachfolgend getrennten Bauteilen oder Einheiten zugeordnete Funktionalitäten in einem einzigen Bauteil bzw. in einem einzigen funktionalen Element zusammengefasst sein oder hierin als in einem einzigen Element vereinte Funktionalitäten können in getrennten funktionalen Einheiten oder durch mehrere separate Bauteile ausgeführt werden. It is explicitly pointed out that further exemplary embodiments should not be restricted by the specific implementations shown in the following figures. In particular, the fact that certain functionalities are described in the following figures with respect to specific entities, specific functional blocks or specific devices should not be construed to be or even need to be distributed in other embodiments in the same manner. In In other embodiments, certain functionalities associated with subsequently separate components or units may be grouped together in a single component or in a single functional element, or functionalities unified in a single element may be embodied in separate functional units or by a plurality of separate components.

Ferner wird darauf hingewiesen, dass, wenn ein spezielles Element oder Bauteil als mit einem anderen Element verbunden, mit diesem gekoppelt oder an dieses angebunden bezeichnet wird, damit nicht notwendigerweise gemeint ist, dass dieses unmittelbar und direkt mit dem anderen Bauteil verbunden, gekoppelt oder an dieses angebunden sein soll. Sofern dies gemeint ist, wird darauf explizit hingewiesen, indem beschrieben ist, dass das Element mit dem weiteren Element direkt verbunden, direkt gekoppelt oder direkt an dieses angebunden ist. Dies bedeutet, dass keine dazwischenliegenden, eine indirekte Kopplung bzw. Verbindung oder Anbindung vermittelnde weiteren Elemente vorhanden sind. Darüber hinaus bezeichnen in den nachfolgenden Figuren identische Bezugszeichen identische, funktionsidentische oder funktionsähnliche Komponenten, die also zwischen den unterschiedlichen nachfolgend beschriebenen exemplarischen Ausführungsbeispielen einander substituierend ausgetauscht werden können. Daher kann auch zur detaillierten Beschreibung eines solchen Bauteils, das in einer Figur dargestellt ist, auf die Beschreibung des dazu korrespondierenden Bauteils bzw. Bauelements in einer anderen Figur zurückgegriffen werden. It is further to be understood that when a particular element or component is referred to, coupled to, or connected to another element, it is not necessarily meant to be directly, directly connected, coupled or attached to the other component this should be connected. If this is meant, it is explicitly pointed out by describing that the element is directly connected, directly coupled or directly connected to the further element. This means that there are no intervening, an indirect coupling or connection or connection mediating further elements. In addition, in the following figures, identical reference numerals designate identical, functionally identical or functionally similar components, which can therefore be exchanged substitutionally between the different exemplary embodiments described below. Therefore, for the detailed description of such a component, which is shown in a figure, the description of the corresponding component or component in another figure can be used.

1 illustriert schematisch eine Synchronmaschine bzw. eine Drehfeldmaschine 1 und eine Vorrichtung 2 zum Charakterisieren eines Magneten eines Rotors der Drehfeldmaschine 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wenn der Magnet auf eine Wicklung ausgerichtet ist. Dabei umfasst die Vorrichtung 2 zum Charakterisieren des Magneten 17 ein Messmodul 3, welches ausgebildet ist, eine Sternpunktspannung Us an einem Sternpunkt 5 bzw. Verbindungsknoten 5, bei dem eine erste Wicklung 7, eine zweite Wicklung 9 und eine dritte Wicklung 11 eines Stators der Drehfeldmaschine 1 verbunden sind, gegen ein Bezugspotenzial zu messen, was beispielsweise das Erdpotenzial sein kann. Ferner umfasst die Vorrichtung 2 zum Charakterisieren eines Magneten des Rotors 13 ein Verarbeitungssystem 15, welches ausgebildet ist, den Magneten 17, welcher an dem Rotor 13 angebracht sind, hinsichtlich eines magnetischen Flusses, insbesondere eines Polradflusses, basierend auf der gemessenen Sternpunktspannung Us zu charakterisieren. 1 schematically illustrates a synchronous machine or a rotating field machine 1 and a device 2 for characterizing a magnet of a rotor of the induction machine 1 according to an embodiment of the present invention, when the magnet is aligned with a winding. In this case, the device comprises 2 to characterize the magnet 17 a measuring module 3 , which is formed, a neutral point voltage Us at a neutral point 5 or connection node 5 in which a first winding 7 , a second winding 9 and a third winding 11 a stator of the induction machine 1 are connected to measure against a reference potential, which may be, for example, the ground potential. Furthermore, the device comprises 2 for characterizing a magnet of the rotor 13 a processing system 15 , which is formed, the magnet 17 , which on the rotor 13 are appropriate to characterize with respect to a magnetic flux, in particular a Polradflusses, based on the measured neutral point voltage Us.

Der Rotor 13 umfasst den Permanentmagneten 17 und kann relativ zu dem Stator mit den Wicklungen 7, 9 und 11 rotieren. Optional kann das Messsystem 3 ein Rotorpositionssignal über eine Signalleitung 23 erhalten, welches von einem optionalen Rotorpositionserfassungssystem 25 bereitgestellt ist. Die erste Wicklung 7, die zweite Wicklung 9 und die dritte Wicklung 11 der Drehfeldmaschine 1 sind mit einem ersten Ausgangsanschluss 27, einem zweiten Ausgangsanschluss 29 bzw. einem dritten Ausgangsanschluss 31 eines Umrichters 32 verbunden, welcher eine zwischen Eingangspotenzialen 33 und 35 anliegende Gleichspannung Uzk (Zwischenkreisspannung) in Wechselspannung beliebiger Frequenz in drei Phasen an den Ausgangsanschlüssen 27, 29 und 31 verwandelt. Dazu werden Paare von Leistungstransistoren 36, 37 und 38, welche zwischen der Eingangsgleichspannung Uzk verbunden sind, mittels einer Treiberschaltung 39 unter Zuhilfenahme von Pulsweitemodulation angesteuert. The rotor 13 includes the permanent magnet 17 and can relative to the stator with the windings 7 . 9 and 11 rotate. Optionally, the measuring system 3 a rotor position signal via a signal line 23 obtained from an optional rotor position sensing system 25 is provided. The first winding 7 , the second winding 9 and the third winding 11 the induction machine 1 are with a first output port 27 , a second output terminal 29 or a third output terminal 31 an inverter 32 connected, which one between input potentials 33 and 35 applied DC voltage Uzk (DC link voltage) in AC voltage of any frequency in three phases at the output terminals 27 . 29 and 31 transformed. These are pairs of power transistors 36 . 37 and 38 , which are connected between the DC input voltage Uzk, by means of a driver circuit 39 controlled by means of pulse width modulation.

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Umrichter 32, insbesondere zusammen mit der Treiberschaltung 39, als ein Treiber fungieren, welcher ausgebildet ist, den Rotor 13 derart zu orientieren, dass ein Pol des Magneten 17 auf eine der Wicklungen 7, 9 oder 11 ausgerichtet ist. Gemäß einer anderen Ausführungsform kann die Orientierung durch einen externen Aktuator oder von Hand erfolgen. Ferner kann die Orientierung durch Erfassung der Rotorposition mittels des Rotorpositionserfassungssystems 25 sichergestellt werden. Somit können verschiedene Komponenten als ein Treiber zum Orientieren des Rotors verwendet werden. According to one embodiment of the present invention, the inverter 32 , in particular together with the driver circuit 39 , act as a driver, which is formed, the rotor 13 to orient in such a way that one pole of the magnet 17 on one of the windings 7 . 9 or 11 is aligned. According to another embodiment, the orientation may be by an external actuator or by hand. Furthermore, the orientation can be determined by detecting the rotor position by means of the rotor position detection system 25 be ensured. Thus, various components can be used as a driver for orienting the rotor.

In 1 ist der Zustand gezeigt, in dem der Magnet 17 zu der ersten Wicklung 7 ausgerichtet ist, d.h. mit seinem Nordpol (N) und seinem Südpol (S) (bzw. magnetischen Achse 20) entlang einer Vertikalen 18 ausgerichtet ist, entlang der auch die erste Wicklung 7 ausgerichtet ist. In 1 the state is shown in which the magnet 17 to the first winding 7 is aligned, ie with its north pole (N) and its south pole (S) (or magnetic axis 20 ) along a vertical 18 aligned, along which also the first winding 7 is aligned.

Weiterhin ist der obere Transistor 36 der Phase U in einem leitfähigen Zustand, während der untere Transistor 36 in einem nicht leitfähigen Zustand ist, sodass das (positive) Eingangspotenzial 33 an der Phase U anliegt und somit an einem Ende der ersten Wicklung 7. Furthermore, the upper transistor 36 the phase U in a conductive state, while the lower transistor 36 is in a non-conductive state, so the (positive) input potential 33 is applied to the phase U and thus at one end of the first winding 7 ,

Weiterhin ist der obere Transistor 38 der Phase W in einem nicht leitfähigen Zustand, während der untere Transistor 36 in einem leitfähigen Zustand ist, sodass das (negative) Eingangspotenzial 35 an der Phase W anliegt und somit an einem Ende der dritten Wicklung 9. Furthermore, the upper transistor 38 the phase W in a non-conductive state, while the lower transistor 36 is in a conductive state so that the (negative) input potential 35 is applied to the phase W and thus at one end of the third winding 9 ,

Die Transistoren 37 der Phase V sind jedoch beide in einem nicht leitenden Zustand, sodass ein Ende der zweiten Wicklung 9 mit keinem der Eingangspotenziale 33 oder 35 verbunden ist. The transistors 37 however, both are in a non-conducting state, such that one end of the second winding 9 with none of the input potentials 33 or 35 connected is.

Damit stellt sich an dem Sternpunkt 5 eine Sternpunktspannung Uz ein, welche von einer erwarteten Spannung 19 (in diesem Fall die halbe Zwischenkreisspannug, d.h. Uzk/2) abweicht, wobei die Abweichung zur Charakterisierung des Magneten 17 herangezogen wird. Hierbei bei geöffneten Transistoren 37 der Phase V die Reihenschaltung der ersten Wicklung 7 und der dritten Wicklung 11 als eine Spannungsteilerschaltung betrachtet werden, wobei die geteilte Spannung an dem Sternpunkt 5 abgenommen wird. This is at the star point 5 a neutral point voltage Uz, which of a expected tension 19 (in this case, half the Zwischenkreisspannug, ie Uzk / 2) deviates, the deviation for characterizing the magnet 17 is used. Here with open transistors 37 the phase V, the series connection of the first winding 7 and the third winding 11 be considered as a voltage divider circuit, the divided voltage at the neutral point 5 is removed.

In 2 ist der Zustand gezeigt, in dem der Magnet 17 nicht mit der ersten Wicklung 7 ausgerichtet ist, so dass die magnetische Achse 20 des Magneten 17 einen Winkel α (ungleich Null) mit der Vertikalen 18 einschließt, entlang der die erste Wicklung 7 ausgerichtet ist. Die Paare von Transistoren 36, 37, 38 sind geschaltet wie mit Bezug auf 1 beschrieben wurde. In 2 the state is shown in which the magnet 17 not with the first winding 7 is aligned so that the magnetic axis 20 of the magnet 17 an angle α (not equal to zero) with the vertical 18 includes, along the first winding 7 is aligned. The pairs of transistors 36 . 37 . 38 are switched as related to 1 has been described.

Nachdem der Magnet 17 aus der Richtung 18 der stromdurchflossenen Induktivitäten (insbesondere Wicklung 7) herausgedreht wurde, kehrt die Sternpunktspannung Us zu der erwarteten Spannung 19, hier Uzk/2, zurück. Der Effekt des Zurückkehrens auf die erwartete Spannung oder eines Verminderns einer Abweichung ∆ von der erwarteten Spannung kann auch durch eine Temperaturerhöhung oder schlechteres Magnetmaterial bewirkt werden. After the magnet 17 from the direction 18 the current-carrying inductors (in particular winding 7 ), the neutral point voltage Us returns to the expected voltage 19 , here Uzk / 2, back. The effect of returning to the expected voltage or decreasing a deviation Δ from the expected voltage may also be caused by an increase in temperature or inferior magnetic material.

3 illustriert ein Verfahren 41 zum Charakterisieren eines Magneten eines Rotors einer Synchronmaschine gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In einem Verfahrensschritt 43 wird der Rotor, beispielsweise Rotor 13 der 1, derart orientiert, dass ein Magnet, wie etwa Magnet 17 der 1, auf eine erste erregte Wicklung, etwa Wicklung 7, 9 oder 11 der 1, des Stators ausgerichtet ist. In einem Verfahrensschritt 45 wird eine Sternpunktspannung bei einem Verbindungsknoten, etwa Verbindungsknoten 5 der 1, bei dem die erste, eine zweite und eine dritte Wicklung des Stators (beispielsweise Wicklungen 7, 9, 11) elektrisch verbunden sind, gegen ein Bezugspotenzial gemessen. Bei einem Verfahrensschritt 47 wird der Magnet, etwa Magnet 17 der 1, hinsichtlich des von ihm erzeugten magnetischen Flusses, insbesondere eines Polradflusses, basierend auf der gemessenen Sternpunktspannung charakterisiert. 3 illustrates a process 41 for characterizing a magnet of a rotor of a synchronous machine according to an embodiment of the present invention. In one process step 43 becomes the rotor, for example rotor 13 of the 1 oriented such that a magnet, such as magnet 17 of the 1 , on a first excited winding, about winding 7 . 9 or 11 of the 1 , the stator is aligned. In one process step 45 becomes a neutral point voltage at a connection node, such as connection nodes 5 of the 1 in which the first, second and third windings of the stator (for example windings 7 . 9 . 11 ) are electrically connected against a reference potential. In a process step 47 becomes the magnet, about magnet 17 of the 1 , in terms of the magnetic flux generated by it, in particular a Polradflusses, based on the measured neutral point voltage characterized.

4 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Bestimmen einer Temperatur einer Synchronmaschine, etwa Synchronmaschine 1, welche in 1 und 2 illustriert ist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das in 4 illustrierte Verfahren 49 umfasst einen Verfahrensschritt 51, in welchem der Rotor, etwa Rotor 13, welcher in 1 illustriert ist, derart orientiert wird, dass ein Magnet 17, welcher in 1 illustriert sind, auf eine erste erregte Wicklung, etwa Wicklung 7, 9 oder 11, wie in 1 illustriert ist, eines Stators ausgerichtet ist. In einem Verfahrensschritt 53 wird eine Sternpunktspannung gegen ein Bezugspotenzial gemessen. In einem weiteren Verfahrensschritt 55 wird eine Abweichung der gemessenen Sternpunktspannung von einer erwarteten Spannung bestimmt und in einem letzten Verfahrensschritt 57 wird ein Temperatursignal basierend auf der bestimmten Abweichung bestimmt. Hierbei ist anzumerken, dass der Verfahrensschritt 55 optional ist, und das Temperatursignal auch basierend auf der gemessenen Sternpunktspannung bestimmt werden kann, ohne die Abweichung zu bestimmen. Gemäß einigen Ausführungsbeispielen kann das Verfahren während des normalen Betriebs des Motors, also während einer Rotation desselben, oder bei Stillstand des Rotors durchgeführt werden, wobei bei einem vollständig geöffneten Zweig des Umrichters, wie Zweig V in 1, die gemessene Sternpunktspannung auch durch die Spannung an den Klemmen des geöffneten Zweiges substituiert werden kann. 4 FIG. 12 shows a flowchart of a method for determining a temperature of a synchronous machine, such as a synchronous machine 1 , what a 1 and 2 is illustrated, according to an embodiment of the present invention. This in 4 illustrated method 49 includes a process step 51 , in which the rotor, such as rotor 13 which is in 1 is oriented in such a way that a magnet 17 which is in 1 are illustrated, on a first excited winding, such as winding 7 . 9 or 11 , as in 1 is illustrated, a stator is aligned. In one process step 53 a neutral point voltage is measured against a reference potential. In a further process step 55 a deviation of the measured neutral point voltage from an expected voltage is determined and in a last method step 57 a temperature signal is determined based on the determined deviation. It should be noted that the process step 55 is optional, and the temperature signal can also be determined based on the measured neutral point voltage without determining the deviation. According to some embodiments, the method may be performed during normal operation of the engine, that is during a rotation thereof, or when the rotor is at rest, with a fully open branch of the inverter such as branch V in FIG 1 , the measured neutral point voltage can also be substituted by the voltage at the terminals of the opened branch.

5 illustriert ein Flussdiagramm eines Verfahrens 59 zum Bestimmen einer Abhängigkeit zwischen einer Sternpunktspannung eines Stators mit drei Wicklungen und einer dem magnetischen Fluss eines Magneten eines Rotors indizierenden Größe gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 5 illustrates a flowchart of a method 59 for determining a relationship between a neutral point voltage of a stator having three windings and a magnetic flux indicative of a magnetic flux of a rotor according to an embodiment of the present invention.

Ein Verfahrensschritt 61 umfasst Messen eines ersten Wertes der den magnetischen Fluss eines ersten Magneten indizierenden Größe, beispielsweise das Ausmessen des von dem Magneten erzeugten Magnetfeldes. Ein Verfahrensschritt 63 umfasst das Orientieren des Rotors relativ zum Stator derart, dass der erste Magnet auf eine erste erregte Wicklung des Stators ausgerichtet ist. Ein Verfahrensschritt 65 umfasst Messen einer ersten Sternpunktspannung bei einem Verbindungsknoten, bei dem die erste, eine zweite und eine dritte Wicklung des Stators elektrisch verbunden sind, gegen ein Bezugspotential. Ein Verfahrensschritt 67 umfasst Zuordnen der ersten Sternpunktspannung und des ersten Wertes der den magnetischen Fluss des ersten Magneten indizierenden Größe. Ein Verfahrensschritt 69 umfasst Messen mindestens eines zweiten Wertes der den magnetischen Fluss mindestens eines zweiten Magneten indizierenden Größe. Ein Verfahrensschritt 71 umfasst Orientieren des Rotors relativ zum Stator derart, dass der mindestens eine zweite Magnet auf die erste Wicklung des Stators ausgerichtet ist. Ein Verfahrensschritt 73 umfasst Messen einer zweiten Sternpunktspannung bei dem Verbindungsknoten gegen das Bezugspotential. Ein Verfahrensschritt 75 umfasst Zuordnen der zweiten Sternpunktspannung und des zweiten Wertes der den magnetischen Fluss des zweiten Magneten indizierenden Größe und ein Verfahrensschritt 77 umfasst Speichern der Zuordnungen. A process step 61 includes measuring a first value of the magnitude indicative of the magnetic flux of a first magnet, for example, measuring the magnetic field generated by the magnet. A process step 63 includes orienting the rotor relative to the stator such that the first magnet is aligned with a first energized winding of the stator. A process step 65 comprises measuring a first neutral point voltage at a connection node in which the first, second and third windings of the stator are electrically connected to a reference potential. A process step 67 includes assigning the first neutral point voltage and the first value of the magnetic flux indicative of the first magnet size. A process step 69 includes measuring at least a second value of the magnitude indicative of the magnetic flux of at least one second magnet. A process step 71 includes orienting the rotor relative to the stator such that the at least one second magnet is aligned with the first winding of the stator. A process step 73 comprises measuring a second neutral point voltage at the connection node against the reference potential. A process step 75 comprises associating the second neutral point voltage and the second value of the magnetic flux indicative of the second magnet and a method step 77 includes storing the associations.

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Sternpunkspannung erfasst und ausgewertet und zusammen mit einer Rotorpositionserfassung wird eine Maschinenauslegung der Synchrondrehfeldmaschine bestimmt, wobei die Auslegung mit einem entsprechend gesättigten magnetischen Kreis gekennzeichnet ist. Für die Kalibrierung des Polradflusses muss unter definierten Temperaturbedingungen die gemessene Sternpunktspannung in Bezug zu einer Sternpunktspannung mit einem vordefinierten Polradfluss gesättigt werden (alternativ kann die Temperatur gemessen werden und weiterhin berücksichtigt werden). Die Ansteuerung der Synchrondrehfeldmaschine kann dann einen geänderten Sollstrom einstellen, welcher entsprechend der ermittelten Sättigung bestimmt ist. Damit kann das angeforderte Drehmoment exakter von der Drehfeldmaschine abgegeben werden. According to an embodiment of the present invention, a star point voltage is detected and evaluated, and together with a rotor position detection, a machine design of the synchronous rotating field machine is determined, the design being characterized by a correspondingly saturated magnetic circuit. To calibrate the flywheel flow, under defined temperature conditions, the measured neutral point voltage must be saturated with respect to a neutral point voltage with a predefined rotor flux (alternatively, the temperature can be measured and further taken into account). The control of the synchronous rotary field machine can then set a modified setpoint current, which is determined according to the determined saturation. Thus, the requested torque can be given more accurately by the induction machine.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1 1: Drehfeldmaschine Induction machine
2 2: Vorrichtung zum Charakterisieren des Magneten/Rotors Device for characterizing the magnet / rotor
3 3: Messsystem measuring system
5 5: Sternpunkt bzw. Verbindungsknoten Star point or connection node
7, 9, 11 7, 9, 11: Statorwicklungen stator windings
13 13: Rotor rotor
15 15: Verarbeitungssystem processing system
17 17: Magnet des Rotors Magnet of the rotor
18 18: Vertikale parallel zu erster Wicklung Vertical parallel to first winding
19 19: erwartete Spannung expected tension
20 20: magnetische Achse des Magneten magnetic axis of the magnet
23 23: Signalleitung signal line
25 25: Rotorpositionserfassungssystem Rotor position detection system
27, 29, 31 27, 29, 31: Ausgabeanschlüsse des Umrichters Output connections of the inverter
32 32: Umrichter inverter
33, 35 33, 35: Eingangspotenziale input potentials
Uzk Uic: Eingangsgleichspannung DC input voltage
36, 37, 38 36, 37, 38: Leistungstransistoren power transistors
U, V, W AND MANY MORE: Ausgangsphasen des Umrichters Output phases of the inverter
39 39: Gatetreiberschaltung Gate driver circuit
43–77 43-77: Verfahrensschritte steps

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 19961884 A1 [0003]
DE 102008042390 A1 [0016]

Claims

Procedure ( 41 ) for characterizing a magnet ( 17 ) of a rotor ( 13 ) of a synchronous machine ( 1 ), comprising: orienting the rotor such that the magnet ( 17 ) on a first excited winding ( 7 . 9 . 11 ) of the stator is aligned; Measuring a neutral voltage at a connection node ( 5 ), where the first ( 7 ), a second ( 9 ) and a third winding ( 11 ) of the stator are electrically connected to a reference potential; Characterizing the magnet ( 17 ) with respect to a magnetic flux based on the measured neutral point voltage.

The method of claim 1, further comprising: determining a deviation of the measured neutral point voltage from an expected voltage, wherein the characterizing is based on the determined deviation, wherein the magnetic flux of the magnet ( 17 ) in particular the higher the deviation or the neutral point voltage is determined.

Method according to claim 1 or 2, wherein the expected voltage is proportional to an input DC voltage (Uzk) of an inverter ( 32 ) which is the three windings ( 7 . 9 . 11 ) by means of pulse width modulation of power transistors ( 37 ) is energized to switch the DC input voltage (Uzk) to the three windings.

Method according to one of the preceding claims, wherein the expected voltage is temporally dependent on a voltage applied to the first winding, the second winding and / or the third winding, wherein the expected voltage in certain time ranges of 1/2 of the input DC voltage (Uzk) less deviates from 0% to 10% of 1/2 of the DC input voltage.

Method according to one of the preceding claims, wherein a previously known dependency, in particular in the form of a table or a mathematical relationship, between star point voltage or deviation from the expected voltage and a value indicative of the magnetic flux is used for the characterization, in particular to obtain from the measured neutral point voltage to determine the associated magnetic flux.

Method according to one of the preceding claims, wherein the orientation of the rotor ( 13 ) is performed such that one of the magnets ( 17 ) generated maximum magnetic field with one of the first excited winding ( 7 ) of the stator in saturation magnetic field superimposed.

Method according to one of the preceding claims, further comprising: detecting a rotor position, in particular using a Hall probe ( 25 ), wherein the orientation of the rotor ( 13 ) is performed depending on the detected rotor position.

Method according to one of the preceding claims, wherein the neutral point voltage is measured at a predetermined temperature of the synchronous machine or the magnet.

Method according to one of the preceding claims 1 to 7, further comprising: measuring a temperature of the synchronous machine or the magnet ( 17 ), wherein the characterization of the magnet with respect to the magnetic flux is further based on the measured temperature.

Method according to one of the preceding claims, which for the second ( 9 ) and / or the third winding ( 11 ), wherein the measured neutral point voltages are averaged and the characterization is performed based on the mean value.

Method for operating a permanent-magnet synchronous machine ( 1 ), in particular with a rotor ( 13 ) with several magnets ( 17 ), comprising: carrying out a method according to one of the preceding claims, in particular for all magnets ( 17 ) of the rotor ( 13 ); and determining a dependence between excitation current flowing through the windings and torque generated by the synchronous machine based on the characterization of the magnets ( 17 ); Driving the synchronous machine ( 1 ) at a given desired torque using the relationship between excitation current and torque produced by the synchronous machine.

Procedure ( 49 ) for determining a temperature of a synchronous machine ( 1 ) with a stator and a rotor ( 13 ), comprising: orienting ( 51 ) of the rotor ( 13 ) such that a magnet ( 17 ) on a first excited winding ( 7 ) of the stator is aligned; Measure up ( 53 ) a star point voltage at a connection node ( 5 ), in which the first, a second and a third winding of the stator are electrically connected, against a reference potential; Determine ( 55 ) a deviation of the measured neutral point voltage from an expected voltage, Determine ( 57 ) of a temperature characterizing temperature signal based on the determined deviation.

The method of claim 12, comprising: If the temperature is above a temperature threshold and / or the saturation of the winding is below a threshold: Providing protective measures, in particular short-circuiting the first, second and / or third winding, disconnecting the first, second and / or third winding from the DC input voltage, reducing an excitation current through the first, second and / or third winding, amplifying a cooling of the first, second, and / or third winding.

Procedure ( 59 ) for determining a relationship between a neutral point voltage of a stator having three windings and a magnitude indicative of the magnetic flux of a magnet of a rotor, comprising: measuring ( 61 ) a first value of the magnitude indicative of the magnetic flux of a first magnet; Orientate ( 63 ) of the rotor relative to the stator such that the first magnet is aligned with a first energized winding of the stator; Measure up ( 65 ) a first neutral point voltage at a connection node in which the first, second and third windings of the stator are electrically connected to a reference potential; Assign ( 67 ) the first neutral point voltage and the first value of the magnetic flux indicative of the first magnet; Measure up ( 69 ) at least a second value of the magnitude indicative of the magnetic flux of at least one second magnet; Orientate ( 71 ) of the rotor relative to the stator such that the at least one second magnet is aligned with the first winding of the stator; Measure up ( 73 ) a second neutral point voltage at the connection node against the reference potential; and assign ( 75 ) the second neutral point voltage and the second value of the magnetic flux indicative of the second magnet; and save ( 77 ) of assignments.

The method of claim 14, further comprising: Interpolating intermediate values between the first value and the second value and / or the first neutral point voltage and the second neutral point voltage.

A method of characterizing a magnet of a rotor of a rotary field machine, comprising: performing a method ( 59 ) for determining a relationship between a neutral point voltage of a stator having three windings and a magnetic flux indicative of a magnetic flux of a rotor according to claim 14 or 15; and performing a procedure ( 41 ) for characterizing a magnet of a rotor of a rotating field machine according to any one of claims 1 to 10 using the determined relationship between the neutral point voltage and the magnetic flux indicative of the magnet.

Device for characterizing a magnet ( 17 ) of a rotor ( 13 ) of a synchronous machine ( 1 ), comprising: a driver ( 32 . 39 ), which is formed, the rotor ( 13 ) in such a way that the magnet ( 17 ) on a first excited winding ( 7 . 9 . 11 ) of the stator is aligned; a measuring module ( 3 ), which is designed, a star point voltage at a connection node ( 5 ) in which the first, second and third windings of the stator are electrically connected to measure against a reference potential; and a processing system ( 15 ), which is configured to characterize the magnet with respect to a magnetic flux based on the measured neutral point voltage.

Computer program product, in particular stored on a computer-readable storage medium, which is designed, when executed by a processor, to execute or control a method according to one of Claims 1 to 16.