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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zum Betreiben einer Elektromaschine.
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Eine Elektromaschine kann entweder als Motor oder als Generator verwendet werden. Bei einer Verwendung als Motor ist vorgesehen, mit der Elektromaschine elektrische Energie in mechanische umzuwandeln. Falls die Elektromaschine als Generator betrieben wird, wird mechanische Energie in elektrische umgewandelt. Ein Rotor der Elektromaschine ist dazu ausgebildet, sich relativ zu einem ortsfesten Stator zu bewegen, in der Regel zu drehen. Aufgrund einer Bewegung des Rotors wird eine direkte Messung eines Betriebsparameters des Rotors erschwert.
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Ein Motor-Generatorgerät für ein Fahrzeug, das aus der Druckschrift
DE 101 62 214 A1 bekannt ist, umfasst u. a. eine Synchronmaschine mit einem Rotor, der einen Rotorkern aufweist, auf den eine Feldwicklung aufgewickelt ist, einen Wechselstrom-zu-Gleichstrom- und Gleichstrom-zu-Wechselstrom-Leistungskonverter, eine Feldstromversorgungsschaltung sowie eine Steuerschaltung. Dabei sind als Betriebsparameter der Synchronmaschine mit Tmax eine maximal zulässige Temperatur des Rotors, mit Tgmax eine maximale Temperatur, die durch den Rotor während einer elektrischen Energieerzeugungsoperation erreicht wird, mit Q eine thermische Kapazität des Rotors, mit T ein Zeitintervall, während dem bei einer Startoperation Strom durch die Feldwicklung geleitet wird, mit r ein Widerstand der Feldwicklung und mit i ein Feldstrom, der zur Erzeugung der elektrischen Energie zugeführt wird, vorgesehen. Die Steuerschaltung ist dazu ausgebildet, den Feldstrom während der Erzeugung der elektrischen Energie durch die Synchronmaschine auf einen Wert zu begrenzen, so dass (Tgmax + (i
2·r·t)/Q) kleiner oder niedriger als der Temperaturwert Tmax ist.
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Vor diesem Hintergrund werden ein Verfahren und ein System mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgestellt. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen sowie der Beschreibung.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist zum Betreiben einer Elektromaschine vorgesehen, die einen Stator und einen Rotor aufweist. Bei dem Verfahren wird eine magnetische Flussdichte B(TRotor) des Rotors bestimmt. Außerdem werden eine Temperatur TStator des Stators und eine Drehzahl n des Rotors gemessen. Über die Drehzahl n wird eine erste Korrekturtemperatur ΔTk1(n) zwischen dem Rotor und dem Stator ermittelt. Außerdem wird eine von der Temperatur TStator des Stators und der Drehzahl n des Rotors abhängige Temperatur TRotor(TStator, n) = TStator + ΔTk1(n) des Rotors und daraus in erster Näherung die von der Temperatur TRotor des Rotors abhängige Flussdichte B(TRotor) = B(TStator, n) = B(TStator + ΔTk1(n)) bestimmt.
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In Ausgestaltung wird eine zweite Korrekturtemperatur ΔTk2(TStator, Δt) zwischen dem Rotor und dem Stator ermittelt, die von einer zeitlichen Trägheit Δt zwischen der Temperatur TStator des Stators und der Temperatur TRotor des Rotors abhängig ist. Daraus wird in zweiter Näherung die von der Temperatur TRotor des Rotors abhängige Flussdichte B(TRotor) = B(TStator, n, Δt) = B(TStator + ΔTk1(n) + ΔTk2(TStator, Δt)) bestimmt.
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Das Verfahren ist bspw. für eine Elektromaschine durchzuführen, bei der der Rotor mehrere Permanentmagnete und der Stator mehrere Spulen aufweist. Bei einem Betrieb der Elektromaschine als Motor wird durch die Spulen ein Strom geleitet, durch den in den Spulen Magnetfelder induziert werden, die mit Magnetfeldern der Permanentmagneten wechselwirken und den Rotor in Rotation versetzen. Bei einem Betrieb der Elektromaschine als Generator wird der Rotor mechanisch in Rotation versetzt und durch die sich drehenden Magnetfelder der Permanentmagnete in den Spulen des Stators ein Strom induziert.
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Ein Zusammenhang zwischen der Flussdichte B und der Temperatur kann für Permanentmagnete des Rotors durch eine Funktion, bspw. eine Gerade, mit negativer Steigung beschrieben werden, wobei sich die Flussdichte des Rotors, d. h. der Permanentmagnete des Rotors, bei einer Änderung der Temperatur um 10 K um 1% ändert. Falls die Temperatur des Rotors um 10 K erhöht wird, wird die Flussdichte um 1% reduziert, wohingegen die Flussdichte um 1% erhöht wird, wenn die Temperatur um 10 K reduziert wird.
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Mit der ersten Korrekturtemperatur ΔTk1(n), die von der Drehzahl n des sich drehenden Rotors abhängig ist, wird ein Abstand einer Messstelle des Stators, an dem das Thermometer zur direkten Messung der Temperatur TStator des Stators angeordnet ist, zu dem Rotor, dessen Temperatur TRotor nicht direkt messbar ist, berücksichtigt. Hierbei wird alternativ oder ergänzend eine Wärmeleitfähigkeit des Stators und des Rotors sowie von Luft in einem Luftspalt, der zwischen dem Stator und dem Rotor angeordnet ist, berücksichtigt. Dabei ist die erste Korrekturtemperatur ΔTk1(n) zum Beschreiben eines Temperaturunterschieds zwischen der gemessenen Temperatur TStator des Stators und der zu ermittelnden Temperatur TRotor des Rotors umso größer je schneller sich der Rotor dreht, da durch eine derartige Drehung die am Stator mit dem Thermometer gemessene Temperatur TStator reduziert wird. In Ausgestaltung ist ein Zusammenhang zwischen den Temperaturen linear, wobei z. B. TRotor = m·TStator + TOffset ist.
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Die unter Berücksichtigung von mindestens einer Korrekturtemperatur, das heißt der ersten Korrekturtemperatur ΔTk1(n) und ggf. der zweiten Korrekturtemperatur ΔTk2(TStator, Δt), bestimmte Flussdichte B(TRotor) wird mit einem Maximalwert Bmax, mit dem eine magnetische Sättigung des Rotors, d. h. der Permanentmagnete des Rotors, beschrieben wird, verglichen.
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Die Flussdichte B(TRotor) wird üblicherweise bei einer Erhöhung eines Drehmoments der Elektromaschine bestimmt. Falls sich beim Vergleich der bestimmten Flussdichte B(TRotor) ergibt, dass die maximale Flussdichte Bmax erreicht ist, ist das Drehmoment der Elektromaschine nicht weiter zu erhöhen.
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Üblicherweise wird die Temperatur TStator des Stators mit einem Thermometer gemessen, das an dem Stator und somit an mindestens einer Spule des Stators angeordnet ist und ein Heißleitelement (NTC) aufweist.
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Das Verfahren kann für eine als Außenläufer ausgebildete Elektromaschine durchgeführt werden, bei der der ortsfeste Stator mit Spulen von dem sich drehenden Rotor mit Permanentmagneten umschlossen ist. Die Elektromaschine ist für ein Kraftfahrzeug, üblicherweise in einem Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs, einzusetzen.
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Das erfindungsgemäße System ist zum Betreiben einer Elektromaschine ausgebildet, die einen Stator und einen Rotor aufweist. Das System weist zudem eine Recheneinheit auf und ist dazu ausgebildet, eine magnetische Flussdichte B (TRotor) des Rotors zu bestimmen, wobei die Recheneinheit dazu ausgebildet ist, aus einer gemessenen Temperatur TStator des Stators und einer gemessenen Drehzahl n des Rotors eine erste Korrekturtemperatur ΔTk1(n) zwischen dem Rotor und dem Stator zu ermitteln. Außerdem ist mit der Recheneinheit eine von der Temperatur TStator des Stators und der Drehzahl n des Rotors abhängige Temperatur TRotor(TStator, n) = TStator + ΔTk1(n) des Rotors und daraus in erster Näherung die von der Temperatur TRotor des Rotors abhängige Flussdichte B(TRotor) = B(TStator, n) = B(TStator + ΔTk1(n)) zu bestimmen.
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Zusätzlich ist die Recheneinheit dazu ausgebildet, eine zweite Korrekturtemperatur ΔTk2(TStator, Δt) zwischen dem Rotor und dem Stator zu ermitteln, die von einer zeitlichen Trägheit Δt zwischen der Temperatur TStator des Stators und der Temperatur TRotor des Rotors abhängig ist, und daraus in zweiter Näherung die von der Temperatur TRotor des Rotors abhängige Flussdichte B(TRotor) = B(TStator, n, Δt) = B(TStator + ΔTk1(n) + ΔTk2(TStator, Δt)) zu bestimmen.
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Ein Thermometer als Komponente des Systems ist an dem Stator angeordnet und dazu ausgebildet, die Temperatur TStator des Stators zu messen. Dieses Thermometer weist bspw. ein Heißleitelement (NTC) auf. Ein Drehzahlmesser des Systems ist dazu ausgebildet, die Drehzahl n des Rotors zu messen.
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In der Recheneinheit des Systems ist für mindestens eine Korrekturtemperatur ΔTk1(n), ΔTk2(TStator, Δt) zumindest eine Kennlinie gespeichert.
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Außerdem ist die Recheneinheit bspw. in einer Leistungselektronik der Elektromaschine angeordnet.
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Eine kurzfristige Erhöhung des Drehmoments der Elektromaschine wird üblicherweise durch eine maximale Sättigung Bmax der magnetischen Flussdichte B eines magnetischen Kreises der Elektromaschine festgelegt, wobei dieser magnetische Kreis die Permanentmagnete des Rotors und/oder die Spulen des Stators umfasst. Dabei wird ein Grenzwert der magnetischen Sättigung anhand eines festen Maximalwerts beschrieben. Dieser Wert wird durch eine Temperatur von Magneten, üblicherweise Permanentmagneten, des Rotors der Elektromaschine definiert. Üblicherweise wird die magnetische Flussdichte auch durch den Strom, der durch Spulen des Stators fließt, beeinflusst.
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Um ein größeres Potential bei der Erhöhung des Drehmoments nutzen zu können, wird für die Elektromaschine eine Funktion verwendet, mit der eine maximal mögliche Sättigung bzw. Strom-Einprägung des magnetisches Kreises der Elektromaschine in Abhängigkeit der Temperatur des Rotors beschrieben werden kann. Somit kann beim Betreiben der Elektromaschine das Potential einer kurzfristigen Erhöhung des Drehmoments ausgenutzt werden.
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Falls die Elektromaschine in einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs zum Einsatz kommt, kann die kurzfristige Erhöhung des Drehmoments der Elektromaschine im elektrifizierten Antriebsstrang für den Start des Verbrennungsmotors des Kraftfahrzeugs genutzt werden, wodurch ehe zusätzliche Start-Einheit, z. B. ein Ritzelstarter oder ein Riemen-Starter-Generator, eingespart werden kann.
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Die Funktion ist in der Software der Recheneinheit, die in der Leistungselektronik angeordnet ist, integriert. Bei dem Verfahren wird ein eingehendes Signal einer Temperatur, die von dem Thermometer an einer Messstelle am Stator der Elektromaschine erfasst wird, verwendet. Über dieses Signal wird mit der Funktion die Temperatur des Rotors abgeschätzt. Im Laufe der Entwicklung kann diese Funktion entwickelt bzw. parametriert werden. Zu verwendende Parameter sind ein Temperatur-Delta bzw. ein Temperaturunterschied zwischen dem Stator und dem Rotor in Abhängigkeit von der Drehzahl des Rotors TRotor = f(n, TStator). Demnach ist die Temperatur des Rotors als Funktion der Temperatur des Stators und der Drehzahl n des Rotors darzustellen. Als weiterer Parameter wird eine zeitliche Trägheit Δt zwischen der Temperatur des Stators und der Temperatur des Rotors berücksichtigt.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung ist anhand einer Ausführungsform in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen schematisch und ausführlich beschrieben.
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1 zeigt in schematischer Darstellung ein Beispiel für eine Elektromaschine, für die eine magnetische Flussdichte zu bestimmen ist, sowie eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems.
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2 zeigt in schematischer Darstellung eine aus dem Stand der Technik bekannte Vorgehensweise zum Bestimmen einer magnetischen Flussdichte einer Elektromaschine.
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3 zeigt Diagramme zu einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Bestimmen einer magnetischen Flussdichte einer Elektromaschine.
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Das in 1 schematisch dargestellte Beispiel einer Elektromaschine 2 umfasst einen ortsfest angeordneten Stator 4, der als Komponenten mehrere kreisförmig angeordnete Spulen 6 aufweist. Dabei ist der Stator 4 von einem Rotor 8 umgeben bzw. umschlossen, der hier als Komponenten mehrere ebenfalls kreisförmig angeordnete Permanentmagneten 10 aufweist. Zwischen den Spulen 6 des Stators 4 und den Permanentmagneten 10 des Rotors 8 befindet sich ein Luftspalt 12. Je nach Anforderung kann die Elektromaschine 2 als Motor oder als Generator verwendet werden. Dabei ist vorgesehen, dass sich die Permanentmagneten 10 des Rotors 8 um die Spulen 6 des Stators 4 drehen, wobei als Rotationsachse für den Rotor 8 eine für den Stator 4 und den Rotor 8 gemeinsame Symmetrieachse 14 vorgesehen ist. Bei einem Betrieb der Elektromaschine 2 als Motor wird durch die Spulen 6 des Stators 4 ein Strom geleitet und in jeweils einer Spule 6 ein Magnetfeld induziert. Falls die Elektromaschine 2 als Generator betrieben wird, wird der Rotor 8 relativ zu dem Stator 4 in Bewegung versetzt und dadurch in den Spulen 6 des Stators 4 ein Strom induziert.
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Außerdem zeigt 1 eine Ausführungsform eines Thermometers 16 und einer Recheneinheit 18, die beide als Komponenten einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems 20 vorgesehen sind. Dabei sind Schritte der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, wie anhand von 3 detailliert beschrieben wird, durch die Recheneinheit 18 und das Thermometer 16 durchführbar.
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Das Diagramm aus 2 zeigt in schematischer Darstellung ein Beispiel für eine aus dem Stand der Technik bekannte Elektromaschine 22, die hier über mehrere Leitungen 24 mit einer Leistungselektronik 26 verbunden ist. Zum Bestimmen einer magnetischen Flussdichte eines Rotors dieser Elektromaschine 22 wird zunächst mit einem nicht weiter dargestellten Thermoelement (NTC) eine Temperatur eines Stators der Elektromaschine gemessen. Bei einer weiteren Berechnung 28 wird der Temperatur des Stators zum Ableiten der Temperatur des Rotors ein Offset hinzuaddiert, der unabhängig von einer konkreten Betriebssituation der Elektromaschine 22 stets einen konstanten Wert aufweist. Aus der so abgeleiteten Temperatur des Rotors wird dessen magnetische Flussdichte berechnet.
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Das Diagramm aus 3a zeigt in schematischer Darstellung das anhand von 1 vorgestellte Beispiel für die Elektromaschine 2, die hier als permanent erregte Synchronmaschine ausgebildet ist. Diese Elektromaschine 2 ist über mehrere Leitungen 30 mit einer Leistungselektronik 32 verbunden. Zum Messen der Temperatur TStator des Stators 4 dieser Elektromaschine 2 wird das hier nicht weiter dargestellte, als Thermoelement (NTC) ausgebildete Thermometer 16 eingesetzt.
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Da die Temperatur TRotor des Rotors 8 nicht direkt gemessen werden kann, wird zu deren Bestimmung die gemessene Temperatur TStator des Stators 4 verwendet. Zum mittelbaren Bestimmen der Temperatur TRotor des Rotors 8 wird zu der Temperatur TStator mindestens eine Korrekturtemperatur Tk addiert.
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Außerdem wird neben der Temperatur TStator des Stators 4 auch eine Drehzahl n des Rotors 8 gemessen, wobei über die Drehzahl n eine erste Korrekturtemperatur ΔTk1(n) zwischen dem Rotor 8 und dem Stator 4 ermittelt wird. Aus der gemessenen Temperatur TStator des Stators 4 und der gemessenen Drehzahl n des Rotors 8 wird die Temperatur TRotor(TStator, n) = TStator + ΔTk1(n) des Rotors 8 und daraus in erster Näherung eine Funktion 34 für die von der Temperatur TRotor des Rotors abhängige Flussdichte B(TRotor) = B(TStator, n) = B(TStator + ΔTk1(n)) bestimmt.
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Ergänzend wird in Ausgestaltung eine zweite Korrekturtemperatur ΔTk2(TStator, Δt) zwischen dem Rotor 8 und dem Stator 4 ermittelt, die von einer zeitlichen Trägheit Δt zwischen der Temperatur TStator des Stators 4 und der Temperatur TRotor des Rotors 8 abhängig ist. Daraus wird die Funktion 34 für die von der Temperatur TRotor des Rotors abhängige Flussdichte B(TRotor) = B(TStator, n, Δt) = B(TStator + ΔTk1(n) + ΔTk2(TStator, Δt)) in zweiter Näherung bestimmt.
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Das in 3b gezeigte Diagramm umfasst eine Abszisse 38, entlang der die Drehzahl n des Rotors in Umdrehungen pro Minute aufgetragen ist. Entlang einer ersten Ordinate 40 (links) ist ein Drehmoment der Elektromaschine 2 in Newtonmetern (Nm) aufgetragen. Entlang einer zweiten Ordinate 42 (rechts) ist eine Leistung der Elektromaschine 2 in Kilowatt (kW) aufgetragen. In dem Diagramm sind für eine maximale Temperatur Tmax des Rotors 8 von 130°C und bei einem maximalen Strom von 510 A, der durch die Spulen 6 des Stators 4 fließt, jeweils gepunktet eine Kurve 44 für das Drehmoment und eine Kurve 46 für die Leistung dargestellt. Hierbei ist zu beachten, dass bei dieser maximalen Stromstärke von 510 A die vorgesehene maximale Temperatur Tmax des Rotors 8 von 130°C nicht überschritten werden darf. Zum Vergleich sind eine durchgezogene Kurve 48 für das Drehmoment und eine durchgezogene Kurve 50 für die Leistung bei einer maximalen Temperatur Tmax des Rotors 8 von 160°C und bei einem maximalen Strom von 450 A, der durch die Spulen 6 des Stators 4 fließt, gezeigt.
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Somit hängen die Temperatur T und die magnetische Flussdichte B über einen Wert des durch die Spulen 6 fließenden Stroms zusammen. Dabei ist der maximale Strom Tmax = f(Bmax) als Funktion der maximalen magnetischen Flussdichte darstellbar und somit von der maximalen Flussdichte abhängig.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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