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TECHNISCHES GEBIET
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Diese Offenbarung betrifft elektrische Permanentmagnetmaschinen.
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HINTERGRUND
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Die Aussagen in diesem Abschnitt stellen nur Hintergrundinformationen mit Bezug auf die vorliegende Offenbarung bereit. Folglich sind diese Aussagen nicht dazu gedacht, eine Anerkennung des Standes der Technik zu bilden.
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Elektrische Maschinen enthalten Rotoren, die in Ansprechen auf eine elektromagnetische Erregung von einem Stator ein Drehmoment an einer Welle erzeugen. Elektrische Maschinen können als Motor/Generator-Vorrichtungen ausgestaltet sein, die wie Motoren arbeiten, um elektrische Energie in mechanische Energie (Drehmoment) umzusetzen und die wie Generatoren arbeiten, um mechanische Energie (Drehmoment) in elektrische Energie umzusetzen. Elektrische Permanentmagnetmaschinen erzeugen Drehmoment an einer Welle durch die Interaktion des elektromagnetischen Felds des Stators, das erzeugt wird, indem ein Statorelement erregt wird, mit dem Permanentmagnetfeld des Rotors. Permanentmagnete im Rotor können an der Rotoroberfläche montiert sein (Oberflächen-PM-Rotor) oder im Inneren des Rotors versenkt sein (Rotor mit innenliegenden Permanentmagneten). Elektrische Permanentmagnetmaschinen stellen eine kompakte Form mit hoher Drehmomentdichte und geringem Gewicht bereit, mit der Fähigkeit zum Liefern eines kontinuierlichen Drehmoments über einen großen Bereich von Drehzahlen hinweg mit geringer Rotorträgheit, hoher dynamischer Leistung unter Last, hohen Betriebseffizienzen ohne einen Magnetisierungsstrom und der entsprechenden Abwesenheit von Wärme aufgrund von Strom im Rotor.
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Ein bekannter Fehler, der die Lebensdauer einer elektrischen Permanentmagnetmaschine verringert, ist der Verlust von Magnetfluss aufgrund einer Entmagnetisierung von Rotormagneten. Bei der Herstellung der Maschine werden Magnete vollständig magnetisiert, indem der Magnet unter Verwendung eines starken elektromagnetischen Felds gesättigt wird. Die Stärke eines Magnets wird zum Teil durch seine Remanenzflussdichte charakterisiert. Diese ist die Flussdichte des Magnets, wenn zwei Enden des Magnets durch ein unendlich permeables Material kurzgeschlossen werden. Die Magnetstärke wird so gewählt, dass bestimmte Leistungseigenschaften der elektrischen Maschine, die ein gewünschtes Maximaldrehmoment umfassen, erfüllt werden. Der Magnetfluss kann über die Lebensdauer der elektrischen Maschine relativ unverändert bleiben, sofern der Magnet nicht übermäßigen Temperaturbelastungen und anderen Entmagnetisierungsbelastungen ausgesetzt wird. Es gibt eine Temperaturabhängigkeit für den magnetischen Remanenzfluss, aber der Effekt kann beim Systementwurf berücksichtigt werden und ist vollständig ausgleichbar, sofern ein Knick der Entmagnetisierungskurve (BH-Kurve) nicht erreicht oder überschritten wird. Ein Magnet kann einen irreversiblen Flussverlust oder eine irreversible Entmagnetisierung erleiden, wenn er übermäßigen Temperaturbelastungen und magnetischen Belastungen ausgesetzt wird. Der Flussverlust beeinflusst die Leistung und das Verhalten der Maschine auf negative Weise. Ein verschlechtertes Maschinenverhalten kann zu einem Fehler am Fahrzeug führen, der schwer zu diagnostizieren und zu isolieren ist.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Ein durch einen Controller ausgeführtes Verfahren zum Überwachen einer elektrischen Permanentmagnetmaschine umfasst das Bestimmen eines Direkt-Achsenstrom-Schwellenwerts (d-Achsenstrom-Schwellenwerts), der dem Beginn einer irreversiblen Entmagnetisierung des Permanentmagnets entspricht, auf der Grundlage von Materialeigenschaften eines Permanentmagnets, der in einem Rotor der elektrischen Permanentmagnetmaschine montiert ist, und einer Temperatur des Permanentmagnets. Ein d-Achsenstrom, der mit dem Steuern der elektrischen Permanentmagnetmaschine verbunden ist, wird bestimmt, und ein Funktionszustand der elektrischen Permanentmagnetmaschine wird auf der Grundlage des d-Achsenstrom-Schwellenwerts und des überwachten d-Achsenstroms bestimmt.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Es werden nun eine oder mehrere Ausführungsformen anhand von Beispielen mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
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1 eine Endansicht eines Abschnitts einer elektrischen Permanentmagnetmaschine und zugehörige Schaltkreise in Übereinstimmung mit der Offenbarung veranschaulicht;
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2 eine Entmagnetisierungskurve für eine Ausführungsform eines Magnets in Übereinstimmung mit der Offenbarung veranschaulicht, der aus einem Magnetmaterial des NdFeB-Typs hergestellt ist, wobei die Feldstärke H(A/m) mit Bezug auf die Flussdichte B(T) gezeigt ist;
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3 einen Kalibrierungssatz zum Bestimmen eines minimal zulässigen d-Achsenstroms für die elektrische Permanentmagnetmaschine auf der Grundlage der Temperatur des Permanentmagnets in Übereinstimmung mit der Offenbarung veranschaulicht;
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4 einen Abschnitt einer schnellen Aufgabe bzw. Task bei einer Ausführungsform einer Funktionszustands-Steuerungsroutine zum Bewerten eines Magnets für eine elektrische Permanentmagnetmaschine während des fortlaufenden Betriebs in Übereinstimmung mit der Offenbarung veranschaulicht;
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5 einen Abschnitt einer langsamen Aufgabe bzw. Task der Funktionszustands-Steuerungsroutine zum Bewerten eines Funktionszustands eines Magnets für eine elektrische Permanentmagnetmaschine während des fortlaufenden Betriebs in Übereinstimmung mit der Offenbarung veranschaulicht; und
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6 ein beispielhaftes Feld mit Gütemaßen, das eine Vielzahl von Temperaturbehältern mit entsprechenden Gütemaßwerten enthält, um den Gütemaßwert mit Bezug auf die Magnettemperatur nachzuverfolgen, in Übereinstimmung mit der Offenbarung veranschaulicht.
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GENAUE BESCHREIBUNG
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Nun mit Bezug auf die Zeichnungen, bei denen das Gezeigte nur zur Veranschaulichung bestimmter beispielhafter Ausführungsformen und nicht zur Einschränkung derselben gedacht ist, veranschaulicht 1 auf schematische Weise eine Endansicht eines Abschnitts einer beispielhaften elektrischen Permanentmagnetmaschine (PM-Maschine) 10 und zugehörige Schaltkreise. Die elektrische Permanentmagnetmaschine 10 umfasst eine Motorhülle mit Endkappen und Lagern, die ein Gehäuse und eine strukturelle Stütze für einen Innenrotor 13 und einen verteilten Außenstator 14 bereitstellen. Der Rotor 13 rotiert um eine Rotationsachse 12 herum und enthält eine Vielzahl von Permanentmagneten 16, die in Öffnungen 17 in der Nähe einer Außenumfangsoberfläche des Rotors 13 eingeführt sind, welche als Vorrichtungen mit innenliegenden Permanentmagneten (IPM-Vorrichtungen) bezeichnet werden. Es können andere Ausführungsformen von Permanentmagnetmaschinen verwendet werden, die Permanentmagnetmaschinen umfassen, die eine Konstruktion mit innen und außen vertauscht oder eine Axialflusskonstruktion verwenden.
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Die Permanentmagnete 16 können aus beliebigen geeigneten Magnetmaterialien hergestellt sein, etwa Ferriten oder seltenen Erden, die beispielsweise Neodymeisenbor (NdFeB) umfassen. Der Stator 14 enthält eine Vielzahl von Spulenelementen 19, die um einen Außenumfang des Rotors 13 herum orientiert sind und mit den Permanentmagneten 16 interagieren. Die Schaltkreise umfassen einen Gleichrichter/Wechselrichter 20, der mit den Spulenelementen 19 elektrisch verbunden ist und eine Gleichspannung (DC-Spannung), die aus einer Hochspannungs-Gleichstromquelle 40 stammt, in eine Wechselspannung (AC-Spannung) umformt, um die Spulenelemente 19 zu erregen, welche mit den Permanentmagneten 16 interagieren, um in Ansprechen auf Steuerungssignale, die von einem Controller 30 stammen, ein Drehmoment im Rotor 13 zu erzeugen. Bei einer Ausführungsform ist der Gleichrichter/Wechselrichter 20 eine dreiphasige Vorrichtung, die eine Vielzahl gepaarter Gatetreiberschalter 22 verwendet, z. B. IGBTs, die über elektrische Kabel 24, 26, 28 mit einzelnen der Spulenelemente 19 elektrisch verbunden sind, wobei elektrische Leistung mit Hilfe von Stromsensoren 32 und 34 überwacht wird, die mit dem Controller 30 mit Hilfe von Kabeln 33 bzw. 35 elektrisch verbunden sind. Ein Drehposition/Drehzahlsensor 36 wird verwendet, um die Position/Drehzahl des Rotors 13 zu überwachen, und dieser ist mit dem Controller 30 signaltechnisch verbunden. Der elektrische Strom, der von dem Gleichrichter/Wechselrichter 20 geliefert wird, um die Spulenelemente 19 zu erregen, ist vorzugsweise sinusförmig, wobei jede Phase kontinuierlich mit variierenden Amplituden erregt wird. Der Controller 30 ist ausgestaltet, um Steuerungsroutinen zum Steuern der Arbeitsweise des Gleichrichters/Wechselrichters 20 auszuführen, und um die Arbeitsweise der elektrische Permanentmagnetmaschine 10 zu überwachen, was umfasst, dass die Position/Drehzahl des Rotors 13 überwacht wird, ein elektrischer Strom an die elektrische Permanentmagnetmaschine 10 überwacht wird, eine Temperatur des Rotors 13 und/oder der Permanentmagnete 16 überwacht oder anderweitig bestimmt wird und eine Steuerungsroutine ausgeführt wird, um einen Funktionszustand der Permanentmagnete 16 während eines fortlaufenden Betriebs zu bewerten.
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Steuerungsmodul, Modul, Steuerung, Controller, Steuerungseinheit, Prozessor und ähnliche Begriffe bezeichnen eine beliebige oder verschiedene Kombinationen aus einer oder mehreren anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen (ASICs), elektronischen Schaltungen, zentralen Verarbeitungseinheiten (vorzugsweise Mikroprozessoren) mit zugehörigem Arbeitsspeicher und Massenspeicher (Festwertspeicher, programmierbarer Festwertspeicher, Speicher mit wahlfreiem Zugriff, Festplattenlaufwerk usw.), die ein oder mehrere Software- oder Firmwareprogramme oder Routinen ausführen, kombinatorische Logikschaltungen, Eingabe/Ausgabe-Schaltungen und Vorrichtungen, geeignete Signalaufbereitungs- und Pufferschaltungen und andere Komponenten, um die beschriebene Funktionalität bereitzustellen. Software, Firmware, Programme, Anweisungen, Steuerungsroutinen, Code, Algorithmen und ähnliche Begriffe bezeichnen beliebige Anweisungssätze mit Kalibrierungen und Nachschlagetabellen. Das Steuerungsmodul weist einen Satz von Steuerungsroutinen auf, die ausgeführt werden, um die gewünschten Funktionen bereitzustellen. Routinen werden etwa von einer zentralen Verarbeitungseinheit ausgeführt und werden betrieben, um Eingänge von Erfassungsvorrichtungen und anderen Netzwerksteuerungsmodulen zu überwachen und um Steuerungs- und Diagnoseroutinen zum Steuern des Betriebs von Aktoren auszuführen. Routinen können in regelmäßigen Intervallen ausgeführt werden, beispielsweise alle 100 Mikrosekunden und alle 3,125, 6,25, 12,5, 25 und 100 Millisekunden während eines fortlaufenden Betriebs einer Kraftmaschine und eines Fahrzeugs. Alternativ können Routinen in Ansprechen auf das Auftreten eines Ereignisses ausgeführt werden.
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2 zeigt auf graphische Weise repräsentative Kurven in einem Entmagnetisierungs-Quadranten (oder BH) 200 für eine Ausführungsform eines Magnets, der aus einem Magnetmaterial vom NdFeB-Typ hergestellt ist, wobei die Feldstärke-H (kA/m) 230 auf der horizontalen x-Achse mit Bezug auf die Flussdichte B(T) 240 auf der vertikalen y-Achse steht. Intrinsische und normale Kurven für die Feldstärke mit Bezug auf die Flussdichte sind für eine Vielzahl von Magnettemperaturen aufgetragen. Diese umfassen intrinsische Kurven 202, 204, 206, 208, 210 und 212 für Magnettemperaturen von 20°C, 110°C, 140°C, 170°C, 200°C bzw. 230°C, und normale Kurven 203, 205, 207, 209, 211 und 213 für Magnettemperaturen von 20°C, 110°C, 140°C, 170°C, 200°C bzw. 230°C. Jede der normalen Kurven repräsentiert einen gemessenen kombinierten B-Wert aus einem angelegten Magnetfeld und aus einem Feld, das durch den Permanentmagnet beigetragen wird. Jede der intrinsischen Kurven repräsentiert eine berechnete Ausgabe nur aufgrund des Magnets. Der y-Achsenabschnitt für eine Feldstärke (H) von Null wird als Remanenzflussdichte Br bezeichnet. Wie gezeigt enthalten die intrinsischen Kurven 206, 208, 210 und 212 jeweils einen scharfen Knick 216, 218, 220 bzw. 222, der einen temperaturbezogenen Entmagnetisierungsknick anzeigt. Ein Magnet, der Betriebsbedingungen unterzogen wird, bei denen die Feldstärke H über den Entmagnetisierungsknick hinaus verschoben wird, welcher der Magnettemperatur zugeordnet ist, wird nicht auf der gleichen Kurve zurückkehren, wenn die Feldstärke H von dem Magnet entfernt wird. Stattdessen kann ein Magnet, der derartigen Bedingungen ausgesetzt wird, eine Entmagnetisierung erleiden, die irreversibel und nicht behebbar sein kann, einschließlich einer Verringerung der Remanenzflussdichte. Bei einer Ausführungsform kann die Feldstärke H aufgrund eines großen extern angelegten Felds, etwa eines großen Entmagnetisierungsstroms, über den Entmagnetisierungsknick hinaus verschoben werden. Die Remanenzflussdichte nimmt zu, wenn die Magnettemperatur kühler wird. Dies trifft sowohl für Ferritmagnete als auch für Selten-Erde-Magnete vom NdFeB-Typ zu. Dieser Effekt wird durch einen reversiblen Induktionstemperaturkoeffizienten α (%/°C) charakterisiert. Auch der Knick der Kurve und die intrinsische Koerzivität bewegen sich als Funktion der Temperatur. Die intrinsische Koerzivität wird durch die intrinsische BH-Kurve definiert, welche erhalten werden kann, indem –μ0H zu der jeweiligen normalen Kurve addiert wird, wobei die Permeabilität des freien Raums μ0 ist. Die Kreuzung der horizontalen x-Achse bei einem Nullfluss der intrinsischen BH-Kurve wird als die intrinsische Koerzivität bezeichnet. Der Temperatureffekt auf die intrinsische Koerzivität Hci wird durch einen reversiblen Temperaturkoerzivitätskoeffizienten β in %/°C charakterisiert. Bei Magneten von NdFeB-Typ ist β negativ und Hci bewegt sich nach links, d. h. die absolute Intensität nimmt zu, wenn die Temperatur des NdFeB-Magnets abnimmt. Daher kann ein NdFeB-Magnet bei niedrigeren Temperaturen ein größeres extern angelegtes Feld ohne Beschädigung tolerieren als bei höheren Temperaturen. Magnete, die aus NdFeB hergestellt sind, weisen negative Werte sowohl für α als auch für β auf. Auch Ferritmagnete weisen negative Werte für α auf. Jedoch sind Ferritmagnete ferrimagnetisch, nicht ferromagnetisch, und zeigen einen positiven Wert für β. Die macht Ferritmagnete widerstandsfähig gegen eine Entmagnetisierung bei hohen Temperaturen, aber anfälliger für eine Entmagnetisierung bei niedrigeren Temperaturen, z. B. bei –40°C. Für Ausführungsformen von Magneten, die aus anderen Magnetmaterialien hergestellt sind, können repräsentative Kurven in einem Entmagnetisierungsquadrant entwickelt und verwendet werden.
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3 zeigt auf graphische Weise die Magnettemperatur (°C) auf der horizontalen x-Achse 302 und einen Direkt-Achsen-Spitzenstrom (d-Achsen-Spitzenstrom) (APK) auf der vertikalen y-Achse 304, mit einer darauf aufgetragenen Linie 305 eines minimal zulässigen d-Achsenstroms, und sie zeigt eine Ausführungsform eines Kalibrierungssatzes 300 zum Bestimmen eines minimal zulässigen d-Achsenstroms für den Permanentmagnet auf der Grundlage einer Temperatur des Permanentmagnets. Die Linie 305 des minimal zulässigen d-Achsenstroms beruht auf einer Bewertung des d-Achsenstroms als negativer Wert. Daher wird die Linie 305 des minimal zulässigen d-Achsenstroms verwendet, um einen Betrieb bei d-Achsenströmen zu umschreiben, die negativer sind. Der Messwert oder Schätzwert der Magnettemperatur ist bis auf einen gewissen zulässigen Fehler, z. B. +/–10C genau. Bei Temperaturen auf der linken Seite des Knicks sind Entmagnetisierungskurven analog zu den intrinsischen Kurven, die mit Bezug auf 2 gezeigt sind, sehr steil. Daher ist die Größe der Entmagnetisierung anfällig für Temperaturfehler in der Nähe des Knicks. Ein Bereich 309 repräsentiert Betriebspunke von Rotortemperaturen und zugehörigen d-Achsenströmen, bei denen es kein Risiko des Entmagnetisierens des Magnets gibt. Ein Bereich 307 repräsentiert Betriebspunkte von Rotortemperaturen und zugehörigen d-Achsenströmen, bei denen der Magnet entmagnetisiert wird. Die Linie 305 des minimal zulässigen d-Achsenstroms kann auf ein Kalibrierungsfeld oder eine andere geeignete Form reduziert werden, und verwendet werden, um eine Größe für den minimal zulässigen d-Achsenstrom für den Permanentmagnet auf der Grundlage der Temperatur des Permanentmagnets zu bestimmen. Die Linie 305 des minimal zulässigen d-Achsenstroms kann unter Verwendung einer Finite-Elemente-Analyse bei einer Ausführungsform der Maschinenstruktur für verschiedene Magnettemperaturen und Strombelastungsniveaus entwickelt werden, und sie gibt für jede Temperatur eine Größe des d-Achsenstroms an, die mit dem Entmagnetisieren zumindest eines Abschnitts des Magnets beginnen wird. Es können Betriebsbedingungen auftreten, die zu Betriebszuständen führen, welche sich dem Knick der Kurve annähern oder diesen überschreiten und den Magnet entmagnetisieren. Derartige Betriebszustände umfassen Systemfehler und Systemüberlastungsereignisse.
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Die mit Bezug auf 2 gezeigten repräsentativen Kurven zeigen an, dass die Entmagnetisierung eines Magnets eine Funktion der Temperatur und des extern angelegten Felds ist, insbesondere eines negativen d-Achsenstroms. Eine DQ-Transformation ist eine bekannte mathematische Transformation, die eingesetzt werden kann, um die Analyse von dreiphasigen Schaltungen zu vereinfachen. Im Fall von ausgeglichenen dreiphasigen Schaltungen reduziert die Anwendung einer DQ-Transformation die drei Wechselstromgrößen auf zwei Gleichstromgrößen, die eine d-Achsenstromkomponente und eine Quadratur-Achsenstromkomponente (q-Achsenstromkomponente) umfassen. Vereinfachte Berechnungen können dann auf den dq-Gleichstromgrößen ausgeführt werden, gefolgt von einer inversen Transformation, um tatsächliche dreiphasige Wechselstromgrößen zurück zu gewinnen.
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Eine elektrische Permanentmagnetmaschine, die eine dq-Vektorsteuerung verwendet, umfasst eine d-Achse, die so zugeordnet ist, dass sie sich auf den Nordpol des Rotormagnets ausrichtet, und ein positiver d-Achsenstrom tendiert dazu, den Magnetfluss zu erhöhen oder zu unterstützen. Alternativ tendiert ein negativer d-Achsenstrom dazu, dem Magnetfluss entgegenzuwirken. Es ist der negative d-Achsenstrom, der bewirkt, dass das externe Feld dem Magnetfluss entgegenwirkt, und der den Magnet entlang der Entmagnetisierungskurve nach links verschiebt. Wenn ein ausreichender negativer d-Achsenstrom angelegt wird und der Knick der BH-Kurve erreicht oder überschritten wird, kann der Magnet beschädigt werden, und einen irreversiblen Flussverlust erleiden. Eine Rotorpositionsinformation wird benötigt, um die Größen des dq-Referenzrahmens zu bestimmen.
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Eine Funktionszustands-Steuerungsroutine (SOH-Steuerungsroutine) ist eine Steuerungsroutine zum Betreiben einer elektrischen Permanentmagnetmaschine, die das Bestimmen und Verfolgen eines Funktionszustands des Rotormagneten in Echtzeit umfasst. Die Informationen können kontinuierlich aktualisiert und in einem nichtflüchtigen Speicher für die Lebensdauer der elektrischen Maschine gespeichert werden. Die Daten können von Wartungspersonal verwendet werden, um ein Isolieren potentiell beschädigter Maschinen zu unterstützen. Außerdem können anwendungsspezifische Informationen mit Bezug auf den Funktionszustand des Rotormagnets verwendet werden, um Systemkalibrierungen zu optimieren, um Betriebsbedingungen, die eine Entmagnetisierung verursachen können, zu identifizieren und zu vermeiden. Zudem können bestimmte Maschinensteuerungsroutinen davon profitieren, dass sie über Kenntnisse zum Funktionszustand des Rotormagneten verfügen. Diese können Steuerungsroutinen umfassen, die ausgestaltet sind, um den Funktionszustand des Rotormagneten zu überwachen und um Betriebszustände der elektrischen Maschine zu vermeiden, bei denen sich der Rotormagnet in der Nähe des Knicks der Kurve befindet, um ein Entmagnetisieren des Rotormagnets zu vermeiden. Derartige Betriebszustände der elektrischen Maschine können umfassen, dass eine Drehmomentausgabe der elektrischen Permanentmagnetmaschine herabgesetzt wird, um extern angelegte Felder in der Form von Drehmomentbefehlen zu vermeiden, die d-Achsenstrombefehle enthalten, die mit einem Betrieb des Rotormagnets in der Nähe des Knicks der Kurve verbunden sind, um einen Entmagnetisierungsstrom zu vermeiden.
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Die SOH-Steuerungsroutine umfasst das Überwachen von Betriebsparametern der Magnettemperatur und eines d-Achsenstroms während eines fortlaufenden Betriebs der elektrischen Maschine. Die SOH-Steuerungsroutine umfasst eine schnelle Aufgabe 402 und eine langsame Aufgabe 440. Überwachte Betriebsparameter umfassen vorzugsweise eine Magnettemperatur, einen d-Achsenstrom in der elektrischen Permanentmagnetmaschine und eine Rotationsposition des Rotors, die verwendet wird, um den d-Achsenstrom zu bewerten. Die Magnettemperatur kann entweder durch die Verwendung eines physikalischen Sensors oder durch eine geeignete Schätzung erhalten werden. Die Schätzung kann umfassen, dass die Magnettemperatur beruhend auf der Temperatur des Rotors der elektrischen Permanentmagnetmaschine gleichgesetzt oder anderweitig modelliert wird. Die Temperatur des Magnets ändert sich relativ langsam, oft mit einer Zeitkonstante im Sekundenbereich. Im Gegensatz dazu kann sich der d-Achsenstrom in weniger als einer Millisekunde ändern. Im Betrieb führt die SOH-Steuerungsroutine die schnelle Aufgabe 402 periodisch mit einer Zyklusperiode aus, die das Überwachen des d-Achsenstroms mit einer Rate erlaubt, die ausreicht, um Dynamiken im d-Achsenstrom zu erfassen, die zu einer Beschädigung des bzw. der Magnete während eines fortlaufenden Betriebs führen können. Daher wird der d-Achsenstrom vorzugsweise mit einer relativ höheren Rate, z. B. 100 Mikrosekunden, überwacht und die Magnettemperatur wird vorzugsweise mit einer relativ langsameren Rate, z. B. in der Größenordnung von 100 Millisekunden überwacht, um eine unnötige Belastung eines Prozessors zu minimieren, der die SOH-Steuerungsroutine ausführt. Ein Funktionszustand für den Permanentmagnet wird auf der Grundlage der überwachten Betriebsparameter des Permanentmagnets bestimmt, etwa des d-Achsenstroms bei der Magnettemperatur, wobei bekannte Eigenschaften für den Permanentmagnet berücksichtigt werden. Ein Betrieb der elektrischen Permanentmagnetmaschine kann auf der Grundlage des Funktionszustands des Permanentmagnets gesteuert werden.
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Die SOH-Steuerungsroutine stützt sich auf den überwachten d-Achsenstrom, um das SOH-Gütemaß (FOM von figure of merit) zu bestimmen. Dies benötigt sowohl gültige Strom- als auch Rotationspositions-Messinformationen, d. h. die Sensoren müssen funktionieren. Wenn ein Fehler mit Bezug auf entweder den Strom- oder den Positionssensor auftritt, ist die d-Achsenstrominformation nicht mehr gültig und das SOH-FOM (Funktionszustands-Gütemaß) kann nicht zuverlässig bestimmt werden. Wenn ein Stromsensorfehler auftritt, ist es überhaupt nicht möglich, das SOH-FOM zu aktualisieren. Jedoch kann ein Kompromissansatz bei einem Fehler im Positionssensor ergriffen werden, der zu einer verschlechterten aber verwendbaren Temperaturinformation führt.
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Bei einem Normalbetrieb werden FOM-max und das FOM-Feld aktualisiert. Im Fall jedoch, dass entweder d-Achsenstrom-Daten oder Temperaturdaten unsicher sind, wird stattdessen ein alternatives FOM-max mit geringer Konfidenz aktualisiert. Im Fall eines Positionssensorfehlers beispielsweise können die Größen des Synchronrahmens, etwa der d-Achsenstrom, nicht bestimmt werden. Stattdessen kann die Amplitude des Statorgesamtstromvektors aus den Stationärrahmenströmen berechnet werden. Zur Berechnung des FOM mit geringer Konfidenz kann angenommen werden, dass der Stromvektor auf den für eine Entmagnetisierung schlechtesten Winkel (d. h. die negative d-Achse) ausgerichtet ist. In anderen Situationen kann die Rotortemperaturinformation verschlechtert, aber dennoch nutzbar sein. In diesem Fall wird nur das FOM mit geringer Konfidenz aktualisiert. Das FOM mit geringer Konfidenz wird als konservativ erkannt und impliziert nur die Möglichkeit, dass eine elektrische/thermische Belastung auf die Magnete der elektrischen Permanentmagnetmaschine angelegt worden sein könnte.
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4 zeigt auf schematische Weise eine Ausführungsform eines Abschnitts der schnellen Aufgabe
402 zum Bewerten eines Funktionszustands einer Ausführungsform eines Magnets für eine elektrische Permanentmagnetmaschine während eines fortlaufenden Betriebs, wobei spezifische Eigenschaften des Magnetmaterials und der Motorbetriebsbedingungen berücksichtigt werden. Tabelle 1 wird als Schlüssel für
4 bereitgestellt, bei der die numerisch beschrifteten Blöcke und die entsprechenden Funktionen wie folgt offengelegt werden. Tabelle 1
| BLOCK | BLOCKINHALTE |
| 402 | Schnelle Aufgabe |
| 404 | Phasenströme überwachen |
| 406 | Phasenströme in synchronen Referenzrahmen (dq-Referenzrahmen) transformieren |
| 408 | Statorgesamtstromvektor (Is) berechnen |
| 410 | Daten zurücksetzen |
| 411 | Ist Datenerfassung abgeschlossen? |
| 412 | Ist Id-min < erfasstes Id-min? |
| 413 | Id-min = 0 setzen |
| 414 | Ist Is-max > erfasstes Is-max? |
| 415 | Is-max = 0 |
| 416 | Datenerfassung abgeschlossen auf FALSCH setzen |
| 420 | Daten aktualisieren |
| 421 | Ist Positionsinformation gültig? |
| 422 | Ist Id < Id-min? |
| 423 | Id-min = Id setzen |
| 424 | Ist Is > Is-max |
| 425 | Is-max = Is setzen |
| 430 | Andere Algorithmen ausführen |
| 432 | Iteration beenden; auf nächste Iteration warten |
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Die schnelle Aufgabe 402 umfasst, dass Phasenströme, die der elektrischen Maschine zugeordnet sind, überwacht werden (404), dass die Phasenströme in den Synchronreferenzrahmen (dq-Referenzrahmen) transformiert werden (406) und dass ein Statorgesamtstromvektor Is unter Verwendung bekannter abc-dq-Vektortransformationsgleichungen berechnet wird (408). Diese Berechnung des Statorgesamtstromvektors Is ermöglicht die Ausführung eines Sicherungsprozesses, um den Funktionszustand des Magnets für die elektrische Permanentmagnetmaschine zu bewerten, z. B. wenn ein Fehler auftritt, der die dq-Vektortransformation beeinflusst, etwa ein Fehler bei der Sensorüberwachung der Position/Geschwindigkeit.
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Eine Unterroutine wird ausgeführt, um Daten zurückzusetzen (410), welche umfasst, dass zunächst festgestellt wird, dass die Datenerfassung abgeschlossen ist (411). Wenn die Datenerfassung abgeschlossen ist (411) (1), wird festgestellt, ob die minimale d-Achsenstromkomponente (Id-min) kleiner als eine zuvor erfasste d-Achsenstromkomponente ist (412). Wenn nicht (412) (0), wird die minimale d-Achsenstromkomponente gleich Null gesetzt (Id-min = 0) (413) und der Betrieb wird fortgesetzt. Falls Ja (412) (1), bleibt die minimale d-Achsenstromkomponente unverändert. Als Nächstes wird festgestellt, ob der maximale Statorgesamtstromvektor (Is-max) größer als ein zuvor erfasster maximaler Statorgesamtstromvektor (captured Is-max) ist (414). Wenn nicht (414) (0), wird der maximale Statorgesamtstromvektor (Is-max) gleich Null gesetzt (415). Falls Ja (414) (1) bleibt der maximale Statorgesamtstromvektor (Is-max) unverändert. Der Datenerfassungsmerker wird auf Falsch gesetzt (416) und der Betrieb fährt fort, die Daten zu aktualisieren (420). Wenn die Datenerfassung nicht abgeschlossen ist (411) (0), wird der Betrieb fortgesetzt.
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Eine Unterroutine wird ausgeführt, um die Daten zu aktualisieren (420), welche umfasst, dass verifiziert wird, dass die Rotationsposition des Rotors gültig ist (421), und wenn dem so ist (421) (1) wird die Direkt-Achsenstromkomponente (Id) mit einer minimalen Direkt-Achsenstromkomponente (Id-min) verglichen (422). Wenn die Direkt-Achsenstromkomponente (Id) kleiner als die minimale Direkt-Achsenstromkomponente (Id-min) ist (422) (1), wird die minimale Direkt-Achsenstromkomponente (Id-min) gleich der Direkt-Achsenstromkomponente (Id) gesetzt (423). Andernfalls (422) (0) bleibt die minimale Direkt-Achsenstromkomponente (Id-min) unverändert. Wenn die Positionsinformation ungültig ist (421) (0), wird der Statorgesamtstromvektor (Is) mit einem maximalen Statorgesamtstromvektor (Is-max) verglichen (424). Wenn der Statorgesamtstromvektor (Is) größer als der maximale Statorgesamtstromvektor (Is-max) ist (424) (1), wird der maximale Statorgesamtstromvektor (Is-max) gleich dem Statorgesamtstromvektor (Is) gesetzt (425). Andernfalls (424) (0), bleibt der maximale Statorgesamtstromvektor (Is-max) unverändert. Dann können andere Algorithmen ausgeführt werden (430) und die gegenwärtige Iteration der schnellen Aufgabe 402 endet (432) und wartet die Ausführung der nächsten Iteration.
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5 zeigt eine Ausführungsform eines Abschnitts der langsamen Aufgabe
440 der SOH-Steuerungsroutine zum Bewerten eines Funktionszustands eines Magnets für eine elektrische Permanentmagnetmaschine während eines fortlaufenden Betriebs. Die langsame Aufgabe
440 wird gleichzeitig mit der schnellen Aufgabe
402 mit einer Zyklusperiode ausgeführt, die das Überwachen der Magnettemperatur mit einer Rate erlaubt, die ausreicht, um die erwarteten Dynamiken bei der Magnettemperatur zu verfolgen. Bei einer Ausführungsform wird die langsame Aufgabe
440 alle 100 Millisekunden ausgeführt. Tabelle 2 wird als Schlüssel für
5 bereitgestellt, wobei die numerisch beschrifteten Blöcke und die entsprechenden Funktionen der langsamen Aufgabe
440 wie folgt offengelegt sind. Tabelle 2
| BLOCK | BLOCKINHALTE |
| 440 | Langsame Aufgabe |
| 442 | Id-min von schneller Aufgabe erfassen; als Id-min-cap speichern |
| 444 | Is-max von schneller Aufgabe erfassen; als Is-max-cap speichern |
| 446 | Datenerfassungsmerker auf WAHR setzen |
| 448 | Magnettemperatur (Trotor) bestimmen und aktualisieren |
| 450 | Id-knick als Funktion der Magnettemperatur bestimmen |
| 452 | Ist Id-min-cap < 0 und ist Trotor gültig? |
| 453 | FOM-neu berechnen |
| 454 | FOM-neu auf ≥ 0 begrenzen |
| 455 | Temperaturfenster für FOM-Feld bestimmen |
| 456 | Ist FOM-neu > Feldwert für Temperaturfenster |
| 457 | FOM-Feld für Temperaturfenster aktualisieren |
| 458 | Ist FOM-neu größer als FOM-max? |
| 459 | FOM-max aktualisieren |
| 460 | Drehzahl, Vdc und Temperatur für FOM-max speichern |
| 462 | Ist Is-max-cap > 0? Oder ist Trotor verschlechtert? |
| 463 | Ix = min (Id-min-cap, -Is-max-cap) setzen |
| 464 | FOM-neu beruhend auf Ix, Id-knick bestimmen |
| 465 | Ist FOM-neu > FOM-low-conf? |
| 466 | FOM-low-conf aktualisieren |
| 467 | Drehzahl, VDC und Temperatur für FOM-low-conf speichern |
| 470 | FOM-neu bewerten;
Betrieb auf der Grundlage von FOM-neu steuern Iteration beenden |
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Die Ausführung der langsamen Aufgabe 440 umfasst Folgendes. Die minimale Direkt-Achsenstromkomponente (Id-min) von der schnellen Aufgabe 402 und der maximale Statorgesamtstromvektor (Is-max) von der schnellen Aufgabe 402 werden erfasst und gespeichert (Id-min-cap bzw. Is-max-cap) zur nachfolgenden Verwendung (442, 444) und ein Datenerfassungsabgeschlossen-Merker wird gesetzt (= WAHR), um anzuzeigen, dass die Schritte abgeschlossen sind (446). Eine Temperatur des Magnets (Trotor) wird bestimmt (448), entweder durch eine direkte Temperaturmessung oder durch einen anderen geeigneten Vorhersage- oder Schätzprozess. Das Temperatursignal weist einen zugeordneten Status auf, der gültig, verschlechtert oder ungültig sein kann. Wenn die Temperaturbestimmungsfunktion normal arbeitet, können die Daten als gültig betrachtet werden. In einigen Fällen kann eine Rotortemperatur mit einem erhöhten Fehlerniveau bestimmt werden. In diesen Fällen kann die Rotortemperatur als verschlechtert identifiziert werden. In anderen Fällen ist es aufgrund eines Sensorfehlers möglicherweise überhaupt nicht möglich, die Rotortemperatur zu bestimmen. In diesem Fall kann das Rotortemperatursignal als ungültig identifiziert werden. Bei einer verschlechterten Rotortemperatur wird nur das Gütemaß mit geringer Konfidenz aktualisiert. Bei einer ungültigen Temperatur können die Entmagnetisierungscharakteristika nicht bestimmt werden und die Gütemaß-Daten werden nicht aktualisiert. Ein Entmagnetisierungsknick (Id-knick) kann mit Bezug auf die Temperatur des Magnets bestimmt werden (450), wobei repräsentative Kurven aus einem Entmagnetisierungsquadranten für die Ausführungsform des Magnets verwendet werden, und dieser stellt einen Parameter dar, der der intrinsischen Koerzitivität für den Permanentmagnet der elektrischen Permanentmagnetmaschine zugeordnet ist, die auf Eigenschaften des Materials beruht, aus denen der Permanentmagnet hergestellt ist. Die repräsentativen Kurven sind analog zu denjenigen, die mit Bezug auf 2 gezeigt sind.
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Die minimale Direkt-Achsenstromkomponente (Id-min-cap) und die Magnettemperatur (Trotor) werden bewertet (452). Wenn die minimale Direkt-Achsenstromkomponente (Id-min-cap) ein negativer Wert ist (< 0) und die Magnettemperatur (Trotor) gültig ist (452) (1), kann ein neues Gütemaß (FOM-neu) für den Funktionszustand (SOH) des Permanentmagnets wie folgt bestimmt werden (453). FOM-neu = Id-min-cap / Id-knick [1] wobei Id-min-cap der während eines vorherigen Abtastfensters gemessene minimale d-Achsenstrom ist, und
Id-knick der temperaturbezogene Entmagnetisierungsknick ist, der auf der Grundlage der Linie 305 des minimal zulässigen d-Achsenstroms und der Magnettemperatur bestimmt wird, zum Beispiel wie mit Bezug auf 3 gezeigt und beschrieben ist.
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Wenn das berechnete Gütemaß (FOM-neu) kleiner als 1,0 ist, legt dies nahe, dass die durch Temperatur/die elektrisch induzierte Entmagnetisierungsbelastung für die Magnete innerhalb akzeptabler Grenzen liegt und dass die Magnete wahrscheinlich funktionsfähig sind. Wenn das neue Gütemaß (FOM-neu) größer als 1,0 ist, legt dies nahe, dass es eine ausreichende Temperaturbelastung/elektrische Belastung gegeben hat, um ein gewisses Maß an Entmagnetisierung der Magnete zu bewirken. Die Größe des berechneten Verhältnisses des neuen Gütemaßes (FOM-neu) stellt Informationen über die Größe der aktuellen Belastungen mit Bezug auf den maximal zulässigen Wert bereit. Diese Operation wird bei jeder Ausführung der langsamen Aufgabe 440 wiederholt. Bei aufeinanderfolgenden Iterationen der langsamen Aufgabe 440 wird das maximale Verhältnis, d. h. ein Verhältnis von gemessenen und zulässigen d-Achsenströmen nachverfolgt und gespeichert. Wenn das Gütemaß größer als 1,0 ist, nimmt die Größe der Entmagnetisierung mit einer Zunahme des Gütemaßes zu. Wenn das Gütemaß kleiner als 1,0 ist, nimmt das Risiko einer Entmagnetisierung mit einer Zunahme des Gütemaßes zu. Bei jeder Ausführung der langsamen Aufgabe 440 wird der Wert des minimalen d-Achsenstroms zurückgesetzt.
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Das neue Gütemaß (FOM-neu) wird auf einen positiven Wert begrenzt (Begrenze FOM-neu ≥ 0) (454) und in einen geeigneten Temperaturbehälter eines FOM-Felds eingefügt, indem die Temperatur des Permanentmagnets mit einem Temperaturfenster verknüpft wird, das einem Temperaturbehälter entspricht (455), wobei das neue Gütemaß (FOM-neu) mit den aktuellen Inhalten des Temperaturbehälters für das FOM-Feld (456) verglichen wird und die Inhalte des Temperaturbehälters für das FOM-Feld aktualisiert werden (457), wenn das neue Gütemaß (FOM-neu) größer als die gegenwärtigen Inhalte sind (456) (1). Das neue Gütemaß (FOM-neu) wird außerdem mit einem maximalen gespeicherten Gütemaß (FOM-max) verglichen (458). Das maximale gespeicherte Gütemaß (FOM-max) wird durch das neue Gütemaß (FOM-neu) aktualisiert (459), wenn das neue Gütemaß größer ist (458) (1). Es werden auch Motorbetriebsbedingungen, die mit dem neuen Gütemaß verbunden sind, welche die Drehzahl, die Temperatur, den elektrischen Strom und die Gleichspannung umfassen, erfasst (460) und der Betrieb wird fortgesetzt.
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6 zeigt ein beispielhaftes FOM-Feld 500, das eine Vielzahl von Temperaturbehältern 505 enthält, die bei 510 gezeigt sind, wobei zugehörige FOM-Werte bei 520 gezeigt sind. Das FOM-Feld 500 wird erzeugt, um den FOM-Wert mit Bezug auf die Temperatur des Permanentmagnets zu verfolgen. Das FOM-Feld 500 weist einen Temperaturgesamtbereich zwischen –30°C und +170°C auf und jeder der Temperaturbehälter 505 ist bei einer Ausführungsform einem Temperaturfenster von 10°C zugeordnet, z. B. –30°C bis –20°C, –20°C bis –10°C usw. Bei jeder Iteration der langsamen Aufgabe 440 wird ein FOM-Wert berechnet. Auf diese Weise kann nachverfolgt werden, wie die Belastungen für die elektrische Permanentmagnetmaschine in Abhängigkeit von Betriebsbedingungen variieren.
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Wieder mit Bezug auf 5 werden, wenn entweder die minimale Direkt-Achsenstromkomponente (Id-min-cap) ein nicht negativer Wert ist (d.h. ≥ 0) oder die Magnettemperatur (Trotor) nicht gültig ist (452) (0), oder die vorstehend erwähnten Bedingungen erfüllt worden sind (452) (1) und das neue Gütemaß (FOM-neu) berechnet und ausgewertet wurde, um das FOM-Feld und FOM-max zu aktualisieren (Schritte 453–460), der maximale Statorgesamtstromvektor (Is-max-cap) von der schnellen Aufgabe 402 und die Magnettemperatur (Trotor) bewertet (462). Wenn entweder der maximale Statorgesamtstromvektor (Is-max-cap) größer als Null ist oder sich die Magnettemperatur (Trotor) verschlechtert hat (462) (1) wird ein FOM mit geringer Konfidenz berechnet, indem ein Minimum aus dem gemessenen d-Achsenstrom (Id-min-cap) und einem negativen Wert des maximalen Statorgesamtstromvektors (-Is-max-cap) gewählt wird (463) und das gewählte Minimum wie folgt verwendet wird, um das neue Gütemaß (FOM-neu) zu berechnen, welches ein Gütemaß mit geringer Konfidenz für den Funktionszustand (SOH) des Permanentmagnets ist (464). FOM-neu = Ix / Id-knick [2] wobei Ix das Minimum aus dem gemessenen d-Achsenstrom (Id-min-cap) und dem negativen Wert des maximalen Statorgesamtstromvektors (-Is-max-cap) ist, und
Id-knick der temperaturbezogene Entmagnetisierungsknick ist, welcher der minimal zulässige d-Achsenstrom für die Temperatur des Magnets ist, welcher auf der Grundlage der Linie 305 für den minimal zulässigen d-Achsenstrom und der Rotortemperatur bestimmt wird, wie beispielsweise mit Bezug auf 3 gezeigt und beschrieben ist.
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Das berechnete Gütemaß (FOM-neu) wird mit einem Gütemaß mit geringer Konfidenz (FOM-low-conf) verglichen (465) und das Gütemaß mit geringer Konfidenz wird so aktualisiert, dass es gleich dem berechneten Gütemaß ist (466), wenn das berechnete Gütemaß größer als das Gütemaß mit geringer Konfidenz ist (466) (1). Außerdem werden Motorbetriebsbedingungen, die mit dem neuen Gütemaß verbunden sind, welche die Drehzahl, die Temperatur, den elektrischen Strom und die Gleichspannung umfassen, erfasst (467) und der Betrieb wird fortgesetzt. Das berechnete Gütemaß und die zugehörige Drehzahl, die Temperatur, der elektrische Strom und die Gleichspannung werden vorzugsweise zur Verwendung durch Wartungspersonal erfasst, das versucht, eine Ursache für einen Fehler mit Bezug auf die elektrische Maschine zu identifizieren.
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Wenn der maximale Statorgesamtstromvektor (Is-max-cap) kleiner als Null ist und die Magnettemperatur (Trotor) sich nicht verschlechtert hat (462) (0) oder das Gütemaß mit geringer Konfidenz (FOM-low-conf) bestätigt oder aktualisiert wurde (Schritte 463–467), endet diese Iteration der langsamen Aufgabe 440 und umfasst ein Bewerten des neuen Gütemaßes und/oder des Gütemaßes mit geringer Konfidenz und das Steuern des Betriebs der elektrischen Permanentmagnetmaschine auf der Grundlage dessen (470). Dies kann keine Maßnahme umfassen, z. B. wenn das neue Gütemaß und/oder das Gütemaß mit geringer Konfidenz einen niedrigen Wert aufweisen, d. h. < 1,0. Dies kann umfassen, dass eine Drehmomentausgabe der elektrischen Permanentmagnetmaschine herabgesetzt wird, wenn das neue Gütemaß und/oder das Gütemaß mit geringer Konfidenz einen relativ hohen Wert aufweisen, d. h. ≥ 1,0. Das FOM-Feld kann bewertet werden, was umfasst, dass festgestellt wird, ob der SOH-FOM-Wert in einem beliebigen der Behälter 505 des SOH-FOM-Felds größer als das zulässige SOH-FOM ist, und wenn dies zutrifft, die Maschinenleistung herabgesetzt wird oder ein Betrieb des Systems auf andere Weise beschränkt wird. Diese Informationen können beim Erstellen von Temperaturherabsetzungskalibrierungen verwendet werden.
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Alternativ kann die langsame Aufgabe 440 eine zweidimensionale Nachschlagetabelle verwenden, um einen normierten Magnetfluss zu speichern, der auf Entmagnetisierungscharakteristika der Maschine beruht. Der normierte Magnetfluss weist einen Wert zwischen Null und Eins auf, wobei Eins einen Motor anzeigt, der Magnete aufweist, die ohne Verschlechterung vollständig magnetisiert sind, und Null Magnete anzeigt, die vollständig entmagnetisiert sind und einen Fluss von Null zeigen. Die Tabelleneingänge sind der d-Achsenstrom (vorzeichenbehaftet) und die Magnettemperatur. Die Ausgabe der Tabelle ist ein normierter Magnetflusswert. Der Algorithmus verwendet die Magnettemperatur und den minimalen d-Achsenstrom, um die Tabelle zu indizieren und den normierten Magnetfluss während jeder Iteration der langsamen Aufgabe 440 zurückzugeben. Über nachfolgende langsame Aufgaben hinweg wird der minimale normierte Magnetflusswert verfolgt und als das Gütemaß gespeichert.
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Die Offenbarung hat bestimmte bevorzugte Ausführungsformen und Modifikationen dazu beschrieben. Beim Lesen und Verstehen der Beschreibung können anderen weitere Modifikationen und Veränderungen begegnen. Es ist daher beabsichtigt, dass die Offenbarung nicht auf die speziellen offenbarten Ausführungsformen begrenzt ist, die als die beste Art betrachtet werden, um diese Offenbarung auszuführen, sondern dass die Offenbarung alle Ausführungsformen umfassen wird, die in den Umfang der beigefügten Ansprüche fallen.
