-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ermitteln einer Entmagnetisierung eines Permanentmagneten eines Elektromotors, insb. einer permanenterregten Synchronmaschine. Ferner betrifft die Erfindung eine Antriebsanordnung zum Antreiben eines Fahrzeugs mit einer genannten Vorrichtung.
-
Elektromotoren mit Permanentmagneten, insb. permanenterregte Synchronmaschinen, werden heutzutage als Antriebsaggregat in verschiedenen technischen Bereichen, insbesondere in Fahrzeugen, speziell in Hybridelektro- oder Elektrofahrzeugen, verwendet.
-
Derartige Elektromotoren werden in der Regel mithilfe feldorientierter Regelung geregelt. Die feldorientierte Regelung setzt aber eine genaue Kenntnis über die Feldstärke des von den Permanentmagneten erzeugten magnetischen Flusses.
-
Bedingt durch Alterserscheinungen der Permanentmagneten und durch äußere Einflüsse, wie z. B. zu hohe Phasenströme oder Umgebungstemperaturen, verlieren die Permanentmagneten im Laufe der Zeit ihre magnetische Polarisierung ganz oder teilweise. Als Folge verringert sich der magnetische Fluss von den Permanentmagneten mit der Zeit. Dieses Verhalten der Permanentmagneten wird Entmagnetisierung genannt.
-
Dabei lässt sich die Entmagnetisierung der Permanentmagneten in zwei Arten unterteilen. Eine erste Art der Entmagnetisierung ist die homogene Entmagnetisierung, bei der alle Permanentmagneten eines Elektromotors ihre magnetische Polarisierung gleichmäßig verlieren. Eine zweite Art der Entmagnetisierung ist die inhomogene Entmagnetisierung, bei der ein oder einige Permanentmagneten eines Elektromotors ihre magnetische Polarisierung stärker als die restlichen Permanentmagneten des gleichen Elektromotors verlieren.
-
Um die Elektromotoren trotz der Entmagnetisierung der Permanentmagneten und des sich dadurch veränderten magnetischen Flusses weiterhin fehlerfrei regeln zu können, müssen sowohl der Ausmaß der Entmagnetisierung als auch die Art der Entmagnetisierung im Vorfeld bekannt sein und bei der Regelung durch Änderung entsprechender Regelparameter kompensiert werden. Bei einer zu starken Entmagnetisierung müssen weitere geeignete Maßnahmen, wie z. B. eine Reparatur der Elektromotoren, eingeleitet werden.
-
Daraus ergibt sich die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Möglichkeit bereitzustellen, eine Entmagnetisierung eines Permanentmagneten eines Elektromotors einfach und zuverlässig zu ermitteln.
-
Diese Aufgabe wird durch Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
-
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Ermitteln einer Entmagnetisierung eines Permanentmagneten eines Elektromotors, insb. einer permanenterregten Synchronmaschine, bereitgestellt. Dabei weist das Verfahren folgende Verfahrensschritte auf:
Zunächst wird der Rotor des Elektromotors um die Rotordrehachse und vorzugsweise mit einer konstanten Drehgeschwindigkeit gedreht, während die Statorphasen des Stators des Elektromotors miteinander elektrisch kurzgeschlossen werden. Hierzu wird von außerhalb des Elektromotors eine Drehbewegung auf den Rotor übertragen.
-
Während der Rotor gedreht wird, wird ein Ist-Phasenstrom gemessen, der durch eine der Statorphasen fließt, die mit restlichen Statorphasen elektrisch kurzgeschlossenen ist. Aus gemessenen Ist-Stromwerten des Ist-Phasenstromes wird zumindest ein Istwert bestimmt, der repräsentativ für den Ist-Phasenstrom, insb. für einen Ist-Stromwert oder den Verlauf (d. h. die Verlaufsform) der gemessenen Ist-Stromwerte des Ist-Phasenstromes, ist.
-
Der zumindest eine Istwert wird anschließend mit zumindest einem Referenzwert verglichen, der repräsentativ für einen Referenz-Phasenstrom, insb. für einen Referenz-Stromwert oder den Verlauf (d. h. die Verlaufsform) der Referenz-Stromwerte des Referenz-Phasenstromes, ist, der bei einem gleichen Elektromotor mit intakten Permanentmagneten und unter den gleichen Messbedingungen, wie z. B der Drehgeschwindigkeit des Rotors, an der entsprechenden Statorphase gemessen wurde.
-
Anhand der Abweichung zwischen dem zumindest einen Istwert und dem zumindest einen Referenzwert wird dann die Entmagnetisierung des Permanentmagneten ermittelt. Dabei wiederspiegelt die Größe der Abweichung, insb. der Betrag oder ein Wert der Abweichung, die Stärke der Entmagnetisierung.
-
Zu dem Permanentmagnet gehören ein, mehrere oder alle Magnetteile des Rotors, die beim Betrieb des Elektromotors einen sich mit dem Rotor drehenden magnetischen Fluss erzeugen.
-
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, dass bei einem permanenterregten Elektromotor ein von den Permanentmagneten des Rotors erzeugter magnetischer Fluss in den Statorphasen des Elektromotors Induktionsströme erzeugt. Die Veränderung der magnetischen Polarisierung, also die Entmagnetisierung der Permanentmagneten führt zur Schwächung des magnetischen Flusses, den die Permanentmagneten erzeugen. Diese Schwächung des magnetischen Flusses resultiert sich als Veränderung bei den Induktionsströmen in den Statorphasen, die mittels Strommesser gemessen werden kann. Aus der Veränderung der Induktionsströme lässt sich die Entmagnetisierung der Permanentmagneten ermitteln. Dabei kann sowohl eine homogene als auch eine inhomogene Entmagnetisierung zuverlässig ermittelt werden.
-
Ein mögliches alternatives Verfahren zur Ermittlung der Entmagnetisierung, bei dem eine Eingangsleistung und eine Ausgangsleistung des Elektromotors ermittelt und miteinander verglichen werden, erwies sich als nicht zuverlässig, da sowohl die Eingangs- als auch die Ausgangsleitung mit jeweiligen Verlustleistungen verbunden sind, die von vielen inneren und äußeren Einflüssen abhängig sind und somit nicht oder nur mit einem hohen Aufwand ermittelt werden können. Zudem ist mit diesem Verfahren eine Unterscheidung zwischen einer homogenen und einer inhomogenen Entmagnetisierung nicht möglich.
-
Bei dem Verfahren der vorliegenden Anmeldung wird der Elektromotor bzw. dessen Rotor bei miteinander kurzgeschlossenen Statorphasen extern angetrieben insb. leistungsfrei gedreht. Da zur Ermittlung der Entmagnetisierung ausschließlich die von dem magnetischen Fluss der Permanentmagneten des Elektromotors induzierten Phasenströme betrachtet werden, werden die inneren und äußeren Einflüsse auf ein vernachlässigbares Minimum reduziert.
-
Ein weiteres mögliches alternatives Verfahren zur Ermittlung der Entmagnetisierung, bei dem eine durch den magnetischen Fluss induzierte Induktionsspannung erfasst und die Entmagnetisierung anhand dieser Induktionsspannung ermittelt wird, ist aufgrund der Anforderung an zusätzlichen Spannungsmesser zum Messen der Induktionsspannungen an den Statorphasen mit zusätzlichen Aufwand und Kosten verbunden. Der Grund dafür ist, dass es bei einem Antriebssystem mit einem permanenterregten Elektromotor in der Regel keine Spannungsmesser an den Statorphasen vorgesehen sind und daher zur Ermittlung der Entmagnetisierung zusätzlich eingebaut werden müssen.
-
Gemäß dem Verfahren der vorliegenden Anmeldung wird dagegen die Veränderung des magnetischen Flusses indirekt über die induzierten Ist-Phasenströme beurteilt. Hierzu wird der Rotor bei miteinander kurzgeschlossenen Statorphasen – vorzugsweise mit einer konstanten Drehgeschwindigkeit und von einer äußeren Antriebseinheit wie z. B. einer Verbrennungsmaschine und lastfrei – gedreht. Durch die elektromagnetische Induktion, hervorgerufen durch den magnetischen Fluss der Permanentmagneten am Rotor, fließen Induktionsströme durch die miteinander kurzgeschlossenen Statorphasen. Eine Entmagnetisierung der Permanentmagneten resultiert sich somit in einer Änderung der Induktionsströme. Im Rahmen der Erfindung wurde dabei erkannt, dass eine homogene Entmagnetisierung zu einer Veränderung der Amplitude des Induktionsstroms und eine inhomogene Entmagnetisierung zu einer Veränderung des Oberschwingverhaltens des Induktionsstromes führen. Durch Vergleichen eines aktuell gemessenen Induktionsstromes mit einem Referenzstrom lassen sich somit sowohl der Ausmaß als auch die Art der Entmagnetisierung zuverlässig ermitteln.
-
Da Ströme in den Statorphasen bei der Regelung eines permanenterregten Elektromotors als Regeleingangsgrößen sowieso gemessen werden und entsprechende Strommesser vorgesehen sind, mit denen auch die oben genannten Induktionsströme als Ist-Phasenströme gemessen werden können, sind bei dem Verfahren der vorliegenden Anmeldung keine zusätzlichen Messeinheiten erforderlich.
-
Damit ist ein Verfahren geschaffen, die Entmagnetisierung eines Permanentmagneten eines Elektromotors einfach und zuverlässig zu ermitteln.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung wird ein Quotient zwischen dem zumindest einen Istwert und dem zumindest einen Referenzwert gebildet und mit der Zahl 1 (eins) verglichen. Je stärker der Quotient dabei von der Zahl 1 abweicht, desto stärkere Entmagnetisierung wird ermittelt. Der Quotient lässt sich über eine steigende oder fallende Funktion darstellen, die insb. monoton oder streng monoton den Grad bzw. den Ausmaß der Entmagnetisierung abbildet.
-
Eine Bildung eines Quotienten und ein Vergleich des Quotienten mit einer Zahl 1 sind schaltungs- oder softwaretechnisch einfach realisierbar.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung wird aus den Ist-Stromwerten des Ist-Phasenstromes ein Ist-Amplitudenextremwert des Ist-Phasenstromes bestimmt. Der Ist-Amplitudenextremwert wird anschließend als der zumindest eine Istwert mit einem Referenz-Amplitudenextremwert des Referenz-Phasenstromes als dem zumindest einen Referenzwert verglichen. Dabei wird der Referenz-Amplitudenextremwert aus den Referenz-Stromwerten des Referenz-Phasenstromes vorab und in der gleichen Weise wie der Ist-Amplitudenextremwert ermittelt und zwischengespeichert.
-
Ein Amplitudenextremwert kann dabei ein maximaler Stromwert oder auch ein minimaler Stromwert der Ist-, bzw. Referenz-Stromwerte sein. Ein derartiger Amplitudenextremwert lässt sich durch einen einfachen Vergleich der Ist-, bzw. Referenz-Stromwerte miteinander leicht bestimmen.
-
Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung wird der Rotor über zumindest eine Umdrehung gedreht. Die Ist-Stromwerte werden dann über zumindest eine Signalperiode erfasst, die vorzugsweise der zumindest einen Umdrehung des Rotors entspricht. Aus diesen Ist-Stromwerten wird dann zumindest ein Ist-Fourierkoeffizient des Ist-Phasenstromes berechnet. Anschließend wird der zumindest eine Ist-Fourierkoeffizient als der zumindest eine Istwert mit zumindest einem korrespondierenden Referenz-Fourierkoeffizient des Referenz-Phasenstromes als dem zumindest einen Referenzwert verglichen. Dabei wird der zumindest eine Referenz-Fourierkoeffizient aus den Referenz-Stromwerten vorab und in der gleichen Weise wie der zumindest eine Ist-Fourierkoeffizient ermittelt und zwischengespeichert.
-
Vorzugsweise wird der zumindest eine Ist-Fourierkoeffizient aus den Ist-Stromwerten anhand einer der folgenden Gleichungen berechnet:
wobei
- – an_ist, bn_ist die Ist-Fourierkoeffizienten,
- – I_ist1, ..., I_istn, ..., I_istN die Ist-Stromwerte,
- – N die Anzahl der Ist-Stromwerte
darstellen.
-
Durch den Vergleich von mehreren Ist-Fourierkoeffizienten mit den entsprechenden Referenz-Fourierkoeffizienten lassen sich sowohl der Ausmaß als auch die Art der Entmagnetisierung bestimmen.
-
Anstatt einer Fourier-Transformation können auch andere Transformationen von Zeitsignalen in den Frequenzraum verwendet werden, insb. Wavelet-Transformation.
-
Weichen alle Ist-Fourierkoeffizienten um einen und den gleichen Faktorwert von den jeweiligen korrespondierenden Referenz-Fourierkoeffizienten ab, so wird von einer homogenen Entmagnetisierung bei dem Permanentmagneten ausgegangen. Weichen die Ist-Fourierkoeffizienten um unterschiedliche Faktorwerte von den jeweiligen korrespondierenden Referenz-Fourierkoeffizienten ab, so wird von einer inhomogenen Entmagnetisierung bei dem Permanentmagneten ausgegangen.
-
Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung werden zumindest zwei Ist-Fourierkoeffiziente aus den Ist-Stromwerten berechnet. Aus diesen zumindest zwei Ist-Fourierkoeffizienten wird dann ein Ist-Amplitudenwert einer Grund- oder n-ten Oberschwingung des Ist-Phasenstromes anhand folgender Gleichungen berechnet:
wobei
- – a1_ist, b1_ist bzw. an_ist, bn_ist die zumindest zwei Ist-Fourierkoeffizienten,
- – c1_ist ein Ist-Amplitudenwert der Grundschwingung des Ist-Phasenstromes, und
- – cn_ist ein Ist-Amplitudenwert einer n-ten Oberschwingung des Ist-Phasenstromes
darstellen.
-
Der Ist-Amplitudenwert der Grund- oder n-ten Oberschwingung wird dann als der zumindest eine Istwert mit einem korrespondierenden, vorab ermittelten Referenz-Amplitudenwert der entsprechenden Grund- oder n-ten Oberschwingung des Referenz-Phasenstromes als dem zumindest einen Referenzwert verglichen. Dabei wird der Referenz-Amplitudenwert der Grund- oder n-ten Oberschwingung aus den Referenz-Stromwerten des Referenz-Phasenstromes vorab und in der gleichen Weise wie der Ist-Amplitudenwert der Grund- bzw. n-ten Oberschwingung ermittelt und zwischengespeichert.
-
Durch den Vergleich des Ist-Amplitudenwertes der Grundschwingung mit dem Referenz-Amplitudenwert der Grundschwingung ist es möglich, eine homogene Entmagnetisierung in einfacher Weise zu bestimmen.
-
Durch den Vergleich des Ist-Amplitudenwertes der n-ten Oberschwingung mit dem Referenz-Amplitudenwert der korrespondierenden n-ten Oberschwingung ist es möglich, eine inhomogene Entmagnetisierung in einfacher Weise zu bestimmen.
-
Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung wird aus den Ist-Fourierkoeffizienten Ist-Amplitudenwerte der Grund- bis n-ten Oberschwingungen berechnet. Aus den Ist-Amplitudenwerten der Grund- bis n-ten Oberschwingungen des Ist-Phasenstromes wird dann ein Klirrfaktor k ist des Ist-Phasenstromes anhand folgender Gleichung berechnet:
-
Der Klirrfaktor wird dann als der zumindest eine Istwert mit einer Zahl 0 (null) als dem zumindest einen Referenzwert verglichen.
-
Ein Klirrfaktor gleich 0 deutet auf einen fehlerfreien nicht entmagnetisierten Permanentmagneten hin. Je stärker der der Klirrfaktor von der Zahl 0 abweicht, desto stärker ist die inhomogene Entmagnetisierung bei dem Permanentmagneten.
-
Gemäß einer alternativen Ausgestaltung werden aus den Ist-Stromwerten ein Effektivwert des Ist-Phasenstromes und aus den Ist-Fourierkoeffizienten ein Ist-Amplitudenwert der Grundschwingung des Ist-Phasenstromes berechnet. Aus dem Effektivwert und dem Ist-Amplitudenwert der Grundschwingung wird dann der Klirrfaktor k ist des Ist-Phasenstromes anhand folgender Gleichung berechnet:
-
Der Klirrfaktor wird dann als der zumindest eine Istwert mit der Zahl 0 (null) als dem zumindest einen Referenzwert verglichen.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Ermitteln einer Entmagnetisierung eines Permanentmagneten eines Elektromotors bereitgestellt.
-
Dabei umfasst die Vorrichtung eine Antriebseinheit, die ausgeführt ist, den Rotor des Elektromotors um die Rotordrehachse und vorzugsweise mit einer konstanten Drehgeschwindigkeit zu drehen.
-
Die Vorrichtung umfasst ferner eine Steuereinheit, die ausgeführt ist, beim Drehen des Rotors die Statorphasen des Stators des Elektromotors miteinander elektrisch kurzzuschließen.
-
Die Vorrichtung umfasst ferner eine Messeinheit, die ausgeführt ist, beim Drehen des Rotors -einen durch eine der Statorphasen fließenden Ist-Phasenstrom zu messen.
-
Die Vorrichtung umfasst zudem eine Berechnungseinheit, die eingerichtet ist, aus den gemessenen Ist-Stromwerten des Ist-Phasenstromes zumindest einen Istwert zu bestimmen, der repräsentativ für den Ist-Phasenstrom, insb. für einen gemessenen Ist-Stromwert oder den Verlauf des Ist-Phasenstromes bzw. dessen Ist-Stromwerte ist.
-
Die Vorrichtung umfasst außerdem eine Vergleichseinheit, die eingerichtet ist, den zumindest einen Istwert mit zumindest einem Referenzwert zu vergleichen, der repräsentativ für einen Referenz-Phasenstrom, insb. für einen Referenz-Stromwert oder den Verlauf der Referenz-Stromwerte des Referenz-Phasenstromes ist, der bei einem gleichen Elektromotor mit intakten Permanentmagneten und unter den gleichen Messbedingungen, wie z. B. der Drehgeschwindigkeit, an der entsprechenden Statorphase gemessen wurde.
-
Die Vorrichtung umfasst außerdem eine Ermittlungseinheit, die eingerichtet ist, anhand der Abweichung zwischen dem zumindest einen Istwert und dem zumindest einen Referenzwert die Entmagnetisierung des Permanentmagneten zu ermitteln, wobei die Größe der Abweichung die Stärke der Entmagnetisierung wiedergibt.
-
Gemäß noch einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Antriebsanordnung zum Antreiben eines Fahrzeugs, insbesondere eines Hybrid-/Elektrofahrzeugs, mit einem einen Permanentmagneten aufweisenden Elektromotors bereitgestellt, wobei die Antriebsanordnung eine zuvor beschriebene Vorrichtung zum Ermitteln der Entmagnetisierung des Permanentmagneten des Elektromotors aufweist.
-
Vorzugsweise umfasst die Antriebsanordnung ferner eine Verbrennungsmaschine zum Antreiben des Fahrzeugs, die zudem als die Antriebseinheit der Vorrichtung ausgebildet ist.
-
Vorteilhafte Ausgestaltungen des oben beschriebenen Verfahrens sind, soweit im Übrigen auf die oben genannte Vorrichtung beziehungsweise die oben genannte Antriebsanordnung übertragbar, auch als vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung bzw. der Antriebsanordnung anzusehen.
-
Im Folgenden werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
-
1 in einer schematischen Darstellung eine Antriebsanordnung zum Antreiben eines Fahrzeuges mit einer permanenterregten Synchronmaschine und einer Vorrichtung zum Ermitteln der Entmagnetisierung von Permanentmagneten der Synchronmaschine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
-
2 in einem schematischen Ablaufdiagramm ein Verfahren zum Ermitteln der Entmagnetisierung der Permanentmagneten gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
-
3A in einem schematischen Signaldiagramm einen Verlauf eines Referenz-Phasenstromes einer fehlerfreien permanenterregten Synchronmaschine und einen Verlauf eines Ist-Phasenstromes der gleichen Synchronmaschine mit einer homogenen Entmagnetisierung bei den Permanentmagneten der Synchronmaschine;
-
3B in einem schematischen Signaldiagramm einen Verlauf eines Referenz-Phasenstromes einer fehlerfreien permanenterregten Synchronmaschine und einen Verlauf eines Ist-Phasenstromes der gleichen Synchronmaschine mit einer inhomogenen Entmagnetisierung bei den Permanentmagneten der Synchronmaschine.
-
Zunächst wird auf 1 verwiesen, in der eine Antriebsanordnung A zum Antreiben eines in Figur nicht dargestellten Fahrzeuges vereinfacht und schematisch dargestellt ist.
-
Die Antriebsanordnung A umfasst eine Antriebswelle AW, ein Getriebe GT und eine Verbrennungsmaschine VM, die über das Getriebe GT und die Antriebswelle AW mit einem Rad RD des Fahrzeugs mechanisch verbunden ist und über die Antriebswelle AW das Rad RD antreibt.
-
Die Antriebsanordnung A umfasst ferner eine permanenterregte Synchronmaschine SM, die ihrerseits einen Stator ST, einen Rotor RT samt einer Rotorwelle RW umfasst. Über die Rotorwelle RW ist die Synchronmaschine SM mit einer in Figur nicht dargestellten Welle der Verbrennungsmaschine VM mechanisch verbunden und dient bei Bedarf als zweites Antriebsaggregat neben der Verbrennungsmaschine VM zum Antreiben des Rades RD. Damit ist die Antriebsanordnung A als Hybridelektroantrieb ausgebildet.
-
Der Stator ST der Synchronmaschine SM weist drei Statorphasen U, V und W auf. Die Statorphasen U, V, und W sind mit einer Leistungselektronikeinheit LE der Antriebsanordnung A elektrisch verbunden und werden zum Betrieb der Synchronmaschine SM von der Leistungselektronikeinheit LE mit Phasenströmen Iu, Iv und Iw versorgt.
-
Der Rotor RT umfasst eine Anzahl von Permanentmagneten PM, die drehfest mit der Rotorwelle RW mechanisch verbunden sind.
-
Die Antriebsanordnung A umfasst ferner einen Drehzahlsensor DS zum Messen des Drehwinkels des Rotors RT. Aus dem gemessenen Drehwinkel wird die Drehgeschwindigkeit der Synchronmaschine SM berechnet.
-
Die Antriebsanordnung A umfasst zudem eine Regelungseinheit RE zum Regeln der Synchronmaschine SM. Die Regeleinheit RE ist über eine Signalleitung SL7 mit dem Drehzahlsensor DS elektrisch verbunden und erhält über diese Signalleitung SL7 von dem Drehzahlsensor DS Informationen über aktuelle Drehwinkel des Rotors RT. Über weitere Signalleitungen SL8 ist die Regelungseinheit RE mit in der Figur nicht dargestellten Strommessern elektrisch verbunden, die die Phasenströme Iu, Iv, Iw an den Statorphasen U, V, W messen und die gemessene Ist-Phasenstromwerte I_ist1, ..., I_istn, ..., I_istN über die Signalleitungen SL8 an die Regelungseinheit RE weiterleiten. Die Regelungseinheit RE regelt die Synchronmaschine SM anhand der Informationen über aktuelle Drehwinkel und Ist-Phasenstromwerte I_ist1, ..., I_istn, ..., I_istN mittels einer feldorientierten Regelung.
-
Zur feldorientierten Regelung dient die Größe des von den Permanentmagneten PM des Rotors RT erzeugten magnetischen Flusses als ein Parameter zur Feststellung der Regelgrößen.
-
Bedingt durch Alterserscheinungen der Permanentmagneten PM und äußere Einflüsse, wie z. B. zu große Phasenströme und/oder zu hohe Umgebungstemperaturen, verlieren die Permanentmagneten PM im Laufe der Zeit ihre magnetische Polarisierung werden somit entmagnetisiert. Als Folge verringert sich der magnetische Fluss von den Permanentmagneten PM mit der Zeit. Dabei verlieren die Permanentmagneten PM abhängig von der Beschaffenheit der Permanentmagneten PM und den äußeren Einflüssen ihre magnetische Polarisierung gleichmäßig oder ungleichmäßig, was zur Folge hat, dass die Permanentmagneten PM homogen oder inhomogen entmagnetisiert.
-
Um die Synchronmaschine SM trotz der homogen oder inhomogen Entmagnetisierung und des sich dadurch ändernden magnetischen Flusses weiterhin fehlerfrei regeln zu können, müssen sowohl der Ausmaß der Entmagnetisierung als auch die Art der Entmagnetisierung im Vorfeld bekannt sein und bei der Regelung durch entsprechende Änderungen bei den Regelgrößen kompensiert werden. Bei einer starken Entmagnetisierung müssen weitere Maßnahmen, wie z. B. eine Reparatur der Synchronmaschine SM, eingeleitet werden.
-
Um die Entmagnetisierung der Permanentmagneten PM der Synchronmaschine SM zuverlässig zu ermitteln, weist die Antriebsanordnung A eine Vorrichtung V auf.
-
Die Vorrichtung V umfasst eine Steuereinheit SE, eine Messeinheit ME, eine Berechnungseinheit BE, eine Vergleichseinheit VE, sowie eine Ermittlungseinheit EE. Die Verbrennungsmaschine VM der Antriebsanordnung A dient zusätzlich zum Antrieb des Fahrzeugs noch als Antriebseinheit zum Drehen des Rotors RT beim Ermitteln der Entmagnetisierung und wird somit in Bezug auf die Ermittlung der Entmagnetisierung als Teil der Vorrichtung V betrachtet.
-
Die Steuereinheit SE ist über eine Signalleitung SL1 mit der Verbrennungsmaschine VM bzw. mit deren Steuereinheit elektrisch verbunden. Über eine weitere Signalleitung SL2 ist die Steuereinheit SE mit der Leistungselektronikeinheit LE der Synchronmaschine SM elektrisch verbunden. Die Steuereinheit SE ist eingerichtet, durch Abgabe eines Steuersignals über die Signalleitung SL1 an die Verbrennungsmaschine VM diese zu veranlassen, die Synchronmaschine SM mit einer vorgegebenen konstanten Drehgeschwindigkeit zu drehen. Die Steuereinheit SE ist ferner eingerichtet, durch Abgabe eines weiteren Steuersignals über die Signalleitung SL2 an die Leistungselektronikeinheit LE diese zu veranlassen, die drei Statorphasen U, V, und W miteinander elektrisch kurzzuschließen.
-
Die Messeinheit ME ist eingangsseitig über eine Signalleitung SL9 mit zuvor genannten Strommessern zum Messen von Phasenströmen Iu, Iv und Iw elektrisch verbunden und erhält über diese Signalleitung SL9 von den Strommessern die aktuellen Ist-Stromwerte I_ist1, ..., I_istn, ..., I_istN der Statorphasen U, V, W. Die Messeinheit ME ist ausgangsseitig über eine weitere Signalleitung SL3 mit der Berechnungseinheit BE elektrisch verbunden und leitet über diese Signalleitung SL3 die Ist-Stromwerte I_ist1, ..., I_istn, ..., I_istN analog oder digital aufbereitet an die Berechnungseinheit BE weiter.
-
Die Berechnungseinheit BE ist eingangsseitig über die Signalleitung SL3 mit der Messeinheit ME elektrisch verbunden. Ausgangsseitig ist die Berechnungseinheit BE über eine weitere Signalleitung SL4 mit der Vergleichseinheit VE elektrisch verbunden. Die Berechnungseinheit BE ist eingerichtet, aus den von der Messeinheit ME über die Signalleitung SL3 weitergeleiteten Ist-Stromwerten I_ist1, ..., I_istn, ..., I_istN einen Istwert X_ist zu bestimmen und diesen über die Signalleitung SL4 an die Vergleichseinheit VE weiterzuleiten.
-
Die Vergleichseinheit VE ist eingangsseitig über die Signalleitung SL4 mit der Berechnungseinheit BE und ausgangsseitig über eine weitere Signalleitung SL5 mit der Ermittlungseinheit EE elektrisch verbunden. Die Vergleichseinheit VE ist eingerichtet, den von der Berechnungseinheit BE erhaltenen Istwert X_ist mit einem vorab ermittelt zwischengespeicherten Referenzwert X_ref zu vergleichen und das Vergleichsergebnis über die Signalleitung SL5 an die Ermittlungseinheit EE abzugeben.
-
Die Ermittlungseinheit EE ist eingangsseitig über die Signalleitung SL5 mit der Vergleichseinheit VE und ausgangsseitig über eine weitere Signalleitung SL6 mit der Regelungseinheit RE elektrisch verbunden. Die Ermittlungseinheit EE ist eingerichtet, anhand des Vergleichsergebnisses, das von der Vergleichseinheit VE vermittelt wurde, zu bestimmen, ob eine Entmagnetisierung bei den Permanentmagneten des Rotors RT der Synchronmaschine SM vorliegt und wenn ja, um welche Art der Entmagnetisierung sich diese handelt und wie stark die Entmagnetisierung fortgeschritten ist. Diese Informationen über die Art und den Ausmaß der Entmagnetisierung leitet die Ermittlungseinheit EE über die Signalleitung SL6 an die Regelungseinheit RE weiter.
-
Die Regelungseinheit RE stellt dann die Regelgrößen entsprechend dem Ausmaß und der Art der Entmagnetisierung ein, so dass die Veränderung bei dem magnetischen Fluss der Permanentmagneten PM infolge der Entmagnetisierung bei der Regelung der Synchronmaschine SM kompensiert wird.
-
Ist die Entmagnetisierung stark fortgeschritten, so gibt die Ermittlungseinheit EE über eine in der Figur nicht dargestellte Signalleitung ein Warnsignal an einen Fahrzeugbordcomputer ab, der dann eine Warnmeldung an den Fahrer des Fahrzeugs abgibt, so dass er dann rechtzeitig eine Reparatur der Synchronmaschine SM veranlassen kann.
-
Das Verfahren zum Ermitteln der Entmagnetisierung der Permanentmagneten PM mit der zuvor beschriebenen Vorrichtung V wird nachfolgend anhand 2 in Verbindung mit 1 und 3 näher beschrieben.
-
Zum Ermitteln der Entmagnetisierung gibt die Steuereinheit SE gemäß einem Verfahrensschritt S100 über die Signalleitung SL1 ein Steuersignal an die Verbrennungsmaschine VM bzw. deren Steuereinheit ab und veranlasst diese, über die Rotorwelle RW die Synchronmaschine SM bzw. den Rotor RT der Synchronmaschine SM mit einer konstanten Drehgeschwindigkeit zu drehen. Zeitgleich gibt die Steuereinheit SE über die weitere Signalleitung SL2 ein weiteres Steuersignal an die Leistungseinheit LE und veranlasst diese, die drei Statorphasen U, V und W der Synchronmaschine SM miteinander elektrisch kurzzuschließen, sodass die Spannungen zwischen den Statorphasen U, V und W beim Drehen des Rotors RT allesamt 0 Volt betragen.
-
Gemäß einem weiteren Verfahrensschritt S200 misst die Messeinheit ME den Verlauf eines der drei Ist-Phasenstromes Iu_ist, der beim Drehen des Rotors RT durch die Statorphase U fließt, und leitet die gemessenen Ist-Stromwerte I_ist1, ..., I_istn, ..., I_istN des Ist-Phasenstromes Iu_ist an die Berechnungseinheit BE weiter.
-
Die Berechnungseinheit BE bestimmt dann gemäß einem weiteren Verfahrensschritt S300 aus den Ist-Stromwerten I_ist1, ..., I_istn, ..., I_istN zumindest einen Istwert X_ist, der repräsentativ für einen Ist-Stromwert I_istn oder den Verlauf der Ist-Stromwerte I_ist1, ..., I_istn, ..., I_istN ist, und leitet den zumindest einen Istwert X_ist an die Vergleichseinheit VE weiter.
-
Die Vergleichseinheit VE vergleicht den zumindest einen Istwert X_ist anschließend gemäß einem weiteren Verfahrensschritt S400 mit zumindest einem Referenzwert X_ref und leitet das Vergleichsergebnis an die Ermittlungseinheit EE weiter.
-
Dabei ist der zumindest eine Referenzwert X_ref repräsentativ für einen Referenz-Stromwert I_refn oder den Verlauf von Referenz-Stromwerten I_ref1, ..., I_refn, ..., I_refN eines Referenz-Phasenstromes Iu_ref, welcher bei der Statorphase Iu der Synchronmaschine SM mit fehlerfreien nichtentmagnetisierten Permanentmagneten PM unter den sonst gleichen Messbedingungen gemessen und in einer in der Figur nicht dargestellten Speichereinheit zwischengespeichert wurde.
-
Anhand der Abweichung zwischen dem zumindest einen Istwert X_ist und dem zumindest einen Referenzwert X_ref wird gemäß einem weiteren Verfahrensschritt S500 die Art und der Ausmaß der Entmagnetisierung der Permanentmagneten PM ermittelt. Dabei gibt die Größe der Abweichung die Stärke der Entmagnetisierung wieder.
-
Als mögliche Istwerte X_ist bzw. Referenzwerte X_ref werden folgende Größen ermittelt, die alternativ zueinander oder als Ergänzung zueinander zur Ermittlung der Entmagnetisierung herangezogen werden:
-
1. Amplitudenextremwert des Phasenstromes:
-
Als ein erster möglicher Istwert X_ist wird aus den gemessenen Ist-Stromwerten I_ist1, ..., I_istn, ..., I_istN ein Ist-Amplitudenextremwert I_amp_ist des Ist-Phasenstromes Iu_ist ermittelt.
-
Als Ist-Amplitudenextremwert I_amp_ist kann dabei ein Ist-Maximalwert oder Ist-Minimalwert der Ist-Stromwerte I_ist1, I_istn, ..., I_istN dienen, den die Berechnungseinheit BE durch Vergleichen der gemessenen Ist-Stromwerte I_ist1, ..., I_istn, ..., I_istN miteinander in einfacher Weise bestimmen kann.
-
Der so ermittelte Ist-Amplitudenextremwert I_amp_ist wird dann von der Vergleichseinheit VE mit einem Referenz-Amplitudenextremwert I_amp_ref des Referenz-Phasenstromes Iu_ref verglichen, der aus den Referenz-Stromwerten I_ref1, ..., I_refn, ..., I_refN in der oben beschriebenen Weise analog zu dem Ist-Amplitudenextremwert I_amp_ist vorab bestimmt und zwischengespeichert wurde.
-
Zum Vergleichen des Ist-Amplitudenextremwert I_amp_ist mit dem Referenz-Amplitudenextremwert I_amp_ref bildet die Vergleichseinheit VE einen Quotient Q zwischen den beiden Werten I_amp_ist, I_amp_ref und vergleicht diesen Quotient Q mit der Zahl 1 (eins). Je stärker der Quotient Q von der Zahl 1 abweicht, desto stärkere homogene Entmagnetisierung wird dabei ermittelt.
-
Eine homogene Entmagnetisierung ist in 3A beispielhaft dargestellt. Dabei zeigt die punktierte Sinuskurve einen Verlauf eines an der Statorphase U gemessenen Referenz-Phasenstromes Iu_ref bei der Synchronmaschine SM mit fehlerfreien nicht entmagnetisierten Permanentmagneten PM. Die durchgezogene Sinuskurve zeigt einen Verlauf eines an der gleichen Statorphase U unter den gleichen Messbedingungen gemessenen Ist-Phasenstromes Iu_ist bei der gleichen Synchronmaschine SM mit homogen entmagnetisierten Permanentmagneten PM.
-
2. Fourierkoeffizienten des Phasenstromes:
-
Als weitere mögliche Istwerte X_ist werden aus den Ist-Stromwerten I_ist1, ..., I_istn, ..., I_istN Ist-Fourierkoeffizienten an ist und bn ist des Ist-Phasenstromes Iu ist ermittelt.
-
Hierzu dreht die Verbrennungsmaschine VM den Rotor RT gemäß dem Verfahrensschritt S100 mit der konstanten Drehgeschwindigkeit über zumindest eine Umdrehung also über 360° Drehwinkel.
-
Die Messeinheit ME misst gemäß dem Verfahrensschritt S200 die Ist-Stromwerte I_ist1, ..., I_istn, ..., I_istN über eine Signalperiode des Ist-Phasenstromes Iu_ist.
-
Die Berechnungseinheit BE berechnet dann gemäß dem Verfahrensschritt S300 aus den Ist-Stromwerten I_ist1, ..., I_istn, ..., I_istN die beiden Ist-Fourierkoeffizienten an_ist, bn_ist anhand folgender Gleichungen:
-
Dabei bedeutet N die Anzahl der Ist-Stromwerte I_ist1, ..., I_istn, ..., I_istN .
-
Die Vergleichseinheit VE vergleicht dann die beiden Ist-Fourierkoeffizienten an_ist, bn_ist gemäß dem Verfahrensschritt S400 mit jeweiligen korrespondierenden Referenz-Fourierkoeffizienten an_ref, bn_ref, die vorab aus den Referenz-Stromwerten I_ref1, ..., I_refn, ..., I_refN in der oben beschriebenen Weise wie die jeweiligen korrespondierenden Ist-Fourierkoeffizienten an_ist, bn_ist ermittelt und zwischengespeichert wurden.
-
Dabei werden ein erster Quotient Q1 zwischen den jeweiligen ersten Fourierkoeffizienten an_ist und an_ref und ein zweiter Quotient Q2 zwischen den jeweiligen zweiten Fourierkoeffizienten bn_ist und bn_ref gebildet und jeweils mit der Zahl 1 verglichen.
-
Weichen dabei die beiden Quotienten Q1, Q2 jeweils um einen gleichen Faktorwert von der Zahl 1 ab, so wird von einer homogenen Entmagnetisierung bei den Permanentmagneten PM ausgegangen. Weichen die beiden Quotienten Q1, Q2 dagegen jeweils um unterschiedliche Faktorwerte von der Zahl 1 ab, so wird von einer inhomogenen Entmagnetisierung bei den Permanentmagneten PM ausgegangen.
-
Eine inhomogene Entmagnetisierung ist in 3B beispielhaft dargestellt. Dabei zeigt die punktierte Sinuskurve einen Verlauf eines an der Statorphase U gemessenen Referenz-Phasenstromes Iu_ref bei der Synchronmaschine SM mit fehlerfreien nicht entmagnetisierten Permanentmagneten PM. Die durchgezogene Sinuskurve mit einem Oberschwingungsanteil zeigt einen Verlauf eines an der gleichen Statorphase U unter den gleichen Messbedingungen gemessenen Ist-Phasenstromes Iu_ist bei der gleichen Synchronmaschine SM mit inhomogen entmagnetisierten Permanentmagneten PM.
-
3. Amplitudenwerte der Grund- bzw. n-ten Oberschwingungen:
-
Als weitere mögliche Istwerte X_ist werden aus den Ist-Stromwerten I_ist1, ..., I_istn, ..., I_istN Ist-Amplitudenwerte c1_ist, cn_ist der Grund- und n-ten Oberschwingungen cn des Ist-Phasenstromes Iu ist ermittelt.
-
Hierzu berechnet die Berechnungseinheit BE gemäß dem Verfahrensschritt S300 zunächst die oben genannten Ist-Fourierkoeffizienten an_ist, bn_ist bzw. a1_ist, b1_ist in der oben beschriebenen Weise und berechnet aus diesen Ist-Fourierkoeffizienten a1_ist, b1_ist, an_ist, bn_ist die jeweiligen korrespondierenden Ist-Amplitudenwerte c1_ist, cn_ist der Grund- und n-ten Oberschwingungen c1, cn anhand folgender Gleichung:
-
Die Vergleichseinheit VE vergleicht dann die Ist-Amplitudenwerte c1_ist, cn_ist gemäß dem Verfahrensschritt S400 mit jeweiligen korrespondierenden Referenz-Amplitudenwerten c1_ref, cn_ref, die vorab aus den Referenz-Stromwerten I_ref1, ..., I_refn, ..., I_refN in der oben beschriebenen Weise wie die jeweiligen korrespondierenden Ist-Amplitudenwerte c1_ist, cn_ist ermittelt und zwischengespeichert wurden.
-
Weicht der Ist-Amplitudenwert c1_ist der Grundschwindung c1 von dem korrespondierenden Referenz-Amplitudenwert c1_ref der Grundschwindung c1 ab, so wird von einer homogenen Entmagnetisierung bei den Permanentmagneten PM ausgegangen. Weicht der Ist-Amplitudenwert cn_ist der n-ten Oberschwindung cn von dem korrespondierenden Referenz-Amplitudenwert cn_ref der n-ten Oberschwindung cn ab, so wird von einer inhomogenen Entmagnetisierung bei den Permanentmagneten PM ausgegangen.
-
4. Klirrfaktor:
-
Als ein weiterer möglicher Istwert X_ist wird aus den Ist-Stromwerten I_ist1, ..., I_istn, ..., I_istN ein Klirrfaktor k ist des Ist-Phasenstromes Iu ist ermittelt.
-
Hierzu berechnet die Berechnungseinheit BE gemäß dem Verfahrensschritt S300 zunächst aus den Ist-Fourierkoeffizienten a1_ist, b1_ist, ..., an_ist, bn_ist die oben genannten Ist-Amplitudenwerte c1_ist, ..., cn_ist der Grund- bis n-ten Oberschwingungen c1, ..., cn in der oben beschriebenen Weise und berechnet aus diesen Ist-Amplitudenwerten c1_ist, ..., cn_ist den Klirrfaktor k_ist anhand folgender Gleichung:
-
Alternativ ermittelt die Berechnungseinheit BE den Klirrfaktor k_ist anhand folgender Gleichung:
wobei I ein Effektivwert des Phasenstromes Iu ist, der aus den Ist-Stromwerten I_ist1, ..., I_istn, ..., I_istN in einer dem Fachmann bekannten Weise ermittelt wird.
-
Der Klirrfaktor k_ist wird dann gemäß dem Verfahrensschritt S400 mit einer Zahl 0 (null) verglichen.
-
Ein Klirrfaktor k_ist gleich 0 entspricht einer reinen Sinusschwingung des Ist-Phasenstromes Iu_ist mit nur einer Grundfrequenz, was wiederum auf fehlerfreie nicht entmagnetisierte Permanentmagneten PM hindeutet.
-
Je je stärker der Klirrfaktor k_ist von 0 abweicht, desto mehr Oberschwingungen (Oberwelle) bezogen auf die Grundschwindung (Grundwelle) sind in dem Ist-Phasenstrom Iu_ist enthalten, was auf eine stärkere inhomogene Entmagnetisierung bei den Permanentmagneten PM hindeutet.
-
Das oben beschriebene Verfahren kann während eines Fahrtbetriebs des Fahrzeugs durchgeführt werden, in dem das Fahrzeug in einem Bremsvorgang oder einem Segelbetrieb befindet und die Verbrennungsmaschine VM nicht zum Antrieb des Fahrzeugs betrieben wird.
wobei N die Anzahl der Ist-Stromwerte (I_ist1, ..., I_istn, ..., I_istN) ist.
