DE102014206319A1

DE102014206319A1 - Verfahren zur Temperaturmessung in einer elektrischen Maschine

Info

Publication number: DE102014206319A1
Application number: DE102014206319.1A
Authority: DE
Inventors: Istvan Deak; Mario Kaepple
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-04-02
Filing date: 2014-04-02
Publication date: 2015-10-08

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Temperatur eines Permanentmagneten (7) eines Rotors (8) einer elektrischen Maschine (2), bei dem der Rotor (8) mit einer Drehzahl (n) angetrieben wird, ein eine in eine Wicklung (6) des Stators (4) der elektrischen Maschine (2) induzierte elektrische Spannung kennzeichnende Größe (V1, V2) erfasst wird, und anhand eines erfassten Werts der die in eine Wicklung (6) des Stators (4) der elektrischen Maschine (2) induzierte elektrische Spannung kennzeichnenden Größe (V1, V2) ein Temperaturwert des Permanentmagneten (7) bestimmt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Temperatur eines Permanentmagneten einer elektrischen Maschine.
Stand der Technik
In Fahrzeugen werden elektrische Maschinen bspw. als Starter für eine Brennkraftmaschine eingesetzt oder bspw. als Generator zur Stromerzeugung. In modernen Fahrzeugen werden elektrische Maschinen auch als Kombination von Starter und Generator, als sogenannte Startergeneratoren (SG), eingesetzt. Startergeneratoren sind elektrische Maschinen, die in einem Fahrzeug je nach Bedarf als Elektromotor oder als Generator betrieben werden können. Als Generator müssen Startergeneratoren alle Aufgaben übernehmen können, die herkömmlicherweise der Lichtmaschine zukommen, nämlich die elektrische Versorgung des Bordnetzes und das Laden der Fahrzeugbatterie. Als Elektromotor müssen Startergeneratoren beim Start der Brennkraftmaschine deren Kurbelwelle in kurzer Zeit auf die erforderliche Startdrehzahl bringen.
Elektrische Maschinen können insbesondere in Hybrid-Fahrzeugen genutzt werden, um sowohl motorisch als auch generatorisch betrieben zu werden. Der Verbrennungsmotor kann bei niedrigen Drehzahlen, bei denen dieser noch nicht sein volles Drehmoment liefert, durch einen motorischen Betrieb der elektrischen Maschine unterstützt werden. Beim Verzögern des Fahrzeugs kann durch generatorischen Betrieb der elektrischen Maschine kinetische Energie in elektrische Energie gewandelt werden.
Elektrische Maschinen können mittels einer Luftkühlung gekühlt werden. Um Übertemperaturschäden zu vermeiden, können Temperatursensoren in ein Gehäuse der elektrischen Maschine eingebaut werden. Alternativ kann mit Temperatursensoren die Temperatur eines der elektrischen Maschine zugehörigen Stromrichters erfasst und überwacht werden. Des Weiteren können Temperatursensoren direkt in Wicklungen der elektrischen Maschine eingebaut werden.
Eine Wicklungstemperatur T kann aus einer Widerstandsmessung R(T)=U/I und Kenntnis des der Temperaturabhängigkeit des Widerstands bestimmt werden. Hierzu muss jedoch der Strom durch die Wicklung genau gemessen werden, was aufwändig ist und wofür üblicherweise keine Messmittel vorhanden sind.
Es besteht daher Bedarf daran, die Temperaturmessung in einer elektrischen Maschine zu vereinfachen.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß werden ein Verfahren und eine Recheneinheit zur Messung der Temperatur eines Permanentmagneten einer elektrischen Maschine mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung macht sich zunutze, dass außer in permanenterregten elektrischen Maschinen auch in den meisten fremderregten elektrischen Maschinen Permanentmagnete (z.B. zur Streufeldkompensation) vorhanden sind, und dass die Remanenzflussdichte dieser Permanentmagnete von der Temperatur abhängt. Daher kann aus der Höhe der induzierten Spannung auf die Remanenzflussdichte und damit auf die Temperatur der Permanentmagnete und somit auf die Temperatur von temperaturkritischen Komponenten, insbesondere den Wicklungen und Permanantmagneten selbst, der elektrischen Maschine geschlossen werden. Es wird eine einfache Möglichkeit zur Temperaturmessung durch Messung einer die induzierte elektrische Spannung kennzeichnenden Größen vorgestellt, die im Prinzip mit ohnehin vorhandenen Bauteilen auskommt. Hierdurch wird eine sensorlose Temperaturbestimmung der Permanentmagnettemperatur möglich. Somit wird die Temperaturabhängigkeit der Remanenzflussdichte von Permanentmagneten zur Bestimmung der Permanentmagnettemperatur verwendet, da unterschiedlichen Remanenzflussdichte zu unterschiedlich hohen induzierten elektrischen Spannungen führen. Dies erlaubt einen vereinfachten Bauteilschutz vor Übertemperaturen und/oder eine vereinfachte Regelung der elektrischen Maschine.
Gemäß einer Ausführungsform ist die die induzierte elektrische Spannung kennzeichnende Größe eine gleichgerichtete Ausgangswechselspannung der elektrischen Maschine. Diese gleichgerichtete Ausgangswechselspannung wird in Fahrzeugen ohnehin erfasst, so dass dies eine besonders einfache Lösung darstellt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die die induzierte elektrische Spannung kennzeichnende Größe eine Ausgangswechselspannung bzw. Phasenspannung der elektrischen Maschine, d.h. also vor der Gleichrichtung. Hierdurch wird erreicht, dass eine Gleichrichtung der Wechselspannung in eine Gleichspannung die Messgenauigkeit nicht negativ beeinflusst.
Weiter vorzugsweise wird die jeweilige Spannung als Leerlaufspannung erfasst, d.h. ohne dass die elektrische Maschine belastet ist. Hierdurch wird eine besonders genaue Temperaturmessung möglich, da keine z.B. sich zeitlich ändernde Last die Messgenauigkeit negativ beeinflusst.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird der Rotor für die Messung mit einer vorgegebenen Drehzahl angetrieben. Hierdurch wird erreicht, dass keine Drehzahlabhängigkeit der induzierten Spannung berücksichtigt werden muss und ein fester Zusammenhang zwischen Temperatur und Höhe der induzierten elektrischen Spannung, welcher beispielsweise in einem Kennfeld hinterlegt ist, verwendet werden kann. Dies vereinfacht die Messwertauswertung.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird der Rotor für die Messung mit einer beliebigen Drehzahl angetrieben und ein Drehzahlwert erfasst. Hierdurch wird erreicht, dass der Einfluss verschiedener Drehzahlen auf das Messergebnis bei der Messwertauswertung berücksichtigt werden kann. Ferner ist es so möglich, Temperaturmessungen bei verschiedenen Drehzahlen und damit während der gesamten Betriebsdauer der elektrischen Maschine unabhängig von der aktuellen Drehzahl durchzuführen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird eine inaktive Betriebsphase der elektrischen Maschine erfasst, und bei Vorliegen einer inaktiven Betriebsphase wird die die induzierte elektrische Spannung kennzeichnende Größe erfasst. Hierdurch kann die Permanentmagnetemperatur bestimmt werden, wenn in einer inaktiven Betriebsphase die elektrische Maschine nicht aktiv betrieben wird, sondern nur passiv mitgeschleppt wird. Dies erlaubt eine besonders genaue Temperaturwertbestimmung, da keine Laständerungen die Messgenauigkeit negativ beeinflussen. Inaktive Betriebsphasen treten vor allem bei sog. Boost-Rekuperations-Systemen häufig auf, bei denen die elektrische Maschine nur zur Bremsenergierückgewinnung und zur Antriebsunterstützung verwendet wird, nicht jedoch zur normalen Stromerzeugung im Fahrzeug. Das Messen der Temperatur in den inaktiven Betriebsphasen bietet außerdem den Vorteil, dass hier kein Einfluss auf das Geräusch ausgeübt wird, wie es bei Strommessverfahren im laufenden Betrieb der Maschine der Fall ist, denn bei einer Temperaturmessung mittels des ohmschen Gesetzes (R = U/I) wird ein Messstrom benötigt, der elektromagnetische Kräfte hervorruft, die wiederum einen Geräuscheinfluss haben.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird, wenn es sich um eine fremderregte elektrische Maschine mit einer Läuferwicklung handelt, die Läuferwicklung der elektrischen Maschine für die Messung mit einem vorgegebenen Messstrom bestromt. Hierdurch wird die induzierte Spannung erhöht und kann in einen optimalen Messbereich geschoben werden. In Kraftfahrzeugen kann die Bordspannung meist nur in einem beschränkten Bereich um die Nennspannung herum gemessen werden, in welchem Bereich die nur von Permanentmagneten induzierte Induktionsspannung bei fremderregten Maschinen normalerweise nicht liegt. Außerdem kann dadurch der Einfluss einer Restremanenz aus einem vorherigen Betrieb im Eisen vermeiden werden, was zu einer verfälschten Temperaturermittlung führen würde.
Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. als Teil eines Steuergeräts eines Kraftfahrzeugs, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
Auch die Implementierung des Verfahrens in Form von Software ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere Disketten, Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, CD-ROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend 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.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt in schematischer Darstellung eine elektrische Maschine mit einer Auswerteinheit zur Bestimmung der Temperatur eines Permanentmagneten der elektrischen Maschine.
2 zeigt die Abhängigkeit einer Leerlaufspannung von einer Drehzahl bei verschiedenen Temperaturen.
3 zeigt die Temperaturabhängigkeit einer Wechselspannung.
Ausführungsform(en) der Erfindung
Die 1 zeigt in schematischer Darstellung eine elektrische Maschine 2. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die elektrischen Maschine 2 ein Bestandteil eines Boost-Rekuperations-Systems eines Fahrzeugs. Eine solche elektrische Maschine 2 wird üblicherweise als Boost-Rekuperations-Maschine bezeichnet.
Die elektrische Maschine 2 ist als Innenläufer mit einem äußeren Stator 4 und einem inneren Rotor 8 ausgebildet, der um eine Drehachse D drehbar gelagert ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weist der Stator 4 Wicklungen 6 auf, die einer oder mehreren Phasen zugeordnet sein können und im motorischen Betriebsmodus der elektrischen Maschine 2 mit elektrischem Strom beaufschlagt werden können.
Der Rotor 8 weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel einen oder mehrere Permanentmagnete 7 und eine Läuferwicklung bzw. Erregerwicklung 10 auf, wobei die Permanentmagnete 7 insbesondere Seltenerdmagnete sind, die im Wesentlichen aus ferromagnetischen Metallen (Eisen, Kobalt, seltener Nickel) und Seltenerdmetallen (insbesondere Neodym, Samarium, Praseodym, Dysprosium, Terbium, Gadolinium) bestehen. Auch Yttrium kann die Rolle eines Seltenerdmetalls einnehmen. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass sie gleichzeitig eine hohe magnetische Remanenzflussdichte und eine hohe magnetische Koerzitivfeldstärke und damit eine hohe magnetische Energiedichte aufweisen. Es handelt sich demnach um eine fremderregte elektrische Maschine mit Permanentmagneten z.B. zur Streufeldkompensation oder für einen Notbetrieb.
Mit den Wicklungen 6 des Stators 4 ist eine Auswerteeinheit 12 elektrisch leitend verbunden. Die Auswerteeinheit 12 kann Teil einer Recheneinheit, z.B. eines Steuergeräts eines Kraftfahrzeugs sein. Die Auswerteeinheit 12 kann Teil eines Stromrichters des Fahrzeugs sein, der von der elektrischen Maschine im generatorischen Betrieb erzeugte Wechselspannung gleichrichtet oder vom Bordnetz des Fahrzeugs bereitgestellte Gleichspannung im motorischen Betrieb wechselrichtet.
Die Auswerteeinheit 12 weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Elektronikbaugruppe 14 sowie einen ersten Spannungsmesser V1 und einen zweiten Spannungsmesser V2 auf. Ausgangsseitig steht zwischen einem Anschluss B+ und einem Masseanschluss 16 eine gleichgerichtete elektrische Ausgangswechselspannung für das Bordnetz des Fahrzeugs zur Verfügung, wenn die elektrische Maschine 2 generatorisch betrieben wird. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der erste Spannungsmesser V1 zum Messen einer Ausgangswechselspannung der elektrischen Maschine 2 und der zweite Spannungsmesser V2 ist zum Messen der gleichgerichteten Ausgangswechselspannung der elektrischen Maschine 2 als jeweils eine die induzierte elektrische Spannung kennzeichnende Größe verschaltet.
Die Auswerteeinheit 12 ist zur Messung der Temperatur der Permanentmagnete 7 des Rotors 8 eingerichtet.
Sie weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel hierzu eine Spannungswerterfassungseinrichtung 18 zum Einlesen eines Spannungswerts als Wert der die induzierte elektrische Spannung kennzeichnenden Größe auf, die mit dem ersten Spannungsmesser V1 und/oder mit dem zweiten Spannungsmesser V2 erfasst wurde.
Ferner weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel die Auswerteinheit 12 eine Temperaturbestimmungseinrichtung 20 auf, die anhand des erfassten Spannungswerts einen Temperaturwert der Permanentmagnete 7 bestimmt.
Des Weiteren weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel die Auswerteeinheit 12 eine Betriebsphasenerfassungseinheit 22 zum Erfassen aktiver und inaktiver Betriebsphasen der elektrischen Maschine 2, eine Messstromerzeugungseinheit 24 zum Erzeugen eines Messstroms durch die Läuferwicklung 10 und eine Drehzahlerfassungseinheit 26 zum Erfassen einer Drehzahl n der elektrischen Maschine 2 auf.
Dabei kann die Auswerteinheit 12 hierfür Hard- und/oder Softwarekomponenten aufweisen.
Die 2 zeigt dabei eine gleichgerichtete Leerlaufspannung U₀ der elektrischen Maschine 2, wie sie von dem zweiten Spannungsmesser V2 erfasst werden kann, im generatorischen Betrieb in Abhängigkeit von der Drehzahl n des Rotors für zwei verschiedene Temperaturwerte T1 und T2 mit T1 < T2.
Zu erkennen ist, dass sich bei der höheren Temperatur T2 eine niedrigere elektrische Leerspannung U₀ einstellt als bei der niedrigeren Temperatur T1, da die höhere Temperatur T2 eine Schwächung der Remanenzflussdichte bewirkt.
Die 3 hingegen zeigt eine nichtgleichgerichtete Spannung U der elektrischen Maschine 2, wie sie von dem ersten Spannungsmesser V1 erfasst werden kann, im generatorischen Betrieb in Abhängigkeit von der Drehzahl n des Rotors 8 für zwei verschiedene Temperaturwerte T1 und T2 mit T1 < T2.
Zu erkennen ist, dass bei der höheren Temperatur T2 die Spannung U einen niedrigeren Scheitelwert bzw. Pegelwert als bei der niedrigeren Temperatur T1 aufweist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfasst die Auswerteinheit 12 im Betrieb in einem ersten Schritt mit der Betriebsphasenerfassungseinheit 22, ob sich die elektrische Maschine 2 in einer inaktive Betriebsphase befindet, in der die elektrische Maschine 2 nur passiv mitgeschleppt wird.
Wenn sich die elektrische Maschine 2 in einer inaktiven Phase befindet, wird in einem weiteren Schritt mit der Drehzahlerfassungseinheit 26 nun die Drehzahl n des mitgeschleppten Rotors 8 erfasst.
In einem weiteren Schritt wird mit der Spannungswerterfassungseinrichtung 18 der Auswerteeinheit 12 eine die in eine der Wicklungen 6 des Stators 4 der elektrischen Maschine 2 induzierte elektrische Spannung kennzeichnende Größe erfasst. Hierbei kann es sich eine Gleichspannung U₀, die an einem Anschluss B+ anliegt, oder um eine Wechselspannung U handeln.
In einem weiteren Schritt bestimmt die Temperaturbestimmungseinrichtung 20 der Auswerteeinheit 12 anhand des erfassten Spannungswertes einen Temperaturwert der Permanentmagnete 7. Hierzu greift die Temperaturbestimmungseinrichtung 20 im vorliegenden Ausführungsbeispiel auf ein abgespeichertes Kennfeld zurück, das den erfassten Spannungswert und die erfasste Drehzahl mit einem Temperaturwert verknüpft.
Das abgespeicherte Kennfeld kann während der Fertigung der elektrischen Maschine 2 aufgenommen werden. Dabei kann die Fertigung der elektrischen Maschine 2 einen Kalibrierprozess umfassen, um Toleranzen, z.B. des Magnetmaterials oder des Luftspalts, zu kompensieren. Mittels des Kalibrierprozesses kann das Kennfeld zur Ermittlung des Temperaturwerts der Permanentmagnete 7 korrigiert werden, um die Genauigkeit der Temperaturermittlung zu erhöhen.
Alternativ kann eine Berechnungseinheit (nicht dargestellt) anhand einer abgespeicherten Berechnungsformel aus dem erfassten Spannungswert und der erfasste Drehzahl den Temperaturwert berechnen. Auch die Berechnungsformel kann, z.B. durch Anpassung von Parametern der Berechnungsformel, im Rahmen des Kalibrierprozesses, angepasst werden, um Toleranzen zu korrigieren und dadurch die Genauigkeit der Temperaturermittlung zu erhöhen.
Abweichend von dem oben beschriebenen Verfahrensablauf kann der Temperaturwert auch bestimmt werden, wenn die elektrische Maschine 2 mit einer vorgegebenen Drehzahl n betrieben wird. Die Messung der Temperatur wird dann mit Erreichen der Drehzahl n, z.B. während einer inaktiven Phase der elektrischen Maschine 2, durchgeführt, wobei sich hier die Temperaturbestimmung vereinfacht, da die Drehzahl n zur Temperaturbestimmung nicht berücksichtigt werden muss.
Ferner kann abweichend von dem oben beschriebenen Verfahrensablauf zur Messung der in den Wicklungen 6 des Stators 4 induzierten elektrischen Spannung die Messstromerzeugungseinheit 24 die Läuferwicklung 10 mit einem Messstrom beaufschlagen. So kann erreicht werden, dass die induzierte Spannung in einem optimalen Messbereich liegt. Daher ist die Messgenauigkeit nochmals gesteigert.

Claims

Verfahren zur Messung der Temperatur eines Permanentmagneten (7) eines Rotors (8) einer elektrischen Maschine (2), bei dem der Rotor (8) mit einer Drehzahl (n) angetrieben wird, ein eine in eine Wicklung (6) des Stators (4) der elektrischen Maschine (2) induzierte elektrische Spannung kennzeichnende Größe (V1, V2) erfasst wird, und anhand eines erfassten Werts der die in eine Wicklung (6) des Stators (4) der elektrischen Maschine (2) induzierte elektrische Spannung kennzeichnenden Größe (V1, V2) ein Temperaturwert des Permanentmagneten (7) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem als die die in eine Wicklung (6) des Stators (4) der elektrischen Maschine (2) induzierte elektrische Spannung kennzeichnende Größe (V1, V2) eine Ausgangswechselspannung (U) oder eine gleichgerichtete Ausgangswechselspannung (U₀) der elektrischen Maschine (2) erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die erfasste elektrische Spannung eine Leerlaufspannung ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Rotor (8) mit einer vorgegebenen Drehzahl (n) angetrieben wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Rotor (8) mit einer beliebigen Drehzahl (n) angetrieben und ein Drehzahlwert erfasst wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem eine inaktive Betriebsphase der elektrischen Maschine (2) erfasst wird, und bei Vorliegen einer inaktiven Betriebsphase die die in eine Wicklung (6) des Stators (4) der elektrischen Maschine (2) induzierte elektrische Spannung kennzeichnende Größe (V1, V2) erfasst wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die elektrische Maschine (2) eine Läuferwicklung (10) aufweist und die Läuferwicklung (10) mit einem Messstrom beaufschlagt wird.
Recheneinheit, die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.
Computerprogramm, das eine Recheneinheit (12) dazu veranlasst, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 durchzuführen, wenn es auf der Recheneinheit ausgeführt wird.
Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 9.