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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft elektronisch kommutierte (so genannte bürstenlose) elektrische Maschinen und insbesondere Verfahren zur Erhöhung des Wirkungsgrads des Betriebs einer elektronisch kommutierten elektrischen Maschine.
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Stand der Technik
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Elektronisch kommutierte elektrische Maschinen weisen in der Regel eine Statoranordnung und eine Rotoranordnung auf. Die Statoranordnung trägt Statorwicklungen zum Bereitstellen eines umlaufenden Statormagnetfelds. Die Rotoranordnung ist zur Bereitstellung eines Rotormagnetfelds mit magnetischen Rotorpolen ausgebildet, die dazu ganz oder teilweise mit Permanentmagneten versehen sein können. Bei ihrer Herstellung sind die Rotoranordnung und Statoranordnung toleranzbehaftet, wodurch die Rotoranordnung mit ihrem Magnetfeld nicht optimal zur Statoranordnung positionierbar ist.
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Zum Betreiben einer solchen elektrischen Maschine ist es notwendig, das zu erzeugende Statormagnetfeld bezüglich der aktuellen Ausrichtung des Rotormagnetfelds einzustellen. Dazu ist eine Erfassung einer Rotorlageinformation über die Stellung der Rotoranordnung relativ zu der Statoranordnung erforderlich. Die Rotorlage wird je nach Ausführung des Motorsystems entweder mithilfe eines Lagesensors erfasst, der an der Rotorwelle angeordnet ist, oder durch Auswertung der Stromverläufe in den Statorwicklungen, d. h. sensorlos, ermittelt.
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Insbesondere bei der Erfassung der Rotorlage mithilfe eines Lagesensors ist ein Abgleich vor Inbetriebnahme notwendig, so dass die Ermittlung einer Information über die absolute Rotorlage möglich ist, um eine Ausrichtung des Statormagnetfelds an der Rotorlage zu ermöglichen. Dazu wird eine Korrekturgröße ermittelt, die einen Offset für die von dem Lagesensor erfasste Rotorlage darstellt. Die Korrekturgröße wird individuell ermittelt und üblicherweise bei Austausch der Rotoranordnung und/oder des Lagensensors erneut bestimmt.
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Eine weitere Möglichkeit der Abstimmung des Rotormagnetfelds mit dem Statormagnetfeld besteht darin, die Statorwicklungen bei der Montage zu bestromen, so dass sich die Rotoranordnung nach dem Statormagnetfeld ausrichten kann. In diesem ausgerichteten Zustand kann nun der Lagesensor in vorgegebener Ausrichtung montiert bzw. justiert werden.
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Die obigen Verfahren zur Abstimmung der relativen Rotorlage mit der Lage der Statoranordnung sind jedoch toleranzbehaftet und können nur einen stationären Zustand berücksichtigen. Während des Betriebs erfolgende Veränderungen sowie Veränderungen aufgrund von Materialalterung oder thermischen Einflüssen können nach der Justierung nicht berücksichtigt werden.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrische Maschine trotz Ungenauigkeiten bei der Bereitstellung einer Rotorlageinformation aufgrund von Bauteiltoleranzen sowie alterungs- und/oder temperaturbedingten Veränderungen zu betreiben.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird durch das Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine gemäß Anspruch 1 sowie durch die Sensoreinheit, die elektrische Maschine, die Steuereinrichtung und das Motorsystem gemäß den nebengeordneten Ansprüchen gelöst.
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Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine vorgesehen, das die folgenden Schritte umfasst:
- – Ansteuern der elektrischen Maschine basierend auf einer aktuellen Rotorlage, wobei die aktuelle Rotorlage basierend auf einer Angabe über eine relative Rotorlage und einer bereitgestellten Korrekturgröße bestimmt ist;
- – Messen des bereitgestellten Drehmoments durch einen Drehmomentsensor; und
- – bei einem stationären Betriebszustand, Bestimmen eines maximal bereitstellbaren Drehmoments und der dem maximal bereitstellbaren Drehmoment entsprechenden Korrekturgröße, indem ausgehend von der bereitgestellten Korrekturgröße, auf der basierend die elektrische Maschine angesteuert wird, so lange variiert und ein aus einer entsprechenden Ansteuerung resultierendes Drehmoment gemessen wird, bis keine weitere Erhöhung des gemessenen Drehmoments feststellbar ist.
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Eine Idee des obigen Verfahrens besteht darin, mithilfe einer direkten Drehmomentmessung eines von der elektrischen Maschine bereitgestellten Drehmoments an der Rotorwelle den Betrieb der elektrischen Maschine zu optimieren. Insbesondere kann die Optimierung die einer Erzeugung des Statormagnetfelds zugrunde liegende Rotorlage betreffen. Die tatsächlich angenommene Rotorlage kann dann basierend auf einer hinsichtlich einer Erreichung eines maximal bereitstellbaren Drehmoments optimierten Rotorlage und/oder basierend auf dem maximal bereitstellbaren Drehmoment im Betrieb der elektrischen Maschine adaptiert werden.
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Allgemein soll mit obigem Verfahren erreicht werden, dass sich die Komponenten, insbesondere die Statoranordnung und die Rotoranordnung der elektrischen Maschine sowie die die Phasenströme zum Bestromen der Statorwicklung erzeugende Steuereinrichtung, während des Betriebs der elektrischen Maschine aufeinander einstellen bzw. aneinander anpassen können. Dazu kann in einem statischen Betriebszustand, d. h. bei Phasenströmen mit im Wesentlichen konstanter Amplitude, die relative Phasenlage bezüglich einer jeweils aktuellen Rotorlage variiert werden, um zum einen die Rotorlage zu ermitteln, bei der das maximal bereitstellbare Drehmoment von der elektrischen Maschine bei gegebenen Amplituden der Phasenströme erreicht wird, und zum anderen das entsprechende in dem stationären Betriebsfall maximal bereitstellbare Drehmoment zu erfassen. Auf diese Weise kann der Betrieb der elektrischen Maschine hinsichtlich des Wirkungsgrads, d. h. eines Verhältnisses zwischen dem maximal bereitstellbaren Drehmoment und den vorgegebenen Phasenströmen (Amplituden der Phasenströme), eingestellt bzw. optimiert werden.
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Wird durch Variation des Winkels des Statormagnetfelds bezüglich einer bestimmten Rotorlage eine Erhöhung des Drehmoments festgestellt, so kann die Korrekturgröße entsprechend korrigiert werden, bis die Variation des Winkels des Statormagnetfelds keine weitere Erhöhung des Drehmoments erzielt. Auf diese Weise kann eine optimale Ansteuerung hinsichtlich des im Betrieb maximal bereitstellbaren Drehmoments im Betrieb erreicht werden.
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Bei einem Austausch einer der Komponenten, z. B. der Rotoranordnung, im Reparaturfall könnte nun mithilfe dieses Verfahrens die optimale Korrekturgröße selbstständig während des Betriebs der elektrischen Maschine bestimmt und eingestellt werden. Weiterhin können mit dem obigen Verfahren Trägheitseffekte, die bei höheren Drehzahlen auftreten, selbstständig ausgeregelt und so stets der beste Wirkungsgrad in Abhängigkeit von der Drehzahl ermittelt und angesteuert werden.
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Durch Auswertung des bei einem bestimmten statischen Betriebszustand, d. h. bei Phasenströmen einer festgelegten Amplitude, erreichbaren maximalen Drehmoment ist es möglich, das Setzverhalten von Einzelkomponenten, die sich in einer Veränderung des magnetischen Verhaltens auswirkt, oder auch eine beginnende Entmagnetisierung der Permanentmagnete der Rotoranordnung zu detektieren.
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Weiterhin kann die dem maximal bereitstellbaren Drehmoment entsprechende Korrekturgröße als bereitgestellte Korrekturgröße verwendet werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der stationäre Betriebszustand vorliegen, wenn eine Amplitude der Phasenströme unverändert ist und keine Änderung des bereitzustellenden Drehmoments oder der bereitzustellenden Drehzahl vorgegeben wird.
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Weiterhin können mehrere Werte der maximal bereitstellbaren Drehmomente über eine Zeitdauer gespeichert und die elektrische Maschine abhängig von einem zeitlichen Verlauf der maximal bereitstellbaren Drehmomente betrieben werden.
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Es kann vorgesehen sein, dass die elektrische Maschine lebensdauerschonend, insbesondere mit reduzierter Last, betrieben wird, wenn das bei dem bestimmten Betriebszustand erreichte maximal bereitstellbare Drehmoment einen vorgegeben Anteil des bei dem bestimmten Betriebszustand insgesamt maximal bereitgestellten Drehmoments unterschreitet.
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Gemäß einer Ausführungsform kann der Betriebszustand der elektrischen Maschine verändert werden, wenn das gemessene Drehmoment ein Schwingungssignal aufweist.
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Weiterhin können die Schritte des Verfahrens regelmäßig, periodisch oder zu vorgegebenen Zeitpunkten durchgeführt werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Sensoreinheit zum Erfassen eines Drehmoments einer elektrischen Maschine vorgesehen, umfassend:
- – einen Sensorträger zum Befestigen an einer Rotorwelle;
- – einen Torsionssensor, der auf dem Sensorträger angeordnet ist, um eine von einer Torsion abhängige elektrische Größe bereitzustellen; und
- – eine Kommunikationseinrichtung zum Ermöglichen eines berührungslosen Übermittelns einer Größe, die von der bereitgestellten elektrischen Größe abhängt.
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Weiterhin kann der Sensorträger einen ersten zylinderförmigen Abschnitt, auf dem ein Torsionssensor, wie zum Beispiel ein zylindrisch umlaufender Dehnungsmessstreifen bzw. ein piezoelektrisch empfindlicher Bereich, insbesondere in Dünnschichttechnik, aufgebracht ist, sowie einen zweiten Abschnitt aufweisen, der sich ringförmig und radial von dem ersten Abschnitt nach außen erstreckt und die Kommunikationseinrichtung, insbesondere in Form einer umlaufenden Kommunikationsantenne, trägt.
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Es kann vorgesehen sein, dass auf dem zweiten Abschnitt des Sensorträgers ein Temperatursensor, insbesondere in Dünnschichttechnik, angeordnet ist, der über die oder eine weitere Kommunikationseinrichtung von extern auslesbar ist.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann auf dem zweiten Abschnitt des Sensorträgers eine Induktionsspule, insbesondere in Dünnschichttechnik, angeordnet sein, über die elektrische Energie in den Sensorträger, insbesondere durch ein Statormagnetfeld induzierbar ist.
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Der Sensorträger kann folienartig, insbesondere aus einem elektrisch nicht leitenden, flexiblen Material, insbesondere Kunststoff, insbesondere Polyester, ausgebildet sein.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine elektrische Maschine mit einer Rotoranordnung, einer Statoranordnung und einer Sensoreinheit zum Erfassen eines Drehmoments, insbesondere der obigen Sensoreinheit, vorgesehen, wobei jeweils die Sensoreinheit an einem zu der Rotoranordnung benachbarten Abschnitt der Rotorwelle und eine Kommunikationseinrichtung der Sensoreinheit an einer Stirnseite der Rotoranordnung angeordnet ist.
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Weiterhin kann eine stationäre Empfangseinrichtung, insbesondere an einem Gehäuse der elektrischen Maschine, vorgesehen sein, um mit der Kommunikationseinrichtung der Sensoreinheit in Wirkverbindung zu stehen, so dass eine elektrische Eigenschaft der Empfangseinrichtung von der durch den Torsionssensor erfassten Torsion der Rotorwelle abhängt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Steuereinrichtung zum Betreiben einer elektrischen Maschine vorgesehen, wobei die Steuereinrichtung ausgebildet ist, um:
- – die elektrische Maschine basierend auf einer aktuellen Rotorlage anzusteuern, wobei die aktuelle Rotorlage basierend auf einer Angabe über eine bereitgestellte relative Rotorlage und einer bereitgestellten Korrekturgröße bestimmt ist;
- – das bereitgestellte Drehmoment mithilfe eines Drehmomentsensors zu ermitteln; und
- – bei einem stationären Betriebszustand, ein maximal bereitstellbares Drehmoment und die dem maximal bereitstellbaren Drehmoment entsprechende Korrekturgröße zu ermitteln, indem ausgehend von der bereitgestellten Korrekturgröße, basierend auf der die elektrische Maschine angesteuert wird, so lange variiert und ein aus einer entsprechenden Ansteuerung resultierendes Drehmoment gemessen wird, bis keine Erhöhung des gemessenen Drehmoments mehr feststellbar ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Motorsystem vorgesehen, das die obige Steuereinrichtung und die obige elektrische Maschine umfasst.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Blockdarstellung eines Motorsystems zum Betreiben einer elektrischen Maschine
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2 eine Querschnittsdarstellung durch eine elektronisch kommutierte elektrische Maschine;
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3 eine perspektivische Darstellung einer Rotoranordnung der elektrischen Maschine der 1 mit einem aufgebrachten Sensorträger;
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4 eine perspektivische Darstellung eines Sensorträgers zur Verwendung in einer elektrischen Maschine der 1; und
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5 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Betreiben der elektrischen Maschine.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt eine schematische Blockdarstellung eines Motorsystems 1 mit einer elektrischen Maschine 2. Die elektrische Maschine 2 ist eine elektronisch kommutierte elektrische Maschine, wie beispielsweise eine Synchronmaschine, Asynchronmaschine oder dergleichen.
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In 2 ist die elektrische Maschine 2 schematisch detaillierter dargestellt. Die elektrische Maschine 2 weist ein Gehäuse 21 auf, in dem eine zylindrische Statoranordnung 22 angeordnet ist. Die Statoranordnung 22 weist ein kreiszylindrisches Statorjoch auf, von dem in Umfangsrichtung in Richtung eines Innenraums Statorzähne abstehen. Die Statorzähne können jeweils von einer oder mehreren Statorwicklungen umgeben sein.
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In einem von der Statoranordnung 22 umschlossenen Innenraum ist drehbeweglich eine Rotoranordnung 24 an einer über Lager 6 gelagerten Rotorwelle 23 angeordnet. Die Rotoranordnung 24 ist mit Rotorpolen versehen, die in Umfangsrichtung wechselnde magnetische Pole ausbilden. Das Rotormagnetfeld kann mithilfe von Permanentmagneten 25 bereitgestellt werden.
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An einer ersten Stirnseite der Rotoranordnung 24 ist ein Lagesensor 27 angeordnet, der eine Information über eine relative Lage der Rotoranordnung 24 bzw. der Rotorwelle 23 bereitstellen kann. Der Rotorlagesensor 27 kann beispielsweise fest angeordnete Magnetfeldsensoren (GNR-Sensor, Hall-Sensor und dergleichen) aufweisen, die jeweils mit einem Magneten versehen sind. Ein Geberrad 26 mit in Umfangsrichtung wechselnder weichmagnetischer Strukturierung ist an der Rotorwelle 23 in gleicher axialer Position wie die Magnetfeldsensoren angeordnet. Bei Drehen der Rotorwelle 23 kann durch die Magnetfeldsensoren ein wechselndes Magnetfeld detektiert werden, woraus die Lageänderung bzw. relative Lage der Rotoranordnung 24 als eine Rotorlageinformation in bekannter Weise abgeleitet werden kann.
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Mit Bezug auf 1 wird die Rotorlageinformation einer Steuereinrichtung 3 zur Verfügung gestellt, die basierend auf einem durch einen Korrekturwert bestimmten Offsetwert für die Rotorlage sowie basierend auf einem vorgegebenen bereitzustellenden Sollmoment gemäß einem Kommutierungsschema Phasenströme für die Statorwicklungen ermittelt. Um die Phasenströme einzustellen werden entsprechende Ansteuersignale AS generiert, die einer Leistungselektronik 4 zugeführt werden. Die Ansteuersignale AS dienen dazu, in der Leistungselektronik 4 in bekannter Weise Leistungsschalter anzusteuern, durch die die Statorwicklungen in geeigneter Weise gemäß dem Kommutierungsschema mit den jeweiligen Phasenströmen angesteuert werden. Die elektrische Maschine 2 wird also gemäß einem Kommutierungsschema betrieben, bei dem abhängig von einer sich aus der Rotorlageinformation und dem Korrekturwert ergebenden Rotorlage ein Statormagnetfeld generiert wird. Das Statormagnetfeld soll dabei eine gewünschte Voreilung zu einem Rotormagnetfeld sowie eine gewünschte Stärke, die durch die Amplitude der Phasenströme vorgegeben wird, aufweisen.
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Während bei bisherigen Motorsystemen der Korrekturwert bzw. der Offsetwert zur Beaufschlagung der Rotorlageinformation fest vorgegeben und z. B. bei Inbetriebnahme der elektrischen Maschine 2 justiert bzw. kalibriert wird, ist nun vorgesehen, diesen Korrekturwert während des Betriebs der elektrischen Maschine 2 zu adaptieren. Dazu weist die elektrische Maschine 2 einen Drehmomentsensor an einem Abschnitt der Rotorwelle 23 auf, mit dem ein von der elektrischen Maschine 2 bereitgestelltes Drehmoment gemessen werden kann.
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In der 3 ist eine Rotoranordnung 24 mit aufgebrachter Sensoreinheit 30 für die elektrische Maschine 2 der 2 dargestellt. In 4 ist eine perspektivische Ansicht der Sensoreinheit 30 dargestellt. Die Sensoreinheit 30 dient zum Erfassen des von der elektrischen Maschine 2 bereitgestellten Drehmoments sowie zur Übermittlung einer entsprechenden Information an die Steuereinrichtung 3.
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Das Sensorelement 30 weist einen Sensorträger 31 auf, der in einem ersten Abschnitt 32 hülsenförmig ausgebildet ist. Der hülsenförmige erste Abschnitt 32 trägt einen Torsionssensor 34, z.B. in Form eines zumindest teilweise zylindrisch umlaufenden Dehnungsmessstreifens oder alternativ eines piezoelektrisch empfindlichen Folienabschnittes als Drehmomentsensor und wird fest mit der Rotorwelle 23 verbunden. Somit können Verspannungen der Rotorwelle 23 sich über den ersten Abschnitt 32 des Sensorträgers 31 auf den Torsionssensor 34 abbilden, so dass sich eine elektrische Eigenschaft des Torsionssensors 34 verändert. Insbesondere kann der Torsionssensor 34 abhängig von einer Torsion der Rotorwelle 23 einen veränderlichen Widerstand generieren. Insbesondere kann ein piezoelektrischer Folienbereich abhängig von einer Torsion der Rotorwelle 23 ein veränderliches elektrisches Feld generieren.
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Der Sensorträger 31 weist einen zweiten Abschnitt 33 auf, der im Wesentlichen radial nach außen von einem Rand des ersten Abschnitts 32 absteht und zum Anbringen an einer Stirnseite der Rotoranordnung 24 vorgesehen ist. Der zweite Abschnitt 33 kann eine umlaufende, insbesondere ringförmige, Kommunikationsantenne 35 in Form einer Flachantenne oder Flachspule aufweisen, die eine mögliche Ausführungsform für eine Kommunikationseinrichtung darstellt. Die Kommunikationsantenne 35 kann mit dem Torsionssensor 34, wie z.B. dem Dehnungsmessstreifen, elektrisch in Verbindung stehen. Eine Änderung eines elektrischen Widerstands des Torsionssensors 34 kann sich in der Änderung eines elektromagnetischen Verhaltens der Kommunikationsantenne 35 auswirken, die von außen detektierbar ist.
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Im Bereich des zweiten Abschnitts 33 des Sensorträgers 31 kann ein Temperatursensor 36 vorgesehen sein, der auf gleiche Weise entweder über die Kommunikationsantenne 35 oder über eine separate Kommunikationsantenne eine Temperaturangabe in geeigneter Weise bereitstellen kann. Auf diese Weise könnte neben einer Angabe über ein von der elektrischen Maschine 2 bereitgestelltes Drehmoment auch eine Angabe über eine Temperatur der Rotoranordnung 24 an die Steuereinrichtung 3 übermittelt werden.
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Vorzugsweise im Bereich des zweiten Abschnitts 33 des Sensorträgers 31 kann entweder ebenfalls in Umfangsrichtung umlaufend oder in tangentialer Richtung versetzt zum Temperatursensor 36 weiterhin eine Induktionsspule 37 vorgesehen sein. Die Induktionsspule 37 kann so ausgerichtet sein, dass ein in axialer Richtung aus der Statoranordnung austretender Anteil des veränderlichen Statormagnetfelds eine elektrische Spannung induzieren kann. Die induzierte elektrische Spannung kann je nach Bedarf durch gleichrichtende Bauelemente 38 gleichgerichtet werden und zum Betreiben einer Auswerteelektronik 39 und/oder des Torsionssensors 34 bzw. des Dehnungsmessstreifens in geeigneter Weise verwendet werden.
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Der Torsionssensor 34, die Kommunikationsantenne 35 und der Temperatursensor 36 können in Dünnschichttechnik gefertigt werden, wobei der Sensorträger 31 elektrisch nicht leitend ausgebildet wird. Ist der zweite Abschnitt 33 des Sensorträgers 31 mit dem Temperatursensor 36 versehen, so ist eine Anordnung des zweiten Abschnitts 33 an der Stirnseite der Rotoranordnung 24 zweckmäßig, um eine Temperatur der Rotoranordnung 24 exakt ermitteln zu können.
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Der Sensorträger 31 kann beispielsweise als gestanztes folienartiges Kunststoffbauelement ausgeführt sein, das mit seinem ersten Abschnitt 32 auf die Rotorwelle 23 und mit seinem zweiten Abschnitt 33 auf die Stirnseite der Rotoranordnung 24 aufgeklebt wird. Als Material des Sensorträgers 31 kann Polyester aufgrund seiner hohen Temperaturbeständigkeit und seiner elektrischen Isolierfähigkeit gewählt werden. Als Klebstoff zum Aufbringen des Sensorträgers 31 auf die Rotorwelle 23 und die Stirnseite der Rotoranordnung 24 könnte aus Gründen der Temperaturbeständigkeit und der dauerhaften Flexibilität ein auf Silikonharz basierender Kautschuk zur Anwendung kommen.
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Im Allgemeinen ist es für den ersten Abschnitt 32 des Sensorträgers 31 erforderlich, dass dieser torsionsweich ist, um die Verdrehung der Rotorwelle 23 abtriebsseitig nicht oder für die Drehmomentmessung nur unbeachtlich zu verfälschen. Daher kann vorgesehen sein, dass der erste Abschnitt 32 mithilfe eines Vakuums tiefgezogen wird und somit eine sehr dünne Wandung erreicht werden kann. Weiterhin kann der Sensorträger 31, insbesondere der zweite Abschnitt 33 des Sensorträgers 31, mit einer Induktionsschleife versehen sein, die parasitär die Magnetfelder der Statoranordnung 22 verwendet, um gegebenenfalls eine Stromversorgung der Sensoreinheit 30 zu ermöglichen.
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Stirnseitig der Rotoranordnung 24 kann fest in oder an dem Gehäuse 21 angeordnet eine stationäre Empfangseinrichtung 40 vorgesehen sein, die beispielsweise ebenfalls als eine die Rotorwelle 23 umgebende Ringantenne 41 (Empfangsantenne) ausgebildet sein kann und der Kommunikationsantenne 35 in axialer Richtung gegenüber liegt. Die elektromagnetischen Eigenschaften der Empfangseinrichtung 40 können permanent detektiert werden. Da sich diese abhängig von dem Ausgabewert des Torsionssensors 34 wie z.B. dem elektrischen Widerstand des Torsionssensor 34 (z. B. aufgrund einer Verschiebung der Resonanzfrequenz) ändert, kann aus dem elektromagnetischen Verhalten der Empfangseinrichtung 40 auf die Torsion der Rotorwelle 23 und damit auf das dort anliegende Drehmoment geschlossen werden. Auf gleiche Weise kann die Temperatur mithilfe des Temperatursensors 36 bestimmt werden.
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Sind die Schaltungen auf dem Sensorträger 31 komplexer und wird elektrische Energie benötigt, so kann alternativ oder zusätzlich über die Empfangseinrichtung 40 und die Kommunikationsantenne 35 auch induktiv Energie übertragen werden, so dass eine Signalverarbeitung auch in der Sensoreinheit 30 möglich ist.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Empfangsantenne 41 der Empfangseinrichtung 40 nur eine Erfassung der von der Sensoreinheit 30 übermittelten Messwerte durchführt und die elektrische Energie zum Betreiben der Sensoreinheit 30 aus den veränderlichen Magnetfeldern der Statoranordnung 22 während des Betriebs der elektrischen Maschine 2 bezogen wird.
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Mit Bezug auf 1 werden der Steuereinrichtung 3 mithilfe des Lagesensors 27 die momentane Rotorlageinformation als Angabe über die relative Rotorlage sowie eine Angabe über das momentan anliegende Drehmoment mithilfe der Empfangseinrichtung 40, die die Drehmomentangabe entsprechend ihres von der Sensoreinheit 30 beeinflussten elektrischen Verhaltens, bereitgestellt.
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Im Folgenden wird anhand des Flussdiagramms der 5 ein Verfahren zum Betreiben der elektrischen Maschine 2 mithilfe der Steuereinrichtung 3 beschrieben.
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Zunächst wird in Schritt S1 überprüft, ob ein stationärer Betriebszustand vorliegt. Ein stationärer Betriebszustand kann beispielsweise vorliegen, wenn ein zu stellendes Solldrehmoment bzw. eine zu stellende Solldrehzahl für eine vorbestimmte Zeitdauer anliegt und keine tatsächliche Änderung des bereitgestellten Drehmoments bzw. der aktuellen Drehzahl erfolgt. Wird ein stationärer Betriebszustand festgestellt (Alternative: Ja), so wird das Verfahren mit Schritt S2 fortgesetzt. Anderenfalls (Alternative: Nein) wird zu Schritt S1 zurückgesprungen.
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In Schritt S2 wird ein von der elektrischen Maschine 2 bereitgestelltes Drehmoment erfasst und zwischengespeichert.
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Weiterhin wird in Schritt S3 ein Korrekturwert bereitgestellt, der aus einem Speicher auslesbar ist. Der Korrekturwert kann aus einer vorangehenden Ausführung des nachfolgend beschriebenen Verfahrens resultieren. Die Korrekturgröße entspricht einem Offsetwert für die Rotorlageinformation. Die Summe aus dem Korrekturwert der Korrekturgröße und der Rotorlageinformation, die eine relative Rotorlage angibt, ergibt eine Angabe über eine absolute Rotorlage mit Bezug auf eine elektrische Rotorlage bzw. soll eine derartige Angabe ergeben.
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In Schritt S4 wird nun die bereitgestellte Korrekturgröße für die Rotorlage verändert, wobei die Veränderung einer Variation um einen vorgegebenen Rotorlagewinkel in eine erste Richtung, z. B. in Drehrichtung oder entgegengesetzt zur Drehrichtung, entspricht. Die Variation der Rotorlage kann von der aktuellen Drehzahl der elektrischen Maschine 2 abhängen. Insbesondere kann die Variation zwischen 5 und 20° elektrischer Rotorlage entsprechen.
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In Schritt S5 wird der Korrekturwert auf die Rotorlageinformation beaufschlagt und eine Ansteuerung der elektrischen Maschine 2 durch Anlegen entsprechender Phasenströme vorgenommen.
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In Schritt S6 wird ein entsprechend resultierendes Drehmoment mithilfe des Drehmomentsensors ermittelt. Die Schritte S5 und S6 erfolgen bei im Wesentlichen gleich bleibenden Amplituden der Phasenströme.
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In Schritt S7 wird überprüft, ob sich durch eine Änderung der Korrekturgröße eine Erhöhung des von der elektrischen Maschine 2 bereitgestellten Drehmoments ergeben hat. Wird in Schritt S7 festgestellt, dass nach der Veränderung der Korrekturgröße in Schritt S4 keine bzw. keine nennenswerte (d.h. unterhalb eines vorgegebenen Änderungsschwellenwerts liegende) Erhöhung des bereitgestellten Drehmoments erfolgt ist (Alternative: Nein), so wird die Variation der Korrekturgröße in Schritt S4 zurückgenommen und im Folgenden der zuvor angenommene Korrekturwert verwendet. Das Verfahren wird dann mit Schritt S8 fortgesetzt.
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Wird in Schritt S7 dagegen festgestellt, dass nach der Änderung der Korrekturgröße in Schritt S4 eine bzw. eine nennenswerte (d.h. oberhalb des vorgegebenen Änderungsschwellenwerts liegende) Erhöhung des bereitgestellten Drehmoments erfolgt ist (Alternative: Ja), so wird die Beaufschlagung durch die Korrekturgröße in Schritt S4 manifestiert und das Verfahren mit Schritt S4 fortgesetzt, so dass eine Änderung der Korrekturgröße in die erste Richtung so lange erfolgt, bis keine Erhöhung des Drehmoments mehr festgestellt wird.
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Die Schritte S8 bis S10 entsprechen im Wesentlichen den Schritten S4 bis S6, wobei die Veränderung der Korrekturgröße in eine zweite, der ersten Richtung entgegengesetzte Richtung erfolgt.
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In Schritt S11 wird überprüft, ob sich durch eine Änderung des Korrekturwerts eine Erhöhung des von der elektrischen Maschine 2 bereitgestellten Drehmoments ergeben hat. Wird in Schritt S11 festgestellt, dass nach der Veränderung des Korrekturwerts in Schritt S8 keine bzw. keine nennenswerte (unterhalb des vorgegebenen Änderungsschwellenwerts liegende) Erhöhung des bereitgestellten Drehmoments erfolgt ist (Alternative: Nein), so wird die Variation des Korrekturwerts in Schritt S8 zurückgenommen und im Folgenden der zuvor angenommene Korrekturwert verwendet. Das Verfahren wird dann mit Schritt S12 fortgesetzt.
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Wird in Schritt S11 dagegen festgestellt, dass nach der Änderung der Korrekturgröße in Schritt S8 eine bzw. eine nennenswerte (oberhalb des vorgegebenen Änderungsschwellenwerts liegende) Erhöhung des bereitgestellten Drehmoments erfolgt ist (Alternative: Ja), so wird die Beaufschlagung durch den Korrekturwert in Schritt S4 manifestiert und das Verfahren mit Schritt S8 fortgesetzt, so dass eine Änderung der Korrekturgröße in die erste Richtung so lange erfolgt, bis keine Erhöhung des Drehmoments mehr festgestellt wird.
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Auf diese Weise wird ein optimaler Wert der Korrekturgröße erreicht, bei dem ein maximales Drehmoment bei der anliegenden Amplitude der Phasenströme ermittelt worden ist. Die Korrekturgröße wird in Folge in Schritt S12 zur Ansteuerung der elektrischen Maschine 2 verwendet, d. h. als Wert, mit dem die Rotorlageinformation beaufschlagt wird, um daraus die entsprechenden rotorlageabhängigen Phasenströme zu generieren.
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Das bei einer bestimmten Amplitude der Phasenströme erreichbare maximale Drehmoment kann aufgezeichnet werden, zum Beispiel in einer geeigneten Speichereinheit SP in der Steuereinrichtung 3, um anhand des zeitlichen Verlaufs der maximalen Drehmomente bei einem bestimmten stationären Betriebszustand (einem bestimmten Wert der Amplituden der Phasenströme und gegebenenfalls bei einer bestimmten Drehzahl) eine Alterung der Leistungsfähigkeit der elektrischen Maschine 2 zu erkennen. Insbesondere bei einer Abnahme des maximalen Drehmoments in dem bestimmten Betriebszustand kann eine Schädigung der elektrischen Maschine 2 durch Überhitzung der Permanentmagnete 25 in der Rotoranordnung 24 und/oder deren Teilentmagnetisierung erkannt werden. Dadurch ist es möglich, eine Verschleißinformation über die elektrische Maschine 2 zu erhalten und diese extern bereitzustellen.
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Die Auswertung des zeitlichen Verlaufs der bei einer bestimmten Amplitude der Phasenströme erreichbare maximale Drehmomente ermöglicht es beispielsweise, das Motorsystem 1 bis zu den ersten Anzeichen einer Schädigung mit Volllast zu betreiben, d. h. so lange das maximale Drehmoment in einem bestimmten Betriebszustand, d. h. z. B. bei einer bestimmten Amplitude der Phasenströme und einer bestimmten Drehzahl, einen vorgegebenen Schwellenwert nicht unterschreitet, und danach mit einem Sicherheitsabstand die elektrische Maschine mit reduzierter Last, d. h. mit auf einen Begrenzungswert begrenzten Phasenströmen oder begrenzter Leistung, zu betreiben. Der Schwellenwert kann beispielsweise abhängig von dem in dem bestimmten Betriebszustand maximal erreichten Drehmoment, z. B. anteilig davon, angegeben werden. Auf diese Weise kann einer weiteren Verschlechterung der Leistungsfähigkeit der elektrischen Maschine 2 vorgebeugt werden. Dadurch besteht die Möglichkeit, auf geringerwertige Permanentmagnete 25 zurückgreifen zu können und diese mit einer integrierten Überwachungsfunktion zu betreiben.
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Weiterhin kann die Steuereinrichtung 3 vorsehen, durch Auswertung der aktuellen Drehmomente Torsionsschwingungen und Resonanzen auf der Rotorwelle 23 zu erkennen, die sich in einer Erfassung eines Schwingungssignals durch den Drehmomentsensor auswirken. So können Drehzahlbereiche für die elektrische Maschine 2 bzw. Ansteuerfrequenzen für die Leistungselektronik 4 ermittelt werden, die für die elektrische Maschine 2 kritisch sein könnten. Sind diese Drehzahlbereiche ermittelt, so kann durch Wechseln von Betriebsmodi (z. B. durch Ändern der Drehzahl) erreicht werden, dass die bestimmten kritischen Drehzahlen vermieden oder nur kurzzeitig angenommen werden.
