DE102014215614A1

DE102014215614A1 - Verfahren zum Bestimmen von Induktivitäten bei einer elektrischen Maschine

Info

Publication number: DE102014215614A1
Application number: DE102014215614.9A
Authority: DE
Inventors: Berthold Schinnerl
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2014-08-07
Filing date: 2014-08-07
Publication date: 2016-02-11

Abstract

Die Erfindung offenbart ein Verfahren zum Bestimmen der Induktivitäten Lσ, Lmd, Lhd und Lhq einer elektrischen Maschine (1) mit folgenden Schritten: – Entfernen des Rotor aus dem Stator; – Versorgen der Statorwicklung mit einer ersten Strom und einer ersten Spannung; – Berechnen der Streuinduktivität Lσ ohne Rotor aus dem ersten Strom und der ersten Spannung; – Ermitteln der Induktivität LB des Rotorraumes; und – Ermitteln der Streuinduktivität Lσ der elektrischen Maschine durch Subtrahieren der Induktivität LB des Rotorraumes von der Streuinduktiviät Lσ' ohne Rotor.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen von Hauptinduktivitäten und Streuinduktivitäten einer elektrischen Maschine, insbesondere einer stromerregten Synchronmaschine. Durch eine bessere Kenntnis der Hauptinduktivitäten und Streuinduktivitäten kann die Regelung der Synchronmaschine verbessert werden.
Eine Synchronmaschine umfasst im Allgemeinen einen Stator bzw. Anker mit im allgemeinen drei Wicklungen, die mit Drehstrom von einem Wechselrichter angesteuert werden. Ein Rotor bzw. Läufer, der sich innerhalb des Stators befindet, kann mittels zumindest eines Magnetes permanent erregt sein oder mittels eines Gleichstroms erregt werden. Die Arbeitsweise einer Synchronmaschine ist einem Fachmann bekannt und muss hierin nicht weiter beschrieben werden.
Bei der Regelung einer Synchronmaschine müssen die Hauptinduktivität L_hd in Längsrichtung, die Hauptinduktivität L_hq in der Querrichtung und die Koppelinduktivität L_md betrachtet werden. Das von einer Synchronmaschine abgegebene Drehmoment kann mittels folgender Formel berechnet werden:
wobei p die Polzahl (), I_f der feldbildende Strom, i_d der Strom in Längsrichtung, L_hd die Hauptinduktivität in Längsrichtung, L_hq die Hauptinduktivität in der Querrichtung und L_md die Koppelinduktivität im Rotor ist. Ferner gilt: L_d = L_σd + L_hd, L_q = L_σq + L_hq; wobei L_d die Induktivität in Längsrichtung, L_q die Induktivität in Querrichtung, L_σd die Streuinduktivität in Längsrichtung und L_σq die Streuinduktivität in Querrichtung ist.
Im Stand der Technik sind keine Verfahren zum Messen oder Berechnen der Induktivität in Längsrichtung L_hd, der Induktivität in Querrichtung L_hq und der Koppelinduktivität L_md bekannt.
Die DE 103 27 615 B4 offenbart die Bestimmung der Streuinduktivität bei einer Asynchronmaschine.
Die Erfindung stellt sich zur Aufgabe, ein Verfahren zum Bestimmen von Hauptinduktivitäten und Streuinduktivitäten zu schaffen.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst.
Die abhängigen Ansprüche beanspruchen bevorzugte Ausführungsformen.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die Schritte des Entfernen des Rotor aus dem Stator oder das Bereitstellen eines Stator ohne Rotor und des Versorgens der zumindest einen Statorwicklung mit einem ersten Strom I₁ und einer ersten Spannung U₁. Der erste Strom I₁ kann der Nennstrom I_N sein. Die erste Spannung U₁ kann die halbe Nennspannung sein. Es kann die Reaktanz ermittelt werden, wenn an die zumindest eine Statorwicklung die erste Spannung angelegt wird und der erste Strom fließt. Die Streuinduktivität L_σ' ohne Rotor wird anhand der Reaktanz berechnet.
Das Verfahren ermittelt die Induktivität des Rotorraumes L_B, beispielswese durch eine Berechnung. Die zuvor beschriebenen Schritte können in einer beliebigen Reihenfolge ausgeführt werden. Schließlich wird die Streuinduktivität L_σ der elektrischen Maschine durch Subtrahieren der Induktivität des Rotorraumes L_B von der Streuinduktivität L_σ' ohne Läufer berechnet.
Das Verfahren kann die Induktivität L_d in der Längsrichtung ermitteln, beispielsweise durch Ansteuern eines geeigneten Betriebspunktes. Derartige Verfahren sind dem Fachmann bekannt. Das Verfahren ermittelt die Hauptinduktivität L_hd in der Längsrichtung durch Subtrahieren der Streuinduktivität L_σ der elektrischen Maschine von der Induktivität L_d in der Längsrichtung. Die Hauptinduktivität L_hd in Längsrichtung ist ein wichtiger Parameter der Drehmomentgleichung, dessen Kenntnis die Qualität der Regelung verbessert.
Das Verfahren kann die Koppelinduktivität L_md mittels der Formel
ermitteln, wobei L_hd die Hauptinduktivität in der Längsrichtung, m die Strang- oder Phasenzahl ist, w_stator die Windungszahl der Statorwicklung ist, w_rotor die Windungszahl der Rotorwicklung ist, ζ_stator der Wicklungsfaktor der Statorwicklung und der Wicklungsfaktor der Rotorwicklung ist. Die Koppelinduktivität L_md ist ein wichtiger Parameter der Drehmomentgleichung, dessen Kenntnis die Qualität der Regelung verbessert.
Alternativ hierzu kann das Verfahren den Feldstrom i_F und den Kurzschlussstrom i_K ermitteln. Die Koppelinduktivität L_md kann mittels der Formel
berechnet werden, wobei L_hd die Hauptinduktivität in der Längsrichtung, i_F der Feldstrom und i_K der Kurzschlussstrom ist.
Das Verfahren kann die Induktivität L_q in der Querrichtung und Hauptinduktivität L_hq in der Querrichtung durch Subtrahieren der Streuinduktivität L_σ der elektrischen Maschine von der Induktivität L_q in der Längsrichtung ermitteln. Da durch Messung der d-Anteil und der q-Anteil der Streuinduktivität nicht ermittelt werden können, wird allgemein angenommen, dass L_σ = L_σd = L_σq ist. Die Hauptinduktivität L_hd in Längsrichtung ist ein wichtiger Parameter der Drehmomentgleichung, dessen Kenntnis die Qualität der Regelung verbessert.
Das Verfahren kann die Reaktanz, wenn die Statorwicklung mit dem ersten Strom I₁ und der ersten Spannung U₁ versorgt wird, die Streuinduktiviät L_σ' ohne Läufer, die Induktivität des Rotorraums L_B, die Induktivität L_d in der Längsrichtung, die Induktivität L_q in der Längsrichtung, den Feldstrom i_F und/oder den Kurzschlussstrom i_K mittels einer Berechnung nach der Finite-Elemente-Methode ermitteln. Alternativ oder zusätzlich kann das Verfahren die Reaktanz, wenn die Statorwicklung mit einem ersten Strom I₁ und der ersten Spannung U₁ versorgt wird, die Induktivität L_B des Rotorraums, die Induktivität L_d in der Längsrichtung, die Induktivität L_q in der Querrichtung, den Feldstrom i_F und/oder den Kurzschlussstrom i_K mittels einer Messung ermitteln. Es versteht sich, dass die zuvor genannten Parameter teilweise berechnet und teilweise gemessen werden können.
Die elektrische Maschine kann eine Synchronmaschine, insbesondere eine stromerregte Synchronmaschine oder eine Schenkelpolsychronmaschine sein.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Regeln einer elektrischen Maschine, wobei zumindest eine Induktivität der elektrischen Maschine mittels des zuvor beschriebenen Verfahrens ermittelt wurde.
Die Erfindung wird nun mittels einer nicht beschränkenden Ausführungsform erläutert, die in den Figuren dargestellt ist, wobei
1 einen Schnitt durch eine stromerregte Synchronmaschine zeigt; und
2 einen Schnitt durch eine stromerregte Synchronmaschine mit entnommenen Rotor zeigt.
1 zeigt einen Schnitt durch eine stromerregte Synchronmaschine 1 mit einem Stator 2 und einem Rotor 6. Im Stator 2 sind Statorwicklungen 4 angeordnet. Der Stator umfasst üblicherweise drei Wicklungen. Der Rotor 6 umfasst eine Mehrzahl Pole 10, an denen je eine Rotorwicklung 8 angeordnet ist. Die Statorwicklungen 4 werden im Betrieb mit einem Drehstrom versorgt.
Die Rotorwicklung 8 wird im Betrieb durch Gleichstrom versorgt. Der Rotor 6 dreht sich im Stator aufgrund der magnetischen Anziehung und Abstoßung. Die Funktionsweise einer Synchronmaschine ist dem Fachmann bekannt und muss daher hier nicht weiter beschrieben werden.
Im Betrieb bildet sich eine Hauptreaktanz X_hd in Längsrichtung, die von der Statorwicklung 4 durch den Rotor verläuft und zum Erzeugen eines Drehmomentes beiträgt. Ferner bildet sich eine Streureaktanz X_σ, die um die Statorwicklung 4 verläuft und nicht zum Drehmoment beiträgt, die aber das elektrische Verhalten der Synchronmaschine beeinflusst. Folglich ist es für eine optimale Regelung der Synchronmaschine wichtig, Kenntnis über die Streureaktanz X_σ bzw. die entsprechenden Streuinduktivitäten L_σ zu haben.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Ermitteln der Hauptinduktivitäten und der Streuinduktivitäten wird in einem ersten Schritt der Rotor 6 aus dem Stator 2 entnommen bzw. dessen Entnahme simuliert, wie in 2 dargestellt ist. Wie in 2 gezeigt ist, ergibt sich eine Bohrlochreaktanz X_B, die durch den in die Statoröffnung verlaufenden Fluss durch den Rotorraum 12 erzeugt wird.
Jetzt wird die zumindest eine Statorwicklung 4 mit einem ersten Strom I₁ versorgt oder deren Versorgung simuliert. Der erste Strom I₁ kann der Nennstrom I_N sein. Das Verfahren misst oder simuliert eine erste Spannung U₁ an der zumindest einen Statorwicklung 4, wenn der erste Strom I₁ an der Statorwicklung 4 anliegt.
Es wird die Reaktanz gemessen bzw. simuliert, wenn an die zumindest eine Statorwicklung 4 die erste Spannung angelegt wird und der erste Strom fließt.
Anschließend wird die Streuinduktivität L_σ' ohne Rotor 6 der aus Reaktanz oder mittels folgender Formel aus dem ersten Strom I₁ und der erste Spannung U₁ berechnet:
wobei U₁ die erste Spannung und I₁ der erste Strom ist.
Das Verfahren kann die Induktivität des Rotorraumes L_B mittels folgender Formel berechnen:
wobei m die Phasenzahl der Synchronmaschine (beispielsweise 3), p die Polzahl der Maschine (beispielsweise 4), w die Windungszahl, ξ der Wickelfaktor der Statorwicklung der Synchronmaschine, der in der Regel zwischen etwa 0,866 bis 1 beträgt, und l die Blechpaketlänge ist. Es versteht sich, dass die zuvor beschriebenen Schritte in einer beliebigen Reihenfolge ausgeführt werden können.
Schließlich wird die Streuinduktivität L_σ der elektrischen Maschine durch Subtrahieren der Induktivität des Rotorraumes L_B von der Streuinduktivität L_σ' ohne Läufer berechnet: L_σ = L_σ' – L_B.
Die ermittelte Streuinduktivität L_σ umfasst die Nut- und Stirnstreuung. Die Luftspaltstreuung wird hierbei nicht berücksichtigt und insbesondere durch Abzug der berechneten Bohrungsstreuung neutralisiert. Die ermittelte Streuinduktivität L_σ entspricht daher ungefähr dem Wert der Streuung L_σ bei eingebautem Läufer.
Anschließend werden bei eingesetztem Rotor 6 geeignete Belastungspunkte angesteuert oder mittels FEM simuliert. An diesen Belastungspunkten werden die Induktivität in Längsrichtung L_d und die Induktivität in Querrichtung L_q mittles Strom und Spannung in der Längsrichtung und der Querrichtung gemessen oder simuliert. Zur Bestimmung der genannten Induktivitäten werden die Betriebspunkte im Wirkungsgradkennfeld angefahren und dabei Drehmoment, Ströme und Spannung gemessen. Mit Hilfe der nachfolgend genannten Spannungs- und Drehmomentgleichung werden die Induktivität in Längsrichtung L_d und die Induktivität in Querrichtung L_q ermittelt. Da die Streuinduktivität L_σ separat bestimmt wird, reduzieren sich die Unbekannten in der Spannungsgleichung und Drehmomentgleichung auf zwei Unbekannte, nämlich die Induktivitäten L_d und L_q. Spannungsgleichungen:
mit:
Drehmomentgleichungen:
Die Hauptinduktivität L_hd in Längsrichtung und Hauptinduktivität L_hq in Querrichtung können wie folgt berechnet werden: L_hd = L_d – L_σ; L_hq = L_q – L_σ;
Da die Streuinduktivität L_σd in Längsrichtung und die Streuinduktivität L_σq in Querrichtung nicht gemessen werden können, wird angenommen, dass sie gleich der Streuinduktivität L_σ sind: L_σd = L_σq = L_σ;
Die Koppelinduktivität L_md kann mittels der Formel
berechnet werden, wobei L_hd die Hauptinduktivität in der Längsrichtung, m die Polzahl ist, w_stator die Windungszahl der Statorwicklung 4 ist, w_rotor die Windungszahl der Rotorwicklung 8 ist, ζ_rotor der Wicklungsfaktor der Statorwicklung 4 und ζ_rotor der Wicklungsfaktor der Rotorwicklung 8 ist.
Das Verfahren kann auch den Feldstrom i_F und den Kurzschlussstrom i_K ermitteln. Die Koppelinduktivität L_md kann mittels der Formel
berechnet werden, wobei L_hd die Hauptinduktivität in der Längsrichtung, i_F der Feldstrom und i_K der Kurzschlussstrom ist.
Die Erfindung ermittelt die Hauptinduktivität in Längsrichtung L_hd, die Hauptinduktivität in Querrichtung L_hq und Koppelinduktivität L_md auf eine genauere Art und Weise, als dies im Stand der Technik möglich ist. Dadurch kann die Regelung der Synchronmaschine verbessert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10327615 B4 [0005]

Claims

Verfahren zum Bestimmen zumindest einer Induktivität einer elektrischen Maschine (1) mit folgenden Schritten: – Bereitstellen eines Stators (2) ohne eines sich darin befindenden Rotors (6); – Versorgen der Statorwicklung mit einem ersten Strom und einer ersten Spannung; – Berechnen der Streuinduktivität L_σ' ohne Rotor (6) aus dem ersten Strom und der ersten Spannung; – Ermitteln der Induktivität L_B des Rotorraumes (12); und – Ermitteln der Streuinduktivität L_σ der elektrischen Maschine (1) durch Subtrahieren der Induktivität L_B des Rotorraumes (12) von der Streuinduktiviät L_σ' ohne Rotor (6).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Spannung die halbe Nennspannung ist und/oder der erste Strom der Nennstrom ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: – Ermitteln der Induktivität L_d in der Längsrichtung; und – Ermitteln der Hauptinduktivität L_hd in der Längsrichtung durch Subtrahieren der Streuinduktivität L_σ der elektrischen Maschine von der Induktivität L_d in der Längsrichtung;
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: – Ermitteln der Koppelinduktivität L_md mittels folgender Formel:
wobei L_hd die Hauptinduktivität in der Längsrichtung, m die Polzahl ist, w_stator die Windungszahl der Statorwicklung (8) ist, w_rotor die Windungszahl der Rotorwicklung (4) ist, ζ_rotor der Wicklungsfaktor der Statorwicklung (4) und ζ_rotor der Wicklungsfaktor der Rotorwicklung (8) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: – Ermitteln des Feldstroms i_F; – Ermitteln des Kurzschlussstroms i_K; und – Ermitteln der Koppelinduktivität L_md aus dem Quotient des Kurzschlussstroms i_K und des Feldstroms i_F multipliziert mit der Hauptinduktivität L_hd in der Längsrichtung.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: – Ermitteln der Induktivität L_q in der Querrichtung; und Ermitteln der Hauptinduktivität L_hq in der Querrichtung durch Subtrahieren der Streuinduktivität L_σ der elektrischen Maschine von der Induktivität L_q in der Längsrichtung.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der folgenden Größen mittels einer Finite-Elemente-Methode ermittelt wird: – die Streuinduktiviät L_σ' ohne Rotor; – die Induktivität L_B des Rotorraums (12); – die Induktivität L_d in der Längsrichtung; – die Induktivität L_q in der Längsrichtung; – der Feldstrom i_F; – der Kurzschlussstrom i_K.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der folgenden Größen mittels einer Messung ermittelt wird: – die Streuinduktiviät L_σ' ohne Rotor; – die Induktivität L_B des Rotorraums (12); – die Induktivität L_d in der Längsrichtung; – die Induktivität L_q in der Längsrichtung; – der Feldstrom i_F; – der Kurzschlussstrom i_K.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (1) zumindest eines von folgendem ist: – eine Sychronmaschine; – eine stromerregte Synchronmaschine; – eine Schenkelpolsynchronmaschine
Verfahren zum Regeln einer elektrischen Maschine, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Induktivität der elektrischen Maschine (1) mittels des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 bestimmt wurde.