DE102014218381A1

DE102014218381A1 - Messung der Temperatur des Läufers einer elektrischen Maschine

Info

Publication number: DE102014218381A1
Application number: DE102014218381.2A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Jansen; Rolf Jaros
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: SEG Automotive Germany GmbH
Priority date: 2014-09-12
Filing date: 2014-09-12
Publication date: 2016-03-17
Also published as: US20160076946A1; CN105424215A; US9964452B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Temperatur eines an einem Läufer (111) einer elektrischen Maschine (100) angeordneten Permanentmagneten (125), wobei eine von der Temperatur des Permanentmagneten (125) abhängige magnetische Eigenschaft des Permanentmagneten (125) erfasst und daraus die Temperatur des Permanentmagneten (125) ermittelt wird, sowie eine elektrische Maschine, eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Temperatur eines an einem Läufer einer elektrischen Maschine angeordneten Permanentmagneten sowie eine elektrische Maschine, eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung.
Stand der Technik
In Fahrzeugen werden elektrische Maschinen bspw. als Motor oder Starter für eine Brennkraftmaschine eingesetzt oder bspw. als Generator zur Stromerzeugung. In modernen Fahrzeugen werden elektrische Maschinen auch als Kombination von Motor und Generator, als sog. Startergenerator (SG) oder Boost-Rekuperations-Maschine (BRM), eingesetzt. Dies 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 als Boost-Rekuperations-Maschine 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 und dann gespeichert werden.
Elektrische Maschinen können mittels einer Luftkühlung gekühlt werden. Eine besondere Herausforderung sind die hohen Leistungsdichten gepaart mit relativ hohen Umgebungstemperaturen im Motorraum. Diese Temperaturen können 120°C überschreiten. Dabei kann die Grenze der thermischen Belastbarkeit einzelner Komponenten überschritten 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 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.
Eine Messung der besonders kritischen Läufertemperatur ist damit nicht möglich. Es wird daher versucht, aus dem Messergebnis der Ständertemperatur mittels eines Modells auf die Läufertemperatur zu schließen. Dieses Vorgehen ist fehleranfällig. Der thermisch hoch belastete Läufer (Rotor) der E-Maschine ist einer direkten Temperaturmessung kaum zugänglich. Bekannte Signalübertragungsverfahren wie z.B. induktive Übertrager oder auch Schleifring-gestützte Systeme scheiden aus Gründen zu hoher Kosten und mangelnder Betriebssicherheit i.d.R. aus.
Es besteht daher Bedarf daran, die Temperaturmessung insbesondere für den Läufer einer elektrischen Maschine zu vereinfachen.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zur Messung der Temperatur eines an einem Läufer einer elektrischen Maschine angeordneten Permanentmagneten sowie eine elektrische Maschine, eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung erlaubt die Bestimmung der Temperatur einer oder mehrerer Komponenten des Läufers der elektrischen Maschine ohne Einsatz eines im oder am Läufer montierten Temperatursensors. Dabei wird die Temperaturabhängigkeit einer magnetischen Eigenschaft des Permanentmagneten genutzt und insbesondere der temperaturabhängige Wert (Feldstärke- oder Flussdichtewert) des vom Permanentmagneten erzeugten Magnetfelds bestimmt. Es ist nämlich bekannt, das die Remanenz eines Permanentmagneten und damit die Feldstärke bzw. Flussdichte des von ihm erzeugten Magnetfelds mit steigender Temperatur sinken. Zweckmäßigerweise wird zur Erfassung des Magnetfeldwerts ein insbesondere nicht mitrotierenden Magnetfeldsensor, z.B. Hallsensor oder (G)MR-Sensor, verwendet.
Die Erfindung ist besonders vorteilhaft in einer sowohl motorisch als auch generatorisch betreibbaren elektrischen Maschine einsetzbar, da dort meist ohnehin ein Permanentmagnet am Läufer angeordnet ist (sog. Rotorlage-Gebermagnet), um aus dem Verlauf des Magnetfelds die Winkelposition (sog. Rotorlage) und/oder die Drehzahl des Läufers zu ermitteln, d.h. auch das vom Permanentmagneten erzeugte Magnetfeld wird ohnehin erfasst und muss nur noch entsprechend ausgewertet werden.
Die Erfindung entfaltet in sowohl motorisch als auch generatorisch betreibbaren elektrischen Maschinen im Fahrzeug (also insbesondere SG oder BRM) besondere Vorteile, da der Läufer dort nahe der Belastbarkeitsgrenze betrieben wird und daher ohne genaue Kenntnis der Temperatur eine frühzeitige Abregelung des Antriebs erforderlich ist. Dies führt zu Leistungsverlusten. Durch die erfindungsgemäß verbesserte Messung der Läufertemperatur kann die Abgabeleistung gesteigert werden.
Die Kosten werden reduziert, da keine Temperatursensoren und auch keine zugehörigen Kontaktstellen, Leitungen und Auswerteinheiten in der elektrischen Maschine benötigt werden. Die Betriebssicherheit wird gesteigert, da Temperatursensoren in luftgekühlten elektrischen Maschinen insbesondere durch Medienangriffe (Salznebel o.Ä.) und Vibration ausfallgefährdet sind.
Die aus der Messung der Magnetfeldstärke gewonnene Temperaturinformation kann als Eingangsgröße für ein mathematisches Modell des thermischen Verhaltens des Läufers oder der gesamten elektrischen Maschine dienen. Dieses Modell ist in Form eines (Software-)Programms hinterlegt und berechnet aus der Magnettemperatur sowie ggf. weiteren Eingangsgrößen (z.B. Erregerstrom, Phasenströme oder Verlustleistung) die Temperaturen an relevanten Stellen bzw. Komponenten des Läufers bzw. der Maschine insgesamt (also auch Ständer).
Es ist zu erwarten, dass die magnetischen Eigenschaften von Permanentmagneten exemplarspezifischen Schwankungen unterliegen, die sich in unterschiedlich großen Magnetfeldstärken bei gleicher Temperatur äußern können. Des Weiteren kann auch der Magnetfeldsensor Genauigkeitstoleranzen aufweisen. Um zu verhindern, dass sich diese Toleranzen in der ermittelten Magnettemperatur niederschlagen, kann bei der Inbetriebnahme und/oder während der Nutzung der elektrischen Maschine eine Kalibrierung des Signals erfolgen. Hierzu wird das Sensorsignal bei definierten Randbedingungen auf die vorherrschende Magnettemperatur abgeglichen. Diese wird dazu zweckmäßigerweise mittels eines Temperaturmessgeräts gemessen.
Die Erfindung kann an elektrischen Maschinen unterschiedlicher Bauart, z.B. Synchronmaschinen oder Asynchronmaschinen angewendet werden.
Wenn für den Betrieb einer elektrischen Maschine kein Rotorlagesensor benötigt wird, kann ein Magnet ausschließlich zur Temperaturbestimmung an der Läuferwelle angebracht werden. Die Feldstärke dieses Magneten wird mit Hilfe eines insbesondere nicht mitrotierenden Magnetfeldsensors gemessen und aus dem Signal die Läufertemperatur ermittelt.
Besonders vorteilhaft ist eine gute thermische Anbindung des Magneten an den Läufer, um einen geringen Temperaturunterschied zwischen Erregerwicklung und Magnet zu erhalten. Hierzu kann der Magnet beispielsweise über einen Metalltopf an der Läuferwelle befestigt werden. Durch die hohe Wärmeleitfähigkeit des Metalltopfes wird der Magnet gleichmäßig auf eine Temperatur erwärmt, die näherungsweise der zu bestimmenden Läufertemperatur entspricht.
Besonders vorteilhaft ist eine Temperaturdifferenz von < 10K zwischen dem Magneten und der Läuferwelle nahe des Läufers. Diese Temperaturdifferenz soll im Stillstand des Läufers bei konstanter Temperatur des Läufers von etwa 150°C in thermischer Beharrung von Läufer und Magnet gemessen werden, wobei auf eine Luftanströmung verzichtet werden soll. Damit ist die erforderliche Präzision des Verfahrens gegeben.
Besonders zweckmäßig ist der Einsatz eines Magneten mit besonders ausgeprägter Temperaturabhängigkeit der magnetischen Eigenschaften, insbesondere Auswahl eines Magnetwerkstoffs mit einer temperaturabhängigen Änderung der Remanenzflussdichte von mindestens 0,1%/K.
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 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mit einer Recheneinheit zur Ermittlung der Temperatur eines Permanentmagneten, der am Läufer der elektrischen Maschine angeordnet ist.
2 zeigt in einem Blockdiagramm eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Ausführungsform(en) der Erfindung
In 1 ist eine hier als Boost-Rekuperations-Maschine ausgebildete elektrische Maschine gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in einer schematischen Schnittansicht dargestellt und insgesamt mit 100 bezeichnet. Die elektrische Maschine 100 weist einen mechanischen Teil 110 und einen elektronischen Teil 120 auf.
In dem mechanischen Teil 110 sind ein um eine Rotationsachse A rotierender Läufer 111 und ein feststehender Stator 112 angeordnet.
Der Läufer 111 weist eine Läuferwelle 121 auf, die mit einer Riemenscheibe 122 drehfest verbunden ist. Die Riemenscheibe 122 dient zur drehmomentübertragenden Kopplung mit einer Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs bzw. deren Kurbelwelle. Die Läuferwelle 121 erstreckt sich durch den mechanischen Teil 110 der elektrischen Maschine 100 und ist insbesondere an einem Lager 123 rotierend gelagert. An der Läuferwelle sind vorzugsweise auch ein oder mehrere Ventilator-Laufräder (nicht gezeigt) zur Luftkühlung der elektrischen Maschine 100 angeordnet.
In der dargestellten Ausführungsform ist an dem der Riemenscheibe 122 abgewandten Ende der Läuferwelle 121 eine Halterung 124 mit einem darin befestigten Permanentmagneten 125 angeordnet. Die Halterung 124 ist hier topfförmig ausgebildet, wobei der Permanentmagnet 125 in dem Topf eingelegt und dort befestigt, insbesondere eingeklemmt und/oder eingeklebt ist. Das vom Permanentmagneten 125 erzeugte Magnetfeld 126 durchdringt einen weiter unten noch detaillierter erläuterten Magnetfeldsensor 150 im elektronischen Teil 120 der elektrischen Maschine 100.
Der Stator 112 der elektrischen Maschine 100 weist eine Statorwicklung bzw. Ständerwicklung auf. Übliche Ständerwicklungen von elektrischen Maschinen in Fahrzeugen sind drei- oder fünfphasig aufgebaut. Die Ständerwicklung ist mit dem elektronischen Teil 120 elektrisch leitend verbunden. Elektrische Maschinen in Fahrzeugen sind häufig als Klauenpolmaschinen aufgebaut, wobei an der Läuferwelle 121 sogenannte Klauen 130 angeordnet sind. In einem von den Klauen 130 umschlossenen Bereich weist die Läuferwelle 121 den magnetisch wirksamen Erreger auf, der eine Läufer- bzw. Erregerwicklung 127 aufweist, die um einen Läuferkern 128 gewickelt ist. Der Läuferkern besteht üblicherweise aus einem ferromagnetischen Material mit niedriger Remanenzflussdichte und dient zur Verstärkung des Magnetfelds, das durch einen durch die Läuferwicklung 127 fließenden Erregerstrom erzeugt wird. Ist die Läuferwicklung 127 bestromt, bilden sich an den Enden der Klauen 130 magnetische Nord- und Südpole. Zwischen benachbarten Klauen 130 können zusätzlich Permanentmagneten angebracht sein.
Im elektronischen Teil 120 der elektrischen Maschine befindet sich ein Stromrichter 151, der hier durch ein Transistorsymbol symbolisiert ist. Die Phasen der Ständerwicklung der elektrischen Maschine sind über den Stromrichter 151 mit einem Bordnetz des Fahrzeugs verbunden. Durch entsprechende Ansteuerung des Stromrichters kann die elektrische Maschine motorisch oder generatorisch betrieben werden, wie es im Stand der Technik hinreichend bekannt ist. Die Ansteuerung der Schaltelemente des Stromrichters 151 kann insbesondere durch eine Steuereinrichtung bzw. Steuergerät 152 erfolgen.
Die Steuereinrichtung 152 ist weiterhin signalübertragend mit dem Magnetfeldsensor 150 verbunden und unter anderem dazu eingerichtet, die Drehzahl und/oder Winkelposition (sog. Rotorlage) des Läufers 111 zu bestimmen. Diese Information ist insbesondere für den motorischen Betrieb der elektrischen Maschine wichtig. Weiterhin verfügt die elektrische Maschine 100 über Anschlüsse bzw. eine Schnittstelle 153, über die die elektrische Maschine 100 sowohl stromübertragend mit dem Bordnetz des Fahrzeugs als auch datenübertragend mit anderen Steuergeräten des Fahrzeugs verbunden sein kann.
Im Rahmen der Erfindung ist die Steuereinrichtung 152 nun insbesondere dazu eingerichtet, eine Temperatur des Permanentmagneten 125 und damit mittelbar auch eine Temperatur des Läufers 111 und insbesondere der Läuferwicklung 127 zu ermitteln. Insbesondere ist nämlich die Feldstärke bzw. Flussdichte des vom Permanentmagneten 125 erzeugten Magnetfelds 126 von der Temperatur des Permanentmagneten abhängig, so dass aus der Ermittlung bzw. Messung der Stärke des Magnetfelds 126 auf die Temperatur des Permanentmagneten 125 und im weiteren mittels entsprechender Temperaturmodelle auf die Temperatur der Erregerwicklung 127 u.a. geschlossen werden kann, wie es insbesondere unter Bezugnahme auf 2 anhand einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert wird.
In 2 ist dargestellt, dass die Temperatur T_L des Läufers auf den Permanentmagneten 125 einwirkt und dadurch die vom Permanentmagneten erzeugte magnetische Flussdichte B beeinflusst. Die magnetische Flussdichte B wird vom Magnetfeldsensor 150 im elektronischen Teil 120 der elektrischen Maschine 100 erfasst und als Messsignal S an die Steuereinrichtung 152 übertragen. In der Steuereinrichtung 152 wird in einem Berechnungsblock 1521 die Temperatur T_M des Permanentmagneten 125 berechnet. Hierzu kann in der Steuereinrichtung 152 insbesondere ein entsprechendes Kennfeld hinterlegt sein, welches einen Zusammenhang zwischen magnetischer Flussdichte B am Ort des Sensors und Magnettemperatur T_M enthält.
Die berechnete Magnettemperatur T_M wird dann an ein Modell 1522 des thermischen Verhaltens der elektrischen Maschine übermittelt, welches hier programmtechnisch in der Steuereinrichtung 152 realisiert ist. Es kann jedoch ebenso programmtechnisch in einer anderen Recheneinheit realisiert sein. Dem Modell 1522 des thermischen Verhaltens der elektrischen Maschine werden optional und bevorzugt weitere die Temperatur beeinflussende Größen wie ein Erregerstrom I_E und/oder ein Phasenstrom I_P (d.h. Strom durch die Ständerwicklung) zugeführt. Aus den zugeführten Größen berechnet dann das Modell 1522 des thermischen Verhaltens der elektrischen Maschine eine Temperatur von einer oder mehreren Komponenten des Läufers oder der elektrischen Maschine, wie z.B. eine Temperatur T_W* der Läuferwelle 121, eine Temperatur T_L* des Lagers 123, eine Temperatur T_E* der Erregerwicklung 127, eine T_S* der Ständerwicklung, eine Temperatur von ggf. zwischen benachbarten Klauen 130 oder anderswo angeordneten Permanentmagneten usw. Diese Temperaturen werden dann vorzugsweise für den Betrieb der elektrischen Maschine verwendet, um Übertemperaturen und damit einhergehende Schäden zu vermeiden.

Claims

Verfahren zur Messung der Temperatur (T_M) eines an einem Läufer (111) einer elektrischen Maschine (100) angeordneten Permanentmagneten (125), wobei eine von der Temperatur (T_M) des Permanentmagneten (125) abhängige magnetische Eigenschaft des Permanentmagneten (125) erfasst und daraus die Temperatur (T_M) des Permanentmagneten (125) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Temperatur (T_M) des Permanentmagneten (125) aus dem Wert der von der Temperatur (T_M) des Permanentmagneten (125) abhängigen magnetischen Eigenschaft des Permanentmagneten (125) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Temperatur (T_M) des Permanentmagneten (125) aus dem Verlauf der von der Temperatur (T_M) des Permanentmagneten (125) abhängigen magnetischen Eigenschaft des Permanentmagneten (125) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei als die von der Temperatur (T_M) des Permanentmagneten (125) abhängige magnetische Eigenschaft des Permanentmagneten (125) die Feldstärke oder Flussdichte des von dem Permanentmagneten (125) erzeugten Magnetfelds (126) erfasst wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei aus der Temperatur (T_M) des Permanentmagneten (125) eine Temperatur (T_W*, T_L*, T_E*, T_S*) von einer oder mehreren Komponenten (121, 127, 123, 112, 151, 152) der elektrischen Maschine (100) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die eine oder die mehreren Komponenten der elektrischen Maschine eine Läuferwelle (121), eine Läuferwicklung (127), ein Läuferlager (123), eine Ständerwicklung, einen Stromrichter (151) und eine Steuereinrichtung (152) umfassen.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei die elektrische Maschine (100) in Abhängigkeit von der Temperatur (T_W*, T_L*, T_E*, T_S*) von der einen oder den mehreren Komponenten (121, 127, 123, 112, 151, 152) der elektrischen Maschine (100) betrieben wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die elektrische Maschine (100) motorisch und/oder generatorisch betrieben wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei aus der erfassten von der Temperatur (T_M) des Permanentmagneten (125) abhängigen magnetischen Eigenschaft des Permanentmagneten (125) eine Drehzahl und/oder eine Winkelposition des Läufers (111) ermittelt wird.
Recheneinheit (152), die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.
Computerprogramm, das eine Recheneinheit (152) dazu veranlasst, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 durchzuführen, wenn es auf der Recheneinheit ausgeführt wird.
Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 11.
Elektrische Maschine (100) mit einem Ständer (112) und einem Läufer (111), einem an dem Läufer (111) angeordneten Permanentmagneten (125), einem Magnetfeldsensor (150) und einer Recheneinheit (152) nach Anspruch 10.
Elektrische Maschine nach Anspruch 13, wobei der Permanentmagnet (125) so an einer Läuferwelle (121) des Läufers (111) befestigt ist, dass an wenigstens einer Stelle der Läuferwelle (121) eine Temperaturdifferenz von weniger als 10 K zwischen dem Permanentmagneten (125) und der Läuferwelle (121) besteht.
Elektrische Maschine nach Anspruch 13 oder 14, wobei die Remanenzflussdichte des Permanentmagneten (125) eine Temperaturabhängigkeit von mindestens 0,1%/K zeigt.