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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung eines Wicklungsschlusses in einer Spule, insbesondere einer Statorspule oder Rotorspule einer E-Maschine. Sie betrifft auch eine entsprechend ausgeführte Ermittlungsvorrichtung.
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Zum Betreiben einer E-Maschine kommt häufig ein Wechselrichter zum Einsatz. Dieser wandelt eine Gleichspannung in eine zum Betreiben der E-Maschine benötigte quasi Wechselspannung um. Gesteuert bzw. geregelt wird dieser durch eine Steuergerät, das die Phasenströme und Phasenspannungen in den Phasen der E-Maschine erfasst.
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Zur Überwachung und Fehlersuche bei elektrischen Antrieben, aufweisend eine E-Maschine, wird eine Reihe von Funktionen zur Diagnose benötigt. In der Regel werden Kurzschlüsse nach Masse und Versorgung detektiert. Die Erkennung eines Windungsschlusses in den Spulen der E-Maschine ist prinzipiell mittels Messung des ohmschen Widerstandes an den Phasen der E-Maschine möglich. Allerdings ist dieser Widerstand generell sehr klein, sodass Leitungsimpedanzen bzw. Überganswiderstände an (Steck-)Verbindungen das Messergebnis verfälschen können. Tritt nun ein (partieller) Kurzschluss zwischen zwei Phasen oder innerhalb der Phase der E-Maschine auf, so wird dieser häufig nicht oder zumindest nicht eindeutig detektiert.
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Aus der
EP 1 312 929 A1 ist ein Verfahren zur Überwachung einer elektrischen Isolation eines Läufers einer E-Maschine bekannt. Hierbei wird ein magnetisches Feld zweier Spulen erfasst, die in Reihe mit einer Läuferwicklung geschaltet sind. Durch eine Änderung des magnetischen Feldes der beiden Spulen kann auf eine Zustandsänderung der Isolation, wie einen Windungsschluss, geschlossen werden.
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Aus der
DE 10 2008 017 900 A1 ist ein Verfahren zur Erfassung eines Fehlers in einer Drehfeldmaschine bekannt. Hierbei wird eine flussbildende Stromkomponente einer Frequenzanalyse unterzogen.
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Aus der
DE 10 2009 004 556 A1 ist es bekannt, dass bei einer PWM-angesteuerten E-Maschine durch Beobachtung eines Strom-Rippels, der aus der PWM-Spannungsschaltung resultiert, Teilwindungsschlüsse detektiert werden können (vgl. Absatz [0121]).
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Aufgabe der Erfindung ist es den Stand der Technik zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände mit den Merkmalen der Hauptansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen hiervon sind den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.
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Demnach wird ein Verfahren zur Ermittlung des Vorliegens eines Wicklungsschlusses in einer Spule vorgeschlagen, wobei die Spule mit elektrischen Spannungspulsen beaufschlagt wird. Dabei wird zum Beginn und zum Ende zumindest eines Spannungspulses jeweils ein Spulenstrom ermittelt. Aus diesen beiden Spulenströmen wird eine Impedanz der Spule ermittelt. Bei einem Unterschreiten der ermittelten Impedanz unterhalb eines Schwellenwertes wird anschließend auf das Vorliegen des Wicklungsschlusses in der Spule geschlossen. In diesem Fall kann beispielsweise ein Signal ausgegeben werden, das indikativ für das Vorliegen des Wicklungsschlusses ist. Anhand des Signals ist also erkennbar, dass der Wicklungsschluss in der Spule festgestellt wurde.
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Bei der Spule handelt es sich in einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung um eine Statorspule oder eine Rotorspule einer E-Maschine. Bei einer Statorspule handelt es sich um eine statorfeste Spule der E-Maschine. Sie ist also fest mit dem Stator der E-Maschine verbunden bzw. bildet einen Teil des Stators. Bei einer Rotorspule handelt es sich um eine rotorfeste Spule der E-Maschine. Sie ist also fest mit dem dreh- bzw. bewegbaren Rotor der E-Maschine verbunden bzw. bildet einen Teil des Rotors. Beide dienen zur Erzeugung eines Magnetfeldes, das in den beweglichen Rotor der E-Maschine eine Kraft bzw. ein Drehmoment induziert. Bei der E-Maschine kann es sich insbesondere um eine Drehfeldmaschine, wie insbesondere eine Asynchron- oder Synchron- oder Reluktanzmaschine, handeln. Die E-Maschine kann als Motor oder Generator ausgeführt sein.
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Eine E-Maschine verfügt für gewöhnlich über mehrere Stator- bzw. Rotorspulen. Die Erfindung ist für alle, einige oder eine einzige der Spulen anwendbar, indem alle, einige oder einzelne Impedanzen der Spulen ermittelt werden.
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Die Erfindung ist jedoch prinzipiell nicht auf die Verwendung in einer Stator- oder Rotorspule beschränkt. Vielmehr kann sie zur Erkennung eines Wicklungsschlusses in jeder Art von Spule eingesetzt werden, also beispielsweise auch zur Erkennung eines Wicklungsschlusses in einer Spule eines Magnetventils oder eines anderen elektromagnetischen Aktors oder Sensors. Die vorgeschlagene Ermittlung kann online, also während des bestimmungsgemäßen Betriebs der Spule erfolgen, oder außerhalb des Betriebs, wie einmalig, beispielsweise nach Herstellung (z. B. End-of-line-Prüfung), oder in Intervallen, beispielsweise bei Wartungs- oder Servicearbeiten.
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Als Wicklungsschluss in einer Spule ist insbesondere ein zumindest teilweiser Isolationsverlust bzw. ein Isolationsdefizit zwischen zwei Windungen der Spule zu verstehen. Hierdurch kommt es zu einem (Teil-)Kurzschluss innerhalb der Spule. Ein solcher Wicklungsschluss kann beispielsweise durch eine bei der Herstellung der Spule unzureichend aufgetragene elektrische Isolation entstehen oder durch Verschleiß, wie Vibrationen, Hitzeabplatzungen, Rissbildung durch thermische Ausdehnung etc., während des Betriebs der Spule.
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Als Spulenstrom ist insbesondere der elektrische Strom zu verstehen, der durch die zumindest eine Spule fließt. Wenn ein Wicklungsschluss in mehreren miteinander verschalteten Spulen erfasst werden soll, kann unter einem Spulenstrom auch der durch eine, einige oder alle diese mehreren Spulen fließende Strom verstanden werden.
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Der Beginn des Spannungspulsen kann insbesondere der Zeitpunkt am oder zumindest unmittelbar im Bereich einer ansteigenden oder abfallenden ersten Flanke des Spannungspulsen sein. Das Ende des Spannungspulsen kann insbesondere der darauffolgende Zeitpunkt am oder zumindest unmittelbar im Bereich einer wieder abfallenden bzw. ansteigenden zweiten Flanke desselben Spannungspulsen sein. Also kann insbesondere der Beginn der Zeitpunkt der ansteigenden Flanke eines Pulses sein und das Ende der Zeitpunkt der unmittelbar darauffolgenden abfallende Flanke des Pulses. Umgekehrt kann der Beginn jedoch auch der Zeitpunkt der abfallenden Flanke eines Pulses sein und das Ende dann der Zeitpunkt der unmittelbar darauffolgenden ansteigenden Flanke des Pulses.
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Die Impedanz einer Spule kann insbesondere auch als Scheinwiderstand oder Gesamtwiderstand der Spule bezeichnet werden. Sie setzt sich aus dem ohmschen Widerstand (Wirkwiderstand) und dem induktiven Blindwiderstand der Spule zusammen.
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Der Schwellenwert kann insbesondere fest vorgegeben sein oder variabel ermittelt werden, beispielsweise aus Betriebsparameter der E-Maschine.
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Bevorzugt wird die Spule bzw. die Stator- oder Rotorspule mit pulsweitenmodulierten Spannungspulsen beaufschlagt, im folgenden PWM-Spannungspulse genannt (PWM = pulsweitenmoduliert).
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Bevorzugt wird die Stator- oder Rotorspule mit alternierenden Spannungspulsen beaufschlagt, wenn der Rotor der E-Maschine stillsteht. D. h. es werden abwechselnd positive und negative Spannungspulse der Spule zugeführt. Hierdurch wird kein dauerhaftes Magnetfeld in der Spule aufgebaut und somit keine Kraft bzw. kein Drehmoment in dem Rotor der E-Maschine ausgebildet. Die Ermittlung, ob ein Wicklungsschluss bei einer stillstehenden E-Maschine vorliegt, tritt äußerlich somit nicht in mechanische Erscheinung.
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Alternativ dazu wird die E-Maschine mittels der Stator- oder Rotorspule betrieben. Dazu wird die Statorspule mit PWM-Spannungspulse beaufschlagt. Die PWM-Spannungspulse bewirken also den Aufbau eines Magnetfeldes in der Spule, welches den Rotor der E-Maschine antreibt, also die Ausbildung einer am Rotor abgreifbaren Kraft bzw. Drehmoment bewirkt. Diese zum Betrieb der E-Maschine verwendeten PWM-Spannungspulse werden dann gleichzeitig zur Ermittlung genutzt, ob ein Wicklungsschluss in der Spule vorliegt. Hierzu können einer, einige oder alle der PWM-Spannungspulse in der beschrieben Weise ausgewertet werden. Somit sind keine extra Messpulse oder dergleichen erforderlich.
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Somit kann das Vorliegen eines Wicklungsschlusses sowohl bei einer stillstehenden E-Maschine, als auch bei einer betriebenen, ggf. drehenden E-Maschine festgestellt werden.
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Bevorzugt wird die Stator- oder Rotorspule mittels einer Brückenschaltung mit den Spannungspulsen beaufschlagt. Als Spulenstrom wird dann der durch die Brückenschaltung fließende elektrische Strom ermittelt, beispielsweise gemessen. Die Messung/Ermittlung kann beispielsweise mittels zumindest eines Shunts erfolgen, der in der Brückenschaltung angeordnet ist.
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Bevorzugt ist die Brückenschaltung durch mehrere parallel geschaltete Halbbrückenschaltungen gebildet, wobei als Spulenstrom der durch eine oder einige oder alle der Halbbrückenschaltungen fließende Strom ermittelt, beispielsweise gemessen, wird. Somit kann die Gesamtimpedanz der E-Maschine oder einzelne Impedanzen der einzelnen Stator- oder Rotorspulen der E-Maschine ermittelt werden. Bei der Ermittlung der einzelnen Impedanzen ist es möglich festzustellen, in welchen der Spulen der E-Maschine sich der Wicklungsschluss genau befindet.
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Die Brückenschaltung bzw. Halbbrückenschaltungen bilden insbesondere einen Wechselrichter zum Betreiben der E-Maschine. Die Brückenschaltung bzw. Halbbrückenschaltungen kann somit aus elektrischen (Halbleiter-)Schaltern aufgebaut sein, welche mit der E-Maschine verschaltet sind.
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Es wird auch eine Vorrichtung zur Ermittlung des Vorliegens eines Wicklungsschlusses in einer Spule, insbesondere der Stator- oder Rotorspule der E-Maschine, vorgeschlagen. Die Ermittlungsvorrichtung verfügt über eine elektrische Schaltung zur Beaufschlagung der Spule mit elektrischen Spannungspulsen. Außerdem ist sie dazu ausgebildet:
- • zu Beginn und zu Ende des Spannungspulses jeweils den Spulenstrom zu ermitteln und daraus die Impedanz der Spule zu ermitteln,
- • die ermittelte Impedanz mit dem Schwellenwert zu vergleichen,
- • das für das Vorliegen des Wicklungsschlusses indikative Signal auszugeben, wenn die ermittelte Impedanz den Schwellenwert unterschreitet.
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Somit sind mittels der Ermittlungsvorrichtung die oben beschriebenen Vorteile des Verfahrens erreichbar. Die Ermittlungsvorrichtung ist insbesondere Teil eines Steuergerätes für einen Wechselrichter zum Betreiben einer E-Maschine.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert, aus welchen weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung entnehmbar sind. Die Figuren zeigen dabei:
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1 ein elektrisches Antriebssystem,
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2 ein zeitlicher Verlauf von Spannungen und Strömen in einer Spule.
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1 zeigt ein elektrisches Antriebssystem, aufweisend eine E-Maschine 1, hier beispielhaft als PSM (= Permanenterregte Synchronmaschine) ausgebildet, einen Wechselrichter 2 sowie ein Steuergerät 3. Das Antriebssystem kann beispielsweise zum Antrieb von Maschinen oder Fahrzeugen dienen.
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Der Wechselrichter 2 dient zum Betreiben der E-Maschine 1. Hierzu ist der Wechselrichter 2 dazu ausgeführt, einen Gleichstrom an einer Gleichstromseite 2A des Wechselrichters in einen (quasi) Wechselstrom an einer Wechselstromseite 2B umzuwandeln oder umgekehrt. Die Gleichstromseite 2A bilden Gleichstromleitungen DC+, DC– und die Wechselstromseite 2B bilden Phasenleitungen U, V, W. Letztere sind mit den Phasen der E-Maschine 1 elektrisch kontaktiert. Je Phase verfügt die E-Maschine 1 über zumindest eine Spule, welche in an sich bekannter Weise ein Magnetfeld zum Betreiben der E-Maschine 1 erzeugt. Bei der Spule kann es sich je nach Bauart der E-Maschine um eine Rotor- oder Statorspule handeln.
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Der Wechselrichter 2 verfügt über Brückenschaltungen. Gemäß 1 verfügt der Wechselrichter beispielhaft über sechs Schalter, insbesondere Halbleiterschalter, welche zu drei Halbbrückenschaltungen miteinander verschaltet sind. Je Halbbrückenschaltungen sind genau zwei Schalter vorgesehen, ein High-Side-Schalter und ein Low-Side-Schalter. Jeder Phase der E-Maschine 1 ist genau eine der Halbbrückenschaltungen zugeordnet. Der Wechselrichter gezeigte bildet demnach einen an sich bekannten B6-Wechselrichter. Der elektrische Gesamtstrom I durch die Halbbrückenschaltungen wird erfasst, beispielsweise mittels eines Shunts oder eines anderen Stromsensors 4. Außerdem wird die jeweils an den Phasenleitungen U, V, W anliegende elektrische Spannung u erfasst. Dies erfolgt durch das Steuergerät 3.
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Das Steuergerät 3 (MCU = Motor Control Unit) dient auch zur Betätigung des Wechselrichters, d. h. das Steuergerät bewirkt das Öffnen und Schließen der Schalter des Wechselrichters 2. Dies erfolgt für gewöhnlich pulsweitenmoduliert (= PWM). Durch eine entsprechende Taktung des Öffnens und Schließens der Schalter ergibt sich der Wechselstrom in den Phasenleitungen U, V, W zum Betrieb der E-Maschine 1.
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In den Spulen der E-Maschine 1 kann es zu einem Wicklungsschluss kommen. Dann liegt ein (Teil-)Kurzschluss in der Spule vor. In dieser Folge kann die E-Maschine 1 nicht mehr ordnungsgemäß oder zumindest nicht mehr mit der vollen Leistung betrieben werden. Das Steuergerät verfügt daher über eine Ermittlungsvorrichtung ADC zur Ermittlung des Vorliegens eines Wicklungsschlusses in den Spulen der E-Maschine 1.
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Die Wirkungsweise der Ermittlungsvorrichtung wird anhand 2 verdeutlicht. 2 zeigt im oberen Teil einen zeitlichen Spannungsverlauf der Spannung u in einer der Phasenleitungen U, V, W. Im unteren Teil zeigt 2 parallel den zeitlichen Stromverlauf des Gesamtstroms I. Wie 2 zu entnehmen ist, wird liegt die Spannung u in Form von Spannungspulsen 5 vor. Der E-Maschine 1 werden also die Spannungspulse 5 zugeführt. Diese können je nach aktuellem PWM-Verhältnis kürzer oder länger (Verhältnis 0 ... 1) sein. Jeder Spannungspuls 5 verfügt über eine ansteigende Flanke 5A und eine abfallende Flanke 5B. Die ansteigenden Flanken 5A finden zu den Zeitpunkten X0, Y0 statt. Die jeweils zugehörigen abfallenden Flanken finden zu den Zeitpunkten X1 und Y1 statt. Die Spannungspulse 5 dienen zum oben beschriebenen Betreiben der E-Maschine 1 und werden durch den Wechselrichter 2 erzeugt, im Detail durch eine entsprechende Taktung der Schalter des Wechselrichters 2.
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Die Spannungspulse 5 wirken sich, wie in 2 unten sichtbar, auf den Stromverlauf aus. Der Stromverlauf ähnelt hierdurch einer Dreieckschwingung. Der aktuelle Strom i zu den Zeitpunkten der Flanken 5A, 5B, also zu den Zeitpunkten X0, X1, Y0, Y1 kann so ermittelt werden.
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Es ist nun vorgesehen, dass zum Beginn X0 bzw. Y0 und zum Ende X1 bzw. Y1 jedes, einiger oder aller Spannungspulse 5 der jeweilige Strom i ermittelt wird. Aus diesem Paar bzw. Paaren an Strömen wird eine Impedanz der Spulen der E-Maschine 1 ermittelt. Unterschreitet die ermittelte Impedanz einen Schwellenwert, wird auf das Vorliegen eines Wicklungsschlusses in den Spule der E-Maschine 1 geschlossen. Dann kann beispielsweise ein Signal ausgegeben werden, das auf das Vorliegen des Wicklungsschlusses verweist.
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Beispielsweise wird zum Zeitpunkt X0 der steigenden Flanke 5A des in 2 sichtbaren ersten Spannungspulses 5 der zugehörige aktuelle Strom i ermittelt. Anschließend wird zum Zeitpunkt zum Zeitpunkt X1 der unmittelbar folgenden, abfallenden Flanke 5b des in 2 sichtbaren ersten Spannungspulses 5 der zugehörige aktuelle Strom i ermittelt. Man erhält somit pro Spannungspuls 5 genau zwei Ströme. Aus diesen beiden Strömen i wird die bei diesem Spannungspuls 5 vorliegende Impedanz der Spulen der E-Maschine 1 ermittelt. Entsprechend kann bei dem in 2 sichtbaren späteren, zweiten Spannungspuls 5 vorgegangen werden, sowie bei beliebig vielen weiteren Spannungspulsen 5.
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Statt des Gesamtstroms i durch die Brückenschaltungen des Wechselrichters 2 kann auch der Strom durch einzelne Phasenleitungen U, V, W ermittelt werden. Hierdurch kann genauer ermittelt werden, in welcher der Spulen der E-Maschine 1 sich ein Wicklungsschluss befindet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- E-Maschine
- 2
- Wechselrichter
- 2A
- Gleichstromseite
- 2B
- Wechselstromseite
- 3
- Steuergerät
- 4
- Stromsensor
- 5
- Spannungspuls
- 5A
- Flanke
- 5B
- Flanke
- ADC
- Ermittlungsvorrichtung
- DC+
- Gleichstromleitung
- DC–
- Gleichstromleitung
- U, V, W
- Phasenleitung
- t
- Zeit
- u
- Spannung
- I
- Strom
- X0, X1
- Zeitpunkt
- Y0, Y1
- Zeitpunkt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1312929 A1 [0004]
- DE 102008017900 A1 [0005]
- DE 102009004556 A1 [0006]
