DE102017112388A1

DE102017112388A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Betrieb einer Synchronmaschine mit einem dauermagnetischen Rotor

Info

Publication number: DE102017112388A1
Application number: DE102017112388.1A
Authority: DE
Inventors: Stefan Schmitz; Jan Nägelkrämer; Axel Heitmann; Thomas Hubert; Sven Luthardt
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2017-06-06
Filing date: 2017-06-06
Publication date: 2018-12-06
Also published as: US10707793B2; CN109004873A; JP6576513B2; CN109004873B; JP2018207772A; US20190356254A1

Abstract

Die Erfindung stellt ein Verfahren zum Betrieb einer Synchronmaschine mit einem Rotor mit den folgenden Merkmalen bereit: Die Synchronmaschine wird bezüglich des Rotors als Zweiphasensystem mit einem Längsstrom und einem Querstrom modelliert (11); im Rotor auftretende Rotorverluste der Synchronmaschine werden durch eine Bewertungsfunktion des ersten Längsstromes, des Querstromes und einer gegebenen Drehzahl der Synchronmaschine numerisch beschrieben (12); und anhand der Bewertungsfunktion werden für die gegebene Drehzahl und ein gefordertes Drehmoment der Längsstrom und der zweite Querstrom derart geregelt, dass die Synchronmaschine das geforderte Drehmoment abgibt und die Rotorverluste gering sind (13).
Die Erfindung stellt ferner eine entsprechende Synchronmaschine, ein entsprechendes Computerprogramm sowie ein entsprechendes Speichermedium bereit.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Synchronmaschine mit einem dauermagnetischen Rotor. Die vorliegende Erfindung betrifft darüber hinaus eine entsprechende Synchronmaschine, ein entsprechendes Computerprogramm sowie ein entsprechendes Speichermedium.
Stand der Technik
In Leistungselektronik und Elektromaschinenbau werden Regelungskonzepte, bei welchen sinusförmige - oder als weitgehend sinusförmig angenommene - Wechselgrößen wie Spannungen oder Ströme nicht unmittelbar in ihrem zeitlichen Momentanwert, sondern in einem um den Phasenwinkel innerhalb der Periode bereinigten Momentanwert geregelt werden, zusammenfassend als feldorientierte oder Vektorregelung bezeichnet. Zu diesem Zweck werden die erfassten Wechselgrößen jeweils in ein mit der Frequenz der Wechselgrößen rotierendes Koordinatensystem übertragen. Innerhalb dieses rotierenden Koordinatensystems ergeben sich dann aus den Wechselgrößen Gleichgrößen, auf die alle üblichen Verfahren der Regelungstechnik angewandt werden können.
Aus praktischen Gründen wird insbesondere zur feldorientierten Regelung von Synchronmaschinen regelmäßig ein kartesisches Koordinatensystem aus zwei senkrecht aufeinander stehenden Achsen d und q gewählt. Anhand geeigneter Referenzwerte für die entsprechenden Stromkomponenten können so im Wege einer Raumzeigermodulation (space vector pulse with modulation, SVPWM) die Ansteuersignale für einen dreiphasig ausgeführten Vierquadranten-Steller gebildet werden.
Um ein gefordertes Drehmoment zu erreichen, kommen dabei in der Regel unterschiedliche Kombinationen der zwei Phasenströme i_d und i_q in Betracht. Häufig wird in der Praxis dabei diejenige Kombination mit dem geringsten Phasenstrom und somit maximalen Drehmoment pro Ampere (maximum torque per ampere, MTPA) gewählt. Auf diese Weise sollen die vorrangig im Stator auftretenden Kupferverluste der Maschine weitgehend minimiert werden.
CN104319969 und US2013207589 offenbaren Steuerungsverfahren für eine E-Maschine, insbesondere eine permanent erregte Synchronmaschine für Elektro- und Hybridfahrzeuge, bei denen die Ströme i_d und i_q analysiert und Wirbelstrom- sowie Hystereseverluste minimiert werden.
DE102010050344 offenbart ein Steuerungsverfahren für eine E-Maschine, bei denen Eisenverluste im Allgemeinen berechnet werden.
US2005073280 , US2013006593 , US2013119900 , WO04073156 , US2016028343 sowie US6605912 offenbaren weitere Steuerungsverfahren, bei denen teils magnetisches Rauschen reduziert und die Drehmomentwelligkeit kompensiert wird.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung stellt ein Verfahren zum Betrieb einer Synchronmaschine mit einem dauermagnetischen Rotor, eine entsprechende Synchronmaschine, ein entsprechendes Computerprogramm sowie ein entsprechendes Speichermedium gemäß den unabhängigen Ansprüchen bereit.
Dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, dass der Rotor bei sehr leistungsdichten Maschinen für Dauerleistungen oftmals zu heiß wird. Bei permanent erregten Synchronmaschinen besteht ein solcher Rotor aus Blech (Eisen) und Magneten; die Rotorverluste setzen sich mithin im Wesentlichen aus Eisenverlusten und Magnetverlusten zusammen.
Daher wird zur Erreichung eines geforderten Drehmomentes gewöhnlich eine Kombination der zwei Phasenströme i_d und i_q gewählt, die nicht notwendigerweise die Kupferverluste, sondern die Ummagnetisierungsverluste minimiert, um den Rotor zu entlasten.
Daher wird vorgeschlagen, gemäß der - zwei- oder dreidimensional angewandten - Methode der finiten Elemente (finite element method, FEM) in Abhängigkeit von i_d, i_q und der Drehzahl die Magnet- und Eisenverluste zu berechnen. Da der Rotor die kritische Komponente hinsichtlich Wärmeabfuhr und somit Dauerleistung der Synchronmaschine darstellt, kann so eine Kombination von i_d und i_q gefunden werden, die diese Verluste minimiert. Eine Überschreitung des minimalen Phasenstromes im Sinne des MTPA-Ansatzes ist dabei in Kauf zu nehmen.
Ein Vorzug der vorgeschlagenen Lösung liegt somit in der verbesserten Dauerleistung einer erfindungsgemäß angesteuerten Maschine. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Figurenliste
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.

1 zeigt das Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
2 zeigt schematisch einen erfindungsgemäß gesteuerten Motor.

Ausführungsformen der Erfindung
1 illustriert den Grundgedanken der erfindungsgemäßen Methodik, um die Hitzeentwicklung im Dauerbetrieb einer Synchronmaschine mit dauermagnetischem Rotor zu vermindern. Hierzu wird in einem vorangehenden Entwicklungsschritt zunächst eine 2D- oder 3D-Simulation der Synchronmaschine durchgeführt.
Legt man das im Rahmen der feldorientierten Regelung verwendete zweiphasige Systemmodell (Prozess 11) zugrunde, so lassen sich anhand der Simulationsergebnisse die im Rotor auftretenden Eisen- und Magnetverluste als Funktion des ersten Phasenstromes, des zweiten Phasenstromes und einer gegebenen Drehzahl der Synchronmaschine numerisch annähern (Prozess 12). Die so gewonnene Funktion kann als Bewertungsfunktion im Rahmen eines Optimierungsproblems dienen, welches - für die gegebene Drehzahl und ein gefordertes Drehmoment - die Rotorverluste durch die Wahl einer optimalen Kombination der zwei Phasenströme i_d und i_q zu minimieren sucht. Die durch Lösung des Optimierungsproblems gefundene Kombination lässt sich nunmehr auf herkömmlichem Wege als Referenz für die Regelung (Prozess 13) zum Beispiel des in 2 dargestellten Elektromotors (20) nutzen.
Dieses Verfahren (10) kann beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware beispielsweise in einem Motorsteuergerät implementiert sein.
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

CN 104319969 [0005]
US 2013207589 [0005]
DE 102010050344 [0006]
US 2005073280 [0007]
US 2013006593 [0007]
US 2013119900 [0007]
WO 04073156 [0007]
US 2016028343 [0007]
US 6605912 [0007]

Claims

Verfahren (10) zum Betrieb einer Synchronmaschine (20) mit einem Rotor, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - die Synchronmaschine (20) wird bezüglich des Rotors als Zweiphasensystem mit einem Längsstrom und einem Querstrom modelliert (11), - im Rotor auftretende Rotorverluste der Synchronmaschine (20) werden durch eine Bewertungsfunktion des Längsstromes, des Querstromes und einer gegebenen Drehzahl der Synchronmaschine (20) numerisch beschrieben (12) und - anhand der Bewertungsfunktion werden für die gegebene Drehzahl und ein gefordertes Drehmoment der Längsstrom und der Querstrom derart geregelt, dass die Synchronmaschine (20) das geforderte Drehmoment abgibt und die Rotorverluste gering sind (13).
Verfahren (10) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eines der folgenden Merkmale: - mittels finiter Elemente wird eine numerische Simulation der Synchronmaschine (20) durchgeführt, anhand derer die Bewertungsfunktion bestimmt wird, - die Bewertungsfunktion wird im Betrieb der Synchronmaschine (20) durch ein Derating berechnet oder - die Bewertungsfunktion wird vorgegeben.
Verfahren (10) nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eines der folgenden Merkmale: - die Simulation erfolgt zweidimensional, - die Simulation erfolgt dreidimensional oder - die Simulation erfolgt analytisch.
Verfahren (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - anhand der Simulation werden Eisenverluste und Magnetverluste im Rotor und Kupferverluste und Eisenverluste im Stator berechnet und - die Bewertungsfunktion wird anhand der Eisenverluste, der Kupferverluste und der Magnetverluste bestimmt.
Synchronmaschine (20), gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - die Synchronmaschine (20) ist eingerichtet, gemäß einem Verfahren (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 betrieben zu werden.
Computerprogramm, welches dazu eingerichtet ist, alle Schritte eines Verfahrens (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 durchzuführen.
Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 6.