DE102018000473A1 - Magnetsensor zur Messung der Komponenten des Statorfeldvektors in Drehstrommaschinen - Google Patents

Abstract

Ein Magnetsensor zur Messung der Komponenten des Statorfeldvektors in Drehstrommaschinen, der auf dem Prinzip der Förster-Sonde aufgebaut ist. Der Sensor besteht aus zwei auf der äußere Oberfläche der Statorpakete liegende, bogenförmige, in Umfangsrichtung angeordnete nebeneinanderliegende weichmagnetischen Kerne. Die Kernlänge beträgt eine oder mehrere Polteilungen. Jeder Kern ist mit einer Magnetisierungsspule gleichmäßig gewickelt, so dass die Magnetfelder der Kerne in Gegenrichtung orientiert sind. Zwei Meßspulen umfassen beide Kerne und haben Wicklungsdichten, die einer Sinusfunktion und einer Kosinusfunktion entsprechen, abhängig von dem Abstand des Winkelpunktes von einem beliebigen festgelegten Punkt entlang der Magnetsonde. Die Magnetisierungsspulen werden dann mit Wechselstrom gespeist um die Kerne in die Sättigung zu magnetisieren. In Meßspulen wird die Spannung induziert, die doppelte Frequenz des Magnetisierungsstroms hat. Die Amplitude der Induktionsspannung in der Kosinusspule entspricht dem Wert der Kosinuskomponente der Grundschwingung des Statormagnetfeldes. Ähnlich gibt die Sinusspule die Sinuskomponente ab. Durch die Phase der Induktionsspannung das Vorzeichen der Komponente festgestellt werden kann.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Magnetsensor für die feldorientierte Steuerung (FOC) eine Drehstrommaschine. Die FOC ist beispielsweise aus dem Artikel „Das Prinzip der Feldorientierung - die Grundlage für die Transvektor-Regelung von Drehfeldmaschinen" aus Siemens-Zeitschrift, Oktober 1971, Heft 10, Seiten 755 bis 760 bekannt.
• Es ist ferner bekannt, wie es zum Beispiel aus dem Artikel „Gopal B T, Venu. (2017). Comparison Between Direct and Indirect Field Oriented Control of Induction Motor. International Journal of Engineering Trends and Technology. 43. 364-369. 10.14445/22315381/IJETT-V43P260." hervorgeht, dass die FOC erfordert den Einsatz eines Magnetsensors, mit dem die Koordinaten des Vektor von Stator-Magnetfeld berechnet werden können. Herkömmliche industrielle FOC-Systemen implementieren sogenannte indirekte Magnetsensoren auf Basis eines komplexen Software-Sensors (Beobachters) .
• Ein Beobachter rekonstruiert den Flussvektor über eine Integration der entsprechenden induzierte Gegenspannungen der Statorwicklung. Das grundlegende Problem bei allen Beobachterverfahren ist, dass bei kleinen Drehzahlen und dem Stillstand die induzierte Gegenspannung verschwindet. Das führt zu instabilen bzw. sehr ungenauen Beobachtern bei kleinen Drehzahlen, wie es in der Dissertation „Aicher, Peter (2004): Winkelrekonstruktion und sensorlose Regelung von Hybridschritt-motoren, Dissertation, Technische Universität München“ heißt.
• Es ist ferner bekannt, dass eine Magnetsonde den Magnetfeld enlang der Sonde integrieren kann( US 6278272 B1 ).
• Der Gegenstand der Erfindung ist eine bogenförmige,auf der äußere Oberfläche der Statorpakete liegende, in Umfangsrichtung angeordnete, für direkte Messung des Statormagnetfeldes vorgesehene, Magnetsonde, welche durch variable Wicklungsdichte der Meßspulen die Kosinus- und Sinuskomponenten der Grundschwingung des Statormagnetfeldes misst.
• Die 1 zeight die Bauweise der Magnetsonde. Die Grundlage der Magnetsonde bilden zwei nebeneinanderliegende Kerne 3 und 4. Die Kerne sind als Streifenpakete aus dünnen weichmagnetischen Streifen gefertigt. Die Kernlänge kann eine oder mehrere Polteilungen betragen. Zum Beispiel, die Kernlänge beträgt eine Polteilung: $$\text{L}=\mathrm{\pi }*D\text{/2p}$$

  

  L - die Kernlänge
  D - der Außendurchmesser der Statorpakete
  p - die Polpaarzahl der Drehstrommaschine.
• Die Magnetisierungsspule 5 ist auf jeden Kern 3, 4 in die Gegenrichtungen mit einer gleichmässigen Wicklungsdichte gewickelt. Die Meßwicklungen 6, 7 umfassen beide Kerne und haben unterschidliche Wicklungsdichten. Die Wicklungsdichte der Kosinusspule 6 beträgt: $$\text{Ncos}\left(\text{x}\right)=\text{N*cos}\left(\mathrm{\pi }\text{*x/L}\right)$$

  
• Die Wicklungsdichte der Sinusspule 7 beträgt: $$\text{Nsin}\left(\text{x}\right)=\text{N*sin}\left(\mathrm{\pi }\text{*x/L}\right)$$

  
• Wobei:
• N - der Wicklungfaktor
• x - der Abstand zwischen dem Wicklungspunkt und einem beliebigen festgelegten Punkt entlang der Kerne.
• In 2 ist das Arbeitsprinzip des Magnetsensors dargestellt. Der Taktgenerator 8 erzeugt eine Rechteckschwingung mit der Frequenz 2f. Der Frequenzteiler 9 teilt die Ausgangsfrequenz des Taktgenerators 8 durch 2 und speist die Erregspule 5 mit Wechselstrom der Frequenz f. Die Meßspulen 6, 7 sind an Eingänge der phasenempfindlichen Gleichricters 10, 11 angeschlossen. Die phasenempfindliche Gleichricters 10, 11 sind von Referenzfrequenz 2f des Taktgenerators 8 gesteuert. Die Ausgangssignale der phasenempfindlichen Gleichricters 10, 11 sind proportional zur Kosinus- und Sinus Komponenten des Flussvektors entsprechend.
• Als Variant kann die Magnetsonde 13 in der Umfangsrichtung angeordnete Nut 12 auf der äußere Oberfläche der Statorpakete liegen.
• Die Funktionsweise des Sensors beruht auf Fourier-Transformation. Die Statorwicklungen erzeugen im Statorkörper eine räumlich entlang die Umfangsrichtung verteilte Magnetfeldwelle. Die Große der Induktionsspannung in der Meßspule an jedem Punkt x ist ein Produkt: $$\text{u}\left(\text{k}\right)=\text{k}*\mathrm{\phi }\left(\text{x}\right)\text{*n}\left(\text{x}\right)$$

  
• Wobei:
• u(x) - die Induktionsspannung am Punkt x.
• φ(x) - der Statorfluß am Punkt x.
• n(x) - die Wicklungsdichte am Punkt x. K - der Faktor.
• Die kumulative Induktionsspannung in der Meßspule: $$\text{U}=\text{K}{\displaystyle \underset{0}{\overset{\text{L}}{\int }}\mathrm{\phi }\left(\text{x}\right)\text{*n}\left(\text{x}\right)\text{*dx}}$$

  
• Für die Kosinusspule diese Formel ergibt die Kosinuskomponente der Grundschwingung des Statormagnetfeldes : $$\text{Ucos}=\text{K}{\displaystyle \underset{0}{\overset{\text{L}}{\int }}\mathrm{\phi }\left(\text{x}\right)\text{*N*cos}\left(\mathrm{\pi \ast }\text{x/L}\right)\text{*dx}}$$

  
• Für die Sinusspule diese Formel ergibt die Sinuskomponente der Grundschwingung des Statormagnetfeldes : $$\text{Usin}=\text{K}{\displaystyle \underset{0}{\overset{\text{L}}{\int }}\mathrm{\phi }\left(\text{x}\right)\text{*N*sin}\left(\mathrm{\pi \ast }\text{x/L}\right)\text{*dx}}$$

  
• 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
• US 6278272 B1 [0004]
• Zitierte Nicht-Patentliteratur
• „Das Prinzip der Feldorientierung - die Grundlage für die Transvektor-Regelung von Drehfeldmaschinen“ aus Siemens-Zeitschrift, Oktober 1971, Heft 10, Seiten 755 bis 760 [0001]
• „Gopal B T, Venu. (2017). Comparison Between Direct and Indirect Field Oriented Control of Induction Motor. International Journal of Engineering Trends and Technology. 43. 364-369. 10.14445/22315381/IJETT-V43P260.“ [0002]

Claims (5)

1. Eine aus zwei nebeneinanderliegende, weichmagnetischen Kerne bestehende Magnetsonde, wobei auf jedem Kern eine gleichmäßig entlang den Kern gewickelte Magnetisierungsspule gewickelt wird, so dass die Magnetfelder der Kerne in Gegenrichtung orientiert sind, wobei eine oder mehrere Meßspulen umfassen beide Kerne und entlang der Kerne gewickelt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetsonde als Bogen ausgebildet ist und auf der äußere Oberfläche der Statorpakete der Drehstrommaschine in Umfangsrichtung angeordnet liegt.
2. Magnetsonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kernlänge eine oder mehrere Polteilungen beträgt: $$\text{L}=\text{m}*\mathrm{\pi }*D\text{/}\left(2*\text{p}\right)$$

   

   Wobei: L - die Kernlänge D - der Außendurchmesser der Statorpakete p - die Polpaarzahl der Drehstrommaschine m - die natürliche Zahl 1 ≤ m ≤ 2*p.
3. Magnetsonde nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Meßspule mit variable Wicklunsdichte gewickelt ist, wobei die Wicklungsdichte am Punkt x eine Funktion des Abstandes zwischen den Wicklungspunkten x und einem fixierten Punkt Xo entlang der Magnetsonde ist.
4. Magnetsonde nach Ansprüchen von 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine der zwei Meßspulen nach Kosinus und andere nach Sinusfunktion gewickelt ist. Die Wicklungsdichte der Kosinusspule beträgt: $$\text{Ncos}\left(\text{x}\right)=\text{N*cos}\left(\mathrm{\pi }*\text{x*m/L}\right)$$

   

   wobei: N - der Wicklungfaktor L - die Kernlänge x - der Abstand zwischen den Wicklungspunkten x und einem fixierten Punkt X₀ entlang der Magnetsonde. Änlich die Wicklungsdichte der Sinusspule beträgt: $$\text{Nsin}\left(\text{x}\right)=\text{N*sin}\left(\mathrm{\pi }*\text{x*m/L}\right)$$

   
5. Magnetsonde nach Ansprüchen von 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetsonde in der Umfangsrichtung angeordnete Nut auf der äußere Oberfläche der Statorpakete liegt.

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