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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur aktiven Verringerung einer Unwucht an einer elektrischen Antriebsmaschine sowie eine elektrische Antriebsmaschine welche nach diesem Verfahren gesteuert ist. Aus der
DE 102 55 334 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verminderung von Schwingungen an rotierenden Bauteilen bekannt.
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Nachfolgend ist die Erfindung anhand einer Bauart eines Elektromotors beschrieben, dies ist nicht als eine Beschränkung der Erfindung auf diese Bauart eines Elektromotors zu verstehen. Ein Elektromotor weist einen rotierenden Innenteil, sogenannter Rotor, und stillstehenden beziehungsweise statischen Außenteil, sogenannter Stator, auf. Das rotierende Innenteil weist Wicklungen auf, die durch einen Fertigungsprozess mit begrenzter Genauigkeit auf ein Gerüst des Rotors aufgewickelt werden. Diese Wicklungen werden dann zusätzlich durch ein Matrixmaterial, insbesondere ein Epoxidharz oder einen Thermoplast, ihrer vorgegebenen Form gehalten. Durch dieses Matrixmaterial werden die Wicklungen daran gehindert, dass sich diese unter Einwirkung von Kräften, wie sich diese im Betrieb, insbesondere aufgrund einer Unwucht des Elektromotors ergeben können, verlagern.
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Ein Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Verringerung der auf die Wicklungen des Rotors, bei einer vorgegebenen Drehzahl, einwirkenden Kräfte anzugeben. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem ersten Patentanspruch sowie durch eine elektrische Antriebsmaschine gemäß Patentanspruch 4 gelöst, zu bevorzugende Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche. Bildlich gesprochen wird bei dem Verfahren die Rotorachse, also die Rotationsachse des Rotors, welche durch die Position zweiter Rotorlager einstellbar ist, derart verändert, dass die Unwucht des Rotors verringert wird.
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Dabei geht die Erfindung von der allgemeinen Erkenntnis aus, dass das Zentrifugalmoment beziehungsweise die Unwucht des Rotors, als ein Maß für das Bestreben des rotierenden Rotors gesehen werden kann, seine Rotationsachse zu verändern. Eine solche Unwucht tritt also insbesondere auf, soweit der Rotor nicht um Schwerpunktachse rotiert, wenn also die Schwerpunktachse und die Rotationsachse inkongruent, insbesondere also nicht parallel mit einem Schnittpunkt, zueinander sind. Dabei können die sich aus der Unwucht des Rotors ergebenden sogenannten Deviationsmomente und Trägheitsmomente zu einem Trägheitstensor zusammengefasst werden, wobei zu deren Bestimmung die Messung von wenigstens zwei Rotorkräften in zwei zur Rotationsachse orthogonalen Kraftmessrichtungen vorgeschlagen ist, wobei die erste und die zweite Kraftmessrichtung unterschiedlich zueinander sind. Weiter sind diese Deviationsmomente als sogenannte Nebendiagonalelemente des Trägheitstensors in diesen aufgenommen. Der Trägheitstensor ist als eine sogenannte 3x3 Matrix gebildet.
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Insbesondere aufgrund unvermeidbarer Abweichungen bei der Herstellung des Rotors weist dieser eine Unwucht auf, d.h. die Schwerpunktsachse fällt bei der Rotation des Rotors nicht mit der Rotationsachse zusammen. Mathematisch gesehen spricht man in diesem Zusammenhang davon, dass in der Rotationsmatrix nicht nur die Hauptdiagonalenelemente besetzte sein können (ungleich Null sind), wobei die Haupdiagonalenelemente die Drehung des Rotors um die 3 Raum- beziehungsweise Hauptachsen darstellen, sondern es können auch die Nebendiagonalenelemente besetzt sein. Die oben genannte Unwucht des Rotors (Besetzung wenigstens eines der Nebendiagonalenelemente) führt zu einer sogenannten ‚Taumelbewegung‘ des Rotors im Raum, wodurch neben den Fliehkräften, wie diese bei einer Rotationsbewegung unabdingbar sind, zusätzliche Zentrifugalkräfte auftreten. Diese zusätzlichen Zentrifugalkräfte wirken auf den Rotor ein und führen zu einer zusätzlichen Beanspruchung, insbesondere der Rotorlager, mit welchen der Rotor drehbar gegenüber dem Stator gelagert ist oder zu einer Schwingungsanregung.
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Aus dem Stand der Technik ist es allgemein bekannt, dass rotierende Bauteile, wie der Rotor, während es Fertigungsprozesses der elektrischen Antriebsmaschine gewuchtet werden. Dabei versteht man unter dem Wuchten, dass der Rotor in Drehbewegung um die Rotationsachse versetzt wird und entsprechend der auftretenden Kräfte Material vom Rotor abgetragen wird, so dass die Rotationsachse und die Schwerpunktsachse des Rotors Zusammenfallen oder einen möglichst geringen Abstand zueinander aufweisen. Dieses Wuchten geschieht also einmalig vor der Inbetriebnahme des Bauteils und kann auf einem Prüfstand insbesondere unter einem vordefinierten Prüfprogramm durchgeführt werden.
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Während des realen Betriebs kann sich die Unwucht des Rotor, beziehungsweise des elektrischen Antriebsmaschine, insbesondere aufgrund von Alterungseffekten wie einer Abnutzung der der Lagerung oder aufgrund einer thermischen Belastung auf die Komponenten verändern. Weiter ist es möglich, dass es während des Betriebs der elektrischen Antriebsmaschine zu elastischen beziehungsweise plastischen Verformungen der rotierenden Teile kommt, diese Verformungen können den Effekt der ungleichförmigen Bewegung des Rotors und damit der Unwucht verstärken. In der Folge einer vergrößerten Unwucht kann es zu einer Verringerung der Lebensdauer der elektrischen Antriebsmaschine kommen und die Verringerung der Unwucht ist daher ein allgemeines Ziel.
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Mit der Erfindung ist es ermöglicht, die Unwucht „nicht-invasiv“, also ohne eine Veränderung der Massenverteilung am Rotor, also insbesondere ohne einen dauerhaften Massenabtrag oder eine temporäre Massenverschiebung am Rotor zu regeln.
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Die Erfindung schlägt vor, die Drehachse des Rotors (Rotorachse), insbesondere also die mechanische (beziehungsweise analytisch berechnete) so zu justieren, dass der Massenmittel/-schwerpunkt innerhalb gewisser Toleranzen wieder in die Drehachse gelegt wird. Um dies zu erreichen ist es vorgesehen, einen räumlichen Versatz der Lager in welchen der Rotor gegenüber dem Stator drehbar aufgenommen ist (Rotorlager) in ihrer Position derart zueinander zu versetzten, dass sich eine Verkippung der Rotorachse im Betrieb ergibt. Weiter vorzugsweise wird wenigstens eines der oben genannten Rotorlager in der beschriebenen Art bewegt, wobei die Bewegung des Rotorlagers vorzugsweise mit der Umdrehungsfrequenz N des Rotors ausgeführt wird oder vorzugsweise mit einem ganzzahligen Vielfachen der Umdrehungsfrequenz.
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Vorzugsweise ist zum Ausgleich üblicher auftretender Unwuchten an einer elektrischen Antriebsmaschine nur ein geringer Kippwinkel der Rotorachse notwendig, so dass ein geringer Versatz der Rotorlager gegeneinander ausreichend ist. In diesem Sinn ist unter einem „geringen“ Versatz eine Größenordnung von weniger als 1/10 mm und bevorzugt von weniger als 5/100 mm ausreichend. Insbesondere durch diesen geringen Versatz ist nur ein geringer ‚Hub‘ eines Aktuators, welcher zur Bewegung wenigstens eines der Rotorlager Verwendung findet ausreichend. Insbesondere ist aber eine schnelle Umsetzung der Versatzbewegung des Rotorlagers erforderlich, vorzugsweise wird das wenigstens eine Rotorlager mit einer Ansteuerfrequenz K bewegt und weiter vorzugsweise entspricht die Ansteuerfrequenz K der Umdrehungsfrequenz N des Rotors oder bevorzugt einem ganzzahligen Vielfachen der Umdrehungsfrequenz.
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In einer bevorzugt Ausführungsform findet zum Bereitstellen der Kräfte zum Ausführen der Versatzbewegung ein piezoelektrischer Aktuator Anwendung. Insbesondere piezoelektrische Aktuatoren sind dazu geeignet hohe Kräfte mit hoher Geschwindigkeit auf einem kurzen Verstellweg bereitzustellen. Weiter vorzugsweise findet bei einer bevorzugt Ausführungsform ein schneller Regelkreis Anwendung, welcher mit einer Geschwindigkeit regelt, die größer, ist als mindestens Faktor 2 der höchsten planmäßigen Umdrehungsfrequenz der elektrischen Antriebsmaschine. Ein weiterer Vorteil der Erfindung kann es sein, dass die Unwucht der elektrischen Antriebsmaschine während des Betriebs dauerhaft oder wenigstens zeitweise gemessen wird und ihre Größe somit „nicht-invasiv“ geregelt/minimiert wird. Entgegen einer invasiven Trimmung (Veränderung der Masseverteilung des Rotors), welche einmalig bei der Herstellung der elektrischen Antriebsmaschine ausführbar ist, ist bei der vorgeschlagenen elektrischen Maschine eine dauerhaft „Nach“-Justierung der Unwucht ermöglicht, so können nach der Fertigung dieser auftretende Änderungen ausgeregelt werden. Weiter ist es ermöglicht, die Veränderungen in der Unwucht des Rotor aufzunehmen und so Rückschlüsse über den aktuellen Zustand der elektrischen Maschine zu treffen und eine Wartung, Leistungsminderung vor einem Totalausfall der elektrischen Antriebsmaschine zu Veranlassen und damit wenigstens den Totalausfall zu verhindern oder Wartungskosten zu verringern.
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Anders gewendet ist es mit der vorgeschlagenen Erfindung ermöglicht, die Unwucht des Rotors dauerhaft im Betrieb zu messen und dadurch ergibt sich die Möglichkeit, mittels eines Parameters, der sich an das Toleranzband anlehnt, nicht justiert werden muss und unabhängig von äußeren Einflüssen (z.B. Schlaglochdurchfahrt) ist, eine Aussage über den Zustand der elektrischen Antriebsmaschine in Bezug auf ihren Rundlauf zu geben, weiter vorzugsweise kann dies herangezogen werden, um den Verschleiß der elektrischen Antriebsmaschine zu bewerten oder einen sich ankündigen raschen Betriebsausfall zu detektieren.
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In einer Ausführungsform der Erfindung werden in mindestens zwei senkrecht zur Rotationsachse und voneinander verschieden liegenden Kraftmessrichtungen, insbesondere also in einer Ebene sich schneidende Richtungen, bei Rotation des Rotors die Kräfte gemessen, welche aus dieser Rotation des Rotors und damit aus der Unwucht des Rotors resultieren. Aus diesen gemessenen Kräften und über die bekannte Geometrie und Massenverteilung des Rotors wird der Trägheitstensors des Rotors bestimmt.
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Dieser Trägheitstensor wird dann über eine Koordinatentransformation in den idealen Trägheitstensor mit den Element Ixx ungleich 0 (Hauptdiagonale), alle anderen Elemente = 0 (Nebendiagonalen) oder in einen Trägheitstensor mit wertmäßig minimalen Elementen, insbesondere also betragsmäßig kleinster Summe sämtlicher oder wenigstens der Elemente in den Nebendiagonalen des Trägheitstensors, transformiert. Als Resultat dieser Transformation geht der transformierte Trägheitstensor hervor, aus diesem transformierten Trägheitstensor ist der Kippwinkel ableitbar, welcher zwischen Drehachse des Rotors und der Schwerpunktachse des Rotors liegt.
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Mittels der zuvor erläuterten Verschiebung wenigstens eines der Rotorlager ist es ermöglicht, die Drehachse derart zu kippen, dass die Werte des transformierten Trägheitstensors optimiert sind, beziehungsweise deren Wert verringert wird und damit läuft die elektrische Antriebsmaschine mit verringerter Unwucht gegenüber dem Ausgangszustand.
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Vorzugsweise steht als maximaler Kippweg der halbe Spaltenabstand zwischen dem Rotor und Stator an einem Statoranfang bzw. Statorende zur Verfügung und insbesondere durch diesen maxiamlen Kippweg ist der Kippwinkel für die Rotorachse beschränkt.
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist eines der Rotorlager feststehend und das andere durch den Lageraktuator in der orthogonal zur Rotorachse ausgerichteten Rotorlagerebene verschiebbar. Insbesondere mit einem derartigen Aufbau der elektrischen Antriebsmaschine sind ein einfacher Aufbau und eine einfache Steuerung dieser erreichbar.
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In einer Ausführungsform der Erfindung sind beide Rotorlager durch jeweils einen Lageraktuator jeweils einer orthogonal zur Rotorachse ausgerichteten Rotorlagerebene verschiebbar. Vorzugsweise sind die Rotorlager beim Verkippen der Rotorachse gegengleich zu einander verschoben und weiter vorzugsweise sind die Rotorlager beim Verkippen der Rotorachse gegengleich und um den gleichen Betrag gegeneinander verschoben. Insbesondere mit einem derartigen Aufbau ist ein besonders schnelles Verkippen der Rotorachse erreichbar.
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In einer bevorzugt Ausführungsform weist der Lageraktuator eine Lageraufnahme auf, wobei die Lageraufnahme segmentiert ist und aus wenigstens zwei oder mehr, vorzugsweise aus drei oder mehr und besonders bevorzugt vier oder mehr Lageraufnahmesegmenten besteht. Vorzugsweise sind diese Lageraufnahmesegmente durch jeweils wenigstens einen Lagersteller, insbesondere also einen Aktuator, in der Rotorlagerebene des jeweiligen Rotorlagers verschiebbar und so ist auf einfache Art und Weise eine Verschiebung in alle Richtungen in der Rotorlagerebene ermöglicht.
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Über eine Zeitreihenanalyse, z.B. im Fahrzeug, kann eine Verschleiß- bzw. Lebendsdauerprognose zur Bestimmung von Wartungs- und/oder Tauschzeitpunkt sowie der Istzustand der Maschine abgeleitet werden. Über die Bestimmung der Tensorwerte über ein ganzes Drehzahlband stehen weitere Diagnosemöglichkeiten zur Verfügung.
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Weiter ist mit der vorgeschlagenen Erfindung auch eine Überwachung der elektrischen Antriebsmaschine, insbesondere auf den Alterungszustand der beweglichen Bauteile, insbesondere also des Rotor, ermöglicht. Insbesondere bei gewickelten Rotoren kann es vorkommen, dass die Matrix, also insbesondere derjenige Werkstoff in welchen Wicklungen des Rotors aufgenommen sind, einem Alterungsverschleiß unterworfen ist. Im Stand der Technik wird diese Matrix auch als Vergußmasse für die Drähte oder Wicklungen des Rotors bezeichnet. Der genannte Alterungsverschleiß tritt insbesondere aufgrund der Drehzahlen und der daraus resultierenden Fliehkräfte auf und kann über einen bestimmten Zeitraum zu strukturellen Änderungen am Rotor, insbesondere der Masseverteilung des Rotors, führen und diese strukturellen Änderungen können mit dem erfinderischen Verfahren erkennbare Änderungen an der elektrischen Antriebsmaschinen hervorrufen. Anders gewendet kann sich der beschriebene Alterungsverschleiß in einer Änderung der Wuchtmatrixelemente niederschlagen, daraus ergibt sich, dass mit dem vorgeschlagenen Verfahren zugleich eine Diagnosemöglichkeit, insbesondere in Bezug auf den Rotor und dessen Zustand, geschaffen ist.
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Nachfolgen sind bevorzugte Ausführungen und Merkmale der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert, dabei zeigt:
- 1: eine 3D Darstellung eines Rotors mit a) statischer oder b) dynamischer Unwucht,
- 2: eine vereinfachte Schnittdarstellung einer elektrischen Antriebsmaschine,
- 3: den Ablauf des Verfahrens zu Unwuchtverringerung.
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Bei einer elektrischen Antriebsmaschine 1 kommt es, insbesondere am Rotor 2, im Lauf der Zeit insbesondere durch Materialermüdung und auf Grund von Fliehkräften am Rotor 2 aber auch auf Grund von thermischen Belastungen, zu sogenannten dynamischen Unwuchten, welche sich auf das Betriebsverhalten der elektrischen Antriebsmaschine 1 negativ auswirken können. Bei einer solchen dynamischen Unwucht ist die Schwerpunktachse 8 zur Rotationsachse 4 um einen Winkel geneigt.
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Diese Neigung der Schwerpunktachse 8 gegenüber der Rotationsachse 4 erzeugt im Trägheitstensor die neben der Hauptdiagonalen liegenden Koppelelemente. Diese Koppelelemente repräsentieren die Kräfte, welche senkrecht zur Rotationsachse 4 wirken, bei einer Drehung des Rotors 2 ohne Unwucht treten diese Kräfte also nicht auf. Mit der vorgeschlagenen elektrischen Antriebsmaschine 1 und dem vorgeschlagenen Verfahren zu deren Betrieb ist es ermöglicht, die Werte dieser Koppelelemente (Elemente in der Nebendiagonale des Trägheitstensors) zu verringern, beziehungsweise idealerweise zu Null zu minimieren. Durch diese Verringerung der Werte der Koppelelemente im Trägheitstensor wird an der elektrischen Antriebsmaschine 1 deren Laufruhe verbessert und die Lebendsdauer der vorgeschlagenen elektrischen Antriebsmaschine gegenüber einer herkömmlichen elektrischen Antriebsmaschine wird erhöht.
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In zwei 2 senkrecht zur Rotationsachse 4 (y-z-Ebene bei Rotationsachse in x) liegenden Messrichtungen, welche inkongruent in dieser y-z-Ebene liegen, werden bei Rotation des Rotors 2 die aus dieser Rotation resultierenden Kräfte gemessen und daraus wird über die bekannte Geometrie und Massenverteilung der elektrischen Antriebsmaschine 1, insbesondere des Rotors 2, der Trägheitstensor bestimmt.
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Dieser Trägheitstensor wird dann über eine Koordinatentransformation in den idealen Trägheitstensor (mit den Element Ixx ungleich 0, alle anderen Elemente = 0) oder in einen Tensor mit minimalen Elementen transformiert. Als Resultat dieser Koordinatentransformation erhält man den Kippwinkel zwischen der Rotationsachse 4 des Rotors und der Schwerpunktachse 8.
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Mit dem Lageraktuator 5, welcher eine Verschiebung eines der Rotorlager senkrecht zur Neutrallage der Rotationsachse 9 ermöglicht, wird dann die Rotationsachse 4 gegenüber der Neutrallage der Rotationsachse 9 gekippt, und so werden die Tensorwerte des Trägheitstensors optimiert und so wird die dynamische Unwucht der elektrischen Antriebsmaschine verringert. Der Lageraktuator 5 bringt für diese Verringerung der dynamischen Unwucht eine alternierende Bewegung 7 auf das dem Festlager 6 gegenüberlegende Rotorlager (bewegliches Rotorlager) auf. Der mögliche Kippweg dieses beweglichen Rotorlagers ist geometrisch durch den halben Spaltenabstand zwischen dem Rotor 2 und dem Stator 3 am Stator- beziehungsweise Rotoranfang 10 bzw. am Statorbeziehungsweise Rotorendende 16 begrenzt.
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Dargestellt ist eine Ausführungsform der Erfindung, bei welcher die Rotorachse 4 mit einem einzigen Lageraktuator 5 um das Festlager 6 gekippt wird, also einseitig, es ist aber auch möglich, zwei Lageraktuatoren 5 vorzusehen und so die Rotorachse 4 beidseitig zu kippen, wobei die beiden Lageraktuatoren dann vorzugsweise eine genau entgegengesetzte Bewegung ausführen, so dass eine Schiefstellung der Rotationsachse 4 gegenüber der Neutrallage der Rotationsachse 9 erreicht wird.
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Weiter ist es ermöglicht, über eine Zeitreihenanalyse, z.B. im Fahrzeug, eine Verschleiß- bzw. Lebendsdauerprognose zur Bestimmung von Wartungs- und/oder Tauschzeitpunkt sowie dem Istzustand der Maschine abzuleiten. Über die Bestimmung der oben beschriebenen Tensorwerte über ein ganzes Drehzahlband stehen weitere Diagnosemöglichkeiten zur Verfügung.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Elektrische Antriebsmaschine
- 2
- Rotor
- 3
- Stator
- 4
- Rotationsachse/Rotorachse
- 5
- Lageraktuator
- 6
- Festlager
- 7
- Alternierende Bewegung der Rotationsachse
- 8
- Schwerpunktachse
- 9
- Neutrallage der Rotationsachse
- 10 - 15
- Verfahrensschritte
- 16
- Rotoranfang
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17
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Rotorende
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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