DE102019130334A1 - Temperature-dependent derating of a PSM - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Schutz der Permanentmagnete einer permanenterregten Synchronmaschine (PSM) vor Entmagnetisierung.The present invention relates to a method and a device for protecting the permanent magnets of a permanent magnet synchronous machine (PSM) from demagnetization.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Schutz der Permanentmagnete einer permanenterregten Synchronmaschine (PSM) vor Entmagnetisierung.The present invention relates to a method and a device for protecting the permanent magnets of a permanent magnet synchronous machine (PSM) from demagnetization.
Im Gegensatz zu Industrieantrieben werden elektrische Maschinen in Kraftfahrzeugen nicht nur im Nennpunkt betrieben sondern in einem weiten Betriebsbereich, in dem Drehzahl, Drehmoment und Leistung variieren. Um kurzzeitig, z.B. für 10 Sekunden, eine bessere Fahrperformance anbieten zu können, wird die elektrische Maschine in Überlast betrieben, d.h. es wird mehr Drehmoment gestellt als im Dauerbetrieb möglich ist. Um bei diesem Betrieb in Überlast die Bauteile der elektrischen Maschine nicht zu schädigen, beispielsweise durch zu hohe Temperaturen in der Statorwicklung, werden in der Regelung der Maschine sogenannte Derating-Funktionen eingesetzt. Hierbei werden in Abhängigkeit der gemessenen oder berechneten Temperatur der Statorwicklung die von der Maschinen-Regelung zugelassenen Drehmomente und Leistungen beschränkt. Durch eine Beschränkung der Leistung kommt es zu einer Reduzierung der Verlustleistung und damit zu einer Abnahme der Erwärmung oder sogar zu einer Abkühlung der Maschine.In contrast to industrial drives, electrical machines in motor vehicles are not only operated at the nominal point but in a wide operating range in which speed, torque and power vary. In order to be able to offer better driving performance for a short time, e.g. for 10 seconds, the electrical machine is operated in overload, i.e. more torque is provided than is possible in continuous operation. In order not to damage the components of the electrical machine during this operation in overload, for example through excessively high temperatures in the stator winding, so-called derating functions are used in the control of the machine. The torques and powers permitted by the machine control are limited as a function of the measured or calculated temperature of the stator winding. Limiting the power leads to a reduction in the power loss and thus to a decrease in heating or even a cooling of the machine.
Bei permanenterregten Synchronmaschinen (PSM) sind insbesondere die Magnete im Rotor vor zu hohen Temperaturen zu schützen, da diese in Kombination mit hohen Gegenfeldern entmagnetisiert werden können, was die Leistungsfähigkeit der E-Maschine dauerhaft reduziert. Bei der Auslegung von permanenterregten Synchronmaschinen ist daher darauf zu achten, dass die verwendeten Permanentmagnete eine ausreichend hohe Entmagnetisierungsfestigkeit aufweisen. Der Betrag der Koerzitivfeldstärke Hcj des Magnetmaterials muss daher bei der erwarteten maximalen Betriebstemperatur größer als die Feldstärke der zu erwartenden Gegenfelder sein. Dies gilt sowohl für den regulären Betrieb als auch für den Fehlerfall.In the case of permanent magnet synchronous machines (PSM), the magnets in the rotor in particular must be protected from excessively high temperatures, as these can be demagnetized in combination with high opposing fields, which permanently reduces the performance of the e-machine. When designing permanent magnet synchronous machines, it is therefore important to ensure that the permanent magnets used have a sufficiently high resistance to demagnetization. The magnitude of the coercive field strength Hcj of the magnetic material must therefore be greater than the field strength of the opposing fields to be expected at the expected maximum operating temperature. This applies to both regular operation and in the event of an error.
Im Fehlerfall wird bei Antrieben mit permanenterregten Synchronmaschinen insbesondere bei höheren Drehzahlen der aktive Kurzschluss (AKS) als sicherer Zustand gewählt. Da die Phasen der E-Maschine hierbei über die Leistungshalbleiter in der Leistungselektronik kurzgeschlossen werden, können keine hohen Spannungen auftreten. Es fließt in diesem Fall jedoch ein Kurzschlussstrom, der direkt beim Übergang vom regulären Betrieb in den AKS kurzzeitig sehr hohe Werte annehmen kann (1,5 bis 3-facher Maximalstrom). Dieser hohe Strom erzeugt in der PSM kurzzeitig ein hohes Gegenfeld, welches wiederum die Magnete entmagnetisieren kann. Die Amplitude dieses transienten Kurzschlussstroms und damit das Gegenfeld in der Maschine hängen vom Betriebszustand ab, in dem die Maschine vor dem AKS betrieben wurde. Die höchsten Koerzitivfeldstärken sind bei motorischem und generatorischem Betrieb im Bereich des betragsmäßig maximalen Drehmoments bei gleichzeitig hoher Drehzahl, dem sogenannten Eckpunkt, erforderlich.In the event of a fault, the active short circuit (AKS) is selected as the safe state for drives with permanent magnet synchronous machines, especially at higher speeds. Since the phases of the electric machine are short-circuited via the power semiconductors in the power electronics, no high voltages can occur. In this case, however, a short-circuit current flows, which can briefly assume very high values (1.5 to 3 times the maximum current) when switching from regular operation to the AKS. This high current briefly generates a high opposing field in the PSM, which in turn can demagnetize the magnets. The amplitude of this transient short-circuit current and thus the opposing field in the machine depend on the operating state in which the machine was operated before the AKS. The highest coercive field strengths are required for motor and generator operation in the area of the maximum torque in terms of amount at a simultaneously high speed, the so-called corner point.
Gemäß aktuellem Stand der Technik wird die Magnetauswahl basierend auf der Kombination aus maximaler zu erwartender Bauteiltemperatur und dem Auftreten eines Fehlers mit Schalten des AKS im Worst Case Betriebspunkt, also dem generatorischen Eckpunkt, gewählt.According to the current state of the art, the magnet selection is based on the combination of the maximum expected component temperature and the occurrence of a fault with switching of the AKS in the worst case operating point, i.e. the generator corner point.
Viele Magnetmaterialien, insbesondere auch NdFeB-Magnete, wie sie in PSMs für Traktionsanwendungen zum Einsatz kommen, werden durch die Kombination aus hoher Temperatur und hohem Gegenfeld entmagnetisiert. Dadurch ergibt sich für das Magnetmaterial eine hohe Anforderung an die Koerzitivfeldstärke Hcj. Diese Anforderung wird klassischerweise durch das Hinzulegieren der schweren seltenen Erden Dysprosium und Terbium erreicht. Dadurch wird der Magnet teuer.Many magnetic materials, especially NdFeB magnets, such as those used in PSMs for traction applications, are demagnetized through the combination of high temperature and high opposing field. This results in a high requirement for the coercive field strength Hcj for the magnetic material. This requirement is classically achieved by adding the heavy rare earths dysprosium and terbium. This makes the magnet expensive.
Aus der
Die
Die
Vor diesem Hintergrund hat sich die Erfindung die Aufgabe gestellt, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, mit denen sich die Entmagnetisierung von Permanentmagneten einer PSM wirksam verhindern lässt, auch wenn die Magnete eine niedrige Koerzitivfeldstärke aufweisen.Against this background, the invention has the object of providing a method and a device with which the demagnetization of permanent magnets of a PSM can be effectively prevented, even if the magnets have a low coercive field strength.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, sowie eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 6. Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung.The object is achieved according to the invention by a method with the features of
Erfindungsgemäß wird in Abhängigkeit von der Rotortemperatur ab einer definierten Drehzahl, ab welcher ein AKS eine Entmagnetisierung zur Folge hätte, das maximal zulässige Drehmoment der PSM begrenzt. Es erfolgt also ein rotortemperaturabhängiges Derating zum Schutz vor Entmagnetisierung im Fehlerzustand AKS.According to the invention, the maximum permissible torque of the PSM is limited as a function of the rotor temperature from a defined speed from which an AKS would result in demagnetization. There is therefore a rotor temperature-dependent derating to protect against demagnetization in the AKS error state.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Schutz von Permanentmagneten einer permanenterregten Synchronmaschine (PSM) in einem Fahrzeug vor Entmagnetisierung, worin bei Überschreiten einer vorgegebenen Rotortemperatur der PSM ein Betrieb der PSM in Bereichen des Drehzahl/Drehmoment-Kennfeldes der PSM unterdrückt wird, in denen die Feldstärke eines durch einen aktiven Kurzschluss der PSM erzeugten Gegenfeldes die Koerzitivfeldstärke der Permanentmagnete übersteigen würde.The invention relates to a method for protecting permanent magnets of a permanent-magnet synchronous machine (PSM) in a vehicle from demagnetization, in which, when a predetermined rotor temperature of the PSM is exceeded, operation of the PSM is suppressed in areas of the speed / torque map of the PSM in which the The field strength of an opposing field generated by an active short circuit of the PSM would exceed the coercive field strength of the permanent magnets.
Wenn die Rotortemperatur eine anwendungsspezifische Grenztemperatur unterhalb der maximal zulässigen Bauteiltemperatur erreicht, werden mittels Derating Betriebspunkte mit einer hohen erforderlichen Koerzitivfeldstärke im AKS-Fall vermieden. Als Ergebnis können im Falle eines Fehlers, der den AKS erfordert, nur noch geringere Gegenfelder als ohne Derating auftreten. In einer Ausführungsform des Verfahrens ist die Grenztemperatur von 5 K bis 25 K geringer als die maximal zulässige Bauteiltemperatur, beispielsweise 20 K geringer, oder auch 10 K geringer als die maximal zulässige Bauteiltemperatur. In einer Ausführungsform hat die maximal zulässige Bauteiltemperatur einen Wert im Bereich von 60°C bis 220°C, beispielsweise einen Wert im Bereich von 80°C bis 200°C, oder im Bereich von 100°C bis 180°C.If the rotor temperature reaches an application-specific limit temperature below the maximum permissible component temperature, operating points with a high required coercive field strength in the AKS case are avoided by means of derating. As a result, in the event of an error that requires the AKS, only smaller opposing fields can occur than without derating. In one embodiment of the method, the limit temperature is 5 K to 25 K lower than the maximum permissible component temperature, for example 20 K lower, or also 10 K lower than the maximum permissible component temperature. In one embodiment, the maximum permissible component temperature has a value in the range from 60 ° C to 220 ° C, for example a value in the range from 80 ° C to 200 ° C, or in the range from 100 ° C to 180 ° C.
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird ein Betrieb der PSM in Bereichen des Drehzahl/Drehmoment-Kennfeldes der PSM unterdrückt, in denen das Drehmoment mehr als 70% des Maximal-Drehmoments der PSM und die Drehzahl mehr als 20% der Maxima-Drehzahl der PSM beträgt. Das Derating erfolgt also nicht durch Absenkung des Statorflusses, sondern durch eine Regelung von Drehzahl und/oder Drehmoment, die kritische Bereiche des Drehzahl/Drehmoment-Kennfeldes der PSM vermeidet.In one embodiment of the method, operation of the PSM is suppressed in areas of the speed / torque map of the PSM in which the torque is more than 70% of the maximum torque of the PSM and the speed is more than 20% of the maximum speed of the PSM . The derating does not take place by reducing the stator flux, but by regulating the speed and / or torque, which avoids critical areas of the speed / torque map of the PSM.
Ein Betrieb am Eckpunkt des Drehzahl/Drehmoment-Kennfeldes, d.h. mit maximalem Drehmoment und maximaler Leistung wird ausschließlich für dynamische Fahrmanöver benötigt (z.B. Beschleunigung von 0 auf 100 km/h in minimaler Zeit, Torque Vectoring bei dynamischen Kurvenfahrten).Operation at the corner of the speed / torque map, i.e. with maximum torque and maximum power, is only required for dynamic driving maneuvers (e.g. acceleration from 0 to 100 km / h in a minimum of time, torque vectoring for dynamic cornering).
In einer Ausführungsform des Verfahrens sind die zu unterdrückenden Bereiche des Drehzahl/Drehmoment-Kennfeldes der PSM auf der Basis hinterlegter Tabellen mit maximal zulässigem Drehmoment in Abhängigkeit der Drehzahl und der Rotortemperatur definiert; d.h. das Derating erfolgt auf Grundlage hinterlegter Tabellen, in denen das maximal zulässige Drehmoment in Abhängigkeit der Drehzahl und der Rotortemperatur definiert ist.In one embodiment of the method, the areas of the speed / torque characteristic field of the PSM to be suppressed are defined on the basis of stored tables with maximum permissible torque as a function of the speed and the rotor temperature; i.e. the derating takes place on the basis of stored tables in which the maximum permissible torque is defined depending on the speed and the rotor temperature.
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird die Temperatur des Rotors der PSM mittels eines Rotortemperaturmodells ermittelt. Mit einem Rotortemperaturmodell wird die Temperatur des Rotors bzw. der Permanentmagnete des Rotors berechnet. Sobald eine gewisse Grenztemperatur überschritten wird, wird eine Derating-Funktion aktiviert, welche gewisse Betriebsbereiche im Drehzahl/Drehmoment--Kennfeld der PSM unterdrückt. Geeignete Rotortemperaturmodelle sind dem Fachmann im Prinzip bekannt, beispielsweise aus der
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird die Temperatur des Rotors der PSM mittels einer Temperatur des Stators der PSM ermittelt. In einer Ausführungsform wird die Statortemperatur über einen Temperatursensor am Stator gemessen.In a further embodiment of the method, the temperature of the rotor of the PSM is determined by means of a temperature of the stator of the PSM. In one embodiment, the stator temperature is measured via a temperature sensor on the stator.
Gegenstand der Erfindung ist auch eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtete Vorrichtung. zum Schutz von Permanentmagneten einer permanenterregten Synchronmaschine (PSM) in einem Fahrzeug vor Entmagnetisierung.The invention also relates to a device set up for carrying out the method according to the invention. to protect permanent magnets of a permanent magnet synchronous machine (PSM) in a vehicle from demagnetization.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst Mittel zur Ermittlung einer Rotortemperatur der PSM, sowie eine zur Regelung der Drehzahl und des Drehmoments der PSM eingerichtete Steuereinheit, welche dafür eingerichtet ist, bei Überschreiten einer vorgegebenen Rotortemperatur ein Drehmoment und eine Drehzahl der PSM so zu regeln, dass Bereiche des Drehzahl/Drehmoment-Kennfeldes der PSM vermieden werden, in denen die Feldstärke eines durch einen aktiven Kurzschluss der PSM erzeugten Gegenfeldes die Koerzitivfeldstärke der Permanentmagnete übersteigen würde.The device according to the invention comprises means for determining a rotor temperature of the PSM, as well as a control unit set up to regulate the speed and the torque of the PSM, which is set up to regulate a torque and a speed of the PSM so that areas of the Speed / torque map of the PSM can be avoided in which the field strength of an opposing field generated by an active short circuit of the PSM would exceed the coercive field strength of the permanent magnets.
In einer Ausführungsform der Vorrichtung ist die Steuereinheit dafür eingerichtet, bei Überschreiten der vorgegebenen Rotortemperatur ein Drehmoment und eine Drehzahl der PSM so zu regeln, dass nicht gleichzeitig das Drehmoment mehr als 70% des Maximal-Drehmoments der PSM beträgt und die Drehzahl mehr als 20% der Maxima-Drehzahl der PSM beträgt.In one embodiment of the device, the control unit is set up to regulate a torque and a speed of the PSM when the specified rotor temperature is exceeded so that the torque is not more than 70% of the maximum torque of the PSM and the speed is not more than 20% at the same time. is the maximum speed of the PSM.
Eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung umfasst zusätzlich eine Speichereinheit mit mindestens einer Tabelle, in welcher ein maximal zulässiges Drehmoment der PSM in Abhängigkeit der Drehzahl und der Rotortemperatur der PSM definiert ist.Another embodiment of the device additionally comprises a memory unit with at least one table in which a maximum permissible torque of the PSM is defined as a function of the speed and the rotor temperature of the PSM.
In einer Ausführungsform der Vorrichtung umfassen die Mittel zur Ermittlung einer Rotortemperatur der PSM ein Rotortemperaturmodell.In one embodiment of the device, the means for determining a rotor temperature of the PSM comprise a rotor temperature model.
Eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung umfasst zusätzlich Mittel zur Ermittlung einer Statortemperatur der PSM. In einer Ausführungsform umfassen die Mittel mindestens einen Temperatursensor.Another embodiment of the device additionally comprises means for determining a stator temperature of the PSM. In one embodiment, the means comprise at least one temperature sensor.
In einer Ausführungsform enthalten die Permanentmagnete der PSM Neodym, Eisen und Bor, und gegebenenfalls Dysprosium. Für NdFeB-Magnete beträgt die maximal zulässige Einsatztemperatur nicht mehr als 120°C, in Gegenwart von Dysprosium nicht mehr als 200°C.In one embodiment, the permanent magnets of the PSM contain neodymium, iron and boron, and optionally dysprosium. For NdFeB magnets, the maximum permissible operating temperature is no more than 120 ° C, in the presence of dysprosium no more than 200 ° C.
Zu den Vorteilen des erfindungsgemäßen Verfahrens zählt, dass durch rotortemperaturabhängiges Derating die Ausfallwahrscheinlichkeit der PSM verringert wird. Durch ein rotortemperaturabhängiges Derating kann auch die maximal zulässige Rotortemperatur und damit gegebenenfalls die maximale Dauerleistung des Antriebs erhöht werden. Die Robustheit des Antriebs wird erhöht, ohne Einbußen bei der Peak- oder Dauerperformance hinnehmen zu müssen. Abhängig von der Nutzung tritt die maximal zulässige Bauteiltemperatur im Fahrzeugleben nur sehr selten auf, bei vielen Fahrern nie. Auch Fehler, die das Schalten eines AKS erfordern, treten im Fahrzeugleben sehr selten auf.One of the advantages of the method according to the invention is that the probability of failure of the PSM is reduced by the rotor temperature-dependent derating. The maximum permissible rotor temperature and thus the maximum continuous output of the drive can also be increased by means of a rotor temperature-dependent derating. The robustness of the drive is increased without having to accept any losses in peak or long-term performance. Depending on the use, the maximum permissible component temperature in the life of the vehicle occurs only very rarely, and never for many drivers. Errors that require the switching of an AKS also occur very rarely in the life of a vehicle.
Bei der Neuentwicklung von permanenterregten Synchronmaschinen kann Magnetmaterial mit geringerer erforderlicher Koerzitivfeldstärke und somit kostengünstigeres Material ausgewählt werden.When developing new permanent magnet synchronous machines, magnet material with a lower required coercive field strength and thus more cost-effective material can be selected.
Die Leistungsfähigkeit des Antriebs wird nur in seltenen Fällen eingeschränkt. Dem Fahrzeugnutzer ist dieses Verhalten bereits bekannt, z.B. von der Leistungscharakteristik des Antriebs bei kalter Batterie oder wiederholter Maximalbeschleunigung.The drive's performance is only limited in rare cases. The vehicle user is already familiar with this behavior, e.g. from the performance characteristics of the drive when the battery is cold or repeated maximum acceleration.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.Further advantages and embodiments of the invention emerge from the description and the accompanying drawing.
Es versteht sich, dass die vor anstehend genannten und die nachstehend 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.It goes without saying that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the respectively specified combination, but also in other combinations or on their own, without departing from the scope of the present invention.
Die Erfindung ist anhand einer Ausführungsform in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung weiter beschrieben. Es zeigt:
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1 ein Drehmoment-Drehzahl-Kennfeld mit eingezeichneten Koerzitivfeldstärken und Derating-Bereichen.
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1 a torque-speed map with drawn coercive field strengths and derating areas.
Wie zu erkennen ist, sind die höchsten Koerzitivfeldstärken im motorischen und generatorischen Bereich des betragsmäßigen maximalen Drehmoments bei gleichzeitig hoher Drehzahl, dem sogenannten Eckpunkt, erforderlich.As can be seen, the highest coercive field strengths are required in the motor and generator area of the maximum torque in terms of absolute value at a simultaneously high speed, the so-called corner point.
Die in der Abbildung eingezeichneten Derating-Bereiche
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 100100
- Derating-BereichDerating area
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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