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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen eines Fehlers einer elektrischen Maschine für ein Fahrzeug, insbesondere ein Verfahren zum Erkennen eines elektrischen und/oder mechanischen Fehlers eines Elektromotors für ein Fahrzeug.
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Die Fehlerdiagnose eines elektrischen Antriebs eines Fahrzeugs bekommt einen immer höheren Stellenwert und es ist wünschenswert, einen Ausfall desselben frühzeitig und differenziert zu erkennen, damit im Fehlerfall rechtzeitig geeignete Gegenmaßnahmen ergriffen werden können. Insbesondere stellt die hohe Dynamik der Antriebe in Bezug auf den Drehmomentverlauf höchste Anforderungen an zukünftige Diagnosen. Außerdem besteht der Wunsch des Bedieners eines Fahrzeugs darin, die Wartungsintervalle des Fahrzeugs weitestgehend zu verlängern, wobei sich jedoch die Betriebsdauern der Fahrzeuge stetig erhöht, beispielsweise durch Car Sharing.
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Potentielle Fehler eines elektrischen Antriebs kann man im Wesentlichen in zwei Kategorien unterteilen, nämlich mechanische und elektrische Fehler. Mechanische Fehler betreffen dabei Fehler, die der Mechanik des elektrischen Antriebs zuzuordnen sind, wie beispielsweise defekte Lager oder plastische Verformungen von Bauteilen der elektrischen Maschine. Im Gegensatz dazu betreffen elektrische Fehler diejenigen Fehler des elektrischen Antriebs, die den elektronischen Bauteilen bzw. elektrischen Elementen des elektrischen Antriebs zugeordnet werden können, wie beispielsweise Kurzschlüsse in der Rotor- oder Statorwicklung oder defekte Schleifkontakte.
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Heutige Fehlerdiagnosen basieren im Wesentlichen auf der Auswertung der Phasenströme/Spannungen, der Vibrationsmessung mittels Körperschallsensoren oder Temperaturmessungen, bei denen ebenso die Drehzahl der Rotorwelle und/oder die Position des Rotors berücksichtigt werden, um auf potentielle Fehler der elektrischen Maschine schließen zu können.
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Die
EP 3 034 812 A1 betrifft eine auf den Messungen eines Drehmomentsensors erfasste Überwachung eines Gasturbinenmotors.
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Die
US 2018/229765 A1 betrifft eine Steuereinheit für eine Servorlenkeinheit, bei der eine Anomalie der Servomotoreinheit auf der Grundlage eines Drehmomentsignals festgestellt wird.
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Aus der
US 2018/022379 A1 ist eine Servolenkungsvorrichtung und Steuervorrichtung hierfür bekannt. Weitere solche Servolenkungsvorrichtungen sind aus der
US 2017/0274929 A1 und
US 2018/032191 A1 bekannt.
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Die
DE 10 2013 200 872 A1 betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erkennung von Fehlern einer elektrischen Maschine, welcher Eingangsgrößen, Ausgangsgrößen und Maschinenparameter zugeordnet sind. Dazu wird die Maschine auf ein mathematisches Modell abgebildet, wobei das Modell Eingangsgrößen aufweist und Modellparameter, welche jeweils Modellfunktionen von den Maschinenparameter sind, vor Betriebsbeginn der Maschine ein Initialabgleich der Eingangsgrößen zwischen Maschine und Modell durchgeführt wird, die Maschine während des Betriebs zu vorgegebenen Zeitpunkten oder im Wesentlichen kontinuierlich anhand der Ausgangsgrößen überwacht wird, bei Abweichen der Ausgangsgrößen vom Normalfall durch einen Optimierungsprozess die Modellparameter derart bestimmt werden, dass die Ausgangsgrößen des Modells mit denen der Maschine übereinstimmen, und aufgrund der darauf bestimmten Modellparameter eine Fehlerdiagnose durchgeführt wird.
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Die
DE 699 24 609 T2 beschreibt ein Verfahren und ein System zur Leistungsprüfung von rotierenden Maschinen, insbesondere die genaue Messung einer Winkeldrehung von rotierenden Maschinen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt im Wesentlichen die Aufgabe zugrunde, elektrische und/oder mechanische Fehler eines elektrischen Antriebs frühzeitig und zuverlässig auf einfache Weise zu erkennen und entsprechende Warnungen an den Bediener des Fahrzeugs auszugeben sowie Notlaufprogramme bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren gemäß unabhängigem Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Der vorliegenden Erfindung liegt im Wesentlichen der Gedanke zugrunde, einen elektrischen und/oder mechanischen Fehler einer elektrischen Maschine dadurch feststellen zu können, dass das mittels eines an der Rotorwelle der elektrischen Maschine angebrachten Drehmomentsensors erfassten Drehmoments mit einem Referenz-Drehmoment verglichen wird und bei einem zu großen Abweichen davon auf eine spezifischen Fehler geschlossen werden kann. Das von der elektrischen Maschine über die Abtriebswelle abgegebene Drehmoment ist die finale Größe der gesamten Wirkkette des elektrischen Antriebsstrangs. Insbesondere macht sich die vorliegende Erfindung zu Nutze, dass sich ein mechanischer Fehler des elektrischen Antriebs, wie beispielsweise ein defektes Lager, anders auf den Drehmomentverlauf an der Rotorwelle auswirkt als ein elektrischer Fehler der elektrischen Maschine, wie beispielsweise ein Kurzschluss in der Rotorwicklung. Bei genauer Verarbeitung und Analyse des Drehmomentverlaufs und kann somit die Art des spezifischen Fehlers festgestellt und eine entsprechende Warnung an den Fahrer des Fahrzeugs ausgegeben werden, damit entsprechende Maßnahmen, wie beispielsweise Ersetzen eines defekten Lagers, vorgenommen werden können.
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Folglich wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Erkennen eines elektrischen und/oder mechanischen Fehlers einer elektrischen Maschine für ein Fahrzeug offenbart, die eine Rotorwelle aufweist, an der ein Drehmomentsensor appliziert ist, der dazu ausgebildet ist, das an der Rotorwelle anliegende Drehmoment zu erfassen. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst ein Erzeugen eines Drehmomentsignals, das das an der Rotorwelle anliegende Drehmoment anzeigt, mittels des Drehmomentsensors und ein Analysieren des vom Drehmomentsensor erzeugten Drehmomentsignals. Dabei weist das Analysieren des Drehmomentsignals ein Durchführen einer Frequenzanalyse mit dem Drehmomentsignal und/oder ein Durchführen einer Referenz Frame Theory Analysis mit dem Drehmomentsignal und/oder ein Durchführen einer Finite Element State Space Analyse mit dem Drehmomentsignal auf. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst ferner ein Erkennen eines elektrischen und/oder mechanischen Fehlers der elektrischen Maschine, wenn das Drehmomentsignal von einem Referenz-Drehmomentsignal um mehr als einen Drehmomentschwellenwert abweicht, wobei das Erkennen eines elektrischen und/oder mechanischen Fehlers der elektrischen Maschine auf dem analysierten Drehmomentsignal basiert. Die elektrische Maschine kann dabei als Elektromotor, der über die Rotorwelle ein Drehmoment abgibt, oder als Generator betrieben werden, der über die Rotorwelle ein Drehmoment aufnimmt und in elektrischer Form speichert.
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Das Referenz-Drehmomentsignal kann beispielsweise ein in einer Motorsteuerung hinterlegtes Drehmomentsignal sein, das bei einem neu hergestellten und somit fehlerunbehafteten Antriebsstrang der elektrischen Maschine als Referenz-Drehmomentsignal erzeugt wurde. Alternativ können vorab eingestellte Referenz-Drehmomentsignale hinterlegt werden, die für einen fehlerunbehafteten Antriebsstrang stehen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein elektrischer und/oder ein mechanischer Fehler dann erkannt, wenn das Drehmomentsignal von dem Referenz-Drehmomentsignal um mehr als eine vorbestimmte Zeitdauer um mehr als den Drehmomentschwellenwert abweicht. Insbesondere kann dadurch sichergestellt werden, dass einzelne Messungenauigkeiten oder vereinzelte Messfehler nicht zu einer sofortigen Erkennung eines Fehlers der elektrischen Maschine kommen. Sollte ein mechanischer und/oder elektrischer Fehler vorliegen, so würde sich das an der Rotorwelle anliegende Drehmoment dauerhaft verändern, was vom Drehmomentsensor als Drehmomentsignal erfasst werden würde.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist das erfindungsgemäße Verfahren ferner ein Inkrementieren eines Fehlers, wenn das Drehmomentsignal von dem Referenz-Drehmomentsignal um mehr als den Drehmomentschwellenwert abweicht, ein Dekrementieren des Zählers, wenn das Drehmomentsignal von dem Referenz-Drehmomentsignal nicht um mehr als den Drehmomentschwellenwert abweicht und ein Erkennen des elektrischen und/oder mechanischen Fehlers der elektrischen Maschine auf, wenn der Zähler einen vorbestimmten Zählschwellenwert überschreitet. Dabei wird sich insbesondere zu Nutze gemacht, dass der Drehmomentsensor in konstanten Intervallen, wie beispielsweise alle 100 µs (d. h. eine Abtastrate von ungefähr 10 kHz), ein Drehmomentsignal liefert und somit kann überprüft werden, dass einzelne Ausreißer oder Messungenauigkeiten nicht sofort zum Erkennen eines Fehlers führen.
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Vorzugsweise umfasst ein elektrischer Fehler der elektrischen Maschine einen Leitungsbruch und/oder Kurzschluss der Stator- und/oder Rotorwicklung und/oder eine abnormale Verbindung der Stator- und/oder Rotorwicklung und/oder einen Defekt der Schleifkontakte und/oder einen Defekt im Kurzschlussläufer und/oder Kurzschlussrings und/oder ein Fehler in der induktiven Energieübertragung zwischen Stator und Rotor.
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Ferner ist es bevorzugt, wenn der mechanische Fehler der elektrischen Maschine einen Defekt des inneren und/oder äußeren Lagerlaufs und/oder einen Defekt von zumindest einem Wälzkörpers des Lagers und/oder einen Defekt des Lagers und/oder einen Defekt des Lagerkäfig des Lagers und/oder eine plastische Verformung der Rotorwelle und/oder eine Anomalität im statischen Luftspalt und/oder einen Defekt in zumindest einem der Permanentmagneten der elektrischen Maschine und/oder eine Deachsierung der Rotorwelle aufweist, die zu einem Taumeln der Rotorwelle führen kann.
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Es ist außerdem vorteilhaft, wenn der Drehmomentsensor zumindest ein an der Rotorwelle angebrachter Dehnungsmessstreifen ist.
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In besonders bevorzugter Weise ist das Referenz-Drehmomentsignal über einen Fernzugriff für die Motorsteuerung bereitgestellt. Beispielsweise können hier Cloud-Dienste angeführt werden, die über eine Fernkommunikationsverbindung von der Motorsteuereinheit der elektrischen Maschine abgefragt werden können, um den Vergleich mit dem vom Drehmomentsensor erzeugten Drehmomentsignal durchführen und somit auch einen elektrischen Fehler erkennen zu können. Alternativ oder zusätzlich können die vom Drehmomentsensor erfassten Signale an den Cloud-Dienst über die Fernkommunikationsverbindung gesendet werden, wobei dann die Auswertung im Cloud-Dienst erfolgen kann. Dies hat den Vorteil, dass der Großteil der Rechenleistung nicht im Fahrzeug, sondern entfernt davon erfolgt, wodurch der Bedarf an Rechenleistung im Fahrzeug reduziert werden kann.
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In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es bevorzugt sein, ferner die Schritte eines Erfassens der Drehzahl des Rotors der elektrischen Maschine und/oder ein Erfassen der Position des Rotors der elektrischen Maschine und/oder ein Erfassen der Temperatur des Rotors der elektrischen und/oder ein Erfassen des an der elektrischen Maschine anliegenden charakteristischen elektrischen Parameters, insbesondere des an der elektrischen Maschine anliegenden elektrischen Stroms oder der an der elektrischen Maschine anliegenden elektrischen Spannung, vorgesehen werden, wobei das Erkennen eines elektrischen und/oder mechanischen Fehlers der elektrischen Maschine ferner auf zumindest einem der vorgenannten erfassten Parameter basiert. Insbesondere können dadurch bestimmte Zustände der elektrischen Maschine, wie beispielsweise unterschiedliche Temperaturen, unterschiedliche Drehzahlen, unterschiedliche Positionen des Rotors und unterschiedliche elektrische Ströme und elektrische Spannungen beim Erkennen des elektrischen Fehlers berücksichtigt werden, damit das Erkennen eines solchen noch genauer und zuverlässiger durchgeführt werden kann. Genauer gesagt können die vorgenannten Parameter dazu dienen, einen erkannten Fehler zu bestätigen.
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Insbesondere sind mechanische Fehler der elektrischen Maschine mit der Drehzahl skaliert, d. h., dass sich mechanische mit steigender Drehzahl der Rotorwelle proportional vergrößern können. Elektrische Fehler sind zwar auch mit der Drehzahl der Rotorwelle skaliert, sind aber zusätzlich auch von der Polpaarzahl abhängig. Somit kann ein mechanischer Fehler von einem elektrischen Fehler der elektrischen Maschine eindeutig unterschieden werden.
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann durch Ausüben der hierin beschriebenen Lehre und Betrachten der beiliegenden Zeichnungen ersichtlich, in denen:
- 1 ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt, und
- 2 ein Diagramm zeigt, bei dem ein Drehmomentverlauf gegenüber der Zeit für eine fehlerunbehaftete elektrische Maschine und eine fehlerbehaftete elektrische Maschine dargestellt ist.
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Die 1 zeigt ein beispielhaftes Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Erkennen eines mechanischen und/oder elektrischen Fehlers einer elektrischen Maschine. Insbesondere geht das erfindungsgemäße Verfahren von einer elektrischen Maschine aus, die aus einem Elektromotor/-generator mit Stator und Rotor sowie einer Rotorwelle gebildet wird. Die elektrische Maschine kann als Elektromotor und Generator betrieben werden, so dass die Rotorwelle dabei als Abtriebs- und Antriebswelle fungieren kann.
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An der Rotorwelle der elektrischen Maschine ist ein Drehmomentsensor, wie beispielsweise ein Dehnungsmessstreifen, appliziert, der dazu ausgebildet ist, das an der Rotorwelle anliegende Drehmoment zu erfassen. Insbesondere ist der Drehmomentsensor dazu ausgebildet, in Abhängigkeit des an der Rotorwelle anliegenden Drehmoments ein entsprechendes Drehmomentsignal, bevorzugt in analoger Form, bereitzustellen, welches dann in einer Steuereinheit, wie beispielsweise der Motorsteuereinheit, aufbereitet, analysiert und ausgewertet werden kann.
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Das Verfahren der 1 startet beim Schritt 100 und gelangt dann zum Schritt 110, an dem der Drehmomentsensor ein das an der Rotorwelle anliegende Drehmoment anzeigende Drehmomentsignal erzeugt und einer Motorsteuereinheit zur weiteren Verarbeitung bereitstellt. Das Verfahren gelangt daraufhin zu einem Schritt 120, an dem eine Bandpassfilterung des Drehmomentsignals erfolgt. Bei der Bandpassfilterung werden insbesondere diejenigen Signalanteile herausgefiltert, in denen sich die Fehler des Antriebs niedergeschlagen haben. In einem drauffolgenden Schritt 130 erfolgt eine Absolutwertbildung der Differenz zwischen dem vom Drehmomentsensor erzeugten ursprünglichen Drehmomentsignal und dem gefilterten Drehmomentsignal, wodurch die Störung bzw. der Fehler der elektrischen Maschine herausgefiltert wird.
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In einem darauffolgenden Schritt 140 erfolgt ein Vergleich des am Schritt 130 gebildeten Absolutwerts mit einem Referenz-Drehmomentsignal, das einem Drehmomentsignal für eine fehlerunbehaftete elektrische Maschine entspricht. Das Referenz-Drehmomentsignal kann dabei in der Motorsteuerung hinterlegt sein. Alternativ kann die Motorsteuerung über eine Telekommunikationsverbindung auf das fernab des Fahrzeugs gespeicherte Referenz-Drehmomentsignal zugreifen.
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Wird am Schritt 140 festgestellt, dass der am Schritt 130 gebildete Absolutwert von dem vorbestimmten Referenz-Drehmomentsignal um einen vorbestimmten Drehmomentschwellenwert abweicht, gelangt das Verfahren zum Schritt 142 und es wird ein Zähler mit inkrementiert. Wird jedoch am Schritt 140 festgestellt, dass der am Schritt 130 gebildete Absolut von dem vorbestimmten Referenz-Drehmomentsignalwert nicht um mehr als der Drehmomentschwellenwert abweicht, gelangt das Verfahren zum Schritt 144 und es wird der Zähler mit dekrementiert. Der Drehmomentschwellenwert beträgt dabei ungefähr 20 %, vorzugsweise ungefähr 10 %, am bevorzugtesten ungefähr 5 % des Referenz-Drehmomentsignals.
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In einem jeweils auf den Schritt 142 und 144 folgenden Schritt 150 erfolgt eine Abfrage, ob der Zählwert einen vorbestimmten Zählschwellenwert übersteigt. Ist dem der Fall, so gelangt das Verfahren zum Schritt 160 und es wird ein Fehler der elektrischen Maschine erkannt. Unterschreitet der Zählerwert den vorbestimmten Zählschwellwert am Schritt 150, gelangt das Verfahren zum Schritt 142 und es wird auf „kein Fehler“ bzw. „fehlerfreie elektrische Maschine“ entscheiden und as Verfahren gelangt dann wieder zum Schritt 110, an dem erneut ein neuer Drehmomentsignal mittels Drehmomentsensors erzeugt wird.
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Der Schritt 150 dient somit dazu, dass einzelne Messausreißer bzw. Messungenauigkeiten aussortiert werden und erst dann ein Fehler ausgegeben wird, wenn der Fehler bei einer ersten Messung durch eine zweite Messung bestätigt wird. Ebenso kann der Schritt 150 dazu dienen, dass erst dann auf einen Fehler erkannt wird, wenn der Fehler für eine bestimmte Zeitdauer besteht und somit ein wirklicher Fehler auch ist.
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Das Erzeugen eines Drehmomentsignals kann beispielsweise in festen zeitlichen Abständen, wie beispielsweise alle 100 mµs (bzw. Abtastrate von ungefähr 10 kHz), erfolgen..
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Beim Schritt 160, an dem ein elektrischer und/oder mechanischer Fehler erkannt wird, kann zudem eine Analyse des Drehmomentsignals erfolgen, beispielsweise eine Frequenzanalyse. Hierzu zeigt die 2 einen beispielhaften zeitlichen Verlauf des Drehmoments, welches mit dem an der Rotorwelle angebrachten Drehmomentsensors ermittelt wurde.
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In der 2 stellt die durchgezogene Linie 200 den Drehmomentverlauf dar, der bei einem fehlerfreien elektrischen Antrieb erwartet würde. Die Linie 200 zeigt somit den Verlauf des Drehmoments, das an der Rotorwelle einer elektrischen Maschine anliegen würde, die weder einen mechanischen noch einen elektrischen Fehler aufweist. Im Gegensatz dazu stellt die gestrichelte Linie 300 einen Drehmomentverlauf dar, der bei einem fehlerbehafteten elektrischen Antrieb erfasst worden ist. Aus der 2 geht deutlich hervor, dass sich der gemessene Drehmomentverlauf 300 deutlich von dem erwarteten Drehmomentverlauf 200 abweicht.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann dabei während des Normalbetriebs der elektrischen Maschine durchgeführt werden. Insbesondere ist das erfindungsgemäße Verfahren dazu geeignet, elektrische Fehler der elektrischen Maschine identifizieren zu können.
