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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einer elektrischen Maschine nach der Gattung des Hauptanspruchs.
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Im Fall einer permanenterregten Synchronmaschine kann eine zu hohe Rotortemperatur zu einer Entmagnetisierung der Permanentmagnete führen. Die Rotortemperatur ist daher ein begrenzender Parameter für die Dauerleistung der elektrischen Maschine. Zum Schutz der Permanentmagnete muss sichergestellt sein, dass bei einem Erreichen einer kritischen Magnettemperatur Gegenmaßnahmen ergriffen werden, wie zum Beispiel das Reduzieren von Phasenströmen. Je genauer die Rotortemperatur bekannt ist, desto später können diese Maßnahmen getroffen werden und desto höhere Dauerleistungen können erzielt werden.
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In
DE 10 2007 062 712 A1 wird ein Verfahren zur Bestimmung der Temperatur eines ein magnetisches Rotorfeld aufweisenden Rotors einer mit einem feldorientierten Stromregler versehenen permanenterregten Synchronmaschine beschrieben, die einen Stator mit einer aus mindestens zwei Phasenwicklungen bestehenden Statorwicklung aufweist. Es ist vorgesehen, dass eine elektrische Maschinengleichung für eine quer zur Rotorfeldrichtung verlaufende Komponente (Usq) eines Statorspannungsvektors (Us) in einem feldorientierten Koordinatensystem aufgestellt wird, die einen magnetischen Fluss (Psi) des Rotors enthält. Weiter ist vorgesehen, dass die Komponente (Usq) des Statorspannungsvektors (Us) durch eine Spannungsstellgröße (UsqCC) berechnet und damit der magnetische Fluss (Psi) bestimmt wird. Zudem ist vorgesehen, dass aus dem magnetischen Fluss (Psi) die Temperatur (T) des Rotors bestimmt wird.
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In
EP 2853873 A1 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erfassung einer Temperatur eines Rotors eines Elektromotors beschrieben, wobei ein dem Elektromotor zugeordneter Resolver als Mittel zur Erfassung der Temperatur des Rotors fungiert.
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Aus dem Handbuch der Mess- und Automatisierungstechnik in der Produktion, Springer-Verlag, 2. Auflage, Seite 84, Kapitel 1.4.2 sind Verfahren für eine Erfassung einer Rotordrehzahl und für eine Messung von dynamischen Aktionsmomenten bekannt, welche induktiv Signale übertragen.
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Darüber hinaus sind teure telemetrische Systeme mit drahtloser Signalübertragung bekannt. Diese sind jedoch aufgrund der hohen Kosten für eine Anwendung in einer elektrischen Maschine eines Kraftfahrzeugs nicht geeignet.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße elektrische Maschine mit den Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass eine drahtlose Übertragung für die gemessene Temperatur des Rotors in Form eines Signals vorgesehen ist, und dass die drahtlose Übertragung mit nur wenigen Komponenten bzw. Bauteilen und dadurch kostengünstig realisierbar ist.
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In einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine elektrische Maschine mit einem Stator, einem Rotor und einer Einrichtung zur Messung einer Temperatur des Rotors vorgeschlagen. Die Einrichtung umfasst einen am Stator oder an einem Gehäuse der elektrischen Maschine vorgesehenen Primärkreis. Der Primärkreis umfasst eine Messvorrichtung zum Erfassen eines elektrischen Primärstroms Iprimär im Primärkreis oder zum Erfassen einer den Primärstrom Iprimär charakterisierenden Größe. Weiterhin umfasst der Primärkreis einen Signalgenerator zum Erzeugen einer Signalspannung oder zwei Anschlüsse zum Einspeisen einer Signalspannung in den Primärkreis und mindestens eine Primärspule. Die Einrichtung umfasst weiterhin einen am Rotor ausgebildeten Sekundärkreis. Der Sekundärkreis weist mindestens eine Sekundärspule auf, die zur induktiven Kopplung mit der mindestens einen Primärspule angeordnet ist. Der Sekundärkreis weist mindestens eine temperaturabhängige Last auf. Die Einrichtung ist eingerichtet, bei Drehen des Rotors und bei Einspeisen der Signalspannung in den Primärkreis durch eine induktive Kopplung zwischen dem Primärkreis und dem Sekundärkreis eine Sekundärspannung in dem Sekundärkreis zu induzieren, wodurch ein durch die temperaturabhängige Last fließender Sekundärstrom Isekundär im Sekundärkreis und infolge des Sekundärstroms Isekundär ein rotortemperaturabhängiger Primärstrom Iprimär im Primärkreis bewirkt wird. Die Einrichtung ist weiterhin eingerichtet, mittels der Messvorrichtung den Primärstrom Iprimär und/oder eine Phasenverschiebung zwischen der Signalspannung und dem Primärstrom Iprimär zu erfassen und basierend auf dem Wert des Primärstroms Iprimär oder basierend auf der Phasenverschiebung die Temperatur des Rotors zu ermitteln, insbesondere über eine in einem Speicher abgelegte Formel, Funktion, Tabelle, Matrix, Kennfeld oder Kennlinie.
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Erfindungsgemäß ist außerdem vorgesehen, dass die Primärspule einen U-förmigen Primärkern aufweist, der zwei Kopplungsschenkel und einen die zwei Kopplungsschenkel verbindenden Verbindungsschenkel umfasst, wobei die freien Enden der Kopplungsschenkel des Primärkerns einem Umfang der Rotorwelle zugewandt sind, wobei zwischen den freien Enden der Kopplungsschenkel des Primärkerns und der Rotorwelle jeweils ein Luftspalt zum Ausgleich des radialen Spiels der Rotorwelle ausgebildet ist. Das Vorsehen des Primärkerns hat den Vorteil, dass die induktive Kopplung überwiegend durch einen Magnetkreis erfolgt, dessen magnetischer Fluss über den Verbindungsschenkel, die beiden Kopplungsschenkel, die Luftspalte und einen Abschnitt der Rotorwelle verläuft. Durch den erfindungsgemäßen Primärkern wird also erreicht, dass die Rotorwelle Teil des Magnetkreises ist. Auf diese Weise wird eine besonders gute induktive Kopplung erreicht.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen elektrischen Maschine möglich.
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Besonders vorteilhaft ist, wenn die Primärspule sich in Umfangsrichtung der Rotorwelle gesehen nur über einen Teil des Umfangs der Rotorwelle erstreckt, wobei die Sekundärspule sich in Umfangsrichtung der Rotorwelle gesehen über den vollen Umfang der Rotorwelle erstreckt. Anders ausgedrückt, steht in jeder Winkellage des Rotors ein Umfangsabschnitt der Sekundärspule der Primärspule gegenüber. Auf diese Weise wird erreicht, dass die induktive Kopplung zwischen Primär- und Sekundärspule unabhängig von einer Drehung des Rotors in jeder Winkelposition des Rotors, also über einen Winkelbereich von 360 Grad bezüglich der Rotationsachse 132, vorliegt.
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Weiterhin vorteilhaft ist, wenn sich der Verbindungsschenkel des Primärkerns mit seiner Längserstreckung in axialer Richtung bezüglich der Rotationsachse erstreckt und dass die Kopplungsschenkel des Primärkerns in radialer Richtung bezüglich der Rotationsachse verlaufen. Auf diese Weise wird erreicht, dass der bezüglich der Rotationsachse radiale Abstand zwischen der Primärspule und der Sekundärspule gering gehalten werden kann und daher die induktive Kopplung verbessert wird.
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Sehr vorteilhaft ist es, wenn die Kopplungsschenkel des Primärkerns an ihrem der Rotorwelle zugewandten Ende eine Stirnfläche aufweisen, die eben ausgebildet oder derart gewölbt ist, dass die Stirnfläche parallel zum Umfang der Rotorwelle verläuft. Durch die gewölbte Stirnfläche wird erreicht, dass die Querschnittsfläche des Luftspalts vergrößert und damit der magnetische Widerstand reduziert wird. Zur weiteren Erhöhung der Querschnittsfläche wäre zusätzlich auch die Ausbildung eines Polschuhs an den Stirnflächen möglich.
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Auch vorteilhaft ist, wenn die Primärspule den Primärkern (123) mit einer Vielzahl von Windungen umschließt, insbesondere im Bereich des Verbindungsschenkels. Auf diese Weise wird erreicht, dass für die Signalübertragung ein hinreichend hoher magnetischer Fluss durch den Eisenkreis erzeugt wird.
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Nach einer vorteilhaften Ausführung ist die Primärspule in einer Aufnahme eines Primärspulenkörpers vorgesehen.
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Des weiteren vorteilhaft ist, wenn die Sekundärspule, insbesondere drehfest, mit der Rotorwelle des Rotors verbunden ist und die Rotorwelle mit einer Vielzahl von Windungen umschließt. Auf diese Weise wird erreicht, dass in der Rotorwelle, welche Teil des Eisenkreises ist, für die Signalübertragung ein hinreichend hoher magnetischer Fluss initiiert wird.
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Darüber hinaus vorteilhaft ist, wenn die Sekundärspule in einer Aufnahme eines Sekundärspulenkörpers vorgesehen ist, der insbesondere drehfest mit der Rotorwelle des Rotors verbunden ist.
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Vorteilhaft ist, wenn die Primärspule und die Sekundärspule jeweils eine Spulenachse und eine Erstreckung in axialer Richtung bezüglich der Rotationsachse aufweisen, wobei die axiale Erstreckung der beiden Spulen gleich lang oder unterschiedlich lang ausgebildet ist und/oder wobei die Spulenachsen der beiden Spulen in axialer Richtung parallel zueinander verlaufen. Auf diese Weise wird erreicht, dass die Baugröße der beiden Spulen klein gehalten werden kann.
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Figurenliste
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
- 1 zeigt eine schematische Ansicht einer elektrischen Maschine mit einer erfindungsgemäßen Einrichtung,
- 2 eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine nach 1 und
- 3 ein elektrisches Schaltbild der erfindungsgemäßen Einrichtung nach 1 und 2.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine schematische Ansicht einer elektrischen Maschine mit einer erfindungsgemäßen Einrichtung zur Ermittlung einer Temperatur eines Rotors der elektrischen Maschine. 2 zeigt eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine nach 1.
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Die elektrische Maschine 112 umfasst einen Rotor 116, der um eine Rotationsachse 132 rotierbar ist, und einen mit dem Rotor 116 zusammenwirkenden Stator 114.
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Die erfindungsgemäße Einrichtung 110 kann insbesondere Teil der elektrischen Maschine 112, wie beispielsweise einer Synchronmaschine, sein.
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Der Rotor 116 weist eine Rotorwelle 116.1 und einen auf der Rotorwelle 116.1 angeordneten Rotorkörper 116.2 auf. Der Rotorkörper kann beispielsweise ein Blechpaket sein. Der Stator 114 kann in einem Gehäuse 120 angeordnet sein.
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3 zeigt ein elektrisches Schaltbild der erfindungsgemäßen Einrichtung nach 1 und 2.
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Die Einrichtung 110 umfasst einen elektrischen Primärkreis 118 und einen elektrischen Sekundärkreis 124.
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Der Primärkreis 118 ist am Gehäuse 120 oder am Stator 114 ausgebildet und dort befestigt. Insbesondere kann der Primärkreis 118 am Gehäuse 120 oder am Stator 114 formschlüssig, kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig angebracht sein.
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Der Sekundärkreis 124 ist am Rotor 116 ausgebildet und ist fest, insbesondere drehfest, mit dem Rotor 116 verbunden. Beispielsweise ist der Sekundärkreis 124 an einer Stirnseite des Rotorkörpers des Rotors 114 angeordnet oder befestigt. Insbesondere kann der Sekundärkreis 124 an dem Rotor 116 formschlüssig, kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig angebracht sein.
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Der Primärkreis 118 weist mindestens eine Messvorrichtung 156 zum Erfassen eines elektrischen Primärstroms Iprimär im Primärkreis 118 auf.
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Darüber weist der Primärkreis 118 einen Signalgenerator 108 zum Erzeugen einer in den Primärkreis 118 einzuspeisenden Signalspannung auf. Alternativ kann der Primärkreis 118 mindestens zwei Anschlüsse 127 zum Einspeisen einer Signalspannung in den Primärkreis 118 umfassen. Die Signalspannung ist erfindungsgemäß eine Wechselspannung und kann eine beliebige Wellenform, beispielsweise mit einer sinusförmigen, dreieckförmigen, sägezahnförmigen oder rechteckförmigen Wellenform, aufweisen.
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Der Primärkreis 118 weist weiterhin mindestens eine Primärspule 122 und beispielsweise einen Kondensator 133 auf. Bei der Primärspule 122 kann es sich insbesondere um eine Wicklung handeln. Der Kondensator 133 ist zur Erzeugung eines Schwingkreises im Primärkreis 118 ausgebildet. Zwischen dem Signalgenerator 108 und dem Kondensator 133 ist beispielsweise ein elektrischer Vorwiderstand 134 angeordnet.
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Die Messvorrichtung 156 kann beispielsweise ein Voltmeter sein, das einen Spannungsabfall an dem Vorwiderstand 134 des Primärkreises 122 misst, so dass der Primärstrom Iprimär mittels des bekannten elektrischen Widerstandes des Vorwiderstandes 134 und mittels des an dem Vorwiderstand 134 gemessenen Spannungsabfalls ermittelbar ist. Die Spannung des Signalgenerators 108 kann mit einer weiteren Messvorrichtung 156 bestimmt werden oder aufgrund einer Kalibrierung des Signalgenerators 108 bekannt sein.
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Der Sekundärkreis 124 weist mindestens eine Sekundärspule 136 und eine temperaturabhängige elektrische Last 166 auf. Die Sekundärspule 136 ist zur induktiven Kopplung mit der Primärspule 122 angeordnet. Bei der Sekundärspule 136 kann es sich insbesondere um eine elektrische Wicklung handeln.
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Die temperaturabhängige elektrische Last 166 dient als Messelement und kann ein temperaturabhängiger elektrischer Widerstand sein. Bei der gezeigten Ausführungsform ist die temperaturabhängige elektrische Last 166 ein temperaturabhängiger elektrischer Widerstand mit einem negativen Temperaturkoeffizienten, d.h. ein sogenannter NTC (negative temperature coefficient). Auch andere Ausführungsformen sind jedoch grundsätzlich denkbar, wie beispielsweise ein temperaturabhängiger elektrischer Widerstand mit einem positiven Temperaturkoeffizienten, d.h. ein sogenannter PTC (positive temperature coefficient). Als temperaturabhängige elektrische Last sind weitere elektrische Bauteile möglich, die in Abhängigkeit von der Temperatur ihren elektrischen Kennwert, beispielsweise ohmscher Widerstand, Induktivität oder Kapazität, ändern. Auch Bimetallschalter, die bei einem Temperaturschwellwert schalten, wären als temperaturabhängige elektrische Last verwendbar.
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Die temperaturabhängige elektrische Last 166 ist an einer bestimmten Position des Rotors 116 angeordnet, um dort die Temperatur des Rotors 116 zu erfassen. Die temperaturabhängige elektrische Last 166 ist in elektrischem Kontakt mit der Sekundärspule 136.
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Die Primärspule 122 und die Sekundärspule 136 weisen jeweils eine Spulenachse auf, um die die jeweilige Wicklung gewickelt ist. Beispielsweise verlaufen die Spulenachsen der Primärspule 122 und der Sekundärspule 136 in Richtung der Rotationsachse 132, insbesondere parallel zur Rotationsachse 132.
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Die Signalspannung im Primärkreis 118 induziert über eine induktive Kopplung der Primärspule 122 mit der Sekundärspule 136 eine Sekundärspannung in dem Sekundärkreis 124. Die induzierte Sekundärspannung, die selbstverständlich eine Wechselspannung ist, bewirkt einen durch die temperaturabhängige Last 166 fließenden Sekundärstrom Isekundär. Die Amplitude des Sekundärstroms Isekundär wird durch die Temperatur des Rotors 116 bestimmt. Entsprechend ist der Sekundärstrom Isekundär des Sekundärkreises 124 rotortemperaturabhängig. Infolge des Sekundärstroms Isekundär wird ein rotortemperaturabhängiger Primärstrom Iprimär im Primärkreis 118 bewirkt, der selbstverständlich ein Wechselstrom ist. Der Primärstrom Iprimär in dem Primärkreis 118 wird mittels der Messvorrichtung 156 erfasst, beispielsweise direkt oder indirekt über eine den Primärstrom Iprimär charakterisierende Größe, wie beispielsweise einer Spannung.
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Die Primärspule 122 und die Sekundärspule 136 sind nach 1 derart angeordnet, dass die induktive Kopplung zwischen den beiden Spulen 122, 136 unabhängig von einer Drehung des Rotors 116 in jeder Winkelposition des Rotors, also über einen Winkelbereich von 360 Grad bezüglich der Rotationsachse 132, vorliegt. Dies wird erfindungsgemäß erreicht, indem sich die Primärspule 122 in Umfangsrichtung der Rotorwelle 116.1 gesehen nur über einen Teil des Umfangs der Rotorwelle 116.1, die Sekundärspule 136 sich aber in Umfangsrichtung der Rotorwelle 116.1 gesehen über den vollen Umfang der Rotorwelle 116.1 erstreckt. Weiterhin wird dies erfindungsgemäß erreicht, indem zusätzlich die Primärspule 122 einen U-förmigen Primärkern 123 aufweist, der zwei Kopplungsschenkel 121 und einen die zwei Kopplungsschenkel 121 verbindenden Verbindungsschenkel 125 umfasst, wobei die freien Enden der Kopplungsschenkel 121 des Primärkerns 123 dem Umfang der Rotorwelle 116.1 des Rotors 116 zugewandt sind, wobei zwischen den freien Enden der Kopplungsschenkel 121 des Primärkerns 123 und der Rotorwelle 116.1 des Rotors 116 jeweils ein Luftspalt 126 ausgebildet ist. Durch den erfindungsgemäßen Primärkern 123 erfolgt die induktive Kopplung überwiegend über einen Magnetkreis 128, dessen magnetischer Fluss über den Verbindungsschenkel 125, die beiden Kopplungsschenkel 121, die Luftspalte 126 und einen Abschnitt der Rotorwelle 116.1 verläuft. Durch den erfindungsgemäßen Primärkern 123 wird also erreicht, dass die Rotorwelle 116.1 Teil des Magnetkreises 128 ist.
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Der Verbindungsschenkel 125 des Primärkerns 123 erstreckt sich mit seiner Längserstreckung in axialer Richtung bezüglich der Rotationsachse 132. Die Kopplungsschenkel 121 des Primärkerns 123 verlaufen in radialer Richtung bezüglich der Rotationsachse 132. Die Kopplungsschenkel 121 des Primärkerns 123 haben an ihrem der Rotorwelle 116.1 zugewandten Ende eine Stirnfläche, die eben ausgebildet oder derart gewölbt sein kann, dass die Stirnfläche parallel zum Umfang der Rotorwelle 116.1 verläuft. Ebenso kann die Stirnfläche als Polschuh ausgeführt sein.
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Die Primärspule 122 umschließt den Primärkern 123 mit einer Vielzahl von Windungen, insbesondere im Bereich des Verbindungsschenkels 125, und kann in einer Aufnahme eines Primärspulenkörpers 130 vorgesehen sein.
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Die Sekundärspule 136 ist insbesondere drehfest mit der Rotorwelle 116.1 des Rotors 116 verbunden und umschließt die Rotorwelle 116.1 mit einer Vielzahl von Windungen. Auch die Sekundärspule 136 kann in einer Aufnahme eines Sekundärspulenkörpers 140 vorgesehen sein, der insbesondere drehfest mit der Rotorwelle 116.1 des Rotors 116 verbunden ist.
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Die Primärspule 122 und die Sekundärspule 136 haben jeweils eine Erstreckung in axialer Richtung bezüglich der Rotationsachse 132, wobei die axiale Erstreckung der beiden Spulen 122,136 gleich lang oder unterschiedlich lang ausgebildet sein kann.
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Temperaturänderungen am Rotor 116 erzeugen eine Widerstandsänderung der temperaturabhängigen Last 166.
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Die temperaturabhängige Widerstandsänderung an der temperaturabhängigen Last 166 führt zu einer Änderung der Amplitude des Primärstroms Iprimär des Primärkreises 118. Folglich besteht eine Beziehung zwischen der Amplitude des Primärstroms Iprimär im Primärkreis 118 und der zu bestimmenden Temperatur des Rotors 116. Die Temperatur des Rotors 116 kann somit basierend auf dem Wert eines mittels der Messvorrichtung 156 gemessenen Primärstroms Iprimär ermittelt werden. Dies geschieht beispielsweise mittels einer in dem elektronischen Speicher des Steuergerätes abgelegten Formel, Tabelle, Matrix, Kennfeld oder Kennlinie, wodurch jeweils eine Zuordnung zwischen einem gemessenen Wert des Primärstroms Iprimär und einer zugehörigen Temperatur des Rotors 116 vorliegt.
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Die temperaturabhängige Widerstandsänderung an der temperaturabhängigen Last 166 führt außerdem zu einer Phasenverschiebung zwischen der eingespeisten Signalspannung und dem Primärstrom Iprimär des Primärkreises 118. Folglich besteht auch eine Beziehung zwischen der Phasenverschiebung im Primärkreis 118 und der zu bestimmenden Temperatur des Rotors 116. Die Temperatur des Rotors 116 kann somit alternativ auch basierend auf der ermittelten Phasenverschiebung zwischen der eingespeisten Signalspannung und dem Primärstrom Iprimär ermittelt werden, insbesondere über eine in einem elektronischen Speicher eines elektronischen Steuergerätes abgelegte Formel oder Funktion, insbesondere eine Arkustangensfunktion, oder über eine in dem Speicher abgelegte Tabelle, Kennfeld, Kennlinie oder Matrix. Auf diese Weise liegt jeweils eine Zuordnung zwischen einer ermittelten Phasenverschiebung und der zugehörigen Temperatur des Rotors 116 vor. Zur Bestimmung der Phasenverschiebung zwischen der eingespeisten Signalspannung und dem Primärstrom Iprimär wird der Primärstrom Iprimär mittels der Messvorrichtung 156 gemessen und basierend darauf die Phasenverschiebung ermittelt.
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Erfindungsgemäß erfolgt also eine kabellose Signalübertragung. Das Signal, welches übertragen werden kann, ist die Temperatur des Rotors 116. Die Temperatur-Information ist indirekt Teil des Sekundärstroms bzw. über die induktiv gekoppelten Spulen 122,136 auch Teil des Primärstroms.
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Der Kondensator 133 verändert das Übertragungssystem der Einrichtung 108 und somit das Systemverhalten, was zur Einstellung der Messgenauigkeit der Einrichtung 110 verwendet werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007062712 A1 [0003]
- EP 2853873 A1 [0004]
