DE102020117279A1 - System und Verfahren zur Bestimmung der Magnettemperatur bei einer permanenterregten Synchronmaschine - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren zur Bestimmung der Magnettemperatur (T) bei einer permanenterregten Synchronmaschine (10), die einen Stator und einem Rotor mit einem Magnetsystem umfasst, wobei ein Umrichter (20), ein Prozessor (30) und eine Sensorik (40) mit der Synchronmaschine (10) verbunden sind. Ein Teststrom (id) in einer d-Achse wird während eines Zeitintervalls (t) der Synchronmaschine (10) dann zugeführt, wenn keine Drehmomentanforderung an die Synchronmaschine (10) gestellt und ein momentenbildender Strom (iq) auf den Nullwert geregelt wird, und die Magnettemperatur (T) wird auf der Grundlage der gemessenen Spannung (uq) in einer q-Achse während des Zeitintervalls (t) ermittelt.

Description

• Die Erfindung betrifft ein System und Verfahren zur Bestimmung der Magnettemperatur bei einer permanenterregten Synchronmaschine.
• Eine permanenterregte Synchronmaschine ist eine elektrische Drehfeldmaschine mit einem drehenden Teil (Rotor oder Läufer) mit einem Magnetsystem und einen feststehenden Teil (Stator oder Ständer) mit einem Spulensystem, in dem eine Spannung induziert wird. Jede Synchronmaschine kann als elektrischer Motor oder elektrischer Generator betrieben werden. Synchrongeneratoren werden für die Bereitstellung von elektrischer Energie eingesetzt, Synchronmotoren werden als Antriebe in der Industrie und in der Automobilindustrie eingesetzt, beispielsweise als Traktionsmotor bei Elektrofahrzeugen.
• Das Magnetsystem besteht bei einer Synchronmaschine aus Dauermagneten. Die magnetische Qualität (Remanenzflussdichte) der Dauermagneten stellt für den Wirkungsgrad der Maschine eine entscheidende Größe dar. Allerdings nimmt diese bei den meisten Magnetmaterialien mit steigender Temperatur* ab. In Abhängigkeit von dem gewählten Material kann es bei einer Grenztemperatur zu einer irreversiblen Entmagnetisierung der Magnete kommen, die nur durch ein erneutes Magnetisieren mit starken Magnetfeldern rückgängig gemacht werden kann. Insbesondere bei Hybridfahrzeugen können im normalen Fahrbetrieb Temperaturen erreicht werden, die zu einer dauerhaften Schädigung der Dauermagneten führen. Um dies zu verhindern, werden üblicherweise die Phasenströme ab Erreichen einer kritischen Magnettemperatur begrenzt.
• Allerdings ist eine direkte * Magnettemperaturüberwachung bei einer Synchronmaschine schwierig, da ein Temperatursensor auf beziehungsweise in dem Rotor positioniert sein muss und die Messsignale des Temperatursensors an eine feststehende Empfangseinrichtung, beispielsweise eine sich nicht drehende Antenne oder ein Schleifkontakt, übertragen werden müssen. Daher wird im allgemeinen die Magnettemperatur aus der gemessenen Stator-Temperatur abgeleitet. Dies ist jedoch mit Ungenauigkeiten verbunden und kann dazu führen, dass nicht die maximale Leistung der Maschine genutzt wird, um eine Übererwärmung der Dauermagneten zu vermeiden.
• Die DE 102 54 295 A1 beschreibt ein Verfahren zur Bestimmung der Läufertemperatur einer permanenterregten Drehfeldmaschine mit einem im Läufer angeordneten Magnetsystem. Die Läufertemperatur wird auf der Grundlage einer aktuellen Leerlaufspannung und einer Referenz-Leerlaufspannung berechnet.
• Die US 2010/276 929 A1 beschreibt ein System zum Bestimmen einer Temperatur eines Permanentmagneten in einer Maschine. Das System umfasst einen Spannungssensor, der ein Spannungssignal erzeugt, das der Statorspannung entspricht, und einen Stromsensor, der ein Stromsignal erzeugt, das dem Statorstrom entspricht. Ein Prozessor empfängt die Spannungs- und Stromsignale und erzeugt ein Temperatursignal, das die Temperatur des Permanentmagneten in der Maschine wiedergibt.
• Die DE 10 2005 062 588 A1 beschreibt ein Verfahren zum Bestimmen der Magnettemperatur einer permanent erregten elektrischen Maschine. Die Magnettemperatur wird durch Messung einer Phasenspannung und der Drehzahl der elektrischen Maschine bestimmt.
• Die DE 10 2014 016 452 A1 beschreibt ein Verfahren zum Ermitteln einer aktuellen Temperatur einer Wicklung einer elektrischen Maschine, bei dem in Abhängigkeit von einer Spannung, die während eines Zustands „Leerlauf‟ der elektrischen Maschine erfasst wird, und einer Stromstärke, die während eines Zustands „aktiver Kurzschluss“ der elektrischen Maschine erfasst wird, ein aktueller Statorwicklungswiderstand berechnet wird. Der berechnete Statorwicklungswiderstand wird zur Berechnung der aktuellen Temperatur der Wicklung der elektrischen Maschine verwendet.
• Die DE 10 2013 201 468 A1 beschreibt ein Verfahren zum Betrieb eines Elektromotors, wobei eine Temperatur wenigstens eines Magnetelements des Elektromotors kontinuierlich während des Betriebs des Elektromotors mittels eines Temperaturmodells bestimmt wird, und der in die Phasenwicklungen des Elektromotors fließende elektrische Strom unter Berücksichtigung einer vorgebbaren Grenztemperatur des wenigstens einen Magnetelements begrenzt wird.
• Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe besteht nun darin, ein Verfahren und ein System zu schaffen, mit dem die Magnettemperatur des Magnetsystems eines Rotors bei einer permanenterregten Synchronmaschine genauer und einfacher bestimmt werden kann.
• Diese Aufgabe wird hinsichtlich eines Verfahrens durch die Merkmale des Patentanspruchs 1, und hinsichtlich eines Systems durch die Merkmale des Patentanspruchs 8 erfindungsgemäß gelöst. Die weiteren Ansprüche betreffen bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung.
• Gemäß einem ersten Aspekt stellt die Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung der Magnettemperatur bei einer permanenterregten Synchronmaschine bereit. Die Synchronmaschine umfasst einen Stator und einen Rotor mit einem Magnetsystem, wobei ein Umrichter, ein Prozessor und eine Sensorik mit der Synchronmaschine verbunden sind. Ein Teststrom i_d in einer d-Achse wird während eines Zeitintervalls der Synchronmaschine dann zugeführt, wenn keine Drehmomentanforderung an die Synchronmaschine gestellt und ein momentenbildender Strom i_q auf den Wert von Null geregelt wird, und die Magnettemperatur wird auf der Grundlage der gemessenen Spannung u_q in einer q-Achse während des Zeitintervalls ermittelt.
• Insbesondere ist die Spannung u_q in der q-Achse gemäß der folgenden Formel darstellbar: $$u_q={\omega }_{el}\ast \left({\Psi }_d+{\Psi }_{PM}\right)={\omega }_{el}\ast {\Psi }_{d,ges}$$

  

  mit
  ω_el = Winkelgeschwindigkeit
  Ψ_PM = Permanentmagnetfluss
  Ψ_d = Magnetfluss aufgrund des Teststroms (i_d) in der d-Achse,
  Ψ_d,ges = Gesamtmagnetfluss in der d-Achse,
  wobei der Gesamtmagnetfluss (Ψ_d,ges) in der d-Achse von der Magnettemperatur (T) wie folgt abhängig ist: $${\Psi }_{d,ges}=\frac{u_q}{{\omega }_{el}}\sim T_{Magnet}$$

  
• Vorteilhafterweise ist die Leerlaufspannung u_q gemäß der folgenden Formel darstellbar: $$u_q={\omega }_{el}\ast \left(L_{s,d}{i}_d+{\Psi }_{PM}\right)*$$

  

  mit
  L_s,d = Sekanteninduktivität in der d-Achse
• In einer Ausführungsform weist der Teststrom i_d ein negatives oder positives Vorzeichen auf.
• In einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Magnettemperatur im Bereich von -50 °C bis +350 °C liegt.
• Insbesondere beträgt das Zeitintervall (t) zumindest 1 ms.
• Gemäß einem zweiten Aspekt stellt die Erfindung ein System zur Bestimmung der Magnettemperatur bei einer permanenterregten Synchronmaschine bereit. Die Synchronmaschine umfasst einen Stator und einen Rotor mit einem Magnetsystem, wobei ein Umrichter, ein Prozessor und eine Sensorik mit der Synchronmaschine verbunden sind. Der Prozessor und der Umrichter sind ausgebildet, einen Teststrom i_d in einer d-Achse während eines Zeitintervalls der Synchronmaschine dann zuzuführen, wenn keine Drehmomentanforderung an die Synchronmaschine gestellt und ein momentenbildender Strom i_q auf den Nullwert geregelt wird, und die Magnettemperatur auf der Grundlage der gemessenen Spannung u_q in einer q-Achse während des Zeitintervalls zu ermitteln.
• Insbesondere ist die Leerlaufspannung u_q gemäß der folgenden Formel darstellbar: $$u_q={\omega }_{el}\ast \left({\Psi }_d+{\Psi }_{PM}\right)={\omega }_{el}\ast {\Psi }_{d,ges}$$

  

  mit
  ω_el = Winkelgeschwindigkeit
  Ψ_PM = Permanentmagnetfluss
  Ψ_d = Magnetfluss aufgrund des Teststroms (i_d) in der d-Achse,
  Ψ_d,ges = Gesamtmagnetfluss in der d-Achse,
  wobei der Gesamtmagnetfluss (Ψ_d,ges) in der d-Achse von der Magnettemperatur (T) abhängig wie folgt ist: $${\Psi }_{d,ges}=\frac{u_q}{{\omega }_{el}}\sim T_{Magnet}$$

  
• Vorteilhafterweise ist die Leerlaufspannung u_q gemäß der folgenden Formel darstellbar ist: $$u_q={\omega }_{el}\ast \left(L_{s,d}{i}_d+{\Psi }_{PM}\right)*$$

  

  mit
  L_s,d = Sekanteninduktivität in der d-Achse
• In einer Ausführungsform weist der Teststrom i_d ein negatives oder positives Vorzeichen auf.
• In einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Magnettemperatur im Bereich von -50 °C bis +350 °C liegt.
• Insbesondere beträgt das Zeitintervall (t) zumindest 1 ms.
• Gemäß einem dritten Aspekt stellt die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einer permanenterregten Synchronmaschine bereit, wobei zur Bestimmung einer Magnettemperatur des Magnetsystems der Synchronmaschine das Verfahren gemäß dem ersten Aspekt verwendet wird.
• Gemäß einem vierten Aspekt stellt die Erfindung ein Computerprogrammprodukt bereit, das einen ausführbaren Programmcode umfasst, der so konfiguriert ist, dass er bei seiner Ausführung das Verfahren gemäß dem ersten Aspekt ausführt.
• Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
• Dabei zeigt:
• 1 ein Blockdiagramm zur Bestimmung der Magnettemperatur T bei einer permanenterregten Synchronmaschine;
• 2 den gesamten Magnetfluss Ψ_d,ges in Abhängigkeit von dem Teststrom i_d;
• 3 die Spannung u_d in Abhängigkeit von der Drehzahl ω_el bei einem beispielhaft gewählten Teststrom von i_d = -400 A;
• 4 die Spannung u_d in Abhängigkeit von der Drehzahl ω_el unter der Randbedingung i_d = i_q = 0 A;
• 5 einen beispielhaften Verfahrensablauf zur Ermittlung der Magnettemperatur T;
• 6a den zeitlichen Verlauf der Spannungen u_d und u_q bei einem Teststrom von i_d = -400 A zur Ermittlung der Magnettemperatur T;
• 6b den zeitlichen Verlauf der Ströme i_d und i_q bei einem Teststrom von i_d = -400 A zur Ermittlung der Magnettemperatur T;
• 7 zeigt schematisch ein Computerprogrammprodukt gemäß einer Ausführungsform des vierten Aspekts der Erfindung.
• Zusätzliche Kennzeichen, Aspekte und Vorteile der Erfindung oder ihrer Ausführungsbeispiele werden durch die ausführliche Beschreibung in Verbindung mit den Ansprüchen ersichtlich.
• 1 zeigt ein Blockdiagramm eines Systems 100 zur Bestimmung einer Magnettemperatur T bei einer permanenterregten Synchronmaschine 10. Eine permanenterregte Synchronmaschine 10 ist eine elektrische Drehfeldmaschine mit einem drehenden Teil (Rotor oder Läufer) mit einem Magnetsystem und einen feststehenden Teil (Stator oder Ständer) mit einem Spulensystem, in dem eine Spannung induziert wird. Das System 100 umfasst die Synchronmaschine 10, einen Umrichter 20, einen Prozessor 30 und eine Sensorik 40 wie beispielsweise einen Drehzahlmesser. Unter einem Prozessor ist eine Steuereinheit zum Speichern und Ausführen von Programmbefehlen zu verstehen. Beispielsweise ist der Prozessor und/oder die Steuereinheit speziell dazu eingerichtet, die Programmbefehle derart auszuführen, damit der Prozessor und/oder die Steuereinheit Funktionen ausführt, um das erfindungsgemäße Verfahren oder einen Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens zu implementieren oder zu realisieren.
• Im Rahmen eines Ersatzschaltbildes kann die Synchronmaschine 10 durch einen Widerstand (R_s), eine Induktivität (L) und eine Spannungsquelle (U) dargestellt werden.
• Erfindungsgemäß wird ein Teststrom i_d in einer d-Achse für die permanentangeregte Synchronmaschine 10 verwendet, um die Magnettemperatur T zumindest eines Dauermagneten des Magnetsystems zu bestimmen. Der Teststrom i_d in der d-Achse wird zu einem Zeitpunkt eingeprägt, wenn keine Drehmomentanforderung an die Synchronmaschine 10 zum Antrieb besteht und daher der momentenbildende Strom i_q auf den Nullwert geregelt ist. Hierdurch kann der Spannungsabfall in der u_q-Achse bestimmt werden.
• Die Differentialgleichung einer permanenterregten Synchronmaschine ist gegeben durch: $$\left[\begin{array}{c}{u}_d\\ u_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{L}_{d,dd}& L_{d,dq}\\ L_{d,qd}& L_{d,qq}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\dot{l}}_d\\ l_q\end{array}\right]+\left[\begin{array}{cc}{R}_s& 0\\ 0& R_s\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]+{\omega }_{el}\left[\begin{array}{c}-L_{s,q}{i}_q\\ +L_{s,d}{i}_d+{\Psi }_{PM}\end{array}\right]$$

  

  u_d = Spannung in der d-Achse
  u_q = Spannung in der q-Achse
  i_d = Strom in der d-Achse
  i_q = Strom in der q-Achse
  L_s,q, L_s,d = Sekanteninduktivitäten in der d-Achse und der q-Achse
  L_d,dd, L_d,dq, L_d,qd, L_d,qq = differenzielle Induktivitäten in der d-Achse und der q-Achse
  R_s = Statorwiderstand
  ω_el = Winkelgeschwindigkeit
  Ψ_PM = Permanentmagnetfluss
• In einem stationären Betriebspunkt ändern sich die Werte für die Ströme i_d, i_q nicht, so dass die Ableitung des Stroms nach der Zeit, d.h. die Stromänderung den Nullwert ergibt. Es gilt: $$\left[\begin{array}{c}{\dot{\iota }}_d\\ {\iota }_q\end{array}\right]=0$$

  
• Damit ergibt sich für das Gleichungssystem der permanenterregten Synchronmaschine 10: $$\left[\begin{array}{c}{u}_d\\ u_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{L}_{d,dd}& L_{d,dq}\\ L_{d,qd}& L_{d,qq}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}0\\ 0\end{array}\right]+\left[\begin{array}{cc}{R}_s& 0\\ 0& R_s\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]+{\omega }_{el}\left[\begin{array}{c}-L_{s,q}{i}_q\\ +L_{s,d}{i}_d+{\Psi }_{PM}\end{array}\right]$$

  
• Das innere Drehmoment M_i einer Synchronmaschine berechnet sich nach der folgenden Formel: $$M_i=\frac{3}{2}p\ast \left[\left(L_{s,d}-L_{s,q}\right)\ast i_d\ast i_q+{\Psi }_{PM}\ast i_q\right]$$

  
• Es ist ersichtlich, dass kein Drehmoment M_i erzeugt wird, wenn i_q ≠ 0 ist.
• Wenn keine Drehmomentanforderung an die Synchronmaschine 10 für einen elektrischen Antrieb gestellt und der Leerlaufstrom i_q auf 0 geregelt wird, kann ein Teststrom i_d genutzt werden, um die Spannungsgrößen u_d und u_q zu charakterisieren: $$\left[\begin{array}{c}{u}_d\\ u_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{R}_s& 0\\ 0& R_s\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ 0\end{array}\right]+{\omega }_{el}\left[\begin{array}{c}-L_{s,q}0\\ +L_{s,d}{i}_d+{\Psi }_{PM}\end{array}\right]*$$

  
• Es ergibt sich somit: $$\begin{array}{c}{u}_d=R_s\ast i_d\\ u_q={\omega }_{el}\ast \left(L_{s,d}{i}_d+{\Psi }_{PM}\right)\end{array}$$

  
• Aus den Gleichungen für die Spannungen u_d und u_q geht hervor, dass im stromgeregelten Betrieb bei einem Betriebspunkt mit i_q = 0 und i_d = X, wobei X eine Menge beliebiger Werte darstellt, bestimmte Maschinenparameter ermittelt werden können. Der Teststrom i_d wird über die Spannungsgrößen u_d und u_q geregelt, womit alle drei elektrischen Größen i_d, u_d, u_q und die mechanische Größe ω_el in dem mit der Synchronmaschine 10 verbundenen Umrichter 20 vorliegen und damit bekannt sind.
• Der Permanentmagnetfluss Ψ_PM ist von der Magnettemperatur T abhängig, während hingegen die Sekanteninduktivität L_s,d von der Magnettemperatur T nahezu unabhängig ist und einen Maschinenparameter darstellt, der als bekannt vorausgesetzt werden kann.
• Der Ausdruck L_s,d i_d kann zu Ψ_d zusammengefasst werden, womit sich die Gleichung für die Leerlaufspannung u_q vereinfacht zu: $$u_q={\omega }_{el}\ast \left({\Psi }_d+{\Psi }_{PM}\right)={\omega }_{el}\ast {\Psi }_{d,ges}$$

  
• Aus den Abhängigkeiten Ψ_d,ges = ƒ(T_Magnet,i_d) und R_s = ƒ(T_Wicklung) folgen die proportionalen Abhängigkeiten zu der Temperatur der Wicklungen des Stators und der Temperatur des Magneten: $$R_s=\frac{u_d}{i_d}\sim T_{Wicklung}$$

  

  $${\Psi }_{d,ges}=\frac{u_q}{{\omega }_{el}}\sim T_{Magnet}$$

  
• Hierbei ist es unerheblich, welchen Wert der Strom i_d hat, wobei negative Werte üblich sind. Je größer der Betrag des Stroms i_d ist, desto stärker werden im Umrichter 20 vorgesehene Stromsensoren ausgesteuert und desto genauer ist die Bestimmung von Ψ_d,ges. Mit einer genauen Bestimmung von Ψ_d,ges kann wiederum die Magnettemperatur T genau bestimmt werden.
• 2 zeigt den gesamten Magnetfluss Ψ_d,ges in Abhängigkeit von dem Teststrom i_d unter der Bedingung, dass der Leerlaufstrom i_q = 0 beträgt, bei einer Magnettemperatur T von - 20 C°, + 40 C°, + 100 C° und + 180 C°. Die einzelnen Kurven sind deutlich voneinander zu unterscheiden.
• 3 zeigt die Spannung u_d in Abhängigkeit von der Drehzahl w_eL bei einem beispielhaft gewählten Teststrom von i_d = -400 A bei einer Magnettemperatur T von - 20 C°, + 40 C°, + 100 C° und + 180 C°. Bedingung hierfür ist i_q = 0 . Denkbar ist auch jeder andere Teststrom i_d , da dieser beliebig gewählt werden kann Der Zusammenhang zwischen Drehzahl n_mech und elektrischer Winkelgeschwindigkeit ω_el ist gegeben durch: $${\omega }_{el}=n_{mech}\ast \frac{1}{60}\ast p\ast 2\pi$$

  
• Auch hier sind die einzelnen Kurven deutlich voneinander zu unterscheiden, so dass somit von der im Umrichter 20 vorgesehenen Spannungsgröße u_q auf die Magnettemperatur T zurückgerechnet werden kann.
• Eine Randbedingung ist der maximale Hub der zur Verfügung stehenden Stellgröße $u_s=\sqrt{u_d^2+u_q^2}.$

  

  4 zeigt die Spannung u_d in Abhängigkeit von der Drehzahl w_el bei einer Magnettemperatur T von - 20 C°, + 40 C°, + 100 C° und + 180 C°, aber unter der Randbedingung i_d = i_q = 0 A. Der schraffierte Bereich kann jedoch nicht erreicht werden, da die zur Verfügung stehende Gleichspannung einer Batterie zur Versorgung der Synchronmaschine 10 nicht ausreicht. Denkbar ist aber auch, den Teststrom abhängig von der Drehzahl zu variieren, um möglichst wenig Strom zur Verfügung stellen zu müssen.
• Ein beispielhafter Verfahrensablauf zur Ermittlung der Magnettemperatur T ist in 5 skizziert. Das erfindungsgemäße Verfahren startet, wenn der Fahrer von einem Bremspedal auf ein Fahrpedal wechselt. Durch diesen Wechsel wird angezeigt, dass die Synchronmaschine 10 von einem Leerlaufbetrieb in einen Lastbetrieb wechselt. Es wird nun während eines Zeitintervalls t ein Teststrom i_d angelegt, um die Magnettemperatur T zu ermitteln. Hierzu werden nur wenige Millisekunden im Bereich von 1 bis 20 ms benötigt, so dass das Fahrverhalten hierdurch nicht beeinflusst wird und der Fahrer keine Kenntnis von dem Vorgang nimmt.
• 6a zeigt den zeitlichen Verlauf der Spannungen u_d und u_q bei einem Teststrom von i_d = -400 A zur Ermittlung der Magnettemperatur T. 6b zeigt den zeitlichen Verlauf von i_d und i_q bei einem Teststrom i_d = -400 A zur Ermittlung der Magnettemperatur T. Die ermittelte Spannung u_q während eines Zeitraums von t₁ = 0,02 sec bis t₂ = 0,03 sec genügt, um die Magnettemperatur T gemäß des in 3 dargestellten Zusammenhangs zu ermitteln.
• 7 stellt schematisch ein Computerprogrammprodukt 200 dar, das einen ausführbaren Programmcode 250 umfasst, der konfiguriert ist, um das Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung auszuführen, wenn es ausgeführt wird.
• Das beschriebene erfindungsgemäße Verfahren ist nicht nur für Fahrzeuge anwendbar, sondern bei allen drehmomentgeregelten Antrieben. Der in 5 dargestellte Start des Verfahrens mit dem Wechsel von dem Bremspedal auf das Fahrpedal ist nur eine beispielhafte Möglichkeit. Das erfindungsgemäße Verfahren kann daher in jeden bestehenden Umrichter mit einer Stromregelung in einem dq-Koordinatensystem integriert werden. Es kann ein periodischer oder auch ein bedarfsorientierter Aufruf des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem Leerlauf-Zustand (Null-Drehmoment-Regelung) zur Bestimmung der tatsächlichen Rotor- und Magnettemperatur T zum Vergleich mit Modellwerten von Temperaturmodellen durchgeführt werden.
• Das erfindungsgemäße Verfahren ist auch für Schienenfahrzeuge im Zugbetrieb nutzbar, sofern eine Zugkraftunterbrechung im Bereich von ≤ 10 ms in Kauf genommen werden kann, um die Rotor- und Magnettemperatur T zu bestimmen.
• In einer Weiterentwicklung kann auch vorgesehen sein, dass das erfindungsgemäße Verfahren nur für Ausnahmesituationen einsetzbar ist, um Eingriffe in die Fahrstabilität bei sicherheitskritischen Fahrzeugen oder Industrieanlagen zu vermeiden.
• Es kann aber auch vorgesehen sein, dass ein Antriebssteuergerät eines Fahrzeugs oder einer Industrieanlage derart angepasst wird, dass Testphasen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren in zyklischen oder antizyklischen Abständen durchgeführt werden.
• In einem Fahrzeug mit mehr als einem Antriebsaggregat kann ein übergeordneter Koordinator das geforderte Antriebsmoment auf die jeweiligen Antriebsaggregate verteilen und das erfindungsgemäße Verfahren für das Antriebsaggregat nutzen, das sich gerade in einem Leerlaufzustand befindet.
• Mit dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung kann zuverlässig die Magnettemperatur T durch einen Teststrom i_d bestimmt werden, wobei der Teststrom i_d der Synchronmaschine 10 während eines kurzen Zeitintervalls t dann zugeführt wird, wenn keine Drehmomentanforderung an den elektrischen Antrieb besteht und der Leerlaufstrom auf den Nullwert geregelt ist, um den Spannungsabfall u_q zu ermitteln. Somit ist sichergestellt, dass keine Übererwärmung der Dauermagneten der Synchronmaschine 10 auftritt.
• 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
• DE 10254295 A1 [0005]
• US 2010276929 A1 [0006]
• DE 102005062588 A1 [0007]
• DE 102014016452 A1 [0008]
• DE 102013201468 A1 [0009]

Claims (14)

1. Verfahren zur Bestimmung der Magnettemperatur (T) bei einer permanenterregten Synchronmaschine (10), die einen Stator und einen Rotor mit einem Magnetsystem umfasst, wobei ein Umrichter (20), ein Prozessor (30) und eine Sensorik (40) mit der Synchronmaschine (10) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teststrom (i_d) in einer d-Achse während eines Zeitintervalls (t) der Synchronmaschine (10) dann zugeführt wird, wenn keine Drehmomentanforderung an die Synchronmaschine (10) gestellt und ein momentenbildender Strom (i_q) auf den Nullwert geregelt wird, und die Magnettemperatur (T) auf der Grundlage der gemessenen Spannung (u_q) in einer q-Achse während des Zeitintervalls (t) ermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Spannung in der q-Achse (u_q) gemäß der folgenden Formel darstellbar ist: $$u_q={\omega }_{el}\ast \left({\Psi }_d+{\Psi }_{PM}\right)={\omega }_{el}\ast {\Psi }_{d,ges}$$

   

   mit ω_el = Winkelgeschwindigkeit Ψ_PM = Permanentmagnetfluss Ψ_d = Magnetfluss aufgrund des Teststroms (i_d) in der d-Achse, Ψ_d,ges = Gesamtmagnetfluss in der d-Achse, wobei der Gesamtmagnetfluss (Ψ_d,ges) in der d-Achse von der Magnettemperatur (T) wie folgt abhängig ist: $${\Psi }_{g,ges}=\frac{u_q}{{\omega }_{el}}\sim T_{Magnet}$$

   
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Spannung in der q-Achse (u_q) gemäß der folgenden Formel darstellbar ist: $$u_q={\omega }_{el}\ast \left(L_{s,d}{i}_d+{\Psi }_{PM}\right)$$

   

   mit L_s,d = Sekanteninduktivität in der d-Achse
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Teststrom (i_d) ein negatives oder positives Vorzeichen aufweist.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Magnettemperatur (T) im Bereich von -50 °C bis +350 °C liegt.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Zeitintervall (t) zumindest 1 ms beträgt.
7. System (100) zur Bestimmung der Magnettemperatur (T) bei einer permanenterregten Synchronmaschine (10), die einen Stator und einen Rotor mit einem Magnetsystem umfasst, wobei ein Umrichter (20) und ein Prozessor (30) und eine Sensorik (40) mit der Synchronmaschine (10) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessor (30) und der Umrichter (20) ausgebildet sind, einen Teststrom (i_d) in einer d-Achse während eines Zeitintervalls (t) der Synchronmaschine (10) dann zuzuführen, wenn keine Drehmomentanforderung an die Synchronmaschine (10) gestellt und ein momentenbildender Strom (i_q) auf den Nullwert geregelt wird, und die Magnettemperatur (T) auf der Grundlage der gemessenen Spannung (u_q) in einer q-Achse während des Zeitintervalls (t) zu ermitteln.
8. System (100) nach Anspruch 7, wobei die Spannung (u_q) in der q-Achse gemäß der folgenden Formel darstellbar ist: $$u_q={\omega }_{el}\ast \left({\Psi }_d+{\Psi }_{PM}\right)={\omega }_{el}\ast {\Psi }_{d,ges}$$

   

   mit ω_el = Winkelgeschwindigkeit Ψ_PM = Permanentmagnetfluss Ψ_d = Magnetfluss aufgrund des Teststroms (i_d) in der d-Achse, Ψ_d,ges = Gesamtmagnetfluss in der d-Achse, wobei der Gesamtfluss (Ψ_d,ges) in der d-Achse von der Magnettemperatur (T) wie folgt abhängt ist: $${\Psi }_{d,ges}=\frac{u_q}{{\omega }_{el}}\sim T_{Magnet}$$

   
9. System (100) nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Spannung (u_q) in der q-Achse gemäß der folgenden Formel darstellbar ist: $${\mu }_q={\omega }_{el}\ast \left(L_{s,d}{i}_d+{\Psi }_{PM}\right)$$

   

   mit L_s,d = Sekanteninduktivität in der d-Achse
10. System (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche 7-9, wobei der Teststrom (i_d) ein negatives oder positives Vorzeichen aufweist.
11. System (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche 7-10, wobei die Magnettemperatur (T) im Bereich von -50 °C bis +350 °C liegt.
12. System (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche 7-11, wobei das Zeitintervall (t) zumindest 1 ms beträgt.
13. Kraftfahrzeug mit einer permanenterregten Synchronmaschine (10), wobei zur Bestimmung einer Magnettemperatur (T) des Magnetsystems der Synchronmaschine (10) das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 verwendet wird.
14. Computerprogrammprodukt (200), umfassend einen ausführbaren Programmcode (250), der so konfiguriert ist, dass er bei seiner Ausführung das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ausführt.

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