DE102020216148A1 - Method for calibrating a device for determining the temperature of a rotor of an electrical machine - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kalibrieren einer Einrichtung (4) zur Ermittlung einer Temperatur eines Rotors (3) einer elektrische Maschine (1), wobei die Einrichtung (4) umfasst: einen bezüglich des Rotors (3) fest angeordneten Primärkreis (5), der eine Messvorrichtung (6) zum Erfassen eines elektrischen Primärstroms Iprimärim Primärkreis (5) oder zum Erfassen einer den Primärstrom Iprimärcharakterisierenden Größe, mindestens eine Primärspule (8) sowie insbesondere einen Kondensator (13) zur Erzeugung eines Schwingkreises im Primärkreis (5) aufweist, und einen am Rotor (3) ausgebildeten Sekundärkreis (10), der mindestens eine Sekundärspule (9), die zur induktiven Kopplung mit der mindestens einen Primärspule (8) angeordnet ist, und mindestens eine temperaturabhängige elektrische Last (11), insbesondere einen temperaturabhängigen elektrischen Widerstand, aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kalibrierung der Einrichtung (4) derart durchgeführt wird, dass verschiedene Signalspannungen mit jeweils einer unterschiedlichen Frequenz in den Primärkreis (5) eingespeist werden, und dass Bauteilparameter des Primärkreises (5) und Sekundärkreises (10) anhand der jeweiligen Frequenz der eingespeisten Signalspannungen und der bei den jeweiligen Signalspannungen bestimmten Beträge der Primärströme Iprimärund/oder Phasenverschiebungen der Primärströme Iprimärermittelt werden.The present invention relates to a method for calibrating a device (4) for determining a temperature of a rotor (3) of an electrical machine (1), the device (4) comprising: a primary circuit (5) which is fixed with respect to the rotor (3) which has a measuring device (6) for detecting an electrical primary current I primary in the primary circuit (5) or for detecting a variable characterizing the primary current I primary, at least one primary coil (8) and in particular a capacitor (13) for generating an oscillating circuit in the primary circuit (5), and a secondary circuit (10) formed on the rotor (3), which has at least one secondary coil (9) arranged for inductive coupling to the at least one primary coil (8), and at least one temperature-dependent electrical load (11), in particular a temperature-dependent electrical load Resistor having, characterized in that the device (4) is calibrated in such a way that ve Different signal voltages, each with a different frequency, are fed into the primary circuit (5), and that component parameters of the primary circuit (5) and secondary circuit (10) are determined based on the respective frequency of the signal voltages fed in and the amounts of the primary currents Iprimary and/or phase shifts determined for the respective signal voltages of the primary currents Iprimary can be determined.
Description
Stand der TechnikState of the art
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kalibrieren einer Einrichtung einer elektrischen Maschine, wobei die Einrichtung zur Temperaturermittlung eines Rotors der elektrischen Maschine vorgesehen ist. Die Übertragung eines die Temperatur repräsentierenden Signals zwischen einer Statorseite und einer Rotorseite der elektrischen Maschine erfolgt dabei kontaktlos.The present invention relates to a method for calibrating a device of an electrical machine, the device for determining the temperature of a rotor of the electrical machine being provided. The transmission of a signal representing the temperature between a stator side and a rotor side of the electrical machine takes place without contact.
Aus dem Stand der Technik sind elektrische Maschinen bekannt. Diese werden für unterschiedliche Anwendungszwecke verwendet, beispielsweise als Antrieb von Fahrzeugen. Die elektrische Maschine erwärmt sich im Betrieb aufgrund von Verlustleistungen, so dass eine Temperatur insbesondere des Rotors der elektrischen Maschine ansteigt. Ist die elektrische Maschine permanenterregt und weist somit insbesondere im Rotor Permanentmagneten auf, so ist es notwendig, eine Rotortemperatur zu erfassen. Steigt diese Rotortemperatur über eine Grenztemperatur an, so besteht die Gefahr einer Entmagnetisierung der Permanentmagnete, was zu einem irreparablen Schaden an der elektrischen Maschine führen kann.Electrical machines are known from the prior art. These are used for different applications, for example as a drive for vehicles. The electrical machine heats up during operation due to power losses, so that the temperature of the rotor of the electrical machine in particular increases. If the electrical machine is permanently excited and thus has permanent magnets in particular in the rotor, then it is necessary to record a rotor temperature. If this rotor temperature rises above a limit temperature, there is a risk of the permanent magnets becoming demagnetized, which can lead to irreparable damage to the electrical machine.
Es sind verschiedene Einrichtungen zur Ermittlung der Rotortemperatur bekannt. Diese Einrichtungen verwenden beispielsweise ein Temperaturmodell, um eine maximale Temperatur im Rotor abschätzen zu können. Um Messungenauigkeiten oder Toleranzen im Temperaturmodell auszugleichen, ist die maximal zugelassene Rotortemperatur niedriger als die Grenztemperatur, um eine Entmagnetisierung zuverlässig zu vermeiden. Erreicht der Rotor die maximal zugelassene Grenztemperatur, erfolgt eine Verringerung der Ausgangsleistung der elektrischen Maschine und somit auch eine Verringerung der Verluste, wodurch ein weiterer Temperaturanstieg vermeidbar ist.Various devices for determining the rotor temperature are known. These devices use a temperature model, for example, in order to be able to estimate a maximum temperature in the rotor. In order to compensate for measurement inaccuracies or tolerances in the temperature model, the maximum permissible rotor temperature is lower than the limit temperature in order to reliably avoid demagnetization. If the rotor reaches the maximum permitted limit temperature, the output power of the electrical machine is reduced and thus the losses are also reduced, as a result of which a further rise in temperature can be avoided.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht ein zuverlässiges und genaues Kalibrieren einer Einrichtung zur Ermittlung einer Temperatur eines Rotors einer elektrischen Maschine. Durch eine genaue Kalibrierung der Einrichtung ist es ermöglicht, die Messgenauigkeit der Einrichtung zu erhöhen und damit die maximal zugelassene Rotortemperatur näher an die Grenztemperatur zu bringen, so dass eine frühe Leistungsbegrenzung der elektrischen Maschine vermieden werden kann. Bei der Kalibrierung werden toleranzbehaftete Bauteilparameter von Komponenten der Einrichtung zuverlässig ermittelt.The method according to the invention enables a device for determining a temperature of a rotor of an electrical machine to be calibrated reliably and precisely. Accurate calibration of the device makes it possible to increase the measuring accuracy of the device and thus to bring the maximum permissible rotor temperature closer to the limit temperature, so that an early power limitation of the electrical machine can be avoided. During calibration, component parameters of the device that are subject to tolerances are reliably determined.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Kalibrieren einer Einrichtung zur Ermittlung einer Temperatur eines Rotors einer elektrischen Maschine. Die zu kalibrierende Einrichtung umfasst einen Primärkreis und einen Sekundärkreis. Der Primärkreis ist bezüglich der elektrischen Maschine statorfest angeordnet. Dies bedeutet insbesondere, dass der Primärkreis am Stator der elektrischen Maschine oder an einem Gehäuse, das den Stator aufnimmt, befestigt ist. Der Sekundärkreis ist am Rotor ausgebildet, insbesondere an einem Rotorkörper befestigt.The method according to the invention serves to calibrate a device for determining a temperature of a rotor of an electrical machine. The device to be calibrated comprises a primary circuit and a secondary circuit. The primary circuit is arranged in a stator-fixed manner with respect to the electrical machine. This means in particular that the primary circuit is attached to the stator of the electrical machine or to a housing that accommodates the stator. The secondary circuit is formed on the rotor, in particular attached to a rotor body.
Der Primärkreis ist am Rotor ausgebildet, insbesondere an einem Rotorkörper befestigt.The primary circuit is formed on the rotor, in particular attached to a rotor body.
Der Primärkreis weist eine Messvorrichtung zum Erfassen eines elektrischen Primärstroms Iprimär im Primärkreis auf. Die Messvorrichtung kann alternativ zum Erfassen einer den Primärstrom Iprimär charakterisierenden Größe ausgebildet sein. Eine solche charakterisierende Größe ist beispielsweise eine elektrische Spannung, die an einem bekannten elektrischen Widerstand im Primärkreis abfällt. Der Primärkreis kann einen Primäreingang zum Einspeisen einer Signalspannung in den Primärkreis aufweisen. Bei der Signalspannung handelt es sich insbesondere um eine elektrische Wechselspannung, die bevorzugt sinusförmig, dreieckförmig, sägezahnförmig oder rechteckförmig ist. Weiterhin weist der Primärkreis mindestens eine Primärspule sowie insbesondere einen Kondensator auf. Der Kondensator dient insbesondere zur Erzeugung eines Schwingkreises im Primärkreis. Über den Kondensator lassen sich besonders vorteilhaft eine Phase einstellen und eine Phasenempfindlichkeit der Einrichtung gegenüber der Temperatur des Rotors in einem festgelegten Arbeitspunkt maximieren.The primary circuit has a measuring device for detecting an electrical primary current I primary in the primary circuit. Alternatively, the measuring device can be designed to detect a variable that primarily characterizes the primary current I. Such a characterizing variable is, for example, an electrical voltage that drops across a known electrical resistance in the primary circuit. The primary circuit can have a primary input for feeding a signal voltage into the primary circuit. The signal voltage is in particular an electrical alternating voltage, which is preferably sinusoidal, triangular, sawtooth-shaped or square-wave. Furthermore, the primary circuit has at least one primary coil and, in particular, a capacitor. The capacitor serves in particular to generate an oscillating circuit in the primary circuit. A phase can be set particularly advantageously via the capacitor and a phase sensitivity of the device to the temperature of the rotor can be maximized at a fixed operating point.
Im Sekundärkreis ist eine Sekundärspule vorgesehen, die mit der Primärspule induktiv koppelbar ist. Somit ist eine induktive Kopplung zwischen Primärkreis und Sekundärkreis ermöglicht, wobei besagte induktive Kopplung über die Primärspule und die Sekundärspule erfolgt. Bei der Primärspule und/oder der Sekundärspule handelt es sich insbesondere um elektrische Wicklungen. Weiterhin weist der Sekundärkreis mindestens eine temperaturabhängige elektrische Last auf, wobei die temperaturabhängige elektrische Last insbesondere ein temperaturabhängiger elektrischer Widerstand ist.A secondary coil is provided in the secondary circuit and can be inductively coupled to the primary coil. This enables inductive coupling between the primary circuit and the secondary circuit, said inductive coupling taking place via the primary coil and the secondary coil. The primary coil and/or the secondary coil are, in particular, electrical windings. Furthermore, the secondary circuit has at least one temperature-dependent electrical load, the temperature-dependent electrical load being in particular a temperature-dependent electrical resistance.
Durch die statorfeste Anordnung des Primärkreises und die rotorfeste Anordnung des Sekundärkreises ist somit eine Relativbewegung zwischen Primärkreis und Sekundärkreis ermöglicht. Es ist vorgesehen, dass eine induktive Kopplung zwischen Primärspule und Sekundärspule zumindest ein Mal pro Umdrehung des Rotors erfolgt. Dies bedeutet, dass sich die Primärspule und die Sekundärspule vorteilhafterweise nicht über den gesamten Umfang des Rotors erstrecken, sondern in Umfangsrichtung lediglich über einen Teilbereich von 360° ausgebildet sind. Somit lässt sich neben der Temperatur auch eine Drehzahl des Rotors erfassen, indem die Anzahl von erfolgten induktiven Kopplungen pro Zeiteinheit ermittelt wird.The arrangement of the primary circuit fixed to the stator and the arrangement of the secondary circuit fixed to the rotor thus enable a relative movement between the primary circuit and the secondary circuit. Provision is made for an inductive coupling between the primary coil and the secondary coil to take place at least once per revolution of the rotor. This means that the primary coil and the secondary coil advantageously do not extend over the entire circumference of the rotor, but are formed in the circumferential direction only over a partial area of 360°. Thus, in addition to the temperature, a rotational speed of the rotor can also be detected by determining the number of inductive couplings that have taken place per unit of time.
Wird bei einer solchen Einrichtung eine Signalspannung in den Primärkreis eingespeist, so stellt sich im Primärkreis ein elektrischer Strom IPrimär ein, der abhängig von dem elektrischen Widerstand der temperaturabhängigen elektrischen Last ist. Aus dem Primärstrom IPrimär lässt sich somit eine Temperatur des Rotors ableiten. Dabei ist sowohl die Phase des Primärstroms Iprimär als auch die Amplitude des Primärstroms IPrimär sensitiv gegenüber Temperaturveränderungen und damit Veränderungen der temperaturabhängigen elektrischen Last. Es kann somit sowohl aus der Phase des Primärstroms als auch aus der Amplitude des Primärstroms eine Temperatur des Rotors abgeleitet werden, wobei auch eine gegenseitige Plausibilisierung der Messergebnisse möglich ist, wenn die Temperatur unabhängig voneinander aus der Phase und der Amplitude des Primärstroms IPrimär ermittelt wird.If a signal voltage is fed into the primary circuit in such a device, then an electrical current I primary is established in the primary circuit, which is dependent on the electrical resistance of the temperature-dependent electrical load. A temperature of the rotor can thus be derived from the primary current I primary . Both the phase of the primary current I primary and the amplitude of the primary current I primary are sensitive to temperature changes and thus changes in the temperature-dependent electrical load. A temperature of the rotor can thus be derived both from the phase of the primary current and from the amplitude of the primary current, with a mutual plausibility check of the measurement results being possible if the temperature is determined independently of one another from the phase and the amplitude of the primary current I primary .
Das Einspeisen der Signalspannungen in den Primärkreis wird beispielsweise erreicht, indem ein Steuergerät einen Signalgenerator entsprechend ansteuert.The signal voltages are fed into the primary circuit, for example, by a control device correspondingly controlling a signal generator.
Eine Kalibrierung der Einrichtung wird bevorzugt derart durchgeführt, dass verschiedene Signalspannungen mit jeweils einer unterschiedlichen Frequenz in den Primärkreis eingespeist werden. Das Einspeisen der Signalspannungen in den Primärkreis erfolgt beispielsweise über einen Primäreingang. Außerdem werden Bauteilparameter des Primärkreises und des Sekundärkreises anhand der jeweiligen Frequenz der eingespeisten Signalspannungen und der bei den jeweiligen Signalspannungen bestimmten Beträge der Primärströme Iprimär und/oder Phasenverschiebungen der Primärströme Iprimär ermittelt. Durch die unterschiedlichen Frequenzen der eingespeisten Signalspannungen ergeben sich unterschiedliche Systemzustände, die sich aufgrund der Bauteilparameter der im Primärkreis und im Sekundärkreis verwendeten Komponenten unterscheiden. Bei diesen Bauteilparametern handelt es sich um toleranzbehaftete, insbesondere elektrische, Bauteilparameter, deren Werte vom Hersteller der Komponenten nur mit einer Toleranz bekannt sind. Beispiele für die Bauteilparameter der Komponenten des Primärkreises und des Sekundärkreises sind die Induktivität der Primärspule, die Induktivität der Sekundärspule, den elektrischen Leitungswiderstand der Sekundärspule, den elektrischen Leitungswiderstand der Primärspule, den elektrischen Leitungswiderstand der Messeinrichtung, die Kapazität des Kondensators und den Kopplungsfaktor zwischen Primärspule und Sekundärspule. Da gleichzeitig aber alle diese Systemzustände stets zur selben Rotortemperatur führen müssen, lassen sich aus den unterschiedlichen ermittelten Primärströmen Iprimär und den zugehörigen Signalspannungen die entsprechenden Bauteilparameter ermitteln. Somit ist eine Kalibrierung der Einrichtung zuverlässig und bevorzugt auch schnell ermöglicht. Die Einrichtung kann somit im weiteren Betrieb die Temperatur des Rotors genau erfassen, wodurch ein Sicherheitsabstand zwischen maximal zugelassener Rotortemperatur und Grenztemperatur, bei der Entmagnetisierung eintritt, verringert werden kann. Damit lässt sich eine höhere Leistung über einen längeren Zeitraum aus der elektrischen Maschine abrufen.The device is preferably calibrated in such a way that different signal voltages, each with a different frequency, are fed into the primary circuit. The signal voltages are fed into the primary circuit, for example, via a primary input. In addition, component parameters of the primary circuit and the secondary circuit are determined using the respective frequency of the signal voltages fed in and the absolute values of the primary currents I primary and/or phase shifts of the primary currents I primary determined for the respective signal voltages. The different frequencies of the signal voltages fed in result in different system states, which differ due to the component parameters of the components used in the primary circuit and in the secondary circuit. These component parameters are component parameters that are subject to tolerances, in particular electrical component parameters, the values of which are only known with a tolerance by the manufacturer of the components. Examples of the component parameters of the components of the primary circuit and the secondary circuit are the inductance of the primary coil, the inductance of the secondary coil, the electrical line resistance of the secondary coil, the electrical line resistance of the primary coil, the electrical line resistance of the measuring device, the capacitance of the capacitor and the coupling factor between the primary coil and secondary coil. However, since all of these system states must always lead to the same rotor temperature, the corresponding component parameters can be determined from the different determined primary currents I primary and the associated signal voltages. A calibration of the device is thus made possible reliably and preferably also quickly. The device can thus precisely detect the temperature of the rotor during further operation, as a result of which a safety margin between the maximum permitted rotor temperature and the limit temperature at which demagnetization occurs can be reduced. This means that higher power can be called up from the electric machine over a longer period of time.
Die Unteransprüche haben bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.The dependent claims relate to preferred developments of the invention.
Vorteilhafterweise werden die ermittelten Bauteilparameter in einem elektronischen Speicher abgespeichert. Nachfolgend wird die Temperatur des Rotors auf Basis der aktualisierten Bauteilparameter berechnet. Somit ist eine zuverlässige Temperaturermittlung möglich, wobei hierzu jederzeit Zugriff auf die aktualisierten Bauteilparameter besteht. Die Bauteilparameter können entweder erstmalig im Speicher abgelegt werden oder es können bereits abgelegte Bauteilparameter aktualisiert werden. Die Kalibrierung kann daher zu einem beliebigen Zeitpunkt durchgeführt werden. Bei der Temperaturermittlung ist stets sichergestellt, dass die jeweils aktuellen Bauteilparameter stets im Speicher vorliegen.The determined component parameters are advantageously stored in an electronic memory. The temperature of the rotor is then calculated based on the updated component parameters. Reliable temperature determination is thus possible, with access to the updated component parameters at all times. The component parameters can either be stored in the memory for the first time or component parameters that have already been stored can be updated. The calibration can therefore be carried out at any time. When determining the temperature, it is always ensured that the current component parameters are always available in the memory.
Der elektronische Speicher kann beispielsweise mit einem Steuergerät zur Steuerung der Einrichtung gekoppelt sein. In dem Speicher kann ein Temperaturmodell hinterlegt sein, dass basierend auf den Bauteilparametern einen Betrag und/oder einer Phasenverschiebung des Primärstroms Iprimär einen Temperaturwert zuweist. Bei diesem Temperaturmodell handelt es sich insbesondere um zumindest eine Formel und/oder Tabelle und/oder Matrix und/oder um zumindest ein Kennfeld und/oder Kennlinie. Dieses Temperaturmodell lässt sich mit dem zuvor beschriebenen Verfahren kalibrieren. Dazu werden die zur Kalibrierung ermittelten Bauteilwerte zur Erstellung oder Aktualisierung des Temperaturmodells in dem Speicher abgelegt.The electronic memory can, for example, be coupled to a control device for controlling the device. A temperature model can be stored in the memory which, based on the component parameters, assigns an amount and/or a phase shift of the primary current I primarily to a temperature value. This temperature model is in particular at least one formula and/or table and/or matrix and/or at least one characteristic diagram and/or characteristic curve. This temperature model can be calibrated using the method described above. For this purpose, the component values determined for the calibration are stored in the memory for creating or updating the temperature model.
Besonders vorteilhaft erfolgt zur Kalibrierung ein Aufstellen eines Gleichungssystems, wobei die Anzahl der zu ermittelnden Bauteilparameter die Anzahl an notwendigen Gleichungen vorgibt. Es werden somit so viele unterschiedliche Signalspannungen eingespeist, wie Gleichungen benötigt werden. Durch die Vielzahl von unterschiedlichen Signalspannungen und der daraus resultierenden Vielzahl von Signalfrequenzen lässt sich somit die minimal benötigte Anzahl von Gleichungen aufstellen. Durch das Aufstellen von mehr Gleichungen als minimal benötigt ist eine verbesserte Kalibrierung möglich.A system of equations is set up particularly advantageously for the calibration, with the number of component parameters to be determined specifying the number of necessary equations. Thus, as many different signal voltages are fed in as equations are required. Due to the large number of different signal voltages and the resulting large number of signal frequencies, the minimum required number of equations can thus be set up. By setting up more equations than the minimum needed, improved calibration is possible.
Die Einrichtung ist vorteilhafterweise eingerichtet, bei einer Einspeisung der Signalspannung in den Primärkreis durch eine induktive Kopplung zwischen dem Primärkreis und dem Sekundärkreis eine Signalspannung in dem Sekundärkreis zu induzieren. Die induktive Kopplung zwischen Primärkreis und Sekundärkreis erfolgt dabei durch die Primärspule und die Sekundärspule. Durch die im Sekundärkreis induzierte Sekundärspannung fließt ein Sekundärstrom Isekundär im Sekundärkreis, der abhängig von der temperaturabhängigen Last im Sekundärkreis ist. Infolge des Sekundärstroms Isekundär wiederum wird ein Primärstrom Iprimär im Primärkreis bewirkt. Dieser Primärstrom Iprimär ist somit abhängig vom Sekundärstrom Isekundär, wodurch auch der Primärstrom Iprimär rotortemperaturabhängig ist. Die Einrichtung ist weiter bevorzugt ausgebildet, den Primärstrom mittels der zuvor beschriebenen Messvorrichtung zu erfassen. Die Einrichtung ist somit eingerichtet, aus einem Betrag des Primärstroms und/oder aus einer Phasenverschiebung des Primärstroms, wobei besagte Phasenverschiebung zwischen der Signalspannung und dem Primärstrom ermittelt wird, die Temperatur des Rotors anhand des in dem Speicher hinterlegten Temperaturmodells zu ermitteln. Auf diese Weise ist eine zuverlässige Temperaturerfassung des Rotors ermöglicht. Durch das kalibrierte Temperaturmodell ist dabei sichergestellt, dass korrekte Bauteilparameter verwendet werden. Damit ist die Temperaturermittlung von sehr hoher Güte, wodurch, wie zuvor beschrieben, hohe Rotortemperaturen zugelassen werden können, ohne dass die Gefahr einer unbeabsichtigten Entmagnetisierung von Permanentmagneten des Rotors erfolgt.The device is advantageously set up, when the signal voltage is fed into the primary circuit, to induce a signal voltage in the secondary circuit by means of an inductive coupling between the primary circuit and the secondary circuit. The inductive coupling between the primary circuit and the secondary circuit takes place through the primary coil and the secondary coil. Due to the secondary voltage induced in the secondary circuit, a secondary current I secondary flows in the secondary circuit, which is dependent on the temperature-dependent load in the secondary circuit. As a result of the secondary current I secondary , in turn, a primary current I primary is produced in the primary circuit. This primary current I primary is therefore dependent on the secondary current I secondary , as a result of which the primary current I primary is also dependent on the rotor temperature. The device is further preferably designed to detect the primary current by means of the measuring device described above. The device is thus set up to determine the temperature of the rotor using the temperature model stored in the memory from an amount of the primary current and/or from a phase shift of the primary current, said phase shift between the signal voltage and the primary current being determined. In this way, reliable temperature detection of the rotor is made possible. The calibrated temperature model ensures that the correct component parameters are used. The temperature determination is therefore of a very high quality, as a result of which, as described above, high rotor temperatures can be permitted without the risk of an unintentional demagnetization of the permanent magnets of the rotor.
Das Temperaturmodell ist besonders vorteilhaft eine Zuordnungsfunktion. Die Zuordnungsfunktion ordnet, basierend auf den Bauteilparametern und in Abhängigkeit der Frequenz der eingespeisten Signalspannung eine Phasenverschiebung und/oder einen Betrag des Primärstroms der Temperatur des Rotors zu. Die Zuordnungsfunktion ist somit bevorzugt vordefiniert und aus dem Messsystem, d.h., dem Primärkreis und dem Sekundärkreis, abgeleitet.The temperature model is particularly advantageously an allocation function. Based on the component parameters and as a function of the frequency of the signal voltage fed in, the assignment function assigns a phase shift and/or an amount of the primary current to the temperature of the rotor. The assignment function is thus preferably predefined and derived from the measuring system, i.e. the primary circuit and the secondary circuit.
Die Zuordnunsfunktion beinhaltet bevorzugt die folgende Gleichung:
Diese Gleichung beinhaltet die Phasenverschiebung φ, den elektrischen Widerstand Zges des Primärkreises und die Frequenz ω der eingespeisten Signalspannung. In der obigen Gleichung wird folgender Faktor α verwendet:
Mit folgenden festen Bauteilparametern:
- Lp: Induktivität der Primärspule,
- Ls: Induktivität der Sekundärspule,
- Rs: Leitungswiderstand der Sekundärspule,
- Rp: Leitungswiderstand der Primärspule,
- Rv: Leitungswiderstand der Messeinrichtung,
- C: Kapazität des Kondensators, und
- κ: Kopplungsfaktor zwischen Primärspule (8) und Sekundärspule und dem von der Temperatur des Rotors abhängigen Parameter:
- RNTC: Widerstand der temperaturabhängigen Last.
- L p : inductance of the primary coil,
- L s : inductance of the secondary coil,
- R s : line resistance of the secondary coil,
- R p : line resistance of the primary coil,
- R v : line resistance of the measuring device,
- C: Capacitance of the capacitor, and
- κ: Coupling factor between primary coil (8) and secondary coil and the parameter dependent on the temperature of the rotor:
- R NTC : Resistance of the temperature dependent load.
Die genannte Gleichung ermöglicht somit eine Zuordnung von gemessenem Phasenwinkel φ und dem Widerstand der temperaturabhängigen Last basierend auf den Bauteilparametern der einzelnen Komponenten der Einrichtung. Die Gleichung ermöglicht somit bei bekannter Signalspannung, die in den Primärkreis eingespeist wurde sowie bei bekanntem Primärstrom, der mittels der Messvorrichtung gemessen wurde, einen Zusammenhang mit der temperaturabhängigen Last RNTC herzustellen. Diese temperaturabhängige Last ist somit die einzige verbleibende Unbekannte in der Gleichung, die daher entsprechend ermittelt werden kann. Wird andererseits die Frequenz ω geändert, so lassen sich, bei entsprechender Anzahl von vorhandenen Gleichungen wie zuvor dargestellt, auch die übrigen Bauteilparameter ermitteln. Durch eine entsprechend große Anzahl von Gleichungen ist daher ermöglicht, die Bauteilparameter zuverlässig zu ermitteln und damit die Kalibrierung der Einrichtung durchzuführen.The equation mentioned thus enables the measured phase angle φ and the resistance of the temperature-dependent load to be assigned based on the component parameters of the individual components of the device. With a known signal voltage that was fed into the primary circuit and with a known primary current that was measured using the measuring device, the equation thus makes it possible to establish a connection with the temperature-dependent load R NTC . This temperature-dependent load is thus the only remaining unknown in the equation, which can therefore be determined accordingly. If, on the other hand, the frequency ω is changed, the other component parameters can also be determined, given a corresponding number of existing equations, as shown above. A correspondingly large number of equations therefore makes it possible to reliably determine the component parameters and thus to carry out the calibration of the device.
Vorteilhafterweise ist außerdem vorgesehen, dass der komplexe elektrische Widerstand des Primärkreises mittels einer Polynomfunktion angenähert wird. Hierzu werden Koeffizienten der Polynomfunktion anhand der unterschiedlichen eingespeisten Signalspannungen sowie der zugehörigen Beträge und/oder Phasenverschiebungen des Primärstroms ermittelt. Somit erfolgt insbesondere ein Aufstellen einer Vielzahl von Messpunkten, wobei jeder Messpunkt eine eingespeiste Signalspannung, insbesondere die Frequenz der eingespeisten Signalspannung, und den bei der jeweiligen Signalspannung bestimmten Betrag und/oder die bei der jeweiligen Signalspannung bestimmte Phasenverschiebung des Primärstroms aufweist. Alle diese Messpunkte können mittels einer Polynomfunktion beschrieben werden, wozu entsprechende Koeffizienten der Polynomfunktion identifiziert werden. Da besagte Koeffizienten die Bauteilparameter repräsentieren, lassen sich die Bauteilparameter aus dem Koeffizienten der Polynomfunktion ermitteln. Durch ein derartiges Verfahren wird insbesondere das Lösen eines aufwendigen Gleichungssystems vermieden. Provision is also advantageously made for the complex electrical resistance of the primary circuit to be approximated using a polynomial function. For this purpose, coefficients of the polynomial function are determined using the different signal voltages fed in and the associated absolute values and/or phase shifts of the primary current. Thus, in particular, a large number of measuring points are set up, with each measuring point a signal voltage fed in, in particular the frequency of the signal voltage fed in, and the amount determined for the respective signal voltage and/or the phase shift determined for the respective signal voltage of the primary current. All of these measurement points can be described using a polynomial function, for which purpose corresponding coefficients of the polynomial function are identified. Since said coefficients represent the component parameters, the component parameters can be determined from the coefficients of the polynomial function. Such a method avoids in particular the solving of a complex system of equations.
Vielmehr lässt sich die Vielzahl der Messpunkte, insbesondere numerisch, durch die Polynomfunktion annähern, wodurch ein Rechenaufwand verringert ist. Ist die Polynomfunktion bekannt, so lassen sich die Bauteilparameter hieraus unmittelbar ableiten. Somit ist ein rasches und zuverlässiges Ermitteln der Bauteilparameter ermöglicht, wodurch die Kalibrierung der Einrichtung einfach und aufwandsarm durchgeführt werden kann.Rather, the multiplicity of measuring points can be approximated, in particular numerically, by the polynomial function, which reduces the amount of computation involved. If the polynomial function is known, the component parameters can be derived directly from it. This enables the component parameters to be determined quickly and reliably, as a result of which the device can be calibrated easily and with little effort.
Die Koeffizienten der Polynomfunktion werden besonders vorteilhaft durch die Methode der kleinsten Quadrate ermittelt. Somit erfolgt eine zuverlässige und insbesondere im Vergleich zum Lösen von komplexen Gleichungssystemen rechenarme Ermittlung der Koeffizienten. Zusätzlich kann die Koeffizientenermittlung rasch durchgeführt werden.The coefficients of the polynomial function are particularly advantageously determined using the least squares method. Thus, the coefficients are determined reliably and, in particular, with little computation in comparison to the solving of complex systems of equations. In addition, the coefficient determination can be performed quickly.
In einer Alternative wird lediglich auf den Imaginärteil des komplexen elektrischen Widerstands abgestellt, so dass insbesondere die Phase und der Betrag des elektrischen Primärstroms Iprimär verwendet werden. Hierzu hat die Polynomfunktion den folgenden Aufbau:
Dabei stellt Im{Z(ω)} den Imaginärteil des komplexen elektrischen Widerstands des Primärkreises dar, wobei ω die Frequenz der eingespeisten Signalspannung ist. Somit ist wiederum das Messsystem modelliert. Durch das ohmsche Gesetz der Wechselstromtechnik stehen die in dem Primärkreis eingespeiste Signalspannung, der im Primärkreis fließende elektrische Strom Iprimär und der komplexe Widerstand des Primärkreises in einem festen Verhältnis zueinander. Durch die zuvor beschriebenen Messpunkte von eingespeister Signalspannung und zugehöriger Phasenverschiebung des Primärstroms Iprimär lassen sich somit die Koeffizienten a, b und c der obigen Formel ermitteln. Sind diese Koeffizienten ermittelt worden, insbesondere wie zuvor beschrieben durch die Methode der kleinsten Quadrate, so lässt sich aus besagten Koeffizienten die Größe der jeweiligen Bauteilparameter ableiten. Die Koeffizienten a, b und c stehen in nachfolgendem Zusammenhang zu den Bauteilparametern:
Mit folgenden festen Bauteilparametern:
- Lp: Induktivität der Primärspule (8),
- Ls: Induktivität der Sekundärspule (9),
- C: Kapazität des Kondensators (13), und
- κ: Kopplungsfaktor zwischen Primärspule (8) und Sekundärspule (9), und dem von der Temperatur des Rotors (2) abhängigen Parameter:
- RNTC: Widerstand der temperaturabhängigen Last (11).
- L p : inductance of the primary coil (8),
- L s : inductance of the secondary coil (9),
- C: capacitance of the capacitor (13), and
- κ: Coupling factor between the primary coil (8) and secondary coil (9), and the parameter dependent on the temperature of the rotor (2):
- R NTC : Resistance of the temperature dependent load (11).
Die Bauteilparameter lassen sich somit ohne das Lösen eines komplexen Gleichungssystems ermitteln. Damit ist eine zuverlässige und aufwandsarme Ermittlung der Bauteilparameter ermöglicht, wodurch die Kalibrierung vereinfacht ist.The component parameters can thus be determined without solving a complex system of equations. This enables the component parameters to be determined reliably and with little effort, which simplifies the calibration.
In einer anderen Alternative, die insbesondere mit der zuvor beschriebenen Alternative kombinierbar ist, wird auf den Realteil des komplexen elektrischen Widerstands des Primärkreises abgestellt. Somit ist die Amplitude bzw. der Betrag des Primärstroms ausschlaggebend. In diesem Fall wird folgende Gleichung als Polynomfunktion verwendet, wobei ω die Frequenz der eingespeisten Signalspannung und Re{Z(ω)} der Realteil des komplexen elektrischen Widerstands des Primärkreises ist:
Mit folgenden festen Bauteilparametern:
- Rp: Leitungswiderstand der Primärspule (8), und
- Rv: Leitungswiderstand der Messeinrichtung (6).
- R p : line resistance of the primary coil (8), and
- R v : line resistance of the measuring device (6).
Besonders vorteilhaft werden der zuvor beschriebene Imaginärteil und der Realteil des elektrischen Widerstands des Primärkreises zur Kalibrierung verwendet. Besonders bevorzugt erfolgt die Ermittlung der Bauteilparameter zunächst anhand des Imaginärteils des elektrischen Widerstands des Primärkreises, wobei der Realteil zur zusätzlichen Plausibilisierung und/oder Verbesserung der Bauteilparameter verwendet wird. Somit kann eine zuverlässige und genaue Kalibrierung durchgeführt werden.The imaginary part described above and the real part of the electrical resistance of the primary circuit are used particularly advantageously for the calibration. Particularly preferably, the component parameters are initially determined using the imaginary part of the electrical resistance of the primary circuit, with the real part being used for additional plausibility checking and/or improvement of the component parameters. Thus, a reliable and accurate calibration can be performed.
Die Einspeisung der verschiedenen Signalspannungen mit unterschiedlichen Frequenzen erfolgt besonders vorteilhaft bei gleichbleibender Temperatur des Rotors. Somit ist insbesondere die temperaturabhängige elektrische Last mit einem konstanten Widerstandswert anzusehen. Damit entfällt diese Größe als variabler Wert, wodurch die Bauteilparameter zuverlässig ermittelt werden können.The various signal voltages with different frequencies are fed in particularly advantageously with the temperature of the rotor remaining the same. Thus, in particular, the temperature-dependent electrical load is to be considered with a constant resistance value. As a result, this size is no longer a variable value, which means that the component parameters can be reliably determined.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorteilhafterweise durch ein Steuergerät gesteuert, wobei das Steuergerät in einer Leistungselektronik der elektrischen Maschine oder in einer separaten Elektronikeinheit der elektrischen Maschine realisiert sein kann. Auf diese Weise erfolgt die Kalibrierung der Einrichtung durch die Leistungselektronik oder durch die separate Elektronikeinheit.The method according to the invention is advantageously controlled by a control device, it being possible for the control device to be implemented in power electronics of the electrical machine or in a separate electronics unit of the electrical machine. In this way, the device is calibrated by the power electronics or by the separate electronics unit.
Die Kalibrierung wird besonders vorteilhaft während der Fertigung der elektrischen Maschine durchgeführt. Insbesondere erfolgt die Kalibrierung am Ende einer Fertigungslinie der elektrischen Maschine. Alternativ oder zusätzlich wird die Kalibrierung während eines Betriebs oder einer Betriebsbereitschaft der elektrischen Maschine durchgeführt. Unter Betriebsbereitschaft ist insbesondere ein Zustand zu verstehen, in dem die elektrische Maschine keine Leistung abgibt, aber insbesondere für eine Leistungsabgabe bereit ist. Somit ist neben einer initialen Kalibrierung auch eine fortlaufende Kalibrierung der elektrischen Maschine ermöglicht. Dies stellt eine fortwährend hohe Güte der ermittelten Temperatur des Rotors der elektrischen Maschine sicher.The calibration is carried out particularly advantageously during the manufacture of the electrical machine. In particular, the calibration takes place at the end of a production line for the electrical machine. Alternatively or additionally, the calibration is carried out while the electric machine is in operation or is ready for operation. Operational readiness is to be understood in particular as a state in which the electric machine does not deliver any power, but is in particular ready for a delivery of power. Thus, in addition to an initial calibration, a continuous calibration of the electrical machine is also made possible. This ensures a continuously high quality of the determined temperature of the rotor of the electrical machine.
Besonders vorteilhaft ist außerdem vorgesehen, dass die Kalibrierung innerhalb eines Zeitraums von max. einer Sekunde durchgeführt wird. Insbesondere liegt die für die Kalibrierung benötigte Zeit im Bereich weniger Millisekunden. Auf diese Weise ist insbesondere auch erreicht, dass die Temperatur des Rotors während der Kalibrierung konstant ist. Innerhalb der für die Kalibrierung verwendeten Zeit kann die Kalibrierung einer tolerierten Schwankung als konstant angesehen werden, insbesondere dann, wenn die elektrische Maschine in einem stationären Betrieb oder nicht in Betrieb ist.Provision is also particularly advantageously made for the calibration to be carried out within a maximum period of one second. In particular, the time required for the calibration is in the range of a few milliseconds. In this way it is also achieved in particular that the temperature of the rotor is constant during the calibration. Within the time used for the calibration, the calibration of a tolerated variation can be considered to be constant, especially when the electric machine is in steady-state operation or not in operation.
Figurenlistecharacter list
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
-
1 eine schematische Abbildung einer elektrischen Maschine mit einer Einrichtung, die mit einem Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kalibriert wird, -
2 ein schematisches Schaltbild der Einrichtung der elektrischen Maschine aus1 , und -
3 eine schematische Darstellung einer Polynomfunktion zur Kalibrierung der Einrichtung mit dem Verfahren gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
-
1 a schematic illustration of an electrical machine with a device that is calibrated with a method according to an embodiment of the invention, -
2 a schematic circuit diagram of the device of the electrical machine1 , and -
3 a schematic representation of a polynomial function for calibrating the device with the method according to the embodiment of the invention.
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
Die
Der Rotor 3 weist eine Rotorwelle 3A und einen auf der Rotorwelle 3A angeordneten Rotorkörper 3B auf. Die Rotorwelle 3A erstreckt sich entlang einer Rotationsachse 100, um die der Rotor 3 rotierbar ist. Der Rotorkörper 3B ist insbesondere ein Blechpaket mit einem eingesetzten Permanentmagneten (nicht dargestellt). Der Stator 2 ist bevorzugt in einem Gehäuse 2A angeordnet.The
Die Einrichtung 4 umfasst einen statorfesten Primärkreis 5, der somit an dem Stator 2 oder an dem 2A angebracht ist. Außerdem weist die Einrichtung 4 einen am Rotor 3 vorgesehenen Sekundärkreis 10 auf. Der Primärkreis 5 ist somit feststehend, wobei der Sekundärkreis 10 relativ zum Primärkreis 5 bewegbar ist. Insbesondere kann der Primärkreis 5 an dem Stator 2 oder an dem Gehäuse 2A formschlüssig und/oder kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig angebracht sein. Der Sekundärkreis 10 ist am Rotor 3 ausgebildet und ist fest, insbesondere drehfest, mit dem Rotor 3 verbunden. Beispielsweise ist der Sekundärkreis 10 an einer Stirnseite des Rotorkörpers 3B des Rotors 3 und/oder an der Rotorwelle 3A des Rotors 3 angeordnet oder befestigt. Insbesondere kann der Sekundärkreis 10 an dem Rotor 3 formschlüssig und/oder kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig angebracht sein.The device 4 comprises a
Der Primärkreis 5 weist mindestens eine Messvorrichtung 6 zum Erfassen eines elektrischen Primärstroms Iprimär im Primärkreis 5 auf. Darüber hinaus kann ein Primäreingang 7 vorgesehen sein, über den sich Signalspannungen in den Primärkreis 5 einspeisen lassen. Zum Erzeugen der in den Primärkreis 5 einzuspeisenden Signalspannung kann ein Signalgenerator 14 vorgesehen sein, der beispielsweise Teil des Primärkreises 5 ist. Alternativ kann der Primärkreis 5 eine externe Schnittstelle 15 zum Einspeisen einer Signalspannung in den Primärkreis 5 umfassen.The
Der Primärkreis 5 weist weiterhin mindestens eine Primärspule 8 und beispielsweise einen Kondensator 13 auf. Bei der Primärspule 8 kann es sich insbesondere um eine Wicklung handeln. Der Kondensator 13 ist zur Erzeugung eines Schwingkreises im Primärkreis 5 ausgebildet. Zwischen dem Primäreingang 7 und dem Kondensator 13 ist beispielsweise ein Vorwiderstand 16 angeordnet.The
Die Messvorrichtung 6 kann beispielsweise ein Voltmeter sein, das einen Spannungsabfall an dem Vorwiderstand 16 des Primärkreises 5 misst, so dass der Primärstrom Iprimär mittels des bekannten elektrischen Widerstandes des Vorwiderstandes 16 und mittels des an dem Vorwiderstand 16 gemessenen Spannungsabfalls ermittelbar ist. Die eingespeiste Signalspannung kann mit einer weiteren Messvorrichtung bestimmt werden oder bekannt sein.The measuring
Der Sekundärkreis 10 weist mindestens eine Sekundärspule 9 und eine temperaturabhängige elektrische Last 11 auf. Die Sekundärspule 134 ist zur induktiven Kopplung mit der Primärspule 130 angeordnet. Bei der Sekundärspule 9 kann es sich insbesondere um eine elektrische Wicklung handeln. Die temperaturabhängige elektrische Last 11 dient als Messelement und kann ein temperaturabhängiger elektrischer Widerstand sein. Bei der gezeigten Ausführungsform ist die temperaturabhängige elektrische Last 11 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). Die temperaturabhängige elektrische Last 11 ist an einer bestimmten Position des Rotors 3 angeordnet, beispielsweise in einer Permanentmagnete aufnehmenden Magnettasche (nicht gezeigt) des Rotorkörpers 3B, um dort die Temperatur des Rotors 3 zu erfassen. Die temperaturabhängige elektrische Last 11 ist in elektrischem Kontakt mit der Sekundärspule 9.The
Die feststehende Primärspule 8 und die mit dem Rotor 3 um die Rotationsachse 100 drehbare Sekundärspule 9 sind derart angeordnet, dass die Sekundärspule 9 einmal pro Umdrehung des Rotors 3 an der feststehenden Primärspule 8 vorbeibewegt wird. Dabei wird während der Vorbeibewegung durch induktive Kopplung eine Sekundärspannung in der Sekundärspule 9 induziert. Beim Vorbeibewegen stehen sich die Primärspule 8 und die Sekundärspule 9 kurzzeitig gegenüber. Die induzierte Sekundärspannung bewirkt einen Stromfluss eines Sekundärstroms Isekundär durch die temperaturabhängige Last 11. Somit wird die Amplitude des Sekundärstroms Isekundär durch die Temperatur des Rotors 3 bestimmt. Entsprechend ist der Sekundärstrom Isekundär des Sekundärkreises 10 rotortemperaturabhängig. Infolge des Sekundärstroms Isekundär wird ein rotortemperaturabhängiger Primärstrom Iprimär im Primärkreis 5 bewirkt.The stationary
Die Signalspannung im Primärkreis 5 induziert über eine induktive Kopplung der Primärspule 8 mit der Sekundärspule 9 eine Sekundärspannung in dem Sekundärkreis 10. Die induzierte Sekundärspannung, die insbesondere eine Wechselspannung ist, bewirkt einen durch die temperaturabhängige Last 11 fließenden Sekundärstrom Isekundär. Die Amplitude des Sekundärstroms Isekundär wird durch die Temperatur des Rotors 3 bestimmt. Entsprechend ist der Sekundärstrom Isekundär des Sekundärkreises 10 rotortemperaturabhängig.The signal voltage in the
Infolge des Sekundärstroms Isekundär wird ein rotortemperaturabhängiger Primärstrom Iprimär im Primärkreis 5 bewirkt, der selbstverständlich ein Wechselstrom ist. Der Primärstrom Iprimär wird durch die Einrichtung 4 mittels der Messvorrichtung 6 in dem Primärkreis 5 erfasst, beispielsweise direkt oder indirekt über eine den Primärstrom Iprimär charakterisierende Größe wie einer elektrischen Spannung.As a result of the secondary current I secondary , a rotor temperature-dependent primary current I primary is produced in the
Im Falle einer in den Primärkreis 5 eingespeisten Wechselspannung als Signalspannung bewirkt diese entsprechend dem Induktionsgesetz einen wechselnden magnetischen Fluss, dieser induziert in der mit der Primärseite 5 magnetisch gekoppelten Sekundärspule 9 die Sekundärspannung.In the case of an AC voltage fed into the
Die als Signalspannung verwendete Wechselspannung kann beliebige Wellenformen aufweisen und beispielsweise eine sinusförmige, dreieckförmige, sägezahnförmige oder rechteckförmige Wellenform sein.The AC voltage used as the signal voltage can have any waveform and can be, for example, a sinusoidal, triangular, sawtooth or rectangular waveform.
Temperaturänderungen am Rotor 3 erzeugen eine Widerstandsänderung der temperaturabhängigen elektrischen Last 11. Diese temperaturabhängige Widerstandsänderung an der temperaturabhängigen Last 11 führt zu einer Änderung des Primärstroms Iprimär des Primärkreises 5. Folglich besteht eine Beziehung zwischen der Amplitude sowie der Phase des Primärstroms Iprimär im Primärkreis 5 und der zu bestimmenden Temperatur des Rotors 3. Daher wird der Primärstrom Iprimär in dem Primärkreis 5 mittels der Messvorrichtung 6 erfasst und daraus in einem Steuergerät 20 die Temperatur des Rotors 3 an der Position der temperaturabhängigen Last 11 bestimmt bzw. ermittelt. Dazu ist die Messvorrichtung 6 über eine Messsignal-Leitung mit dem Steuergerät 20 verbunden.Temperature changes on the
Die Ermittlung der Temperatur erfolgt beispielsweise mittels einer in einem elektronischen Speicher 12 abgelegten Temperaturmodells in Form zumindest einer Formel, Tabelle, Matrix, Kennfeld oder Kennlinie, wodurch jeweils eine Zuordnung zwischen einer gemessenen Amplitude und/oder einer gemessenen Phase des Primärstroms Iprimär und einer zugehörigen Temperatur des Rotors 3 vorliegt.The temperature is determined, for example, by means of a temperature model stored in an
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Speicher 12 beispielsweise in dem Steuergerät 20 ausgeführt, wobei das Steuergerät 20 der Steuerung der Einrichtung 4 und/oder der Steuerung des erfindungsgemäßen Verfahrens dient. Das Steuergerät 20 kann in einer Leistungselektronik der elektrischen Maschine 1 oder in einer separaten Elektronikeinheit der elektrischen Maschine 1 realisiert sein.In the exemplary embodiment shown, the
Es erfolgt also eine kabellose und kontaktlose Signalübertragung. Das Signal, welches übertragen werden kann, ist die Temperatur des Rotors 3. Die Temperatur-Information ist indirekt Teil des Sekundärstroms bzw. über die induktiv gekoppelten Spulen 130,136 auch Teil des Primärstroms. Selbstverständlich erfolgt die Signalübertragung nur bei Einspeisen der Signalspannung. Der Kondensator 13 verändert das Übertragungssystem der Einrichtung 4 und somit das Systemverhalten, was zur Einstellung der Messgenauigkeit der Einrichtung 4 verwendet werden kann.So there is a wireless and contactless signal transmission. The signal that can be transmitted is the temperature of the
Das im Speicher 12 hinterlegte Temperaturmodell modelliert insbesondere den Primärkreis 5 und den Sekundärkreis 10. Hierzu lässt sich folgende Geleichung darstellen, die eine Phasenverschiebung φ, den elektrischen Widerstand Zges des Primärkreises 5 und die Frequenz ω der Signalspannung aufweist:
Mit folgendem Faktor α:
Diese Gleichung ist abhängig von mehreren elektrischen Bauteilparametern der Komponenten des Primärkreises 5 und des Sekundärkreises 10. Diese sind wie folgt:
- Lp: Induktivität der
Primärspule 8, - Ls: Induktivität der
Sekundärspule 9, - Rs:
Leitungswiderstand der Sekundärspule 9, - Rp:
Leitungswiderstand der Primärspule 8, - Rv:
Leitungswiderstand der Messeinrichtung 6, - C: Kapazität des
Kondensators 13, und - κ: Kopplungsfaktor zwischen Primärspule 8 und
Sekundärspule 9.
- L p : inductance of the
primary coil 8, - L s : inductance of the
secondary coil 9, - R s : line resistance of the
secondary coil 9, - R p : line resistance of the
primary coil 8, - R v : line resistance of the measuring
device 6, - C: capacitance of the
capacitor 13, and - κ: Coupling factor between
primary coil 8 andsecondary coil 9.
Außerdem ist in dieser Gleichung der von der Temperatur des Rotors 2 abhängigen Parameter RNTC vorhanden, der dem elektrischen Widerstand der temperaturabhängigen Last 11 entspricht.Also present in this equation is the parameter R NTC which is dependent on the temperature of the
Wird eine Signalspannung mit bekannter Frequenz ω in den Primärkreis 5 eingespeist, so lässt sich über die Messvorrichtung 6 der Primärstrom Iprimär ermitteln. Dadurch ist die Phasenverschiebung φ des Primärstroms IPrimär bekannt, wobei bei bekannten Bauteilparametern lediglich der Parameter RNTC variabel ist und ermittelt werden kann. Somit ist eine Temperaturermittlung möglich.If a signal voltage with a known frequency ω is fed into the
Zur Kalibrierung des Temperaturmodells werden die elektrischen Bauteilparameter der Komponenten des Primärkreises 5 und des Sekundärkreises 10 ermittelt oder aktualisiert. Diese Kalibrierung wird beispielsweise am Ende einer Fertigungslinie zur Herstellung der elektrischen Maschine 1 durchgeführt. Außerdem kann vorgesehen sein, dass die Kalibrierung wiederholt auch während des Betriebs oder einer Betriebsbereitschaft der beispielsweise in einem Fahrzeug eingebauten elektrischen Maschine 1 durchgeführt wird. Auf diese Weise können Messungenauigkeiten der Einrichtung aufgrund von alterungsbedingten Veränderungen der Bauteilparameter vermieden werden.To calibrate the temperature model, the electrical component parameters of the components of the
Die Kalibrierung wird insbesondere bei gleichbleibender Temperatur der elektrischen Maschine 1 durchgeführt, so dass RNTC konstant bleibt. Dies lässt sich insbesondere dadurch erreichen, dass die Kalibrierung innerhalb eines kleinen Zeitfensters von maximal einer Sekunde durchgeführt wird.The calibration is carried out in particular when the temperature of the electrical machine 1 remains the same, so that R NTC remains constant. This can be achieved in particular by performing the calibration within a small time window of a maximum of one second.
Erfindungsgemäß ist zur Kalibrierung vorgesehen, dass verschiedene Signalspannungen in den Primärkreis 5 eingespeist werden. Dies wird beispielsweise erreicht, indem das Steuergerät 20 den Signalgenerator 14 entsprechend ansteuert. Die Signalspannungen unterscheiden sich in ihrer Frequenz ω. Zu jeder der eingespeisten Signalspannung wird ein zugehöriger Primärstrom Iprimär ermittelt. Die Bauteilparameter des Primärkreises 5 und des Sekundärkreises 10 können erfindungsgemäß anhand der jeweiligen Frequenz der eingespeisten Signalspannungen und der bei den jeweiligen Signalspannungen bestimmten Beträge der Primärströme Iprimär und/oder Phasenverschiebungen der Primärströme IPrimär ermittelt werden.According to the invention, different signal voltages are fed into the
Es lässt sich ein Gleichungssystem aufstellen, das die obige Gleichung für die Impedanz Zges für mehrere verschiedene Frequenzen ω beinhaltet. Werden so viele Gleichungen aufgestellt, wie Bauteilparameter zu bestimmen sind, so lässt sich dieses Gleichungssystem lösen, wobei die oben genannten Bauteilparameter bestimmt werden können.A system of equations can be set up that contains the above equation for the impedance Z ges for several different frequencies ω. If as many equations are set up as there are component parameters to be determined, then this system of equations can be solved, with the above-mentioned component parameters being able to be determined.
Die ermittelten Bauteilparameter werden in dem elektronischen Speicher 12 abgespeichert, um nachfolgend die Temperatur des Rotors 3 auf Basis der im Speicher 12 vorhandenen, insbesondere aktualisierten, Bauteilparameter zu berechnen.The determined component parameters are stored in the
Auf diese Weise wird das Temperaturmodell entweder erstellt oder aktualisiert.This is how the temperature model is either created or updated.
Alternativ zur Lösung des Gleichungssystems ist auch eine numerische Annäherung möglich. Hierzu werden wiederum verschiedene Signalspannungen, die sich in ihren Frequenzen ω unterscheiden, in den Primärkreis 5 eingespeist und die zugehörigen Primärstrom Iprimär ermittelt. Anhand dieser Messwerte lässt sich eine Polynomfunktion bestimmen, wobei die Polynomfunktion den komplexen elektrischen Widerstand Z(ω) des Primärkreises annähert. Der komplexes elektrische Widerstand Z(ω) lässt sich wie folgt darstellen:
In einer Ausführungsform wird der Imaginärteil Im{Z(ω)} dieses komplexen Widerstands durch die Polynomfunktion dargestellt werden. Der Imaginärteil lässt sich wie folgt darstellen:
Diese Näherung ist möglich, da RS « RNTC, wodurch (RS + RNTC)2 ≈ (RNTC)2 gilt. Weiterhin kann angenommen werden, dass RNTC » (ωLS) gilt, wodurch der Imaginärteil schließlich wie folgt angenähert werden kann:
Somit wird der Imaginärteil als Polynomfunktion wie folgt angenommen:
Die Koeffizienten a, b und c weisen nachfolgenden Zusammenhang zu den Bauteilparametern auf:
Die Koeffizienten a, b und c lassen sich aus den Messwerten mittels Methode der kleinsten Quadrate ermitteln:
- Mit
- ergibt sich gemäß Methode der geringsten Quadrate
- so dass
- With
- results from the method of least squares
- so that
Sind die Koeffizienten a, b und c bekannt, so lassen sich durch den dargestellten Zusammenhang auch die entsprechenden Bauteilparameter ermitteln. Die Bauteilparameter werden in dem Speicher 12 abgelegt und können somit zur nachfolgenden Temperaturbestimmung des Rotors 2 wie zuvor beschrieben verwendet werden.If the coefficients a, b and c are known, the corresponding component parameters can also be determined from the relationship shown. The component parameters are stored in the
Besonders vorteilhaft wird zusätzlich zu dem Imaginärteil auch der Realteil des komplexen elektrischen Widerstands des Primärkreises 5 verwendet. Dieser lässt sich wie folgt darstellen:
Dabei kann einerseits angenommen werden, dass RNTC » (ωLs) und andererseits Rs « RNTC gilt, wodurch der Realteil schließlich wie folgt angenähert werden kann:
Somit wird der Realteil als Polynomfunktion wie folgt angenommen:
Die Koeffizienten d und e weisen den nachfolgenden Zusammenhang zu den Bauteilparametern auf:
Das Vorgehen zum Ermitteln der Bauteilparameter ist analog zu dem zuvor für den Imaginärteil beschriebenen Vorgehen. Besonders vorteilhaft ist durch die kombinierte Berücksichtigung von Imaginärteil und Realteil eine hochwertige Ermittlung der Bauteilparameter ermöglicht, wodurch eine optimale Kalibrierung der Einrichtung 4 erfolgt.The procedure for determining the component parameters is analogous to the procedure previously described for the imaginary part. Particularly advantageously, the combined consideration of the imaginary part and the real part enables a high-quality determination of the component parameters, as a result of which the device 4 is optimally calibrated.
Durch das Kalibrierverfahren ist somit jederzeit eine Ermittlung von Bauteilparametern der Komponenten ermöglicht. Dabei ist ein direkter Zugriff auf die einzelnen Komponenten nicht notwendig. Damit ist das Verfahren insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Komponenten nicht oder nur schwer erreichbar sind, wie dies insbesondere bei den Komponenten des Sekundärkreises 10 der Fall ist. Durch die Kalibrierung ist sichergestellt, dass jederzeit eine zuverlässige Temperaturermittlung des Rotors 3 erfolgen kann.The calibration method thus enables the component parameters of the components to be determined at any time. Direct access to the individual components is not necessary. The method is therefore particularly advantageous when the components cannot be reached or can only be reached with difficulty, as is the case in particular with the components of the
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