DE102021128353A1 - Verfahren und System zur Regelung einer elektrischen Maschine - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln einer elektrischen Maschine (1) unter Verwendung von Messspulen (31), die in einem zwischen einem Stator (2) und einem Rotor (4) der elektrischen Maschine liegenden Luftspalt (3) angeordnet sind, wobei mehrere Strangwicklungen (24) vorhanden sind, die verschiedenen elektrischen Phasen (u, v, w) zugeordnet sind. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:- Messen von magnetischen Verkettungsflüssen (Ψ1- Ψ12) in dem Luftspalt (3) mithilfe der Messspulen (31);- Bestimmen von magnetischen Verkettungsflüssen (Ψu, Ψv, Ψw) der mehreren Strangwicklungen (24) der verschiedenen Phasen (u, v, w);- Transformieren der bestimmten magnetischen Verkettungsflüsse (Ψu, Ψv, Ψw) in ein statorfestes orthogonales Koordinatensystem, um orthogonale magnetische Verkettungsflüsse (Ψa, Ψb) zu erhalten;- Messen von Strangströmen (Id, Iv, Iw), die durch die mehreren Strangwicklungen (24) fließen;- Transformieren der gemessenen Strangströme (Iu, Iv, Iw) in das statorfeste orthogonale Koordinatensystem, um orthogonale Strangströme (Ia, Ib) zu erhalten;- Ermitteln eines momentanen Drehmoments (Mist) und/oder einer flussbildenden Komponente (Id) eines aus den orthogonalen Strangströme (Ia, Ib) gebildeten Strangstromvektors (I) aus den orthogonalen magnetischen Verkettungsflüssen (Ψa, Ψb) und den orthogonalen Strangströmen (Ia, Ib); und- Regeln der elektrischen Maschine (1) basierend auf dem so bestimmten momentanen Drehmoment (Mist) und/oder der flussbildenden Komponente (Id).Die Erfindung betrifft weiterhin ein System zum Regeln einer elektrischen Maschine (1) unter Verwendung dieses Verfahrens.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie ein System zum Regeln einer elektrischen Maschine unter Verwendung von Messspulen, die in einem zwischen einem Stator und einem Rotor der elektrischen Maschine liegenden Luftspalt angeordnet sind, wobei mehrere Strangwicklungen vorhanden sind, die verschiedenen elektrischen Phasen zugeordnet sind.
• In vielen industriellen Einsatzbereichen und zunehmend auch in mobilen Anwendungen („Elektromobilität“) werden elektrische Maschinen als Antriebsmotoren mit hohem Wirkungsgrad und hoher spezifischer Leistung und Leistungsdichte eingesetzt.
• Bei vielen Anwendungen wird eine zuverlässige und kostengünstig umsetzbare Regelung der Antriebsmotoren im Hinblick auf Drehzahlen und/oder Drehmomente benötigt. Dabei sind Regelverfahren bekannt, die eine gemessene Rotorposition berücksichtigen. Zu dem Zweck werden optische, induktiv arbeitende oder auf dem Hall-Effekt basierende Positionssensoren eingesetzt, die i. d. R. außerhalb der elektrischen Maschine angeordnet sind und einen Drehwinkel des Rotors gegenüber dem Stator an der Rotorachse messen.
• Um die Kosten eines solchen Lage- und/oder Drehzahlsensors einzusparen, sind zudem Ansätze für eine Regelung der elektrischen Maschine bekannt, die ohne Positionssensor auskommen. Sie basieren gemäß dem Stand der Technik auf einer Schätzung der Lage des Rotors gegenüber dem Stator mithilfe von mathematischen Rechenmodellen der elektrischen Maschine und einigen leicht messbaren Maschinengrößen, wie beispielsweise Spannungssollwerte und gemessenen Phasenströmen.
• Die Druckschrift WO 2013/079502 A beschreibt beispielsweise einen Hall-Magnetfeldsensor in Dünnschichttechnologie, der auf eine Oberfläche eines Statorpols aufgebracht wird. Mit dem Sensor kann eine magnetische Flussdichte im Luftspalt gemessen werden, die als Regelgröße für eine flussgestütze modellbasierte Regelung eingesetzt werden kann.
• Typischerweise ermöglicht jedoch erst eine genaue Kenntnis vieler Maschinenparameter eine ausreichend genaue Schätzung der Lage des Rotors, um die elektrische Maschine zuverlässig und energieeffizient zu betreiben. Bereits eine produktionsbedingte Schwankung der Parameter von Maschine zu Maschine macht eine ausreichend genaue Schätzung der Lage des Rotors für viele Anwendungszwecke unzulänglich. Zudem unterliegen viele der in das mathematische Rechenmodell eingehenden Parameter einem Einfluss unterschiedlicher Betriebsbedingungen, vor allem dem Einfluss der Betriebstemperatur. Nicht in allen Fällen kann die Betriebsbedingung adäquat im mathematischen Rechenmodell berücksichtigt werden oder es kann die Betriebsbedingung nicht ausreichend genau gemessen werden, um berücksichtigt werden zu können. Letzteres gilt beispielsweise für die Rotortemperatur, die nur mit großem messtechnischen Aufwand im Betrieb genau bestimmt werden kann.
• Aus der Druckschrift WO 2019/101688 A1 ist der Einsatz einer Messspule innerhalb eines Luftspalts zwischen Rotor und Stator einer elektrischen Maschine bekannt, um verschiedene Eigenschaften der elektrischen Maschine im Betrieb zu ermitteln. Bei dem beschriebenen Verfahren wird die Eigenschaft der elektrischen Maschine zum einen anhand einer gemessenen Impedanz der Messspule und zum anderen anhand einer induzierten Spannung in der Messspule bestimmt. Als Ergebnis der Messungen kann beispielsweise eine Drehposition und/oder eine Drehzahl des Rotors gegenüber dem Stator ermittelt werden. Auch können Magnetfelder von Permanentmagneten im Rotor bei permanenterregten Synchron- oder Asynchronmaschinen ermittelt werden, die indirekt einen Rückschluss auf Temperaturen im Rotor zulassen. Die so gewonnenen Größen können im Rahmen eines modellbasierten Regelverfahrens für die elektrische Maschine eingesetzt werden. Die im Luftspalt angeordnete Messspule kann beispielsweise durch einen Folienleiter mit aufgedruckten Induktionsschleifen gebildet sein. Vorteilhaft kann so mit einem einfachen und kostengünstigen Sensor ein Regelverfahren umgesetzt werden. Nachteilig ist, dass auch hierbei ein hinterlegtes Rechenmodell der elektrischen Maschine eingesetzt werden muss, auf dessen Basis die Regelgrößen anhand der gemessenen Werte näherungsweise bestimmt werden können. Die Berücksichtigung z. B. einer ermittelten Rotortemperatur verbessert zwar die Güte der Näherung, macht sie aber nicht unumgänglich.
• Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Regelverfahren und ein Regelsystem anzugeben, das auf den Ergebnissen von Messwerten eines Messsensors innerhalb des Luftspalts zwischen Rotor und Stator einer elektrischen Maschine basiert und dabei Regelgrößen einsetzt, die unmittelbar und konkret und nicht nur näherungsweise bestimmt werden. Es ist eine weitere Aufgabe, ein System mit einer elektrischen Maschine und einem derartigen Regler zu beschreiben.
• Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren und ein System mit den jeweiligen Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltung und Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Ansprüche.
• Ein erfindungsgemäßes Verfahren der eingangs genannten Art weist die folgenden Schritte auf: Es werden magnetische Verkettungsflüsse in dem Luftspalt mithilfe der Messspulen gemessen und magnetische Verkettungsflüsse der mehreren Strangwicklungen der verschiedenen Phasen bestimmt. Die so bestimmten magnetischen Verkettungsflüsse werden in ein statorfestes orthogonales Koordinatensystem transformiert, um orthogonale magnetische Verkettungsflüsse zu erhalten. Weiter werden Strangströme, die durch die mehreren Strangwicklungen fließen, gemessen und in das statorfeste orthogonale Koordinatensystem transformiert, um orthogonale Strangströme zu erhalten. Daraus wird ein momentanes Drehmoment und/oder eine flussbildende Komponente bestimmt und die elektrische Maschine basierend auf dem momentanen Drehmoment und/oder der flussbildenden Komponente geregelt.
• Die beiden Komponenten des Stromvektors, die flussbildende Komponente und die drehmomentbildende Komponente (und damit das aktuelle Drehmoment) können durch dieses Verfahren ohne weitere Näherungen messtechnisch mithilfe der Messspulen im Luftspalt sowie der Messungen der Strangströme bestimmt werden. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt die Bestimmung der magnetischen Verkettungsflüsse der mehreren Strangwicklungen der verschiedenen Phasen aus den Messwerten der Mehrzahl der Messspulen bevorzugt unter Berücksichtigung eines vorbekannten Wicklungsschemas der Strangwicklungen um die Statorzähne.
• Durch die direkte Bestimmung dieser Größen kann die elektrische Maschine geregelt werden, ohne dass ein Positionssensor zur Messung der Rotorposition erforderlich ist, und ohne dass diese Größen anhand von Modellen geschätzt werden und unter Umständen ungenau sind.
• In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird das momentane Drehmoment anhand des Kreuzprodukts der orthogonalen magnetischen Verkettungsflüsse und der orthogonalen Strangströme bestimmt. Für die Regelung kann das momentane Drehmoment mit einem vorgegebenen Sollwert des Drehmoments verglichen werden.
• In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird die flussbildende Komponente des Strangstromvektors durch eine Projektion des Strangstromvektors auf einen aus den orthogonalen magnetische Verkettungsflüssen gebildeten Verkettungsflussvektors bestimmt. Für die Regelung kann die flussbildende Komponente des Strangstromvektors mit einem Sollwert für diese Komponente verglichen werden, der anhand des Sollwerts des Drehmoments bestimmt wird, beispielsweise mithilfe einer vorgegebenen Tabelle.
• Die Regelung kann als feldorientierte Regelung oder als direkte Drehmomentregelung ausgebildet sein. Diese beiden Verfahren sind - mit anderer Bestimmung der Regelgrößen - grundsätzlich bekannt, wodurch vorteilhaft auf etablierte Regelkreise zurückgegriffen werden kann. Dabei können zudem aus den orthogonalen magnetische Verkettungsflüssen eine Rotorposition und/oder eine Rotordrehzahl ermittelt werden.
• In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird eine Mehrzahl von Messspulen eingesetzt, die jeweils auf einem Statorzahn des Stators angeordnet sind. Bevorzugt können die Messspulen Planarspulen sein, die auf Folien aufgebracht sind. Derartige Messspulen können so dünn gefertigt sein, dass sie in elektrischen Maschinen mit typischen Luftspaltbreiten eingesetzt werden können.
• In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens werden die gemessenen Strangströme und/oder magnetischen Verkettungsflüsse untereinander, mit Erwartungswerten und/oder mit zuvor ermittelten Werten zu Diagnosezwecken verglichen. So kann während der Ausführung des Regelverfahrens zusätzlich eine Diagnose der elektrischen Maschine oder seiner Ansteuerung erfolgen. Die Größe der magnetischen Verkettungsflüsse ergeben sich aus dem Zusammenwirken der Bestromung der Statorwicklungen und der Magnetisierung des Rotors. Wenn sich hier im Verhältnis der Werte untereinander oder im Vergleich zu früheren Messungen Unterschiede zeigen, kann das auf Fehler in der Messung der Ströme und/oder Änderungen der Rotor-Magnetisierung, z.B. auf eine Entmagnetisierung, hinweisen. Auch Asymmetrien im Hinblick auf die verschiedenen Phasen können Fehler andeuten, z.B. eventuelle Windungsschlüsse oder Leitungsbrüche.
• Ein erfindungsgemäßes System zum Regeln einer elektrischen Maschine unter Verwendung von Messspulen, die in einem zwischen einem Stator und einem Rotor der elektrischen Maschine liegenden Luftspalt angeordnet sind, weist eine Auswerteeinheit zum Auswerten von Messwerten der Messspulen und einen Regler auf, der mit Ist-Wert Eingängen mit der Auswerteeinheit verbunden ist. Das System zeichnet sich dadurch aus, dass die Auswerteeinheit und der dem Regler zur Durchführung eines zuvor genannten Verfahrens eingerichtet ist. Es ergeben sich die im Zusammenhang mit dem Verfahren genannten Vorteile.
• Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mithilfe von Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen:
• 1a eine schematische Prinzipdarstellung einer elektrischen Maschine;
• 1b eine detailliertere schematische Darstellung einer Polteilung der in 1 dargestellten elektrischen Maschine;
• 2a die Polteilung gemäß 1b in einer Darstellung mit magnetischen Feldlinien;
• 2b ein Ausschnitt aus 2a mit einer detaillierteren Darstellung der Feldlinien;
• 3 eine Schrägansicht eines Statorzahns mit einer Messspule;
• 4 eine schematische Darstellung eines Wicklungsschemas einer elektrischen Maschine;
• 5 eine Darstellung einer Flussverkettung und Strangströmen einer elektrischen Maschine;
• 6 eine elektrische Maschine mit einem Regelsystem zur Durchführung einer feldorientierten Regelung in einem Blockschaltbild;
• 7 eine elektrische Maschine mit einem Regelsystem zur Durchführung einer feldorientierten Regelung in einem Blockschaltbild für eine direkte Momenten-Regelung.
• Die 1 a, b und 2a, b zeigen zunächst eine elektrische Maschine 1, die mit dem erfindungsgemäßen Regelverfahren geregelt werden kann.
• Die 1a zeigt die elektrische Maschine 1 in einem Querschnitt in einer sehr schematischen Darstellung. Die elektrische Maschine 1 weist einen Stator 2 auf, der in etwa hohlzylinderförmig ausgebildet ist. Innerhalb des Stators 2 ist ein Rotor 4 drehbar gelagert, wobei zwischen dem Stator 2 und dem Rotor 4 sich ein umlaufender Luftspalt 3 befindet. Bei dem hier dargestellten Beispiel ist die elektrische Maschine 1 als Innenläufer ausgebildet - der Stator 2 ist ortsfest und liegt außerhalb, während Rotor 4 innerhalb des Stators 2 drehbar gelagert ist. Das im Rahmen dieser Anmeldung vorgestellte Regelverfahren kann auch für eine Außenläufermaschine eingesetzt werden, bei der der Stator drehfest innen liegt und der Rotor in Form eines Hohlzylinders sich außen befindet und um den Stator dreht.
• Im Betrieb wird eine Drehung des Rotors 4 gegenüber dem Stator 2 durch eine magnetische Wechselwirkung zwischen einem magnetischen Rotorfeld und einem magnetischen Statorfeld erreicht. Im Luftspalt 3 überlagern sich Rotor- und Statorfeld, wodurch ein Drehmoment am Rotor 4 gegenüber dem Stator 2 aufgebaut wird. Streufelder im Rotor 4 bzw. Stator 2, die sich nicht über den Luftspalt 3 und die jeweils andere Komponente, also Stator 2 und Rotor 4, schließen, tragen nicht zur Bildung eines Drehmoments bei.
• Das nachfolgend beschriebene Regelverfahren ist für eine als Drehstrommaschine ausgebildete elektrische Maschine 1 geeignet, beispielsweise eine Asynchronmaschine oder eine Synchronmaschine.
• In 1a ist ein Segment der elektrischen Maschine 1 eingezeichnet, das als Polteilung 5 bezeichnet wird. Diese Polteilung 5 ist in 1b detaillierter wiedergegeben.
• 1b zeigt, dass der Stator 2 ein Statorjoch 21 umfasst und eine Mehrzahl von radial nach innen gerichteten Statorzähnen 22 aufweist, zwischen denen entsprechend Nuten 23 ausgebildet sind. In diesen Nuten 23 sind Statorwicklungen 24 angeordnet, die das Statormagnetfeld erzeugen. Beispielhaft ist in 1b der Übersicht halber nur in einer der Nuten 23 eine Statorwicklung 24 angedeutet.
• Der Rotor 4 weist ein Rotorjoch 41 auf, in das Permanentmagnete 42 eingebettet sind. In radialer Richtung sind die Permanentmagnete 42 durch Kavitäten 43 im Rotorjoch 41 umgeben.
• Die dargestellte elektrische Maschine 1 ist eine permanenterregte Synchronmaschine mit eingebetteten Magneten. Dieses ist rein beispielhaft. Es wird angemerkt, dass das anmeldungsgemäße Regelverfahren auch für andere Arten von Drehstrommaschinen, beispielsweise Synchronmaschinen mit Fremderregung, Synchronmaschinen mit eingebetteten Magneten und Oberflächenmagneten, Reluktanzmaschinen und Asynchronmaschinen verwendet werden kann.
• Bei Drehstrommaschinen werden i. d. R. drei in einer Stern- oder Dreieckschaltung miteinander verschaltete Statorwicklungen 24 eingesetzt, die über den Umfang des Stators 2 in den Nuten 23 angeordnet sind. Jede der drei Wicklungen, die auch Strangwicklungen genannt werden, kann mehrere Spulen umfassen. Gegeneinander sind die drei Strangwicklungen azimutal versetzt, wobei sie sich jedoch teilweise überlappen können. Mithilfe der Strangwicklungen werden entlang des Umfangs des Stators 2 magnetische Pole gebildet, konkret mindestens ein Poolpaar, üblicherweise mehrere Polpaare. Die azimutale Ausdehnung eines halben Polpaares entspricht gerade der in der 1a angegebenen und in 1b wiedergegebenen Polteilung 5.
• In der 2a ist die Polteilung 5 der 1b in einer Darstellung mit magnetischen Feldlinien im Betrieb der elektrischen Maschine 1 gezeigt. Zu erkennen sind Statorfeldlinien 20 im Stator 2 und Rotorfeldlinien 40 im Rotor 4.
• 2b zeigt einen Ausschnitt aus 2a im Bereich von drei Statorzähnen 22. In dieser Darstellung sind die Statorfeldlinien 20 und die Rotorfeldlinien 40 in größerer Dichte und detaillierter eingezeichnet. Die Figur zeigt gut die Bündelung der Rotorfeldlinien 40 durch den Permanentmagneten 42 und die Führung der Rotorfeldlinien 40 um die Kavitäten 43 herum. Ebenso ist die Führung der Statorfeldlinien 20 durch die Statorzähne 22 zu erkennen.
• In der 2b ist der Verlauf der magnetischen Feldlinien auch im Luftspalt 3 zu erkennen, wiedergegeben durch Luftspaltfeldlinien 30.
• Weiter zeigt die 2b auf den Statorzähnen 22, konkret auf deren Zahnflanken angeordnete flache Messspulen 31. In axialer Richtung erstrecken sich die Messspulen 31 bevorzugt über die gesamte Länge des Statorzahns 22. Wie die Luftspaltfeldlinien 30 im Luftspalt 3 zeigen, werden von den Messspulen 31 im Wesentlichen alle, zumindest aber alle drehmomentrelevanten magnetischen Felder erfasst.
• In 3 ist ein Statorzahn 22 in einer schematischen Darstellung separat dargestellt, um die Anordnung des Messspule 31 auf der Zahnflanke des Statorzahns 22 zu verdeutlichen. Die Messspule 31 ist als sog. „Radialspule“ ausgebildet, also aus einer Spule mit mehreren Windungen, die innerhalb einer Ebene liegen. Bevorzugt weist die Messspule 31 eine dünne (Kunststoff-) Folie als Trägermaterial auf, auf die Leiterschleifen, die die Spule bilden, aufgedampft sind. Der Messspule 31 kann sich somit der Technologie und den etablierten Herstellungsverfahren von flexiblen Leiterplatten (FPC -Flexible Printed Circuits) bedienen.
• Bei dem dargestellten Beispiel ist eine einzige Spule ausgebildet, die sich im Wesentlichen über die gesamte Fläche der Zahnflanke des Statorzahns 22 erstreckt. In alternativen Ausgestaltungen ist es möglich, in axialer Richtung entlang der Zahnflanke mehrere getrennt kontaktierbare Spulen vorzusehen. Dieses ist dann von Interesse, wenn der Rotor 4 der elektrischen Maschine als sog. „segmentierter Rotor“ ausgebildet ist, der in axialer Richtung mehrere hintereinander angeordnete und um einen bestimmten Winkelbetrag verdrehte Rotorsegmente aufweist.
• 4 verdeutlicht in einer schematischen Darstellung ein Wickelschema der zuvor gezeigten elektrischen Maschine 1. Es wird angemerkt, dass das dargestellte Wickelschema rein beispielhaft ist und der Herleitung und Erläuterung des anmeldungsgemäßen Verfahrens dient. Die nachfolgend gezeigten Zusammenhänge sind auf beliebige andere Wickelschemata übertragbar, z. B. auch auf solche, die mehrschichtige oder gesehnte Wicklungen aufweisen. Rein beispielhaft weist der Stator 2 der in 4 gezeigten elektrischen Maschine 1 genau ein Polpaar mit zwölf Statorzähne auf. Das nachfolgend beschriebene anmeldungsgemäße Verfahren lässt sich analog aber auch auf elektrische Maschinen mit mehreren Polpaaren übertragen.
• Die 4 stellt die zwölf Statorzähne 22 mit Statorwicklungen 24 dar. Zur einfacheren Darstellung ist der Stator 2 der elektrischen Maschine 1 abgerollt dargestellt, so dass die Statorzähne 22 entlang einer Linie linear wiedergegeben sind.
• Die zwölf Statorzähne 22 sind dem genannten einen Polpaar und damit zwei Polteilungen 5 zugeordnet. Wie bereits erwähnt, ist die elektrische Maschine 1 eine Dreiphasenmaschine, betrieben an drei elektrischen Phasen u, v und w. Sie weist entsprechend drei Strangwicklungen 24 auf. Im Rahmen dieser Anmeldung wird die Bezeichnung der Phasen u, v, w als Index zur Kennzeichnung der drei Strangwicklungen 24 sowie aller gemessenen oder berechneten Parameter verwendet, die abhängig von der jeweiligen Strangwicklungen 24 bzw. der jeweiligen elektrischen Phase u, v, w sind.
• Bei dem Beispiel der 4 bestehen die Strangwicklungen 24 der drei Phasen u, v, w jeweils aus zwei konzentrischen Spulen mit Windungszahlen N₁ bzw. N₂. Die zu jeweils einer Spule gehörenden Statorwicklungen 24 sind in der 4 mit einem als N₁ bzw. N₂ bezeichneten Kästchen verbunden, um die Zugehörigkeit der entsprechenden (geschnitten dargestellten) Statorwicklungen 24 zueinander anzuzeigen. Weiter sind in der 4 die Statorzähne 22 der Polpaarung von 1-12 durchnummeriert, wobei die Nummerierung nachfolgend zur Indizierung der Statorzähne 22 verwendet wird. Aufgrund der linear abgewickelten Darstellung des Stators 2 sind die links in der 4 von den Strangwicklungen 24 der Phase w ausgehenden Verbindungsstriche mit den rechts in der 4 angegebenen Kästchen mit den Windungszahlen N₁ bzw. N₂ gedanklich zu verbinden.
• Eine äußere Spule der Phase u umfasst somit die Statorzähne 22 mit dem Index 1-7 und eine innere Spule der Phase u die Statorzähne 22 mit dem Index 2-6. Die Spulen der Phase v und w sind hier jeweils um vier Zähne versetzt, was einem Drittel der Anzahl der Zähne eines Polpaars entspricht. Die Strangspulen der Phase w sind wiederum um vier Zähne gegenüber der Phase v versetzt (deren Hinleiter befinden sich in den Nuten 9 und 10 und die Rückleiter in den Nuten 3 und 4). Sie werden mit Wicklungen aus sich anschließenden, in der 4 nicht dargestellten Polpaaren gebildet, wenn die Maschine mehrere Polpaare hat.
• Auf jedem der zwölf Statorzähne 22 ist eine in der 4 nicht gezeigte Messspule 31 angeordnet, mit der jeweils ein magnetischer Verkettungsfluss Ψ gemessen werden kann. Die einzelnen gemessenen Verkettungsflüsse Ψ, die auf dem jeweiligen Statorzahn 22 gemessen werden, werden nachfolgend anhand des Index des Statorzahns 22 als Ψ₁ - Ψ₁₂ bezeichnet.
• Anhand der Messwerte der Verkettungsflüsse Ψ₁ - Ψ₁₂ können den Strangspulen bzw. Phasen u, v, w zugeordnete magnetische Verkettungsflüsse Ψ_u, T_v und Ψ_w unter Berücksichtigung der Windungszahlen N₁ und N₂ wie folgt bestimmt werden (Gleichungen 1): $$\begin{array}{l}{\mathrm{\Psi }}_{\text{u}}=\text{k}[{\text{N}}_1\left({\mathrm{\Psi }}_1+{\mathrm{\Psi }}_2+{\mathrm{\Psi }}_3+{\mathrm{\Psi }}_4+{\mathrm{\Psi }}_5+{\mathrm{\Psi }}_6+{\mathrm{\Psi }}_7\right)+{\text{N}}_2\left({\mathrm{\Psi }}_2+{\mathrm{\Psi }}_3+{\mathrm{\Psi }}_4+{\mathrm{\Psi }}_5+{\mathrm{\Psi }}_6\right)]\\ {\mathrm{\Psi }}_{\text{v}}=\text{k}[{\text{N}}_1\left({\mathrm{\Psi }}_5+{\mathrm{\Psi }}_6+{\mathrm{\Psi }}_7+{\mathrm{\Psi }}_8+{\mathrm{\Psi }}_9+{\mathrm{\Psi }}_{10}+{\mathrm{\Psi }}_{11}\right)+{\text{N}}_2\left({\mathrm{\Psi }}_6+{\mathrm{\Psi }}_7+{\mathrm{\Psi }}_8+{\mathrm{\Psi }}_9+{\mathrm{\Psi }}_{10}\right)]\\ {\mathrm{\Psi }}_{\text{w}}=\text{k}[{\text{N}}_1\left({\mathrm{\Psi }}_9+{\mathrm{\Psi }}_{10}+{\mathrm{\Psi }}_{11}+{\mathrm{\Psi }}_{12}+{\mathrm{\Psi }}_1+{\mathrm{\Psi }}_2+{\mathrm{\Psi }}_3\right)+{\text{N}}_2\left({\mathrm{\Psi }}_{10}+{\mathrm{\Psi }}_{11}+{\mathrm{\Psi }}_{12}+{\mathrm{\Psi }}_1+{\mathrm{\Psi }}_2\right)]\end{array}$$

  
• Dabei gibt der Faktor k das Verhältnis des Verkettungsflusses Ψ₁ - Ψ₁₂ zum (eigentlichen) magnetischen Fluss im jeweiligen Statorzahn 22 an. Der Faktor k ist von der Geometrie der Messspule 31 am Statorzahn 22, z.B. von der Anzahl der Windungen und der dazugehörigen Fläche, abhängig. Er kann beispielsweise in einem Leerlaufversuch mit unbestromten Statorwicklungen 24 durch Vergleich von induzierten Spannungen an Anschlüssen der elektrischen Maschine 1 mit berechneten Spannungen nach den oben angegebenen Formeln bestimmt werden, wobei in den Formeln statt den magnetischen Flüssen induzierte Spannungen eingesetzt werden.
• Für die nachfolgende Verarbeitung der gewonnenen Informationen ist es zweckmäßig, die drei den einzelnen Phasen u, v, w zugeordneten Verkettungsflüsse Ψ_u, Ψ_v und Ψ_w gemäß den Gleichungen 1 in orthogonale Komponenten mit dem Index a, b zu transformieren. Dazu kann beispielsweise die Clarke-Transformation verwendet werden (Gleichungen 2): $${\mathrm{\Psi }}_{\text{a}}=2/3({\mathrm{\Psi }}_{\text{u}}+{\mathrm{\Psi }}_{\text{v}}\text{cos}\left(2/3\mathrm{\pi }\right)+{\mathrm{\Psi }}_{\text{w}}\text{cos}\left(4/3\mathrm{\pi }\right))$$

  

  $${\mathrm{\Psi }}_{\text{b}}=2/3({\mathrm{\Psi }}_{\text{v}}\text{sin}\left(2/3\mathrm{\pi }\right)+{\mathrm{\Psi }}_{\text{w}}sin\left(4/3\mathrm{\pi }\right))$$

  
• Neben den magnetischen Flüssen werden auch die Ströme durch die Strangwicklungen der Phasen u, v, w als I_u, I_v, I_w gemessen und auf dieselben orthogonalen Komponenten a, b transferiert (Gleichungen 3): $$\begin{array}{l}{\text{I}}_{\text{a}}=2/3({\text{I}}_{\text{u}}+{\text{I}}_{\text{v}}\text{cos}\left(2/3\mathrm{\pi }\right)+{\text{I}}_{\text{w}}\text{cos}\left(4/3\mathrm{\pi }\right))\\ {\text{I}}_{\text{b}}=2/3({\text{I}}_{\text{v}}\text{sin}\left(2/3\mathrm{\pi }\right)+{\text{I}}_{\text{w}}\text{sin}\left(4/3\mathrm{\pi }\right))\end{array}$$

  
• Mithilfe der jetzt orthogonal zueinanderstehenden magnetischen Flussverkettungen Ψ_a, Ψ_b und den entsprechenden Strangströme I_a, I_b lässt sich über das Kreuzprodukt ein tatsächliches, momentanes Drehmoment M_ist der elektrischen Maschine bestimmen: $${\text{M}}_{\text{ist}}=3/2p\left({\mathrm{\Psi }}_{\text{a}}\times {\text{I}}_{\text{b}}-{\mathrm{\Psi }}_{\text{b}}\times {\text{I}}_{\text{a}}\right)$$

  

  wobei p die Polpaaranzahl der elektrischen Maschine 1 angibt.
• Es wird angemerkt, dass die so bestimmten magnetischen Flussverkettungen Ψ_a, Ψ_b, die nachfolgend der einfacheren Darstellung halber als „Statorflüsse“ bezeichnet werden, nur einen Hauptfluss des Stators 2 wiedergeben. Ein Streuflussanteil wird nicht bestimmt, da die gemessenen magnetischen Felder durch die Messsensoren 31 Streuflüsse nicht erfassen. Da der Streuflussanteil aber auch nicht zum Drehmoment beiträgt, kann er für die nachfolgend erläuterten Regelzwecke durchaus vernachlässigt werden. Es wird angemerkt, dass für andere Zwecke, z. B. zur Berechnung einer Klemmenspannung an der elektrischen Maschine 1 im motorischen oder generatorischen Betrieb der Beitrag des Streuflussanteils zu berücksichtigen wäre. Hiervon zu unterscheiden ist der Leerlaufbetrieb, in dem ohne Statorstrom auch keine Stator-Streuflüsse entstehen, weswegen die oben angegebene Methode zum Auffinden von k durchgeführt werden kann.
• Das so bestimmte momentane Drehmoment M_ist kann in einem Regelverfahren für die elektrische Maschine 1 als Regelgröße dienen und z.B. Ströme so geregelt werden, dass ein vorgegebenes Drehmoment M_soll erreicht wird.
• Im Beispiel der 4 ist jeder der dargestellten zwölf Statorzähne 22 mit einer Messspule 31 versehen. Es braucht jedoch nicht jeder Statorzahn 22 der elektrischen Maschine 1 mit einer Messspule 31 bestückt zu sein, da der symmetrische Aufbau der elektrischen Maschine 1 es zulässt, das magnetische Feld im Luftspalt 3 durch Messungen an einigen ausgewählten Statorzähnen 22 über den gesamten Umfang des Stators 2 zu rekonstruieren. Unter Annahme eines symmetrischen Aufbaus der elektrischen Maschine 1 und eines sinusförmigen Verlaufs des Drehfelds im Luftspalt 3 kann die Anzahl der benötigten Messspulen 31 auf zwei reduziert werden, die dann auf zwei um eine halbe Polteilung 5 versetzten Statorzähnen 22 angebracht werden sollen.
• In 5 sind die Komponenten des Statorflusses Ψ_a, Ψ_b und der Strangströme I_a, I_b beispielhaft für eine Momentaufnahme über den Achsen a, b dargestellt. Die Achsen a und b bilden ein statorfestes Koordinatensystem, in dem resultierende Vektoren Ψ = (Ψ_a, Ψ_b) und I = (I_a, I_b) bei Drehung des Rotors der elektrischen Maschine rotieren. Die aktuelle Lage des Vektors des Statorflusses Ψ ist als Winkellage ε gegenüber der Koordinatenachse a angegeben. Gegenüber dem statorfesten Koordinatensystem (also gegenüber den Achsen a, b in 5) weisen die resultierenden Vektoren des Statorflusses Ψ und des Strangstroms I unterschiedliche Phasenlagen auf, die sich in einem Winkel Φ zwischen dem Vektor des Strangstroms I und dem Vektor des Statorflusses Ψ äußern.
• In 5 ist weiter die Projektion des Vektors des Strangstroms I auf den Vektor des Statorflusses Ψ dargestellt, mit anderen Worten ist der Vektor des Strangstroms I in eine Parallelkomponente zum Vektor des Statorflusses Ψ und eine dazu senkrechte Komponente aufgeteilt worden. Der Parallelkomponente ist das Kürzel I_{d (ψ)} und der senkrechten Komponente das Kürzel I_{q (ψ)} zugeordnet. Da nur die senkrechte Komponente I_{q (ψ)} in einem Drehmoment resultiert, wird sie nachfolgend auch als „drehmomentbildende Komponente I_{q (ψ)}“ bezeichnet. Die parallel zur Richtung des Statorflussvektors Ψ ausgerichtete Komponente I_{d (ψ)} stellt eine flussbildende Komponente des Stromvektors I dar.
• Die beiden Komponenten des Stromvektors I, die flussbildende Komponente I_{d (ψ)} und die drehmomentbildende Komponente I_{q (ψ)} können somit in dem zuvor beschriebenen Verfahren ohne weitere Näherungen messtechnisch mithilfe der Messspulen 31 auf den Statorzähnen 22 sowie einer Messung der Strangströme I_u, I_v, I_w bestimmt werden.
• Diese Größen sind zudem Stellgrößen in bekannten Regelverfahren für elektrische Maschinen. Der zuvor aufgezeigte Weg der direkten Bestimmung dieser Größen erlaubt entsprechend eine Regelung einer elektrischen Maschine ohne die Notwendigkeit, diese Größen aus einer mittels eines Positionssensors gemessenen Rotorposition zu bestimmen oder ohne die Unzulänglichkeit der Bestimmung dieser Größen aus modellbasierten Schätzungen.
• 6 zeigt in einem schematischen Blockschaltbild eine Anordnung zur Regelung einer elektrischen Maschine 1 unter Verwendung der direkten Messung von Drehmoment M und Statorfluss Ψ.
• Die Anordnung umfasst einen Umrichter 6 mit Strangstromausgängen 61, über die die Statorwicklungen 24 der elektrischen Maschine 1 bestromt werden. Den Strangstromausgängen 61 sind Strangstromsensoren 62 nachgeschaltet, die (zeitabhängige) Messwerte für die Strangströme I_u, I_v, I_w erfassen.
• Weiter ist eine Auswerteeinheit 7 vorhanden, in der das zuvor beschriebene Verfahren zur Bestimmung des Statorflussvektors Ψ, des Drehmoments M und auch einer Drehzahl n durchführt. Die Auswerteeinheit 7 umfasst Eingänge 71 für die Messspulen 31 und Eingänge 72 für die Strangströme I_u, I_v, I_w. An Ausgängen 73 werden ein momentanes (aktuelles) Drehmoment Mist und die Drehzahl n ausgegeben sowie ein momentaner Statorflussvektor Ψ_ist, vorliegend in Form seines Absolutwertes |Ψ_ist| sowie seiner Winkellage ε.
• Diese Werte werden einer Regelanordnung 8 zugeführt, die den eigentlichen Regler 81 sowie einen Koordinatentransformator 85 umfasst. Im Regler 81 werden die zugeführten Ist-Werte des Drehmoments Mist und Statorfluss |Ψ_ist| mit entsprechenden Soll-Werten des Drehmoments M_soll und Ψ_soll verglichen, die an Soll-Wert-Eingängen 82, 83 zugeführt werden. Üblicherweise wird dabei der Drehmoment-Soll-Wert M_soll unmittelbar zugeführt und stellt die Regelvorgabe für die elektrische Maschine 1 dar. Der Soll-Wert für den Statorfluss Ψ_soll wird mithilfe einer Vorgabeeinheit 9 aus dem Drehmoment-Soll-Wert M_soll und der Drehzahl n berechnet, wobei die Vorgabeeinheit 9 eine gewünschte drehzahlabhängige Beziehung zwischen dem Drehmoment-Soll-Wert M_soll und dem Statorfluss-Soll-Wert Ψ_soll in einem vorgegebenen und abgespeicherten Kennlinienfeld umfasst.
• Der Regler 81 gibt an Regelausgängen 84 als Stellgrößen Spannungen U_d, U_q für die Strangwicklungen der elektrischen Maschine aus. An den Regelausgängen 84 werden diese Spannungen im d/q-Koordinatensystem ausgegeben und im Koordinatentransformator 85 in die eigentlichen Vorgaben für Strangspannungen U_u, U_v, U_w für den Wechselrichter 6 umgewandelt, die an Strang-Regelausgängen 86 diesen bereitgestellt werden.
• Die 6 zeigt somit eine feldorientierte Regelung für die elektrische Maschine 1 auf Basis einer direkten Messung der Regelgrößen.
• 7 zeigt eine Abwandlung dieser feldorientierten Regelung, deren Regelprinzip als Direkt-Momentregelung (DTC - Direct Torque Control) bekannt ist. Gleiche Bezugszeichen kennzeichnen in dieser Figur gleiche oder gleich wirkende Elemente wie bei 6.
• Im Unterschied zu dem Beispiel der 6 wird der Umrichter 6 nicht über Vorgaben für die Strangspannungen U_u, U_v, U_w für die Strangwicklungen 24 angesteuert, sondern über Schaltzustände S_u, S_v, S_w, die unmittelbar Schaltorgange ansteuern, die die Strangwicklungen 24 in einem Pulsweitenmodulationsverfahren ansteuern. Zu diesem Zweck ist anstelle des Koordinatentransformators 85 eine Schalttabelle 87 vorgesehen, wobei eine Auswahl der Schaltzustände S_u, S_v, S_w anhand des Regelausgangs 84 des Reglers 81 erfolgt.
• Auch hierbei ist relevant, dass der Ist-Wert des Drehmoments M_ist und der Ist-Wert des Statorflusses Ψ_ist unmittelbar aus den Messwerten der Messsensoren 31 sowie der gemessenen Strangströme I_u, I_v, I_w bestimmt werden. Eine Schätzung dieser Werte oder eine Berücksichtigung von sonstigen Maschinenparametern, die sich im Betrieb verändern könnten, wird nicht benötigt.
• Bezugszeichenliste

1

elektrische Maschine

2

Stator

20

Statorfeldlinien

21

Statorjoch

22

Statorzahn

23

Statornut

24

Strangwicklung

3

Luftspalt

30

Luftspaltfeldlinien

31

Messspule

4

Rotor

40

Rotorfeldlinien

41

Rotorjoch

42

Permanentmagnet

43

Kavität

5

Polteilung

6

Umrichter

61

Umrichterausgang

62

Strangstromsensor

7

Auswerteeinheit

71

Messsensoreingänge

72

Strangstromeingänge

73

Parameterausgänge

8

Reglerkomponente

81

Regler

82

Drehmoment-Sollwerteingang

83

Flussverkettungs-Sollwerteingang

84

Regelausgang

85

Koordinatentransformator

86

Strang-Regelausgang

9

Vorgabeeinheit

u, v, w

Phase (bzw. Strangindex)

N1, N2

Wicklungszahl

Iu, Iv, Iw

Strangstrom

Ia, Ib

Strangstrom (im orthogonalen a/b-Koordinatensystem)

Id, Iq

Strangstrom (im mitrotierenden d/q-Koordinatensystem)

I

Strangstrom (in vektorieller Darstellung)

Ψ1 - Ψ12

gemessener magnetischer Verkettungsfluss

Ψu, Ψv, Ψw

magnetischer Verkettungsfluss

Ψa, Ψb

magnetischer Verkettungsfluss (im orthogonalen a/b-Koordinatensystem)

Ψ

magnetischer Verkettungsfluss (in vektorieller Darstellung)

Ψist

momentaner magnetischer Verkettungsfluss (in vektorieller Darstellung)

|Ψist|

Absolutwert des momentanen magnetischen Verkettungsflusses

ε

Winkellage

Ψsoll

Sollwert des magnetischer Verkettungsflusses

M

Drehmoment

Mist

momentanes Drehmoment

Msoll

Sollwert des Drehmoments

N

Drehzahl

Uu, Uv, Uw

Strangspannung

Su, Sv, Sw

Schaltzustand

• 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
• WO 2013/079502 A [0005]
• WO 2019/101688 A1 [0007]

Claims (14)

1. Verfahren zum Regeln einer elektrischen Maschine (1) unter Verwendung von Messspulen (31), die in einem zwischen einem Stator (2) und einem Rotor (4) der elektrischen Maschine liegenden Luftspalt (3) angeordnet sind, wobei mehrere Strangwicklungen (24) vorhanden sind, die verschiedenen elektrischen Phasen (u, v, w) zugeordnet sind, aufweisend die folgenden Schritte: - Messen von magnetischen Verkettungsflüssen (Ψ₁ - Ψ₁₂) in dem Luftspalt (3) mithilfe der Messspulen (31); - Bestimmen von magnetischen Verkettungsflüssen (Ψ_u, Ψ_v, Ψ_w) der mehreren Strangwicklungen (24) der verschiedenen Phasen (u, v, w); - Transformieren der bestimmten magnetischen Verkettungsflüsse (Ψ_u, Ψ_v, Ψ_w) in ein statorfestes orthogonales Koordinatensystem, um orthogonale magnetische Verkettungsflüsse (Ψ_a, Ψ_b) zu erhalten; - Messen von Strangströmen (I_d, I_v, I_w), die durch die mehreren Strangwicklungen (24) fließen; - Transformieren der gemessenen Strangströme (I_u, I_v, I_w) in das statorfeste orthogonale Koordinatensystem, um orthogonale Strangströme (l_a, I_b) zu erhalten; - Ermitteln eines momentanen Drehmoments (Mist) und/oder einer flussbildenden Komponente (I_d) eines aus den orthogonalen Strangströme (l_a, I_b) gebildeten Strangstromvektors (I) aus den orthogonalen magnetischen Verkettungsflüssen (Ψ_a, Ψ_b) und den orthogonalen Strangströmen (l_a, I_b); und - Regeln der elektrischen Maschine (1) basierend auf dem so bestimmten momentanen Drehmoment (Mist) und/oder der flussbildenden Komponente (I_d).
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das momentane Drehmoment (Mist) anhand des Kreuzprodukts der orthogonalen magnetischen Verkettungsflüsse (Ψ_a, Ψ_b) und der orthogonalen Strangströme (l_a, I_b) bestimmt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das momentane Drehmoment (M_ist) mit einem vorgegebenen Sollwert des Drehmoments (M_soll) verglichen wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die flussbildende Komponente (I_d) des Strangstromvektors (I) durch eine Projektion des Strangstromvektors (I) auf einen aus den orthogonalen magnetische Verkettungsflüssen (Ψ_a, Ψ_b) gebildeten Verkettungsflussvektors (Ψ) bestimmt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die flussbildende Komponente (I_d) des Strangstromvektors (I) mit einem Sollwert für diese Komponente verglichen wird, der anhand des Sollwerts des Drehmoments (M_soll) bestimmt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem der Sollwert für diese Komponente anhand einer vorgegebenen Tabelle anhand des Sollwerts des Drehmoments (M_soll) bestimmt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Regelung als feldorientierte Regelung ausgebildet ist.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Regelung als direkte Drehmomentregelung ausgebildet ist.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem aus den orthogonale magnetische Verkettungsflüsse (Ψ_a, Ψ_b) eine Rotorposition und/oder eine Rotordrehzahl ermittelt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem eine Mehrzahl von Messspulen (31) eingesetzt wird, die jeweils auf einem Statorzahn (22) des Stators (2) angeordnet sind.
11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die Messspulen (31) Planarspulen sind, die auf Folien aufgebracht sind.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, bei dem die magnetischen Verkettungsflüssen (Ψ_u, Ψ_v, Ψ_w) der mehreren Strangwicklungen (24) der verschiedenen Phasen (u, v, w) aus Messwerten der Mehrzahl der Messspulen (31) unter Berücksichtigung eines vorbekannten Wicklungsschemas der Strangwicklungen (24) um die Statorzähne (22) bestimmt werden.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem die gemessenen Strangströme (I_u, I_v, I_w) und/oder magnetischen Verkettungsflüsse (Ψ_u, Ψ_v, Ψ_w) untereinander, mit Erwartungswerten und/oder mit zuvor ermittelten Werten zu Diagnosezwecken verglichen werden.
14. System zum Regeln einer elektrischen Maschine (1) unter Verwendung von Messspulen (31), die in einem zwischen einem Stator (2) und einem Rotor (4) der elektrischen Maschine liegenden Luftspalt (3) angeordnet sind, aufweisend eine Auswerteeinheit (7) zum Auswerten von Messwerten der Messspulen (31) und eines Reglers (81), der mit Ist-Wert Eingängen mit der Auswerteeinheit verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (7) und der dem Regler (81) zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 13 eingerichtet ist.

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