DE102022002655A1 - Verfahren zur Erfassung eines Drehwinkels eines Rotors einer elektrischen Maschine und elektrische Maschine - Google Patents

Verfahren zur Erfassung eines Drehwinkels eines Rotors einer elektrischen Maschine und elektrische Maschine Download PDF

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Daniel Tritschler
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    • H02P6/00Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
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    • H02P25/08Reluctance motors
    • H02P25/086Commutation
    • H02P25/089Sensorless control

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung eines Drehwinkels (Θr) eines Rotors (20) einer elektrischen Maschine relativ zu einem Stator (10) der elektrischen Maschine um eine Drehachse (D), wobei eine Statorspannung (us) gemessen wird; ein Statorstrom (is) gemessen wird; ein Statorfluss (Ψs) ermittelt wird; ein Längsfluss (Ψsub) als Produkt des Statorstroms (is) und einer Längsinduktivität (Ld) berechnet wird; ein resultierender Fluss (ΨAFq) als Differenz aus dem Statorfluss (Ψs) und dem Längsfluss (Ψsub) ermittelt wird; und der Drehwinkel (Or) des Rotors (20) aus einer Orientierung des resultierenden Flusses (ΨAFq) relativ zu einer Statorlängsrichtung (a) ermittelt wird; wobei die Längsinduktivität (Ld) aus einem Betrag des Statorflusses (Ψs) und einem Betrag des Statorstroms (is) ermittelt wird. Die Erfindung betrifft auch eine elektrische Maschine, insbesondere einen Reluktanzmotor, welche einen Stator (10) sowie einen relativ zu dem Stator (10) um eine Drehachse (D) drehbaren Rotor (20) und eine Steuereinheit, welche zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist, umfasst.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung eines Drehwinkels eines Rotors einer elektrischen Maschine relativ zu einem Stator der elektrischen Maschine um eine Drehachse. Die Erfindung betrifft auch eine elektrische Maschine, insbesondere einen Reluktanzmotor.
  • Aus der DE 10 2008 032 214 B4 ist ein Reluktanzmotor bekannt, welcher einen Rotor und einen Stator aufweist. Der Rotor umfasst in Umfangsrichtung regelmäßig angeordnete Aussparbereiche, wobei zwischen den Aussparbereichen Polbereiche angeordnet sind. Der Rotor ist als Blechpaket ausgeführt, wobei aus den Blechteilen die Aussparungen ausgestanzt sind.
  • Zur Regelung von Drehzahl und Drehmoment eines Reluktanzmotors ist es notwendig, im Betrieb die aktuelle Rotorstellung, also den Drehwinkel des Rotors relativ zu dem Stator, zu kennen. Es ist bekannt, einen Drehgeber an dem Rotor vorzusehen, mittels welchem der Drehwinkel messbar ist. Im Fall eines Defekts des Drehgebers ist ein solcher Reluktanzmotor nicht weiter betreibbar. Zur Einsparung von Kosten, unter anderem für Kabel, Stecker und den Drehgeber sowie zur Erhöhung der Verfügbarkeit ist es von Vorteil, den Reluktanzmotor mit einem Verfahren zur Erfassung des Drehwinkels zu betreiben, welches keinen Drehgeber benötigt.
  • Aus der EP 3 826 169 A1 ist ein Verfahren zur eindeutigen Zuordnung der Flussverkettung zur Rotorlage einer Synchronmaschine, welche einen Stator und einen Rotor umfasst, bekannt. Dabei wird die Synchronmaschine über getaktete Klemmspannungen angesteuert, und aus diesen und der gemessenen Stromantwort wird die magnetische Flussverkettung berechnet. Der Verlauf der Flussverkettung über der Rotordrehung wird unter der Randbedingung eines in Statorkoordinaten unveränderten, mindestens zweidimensionalen Stromvektors als Schlüsselinformation zur Lagezuordnung verwendet.
  • Aus dem Dokument Boldea, I.; Paicu, M. C.; Andreescu, G.-D.: „Active Flux Concept for Motion-Sensorless Unified AC Drives,“ in: IEEE Trans. on Power Electronics, vol. 23, no.5, 2008, pp. 2612-2618 ist ein Verfahren zur Drehwinkelerfassung durch Auswertung des magnetischen Flusses in Rotor und Stator bekannt. Dabei wird ein Flusszeiger bestimmt, der immer in Rotorlängsrichtung zeigt.
  • Aus dem Dokument Paicu, M. C.; et al.: „Wide Speed Range Sensorless Control of PM-RSM Via „Active Flux Model“," in: Proc. IEEE Energy Conversion Congress and Exposition, San Jose, 2009, pp. 3822-3829 ist ein Verfahren zur Drehwinkelerfassung durch Auswertung des magnetischen Flusses in Rotor und Stator bekannt, bei dem ein Flusszeiger bestimmt wird, der immer in negative Rotorquerrichtung zeigt.
  • Aus der EP 1 086 525 B1 ist ein Verfahren zur Reduzierung von Fehlern bei der Bestimmung von Rotorwinkeln in Synchronmaschinen bekannt.
  • Aus der EP 2 474 091 B1 ist ein Verfahren zur Bestimmung der Rotorlage einer feldorientiert betriebenen Synchronmaschine bekannt.
  • Aus der EP 2 283 572 B1 ist ein Steuer- und Regelverfahren für einen Umrichter bekannt. Der Umrichter speist dabei einen Elektromotor.
  • Aus der EP 3 157 158 B1 ist ein Steuerverfahren zum Identifizieren der Induktanzwerte eines synchronen Elektromotors mit variabler Reluktanz bekannt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erfassung eines Drehwinkels eines Rotors einer elektrischen Maschine sowie eine elektrische Maschine weiterzubilden.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Erfassung eines Drehwinkels eines Rotors einer elektrischen Maschine mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß auch durch eine elektrische Maschine mit den in Anspruch 10 angegebenen Merkmalen gelöst.
  • Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Erfassung eines Drehwinkels eines Rotors einer elektrischen Maschine relativ zu einem Stator der elektrischen Maschine um eine Drehachse wird eine Statorspannung gemessen und ein Statorstrom wird gemessen. Auch wird ein Statorfluss ermittelt. Ferner wird ein Längsfluss als Produkt des Statorstroms und einer Längsinduktivität berechnet. Ferner wird ein resultierender Fluss als Differenz aus dem Statorfluss und dem Längsfluss ermittelt. Der Drehwinkel des Rotors wird aus einer Orientierung des resultierenden Flusses relativ zu einer Statorlängsrichtung ermittelt. Dabei wird die Längsinduktivität aus einem Betrag des Statorflusses und einem Betrag des Statorstroms ermittelt.
  • Der Stator umfasst eine Mehrzahl von Wicklungen. Eine Wicklungsachse der ersten Wicklung definiert die Statorlängsrichtung. Der Rotor dreht um die Drehachse relativ zu dem Stator. Der Rotor weist in Richtungen rechtwinklig zu der Drehachse eine anisotrope Induktivität auf. Somit weist auch die elektrische Maschine eine anisotrope Induktivität auf, welche von dem Drehwinkel des Rotors abhängt. Wenn eine Rotorlängsrichtung des Rotors mit der Statorlängsrichtung fluchtet, so entspricht die Induktivität der elektrischen Maschine in Statorlängsrichtung der Längsinduktivität. Wenn eine Rotorquerrichtung des Rotors mit der Statorlängsrichtung fluchtet, so entspricht die Induktivität der elektrischen Maschine in Statorlängsrichtung der Querinduktivität. Bei einem Reluktanzmotor ist die Längsinduktivität größer als die Querinduktivität.
  • Dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Längsinduktivität nicht konstant ist, sondern unter anderem von einer magnetischen Sättigung der elektrischen Maschine abhängt. Insbesondere ist die Längsinduktivität von dem Betrag des Statorflusses sowie von dem Betrag des Statorstroms in einem jeweiligen Arbeitspunkt der elektrischen Maschine abhängig. In Rotorkoordinaten errechnet sich die Längsinduktivität Ld zu: L d = ψ d i d
    Figure DE102022002655A1_0001
  • Dabei ist Ψd ein Anteil des Statorflusses in Rotorlängsrichtung und somit eine skalare Größe. Dabei ist id ein Anteil des Statorstroms in Rotorlängsrichtung und somit eine skalare Größe.
  • Ferner basiert das erfindungsgemäße Verfahren auf der Erkenntnis, dass die Orientierung des resultierenden Flusses der negativen Rotorquerrichtung entspricht. Der resultierende Fluss verläuft somit um 90° versetzt zu der Rotorlängsrichtung.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet eine präzise Erfassung des Drehwinkels des Rotors in einem verhältnismäßig großen Arbeitsbereich. Ein Schätzwert für den Drehwinkel ist dabei nicht erforderlich. Die Präzision der Erfassung hängt annähernd ausschließlich von der Qualität der Messung der relevanten Prozessgrößen, insbesondere der Richtung und dem Betrag des Statorstroms sowie des Statorflusses, ab.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die elektrische Maschine als Reluktanzmotor ausgebildet. Das erfindungsgemäße Verfahren ist aber auch auf andere, insbesondere dreiphasige, elektrische Maschinen anwendbar, beispielsweise auf PermanentMagneten-Synchronmotoren sowie elektrisch erregte Synchronmotoren. Ferner ist das erfindungsgemäße Verfahren auf elektrische Maschinen mit einem Polpaar sowie auf elektrische Maschinen mit einer Mehrzahl an Polpaaren anwendbar.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird zur Ermittlung der Längsinduktivität ein Wert aus einer zuvor erstellten Längsinduktivitätstabelle entnommen. Die Längsinduktivitätstabelle beschreibt eine Abhängigkeit der Längsinduktivität von dem Betrag des Statorflusses und dem Betrag des Statorstroms. Der Wert, welcher der Längsinduktivitätstabelle entnommen wird, ist dabei dem Betrag des Statorflusses und dem Betrag des Statorstroms zugeordnet. Die Längsinduktivitätstabelle wird also nicht im Betrieb der elektrischen Maschine erzeugt, sondern liegt im Betrieb bereits vor.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird dabei verfahrensvorbereitend die Abhängigkeit der Längsinduktivität von dem Betrag des Statorflusses und dem Betrag des Statorstroms ermittelt, und die Längsinduktivitätstabelle wird erstellt. Die besagte Abhängigkeit wird beispielsweise unmittelbar nach der Produktion oder bei der Inbetriebnahme der elektrischen Maschine einmalig ermittelt. Die bei einer elektrischen Maschine ermittelte Abhängigkeit ist auch auf baugleiche elektrische Maschinen übertragbar.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird zur Ermittlung der Längsinduktivität ein Wert mittels einer zuvor erstellten Rechenanweisung berechnet. Die Rechenanweisung beschreibt eine Abhängigkeit der Längsinduktivität von dem Betrag des Statorflusses und dem Betrag des Statorstroms. Der besagte Wert wird dabei aus dem Betrag des Statorflusses und dem Betrag des Statorstroms berechnet. Die Rechenanweisung wird also nicht im Betrieb der elektrischen Maschine erzeugt, sondern liegt im Betrieb bereits vor.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird dabei verfahrensvorbereitend die Abhängigkeit der Längsinduktivität von dem Betrag des Statorflusses und dem Betrag des Statorstroms ermittelt, und die Rechenanweisung wird, insbesondere in Form einer mathematischen Funktion, erstellt. Die besagte Abhängigkeit wird beispielsweise unmittelbar nach der Produktion oder bei der Inbetriebnahme der elektrischen Maschine einmalig ermittelt.
  • Die bei einer elektrischen Maschine ermittelte Abhängigkeit ist auch auf baugleiche elektrische Maschinen übertragbar.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird der Statorfluss durch Integration einer inneren Spannung an dem Stator über die Zeit ermittelt.
  • Dabei wird die innere Spannung vorzugsweise als Differenz aus der Statorspannung, die an den Klemmen der elektrischen Maschine anliegt, und einem ohmschen Anteil der Statorspannung berechnet. Der ohmsche Anteil der Statorspannung wird dabei als Produkt aus dem Statorstrom und einem ohmschen Statorwiderstand berechnet. Der ohmsche Statorwiderstand ist eine annähernd konstante Größe und im Betrieb der elektrischen Maschine bekannt.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Drehwinkel des Rotors durch Addition von 90° zu der Orientierung des resultierenden Flusses relativ zu der Statorlängsrichtung ermittelt. So ergibt sich der Drehwinkel des Rotors relativ zu der Statorlängsrichtung.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird der ermittelte Drehwinkel des Rotors einer Phasenregelschleife zugeführt. Durch die Phasenregelschleife, welche wie ein Tiefpass fungiert, sind Störsignale reduzierbar.
  • Eine erfindungsgemäße elektrische Maschine, insbesondere ein Reluktanzmotor, umfasst einen Stator sowie einen relativ zu dem Stator um eine Drehachse drehbaren Rotor. Die erfindungsgemäße elektrische Maschine umfasst ferner eine Steuereinheit, welche zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist.
  • Bei der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine ist der Drehwinkel des Rotors in einem verhältnismäßig großen Arbeitsbereich präzise erfassbar. Die Präzision der Erfassung hängt annähernd ausschließlich von der Qualität der Messung der relevanten Prozessgrößen, insbesondere der Richtung und dem Betrag des Statorstroms sowie des Statorflusses, ab. Somit ist eine präzise Regelung eines Drehmoments der elektrischen Maschine ermöglicht.
  • Die Erfindung ist nicht auf die Merkmalskombination der Ansprüche beschränkt. Für den Fachmann ergeben sich weitere sinnvolle Kombinationsmöglichkeiten von Ansprüchen und/oder einzelnen Anspruchsmerkmalen und/oder Merkmalen der Beschreibung und/oder der Figuren, insbesondere aus der Aufgabenstellung und/oder der sich durch Vergleich mit dem Stand der Technik stellenden Aufgabe.
  • Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert. Die Erfindung ist nicht auf die in den Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Die Abbildungen stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar. Es zeigen:
    • 1: eine schematische Schnittdarstellung eines Reluktanzmotors,
    • 2: ein Zeigerdiagramm zur Darstellung von Kenngrößen des Reluktanzmotors und
    • 3: eine schematische Darstellung eines Flussdiagramms zur Erfassung eines Drehwinkels eines Rotors des Reluktanzmotors.
  • 1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Reluktanzmotors. Der Reluktanzmotor ist eine elektrische Maschine und umfasst einen Stator 10 sowie einen Rotor 20. Der Rotor 20 ist um eine Drehachse D relativ zu dem Stator 10 drehbar. Der hier gezeigte Reluktanzmotor weist ein Polpaar auf. Es ist aber auch denkbar, dass der Reluktanzmotor eine Mehrzahl an Polpaaren aufweist.
  • Der Stator 10 des Reluktanzmotors umfasst eine erste Wicklung, eine zweite Wicklung und eine dritte Wicklung, welche jeweils um 120° versetzt zueinander angeordnet sind. Die erste Wicklung ist vereinfacht durch einen ersten Hinleiter U1 und einen ersten Rückleiter U2 dargestellt. Die zweite Wicklung ist vereinfacht durch einen zweiten Hinleiter V1 und einen zweiten Rückleiter V2 dargestellt. Die dritte Wicklung ist vereinfacht durch einen dritten Hinleiter W1 und einen dritten Rückleiter W2 dargestellt. Die Wicklungen sind dabei in einer Sternschaltung miteinander verschaltet. Eine von einem Strom durchflossene Wicklung erzeugt jeweils ein Magnetfeld.
  • Eine Wicklungsachse der ersten Wicklung definiert eine Statorlängsrichtung a. Die Statorlängsrichtung a erstreckt sich dabei rechtwinklig zu der Drehachse D. Eine Statorquerrichtung b erstreckt sich ebenfalls rechtwinklig zu der Drehachse D. Im vorliegenden Fall, wenn der Reluktanzmotor ein Polpaar aufweist, erstreckt sich die Statorquerrichtung b rechtwinklig zu der Statorlängsrichtung a.
  • Der Rotor 20 ist aus einem ferromagnetischen oder weichmagnetischen Stoff gefertigt. Der Rotor 20 weist Flusssperren 24 auf. Bei den Flusssperren 24 handelt es sich um Aussparungen in dem Rotor 20. Die Flusssperren 24 sind mit einem nichtmagnetischen Material gefüllt, beispielsweise Luft oder Kunststoff. Aufgrund der Flusssperren 24 weist der Rotor 20 eine anisotrope Induktivität auf. Somit weist auch die elektrische Maschine eine anisotrope Induktivität auf, welche von einem Drehwinkel Or des Rotors 20 relativ zu dem Stator 10 abhängt.
  • Wenn eine Rotorlängsrichtung d des Rotors 20 mit der Statorlängsrichtung a fluchtet, so weist die elektrische Maschine eine Längsinduktivität Ld auf. Wenn eine Rotorquerrichtung q des Rotors 20 mit der Statorlängsrichtung a fluchtet, so weist die elektrische Maschine eine Querinduktivität Lq auf. Bei einem Reluktanzmotor ist die Längsinduktivität Ld die größtmögliche Induktivität, und die Querinduktivität Lq ist die kleinstmögliche Induktivität. Die Längsinduktivität Ld ist somit größer als die Querinduktivität Lq.
  • Die Rotorlängsrichtung d erstreckt sich dabei rechtwinklig zu der Drehachse D. Die Rotorquerrichtung q erstreckt sich ebenfalls rechtwinklig zu der Drehachse D. Im vorliegenden Fall, wenn der Reluktanzmotor ein Polpaar aufweist, erstreckt sich die Rotorquerrichtung q rechtwinklig zu der Rotorlängsrichtung d. Der Drehwinkel Or entspricht einem Winkel zwischen der Statorlängsrichtung a und der Rotorlängsrichtung d.
  • 2 zeigt ein Zeigerdiagramm zur Darstellung von Kenngrößen des Reluktanzmotors. Ein Drehwinkel Θr des Rotors 20 relativ zu dem Stator 10 entspricht einem Winkel zwischen der Statorlängsrichtung a und der Rotorlängsrichtung d. An den Wicklungen des Stators 10 liegt eine hier nicht dargestellte dreiphasige Statorspannung us an. In den Wicklungen des Stators 10 fließt ein dreiphasiger Statorstrom is, welcher ein drehendes Magnetfeld in dem Stator 10 erzeugt. Das Magnetfeld dreht mit der Frequenz der Statorspannung us, welche der Frequenz des Statorstroms is entspricht.
  • Der Statorfluss Ψs ergibt sich durch Integration einer inneren Spannung ui an dem Stator 10 über die Zeit: Ψ s = ( u i ) d t
    Figure DE102022002655A1_0002
  • Die innere Spannung ui entspricht einer Differenz aus der Statorspannung us und einem ohmschen Anteil der Statorspannung us. Der ohmsche Anteil der Statorspannung us ergibt sich als Produkt aus dem Statorstrom is und einem ohmschen Statorwiderstand Rs: u i = u s R s i s
    Figure DE102022002655A1_0003
  • Ein Längsfluss Ψsub ergibt sich als Produkt des Statorstroms is und der Längsinduktivität Ld: Ψ sub = L d i s
    Figure DE102022002655A1_0004
  • Die Längsinduktivität Ld ist dabei nicht konstant, sondern ist unter anderem von einer magnetischen Sättigung der elektrischen Maschine abhängig. Insbesondere ist die Längsinduktivität Ld von einem Betrag des Statorflusses Ψs und einem Betrag des Statorstroms is abhängig. Der Längsfluss Ψsub verläuft somit parallel zu dem Statorstrom is.
  • Ein resultierender Fluss ΨAFq ergibt sich als Differenz aus dem Statorfluss Ψs und dem Längsfluss Ψsub: Ψ AFq= Ψ s Ψ sub
    Figure DE102022002655A1_0005
  • Die Orientierung des resultierenden Flusses ΨAFq ist der Rotorquerrichtung q entgegengesetzt, entspricht also der negativen Rotorquerrichtung q. Der resultierende Fluss ΨAFq verläuft somit um 90° versetzt zu der Rotorlängsrichtung d.
  • Der Drehwinkel Θr des Rotors 20 ist aus der Orientierung des resultierenden Flusses ΨAFq relativ zu der Statorlängsrichtung a ermittelbar. Der Drehwinkel Or des Rotors 20 ergibt sich durch Addition von 90° zu der Orientierung des resultierenden Flusses ΨAFq relativ zu der Statorlängsrichtung a.
  • 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Flussdiagramms zur Erfassung eines Drehwinkels Or des Rotors 20 des Reluktanzmotors relativ zu dem Stator 10 des Reluktanzmotors. Die an dem Stator 10 anliegende Statorspannung us und der durch den Stator 10 fließende Statorstrom is werden gemessen. Die Statorspannung us ist beispielsweise auch von einem Stromregler übernehmbar, welcher den Statorstrom is einspeist.
  • Der gemessene Statorstrom is wird von einem ersten Multiplizierer 33 mit dem ohmschen Statorwiderstand Rs multipliziert. Das Produkt aus dem Statorstrom is und dem ohmschen Statorwiderstand Rs wird von einem ersten Subtrahierer 31 von der Statorspannung us subtrahiert. Der erste Subtrahierer 31 berechnet so die innere Spannung ui als Differenz aus der Statorspannung us und einem ohmschen Anteil der Statorspannung us.
  • Die innere Spannung ui wird einem Integrierer 36 zugeführt. Der Integrierer 36 integriert die innere Spannung ui über die Zeit. Der Integrierer 36 ermittelt so den Statorfluss Ψs in Statorkoordinaten.
  • Der Statorfluss Ψs wird einem ersten Betragsbilder 37 zugeführt, welcher einen Betrag des Statorflusses Ψs berechnet. Der gemessene Statorstrom is wird einem zweiten Betragsbilder 38 zugeführt, welcher einen Betrag des Statorstroms is berechnet. Aus dem Betrag des Statorflusses Ψs und dem Betrag des Statorstroms is wird die Längsinduktivität Ld ermittelt.
  • Der gemessene Statorstrom is und die ermittelte Längsinduktivität Ld werden einem zweiten Multiplizierer 34 zugeführt. Von dem zweiten Multiplizierer 34 wird der Längsfluss Ψsub als Produkt des Statorstroms is und der Längsinduktivität Ld berechnet.
  • Der Längsfluss Ψsub wird von einem zweiten Subtrahierer 32 von dem Statorfluss Ψs subtrahiert. Der zweite Subtrahierer 32 berechnet so den resultierenden Fluss ΨAFq als Differenz aus dem Statorfluss Ψs und dem Längsfluss Ψsub.
  • Der resultierende Fluss ΨAFq wird einer Arkustangensfunktion 39 zugeführt. Die Arkustangensfunktion 39 ermittelt daraus die Orientierung des resultierenden Flusses ΨAFq relativ zu der Statorlängsrichtung a. Von einem Addierer 35 wird zu der Orientierung des resultierenden Flusses ΨAFq relativ zu der Statorlängsrichtung a ein Wert von π/2 addiert, was einem Winkel von 90° entspricht.
  • Der von dem Addierer 35 berechnete Wert entspricht dem Drehwinkel Or des Rotors 20, ist aber eventuell mit einem Rauschen behaftet. Der von dem Addierer 35 berechnete Wert wird daher einer Phasenregelschleife 40 zugeführt. Die Phasenregelschleife 40, welche wie ein Tiefpass fungiert, reduziert Störsignale und ermittelt den Drehwinkel er des Rotors 20. Die Phasenregelschleife 40 ist entbehrlich, wenn der von dem Addierer 35 berechnete Wert nicht oder nur gering mit Rauschen behaftet ist.
  • Der Drehwinkel Or des Rotors 20 wird somit durch eine Addition von 90° zu der Orientierung des resultierenden Flusses ΨAFq relativ zu der Statorlängsrichtung a ermittelt.
  • Bezugszeichenliste
  • 10
    Stator
    20
    Rotor
    24
    Flusssperre
    31
    erster Subtrahierer
    32
    zweiter Subtrahierer
    33
    erster Multiplizierer
    34
    zweiter Multiplizierer
    35
    Addierer
    36
    Integrierer
    37
    erster Betragsbilder
    38
    zweiter Betragsbilder
    39
    Arkustangensfunktion
    40
    Phasenregelschleife
    D
    Drehachse
    Ld
    Längsinduktivität
    Lq
    Querinduktivität
    Rs
    ohmscher Statorwiderstand
    a
    Statorlängsrichtung
    b
    Statorquerrichtung
    d
    Rotorlängsrichtung
    q
    Rotorquerrichtung
    U1
    erster Hinleiter
    U2
    erster Rückleiter
    V1
    zweiter Hinleiter
    V2
    zweiter Rückleiter
    W1
    dritter Hinleiter
    W2
    dritter Rückleiter
    us
    Statorspannung
    ui
    innere Spannung
    is
    Statorstrom
    Or
    Drehwinkel
    Ψs
    Statorfluss
    Ψsub
    Längsfluss
    ΨAFq
    resultierender Fluss
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102008032214 B4 [0002]
    • EP 3826169 A1 [0004]
    • EP 1086525 B1 [0007]
    • EP 2474091 B1 [0008]
    • EP 2283572 B1 [0009]
    • EP 3157158 B1 [0010]

Claims (11)

  1. Verfahren zur Erfassung eines Drehwinkels (Or) eines Rotors (20) einer elektrischen Maschine relativ zu einem Stator (10) der elektrischen Maschine um eine Drehachse (D), wobei eine Statorspannung (us) gemessen wird; ein Statorstrom (is) gemessen wird; ein Statorfluss (Ψs) ermittelt wird; ein Längsfluss (Ψsub) als Produkt des Statorstroms (is) und einer Längsinduktivität (Ld) berechnet wird; ein resultierender Fluss (ΨAFq) als Differenz aus dem Statorfluss (Ψs) und dem Längsfluss (Ψsub) ermittelt wird; und der Drehwinkel (Or) des Rotors (20) aus einer Orientierung des resultierenden Flusses (ΨAFq) relativ zu einer Statorlängsrichtung (a) ermittelt wird; wobei die Längsinduktivität (Ld) aus einem Betrag des Statorflusses (Ψs) und einem Betrag des Statorstroms (is) ermittelt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die elektrische Maschine als Reluktanzmotor ausgebildet ist.
  3. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei zur Ermittlung der Längsinduktivität (Ld) ein Wert aus einer zuvor erstellten Längsinduktivitätstabelle, welche eine Abhängigkeit der Längsinduktivität (Ld) von dem Betrag des Statorflusses (Ψs) und dem Betrag des Statorstroms (is) beschreibt, entnommen wird, welcher dem Betrag des Statorflusses (Ψs) und dem Betrag des Statorstroms (is) zugeordnet ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei verfahrensvorbereitend die Abhängigkeit der Längsinduktivität (Ld) von dem Betrag des Statorflusses (Ψs) und dem Betrag des Statorstroms (is) ermittelt wird und die Längsinduktivitätstabelle erstellt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei zur Ermittlung der Längsinduktivität (Ld) ein Wert mittels einer zuvor erstellten Rechenanweisung, welche eine Abhängigkeit der Längsinduktivität (Ld) von dem Betrag des Statorflusses (Ψs) und dem Betrag des Statorstroms (is) beschreibt, aus dem Betrag des Statorflusses (Ψs) und dem Betrag des Statorstroms (is) berechnet wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei verfahrensvorbereitend die Abhängigkeit der Längsinduktivität (Ld) von dem Betrag des Statorflusses (Ψs) und dem Betrag des Statorstroms (is) ermittelt wird und die Rechenanweisung, insbesondere in Form einer mathematischen Formel, erstellt wird.
  7. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Statorfluss (Ψs) durch Integration einer inneren Spannung (ui) an dem Stator (10) über die Zeit ermittelt wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die innere Spannung (ui) als Differenz aus der Statorspannung (us) und einem ohmschen Anteil der Statorspannung (us) berechnet wird, wobei der ohmsche Anteil der Statorspannung (us) als Produkt aus dem Statorstrom (is) und einem ohmschen Statorwiderstand (Rs) berechnet wird.
  9. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Drehwinkel (Or) des Rotors (20) durch Addition von 90° zu der Orientierung des resultierenden Flusses (ΨAFq) relativ zu der Statorlängsrichtung (a) ermittelt wird.
  10. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der ermittelte Drehwinkel (Or) des Rotors (20) einer Phasenregelschleife (40) zugeführt wird.
  11. Elektrische Maschine, insbesondere Reluktanzmotor, umfassend einen Stator (10) sowie einen relativ zu dem Stator (10) um eine Drehachse (D) drehbaren Rotor (20) und eine Steuereinheit, welche zur Ausführung des Verfahrens nach einem der vorangegangenen Ansprüche eingerichtet ist.
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