DE102022211097A1

DE102022211097A1 - Verfahren zum Optimieren eines Betriebs einer elektrisch betreibbaren Maschine

Info

Publication number: DE102022211097A1
Application number: DE102022211097.8A
Authority: DE
Inventors: Artem Babajanyan
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-11-24
Filing date: 2022-10-20
Publication date: 2023-05-25

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren (100) zum Optimieren eines Betriebs einer elektrisch betreibbaren Maschine (200), welche eine oder mehrere Phasen aufweist, umfassend:
- Empfangen (101) einer Mehrzahl von Messwerten (201) einer Betriebsspannung (U) und/oder eines Laststroms (I) und/oder einer induzierten Spannung (U_ind) an einer oder mehrerer Phasen der elektrisch betreibbaren Maschine (200) und eine Umgebungsbedingung, wobei die induzierte Spannung (U_ind) jeweils an der gleichen Phase ohne angelegtem Laststrom (I) ermittelt wird;
- Ermitteln (102) einer Mehrzahl von Magnetkreisspannungsabfällen (U_m-ag) des Magnetkreises der elektrisch betreibbaren Maschine (200) in Abhängigkeit von den empfangenen Messwerten,

U_{m a g} = ƒ (U_{i n d}; U; i);

- Ermitteln (103) eines optimierten Betriebszustands der elektrisch betreibbaren Maschine (200) durch Bestimmen von optimierten Werten der Betriebsspannung (U) in Abhängigkeit von den ermittelten Magnetkreisspannungen (U_mag) und einem Optimierungskriterium.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Optimieren eines Betriebs einer elektrisch betreibbaren Maschine, eine Recheneinheit und ein Computerprogrammprodukt.
Stand der Technik
Die Bestimmung von realen Parametern eines Magnetkreises und die vollständige Beschreibung von realen tatsächlichen Magnetkreiseigenschaften und deren Verhaltenscharakter generell und partikulär für bestimmte Betriebsarten, Anforderungen und Randbedingungen ist eine Grundvoraussetzung für die Erschaffung und den optimalen Einsatz eines elektrischen Antriebes. Die Beschreibung der Parameter der elektrischen Maschine ist bislang begrenzt auf eine Simulationsebene mit erheblichen Vereinfachungen und zahlreichen Limitierungen bei der Beschreibung des Maschinenmodells. Anhand der natürlichen physikalischen Begrenzungen (durch die Existenz der mehrdimensionalen, oft voneinander unabhängigen elektromagnetischen, technischen, material- und fertigungsbedingten Randbedingungen) der Rechentechnikmöglichkeiten und der großen Unterschiede der virtuellen Simulationsmodelle gegenüber den existierenden Maschinen bzw. Mustern ist das Erzielen der realen magnetkreisbeschreibenden Parameter und Charakteristiken auf Simulationsebene beinahe unmöglich oder mit immensen Rechenkapazitäten und einem enormen Zeitaufwand verbunden.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Optimieren eines Betriebs einer elektrisch betreibbaren Maschine bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren zum Optimieren eines Betriebs einer elektrisch betreibbaren Maschine des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der untergeordneten Ansprüche.
Nach einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Optimieren eines Betriebs einer elektrisch betreibbaren Maschine bereitgestellt, umfassend: Empfangen einer Mehrzahl von Messwerten einer Betriebsspannung und/oder eines Laststroms und/oder einer induzierten Spannung an einer oder mehrerer Phasen der elektrisch betreibbaren Maschine und eine Umgebungsbedingung, wobei die induzierte Spannung jeweils an der gleichen Phase ohne angelegtem Laststrom ermittelt wird.
Ermitteln einer Mehrzahl von Magnetkreisspannungsabfällen des Magnetkreises der elektrisch betreibbaren Maschine in Abhängigkeit von den empfangenen Messwerten, $U_{m a g} = ƒ (U_{i n d}; U; i) .$
Ermitteln eines optimierten Betriebszustands der elektrisch betreibbaren Maschine durch Bestimmen von optimierten Werten der Betriebsspannung in Abhängigkeit von den ermittelten Magnetkreisspannungen und einem Optimierungskriterium.
Hierdurch kann der technische Vorteil erreicht werden, dass ein verbessertes Verfahren zum Optimieren eines Betriebs einer elektrisch betreibbaren Maschine bereitgestellt werden kann.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung werden Messwerte einer Betriebsspannung und/oder eines Laststroms einer unter verschiedenen Lasten betriebenen elektrisch betreibbaren Maschine und Werte eine Umgebungsbedingung empfangen. Basierend auf den empfangenen Messwerten des Laststroms und der ermittelten Werte der Umgebungsbedingung wird für wenigstens eine vorbestimmte Last ein optimierter Wert der Betriebsspannung ermittelt und somit der optimierte Betriebszustand der elektrisch betreibbaren Maschine für den vorbestimmten Wert der Last ermittelt. Für den jeweiligen vorbestimmten Wert der Last der elektrisch betreibbaren Maschine kann somit bei Anlegen der derart ermittelten Betriebsspannung die jeweilige elektrisch betreibbare Maschine im optimierten Betriebszustand betrieben werden.
Die Mehrzahl von Messwerten bzw. die Mehrzahl von Werten des Optimierungskriteriums können hierzu in hierfür ausgelegten Messreihen an repräsentativen elektrisch betreibbaren Maschinen ermittelt werden. Die Messreihen können beispielsweise werkseitig nach Fertigung der elektrisch betreibbaren Maschinen auf repräsentativen Prototypen der Maschinen ausgeführt werden. Die generierten Spannungswerte können nach Erstellung für die Steuerung der jeweiligen elektrisch betreibbaren Maschinen verwendet werden, indem die elektrisch betreibbaren Maschinen zum Betreiben unter der jeweils vorbestimmten Last mit dem jeweiligen optimierten Spannungswert beaufschlagt werden, der gemäß den Messreihen zu dem optimierten Wert geführt hat.
Elektrisch betreibbare Maschinen können im Sinne der Anmeldung elektrische Motoren bzw. elektrische Generatoren sein.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die elektrisch antreibbare Maschine in Abhängigkeit von der oder den ermittelten optimierten Betriebsspannungen angesteuert. Vorzugsweise wird in Abhängigkeit der Last, welche insbesondere mit den Lastströmen korreliert die elektrisch antreibbare Maschine angesteuert.
Nach einer Ausführungsform umfassen die Messwerte die Umgebungsbedingung. Die Umgebungsbedingung entspricht insbesondere einer Temperatur der elektrisch betriebenen Maschine und/oder dem Geräusch der elektrisch betriebenen Maschine und/oder einer Umgebungsfeuchte und/oder einer Drehzahl und/oder eines Drehmoments der als elektrischer Motor ausgebildeten elektrischen Maschine und/oder einer Position eines Rotors relativ zu einem Stator der elektrisch betriebenen Maschine.
Es kann der technische Vorteil erreicht werden, dass eine weitere Präzisierung der bestimmten optimierten Werte der Betriebsspannung und damit verbunden eine weitere Verbesserung der Optimierung des Betriebszustands der elektrisch betreibbaren Maschine ermöglicht ist. Hierzu können Temperatur- oder Feuchteeinflüsse, die den Betrieb der elektrisch betreibbaren Maschine durch Messungen entsprechender Temperaturwerte bzw. Werte der Umgebungsfeuchte berücksichtigt werden. Ferner können Drehzahlen oder Drehmomente der unter der vorbestimmten Last betriebenen elektrisch betreibbaren Maschine oder eine Position eines Rotors relativ zu einem Stator der elektrisch betreibbaren Maschine durch entsprechende Messungen als zusätzliche Informationswerte berücksichtigt werden.
Nach einer Ausführungsform umfasst das Optimierungskriterium: einen Leistungsgrad/Wirkungsgrad der elektrisch betreibbaren Maschine, eine Drehmomentwelligkeit und/oder einen Rippelstrom in einer Steuerung der elektrisch betreibbaren Maschine und/oder ein Temperaturverhalten eines Magnetkreises der elektrisch betreibbaren Maschine und/oder ein Geräuschverhalten der elektrisch betreibbaren Maschine.
Hierdurch kann der technische Vorteil erreicht werden, dass eine Optimierung des Betriebs der elektrisch betreibbaren Maschine mit Bezug auf einen Leistungsgrad bzw. Wirkungsgrad der elektrischen betreibbaren Maschine, mit Bezug auf eine Drehmomentwelligkeit und/oder mit Bezug auf einen Rippelstrom in einer Steuerung der elektrisch betreibbaren Maschine und/oder mit Bezug auf ein Temperaturverhalten eines Magnetkreises der elektrisch betreibbaren Maschine erzielt werden kann.
Vorteilhaft ist, dass durch die Berücksichtigung des Magnetkreisspannungsabfalls des Magnetkreises der elektrisch betreibbaren Maschine real existierende, wirkende und wirkungsbegleitende Komponenten des Magnetkreises, wie beispielsweise die lastabhängige Flussverkettung, Eisenverluste in Form von Hysterese und Wirbelstromverlusten, Design- und Fertigungsabweichungen, Toleranzen und Magnetisierungsabweichungen sowie mechanische Verluste in Form von Strömungs-, Reibungs- bzw. Lagerverlusten, insbesondere im Magnetkreis der elektrisch betreibbaren Maschine, auftreten, in der Optimierung des Betriebs der elektrisch betreibbaren Maschine berücksichtigt werden können. Hierdurch kann eine präzisere Optimierung des Betriebs der elektrischen Maschine erreicht werden.
Nach einer Ausführungsform werden die Werte der Betriebsspannung und des Laststroms zeitsimultan und positionssimultan ermittelt.
Hierdurch kann der technische Vorteil erreicht werden, dass durch die Position und zeitsimultane Bestimmung der Betriebsspannung und des Laststroms Maschineneigenschaften für den jeweiligen Messpunkt des Laststroms bzw. der angelegten Betriebsspannung abgebildet werden können. Hierdurch kann wiederum eine weitere Präzisierung der Optimierung des Betriebs der elektrisch betreibbaren Maschine erreicht werden.
Nach einer Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner:

Bereitstellen einer Datenbank, wobei die Datenbank für eine Mehrzahl bestimmter optimierter Werte der Betriebsspannung umfasst.

Hierdurch kann der technische Vorteil erreicht werden, dass durch die bereitgestellte Datenbank, in der für verschiedene Werte der Last der elektrisch betriebenen Maschine entsprechende optimierte Werte der Betriebsspannung abgebildet sind, eine optimierte Steuerung der elektrisch betreibbaren Maschine erreicht werden kann. Indem die entsprechend bereitgestellte Datenbank in einer Steuerung der elektrisch betreibbaren Maschine gespeichert wird, können während des Betriebs der elektrisch betreibbaren Maschine durch die Steuerung für die jeweils ausgewählten Werte der Last, unter der die elektrisch betreibbare Maschine zu betreiben ist, die entsprechend für das optimierte Betriebsspannungswerte ausgelesen werden, und die elektrisch betreibbare Maschine kann entsprechend der Werte der Betriebsspannung angesteuert werden. Hierdurch kann die elektrisch betreibbare Maschine mit einem geringen Aufwand in einem gemäß dem jeweiligen Optimierungskriterium optimierten Betriebszustand angesteuert werden.
Nach einer Ausführungsform umfasst das Optimieren ferner:

Ausführen einer entsprechend trainierten künstlichen Intelligenz auf die Mehrzahl von Messwerten des Laststroms und/oder auf die Mehrzahl von Messwerten der Betriebsspannung U und/oder der Mehrzahl von Werten des Optimierungskriteriums für die Mehrzahl verschiedener vorbestimmter Lasten der elektrisch betriebenen Maschine.

Es kann der technische Vorteil erreicht werden, dass eine präzise Ermittlung der optimierten Werte d der Betriebsspannung und damit verbunden eine präzise Optimierung des Betriebs der elektrisch betreibbaren Maschine ermöglicht ist. Die trainierte künstliche Intelligenz ist hierbei darauf trainiert, basierend auf den Messwerten des Laststroms für die verschiedenen Werte der Last, unter der die elektrisch betreibbare Maschine betrieben wird oder werden soll, und den entsprechenden Werten der jeweils angelegten Betriebsspannung, die an der elektrisch betreibbaren Maschine zum Ausführen unter der vorbestimmten Last angelegt war, für die jeweilige Last optimierte Werte der Betriebsspannung zu ermitteln.
Nach einer Ausführungsform werden die Mehrzahl von Messwerten des Laststroms und/oder auf die Mehrzahl von Messwerten der Betriebsspannung U und/oder die Mehrzahl von Werten der induzierten Spannung durch eine oder eine Mehrzahl von Messreihen einer Mehrzahl von Messungen an einer oder einer Mehrzahl von elektrisch betreibbaren Maschinen für eine Mehrzahl von verschiedenen Lasten und/oder für Umgebungsbedingungen, insbesondere für verschiedene Temperaturen und/oder verschiedene Umgebungsfeuchten und/oder verschiedene Drehmomente der als elektrischer Motor ausgebildeten elektrisch betreibbaren Maschine, bestimmt.
Es kann der technische Vorteil erreicht werden, dass eine präzise Optimierung des Betriebs der elektrisch betreibbaren Maschine erreicht werden kann. Hierzu werden eine Mehrzahl von Messreihen einer Mehrzahl von Messungen an einer oder einer Mehrzahl von elektrisch betreibbaren Maschinen für eine Mehrzahl von verschiedenen Lasten und/oder für verschiedene Temperaturen und/oder verschiedene Umgebungsfeuchten und/oder verschiedene Drehmomente der elektrisch betreibbaren Maschine durchgeführt. Es wird eine entsprechende Mehrzahl von Messwerten des Laststroms und/oder eine Mehrzahl von Werten der induzierten Spannung und/oder der Umgebungsbedingung und die entsprechenden Werte der zum Betrieb der Mehrzahl von elektrisch betreibbaren Maschinen unter der jeweils vorgegebenen Last an den jeweils elektrisch betreibbaren Maschinen anliegenden Betriebsspannungen aufgenommen. Ferner wird die Optimierung des Betriebs der elektrisch betreibbaren Maschine und der Ermittlung der optimierten Werte der Betriebsspannung unter Berücksichtigung der während der Mehrzahl von Messreihen aufgenommenen Werte ausgeführt. Hierdurch kann eine weitere Präzisierung der Optimierung des Betriebs der elektrisch betreibbaren Maschine erreicht werden.
Nach einem weiteren Aspekt wird eine Recheneinheit bereitgestellt, die eingerichtet ist, das Verfahren zum Optimieren eines Betriebs einer elektrisch betreibbaren Maschine nach einer der voranstehenden Ausführungsformen auszuführen.
Nach einem weiteren Aspekt wird ein Computerprogrammprodukt umfassend Befehle bereitgestellt, die bei der Ausführung des Programms durch eine Datenverarbeitungseinheit diese veranlassen, das Verfahren zum Optimieren eines Betriebs einer elektrisch betreibbaren Maschine nach einer der voranstehenden Ausführungsformen auszuführen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der folgenden Zeichnungen erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Optimieren eines Betriebs einer elektrisch betreibbaren Maschine;
2 Graphendarstellungen von Abhängigkeiten von physikalischen Messgrößen einer elektrisch betreibbaren Maschine zu einem elektrischen Winkel eines Rotors der elektrisch betreibbaren Maschine;
3 eine weitere Graphendarstellung einer Abhängigkeit einer weiteren physikalischen Messgröße zu einem elektrischen Winkel;
4 ein Flussdiagramm des Verfahrens zum Optimieren eines Betriebs einer elektrisch betreibbaren Maschine gemäß einer Ausführungsform; und
5 eine schematische Darstellung eines Computerprogrammprodukts.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens 100 zum Optimieren eines Betriebs einer elektrisch betreibbaren Maschine 200.
Im Folgenden ist unter der Betriebsspannung auch die Klemmspannung zu verstehen.
Zum Optimieren des Betriebs einer elektrisch betreibbaren Maschine werden erfindungsgemäß durch eine Recheneinheit 207, die eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren zum Optimieren eines Betriebs einer elektrisch betreibbaren Maschine 200 auszuführen, eine Mehrzahl von Messwerten 201 eines Laststroms I und/oder Betriebsspannung U und/oder Umgebungsbedingung und/oder induzierten Spannung einer unter einer Last betriebenen elektrisch betreibbaren Maschine 200 empfangen.
Die Messwerte 201 des Laststroms I und der Betriebsspannung U bzw. die Werte des Optimierungskriteriums können hierbei durch Ausführung entsprechender Messreihen erstellt werden. Die Messreihen können an repräsentativen elektrisch betreibbaren Maschinen 200 aufgenommen werden, die beispielsweise durch repräsentative Prototypen der elektrisch betreibbaren Maschine 200 gegeben sind. Die Messreihen können beispielsweise werksseitig an einer elektrisch betreibbaren Maschine 200 oder an einer Mehrzahl von elektrisch betreibbaren Maschinen 200 ausgeführt werden.
Es können die elektrisch betreibbaren Maschinen 200 unter verschiedenen Lastwerten betrieben werden und für die jeweiligen Lastwerte Messwerte 201 des Laststroms I, der während des Betriebs der elektrisch betreibbaren Maschine 200 unter dem jeweiligen Lastwert in der elektrisch betreibbaren Maschine 200 auftritt, und Werte der während des Betriebs der elektrisch betreibbaren Maschine 200 unter dem jeweils vorbestimmten Lastwert an der elektrisch betreibbaren Maschine 200 anliegenden Betriebsspannung U und/oder induzierten Spannung und/oder Umgebungsbedingung der elektrisch betreibbaren Maschine 200 aufgenommen werden.
Die entsprechenden Messreihen können hierbei über vorbestimmte Zeiträume durchgeführt werden, während die einzelnen Messwerte 201 bzw. Werte der Betriebsspannung U, des Laststroms I und des Umgebungsbedingung für verschiedene Zeitpunkte aufgenommen bzw. bestimmt werden.
Die elektrisch betreibbaren Maschinen 200 können beispielsweise durch elektrische Motoren gebildet sein. Zur Aufnahme der Messwerte 201 können somit verschiedene Messreihen an einer Mehrzahl von repräsentativen elektrischen Motoren aufgenommen werden, indem die elektrischen Motoren unter vorbestimmten Lastwerten betrieben werden und entsprechende Messwerte 201 des Laststroms I, der Betriebsspannung U und der Umgebungsbedingung aufgenommen werden.
Eine Optimierung erfolgt in Abhängigkeit eines Optimierungskriteriums. Das Optimierungskriterium kann beispielsweise einen Leistungs- bzw. Wirkungsgrad der elektrisch betreibbaren Maschine 200 und/oder eine Drehmomentwelligkeit und/oder einen Rippelstrom in einer Steuerung der elektrisch betreibbaren Maschine 200 und/oder ein Temperaturverhalten (z.B. Oberwellenbedingte Verlusten entgegenwirken), eines Magnetkreises der elektrisch betreibbaren Maschine 200 und/oder Geräuschpegel (NVH) der elektrisch betreibbaren Maschine 200 umfassen.
In der gezeigten 1 sind für eine Mehrzahl von repräsentativen elektrisch betreibbaren Maschinen 200 eine Mehrzahl von Messkurven des Laststroms I und der Betriebsspannung U für verschiedene Lasten, unter denen die elektrisch betreibbaren Maschinen 200 zur Aufnahme der Messwerte 201 betrieben wurden, aufgenommen. In den gezeigten Graphiken sind die entsprechenden Messwerte 201 des Laststroms I und der Betriebsspannung U gegen einen elektrischen Winkel der jeweils einen Rotor und einen Stator umfassenden elektrisch betreibbaren Maschinen 200 aufgetragen.
Die derart erstellten Messwerte 201 des Laststroms I und der Betriebsspannung U werden nach Ausführung der Messreihen, durch die zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Optimieren eines Betriebs einer elektrisch betreibbaren Maschine 200 ausgebildete Recheneinheit 207 empfangen.
Basierend auf den empfangenen Messwerten 201 des Laststroms I bzw. der Betriebsspannung U und dem Optimierungskriterium wird darauffolgend der Betrieb einer elektrisch betreibbaren Maschine 200 optimiert. Hierdurch wird für jeden der vorbestimmten Lastwerte, für den die jeweiligen Messwerte 201 der Betriebsspannung U, des Laststroms I Umgebungsbedingung bestimmt wurden, ein optimierter Wert der Betriebsspannung U ermittelt. Anhand der erfassten Messwerte wird die Betriebsspannung angepasst. Das angepasste Betriebsspannung führt zu einem optimierten Betrieb.
Dies kann dadurch bewirkt werden, dass eine entsprechend trainierte künstliche Intelligenz 205 auf die jeweils empfangenen Messwerte 201 des Laststroms I, der Betriebsspannung U, der induzierten Spannung ausgeführt wird. Die entsprechend trainierte künstliche Intelligenz 205 ist hierbei darauf trainiert, basierend auf Messwerten 201 einer Betriebsspannung U, eines Laststroms I und eines entsprechend vorausgewählten Optimierungskriteriums für einen vorbestimmten Lastwert einen optimierten Wert der Betriebsspannung U zu ermitteln.
Erfindungsgemäß können die für die jeweiligen vorbestimmten Lastwerte ermittelten optimierten Werte der Betriebsspannung U in entsprechenden Datenbanken 203 bereitgestellt werden. Die entsprechend bereitgestellten Datenbanken 203 können darauffolgend für die Steuerung einer elektrisch betreibbaren Maschine 200, die von einem vergleichbaren Typ ist wie die elektrisch betreibbaren Maschinen 200, die zur Ausführung der Messreihen und die Generierung der Messwerte 201 der Betriebsspannung U und des Laststroms I verwendet wurden, berücksichtigt werden. Die entsprechend generierten Datenbanken 203 können hierbei in einer Steuerung der zu steuernden elektrisch betreibbaren Maschine 200 gespeichert werden. Während der Steuerung der elektrisch betreibbaren Maschine 200 kann somit für eine vorbestimmte Last, unter der die elektrisch betreibbare Maschine 200 zu betreiben ist, die entsprechend in der Datenbank 203 hinterlegte optimierte Betriebsspannung U ausgelesen und die elektrisch betreibbare Maschine 200 gemäß der ausgelesenen optimierten Betriebsspannung U beaufschlagt und somit in optimiertem Betriebszustand betrieben werden.
Neben der Betriebsspannung U, dem Laststrom I können während der Messreihen ferner die Umgebungsbedingung, insbesondere eine Temperatur der jeweiligen elektrisch betreibbaren Maschine 200 bzw. eine Umgebungstemperatur, eine Umgebungsfeuchte, eine Drehzahl und/oder ein Drehmoment der elektrisch betreibbaren Maschine 200, eine Position eines Rotors relativ zu einem Stator der elektrisch betreibbaren Maschine 200 für die jeweils vorbestimmten Lastwerte ermittelt werden. Die derart ermittelten physikalischen Größen können darauffolgend für die Optimierung des Betriebszustands der elektrisch betreibbaren Maschine 200 berücksichtigt werden.
Gemäß einer Ausführungsform werden die Messwerte 201 des Laststroms I und der Betriebsspannung U während der Messreihen zeitsimultan und positionssimultan zueinander aufgenommen.
Vorzugsweise wird zum Optimieren des Betriebszustands basierend auf den Werten der Betriebsspannung U, des Laststroms I und unter Berücksichtigung einer elektrisch betreibbaren Maschine 200 und unter Berücksichtigung eines spezifischen ohmschen Widerstands R von elektrisch leitfähigen Komponenten der elektrisch betreibbaren Maschine 200 für die verschiedenen Werte der vorbestimmten Last der elektrisch betreibbaren Maschine 200 ein Magnetkreisspannungsabfall U_mag eines Magnetkreises der elektrisch betreibbaren Maschine 200 gemäß der folgenden Relation bestimmt: $U_{i n n} = U - i * R$
$U_{m a g} = U_{i n n} - U_{i n d}$
$U_{m a g} = U - i * R - U_{i n d}$
U_mag stellt hierbei den Magnetkreisspannungsabfall innerhalb des Magnetkreises, U die Betriebsspannung, I den Laststrom und R den ohmschen Widerstand der elektrisch betreibbaren Maschine 200 dar. U_mag beschreibt hierbei die real existierenden und wirkenden bzw. wirkungsbegleitenden Komponenten des Magnetkreises. U_mag berücksichtigt beispielsweise die lastabhängige Flussverkettung des magnetischen Flusses innerhalb des Magnetkreises über die Zeit/Position des Rotors relativ zum Stator, Eisenverluste, wie beispielsweise Hysterese und Wirbelstromverluste innerhalb des Magnetkreises, Design und Fertigungsabweichungen, beispielsweise statische und dynamische Elektrizität betreffend, Toleranzspiele oder Aufmagnetisierungsabweichungen wie auch mechanische Verluste in Form von Strömungs-, Reibungs- bzw. Lagerverlusten, die während des Betriebs der elektrisch betreibbaren Maschine 200 innerhalb des Magnetkreises auftreten können und den Betrieb der elektrisch betreibbaren Maschine 200 beeinflussen.
U_mag ist Funktion von U_ind, Strom i und dem entsprechend von Betriebsspannung U. $U_{m a g} = ƒ (U_{i n d}; U; i) .$
Der Magnetkreisspannungsabfall U_mag ergibt sich hierbei aus den nicht-linearen Spannungsanteilen der Betriebsspannung, auch bezeichnet als Klemmspannung U.
I * R ist der ohmsche Spannungsabfall des aktiven Widerstands der Phase der Maschine 200. U_mag beschreibt den nicht-linearen Anteil der Betriebsspannung U in Form des Magnetkreisspannungsabfalls. U_mag ist die Betriebsspannung minus die induzierte Spannung U_ind und den ohmschen Spannungsabfall I*R. Dies ist insbesondere auch in 2 Grafik d dargestellt.
Im Folgenden ist die Maxwellsche Gleichung 8auch bekannt als Induktionsgesetz) dargestellt. Die Gleichung umfasst die Klemmenspannung U, den ohmschen Spannungsabfall I*R und das Spannungsintegral. $U - i * R - ∳ E d s = I * R + \sum_{r = 1}^{w} \frac{d ϕ}{d t} = I * R + w * \frac{d ϕ}{d t}$
In der gezeigten Relation wird die integrale Form des Induktionsgesetzes genutzt. Ferner wird für die zweite Relation die Flussverkettung der einzelnen Windungen der Spulen des Magnetkreises der elektrisch betreibbaren Maschine 200 in Summenform verwendet, wobei Φ den magnetischen Fluss und w die Anzahl der Windungen der Spule des Magnetkreises darstellen.
Zwischen den Wicklungsdrähten der Spulen des Magnetkreises der elektrisch betreibbaren Maschine 200 ergibt sich aus der Überlagerung des ohmschen Spannungsabfalls I*R des ohmschen Widerstands R des Drahtes der Spule und der Variation des magnetischen Flusses über die Zeit innerhalb des Magnetkreises ein Spannungsabfall.
2 zeigt graphische Darstellungen von Abhängigkeiten von physikalischen Messgrößen einer elektrisch betreibbaren Maschine 200 zu einem elektrischen Winkel eines Rotors der elektrisch betreibbaren Maschine 200.
2 zeigt eine Mehrzahl graphischer Darstellungen einer Mehrzahl verschiedener physikalischer Messgrößen, die während der Messreihen für verschiedene Werte der Last, unter denen die elektrisch betreibbaren Maschinen 200 betrieben wurden, über vorbestimmte Zeiträume aufgenommen wurden. Die verschiedenen physikalischen Größen sind analog zu 1 jeweils in Relation zum elektrischen Winkel der elektrisch betreibbaren Maschine 200 dargestellt. In Graphik a ist der Laststrom I der elektrisch betreibbaren Maschine 200 dargestellt. Der Strom wird hierbei gemessen. In Grafik b ist die Betriebsspannung U der elektrisch betreibbaren Maschine 200 dargestellt. Es handelt sich hierbei um die Spannung, welche an den Klemmen gemessen wird. Diese Spannung wird auch als Betriebsspannung oder Klemmspannung U bezeichnet.
Die Betriebsspannung oder Klemmenspannung, wird zusammen mit Laststrom I an der Klemme der Phase der Maschine 200 bei insbesondere einer bestimmten Drehzahl n gemessen.
Die Messung der Spannung U erfolgt gleichzeitig mit der Messung des Stroms I. In Graphik c ist die induzierte Spannung U_ind des Magnetkreises der elektrisch betreibbaren Maschine 200 dargestellt. Die Maschine 200 befindet sich hierbei im Leerlauf. Es wird lediglich durch die Drehung erzeugte induzierte Spannung U_ind erfasst. U_ind wird an der gleichen Klemme der Maschine 200, wie die Betriebsspannung oder Klemmspannung, ohne Laststrom I mit gleicher Drehzahl n gemessen. U_ind ist mit einem fixierten physikalischen Design und Materialeisatz verbunden und ist für jedem Muster/ Charge/ Serienabschnitt von Drehzahl n und Umgebungsbedingungen abhängig. Umgebungsbedingungen sind beispielsweise Temperatur, Feuchtigkeit, chemischen „Aggressivität“ der Umgebung (Salz, Staub, Säuren).
In Graphik d ist der Magnetkreisspannungsabfall, bzw. die innere Magnetkreisspannung U_mag des Magnetkreises der elektrisch betreibbaren Maschine 200 dargestellt. U_mag entspricht U minus R*I minus U_ind. In Graphik e ist der magnetische Fluss Psi zur Klemmspannung U innerhalb des Magnetkreises der elektrisch betreibbaren Maschine 200 dargestellt. In Graphik f ist der magnetische Fluss zur induzierten Spannung PSI_ind innerhalb des Magnetkreises der elektrisch betreibbaren Maschine 200 dargestellt.
Die in den Graphiken a bis f dargestellten physikalischen Größen können jeweils in der Optimierung des Betriebszustands der elektrisch betreibbaren Maschine 200 berücksichtigt werden.
3 zeigt eine weitere graphische Darstellung einer Abhängigkeit einer weiteren physikalischen Messgröße von einem elektrischen Winkel eines Rotors der elektrisch betreibbaren Maschine 200.
3 zeigt in einer weiteren graphischen Darstellung eine Abhängigkeit einer Sättigungsinduktivität L_inn relativ zum elektrischen Winkel der elektrisch betreibbaren Maschine 200. Die Sättigungsinduktivität L_inn ist hierbei für verschiedene Lasten der elektrisch betreibbaren Maschine 200 aufgenommen. In 3 ist in durchgezogener Linie eine d-Sättigungsinduktivität L_{d_inn} und in gepunkteter Linie eine q-Sättigungsinduktivität L_{q_inn} dargestellt.
4 zeigt ein Flussdiagramm des Verfahrens 100 zum Optimieren eines Betriebs einer elektrisch betreibbaren Maschine 200 gemäß einer Ausführungsform.
Erfindungsgemäß wird in einem ersten Verfahrensschritt 101 eine Mehrzahl von Messwerten 201 eines Laststroms I, einer Betriebsspannung U und einer induzierten Spannung U_ind und einer Umgebungsbedingung aufgenommen. Die Messwerte 201 können in einer Mehrzahl von Messungen einer Messreihe an einer elektrisch betreibbaren Maschine 200 oder an einer Mehrzahl elektrisch betreibbarer Maschinen 200 aufgenommen sein.
Es können als Umgebungsbedingung insbesondere Werte einer Temperatur der elektrisch betreibbaren Maschine 200, einer Umgebungstemperatur, einer Umgebungsfeuchte, einer Drehzahl oder eines Drehmoments der elektrisch betreibbaren Maschine 200, einer Position eines Rotors relativ zu einem Stator der elektrisch betreibbaren Maschine 200 während der Messreihen für verschiedene Werte der Last der elektrisch betreibbaren Maschine 200 empfangen werden.
Die Betriebsspannung oder Klemmenspannung wird zusammen mit dem Laststrom I an der Klemme der Phase der Maschine 200 bei insbesondere einen bestimmten Drehzahl n gemessen. U_ind wird an der gleichen Klemme der Maschine 200 ohne Laststrom I mit gleichen Drehzahl n gemessen.
Gemäß einer Ausführungsform werden die Betriebsspannung U und der Laststrom I während der Messreihen zeitsimultan und positionssimultan ermittelt.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Optimierungskriterium einen Leistungs- bzw. Wirkungsgrad der elektrisch betreibbaren Maschine 200, eine Drehmomentwelligkeit einen Rippelstrom in einer Steuerung der elektrisch betreibbaren Maschine 200, ein Temperaturverhalten eines Magnetkreises der elektrisch betreibbaren Maschine 200 oder eine Kombination der genannten Messgrößen.
Nach Empfang der genannten Messwerte 201 wird in einem Verfahrensschritt 102 die Magnetkreisspannungsabfälle U_mag ermittelt. Es wird die U_mag berechnet. U_mag ist Funktion von U_ind, Laststrom I und dem entsprechend U. $U_{m a g} = U - i * R - U_{i n d}$
Durch Messungen eines Musters oder einer Charge mit bestimmten Lasten (mehrere Ströme und Betriebsspannungswerte) und/oder Umgebungsbedingungen, insbesondere Drehzahlen und/ oder insbesondere mehreren Messbedingungen (insbesondere Umgebungsbedingungen, Hardware oder Software-Parameteränderungen) entstehen eine Matrix der U_mag.
Diese Matrizen beschreiben genau das Verhalten der elektrisch antreibbaren Maschine 200 (Muster/ Charge/ Serie/ bei diesen Messbedingungen). Entsprechend diesen Verhaltens-Bild (Matrizen) kann entsprechende Anpassungen für die Betriebsspannung U (insbesondere auch den Laststrom) treffen um die Maschine 200 maximal optimal dem Design/ Auslegung entsprechend betreiben (insbesondere geräusch-/ vibrationsarm/ temperaturneutral/ leistungs- und wirkungsvoll etc.).
In Verfahrensschritt 103 wird der Betriebszustand der elektrisch betreibbaren Maschine 200 optimiert, indem für die jeweiligen Werte der Last der elektrisch betreibbaren Maschine 200 optimierte Werte der Betriebsspannung U basierend auf der Mehrzahl empfangener Messwerte 201 ermittelt werden.
In einem optionalen Verfahrensschritt 107 wird hierzu insbesondere eine künstliche Intelligenz 205 auf die Mehrzahl der empfangenen Messwerte 201 ausgeführt.
In einem weiteren Verfahrensschritt 105 wird eine Datenbank 203 bereitgestellt, die die jeweils in der Optimierung des Betriebszustands der elektrisch betreibbaren Maschine 200 generierten optimierten Werte der Betriebsspannung U für die verschiedenen Werte der Last umfasst.
5 zeigt eine schematische Darstellung eines Computerprogrammprodukts 300, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch eine Recheneinheit 207 dieses veranlassen, das Verfahren 100 zum Optimieren eines Betriebs einer elektrisch betreibbaren Maschine auszuführen.
Das Computerprogrammprodukt 300 ist in der gezeigten Ausführungsform auf einem Speichermedium 301 gespeichert. Das Speichermedium 301 kann hierbei ein beliebiges aus dem Stand der Technik bekanntes Speichermedium sein.

Claims

Verfahren (100) zum Optimieren eines Betriebs einer elektrisch betreibbaren Maschine (200), welche eine oder mehrere Phasen aufweist, umfassend: - Empfangen (101) einer Mehrzahl von Messwerten (201) einer Betriebsspannung (U) und/oder eines Laststroms (I) und/oder einer induzierten Spannung (U_ind) an einer oder mehrerer Phasen der elektrisch betreibbaren Maschine (200) und eine Umgebungsbedingung, wobei die induzierte Spannung (U_ind) jeweils an der gleichen Phase ohne angelegtem Laststrom (I) ermittelt wird; - Ermitteln (102) einer Mehrzahl von Magnetkreisspannungsabfällen (U_m-ag) des Magnetkreises der elektrisch betreibbaren Maschine (200) in Abhängigkeit von den empfangenen Messwerten, $U_{m a g} = ƒ (U_{i n d}; U; i);$
- Ermitteln (103) eines optimierten Betriebszustands der elektrisch betreibbaren Maschine (200) durch Bestimmen von optimierten Werten der Betriebsspannung (U) in Abhängigkeit von den ermittelten Magnetkreisspannungen (U_mag) und einem Optimierungskriterium.
Verfahren (100) nach Anspruch 1, umfassend den Schritt: - Ansteuern der elektrisch antreibbaren Maschine (200) in Abhängigkeit von der oder den ermittelten optimierten Betriebsspannungen (U).
Verfahren (100) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Umgebungsbedingung die Temperatur der elektrisch betriebenen Maschine (200) und/oder dem Geräusch der elektrisch betriebenen Maschine (200) und/oder einer Umgebungsfeuchte und/oder einer Drehzahl der elektrisch betriebenen Maschine (200) und/oder eines Drehmoments der als elektrischer Motor ausgebildeten elektrisch betreibbaren Maschine (200) und/oder einer Position eines Rotors relativ zu einem Stator der elektrisch betriebenen Maschine (200) umfasst.
Verfahren (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Optimierungskriterium umfasst: ein Leistungs-/ Wirkungsgrad der elektrisch betreibbaren Maschine, eine Drehmomentwelligkeit und/oder einen Rippelstrom in einer Steuerung der elektrisch betreibbaren Maschine (200) und/oder Geräuschverhalten und/oder ein Temperaturverhalten eines Magnetkreises der elektrisch betreibbaren Maschine (200).
Verfahren (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Werte (201) der Betriebsspannung (U) und des Laststroms (I) zeitsimultan und positionssimultan ermittelt werden.
Verfahren (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Messwerte mit variierenden Lasten ermittelt werden.
Verfahren (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, ferner umfassend: - Bereitstellen (105) einer Datenbank (203), wobei die Datenbank eine Mehrzahl bestimmter optimierter Werte der Betriebsspannung (U) umfasst.
Verfahren (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei das Optimieren (103) ferner umfasst: - Ausführen (107) einer entsprechend trainierten künstlichen Intelligenz (205) zur Ermittlung des optimierten Werts.
Verfahren (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Mehrzahl von Messwerten (201) des Laststroms (I) und/oder auf die Mehrzahl von Messwerten (201) der Betriebsspannung U und/oder die Mehrzahl von Werten der induzierten Spannung und/oder der Werte der Umgebungsbedingung durch eine oder eine Mehrzahl von Messreihen einer Mehrzahl von Messungen an einer oder einer Mehrzahl von elektrisch betreibbaren Maschinen (200) für eine Mehrzahl von verschiedenen Lasten und/oder Umgebungsbedingungen bestimmt werden.
Recheneinheit (207), die eingerichtet ist, das Verfahren (100) zum Optimieren eines Betriebs einer elektrisch betreibbaren Maschine (200) nach einem der voranstehenden Ansprüche 1 bis 9 auszuführen.
Computerprogrammprodukt (300) umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch eine Datenverarbeitungseinheit diese veranlassen, das Verfahren (100) zum Optimieren eines Betriebs einer elektrisch betreibbaren Maschine (200) nach einem der voranstehenden Ansprüche 1 bis 9 auszuführen.